WO2005124881A1 - 熱電変換素子 - Google Patents

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temperature
conversion element
temperature side
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Koh Takahashi
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Aruze Corp.
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    • H10N10/855—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising compounds containing boron, carbon, oxygen or nitrogen
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion element module, and more particularly to a single thermoelectric semiconductor element.
  • thermoelectric conversion refers to the mutual conversion of thermal energy and electric energy using the Söbeck effect and the Peltier effect. If thermoelectric conversion is used, it is possible to take out thermo-hydraulic power using the Seebeck effect, or to absorb heat by flowing electric current through a material using the Peltier effect to cause a cooling phenomenon. In addition, since thermoelectric conversion is a direct conversion, it does not discharge excess waste during energy conversion, it allows effective use of exhaust heat, and movable devices such as motors and turbines are used. Since it is unnecessary, there is no need for maintenance! It has features such as high efficiency of energy use.
  • thermoelectric conversion elements Metal or semiconductor elements called thermoelectric conversion elements are usually used for thermoelectric conversion. As shown in FIG. 4, an n-type semiconductor 6 and a p-type semiconductor 7 are provided on a substrate 5, Adjacent semiconductors are connected to each other by electrodes 8. Since the performance of the thermoelectric conversion element depends on the shape and material of these semiconductors, various studies have been made to improve the performance. Such studies include, for example, improving the thermoelectric characteristics of a thermoelectric conversion element (see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-211944
  • thermoelectric conversion element disclosed in Patent Document 1 is composed of ⁇ containing Sn and Z or Pb.
  • thermoelectric conversion material is also used j8- FeSi thermoelectric conversion element is used.
  • thermoelectric conversion materials contain a certain amount of Fe, Si, Mn, Co, etc.
  • a eutectic alloy of a metal phase and an ⁇ phase obtained by melting and solidifying a dopant that determines the conductivity type of) is subjected to a long-term heat treatment, and the phase is changed to the ⁇ phase, which is a semiconductor. It is known that, during the j8 phase transition, the j8 phase transition is promoted by addition of some of the Group XI or X elements, such as Cu.
  • these phase change accelerators do not contribute to improving the thermoelectric conversion efficiency of ⁇ -FeSi-based materials. This is,
  • thermoelectric conversion elements are generally p-type and n-type single element elements, and each of the single elements has different semiconductor characteristics.
  • the output becomes unstable due to the thermoelectric conversion elements having irregular thermoelectric characteristics as a whole, and impedance matching between these thermoelectric conversion elements and the load is hardly achieved, and the overall conversion efficiency is reduced. May be significantly lower than the conversion efficiency of each single element.
  • each element may be distorted due to uneven thermal expansion coefficient between the p-type and n-type elements, and the adhesive between the single element and the electrode may be peeled off.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to solve the above-described reduction in conversion efficiency due to the uneven semiconductor characteristics of the p-type and n-type thermoelectric conversion elements. It is still another object of the present invention to provide a thermoelectric conversion element in which a decrease in adhesive strength between each element and an electrode caused by a coefficient of thermal expansion between the thermoelectric conversion elements is prevented. Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element module that improves thermoelectric conversion efficiency by devising the structure of a single element and that is easy to assemble.
  • the present invention provides the following.
  • a thermoelectric conversion element module that generates electric power by a temperature difference from a cooling surface to be heated, wherein the single element includes a sintered body cell made of a composite metal oxide, and a surface of the sintered body cell on the heating surface side.
  • the electrode on the cooling surface side and the electrode on the heating surface side of the single element adjacent to each other are connected to each other with a lead wire narrower than the width of one side of these electrodes. Thermoelectric conversion element.
  • thermoelectric conversion elements are formed of semiconductors of the same size and the same shape, the semiconductor characteristics of each single element can be unified. As a result, the conversion efficiency can be improved as compared with the conventional thermoelectric conversion element. Further, the heat resistance and the mechanical strength can be improved by forming the single element with the sintered body cell of the composite metal oxide.
  • thermoelectric conversion element module refers to a single element including a thermoelectric conversion element and other members (for example, insulators) connected to each other by electrodes on a substrate.
