WO2008054015A1 - Thermoelectric element and thermoelectric module - Google Patents

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WO2008054015A1
WO2008054015A1 PCT/JP2007/071588 JP2007071588W WO2008054015A1 WO 2008054015 A1 WO2008054015 A1 WO 2008054015A1 JP 2007071588 W JP2007071588 W JP 2007071588W WO 2008054015 A1 WO2008054015 A1 WO 2008054015A1
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thermoelectric
electrode
thermoelectric element
semiconductor element
stress
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PCT/JP2007/071588
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French (fr)
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Yoshiki Fukada
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • 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

  • thermoelectric element and thermoelectric module Thermoelectric element and thermoelectric module
  • the present invention relates to a thermoelectric module that directly converts energy between thermal energy and electric energy and uses a plurality of thermoelectric modules.
  • thermoelectric elements Two types of semiconductor elements (thermoelectric elements) with different polarities, ie, N-type thermoelectric elements and P-type thermoelectric elements, are arranged between the heat collecting part on the high heat side and the heat radiating part on the low temperature side.
  • the end portions of the elements are alternately connected in series via electrodes, and heat energy can be directly converted into electric energy (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 0 5-3 2 2 8 4 8 (See the publication).
  • thermoelectric element length (height) of the thermoelectric element it is preferable to shorten the element length (height) of the thermoelectric element to increase the amount of heat flowing to the thermoelectric element.
  • the rigidity in the width direction of the thermoelectric element increases. There is a risk that the thermoelectric element may be destroyed by stress in the width direction of the thermoelectric element caused by the difference in thermal expansion between the end and the low temperature side end.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric element capable of preventing breakage due to thermal stress and a thermoelectric module using the same.
  • thermoelectric element comprises: an element that converts energy between thermal energy and electric energy; and a pair of electrodes that are connected to both ends of the element.
  • a stress relaxation part is provided to relieve stress caused by the temperature difference between both ends.
  • thermoelectric element according to the present invention, the element is provided with the stress relaxation part for relaxing the stress generated by the temperature difference between the both ends, so that the high temperature side end part and the low temperature side end part are provided.
  • Thermal stress caused by the temperature difference can be relaxed. For this reason, the destruction of the element due to thermal stress can be suppressed, and the power generation amount can be improved by using an element having a small aspect ratio.
  • the stress relaxation part is a gap part formed from an end part of the element toward an end part.
  • the present invention by forming a gap in the element from the end toward the end, the element is easily deformed in a direction parallel to the connection surface of the element and the electrode, and the element in the direction is Stiffness can be reduced. For this reason, if it occurs due to the temperature difference between the high-temperature end of the device and the low-temperature end, the thermal stress can be relaxed. Therefore, it is possible to suppress the destruction of the element due to thermal stress, and it is possible to improve the amount of power generation by using an element having a small aspect ratio.
  • thermoelectric element includes an element that converts energy between thermal energy and electric energy, and a pair of electrodes provided at both ends of the element, and at least a part of the element is provided. It is characterized by being divided into a plurality of portions in a direction substantially perpendicular to the joint surface with the electrode.
  • thermoelectric element When power generation is performed using a thermoelectric element, one end provided with one electrode is heated to a high temperature, and the other end provided with the other electrode is cooled to a low temperature. At that time, the high temperature side of the thermoelectric element expands and the low temperature side contracts. As a result, thermal stress acts on the thermoelectric element.
  • the thermoelectric element according to the present invention at least a part of the element is divided into a plurality of parts in a direction substantially perpendicular to the joint surface with the electrode, whereby the divided parts are separated from each other. And the rigidity against bending deformation of the portion decreases. Therefore, the thermal stress generated by the temperature difference between both ends of the thermoelectric element can be relaxed by the deformation of the element. As a result, it is possible to prevent the element from being destroyed by thermal stress.
  • the element is preferably divided into a plurality of portions by a plurality of slits formed between one electrode and the other electrode.
  • thermoelectric element it is preferable that one end of each of the plurality of portions is coincident with one end of the element. In this way, the thermal stress increases, and the rigidity of the element end can be reduced. Therefore, the thermal stress acting on the end can be relaxed by deformation of the element end. As a result, it is possible to effectively prevent damage to the edge of the element due to thermal stress.
  • the width in the short direction of each part constituting the plurality of parts is set based on the stress generated in the element and the fracture toughness of the element. In this way, by setting the width of the part in consideration of the stress acting on the element and the fracture toughness of the element, the strength against the thermal stress at the junction between the element and the electrode can be secured. It becomes possible to prevent the joint from being broken.
  • thermoelectric element it is preferable that a notch for dividing the joint into fine parts smaller than the plurality of parts is formed in the joint with at least one of the electrodes of the element. In this way, it is possible to improve the strength against thermal stress at the joint between the element and the electrode, and to prevent the joint from being broken.
  • the width in the short direction of the fine portion divided by the incision is set based on the fracture toughness of the stress element generated in the element. In this way, by setting the width of the fine portion in consideration of the stress acting on the element and the rupture toughness of the element, the strength against the thermal stress at the junction between the element and the electrode can be ensured. It is possible to prevent the joint from being broken.
  • thermoelectric element according to the present invention has a conductive part at the junction of the element divided into the fine parts. It is preferable that the element and the electrode are bonded together by filling the bonding material. In this way, the contact area at the junction between the element and the electrode can be increased, and the electrical resistance of the junction, that is, the electrical resistance of the thermoelectric element can be reduced. On the other hand, it is also possible to form the joint portion of the electrode with the element so as to fit into the notch formed in the element, and to join the element and the electrode by fitting the joint portion of the electrode with the notch of the element. The contact area at the junction with the electrode can be increased. Therefore, even in this case, it is possible to reduce the electrical resistance of the junction, that is, the electrical resistance of the thermoelectric element.
  • the width in the short direction of the fine portion is preferably set based on the ratio between the electrical resistance of the junction interface and the electrical resistivity of the element. In this way, by setting the width of the fine portion in consideration of the ratio between the electrical resistance of the junction interface and the electrical resistivity of the element, the electrical resistance of the junction between the element and the electrode, that is, the electrical resistance of the thermoelectric element Can be reduced more appropriately.
  • the depth of the junction between the element and the electrode is preferably set based on the ratio between the electrical resistance of the junction interface and the electrical resistivity of the element and the width in the short direction of the fine portion. .
  • the depth of the junction can be set in consideration of the current density distribution in the longitudinal direction of each fine portion at the junction between the element and the electrode. Therefore, it is possible to more effectively reduce the electrical resistance of the junction between the element and the electrode, that is, the electrical resistance of the thermoelectric element.
  • thermoelectric module according to the present invention is characterized in that a plurality of any of the thermoelectric elements described above are connected. According to the thermoelectric module according to the present invention, the thermoelectric module is prevented from being damaged by thermal stress caused by the temperature difference between both ends of the thermoelectric module by being configured by connecting any one of the thermoelectric elements described above. Can be performed.
  • the element since the element is provided with the stress relaxation portion for relaxing the stress caused by the temperature difference between both ends, the temperature difference between the high temperature side end and the low temperature side end The generated thermal stress can be relaxed. Therefore, the destruction of the element due to thermal stress can be suppressed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the thermoelectric element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the shear stress at the interface between the element and the electrode.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method for setting the width of the fine portion.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the junction between the element and the electrode.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the junction between the element and the electrode.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the potential gradient and the current density distribution in the longitudinal direction of the fine portion at the junction between the element and the electrode.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing bending deformation due to thermal stress acting on the thermoelectric element.
  • FIG. 8 is a perspective view of a thermoelectric element according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view of a semiconductor element constituting the thermoelectric element according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view of the semiconductor element shown in FIG.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric generator provided with a thermoelectric module configured by thermoelectric elements according to a third embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of an essential part for explaining a joining method of the thermoelectric element, the heat transfer fin side electrode, and the module cooling member side electrode in the thermoelectric generator shown in FIG.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a thermoelectric element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric element 1 according to the first embodiment.
  • the direction of arrow H shown in FIG. 1 that is, the method of connecting one electrode and the other electrode.
  • the direction is the height direction of the thermoelectric element
  • the direction of arrow C that is, the direction parallel to the electrode is the width direction of the thermoelectric element.
  • the thermoelectric element 1 includes an N-type or P-type semiconductor element 11 that directly converts energy between heat energy and electric energy, and a pair of electrodes 20 provided on both end faces of the semiconductor element 11. , 2 1 and.
  • the semiconductor element 11 corresponds to an element described in the claims.
