JP2003179275A - 熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バルク型並みの熱電変換性能を有し、かつ生産
性の高い薄膜型の熱電変換モジュールを得る。 【解決手段】本発明の熱電変換モジュールは、基板上に
Ｐ型半導体とＮ型半導体とを交互に配置し、Ｐ型とＮ型
の半導体が金属層により直列接続されたものであり、基
板を絶縁性を有した可とう性の２枚のフイルムとし、一
方のフイルムにＰ側端子とＰ側金属層８とＰ型半導体よ
りなる熱電変換素子を接着してＰ側フイルム６とし、他
方のフイルムにＮ側端子とＮ側金属層とＮ型半導体２よ
りなる熱電変換素子を接着してＮ側フイルム１とし、Ｐ
型用フルムとＮ型用フイルムとを拝み合わせて一対のモ
ジュールとし、双方の端子部、金属層部がお互いに電気
的に接触することにより、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを
直列接続に配列した構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換モジュー
ルに関し、特に薄膜半導体を利用して、所要の熱電変換
性能を得ることや生産性向上を目的にした熱電変換モジ
ュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換は、2種の異なる金属やＰ型、
Ｎ型の2種の半導体からなる熱電変換素子により、熱エ
ネルギーを電気エネルギーへ直接変換するゼーベック効
果や電気エネルギーを熱エネルギーへ変換するペルチェ
効果が公知であり、可動部分が無いためメンテナンスや
騒音対策を必要とせず、長期運転が可能である等の特徴
がある。この特徴を生かして冷蔵、冷凍や自動車、各種
エンジン等の排ガスからの電力回収に利用されている。
これらの熱電変換モジュールの一例を図１４に示す。図
１４は、従来の一般的なバルク状の熱電変換素子を用い
た熱電変換モジュールの斜視図である。図において、１
０３、１０４は金属板、１０１はＰ型半導体、１０２は
Ｎ型半導体、１０６，１０７は端子、１０５は基板であ
る。Ｐ型半導体１０１とＮ型半導体１０２は金属板１０
３と１０４により交互に直列接続されている。端子１０
６と１０７間に電圧を印加すると、金属板の一方は加熱
され、他方は冷却される。また、金属板１０３と１０４
間に温度差を与えると、端子間には電圧が発生する。こ
のバルク状の熱電変換素子の製造方法はＰ型、Ｎ型半導
体材料の組成を調整し、混合、焼成、熱処理してバルク
状に形成し、所要の形状に機械的に切断して、Ｐ型、Ｎ
型半導体素子を製造する。これらの半導体素子は電極を
介して、はんだにより、直列に接続されて一つのユニッ
トを構成する。このバルク状熱電変換素子では製造法で
の所要の形状に機械的に切断する事や構成法でのＰ型と
Ｎ型の配列やはんだ付けにより、生産に時間を要してい
た。また、バルク状熱電変換素子の形状が方形であるた
め、平面状への設定のみとなり使用用途が限定されてい
た。これに対して、生産時間の短縮や低価格を図るため
に、薄膜型の熱電材料で構成された熱電変換素子がある
（例えば16th International Conference on Thermoele
ctrics 1997 641〜 645頁 「Thernoelectric Microcoo
lers for Thermal Management Applications」） 。こ
の薄膜型熱電変換素子は絶縁性の基板やフイルム上にＰ
型とＮ型半導体を交互に接着して、金属板によりＰ型と
Ｎ型を交互に直列接続した構成である。この薄膜熱電変
換素子の製造はCVD（Chemical Vapor Deposition）、PC
VD(Plasma Chemical Vapor Deposition)、真空蒸着、ス
パッタリング等の種々の方法が用いられている。これら
の方法においては、Ｐ型、Ｎ型半導体用のドーピング材
料を別々に用意する必要がある。例えば、CVDによる製
造法では、熱電材料とＰ型、Ｎ型のドーピング材料をCV
D装置内に設定し、抵抗加熱法等により加熱気化させて
化学反応により基板やフイルム上に薄膜熱電変換素子を
形成する。また、真空蒸着法では、熱電材料とＰ型、Ｎ
型のドーピング材料を蒸着機の同一チャンハ゛ー内に設定
し、電子ビームや抵抗加熱法により２種類以上の材料を
蒸発させ、それそれの材料に対して蒸発量を制御して、
所要の膜厚やドーピング濃度のＰ型とＮ型素子を基板や
フイルム上に形成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記バ
ルク状熱電変換素子には次のような問題があった。所要
の形状に機械的に切断する事や構成法でのＰ型とＮ型の
配列作業やはんだ付け作業により、生産に時間を要して
いた。また、切削を要するバルク状であるため小型化に
は限界があり、適用用途が狭く、小型装置への適用には
限界があった。上記バルク状熱電変換素子の問題点を解
決する手段としての薄膜型熱電変換素子には、次のよう
な問題があった。薄膜であるために、Ｐ型やｎ半導体部
の断面積を大きく形成できず、電気的な導電性を向上す
る事ができず、ひいては素子全体の熱電変換効率が低下
していた。また、導電性の異なる２種の半導体を同一基
板やフイルム上に形成する製造法ではＰ型およびＮ型半
導体のいずれか一方を先に形成した後、残りの他方の半
