JPH0793459B2

JPH0793459B2 - 熱電装置

Info

Publication number: JPH0793459B2
Application number: JP62047406A
Authority: JP
Inventors: 勇鋼森
Original assignee: 小松エレクトロニクス株式会社
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: JPS63213980A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱電装置に係り、特にその実装構造に関す
る。

〔従来技術およびその問題点〕

例えば、鉄硅化物（FeSi₂）に夫々マンガン（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
とＮ型半導体とを一端側で接合して形成したＵ字型の熱
電発電素子は、温度差を与えるだけで簡単に起電力を生
じ、優れた耐熱性耐酸化性を呈し、かつ安定な特性を維
持できることから、熱エネルギーの有効利用化への要求
が高まっている今日、実用化が期待されているデバイス
である。

このような熱電発電素子では起電力は、高温側であるPN
接合部と、低温側である陽極側および陰極側端部との温
度差Δｔによって決まる。従って効率良く電気エネルギ
ーを獲得するためには、低温側である陽極側および陰極
側の開放端（接合側の反対側）の放熱性を高めることが
重要な課題となる。

そこで本発明者らは熱電発電素子の低温側端部を導電性
被膜で被覆し、夫々一端側に前記低温側端部が当接する
とともに他端側が外部接続端子となるように形成された
２つの配線パターンを有する放熱板上に、前記熱電発電
素子の該低温側端部を載置した状態で放熱ケースの上板
と底板とによってこれを挟み圧着固定した後、全体を加
熱し、前記導電性被膜と前記配線パターンとを融着せし
めるようにした組立て方法を提案している。（特願60−
241187）この方法によれば放熱ケースの上板と底板とによって熱
電発電素子の低温側端部をパターン上に固着せしめた放
熱板が常に押圧された状態で挟み込まれており、素子と
外部接続端子（電極配線パターン）との電気的接触性お
よび素子と放熱ケースとの熱接触性が良好となる。

しかしながら、熱電発電素子は激しい温度変化を伴うた
め、熱応力によって素子にクラックが発生したり、素子
が折れたりすることがある。

例えば、第５図に示すようなＵ字型の熱電発電素子の低
温側端子LEの一方を固定し、他方をフリーにした状態で
高温側端部HEがガスバーナの炎等によって加熱される場
合を考えてみよう。

まず、点火（SP）されて温度上昇が始まると、最初Ｕ字
形の外側部分が急速に温度上昇し、膨脹することによ
り、第６図に示す如くフリーの低温側端子LE1は内側
（−方向）に移動せしめられる。（第６図中、横軸には
時間をとった。）そして、高温側端部HE全体が徐々に加熱せしめられてい
くと、低温側端子LEは徐々に開き、フリー側は外側（＋
方向）に移動せしめられる。

また、ガスバーナが急に消されると（点FP）、高温側端
部の外側がまず急冷せしめられることにより、フリーの
低温側端子LE1は一時的に外側に動き、更に全体が冷却
されてくると、徐々に元の位置に戻る。

これに対し、前述の如く、低温部側端子の両方を固定し
てしまうと、素子には、温度変化による熱応力が加わる
ため、素子が破壊され易くなるものと考えられる。

また、使用箇所によっては高温側端部を固定しなければ
ならない場合がある。これは、加熱源が固体であり、接
触加熱で使用しなければならない場合等であり、例えば
第７図に示す如く、加熱棒100に設けらた凹部101に熱電
発電素子102の高温側端部を係合固定せしめるような場
合である。このような場合、熱電発電素子の低温側端子
を２端子共固定すると横方向Ａのみならず素子の長手方
向Ｂにかかる熱応力も吸収し得ず、クラックや破壊の原
因となることが多い。

また、素子自体は破壊に至らなくても放熱板に応力が加
わり、クラックが発生したり破壊が生じたりすることが
あった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、信頼性が
高く、長寿命の熱電装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明では、Ｐ型半導体とＮ型半導体とをその一
端側でPN接合を形成するように接合せしめて熱電素子の
低温側端子を夫々電極板を介して外部リードに接続する
に際し、この電極板のうち少なくとも一方に応力吸収用
の湾曲部を配設するようにしている。

〔作用〕

かかる構成によれば、発生した熱応力は、低温側端子の
少なくとも一方に接続されたフレキシブルな電極板の湾
曲部によって吸収され、素子にクラックや破壊を生ぜし
めたりすることはない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図は、本発明実施例の熱電発電装置を示す図であ
る。

この熱電発電装置は、加熱棒８の温度検出に用いられる
もので、Ｕ字型熱電発電素子１の低温側端子1a,1bと外
部リード線2,3との接続に、放熱板４上に載置され一端
のみが固定された板バネからなる弾性コネクタ5,6を用
いたことを特徴とするものである。

この弾性コネクタ5,6はSUS430と指称されているステン
レス薄板からなり該低温側端子1a,1bをフレキシブルに
支持するもので、夫々前記低温側端子1a,1bを３方から
固定支持するコの字状の端子支持部5a,6bと、放熱板上
に垂直に載置され、湾曲部を有する本体5b,6bと、放熱
板４上に固定すると共に外部リード線2,3との接続を達
成するための接続部5c,6cとから構成されており、該接
続部5c,6cに夫々設けられた２つのビス穴ｈに挿通され
るビスｂを介して放熱板４上に支持固定せしめられてい
る。７は絶縁ワッシャである。

