JP2011134940A - 熱電変換素子およびそれを用いた熱電変換モジュールおよび熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換効率が高く、小型集積化が可能な熱電変換モジュールを量産化することが容易な熱電変換素子を提供し、それを用いた熱電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】熱電変換素子１０は、絶縁支持体１の隔壁１ａを介した一方内部に充填されたゼーベック効果を有するｐ型半導体素子２ａと、隔壁１ａを介した他方内部に充填され、一端部１ｃでｐ型半導体素子２ａと直接電気的に接続されたゼーベック効果を有するｎ型半導体素子２ｂと、開口部１ｂにおいてｐ型半導体素子２ａおよびｎ型半導体素子２ｂに設けられた電極とを備えている。熱電変換素子１０の絶縁支持体１他端側の側部に設置した電極６により、熱電変換素子１０同士を接続させることができ、ｐ型半導体素子２ａおよびｎ型半導体素子２ｂの上下面で電極板を用いることなしに熱電変換素子を直列に接続することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱を電気に変換するゼーベック効果を用いた熱電変換素子と、それを用いた熱電変換モジュールおよび熱電変換装置に関する。

環境負荷低減の為、排熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して有効利用する熱電変換技術が注目されている。従来、熱電変換を行う熱電変換素子は、ＢｉＴｅ、ＰｂＴｅ、ＣｏＳｂ、Ｍｇ_２Ｓｉ等の材料からなるｐ型の半導体素子とｎ型の半導体素子が知られている。

図９は、そうした従来の熱電変換モジュールの構成を示した正面図で、ｐ型半導体素子１０２ａおよびｎ型半導体素子１０２ｂの両端に、これらを直列接続するように電極板１０６が接合され、π型接続構造を成している。電極板１０６の上下面は、熱伝導性が高く、電気絶縁性の上面板１０５ａおよび下面板１０５ｂが取り付けられている。上面板１０５ａと下面板１０５ｂとをそれぞれ例えば数百℃の高温部と数十℃の低温部とに密接すると、ｎ型半導体素子１０２ｂでは、伝導電子のエネルギーが高温側で高くなって低温側に拡散するために、低温部から高温部に電流を流す方向に熱起電力が生じる。ｐ型半導体素子１０２ａでは、同様に高温側の正孔のエネルギーが高くなって低温側に拡散するために、高温部から低温部に電流を流す方向に熱起電力が生じる。そして、ｐ型半導体素子１０２ａとｎ型半導体素子１０２ｂとが電極板１０６でπ型に直列に接続されているので、熱電モジュールの両端から電気を取り出して利用することができる。

特開平１−２１４２８０

しかしながら、従来の熱電変換モジュールは、熱電変換用のｐ型およびｎ型半導体素子１０２ａ，１０２ｂを一定の隙間を空けて整列する作業が煩雑で、量産化、低価格化することが困難である。

また、従来の熱電変換モジュールは、大きな半導体材料の焼結体を切断することによってｐ型半導体素子１０２ａおよびｎ型半導体素子１０２ｂに加工するが、ｐ型半導体素子１０２ａおよびｎ型半導体素子１０２ｂが小さくなると、切断加工時に端面にクラックや欠けが生じる場合がある。その為、ｐ型半導体素子１０２ａおよびｎ型半導体素子１０２ｂを小型化することが難しい。また、各半導体素子１０２ａ，１０２ｂが小さくなると、上下面板１０５ａ、１０５ｂへ整列させて接合する加工が困難となる。

したがって、小面積の熱電変換用に使用する小型かつ集積化された構造の熱電変換モジュールの製作が困難であり、電子機器の回路基板上の半導体部品のような小熱源を熱源とする高効率な熱電変換モジュールとして実現することは難しい。

本発明の一実施形態に係る熱電変換素子は、上記課題を解決する為、一端部を除いて内側の軸方向に隔壁が設けられるとともに、他端部側外周面に開口を有する筒状絶縁支持体と、該絶縁支持体の前記隔壁を介した一方内部に充填されたゼーベック効果を有するｐ型半導体素子と、前記隔壁を介した他方内部に充填され、前記一端部で前記ｐ型半導体素子と直接電気的に接続されたゼーベック効果を有するｎ型半導体素子と、前記開口部において前記ｐ型半導体素子および前記ｎ型半導体素子に設けられた電極とを備えた。

