(57)【要約】【課題】構成部材の酸化等による劣化の進行を抑止でき、長期にわたって変換効率を良好に維持できる熱−電気直接変換装置を提供する。【解決手段】熱エネルギを電気エネルギに、あるいは電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱−電気直接変換半導体２，３と、その熱−電気直接変換半導体２，３を外気から遮断する気密筐体３０とを備えて構成され、上記気密筐体３０は上記熱−電気直接変換半導体２，３の高温側端部に接合される高温側基板７を覆う金属蓋２０と、上記熱−電気直接変換半導体２，３の周囲を取り囲む金属枠２１と、電流を気密筐体３０の外部に取出す手段を具備し、熱−電気直接変換半導体２，３の低温側端部に接合される低温側基板２２とから構成されており、上記気密筐体３０の内部は真空もしくは不活性ガス雰囲気に調整されていることを特徴とする熱−電気直接変換装置１ａである。【選択図】  図１
2006032723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギを電気エネルギに、あるいは電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱−電気直接変換半導体と、その熱−電気直接変換半導体を外気から遮断する気密筐体とを備えて構成され、上記気密筐体は上記熱−電気直接変換半導体の高温側端部に接合される高温側基板を覆う金属蓋と、上記熱−電気直接変換半導体の周囲を取り囲む金属枠と、電流を気密筐体外部に取出す手段を具備し、熱−電気直接変換半導体の低温側端部に接合される低温側基板とから構成されており、上記気密筐体内部は真空もしくは不活性ガス雰囲気に調整されていることを特徴とする熱−電気直接変換装置。
【請求項２】
前記金属蓋は、少なくとも前記気密筐体に内蔵されている高温側基板と接触する部分が周縁部分より高く入熱方向に突出するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項３】
前記金属蓋のうち、前記気密筐体に内蔵されている高温側基板と接触していない部分に、金属蓋自体およびそれに接続されている金属枠の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項４】
前記金属蓋から金属枠を経由して低温側基板へ至る熱伝達経路を長くするフランジ機構を上記金属蓋および金属枠の少なくとも一方に配設したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項５】
前記金属枠の外周面の少なくとも一部が曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項６】
前記金属枠の高さ方向に金属枠の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項７】
前記金属蓋と金属枠とは溶接されているか、あるいは一体に成形されている一方、前記低温側基板と前記金属枠とは溶接、ハンダ付け、もしくはロウ付け、拡散接合、あるいは接着剤により接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項８】
前記不活性ガス雰囲気は、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選択される少なくとも１種の気体から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項９】
前記不活性ガス雰囲気の圧力は、常温で外気圧より低く設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項１０】
前記金属蓋および金属枠は熱−電気直接変換装置の高温側温度に耐えられる耐熱金属もしくは耐熱合金から構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項１１】
前記耐熱合金は、ニッケルもしくはニッケル基合金、炭素鋼、ステンレス鋼から選択される鉄基合金、クロムを含む鉄基合金、シリコンを含む鉄基合金、コバルトを含有する合金、銅を含有する合金のいずれかであることを特徴とする請求項１０記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項１２】
前記低温側基板はセラミック板と、このセラミック板の少なくとも一方の表面に接合された金属板とから成り、この金属板は銅、銀、アルミニウム、錫、鉄基合金、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金から選択される少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項１３】
前記低温側基板に使用されているセラミック板は、アルミナもしくはアルミナを含有するセラミック、アルミナ粉末を分散含有する金属、窒化珪素もしくは窒化珪素を含有するセラミック、窒化アルミニウムもしくは窒化アルミニウムを含有するセラミック、ジルコニアもしくはジルコニアを含有するセラミック、イットリアもしくはイットリアを含有するセラミック、シリカあるいはシリカを含有するセラミック、ベリリアもしくはベリリアを含有するセラミックから選択される少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１２記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項１４】
