JPH05315656A - 熱電気変換装置 - Google Patents
熱電気変換装置Info
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- JPH05315656A JPH05315656A JP3290133A JP29013391A JPH05315656A JP H05315656 A JPH05315656 A JP H05315656A JP 3290133 A JP3290133 A JP 3290133A JP 29013391 A JP29013391 A JP 29013391A JP H05315656 A JPH05315656 A JP H05315656A
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- heat flow
- temperature heat
- thermoelectric conversion
- type semiconductor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 一方向凝固（単結晶ライク）チップ材の優れ
た特性を生かし，しかも，その欠点の一つである素子材
料の機械的強度の弱さ（熱歪みによる，素子破壊，半田
接合点での剥離等）に対する補強構造を持つ，モジュー
ルを使用し，更に，そのシステム上においても熱歪みに
対する防御策を考慮した構造を持つ熱電気変換装置を提
供すること。 【構成】 熱電気変換装置は，基本ユニットとして，半
導体モジュール一対２，２´と，低温熱流管３と，高温
熱流管１と，システム連結帯５とを備えている。半導体
モジュール２，２´は，耐熱絶縁板に設けられた複数の
孔の中に，Ｎ型及びＰ型半導体化合物を溶解，凝固させ
て形成したＮ型及びＰ型半導体素子チップからなる。低
温熱流管及び高温熱流管は，一対の半導体モジュール間
に設けられている。システム連結帯は，少なくとも一対
の半導体モジュールを覆う。前記低温熱流管３及び高温
熱流管１に夫々の熱流の流れる方向が互いに異なるよう
に構成されている。
た特性を生かし，しかも，その欠点の一つである素子材
料の機械的強度の弱さ（熱歪みによる，素子破壊，半田
接合点での剥離等）に対する補強構造を持つ，モジュー
ルを使用し，更に，そのシステム上においても熱歪みに
対する防御策を考慮した構造を持つ熱電気変換装置を提
供すること。 【構成】 熱電気変換装置は，基本ユニットとして，半
導体モジュール一対２，２´と，低温熱流管３と，高温
熱流管１と，システム連結帯５とを備えている。半導体
モジュール２，２´は，耐熱絶縁板に設けられた複数の
孔の中に，Ｎ型及びＰ型半導体化合物を溶解，凝固させ
て形成したＮ型及びＰ型半導体素子チップからなる。低
温熱流管及び高温熱流管は，一対の半導体モジュール間
に設けられている。システム連結帯は，少なくとも一対
の半導体モジュールを覆う。前記低温熱流管３及び高温
熱流管１に夫々の熱流の流れる方向が互いに異なるよう
に構成されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，ゼーベック効果に基づ
いて，熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子を
使用する熱電気変換装置に関するものである。
いて，熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子を
使用する熱電気変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在，地球上の化石エネルギーは，次第
に枯渇する方向に向かっている。実際に，この事態が生
ずるとき，世界の経済機構は根本的な変革が起こるであ
ろう事は十分に予測され得る。今後，このエネルギー問
題を解決するためには，新しいエネルギー源の開発と，
それを効率的に利用する技術とを開発することが必要に
なってくる。
に枯渇する方向に向かっている。実際に，この事態が生
ずるとき，世界の経済機構は根本的な変革が起こるであ
ろう事は十分に予測され得る。今後，このエネルギー問
題を解決するためには，新しいエネルギー源の開発と，
それを効率的に利用する技術とを開発することが必要に
なってくる。
【０００３】一方，自動車や発電所で使用される燃料エ
ネルギーの２／３以上は，仕事以外の廃熱として環境に
放出されている。これらの熱汚染に起因する異常気象へ
の兆候が，既に，地球規模において現れつつある。
ネルギーの２／３以上は，仕事以外の廃熱として環境に
放出されている。これらの熱汚染に起因する異常気象へ
の兆候が，既に，地球規模において現れつつある。
【０００４】その意味から，最近地球環境に対してクリ
ーンな電力源としてのゼーベック効果に基づく熱電気変
換方式による発電は，特に，局地発電源として注目され
るようになってきている。
ーンな電力源としてのゼーベック効果に基づく熱電気変
換方式による発電は，特に，局地発電源として注目され
るようになってきている。
