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技術 熱電変換素子

出願人 株式会社NEOMAX
発明者 中村恭之高橋忠一
出願日 1993年11月16日 (26年8ヶ月経過) 出願番号 1993-311220
公開日 1995年6月2日 (25年2ヶ月経過) 公開番号 1995-142768
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機 超音波モータ、圧電モータ、静電モータ
主要キーワード 加圧圧縮成形 リニアアクチュエーター 負荷特性曲線 高熱伝導金属 熱伝導用 炎センサー ゴミ処理用 熱センサー
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

目的

鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体N型半導体とをPN接合した構成のゼーベック効果による熱電変換素子発電能力変換効率)を向上させかつ製造方法が容易な構成を提供し、該熱電変換素子の用途範囲を大幅拡大する。

構成

複数の鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zとをそれぞれチタン(Ti)板からなる熱伝導用金属板83a……83zを介して銅(Cu)系ろう材84a……84zにてPN接合を形成して接合し、それらを放熱板86と受熱板87とによって所定位置に配置して固定し、全体として平板状の熱電変換素子を構成した熱電変換素子80は、P型半導体とN型半導体とを個別に成形して効率よく製造でき、また、放熱板86と受熱板87とによって加熱部(PN接合部)側と開放端側との温度差を拡大して発電効率を向上させ、多くのP型、N型半導体を直列接続して比較的大きな電力を取り出すことが可能で、ゴミ処理用煙突等の壁面や自動車マフラー等に配置できる。

概要

背景

熱電変換素子は、最近の産業界において要求の高い、熱エネルギーの有効活用の観点から実用化が期待されているデバイスであり、例えば、排熱を利用し電気エネルギーに変換するシステムや、屋外で簡単に電気を得るための小型携帯発電装置ガス機器炎センサー等、非常に広範囲の用途が検討されている。しかし、いままでに知られている熱電変換素子は、一般に熱電変換素子を構成する半導体の価格が高く、そのわりに使用温度範囲が狭く、また、変換効率が低いことや製造方法が煩雑である等の理由から汎用されるに至っていない。

これらの問題点を解決する熱電変換素子として、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体N型半導体とをPN接合した構成からなる熱電変換素子が提案されており、半導体が比較的安価な材料からなることや、使用温度範囲が広く、耐熱性も〜900℃程度と高い等のことから注目されている。

この熱電変換素子は、通常、図10に示す如く、鉄硅化物(FeSi2)にマンガン(Mn)またはコバルト(Co)等の適性不純物を添加したP型半導体2とN型半導体3とを一端側でPN接合して形成したU字型の形状からなる。このような構成からなる熱電変換素子1において、前記PN接合部4を加熱すると、該PN接合部4に熱エネルギーが供給されゼーベック効果によって各々の半導体2,3の解放端側(低温端側)にプラス(+)及びマイナス(−)の電圧が発生し、該解放端から電力が取り出せるのである。

また、このU字型の形状からなる熱電変換素子1は、以下に説明する如き工程によって製造されることが知られている。すなわち、
1)Fe1-XMnXSi2及びFe1-YCoYSi2の所定組成を有するP型半導体用合金及びN型半導体用合金を溶解鋳造にて得る。
2)上記各々半導体用合金をスタンプミルボールミル等の粉砕機によって所定の粒径(1.5μm程度)に粉砕する。
3)所定量のバインダーPVA)を混錬して造粒する。
4)上記各々の半導体用合金粉末を、U字型の貫通孔を有するダイス内に充填する。ただし、合金粉末を充填する際には、予めダイス内に下パンチを配置するとともに、PN接合部となる箇所に仕切り板を配置しておき、各々の半導体用合金粉末を所定量充填した後に、該仕切り板を取り除き、互いの半導体用合金粉末同志がPN接合部にて接触するようにする。
5)上記ダイス内に配置される上パンチと下パンチとで加圧圧縮成形しU字型の形状からなる成形体を得る。
6)上記成形体に大気中にて脱バインダー処理を施した後、真空中で所定温度にて焼結する(例えば、1150℃×3時間)。
7)上記焼結体に大気中で所定温度にて半導体化熱処理を施す(例えば、750℃×50〜200時間)。

概要

鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体とN型半導体とをPN接合した構成のゼーベック効果による熱電変換素子の発電能力(変換効率)を向上させかつ製造方法が容易な構成を提供し、該熱電変換素子の用途範囲を大幅拡大する。