前記ｐ型半導体素子は、高温側と低温側とに異なるｐ型半導体部材が接続されていてもよい。
前記ｎ型半導体素子も、高温側と低温側とに異なるｎ型半導体部材が接続されていてもよい。

前記絶縁支持体の熱伝導率が前記ｐ型半導体素子および前記ｎ型半導体素子の熱伝導率よりも小さいのが好ましい。

また、前記絶縁支持体の周方向にスリットが設けられているのが好ましい。

さらに、前記絶縁支持体の軸方向にスリットが設けられているのが好ましい。

また、本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールは、上記熱電変換素子を、前記他端部側外周面の開口に設けられた電極同士が直列に接続されるように密着させて配置し、前記熱電変換素子の一端面および他端面に上面板および下面板をそれぞれ接合したことを特徴とする。

また、本発明の一実施形態に係る熱電変換装置は、上記熱電変換モジュール同士を上下複数段に重ねるとともに、前記各熱電変換モジュールの外壁端に設けた電極板を接続したことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る熱電変換素子は、筒状絶縁支持体の内部にp型半導体素子およびｎ型半導体素子を配置したことにより、各熱電変換素子を密着して設置することができ、組立作業が容易になるので、量産化、低価格化することが容易である。

また、ｐ型半導体素子およびｎ型半導体素子を筒状絶縁支持体内に一端部で接続し、他端部側で各半導体素子に電極を装着することで、隣接する熱電変換素子同士を密着させて電極を導通させることができ、上下面板の電極を廃して、上下面に熱伝導性の高い基板を直接装着することができるようになる。そして、上下面電極を形成する工程を削減することができる。

さらに、ｐ型半導体素子が、高温側と低温側とに異なるｐ型半導体素子が接続されている場合、または、ｎ型半導体素子が、高温側と低温側とに異なるｎ型半導体素子が接続されている場合、低温域と高温域とで優れる半導体素子をそれぞれ組み合わせて、高い変換効率を有する熱電変換素子とすることができる。

また、絶縁支持体の熱伝導率が前記ｐ型半導体素子およびｎ型半導体素子の熱伝導率よりも小さい場合、絶縁支持体を含めた断面の貫流熱量が減少し、熱抵抗が増大するため、熱電変換素子の性能指数Ｚが大きくなる。

また、絶縁支持体の周方向にスリットが設けられている場合、半導体素子と絶縁支持体との間の熱膨張差によって生じる歪みを逃がすことができ、熱電変換素子を温度差の大きい部位に使用することができる。特に、スリットを熱電変換素子の周方向に設けることにより、支持体１と半導体素子との軸方向の熱膨張差による歪みを緩和することができる。

また、前記絶縁支持体の軸方向にスリットが設けられている場合も、半導体素子と絶縁支持体との間の熱膨張差によって生じる歪みを逃がすことができ、熱電変換素子を温度差の大きい部位に使用することができる。特に、スリットを熱電変換素子の軸方向に設けることにより、絶縁支持体と半導体素子との周方向の熱膨張差による歪みを緩和することができる。

また、本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールは、複数の上記熱電変換素子を、他端部側外周面の開口に設けられた電極同士が直列に接続されるように密着させて配置し、熱電変換素子の一端面および他端面に上面板および下面板をそれぞれ接合したことから、コンパクトで高い熱電変換効率ηを有するものとできる。

さらに、上記熱電変換モジュール同士を上下複数段に重ねるとともに、各熱電変換モジュールの外壁端に設けた電極板を接続した場合、大きな熱電変換電力を取り出すことができる。

以上のように本発明の熱電変換素子によれば、温度差の大きい部位に使用することができ、変換効率ηが高い熱電変換素子を実現することができる。また、熱電変換モジュールとした場合、小型集積化構造の量産化容易な熱電変換モジュールを容易に製作できる。