【０００５】従来の熱電気変換方式に用いられる熱電気
変換装置の中に配設されているモジュールは，主として
高温熱流れの供給方向と低温熱流の熱放散方向とは，同
一方向にある。そして，この熱電気変換モジュールの低
熱源側には，熱放散のために，表面積の大きいフィン
が，一般に取り付けられている。この様な構造を熱電気
変換装置が持つとき，高熱源側の熱流は，熱電気変換モ
ジュール以外の部分から，伝導，対流そして輻射を通し
て低熱源側へ流れ易い。そして，それによる熱効率の低
下は無視できない。ところで，良く知られている熱電材
料として，Ｂｉ2−Ｔｅ3 ，ＰｂＴｅ，Ｓｉ−Ｇｅ及び
Ｓｉ−Ｔｅ系半導体化合物等の溶成材，及び粉末焼結材
料が挙げられる。Ｂｉ2 Ｔｅ3 系材料は，−１０〜＋１
５０℃の領域で使用するのに適しており，性能指数Ｚの
最良値は，３０℃近傍で得られる。ＰｂＴｅ系材料は，
３００℃から５００℃の領域で，又はＳｉ−Ｇｅ及びＳ
ｉ−Ｔｅ系材料は，６００〜１０００℃の領域で夫々使
用に適している。特に，Ｂｉ2 Ｔｅ3 系材料は，低温廃
熱の温度領域での利用材として注目されている。この半
導体化合物単結晶材のｃ面内に結晶軸を持つ方向の熱電
特性は，溶製材及び粉末焼結材のそれに比して，より優
れている。
変換装置の中に配設されているモジュールは，主として
高温熱流れの供給方向と低温熱流の熱放散方向とは，同
一方向にある。そして，この熱電気変換モジュールの低
熱源側には，熱放散のために，表面積の大きいフィン
が，一般に取り付けられている。この様な構造を熱電気
変換装置が持つとき，高熱源側の熱流は，熱電気変換モ
ジュール以外の部分から，伝導，対流そして輻射を通し
て低熱源側へ流れ易い。そして，それによる熱効率の低
下は無視できない。ところで，良く知られている熱電材
料として，Ｂｉ2−Ｔｅ3 ，ＰｂＴｅ，Ｓｉ−Ｇｅ及び
Ｓｉ−Ｔｅ系半導体化合物等の溶成材，及び粉末焼結材
料が挙げられる。Ｂｉ2 Ｔｅ3 系材料は，−１０〜＋１
５０℃の領域で使用するのに適しており，性能指数Ｚの
最良値は，３０℃近傍で得られる。ＰｂＴｅ系材料は，
３００℃から５００℃の領域で，又はＳｉ−Ｇｅ及びＳ
ｉ−Ｔｅ系材料は，６００〜１０００℃の領域で夫々使
用に適している。特に，Ｂｉ2 Ｔｅ3 系材料は，低温廃
熱の温度領域での利用材として注目されている。この半
導体化合物単結晶材のｃ面内に結晶軸を持つ方向の熱電
特性は，溶製材及び粉末焼結材のそれに比して，より優
れている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，この単
結晶材は，結晶構造上ｃ面間の結合力が弱く，機械的衝
撃，熱的歪み等によって，ｃ面で剥離しやすいという欠
陥をもっている。そのために，この単結晶材を使用して
熱電気変換素子を構成した場合に，この熱電気変換素子
間の接合面での破壊が生じ易く，熱電特性の劣化を引き
起こし易いという欠点を有している。これらの理由か
ら，前記単結晶材は，優れた熱電特性を有しながらも，
実用材としての利用は敬遠されてきた。勿論，従来から
使用されている前記溶成材及び粉末焼結材の場合にも，
相対的な問題ではあるが，前記接合面での熱歪みによる
破壊に対するモジュール構造上の優れた防御策は，未だ
完成されていない。小さなＮ型及びＰ型半導体化合物素
子材チップを電気的に平面内に配列し，固定した従来の
モジュールをもって，熱歪みによる熱電素子の破壊に対
する防御策をたてることは，構造上難しいかもしれな
い。
結晶材は，結晶構造上ｃ面間の結合力が弱く，機械的衝
撃，熱的歪み等によって，ｃ面で剥離しやすいという欠
陥をもっている。そのために，この単結晶材を使用して
熱電気変換素子を構成した場合に，この熱電気変換素子
間の接合面での破壊が生じ易く，熱電特性の劣化を引き
起こし易いという欠点を有している。これらの理由か
ら，前記単結晶材は，優れた熱電特性を有しながらも，
実用材としての利用は敬遠されてきた。勿論，従来から
使用されている前記溶成材及び粉末焼結材の場合にも，
相対的な問題ではあるが，前記接合面での熱歪みによる
破壊に対するモジュール構造上の優れた防御策は，未だ
完成されていない。小さなＮ型及びＰ型半導体化合物素
子材チップを電気的に平面内に配列し，固定した従来の
モジュールをもって，熱歪みによる熱電素子の破壊に対
する防御策をたてることは，構造上難しいかもしれな
い。
【０００７】そこで，本発明の技術的課題は，一方向凝
固（単結晶ライク）チップ材の優れた特性を生かし，し
かも，その欠点の一つである素子材料の機械的強度の弱
さ（熱歪みによる，素子破壊，半田接合点での剥離等）
に対する補強構造を持つ，モジュールを使用し，更に，
その熱電変換システム上においても熱歪みに対する防御
策を考慮した構造を持つ熱電気変換装置を提供すること
にある。
固（単結晶ライク）チップ材の優れた特性を生かし，し
かも，その欠点の一つである素子材料の機械的強度の弱
さ（熱歪みによる，素子破壊，半田接合点での剥離等）
に対する補強構造を持つ，モジュールを使用し，更に，
その熱電変換システム上においても熱歪みに対する防御