  • single element refers to a sintered body cell formed in a predetermined shape, a surface defined as a heating surface of the sintered body cell, and a cooling surface located on a surface opposite to the heating surface. This refers to the connection of electrodes to specified surfaces.
  • the shape of the "sintered body cell” is not particularly limited, but is preferably a simple cuboid, for example, a rectangular parallelepiped or a cubic in order to obtain high thermoelectric conversion efficiency.
  • the size of the "electrode” connected to the sintered body cell is substantially the same as the heating surface and the cooling surface in order to improve the thermoelectric conversion efficiency, and has a shape that covers each surface. It is preferred that Here, “substantially the same” means that the area of the heating surface and the cooling surface that is larger than the area of the heating surface and the cooling surface and the total area of the four side surfaces of the sintered body cell are smaller than the total area. . Furthermore, the “lead wire” connected to this electrode may be formed integrally with the electrode.
  • the lead wire is shorter (narrower) than the width of one side of the electrode on the heating surface and cooling surface side, and the ratio of the electrode area to the cross-sectional area of the lead wire is from 1000: 2 to 1000: 35. More preferably, the ratio is from 1,000: 5 to 1,000: 25. If the lead wire is too thick, there is no temperature difference, which is not preferable. Also, if the lead wire is too thin, no current can flow.
  • the material of the electrode and the lead wire may be a highly conductive metal such as gold, silver, copper, and aluminum. These are preferably the same!
  • the average thermal conductivity of the lead wire is ⁇ , its cross-sectional area is S,
  • the thermal resistance R between the two surfaces And R is it
  • the ratio R of the amount of heat carried by the single element to the amount of heat carried by the lead wire is as follows.
  • thermoelectric conversion element according to (1), wherein the single elements are connected in series.
  • the structure is simplified, and the device can be manufactured more easily.
  • the manufacturing process is simplified, which leads to a reduction in manufacturing costs.
  • thermoelectric conversion element according to (1) or (2), wherein the constituent elements of the composite metal oxide are an oxidized product of an alkaline earth metal, a rare earth, and manganese.
  • the heat resistance at a high temperature can be further improved by using the oxide metal of the composite metal element as the metal oxide, an alkaline earth metal, a rare earth, and manganese as constituent elements. It can be improved. It is preferable to use calcium as the alkaline earth metal element. It is preferable to use yttrium or lanthanum as the rare earth element. Specific examples include perovskite-type CaMnO-based composite oxidants. Perovskite-type CaMnO-based composite
  • the oxide has the general formula Ca M MnO (M is yttrium or lanthanum, 0.001 ⁇ x ⁇ 0.05) is more preferable.
  • thermoelectric conversion element of the present invention the conversion efficiency can be improved by using a single element having the same semiconductor power. Further, since the structure is simpler than that of the conventional thermoelectric conversion element, it can be easily manufactured, which leads to a reduction in manufacturing cost. Furthermore, the mechanical strength can be improved by constituting the single element with a sintered body cell of the composite metal oxide.
  • FIG. 1A is a top view showing a thermoelectric conversion element module according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a detailed view showing a thermoelectric conversion element module according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1C is a perspective view showing a thermoelectric conversion element module according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a view illustrating a step of manufacturing a thermoelectric conversion element according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a detail drawing for explaining the manufacturing step of the thermoelectric conversion element according to the preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2C is a perspective view showing a part of electrodes and leads of the thermoelectric conversion element according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining a manufacturing process of another modified example of the thermoelectric conversion element according to the preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a top view showing a conventional thermoelectric conversion element.
  • FIG. 1A is a top view showing a thermoelectric conversion element module 10 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the portion of X is extracted, and it is transmitted through the 1S substrate 12, which is a view of the back side force (bottom view).
  • a single element 13 of the same type made of a sintered body is formed on a substrate 12.
  • the surface in contact with the substrate 12 is a cooling surface 15, and the surface opposite to the cooling surface is a heating surface 14.
  • a film-shaped electrode having the same size as the area of the heating surface 14 is attached to the heating surface 14 so as to be integrated with the sintered body cell.
