JP2008177356A - Thermoelectric power generation element - Google Patents
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Description
本発明は、温度差を利用して発電をさせること又は直流電流を供給することによって冷却若しくは加熱させることが可能な熱電発電素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation element capable of generating power using a temperature difference or cooling or heating by supplying a direct current.
図3は従来型の熱電発電素子31の側断面図を示す。図3(a)は、図において上側の電極が高温とされ、下側の電極がそれに較べて低温とされた直後の状態の熱電発電素子31を示し、図3(b)は、その上下の電極を図3(a)に較べてより温度の高低差のある状態にして一定時間経過した後の熱電発電素子31を示す。
FIG. 3 is a sectional side view of a conventional
熱電発電素子31は、低温となる側の電極35に、例えば半田等によって熱電材料チップであるn型半導体32が接合され、n型半導体32の反対側の端部と高温となる側の電極34とが同じく半田等によって接合されている。さらに同じ電極34と熱電材料チップであるp型半導体33とが接合され、p型半導体33の反対側の端部は別のn型半導体32が接合された別の電極35に接合されている。このような構成にすることによって電気的に直列した接続が完成する。
In the
電極34が高温、電極35がそれに較べて低温となるような環境に熱電発電素子31を設置して端部の電極を電気回路等に接続すると、ゼーベック効果によって電圧が発生し、矢印で示すように、電極35→n型半導体32→電極34→p型半導体33と電流が流れる。これはつまり、n型半導体32内の電子が高温の電極34から熱エネルギーを得て低温の電極35へ移動してそこで熱エネルギーを放出し、それに対してp型半導体の正孔が高温の電極34から熱エネルギーを得て低温の電極35へ移動してそこで熱エネルギーを放出するという原理によって電流が流れる。
When the thermoelectric
このような熱電発電素子31の上下の電極34,35の温度差をさらに大きくすると、その温度差における熱電材料チップ及び電極間の熱膨張の違いによって、接合界面付近で破壊36が生じてしまう。
When the temperature difference between the upper and
これを解決するために、シリコンゴムやウレタンゴム、高分子化合物等から作られた導電性の弾性体(導電性ゴム)を電極材料として用いることで、破壊の原因となる熱応力を緩和する構成が公知である(特許文献1)。 In order to solve this problem, a conductive elastic body (conductive rubber) made of silicon rubber, urethane rubber, polymer compound, etc. is used as an electrode material to reduce thermal stress that causes destruction. Is known (Patent Document 1).
しかしながら、上記構成によると、一般に導電性ゴム材料の耐熱温度は金属の融点に較べて低いため、より高温の環境において用いることができない。また、ゴムや高分子化合物は熱的にも電気的にも抵抗が大きいため、発電出力及び発電効率が低下するという問題もある。 However, according to the above configuration, since the heat resistant temperature of the conductive rubber material is generally lower than the melting point of the metal, it cannot be used in a higher temperature environment. In addition, since rubber and polymer compounds have large resistance both thermally and electrically, there is a problem that power generation output and power generation efficiency are lowered.
そこで本発明は上記問題に鑑み、従来の構造よりも高温な環境においても使用可能であって、熱電材料チップ及び電極間の熱膨張の差によって接合部が破壊しないように熱応力を緩和しつつ、発電出力及び発電効率の低下を抑えた熱電発電素子を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention can be used in an environment where the temperature is higher than that of the conventional structure, while relaxing the thermal stress so that the joint portion is not broken due to the difference in thermal expansion between the thermoelectric material chip and the electrode. An object of the present invention is to provide a thermoelectric power generation element that suppresses a decrease in power generation output and power generation efficiency.