策を考慮した構造を持つ熱電気変換装置を提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは，特願平３
−１８５３１８号（以下，参考文献１と呼ぶ）によっ
て，作製される単結晶材又は一方向凝固材モジュール
と，これとは別に高温熱流供給管，低温熱流放散管及び
連結帯とを基本ユニットとする熱電気変換装置を構築
し，これによって，従来のモジュールの最大の弱点であ
る機械的強度の弱さに対して補強はもとより，従来，実
用材として実現し得なかった単結晶材モジュールを使用
した熱電気変換システムを初めて実現可能ならしめた。
−１８５３１８号（以下，参考文献１と呼ぶ）によっ
て，作製される単結晶材又は一方向凝固材モジュール
と，これとは別に高温熱流供給管，低温熱流放散管及び
連結帯とを基本ユニットとする熱電気変換装置を構築
し，これによって，従来のモジュールの最大の弱点であ
る機械的強度の弱さに対して補強はもとより，従来，実
用材として実現し得なかった単結晶材モジュールを使用
した熱電気変換システムを初めて実現可能ならしめた。
【０００９】本発明においては，耐熱絶縁材の孔の中
で，夫々成長させたＮ型及びＰ型半導体単結晶材及び一
方向性凝固材素子を持つ熱電気変換モジュールと，高温
の熱流を供給する高温熱流管，低温熱流を放散する低温
熱流放散管及び前記熱電気変換モジュールとともに前記
低温熱流放散管を覆うシステム連結帯からなり，それを
一定の圧力で保持し，夫々面内の電気的接触を安定化さ
せる。この構造を基本ユニットとし，更に連続的に結合
させ，熱電気変換の総合システムとしての熱電気変換装
置を実現した。
で，夫々成長させたＮ型及びＰ型半導体単結晶材及び一
方向性凝固材素子を持つ熱電気変換モジュールと，高温
の熱流を供給する高温熱流管，低温熱流を放散する低温
熱流放散管及び前記熱電気変換モジュールとともに前記
低温熱流放散管を覆うシステム連結帯からなり，それを
一定の圧力で保持し，夫々面内の電気的接触を安定化さ
せる。この構造を基本ユニットとし，更に連続的に結合
させ，熱電気変換の総合システムとしての熱電気変換装
置を実現した。
【００１０】これによって，従来のモジュールの最大の
弱点であった機械的強度の弱さに対して，補強はもとよ
り，従来，実用材として，実現し得なかった単結晶材モ
ジュールを始めて実現可能ならしめた。更に，システム
構造的に該高温熱流の供給方向と低温熱流れの放散方向
とが同一方向でない様にして，熱の拡散を防ぎ，システ
ムとしての変換効率を向上させた。ここで，蝋燭の炎か
らも明らかなように，炎はその先端が最も高温である。
従って，その先端温度を利用することが，最も効率的で
ある。その意味から，燃料を燃焼させて，高熱源を供給
する場合，上記の構造は，熱の供給に対して，非常に自
然であり，高温熱流を比較的無理なく熱電気変換モジュ
ールに供給することができる。上記のように，高温熱流
供給管，熱電気変換モジュール，及び低熱流放散管を弾
力のあるシステム連結帯でもって結合し，これらを一定
の圧力でもって固定し，夫々の面間接触圧を一定に保つ
ようにする。これを基本ユニットとして，連続的に直列
に結合して行く。素子材チップの形状をもってその内部
抵抗を調整し，出力電圧を変えることができる。システ
ム連結帯に弾力性のある断熱材を用いることによって，
発生する剪断応力を吸収する。上記モジュールの変わり
に，従来から使用されているモジュールを用いて，それ
らを電気的に直列に結合して熱電気変換装置の中に組み
込んで使用することも可能である。
弱点であった機械的強度の弱さに対して，補強はもとよ
り，従来，実用材として，実現し得なかった単結晶材モ
ジュールを始めて実現可能ならしめた。更に，システム
構造的に該高温熱流の供給方向と低温熱流れの放散方向
とが同一方向でない様にして，熱の拡散を防ぎ，システ
ムとしての変換効率を向上させた。ここで，蝋燭の炎か
らも明らかなように，炎はその先端が最も高温である。
従って，その先端温度を利用することが，最も効率的で
ある。その意味から，燃料を燃焼させて，高熱源を供給
する場合，上記の構造は，熱の供給に対して，非常に自
然であり，高温熱流を比較的無理なく熱電気変換モジュ
ールに供給することができる。上記のように，高温熱流
供給管，熱電気変換モジュール，及び低熱流放散管を弾
力のあるシステム連結帯でもって結合し，これらを一定
の圧力でもって固定し，夫々の面間接触圧を一定に保つ
ようにする。これを基本ユニットとして，連続的に直列
に結合して行く。素子材チップの形状をもってその内部
抵抗を調整し，出力電圧を変えることができる。システ
ム連結帯に弾力性のある断熱材を用いることによって，
発生する剪断応力を吸収する。上記モジュールの変わり
に，従来から使用されているモジュールを用いて，それ
らを電気的に直列に結合して熱電気変換装置の中に組み
込んで使用することも可能である。
【００１１】即ち，本発明によれば，耐熱絶縁板に設け
られた複数の孔の中に，Ｎ型及びＰ型半導体化合物を溶
解，凝固させて形成したＮ型及びＰ型半導体素子チップ
からなる半導体モジュール一対と，前記一対の半導体モ