また、放熱板４は、金属板上に１部電気絶縁性皮膜を形
成してなるもので、該ビス穴ｈに対応する位置にビス穴
が設けられている。

また、熱電発電素子１は、鉄硅化物（FeSi₂）にマンガ
ン（Mn）をドーピングしたＰ型半導体と、鉄硅化物にコ
バルト（Co）をドーピングしたＮ型半導体とを直接粉末
成型接合して、一端側がPN接合を形成し高温側端部を構
成すると共に他端側がＰ型およびＮ型の２つの低温側端
子を構成するようにしたＵ字型の素子である。

そして、この熱電発電素子の接合側端部すなわち高温側
端部1cは、加熱棒８に設けられた凹部９内に挿入され、
第２図に断面図を示す如く、バネ板10を介してビス11に
よって熱接触性良く固定されている。

更に、低温側端子と弾性コネクタの支持部との間は、亜
鉛系の半田合金層Ｓを介して固着される。

この亜鉛系の半田合金層は、融点が約400℃以上となる
ように構成された高融点半田であり、接合時にホウ酸系
又はフッ酸系のフラックスを用いるようにすれば、低温
側端子1a,1bの表面に形成されている酸化膜上に直接半
田接合するようにしても、良好な電気的および機械的接
続が達成される。

製造に際しては、次のような方法がとられる。

まず、熱電発電素子の低温側端子1a,1bを前記弾性コネ
クタ5,6の支持部5a,6a内に亜鉛系の半田合金層Ｓによっ
て固着する。

そして、金属板上に例えば電気絶縁性樹脂をコーティン
グして放熱板４を形成し、この放熱板上に、放熱板のビ
ス穴ｈと前記弾性コネクタの接続部5c,6cのビス穴ｈが
符合するように、熱電発電素子の接続された弾性コネク
タを載置し、絶縁ワッシャ７を介してビスｂによって固
定すると共に、端部側のビス穴には外部リード線2,3を
も一緒にビス止めする。

このようにして形成された熱電発電装置では熱電発電素
子の低温側端子が、弾性的に放熱板上で支持されてお
り、かつ、熱的には良好に接触せしめられているため、
縦横両方向A,Bの熱応力に対しても、クラックや破壊を
生じたりすることもなく、信頼性の高いものとなってい
る。

すなわち、このように高温部側を加熱棒８で固定されて
いる場合にも、Ａ方向の応力をこの湾曲部が吸収するこ
とになり、クラックの発生は防止される。

また、熱電発電素子の低温側端子の接合には亜鉛系の高
融点半田を用いているため、高温にも耐え得、十分な接
合強度を維持することができる。

なお、上記実施例では、放熱板が弾性コネクタを支承す
るように、長い放熱板を用いているが、第３図に示す如
く、弾性コネクタの接続部5c,6cのみを支承する程度の
小さい放熱板４′を用いるようにしてもよい。

更に、実施例では、低温側端子を両方共、弾性コネクタ
を介して外部リード線に接続するようにしたが、第４図
に示す如く２つの端子のうち一方のみに弾性コネクタを
用いるようにし、他の一方には、コの字状に成型した金
具からなる固定型のコネクタ60を用いるようにしてもよ
い。また、この構造ではこれらのコネクタの表面積を大
きくすることより、放熱板を省くことも可能である。

加えて、実施例では、１つの熱電発電素子を用いた場合
について説明したが、同一放熱板上に、複数個の熱電発
電素子を配設した場合にも適用可能であることはいうま
でもない。この場合、外側に位置する熱電発電素子の外
側端子のみを放熱板上に固着し、隣接する素子の隣接端
子間は板バネ等のフレキシブル材料で接続するようにす
れば実装工程も簡単で熱応力に対する耐性も高められ
る。

更に、この熱電発電装置は、そのままで使用する他、低
温側を適当なケース等で覆うようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の熱電装置によれば、
Ｕ字型の熱電素子の低温側端子を夫々素子支持用の電極
板を介して外部リードに接続するに際し、該電極板のう
ち少なくとも一方は、応力吸収用の湾曲部を具備してい
るため、熱電素子に発生した熱応力は、この電極板で吸
収され、素子にクラックや破壊を生じることなく、高い
信頼性を維持することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例の熱電発電装置を示す図、第２
図は、その断面の一部を示す図、第３図および第４図
は、夫々、他の実施例の熱電発電装置を示す図、第５図
は、通常の熱電素子の説明図、第６図は、第５図の熱電
素子に温度変化を与えた場合の低温側端子の位置（動
き）を示す図、第７図は、従来の熱電発電装置の一例を
示す図である。 100……加熱棒、101……凹部、102……熱電発電素子、
１……熱電発電素子、1a,1b……低温側端子、1c……高
温側端部、2,3……外部リード線、4,4′……放熱板、5,
6……弾性コネクタ、5a,6a……支持部、5b,6b……本
体、5c,6c……接続部、７……ワッシャ、８……加熱
棒、Ｓ……半田合金層、60……コネクタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐ型半導体とＮ型半導体とをその一端側で
PN接合を形成するように接合せしめてなる熱電素子と、これらＰ型半導体およびＮ型半導体の非接合側端部に相
当する２つの低温側端子に一端を接続され、他端を外部
リードに接続する電極板とを具備し、前記外部リードとの接続部との距離を一定に保つべく、
前記電極板のうち少なくとも一方に前記低温側端子の伸
長方向に沿って、応力を吸収する応力吸収用の湾曲部を
配設したことを特徴とする熱電装置。
【請求項２】前記電極板は、少なくとも末端部を放熱板
上に固定されていることを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項記載の熱電装置。