請求項1に記載の発明によれば、n型及びp型の半導体がそれら端部で電極によって電気的に直列となるよう交互に接続された熱電発電素子において、n型及びp型の半導体の少なくとも一方が両端部の電極の少なくとも一方で導電性の弾性部材を介して電極に接続されていることを特徴とする熱電発電素子が提供される。弾性部材を介して半導体である熱電材料チップと電極とが接続されているので、電極の熱膨張に差が生じても、それに起因した変形を弾性部材が吸収し、熱電材料チップ及び電極間の熱応力による破壊を防止することが可能となる。さらに、弾性部材に金属材料を用いれば、従来の導電性ゴムに較べてより高温域で熱電発電素子を使用することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, in a thermoelectric power generation element in which n-type and p-type semiconductors are alternately connected so as to be electrically connected in series by electrodes at their ends, the n-type and p-type semiconductors At least one of the electrodes at both ends is connected to the electrode through at least one of the conductive elastic members. A thermoelectric power generation element is provided. Since the thermoelectric material chip, which is a semiconductor, and the electrode are connected via the elastic member, even if a difference occurs in the thermal expansion of the electrode, the elastic member absorbs the deformation caused by the difference, and the thermoelectric material chip and the electrode are It becomes possible to prevent destruction due to thermal stress. Furthermore, if a metal material is used for the elastic member, it becomes possible to use the thermoelectric power generation element in a higher temperature range than the conventional conductive rubber.
また、請求項2に記載の発明によれば請求項1に記載の発明において、半導体及び電極間で弾性部材周囲を覆うように低融点金属が配置されていることを特徴とする熱電発電素子が提供される。弾性部材周囲に低融点金属が配置されることによって、弾性部材の耐久性が向上すると共に、熱電材料チップ及び電極間の電気的及び熱的抵抗を低減し、弾性部材のみの場合に較べて発電出力及び発電効率を向上させることが可能となる。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the thermoelectric power generation element according to the first aspect, wherein the low melting point metal is disposed so as to cover the periphery of the elastic member between the semiconductor and the electrode. Provided. By arranging a low melting point metal around the elastic member, the durability of the elastic member is improved and the electrical and thermal resistance between the thermoelectric material chip and the electrode is reduced, so that power generation is possible compared to the case of only the elastic member. Output and power generation efficiency can be improved.
各請求項に記載の発明によれば、熱電発電素子において、従来の構造よりも高温な環境においても使用可能であって、電極の熱膨張の差による熱電材料チップ及び電極間の接合部の熱応力を緩和するという共通の効果を奏する。 According to the invention described in each claim, the thermoelectric power generation element can be used in an environment at a higher temperature than the conventional structure, and the heat of the junction between the thermoelectric material chip and the electrode due to the difference in thermal expansion of the electrode. It has the common effect of relieving stress.
図1は本発明の実施形態による熱電発電素子1の側断面図を示す。図1(a)は、図において上側が高温とされ、下側がそれに較べて低温とされた直後の状態の熱電発電素子1を示し、図1(b)は、その上下の電極を図1(a)に較べてより温度の高低差のある状態にして一定時間経過した後の熱電発電素子1を示す。 FIG. 1 shows a side sectional view of a thermoelectric generator 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows the thermoelectric power generation element 1 in a state immediately after the upper side is set to a high temperature and the lower side is set to a lower temperature, and FIG. 1B shows the upper and lower electrodes of FIG. The thermoelectric power generation element 1 is shown after a certain time has passed in a state where the temperature difference is higher than in a).
