(57)【要約】【課題】従来の構造よりも高温な環境においても使用可能であって、熱電材料チップ及び電極間の熱膨張の差によって接合部が破壊しないように熱応力を緩和しつつ、発電出力及び発電効率の低下を抑えた熱電発電素子を提供する。【解決手段】ｎ型及びｐ型の半導体２，３がそれら端部で電極４，５によって電気的に直列となるよう交互に接続された熱電発電素子１において、ｎ型及びｐ型の半導体２，３の少なくとも一方が両端部の電極４，５の少なくとも一方で導電性の弾性部材６を介して電極に接続されていることを特徴とする熱電発電素子を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型及びｐ型の半導体がそれら端部で電極によって電気的に直列となるよう交互に接続された熱電発電素子において、ｎ型及びｐ型の半導体の少なくとも一方が両端部の電極の少なくとも一方で導電性の弾性部材を介して電極に接続されていることを特徴とする熱電発電素子。
【請求項２】
半導体及び電極間で弾性部材周囲を覆うように低融点金属が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差を利用して発電をさせること又は直流電流を供給することによって冷却若しくは加熱させることが可能な熱電発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は従来型の熱電発電素子３１の側断面図を示す。図３（ａ）は、図において上側の電極が高温とされ、下側の電極がそれに較べて低温とされた直後の状態の熱電発電素子３１を示し、図３（ｂ）は、その上下の電極を図３（ａ）に較べてより温度の高低差のある状態にして一定時間経過した後の熱電発電素子３１を示す。
【０００３】
熱電発電素子３１は、低温となる側の電極３５に、例えば半田等によって熱電材料チップであるｎ型半導体３２が接合され、ｎ型半導体３２の反対側の端部と高温となる側の電極３４とが同じく半田等によって接合されている。さらに同じ電極３４と熱電材料チップであるｐ型半導体３３とが接合され、ｐ型半導体３３の反対側の端部は別のｎ型半導体３２が接合された別の電極３５に接合されている。このような構成にすることによって電気的に直列した接続が完成する。
【０００４】
電極３４が高温、電極３５がそれに較べて低温となるような環境に熱電発電素子３１を設置して端部の電極を電気回路等に接続すると、ゼーベック効果によって電圧が発生し、矢印で示すように、電極３５→ｎ型半導体３２→電極３４→ｐ型半導体３３と電流が流れる。これはつまり、ｎ型半導体３２内の電子が高温の電極３４から熱エネルギーを得て低温の電極３５へ移動してそこで熱エネルギーを放出し、それに対してｐ型半導体の正孔が高温の電極３４から熱エネルギーを得て低温の電極３５へ移動してそこで熱エネルギーを放出するという原理によって電流が流れる。
【０００５】
このような熱電発電素子３１の上下の電極３４，３５の温度差をさらに大きくすると、その温度差における熱電材料チップ及び電極間の熱膨張の違いによって、接合界面付近で破壊３６が生じてしまう。
【０００６】
これを解決するために、シリコンゴムやウレタンゴム、高分子化合物等から作られた導電性の弾性体（導電性ゴム）を電極材料として用いることで、破壊の原因となる熱応力を緩和する構成が公知である（特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１９７９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記構成によると、一般に導電性ゴム材料の耐熱温度は金属の融点に較べて低いため、より高温の環境において用いることができない。また、ゴムや高分子化合物は熱的にも電気的にも抵抗が大きいため、発電出力及び発電効率が低下するという問題もある。
【０００９】
そこで本発明は上記問題に鑑み、従来の構造よりも高温な環境においても使用可能であって、熱電材料チップ及び電極間の熱膨張の差によって接合部が破壊しないように熱応力を緩和しつつ、発電出力及び発電効率の低下を抑えた熱電発電素子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】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、ｎ型及びｐ型の半導体がそれら端部で電極によって電気的に直列となるよう交互に接続された熱電発電素子において、ｎ型及びｐ型の半導体の少なくとも一方が両端部の電極の少なくとも一方で導電性の弾性部材を介して電極に接続されていることを特徴とする熱電発電素子が提供される。弾性部材を介して半導体である熱電材料チップと電極とが接続されているので、電極の熱膨張に差が生じても、それに起因した変形を弾性部材が吸収し、熱電材料チップ及び電極間の熱応力による破壊を防止することが可能となる。さらに、弾性部材に金属材料を用いれば、従来の導電性ゴムに較べてより高温域で熱電発電素子を使用することが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、半導体及び電極間で弾性部材周囲を覆うように低融点金属が配置されていることを特徴とする熱電発電素子が提供される。弾性部材周囲に低融点金属が配置されることによって、弾性部材の耐久性が向上すると共に、熱電材料チップ及び電極間の電気的及び熱的抵抗を低減し、弾性部材のみの場合に較べて発電出力及び発電効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