複数の鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zとをそれぞれチタン(Ti)板からなる熱伝導用金属板83a……83zを介して銅(Cu)系ろう材84a……84zにてPN接合を形成して接合し、それらを放熱板86と受熱板87とによって所定位置に配置して固定し、全体として平板状の熱電変換素子を構成した熱電変換素子80は、P型半導体とN型半導体とを個別に成形して効率よく製造でき、また、放熱板86と受熱板87とによって加熱部(PN接合部)側と開放端側との温度差を拡大して発電効率を向上させ、多くのP型、N型半導体を直列接続して比較的大きな電力を取り出すことが可能で、ゴミ処理用煙突等の壁面や自動車マフラー等に配置できる。

目的

この発明は、上記の問題点を解決し、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体とN型半導体とをPN接合した構成からなる熱電変換素子において、その発電能力(変換効率)の向上を可能とするとともに製造方法が容易な構成を提供し、該熱電変換素子の用途範囲を大幅に拡大することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
4件

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請求項1

鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体N型半導体とをPN接合した構成からなる熱電変換素子において、前記一対の半導体間にチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金からなる熱伝導用金属板を介在させ銅(Cu)系ろう材にてろう付けしPN接合部を形成したことを特徴とする熱電変換素子。

技術分野

0001

この発明は、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体N型半導体とをPN接合した構成からなる熱電変換素子の改良に係り、PN接合部をチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金からなる熱伝導用金属板を介在させ銅(Cu)系ろう材にてろう付け形成し、発電能力変換効率)を向上させるとともに製造を容易にした熱電変換素子に関する。

背景技術

0002

熱電変換素子は、最近の産業界において要求の高い、熱エネルギーの有効活用の観点から実用化が期待されているデバイスであり、例えば、排熱を利用し電気エネルギーに変換するシステムや、屋外で簡単に電気を得るための小型携帯発電装置ガス機器炎センサー等、非常に広範囲の用途が検討されている。しかし、いままでに知られている熱電変換素子は、一般に熱電変換素子を構成する半導体の価格が高く、そのわりに使用温度範囲が狭く、また、変換効率が低いことや製造方法が煩雑である等の理由から汎用されるに至っていない。

0003

これらの問題点を解決する熱電変換素子として、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体とN型半導体とをPN接合した構成からなる熱電変換素子が提案されており、半導体が比較的安価な材料からなることや、使用温度範囲が広く、耐熱性も〜900℃程度と高い等のことから注目されている。

0004

この熱電変換素子は、通常、図10に示す如く、鉄硅化物(FeSi2)にマンガン(Mn)またはコバルト(Co)等の適性不純物を添加したP型半導体2とN型半導体3とを一端側でPN接合して形成したU字型の形状からなる。このような構成からなる熱電変換素子1において、前記PN接合部4を加熱すると、該PN接合部4に熱エネルギーが供給されゼーベック効果によって各々の半導体2,3の解放端側(低温端側)にプラス(+)及びマイナス(−)の電圧が発生し、該解放端から電力が取り出せるのである。

0005

また、このU字型の形状からなる熱電変換素子1は、以下に説明する如き工程によって製造されることが知られている。すなわち、
1)Fe1-XMnXSi2及びFe1-YCoYSi2の所定組成を有するP型半導体用合金及びN型半導体用合金を溶解鋳造にて得る。
2)上記各々半導体用合金をスタンプミルボールミル等の粉砕機によって所定の粒径(1.5μm程度)に粉砕する。
3)所定量のバインダーPVA)を混錬して造粒する。
4)上記各々の半導体用合金粉末を、U字型の貫通孔を有するダイス内に充填する。ただし、合金粉末を充填する際には、予めダイス内に下パンチを配置するとともに、PN接合部となる箇所に仕切り板を配置しておき、各々の半導体用合金粉末を所定量充填した後に、該仕切り板を取り除き、互いの半導体用合金粉末同志がPN接合部にて接触するようにする。
5)上記ダイス内に配置される上パンチと下パンチとで加圧圧縮成形しU字型の形状からなる成形体を得る。
6)上記成形体に大気中にて脱バインダー処理を施した後、真空中で所定温度にて焼結する(例えば、1150℃×3時間)。
7)上記焼結体に大気中で所定温度にて半導体化熱処理を施す(例えば、750℃×50〜200時間)。