ジュール間に設けられた低温熱流管と，高温熱流管と，
少なくとも前記一対の半導体モジュールを覆うシステム
連結帯とからなる基本ユニットから構成され，前記高温
熱流管に供給される高温熱流の移動方向と，低熱流管か
ら放散される低熱流の移動方向とが互いに異なることを
特徴とする熱電気変換装置が得られる。
られた複数の孔の中に，Ｎ型及びＰ型半導体化合物を溶
解，凝固させて形成したＮ型及びＰ型半導体素子チップ
からなる半導体モジュール一対と，前記一対の半導体モ
ジュール間に設けられた低温熱流管と，高温熱流管と，
少なくとも前記一対の半導体モジュールを覆うシステム
連結帯とからなる基本ユニットから構成され，前記高温
熱流管に供給される高温熱流の移動方向と，低熱流管か
ら放散される低熱流の移動方向とが互いに異なることを
特徴とする熱電気変換装置が得られる。
【００１２】本発明によれば，Ｎ型及びＰ型の半導体素
子チップから夫々なるＮ型及びＰ型半導体モジュールか
らなる一対の熱電対と，前記一対の熱電対を複数交互に
規則的にＮ型，Ｐ型，Ｎ型…の順に配列し，前記交互に
配列されたＮ型及びＰ型半導体モジュール間に設けられ
た高温熱流管及び低温熱流管とを備え，夫々の熱流の流
れる方向が互いに異なるように構成されていることを特
徴とする熱電気変換装置が得られる。
子チップから夫々なるＮ型及びＰ型半導体モジュールか
らなる一対の熱電対と，前記一対の熱電対を複数交互に
規則的にＮ型，Ｐ型，Ｎ型…の順に配列し，前記交互に
配列されたＮ型及びＰ型半導体モジュール間に設けられ
た高温熱流管及び低温熱流管とを備え，夫々の熱流の流
れる方向が互いに異なるように構成されていることを特
徴とする熱電気変換装置が得られる。
【００１３】本発明によれば，Ｎ型及びＰ型半導体素子
チップをＮ型，Ｐ型，Ｎ型，Ｐ型…と交互に配置し，電
気的に直列に，熱的に並列に配列し，固定した熱電気変
換モジュールを備え，前記熱電気変換モジュールに供給
される高温熱流と低温熱流とが互いに異なる方向である
ことを特徴とする熱電気変換装置が得られる。
チップをＮ型，Ｐ型，Ｎ型，Ｐ型…と交互に配置し，電
気的に直列に，熱的に並列に配列し，固定した熱電気変
換モジュールを備え，前記熱電気変換モジュールに供給
される高温熱流と低温熱流とが互いに異なる方向である
ことを特徴とする熱電気変換装置が得られる。
【００１４】本発明によれば，前記熱電気変換装置にお
いて，前記Ｎ型及びＰ型半導体素子材チップは，耐熱絶
縁板の複数の貫通孔の中に設けられていることを特徴と
する熱電気変換装置が得られる。
いて，前記Ｎ型及びＰ型半導体素子材チップは，耐熱絶
縁板の複数の貫通孔の中に設けられていることを特徴と
する熱電気変換装置が得られる。
【００１５】本発明によれば，前記したいずれかの熱電
気変換装置において，前記Ｎ型及びＰ型半導体素子チッ
プは，単結晶材又は一方向凝固材からなることを特徴と
する熱電気変換装置が得られる。
気変換装置において，前記Ｎ型及びＰ型半導体素子チッ
プは，単結晶材又は一方向凝固材からなることを特徴と
する熱電気変換装置が得られる。
【００１６】
【実施例】以下に本発明の実施例について，図面を参照
して説明する。
して説明する。
【００１７】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の実
施例に係る熱電子冷却装置を示す正面図，平面図，及び
側面半断面図である。図１（ａ）は説明を簡単にするた
めに，本体上蓋２２とシステム連結帯５の手前側を取り
除いて示されている。Ｎ型半導体モジュール２とＰ型半
導体モジュール２´及びこのモジュール２，２´間に配
置された低温熱流管３及び半導体モジュール２，２´の
両端に配置された高温熱流管１，１，及びシステム連結
帯５からなる基本ユニットを３つ直列に連結して一列の
熱電気変換部とし，この熱電気変換部を左右方向に４行
に並べて構成されている。これらの四行の熱電気変換部
は上下に一対のシステム結合用の金属板１３，１５及び
１６，１７，１８を介して，加圧用の留め金具１９，２
０が，各段に対応して設けられた加圧用留め金捩子１
４，１４，…によって固定されている。また，加熱用留
め金板１９，２０は，互いに上下に対向する４対の角部
を加圧用留め金棒１２によって連絡されている。図１
（ａ）の上側においては，システム結合用金属板１７，
１８及び１６が，左から１列，右から２列及び３列，右
から１列目を押圧するように，図２（ａ）の左側におい
ては，システム結合用金属板１３及び１５が１行及び２
行目，上から３段及び下から１段目をそれぞれ押圧する
ように，上下でちぐはぐな構成となっている。各段両側
に設けられた加圧用留め金捩子１４，１４，…捩子で締
めることで，各段の基本ユニットの各部間及び基本ユニ
ット間が圧接される。
施例に係る熱電子冷却装置を示す正面図，平面図，及び
側面半断面図である。図１（ａ）は説明を簡単にするた
めに，本体上蓋２２とシステム連結帯５の手前側を取り
除いて示されている。Ｎ型半導体モジュール２とＰ型半
導体モジュール２´及びこのモジュール２，２´間に配
置された低温熱流管３及び半導体モジュール２，２´の
