(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体とｎ型半導体とからなる複数の熱−電気直接変換半導体対と、
前記熱−電気直接変換半導体対の低温側端部において前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的に接続する複数の低温側電極と、
前記複数の低温側電極を介して前記複数の熱−電気直接変換半導体対と熱的に接続される低温側絶縁板と、
前記熱−電気直接変換半導体対の高温側端部において前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的に接続する複数の高温側電極と、
前記複数の高温側電極のそれぞれを覆う複数のカバー部材と、
前記複数の高温側電極及び前記カバー部材を介して前記複数の熱−電気直接変換半導体対と熱的に接続される高温側絶縁板と、
を備え、
前記高温側電極は、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体とを跨ぐように載置され、前記高温側電極と前記熱−電気直接変換半導体対との間は非固定であり、
前記カバー部材は、前記高温側電極を覆うように載置され、前記カバー部材と前記高温側電極の間は非固定であり、
前記カバー部材は、金属材料で形成されると共に前記高温側電極に臨む面に開口を有するバスタブ状の箱状部材で形成され、かつ、前記カバー部材の縁部は前記熱−電気直接変換半導体対の高温側端部の一部まで延出し、
前記カバー部材の少なくとも露出面に、隣接するカバー部材同士の接触による短絡を防止する電気絶縁層を設けたことを特徴とする熱−電気直接変換装置。
【請求項２】
ｐ型半導体とｎ型半導体とからなる複数の熱−電気直接変換半導体対と、
前記熱−電気直接変換半導体対の低温側端部において前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的に接続する複数の低温側電極と、
前記複数の低温側電極を介して前記複数の熱−電気直接変換半導体対と熱的に接続される低温側絶縁板と、
前記熱−電気直接変換半導体対の高温側端部において前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的に接続する複数の高温側電極と、
前記複数の高温側電極のそれぞれを覆う複数のカバー部材と、
前記複数の高温側電極及び前記カバー部材を介して前記複数の熱−電気直接変換半導体対と熱的に接続される高温側絶縁板と、
前記高温側絶縁板を覆う金属蓋、前記複数の熱−電気直接変換半導体対の周囲を取り囲む金属枠および前記低温側絶縁板を具備して形成され、前記複数の熱−電気直接変換半導体対を外気から遮断するとともに内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する気密筐体とを備え、
前記高温側電極は、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体とを跨ぐように載置され、前記高温側電極と前記熱−電気直接変換半導体対との間は非固定であり、
前記カバー部材は、前記高温側電極を覆うように載置され、前記カバー部材と前記高温側電極の間は非固定であり、
前記カバー部材は、金属材料で形成されると共に前記高温側電極に臨む面に開口を有するバスタブ状の箱状部材で形成され、かつ、前記カバー部材の縁部は前記熱−電気直接変換半導体対の高温側端部の一部まで延出し、
前記カバー部材の少なくとも露出面に、隣接するカバー部材同士の接触による短絡を防止する電気絶縁層を設けたことを特徴とする熱−電気直接変換装置。
【請求項３】
前記電気絶縁層は、耐熱性塗料、アルマイトを含む酸化皮膜、若しくはセラミック材料、又はそれらの組み合わせによって形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項４】
前記セラミック材料は、アルミナ、窒化アルミニウム、又は窒化珪素であることを特徴とする請求項３に記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項５】
前記カバー部材は、前記高温側電極よりも電気抵抗の大きな材料で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項６】
前記高温側絶縁板の高温側面には高熱伝導率を有する材料からなる箔の皮膜が設けられ、前記高温側絶縁板の低温側面には前記カバー部材と接触する位置にのみ前記箔の皮膜が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項７】
前記高温側電極は、金属細線を編んだ網状金属部材で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項８】
前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンのうち少なくとも１種のガスからなり、常温においては大気圧よりも低圧であることを特徴とする請求項２に記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項９】