発明が解決しようとする課題

0006

先に説明した製造方法によって得られる鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体2とN型半導体3とをPN接合を形成して接合したU字型熱電変換素子1は、従来から知られる他の熱電変換素子に比べて、価格、耐熱性等の点において優れているが、その反面、PN接合構成、製造方法等に起因して以下の問題点を有している。図10に示す構成において、PN接合部4を加熱すると、該PN接合部4に熱エネルギーが供給され電流発生源となる電子正孔対が発生するが、同時にこの電子正孔対発生時には、熱エネルギーを奪う所謂ペルチェ効果のためPN接合部4の温度が低下し、その結果、電子正孔対の発生頻度が減少し、各々の半導体2,3の解放端側(低温端側)から取り出せる電力が減少することとなり、要求される発電能力(変換効率)を実現するに至っていない。

0007

また、先に説明した製造方法において、U字型熱電変換素子の成形体を得るためには、1つのダイス内にP型半導体用合金粉末とN型半導体用合金粉末からなる2種類の粉末を混合することなく同時に充填する必要があることから、その充填作業は非常に煩雑なものとなる。さらに、このような2種類の粉末を加圧圧縮成形、焼結によって一体化する構成であることから、成形体の形状も必然的に限定され、この熱電変換素子の用途拡大を妨げる要因にもなっている。

0008

さらにまた、上記の充填作業時に細心の注意を払ったとしても、互いの半導体用合金粉末の接合部において、粉末の混合を完全に防ぐことは困難であり、その接合状態に応じて良好なPN接合が得られず、電気的な特性劣化バラツキを招く要因となっている。

0009

この発明は、上記の問題点を解決し、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体とN型半導体とをPN接合した構成からなる熱電変換素子において、その発電能力(変換効率)の向上を可能とするとともに製造方法が容易な構成を提供し、該熱電変換素子の用途範囲を大幅に拡大することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0010

この発明は、上記の目的を達成するために種々の検討を繰り返した結果、予め鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体とN型半導体とを別個に作成したのち、これらの各々半導体を銅(Cu)系ろう材にてチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金等の熱伝導用金属板にろう付け一体化することによって目的が達成できることを知見し、提案するものである。

0011

すなわち、本願発明者は製造を容易にするとともに、PN接合部における各々半導体用合金粉末の混合を完全に防ぎ、さらに各々半導体の形状を任意に選定可能とするためには、P型半導体とN型半導体とを別個に作成することが不可欠であると判断した。また、本願発明者は、ペルチェ効果による電子正孔対の発生の減少を防止するためにPN接合部に熱エネルギーを効率良く供給するには、PN接合部を直接加熱する従来の構成ではPN接合部の形状等の点から限界があり、熱源からの熱エネルギーをPN接合部に効率良く伝導することが可能な熱伝導用金属板を各々半導体の接合部に配置することが有効であり、特に、熱伝導用金属板として、高温加熱による酸化を防止するために、耐酸化性に優れたチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金が有効であることを確認した。

0012

さらに、これらの別個に作成された半導体と熱伝導用金属板を接合一体化する手段を種々検討したところ、従来から知られる半田では、接合一体化は可能であっても融点が低いことから高温度での使用が困難であり、低温度で使用した場合は鉄硅化物(FeSi2)を主体とする半導体が本来有する特徴を十分発現することができず、目的とする出力電力を得ることができなかった。

0013

従来からろう材として多用されている銀(Ag)ろうでは、各々半導体の表面に形成されている酸化膜(SiO2)との馴染みが悪いことから接合強度が低く、特に高温雰囲気での使用に耐えるような接合強度が得られなく、さらに酸化膜(SiO2)を除去した後、銀(Ag)ろうにてろう付けをすると、各々半導体の内部に銀(Ag)が拡散し、半導体の電気的特性を低下させることのみならず機械的特性をも低下させてしまう(脆くなる)ことが確認された。

0014

そこで、前記各々の半導体とチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金とのろう付け一体化を種々検討した結果、銅(Cu)を主成分(Cuの含有量が50at%以上)とする銅(Cu)系ろう材を用いて接合一体化したところ、半導体表面の酸化膜(SiO2)を除去することなく極めて良好な接合を得ることができた。

0015

以上に説明するような種々の知見に基づき完成されたこの発明は、要するに、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体とN型半導体とをPN接合した構成からなる熱電変換素子において、前記一対の半導体間にチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金からなる熱伝導用金属板を介在させ銅(Cu)系ろう材にてろう付けしPN接合部を形成したことを特徴とする熱電変換素子である。