（ａ）は本発明の熱電変換素子の実施の形態の一例を示す斜視図、（ｂ）は他の実施形態の一例を示す斜視図である。 （ａ）は図１（ａ）または図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ図１（ａ）のＢ−Ｂ断面における実施の形態の各例を示す断面図である。（ｃ），（ｄ）はそれぞれ図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面における実施の形態の各例を示す断面図である。 本発明の熱電変換モジュールの実施の形態の一例を示し、（ａ）は平面視における断面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。 本発明の熱電変換モジュールの実施の形態の他の例を示し、（ａ）は平面視における断面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。 本発明の熱電変換モジュールの実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の熱電変換素子の実施の形態の他の例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 図７に示す熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの例を示す要部断面図である。 従来の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの例を示す側面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態の各例について説明する。

図１は、本発明の熱電変換素子の実施の形態の例を示す斜視図であり、（ａ）は、四角筒状の絶縁支持体１を用いた熱電変換素子１０、（ｂ）は円筒状の絶縁支持体１を用いた熱電変換素子１０の実施形態の例を示す。図１（ａ），図１（ｂ）において、熱電変換素子１０の内部を示すために、絶縁支持体１の外周壁面の一部を除去して示している。また、図２は図１（ａ）または図１（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す断面図である。

図１（ａ），図１（ｂ），図２に示すように、筒状の絶縁支持体１には、一端部（図１では上部、図２では左側）を除いて内側の軸方向（図１では上下方向、図２では左右方向）に隔壁１ａが設けられている。絶縁支持体１は、一端および他端に開口を有している。また、他端側の隔壁１ａを介して対向する外周面には絶縁支持体１の外周面を切り欠いて設けられた開口１ｂがそれぞれ設けられている。この隔壁１ａに対向した開口１ｂによって絶縁支持体１の隔壁１ａを介した一方内部および他方内部は外部に通じている。

絶縁支持体１の隔壁１ａを挟んで一方の内部には、ゼーベック効果を有するｐ型半導体素子２ａが充填されている。隔壁１ａを介した他方の内部には、ゼーベック効果を有するｎ型半導体素子２ｂが充填されている。ｐ型半導体素子２ａおよびｎ型半導体素子２ｂは、一端側の隔壁１ａがない部分１ｃで互いに接触し、電気的に接続されている。他端側では開口１ｂによって露出するｐ型半導体素子２ａおよびｎ型半導体素子２ｂの表面に電極６が設けられている。

絶縁支持体１は、筒状の構造体で、ジルコニアセラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化珪素質セラミックス等の熱伝導性が低く、電気絶縁性が高いセラミック材料を成形して製作される。例えばジルコニアセラミックスを用いる場合は、樹脂バインダーを用いた加熱粉体を所定形状にプレス成形し、その後、約１４００℃／２４時間焼成させて形成される。絶縁支持体１の厚さは、可能な限り薄くするのが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のｐ型およびｎ型半導体素子２ａ，２ｂの器とされる。ジルコニアセラミックスは、熱伝導率が３．０Ｗ／ｍ・Ｋとセラミック材料の中でも熱伝導性が低いので、熱電変換素子１０の絶縁支持体１に用いるには好適である。

そして、内部空間を分離する隔壁１ａを有する絶縁支持体１に２種類の半導体材料（ｐ型半導体素子２ａ、ｎ型半導体素子２ｂ）を充填する。熱電変換素子１０用の半導体素子の材料には、Ｓｉ材料を用いたシリサイド系、ＳｉＧｅ系、酸化物系、ＢｉＴｅ系のｐ型およびｎ型の半導体材料が用いられる。

シリサイド系半導体材料は、資源として豊富に存在し、人体に無害である点で好適である。その一例として、例えば、ｎ型半導体のＭｇ_２Ｓｉの合成は、Ｍｇ（マグネシウム）およびＳｉ（シリコン）の粉末を約１１００℃まで時間をかけて加熱して溶融し、Ｍｇ−Ｓｉ溶材を作製する。この溶材を絶縁支持体１に注入し、その後炉の温度を降下させ、結晶の方位を揃えるブリッジマン法という結晶育成法を用いる事で得られる。またはＭｇ−Ｓｉ粉体を絶縁支持体１に充填し、高圧プレスした状態で、８００℃程度で１０時間程度、焼成炉内で加熱することでも製作することができる。

