JPH05335630A - 熱電気変換モジュール及びそれを用いた熱電気変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【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，熱電気変
換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
換モジュールとそれを用いた熱電気変換装置を提供す
る。 【構成】 熱電気変換装置は，熱電気変換モジュール１
を複数と，低熱流伝達管３及び高熱流伝達管２と，シス
テム連結帯５とからなる基本ユニットを備えている。低
熱流伝達管３及び高熱流伝達管２は，複数の熱電気変換
モジュール１間に，交互に配置される。システム連結帯
５は，少なくとも熱電気変換モジュールの夫々を覆う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，Ｎ型及びＰ型の半導体
素子チップ一対を基本ユニットとし，ゼーベック効果に
よって熱的エネルギーを電気的エネルギーに，又は，ペ
ルチェ効果によって電気的エネルギーを熱的エネルギー
に変換する熱電気変換モジュールとそれを用いた熱電気
変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１２は従来の熱電気変換装置の熱電気
変換モジュールを示す図である（特願平３−１８５３１
８号，以下，参考文献１と呼ぶ）。図１２で示すよう
に，熱電子変換モジュールは，耐熱絶縁平板５２上に，
金属セグメント５３，５３…を半田５４接合し，この金
属セグメント５３に，機械的に，そして適当に切断され
た一対のＮ型及びＰ型の半導体素子チップ５１ａ及び５
１ｂを電気的に直列に，そして熱的に並列となるように
半田５４で接合して，熱電対を形成し，また，こうして
作製した複数の熱電対を前記したものと同様の耐熱絶縁
平板５２上に配列された金属セグメント５３と接合し
て，丁度一対の耐熱絶縁平板５１，５２に挟み込まれた
ような形状に組み立てられている。

【０００３】このＮ型及びＰ型半導体素子材５１ａ，５
１ｂとして，Ｂｉ₂ Ｔｅ₃ 系半導体化合物単結晶材が最
も優れた熱電特性を示す事は，古くから良く知られてい
るが，約４０年間，室温近傍でこれを凌駕する特性を持
つ材料は，未だ発見されていない。この半導体化合物単
結晶材を用いた熱電気変換素子が熱電子冷却用モジュー
ルとして，現在も尚，広く使用されている。また，上記
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
優れていることも既に知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，前記半
導体化合物単結晶材は，結晶構造上ｃ面間の結合力が弱
く，振動衝撃又は熱歪み等によってｃ面で剥離し易いと
いう欠陥を有している。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，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。従って，小さなＮ型及びＰ型半導体化合物素子
チップを電気的に平面内に配列し，固定した従来の熱電
気変換モジュールをもって，熱歪みによる熱電気変換素
子の破壊に対する防御策をたてることは，構造上難し
い。その意味から，従来の熱電気変換モジュール構造
は，古くから使用されてはいるが未だ完成されてないと
言えよう。

【０００５】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，熱電気変換モジュールを使用
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モジュールとそれ
を用いた熱電気変換装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では，上記素子歳
材チップ接合面に加わる機械的剪断応力を如何にして吸
収回避するかという技術的課題を解決するために，素子
固定部として，耐熱絶縁材の孔の中で，上記Ｎ型及びＰ
型半導体素子材原料を直接溶解，凝固させた熱電気変換
素子チップか，或いは又既に溶解，焼結等の方法で作製
された熱電気変換素子チップが，耐熱絶縁材の中に，挿
入，配列，固定されたものが用いられる。この時，この
耐熱絶縁材の貫通孔の内壁が外力に対して，防壁とな
り，その貫通孔の中に固定されている熱電気変換素子チ
ップの破壊を防ぐ。これを本発明の熱電気変換モジュー
ルの基本構造とする。

【０００７】即ち，本発明によれば，第１耐熱絶縁材の
複数の貫通孔にＮ型又はＰ型半導体素子チップが少なく
とも隣り合う一対の半導体素子チップがＮ型及びＰ型と
なるようにＮ，Ｐ，Ｎ，Ｐ…の順で，両端を露出するよ
うに挿入された素子固定部と，複数個の金属セグメント
が配列し接合され，当該金属セグメントを有する面を互
いに対向させて，前記Ｎ型又はＰ型半導体素子チップの
夫々の両端を接続するように，前記素子固定部を挟み込
む第１及び第２耐熱性絶縁材とを備えていることを特徴
とする熱電気変換モジュールが得られる。