両端に配置された高温熱流管１，１，及びシステム連結
帯５からなる基本ユニットを３つ直列に連結して一列の
熱電気変換部とし，この熱電気変換部を左右方向に４行
に並べて構成されている。これらの四行の熱電気変換部
は上下に一対のシステム結合用の金属板１３，１５及び
１６，１７，１８を介して，加圧用の留め金具１９，２
０が，各段に対応して設けられた加圧用留め金捩子１
４，１４，…によって固定されている。また，加熱用留
め金板１９，２０は，互いに上下に対向する４対の角部
を加圧用留め金棒１２によって連絡されている。図１
（ａ）の上側においては，システム結合用金属板１７，
１８及び１６が，左から１列，右から２列及び３列，右
から１列目を押圧するように，図２（ａ）の左側におい
ては，システム結合用金属板１３及び１５が１行及び２
行目，上から３段及び下から１段目をそれぞれ押圧する
ように，上下でちぐはぐな構成となっている。各段両側
に設けられた加圧用留め金捩子１４，１４，…捩子で締
めることで，各段の基本ユニットの各部間及び基本ユニ
ット間が圧接される。
【００１８】図１（ｂ）及び（ｂ）において，この熱電
気変換装置は，本体ケース７内に収容される。本体ケー
ス７は，正面にコ字状の蓋２２と，背面側に設けられる
底部２３とを備えた中空の箱体からなり，右端にブロア
用フィン１１を有するブロア用モータ１０が備えられて
いる。本体ケース７の底部２３には，Ｌ字状の中空断熱
材９からなるダクト２４が設けられている。このダクト
２４内には，前述の低温熱流管の突出端３ｂが断熱壁を
貫通して突出している。このダクトに連続して，燃焼室
２５，燃料タンク２６が設けられ，低温熱流管を加熱す
るような構造となっている。尚，符号２７はタンク２６
の蓋である。上記のように，高温熱流管３，熱電気変換
モジュール２及び２´，及び低温熱流管３を弾力性のあ
る断熱材システム連結帯５をもって結合し，これらを一
定の圧力でもって押さえ付け，その面内接触を一定接触
圧に保つようにしている。これを基本システムとして，
それらを連続的に直列に結合し，素子材チップ形状をも
って，その内部抵抗を調整し，出力電圧を変えることが
できる。また，システム連結帯５に弾力性のある断熱材
料を用いることによって，外的な衝撃圧，熱膨張による
熱歪み等の機械的剪断応力を吸収させることができる。
気変換装置は，本体ケース７内に収容される。本体ケー
ス７は，正面にコ字状の蓋２２と，背面側に設けられる
底部２３とを備えた中空の箱体からなり，右端にブロア
用フィン１１を有するブロア用モータ１０が備えられて
いる。本体ケース７の底部２３には，Ｌ字状の中空断熱
材９からなるダクト２４が設けられている。このダクト
２４内には，前述の低温熱流管の突出端３ｂが断熱壁を
貫通して突出している。このダクトに連続して，燃焼室
２５，燃料タンク２６が設けられ，低温熱流管を加熱す
るような構造となっている。尚，符号２７はタンク２６
の蓋である。上記のように，高温熱流管３，熱電気変換
モジュール２及び２´，及び低温熱流管３を弾力性のあ
る断熱材システム連結帯５をもって結合し，これらを一
定の圧力でもって押さえ付け，その面内接触を一定接触
圧に保つようにしている。これを基本システムとして，
それらを連続的に直列に結合し，素子材チップ形状をも
って，その内部抵抗を調整し，出力電圧を変えることが
できる。また，システム連結帯５に弾力性のある断熱材
料を用いることによって，外的な衝撃圧，熱膨張による
熱歪み等の機械的剪断応力を吸収させることができる。
【００１９】図２は本発明の実施例に係る熱電気変換装
置の基本ユニットの構成を示す部分断面図である。図２
に示すように，熱電気変換装置の基本ユニットは，Ｎ型
半導体モジュール２及びＰ型半導体モジュール２´とか
らなる熱電気変換モジールと，この半導体モジュール
２，２´の両側に設けられた高温熱流管１，１と，この
Ｎ型及びＰ型半導体モジュール２，２´の間に配置され
た低温熱流管３とを備えている。Ｎ型及びＰ型半導体モ
ジュール２，２´は，耐熱絶縁材の夫々の孔の中でそれ
ぞれ成長させたＮ型及びＰ型半導体の単結晶又は一方向
凝固素子を備えている。高温熱流管１は図では手前及び
後方を開口した導電性材料からなる。また，低温熱流管
３は，導電性材料からなる。これらの高温熱流管１及び
低温熱流管３によって，Ｎ型及びＰ型半導体モジュール
との電気的接触がなされる。低温熱流管３とその両側の
Ｎ型及びＰ型半導体モジュール２，２´と，この半導体
モジュール２，２´の両側に接する高温熱流管３の各々
の一端部とは，弾力性のある断熱材システム連結帯５に
よって覆われている。各半導体モジュール２，２´は，
断熱材６を介してシステム連結帯５によって覆われる構
成となっている。尚，図面では，低温熱流管３，３の他
端側に他の基本ユニットを構成するために，前記基本ユ
ニットと同様に断熱材システム連結帯５によって覆われ
ている。低温熱流管３の一端３ａ（図では下方）は，延
在して断熱材システム連結帯５より突出し，中空の断熱
材９からなるダクトの壁部を貫通して内部の空洞に繋が
っている。この突出部は，図示しない燃焼室に連続して
