(57)【要約】【課題】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な構成でありながら、発電出力及び発電効率の低下を抑え、高温となる側の電極と熱電材料チップとの接合にロウ材又は接着剤を用いないで加工及び製造が容易にできるような熱電素子モジュールを提供する。【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素子モジュール１において、高温となる側の電極４が、電極４の表面に設けられた複数の接触突起部６を介してこれら半導体２，３と接触していることを特徴とする熱電素子モジュール１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素子モジュールにおいて、高温となる側の電極が、該電極の表面に設けられた複数の接触突起部を介してこれら半導体と接触していることを特徴とする熱電素子モジュール。
【請求項２】
接触突起部が電極を屈曲させることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子モジュール。
【請求項３】
接触突起部が拡散接合又は押圧によって半導体と熱的及び電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電素子モジュール。
【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素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は従来型の熱電素子モジュール５１の側面図を示す。図５（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素子モジュール５１を示し、図５（ｂ）は、その上下の電極を図５（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素子モジュール５１を示す。
【０００３】
熱電素子モジュール５１は、低温となる側の電極５５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５２が接合され、ｎ型半導体５２の反対側の端部と高温となる側の電極５４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５４と熱電材料チップであるｐ型半導体５３とが接合され、ｐ型半導体５３の反対側の端部は別のｎ型半導体５２が接合された別の電極５５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５４が高温、電極５５がそれに較べて低温となるような環境に熱電素子モジュール５１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５５→ｎ型半導体５２→電極５４→ｐ型半導体５３と電流が流れる。これはつまり、ｎ型半導体５２内の電子が高温の電極５４から熱エネルギーを得て低温の電極５５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５４から熱エネルギーを得て低温の電極５５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】
このような熱電素子モジュール５１の上下の電極５４，５５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５６が生じてしまう。
【０００６】
これを解決するために、凸部を有する金属部材と電極とを、電極に設けられた凹部内でロウ材又は接着剤によって接合し、この金属部材の凸部周りを溜まり部としてロウ材又は接着剤によって熱電材料チップと接合することで、これら部材を強固に接合させることが可能になると共に、熱応力をロウ材又は接着剤の塑性変形によって緩和する構成が公知である（特許文献１）。また、熱電素子の端部を雄ねじ状に加工し、雌ねじ状に加工された電極に水平移動を可能にさせるクリアランスを有しつつ螺合させる構成も公知である（特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２４３７３０号公報
【特許文献２】特開２００５−３１７６２９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、特許文献１に記載の発明によると、当然のことながらロウ材又は接着剤において、熱電材料チップよりも低融点のものを選択しなければならないが、高温となる側の電極がロウ材の融点温度付近の温度に曝された場合、ロウ材の性能が劣化し、そのため熱電材料及び電極間で伝わる熱量が低下し、発電出力及び発電効率が低下するという問題がある。すなわち、熱電材料はより高温時にその性能を発揮するが、ロウ材等の融点の制限があることによって熱電材料の性質を最大限利用することができず、使用可能温度の上限が制限されてしまう。さらにこの構成によると、電極に凹部を設け、別体の凸部を有する金属部材を用意し、これらをロウ材等で接合した後、さらに熱電材料とロウ材等で接合するというように、製造工程が非常に複雑であるという問題もある。
【０００９】