導体を形成するため、生産が2度手間であること、また
異なる2種の材料を同一チャンバー内で形成するため、
チャンバー内の汚染により、素子特性に悪影響を与えて
いた。また、バルク状熱電変換素子は形状が方形である
ため、平面状への設定のみとなり使用用途が限定されて
いた。特にモータの軸受け部の冷却に従来の方形熱電変
換モジュールを設定するとなると構成を円形表面に設定
するため、バルク状素子を円形表面に設定するため、生
産の時間がかかりすぎるなどの問題が発生していた。そ
こで、本発明の目的は、薄膜型でありながら、バルク型
並みの熱電変換性能を得て、しかもＰ型とＮ型の半導体
よりなる熱電変換モジュールの生産性を良くすることで
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明はつぎの構成にしている。 (1)基板上にＰ型半導体とＮ型半導体とを交互に配置
し、Ｐ型とＮ型半導体が金属層により直列接続された熱
電変換モジュールにおいて、前記基板を絶縁性を有した
可とう性の２枚のフイルムとし、一方のフイルムにＰ側
端子と金属層とＰ型半導体よりなる熱電変換素子を接着
してＰ側フイルムとし、他方のフイルムにＮ側端子と金
属層とＮ型半導体よりなる熱電変換素子を接着してＮ側
フイルムとし、前記Ｐ側フルムとＮ側フイルムとを拝み
合わせて一対のモジュールとし、双方の端子部、金属層
部がお互いに電気的に接触することにより、Ｐ型半導体
とＮ型半導体が直列接続に配列する構成である。本構成
によれば、Ｐ型半導体とＮ型半導体を別々に製作し、し
かる後にＰ型とＮ型半導体を直列接続するので、同一チ
ャンバーで製作する時にチャンバー内への素子の設定の
手間が省け、生産時間が短縮される。 (2)前記可とう性フイルムの形状を方形とした熱電変換
モジュールを複数個配列し、複数のＰ側端子同士および
複数のＮ側端子同士をそれぞれ接続することにより、各
熱電変換モジュールを並列接続したものである。本構成
によれば、バルク状熱電変換素子並みの熱電変換効率を
得る事ができる。 (3) 前記可とう性フイルムの形状を方形とした熱電変換
モジュールを複数個積層し、その一方端を中央にして、
渦巻き状に成形し、複数のＰ側端子同士および複数のＮ
側端子同士をそれぞれ接続することにより、各熱電変換
モジュールを並列接続したものである。本構成によれ
ば、バルク状熱電変換素子並みの熱電変換効率を得る事
ができると共に熱電変換素子の占める体積が縮小でき、
装置の小型化が可能となる。 (4)前記可とう性のフイルム形状を中空円板状とした熱
電変換モジュールを複数個配列し、複数のＰ側端子同士
および複数のＮ側端子同士をそれぞれ接続することによ
り、各熱電変換モジュールを並列接続したものである。
本構成によれば、Ｐ型半導体とＮ型半導体を別々に製作
し、しかる後にＰ型とＮ型半導体を直列接続するので、
同一チャンバーで製作する時にチャンバー内への素子の
設定の手間が省け、生産時間が短縮される。 (5)前記可とう性のフイルム形状を中空円板状とした熱
電変換モジュールを用いて、中空部をモータの軸受部外
周に、円板部を前記モータのブラケットの内周部に設け
た熱電変換装置である。本構成によれば、モータ軸受け
の熱電変換モジュールにより冷却し、モータの容量増大
化や信頼性向上を図る事ができる。 (6)前記ブラケットの一方端に軸受支え板を設け、他方
端を軸受に接合して軸受を機械的に支える構成とし、前
記軸受支え板の断面積を前記熱電変換モジュール内周面
の面積の少なくとも１／１０以下とした熱電変換装置で
ある。本構成によれば、モータ軸受けの熱電変換モジュ
ールにより冷却し、モータの容量増大化や信頼性向上を
図る事ができる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。 （第１の実施形態）本発明の第１の実施形態の熱電変換
モジュールについて図１〜４に基づいて説明する。図１
は、Ｎ型半導体２をＮ側フイルム１上に設けた状況を示
す平面図である。図の上下にはＰ型とＮ型半導体を接続
するＮ側金属層３とフイルム両端にはＮ側端子４および
Ｐ側端子５を備えている。このフイルム上ではＰ型半導
体部は空白状態になっている。図２は、Ｐ型半導体７を
Ｐ側フイルム６上に設定けた状況を示す平面図である。
図の上下にはＰ型とＮ型半導体を接続するＰ側金属層８
とフイルム両端にはＮ側端子４およびＰ側端子５を備え
ている。このフイルム上ではＮ型半導体部は空白状態に
なっている。図３は、図１のＮ側フイルム１と図２のＰ
側フイルム６とを拝み合わせて一体化した平面図であ
る。図においてＮ側とＰ側の金属層や端子部は重なり合
っているが、Ｐ型とＮ型の半導体部は相互に配列された
状態で一体化している。図３のＡ−Ａ面からみた縦断面
図を図４に示す。図においてＮ側とＰ側フイルム内にＮ
側金属層３とＰ側金属層８は接触することで電気的に接
続され、Ｎ型半導体２は空白部９によりＰ側の金属層や
半導体とは接触しない構成である。なお、フイルムは絶
縁性のセラミックスやマイカなどの材質で板状やシート
状であっても良い。この構成であればＰ型半導体とＮ型
半導体を別々に製作し、しかる後にＰ型とＮ型半導体を
直列接続するので、CVD等の薄膜製造装置の同一チャン
バーで製作する時に、例えばＮ型半導体を製作後に次に
Ｐ型半導体を製作するときに同一チャンバー内へＰ型の
ドーピング材の設定などの2度手間が省け、生産時間が
短縮される。