【０００８】本発明では，前述した基本構造を採ること
によって，従来の熱電気変換モジュールの機械的及び熱
歪みに対する弱さを補強することが可能になった。

【０００９】また，本発明においては，別々の一層から
なる耐熱絶縁材の孔の中で，Ｎ型及びＰ型半導体素子材
チップを持つ個々の素子固定部を交互に平面的に重ね合
わせ，配設し，一定の枠型の中に固定することによっ
て，或いは又，上記Ｎ型及びＰ型半導体素子材原料の溶
製材及び焼結材から切断された素子チップを耐熱絶縁材
の孔の中にＮＰＮＰ…の順に配設すること等によって，
素子固定部は作製される。それらの素子チップと金属セ
グメントをもって，Ｎ型及びＰ型半導体素子対を形成さ
せ，電気的に直列に結合させ，それを熱電気変換モジュ
ールとする。金属セグメントを使用せずに，素子固定部
内の素子を低融点材でもって，電気的に直列に結合させ
てモジュールとすることも可能である。

【００１０】即ち，本発明によれば，耐熱絶縁体の複数
の貫通孔にＮ型又はＰ型半導体素子チップがＮ，Ｐ，
Ｎ，Ｐ…の順で，両端を露出するように挿入された素子
固定部と，前記Ｎ型又はＰ型半導体素子チップの両端同
士を夫々接合する低融点導電性接合材とを備えたことを
特徴とする熱電気変換モジュールが得られる。

【００１１】本発明においては，このように構成された
熱電気変換モジュールと，高熱流伝達管と，低熱流伝達
管と，システム連結帯からなり，それを，一定の圧力
で，平行に押さえ付けて，互いの熱の伝達をスムーズに
する。これを熱電気変換装置の基本システムとする。用
途規模に応じて，これを連続的に結合させ，熱電気変換
総合システムを構築することも可能である。

【００１２】即ち，本発明によれば，前記したいずれか
の熱電気変換モジュールを複数と，前記複数の熱電気変
換モジュール間に，交互に配置される低熱流伝達管及び
高熱流伝達管と，少なくとも前記熱電気変換モジュール
を覆うシステム連結帯からなる基本ユニットを備えたこ
とを特徴とする熱電気変換装置が得られる。

【００１３】

【作用】本発明においては，Ｎ型又はＰ型半導体素子チ
ップが，複数個の金属セグメントに接合されており，こ
の一端の接合部分に熱を加えるとゼーベック効果によっ
て，ＰからＮ型半導体素子の方向に起電力が生じる。

【００１４】

【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。

【００１５】図１は本発明の実施例に係る熱電気変換冷
却装置の基本ユニットの構成を示す部分断面図である。
図１に示すように，熱電気変換装置の基本ユニットは，
Ｐ型半導体化合物を有する熱電気変換モジュール１と，
この熱電気変換モジュール１の両側に設けられた高熱流
伝達管２，２と，この熱電気変換モジュール１，１間に
配置された低熱流伝達管３とを備えている。熱電気変換
モジュール１は，耐熱絶縁材の夫々の図示しない孔の中
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。高熱流伝達管２は中空の
導電性材料からなる。また，低熱流伝達管３も中空の導
電性材料からなる。低熱流伝達管３とその両側の熱電気
変換モジュール１と，この熱電気変換モジュール１の両
側に接する高熱流伝達管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。
このシステム連結帯５と各熱電気変換モジュール１，１
との間には，断熱材６が充填されている。尚，図面で
は，低熱流伝達管３，３の他端側は，他の基本ユニット
を形成するために，前記基本ユニットと同様にシステム
連結帯５によって覆われている。低熱流伝達管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，更に断熱材７の壁部を貫通して外部に突
出している。また，各熱電気変換モジュールの断熱材６
とは，対向する側に電気接続端８が，断熱材及びシステ
ム連結帯５に設けられた貫通孔を貫通して引き出されて
いる。

【００１６】図２（ａ），（ｂ），図３（ａ），
（ｂ），図４（ａ），（ｂ）は，本発明の一実施例に係
る熱電気変換モジュールを構成する部品を示す図で，図
２（ａ），（ｂ）は金属セグメントが接合（又は，接
着）された耐熱絶縁材である第１接合部を示す側面図及
び正面図，図３（ａ），（ｂ）は素子固定部を示す側断
面図及び正面図，図４（ａ），（ｂ）は金属セグメント
が接合（又は，接着）された耐熱絶縁材である第２接合
部を示す側面図及び正面図である。

【００１７】図２（ａ），（ｂ）において，第１接合部
２０は，四角形の耐熱絶縁材表面に直方体状の金属セグ
メント２２が半田固定されている。

【００１８】図３（ａ），（ｂ）において，素子固定部
２３は，耐熱絶縁材２４に設けられた角柱状の貫通孔２
４ａ，２４ａ，…にＮ型半導体素子材及びＰ型半導体素
子材を相隣あう半導体素子材がそれぞれ別の極性をもつ
ように，それぞれ挿入して，凝固固定してＮ型半導体素
子チップ２５，Ｐ型半導体素子チップ２６が形成されて
いる。