その後、ｐ型およびｎ型半導体素子２ａ，２ｂが絶縁支持体１の上下端に露出する面にＮｉメッキ又はＣｕメッキをする。そして、ダイシングソウにより、絶縁支持体１の外周面上端から下端まで軸方向のスリット９ａ、または側面の一部分に周方向のスリット９ｂを複数個所入れる。各スリット９（軸方向のスリット９ａ，周方向のスリット９ｂ）の深さは、絶縁支持体１の厚さ以上にカッティングして形成するのが好ましい。スリット幅は小さい方が好ましい。それにより、絶縁支持体１材料と半導体素子２材料間の接合部分の長さを分断して短くすることができ、半導体素子２と絶縁支持体１との軸方向または周方向の熱膨張差により生じる歪み量を小さく抑えることができる。例えば図１（ｂ）の例では、絶縁支持体１と半導体素子２の接合部長さが周方向のスリット９ｂによって軸方向で半分程度の長さに、また、軸方向のスリット９ａによって周方向で１／４程度に分断されている。

周方向に部分的に設けたスリット９ｂは、熱電変換素子１０を軸方向に２分することにより、軸方向に発生する熱膨張差による歪み応力を緩和し、クラック発生を防止する。また、軸方向に部分的に設けたスリット９ａは、同様に周方向の熱膨張差による応力歪みを緩和し、クラック発生を防止する。スリットは軸方向に２か所乃至４か所、周方向に１か所乃至２か所設けている。歪み応力を緩和できることによって、熱電変換素子１０を温度差の大きい部位に用いることができるようになり、発電量を増やすことができる。

絶縁支持体１の内部に一端部を除いて隔壁１ａを設け、一端部でｐ型半導体素子２ａおよびｎ型半導体素子２ｂを電気的に接続することで、上面板５ａに電極板を設ける必要がない。また、ｐ型半導体素子２ａおよびｎ型半導体素子２ｂの他端側の側面には電極６が設けられ、下面板５ｂにも電極板を設ける必要がない。これによって、半導体素子２を電極板を介せず、銀ロウ付けなどにより、直接上下面板５ａ，５ｂに密着固定することができ、熱電変換素子１０の変換効率ηが向上する。

また、密着固定することができる為、従来の熱電モジュールと同じ面積により多くの熱電変換素子１０を配置することができ、出力電圧を大きくすることができる。または、供給電力を大きくすることができる。

絶縁支持体１の内部に充填される半導体素子２として、シリサイド系（例えば、ｐ型がＭｎＳｉ_１．７３等、ｎ型がＭｇ_２Ｓｉ等）の半導体素子２は、その使用温度範囲が３００℃〜６００℃と広く、無次元性能指数ＺＴは１〜１．５程度あり、今後、更にＺＴが向上する可能性がある熱電変換用半導体材料である。無次元性能指数ＺＴとは、熱電変換素子の性能を示すもので、
ＺＴ＝α^２・Ｔ／（ρ・κ）
ここで、Ｚ：性能指数 α^２・Ｔ／（ρ・κ）
α：ゼーベック係数
Ｔ：絶対温度（°Ｋ）
κ：熱伝導率
ρ：電気抵抗率
で表され、その値が大きいほど変換効率ηが大きい。

絶縁支持体１にジルコニアセラミックス、ｎ型半導体素子材料２ｂにシリサイド系のＭｇ_２Ｓｉを使用する組み合わせの場合、熱膨張率が近く、温度変動に起因する歪みによる破損、クラック等が生じにくい。また、熱伝導率は、ジルコニアセラミックスが３．０Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｍｇ_２Ｓｉが８．０Ｗ／ｍ・Ｋで、ジルコニアセラミックスの方が小さい。したがって、ジルコニアセラミック製の筒状構造体からなる絶縁支持体１とｎ型半導体素子２ｂとを組み合わせた場合、ｎ型半導体素子２ｂ材料のみの場合よりも絶縁支持体１を含む構造の方が熱伝導率が小さくなる為、無次元性能指数ＺＴの値は向上し、変換効率ηが向上することになる。したがって、絶縁支持体１の材料の熱伝導率が、熱電変換用半導体素子材料２より小さい方が、熱抵抗増大により変換効率ηが向上することとなり、好ましい。また、半導体素子２の周囲を絶縁支持体１により覆うことにより、熱電変換素子１０同士を密着させて設置することができる。