そして、特許文献２に記載の発明によると、熱電材料を雄ネジ状に加工しているが、熱電材料は通常脆性であり、強度に問題があると同時に加工が困難であるという問題がある。さらには、雄ネジ状の熱電材料と雌ねじ状の電極間に、水平移動を可能にさせるクリアランスが存在するので、熱電材料及び電極間の接触面積が非常に小さいためそれらの間に伝わる熱量が非常に少なく、発電出力及び発電効率が低下するという問題もある。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑み、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な構成でありながら、発電出力及び発電効率の低下を抑え、高温となる側の電極と熱電材料チップとの接合にロウ材又は接着剤を用いないで加工及び製造が容易にできるような熱電素子モジュール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】
【００１１】
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素子モジュールにおいて、高温となる側の電極が、該電極の表面に設けられた複数の接触突起部を介してこれら半導体と接触していることを特徴とする熱電素子モジュールが提供される。接触突起部を介すことによって、後述するような熱電材料チップ及び電極間の接触面領域内を横切る線の中で最長の線分の長さを、接触突起部がないとした場合において両部材の相対する面が全面に亘って接触する場合における最長の線分の長さよりも短くすることができ、それによって両部材間の熱膨張の差を小さくすることが可能となる。さらに、複数の接触突起部を備えることによって熱電材料チップ及び電極間の接触面積の減少が抑えられ、発電出力及び発電効率の低下を抑えることが可能になる。
【００１２】
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、接触突起部が電極を屈曲させることによって形成されていることを特徴とする熱電素子モジュールが提供される。電極を屈曲させることによって接触突起部を形成するので、非常に簡単に接触突起部を製造することができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明によれば請求項１又は２に記載の発明において、接触突起部が拡散接合又は押圧によって半導体と熱的及び電気的に接続されていることを特徴とする熱電素子モジュールが提供される。拡散接合又は押圧によって熱電材料チップと電極とを接続することによって、熱膨張の問題を回避するためにロウ材等を使用する必要がなくなり、前述したようなロウ材等を使用することによるデメリットを排除することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
各請求項に記載の発明によれば、熱電素子モジュールにおいて、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な構成でありながら、発電出力及び発電効率の低下を抑え、高温となる側の電極と熱電材料チップとの接合にロウ材又は接着剤を用いないで加工及び製造が容易にでき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】
【００１５】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明の課題解決の基本として、熱膨張差の概算方法について説明する。
【００１６】
室温ＴRTに置かれた線膨張率αの材料を、熱源に接触させることによって使用温度Ｔまで上昇させたときの長さの変化量Δｌは、
数式（１）Δｌ＝（Ｔ−ＴRT）×α×ｌ
によって表される。ここでαは材料物質固有の値であり、ｌは熱源と材料との間の接触面領域内を横切る線の中で最長の線分の長さ（以下、最長線分長さと称す）である。最長線分長さは、例えば、長方形の場合には対角線の長さを指し、楕円の場合には長軸の長さを指す。すなわち、Δｌは接触面領域における最長線分長さ方向における最大変化量を示す。これを基にすると、接合された電極と熱電材料チップとの間の熱膨脹差ΔＬは、
数式（２）ΔＬ＝｜Δｌe−Δｌc｜
によって表される。ここでΔｌeは電極の長さの変化量であり、Δｌcは熱電材料チップの長さの変化量である。
【００１７】
熱膨張差ΔＬが大きいと、それだけ接合界面における熱応力が増大し、破壊の原因となる。如何にして熱膨脹差ΔＬを小さくし、それによる接合界面の破壊が起きないようにするのかが問題である。そのための解決策として、電極と熱電材料チップ間のそれぞれの線膨張率αの値を近づけるということが考えられるが、線膨張率αは材料固有の値なので変えることはできず、そのように材料を選定しようにも、線膨張率以外にも用途に応じて融点や熱伝導率なども考慮しなければならず、これら全てが適合する材料の選定は非常に困難である。
【００１８】