各請求項に記載の発明によれば、熱電発電素子において、従来の構造よりも高温な環境においても使用可能であって、電極の熱膨張の差による熱電材料チップ及び電極間の接合部の熱応力を緩和するという共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の実施形態による熱電発電素子１の側断面図を示す。図１（ａ）は、図において上側が高温とされ、下側がそれに較べて低温とされた直後の状態の熱電発電素子１を示し、図１（ｂ）は、その上下の電極を図１（ａ）に較べてより温度の高低差のある状態にして一定時間経過した後の熱電発電素子１を示す。
【００１４】
熱電発電素子１は、低温となる側の電極５に、例えば半田等によって熱電材料チップであるｎ型半導体２が接合され、ｎ型半導体２の反対側の端部と高温となる側の電極４とが拡散接合等によって接合されている。さらに同じ電極４と熱電材料チップであるｐ型半導体３とが、導電性のコイルスプリング６を介して接続され、ｐ型半導体３の反対側の端部は別のｎ型半導体２が接合された別の電極５に接合されている。このような構成にすることによって電気的に直列した接続が完成する。さらに、コイルスプリング６が配置されているｐ型半導体３及び電極４間には、コイルスプリング６周囲を覆うように低融点金属部材７が配置され、そうすることによって、電導性のコイルスプリング６のみならず低融点金属部材７にも電流及び熱が伝わり、そのため導電性及び伝熱性が向上する。
【００１５】
電極４，５の材料は、例えば、ＣｕやＴｉ−Ｃｕ合金であり、コイルスプリング６の材料は、例えば、無酸素銅線やすずめっき銅線であり、熱電発電素子１の材料は、例えば、クラスレート系やハーフホイスラー系であり、低融点金属部材７の材料は、例えば、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、アルミろう、高融点はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ系）である。
【００１６】
電極４が例えば３００℃から６００℃の高温、電極５が例えば２５℃から１００℃の低温となるような環境に、本発明の実施形態による熱電発電素子１を設置して端部の電極を電気回路等に接続すると、矢印で示すように、電極５→ｎ型半導体２→電極４→ｐ型半導体３と電流が流れる。
【００１７】
さらに温度差を大きくして一定時間経過させると、高温側の電極４と低温側の電極５との間で熱膨張の差が生じるが、図１（ｂ）に示すように、コイルスプリング６及び液化した低融点金属部材７が熱膨張に合わせて変形し、従来の破壊の原因となっていた熱応力を緩和する働きをすることとなる。両電極間の温度差が小さくなれば、コイルスプリング６の弾性によってまたもとの状態に戻ることが可能となる。なお、液化した低融点金属は、表面張力等によってｐ型半導体３及び電極４間に維持される。
【００１８】
ここで、本発明の実施形態による熱電発電素子１の製造方法を図２の側断面図に沿って工程順に説明する。
【００１９】
まず、電極４とｎ型半導体２とを拡散接合によって接合する（図２（ａ））。そして、ｐ型半導体３と電極４とをコイルスプリング６を介して接続するために、コイルスプリング６の両端でそれぞれレーザースポット溶接を行って接合する（図２（ｂ））。さらに、ｐ型半導体３及び電極４間にコイルスプリング６周囲を覆うように低融点金属部材７を配置するため、低融点金属を注入する（図２（ｃ））。そして、低温側の電極５を半田付けするための濡れ性向上のため、メッキ８を施し（図２（ｄ））、最後に、電極５を半田付け９して完成となる（図２（ｅ））。
【００２０】
本実施形態は、コイルスプリング及び低融点金属部材をｐ型半導体の高温となる側にのみ配置したが、それ以外にも、ｎ型半導体の高温となる側若しくは低温となる側又はｐ型半導体の高温となる側若しくは低温となる側の少なくとも１つに配置されていればよいが、好ましくは、低融点金属部材の材料の選択の幅が広いｎ型半導体又はｐ型半導体の高温となる側の少なくとも１つに配置されていることが望ましい。また、本実施形態は、コイルスプリングと低融点金属部材を併用したが、低融点金属部材を排除し、導電性が高くて熱抵抗が少ない金属等の部材からなるコイルスプリングのみで構成されていてもよい。さらに、本実施形態は、コイルスプリングを用いたが、電極平面方向の膨脹に弾性を有する板バネ等の弾性部材であれば代替可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態による熱電発電素子の側断面図である。
【図２】本発明の実施形態による熱電発電素子の製造方法を工程順に示す側断面図である。
【図３】従来の熱電発電素子の側断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    熱電発電素子
２    ｎ型半導体
３    ｐ型半導体
４，５    電極
６    コイルスプリング
７    低融点金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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