0016

図1は、この発明の熱電変換素子の一実施例を示す概要説明図である。すなわち、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体11とN型半導体12とをチタン(Ti)からなる熱伝導用金属板13を介してPN接合を形成して接合すべく、前記各々半導体11,12と熱伝導用金属板13とを銅(Cu)系ろう材14,14にてろう付け一体化した構成からなる熱電変換素子10である。15,15は各々半導体11,12の開放端側に接合され、電極板放熱板とを兼ねる銅(Cu)板であり、該接合部の温度はPN接合部に比べて低温度であるため銅(Cu)系ろう材を使用することなく亜鉛−錫(Zn−Sn)半田等の融点の低いろう材16,16にて接合一体化しても目的とする特性の熱電変換素子10を得ることができる。

0017

以上の構成において、チタン(Ti)からなる熱伝導用金属板13を熱源(図示せず)に近づけると、熱源からの熱エネルギーが熱伝導用金属板13を介して鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体11とN型半導体12とに伝導、供給され、先に説明したようにゼーべック効果によって各々の半導体11,12の開放端側(低温端側)にプラス(+)及びマイナス(−)の電圧が発生し、該開放端から電力が取り出せるのである。

0018

この構成においては、各々の半導体11,12の接合部に熱エネルギー供給源としてチタン(Ti)からなる熱伝導用金属板13が配置され、各々の半導体11,12の外部に位置する熱源(図示せず)からたえず熱エネルギーが効率良く供給されることから、ペルチェ効果による電子正孔対の発生の減少を防止することができ、発電効率を高めることができる。また、P型半導体11とN型半導体12とが別個に製造され熱伝導用金属板13を介して接合されていることからPN接合部における各々半導体用合金粉末の混合等が生じることなく安定した電力が取り出せる。

0019

さらに、各々半導体11,12の開放端側に銅(Cu)板からなる放熱板を接合することによって各々半導体11,12の加熱部(PN接合部)と解放端との温度差を拡大することが可能となり、発電効率の一層の向上が達成される。各々半導体11,12の感温部も実質的に熱伝導用金属板13との接合部分だけとなることから、該各々半導体11,12の全長(L)を短くすることができ、各々半導体11,12が有する電気抵抗をも低減することができ、発電効率の向上に寄与することとなる。その他、この発明の熱電変換素子10は種々の特徴を有するが、それらの具体的な特徴は後述する他の実施例とをあわせて詳細に説明する。

0020

以下に、この発明の熱電変換素子10を構成する各々の部材について一層詳細に説明する。熱電変換素子10を構成する各々半導体11,12は、これらを各々別個に所定形状からなる成形空間(貫通孔)を有するダイス内に充填して加圧圧縮成形する以外は先に説明した従来の製造方法と実質的には同様方法にて得られる。すなわち、溶解鋳造にて得られるFe1-XMnXSi2及びFe1-YCoYSi2の所定組成を有するP型半導体用合金及びN型半導体用合金を粉砕、造粒した後、別個に所定形状からなる成形空間(貫通孔)を有するダイス内に充填し、さらに、加圧圧縮成形、脱バインダー処理、焼結の各工程を経て、各々独立した単体品としてP型半導体11とN型半導体12とを得るのである。

0021

なお、この発明の熱電変換素子においては、銅(Cu)系ろう材による熱伝導用金属板13と半導体11,12とのろう付け温度が、通常800℃〜900℃程度にて実施されるため、半導体化熱処理は、該ろう付け作業の工程終了後に行う。すなわち、半導体化熱処理後に該熱処理温度以上に加熱することは、半導体として有する本来の特性が損なわれ、目的とする発電作用が得られなくなるからである。

0022

P型半導体11とN型半導体12との接合部に配置する熱伝導用金属板13は、熱源からの熱エネルギーを各々半導体に効率よく伝導、供給できるとともに、該材料の表面に加熱による酸化を防止するためチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金のいずれかを選定して用いるが、特にチタン(Ti)合金を用いる場合は、目的とする耐酸化性や銅(Cu)系ろう材14との馴染み等の観点から、合金中のチタン(Ti)含有量を70at%以上とすることが好ましい。例えば、Ti−Ni、Ti−Zr等の組成が利用できる。

0023

また、上記熱伝導用金属板13は、その機械的強度とともに各々半導体と熱源との距離等を考慮して形状、寸法を選定するのが好ましい。例えば、熱源としては自動車ボイラーの排熱、ストーブ余熱等の内燃、外燃機器エネルギーのほか、地熱太陽熱などの自然エネルギーなどの種々の熱源が想定できるが、まず熱源からの熱エネルギーを効率よく集熱する装置や治具を使用する場合、これらの装置や治具からの熱エネルギーを各々半導体に効率よく伝導、供給するため、装置や治具等に応じて、あるいはこれらと一体化するため熱伝導用金属板の材質、形状などが適宜選定されるため、熱伝導用金属板は様々な形態を取り得る。当然、熱電変換素子そのものを集熱装置等に適合させるよう構成する場合においても熱伝導用金属板は様々な形態を取り得る。