前記熱−電気直接変換半導体はｐ型の半導体とｎ型の半導体とから成り、これら半導体は、希土類元素、アクチノイド、コバルト、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ニッケル、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、錫、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウムから選択される少なくとも３種の元素から構成される熱−電気直接変換半導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項１５】
前記ｐ型もしくはｎ型の熱−電気直接変換半導体の結晶構造がスクッテルダイト構造、充填スクッテルダイト構造、ホイスラー構造、ハーフホイスラー構造、クラスレート構造のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１４記載の熱−電気直接変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱−電気直接変換装置に係り、特に変換装置の構成部材の酸化等による劣化の進行を抑止し、長期にわたって変換効率を良好に維持できる熱−電気直接変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人類が消費するエネルギ量が歴史的に例を見ない速度で急増した結果、炭酸ガス（ＣＯ２）などの温室効果ガスによる地球温暖化の問題が浮上しており、地球環境を保全するためにＣＯ２発生を可及的に抑制可能なエネルギ源の開発が全世界的に渇望されている。このような状況の中で、主として省エネルギの観点から、大規模な廃熱の利用が従来から進行し、現在では中小規模の廃熱まで、その再利用が注目されつつある。
【０００３】
ところが、中小規模廃熱については、たとえその廃熱の質が高くとも、熱量規模自体が比較的小さいことから、たとえば蒸気タービンなどの大規模廃熱用の発電装置では、熱量に対して大掛りな装置が必要となる結果、発電効率が極めて低く、既存設備の改造や保守・補修コストに見合う電気量が得られないという問題があった。
【０００４】
また、その熱量規模が小さいことから、温水利用などの熱利用も見送られている場合が多く、全世界的に中小規模廃熱の利用は進捗し難い状況にある。そのため、これら中小規模の廃熱のエネルギから電気エネルギを簡易かつ小型の装置システムで変換できる熱−電気直接変換装置の開発実用化が待望されている。
【０００５】
このような技術的要請に対処するため、半導体を用いて熱エネルギを直接電気エネルギに変換する熱−電気直接変換装置の開発が従来から進められている（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００６】
一般に、この種の熱−電気直接変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果などの熱電効果を利用したｐ型およびｎ型の熱−電気直接変換半導体（熱伝変換素子）を組み合わせて構成される。一般的な構造を図２に示す。すなわち、従来の熱−電気直接変換装置１は、ｐ型熱−電気直接変換半導体チップ２およびｎ型熱−電気直接変換半導体チップ３が、高温側電極５を有する高温側絶縁板（高温側基板）７と、低温側電極６を有する低温側絶縁板（低温側基板）８に挟まれた構造を有する。上記ｐ型熱−電気直接変換半導体チップ２およびｎ型熱−電気直接変換半導体チップ３は、熱−電気直接変換半導体対４を形成し、変換装置全体では電気的及び熱的に多くの熱−電気直接変換半導体対が接続される。
【０００７】
ｐ型熱−電気直接変換半導体チップ２およびｎ型熱−電気直接変換半導体チップ３は、高温側電極５と高温側電極−半導体チップ接合部１１を介して接合され、さらにｐ型熱−電気直接変換半導体チップ２およびｎ型熱−電気直接変換半導体チップ３は、低温側電極６と低温側電極−半導体チップ接合部１２を介して接合されている。
【０００８】
上記のように構成された熱−電気直接変換装置１において、高温側電極５に熱流１３が供給されると、熱は高温側電極−半導体チップ接合部１１を介してｐ型熱−電気直接変換半導体チップ２およびｎ型熱−電気直接変換半導体チップ３に伝達され、半導体チップ２，３を通過する熱流１４に沿って、ｐ型熱−電気直接変換半導体チップ２の内部では半導体キャリアである正孔１６が、またｎ型熱−電気直接変換半導体チップ３の内部では半導体キャリアである電子１７が、ｐ型熱−電気直接変換半導体チップ２あるいはｎ型熱−電気直接変換半導体チップ３に低温側電極−半導体チップ接合部１２を介して接合されている低温側電極６に向かって移動する。
【０００９】
一方半導体チップ２，３を通過する熱流１４は、低温側電極６を通過して低温側電極から放出される熱流１５となる。ここで熱−電気直接変換装置１の外部に、適当な電気的負荷１９が、熱−電気直接変換装置１に設置されている電極−電流手段との取合手段９と、それに接続された電流取出手段１０とを介して、熱−電気直接変換装置１に電気的に接続されることにより、前記半導体キャリアの移動は電流の流れ１８として熱−電気直接変換装置１の外部に取出し利用することができる。
【００１０】