いる。また，基本ユニットは，本体ケース７に当接され
ている。高温熱流管３とケース７との間には，断熱材
８，８が充填されている。
置の基本ユニットの構成を示す部分断面図である。図２
に示すように，熱電気変換装置の基本ユニットは，Ｎ型
半導体モジュール２及びＰ型半導体モジュール２´とか
らなる熱電気変換モジールと，この半導体モジュール
２，２´の両側に設けられた高温熱流管１，１と，この
Ｎ型及びＰ型半導体モジュール２，２´の間に配置され
た低温熱流管３とを備えている。Ｎ型及びＰ型半導体モ
ジュール２，２´は，耐熱絶縁材の夫々の孔の中でそれ
ぞれ成長させたＮ型及びＰ型半導体の単結晶又は一方向
凝固素子を備えている。高温熱流管１は図では手前及び
後方を開口した導電性材料からなる。また，低温熱流管
３は，導電性材料からなる。これらの高温熱流管１及び
低温熱流管３によって，Ｎ型及びＰ型半導体モジュール
との電気的接触がなされる。低温熱流管３とその両側の
Ｎ型及びＰ型半導体モジュール２，２´と，この半導体
モジュール２，２´の両側に接する高温熱流管３の各々
の一端部とは，弾力性のある断熱材システム連結帯５に
よって覆われている。各半導体モジュール２，２´は，
断熱材６を介してシステム連結帯５によって覆われる構
成となっている。尚，図面では，低温熱流管３，３の他
端側に他の基本ユニットを構成するために，前記基本ユ
ニットと同様に断熱材システム連結帯５によって覆われ
ている。低温熱流管３の一端３ａ（図では下方）は，延
在して断熱材システム連結帯５より突出し，中空の断熱
材９からなるダクトの壁部を貫通して内部の空洞に繋が
っている。この突出部は，図示しない燃焼室に連続して
いる。また，基本ユニットは，本体ケース７に当接され
ている。高温熱流管３とケース７との間には，断熱材
８，８が充填されている。
【００２０】図３（ａ）及び（ｂ）は，本発明の実施例
に係る熱電気変換モジュールを示す図で，（ａ）はＮ型
半導体モジュール，（ｂ）はＰ型半導体モジュールを夫
々示している。図３（ａ）において，Ｎ型半導体モジュ
ール２は，耐熱絶縁体３１と，Ｎ型半導体チップ３２
と，金メッキ膜３３とから形成されている。耐熱絶縁体
３１は，図３（ｃ）に示すように，複数の貫通孔３１ａ
が設けられている。
に係る熱電気変換モジュールを示す図で，（ａ）はＮ型
半導体モジュール，（ｂ）はＰ型半導体モジュールを夫
々示している。図３（ａ）において，Ｎ型半導体モジュ
ール２は，耐熱絶縁体３１と，Ｎ型半導体チップ３２
と，金メッキ膜３３とから形成されている。耐熱絶縁体
３１は，図３（ｃ）に示すように，複数の貫通孔３１ａ
が設けられている。
【００２１】図３（ａ）に戻って，この貫通孔内にＮ型
化合物からなる半導体素子材が挿入され，凝固熱処理さ
れて両端が露出したＮ型半導体チップ３２が形成されて
いる。このＮ型半導体チップ３２の露出面を覆うよう
に，耐熱絶縁体３１の両面に金メッキ膜３３が形成され
て，半導体モジュールが完成する。
化合物からなる半導体素子材が挿入され，凝固熱処理さ
れて両端が露出したＮ型半導体チップ３２が形成されて
いる。このＮ型半導体チップ３２の露出面を覆うよう
に，耐熱絶縁体３１の両面に金メッキ膜３３が形成され
て，半導体モジュールが完成する。
【００２２】図３（ｂ）において，Ｐ型半導体モジュー
ル２１は，半導体化合物がＰ型である他は，Ｎ型半導体
モジュールと同様に，耐熱絶縁体３６と，Ｐ型半導体チ
ップ３７と，金メッキ膜３８とからなり，前述のＮ型モ
ジュールと同様に作製される。
ル２１は，半導体化合物がＰ型である他は，Ｎ型半導体
モジュールと同様に，耐熱絶縁体３６と，Ｐ型半導体チ
ップ３７と，金メッキ膜３８とからなり，前述のＮ型モ
ジュールと同様に作製される。
【００２３】次に本発明の実施例に係る熱電気変換装置
の製造の具体例について説明する。Ｐ型及びＮ型半導体
素子材の製造は，参考文献１に記載された製法に従っ
た。即ち，表１で示すような，良く知られているＢｉ2
Ｔｅ3 系化合物を原料として，夫々１ｋｇ秤量して，石
英管中に真空封入し，高周波炉中で溶解，凝固させた鋳
塊を，石英管ルツボ中に第１多孔性耐熱絶縁材とともに
挿入し，この鋳塊を溶解し，孔の深さの方向に温度勾配
を持たせてゆっくり凝固させた。その後，凝固点直下
で，そして真空中で，４８時間熱処理することによっ
て，上記化合物を生成させた。この素材チップの形状
は，第１多孔性耐熱絶縁体の孔形によって決定される。
得られたチップ材の形状は，１×１×８（ｍｍ）であ
る。又，これらの素子材チップは，長手方向に結晶ｃ面
がほぼ平行に成長している単結晶又は柱状晶であること
をＸ線的に確かめた。図３（ａ），（ｂ）に夫々示すよ
うに，それらのＰ型及びＮ型半導体素子材チップを別々
の第２，第３の耐熱絶縁体３， ３´の孔３２の中で夫
々凝固させて，一方凝固したＰ型及びＮ型半導体素子チ
ップ３２，３７を形成し，Ｎ型及びＰ型半導体モジュー
ル２，２´とした。図３（ａ），（ｂ）に示すＮ型及び
Ｐ型半導体モジュール２，２´を高温熱流管１，１及び
低温熱流管３間に挟み，システム連結帯５で結合したも
のを基本システムとして，電気的に直列に結合させた。