0024

各々半導体11,12と前記熱伝導用金属板13とを接合一体化する銅(Cu)系ろう材14としては、銅(Cu)又は銅(Cu)を50at%以上含有する銅(Cu)系合金(例えば、Cu−Ni合金、Cu−Ni−Zr合金等)を圧延液体急冷法等によって箔帯とした所謂箔帯ろう材、銅(Cu)を芯材としてその両主面にニッケル(Ni)またニッケル−銅(Ni−Cu)合金箔等を圧接してなる所謂3層複合箔ろう材、銅(Cu)粉末又は銅(Cu)を主成分とする合金粉末からなる所謂粉末状ろう材、これら粉末と有機バインダーを用いてペースト状にした所謂ペースト状ろう材等公知の種々の形態からなる銅(Cu)系ろう材の使用が可能である。いずれにしても、銅(Cu)系ろう材14は、P型半導体11とN型半導体12及び熱伝導用金属板13との馴染みを良好にし、高温度での使用に耐える接合強度を得るためには、上記種々の形態からなるろう材が溶融した時点で、前記熱伝導用金属板13との互いの溶融・拡散によってろう材としての機能が発現されることが必要であり、特に互いの溶融・拡散を効果的に実現するためには介装時の銅(Cu)系ろう材14の厚さを0.1mm以下とすることが望ましい。

0025

図2から図8に示す熱電変換素子は、この発明の他の実施例を示す概略説明図である。この発明の熱電変換素子においては、熱電変換素子を構成する各々半導体が個別に独立して製造されることから、それらを種々の形状とすることが可能であることを先に説明した。図1には、各々の半導体を略角柱状として、熱伝導用金属板を介して接合することによって略U字型の熱電変換素子とする構成が示されたが、図2から図5では立方体または直方体略立方体)からなる半導体を配置して構成した熱電変換素子を示している。

0026

図2は直方体からなる鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体21とN型半導体22とをチタン(Ti)板からなる熱伝導用金属板23を介してPN接合を形成して接合して熱電変換素子20を構成している。25,25はそれぞれP型半導体とN型半導体との低温端側に接合し、放熱板の役割を兼ねる銅(Cu)板からなる電極板である。この電極板25,25は後述する図3図4に示す実施例の如く熱電変換素子20を複数接続する構成において電気的接続を容易にするために、それぞれ所定の角度をもって開放端部が開くよう接合されている。この熱電変換素子20においては、P型半導体21およびN型半導体22と熱伝導用金属板23とが銅(Cu)系ろう材24にてろう付け一体化されており、その発電メカニズム図1に示した熱電変換素子10の場合と同様である。なお、P型半導体21およびN型半導体22と電極板25,25との接合に際しては、図1に示す構成に比べ該接合部がPN接合部に近く温度が比較的高温になるため、例えば、公知のチタン(Ti)系活性ろう材26,26等が用いられる。

0027

熱源が比較的広範囲におよぶ場合は、この熱電変換素子20を複数直列または並列接続することによって、一層大きな電力を得ることができる。例えば、図3に示す構成では、図2に示す構成と同様な構成からなる熱電変換素子20a,20b,20cを水平方向に所謂横並びに接続し、熱源(図示せず)に近接または接触する各々熱伝導用金属板23a,23b,23cから伝導、供給される熱エネルギーの総和に相当する電力を電極板25aと25cの両端部から取り出すことができる。図中26は熱電変換素子20a,20b,20cの各々電極板25a,25b,25cを電気的に接続するリベット等の接続部材である。

0028

図4に示す構成では、図2に示す構成と同様な構成からなる熱電変換素子20d,20e,20fを垂直方向に所謂縦並びに接続し、熱源(図示せず)に近接または接触する各々熱伝導用金属板23d,23e,23fから伝導、供給される熱エネルギーの総和に相当する電力を電極板25dと25fの両端部から取り出すことができる。