このように熱-電気直接変換装置は、高温側電極と低温側電極との温度差を、熱−電気直接変換半導体を用いて、直接電気に変換し装置外部に電力として取出すことができるものであるが、図示していない外部から電流を与えることにより、低温側から高温側あるいは高温側から低温側に熱の移動を行うこともできる。
【特許文献１】特開２００４−１１９８３３号公報
【非特許文献１】「熱電変換工学−基礎と応用−」リアライズ社ｐ．３４９−３６３（２００１）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、熱−電気直接変換装置に温度差を加えて熱を電気に変換する際には、熱−電気直接変換装置の高温側電極温度は高いほど、また低温側電極温度は低いほど、すなわち電極間の温度差が大きいほど、熱の変換効率は大きい。また熱−電気直接変換装置に電流を加え、電気を熱に変換する際にも、熱−電気直接変換装置の高温側温度あるいは低温側温度は、印加する電流が大きいほど高くなる。このため、図１に示した構成を有する従来の熱−電気直接変換装置では、大気中で使用していると、電極や半導体チップなどの構成部材が酸化や窒化などにより劣化し易く、熱から電気へ、あるいは電気から熱へ変換する能力が経時的に低下し、長期間に亘って良好な変換性能を確保することが困難であるという問題があった。
【００１２】
上記問題点を解決するために、本発明者らは例えば図１に示す構成を有する従来の熱−電気直接変換装置をそのまま金属やセラミックスから成る筐体に封じ込めることにより、大気から遮断でき装置構成部品の酸化による劣化を防止できる構成を実現している。しかしながら、装置に供給される熱流は半導体チップだけでなく、筐体をも通過することになるので変換の対象となる熱の割合が減少し、熱から電気へ、あるいは電気から熱へ変換する能力が大幅に低下することが明白となった。
【００１３】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、構成部材の酸化等による劣化の進行を抑止し、長期にわたって変換効率を良好に維持できる熱−電気直接変換装置を提供することを目的とする。また、半導体チップに熱流を集中的に流すことを容易にでき、高い変換効率を維持できる気密型の熱−電気直接変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱−電気直接変換装置は、熱エネルギを電気エネルギに、あるいは電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱−電気直接変換半導体と、その熱−電気直接変換半導体を外気から遮断する気密筐体とを備えて構成され、上記気密筐体は上記熱−電気直接変換半導体の高温側端部に接合される高温側基板を覆う金属蓋と、上記熱−電気直接変換半導体の周囲を取り囲む金属枠と、電流を気密筐体外部に取出す手段を具備し、熱−電気直接変換半導体の低温側端部に接合される低温側基板とから構成されており、上記気密筐体内部は真空もしくは不活性ガス雰囲気に調整されていることを特徴とする。
【００１５】
上記熱−電気直接変換装置によれば、高温側基板を覆う金属蓋と、上記熱−電気直接変換半導体の周囲を取り囲む金属枠と、熱−電気直接変換半導体の低温側端部に接合される低温側基板とから構成される気密筐体によって熱−電気直接変換半導体が外気から遮断され、かつ上記気密筐体内部は真空もしくは不活性ガス雰囲気に調整されているため、半導体等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱−電気直接変換装置が得られる。
【００１６】
また、上記熱−電気直接変換装置において、前記金属蓋は、少なくとも前記気密筐体に内蔵されている高温側基板と接触する部分が周縁部分より高く入熱方向に突出するように形成されていることが好ましい。
【００１７】
上記のように、少なくとも気密筐体に内蔵されている高温側基板と接触する金属蓋部分が、その周縁部分より高く入熱方向に突出するように形成することにより、突出した金属蓋と接触した高温側基板に入熱が集中的に伝播するために、半導体チップに熱が集中し易くなり熱−電気変換効率を高めることが可能になる。一方、金属蓋の周縁部分が受ける熱量は中央部分と比較して相対的に減少するために、金属枠を経由して無駄に放散される熱量が減少する。
【００１８】
さらに、上記熱−電気直接変換装置において、前記金属蓋のうち、前記気密筐体に内蔵されている高温側基板と接触していない部分に、金属蓋自体およびそれに接続されている金属枠の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を備えることが好ましい。
【００１９】
上記のように、気密筐体に内蔵されている高温側基板と接触していない金属蓋の部分に熱膨張吸収手段を設けることにより、金属蓋自体およびそれに接続されている金属枠の熱膨張を効果的に吸収することが可能になり、熱応力が効果的に緩和され、耐久性に優れた変換装置が得られる。特に、上記熱膨張吸収手段は、気密筐体に内蔵されている高温側基板と接触していない金属蓋の部分に備えられているために、熱膨張が発生して金属蓋が変位した場合においても、金属蓋が半導体チップと干渉する恐れは少ない。
【００２０】
また、上記熱−電気直接変換装置において、前記金属蓋から金属枠を経由して低温側基板へ至る熱伝達経路を長くするフランジ機構を上記金属蓋および金属枠の少なくとも一方に配設することが好ましい。