  • an n-type semiconductor is used, but is not limited thereto.
  • FIG. 1C is a perspective view showing an appearance of the thermoelectric conversion element module 10 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Each single element 13 is sandwiched between the substrate 5 and the substrate 12 and is connected in series by a lead wire 16.
  • the lead wire 16 is provided on these surfaces, and the electrode 19a on the heating surface side of a certain single element 13 and the single element adjacent to the single element Are connected in series by being connected to the electrode 19b on the cooling surface side.
  • a conductive ribbon narrower than the electrodes 19a and 19b was attached to the end of the electrode 19a on the heating surface side, and the extended one was bent downward and reached the substrate 12 By the way, it is performed by further bending in a crank shape so as to enter the lower side of the adjacent single element.
  • thermoelectric conversion element module 10 when the substrate 12 is heated and the cooling surface of the single element 13 is cooled, the heat energy absorbed from the substrate 12 is converted into electric energy. The obtained electric energy is collected by a current collector 17, from which power is supplied to external electrodes. On the other hand, when the substrate 12 is heated, the heat is The heat is transmitted to the upper surface (cooling surface) of 13 and the temperature may increase to lower the conversion efficiency.
  • a thin film is used for the lead wire 16.
  • the thickness of the thin film used for the lead wire 16 is preferably 50 m, and the material thereof is not particularly limited. It is good.
  • FIG. 2A is a perspective view showing a manufacturing process of the thermoelectric conversion element module 10 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the lead wire 16 is connected so as to connect the electrode on the cooling surface of the single element 13 and the electrode on the heating surface of the adjacent single element.
  • the assembling is performed by attaching a lead wire 16 to a heating surface of a sintered body cell 18 integrally formed with an electrode, and attaching a single element 13 to a substrate 12 so as to be connected in series with each other.
  • the conversion efficiency of the thermoelectric conversion element module 10 depends on the pitch and size between each single element.
  • the size of a single element is 5mmX 5mn in area! ⁇ 20mm X 20mm, height is lmn!
  • the pitch P between the single elements which is preferably from 5 mm to 5 mm, is preferably from 0.1 mm to 5 mm, and more preferably from 0.5 mm to 2 mm.
  • the pitch P force is smaller than .1 mm, the degree of integration will increase, but thermal problems will occur.
  • FIG. 2B shows another embodiment in which the electrode 19 ′ and the lead wire are integrated with respect to the Y portion.
  • a part of the electrode 19a 'on the heating surface side is bent downward, and when it reaches the substrate 12, it is further bent in a crank shape, so as to be below the adjacent unit element 13'. I try to get into the side.
  • the electrode 19b on the cooling surface side may have the same size as the above embodiment.
  • FIG. 2C is a perspective view showing a typical electrode 19 a ′ and a part of the lead 16. It can be seen that the area S of the electrode 19a 'is sufficiently larger than the cross-sectional area S of the lead wire 16.
  • FIG. 3 is a perspective view showing another manufacturing process of the thermoelectric conversion element module 1 ( ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) according to another preferred embodiment of the present invention.
  • the electrode on the heating surface side of the single element is shown.
  • the size of 19a ⁇ is larger than that of the sintered body cell 18.
  • the electrode 19b on the cooling surface side may have the same size as that of the above embodiment.
  • the electrodes 19 to protrude from the sintered body cell 18 and serve as eaves. Was Therefore, there is an advantage that the temperature difference between the upper and lower portions of the sintered body cell 18 having a large effect of shielding heat downward can be increased, and the power generation efficiency can be improved.
  • thermoelectric conversion element ⁇ Assembly of thermoelectric conversion element>
  • 100 single elements are placed on an alumina (Al 2 O 3) substrate of 100 mm X 100 mm X 2 mm.
  • thermoelectric conversion element was obtained by heating at 700 ° C for 30 minutes while applying light pressure to the vertical force (Fig. 1A).
  • thermoelectric conversion element The lower surface of the thermoelectric conversion element was heated by a heater, and the upper surface was cooled to give a temperature difference of approximately 160K to the upper and lower surfaces. As a result, an open-circuit voltage of 2.32V and a maximum output of 1.02W were obtained. .