0029

図5に示す構成の熱電変換素子50は、いままで説明した熱電変換素子がいずれもP型半導体およびN型半導体が熱伝導用金属板を挟んで垂直方向に積層するよう接合配置した構成であるのに対し、一枚の熱伝導用金属板の同一平面上にそれぞれP型半導体およびN型半導体を接合配置した構成であり、いままで説明したこの発明の熱電変換素子と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、一枚の熱伝導用金属板53の一方端は、熱源(図示せず)に効率よく近接または接触するために狭幅の長方形状となっており、またP型半導体51およびN型半導体52を接合配置する他方端広幅正方形状となっており、さらにそれぞれP型半導体51とN型半導体52との低温端側(図面上面)には放熱板の役割を兼ねる銅(Cu)板からなる電極板55,55を接合配置している。

0030

この熱電変換素子50においても、図2の構成と同様にP型半導体51およびN型半導体52と熱伝導用金属板53との接合には銅(Cu)系ろう材54を用い、また、P型半導体51およびN型半導体52と電極板55,55との接合には公知のチタン(Ti)系活性ろう材56,56を用いてろう付け一体化されている。熱源(図示せず)から供給される熱エネルギーは、熱伝導用金属板53を介してそれぞれP型半導体51とN型半導体52に伝導、供給される。この時、互いの半導体51,52は熱伝導用金属板53の同一平面上に接合配置しているが、該熱伝導用金属板53を介してPN接合を形成して接合されていることから、各々半導体51,52の低温端側(図面上面)から電力を取り出すことが可能となる。

0031

図2から図5のいずれの構成においても、半導体の低温端側に接合する電極板の面積を比較的大型化して放熱板の役割を兼ねる構成したが、これらは図1の構成における電極板15と同様に、各々半導体の加熱部(PN接合部)と開放端との温度差を拡大し、発電効率の向上を目的としたものである。さらに、これらの電極板に強制冷却手段を配置することによって、その効果を一層向上することが可能となる。なお、図2から図5の構成においては、各々半導体と電極板との接続にチタン(Ti)系活性ろう材を用いた例にて説明したが、上記電極板の配置効果によって各々半導体の開放端側の温度が十分に低い場合は、図1の構成と同様に亜鉛−錫(Zn−Sn)半田等の融点の低いろう材を用いてもよい。

0032

図6に示す構成の熱電変換素子60は、リング状からなる鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体61a,61b,61cとN型半導体62a,62b,62cとをそれぞれの内周部および外周部に交互に配置されるリング状のチタン(Ti)板からなる熱伝導用金属板63a,63b,63c,63d,63eを介してPN接合を形成して接合し、全体として円筒状の熱電変換素子を構成している。図中64a,64b,64c,64d,64eはそれぞれ半導体と熱伝導金用属板とを接合する銅(Cu)系ろう材である。また、65,65はそれぞれ上端部に位置するP型半導体61a、下端部に位置するN型半導体62cにチタン(Ti)系活性ろう材66によって接合される電極部材である。

0033

このような構成からなる円筒状の熱電変換素子60において、その内周に配置される円筒部材67(例えば、表面を酸化処理して電気絶縁性を高めたアルミ(Al)管)内を通過する排ガス等の温度を熱源とし、該円筒部材67の外周面に接触するリング状熱伝導用金属板63a,63b,63cからP型半導体61a,61b,61c及びN型半導体62a,62b,62cに伝導、供給される熱エネルギーに応じて電力を発生し、電極部材65,65から電力を取り出すことができる。この構成において、リング状熱伝導用金属板63d,63eは各々半導体への熱エネルギー供給には直接寄与していないが、各々半導体にて発生する電力を電気的に直列接続する役割を果たす。

0034

図7に示す構成の熱電変換素子70は、矩形板状からなる鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体71a,71b,71cとN型半導体72a,72b,72cとをそれぞれの対向位置にある両端部に交互に配置される矩形板状のチタン(Ti)板からなる熱伝導用金属板73a,73b,73c,73d,73eを介してPN接合を形成して接合し、全体として直方体状の熱電変換素子を構成している。図中74a,74b,74c,74d,74eはそれぞれ半導体と熱伝導用金属板とを接合する銅(Cu)系ろう材である。また、75,75はそれぞれ上端部に位置するP型半導体71a、下端部に位置するN型半導体72cにチタン(Ti)系活性ろう材76によって接合される電極部材である。

0035

このような構成からなる直方体状の熱電変換素子70においては、該熱電変換素子70の一外周面側(図においては熱電変換素子70の右側)に位置する熱源(図示せず)からの熱エネルギーを熱伝導用金属板73a,73b,73cからP型半導体71a、71b,71c及びN型半導体72a,72b,72cに伝導、供給し、該熱エネルギーに応じて電力を発生し、電極部材75,75から電力を取り出すことができる。この構成において、熱伝導用金属板73d,73eは各々半導体への熱エネルギー供給には直接寄与していないが、各々半導体にて発生する電力を電気的に直列接続する役割を果たす。