【００２１】
上記のように、フランジ機構を熱伝達経路に設けることにより、前記金属蓋から金属枠を経由して低温側基板へ至る熱伝達経路（熱パス）を長くすることが可能であり、気密筐体、特に金属枠における伝熱抵抗を高くして熱通過量を抑止し、相対的に半導体チップを通過し熱-電気変換に関与する熱量を高めることができる。したがって、半導体チップにおける熱-電気変換効率を高めることができる。
【００２２】
さらに、上記熱−電気直接変換装置において、前記金属枠の外周面の少なくとも一部が曲面状に形成されていることが好ましい。
【００２３】
上記のように、金属枠の外周面の少なくとも一部を曲面状に形成することにより、例えば四角筒状に形成されていた金属枠の各角部にアール加工を施して曲面状に形成することにより、金属枠の断面積を小さくすることが可能となり、金属枠における通過熱量を小さくできる一方、半導体チップを通過し熱-電気変換に関与する熱量を高めることができる。したがって、半導体チップにおける熱-電気変換効率を高めることができる。
【００２４】
また、上記熱−電気直接変換装置において、前記金属枠の高さ方向に金属枠の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を備えていることが好ましい。この熱膨張吸収手段の具体的な構成例としては、金属枠の断面が屈曲した部位を１段または２段以上組み合わせた構造が採用できる。上記屈曲部位は、平面が折れ曲がった形状でも良いが、円弧状に折り曲げた形状でも良い。
【００２５】
上記のように、金属枠の高さ方向に熱膨張吸収手段を設けることにより、金属枠の熱膨張を効果的に吸収することができ、熱応力が効果的に緩和され、気密筐体の熱応力による疲労破壊を効果的に防止することができ、耐久性が優れた変換装置が得られる。
【００２６】
さらに、上記熱−電気直接変換装置において、前記金属蓋と金属枠とは溶接されているか、あるいは一体に成形されている一方、前記低温側基板と前記金属枠とは溶接、ハンダ付け、もしくはロウ付け、拡散接合、あるいは接着剤により接合されていることが好ましい。
【００２７】
金属蓋、金属枠および低温側基板の接合方法としては、特に限定されるものではないが、上記接合方法によれば、接合操作が簡略な上に十分な接合強度が得られる。特に、金属蓋と金属枠とを一体に成形することにより、装置部品点数が減少し装置の組立てが容易になる。
【００２８】
また、上記熱−電気直接変換装置において、気密筐体内の不活性ガス雰囲気は、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選択される少なくとも１種の気体から成ることが好ましい。
【００２９】
上記非酸化性の気体を気密筐体内に封入し、内部雰囲気を非活性とすることにより、半導体チップ等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱−電気直接変換装置が得られる。
【００３０】
さらに、上記熱−電気直接変換装置において、前記不活性ガス雰囲気の圧力が、常温で外気圧より低く設定されていることが好ましい。
【００３１】
上記のように、気密筐体内の不活性ガス雰囲気の圧力を外気圧より低く設定することにより、気密筐体内の不活性ガス雰囲気中に水分が残留することが効果的に防止でき、水分による半導体チップの劣化損傷を効果的に抑止できる。また、気密筐体内のガス雰囲気における熱伝導性が低下するために、半導体チップから金属枠方向に熱が放散することが防止でき、熱-電気変換効率を高めることができる。
【００３２】
また、上記熱−電気直接変換装置において、前記金属蓋および金属枠は熱−電気直接変換装置の高温側温度に耐えられる耐熱金属もしくは耐熱合金から構成することが好ましい。具体的には、上記耐熱合金は、ニッケルもしくはニッケル基合金、炭素鋼、ステンレス鋼から選択される鉄基合金、クロムを含む鉄基合金、シリコンを含む鉄基合金、コバルトを含有する合金、銅を含有する合金のいずれかであることが好ましい。
【００３３】
上記耐熱金属もしくは耐熱合金から構成された金属蓋および金属枠によれば、高温度使用環境においても劣化することが少なく優れた耐久性を発揮させることができる。
【００３４】
さらに、上記熱−電気直接変換装置において、前記低温側基板はセラミック板と、このセラミック板の少なくとも一方の表面に接合された金属板とから成り、この金属板は銅、銀、アルミニウム、錫、鉄基合金、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金から選択される少なくとも１種から成ることが好ましい。
【００３５】
上記のように、セラミック板の少なくとも一方の表面に金属板を接合した低温側基板を用いることにより、低温側電極としての金属板が予め絶縁基板に接合された低温側基板が得られ、変換装置の組立てが容易になる。セラミック板と金属板との接合強度が高く、両者の密着度も高いため、耐久性に優れた変換装置が得られる。
【００３６】
また、上記熱−電気直接変換装置において、前記低温側基板に使用されているセラミック板は、アルミナもしくはアルミナを含有するセラミック、アルミナ粉末を分散含有する金属、窒化珪素もしくは窒化珪素を含有するセラミック、窒化アルミニウムもしくは窒化アルミニウムを含有するセラミック、ジルコニアもしくはジルコニアを含有するセラミック、イットリアもしくはイットリアを含有するセラミック、シリカあるいはシリカを含有するセラミック、ベリリアもしくはベリリアを含有するセラミックから選択される少なくとも１種から構成されることが好ましい。