  • the semiconductor element 11 is an element having a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the semiconductor element 11 1 includes a plurality of semiconductor elements 11 1 parallel to the side surface of the semiconductor element 11 1 from the joint surface with one electrode 20 toward the joint surface with the other electrode 21 (in the example of FIG. 1). 3) slits 1 1 s are formed. One end of the slit 11 s reaches the junction surface with one electrode 20 of the semiconductor element 11. On the other hand, the other end of the slit 11 s does not reach the joint surface with the other electrode 21 of the semiconductor element 11.
  • a similar slit 11 s is formed also on the side surface orthogonal to the cross section shown in FIG. That is, the slits 11 s are formed in a lattice shape when the semiconductor element 11 is viewed in plan. Due to these slits 1 1 s, a part of the semiconductor element 1 1 is divided into a plurality of parts (in the example of FIG. 1, a part of 1 6 (4 X 4), hereinafter referred to as “divided part”). Divided into d. In the example of Fig. 1, the number of slits is “3 X 3”, but it goes without saying that the number of slits 11 s is not limited to this.
  • a plurality of cuts 1 1 c are formed at the junction of the semiconductor element 11 with the electrode 20 to divide the junction divided by the slit 11 s described above into finer fine portions 1 lm. ing.
  • the cut 1 1 c is formed in parallel with the slit 1 1 s.
  • the notch 11 c is also formed on the side surface orthogonal to the cross section shown in FIG. That is, the cuts 11 c are formed in a lattice shape finer than the lattice defined by the slits 11 s described above when the semiconductor element 11 is viewed in plan.
  • the number of cuts is 1 1 m It is determined according to the setting range.
  • the slit 1 1 s and the notch 1 1 c are gaps formed from one end of the semiconductor element 1 1 toward the other end, and a temperature difference between both ends of the semiconductor element 1 1 It functions as a stress relieving part that relieves stress caused by.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the shear stress at the interface between the semiconductor element and the electrode.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method of setting the width of the fine part 1 lm.
  • ⁇ s ⁇ (a s one am) ⁇ ⁇ T ⁇ E s] / ⁇ 1 + (E s / Em) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • a s is the linear expansion coefficient (Z ° C) of the semiconductor element
  • am is the linear expansion coefficient of the electrode material ⁇ / °
  • ⁇ is the temperature difference (° C) from the bonding temperature
  • E s is the semiconductor element
  • the elastic modulus (P a) and Em is the elastic modulus (P a) of the electrode material.
  • the tensile stress ⁇ s generates an infinitely radiating interface shear stress at the end of the joint surface of the semiconductor element.
  • the value of the rupture due to the shear stress diverges in the linear theory, so the stress theory (the theory that swells when a certain stress is exceeded) breaks in a state where the temperature difference is zero, and the failure cannot be predicted.
  • the area where stress is dissipated is limited to a small area at the end, and can be handled by smashing mechanics.
  • the stress divergence region at the end is regarded as a microcrack treated by fracture mechanics, and the crack progresses in a state where the microcrack is generated in the semiconductor element to which the tensile stress ⁇ s acts, that is, breaks down. It is determined whether or not.
  • the fracture mechanics the following condition (2) indicates that the crack does not progress (break) when a small crack of length L (m) is generated in the semiconductor element to which the tensile stress ⁇ s acts.
  • K c is the mode 2 fracture toughness (P a -m 1/2 ) of the semiconductor device.
  • the physical properties and usage conditions ( ⁇ ⁇ ) of the semiconductor element and the electrode material are assumed as follows.
  • K c 0.4 X 1 0 6 (P a 'm 1/2 )
  • E s 70 X 1 0 9 (P a)
  • Em 1 0 0 X 1 0 9 (P a)
  • am 4 X 1 0 1-6 (/ ° C)
  • ⁇ 3 0 0 (° C).
  • the critical crack length L c is 2 1 X 1 0_ 6 (m) from the above equation (3).
  • the crack length L is an imaginary crack length, and the region where the shear stress at the interface increases is regarded as a crack, but it is clear that this value cannot exceed the width of the semiconductor element. is there. Therefore, the critical crack length L is the width of the semiconductor element. By setting it to a few times or less, it is possible to realize a joint that does not break even at high temperatures. Therefore, as shown in FIG. 3, in the present embodiment, the width d of the fine portion 11 m of the semiconductor element 11 is set to be several times the critical crack length Lc or less.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a joint portion between the semiconductor element 11 and one electrode 20.
  • the semiconductor element 11 and the electrode 20 are joined by so-called brazing. More specifically, the fine part 1 lm of the semiconductor element 1 1 and the electrode 2 W
  • the melted conductive bonding material (brazing material) 2 2 is poured between and filled with the semiconductor element 11 and the electrode 20 are bonded.
  • FIG. 5 shows another preferred structural example of the coupling portion between the fine portion 1 l m of the semiconductor element 11 and the electrode 20.
  • the junction of the electrode 20 is formed in a comb-shaped cross section so as to fit into the unevenness of the coupling portion of the semiconductor element 11 (that is, the unevenness formed by the notch 11c and the fine portion 1lm).
  • the semiconductor element 11 and the electrode 20 are coupled by fitting the unevenness of the coupling part on the semiconductor element 1 side and the unevenness of the bonding part on the electrode 20 side.
  • the width of the fine portion 1 1111 (1 and the coupling depth D between the fine portion 1 lm and the electrode 20 are set to satisfy the following equations (4) and (5).
  • ⁇ is the electrical resistance of the junction interface (electrical resistance per area of the junction surface) ( ⁇ ⁇ m 2 ), and ⁇ is the electrical resistivity (volume resistivity) of the semiconductor element 11 ( ⁇ ⁇ m)
  • FIG. 6 is a diagram (current analysis model) for explaining the potential gradient and current density distribution of the fine portion 11 m at the junction between the semiconductor element 11 and the electrode 20.
  • the current I flowing in the fine part 1 1 m is the potential U in the fine part 1 lm. Is determined by the following equation (6).
  • the current i flowing from the fine part 1 lm to the electrode 20 is determined by the potential difference between the potential U of the fine part 1 lm and the potential of the electrode 20 and the electrical resistance ⁇ of the junction interface.
  • the following equation (7) is obtained. i -U / ⁇ (7)
  • thermoelectric element 1 when power is generated using the thermoelectric element 1, the side surface of one electrode 20 is brought to a high temperature and the side surface of the other electrode 21 is brought to a low temperature. At that time, the high temperature side expands and the low temperature side contracts, and the thermoelectric element 1 is subjected to thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the high temperature side and the low temperature side.
  • the semiconductor element 11 constituting the thermoelectric element 1 is divided into a plurality of divided portions 1 1 d by the slits 1 1 s, whereby the aspect ratio (height L / Width W) is increased, and the rigidity of thermoelectric element 1 in the width direction is reduced. Therefore, when the thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the high temperature side and the low temperature side acts on the thermoelectric element 1, the thermoelectric element 1 (semiconductor element 11) is entirely deformed as shown in FIG. As described above, according to the present embodiment, since the structure is easily deformable, the thermal stress caused by the thermal expansion difference can be appropriately reduced by the deformation of the thermoelectric element 1.
  • thermoelectric element 1 since one end of the slit 11 s reaches the joint surface with the electrode 20, the rigidity of the end of the semiconductor element 11 where the thermal stress increases is effectively increased. Can be reduced. Therefore, the thermal stress acting on the end portion can be appropriately relaxed by the end portion of the semiconductor element 11 being deformed. As a result, it is possible to effectively prevent the end portion of the semiconductor element 11 due to thermal stress.
  • thermal stress is generated due to a change in temperature.
  • the junction between the semiconductor element 11 and the electrode 20 is divided into a fine part 1 lm by a plurality of notches 11c, and the fine part 1 lm
  • the width d is set to be not more than several times the critical crack length Lc determined based on the tensile stress generated in the semiconductor element 11 and the fracture toughness of the semiconductor element 11. Therefore, it is possible to ensure the strength against the thermal stress at the joint between the semiconductor element 11 and the electrode 20, for example, even when the semiconductor element 11 and the electrode 20 are rigidly joined. It becomes possible to prevent the joint from being broken.
  • thermoelectric element 1 the conductive brazing material 2 2 is filled in the junction of the semiconductor element 11 divided into the fine parts 1 lm, so that the semiconductor element 11 and the electrode 20 Because of this, the contact area at the junction between the semiconductor element 11 and the electrode 20 can be increased, and the electrical resistance of the junction, that is, the electrical resistance of the thermoelectric element 1 can be reduced. It becomes.
  • the unevenness of the coupling portion of the semiconductor element 11 ie, In other words, the joint part of the electrode 20 is formed in a cross-sectional comb shape so as to fit in the notch 11 1 c and the unevenness formed by the fine part 1 lm, and The semiconductor element 11 and the electrode 20 may be coupled by fitting the unevenness of the joint on the electrode 20 side. Even in such a configuration, the contact area at the junction between the semiconductor element 11 and the electrode 20 can be increased, and the electrical resistance of the junction can be reduced.
