(57)【要約】【課題】熱電変換効率の改善は熱電変換材により決まる上限があるという問題を解決し、多数連結熱電変換集合ユニット内の一部の素子が切断した場合に多数連結電変換集合ユニット全体の機能が停止するのを防止するとともに、より簡易に多数連結熱電変換集合ユニットを製造する方法を提供する。【解決手段】正または負のゼーベック係数を有する３個以上の導電部材と、同じ符号のゼーベック係数を有する導電部材同士を導電性連結部材により、電気的に直列接続する。そして両端が前記導電部材となる接続形態を有し、この接続形態により導電部材単体のゼーベック係数の値を増幅すること実現する。更に、正のゼーベック係数を有する多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子と負のゼーベック係数を有する多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子との対を接合導電部材により接合し、接続導電部材の対向部に接合導電部材により１対の出力端を接続した多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットを構成する。【選択図】図１
2011222654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正または負のゼーベック係数を有する３個以上の導電部材と、同じ符号のゼーベック係数を有する前記導電部材同士を導電性連結部材で電気的に直列接続して両端が前記導電部材となる接続形態を有し、
前記の接続形態により前記導電部材単体のゼーベック係数の値を増幅することを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子の構造。
【請求項２】
請求項１に記載の正のゼーベック係数を有する多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子と負のゼーベック係数を有する多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子との対を接合導電部材により接合し、前記接続導電部材の対向部に接合導電部材により１対の出力端を接続して成ることを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの構造。
【請求項３】
請求項２に記載の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットが、複数個の熱伝導性に優れた電気的絶縁材上に接合され、
複数個の前記多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの出力端同士が、接合導電部材により直列接続、または並列接続、または直列接続及び並列接続を混成して接続され、
前記多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの複数個が互いに電気的に絶縁された状態で接合されることにより、前記接合導電部材により１対以上の出力端が形成される、
ことを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの構造。
【請求項４】
請求項３に記載の複数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの出力端同士を、接続導電部材により直列接続、または並列接続、または直列接続及び並列接続を混成して接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットが互いに電気的に絶縁された状態で接合することにより、前記接続導電部材により１対以上の出力端を接続して成ることを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの構造。
【請求項５】
請求項４に記載の複数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの出力端同士を、接続導電部材により直列接続、または並列接続、または直列接続及び並列接続を混成して接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールが互いに電気的に絶縁された状態で接合することにより、前記接続導電部材により１対以上の出力端を接続して成ることを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの構造。
【請求項６】
請求項５に記載の複数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの出力端同士を、接続導電部材により直列接続、または並列接続、または直列接続及び並列接続を混成して接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルが互いに電気的に絶縁された状態で接合することにより、前記接続導電部材により１対以上の出力端を接続して成ることを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの構造。
【請求項７】
請求項３に記載の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの構造を形成する各工程を複数回繰り返して順次実施するステップと、
を含み、多数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットを同時に作成することを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの製造方法。
【請求項８】
請求項４に記載の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの構造を形成する各工程を複数回繰り返して順次実施するステップと、
を含み、多数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールを同時に作成することを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項９】
請求項５に記載の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの構造を形成する各工程を複数回繰り返して順次実施するステップと
を含み、多数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネを同時に作成することを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの製造方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの構造を形成する各工程を複数回繰り返して順次実施するステップと
を含み、多数枚の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートを同時に作成することを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの製造方法。
【請求項１１】
請求項６に記載の複数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの出力端同士を、接続導電部材により直列接続、または並列接続、または直列接続及び並列接続を混成して接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートが互いに電気的に絶縁された状態で接合することにより、前記接続導電部材により１対以上の出力端を接続して成ることを特徴とする多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換システムの構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱流パワーと電力の相互変換を高効率化するゼーベック係数増幅効果を利用して高機能化した多数連結ゼーベック係数増幅効果熱電変換ユニットの構造及びその製造方法、多数連結ゼーベック係数増幅効果熱電変換集合ユニット及びその製造方法、多数連結ゼーベック係数増幅効果熱電変換モジュール及びその製造方法、多数連結ゼーベック係数増幅効果熱電変換パネル及びその製造方法、多数連結ゼーベック係数増幅効果熱電変換シートの構造及びその製造方法、並びに多数連結ゼーベック係数増幅効果熱電変換システムの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、世界における総エネルギー消費の２／３は廃熱等で有効に利用されず、地球の温暖化や環境破壊を増大させる要因となっている。太陽電池、風力発電、波力発電等は太陽エネルギーを起源とする持続可能電力システムであるが、環境内で最も豊富な太陽及び地球由来の太陽光黒体吸収熱・太陽電池透過光黒体吸収熱・温泉熱・地熱等と河川水や気化熱利用による冷水等との持続可能な温度差未利用エネルギー資源を有効利用して、熱電変換効果を利用する再生可能熱電変換システムはまだ実用化と普及に至っていない。
【０００３】
再生可能熱電変換システムが実用化と普及に至らない原因は、熱パワーと電力の相互の熱電変換効率が低いことによる。この低熱電変換効率を飛躍的に高める物理的ゼーベック係数増幅効果が理論と実証実験により明らかになったことから、太陽電池に匹敵する再生可能熱電変換システムの実用化と普及が可能な段階にきている。
【０００４】
一般に、数ミリの厚さの半導体（熱電変換材）を使う半導体型熱電モジュールの製造プロセスまたは半導体型の熱電変換材の数十から数百分の一程度の厚さの熱電変換材を使う集積回路の製造プロセスまたは集積回路型の熱電変換材の数十から数百分の一程度の厚さの熱電変換材を使う薄膜の製造プロセスの３種類の製造プロセスで組込まれる熱電変換部のユニットは、全て同じ接続形態となっている。この共通した特徴により、以下では、この３種類の製造プロセスによる共通の接続形態を持つ熱電変換部のユニットを総称して熱電変換ユニットと記し、また、３種類の製造プロセスによる熱電変換ユニットを互いに区別する場合は、半導体型または集積回路型または薄膜型の熱電変換ユニットと記す。更に、前記の３種類の製造プロセスにより製造される熱電変換ユニットの集合ユニットである半導体型熱電変換モジュールまたは集積回路型熱電変換チップまたは熱電変換薄膜は、全て同じ接続形態となっている。
【０００５】