【０００６】（第２の実施形態）本発明の第２の実施形
態の熱電変換モジュールについて図５に基づいて説明す
る。図５は、本発明の第１の実施形態で述べたＰ側フイ
ルムとＮ側フイルムをＰ型半導体とＮ型半導体を直列接
続するよに拝み合わせた状態を１ユニットとして、複数
のユニットを並列に配置して、各ユニットのＮ側端子同
士を電気的に接続し、同じくＰ側端子同士を電気的に接
続して構成である。従来薄膜半導体は薄膜であるがゆえ
に、半導体部の導電断面積が小さく、電気導電率が低く
なり、熱電変換効率に問題があった。一般に熱電変換効
率の指標は次の性能指数Zであらわされる。 Z=σα²/κ＝電気導電率×（ゼーベック係数）²／熱伝
導率 上式でゼーベック係数は材料の物性値のみで決まる値で
あり、電気導電率と熱伝導率は材料の物性値および構成
要因で決まる値である。この式で電気導電率は高く、熱
伝導率は低い方が熱電変換効率は高くなる。第２実施例
の構成では、熱伝導率は図３に示すｈ（上下2枚の金属
層間のＰ型とＮ型半導体の高さ）を所要の高さを調整し
て低い値に設定できる。また、並列接続のユニット枚数
を所要の枚数に調整することにより、電気導電率を高い
値に設定できる。この熱伝導率や電気導電率を所要の値
に設定する事で熱電変換効率を高く設定可能となる。

