JPH036072A - 熱発電モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 熱発電素子は周知のとおり、異なる２つの金属あるいは
半導体の一端どおしと他端どおしをつなぎ合わせ閉回路
をつくり、この一端側と他端側の両接合部分に温度差が
あるとこの回路に起電力が生じる、いわゆるゼーベック
効果を有している。

本発明は、この効果に基づき熱起電力を発生し、電源等
に用いられる熱発電素子の改良に関するものである。

（従来の技術） 熱発電素子は、古くから知られている素子であるが、そ
の熱起電力は小さく、従来においては、ガスコンロ等の
点火の有無の検出等のようにセンサーとしての用途が主
であった。

しかしながら、近年、コスト安で、比較的熱起電力の大
きい金属ケイ化物熱発電材料が開発され、実用化の一歩
を踏み出している。例えは鉄ケイ化物系熱発電素子は従
来口火センサーに用いられていたＣＡ（クロメル−アル
メル）系熱電対に較べて熱起電力が１０数倍程度大きい
ことが知られており、また高温での耐酸化性にも優れて
いる。この利点に着目して２次電池供給源としての用途
等の開発も進められている。

この鉄ケイ化物系熱発電素子の一般的な構造を第３図に
示す。第３図において、７１はＰ型半導体熱発電素子（
以下Ｐ型という）、７２はＮ型半導体熱発電素子（以下
Ｎ型という）、７３は両者の一端を接合した接合部、７
４．７５はリード端子であり、全体としてＵ字形状を有
している。この接合部７３とその近傍（以下高温部とい
う）は炎等の熱を受ける部分であり、開放端（以下低温
部という）からリード端子７４．７５を介して起電力を
取り出す。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構造であると、接合部７３はＰ型７
１とＮ型７２を電気的に接続するのみだけではなく、機
械的にも信頼性のある接合を維持し得る強度を有してい
なけれはならず、これは接合部の体積を太きくしなけれ
はならないことにつながる。接合部の体積が増加すると
、熱容量が大きくなり、熱容量が大きくなるとカス炎等
で加熱された際、この接合部が温まりにくくなり、熱発
電素子としての熱応答性に欠ける問題があった。

また、Ｐ型Ｎ型はその融点が各々若干異なるので、両者
を接合する際の製造条件の管理に困難性を有していた。

さらに上記のようなＵ字形状の熱発電素子であると、熱
応答性を向上させるべく、高温部の体積を小さくしよう
とすることと相まって、構造的に機械的衝撃に弱いとい
う欠点も有していた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
熱応答性に優れ、機械的衝撃に強い熱発電モジュールを
提供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） 上記目的を実現するために、本発明による熱発電モジュ
ールは、請求項第１項に示すようにＰ型半導体熱発電素
子とＮ型半導体熱発電素子、あるいは前記いずれか一方
の熱発電素子と金属とを電気的に接合してなる熱発電モ
ジュールにおいて、この電気的接合を熱発電材料の薄膜
によって小面積で行なったことを特徴とするものである
。請求項第２から第４は絶縁体等を介したより具体的な
構成を示している。

（実施例） 本発明による実施例を図面とともに説明する。

第１の実施例 第１図は第１の実施例を示す断面の模式図であり、第２
図はその製造状況を示す要部拡大図である。

Ｐ型１１はＭｎ　（マンガン）、Ｂ（ボロン）元素をそ
れぞれ含有させたＦｅＳｉ２　（ケイ化鉄）であり、細
長板形状を有している。Ｎ型」２はＣＯ（コバルト）、
Ｂ元素をそれぞれ含有させたＦｅ５ｉ２であり、同じく
細長板形状を有している。

絶縁体３１は例えはアルミナ等であり、同じ・く細長板
形状を有しており、かつ長手方向においては前記熱発電
素子より長く構成され、その上部先端は鋭利化されてい
る。これら各素子で絶縁体を挟み込み、この絶縁体の上
部先端３１１（高温部となる）が突出した状態で耐熱性
の接合材（例えばフロンセラミック：東亜合成化学社製
等）で接合する。

その後、第２図に示すように、プラズマアーク溶削によ
り、絶縁体の先端部を境にして、Ｐ型１１側にはＰ型半
導体熱発電材料による、Ｎ型１２側にはＮ型半導体熱発
電材料による薄１１Ｎ２１．２２を形成し、小面積のＰ
Ｎ接合部Ａが設けられる。

より具体的にはＡｒｔｈプラズマアーク溶躬機！こより
、Ａｒを５０Ω／ｍｉｎ　、　　Ｈ２１０Ω／　＋＋＋
　ｉ　ｎ供給したプラズマトーチにＰ型熱発電材料又は
、Ｎ型熱発電材料の２００＃扮末を供給し、溶融プラズ
マ状態として吹き付ける。６１．６２は各々溶削銃であ
り、絶縁体３１の先端の上部に設けられた遮蔽板６３は
両材料の濱合を防止するためのものである。なお、この
薄膜の膜厚は溶射の時、間によって正確に制御されるが
、通當０−５ｍｍ程度の厚みに設定される。