この３種類の製造プロセスに共通した特徴の集合接続形態を有する熱電変換用の集合ユニットを総称して熱電変換集合ユニットと記し、また、３種類の製造プロセスによる熱電変換集合ユニットを互いに区別する場合は、半導体型または集積回路型または薄膜型の熱電変換集合ユニットと記す。更に、前記の３種類の製造プロセスにより複数の熱電変換集合ユニットを接続して製造されるモジュールを熱電変換モジュールと記し、また、３種類の製造プロセスによる熱電変換モジュールを互いに区別する場合は、半導体型または集積回路型または薄膜型の熱電変換モジュールと記す。更に、前記の３種類の製造プロセスにより複数の熱電変換集合モジュールを接続して製造されるパネルを熱電変換パネルと記し、また、３種類の製造プロセスによる熱電変換パネルを互いに区別する場合は、半導体型または集積回路型または薄膜型の熱電変換パネルと記す。
【０００６】
更に、前記の３種類の製造プロセスにより複数の熱電変換集合パネルを接続して製造されるシートを熱電変換シートと記し、また、３種類の製造プロセスによる熱電変換シートを互いに区別する場合は、半導体型または集積回路型または薄膜型の熱電変換シートと記す。
集積回路プロセスは、例えばイオン注入法やフォトリソグラフィ、スパッタ、蒸着等を用いるプロセスであり、薄膜プロセスでは、ＰＶＤやＶＣＤ、真空蒸着、プラズマエッチング、スパッタ等を用いることでより厚さを薄く形成することができる。
【０００７】
本発明者（出願人）は、上記のゼーベック効果を利用した熱電変換装置及びそれを利用したエネルギー変換システムと集積並列ペルチェ・ゼーベック素子チップの製造方法を発明し、既に特許認可されている（特許文献１，２，３，４を参照。）
【０００８】
一般に熱電変換効果機器内で使われている熱電変換素子は、高温側と低温側の距離が５ｍｍ前後の狭さの従来型熱電変換素子である為に熱電変換効果に寄与しない高温側から低温側への熱流損失が大きく、機器全体の熱電変換効率が低く抑えられるという欠点がある。この従来型の欠点を低減するために、特許文献１、２、３、及び４に記載された発明においては、熱電変換素子の高温側と低温側の距離を必要に応じた長さに設定する構造にする事により、高温側から低温側への熱流損失を低減して熱電変換効率を従来型熱電変換素子より大きくする技術を提供するものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４２５３４７１号明細書
【特許文献２】特許第４２６１８９０号明細書
【特許文献３】中国特許No.ZL200380105263.9
【特許文献４】特許第４１４１４１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、２つの熱電変換材の間を導電性の優れた金属等の導電材で連結することによって、熱電変換材単体のゼーベック係数の値を増幅するゼーベック係数増幅効果の理論と理論を実証する実験結果が存在しなかった為に、特許文献１、２、３、及び４に記載された発明においては、熱電変換効率の改善は熱電変換材により決まる上限があるという問題があった。
【００１１】
上述の特許文献１、２、３、及び４における熱電変換システムでは、ゼーベック係数の２乗に比例する熱電変換における出力は依然として小さく、改善の程度は限定されたものであった。このため、熱電変換によるエネルギー利用の実用化と普及を促進するには、ゼーベック係数を大きくして劇的に出力を増大させるような、新たな構成を開発することが求められている。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明者（出願人）は、上述の特許文献２を利用した実験結果を理論分析してゼーベック係数を増幅させる効果を見出し、ゼーベック係数増幅効果の理論を構築して、証明する為の実証実験により理論が正しい事を確認した。本発明の目的は、理論と実証実験結果に基づき、ゼーベック係数増幅効果により熱流パワーと電力の相互変換の効率を増大して熱電変換システムの機能を向上させるとともに、容易に製造可能な新たな構造の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニット、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニット、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュール、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネル、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シート、並びに多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換システムを提供することを目的とする。
また更に、この多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニット、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュール、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネル、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの製造方法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】
【００１３】
上記課題を解決するため、第１の発明による多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子の構造は、正または負のゼーベック係数を有する３個以上の導電部材と、同じ符号のゼーベック係数を有する前記導電部材同士を導電性連結部材で電気的に直列接続して両端が前記導電部材となる接続形態を有し、前記の接続形態により前記導電部材単体のゼーベック係数の値を増幅することを特徴とする。一般に、正のゼーベック係数を有する導電部材をp型導電部材と呼び、負のゼーベック係数を有する導電部材をｎ型導電部材と呼ぶことから、以下では、p型導電部材は正ゼーベック係数を有する導電部材であり、ｎ型導電部材は負ゼーベック係数を有する導電部材である。
【００１４】
すなわち、本発明においては、３個以上の同じp型またはｎ型導電部材同士を、導電性連結部材によって連続して直列接続するものである。
これにより、導電性連結部材を介して隣の導電部材へ電子が移動でき、各々の導電部材内の熱拡散と濃度拡散によって移動する電子の数が導電部材単体の場合よりも多く移動することが可能になる。このため、低温側と高温側とで生じる電荷の偏りを従来よりも増大させてゼーベック係数の値を増幅することができる。
【００１５】
また、第２の発明によるゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの構造は、上述のp型多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子と負のゼーベック係数を有する多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子との対を接合導電部材により接合し、前記接続導電部材の対向部に接合導電部材により１対の出力端を接続して成ることを特徴とする。
これにより、熱流パワーと電力の相互変換に関して、より大きい変換効率を得ることができる。
【００１６】
また、第３の発明による多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの構造は、上述の複数個のゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの出力端同士を、接続導電部材により直列接続、または並列接続、または直列接続及び並列接続を混成して接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットが互いに電気的に絶縁された状態で接合して、前記接続導電部材により１対以上の出力端を接続する。
これにより、より大きい熱流パワーの転送量と熱電変換による電力出力を得ることができる。
【００１７】
また、第４の発明による多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの構造は、上述の複数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの出力端同士を電気的に直列または並列、または直列と並列を混成して接続することにより構成される。
また同様に、第５の発明による多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの構造は、この多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュール同士を電気的に直列または並列、または直列と並列を混成して接続することにより構成することができ、第６の発明による多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの構造は、この複数個の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネル同士を電気的に直列または並列、または直列と並列を混成して更に接続することにより構成される。
このように、次々と多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニット、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニット、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュール、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネル、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートを接続して大規模化すればするほど、より大きく熱流パワーの転送量と熱電変換による電力出力を増大させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高温側と低温側に加えた温度差による導電部材内の温度勾配に伴う電子の熱拡散と濃度拡散で生じる電荷の偏りを従来の導電部材単体で使う場合よりも大きくすることができる。このため、ゼーベック係数を増幅させる効果が起こり、同じ温度差に対して高温側と低温側の電位差が従来よりも大きくなるので、熱流パワーの転送量と熱電変換による電力出力を増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニット及び従来の熱電変換ユニットの構成を示す概略構成図である。Ａは本発明の第１の実施の形態に係る３連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットであり、Ｂは従来の熱電変換ユニットである。