【０００７】（第３の実施形態）本発明の第３の実施形
態の熱電変換モジュールについて図６に基づいて説明す
る。図６は、本発明の第１の実施形態で述べたＰ側フイ
ルムとＮ側フイルムをＰ型半導体とＮ型半導体を直列接
続するよに拝み合わせた状態を１ユニットとして、複数
のユニットを並列に配置して、複数の熱電変換モジュー
ルユニットの一端を中央にして、渦巻き状に複数個配列
し、中央部の複数端子を電気的に接続すると共に渦巻き
状外周部の複数端子を電気的に接続した熱電変換モジュ
ール構成である。本構成では第２の実施形態と同じく熱
電変換効率を高く設定可能となる。また、渦巻状とした
ので、熱電変換素子部の占める体積を縮小でき、装置の
小型化が可能となる。

【０００８】（第４の実施形態）本発明の第４の実施形
態の熱電変換モジュールの作製方法を図７〜１０に示
す。本実施形態は、フイルムの形状が第１の実施形態の
方形から中空円板状に変わったものであり、作製方法は
第１の実施形態と同様に行われる。図７はＮ型半導体２
を中空円板状のＮ側フイルム１上に設定したもので、中
空円板の外周と内周にはＰ型とＮ型半導体を接続するＮ
側金属層３とフイルムの外周にはＮ側端子４およびＰ側
端子５を備えている。このフイルム上ではＰ型半導体部
は空白状態になっている。図８はＰ型半導体７を中空円
板状のＰ側フイルム６上に設定したもので、中空円板の
外周と内周にはＰ型とＮ型半導体を接続するＰ側金属層
８とフイルムの外周にはＮ側端子４およびＰ側端子５を
備えている。このフイルム上ではＮ型半導体部は空白状
態になっている。図９は上記Ｎ型半導体や金属層を設定
した中空円板状のＮ側フイルムとＰ型半導体や金属層を
設定した中空円板状のＰ側フイルムを半導体や金属層が
設定してある面を接続するように拝み合わせて一体化し
た状態図である。図でＮ側とＰ側の金属層や端子部は重
なり合っているが、Ｐ型とＮ型の半導体部は相互に配列
された状態で一体化している。図９のＢ−Ｂ面からみた
縦断面図を図１０に示す。図１０でＮ側とＰ側フイルム
内にＮ側金属層３とＰ側金属層は接触することで電気的
に接続され、Ｐ型半導体７は空白部９によりＰ側の金属
層や半導体とは接触しない構成である。なお、フイルム
は絶縁性のセラミックスやマイカなどの材質で板状やシ
ート状であっても良い。この構成であればＰ型半導体と
Ｎ型半導体を別々に製作し、しかる後にＰ型とＮ型半導
体を直列接続するので、CVD等の薄膜製造装置の同一チ
ャンバーで製作する時に、例えばＮ型半導体を製作後に
次にＰ型半導体を製作するときに同一チャンバー内へＰ
型のドーピング材の設定などの2度手間が省け、生産時
間が短縮される。