前記ｐ型半導体および前記ｎ型半導体は、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、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、バリウムおよびマグネシウムのうち少なくとも３つ以上の元素からなる熱−電気直接変換半導体物質より構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱−電気直接変換装置。
【請求項１０】
前記ｐ型半導体および前記ｎ型半導体の主相の結晶構造は、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およびクラスレート構造のうちいずれか１つ又はそれらの混相であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱−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ー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ー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ーの観点から、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課題があった。
【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ーから電気エネルギー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ーを直接電気エネルギーに変換する熱−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６に示す。すなわち、従来の熱−電気直接変換装置１００は、ｐ型熱−電気直接変換半導体チップ（ｐ型半導体）２およびｎ型熱−電気直接変換半導体チップ（ｎ型半導体）３が、高温側電極５を有する高温側絶縁板７と、低温側電極６を有する低温側絶縁板８に挟まれた構造を有する。ｐ型半導体２およびｎ型半導体３は、熱−電気直接変換半導体対（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型半導体２およびｎ型半導体３は、高温側電極５と接続され、さらにｐ型半導体２およびｎ型半導体３は、低温側電極６と低温側電極−半導体チップ接合部（低温側接合部）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ｐ型半導体２およびｎ型半導体３に伝達され、ｐ型、ｎ型半導体２、３を通過する熱流１４に沿って、ｐ型半導体２の内部では半導体キャリアである正孔１６が、またｎ型半導体３の内部では半導体キャリアである電子１７が、ｐ型半導体２あるいはｎ型半導体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ｐ型、ｎ型半導体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−電流取出手段との接続手段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の外部に取出して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、逆に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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図７は、従来の熱−電気直接変換装置１００の構造の一形態を示す断面図である。一般に、熱−電気直接変換半導体対４の高温側と低温側との温度差が大きいほど発電効率は高くなる。他方、熱−電気直接変換半導体対４の高温側と低温側との温度差が大きくなると、高温側と低温側の構成部材の熱変形量の差も大きくなる。
【００１２】
この熱変形量の差を吸収するため、高温側の電極（高温側電極５）を熱−電気直接変換半導体対４に固定せず、熱−電気直接変換半導体対４を跨ぐように載置する形態がとられることがある。高温側電極５と熱−電気直接変換半導体対４とを非固定とすることにより熱変形量を吸収することが可能となり、熱−電気直接変換半導体対４の破損を防止することができる。
【００１３】
この際、高温側電極５が振動等で移動することがないように、バスタブ状の箱構造を有するカバー部材２７を、高温側電極５を覆うように配設する形態としている。このカバー部材２７の存在によって、高温側電極５と熱−電気直接変換半導体対４とが非固定であっても、高温側電極５が熱−電気直接変換半導体対の高温側端面の位置から移動、或いはずれることを回避している。
【００１４】