  • the depth D of the junction portion between the semiconductor element 11 and the electrode 20 is equal to the ratio of the electrical resistance ⁇ of the junction interface and the electrical resistivity ⁇ of the element to a fine portion 1 lm. Since it is set based on the width d (to satisfy the above equation (5)), the electrical resistance of the junction between the semiconductor element 11 and the electrode 20, that is, the electrical resistance of the thermoelectric element 1 is more effective. It becomes possible to reduce it.
  • the semiconductor element 11 is divided into relatively large divided portions lid by the slits 11 s, and the junction between the semiconductor element 11 and the electrode 20 is cut, and the fine portions 1 are formed by 1 1 c.
  • lm as shown in FIG. 8, without forming a slit, a cut is made from the junction surface with one electrode 20 to the junction surface with the other electrode 21.
  • 1 2 The entire structure may be divided into elongated fine parts 12 2 m, that is, a fibrous semiconductor element 12 2 m may be bundled and joined to the electrodes 20 and 21.
  • thermoelectric element 2 is a perspective view of thermoelectric element 2 in which a pair of N-type semiconductor element 1 2 n and P-type semiconductor element 1 2 p are electrically connected in series (thermally in parallel) by electrode 20. It is.
  • the notch 1 2 c is a gap formed from the end of the semiconductor element 1 2 toward the end, and the semiconductor element 1 2 It functions as a stress relieving part that relieves the stress caused by the temperature difference between the two end parts.
  • Other configurations, in particular, the width of the fine portion 1 2 111 (1, the joining method with the electrodes 2 0 and 2 1, the joining depth D, and the like are the same as or similar to those in the first embodiment described above, and are therefore described here. Is omitted.
  • thermoelectric element 2 when power generation is performed using the thermoelectric element 2, the side surface of one electrode 20 is brought to a high temperature and the side surface of the other electrode 21 is brought to a low temperature. At that time, the high temperature side expands and the low temperature side contracts, and the thermoelectric element 2 is subjected to thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the high temperature side and the low temperature side.
  • the semiconductor elements 12 2 n and 12 p constituting the thermoelectric element 2 are divided into a plurality of fine portions 12 m, whereby the aspect ratio of the fine portions 12 m is determined. And the rigidity in the width direction of the thermoelectric element 2 is further reduced. Therefore, when the thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the high temperature side and the low temperature side acts on the thermoelectric element 2, the thermoelectric element 2 (semiconductor element 1 2) is more easily deformed as a whole.
  • the present embodiment since the structure is more easily deformable, the thermal stress caused by the thermal expansion difference can be appropriately reduced by the deformation of the thermoelectric element 2. As a result, it is possible to prevent the thermoelectric element 2 from being damaged due to thermal stress.
  • the present embodiment can provide the same or similar effects as those of the first embodiment described above.
  • FIG. 9 is a perspective view of the semiconductor element 1 3 constituting the thermoelectric element according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view of the semiconductor element 13 shown in FIG. 9, and is a diagram for explaining a slit forming method.
  • the thermoelectric element according to the present embodiment includes a semiconductor element 13 that constitutes the thermoelectric element, and the other electrode (not shown) from the joint surface with one electrode (not shown).
  • the other electrode This is different from the first embodiment described above in that a plurality of slits 13 su are formed from a joint surface with (not shown) to a joint surface with one electrode (not shown).
  • the slit 13 su is a gap formed from the end portion of the semiconductor element 13 toward the end portion, and relieves the stress caused by the temperature difference between both ends of the semiconductor element 13. Functions as a stress relaxation part.
  • thermoelectric element according to the present embodiment further includes the junction part divided into the plurality of divided parts 13 d by the slit 13 su described above at the junction with the other electrode of the semiconductor element 13. It differs from the first embodiment described above in that a plurality of cuts 1 3 c divided into fine fine portions 13 m are formed. Other configurations are the same as or similar to those of the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted here.
  • the one electrode side surface is set to a high temperature and the other electrode side surface is set to a low temperature. At that time, the high temperature side expands and the low temperature side contracts, and thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the high temperature side and the low temperature side acts on the thermoelectric element.
  • the semiconductor element 13 constituting the thermoelectric element 13 is formed with slits 1 3 s and 1 3 su formed alternately from both end faces, so that the aspect ratio of each divided portion 1 3 d is increased. And the rigidity in the width direction of the thermoelectric element is further reduced. Therefore, when the thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the high temperature side and the low temperature side acts on the thermoelectric element, the thermoelectric element is deformed more easily as a whole.
  • the slits 1 3 s and 1 3 su are alternately inserted from both end faces, so that the divided parts 1 3 d can be separated separately.
  • the aspect ratio of each divided portion 1 3 d can be increased. Therefore, the rigidity of the thermoelectric element can be reduced more effectively without making the manufacturing process of the thermoelectric element relatively complicated. As a result, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion can be appropriately mitigated by deformation of the thermoelectric element, and it is possible to prevent breakage due to the thermal stress of the thermoelectric element.
  • connection portion with one electrode not only the connection portion with one electrode but also the connection portion with the other electrode is divided into fine portions 13 m, so that the strength of the joint portion can be increased. Can do.
  • present embodiment can provide the same or similar effects as those of the first embodiment described above.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric power generation device 100 including a thermoelectric module 90 composed of thermoelectric elements 3 according to the third embodiment.
  • FIG. 12 illustrates a method of joining the thermoelectric element 3 to the heat transfer fin side electrode 10 2 and the module cooling member side electrode 10 4 in the thermoelectric power generation device 100 shown in FIG. It is principal part sectional drawing for this.
  • the thermoelectric generator 100 is made of insulating ceramic heat transfer fins 10 1 constituting the high temperature side heat receiving part and insulating ceramics constituting the low temperature side heat radiating part. Between the module cooling member 10 3, the N-type thermoelectric element 3 n and the P-type thermoelectric element 3 p according to the third embodiment described above are alternately connected in series via the electrodes 20, 21. A thermoelectric module 90 is arranged.
  • the module cooling member 10 3 is formed with a plurality of cooling water passages 10 5.
  • a cooling water pipe (not shown) is connected to the cooling water passage 105, and the module cooling member 103 is cooled by circulating and supplying the cooling liquid.
  • a heat transfer fin side electrode 10 2 is attached to a joint portion of the heat transfer fin 10 1 and the thermoelectric module 90.
  • Each of the heat transfer fins 10 1 and the heat transfer fin side electrode 1 0 2 has a comb-shaped concavo-convex shape on the heat transfer fin 1 0 1 side, By fitting the irregularities on the heat transfer fin side electrode 10 2 side, the heat transfer fin 100 1 and the heat transfer fin side electrode 10 2 are coupled.
  • a module cooling member side electrode 10 4 is attached to a coupling portion between the module cooling member 103 and the thermoelectric module 90.
  • Each of the module cooling member 10 3 and the module cooling member side electrode 10 4 is formed with concavities and convexities having a comb-shaped cross section. The unevenness on the module cooling member 10 3 side and the module cooling member side electrode 10 4 The module cooling member 10 3 and the module cooling member side electrode 10 4 are coupled by fitting the unevenness on the side.
  • thermoelectric module 90 the heat transfer fin side electrode 10.02, and the module cooling member side electrode 10.04 are joined by being crimped and joined at a high temperature. ing.
  • thermoelectric power generation device 100 has, for example, the heat transfer fins 100 to allow the exhaust gas to flow so as to generate heat by collecting the heat of the exhaust system of the automobile. It is installed facing the route. Then, the heat of the exhaust gas recovered by the heat transfer fins 10 1 is transferred to the electrode 20 at one end of the thermoelectric module 90 via the heat transfer fin side electrode 10 2, and the other end of the thermoelectric module 90
  • the plurality of N-type thermoelectric elements 3 n and P-type thermoelectric elements constituting the thermoelectric module 90 by radiating heat from the electrode 21 to the module cooling member 10 3 via the electrode 10 4 3 p generates electromotive force to generate electricity.
  • thermoelectric module 90 due to the thermal stress caused by the temperature difference between both ends of the thermoelectric module 90 due to the thermoelectric element 3 according to the third embodiment described above. Can be prevented.
  • thermoelectric module 90 the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the electrode 20 and the heat transfer fin side electrode 10 02 and the heat transfer fin 10 0 1 and the electrode 21 and the module cooling member side electrode Thermal response due to difference in thermal expansion coefficient between 1 0 4 and module cooling member 1 0 3 Can withstand force.