【０００９】（第５の実施形態）本発明の第５の実施形
態の熱電変換モジュールを図１１に示す。図１１は本発
明の第１の実施形態で述べたＰ側フイルムとＮ側フイル
ムをＰ型半導体とＮ型半導体を直列接続するように拝み
合わせた状態を１ユニットとして、複数のユニットを並
列に配置して、各ユニットのＮ側端子同士を電気的に接
続し、同じくＰ側端子同士を電気的に接続して構成であ
る。従来薄膜半導体は薄膜であるがゆえに、半導体部の
導電断面積が小さく、電気導電率が低くなり、熱電変換
効率に問題があった。一般に熱電変換効率の指標は、性
能指数Zであらわされる。性能指数Zについては、第２の
実施形態で述べたので説明は省略する。この式で電気導
電率は高く、熱伝導率は低い方が熱電変換効率は高くな
る。第５実施例の構成では、熱伝導率は図９に示すｈ
（Ｐ型とＮ型半導体の長さ）を所要の高さを調整して低
い値に設定できる。また、並列接続のユニット枚数を所
要の枚数に調整することにより、電気導電率を高い値に
設定できる。この熱伝導率や電気導電率を所要の値に設
定する事で熱電変換効率を高く設定可能となる。

【００１０】（第６の実施形態）次に本発明の第６の実
施形態の熱電変換モジュールについて図１２に基づいて
説明する。図１２は中空円板状熱電変換モジュールを適
用したモータを示す正断面図、図１３は図１２のＣ−Ｃ
面における側断面図である。本実施例は、第５の実施形
態で述べた中空円板状のＰ側フイルムとＮ側フイルムを
Ｐ型半導体とＮ型半導体を直列接続するよに拝み合わせ
た状態を１ユニットとして、複数のユニットを並列に配
置した熱電変換モジュール２１をモーターの軸受冷却に
適用したものである。モーターの構成は回転体側はロー
タ２３、シャフト２２であり、固定体側はステータ２
４、巻線２５、ブラケット２６および軸受支え板２８よ
りなり、熱電変換モジュール２１は内周部を軸受２７と
接しするように設定し、外周部をブラケット２６と接す
るように設定している。軸受支え板２８は一端をブラケ
ット２６に他の一端は軸受２７に接合され、軸受を機械
的に支えている。なお、軸受支え板２８の断面積は熱電
変換モジュール２１の内周面（軸受からの吸熱面）の面
積の少なくとも１／１０以下として、熱電変換モジュー
ル２１の吸熱作用を充分機能する構成としている。次に
動作を説明する。熱電変換モジュール２１のＰ型半導体
側を＋極とし、Ｎ型半導体側を−極として電流を流す
と、軸受２７で発生した熱は熱電変換モジュール２１に
より吸熱され、ブラケット２６側へ放熱される。この熱
電変換モジュール２１の吸熱、放熱動作により、軸受部
の温度上昇は抑制されるため、軸受の温度上昇により潤
滑性を無くすグリース切れの現象を大幅に低減でき、モ
ーターの信頼性を向上できる。

【００１１】

【発明の効果】以上述べたように、薄膜のＮ型とＰ型半
導体をＮ型とＰ型専用のフイルムに別々に製作するの
で、ＣＶＤ等の蒸着機の同一チャンバーで製作するとき
に、チャンバー内への素子設定の手間が省け、生産時間
が短縮される。また、Ｐ側とＮ側フイルムを拝め合わせ
て、Ｐ型とＮ型の半導体が直列接続される構成とし、そ
れらを複数個並列接続する構成としたので電気導電率を
高めて、熱電変換効率を高める事が出来た。また、Ｐ側
とＮ側フイルムを拝め合わせて、Ｐ型とＮ型の半導体が
直列接続される構成とし、それらを複数個並列接続した
モジュールの一端を中央にして、渦巻状に配設したので
熱電変換効率を高めると共に装置の小型化が可能となっ
た。中空円板状の熱電変換素子をモーターブラケツトと
軸受間に設定したので軸受で発生した熱を吸熱するの
で、軸受の温度上昇を抑制するので、軸受の温度上昇に
より潤滑性を無くすグリース切れの現象を大幅に低減で
き、モーターの信頼性が向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】第1の実施形態であるＮ型半導体熱電変換モジ
ュールを示す平面図