【図２】従来の熱電変換素子のエネルギーバンド図である。Ａは、ｐ型半導体を用いた場合であり、Ｂはｎ型半導体の場合である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るｐ型３連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子のエネルギーバンド図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るｎ型３連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子のエネルギーバンド図である。
【図５】実験に用いた熱電変換ユニットの構造を示す概略構成図である。Ａは従来の熱電変換ユニット、Ｂは２連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットである。
【図６】従来の熱電変換ユニットのゼーベック係数、及び２連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの導電性連結部材の長さとゼーベック係数の関係を示す説明図である。
【図７】Ａは４個のｐ型導電部材を直列接続した４連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子が生じる電流を示す説明図である。Ｂは４個のｎ型導電部材を直列接続した４連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子が生じる電流を示す説明図である。
【図８】導電部材を４個ずつ直列接続した４連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの生じる電圧、電流を示す説明図である
【図９】本発明の第１の実施形態例に係る３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの概略構成図である。Ａは上面図、ＢはＸ１−Ｘ’１断面図、ＣはＹ−Ｙ’断面図、ＤはＸ２−Ｘ’２断面図である。Ａ’は第１の実施形態の変形例に係る３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの上面図の出力端子部分の概略構成図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの製造方法を示す説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る３連結ゼーベック係数増幅電変換集合ユニットの概略構成図である。Ａは上面図、ＢはＸ−Ｘ’断面図、ＣはＹ−Ｙ’断面図である。Ａ’は第２の実施形態の変形例に係る３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの上面図の出力端子部分の概略構成図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの概略構成図である。Ａは上面図、ＢはＸ−Ｘ’断面図、ＣはＹ−Ｙ’断面図である。Ａ’は第３の実施形態の変形例に係る３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの上面図の出力端子部分の概略構成図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態例に係る多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの構成を表す上面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態例に係る多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの構成を表す上面図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態例に係る多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの構成を表す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の基礎となるゼーベック係数増幅効果の理論と理論を実証する為の実証実験結果と、本発明の実施の形態に係る多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニット及びその製造方法について説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。なお、以下の第１〜第３の実施例とその変形例及び第４〜第６の実施例は本発明による高効率な熱電変換を使う電力供給に関する実施例であり、第７の実施の形態例は本発明による高効率熱電変換を使う高効率な熱エネルギー転送に関する実施例である。説明は以下の順序で行う。
１．ゼーベック係数増幅効果の理論と理論を実証する為の実証実験結果
２．第１の実施の形態例（３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの直列接続により構成する例）と第１の変形例（出力端の対を複数形成する例）
３．第１の実施形態例における３連結熱電変換集合ユニット１００の製造方法
４．第２の実施の形態例（３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの並列接続により構成する例）と第２の変形例（出力端の対を複数形成する例）
５．第３の実施の形態例（３連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの直列接続及び並列接続を混成させる例）と第３の変形例（出力端の対を複数形成する例）
６．第４の実施の形態例（多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールを構成する例）
７．第５の実施の形態例（多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルを構成する例）
８．第６の実施の形態例（多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートを構成する例）
９．第７の実施の形態例（熱エネルギー転送システムとしての利用例）
【００２１】
１．ゼーベック係数増幅効果の理論と理論を実証する為の実証実験結果
物理的ゼーベック係数増幅効果の理論について説明する。半導体内では、熱励起により価電子帯の電子はアクセプター準位に励起されて価電子帯に正の電荷の正孔ができる。ドナー準位の電子は伝導帯準位に励起されて自由電子となる。温度勾配の無い場合には、正孔及び自由電子は一様な密度分布となり、電気的に中性状態である。一般に、金属などを使う接合導電部材の熱伝導率は半導体よりも小さいために、温度差に伴う温度勾配は主に半導体内に生じ、温度勾配に伴う熱拡散と濃度拡散により金属や半導体内で移動する粒子は電子である。
【００２２】
図１Ｂに示した導電部材を単体で使う従来型の熱電変換ユニット７０ｂの左側のｐ型熱電変換素子及び右側のｎ型熱電変換素子のエネルギーバンドの模式図を図２Ａ及び図２Ｂに示す。図中領域Ａ２及びＡ５は導電部材であり、Ａ１，Ａ３，Ａ４，Ａ６に示す領域は接合導電部材を表す。また、図中右側が高温、左側が低温の場合である。ｐ型熱電変換素子の低温側の温度をＴＰＬで、高温側の温度をＴＰＨで示すと、その温度差ΔＴＰC は、ΔＴＰC＝ＴＰＨ−ＴＰＬとして表される。ｎ型熱電変換素子の低温側の温度をＴｎＬ、高温側の温度をＴｎＨで示すと、その温度差ΔＴｎC は、ΔＴｎC＝ＴｎＨ−ＴｎＬとして表される。
また、図２Ａと図２Ｂにおいて、線ＥFはフェルミ準位、線Ｅｃは伝導帯準位、線Ｅｖは価電子帯準位、線ＥＡはアクセプター準位、線ＥＤはドナー準位を示しており、以降の図においても同様とする。
【００２３】
導電部材内に温度勾配のある図２Ａと図２Ｂにおいて、熱拡散と濃度拡散によりｐ型導電部材のＡ３，Ａ２及びＡ１領域では各々矢印ｅ１，ｅ２及びｅ３に示す方向へ電子は移動し、ｎ型導電部材のＡ６，Ａ５及びＡ４領域では各々矢印ｅ４，ｅ５及びｅ６に示す方向へ電子は移動する。この電子の移動に伴い、ｐ型導電部材のＡ２領域では正孔が左側へ移動して正電荷が増大し、ｎ型導電部材のＡ５領域では自由電子が左側へ移動して負電荷が増大する。この様に温度勾配の無い場合に電気的に中性状態である導電部材内で電荷の偏りが起こる結果として、ｐ型導電部材では低温側がプラスで高温側がマイナスとなる電位勾配が生じ、その電位勾配による電界Ｅ１により正孔に右方向へ加わる引き戻し力と熱拡散に伴う正孔の左側への駆動力が互いに釣り合うように正孔の偏り分布が決まる。同様に、ｎ型導電部材では低温側がマイナスで高温側がプラスとなる電位勾配が生じ、その電位勾配による電界Ｅ２により自由電子に右方向へ加わる引き戻し力と熱拡散に伴う自由電子の左側への駆動力が互いに釣り合うように自由電子の偏り分布が決まる。薄い厚く電気抵抗の小さい金属が用いられる接合導電部材のＡ１，Ａ３，Ａ４，Ａ６領域の電界は、導電部材のＡ２及びＡ５領域の電界に比べて無視できる程度に小さいために、接合導電部材内の自由電子が移動し、ガウスの法則により定常状態では、図２Ａに示すようにｐ型導電部材で高温側がマイナス、低温側がプラスの電位となり、図２Ｂに示すようにｎ型導電部材で高温側がプラス、低温側がマイナスの電位となる。
【００２４】
この様な正孔の電荷の偏り分布で生じる電位勾配が起こる結果として、ｐ型導電部材では高温側の領域Ａ３におけるフェルミ準位から低温側の領域Ａ１のフェルミ準位に向かって領域Ａ２におけるフェルミ準位の勾配が生じる。同様にして、ｎ型導電部材では高温側の領域Ａ６におけるフェルミ準位から低温側の領域Ａ４のフェルミ準位に向かって領域Ａ５におけるフェルミ準位の勾配が生じる。この電位勾配の長さ方向への積分量が、熱電変換効果に基づく温度差とゼーベック係数の積で定義された電圧出力の大きさとなる。ゼーベック係数の値は電圧出力を温度差で割った値となる。熱電変換材を単体で使う従来型の熱電変換素子では、熱拡散と濃度拡散による起こる電子の移動は主にＡ２及びＡ５領域内のみで起こり、接合導電部材Ａ１及びＡ４領域では行き止まりとなる。
【００２５】
これに対して、図１Ａに示した本実施の形態例による３連結熱電変換ユニット７０ａの左側のｐ型３連結熱電変換素子及び右側のｎ型３連結熱電変換素子の場合のエネルギーバンドの模式図は、図３及び図４に示すようになる。図３のＡ７，Ａ１３に示す領域は接合導電部材であり、Ａ８，Ａ１０，Ａ１２に示す領域はｐ型導電部材、Ａ９，Ａ１１に示す領域は、導電性連結部材である。また、Ａ７領域が温度ＴＰＬの低温側で、Ａ１３領域が温度ＴＰＨの高温側の場合である。高温側と低温側の温度差ΔＴＰLnは、ΔＴＰLn＝ＴＰＨ−ＴＰＬで表される。