  • Fig. 13 (a) is a front view of the thermoelectric device according to the fourth embodiment
  • Fig. 13 (b) and Fig. 13 (c) are cross-sectional views of the semiconductor device at XIII-XIII in Fig. 13 (a). It is.
  • thermoelectric element according to the present embodiment forms a gap 14 a formed in the semiconductor element 14 constituting the thermoelectric element from the end toward the end. It is a thing.
  • the gap portion 14 a functions as a stress relaxation portion that relieves stress caused by a temperature difference between both ends of the semiconductor element 14.
  • thermoelectric element When power generation is performed using a thermoelectric element, one end provided with one electrode is heated to a high temperature and the other end provided with the other electrode is cooled to a low temperature. At that time, the high temperature side of the semiconductor element 14 expands and the low temperature side contracts. As a result, thermal stress acts on the semiconductor element 14.
  • the semiconductor device 14 is deformed in a direction parallel to the connection surface between the semiconductor device 14 and the electrodes 20, 21 and the semiconductor device 1 in that direction is deformed.
  • the rigidity of 4 can be reduced. For this reason, when it is caused by a temperature difference between the high temperature side end of the semiconductor element 14 and the low temperature side end, the thermal stress can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the destruction of the semiconductor element 14 due to thermal stress, and it is possible to improve the power generation amount by using the semiconductor element 14 having a small aspect ratio.
  • the cross-sectional shape of the gap portion 14 a is, for example, circular as shown in FIG. 13 (b). In this case, it is preferable to form a plurality of gap portions 14 a and arrange them at predetermined intervals. Further, the cross-sectional shape of the gap portion 14 a is, for example, a cross shape as shown in FIG. 13 (c). Also in this case, it is preferable to form a plurality of gaps 14a and arrange them at a predetermined interval.
  • the gap portion 14a may be formed so as to penetrate from the end portion of the semiconductor element 14 to a position where it does not reach from the one end portion to the other end portion.
  • slits and cuts in other embodiments may be formed. Further, it may be applied to a thermoelectric module as in the third embodiment.
  • the other end of the slit 11 s does not reach the joint surface with the other electrode 21, but a plurality of divisions are made by inserting the slit 11 s up to the joint surface. It can be separated into parts.
  • the shapes and materials of the semiconductor elements 1 1, 1 2, and 13 are not limited to the above embodiment.
  • the shape of the semiconductor elements 1 1, 1 2, 1 3 may be a cylindrical shape.
  • thermoelectric element 3 according to the third embodiment is used as the thermoelectric element constituting the thermoelectric module 90.
  • thermoelectric element 1 according to the first embodiment or the first The thermoelectric element 2 according to the second embodiment may be used.
  • thermoelectric element in a thermoelectric element and a thermoelectric module, stress caused by a temperature difference between both end portions of the element can be relieved to suppress the destruction of the element due to thermal stress.

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Description

明糸田書
熱電素子および熱電モジュール
技術分野
本発明は、 熱エネルギと電気工ネルギとの間でエネルギを直接変換する熱電素 子おょぴそれを複数用いた熱電モジュールに関する。
背景技術
熱電モジュールは、 ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生する
2種類の極性の異なる半導体素子 （熱電素子） 、 すなわち N型熱電素子おょぴ P 型熱電素子を高熱側の集熱部と低温側の放熱部との間に複数個配置し、 これらの 熱電素子の端部同士を電極を介して交互に直列に接続したものであり、 熱ェネル ギを電気工ネルギに直接変換することができる （例えば特開 2 0 0 5— 3 2 2 8 4 8号公報参照） 。
発明の開示
ここで、 熱電モジュールの発電量を增やすためには、 熱電素子の素子長 （高 さ） を短くして熱電素子に流れる熱量を増大することが好ましい。 し力 し、 発電 量を增やすためにアスペクト比 （素子の高さと幅との比） が小さい熱電素子を使 用する場合、 熱電素子の幅方向における剛性が高くなるため、 熱電素子の高温側 端部と低温側端部との熱膨張差により生じる熱電素子の幅方向の応力によって熱 電素子が破壊されるおそれがある。
本発明は、 上記問題点を解消する為になされたものであり、 熱応力による破壌 を防止することができる熱電素子およびそれを複数用いた熱電モジュールを提供 することを目的とする。