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Abstract

　半導体特性の不揃いに起因する変換効率の低下を解消し、さらに、各熱電変換素子間の熱膨張係数に起因する各素子と電極間との接着強度の低下が防止された熱電変換素子を提供する。また、単素子の構造に工夫を加えることにより熱電変換効率の向上を図る。熱電変換素子（１０）の基板（５、１２）上に、金属元素の酸化物と希土類元素の酸化物とマンガンとを含む焼結体セルで構成された同型の半導体からなる単素子（１３）が配置させ、冷却面と加熱面には膜状の薄膜電極が焼結体セルと一体になるように取り付け、またこれらの面上にリード線（１６）を直列に接続させた。

Description

明 細 書
熱電変換素子
技術分野
[0001] 本発明は、熱電変換素子モジュールに関し、特に単一の熱電半導体力 なる単素 子に関する。
背景技術
[0002] 熱電変換とは、セーベック効果やペルチェ効果を利用して、熱エネルギと電気エネ ルギとを相互に変換することをいう。熱電変換を利用すれば、ゼーベック効果を用い て熱流力 電力を取り出したり、ペルチェ効果を用いて材料に電流を流すことで吸熱 し、冷却現象を起こしたりすることが可能である。また、熱電変換は、直接変換である がためにエネルギ変換の際に余分な老廃物を排出しな 、こと、排熱の有効利用が可 能であること、モータやタービンのような可動装置が不要であるためメンテナンスの必 要がな!、こと等の特徴を有しており、エネルギの高効率利用技術として注目されて ヽ る。
[0003] 熱電変換には通常、熱電変換素子と呼ばれる金属や半導体の素子が用いられて おり、図 4に示すように、基板 5上に n型半導体 6と p型半導体 7とが設置され、隣接す る半導体同士が電極 8で相互に接続されている。この熱電変換素子の性能は、これ らの半導体の形状や材質に依存することから、性能を向上させるために様々な検討 が行われている。そのような検討としては例えば、熱電変換素子の熱電特性を向上さ せることが挙げられる (特許文献 1参照)。
特許文献 1：特開平 7— 211944号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] ここで、特許文献 1に開示されて!ヽる熱電変換素子は、 Sn及び Z又は Pbを含む β
-FeSi系熱電変換材料力もなる j8— FeSi系熱電変換素子を用いている。このた
2 2
め、低い熱伝導率を有することによって、高い熱電変換効率を得ることが可能となつ ている。また、 β FeSi系熱電変換材料は、所定量の Fe、 Si、及び Mnや Coなど の導電型を決定するドーパントを溶解及び凝固させて得られる金属相 相と ε相の 共晶合金）に長時間の熱処理を施し、半導体である β相に相転移して製造される。こ の j8相転移に際しては、第 XI族、あるいは第 X族元素のうち、 Cuなどの一部の元素 の添カ卩により j8相の相転移を促進させることが知られている。しかし、これらの相転移 促進材は、 β -FeSi系材料の熱電変換効率の向上には何ら寄与しない。これは、
2
Cu等の促進材が |8— FeSi結晶に固溶するのではなぐ j8相結晶の粒界に金属 Cu
2
として存在することから、 β -FeSiの半導体特性に寄与しなくなるためであると考え
2
られている。
[0005] このような従来の熱電変換素子は、一般的には p型と n型の単素子力 なり、それぞ れの単素子の半導体特性が異なる。これによつて、全体として不揃な熱電特性を有 する熱電変換素子となるために出力が安定せず、これらの熱電変換素子と負荷との 間のインピーダンス整合がとれにくくなり、全体の変換効率が個々の単素子の変換効 率よりも大幅に下回るおそれがある。更に、 p型と n型素子間の熱膨張係数の不揃い により各素子が歪み、単素子と電極間の接着が剥がれるおそれもある。