【００２６】
ｐ型導電部材内に温度勾配のある図３において、Ａ１３，Ａ１２及びＡ１１領域の各々の矢印ｅ７、ｅ８及びｅ９に示す方向への熱拡散と濃度拡散による電子の移動は、前記の導電部材を単体で使う従来型の図２Ａで示した場合と同じである。しかし、導電性連結部材Ａ１１領域にはｐ型導電部材Ａ１０領域が接続されている為に、熱拡散と濃度拡散によりＡ１１領域に流入した電子が、Ａ１１領域の自由電子を玉突き式に次々に移動させてｅ１０に示す方向へ押し出してＡ１０領域へ電子を流入させることにより、熱拡散と濃度拡散による電子の移動はＡ１０領域、更に導電性連結部材Ａ９領域を経てＡ８領域へ続くことになる。即ち、従来型の熱電変換素子では図３のＡ１２領域に対応する図２Ａの単一の導電部材Ａ２領域のみで熱拡散と濃度拡散による電子の移動数と移動距離が限定されるのに対して、ｐ型３連結熱電変換素子では図３の２つの導電性連結部材Ａ１１領域とＡ９領域を介してＡ１２，Ａ１０，Ａ８領域へ連続して熱拡散と濃度拡散による電子の移動数と移動距離が増加する。この電子の移動数と移動距離は、導電性連結部材で連結する導電部材の数を多くすれば更に大きくなる。
【００２７】
このように、図３のｐ型３連結熱電変換素子では電子の移動数と移動距離が増加する結果、電子の移動に伴う正孔の拡散も増加して電荷の偏りが増大し、導電部材Ａ１２，Ａ１０，Ａ８領域の各々の電位勾配の長さ方向への積分量も増大して電圧出力の大きさも増大する。電圧出力を温度差で割ったゼーベック係数の値も増加する結果として、ゼーベック係数が増幅される。このゼーベック係数の増幅量は、導電性連結部材で連結する導電部材の数を多くすれば更に大きくなる。
【００２８】
同様にして、図４のｎ型３連結熱電変換素子においても、Ａ１９，Ａ１７及びＡ１５領域の各々の矢印ｅ１６、ｅ１７及びｅ１８に示す方向への熱拡散と濃度拡散による電子の移動は、前記の導電部材を単体で使う従来型の図２Ｂで示した場合と同じである。しかし、導電性連結部材Ａ１８領域にはｎ型導電部材Ａ１７領域が接続されている為に、熱拡散と濃度拡散によりＡ１８領域に流入した電子が、Ａ１８領域の自由電子を玉突き式に次々に移動させて矢印ｅ２０に示す方向へ押し出してＡ１７領域へ電子を流入させることにより、熱拡散と濃度拡散による電子の移動はＡ１７領域、更に導電性連結部材Ａ１６領域を経てＡ１５領域へ続くことになる。即ち、従来型の熱電変換素子では図４のＡ１９領域に対応する図２Ｂの単一の導電部材Ａ５領域のみで熱拡散と濃度拡散による電子の移動数と移動距離が限定されるのに対して、ｎ型３連結熱電変換素子では図４の２つの導電性連結部材Ａ１８領域とＡ１６領域を介してＡ１９，Ａ１７，Ａ１５領域へ連続して熱拡散と濃度拡散による電子の移動数と移動距離が増加する。
【００２９】
このように、ｎ型３連結熱電変換素子においても電子の移動数と移動距離が増加する結果、自由電子の拡散も増加して電荷の偏りが増大し、導電部材Ａ１９，Ａ１７，Ａ１５領域の各々の電位勾配の長さ方向への積分量も増大して電圧出力の大きさも増大する。電圧出力を温度差で割ったゼーベック係数の値も増加する結果として、ゼーベック係数が増幅される。このゼーベック係数の増幅量は、導電性連結部材で連結する導電部材の数を多くすれば更に大きくなる。以上が、新しい物理的ゼーベック係数増幅効果の理論の説明である。
【００３０】
次に、前記の物理的ゼーベック係数増幅効果の理論を実証する為の実証実験の結果について、図５と図６を元に説明する。
図５に、実験に用いた熱電変換素子の構成を示す。図５Ａ及び図５Ｂは各々同じロッドから切り出した導電部材を単体で使う従来型の熱電変換ユニット及び本発明に関わる２連結熱電変換ユニットである。この図５Ａ及び図５Ｂに示す従来型の熱電変換ユニット及び本発明に関わる２連結熱電変換ユニットの両方を各々１２７個直列接続して熱電変換集合ユニットを作成した。
図５Ａの７０ｄでは、直径１．８ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのｐ型及びｎ型のＢｉＴｅ導電部材１ｄ及び導電部材２ｄが銅の接合導電部材４によって接合され、接合導電部材４は、絶縁膜７を介してＡｌ基板６に固定されている。図５Ｂの７０ｅでは、図５Ａの導電部材１ｄと１ｅ及び２ｄと２ｅとが各々直径１．５ｍｍの銅の導電性連結部材４ｅ及び３ｅによって連結接続されており、その他の構成は図５Ａと同じである。図５Ｂの７０ｅでは、導電性連結部材４ｅ及び３ｅの長さLが０．２ｃｍ，２．０ｃｍ，４．０ｃｍ，１０ｃｍの２連結熱電変換ユニットを実証実験で用いた。図５Ａ及び図５Ｂの熱電変換集合ユニットの内部抵抗は、各々３．０Ω及び６．０Ωである。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂの実験では、共に自動温度調節器を用いて高温側を９０度、低温側を３０度に固定して、室温１７度の環境下で図５Ａ及び図５Ｂの各部位の温度及び、開放電圧Ｖを測定した。各部位の温度及び、開放電圧Ｖを正確に測定することより、より正確にゼーベック係数を算出することができる。
熱電変換ユニットを構成するｐ型及びｎ型の導電部材のゼーベック係数を平均した導電部材単体のゼーベック係数αの値は、開放電圧Ｖと導電部材の部分だけに加わる温度差ΔＴ及び熱電変換ユニット数ｍ＝１２７を使って、下記式１の定義式で算出することができる。
α＝Ｖ／２ｍΔＴ      ・・・（１）
なお、測定データと算出データは、桁数を３桁までの精度で求めている。ｐ型及びｎ型導電部材同士を接続する銅の導電性連結部材が生じるゼーベック電圧が電流路内において互いに逆向きに発生して打消し合うことと、ｐ型及びｎ型導電部材の熱伝導率がほぼ等しいことは一般に知られている。
【００３２】
図６に、各測定値と式１を用いて得られた実証実験結果を示す。図の縦軸はゼーベック係数値で横軸は導電性連結部材４ｅ及び３ｅの長さLである。図５Ａの従来型熱電変換集合ユニット及び図５Ｂの２連結熱電変換集合ユニットによる実験データを、各々図中の実験誤差範囲（エラーバー）を付けたシンボルｆの白四角及びシンボルｅの白丸で区別して示してある。なお、図５Ａの従来型熱電変換集合ユニットはL＝０cmの場合に相当し、この従来型熱電変換集合ユニットによる実験データは図中のL＝０cmの位置のデータである。
【００３３】
図６の実験データから以下の２つの事実が分かる。１）図５Ｂの２連結熱電変換集合ユニットの導電部材のゼーベック係数の値は、実験誤差範囲内で導電性連結部材４ｅ及び３ｅの長さLに依存しない。２)図５Ｂの２連結熱電変換集合ユニットの導電部材のゼーベック係数の値は、図５Ａの従来型熱電変換集合ユニットの導電部材のゼーベック係数の値より約１．２倍大きく増幅されている。
実験事実の１）は、前記の物理的ゼーベック係数増幅効果の理論が導電性連結部材の長さLに依存しない理論であることと一致する。実験事実の２)は、前記の理論が導電性連結部材の導入により導電部材のゼーベック係数が増幅される効果を導く理論であることと一致する。
このように、実証実験による実験結果により、前記の物理的ゼーベック係数増幅効果の理論は正しいことが実証されていると言える。
【００３４】
現在に至るまで、２つの導電部材の間を導電性の優れた金属等の導電材で連結することによって、ゼーベック係数増幅効果が得られるという具体的な理論も存在しない為に、上述の特許文献１、２、３、及び４における熱電変換システムによる出力電圧及び電力の改善の程度は小さく限定されていた。
しかし、本発明者は、上述の特許文献２を利用した実験結果を理論分析してゼーベック係数を増幅させる効果を見出し、ゼーベック係数増幅効果の理論を構築して、証明する為の実証実験により理論が正しい事を確認したものである。また、前記の物理的ゼーベック係数増幅効果の理論で言及したように、導電性連結部材で連結する導電部材の数を多くすれば、ゼーベック係数の増幅量を更に大きくすることができる。
【００３５】
以下、本発明の第１の実施形態における３連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニットの構成について説明する。以下では、熱電変換する最小要素を熱電変換素子、同符号のゼーベック係数の導電部材を導電性連結部材で連結した要素を連結熱電変換素子、正と負のゼーベック係数の熱電変換素子の対を接合導電部材で接合した要素を熱電変換ユニット、導電性連結部材で連結したユニットを連結熱電変換ユニットと略記する。
図１Ａと図１Ｂは、本発明の第１の実施形態例における３連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニット７０ａと、従来の熱電変換ユニット７０ｂを示す概略構成図である。
【００３６】
本実施の形態における連結熱電変換ユニット７０ａは、左側の３つの正のゼーベック係数を持つｐ型導電部材１ａと１ｃ同士及び１ｃと１ｂ同士の各々を導電性連結部材３ａと３ｃとで電気的に直列接続した３連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子と、右側の３つの負のゼーベック係数を持つｎ型導電部材２ａと２ｃ同士及び２ｃと２ｂ同士の各々を導電性連結部材３ｂと３ｄとで電気的に直列接続した３連結熱電変換素子との対を上側の接合導電部材４によって接合し、対向部下側の接合導電部材４により１対の出力端を接続して構成される。
【００３７】
一方、熱電変換材を単体で使う図１Ｂの従来型の熱電変換ユニット７０ｂでは、ｐ型導電部材１ａとｎ型導電部材２ａとの対を上側の接合導電部材４によって接合し、対向部下側の接合導電部材４により１対の出力端を接続して構成される。
本実施の形態においては、３つの同じ符号のゼーベック係数を持つ導電部材を導電性連結部材で接続して生じるゼーベック係数増幅効果を利用してゼーベック係数を増大させることができ、上下間の温度差とゼーベック係数に比例する出力電圧を、図１Ｂの従来の熱電変換ユニットより高くすることが可能である。
また、同じ符号のゼーベック係数を有する導電部材を連結接続する数を増やせば増やすほど、出力を大きくすることが可能である。
【００３８】
図７Ａに、４つのｐ型導電部材１ａ，１ｃ，１ｅ，１ｂを各々３つの導電性連結部材３ａ，３ｃ，３ｅによって連結したｐ型４連結熱電変換素子を形成し、高温側と低温側に電極として設置した銅などの接合導電部材４を介して負荷回路に接続した例を示す。前記の図３で説明したように、ｐ型導電部材の場合、低温側に正の電荷が偏るので高温側から低温側へゼーベック起電圧Ｖｓが生じ、負荷回路１８ａを通って低温側から高温側へと電流が流れる。この電流により、高温側では接合導電部材とｐ型導電部材の境界面で吸熱のペルチエ効果により熱パワーが流入し、低温側では境界面での電流の方向が逆による発熱のペルチエ効果により熱パワーが流出する。この熱パワーの流入と流出の差は回路内で消費される電力に等しく、エネルギー保存則が成立する。