すなわち、 本発明に係る熱電素子は、 熱エネルギと電気工ネルギとの間でエネ ルギを変換する素子と、 前記素子の両端部に接続される一対の電極と、 を備え、 前記素子は、 前記両端部の温度差により生ずる応力を緩和する応力緩和部が設け られて構成されている。 熱電素子を用いて発電を行うときには、 一方の電極が設けられた一端部が高温 にされ、 他方の電極が設けられた他端部が低温にされる。 その際に、 熱電素子の 高温側は膨張し、 低温側は収縮する。 その結果、 熱電素子には熱応力が作用する。 ここで、 本発明に係る熱電素子によれば、 素子に両端部の温度差により生ずる応 力を緩和する応力緩和部が設けられていることによって、 高温側の端部と低温側 の端部の温度差により生じる熱応力を緩和することができる。 このため、 熱応力 による素子の破壌を抑制でき、 ァスぺクト比の小さい素子を用いて発電量を向上 させることができる。
また本発明に係る熱電素子において、 前記応力緩和部は、 前記素子の端部から 端部の方向へ向けて形成される間隙部であることが好ましい。
この発明によれば、 素子にその端部から端部の方向へ向けて間隙部を形成する ことにより、 素子と電極の接続面と平行な方向に変形しやくすなり、 その方向へ の素子の剛性を低下させることができる。 このため、 素子の高温側の端部と低温 側の端部の温度差により.生じた場合、 その熱応力を緩和することができる。 従つ て、 熱応力による素子の破壊を抑制でき、 ァスぺクト比の小さい素子を用いて発 電量を向上させることができる。
また本発明に係る熱電素子は、 熱エネルギと電気工ネルギとの間でエネルギを 変換する素子と、 該素子の両端部に設けられた一対の電極とを備え、 素子の少な くとも一部が、 電極との接合面に対して略垂直な方向に複数の部分に分けられて いることを特徴とする。
熱電素子を用いて発電を行うときには、 一方の電極が設けられた一端部が高温 にされ、 他方の電極が設けられた他端部が低温にされる。 その際に、 熱電素子の 高温側は膨張し、 低温側は収縮する。 その結果、 熱電素子には熱応力が作用する。 ここで、 本発明に係る熱電素子によれば、 素子の少なくとも一部が電極との接合 面に対して略垂直な方向に複数の部分に分けられることによって、 分けられた各 部分のァスぺクト比が大きくなり、 該部分の曲げ変形に対する剛性が低下する。 そのため、 熱電素子の両端の温度差により生じる熱応力を素子の変形によって緩 和することができる。 その結果、 熱応力による素子の破壌を防止することが可能 となる。
ここで、 一方の電極と他方の電極との間に形成された複数のスリットによって、 上記素子を複数の部分に分けることが好ましい。
また、 本発明に係る熱電素子では、 上記複数の部分の一端が、 素子のいずれか の一端と一致していることが好ましい。 このようにすれば、 熱応力が大きくなる 素子端部の剛性を低減することができる。 そのため、 該端部に作用する熱応力を 素子端部の変形によって緩和することができる。 その結果、 熱応力による素子端 部の破壌を効果的に防止することが可能となる。
ここで、 上記複数の部分を構成する各部分の短手方向の幅は、 素子に生じる応 力および素子の破壊靱性に基づいて設定されることが好ましい。 このように、 素 子に作用する応力およぴ素子の破壊靱性を考慮して当該部分の幅を設定すること により、 素子と電極との接合部の熱応力に対する強度を確保することができ、 該 接合部の破壊を防止することが可能となる。
さらに、 本発明に係る熱電素子では、 上記素子の少なくともいずれかの電極と の接合部に、 該接合部を上記複数の部分よりも細かい微細部分に分ける切り込み が形成されていることが好ましい。 このようにすれば、 素子と電極との接合部の 熱応力に対する強度を向上することができ、 該接合部の破壊を防止することが可 能となる。
ここで、 切り込みにより分けられた上記微細部分の短手方向の幅は、 素子に生 じる応力おょぴ素子の破壌靱性に基づいて設定されることが好ましい。 このよう に、 素子に作用する応力および素子の破壌靱性を考慮して当該微細部分の幅を設 定することにより、 素子と電極との接合部の熱応力に対する強度を確保すること ができ、 該接合部の破壊を防止することが可能となる。
本発明に係る熱電素子は、 上記微細部分に分けられた素子の接合部に導電性の 接合材が充填されることにより、 素子と電極とが接合されていることが好ましい。 このようにすれば、 素子と電極との接合部での接触面積を大きくすることができ、 該接合部の電気抵抗、 すなわち熱電素子の電気抵抗を低減することが可能となる。 一方、 電極の素子との接合部を素子に形成された切り込みに嵌まるように形成 し、 電極の接合部と素子の切り込みとを嵌め合わせることにより素子と電極とを 接合する構成によっても素子と電極との接合部での接触面積を大きくすることが できる。 したがって、 このようにしても、 該接合部の電気抵抗、 すなわち熱電素 子の電気抵抗を低減することが可能となる。
ここで、 上記微細部分の短手方向の幅は、 接合界面の電気抵抗と素子の電気抵 抗率との比に基づいて設定されることが好ましい。 このように接合界面の電気抵 抗と素子の電気抵抗率との比を考慮して当該微細部分の幅を設定することにより、 素子と電極との接合部の電気抵抗、 すなわち熱電素子の電気抵抗をより適切に低 減することが可能となる。
.また、 素子と電極との接合箇所の深さは、 接合界面の電気抵抗と前記素子の電 気抵抗率との比および上記微細部分の短手方向の幅に基づいて設定されることが 好ましい。 このようにすれば、 素子と電極との接合箇所における各微細部分の長 手方向の電流密度分布を考慮して該接合箇所の深さを設定することができる。 そ のため、 素子と電極との接合部の電気抵抗、 すなわち熱電素子の電気抵抗をより 効果的に低減することが可能となる。
本発明に係る熱電モジュールは、 上述したいずれかの熱電素子が複数接続され て構成されていることを特徴とする。 本発明に係る熱電モジュールによれば、 上 述したいずれかの熱電素子が複数接続されて構成されることにより、 熱電モジュ ールの両端の温度差によって生じる熱応力による熱電モジュールの破壌を防止す ることが可能となる。
本発明によれば、 素子に両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和 部が設けられていることによって、 高温側の端部と低温側の端部の温度差により 生じる熱応力を緩和することができる。 従って、 熱応力による素子の破壌を抑制 することができる。
図面の簡単な説明
図 1は、 第 1実施形態に係る熱電素子の断面図である。
図 2は、 素子と電極との界面における剪断応力を説明するための図である。 図 3は、 微細部分の幅の設定方法を説明するための図である。
図 4は、 素子と電極との接合部を示す断面図である。
図 5は、 素子と電極との接合部の他の例を示す断面図である。
図 6は、 素子と電極との接合部における微細部分の長手方向の電位勾配おょぴ 電流密度分布を説明するための図である。
図 7は、 熱電素子に作用する熱応力による曲げ変形を示す断面図である。
図 8は、 第 2実施形態に係る熱電素子の斜視図である。
図 9は、 第 3実施形態に係る熱電素子を構成する半導体素子の斜視図である。 図 1 0は、 図 9に示された半導体素子の平面図である。
図 1 1は、 第 3実施形態に係る熱電素子により構成された熱電モジュールを備 える熱発電装置の断面図である。
図 1 2は、 図 1 1に示された熱発電装置における熱電素子と伝熱フィン側電極、 モジュール冷却部材側電極との接合方法を説明するための要部断面図である。 図 1 3は、 第 4実施形態に係る熱電素子の説明図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 図中、 同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。，
(第 1実施形態）
まず、 図 1を用いて、 第 1実施形態に係る熱電素子の構造について説明する。 図 1は、 第 1実施形態に係る熱電素子 1の断面図である。 なお、 本明細書におい ては、 図 1に示される矢印 H方向、 すなわち一方の電極と他方の電極とを結ぶ方 向を熱電素子の高さ方向とし、 矢印 C方向、 すなわち電極に平行な方向を熱電素 子の幅方向とする。
熱電素子 1は、 熱エネルギと電気工ネルギとの間でエネルギを直接変換する N 型または P型の半導体素子 1 1と、 この半導体素子 1 1の両端面に設けられた一 対の電極 2 0， 2 1とを備えている。 ここで、 半導体素子 1 1は、 特許請求の範 囲に記載の素子に相当する。
半導体素子 1 1は、 略直方体形状をした素子である。 この半導体素子 1 1には、 半導体素子 1 1の側面に対して平行に、 一方の電極 2 0との接合面から他方の電 極 2 1との接合面へ向けて複数 （図 1の例では 3つ） のスリ ッ ト 1 1 sが形成さ れている。 スリット 1 1 sの一端は半導体素子 1 1の一方の電極 2 0との接合面 に達している。 一方、 スリ ッ ト 1 1 sの他端は半導体素子 1 1の他方の電極 2 1 との接合面には達していない。
半導体素子 1 1には、 図 1に示される断面と直交する側面にも同様のスリット 1 1 sが形成されている。 すなわち、 スリット 1 1 sは、 半導体素子 1 1を平面 視したときに格子状に形成されている。 これらのスリ ッ ト 1 1 sによって、 半導 体素子 1 1の一部は、 複数の部分 （図 1の例では 1 6 ( 4 X 4 ) の部分、 以下 「分割部分」 という） - 1 1 dに分けられる。 なお、 図 1の例ではスリットの数を 「3 X 3」 としたが、 スリ ッ ト 1 1 sの数がこれに限られないことは言うまでも ない。