カバー部材２７は、高温側絶縁板７と高温側電極５との間に設けられるため、高温側電極５に熱を高効率で伝熱させるためには、熱伝導率の高い材料で形成する必要がある。また、高温側絶縁板７の近傍は、例えば、約５００℃以上の高温環境下で使用されることも想定されるため、高い耐熱性が必要とされる。このため、カバー部材２７を形成する材料として熱伝導率が高くかつ耐熱性の高い材料を用いた場合、その材料が電気伝導性を併せ持つ場合がある。
【００１５】
カバー部材２７の材料が電気伝導性を有する場合、隣接するカバー部材２７同士が接触し、電気的に短絡された状態になることが懸念される。電気的に短絡されると、短絡された熱−電気直接変換半導体対４は熱電変換に寄与しなくなり、全体とし発電性能が低下するという課題がある。
【００１６】
この課題を回避するためには、従来、例えば、熱−電気直接変換半導体対４の間に絶縁板２８を配置し、カバー部材２７同士の短絡を防止するといった対策が必要であった。
【００１７】
しかしながら、この対策方法では、各熱−電気直接変換半導体対４の間に多数の絶縁板２８を配設することとなり、部品点数の増加となる他、組立工数の増加ともなっていた。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱−電気直接変換半導体対の高温側電極を覆うカバー部材が互いに接触した場合であっても電気的短絡を防止し、発電効率の低下を回避することが可能であると共に、部品点数が少なく組立工数を低減することができる熱−電気直接変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明に係る熱−電気直接変換装置は、ｐ型半導体とｎ型半導体とからなる複数の熱−電気直接変換半導体対と、前記熱−電気直接変換半導体対の低温側端部において前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的に接続する複数の低温側電極と、前記複数の低温側電極を介して前記複数の熱−電気直接変換半導体対と熱的に接続される低温側絶縁板と、前記熱−電気直接変換半導体対の高温側端部において前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的に接続する複数の高温側電極と、前記複数の高温側電極のそれぞれを覆う複数のカバー部材と、前記複数の高温側電極及び前記カバー部材を介して前記複数の熱−電気直接変換半導体対と熱的に接続される高温側絶縁板と、を備え、前記高温側電極は、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体とを跨ぐように載置され、前記高温側電極と前記熱−電気直接変換半導体対との間は非固定であり、前記カバー部材は、前記高温側電極を覆うように載置され、前記カバー部材と前記高温側電極の間は非固定であり、前記カバー部材は、金属材料で形成されると共に前記高温側電極に臨む面に開口を有するバスタブ状の箱状部材で形成され、かつ、前記カバー部材の縁部は前記熱−電気直接変換半導体対の高温側端部の一部まで延出し、前記カバー部材の少なくとも露出面に、隣接するカバー部材同士の接触による短絡を防止する電気絶縁層を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る熱−電気直接変換装置によれば、熱−電気直接変換半導体対の高温側電極を覆うカバー部材が互いに接触した場合であっても電気的短絡を防止し、発電効率の低下を回避することが可能であると共に、部品点数が少なく組立工数を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る熱−電気直接変換装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２３】
（１）第１の実施形態
図１（ａ）は第１の実施形態に係る熱−電気直接変換装置１の構造を模式的に示す断面図である。
【００２４】
熱−電気直接変換装置１は、ｐ型半導体２とｎ型半導体３とからなる熱−電気直接変換半導体対４を複数有し、これら複数の熱−電気直接変換半導体対４が高温側絶縁板７と低温側基板２２とに挟まれて構成されている。
【００２５】
熱−電気直接変換半導体対４は、図１（ａ）において上側が熱を印加する高温側であり、下側が熱を放熱する低温側となる。
【００２６】
熱−電気直接変換半導体対４の低温側端部は、低温側接合部１２を介して低温側電極６と電気的かつ熱的に接続されている。低温側電極６は、隣接する熱−電気直接変換半導体対４のｐ型半導体２の低温側端部とｎ型半導体３の低温側端部との間を電気的に接続している。
【００２７】
一方、熱−電気直接変換半導体対４の高温側端部には高温側電極５が載置され、１つの熱−電気直接変換半導体対４を構成するｐ型半導体２とｎ型半導体３との間をこの高温側電極５によって電気的に接続する。
【００２８】
熱−電気直接変換半導体対４の高温側端部に熱が印加され、高温側端部と低温側端部との間に温度差が生じると、ｐ型半導体２の内部では高温側から低温側に、逆にｎ型半導体３の内部では低温側から高温側に電流が流れる。