【００１９】図４（ａ），（ｂ）において，第２接合部
２７は，金属セグメント３０が，耐熱絶縁材２８に半田
層２９を介して固定されている。

【００２０】図５は図２（ａ），（ｂ），図３（ａ），
（ｂ），図４（ａ），（ｂ）に夫々示した第１接合部，
素子固定部，第２接合部から熱電気変換モジュールを組
み立てたときの図である。

【００２１】図５で示すように，素子固定部２３の両端
が，第１接合部２０及び第２接合部２７の夫々の金属セ
グメント２２及び３０にって挟み込まれた形状となって
いる。素子固定部２３のＰ型半導体素子チップの露出面
は，両端面がちぐはぐに金属セグメント２２及び３０に
半田３１によって，Ｎ型半導体素チップ及びＰ型半導体
素子チップがＮ型，Ｐ型，Ｎ型と交互に，且つ電気的に
直列となるように接合されている。このようにして，熱
電気変換モジュール１が形成されている。

【００２２】図６は，図５の熱電気変換モジュールの変
形例を示す図である。図６において，固定部２３のＰ型
及びＮ型半導体素子材の両端は，半田付３３により接合
され，Ｎ型，Ｐ型，Ｎ型，Ｐ型，…と電気的に直列とな
るように，形成されている。この両端の半田面は，絶縁
性の樹脂３２に埋設される。

【００２３】図７（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施例
に係る熱電気変換モジュールの金属セグメントを設けた
耐熱絶縁材を示す側面図及び正面図，図８（ａ），
（ｂ）は，図７（ａ），（ｂ）の熱電気変換モジュール
の素子固定部を示す側断面図及び正面図，図９（ａ），
（ｂ）は，図７（ａ），（ｂ）の熱電気変換モジュール
に金属セグメントを設けた耐熱絶縁平板を示す側面図及
び正面図である。

【００２４】図７（ａ），（ｂ）において，第１接合部
３５は，四角の耐熱絶縁材３６表面に，金属セグメント
３７が接着剤３８を介して接合されている。

【００２５】図８（ａ），（ｂ）において，素子固定部
３９は，各耐熱絶縁材４０ａ，４０ｂ…に夫々一列に設
けられた貫通孔４１ａ，４１ｂ…に，半導体素子材を挿
入し凝固固定して半導体素子チップを形成し，この耐熱
絶縁材を交互に側面同志を接着して構成されている。

【００２６】図９（ａ），（ｂ）において，第２接合部
４４は，四角の耐熱絶縁材４５の一面に金属セグメント
４６が接着剤４７を介して接合されている。

【００２７】図１０は，図７（ａ），（ｂ），図８
（ａ），（ｂ），図９（ａ），（ｂ）に夫々示した第１
接合部３５，素子固定部３９，第２接合部４４から熱電
気変換モジュールを組み立てたときの図である。

【００２８】図１０で示すように，素子固定部２３の両
端を，耐熱絶縁材に金属セグメントで半田接合して形成
されている。金属セグメントは，Ｎ型半導体素子及びＰ
型半導体素子が夫々１個又は２個がＮ型，Ｐ型，Ｎ型…
と電気的に直列となるような形状を有している。このよ
うにして，熱電気変換モジュール１ａ´が形成されてい
る。

【００２９】図１１は，図１０の熱電気変換モジュール
の変形例を示す断面図である。図１１で示すように，熱
電気変換モジュール１ｂは，素子固定部３９の両端を半
田３３で互い違いに固定して，電気的直列となるように
形成されている。

【００３０】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。この素子材チップの形状
は，第１多孔性耐熱絶縁体の孔形によって決定される。
得られた素子材の形状は，１×１×４（ｍｍ）である。
又，これらの素子材は，長手方向に結晶ｃ面をもち，こ
れに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。それらのＰ型及びＮ型半導体素
子材を別々の第２，第３の耐熱絶縁体４１の孔４１ａ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４２，４３を形成し，図３（ａ），（ｂ），
図８（ａ），（ｂ）で示すように，熱電気変換モジュー
ル１ａ，１ａ´を形成した。この熱電気変換モジュール
を複数用意し，これらの間に低熱流（又は高熱流）伝達
管３を，そしてその両外側に高熱流（又は，低熱流）伝
達管２を配設する。これをシステム連結帯５で結合す
る。そして両熱電気変換モジュールの電極端子８，８を
電気的に直列に結合させた。尚，Ｎ型及びＰ型素子チッ
プの測定結果は次に表２の通りである。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】上記熱電気変換モジュールを熱電気変換装
置として組み立て作動させると，極めて良好に作動し
た。低熱流伝達管３内は，−１℃まで冷却された。周囲
の断熱構造完備すれば，もっと低温まで冷却すること
は，それ程難しくない。