【００３７】
上記各セラミック板から成る低温側基板によれば、絶縁耐性が安定して優れているために高い熱電効果を長期間に亘って発揮し得る信頼性が高い熱−電気直接変換装置が得られる。
【００３８】
さらに、上記熱−電気直接変換装置において、前記熱−電気直接変換半導体はｐ型の半導体とｎ型の半導体とから成り、これら半導体は、希土類元素、アクチノイド、コバルト、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ニッケル、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、錫、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウムから選択される少なくとも３種の元素から構成される熱−電気直接変換半導体であることが好ましい。
【００３９】
上記少なくとも３種の元素から構成される熱−電気直接変換半導体によれば、良好な熱電効果を長期間に亘って発揮することが可能であり、熱電変換効率が高い熱−電気直接変換装置が得られる。
【００４０】
また、上記熱−電気直接変換装置において、前記ｐ型もしくはｎ型の熱−電気直接変換半導体の結晶構造がスクッテルダイト構造、充填スクッテルダイト構造、ホイスラー構造、ハーフホイスラー構造、クラスレート構造のうちのいずれかであることが好ましい。
【００４１】
上記各結晶構造を有する半導体チップによれば、熱電効果が良好であり、熱電変換効率が高い熱−電気直接変換装置が得られる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る熱−電気直接変換装置によれば、高温側基板を覆う金属蓋と、上記熱−電気直接変換半導体の周囲を取り囲む金属枠と、熱−電気直接変換半導体の低温側端部に接合される低温側基板とから構成される気密筐体によって熱−電気直接変換半導体が外気から遮断され、かつ上記気密筐体内部は真空もしくは不活性ガス雰囲気に調整されているため、半導体等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱−電気直接変換装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
次に本発明を実施するための形態について添付図面を参照し、以下の実施例に基づいて説明する。
【００４４】
（実施例１）
図１は半導体チップを外気から遮断する気密筐体を用いた本発明に係る熱−電気直接変換装置の一実施例を示す図であり、図１（ａ）は本発明に係る熱−電気直接変換装置の一実施例の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す熱-電気直接変換装置（熱電気直接変換モジュール）のＢ-Ｂ矢視断面図である。
【００４５】
図１に示すように、本実施例に係る熱-電気直接変換装置１ａは、熱エネルギを電気エネルギに、あるいは電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱−電気直接変換半導体４と、その熱−電気直接変換半導体４を外気から遮断する気密筐体３０とを備えて構成され、上記気密筐体３０は上記熱−電気直接変換半導体４の高温側端部に接合される高温側基板７を覆う金属蓋２０と、上記熱−電気直接変換半導体４の周囲を取り囲む金属枠２１と、電流を気密筐体外部に取出す手段１０を具備し、熱−電気直接変換半導体の低温側端部に接合される低温側基板８とから構成されており、上記気密筐体３０の内部は真空もしくは不活性ガス雰囲気に調整されて構成されている。
【００４６】
上記熱−電気直接変換半導体４は、スクッテルダイト構造を有するｐ型熱-電気直接変換半導体チップ２とｎ型熱-電気直接変換半導体チップ３とが対となって構成されている。また、低温側基板８および高温側基板７はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から構成されている一方、低温側基板８はＡｌＮ基材のセラミックス基板で構成されている。さらに、気密筐体３０を形成する構成する金属蓋２０および金属枠２１はニッケル基合金で形成されている。
【００４７】
上記のように構成された熱−電気直接変換装置に熱を供給し入出力端部に温度差を加えて熱を電気に変換する際には、熱−電気直接変換装置の高温側温度を高くするほど、また低温側温度を低くするほど、すなわち入出力端部の温度差を大きくすることにより、熱―電気の変換効率を高めることができる。すなわち、変換効率を大きくするためには、熱−電気直接変換装置の入力端部を高温度条件下で運転することが有効である。
【００４８】
しかしながら、上記熱−電気直接変換装置を大気中の高温度条件下で運転した場合には、電極や半導体チップなどの構成部材が酸化されたり窒化されたりして劣化が進行し易い。これらの構成部材の劣化進行を抑止し、熱から電気へ、あるいは電気から熱への変換効率の低下を抑止し、長期間に亘って良好な変換性能を確保するためには、本実施例に示すように熱−電気直接変換装置を外気から遮断する気密筐体を用いることが有効である。
【００４９】