[0006] 本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、上述した p型 と n型の熱電変換素子の半導体特性の不揃いに起因する変換効率の低下を解消し 、さらに、各熱電変換素子間の熱膨張係数に起因する各素子と電極間との接着強度 の低下が防止された熱電変換素子を提供することにある。また、本発明の別の目的 は、単素子の構造に工夫を加えることにより熱電変換効率の向上を図り、組み立てが 容易な熱電変換素子モジュールを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は以下のようなものを提供する。
[0008] (1) 同一素材の単素子が複数個、基板上で相互に接続されたものカゝらなり、その 一方の面として規定される加熱面とこの加熱面の反対側の面として規定される冷却 面との温度差により発電する熱電変換素子モジュールであって、前記単素子は、複 合金属酸化物からなる焼結体セルと、この焼結体セルの前記加熱面側の面と前記冷 却面側の面とに取り付けられた一対の電極と、で構成された同サイズで同形状の半 導体からなり、前記一対の電極の大きさは、前記焼結体セルの面の大きさと同じか、 やや大きいものであり、互いに隣接する前記単素子における前記冷却面側の電極と 前記加熱面側の電極とがこれらの電極の一辺の幅よりも幅狭のリード線で相互に接 続されたものである熱電変換素子。
[0009] (1)の発明によれば、熱電変換素子を同サイズで同形状の半導体で構成したこと によって、それぞれの単素子の半導体特性を統一することができる。その結果、従来 型の熱電変換素子と比べ、変換効率を向上させることが可能となる。また、単素子を 複合金属酸ィ匕物の焼結体セルで構成したことによって耐熱性や力学的強度を向上 させることが可能となった。
[0010] ここで「熱電変換素子モジュール」とは、単素子が基板上で電極により相互に接続 された熱電変換素子及びその他の部材 (例えば、絶縁体)を含むものをいう。また「単 素子」とは、所定の形状に形成された焼結体セルと、この焼結体セルの加熱面として 規定された面と、この加熱面の反対側の面に位置する冷却面として規定された面に それぞれ電極を接続したものをいう。「焼結体セル」の形状は特に問わないが、高い 熱電変換効率にするためには単純方体形状、例えば直方体又は立方体であること が好ましい。
[0011] またこの焼結体セルに接続された「電極」の大きさは、熱電変換効率を向上させる ために加熱面及び冷却面と略同一であり、それぞれの面を覆うような形状であること が好ましい。ここで、略同一とは、加熱面及び冷却面の面積よりも大きぐ加熱面及び 冷却面の面積と焼結体セルの 4つの側面の面積を足した総面積よりも小さ 、ことを 、 う。さら〖こ、この電極に接続された「リード線」は、電極と一体形成されていてもよい。リ ード線は、加熱面及び冷却面側の電極の一辺の幅よりも短い（幅狭)ものであり、電 極の面積とリード線の断面積との比が 1000 : 2から 1000 : 35であることが好ましぐ 1 000 : 5から 1000 : 25であることが更に好ましい。リード線が太すぎても温度差が生じ ないため好ましくなぐまた、リード線が細すぎても電流を流すことはできないためであ る。さらに、電極及びリード線の材質は金、銀、銅、アルミニウム等の良電性金属を用 V、ることができる。これらは同じちのであることが好まし!/、。
[0012] ここで、電極の面積を Sとし、リード線の断面積を Sとすれば（図 2C参照）、好まし
E し
くは、 S ZS ί 1000Z2以上、より好ましくは、 1000Z5以上である。また、好まし く ίま、 S /S iS 1000/35以下、より好ましく ίま、 1000/25以下、更に好ましく ίま 1
Ε し
000Ζ20以下である。更に、単素子の平均熱伝導率を Κとし、電極と同じ面積 Sを
I Ε
有し、リード線の平均熱伝導率を Κとし、その断面積を Sとし、更に、高温面と低温
し し
面 (若しくは、加熱面と冷却面）の間の距離を Dとし、リード線もこれらの面間をほぼ垂 直に高温面力 低温面へと延びるとすれば、両者の面間の熱抵抗 R及び Rはそれ
I し ぞれ以下のように記載できる (Αは定数)。