【００３４】以上，本発明の実施例で説明したように，
複数の孔を有する耐熱絶縁材の孔の中で，単結晶材又は
一方向性凝固材を成長させる構造を採ることによって，
その優れた単結晶の熱電特性を生かし，この耐熱絶縁材
の孔の内壁によって機械的強度に対して弱い半導体素子
チップの破壊を保護することを可能ならしめた。

【００３５】尚，本発明の実施例による熱電気変換装置
では，従来のモジュールの長所である複数個の小さな素
子チップを電気的に直列に結合して，高電圧での発電構
造はそのまま生かしている。

【００３６】

【発明の効果】以上，説明したように，本発明において
は，素子固定部を持つ新規モジュールを用いることによ
って，この種のモジュールの最大の弱点である機械的強
度の弱さに対する補強が可能になった。

【００３７】また，本発明によれば，従来実用材料とし
ての実現し得なかった単結晶材モジュールの使用を上記
構造を採ることによって始めて実現可能ならしめた。

【００３８】更に，本発明によれば，システム連結帯
に，弾力性のある断熱材を使用することによって，外的
な衝撃圧，熱膨脹による熱歪み等の機械的剪断応力を吸
収させることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱電気変換冷却装置の基
本ユニットの構成を示す部分断面図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は金属セグメントが接合（又
は，接着）された耐熱絶縁材である第１接合部を示す側
面図及び正面図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は素子固定部を示す側断面図及
び正面図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は金属セグメントが接合（又
は，接着）された耐熱絶縁材である第２接合部を示す側
面図及び正面図である。

【図５】図２（ａ），（ｂ），図３（ａ），（ｂ），図
４（ａ），（ｂ）に夫々示した第１接合部，素子固定
部，第２接合部から熱電気変換モジュールを組み立てた
ときの図である。

【図６】図５の熱電気変換モジュールの変形例を示す図
である。

【図７】（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施例に係る熱
電気変換モジュールの金属セグメントを設けた耐熱絶縁
材を示す側面図及び正面図である。

【図８】（ａ），（ｂ）は，図７（ａ），（ｂ）の熱電
気変換モジュールの素子固定部を示す側断面図及び正面
図である。

【図９】（ａ），（ｂ）は，図７（ａ），（ｂ）の熱電
気変換モジュールに金属セグメントを設けた耐熱絶縁平
板を示す側面図及び正面図である。

【図１０】図７（ａ），（ｂ），図８（ａ），（ｂ），
図９（ａ），（ｂ）に夫々示した第１接合部３５，素子
固定部３８，第２接合部４３から熱電気変換モジュール
を組み立てたときの図である。

【図１１】図１０の熱電気変換モジュールの変形例を示
す断面図である。

【図１２】従来例に係る熱電気変換モジュールを示す図
である。

【符号の説明】

１ 熱電気変換モジュール １ａ 熱電気変換モジュール １ａ´ 熱電気変換モジュール １ｂ 熱電気変換モジュール １ｂ´ 熱電気変換モジュール ２ 高熱流伝達管 ３ 低熱流伝達管 ５ システム連結帯 ６，７ 断熱材 ２０，３５ 第１接合部 ２２，３０，３７，４６ 金属セグメント ２３，３９ 素子固定部 ２４，２８，４５ 耐熱絶縁材 ２４ａ 貫通孔 ２５ Ｎ型半導体素子チップ ２６ Ｐ型半導体素子チップ ２７，４４ 第２接合部 ２９，３１，３３ 半田層 ３２ 樹脂

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１耐熱絶縁材の複数の貫通孔にＮ型又
   はＰ型半導体素子材が少なくとも隣り合う一対の半導体
   素子チップがＮ型及びＰ型となるようにＮ，Ｐ，Ｎ，Ｐ
   …の順で，両端を露出するように挿入された素子固定部
   と，複数個の金属セグメントが配列し接合され，当該金
   属セグメントを有する面を互いに対向させて，前記Ｎ型
   又はＰ型半導体素子チップの夫々の両端を接続するよう
   に，前記素子固定部を挟み込む第２及び第３耐熱性絶縁
   材とを備えていることを特徴とする熱電気変換モジュー
   ル。
2. 【請求項２】 第１耐熱絶縁材の複数の貫通孔にＮ型又
   はＰ型半導体素子チップがＮ，Ｐ，Ｎ，Ｐ…の順で，両
   端を露出するように挿入された素子固定部と，前記Ｎ型
   又はＰ型半導体素子チップの両端同士を夫々接合する低
   融点導電性接合材とを備えたことを特徴とする熱電気変
   換モジュール。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の熱電気変換モジュ
   ールを複数と，前記複数の熱電気変換モジュール間に，
   交互に配置される低熱流伝達管及び高熱流伝達管と，少
   なくとも前記熱電気変換モジュールの夫々を覆うシステ
   ム連結帯からなる基本ユニットを備えたことを特徴とす
   る熱電気変換装置。