この基本システムを更に，直列的に，そして連続的に１
２対結合し，それらのシステムが一定の接触圧力で保持
されるように固定した。素子材チップの測定結果は次に
表２の通りである。
の製造の具体例について説明する。Ｐ型及びＮ型半導体
素子材の製造は，参考文献１に記載された製法に従っ
た。即ち，表１で示すような，良く知られているＢｉ2
Ｔｅ3 系化合物を原料として，夫々１ｋｇ秤量して，石
英管中に真空封入し，高周波炉中で溶解，凝固させた鋳
塊を，石英管ルツボ中に第１多孔性耐熱絶縁材とともに
挿入し，この鋳塊を溶解し，孔の深さの方向に温度勾配
を持たせてゆっくり凝固させた。その後，凝固点直下
で，そして真空中で，４８時間熱処理することによっ
て，上記化合物を生成させた。この素材チップの形状
は，第１多孔性耐熱絶縁体の孔形によって決定される。
得られたチップ材の形状は，１×１×８（ｍｍ）であ
る。又，これらの素子材チップは，長手方向に結晶ｃ面
がほぼ平行に成長している単結晶又は柱状晶であること
をＸ線的に確かめた。図３（ａ），（ｂ）に夫々示すよ
うに，それらのＰ型及びＮ型半導体素子材チップを別々
の第２，第３の耐熱絶縁体３， ３´の孔３２の中で夫
々凝固させて，一方凝固したＰ型及びＮ型半導体素子チ
ップ３２，３７を形成し，Ｎ型及びＰ型半導体モジュー
ル２，２´とした。図３（ａ），（ｂ）に示すＮ型及び
Ｐ型半導体モジュール２，２´を高温熱流管１，１及び
低温熱流管３間に挟み，システム連結帯５で結合したも
のを基本システムとして，電気的に直列に結合させた。
この基本システムを更に，直列的に，そして連続的に１
２対結合し，それらのシステムが一定の接触圧力で保持
されるように固定した。素子材チップの測定結果は次に
表２の通りである。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】上記一対のＮ型及びＰ型半導体モジュール
からなる熱電気変換モジュールによる熱電気変換装置は
極めて良好に作動した。３５Ｗの電力が得られた。
からなる熱電気変換モジュールによる熱電気変換装置は
極めて良好に作動した。３５Ｗの電力が得られた。
【００２７】
【発明の効果】以上，説明したように，本発明によれ
ば，耐熱絶縁体の複数の孔の中で，単結晶材又は一方向
性凝固材を成長させることによって，長所としてその優
れた単結晶としての熱電特性を生かし，更に，弾力性の
あるシステム連結帯を用いることによって，機械的衝
撃，熱的歪みによる素子材チップの破壊を防ぐことが可
能になった。
ば，耐熱絶縁体の複数の孔の中で，単結晶材又は一方向
性凝固材を成長させることによって，長所としてその優
れた単結晶としての熱電特性を生かし，更に，弾力性の
あるシステム連結帯を用いることによって，機械的衝
撃，熱的歪みによる素子材チップの破壊を防ぐことが可
能になった。
【００２８】また，本発明においては，複数の孔を有す
る耐熱絶縁体を用いることによって，半導体素子チップ
材を用いた場合に必要とされる切断工程を省略すること
が可能になり，該熱電気変換装置の価格を大幅に低減さ
せることが可能になった。
る耐熱絶縁体を用いることによって，半導体素子チップ
材を用いた場合に必要とされる切断工程を省略すること
が可能になり，該熱電気変換装置の価格を大幅に低減さ
せることが可能になった。
【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の実施例に係
る熱電気変換装置を示す正面図，側面図及び平面図であ
る。
る熱電気変換装置を示す正面図，側面図及び平面図であ
る。
【図２】本発明の実施例に係る熱電気変換装置の基本ユ
ニットの構成を示す断面図である。
ニットの構成を示す断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は，本発明の実施例に係る熱電
気変換モジュールを示す図で，（ａ）はＮ型半導体モジ
ュール，（ｂ）はＰ型半導体モジュールを夫々示してい
る。（ｃ）は（ａ），（ｂ）に用いられる耐熱絶縁板を
示している。
気変換モジュールを示す図で，（ａ）はＮ型半導体モジ
ュール，（ｂ）はＰ型半導体モジュールを夫々示してい
る。（ｃ）は（ａ），（ｂ）に用いられる耐熱絶縁板を
示している。
１ 高温熱流管 ２ Ｎ型半導体モジュール ２´ Ｐ型半導体モジュール ３ 低温熱流管 ５ システム連結帯 ７ 本体ケース ８，９ 断熱材 １０ ブロア用モータ １１ ブロア用フィン １２，１４，１９，２０， 加圧用留め金 １３，１５，１６，１７，１８ システム結合用金属
板 ２２ 本体上蓋 ２３ 本体底部 ２４ ダクト ２５ 燃焼室 ２６ 燃料タンク ２７ 蓋
板 ２２ 本体上蓋 ２３ 本体底部 ２４ ダクト ２５ 燃焼室 ２６ 燃料タンク ２７ 蓋
Claims (5)
- 【請求項１】 耐熱絶縁板に設けられた複数の孔の中
に，Ｎ型及びＰ型半導体化合物を溶解，凝固させて形成
したＮ型及びＰ型半導体素子チップからなる半導体モジ
ュール一対と，前記一対の半導体モジュール間に設けら
れた低温熱流管と，高温熱流管と，少なくとも前記一対