【００２９】
複数ある熱−電気直接変換半導体対４はそれぞれ高温側電極５及び低温側電極６を介して順次に接続されているため、各熱−電気直接変換半導体対４は電気的には直列接続の形態で電気エネルギーを生成することになる。直列接続された熱−電気直接変換半導体対４のうち、両端に位置する熱−電気直接変換半導体対４からは電流取出部１０を介して外部に電気エネルギーを取り出すことができる。
【００３０】
なお、電流取出部１０に電流を印加することにより、熱−電気直接変換装置１を電気エネルギーから熱への変換装置として機能させることもできる。
【００３１】
低温側基板２２は、上記の低温側電極６と、低温側絶縁板８と、低温系統への熱放出部２４とを備えて構成される。
【００３２】
より具体的には、低温側絶縁板８は例えばセラミック板で形成され、このセラミック板の両面に金属板を接合することにより、低温側電極６と低温系統への熱放出部２４とが一体的に形成される。この際、複数ある各低温側電極６は相互に分割され、低温側絶縁板接合部２３を介して低温側絶縁板８の上にパッチ状に接合される。他方、低温系統への熱放出部２４を形成する金属板は、低温側絶縁板８の低温側の略全面に渡って形成される。
【００３３】
このように低温側絶縁板８の表面に予め低温側電極６と低温側系統への熱放出部２４とを接合させて低温側基板２２を一体的に形成することにより、熱−電気直接変換装置１の組み立て作業が簡素化される。さらに、低温側絶縁板８と低温側電極６および低温側系統への熱放出部２４との接合強度が高くまた両者の密着度も高く形成できるため、耐久性に優れた熱−電気直接変換装置１が得られる。
【００３４】
なお、低温側電極６および低温側系統への熱放出部２４を形成する金属板の材料としては、耐熱性及び電気伝導性あるいは熱伝導性の点から、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】
また、低温側絶縁板８を形成するセラミック板の材料としては、絶縁耐性の安定性の点から、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。
【００３６】
他方、熱−電気直接変換半導体対４の高温側端部の構成は低温側とは若干異なる。
【００３７】
図１（ｂ）は、熱−電気直接変換半導体対４の高温側の構成部材を示す図である。図１（ｂ）に示したように、熱−電気直接変換半導体対４の高温側端部には、高温側電極５がｐ型半導体２とｎ型半導体３を跨ぐように載置される。この際、熱−電気直接変換半導体対４と高温側電極５との間は非固定の状態とする。これによって、熱−電気直接変換半導体対４が熱変形を生じた場合であってもその熱変形を吸収し、熱−電気直接変換半導体対４の破損を防止することが可能となる。
【００３８】
一方、高温側電極５は非固定であるため、傾斜や振動等による移動を防止する対策を予め講じておく必要がある。カバー部材２７はこのための部材であり、高温側電極５を覆うように高温側電極５の上から配設される。カバー部材２７は、高温側電極５に臨む面に開口を有するバスタブ状の箱状部材で形成されている。カバー部材２７の縁部は、熱−電気直接変換半導体対４の高温側端部の一部まで延びており、これにより高温側電極５をカバー部材２７の内部に収容し、移動を防止することができる。
【００３９】
カバー部材２７の高温側面（図１において上側の面）には高温側絶縁板７が圧接される。
【００４０】
高温側電極５、カバー部材２７、及び高温側絶縁板７は熱−電気直接変換装置１に印加される熱を熱−電気直接変換半導体対４の高温側端部に高い効率で伝えるため、熱伝導率の高い材料で形成する必要がある。また、これらの構成品は高温環境下、例えば約５００℃以上、で使用されるため、高い耐熱性も要求される。以下にこれらの構成品の材料や細部構造について説明する。
【００４１】
高温側電極５は、ｐ型半導体２とｎ型半導体３とを電気的に接続するものであり、高い電気伝導性が必要となる。このため、例えば銅等の金属材料で形成される。
【００４２】
一方、上述したように高温側電極５とｐ型半導体２或いはｎ型半導体３との端部は非固定の状態であるため、より一層接続部の密着性を高め電気抵抗を低減する必要がある。そこで、本実施形態に係る高温側電極５では、銅線等の金属細線を密に編んだ網状金属部材を用いて形成している。この網状金属部材で形成された高温側電極５を、カバー部材２７を介して高温側絶縁板７で圧接することにより、網状金属部材が有する弾性によって、高温側電極５とｐ型半導体２或いはｎ型半導体３との端部との密着性が向上し、高い電気伝導性が確保できる。また、この密着性の向上により熱伝導性も併せて向上させることができる。
【００４３】
さらに、高温側電極５を網状金属部材で形成することにより、熱−電気直接変換半導体対４の高さ方向の誤差（単体及び個体間のばらつきを含む）を吸収することが可能となる。一般に、熱−電気直接変換半導体対４の高さは、製造誤差や印加される熱の不均一性等によって一定の誤差を生じるが、これらの誤差によって高温側電極５と熱−電気直接変換半導体対４との間の密着性が損なわれ、熱伝導性、電気伝導性の低下の要因となる。網状金属部材で形成された高温側電極５により、これらの誤差を吸収し、高い熱伝導性、電気伝導性を確保することができる。