図３は、図１または図２に示す熱電変換素子１０のＢ−Ｂ断面を示した断面図で、（ａ）は絶縁支持体１が四角筒状の場合の断面図、（ｂ）は四角筒状の絶縁支持体１の内部の隔壁１ａが対角方向に形成されている場合の断面図で、電極６が隔壁１ａを挟んで隣接する辺に設けられている場合、（ｃ）は円筒状の絶縁支持体１の場合の断面図、（ｄ）は（ｃ）の円筒状の絶縁支持体１の内部隔壁１ａを４５度傾斜方向に形成した場合の断面図で、電極６が隔壁１ａを挟んで９０度方向に設けられている場合である。また、電極６は絶縁支持体１の外周面上に設けられており、隣接する熱電変換素子１０同士を接続することができる。電極６は、半導体素子２表面にＮｉまたはＣｕをＰＶＤまたはＣＶＤ法により蒸着加工し、さらにその上にＣｕ板またはＮｉ板等をロウ付けして形成される。また、５０μｍ〜１００μｍ程度の、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀），Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）等の厚膜メッキを半導体素子２表面に施し、電極６としてもよい。

図４は、このような図３に示した熱電変換素子１０を用いた熱電変換モジュール１１の実施の形態の一例を示し、図４(ａ)は平面視した断面図、図４(ｂ)は側面図、図４(ｃ)は図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図を示す。図４（ａ）は、図４（ｃ）のＤ−Ｄ断面を示したものであるが、図３（ａ）に示した熱電変換素子１０を１０個、および図３（ｂ）に示した熱電変換素子１０を６個の合計１６個を組み合わせて熱電変換モジュール１１としたものである。なお、図中の矢印は電流の流れる方向を示す。

図３（ａ）で示したタイプの熱電変換素子１０は、絶縁支持体１の対向する外壁面に平行に電極６が設けられており、電流が直線的に流れる部分に用いられる。図３（ｂ）に示したタイプの熱電変換素子１０は、隣接する外壁面に電極６が設けられており、平面視して電極６が直角方向に配置されている。したがって、電流の流れる方向を９０度変える場所に使用することができる。そして、隣接する熱電変換素子１０同士の電極６をそれぞれ接続し、末端の熱電変換素子１０の電極６には端子１２が接続されて熱電変換モジュール１１が構成される。

上面板５ａを高温側として熱源に接触させ、下面板５ｂ側を低温側として冷却面に接触させることで、ｐ型半導体素子２ａでは高温側からエネルギーを得た正孔が低温側に移動し、高温側から低温側に向けて電流が流れる。ｎ型半導体素子２ｂでは電子が高温側から低温側に移動し、低温側から高温側に電流が流れる。全体として矢印に示した方向に電流が流れて熱電変換モジュール１１として動作する。図４（ａ）において、熱電変換モジュール１１の右側の端子１２は、ｎ型半導体素子２ｂの電極６に接続されて−（マイナス）端子として動作し、左側の端子１２は、ｐ型半導体素子２ａの電極６に接続されて＋（プラス）端子として動作する。

図５は、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示した円筒形の絶縁支持体１を用いた場合の実施の形態の一例を示したもので、図５（ａ）は熱電変換モジュール１１を平面視した図５（ｂ）のＤ−Ｄ断面を示す断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の側面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。ここでは図３（ｃ）および図３（ｄ）に示した熱電変換素子１０を合計１６個用いている例を示している。図３（ｃ）で示したタイプの熱電変換素子１０は、外壁面の１８０度対向する位置に電極６が設けられており、直線的に電流が流れる部分に用いられる。図３（ｄ）に示したタイプの熱電変換素子１０は外壁面の９０度位置に電極６が設けられており、電流の流れる方向を直角に変える場所に使用される。