熱電発電素子1は、低温となる側の電極5に、例えば半田等によって熱電材料チップであるn型半導体2が接合され、n型半導体2の反対側の端部と高温となる側の電極4とが拡散接合等によって接合されている。さらに同じ電極4と熱電材料チップであるp型半導体3とが、導電性のコイルスプリング6を介して接続され、p型半導体3の反対側の端部は別のn型半導体2が接合された別の電極5に接合されている。このような構成にすることによって電気的に直列した接続が完成する。さらに、コイルスプリング6が配置されているp型半導体3及び電極4間には、コイルスプリング6周囲を覆うように低融点金属部材7が配置され、そうすることによって、電導性のコイルスプリング6のみならず低融点金属部材7にも電流及び熱が伝わり、そのため導電性及び伝熱性が向上する。
In the thermoelectric generator 1, an n-
電極4,5の材料は、例えば、CuやTi−Cu合金であり、コイルスプリング6の材料は、例えば、無酸素銅線やすずめっき銅線であり、熱電発電素子1の材料は、例えば、クラスレート系やハーフホイスラー系であり、低融点金属部材7の材料は、例えば、Zn、Sn、Bi、アルミろう、高融点はんだ(Sn−Cu系)である。
The material of the electrodes 4 and 5 is, for example, Cu or Ti—Cu alloy, the material of the
電極4が例えば300℃から600℃の高温、電極5が例えば25℃から100℃の低温となるような環境に、本発明の実施形態による熱電発電素子1を設置して端部の電極を電気回路等に接続すると、矢印で示すように、電極5→n型半導体2→電極4→p型半導体3と電流が流れる。
In an environment in which the electrode 4 is at a high temperature of, for example, 300 ° C. to 600 ° C. and the electrode 5 is at a low temperature of, for example, 25 ° C. to 100 ° C., the thermoelectric power generation element 1 according to the embodiment of the present invention is installed. When connected to a circuit or the like, current flows through electrode 5 → n-
さらに温度差を大きくして一定時間経過させると、高温側の電極4と低温側の電極5との間で熱膨張の差が生じるが、図1(b)に示すように、コイルスプリング6及び液化した低融点金属部材7が熱膨張に合わせて変形し、従来の破壊の原因となっていた熱応力を緩和する働きをすることとなる。両電極間の温度差が小さくなれば、コイルスプリング6の弾性によってまたもとの状態に戻ることが可能となる。なお、液化した低融点金属は、表面張力等によってp型半導体3及び電極4間に維持される。
When the temperature difference is further increased and a certain period of time elapses, a difference in thermal expansion occurs between the high temperature side electrode 4 and the low temperature side electrode 5, but as shown in FIG. The liquefied low melting
ここで、本発明の実施形態による熱電発電素子1の製造方法を図2の側断面図に沿って工程順に説明する。 Here, the manufacturing method of the thermoelectric power generation element 1 according to the embodiment of the present invention will be described in the order of steps along the side sectional view of FIG.
まず、電極4とn型半導体2とを拡散接合によって接合する(図2(a))。そして、p型半導体3と電極4とをコイルスプリング6を介して接続するために、コイルスプリング6の両端でそれぞれレーザースポット溶接を行って接合する(図2(b))。さらに、p型半導体3及び電極4間にコイルスプリング6周囲を覆うように低融点金属部材7を配置するため、低融点金属を注入する(図2(c))。そして、低温側の電極5を半田付けするための濡れ性向上のため、メッキ8を施し(図2(d))、最後に、電極5を半田付け9して完成となる(図2(e))。
First, the electrode 4 and the n-
本実施形態は、コイルスプリング及び低融点金属部材をp型半導体の高温となる側にのみ配置したが、それ以外にも、n型半導体の高温となる側若しくは低温となる側又はp型半導体の高温となる側若しくは低温となる側の少なくとも1つに配置されていればよいが、好ましくは、低融点金属部材の材料の選択の幅が広いn型半導体又はp型半導体の高温となる側の少なくとも1つに配置されていることが望ましい。また、本実施形態は、コイルスプリングと低融点金属部材を併用したが、低融点金属部材を排除し、導電性が高くて熱抵抗が少ない金属等の部材からなるコイルスプリングのみで構成されていてもよい。さらに、本実施形態は、コイルスプリングを用いたが、電極平面方向の膨脹に弾性を有する板バネ等の弾性部材であれば代替可能である。 In the present embodiment, the coil spring and the low melting point metal member are arranged only on the high temperature side of the p-type semiconductor, but other than that, the high temperature side or the low temperature side of the n type semiconductor or the p type semiconductor It is sufficient that it is disposed on at least one of the high temperature side or the low temperature side, but preferably, the low melting point metal member has a wide selection range of materials of the n-type semiconductor or p-type semiconductor. It is desirable to arrange at least one. Moreover, although this embodiment used the coil spring and the low-melting point metal member in combination, the low-melting point metal member is excluded, and only the coil spring made of a member such as a metal having high conductivity and low thermal resistance is used. Also good. Furthermore, although the present embodiment uses a coil spring, it can be replaced if it is an elastic member such as a leaf spring that has elasticity for expansion in the electrode plane direction.
1 熱電発電素子
2 n型半導体
3 p型半導体
4,5 電極
6 コイルスプリング
7 低融点金属
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric power generation element 2 N-type semiconductor 3 P-type semiconductor 4,5
Claims (2)
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