同様にして、４つのｎ型導電部材を各々３つの導電性連結部材で連結したｎ型４連結熱電変換素子を接合導電部材４を介して負荷回路に接続した図７Ｂでも、ｐ型４連結熱電変換素子の場合と逆方向のゼーベック起電圧Ｖｓにより回路電流が流れて、熱パワーの流入と流出の差と消費される電力に等しなりエネルギー保存則が成立する。
【００３９】
図８に、図７Ａと図７Ｂの高温側を接合導電部材４で接続した４連結熱電変換ユニットに負荷回路に接続した例を示す。図８では図７Ａと図７Ｂで生じるゼーベック起電圧が加算される接続になることにより、図８のゼーベック起電圧は２Ｖｓとなって回路電流が流れる。熱パワーの流入と流出の差は２倍となり、回路内で消費できる電力も２倍となってエネルギー保存則が成立する。
また、５個以上の導電部材を導電性連結部材により接続して５連結熱電変換ユニットを構成してもよく、これらを更に接続することで、熱電変換集合ユニット、連結熱熱電変換モジュールを構成してもよい。
なお、このように複数個の導電部材を導電性連結部材によって接続する場合、同じ熱電変換素子内の導電部材は同じ正負の符号のゼーベック係数を有していることが、より大きな熱電変換効率を実現する為に必要である。また、それぞれの導電部材を連結する導電性連結部材の電気伝導率が大きく自由電子の密度が高い導電性部材が好ましいが、ゼーベック係数の符号は同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００４０】
２．第１の実施の形態例と第１の変形例
次ぎに、本発明の第１の実施形態例及び第１の実施形態の変形例における図９の３連結熱電変換集合ユニット１００の構成図について説明する。
なお、以下の第１の実施の形態例と第１の変形例、第２の実施の形態例と第２の変形例、第３の実施の形態例と第３の変形例の全てにおいて、多数連結熱電変換集合ユニット内の一部切断などの損傷が無い場合には、インピーダンス整合（電気回路理論により公知の負荷回路への供給電力最大の条件）する様に設定した負荷回路への供給電力を比べると、全ての実施形態による供給電力は互いに等しくなることがわかっている。また、全ての実施形態において、３個以上の同じｐ型またはｎ型の導電部材を導電性連結部材によって接続する多数連結熱電変換集合ユニットでは、連結する導電部材の数を多くすることにより、供給電力を更に大きくすることが可能である。
【００４１】
本発明の第１の実施の形態例の図９は、複数の図１Ａの３連結熱電変換ユニット７０ａの出力端を接合導電部材４により接続する構成とするものである。図９Ａは本実施の形態における３連結熱電変換集合ユニット１００を上から見た上面図、図９Ｂは図９ＡのＸ１−Ｘ’１断面図、図９Ｃは図９ＡのＹ−Ｙ’断面図、図９Ｄは図９ＡのＸ２―Ｘ’２断面図である。３連結熱電変換集合ユニット１００は、ｐ型導電部材１ａ（図９中Ａ１の領域）と、ｎ型導電部材２ａ（図９中Ｂ１の領域）とが複数個固定された第１の絶縁基板５ａと、ｐ型導電部材１ｂ（図９中Ａ２の領域）と、ｎ型導電部材２ｂ（図９中Ｂ２の領域）とが複数固定された第２の絶縁基板５ｂとを含む。
【００４２】
また、図９Ｂ、Ｃ、Ｄは共に、３つのｐ型導電部材１ａと１ｃ（図９中Ａ３の領域）同士及び１ｃと１ｂ同士の各々を導電性連結部材３ａ（図９中Ｃ１の領域）と３ｃ（図９中Ｃ３の領域）とで電気的に直列接続したｐ型３連結熱電変換素子と、３つのｎ型導電部材２ａと２ｃ（図９中Ｂ３の領域）同士及び２ｃと２ｂ同士の各々を導電性連結部材３ｂ（図９中Ｃ２の領域）と３ｄ（図９中Ｃ４の領域）とで電気的に連結接続したｎ型３連結熱電変換素子とが複数固定された絶縁基板５ａと絶縁基板５ｂとを含む。
また、複数の３連結熱電変換ユニットの出力端同士を電気的に接合する接合導電部材４と、発生した電圧出力の出力端子６１、６２も含む。
【００４３】
第１の実施形態の変形例の図９Ａ’は、重複を避ける為に図９Ａの１対の出力端子６１と６２側の部分に相当する図で、図９Ａの３連結熱電変換集合ユニットを左右に２つに分け、発生した電圧出力を２対の出力端子６３、６４と６５、６６から取り出すように変形した実施形態を示す。この出力端子は３対にしてもよく、出力端子対を複数にすることにより、複数連結熱電変換集合ユニット内の一部に応力等による接合部の断線故障が起きた場合にも、その断線故障が含まれていない領域の出力端子対から出力電圧を外部へ供給する事が可能となる。出力端子対を複数にすることにより、複数連結熱電変換集合ユニットの製品としての信頼性の向上が可能となる。
【００４４】
３．第１の実施形態例における３連結熱電変換集合ユニットの製造方法
次に、図１０を用いて本発明の第１の実施形態例における３連結熱電変換集合ユニット１００の製造方法の一例について説明する。ここでは、上述の集積回路プロセスや薄膜プロセスに分類できる方法によって製造する例を挙げる。
以下に示す第１の実施形態の製造方法と同様に、第１の実施形態の変形例、第２の実施の形態例と第２の変形例、第３の実施の形態例と第３の変形例を含む同様な実施形態例の全ては、シリコン・ウエハの形成から熱電変換集合ユニットの完成まで薄膜プロセスや集積回路プロセスによる製造や半導体型のプロセスによる製造が可能であり、一括して生産することができる。
【００４５】
まず、図１０Ａのように極薄い耐熱プラスチックの基板２１上に、蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法（Chemical Vapor Development:化学蒸着法）等を用いて、アモルファスシリコン・ウエハを作成する。このアモルファスシリコン・ウエハは、用途に応じて数ミクロンメートルから五ミリメートルあるいは十数ミリメートルの一様な厚さのアモルファスシリコン（非晶質シリコン）からなる第１のシリコン層２０ａとして形成される。
例えば、プラズマＣＶＤ法では、グロー放電により原料ガスのシラン(SiH4)、シランジシラン(SiH6)を分解し、アモルファスシリコン層を基板上に成長させて、上記のような一様の厚さのアモルファスシリコン・ウエハを作成する。
【００４６】
あるいは、アモルファスシリコン層にＣＷ（Continuous Wave：連続波）エキシマレーザー(波長308nm)を照射してアニーリング（熱なまし）処理をするか、または、ウエハ全体を熱電気炉に入れてアニーリング処理し、アモルファスシリコンよりも電子や正孔などのキャリア移動度がはるかに大きいポリシリコン(多結晶シリコン) ・ウエハを作成する。あるいは、シリコンを円柱状に結晶成長させたインゴットをスライスして単結晶シリコン・ウエハを作成する。（以下、こうしたアモルファスシリコン基材、ポリシリコン基材、単結晶シリコン基材の何れも「ウエハ」と略記する。）
【００４７】
このようにして作成したウエハ表面にフォトレジストを不図示の塗布機で薄く塗布し、このフォトレジストを塗布したウエハ上方に設けた不図示の露光装置（ステッパー）に第１の導電部材２２ａ及び第２の導電部材２３ａの領域を露光するマスクパターンをセットする。すなわち、図１０Ａにおいて、Ａ１及びＢ１の領域のみ紫外光を透過するマスクを用いてレジストに露光を行う。１チップ分の露光後も露光ステージを上下方向及び左右方向に順次移動させて１チップ分ずつ露光を繰り返し、ウエハ全面を走査して露光する。この際、レジストの種類によっては焼きしめと呼ばれる軽い熱処理を行い、露光部分の反応を促進させる。なお、ここではレジストにネガレジストを用いた場合について示してある。
【００４８】
次に、ウエハ上のレジスト全面にマスクパターンを転写した後、未露光部分のみを現像液に溶解させ、ウエハを露出させる（現像）。この現像には、例えば強アルカリ性のＴＭＡＨ(Tetramethyl ammonium hydroxide：テトラメチル アンモニウム ヒドロオキサイド)が用いられ、現像機（デベロッパー）でウエハを回転しながらこの現像液を滴下することにより、現像が行われる。
【００４９】
次に、レジストが残されたウエハ全体を高温の酸化炉にいれ、「熱酸化法」を用いてウエハを二酸化シリコン(SiO2)に変成させる。これにより、現像によってウエハが露出した部分、すなわち図１０ＡにおいてＡ１、Ｂ１の領域以外の部分が二酸化シリコン(SiO2)に変化する。
【００５０】
二酸化シリコンの形成後はウエハ上に残っているレジストを溶剤によって除去する。そして再びウエハ上にレジストを塗布して露光、現像をおこない、今度は領域Ａ１のみが露出し、それ以外の部分はレジストによって覆われた状態とする。
この領域Ａ１をｐ型半導体とする場合には、例えばイオン注入法によってボロン（Ｂ：ホウ素）の高エネルギーイオンビームをウエハ上のＡ１の領域に照射する。そして、この打ち込んだイオンによる格子欠陥をアニーリング処理によって再結晶化し、Ｐ型半導体を形成する。これによって第１の導電部材２２ａが領域Ａ上に形成される。このイオンを打ち込む際には、イオンがウエハ面に達する直前にエレクトロンシャワーを当ててイオンのプラス電荷を電子電荷で中和するようにする。
【００５１】
続いて、第１の導電部材２２ａの形成後はウエハ上に残ったレジストを除去し、再びレジストの塗布、露光、現像の工程を繰り返す。今度は図１０Ａに示す領域Ｂ１が露出され、それ以外の部分はレジストによって覆われた状態とする。
領域Ｂ１をｎ型半導体とする場合には、同様にイオン注入法を用いて例えばリン（Ｐ）の高エネルギービームを照射する。そして、打ち込んだイオンによる格子欠陥をアニーリング処理によって再結晶化して、Ｎ型半導体に変化させる。これにより、領域Ｂ１に第２の導電部材２３ａが形成される。
【００５２】
次に、図１０Ｂに示すように、第１の導電性連結部材２４ａ、第２の導電性連結部材２４ｂを薄膜プロセスによって第１の導電部材２２ａ及び第２の導電部材２３ａ上に形成する。まず、ウエハ上にポジレジスト２５を塗布して露光、現像を行い、第１の導電部材２２ａの領域のみを露出してそれ以外の部分はポジレジスト２５によって覆われた状態とする。そしてスクリーン印刷法によって、上記露出された第１の導電部材２２ａ上に金属ペースト（銅などの金属粉末、カラズフリット、樹脂、有機溶剤よりなる）を塗布して熱処理を行い、第１の導電部材２２ａ上に第１の導電性連結部材２４ａを形成する。
【００５３】
次にポジレジスト２５に対して再び露光、現像を行い、今度は第２の導電部材２３ａの領域のみが露出され、それ以外の領域はレジスト２５及び第１の導電性連結部材２４ａによって覆われた状態とする。そしてスクリーン印刷法によって、上記露出された第２の導電部材２３ａ上に金属ペーストを塗布して熱処理を行い、第２の導電部材２３ａ上に第２の導電性連結部材２４ｂを形成する。
なお、このレジストが高耐久性であり絶縁性が高い場合には、第１の導電性連結部材２４ａ及び第２の導電性連結部材２４ｂを電気的に保護する絶縁部材としてそのまま用いてもよい。もしくは、樹脂等を注入し、第１の接合導電部材２４が互いに絶縁された状態になるように形成することもできる。