図６は、熱電変換素子１０を上下にセグメント化し、積層した場合の実施の形態の例を示す。高温側と低温側との間に比較的大きな温度差がある場合に、同じ面積の熱電変換モジュール１１で、高出力化する場合に用いることができる。この場合、高温側には、ステックルダイト系、シリサイド系のｐ型半導体素子２ａａ、例えば、ＣｏＳｂ_３（温度範囲：３５０℃〜６５０℃），ＭｎＳｉ_１．７３（温度範囲：２５０℃〜６００℃），ＦｅＳｉ_２（微少のＭｎあるいはＡｌ添加）（温度範囲：３００℃〜７００℃），ＣｒＳｉ_２（温度範囲：３００℃〜７００℃）等を用い、ｎ型半導体素子２ｂａには、例えば、ＦｅＳｉ_２（微少のＣｏあるいはＮｉ添加），Ｍｇ_２Ｓｉ（温度範囲：１５０℃〜５５０℃），Ｍｇ_２Ｇｅ（温度範囲：１５０℃〜５００℃）等の材料が使用できる。また、低温側にはＢｉＴｅ系のｐ型半導体素子２ａｂ、例えばＢｉ_２Ｔｅ_３（温度範囲：３０℃〜３００℃），ＣｓＢｉ_４Ｔｅ_６（温度範囲：３０℃〜３００℃）等、およびｎ型半導体素子２ｂｂには例えばＹｂ_０．２Ｃｏ_４Ｓｂ_１２（温度範囲：３０℃〜４００℃），Ｂｉ_８８Ｓｂ_１２（温度範囲：３０℃〜３００℃）等の材料を用いて熱電変換モジュール１１を構成することができる。

異なる上下の半導体素子２材料の間には、Ｎｉメッキが施されており、上下の半導体素子２同士はＮｉメッキを介して接合される。Ｎｉメッキは、ロウ付け等による接合を強固にするとともに、上下の半導体素子２材料の境界領域で半導体素子２材料同士が相互に拡散することによる特性劣化を防止する。

このように本発明の熱電変換素子１０を用い、目的、用途によって組み合わせることにより、容易に熱電変換モジュール１１として構成することができる。低温域と高温域の各温度領域に適した熱電変換材料を積層して用いることにより、それぞれの最適な温度領域での動作となる為、変換効率ηが向上し、熱電出力を向上することができる。例えば、熱電変換効率ηが、１０％程度であったものが、１５％程度に向上できる。

図７は、本発明の熱電変換素子１０の他の実施形態の例を示し、図７（ａ）は左側面図、図７（ｂ）は正面図、図７（ｃ）は図７（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。本実施形態は、図１（ａ），（ｂ）に示した熱電変換素子１０の絶縁支持体１内に充填されたｐ型半導体素子２ａを、動作温度によって異なる特性を有するｐ型半導体素子２ａａおよびｎ型半導体素子２ａｂを接続して構成し、ｎ型半導体素子２ｂを動作温度によって異なる特性を有するｎ型半導体素子２ｂａおよびｎ型半導体素子２ｂｂを接続して構成したものである。

例えば、高中温域で高特性のＭｎＳｉ_１．７３，ＦｅＳｉ_２（微少のＭｎあるいはＡｌ添加），ＣｒＳｉ_２等のシリサイド系材料から成るｐ型半導体素子２ａａと、低温域で高特性のＢｉ_２Ｔｅ_３等のＢｉＴｅ系材料またはＣｓＢｉ_４Ｔｅ_６等のｐ型半導体素子２ａｂを接続して構成される。ｎ型半導体素子２ｂの材料としては、例えば、高温域側にＦｅＳｉ_２（微少のＣｏあるいはＮｉ添加），Ｍｇ_２Ｓｉ等のシリサイド系材料、低温域側にＢｉ_２Ｔｅ_３，ＣｓＢｉ_４Ｔｅ_６等のＢｉＴｅ系材料を用いることができる。

このような熱電変換素子１０は、シリサイド系半導体材料を先に絶縁支持体１内に入れた後に３０ＭＰａ〜６０ＭＰａで加圧し、同時に８００℃〜１０００℃程度で数時間加熱して焼成し、その後ＢｉＴｅ系半導体材料を絶縁支持体１内に充填して１５０ＭＰａ〜２００ＭＰａで加圧し、同時に４００℃〜５００℃程度に加熱して焼成する。これら特性の異なる半導体材料の相互拡散防止の為、境界面にＮｉメッキ等を施してもよい。