R =Α水 D水 S /Κ
I Ε I
R =Α水 D水 S /Κ
L L L
従って、両面間で同じ温度差があると考えられるため、単素子が運ぶ熱量と、リード 線が運ぶ熱量の比 R は、以下のようになる。
therm
R = (K * S ) / (K * S )
therm I し L E
従って、熱伝導率があまり変わらず、 s 熱量は、
し < <sであれば、リード線が運ぶ
E
無視でき得ることがわかる。熱伝導率において、 K < <κとなる場合は、再検討が好
I し
ましい。結局、面積比及び熱伝導率比の相対的な関係によって決定されることになる
[0013] (2) 前記単素子は、それぞれ直列に接続されているものである（1)に記載の熱電 変換素子。
[0014] (2)の発明によれば、単素子をそれぞれ直列に接続したことによって構造が単純に なり、より簡単に製造することが可能となる。また、製造工程も単純なものとなるため、 製造コストの削減にも繋がる。
[0015] (3) 前記複合金属酸化物の構成元素は、アルカリ土類金属と希土類とマンガンで ある酸ィ匕物である（1)又は（2)に記載の熱電変換素子。
[0016] (3)の発明によれば、複合金属元素の酸ィ匕物をアルカリ土類金属と希土類とマンガ ンを構成元素とする酸ィ匕物としたことによって高温での耐熱性をより向上させることが 可能となる。なお、アルカリ土類金属元素としてはカルシウムを用いることが好ましぐ 希土類元素にイットリウム又はランタンを用いることが好ましい。具体的には、ぺロブス カイト型 CaMnO系複合酸ィ匕物等が挙げられる。ぺロブスカイト型 CaMnO系複合
3 3 酸化物は、一般式 Ca M MnO (Mはイットリウム又はランタンであり、 0. 001≤x ≤0. 05である）で表されるものであることがさらに好ましい。
[0017] 本発明に係る熱電変換素子によれば、同型の半導体力もなる単素子を用いたこと によって、変換効率を向上させることが可能となる。また、従来の熱電変換素子に比 ベ、構造が単純であるため容易に製造することができ、製造コストの削減に繋がる。 更に、単素子を複合金属酸ィ匕物の焼結体セルで構成したことによって力学的強度を 向上させることができる。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1A]本発明の好適な実施例に係る熱電変換素子モジュールを示す上面図である
[図 1B]本発明の好適な実施例に係る熱電変換素子モジュールを示す詳細図である
[図 1C]本発明の好適な実施例に係る熱電変換素子モジュールを示す斜視図である
[図 2A]本発明の好適な実施例に係る熱電変換素子の製造工程を説明するための図 である。
[図 2B]本発明の好適な実施例に係る熱電変換素子の製造工程を説明するための詳 細図である。
[図 2C]本発明の好適な実施例に係る熱電変換素子の電極及びリードの一部を示す 斜視図である。
[図 3]本発明の好適な実施例に係る別の熱電変換素子変形例の製造工程を説明す るための図である。
[図 4]従来型の熱電変換素子を示す上面図である。
符号の説明
[0019] 10 熱電変換素子モジュール
12, 5 基板
13 単素子
14 加熱面 16 リード線
17 集電体
18 焼結体セル
19, 8 電極
6 n型半導体
7 p型半導体
発明を実施するための形態
[0020] 図 1Aは、本発明の好適な実施形態に係る熱電変換素子モジュール 10を示す上 面図である。図 1Bは、 Xの部分を抜き出し、それを裏側力も見たもの（底面図）である 1S 基板 12を透過させている。この図 1 A及び Bに示されるように、基板 12上には焼 結体セルで構成された同型の半導体力 なる単素子 13が配置されている。また、基 板 12に接触している面が冷却面 15であり、この冷却面と反対側の面が加熱面 14で ある。この実施形態において、加熱面 14には、この加熱面 14の面積と同じ大きさの 膜状の電極が焼結体セルと一体になるように取り付けられている。なお、本実施形態 では n型半導体を用いて 、るがこれに限定されな 、。