【００５４】
また、金属ペーストの焼成温度が高く、レジストが耐えられない場合にはレーザＣＶＤ法等を用いて、露出した第１の導電部材２２ａ及び第２の導電部材２３ａ上に第１の導電性連結部材２４ａ及び第２の導電性連結部材２４ｂを選択的に形成してもよい。また、蒸着やスパッタ等により形成してもよい。
【００５５】
次に、図１０Ｃに示すように、第１の接合導電部材２４ａと第２の接合導電部材２４ｂとレジスト２５の上に、蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等を用い、アモルファスシリコン、またはこのアモルファスシリコンを熱処理したポリシリコンからなる第２のシリコン層２０ｂを形成する。
続いて、このシリコン層２０ｂ上にレジストを塗布して露光、現像を行い、第１の導電性連結部材２４ａ、第２の導電性連結部材２４ｂ上の領域Ａ２、Ｂ２のみレジストによって覆われ、それ以外の部分は露出された状態とする。そして、これを酸化炉に投入し、領域Ａ２、Ｂ２以外の部分を二酸化シリコンへと変化させる。
【００５６】
次に、シリコン層２０ｂ上にレジストを塗布して露光、現像を行いシリコン層２０ｂ内の領域Ａ２のみを露出させ、それ以外の部分はレジストによって覆われた状態とする。そして既述のイオン注入法によりボロン等を注入し、第２のシリコン層２０ｂの領域Ａ２に第３の導電部材２２ｂを形成する。
また同様にしてシリコン層２０ｂ内の領域Ｂ２のみを露出させてそれ以外の部分をレジストによって覆い、領域Ｂにイオン注入法によりリン等を注入する。これにより、シリコン層２０ｂ内の領域Ｂ２には第４の導電部材２３ｂが形成される。
【００５７】
第３の導電部材２２ｂ上に形成される第３の導電性連結部材２４ｃと、第４の導電部材２３ｂ上に形成される第４の導電性連結部材２４ｄは、同じ材料であってもよいし、異なるゼーベック係数を有するものであってもよい。
【００５８】
同様に図１０Ｂと図１０Ｃの工程を繰り返し、図１０Ｄに示すように、隣り合う第５の導電部材２２ｃと第６の導電部材２３ｃ、及び隣り合う第１の導電部材２２ａと第２の導電部材２３ａを接合導電部材２７によって接続する。
まず、第３のシリコン層２０ｃ上にレジストを塗布して露光を行い、となり合う第５の導電部材２２ｃと第６の導電部材２３ｃの対、及びこの中心に位置する二酸化シリコンの領域を露出し、それ以外の部分はレジストによって覆われた状態とする。そしてこの露出された領域に、スクリーン印刷法によって、金属ペースト（銀や銅などの粉末、カラズフリット、樹脂、有機溶剤よりなる）を塗布(印刷)して熱処理することにより、第５の導電部材２２ｃと第６の導電部材２３ｃとを接続する。
例えば始めは銀ペーストを使いオーミックコンタクトにより接続し、その上に銅ペーストの印刷と熱処理を繰り返す。そして、この銅ペーストの印刷と熱処理を繰り返すことにより、隣り合う第５の導電部材２２ｃと第６の導電部材２３ｃとをオーミックコンタクトで接続する。これにより、ｐ型とｎ型の熱電変換部が直列に接続された熱電変換ユニットが形成される。
【００５９】
また、第１のシリコン層２０ａ側においては、まず基板２１を研磨機等で磨いて、ウエハの下面に第１の導電部材２２ａと第２の導電部材２３ａとが露出するようにする。そしてこの面にレジストを塗布して露光、現像を行う。これにより、第２のシリコン層２０ｂ側において接合導電部材２７によって覆われた二酸化シリコンの領域２８の下部に位置する、第１のシリコン層２０ａ側の二酸化シリコンの領域２９がレジストによって覆われ、それ以外の部分は露出された状態とする。
【００６０】
この露出された領域に、上記と同様の方法にて金属ペーストを塗布して熱処理し、隣り合う第１の導電部材２２ａと第２の導電部材２３ａとを接続するための第２の接合導電部材２７を形成する。これにより、隣り合う熱電変換ユニット同士が直列に接続される。そして最後に、発生する起電力を外部回路へ出力するための出力端子を形成することにより薄膜状の３連結熱電変換集合ユニット１００を形成することができる。
また、４個以上の導電部材を導電性連結部材によって直列に接続する場合の複数連結熱電変換集合ユニットにも、上述の図１０Ｂ，Ｃに示したプロセスを繰り返すことで同様に作製することができる。
【００６１】
このように、本発明の第１の実施の形態例においては、薄膜プロセス、集積回路プロセスを用い、一貫して形成される。このため、図９に示すような熱電変換集合ユニット１００を一括して製造することが可能となる。また、このプロセスでは薄膜状の熱電変換集合ユニットを製造することが可能なため、電子機器等に搭載する場合の実装スペースを削減することができる。
【００６２】
また、４個以上の導電部材を接続した熱電変換ユニットによって熱電変換集合ユニットを構成する場合においても、同じ薄膜プロセス、集積回路プロセスを繰り返すだけでよいので、高出力な熱電変換集合ユニットを容易に作製することが可能である。
なお、上述の半導体型のプロセスによって製造することも、もちろん可能である。
【００６３】
なお、ここで挙げた例のみでなく、他にも蒸着、スパッタ、プラズマＣＶＤ法とエッチングを組み合わせる等、薄膜プロセス、集積回路プロセス、半導体型のプロセスを用いることにより種々の方法を採ることができる。
また、遠距離間の温度差により発電を行う目的で、導電性連結部材に金属リード線を用い、第１のシリコン層２０ａと第２のシリコン層２０ｂの間の距離を長くしたい場合もある。このような場合には、第１のシリコン層２０ａ側に金属リード線を接続した後、金属リード線を第１のシリコン層２０ａの面に対して垂直方向にのばした状態で、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂等にて硬化する。そして樹脂からはみ出たリード線の部分を切断し、樹脂上に第２のシリコン層２０ｂを堆積させてもよい。
また、３個以上の導電部材を直列に接続する場合においても、同様に接続してもよい。
【００６４】
４．第２の実施の形態例と第２の変形例
次ぎに、本発明の第２の実施形態例及び第２の実施形態の変形例における図１１の３連結熱電変換集合ユニット３００及び３連結熱電変換集合ユニット４００の構成図について説明する。
本発明の第２の実施形態例は、複数の図１Ａの３連結熱電変換ユニット７０ａの出力端を接合導電部材４によりを並列接続することによって連結熱電変換集合ユニットを形成するものである。図１１Ａは本実施の形態における３連結熱電変換集合ユニット３００を上から見た上面図、図１１Ｂは図１１ＡのＸ１−Ｘ’１断面図、図１１Ｃは図１１ＡのＹ−Ｙ’断面図である。図１１Ｂ、Ｃは共に、３つのｐ型導電部材１ａと１ｃ（図１１中Ａ３の領域）同士及び１ｃと１ｂ同士の各々を導電性連結部材３ａ（図１１中Ｃ１の領域）と３ｃ（図１１中Ｃ３の領域）とで電気的に直列接続したｐ型３連結熱電変換素子と、３つのｎ型導電部材２ａと２ｃ（図１１中Ｂ３の領域）同士及び２ｃと２ｂ同士の各々を導電性連結部材３ｂ（図１１中Ｃ２の領域）と３ｄ（図１１中Ｃ４の領域）とで電気的に直列接続したｎ型３連結熱電変換素子とが複数固定された絶縁基板５ａと絶縁基板５ｂとを含む。図１１Ａに示すように、Ｄ１方向には、ｐ型３連結熱電変換素子の列とｎ型３連結熱電変換素子の列が交互に配置され、Ｄ２方向には同じｐ型またはｎ型の３連結熱電変換素子が配置されている。導電性連結部材３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは同じ材料であってもよいし、異なっていてもよい。
【００６５】
また図１１Ｃに示すように、絶縁部材５ｂにおいてＤ２方向に配列された列ｍ１〜ｍ８の同じｐ型またはｎ型の３連結熱電変換素子同士は、接合導電部材４ｂによって、その全てが接続される。また図１１Ｂに示すように、Ｄ１方向においては絶縁部材５ａ側に配置された隣り合うｐ型導電部材１ａとｎ型導電部材２ａとが接合導電部材４ａによって接続され、３連結熱電変換ユニットが形成される。また接合導電部材４ａと接合導電部材４ｂは同じ材料であってもよい。
【００６６】
すなわち、列Ｌ１〜Ｌ４におけるそれぞれの３連結熱電変換ユニットは、接合導電部材４ｂにより、同じｐ型またはｎ型の導電部材同士が接合されて並列接続となる。したがって、図１１Ｃの矢印に示すように、各３連結熱電変換ユニットからの電流が接合導電部材４ｂにおいて合流し、複数の電源をいわゆる並列接続した状態に相当する。
なお、図１１Ａに示す本発明の第２の実施形態例においては、例えば列Ｌ１〜列Ｌ４まで熱電変換ユニットを４列配置する例としてある。また出力端６１、６２は列ｍ１、列ｍ８において配置される接合導電部材４ｂを延長したものを用いてもよく、または新たに導電部材を形成してもよい。
【００６７】
このように、本発明の第２の実施形態例においては、３連結熱電変換集合ユニット３００内の３連結熱電変換ユニット全てが並列に接続される。したがって、３連結熱電変換集合ユニット３００内の接合導電部材が一部切断されたとしても、出力端子６１、６２からの出力が完全に停止するのを防ぐことができる。
このため第２の実施形態例によれば、折り曲げや衝撃等に強く、３連結熱電変換集合ユニット内の一部切断などの損傷に対して供給電力の低下を最小限に止め、耐久性の高い３連結熱電変換集合ユニットを提供することが可能となる。
【００６８】
第２の実施形態の変形例の図１１Ａ’は、重複を避ける為に図１１Ａの１対の出力端子６１と６２側の部分に相当する図で、図１１Ａの３連結熱電変換集合ユニットを左右に２つに分け、発生した電圧出力を２対の出力端子６０１、６０２と６０３、６０４から取り出すように変形した３連結熱電変換集合ユニット４００を示す。この出力端子は３対にしてもよく、出力端子対を複数にすることにより、全ての３連結熱電変換ユニットが並列に接続しているため、導電部材や接合導電部材に断線故障が生じても、発電機能が完全に停止してしまうのを防ぐと共に、その断線故障が含まれていない領域の出力端子対から出力電圧を外部へ供給する事が可能となる。このように、並列接続された３連結熱電変換ユニットをＤ１に複数に分割し、各々の分割部分に出力端子対を取付けて、複数の出力端子対から出力電圧を外部へ供給することにより、電機能を持つ複数連結熱電変換集合ユニットの製品としての更なる信頼性の向上が可能となる。
【００６９】
５．第３の実施の形態例と第３の変形例
図１２は、第３の実施の形態例及び第３の実施形態の変形例における３連結熱電変換集合ユニット５００及び３連結熱電変換集合ユニット６００の構成を示す概略構成図である。図１２Ａは３連結熱熱電変換集合ユニット５００の絶縁部材５ａ側から見た上面図、図１２Ｂは図１２ＡのＸ−Ｘ’断面図、図１２Ｃは図１２ＡのＹ−Ｙ’断面図である。図１２Ｂ、Ｃは共に、３つのｐ型導電部材１ａと１ｃ（図１２中Ａ３の領域）同士及び１ｃと１ｂ同士の各々を導電性連結部材３ａ（図１２中Ｃ１の領域）と３ｃ（図１２中Ｃ３の領域）とで電気的に直列接続したｐ型３連結熱電変換素子と、３つのｎ型導電部材２ａと２ｃ（図１２中Ｂ３の領域）同士及び２ｃと２ｂ同士の各々を導電性連結部材３ｂ（図１２中Ｃ２の領域）と３ｄ（図１２中Ｃ４の領域）とで電気的に直列接続したｎ型３連結熱電変換素子とが複数固定された絶縁基板５ａと絶縁基板５ｂとを含む。