また、 半導体素子 1 1の電極 2 0との接合部には、 上述したスリット 1 1 sに よって分けられた当該接合部をさらに細かい微細部分 1 l mに分ける複数の切り 込み 1 1 cが形成されている。 切り込み 1 1 cは、 スリット 1 1 sと平行に形成 されている。 また、 スリ ッ ト 1 1 sと同様に、 切り込み 1 1 cは、 図 1に示され る断面と直交する側面にも形成されている。 すなわち、 切り込み 1 1 cは、 半導 体素子 1 1を平面視したときに、 上述したスリット 1 1 sにより画成される格子 よりも細かい格子状に形成されている。 この切り込みの数は、 微細部分 1 1 mの 設定幅に応じて定められる。 スリット 1 1 s及び切り込み 1 1 cは、 半導体素子 1 1の一方の端部から他方の端部の方向へ向けて形成される間隙部であり、 半導 体素子 1 1の両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和部として機能 するものである。
そこで、 続いて、 図 2およぴ図 3を併せて参照しつつ、 微細部分 1 1mの幅の 設定方法について説明する。 図 2は、 半導体素子と電極との界面における剪断応 力を説明するための図である。 また、 図 3は、 微細部分 1 lmの幅の設定方法を 説明するための図である。
図 2に示されるように、 一般的に、 熱膨張率が異なる半導体素子と電極とを接 合すると、 温度が変化することによって熱応力が発生する。 なお、 図 2に示した 例は、 半導体素子の線膨張係数が電極の線膨張係数よりも小さく、 ΔΤが正 （加 熱した状態） の場合を表している。 ここで、 半導体素子の接合面中央部付近に生 じる引張り応力の平均値 σ s (P a) は次式 （1) により求められる。
σ s = { (a s一 am) · Δ T · E s ] / \ 1 + (E s/Em) } · · ·
(1)
ただし、 a sは半導体素子の線膨張係数 （Z°C) 、 amは電極材料の線膨張 係数 {/°0 、 ΔΤは接合時の温度との温度差 （°C) 、 E sは半導体素子の弾性 率 （P a) 、 Emは電極材料の弾性率 （P a) である。
この引張り応力 σ sによって、 図 2に示されるように、 半導体素子の接合面端 部には無限大に発散する界面の剪断応力が発生する。 この剪断応力による破壌は、 線形理論では値が発散するため、 応力理論 （ある応力を超えると壌れるとする理 論） では温度差がゼロの状態でこわれてしまい破壊の予測ができない。 しかし、 応力が発散する領域は端部の小さな領域に限られており、 破壌力学による取り极 いが可能である。 そこで、 端部の応力発散領域を破壌力学で扱う微少クラック (ひぴ割れ） とみなし、 引張り応力 σ sが作用する半導体素子に微少クラックが 発生した状態でのクラックの進展、 すなわち破壌するか否かの判定を行う。 破壊力学によれば、 引張り応力 σ sが作用する半導体素子に長さ L (m) の微 少クラックが発生した状態で、 クラックが進展 （破壌） しない条件は次式 （2) で表される。
π L σ s 2<K c 2 · · . (2)
ただし、 K cは半導体素子のモード 2破壊靱性 （P a - m1/2) である。 上記式 （1 ) ( 2) より、 クラックが進展 （破壌） しない、 すなわち上記式 (2) を満たすクラック長さ Lの臨界値 （最大値） L cが次式 （3) により求め られる。
L c =K c 2 { 1 + (E s /Em) " / { κ (a s - a m) 2 · Δ Τ2 · E s 2} · · · (3)
ここで、 例えば、 半導体素子と電極材料の物性および使用条件 （ΔΤ) を次の ように仮定する。 すなわち、 K c = 0. 4 X 1 06 (P a ' m1/2) 、 E s = 7 0 X 1 09 (P a ) 、 Em= 1 0 0 X 1 09 (P a ) 、 a s— am= 4 X 1 0一6 (/°C) 、 ΔΤ= 3 0 0 (°C) と仮定する。 このように仮定した場合には、 上記 式 （3) より、 臨界クラック長さ L cは 2 1 X 1 0_6 (m) となる。
ここで、 クラック長さ Lは仮想的なクラック長さであり、 界面の剪断応力が高 くなる領域をクラックとみなしているが、 この値が半導体素子の幅を超えられな いことは明らかである。 したがって、 半導体素子の幅を臨界クラック長さ L。の 数倍程度以下とすることにより、 高温でも壊れない接合を実現することができる。 よって、 図 3に示されるように、 本実施形態では、 半導体素子 1 1の微細部分 1 1 mの幅 dを臨界クラック長さ L cの数倍以下となるように設定した。
続いて、 図 4を参照しつつ、 半導体素子 1 1と各電極 2 0， 2 1との接合部の 構造について、 半導体素子 1 1と一方の電極 2 0との接合部を例にして説明する。 図 4は、 半導体素子 1 1と一方の電極 2 0との接合部を拡大して示す断面図であ る。 図 4に示されるように、 半導体素子 1 1と電極 2 0とは、 所謂ロウ付けによ つて接合されている。 より詳細には、 半導体素子 1 1の微細部分 1 l mと電極 2 W
0との間に、 溶解した導電性の接合材 （ロウ材） 2 2が流し込まれて充填される ことにより、 半導体素子 1 1と電極 20とが接合される。
また、 半導体素子 1 1の微細部分 1 l mと電極 20との結合部の他の好ましい 構造例を図 5に示す。 この構造では、 半導体素子 1 1の結合部の凹凸 （すなわち、 切り込み 1 1 cおよび微細部分 1 lmにより形成される凹凸） に嵌るように、 電 極 20の接合部が断面櫛型形状に形成されており、 半導体素子 1 丄側の結合部の 凹凸と電極 20側の接合部の凹凸が嵌め合わされることによって、 半導体素子 1 1と電極 20が結合される。
ここで、 半導体素子 1 1と電極 20との結合部の電気抵抗を低減する観点から、 微細部分 1 1111の幅(1、 および微細部分 1 lmと電極 20との結合深度 D (図 4， 5参照） は、 それぞれ次式 （4) (5) を満足するように設定される。
d << δ/σ · · · (4)
D≥ (δ · d/σ) 1/2 · · . (5)
ただし、 δは接合界面の電気抵抗 （接合面の面積当たりの電気抵抗） （Ω · m2) であり、 σは半導体素子 1 1の電気抵抗率 （体積抵抗率） （Ω · m) であ る。
ここで、 上記式 （4) (5) の根拠について、 図 6を参照しつつ詳細に説明す る。 なお、 図 6は、 半導体素子 1 1と電極 20との接合部における微細部分 1 1 mの電位勾配おょぴ電流密度分布を説明するための図 （電流解析モデル） である。 角柱状に形成された微細部分 1 lmの先端部が良導電体である電極 20に包ま れていると仮定した場合、 微細部分 1 1 m中に流れる電流 Iは微細部分 1 l m中 の電位 Uの勾配によって定まり、 次式 （6) によって求められる。
I =- (l/σ) (dU/d χ) . . . (6)
—方、 微細部分 1 lmから電極 20に流れる電流 iは、 微細部分 1 l mの電位 Uと電極 20の電位との電位差およぴ接合界面の電気抵抗 δで定まり、 電極 20 の電位をゼロとした場合には、 次式 （7) によって求められる。 i -U/ δ · · · (7)
ここで、 電荷の保存則から、 微細部分 1 l m中の電流 Iと微細部分 1 l mから 電極 2 0に流れる電流 iとの間には、 次式 （8) の関係が成立する。
d I /d x =- i /d · · · (8)
上記式 （7) および式 （8) より次式 （9) が導き出される。
d I /d x =-υ/δ d · · · (9)
さらに、 上記式 （6) およぴ式 （9) より次式 （1 0) が導出される。
d 2U/d χ2= (σ/ δ d) U · · · ( 1 0)
そして、 上記式 （1 0 ) を解くことによって、 次の解 （次式 （1 1 ) ( 1 2) ) が得られる。
U = U。 e x p (- k · x) · · · (1 1 )
k = ( δ ά/ σ ) 1/2 · · · (1 2)
ここで、 半導体素子 1 1と電極 2 0との接触面積が増大することで界面の電気 抵抗が小さくなるためには、 「k << d」 となる必要があり、 その条件が、 上記 式 （4) となる。 また、 微細部分 1 1 mと電極 2 0との結合深度 Dは、 「1 kj 以上必要であることから、 上記式 （5) が導き出される。
以上の構成において、 熱電素子 1を用いて発電を行う時には、 一方の電極 2 0 側面が高温にされ、 他方の電極 2 1側面が低温にされる。 その際に、 高温側が膨 張し、 低温側が収縮して、 熱電素子 1には高温側と低温側との熱膨張差により生 じる熱応力が作用する。
ここで、 本実施形態では、 スリット 1 1 sにより熱電素子 1を構成する半導体 素子 1 1が複数の分割部分 1 1 dに分けられることによって、 該分割部分 1 1 d のアスペクト比 （高さ L/幅 W) が増大され、 熱電素子 1の幅方向の剛性が低下 されている。 そのため、 高温側と低温側との熱膨張差により生じた熱応力が熱電 素子 1に作用した場合、 図 7に示されるように、 熱電素子 1 (半導体素子 1 1 ) が全体的に変形する。 このように、 本実施形態によれば、 容易に変形可能な構造とされているた'め、 熱膨張差により生じる熱応力を熱電素子 1の変形によつて適切に緩和することが できる。 その結果、 熱電素子 1の熱応力による破壊を防止することが可能となる。 また、 本実施形態に係る熱電素子 1では、 スリット 1 1 sの一端が、 電極 2 0 との接合面まで達しているため、 熱応力が大きくなる半導体素子 1 1端部の剛性 を効果的に低減することができる。 そのため、 該端部に作用する熱応力を半導体 素子 1 1端部が変形することによって適切に緩和することができる。 その結果、 熱応力による半導体素子 1 1端部の破壊を効果的に防止することが可能となる。 熱膨張率が異なる半導体素子 1 1と電極 2 0とを接合すると、 温度が変化する ことによって熱応力が発生する。 例えば、 半導体素子 1 1の線膨張係数が電極 2 0の線膨張係数よりも小さく、 電極 2 0が加熱された場合には、 半導体素子 1 1 の接合面中央部付近に引張り応力が作用し、 この引張り応力によって、 半導体素 子 1 1の接合面端部には剪断応力が発生する。