【００４４】
カバー部材２７は、電気伝導性は要求されないが、高い熱伝導性と耐熱性が要求される。このため、金属材料が用いられる場合がある。この場合にはカバー部材２７が結果的に電気伝導性を有することになる。
【００４５】
カバー部材２７は、熱−電気直接変換半導体対４の熱変形を吸収するため、高温側電極５と同様に高温側電極５を覆うように載置されるのみで非固定の状態である。このため、熱−電気直接変換装置１が傾斜したときや振動したときに、隣接するカバー部材２７との接触の可能性を完全には排除できない。
【００４６】
そこで、第１の実施形態に係るカバー部材２７では、その外周の全面に電気絶縁層２７ａを設ける形態としている。この電気絶縁層２７ａによって、万一カバー部材２７が隣接するカバー部材２７と接触した場合であっても短絡することが無い。
【００４７】
隣接する熱−電気直接変換半導体対４同士が短絡するとその熱−電気直接変換半導体対４は発電に寄与しなくなり、熱−電気直接変換装置１全体としての熱電変換効率が低下することになるが、電気絶縁層２７ａを設けることによって熱電変換効率の低下を防止することが可能となる。
【００４８】
電気絶縁層２７ａは、電気絶縁性を有し、熱伝導率が高くかつ耐熱性に優れた材料が好ましく、例えば、耐熱性塗料、アルマイトを含む酸化皮膜、若しくはセラミック材料、又はそれらの組み合わせによって形成される。
【００４９】
また前記セラミック材料としては、同様に電気絶縁性を有し、熱伝導率が高くかつ耐熱性に優れた材料として、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、又は窒化珪素等が用いられる。
【００５０】
カバー部材２７は、熱伝導率が高くかつ耐熱性に優れた材料が要求され、電気伝導性を有する場合には前記高温側電極よりも電気抵抗の大きな材料で形成されることが好ましい。
【００５１】
高温側絶縁板７は、複数のカバー部材２７の全体をほぼ覆うようにこれらの上から圧接するように設けられる。高温側絶縁板７の高温側面には熱が直接印加されるため、高い耐熱性が要求される。また、印加された熱を効率よく熱−電気直接変換半導体対４へ伝えるために高い熱伝導率が必要である。さらに、各熱−電気直接変換半導体対４との電気絶縁性を確保する必要もある。このため、高温側絶縁板７は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のように電気絶縁性を有し、熱伝導率が高くかつ耐熱性に優れた材料を用いたセラミック基板で形成される。
【００５２】
高温側絶縁板７の熱伝導性をさらに高めるため、高温側絶縁板７の両面に熱伝導率の高い金属皮膜（箔）を形成する形態としても良い。例えば、高温側絶縁板７の高温側面のほぼ全面に第１の金属皮膜７ａを設け、その反対側の面（カバー部材２７と接する面）にパッチ上の複数の第２の金属皮膜７ｂを設ける形態とする。
【００５３】
第１、第２の金属皮膜７ａ、７ｂを設けることにより、高温側絶縁板７とその両面に接する構成品との密着性が高まり、熱伝導性を向上することができる。
【００５４】
なお、第２の金属皮膜７ｂは、カバー部材２７の形状に略対応したパッチ形状とし、隣接するパッチとの間を離隔することにより、熱−電気直接変換半導体対４同士の電気絶縁性を確実にしている。
【００５５】
熱−電気直接変換半導体対４を構成するｐ型半導体２およびｎ型半導体３は、熱電変換効率の観点から、および良好な熱電効果を長期間維持することができるという観点から、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、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、バリウムおよび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。
【００５６】
また、ｐ型半導体２およびｎ型半導体３の主相の結晶構造は、良好な熱電効果の観点から、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およびクラスレート構造のうちのいずれか１つ、或いはこれらの混相であることが好ましい。
【００５７】
上記のように構成された熱−電気直接変換装置１によれば、熱−電気直接変換半導体対４の高温側の構成品、即ち、高温側電極５、カバー部材２７、及び高温側絶縁板７はいずれも高い熱伝導性と耐熱性を有する材料で形成され、かつ熱的に高い密着性を実現できるため、高温側絶縁板７の表面に印加された熱が効率よく熱−電気直接変換半導体対４に伝わり、高い熱電変換効率を確保することができる。
【００５８】
また、高温側電極５及びカバー部材２７は、熱−電気直接変換半導体対４に非固定で載置する形態としているため、熱−電気直接変換半導体対４が熱変形した場合でも接合部に応力集中が生じることが無く、熱−電気直接変換半導体対４の破損を防止することができる。