0036

図8に示すこの熱電変換素子80は、基本的に図1に示す構成からなる熱電変換素子10を複数個並列配置した構成からなっている。すなわち、複数の鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zとをそれぞれチタン(Ti)板からなる熱伝導用金属板83a……83zを介してPN接合を形成して接合し、それらを放熱板86と受熱板87とによって固定し、全体として平板状の熱電変換素子を構成している。図中84a……84zはそれぞれ半導体と熱伝導用金属板とを接合する銅(Cu)系ろう材である。また、85,85は放熱板86の端部に亜鉛−錫(Zn−Sn)半田にて接合一体化された銅(Cu)板からなる電極部材である。さらに、図中89は各々のP型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zとを電気的に直列接続する導線である。

0037

この熱電変換素子80を構成する放熱板86は、各々P型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zとの加熱部(PN接合部)側と開放端側との温度差を拡大して発電効率を向上するとともに、各々P型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zを所定位置に配置して固定する機能を有しており、例えば、Al板等の熱伝導性の良好な材料に電気的絶縁性や耐熱性等を考慮してアルマイト処理を施したものを使用する。また、受熱板87は、熱源(図示せず)から供給される熱エネルギーを効率よく熱伝導用金属板83a……83zに作用させるとともに、該熱伝導用金属板83a……83zを介して、各々P型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zを所定位置に配置して固定する機能を有しており、例えば、電気的絶縁性や耐熱性等を考慮して所定のセラミックス板等を使用する。特に、放熱板86と受熱板87との間に形成される空間部88は、空気の流通を良好にすることで受熱部(熱伝導用金属板83a……83zの先端部)とPN接合部との温度差を大きくすることができ、発電効率の向上を可能とする。必要に応じて、該空間部88に公知の冷媒を通過させることも可能である。

0038

以上に説明した熱電変換素子80においても、熱源(図示せず)から供給される熱エネルギーは、熱伝導用金属板83a……83zを介してそれぞれP型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zに伝導、供給され、各々P型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zの低温端側(図面上面)から電力を取り出すことが可能となる。この熱電変換素子80は多くのP型半導体81a,……81zとN型半導体82a,……82zを電気的に直列接続していることから比較的大きな電力を取り出すことが可能であり、例えば、ゴミ処理用煙突等の壁面や自動車のマフラー等に配置することで、この発明の構成を有効に活用することができる。

0039

図1に示すこの発明の熱電変換素子10と、図9に示す従来の熱電変換素子1との負荷特性を測定することによって、この発明の熱電変換素子10が優れていることを確認した。図1に示すこの発明の熱電変換素子10を得るために、以下の構成部材を準備した。
鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体11用焼結体およびN型半導体12用焼結体
組成(wt%):P型→Fe43.5Mn4Si52.5 N型→Fe44.5Co3.5Si51.5
寸法:高さ4mm×幅4mm×長さ20mm
熱伝導用金属板13
材質:チタン(Ti)板
寸法:厚さ0.5mm×幅5mm×長さ10mm
銅(Cu)系ろう材14
構成:Cu
寸法:厚さ0.08mm×幅3mm×長さ5mm
融点:900℃
電極15
材質:銅(Cu)板
寸法:厚さ0.5mm×幅3mm×長さ10mm

0040

上記の各々半導体11,12用焼結体と熱伝導用金属板13とを銅(Cu)系ろう材14を介し、所定の圧力を加えて位置決めした状態にて、大気中、900℃×15minの条件にてろう付けして一体化した。その後、これら構成体に所定温度(750℃×100hr)にて半導体化処理を施し、さらに冷却後、電極15をZn−Sn半田にて250℃で接合し、この発明の熱電変換素子10を得た。

0041

従来の熱電変換素子1は、一対の半導体が、この発明の熱電変換素子10と同組成でほぼ同寸法になるよう従来の粉末冶金法にて一体成形したものを使用した。それぞれの熱電変換素子10,1に図1および図10に示すように電流計5、電圧計6、可変抵抗7を接続し、この発明の熱電変換素子10においては熱伝導用金属板13を、また、従来の熱電変換素子1においては半導体のPN接合部をトーチにて加熱(約800℃)することによって、それぞれの負荷特性を測定したところ、図9に示すような特性を得た。図9よりこの発明の熱電変換素子10の負荷特性が従来の熱電変換素子1の負荷特性に比べて優れていることが明らかであり、この発明の熱電変換素子10の発電能力(変換効率)が高いことが確認できた。