[0021] 図 1Cは、本発明の好適な実施形態に係る熱電変換素子モジュール 10の外観を示 す斜視図である。各単素子 13は、基板 5及び基板 12の間に挟まれ、リード線 16によ つて直列に接続されている。
[0022] また、図 2Aに示すように、リード線 16は、これらの面上に設置されており、ある単素 子 13の加熱面側の電極 19aとこの単素子に隣接している単素子の冷却面側の電極 19bとが接続されることにより、直列に接続されている。このような直列接続は、電極 1 9a及び bよりも幅狭の導電リボンを加熱面側の電極 19aの端部に取り付け、これを伸 張させたものを下方に折り曲げ、基板 12上に届いたところで更にクランク状に折り曲 げて、隣接する単素子の下側に入り込むようにすることによって行なわれている。
[0023] 本発明に係る熱電変換素子モジュール 10は、基板 12を加熱し、単素子 13の冷却 面を冷却すると、基板 12から吸収された熱エネルギが電気工ネルギに変換される。 得られた電気工ネルギは集電体 17で集電され、ここから外部電極に電力が供給され る。ところがこの一方で、基板 12を加熱する際、その熱がリード線 16を介して単素子 13の上面 (冷却面）に伝えられ、その温度が上昇して変換効率が低下するおそれが ある。この伝熱を少なくするために、リード線 16には薄膜を用いている。リード線 16に 用いる薄膜の厚さは 50 mであることが好ましぐその材質は、特に限定されるもの ではなぐ通常用いられて 、る単素子の電気抵抗よりも小さ 、金属を用いることが好 ましい。
[0024] 図 2Aは、本発明の好適な実施形態に係る熱電変換素子モジュール 10の製造ェ 程を示す斜視図である。単素子 13の冷却面の電極と、隣接する単素子の加熱面の 電極と、を繋ぐようにリード線 16が接続されている。この図に示されるように、組み立 ては、電極と一体形成された焼結体セル 18の加熱面にリード線 16を取り付け、単素 子 13を互いに直列接続になるように基板 12に取り付ける。また、この熱電変換素子 モジュール 10の変換効率は、各単素子間のピッチや大きさに依存する。単素子の大 きさは、面積が 5mmX 5mn！〜 20mm X 20mm、高さが lmn！〜 5mmであることが 好ましぐ単素子同士のピッチ Pは 0. lmm〜5mmであることが好ましぐ 0. 5mm〜 2mmであることが更に好ましい。例えば、ピッチ P力 . 1mmよりも狭いと集積度は高 くなるが、熱の問題が発生してしまう。
[0025] また図 2Bは、 Yの部分について、電極 19 'とリード線とを一体とした、別の実施形態 を示している。この図 2Bに示されるように、加熱面側の電極 19a'の一部は下方に折 り曲げられ、基板 12上に届いたところで更にクランク状に折り曲げて、隣接する単素 子 13'の下側に入り込むようにしている。冷却面側の電極 19bは上記実施形態と同じ 大きさであってもよい。
[0026] 図 2Cは、典型的な電極 19a'及びリード線 16の一部を示す斜視図である。電極 19 a'の面積 S力 リード線 16の断面積 Sよりも十分に大きいことが分かる。
E し
[0027] 図 3は、本発明の好適な別の実施形態に係る別の熱電変換素子モジュール 1(Τの 製造工程を示す斜視図である。本実施形態において、単素子の加熱面側の電極 19 a~の大きさが、焼結体セル 18よりも大きいという点が上記実施形態と異なる。なお、 冷却面側の電極 19bは上記実施形態と同じ大きさであってもよぐまた、加熱面側の 電極 19a~と同じ大きさであってもよい。この別の実施形態に係る熱電変換素子モジ ユール 1CTでは、電極 19~が焼結体セル 18から突出し、ひさしのような役割を果た すので、下方への熱の遮蔽効果が大きぐ焼結体セル 18の上下の温度差を大きくす ることができ、発電効率を向上させることができるという利点がある。
実施例
[0028] <単素子の作成 >