本実施形態に係る熱電素子 1では、 半導体素子 1 1の電極 2 0との接合部が複 数の切り込み 1 1 cによって微細部分 1 l mに分けられており、 かつ、 該微細部 分 1 l mの幅 dが、 半導体素子 1 1に生じる引張り.応力および半導体素子 1 1の 破壊靱性に基づいて定められる臨界クラック長さ L cの数倍以下となるように設 定されている。 そのため、 半導体素子 1 1と電極 2 0との接合部の熱応力に対す る強度を確保することができ、 例えば半導体素子 1 1と電極 2 0とが剛的に接合 された場合であっても、 該接合部の破壊を防止することが可能となる。
本実施形態に係る熱電素子 1では、 微細部分 1 l mに分けられた半導体素子 1 1の接合部に導電性のロウ材 2 2が充填されることにより、 半導体素子 1 1と電 極 2 0とが接合されているため、 半導体素子 1 1と電極 2 0との接合部での接触 面積を大きく取ることができ、 該接合部の電気抵抗、 すなわち熱電素子 1の電気 抵抗を低減することが可能となる。
また、 上述した所謂ロウ付けに代えて、 半導体素子 1 1の結合部の凹凸 （すな わち、 切り込み 1 1 cおよび微細部分 1 l mにより形成される凹凸） に嵌るよう に、 電極 2 0の接合部を断面櫛型形状に形成し、 半導体素子 1 1側の結合部の凹 凸と電極 2 0側の接合部の凹凸を嵌め合せることよって、 半導体素子 1 1と電極 2 0とを結合してもよい。 このような構成とした場合も、 半導体素子 1 1と電極 2 0との接合部での接触面積を大きくすることができ、 該接合部の電気抵抗を低 減することが可能となる。
さらに、 本実施形態では、 微細部分 1 1 111の幅(1が、 接合界面の電気抵抗 δと 半導体素子 1 1の電気抵抗率 σとの比に基づいて （上記式 （4 ) を満足するよう に） 設定されるため、 半導体素子 1 1と電極 2 0との接合部の電気抵抗、 すなわ ち熱電素子 1の電気抵抗をより適切に低減することが可能となる。
また、 本実施形態では、 半導体素子 1 1と電極 2 0との接合箇所の深さ Dが、 接合界面の電気抵抗 δと前記素子の電気抵抗率 σとの比おょぴ微細部分 1 l mの 幅 dに基づいて （上記式 （5 ) を満足するように） 設定されるため、 半導体素子 1 1と電極 2 0との接合部の電気抵抗、 すなわち熱電素子 1の電気抵抗をより効 果的に低減することが可能となる。
(第 2実施形態）
上述した第 1実施形態では、 半導体素子 1 1をスリット 1 1 sによって比較的 大きな分割部分 l i dに分割するとともに、 半導体素子 1 1の電極 2 0との接合 部を切り込み 1 1 cによって微細部分 1 l mに分割したが、 図 8に示されるよう に、 スリットを形成することなく、 一方の電極 2 0との接合面から他方の電極 2 1との接合面まで切り込み 1 2 cを入れ、 半導体素子 1 2全体を細長い微細部分 1 2 mに分割した構成、 すなわち、 繊維状の半導体素子 1 2 mを束ねて電極 2 0， 2 1に接合した構成としてもよい。 なお、 図 8は、 一対の N型半導体素子 1 2 n と P型半導体素子 1 2 pとが電極 2 0によって電気的に直列 （熱的には並列） に 接続された熱電素子 2の斜視図である。 この場合、 切り込み 1 2 cは、 半導体素 子 1 2の端部から端部の方向へ向けて形成される間隙部であり、 半導体素子 1 2 の両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和部として機能する。 その他の構成、 特に微細部分 1 2 111の幅(1、 電極 2 0， 2 1との接合方法、 接 合深度 Dなどは、 上述した第 1実施形態と同一または同様であるので、 ここでは 説明を省略する。
以上の構成において、 熱電素子 2を用いて発電を行う時には、 一方の電極 2 0 側面が高温にされ、 他方の電極 2 1側面が低温にされる。 その際に、 高温側が膨 張し、 低温側が収縮して、 熱電素子 2には高温側と低温側との熱膨張差により生 じる熱応力が作用する。
ここで、 本実施形態では、 熱電素子 2を構成する半導体素子 1 2 n， 1 2 pが 複数の微細部分 1 2 mに分けられることによって、 該微細部分 1 2 mのァスぺク ト比が増大され、 熱電素子 2の幅方向の剛性がより低下されている。 そのため、 高温側と低温側との熱膨張差により生じた熱応力が熱電素子 2に作用した場合、 熱電素子 2 (半導体素子 1 2 ) が全体的により容易に変形する。
このように、 本実施形態によれば、 より容易に変形可能な構造とされているた め、 熱膨張差により生じる熱応力を熱電素子 2の変形によって適切に緩和するこ とができる。 その結果、 熱電素子 2の熱応力による破壊を防止することが可能と なる。 その他、 本実施形態によっても、 上述した第 1実施形態と同一または同様 の効果を奏することができる。
(第 3実施形態）
続いて、 図 9および図 1◦を用いて、 第 3実施形態に係る熱電素子の構成につ いて説明する。 図 9は、 第 3実施形態に係る熱電素子を構成する半導体素子 1 3 の斜視図である。 また、 図 1 0は、 図 9に示された半導体素子 1 3の平面図であ り、 スリットの形成方法を説明するための図である。
本実施形態に係る熱電素子は、 図 9に示されるように、 該熱電素子を構成する 半導体素子 1 3に、 一方の電極 （図示省略） との接合面から他方の電極 （図示省 略） との接合面へ向けて形成された複数のスリット 1 3 sに加えて、 他方の電極 (図示省略） との接合面から一方の電極 （図示省略） との接合面へ向けて複数の スリ ッ ト 1 3 s uが形成されている点で、 上述した第 1実施形態と異なっている。 この場合、 スリ ッ ト 1 3 s uは、 半導体素子 1 3の端部から端部の方向へ向けて 形成される間隙部であり、 半導体素子 1 3の両端部の温度差による生ずる応力を 緩和する応力緩和部として機能する。
ここで、 図 1 0に示されるように、 スリット 1 3 sによって画成される格子 (図 1 0の実線参照） とスリ ッ ト 1 3 s uによって画成される格子 （図 1 0の破 線参照） とは、 半導体素子 1 3を平面視したときに、 格子幅の半幅分前後左右に ずれるように、 すなわちそれぞれ互い違いになるように配置される。 したがって、 側面から見たときには、 インターディジタル構造となるように配置されている。 また、 本実施形態に係る熱電素子は、 半導体素子 1 3の他方の電極との接合部 にも、 上述したスリット 1 3 s uによって複数の分割部分 1 3 dに分けられた当 該接合部をさらに細かい微細部分 1 3 mに分ける複数の切り込み 1 3 cが形成さ れている点で、 上述した第 1実施形態と異なっている。 その他の構成は、 上述し た第 1実施形態と同一または同様であるので、 ここでは説明を省略する。
以上の構成において、 本実施形態に係る熱電素子を用いて発電を行う時には、 —方の電極側面が高温にされ、 他方の電極側面が低温にされる。 その際に、 高温 側が膨張し、 低温側が収縮して、 熱電素子には高温側と低温側との熱膨張差によ り生じる熱応力が作用する。
ここで、 本実施形態では、 熱電素子を構成する半導体素子 1 3が両端面から互 い違いに形成されたスリット 1 3 s， 1 3 s uによって、 各分割部分 1 3 dのァ スぺタト比がより増大され、 熱電素子の幅方向の剛性がより低下されている。 そ のため、 高温側と低温側との熱膨張差により生じた熱応力が熱電素子に作用した 場合、 熱電素子が全体的により容易に変形する。
このように、 本実施形態によれば、 両端面から互い違いにスリット 1 3 s， 1 3 s uが入れられることによって、 各分割部分 1 3 dがばらばらに分離されるこ とを防ぎつつ、 各分割部分 1 3 dのアスペクト比を大きく取ることができる。 そ のため、 熱電素子の製造工程などを比較的複雑にすることなく、 より効果的に熱 電素子の剛性を低下させることができる。 その結果、 熱膨張差により生じる熱応 力を熱電素子の変形によって適切に緩和することができ、 熱電素子の熱応力によ る破壌を防止することが可能となる。
また、 本実施形態によれば、 一方の電極との接続部のみならず、 他方の電極と の接続部も微細部分 1 3 mに分けられているので、 該接合部の強度をも高めるこ とができる。 その他、 本実施形態によっても、 上述した第 1実施形態と同一また は同様の効果を奏することができる。
続いて、 図 1 1および図 1 2を参照しつつ、 第 3実施形態に係る熱電素子 3が 複数接続されて構成された熱電モジュール 9 0の構成について説明する。 ここで、 図 1 1は、 第 3実施形態に係る熱電素子 3により構成された熱電モジュール 9 0 を備える熱電発電装置 1 0 0の断面図である。 また、 図 1 2は、 図 1 1に示され た熱電発電装置 1 0 0における熱電素子 3と伝熱フィン側電極 1 0 2、 モジユー ル冷却部材側電極 1 0 4との接合方法を説明するための要部断面図である。