発明の効果

0042

この発明の熱電変換素子においては、鉄硅化物(FeSi2)を主体とするP型半導体およびN型半導体の接合部に熱エネルギー供給源としてチタン(Ti)又はチタン(Ti)合金からなる熱伝導用金属板が配置され、各々の半導体の外部に位置する熱源から絶えず熱エネルギーが効率良く供給されることから、ペルチェ効果による電子正孔対の発生の減少を防止することができ、発電効率を高めることができる。従来の直熱式の場合、接合部以外が熱せられるので、冷接点部を離すために素子が長くなり、内部抵抗が増加するが、この発明の熱電変換素子においては、熱が熱伝導用金属板を熱することにより供給されて、PN接合部のみが加熱されるので、冷接点部近くにも温度差が得られ、内部抵抗が小さくなり、発電能力が著しく向上する。

0043

また、P型半導体とN型半導体とが別個に製造され熱伝導用金属板を介して接合されていることから従来構成の如きPN接合部における各々半導体用合金粉末の混合等が生じることなく、該PN接合部にて特性劣化が生じたり電気的特性にバラツキ生じたりすることがなく安定した電力が取り出せる。さらに、P型半導体とN型半導体とを別個に製造することが可能になったことにより、製造方法(充填−成形工程)が容易になり、量産性に優れた構成となった。また、P型半導体とN型半導体との個々の形状を用途に応じて任意に製造することが可能となったことより、実施例に示すような種々な構成からなる熱電変換素子の提供が実現でき、これら熱電変換素子の用途を一層広げることができる。

0044

この発明の熱電変換素子においては、特に各々半導体の低温端側に銅(Cu)板等からなる放熱板を接合することによって各々半導体の加熱部(PN接合部)と低温端側との温度差を拡大することが可能となり、発電効率の一層の向上が達成される。熱電変換素子を構成する各々部材を比較的融点の高い銅(Cu)系ろう材にて接合一体化するため、高温度雰囲気での使用にも耐え、鉄硅化物(FeSi2)を主体とする半導体が本来有する耐熱特性を有効に活用することができることも大きな効果の一つであり、特に400℃〜900℃の温度範囲における熱センサーとして、また電源として有効である。

0045

以上に説明するように、この発明の熱電変換素子は多くの長所を有しており、例えばストーブやコンロの近傍に配置することによって、これらの作動に基づきファンモーターを回転させたり、自動車の排熱エネルギーを利用してリニアアクチュエーターを作動して各種部品を駆動させたり、例えば、熱電変換された電力を電池などに蓄電して電池を電源として、あるいは発電されたものを直接使用して電子機器を作動させたり、多くの用途への活用が考えられる。また、熱源も自動車やボイラーの排熱、ストーブの余熱のほか、地熱や太陽熱などの自然エネルギーの活用も可能で、種々の集熱治具や装置を利用して高熱をこの発明の熱電変換素子の高熱伝導金属板に伝熱することにより、多くの電子機器を作動させることが可能になる。

図面の簡単な説明

0046

図1この発明の熱電変換素子の一構成例を示す縦断説明図である。
図2この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す説明図であり、aは上面説明図、bは縦断説明図である。
図3この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す上面説明図である。
図4この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す縦断説明図である。
図5この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す説明図であり、aは上面説明図、bは縦断説明図である。
図6この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す横断説明図である
図7この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す縦断説明図である。
図8この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す説明図であり、aは上面説明図、bは縦断説明図である。
図9この発明の熱電変換素子と従来の熱電変換素子との負荷特性を測定した結果を示す負荷特性曲線図である。
図10従来の熱電変換素子の概要説明図である。

--

0047

1,10,20,20a,20b,20c,20d,20e,20f,50,60,70,80熱電変換素子
2,11,21,51,61a,61b,61c,71a,71b,71c,81aP型半導体
3,12,22,52,62a,62b,62c,72a,72b,72c,82aN型半導体
4PN接合部
5電流計
6電圧計
7可変抵抗
13,23,23a,23b,23c,23d,23e,23f,53,63a,63b,63c,63d,63e,73a,73b,73c,73d,73e,83a熱伝導用金属板
14,24,54,64a,64b,64c,64d,64e,74,74a,74b,74c,74d,74e,84a 銅(Cu)系ろう材
15,25,25a,25c,25d,25f,55,65,75,85電極板
16,26,56,66,76 ろう材
26接続部材
67円筒部材
86放熱板
87受熱板
88 空間部

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