【００７０】
図１２Ａに示すようにＤ１方向には、ｎ型３連結熱電変換素子とｐ型３連結熱電変換素子とが接合導電部材４１ａで接合された３連結熱電変換ユニットが配列される。Ｄ２方向には、二つの３連結熱電変換ユニットを絶縁部材５ｂ側の接合導電部材４１ｂによって並列に接続した二並列の３連結熱電変換ユニット７１ａが左右反転されて、第Ｌ１列から第Ｌ４列まで複数接続されることになる。なお図１２Ａにおいて接合導電部材４１ａは、説明の都合上その領域を小さく表示してある。また、出力端子６１１、６１２は、列ｍ１、ｍ８における接合導電部材４１ｂを延長して形成するか、もしくはこれに新たに導電部材を接続することによって形成される。
また、４個以上のｐ型またはｎ型の導電部材を導電性連結部材によって直列に接続することにより、更に高い出力を実現することができる。
【００７１】
このように、本発明の第３の実施形態例では、３連結熱電変換ユニットの直列接続と並列接続とが混成している。すなわち、３連結熱電変換集合ユニット５００においても、並列接続を内部に含むため、３連結熱電変換集合ユニット内の一部に断線が生じても、出力端６１１、６１２から出力が完全に停止するのを防ぐことができる。このため、第３の実施形態における熱電変換集合ユニット５００は、折り曲げや衝撃に強く、ユニット内の一部切断などの損傷に対して供給電力の低下を最小限に止め、長期間の使用を実現できる。
【００７２】
第３の実施形態の変形例の図１２Ａ’は、重複を避ける為に図１２Ａの１対の出力端子６１１と６１２側の部分に相当する図で、図１２Ａの３連結熱電変換集合ユニットを左右に２つに分け、発生した電圧出力を２対の出力端子６１３、６１４と６１５、６１６から取り出すように変形した３連結熱電変換集合ユニット６００を示す。この出力端子は３対にしてもよく、出力端子対を複数にすることにより、全ての熱電変換ユニットが直列接続と並列接続とが混成しているため、導電部材や接合導電部材に断線故障が生じても、発電機能が完全に停止してしまうのを防ぐと共に、その断線故障が含まれていない領域の出力端子対から出力電圧を外部へ供給する事が可能となる。
第３の実施形態例のその変形例により、発電機能を持つ３連結または多数連結熱電変換集合ユニットの製品としての信頼性の更なる向上が可能となる。
【００７３】
６．第４の実施の形態例
以上、本発明の第１〜第３の実施形態例とそれらの変形例（第１〜第３の変形例）について説明したが、本発明の多数連結熱電変換集合ユニット同士を直列、並列もしくは直列と並列を混成して複数接続したモジュール化も可能である。特に、本発明においては、既述のように薄膜プロセス、集積回路プロセスにより一貫して熱電変換集合ユニットを製造することができる。したがって、初めから多数連結熱電変換集合ユニットが直列または並列に接続されたモジュールを同一ウエハ内に一括して製造することが可能である。
【００７４】
すなわち、同一ウエハ内に形成された複数の熱電変換集合ユニットにおいて、隣り合う熱電変換集合ユニットにおける出力端を接続する接合導電部材を形成するステップを追加すればよい。もちろんこのステップは蒸着やスパッタ等の薄膜プロセス、集積回路プロセスによって容易に達成することができる。これにより、本発明による熱電変換集合ユニットをモジュール化した場合においても同様に、一括して製造できる。また、一つのウエハ内に形成する熱電変換集合ユニットの数を増やせば、一つのウエハ、基材において複数のモジュールを同時に形成することも当然のことながら可能である。
また、半導体型のプロセスにおいても、それぞれの熱電変換集合ユニット同士を接続するステップを追加することにより製造することができる。
【００７５】
以下、本発明の第４の実施形態例における多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの構成について説明する。本発明の第４の実施の形態例は、複数の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニットの出力端同士を接合導電部材により接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニット同士を直列と並列を混成して接続する構成とするものである。以下では、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換を多数連結熱電変換と略記する。
【００７６】
図１３は、本発明の第４の実施形態例に係る多数連結熱電変換モジュール７００を示す構成図である。本実施の形態例においてＤ１方向には、７個（任意の個数の多数連結熱電変換集合ユニットでも良い）の多数連結熱電変換集合ユニット７０１の接続端同士が接合導電部材７０２によって接続されている。そしてこの７個の多数連結熱電変換集合ユニット７０１が接続されたセットがＤ２方向に例えば７セット（任意のセット数でよい）並べた構成とされる。
【００７７】
またＤ２方向では、図１３上の左端の多数連結熱電変換集合ユニットの各出力端が接合導電部材７０３によって並列に接続される。一方、右端の左端の多数連結熱電変換集合ユニットの各出力端も接合導電部材７０４によって並列に接続される。すなわち、Ｄ１方向にそれぞれ７個の左端の多数連結熱電変換換集合ユニットが直列接続された７個のセットが、Ｄ２方向に並列に接続された状態となっている。
出力端７０５、７０６は接合導電部材７０３、７０４を延伸したものでもよく、また新たに接合導電部材を接続してもよい。また、これらの熱電変換多数連結熱電変換ユニットには、第１〜第３の実施の形態例、第１〜第３の変形例において説明した左端の多数連結熱電変換集合ユニットを用いることができる。
【００７８】
したがって、第４の実施の形態例における多数連結熱電変換モジュールは、同じ正負の符号を有する３個の導電部材が電気的に直列に接続された多数連結熱電変換ユニットにより構成されている。このため、従来よりも大幅に出力を増大させることが可能である。
【００７９】
また、接合導電部材７０２、７０３、７０４は蒸着やスパッタ、ＣＶＤ等にて形成することがきる。これらの接合導電部材は多数連結熱電変換集合ユニット７０１の出力端と同じ材料でもよく、この場合には多数連結熱電変換集合ユニットの出力端を形成するステップにおいて同時に接合導電部材７０２、７０３、７０４を形成することもできる。
【００８０】
したがって、本実施の形態例における多数連結熱電変換モジュールにおいても、薄膜プロセスや集積回路プロセスによって形成することが可能であり、ウエハサイズの許す限り一括して複数の熱電変換モジュールを製造することができる。
また、多数連結熱電変換モジュールを構成する多数連結熱電変換集合ユニットに本発明の第２または第３の実施形態例のものを用いる場合には、直列接続及び並列接続を混成接続された多数連結熱電変換ユニット、多数連結熱電変換集合ユニットが混成しているため、一部の導電部材や接合導電部材が切断されたとしても、多数連結熱電変換モジュール全体の発電機能が停止してしまうのを防ぐことができる。また本実施の形態例においては、これら多数連結熱電変換集合ユニット同士を直列接続して更に並列接続してもいるので、多数連結熱電変換集合ユニット同士を接続する接合導電部材の一部が断線しても発電機能が完全に停止することはない。
【００８１】
更に、直列接続及び並列接続の混成接続を利用した多数連結熱電変換モジュールを構成することにより、発電機能の停止が万全に防げ、電機能を持つ多数連結熱電変換モジュールの製品としての信頼性の更なる向上が可能となる。なお、直列接続または並列接続または直列接続及び並列接続の混成接続による構成形態の多数連結熱電変換モジュールの全てにおいて、多数連結熱電変換モジュール内の一部切断などの損傷が無い場合には、インピーダンス整合する様に設定した負荷回路への供給電力を比べると、全ての構成形態による供給電力は互いに等しくなることがわかっている。
【００８２】
7．第５の実施の形態例
次に、本発明の第５の実施形態例における多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの構成について説明する。本発明の第４の実施の形態例はり規模の大きい熱電変換システムを製造する例で、複数の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュールの出力端同士を接合導電部材により接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュール同士を直列と並列を混成して接続する構成とするものである。以下では前述と同様に、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換を多数連結熱電変換と略記する。
図１４は多数連結熱電変換パネル７１０の構成を示す上面図である。図１４においては、多数連結熱電変換モジュールをＤ１方向に３個（数を制限するものではなく任意でよい）、Ｄ２方向に３個（任意でよい）並べた例を示してある。また、多数連結熱電変換モジュールには、図１３に示した多数連結熱電変換モジュール７００または直列接続及び並列接続の混成接続を利用した多数連結熱電変換モジュールを用いることができる。
【００８３】
Ｄ１方向には、隣り合う多数連結熱電変換モジュールの出力端同士が接合導電部材７１２によって接続され、例えば３つの熱電変換モジュールが直列接続される。この３つの熱電変換モジュールを直列接続したセットを、更にＤ２方向へ接合導電部材７１３によって３セット並列に接続することにより、多数連結熱電変換パネルが構成される。出力端７１４、７１５は、多数連結熱電変換モジュール７００の出力端を延伸したものでもよいし、あらたに接続してもよい。また接合導電部材７１２、７１３は同じ材料であってもよい。
【００８４】
また、多数連結熱電変換パネル７１０においては多数連結熱電変換モジュール同士が並列に接続されてもいるので、接合導電部材７１２や７１３の一部が断線しても発電機能が完全に停止することはない。更に、直列接続及び並列接続の混成接続を利用した多数連結熱電変換パネルを構成ることにより、発電機能の停止が万全に防げ、電機能を持つ多数連結熱電変換パネルの製品としての信頼性の更なる向上が可能となる。
なお、直列接続または並列接続または直列接続及び並列接続の混成接続による構成形態の多数連結熱電変換パネルの全てにおいて、多数連結熱電変換パネル内の一部切断などの損傷が無い場合には、インピーダンス整合する様に設定した負荷回路への供給電力を比べると、全ての構成形態による供給電力は互いに等しくなることがわかっている。