【００５９】
さらに、カバー部材２７の表面に電気絶縁層２７ａを設けたことにより、カバー部材２７同士の電気的短絡を排除することができる。このため、熱−電気直接変換装置１の傾斜や振動等によってカバー部材２７同士が万一接触した場合であっても隣接する熱−電気直接変換半導体対４同士で電気的短絡が生じるおそれがなく、発電効率の低下を回避することができる。
【００６０】
（２）第２の実施形態
図２は、第２の実施形態に係る熱−電気直接変換装置１ａの構造を模式的に示す断面図である。第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、カバー部材２７の電気絶縁層の形態にある。
【００６１】
第１の実施形態では、カバー部材２７の全表面に電気絶縁層２７ａを設ける形態としている。これに対して、第２の実施形態に係るカバー部材２７は、箱形状の外部に露出している面のみに電気絶縁層２７ｂを設ける形態とし、箱形状の内側の面には電気絶縁層を設けていない。
【００６２】
隣接するカバー部材２７との電気絶縁を確保するという観点からは、カバー部材２７の外側の面のみに電気絶縁層２７ｂを設ければ充分である。
【００６３】
一方、カバー部材２７の内側の面に電気絶縁層を設けずカバー部材２７を露出させる形態としている。このため、第２の実施形態によれば、カバー部材２７自体が有する電気伝導性によって熱−電気直接変換半導体対４のｐ型半導体２とｎ型半導体３との間に電流を流すことができ、高温側電極５の電気伝導性を補完することが可能となる。
【００６４】
なお、第１、第２の実施形態のいずれにおいても、構成部品の酸化等による劣化を防止するために、熱−電気直接変換装置１、１ａは、不活性ガス雰囲気中に配設されることが望ましい。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンから選択されるガスからなることが好ましい。或いはこれらの混合ガスでもよい。これらの非酸化性の気体中に設置し、熱−電気直接変換装置１、１ａの周囲雰囲気を非活性とすることにより、ｐ型半導体２或いはｎ型半導体３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１、１ａが得られる。
【００６５】
（３）第３の実施形態
図３は、第３の実施形態に係る熱−電気直接変換装置１ｂの外観を示す斜視図である。また、図４は、図３に示す熱−電気直接変換装置１ｂのＸ−Ｘ矢視断面図である。
【００６６】
第３の実施形態に係る熱−電気直接変換装置１ｂは、複数の熱−電気直接変換半導体対４とその周辺の構成品等を気密筐体３０に収容する形態である。
【００６７】
気密筐体３０は、複数の熱−電気直接変換半導体対４の高温側端部に熱的に接続される高温側絶縁板７を覆う金属蓋２０と、複数の熱−電気直接変換半導体対４の周囲を取り囲む金属枠２１と、複数の熱−電気直接変換半導体対４の低温側端部に熱的に接続される低温側基板２２とから構成されている。気密筐体３０は、複数の熱−電気直接変換半導体対４等からなる内部構成品を外気から遮断するとともに、気密筐体３０の内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する。
【００６８】
不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンから選択されるガスからなることが好ましい。或いはこれらの混合ガスでもよい。これらの非酸化性の気体を気密筐体３０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１ｂが得られる。
【００６９】
また、熱−電気直接変換装置１ｂにおいて、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。気密筐体３０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、高温時の内圧の上昇に伴う破損を防止するとともに気密筐体３０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。さらに、気密筐体３０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。
【００７０】
気密筐体３０を構成する金属蓋２０および金属枠２１は、例えばニッケル基合金のような耐熱合金もしくは耐熱金属から形成される。金属蓋２０および金属枠２１を形成する耐熱合金もしくは耐熱金属としては、高温度使用環境における耐久性の点から、ニッケル基合金の他、ニッケル、炭素鋼、ステンレス鋼、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又はニッケル若しくは銅を含有する合金のいずれかより選択されることが好ましい。
【００７１】