このような熱電変換素子１０を高温部および低温部の間に密接させて配置することで、ｐ型半導体材料２ａおよびｎ型半導体材料２ｂにそれぞれ１種類の材料を用いたものに比較して使用温度範囲が拡大し、より高効率に熱電変換することができる。例えば上記例のＢｉＴｅ系だけを用いた場合、３０℃〜３００℃程度の使用温度範囲が、シリサイド系材料と組み合わせた構成とした場合は、３０℃〜６００℃程度に拡大する。また、各半導体材料を適切な温度範囲で使用することにより、変換効率ηを向上させ、それにより発電電力を増大させることができる。このように複数の半導体材料を組み合わせてｐ型半導体素子２ａおよびｎ型半導体素子２ｂを形成することで、低温域から高温域まで使用温度範囲を広くカバーできる熱電変換素子１０を実現できる。

図８は、図７に示した熱電変換素子１０を用いた場合の熱電変換モジュール１１の構成例である。紙面下側を低温側、上側を高温側とした場合、上側が中高温域用のｐ型半導体素子２ａａおよびｎ型半導体素子２ｂａ、下側が中低温領域用のｐ型半導体素子２ａｂおよびｎ型半導体素子２ｂｂである。高温側の熱源から、上面板５ａ、接合層（メッキ層３およびハンダ層４）を介して伝導した熱により、ｎ型半導体素子２ｂａ，２ｂｂの電流が高温側に流れる。そして、一端側のｎ型半導体素子２ｂａとｐ型半導体素子２ａａとの接合部を介して電流はｐ型半導体素子２ａａに流れる。ｐ型半導体素子２ａａおよびｐ型半導体素子２ａｂ内では励起された正孔が低温側に移動し、低温側に電流が流れる。その後、絶縁支持体１側面に設置した電極６を介して隣接する熱電変換素子１０に流れる。このように、低温域と高温域用に異なる半導体素子２の材料を用いて作製した個々の熱電変換モジュールを上下に積層したカスケード構造にすることなく、低温域から高温域まで使用温度範囲を幅広くカバーできる高効率な熱電変換モジュール１１が容易に実現できるとともに、小型で集積化が容易な熱伝変換モジュール１１とできる。

なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

また、上記説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

１：絶縁支持体
１ａ：隔壁
１ｂ：開口
１ｃ：一端部
２：半導体素子
２ａ：ｐ型半導体素子
２ｂ：ｎ型半導体素子
３：メッキ層
４：ハンダ層
５ａ：上面板
５ｂ：下面板
９：スリット
９ａ：軸方向のスリット
９ｂ：周方向のスリット
１０．熱電変換素子
１１．熱電変換モジュール

Claims (8)

1. 一端部を除いて内側の軸方向に隔壁が設けられるとともに、他端部側外周面に開口を有する筒状の絶縁支持体と、該絶縁支持体の前記隔壁を介した一方内部に充填されたゼーベック効果を有するｐ型半導体素子と、前記隔壁を介した他方内部に充填され、前記一端部で前記ｐ型半導体素子と直接電気的に接続されたゼーベック効果を有するｎ型半導体素子と、前記開口部において前記p型半導体素子および前記ｎ型半導体素子に設けられた電極と、を備えた熱電変換素子。
2. 前記ｐ型半導体素子は、高温側と低温側とに異なるｐ型半導体部材が接続されて成ることを特徴とする請求項１記載の熱電変換素子。
3. 前記ｎ型半導体素子は、高温側と低温側とに異なるｎ型半導体部材が接続されて成ることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換素子。
4. 前記絶縁支持体の熱伝導率が前記ｐ型半導体素子および前記ｎ型半導体素子の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電変換素子。
5. 前記絶縁支持体の周方向にスリットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電変換素子。
6. 前記絶縁支持体の軸方向にスリットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電変換素子。
7. 複数の請求項１乃至６のいずれかに記載の熱電変換素子を、前記他端部側外周面の開口に設けられた電極同士が直列に接続されるように密着させて配置し、前記熱電変換素子の一端面および他端面に上面板および下面板をそれぞれ接合したことを特徴とする熱電変換モジュール。
8. 請求項７記載の熱電変換モジュール同士を上下複数段に重ねるとともに、前記各熱電変換モジュールの外壁端に設けた電極板を接続したことを特徴とする熱電変換装置。

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