図１に示すように、本実施例に係る熱−電気直接変換装置においては、ｐ型熱-電気直接変換半導体チップ２とｎ型熱-電気直接変換半導体チップ３とから成る複数の熱−電気直接変換半導体対４の低温側端部が、低温側電極−半導体チップ接合部２３を介して低温側基板２２に接合される一方、その高温側端部が高温側電極−半導体チップ接合部１１を介して高温側基板（高温側絶縁板）７に機械的に接続されている。
【００５０】
上記熱電気直接変換装置は、廃熱が供給された側の金属蓋２０と低温側基板２２との温度差を直接電気に変換し装置外部に電力として取り出したり、または、外部から装置入力端部に電流を供給し低温側系統から高温側系統に熱の移動を生起させたりする。熱が供給された装置内部の金属蓋２０に接する部分は高温度となるために高温環境下での酸化から半導体チップ等の変換素子及び電極を保護することが必要になる。
【００５１】
そこで、本実施例では装置内部に窒素等の耐酸化ガスを充填し装置内部を封止するために、上記金属蓋２０および金属枠２１を低温側基板２２に一体に接合固定して、気密な筐体３０を形成している。この気密筐体３０の外側には、内部の封止性を維持し、外部との電気的な取り合いを行う電流取出手段１０が設けられている、電極−電流取出手段１０との取合手段９により、装置内部の電極５，６と外部とが電気的に接続されている。
【００５２】
図１において、筐体３０の外側に設けた電流取出手段１０が薄板形状の端子である場合を例示したが、端子部分を外力から保護するために、薄板以外の形状とすることも可能である。
【００５３】
本実施例に係る熱−電気直接変換装置によれば、電極６，７や半導体チップ対４などの構成部材が設置されている筐体３０内部を気密に保持し、内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に維持することが可能になる。これにより、高温環境下で運転された場合においても、熱−電気直接変換装置の筐体内部に設置された構成部材の酸化や窒化などによる劣化の進行を効果的に抑止することが可能となる。
【００５４】
（実施例２）
図３に、熱−電気直接変換装置の金属蓋２０の高温側絶縁板７と接触する部分を他の部分より高くすることにより、金属枠２１を通過する熱量を低減し、変換性能を向上させた熱−電気直接変換装置の一実施例を示す。
【００５５】
すなわち、本実施例に係る熱−電気直接変換装置は、前記実施例１の構成に加えて、さらに前記金属蓋２０は、少なくとも前記気密筐体３０に内蔵されている高温側基板７と接触する部分が周縁部分より高く入熱方向に突出するように形成されている。
【００５６】
本実施例に係る熱−電気直接変換装置によれば、金属蓋２０から金属枠２１を経由して低温側基板２２に至るまでの熱伝達経路を、金属蓋２０の高温側絶縁板７と接触する部分を他の部分の高さと同等とした場合に比較して、長くすることができると共に、装置に供給する熱を金属蓋２０の中央部で集中的に受けることができ、熱−電気直接変換半導体対４に熱を集中的に導入することが可能となり、熱電変換効率を高めることができる。特に、上記熱伝達経路を長くでき、この経路の伝熱抵抗を相対的に増加させることができる構造であるために、金属蓋２０から高温側絶縁板７と高温側電極５と熱−電気直接半導体対４と低温側電極６とを経由して低温側基板２２に至る熱の通過量を多くでき、熱−電気直接変換装置の性能を向上させることが可能となる。
【００５７】
なお、上記金属蓋２０から金属枠２１を経由して低温側基板２２に至る熱伝達経路は、図３および図６(ａ)に示すように金属蓋２０の周縁部に段差状の経路３１のみに限定されるものではない。例えば、図６（ｂ）に示すように、金属蓋２０の周縁部に円弧状の経路３２を設けた構造や、その円弧状の経路を多段に形成した構造や、図６（ｃ）に示すように、金属蓋２０の周縁部にＶ字形断面を有する曲折部３３を形成した構造や、図６（ｄ）に示すように多段に曲折部３４を形成した構造を採用することも可能である。上記段差状の経路３１、円弧状の経路３２および曲折部３３、３４は、金属蓋２０が熱膨張した場合においても、その変位を吸収して熱応力の発生を抑制する熱応力吸収機構としても働くので有用である。
【００５８】
（実施例３）
図４に、熱−電気直接変換装置の金属蓋２０の高温側絶縁板（高温側基板）７と接触していない部分に、金属蓋２０自体やそれに接続されている金属枠２１の熱膨張を吸収する手段を備えることにより、金属蓋２０および金属枠２１に発生する熱応力を緩和する機構を設けた熱−電気直接変換装置の一実施例を示す。
【００５９】
すなわち、図４に示す本実施例に係る熱−電気直接変換装置は、前記実施例１の構成に加えて、さらに前記金属蓋２０のうち、前記気密筐体３０に内蔵されている高温側基板７と接触していない部分に、金属蓋２０自体およびそれに接続されている金属枠２１の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段３５を備えて構成される。
【００６０】
本実施例に係る熱−電気直接変換装置では、金属蓋２０ならびに金属蓋２０に接続されている金属枠２１に発生する熱応力やそれらの応力によって他の部位に発生する応力を緩和するために、金属蓋２０の高温側絶縁板７と接触していない部分にＶ字形断面を有する熱膨張吸収手段３５を設けることにより、金属蓋２０ならびに金属蓋２０に接続されている金属枠２１に発生する熱膨張および熱変形の吸収が可能になる。
【００６１】
なお、上記熱膨張吸収手段３５の断面形状は、図４および図６（ｃ）に示すＶ字形断面を有するものの他に、図６（ｂ）に示すように円弧状断面を有するものやそれを多段に形成したもの、または図６（ｄ）に示すようにＶ字形断面を２段以上に多段に形成したものを採用することが可能であり、いずれも構成部材の熱膨張および熱変形を効果的に吸収できる。