【図２】第1の実施形態であるＰ型半導体熱電変換モジ
ュールを示す平面図

【図３】第1の実施形態であるＮ型とＰ型の半導体を合
体した熱電変換モジュールを示す平面図

【図４】図３のＡ−Ａ面における断面図

【図５】第２の実施形態である方形の熱電変換モジュー
ルを示す斜視図

【図６】第３の実施形態である渦巻状の熱電変換モジュ
ールを示す斜視図

【図７】第４の実施形態であるＮ型半導体の中空円板状
熱電変換モジュールを示す平面図

【図８】第４の実施形態であるＰ型半導体設定の中空円
板状熱電変換モジュールを示す平面図

【図９】第４の実施形態であるＮ型とＰ型の半導体を合
体した中空円板状熱電変換モジュールを示す平面図

【図１０】図９のＢ−Ｂ面における断面図

【図１１】第５の実施形態である中空円板状の熱電変換
モジュールを示す斜視図

【図１２】第６の実施形態である中空円板状熱電変換モ
ジュールを適用したモータを示す正断面図

【図１３】図１２のＣ−Ｃ面における側断面図

【図１４】従来の熱電変換モジュールを示す斜視図

【符号の説明】

１ Ｎ側フイルム ２ Ｎ型半導体 ３ Ｎ側金属層 ４ Ｎ側端子 ５ Ｐ側端子 ６ Ｐ側フイルム ７ Ｐ型半導体 ８ Ｐ側金属層 ９ 空間部 １０１ Ｐ型半導体 １０２ Ｎ型半導体 １０３、１０４ 金属板 １０５ 基板 １０６ 、１０７ 端子 ２１ 熱電変換モジュール ２２ シャフト ２３ ロータ ２４ ステ−タ ２５ 巻線 ２６ ブラケット ２７ 軸受 ２８ 支え板

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上にＰ型半導体とＮ型半導体とを交互
   に配置し、Ｐ型とＮ型半導体が金属層により直列接続さ
   れた熱電変換モジュールにおいて、 前記基板を絶縁性を有した可とう性の２枚のフイルムと
   し、一方のフイルムにＰ側端子と金属層とＰ型半導体よ
   りなる熱電変換素子を接着してＰ側フイルムとし、他方
   のフイルムにＮ側端子と金属層とＮ型半導体よりなる熱
   電変換素子を接着してＮ側フイルムとし、前記Ｐ側フル
   ムとＮ側フイルムとを拝み合わせて一対のモジュールと
   し、双方の端子部、金属層部がお互いに電気的に接触す
   ることにより、Ｐ型半導体とＮ型半導体が直列接続に配
   列するようにしたことを特徴とする熱電変換モジュー
   ル。
2. 【請求項２】前記可とう性のフイルムの形状が方形であ
   ることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュー
   ル。
3. 【請求項３】前記熱電変換モジュールを複数個配列し、
   複数のＰ側端子同士および複数のＮ側端子同士をそれぞ
   れ接続することにより、各熱電変換モジュールを並列接
   続したことを特徴とする請求項２記載の熱電変換モジュ
   ール。
4. 【請求項４】前記熱電変換モジュールを複数個積層し、
   その一方端を中央にして、渦巻き状に成形し複数のＰ側
   端子同士および複数のＮ側端子同士をそれぞれ接続する
   ことにより、各熱電変換モジュールを並列接続したこと
   を特徴とする請求項２記載の熱電変換モジュール。
5. 【請求項５】前記可とう性のフイルムの形状が中空円板
   状であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジ
   ュール。
6. 【請求項６】前記熱電変換モジュールを複数個配列し、
   複数のＰ側端子同士および複数のＮ側端子同士をそれぞ
   れ接続することにより、各熱電変換モジュールを並列接
   続したことを特徴とする請求項５記載の熱電変換モジュ
   ール。
7. 【請求項７】請求項６記載の熱電変換モジュールを用
   い、中空部をモータの軸受部外周に、円板状部を前記モ
   ータのブラケットの内周部に設けたことを特徴とする熱
   電変換装置。
8. 【請求項８】前記ブラケットの一方端に軸受支え板を設
   け、他方端を軸受に接合して軸受を機械的に支える構成
   とし、前記軸受支え板の断面積を前記熱電変換モジュー
   ル内周面の面積の少なくとも１／１０以下としたことを
   特徴とする請求項７記載の熱電変換装置。