金属蓋２０と金属枠２１とは、例えば溶接によって接合される。この他、金属蓋２０と金属枠２１とを一体的に成形する形態でもよい。金属蓋２０と金属枠２１とを一体成形することによって部品点数が減り組立作業が簡素化される。
【００７２】
金属枠２１と低温側基板２２との接合方法は、特に限定されるものではないが、接合強度の点から、溶接、ハンダ付け若しくはロウ付け、拡散接合又は接着剤により接合されていることが好ましい。
【００７３】
気密筐体３０を構成する低温側基板２２は、基本的には第１の実施形態と同様のものである。ただし、熱−電気直接変換装置１ｂから電流を取り出す電流取出手段１０は、低温側基板２２を貫通する接続手段９を介して熱−電気直接変換半導体対４（直列に接続された熱−電気直接変換半導体対４のうち、両端に位置する熱−電気直接変換半導体対４）と接続されており、気密筐体３０の機密性を維持する形態となっている。
【００７４】
気密筐体３０の内部に収容される熱−電気直接変換半導体対４、高温側電極５、カバー部材２７、高温側絶縁板７はいずれも第１の実施形態と同様のものであり、カバー部材２７には電気絶縁層２７ａが全表面に設けられている。
【００７５】
第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、気密筐体３０を備えていることにより、熱−電気直接変換装置１ｂを単独で空気中に設置し、高温環境下で長時間動作させても内部構成品の酸化や窒化による劣化を効果的に抑止することが可能となり、長期間にわたって高い熱電変換効率を維持することができる。
【００７６】
（４）第４の実施形態
図５は、第４の実施形態に係る熱−電気直接変換装置１ｃの構成を示す断面図である。
【００７７】
第４の実施形態と第３の実施形態との相違点は、カバー部材２７の電気絶縁層の形態にある。
【００７８】
第３の実施形態では、カバー部材２７の全表面に電気絶縁層２７ａを設ける形態としている。これに対して、第４の実施形態に係るカバー部材２７は、箱形状の外部に露出している面のみに電気絶縁層２７ｂを設ける形態とし、箱形状の内側の面には電気絶縁層を設けていない。
【００７９】
第４の実施形態によれば、第３の実施形態の効果に加えて、カバー部材２７自体が有する電気伝導性によって熱−電気直接変換半導体対４のｐ型半導体２とｎ型半導体３との間に電流を流すことができ、高温側電極５の電気伝導性を補完することが可能となる。
【００８０】
上記に説明したように、第１乃至第４の実施形態に係る熱−電気直接変換装置１、１ａ、１ｂ、１ｃによれば、高温側電極５を覆うカバー部材２７に電気絶縁層２７ａ、２７ｂを設けることにより、カバー部材２７が互いに接触した場合であっても電気的短絡を防止し、発電効率の低下を回避することが可能であると共に、部品点数が少なく組立工数を低減することができる。
【００８１】
なお、本発明は上記の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】（ａ）は、本発明に係る熱−電気直接変換装置の第１の実施形態の構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）はその高温側構成品の細部及び組み立て手順を示す図。
【図２】（ａ）は、本発明に係る熱−電気直接変換装置の第２の実施形態の構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）はその高温側構成品の細部及び組み立て手順を示す図。
【図３】本発明に係る熱−電気直接変換装置の第３の実施形態の外観を示す斜視図。
【図４】本発明に係る熱−電気直接変換装置の第３の実施形態の構造を模式的に示す断面図。
【図５】本発明に係る熱−電気直接変換装置の第４の実施形態の構造を模式的に示す断面図。
【図６】熱−電気直接変換装置の一般的構成及び動作概念を示す説明図。
【図７】従来の熱−電気直接変換装置の構造を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００８３】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  熱−電気直接変換装置
２  ｐ型半導体
３  ｎ型半導体
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
７ａ  第１の金属皮膜
７ｂ  第２の金属皮膜
８  低温側絶縁板
１０  電流取出手段
１２  低温側接合部
２０  金属蓋
２１  金属枠
２２  低温側基板
２３  低温側絶縁板接合部
２４  低温側系統への熱放出部
２７  カバー部材
２７ａ、２７ｂ  電気絶縁層
２８  絶縁板
３０  気密筐体
【図１】
0004969793.tif 000002
【図２】
0004969793.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004969793.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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