図 1 1に示されるように、 熱電発電装置 1 0 0は、 高温側の受熱部を構成する 絶縁セラミックス製の伝熱フィン 1 0 1と、 低温側の放熱部を構成する絶縁セラ ミックス製のモジュール冷却部材 1 0 3との間に、 上述した第 3実施形態に係る N型熱電素子 3 nと P型熱電素子 3 pとが電極 2 0， 2 1を介して交互に直列に 接続された熱電モジュール 9 0が配置されて構成されている。 また、 モジュール 冷却部材 1 0 3には複数の冷却水通路 1 0 5が形成されている。 この冷却水通路 1 0 5には、 冷却水配管 （図示省略） が接続されており、 冷却液が循環供給され ることにより、 モジュール冷却部材 1 0 3が冷却される。
伝熱フィン 1 0 1の熱電モジュール 9 0との結合部には伝熱フィン側電極 1 0 2が取り付けられている。 伝熱フィン 1 0 1およぴ伝熱フィン側電極 1 0 2それ ぞれには、 断面櫛型形状の凹凸が形成されており、 伝熱フィン 1 0 1側の凹凸と 伝熱フィン側電極 1 0 2側の凹凸が嵌め合わされることによって、 伝熱フィン 1 0 1と伝熱フィン側電極 1 0 2が結合されている。
また、 モジュール冷却部材 1 0 3の熱電モジュール 9 0との結合部にはモジュ ール冷却部材側電極 1 0 4が取り付けられている。 モジュール冷却部材 1 0 3お よびモジュール冷却部材側電極 1 0 4それぞれには、 断面櫛型形状の凹凸が形成 されており、 モジュール冷却部材 1 0 3側の凹凸とモジュール冷却部材側電極 1 0 4側の凹凸が嵌め合わされること よって、 モジュール冷却部材 1 0 3とモジ ユール冷却部材側電極 1 0 4が結合されている。
さらに、 図 1 2に示されるように、 熱電モジュール 9 0と、 伝熱フィン側電極 1 0 2およぴモジュール冷却部材側電極 1 0 4それぞれとが、 高温で圧着接合さ れることによって結合されている。
このような構造を有する本実施形態に係る熱電焭電装置 1 0 0は、 例えば、 自 動車の排気系の熱を回収して発電するように、 伝熱フィン 1 0 1が排気ガスの流 通経路に臨んで設置される。 そして、 伝熱フィン 1 0 1によって回収された排気 ガスの熱が伝熱フィン側電極 1 0 2を介して熱電モジュール 9 0の一端の電極 2 0に伝熱され、 熱電モジュール 9 0の他端の電極 2 1からモジュール冷却部材側 電極 1 0 4を介してモジュール冷却部材 1 0 3へ放熱されることにより、 熱電モ ジュール 9 0を構成する複数の N型熱電素子 3 nおよび P型熱電素子 3 pが起電 力を発生して発電する。
本実施形態に係る熱電モジュール 9 0によれば、 上述した第 3実施形態に係る 熱電素子 3により構成されることにより、 熱電モジュール 9 0の両端の温度差に よって生じる熱応力による熱電モジュール 9 0の破壌を防止することが可能とな る。
また、 熱電モジュール 9 0によれば、 電極 2 0、 伝熱フィン側電極 1 0 2と伝 熱フィン 1 0 1との熱膨張率違いによる熱応力、 および、 電極 2 1、 モジュール 冷却部材側電極 1 0 4とモジュール冷却部材 1 0 3との熱膨張率違いによる熱応 力に対しても耐えることができる。
(第 4実施形態）
続いて、 第 4実施形態に係る熱電素子の構成について説明する。 図 1 3 (a) は、 第 4実施形態に係る熱電素子の正面図、 図 1 3 (b) 及び図 1 3 (c) は図 1 3 (a) の XIII— XIIIにおける半導体素子の断面図である。
本実施形態に係る熱電素子は、 図 1 3に示されるように、 熱電素子を構成する 半導体素子 1 4にその端部から端部の方向へ向けて形成される間隙部 1 4 aを形 成したものである。 この間隙部 1 4 aは、 半導体素子 1 4の両端部の温度差によ る生ずる応力を緩和する応力緩和部として機能する。
熱電素子を用いて発電を行うときには、 一方の電極が設けられた一端部が高温 にされ、 他方の電極が設けられた他端部が低温にされる。 その際に、 半導体素子 1 4の高温側は膨張し、 低温側は収縮する。 その結果、 半導体素子 1 4には熱応 力が作用する。 これに対し、 間隙部 1 4 aを形成することにより、 半導体素子 1 4と電極 20、 2 1の接続面と平行な方向に半導体素子 1 4が変形しゃくすなり、 その方向への半導体素子 1 4の剛性を低下させることができる。 このため、 半導 体素子 14の高温側の端部と低温側の端部の温度差により生じた場合、 その熱応 力を緩和することができる。 従って、 熱応力による半導体素子 1 4の破壊を抑制 でき、 ァスぺクト比の小さい半導体素子 1 4を用いて発電量を向上させることが できる。
間隙部 1 4 aの断面形状は、 図 1 3 (b) に示すように、 例えば円形とされる。 この場合、 複数の間隙部 1 4 aを形成し、 所定の間隔で配置することが好ましい。 また、 間隙部 1 4 aの断面形状は、 図 1 3 (c) に示すように、 例えば十字型と される。 この場合も、 複数の間隙部 1 4 aを形成し、 所定の間隔で配置すること が好ましい。
この間隙部 14 aは、 半導体素子 14の端部から端部まで貫通させて形成して もよいし、 一方の端部から他方の端部まで達しない位置まで形成してもよい。 この本実施形態に係る熱電素子において、 他の実施形態におけるスリット、 切 り込みを形成してもよい。 また、 第 3実施形態のように熱電モジュールに適用し てもよい。
以上、 本発明の実施の形態について詳細に説明したが、 本発明は、 上記実施形 態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。 例えば、 上記第 1実施形 態では、 スリット 1 1 sの他端は他方の電極 2 1との接合面には達していなかつ たが、 該接合面までスリット 1 1 sを入れることによって複数の分割部分に分離 してもよレ、。
また、 半導体素子 1 1 , 1 2， 1 3の形状や材質は上記実施形態に限られるも のではない。 例えば、 半導体素子 1 1 , 1 2， 1 3の形状は円柱状などであって あよい。
また、 上記実施形態では、 熱電モジュール 9 0を構成する熱電素子として、 第 3実施形態に係る熱電素子 3を用いたが、 熱電素子 3に代えて、 第 1実施形態に 係る熱電素子 1や第 2実施形態に係る熱電素子 2を用いてもよい。
産業上の利用可能性
本発明は、 熱電素子及び熱電モジュールにおいて、 素子の両端部の温度差によ り生ずる応力を緩和して熱応力による素子の破壌を抑制することができる。

Claims

請求の範匪
1 . 熱エネルギと電気工ネルギとの間でエネルギを変換する素子と、 前記素子の両端部に接続される一対の電極と、
を備え、
前記素子は、 前記両端部の温度差により生ずる応力を緩和する応力緩和部が形 成されていること、
を特徴とする熱電素子。
2 . 前記応力緩和部は、 前記素子の端部から端部の方向へ向けて形成さ れる間隙部であることを特徴とする請求の範囲 1に記載の熱電素子。
3 . 前記素子の少なくとも一部が、 前記電極との接合面に対して略垂直 な方向に複数の部分に分けられていることを特徴とする請求の範囲 1又は 2に記 載の熱電素子。
4 . 前記素子は、 一方の電極と他方の電極との間に形成された複数のス リットによって、 上記複数の部分に分けられていることを特徴とする請求の範囲 3に記載の熱電素子。 .
5 . 前記複数の部分の一端は、 前記素子のいずれかの一端と一致してい ることを特徴とする請求項 3又は 4に記載の熱電素子。
6 . 前記複数の部分を構成する各部分の短手方向の幅は、 前記素子に生 じる応力および前記素子の破壊靱性に基づいて設定されることを特徴とする請求 の範囲 5に記載の熱電素子。
7 . 前記素子は、 少なくともいずれかの電極との接合部に、 該接合部を 前記複数の部分よりも細かい微細部分に分ける切り込みが形成されていることを 特徴とする請求の範囲 3〜 5のいずれか 1項に記載の熱電素子。
8 . 前記切り込みにより分けられた前記微細部分の短手方向の幅は、 前 記素子に生じる応力および前記素子の破壌靱性に基づいて設定されることを特徴 とする請求の範囲 7に記載の熱電素子。
9 . 前記微細部分に分けられた前記素子の前記接合部に導電性の接合材 が充填されることにより、 前記素子と前記電極とが接合されていることを特徴と する請求の範囲 7又は 8に記載の熱電素子。
1 0 . 前記電極の前記素子との接合部は、 前記素子に形成された前記切 り込みに嵌まるように形成されており、 前記電極の前記接合部と前記素子の前記 切り込みとが嵌め合わされることにより、 前記素子と前記電極とが接合されてい ることを特徴とする請求の範囲 7又は 8に記載の熱電素子。
1 1 . 前記微細部分の短手方向の幅は、 接合界面の電気抵抗と前記素子 の電気抵抗率との比に基づいて設定されることを特徴とする請求の範囲 9又は 1 0に記載の熱電素子。
1 2 . 前記素子と前記電極との接合箇所の深さは、 接合界面の電気抵抗 と前記素子の電気抵抗率との比およぴ前記微細部分の短手方向の幅に基づいて設 定されることを特徴とする請求の範囲 1 1に記載の熱電素子。
1 3 . 請求の範囲 1〜 1 2のいずれか 1項に記載の熱電素子が複数接続 されて構成されていることを特徴とする熱電モジュール。
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