リード線４１．４２はＰ型、Ｎ型の下部（低温側）にろ
う接等にて接続される。

第２の実施例 第２の実施例を第３図、第４図とともに説明する。

熱発電素子１３はＰ型、Ｎ型いずれかの材料からなって
おり、細長板状をしている。この熱発電素子に同形状の
絶縁体３２を接合し、更にこの絶縁体３２に同形状の金
属体５１を接合している。

この金属体５１はその先端が鋭利にされており、との鎧
刊か細分％４空由１．か壮能Ｔ物躯抹ｒ１泊火れる。そ
して、第４図に示すように、これら接合体の上面に熱発
電素子１３と同じ材料をプラズマアーク溶射することに
より厚膜２３を形成し、小面積の接合部Ａが形成される
。リード線４３，４４ごｉ熱発電素子１３と、金属体５
１の下部（低温側）に接続される。

第８の実施例 第３の実施例を第５図、第６図とともに説明する。

熱発電素子１４はＮ型であり、中空円柱形状に構成され
ている。中空円柱形状への構成は種々考えられるが、例
えは、半円柱を重ね合わせて構成するとよい。心棒とな
る金属細円柱５２はその先端が漸次細くなる円錐形状に
なっている。この金属細円柱５２を上部先端（高温部と
なる）５２１が突出した状態で前記熱発電素子１４の中
空円柱内に挿入し、絶縁性の接合材、例えばアロンセラ
ミックの番号Ｄ（東亜合成化学社製）にて接合される。

この接合材が絶縁厚Ｈ１３３となる。なお、この厚膜３
３は金属細円柱の円錐形状半ばまで設けられている。

そして、第２の実施例と同じくこれら接合体の上面に熱
発電素子１４と同じ材料をプラズマアーク溶削すること
により薄膜２４を形成し、小面積の接合部Ａ（Ｎ型と金
属の接合）が形成される。

リード線４５．４６も同じく金属体５２と熱発電素子１
４の下部（低温側）に接続される。

なお、本実施例は上記例のみならずＰ型半導体熱発電素
子、Ｎ型半導体熱発電素子、金属のうちのいずれか１つ
を中空柱形状に形成し、他の２つのうちの１つを心棒と
してｍ縁材を介して前記中空柱内に収納するとともに、
この心棒を突出させ、中空柱を形成する材料の薄膜を上
部に形成したものであればよい。

（作用効果） 本発明によれは、熱発電素子とおし、あるいは熱発電素
子と金属の電気的接合を熱発電材料あるいは金属材料の
小面積の薄膜で行なっているので、この部分の熱容量が
小さくなり、熱応答性が極めて向上した。

また、Ｐジ、Ｎ型あるいは金属を単体で製造し、後に薄
膜により電気的に接合するので、従来必要とされていた
Ｐ型、Ｎ型の接合時の製造管理の困難な部分を回避する
ことができる。

さらに、請求項第２項以降に示しているように、絶縁体
等を介して熱発電素子等を固着しているので機械的な耐
衝撃も極めて向上した。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明による第１の実施例を示す図、
第３図、第４図は第２の実施例を示す図、第５図、第６
図は第３の実施例を示す図、第７図は従来例を示す図で
ある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｐ型半導体熱発電素子とＮ型半導体熱発電素子、
   あるいは前記いずれか一方の熱発電素子と金属とを電気
   的に接合してなる熱発電モジュールにおいて、この電気
   的接合を熱発電材料の薄膜によって小面積で行なったこ
   とを特徴とする熱発電モジュール。
2. （２）絶縁体をＰ型半導体熱発電素子とＮ型半導体熱発
   電素子とで挟み込み、この上部にＰ型Ｎ型各々の薄膜が
   形成されるとともに、この上部において絶縁体は突出し
   て構成され、かつこの突出部上部においてＰ型Ｎ型各々
   の薄膜の接合境界が形成されていることを特徴とする熱
   発電モジュール。
3. （３）Ｐ型半導体熱発電素子あるいはＮ型半導体熱発電
   素子のいずれか一に絶縁体を接合し、この絶縁体の他方
   の面に金属板を接合するとともに、これら接合体の上部
   に当該型の熱発電材料の薄膜を形成することにより前記
   半導体熱発電素子と金属板とを電気的接合したことを特
   徴とする熱発電モジュール。
4. （４）Ｐ型半導体熱発電素子、Ｎ型半導体熱発電素子、
   金属のうちのいずれか１つを中空柱形状に形成し、他の
   ２つのうちの１つを心棒として絶縁材を介して前記中空
   柱内に収納するとともに、この心棒を突出させ、中空柱
   を形成する材料の薄膜を上部に形成したことを特徴とす
   る熱発電モジュール。