【００６２】
（実施例４）
図５に、熱−電気直接変換装置の金属蓋２０から金属枠２１を経由して低温側基板２２に至る熱伝達経路を長くする手段を備えることにより金属枠２１における熱通過量を抑止し、金属枠２１を設けたことによる熱−電気直接半導体対の熱通過量の低下を抑止し、熱電変換性能を向上させた熱−電気直接変換装置の一実施例を示す。
【００６３】
すなわち、図５に示す本実施例に係る熱−電気直接変換装置は、前記実施例１の構成に加えて、さらに前記金属蓋２０から金属枠２１を経由して低温側基板に至る熱伝達経路を長くするフランジ機構３６を上記金属蓋２０および金属枠２１の少なくとも一方に配設して構成される。
【００６４】
上記図５に示す実施例に係る熱−電気直接変換装置では、熱伝達経路を長くとる手段として、金属蓋２０から金属枠２１を経由して低温側基板２２に至る熱伝達経路の途中にフランジ機構３６を設けた場合の例である。本実施例では、金属蓋２０の外周縁から外方に延出するフランジ３６ａと金属枠２１の上端から外方に延出するフランジ３６ｂとを組み合わせてフランジ機構３６としている。そして、金属枠２１に設けたフランジ３６ｂと、金属蓋２０に設けたフランジ３６ａとをシール溶接し接合部位をフランジの外周側とすることにより、金属蓋２０と金属枠２１の間の熱伝達経路長をフランジの距離（幅）に相当する分だけ増加させている。
【００６５】
この構造を用いることにより、金属蓋２０から金属枠２１を経由して低温側基板２２に至る熱伝達経路長が長くなり、伝熱抵抗が増加して熱が伝播しにくくなる一方、金属蓋２０から高温側絶縁板７と高温側電極５と熱−電気直接半導体対４と低温側電極６を経由して低温側基板２２に至る熱伝達経路の熱通過量を相対的に増加させることができ、熱−電気直接変換装置における熱電変換性能を向上させることができる。
【００６６】
なお、上記熱伝達経路を長く確保する他の手段として、金属蓋２０の周縁部の形状を図６（ｂ）に示すように円弧状にした構造、その円弧状の経路を多段にした構造、図６（ｃ）に示すようにＶ字形断面を有する経路構造、図６（ｄ）に示すようにＶ字形断面を有する経路を多段に形成した構造を採用することにより熱伝達経路を長くとることも可能である。
【００６７】
また、熱伝達経路を長く確保するその他の手段として、金属枠２１を図８（ａ）に示すように断面がＶ字状に屈折した屈曲部を形成した金属枠２１を採用しても良い。また、図８（ｂ）に示すように、断面がＶ字状に屈折した屈曲部を２段以上に多段に形成した金属枠２１を採用しても良い。さらに、図８（ｃ）に示すように、円弧状の断面を有する屈曲部を設けた金属枠２１を採用しても良い。また、図８（ｄ）に示すように、円弧状の断面を有する屈曲部を２段以上に多段に形成した金属枠２１を採用しても良い。さらに、図８（ｅ）に示すようにＳ字状の断面を有する屈曲部を設けた金属枠２１を採用しても良い。上記いずれの場合においても、熱伝達経路を長く確保することが可能である。
【００６８】
（実施例５）
図７に、金属枠２１における通過熱量を少なくするために、金属枠２１の横断面における四隅部を曲面状に形成して断面積を低減した熱−電気直接変換装置の一実施例を示す。
【００６９】
すなわち、図７に示す本実施例に係る熱−電気直接変換装置は、前記実施例１の構成に加えて、さらに前記金属枠２１の外周面の少なくとも一部が曲面状に形成されていることを特徴とする。
【００７０】
本実施例に係る熱−電気直接変換装置においては、図７（ａ）に示すように、金属蓋２０と金属枠２１と低温側基板２２とが一体的に接合されて気密筐体３０が形成されている。しかしながら、金属枠２１の断面形状については図７（ｂ）左側に示すように従来一般的な矩形断面を有する金属枠２１の状態から、同図右側に示すように４つの隅部に曲面加工（Ｒ加工）を施した金属枠２１を使用している。
【００７１】
本実施例に係る熱−電気直接変換装置によれば、曲面部がない矩形断面を有する従来の金属枠と比較して金属枠２１の断面積を小さくすることができ、金属枠２１における熱通過量を減少させることが可能となるので、金属蓋２０から高温側絶縁板７と高温側電極５と熱−電気直接半導体対４と低温側電極６とを経由して低温側基板２２に至る熱通過量を相対的に増加させることができ、熱−電気直接変換装置における熱電変換性能を向上させることができる。
【００７２】
金属枠２１の横断面の断面積を低減する他の手段として、横断面における４つの隅部に面取り加工を実施することも可能である。また、一定の曲率を有する曲面ではなく、曲率が連続的に変化する曲面を有するように加工することによって金属枠２１の断面積を低減しても良い。
【００７３】
（実施例６）
次に、熱−電気直接変換装置の金属枠２１の熱膨張を吸収する手段を備え、金属蓋２０および金属枠２１に発生する熱応力を緩和する機構を設けた熱−電気直接変換装置の一実施例を図８に示す。
【００７４】
すなわち、図８に示す本実施例に係る熱−電気直接変換装置は、前記実施例１の構成に加えて、さらに前記金属枠２１の高さ方向に金属枠２１の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段３７を備えていることを特徴とする。
【００７５】