【００８５】
８．第６の実施の形態例
次に、本発明の第６の実施形態例における多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シートの構成について説明する。本発明の第５の実施の形態例より規模の大きい熱電変換システムを製造する例で、複数の多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネルの出力端同士を接合導電部材により接続し、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネル同士を直列と並列を混成して接続する構成とするものである。以下では前述と同様に、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換を多数連結熱電変換と略記する。
図１５は多数連結熱電変換シート７２０の構成を示す上面図である。図１５においては、多数連結熱電変換パネル７１０をＤ１方向に３個（数を制限するものではなく任意でよい）、Ｄ２方向に３個（任意でよい）並べた例を示してある。また、多数連結熱電変換パネルには、図１４に示した多数連結熱電変換パネル７１０または直列接続及び並列接続の混成接続を利用した多数連結熱電変換パネルを用いることができる。
【００８６】
Ｄ１方向には、隣り合う多数連結熱電変換パネルの出力端同士が接合導電部材７２２によって接続され、例えば３つの多数連結熱電変換パネルが直列接続される。この３つの多数連結熱電変換パネルを直列接続したセットを、更にＤ２方向へ接合導電部材７２３によって３セット並列に接続することにより、多数連結熱電変換シートが構成される。出力端７２４、７２５は、多数連結熱電変換パネル７１０の出力端を延伸したものでもよいし、あらたに接続してもよい。また接合導電部材７１２、７１３は同じ材料であってもよい。
【００８７】
また、多数連結熱電変換シート７２０においては多数連結熱電変換パネル同士が並列に接続されてもいるので、接合導電部材７２２や７２３の一部が断線しても発電機能が完全に停止することはない。更に、直列接続及び並列接続の混成接続を利用した多数連結熱電変換シートを構成することにより、発電機能の停止が確実に防げ、電機能を持つ多数連結熱電変換シートの製品としての信頼性の更なる向上が可能となる。
なお、直列接続または並列接続または直列接続及び並列接続の混成接続による構成形態の多数連結熱電変換シートの全てにおいて、多数連結熱電変換シート内の一部切断などの損傷が無い場合には、インピーダンス整合する様に設定した負荷回路への供給電力を比べると、全ての構成形態による供給電力は互いに等しくなることがわかっている。
【００８８】
９．第７の実施の形態例
以上、本発明の第１〜第６の実施例で外部の温度差から高効率な熱電変換を行って負荷回路へより大きい電力供給をする実施例について説明したが、本発明による高効率な多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換回路技術は、逆に本発明による回路に電流を流してペルチエ効果により高効率な熱エネルギー転送を可能にする。即ち、一方から熱を吸収し、他方から熱を放出するエアコンの機能を、従来の熱電材料を単一で使う場合よりも高効率で実現することが可能である。
次に、この高効率な熱エネルギー転送に関する第７の実施の形態例について３つの方式を説明する。
第１の方式は、外部電源の電力を使用する方式である。第２の方式は、別の独立な一つ以上の本発明による高効率な多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換回路による出力電力を外部電源の電力として使用する方式である。第３の方式は、本発明による同じ２つの高効率な多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換回路を互いに負荷回路として使い、自分自身の出力電力で電流を流す方式である。
【００８９】
第１の方式では、例えば本発明の多数連結熱電変換パネルまたは多数連結熱電変換シートを家屋やビルの屋根や外壁に設置して、このパネルまたはシートの外側面を太陽光の黒体吸収熱で高温にし、内側面を水または空気で冷却して低温にすることにより、太陽光を利用した熱電発電を利用して対象とする負荷回路に電力を供給できる。この時に、このパネルまたはシートの回路に流れる電流によるペルチエ効果により、高温の外側面では吸熱が起こり、低温の内側面では発熱が起こって水または空気は暖まる。この吸熱量から発熱量を引いた熱エネルギーが回路全体で消費される電気エネルギーに等しく、エネルギー保存族が成り立つ。パネルまたはシートの内側面を室内の空気を循環させて冷却させれば、徐々に室内は暖房されてエアコンの温風の役割もする。
しかし、このクーラーの役割が不十分である場合には、補助的に外部電源の電力を使って前記の電流に加算して電流を流すことにより、吸熱量と発熱量が増大して循環させる空気は更に暖められる結果、室内の暖房効果も更に高くなる。この時の太陽光とパネルまたはシートと対象とする負荷回路と外部電源と室内を含む全体の系では、太陽光からの吸収熱量が増大し、この増大した分の吸収熱量が室内の熱エネルギーとして転送され、外部電源による加算電流により負荷回路への電力供給が増える。この結果、太陽光の自然エネルギー利用の電力生成及び外部電力省エネルギー化に相当する室内の暖房と負荷回路への電力供給増加が同時に進行する。
【００９０】
第２の方式では、前記の第１の方式と同様に複数の本発明の多数連結熱電変換パネルまたは多数連結熱電変換シートを家屋やビルの屋根や外壁に設置して太陽光を直接利用した発電するか、または、太陽光や地熱を蓄熱流体に吸収させて複数の前記のパネルまたはシートで昼夜発電する自然エネルギー利用の発電システムを構成する。この発電システムの電力の一部を前記の第１の方式の補助的に外部電源の電力として使い、エアコン用のパネルまたはシートへの電流供給に利用する。この第２の方式でも、自然エネルギー利用の規模の大きい電力生成及び外部電力省エネルギー化としてのエアコン駆動が同時に進行する。
【００９１】
第３の方式では、本発明による同じ２つの多数連結熱電変換パネルまたは多数連結熱電変換シートを互いにインピーダンス整合する負荷回路として接続し、この２つのパネルまたはシートの回路の電流を流す。例えば第１のパネルまたはシートを家屋やビルの屋根や外壁に設置して太陽光利用発電回路にし、第２のパネルまたはシートをエアコンまたは２つの対象物の一方を加熱し他方を冷却する加熱冷却システムとして使用する。回路に電源スイッチが入った瞬間に電磁は速度で周回電流が流れる物理現象が起こることから、ペルチエ効果による熱エネルギー転送の特徴は、熱電回路に電流が流れ始めると瞬時に２つの対象物の一方で吸熱、他方で発熱が始まる事である。
第１と第２のパネルまたはシートを接続した回路では、第１のパネルまたはシートの内側面を水または空気で冷却して低温に保ちながら外側面が太陽光の黒体吸収熱で過熱されて温度差が出ると同時に、電流が流れてペルチエ効果により外側面で吸熱、内側面で発熱が起こり、かつ、第２のパネルまたはシートの片面で吸熱、反対面で発熱が起こる。第２のパネルまたはシートの吸熱面と発熱面に沿って空気を流せば、冷房用の冷風と暖房用の温風として両方同時に使え、空気の代わりに水を循環させれば物の冷却と加熱の両方が同時にできる。また、ゼーベック係数の温度依存性が小さい温度領域では、全ての面での吸熱パワーと発熱パワーはほぼ等しい。この第３の方式のシステムを第１領域の高温部の熱を離れた第２領域の領域へ熱伝導させる媒体に対応させると、第１領域からの吸熱量は電磁波速度で瞬時に第２領域の発熱量として転送され（伝わり）、自己駆動型熱転送システムが実現されると同時に、熱伝導が無限大の理想的な熱伝導媒体でとなる。
【００９２】
以上、本発明による多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換ユニット、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換集合ユニット、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュール、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネル、多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シート、並びにその製造方法について説明したが、本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９３】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・・導電部材、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，４ｅ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ・・・導電性連結部材、４，４ａ，４ｂ，４１ａ，４１ｂ，７０２，７０３，７０４，７１２，７１３，７２２，７２３，・・・接合導電部材、５ａ，５ｂ,２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・絶縁部材、６・・・Ａｌ基板、７・・・絶縁膜、７０ａ，７０ｂ，７０ｄ，７０ｅ，７０ｆ，７０ｇ，７０ｈ，７０ｋ・・・熱電変換素子、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ・・・負荷回路、２１・・・基板、２５・・・レジスト、２８，２９・・・二酸化シリコンの領域、６１，６２，６３，６４，６５，６６，６０１，６０２，６０３，６０４，６１１，６１２，６１３，６１４，６１５，６１６，７０５，７０６，７１４，７１５，７２４，７２５・・・出力端、７１ａ，７１ｂ・・・二並列３連結熱電変換ユニット、１００，３００，５００，７０１・・・多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換素子集合ユニット、７００，７１１・・・多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換モジュール、７１０，７２１・・・多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換パネル、７２０・・・多数連結ゼーベック係数増幅熱電変換シート
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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