そこで、本発明は、接触面内における最長線分長さｌを小さくすることによって熱膨張差ΔＬを小さくすることに着目した。以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施形態による熱電素子モジュール１の側面図を示す。熱電素子モジュール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、半田等のロウ材又は接着剤を用いずに、拡散接合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、同様に拡散接合によって接合され、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に半田等によって接合されている。ここで、高温となる側の電極４とｎ型半導体及びｐ型半導体間は、本発明の特徴である電極４側に形成された複数の接触突起部６を介して接合されている。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。
【００２０】
電極４が高温、電極５がそれに較べて低温となるような環境に、本発明の実施形態による熱電素子モジュール１を設置して端部の電極を電気回路等に接続すると、前述したようなゼーベック効果によって発生した電圧のために、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。
【００２１】
本実施形態における、電極４，５の材料は、金属、例えば、Ｃｕ（熱伝導率＝３５０Ｗ／ｍ／Ｋ）であってサイズは幅４ｍｍ×厚さ１ｍｍであり、熱電材料チップは、クラスレート材（例えばＢａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０、熱伝導率＝２Ｗ／ｍ／Ｋ）であってサイズは４ｍｍ×４ｍｍ×４ｍｍの立方体である。さらに、電極に形成された個々の接触突起部は、熱電材料チップとの接触平面と平行な平面における断面形状が、０．６ｍｍ×０．６ｍｍの正方形であって高さが０．５ｍｍの直方体であり、前述のような最長線分長さは正方形の対角線、約０．９ｍｍとなる。これらは板状の電極表面をフライス、マイクロカッター等で機械加工することによって形成される（図２）。
【００２２】
このような具体的な条件の下、接触突起部の正方形の寸法を０．５〜４ｍｍの範囲にして、電極材質をＦｅ，Ｔｉ，Ｎｉ等に変えて実験を行った結果、上下の電極間が６００Ｋの温度差を有する場合において、接触突起部の熱電材料チップとの接触面内における最長線分長さが３．５μｍ以下であれば熱膨張差による破壊が生じないことが分かった。すなわち、接合界面における破壊が生じないような値が最長線分長さには存在する。これは、接触突起部が複数ある場合であっても、個々の接触突起部がその条件を満たせば破壊が生じることはない。すなわち、接触突起部は、本実施形態のように複数あってもよく、１つだけであってもよい。
【００２３】
そして、接触突起部を複数備えることによって熱電材料チップ及び電極間の接触面積の減少が抑えられ、発電出力及び発電効率の低下を抑制することができる。これのさらなる効果として、複数の接触突起部が熱電材料チップに接合によって固定されているので、熱膨脹差によって生じる破壊の原因となる熱応力を、接合界面における熱応力の増加による他に、図３に示すように、個々の接触突起部自体が電極の膨脹方向において弾性変形することによっても緩和することができる。
【００２４】
図４は本発明の別の実施形態による熱電素子モジュール１の部分的な側面図を示す。前述の実施形態が、電極表面にフライス等で機械加工することによって接触突起部を形成したのに対して、本実施形態では、電極を屈曲させることによって接触突起部を形成している点が異なっている。接触突起部をこのように形成することによって非常に簡単に製造することが可能となる。
【００２５】
その他の実施例として、接触突起部を有していない板状の電極に対して、電極表面に蒸着又は溶射を施したり、薄片電極を接合したり、又は前述の実施形態のように屈曲させた薄片電極を接合したりすることによって、接触突起部を形成してもよい。また、接触突起部の形状は、本実施形態の直方体のような角柱の他、円柱であってもよく、截頭錐体、その他の形状であってもよい。
【００２６】
これら実施形態は、高温となる側の電極は拡散接合によって接合したが、ロウ材又は接着剤を用いないのであればその他の接合方法も使用可能である。また、拡散接合のように物理的に結合をさせるような接合方法ではなく、単に、上下の電極を外力によって押圧することで、電極及び熱電材料チップ間の熱伝導及び電気的接続を確立してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態による熱電素子モジュールの側面図である。
【図２】本発明の実施形態による電極の平面図である。
【図３】本発明の実施形態による接触突起部の弾性変形を示す側面図である。
【図４】本発明の別の実施形態による熱電素子モジュールの部分的な側面図である。
【図５】従来の熱電素子モジュールの側面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    熱電素子モジュール
２    ｎ型半導体
３    ｐ型半導体
４，５    電極
６    接触突起部
【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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