本実施例では、金属蓋２０ならびに金属蓋２０に接続されている金属枠２１に発生する熱応力を緩和するために、図８（ａ）に示すように金属枠２１に断面がＶ字状の屈曲部を設け熱膨張吸収手段３７としている。この断面がＶ字状の屈曲部を有する熱膨張吸収手段３７により、金属蓋２０ならびに金属蓋２０に接続されている金属枠２１に発生する熱膨張および熱変形が容易に吸収される。上記熱膨張吸収手段３７の断面形状は、図８（ｂ）に示すようにＶ字状の屈曲部を二段以上に多段に設けた構造としてもよい。また、図８（ｃ）に示すように円弧状の屈曲部を設けた構造とすることもできる。さらに、図８（ｄ）および図８（ｅ）に示すように円弧状の屈曲部を多段に設けた構造としても良い。
【００７６】
さらに、実施例２に示す通過熱量低減機構、実施例３に示す応力緩和機構、実施例４に示すフランジ機構、さらには実施例５に示す金属枠形状と適宜組み合わせて熱膨張吸収手段を構成することも可能である。
【００７７】
（実施例７）
金属蓋２０と金属枠２１との接合構造例および金属枠２１と低温側基板２２との接合構造例を図９に示す。図９（ａ）は、金属蓋２０と金属枠２１とを溶接により接合した状態を示す一方、図９（ｂ）は金属蓋２０と金属枠２１とを一体成形した実施例を示している。一方、金属枠２１と低温側基板２２とは、低温基板−金属枠接合部２５を介して接合される。接合操作は、溶接、ハンダ付け、もしくはロウ付け、拡散接合、あるいは接着剤による接合方法で実施される。
【００７８】
上記接合方法によれば、接合操作が簡略な上に十分な接合強度が得られる。特に、金属蓋と金属枠とを一体に成形することにより、装置部品点数が減少し装置の組立てが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施例１に係る熱−電気直接変換装置の構成を示し、（ａ）は装置の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図。
【図２】従来の熱−電気直接変換装置の構成例を示す斜視図および要部を拡大して示す模式図。
【図３】実施例２に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図。
【図４】実施例３に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図。
【図５】実施例４に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図。
【図６】実施例５に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図であり、（ａ）は段差状の経路を設けた構成例を示し、（ｂ）は円弧状の経路を設けた構成例を示し、（ｃ）は曲折部を設けた構成例を示し、（ｄ）は曲折部を多段に設けた構成例を示す断面図。
【図７】実施例６に係る熱−電気直接変換装置を示し、（ａ）は装置の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は金属枠の断面形状を示す平断面図。
【図８】実施例７に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図であり、（ａ）はＶ字状断面を有する曲折部を熱膨張吸収手段として金属枠に形成した構成例を示し、（ｂ）は曲折部を多段に形成した熱膨張吸収手段を金属枠に形成した構成例を示し、（ｃ）は円弧状の断面を有する曲折部を熱膨張吸収手段として金属枠に形成した構成例を示し、（ｄ）は円弧状の断面を有する曲折部を２段に形成して熱膨張吸収手段とした構成例を示し、（ｅ）は円弧状の断面を有する曲折部をＳ字状に結合して熱膨張吸収手段とした構成例を示断面図。
【図９】実施例８に係る熱−電気直接変換装置の要部を示す断面図であり、（ａ）は、金属蓋２０と金属枠２１とを溶接により接合した状態を示す断面図であり、（ｂ）は金属蓋２０と金属枠２１とを一体成形した実施例を示す断面図。
【符号の説明】
【００８０】
１、１ａ  熱−電気直接変換装置
２  ｐ型熱−電気直接変換半導体チップ
３  ｎ型熱−電気直接変換半導体チップ
４  熱−電気直接変換半導体対
５  高温側電極
６  低温側電極
７  高温側絶縁板（高温側基板）
８  低温側絶縁板（低温側基板）
９  電極−電流取出手段との取合手段
１０  電流取出手段
１１  高温側電極−半導体チップ接合部
１２  低温側電極−半導体チップ接合部
１３  高温側電極に供給される熱流
１４  半導体チップを通過する熱流
１５  低温側電極から放出される熱流
１６  正孔
１７  電子
１８  電流の流れ
１９  電気的負荷
２０  金属蓋
２１  金属枠
２２  低温側基板
２３  低温側電極−低温側絶縁板接合部
２４  低温側系統への熱放出部
２５  低温基板−金属枠接合部
２６  電流取出部絶縁手段
３０  気密筐体
３１  段差状経路
３２  円弧状経路
３３  曲折部
３４  多段曲折部
３５  熱膨張吸収手段
３６  フランジ機構
３６ａ、３６ｂ  フランジ
３７  熱膨張吸収手段
【図１】
2006032723.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006032723.tif 000008
【図７】
2006032723.tif 000009
【図８】
2006032723.tif 000010
【図９】
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