炭酸カルシウム、炭酸マンガン及び酸化イットリウムを CaZMnZY=0. 95/1. 0 /0. 05となるように秤量し、ボールミルにより湿式混合を 18時間行なった。その後、 ろ過及び乾燥させ、 1000°Cで 10時間、大気中で仮焼を行なった。得られた仮焼粉 は粉砕後、 ltZcm2の圧力で 1軸プレスにより成形した。これを 1150°Cで 5時間、大 気中で焼成させ、 Ca 0. 95 Y 0. 05 MnO 3焼結体を得た。この焼結体の寸法は、約 9mm
X 9mm X 2. 5mmであつ 7こ。
[0029] この焼結体セル 18の両面に銀ペーストを塗布し、 700°Cで焼付け、電極を形成し た。この素子のゼーベック係数及び抵抗を測定したところ、ゼーベック係数は 145 VZK、抵抗は 7. 5 Ωだった。なお、ゼーベック係数は、熱電変換素子の上下面に 温度差を与え、それにより求めた電位差を 3 = (^71丁(3 =ゼ一ベック係数， dV= 二点間の電位差， T=二点間の温度差)外挿して算出した。また、抵抗は 2端子法で 測定した。 2端子法とは、測定試料の両端に電極端子を 2つ付け、同じ電極で試料に 流れる電流とそのとき生じる電位差を測定する方法をいう。この焼結体セル 18にリー ド線として銀リボン（幅 3mm、厚さ 50 μ m)を銀ペーストで固定して単素子とした。
[0030] <熱電変換素子の組み立て >
単素子 100個を 100mm X 100mm X 2mmの大きさのアルミナ（Al O )基板上に
2 3 直列に配置し、その上にもう一枚同じサイズのアルミナ基板を重ね固定した。その後 上下力も軽く圧力を加えながら 700°Cで 30分間加熱することにより熱電変換素子を 得た (図 1A)。
[0031] この熱電変換素子の下面をヒーターで加熱し、上面を冷却することで上下面に約 1 60Kの温度差を与えたところ、開放電圧 2. 32V、最大出力 1. 02Wが得られた。

Claims

請求の範囲
[1] 同一素材の単素子が複数個、基板上で相互に接続されたものからなり、その一方 の面として規定される加熱面とこの加熱面の反対側の面として規定される冷却面との 温度差により発電する熱電変換素子モジュールであって、
前記単素子は、複合金属酸化物からなる焼結体セルと、この焼結体セルの前記加 熱面側の面と前記冷却面側の面とに取り付けられた一対の電極と、で構成された同 サイズで同形状の半導体力 なり、
前記一対の電極の大きさは、前記焼結体セルの面の大きさと同じ力 やや大きいも のであり、
互いに隣接する前記単素子における前記冷却面側の電極と前記加熱面側の電極 とがこれらの電極の一辺の幅よりも幅狭のリード線で相互に接続されたものである熱 電変換素子。
[2] 前記単素子は、それぞれ直列に接続されて!、るものである請求項 1に記載の熱電 変換素子。
[3] 前記複合金属酸化物の構成元素は、アルカリ土類金属と希土類とマンガンである 酸ィ匕物である請求項 1又は 2に記載の熱電変換素子。
[4] 高温側面と低温側面の 2つの対向する面をそれぞれ有する複数の単素子と、 前記複数の単素子の各々の高温側面が基板の当接面に当接されるように、前記複 数の単素子が並置される該基板と、
前記複数の単素子において、隣接する単素子の間の電気的な接続を、一方の単 素子の高温側面から他方の単素子の低温側面へと行!、、前記複数の単素子を直列 に接続するように前記複数の単素子の間にそれぞれ配置されたリード線と、 を含む熱電変換素子モジュールであって、
前記複数の単素子の各々は、前記高温側面及び前記低温側面にそれぞれ配置さ れる高温側電極及び低温側電極と、これらの電極に挟まれた複合金属酸化物からな る焼結体セルと、を含み、
前記複数の単素子の前記高温側面及び前記低温側面の間の距離がそれぞれに 実質的に等しぐ 前記高温側電極は、前記低温側電極とによって挟んだ前記焼結体セルが有する 高温電極側面と同じ若しくはより大き 、セル側面を有し、該セル側面で前記高温電 極側面と当接し、
前記リード線はそれぞれに対応する前記高温側電極及び前記低温側電極に電気 的に接続されるが、前記高温側電極よりも幅狭である、熱電変換素子。
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