の半導体モジュールを覆うシステム連結帯とからなる基
本ユニットから構成され，前記高温熱流管に供給される
高温熱流の移動方向と，低熱流管から放散される低熱流
の移動方向とが互いに異なることを特徴とする熱電気変
換装置。 - 【請求項２】 Ｎ型及びＰ型の半導体素子チップから夫
々なるＮ型及びＰ型半導体モジュールからなる一対の熱
電対と，前記一対の熱電対を複数交互に規則的にＮ型，
Ｐ型，Ｎ型…の順に配列し，前記交互に配列されたＮ型
及びＰ型半導体モジュール間に設けられた高温熱流管及
び低温熱流管とを備え，夫々の熱流の流れる方向が互い
に異なるように構成されていることを特徴とする熱電気
変換装置。 - 【請求項３】 Ｎ型及びＰ型半導体素子チップをＮ型，
Ｐ型，Ｎ型，Ｐ型…と交互に配置し，電気的に直列に，
熱的に並列に配列し，固定した熱電気変換モジュールを
備え，前記熱電気変換モジュールに供給される高温熱流
と低温熱流とが互いに異なる方向であることを特徴とす
る熱電気変換装置。 - 【請求項４】 請求項３記載の熱電気変換装置におい
て，前記Ｎ型及びＰ型半導体素子材チップは，耐熱絶縁
板の複数の貫通孔の中に設けられていることを特徴とす
る熱電気変換装置。 - 【請求項５】 請求項１乃至４記載の熱電気変換装置に
おいて，前記Ｎ型及びＰ型半導体素子チップは，単結晶
材又は一方向凝固材からなることを特徴とする熱電気変
換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290133A JPH05315656A (ja) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | 熱電気変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290133A JPH05315656A (ja) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | 熱電気変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05315656A true JPH05315656A (ja) | 1993-11-26 |
Family
ID=17752222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3290133A Withdrawn JPH05315656A (ja) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | 熱電気変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05315656A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0773592A2 (en) | 1995-11-13 | 1997-05-14 | Ngk Insulators, Ltd. | Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same |
| WO2014155591A1 (ja) * | 2013-03-27 | 2014-10-02 | 株式会社日立製作所 | 高効率熱電変換ユニット |
-
1991
- 1991-11-06 JP JP3290133A patent/JPH05315656A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5886291A (en) * | 1995-11-03 | 1999-03-23 | Ngk Insulators, Ltd. | Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same |
| EP0773592A2 (en) | 1995-11-13 | 1997-05-14 | Ngk Insulators, Ltd. | Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same |
| US5994637A (en) * | 1995-11-13 | 1999-11-30 | Ngk Insulators, Ltd. | Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same |
| WO2014155591A1 (ja) * | 2013-03-27 | 2014-10-02 | 株式会社日立製作所 | 高効率熱電変換ユニット |
| CN105051925A (zh) * | 2013-03-27 | 2015-11-11 | 株式会社日立制作所 | 高效率热电转换装置 |
| CN105051925B (zh) * | 2013-03-27 | 2018-07-17 | 株式会社日立制作所 | 高效率热电转换装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19990204 |