JPH098362A - 熱電変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極の厚さをどのように設定するかの指針を
提供する点にある。 【構成】 ｐ型又はｎ型の半導体からなる直方体形状の
塊状体２と、塊状体２の対向する一対の側面夫々に対し
て、全面的に接触する状態に配置される一対の平板状の
電極３Ａ，３Ｂとを備え、電極３Ａ，３Ｂ間の温度差に
より電極３Ａ，３Ｂ間に生じた起電力によって、一対の
電極３Ａ，３Ｂのうちの一方の電極３Ａにおける、塊状
体２の一つの辺の近くから電流が流出し、他方の電極３
Ｂにおける、塊状体２の中心点に対して前記一つの辺と
対称位置にある他の辺の近くから電流が流入するように
構成された熱電変換素子おいて、塊状体２が、電極３
Ａ，３Ｂの厚さ方向視での前記一つの辺と前記他の辺と
の間隔が３０ｍｍ以上となるように形成されたときに、
電極３Ａ，３Ｂの厚さを、電極３Ａ，３Ｂの厚さ方向に
おける塊状体２の長さの１／２倍以上となるように形成
してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ｐ型又はｎ型の半導体
からなる直方体形状の塊状体と、前記塊状体の対向する
一対の側面夫々に対して、全面的に接触する状態に配置
される一対の平板状の電極とを備え、前記電極間の温度
差により前記電極間に生じた起電力によって、前記一対
の電極のうちの一方の電極における、前記塊状体の一つ
の辺の近くから電流が流出し、他方の電極における、前
記塊状体の中心点に対して前記一つの辺と対称位置にあ
る他の辺の近くから電流が流入するように構成された熱
電変換素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる熱電変換素子は、ｐ型又はｎ型の
半導体からなる塊状体に備えた一対の電極の一方を高温
状態とし、他方を低温状態とすると、塊状体における高
温状態側箇所において発生した正孔又は電子が低温状態
側に移動するため、一対の電極間に起電力が生じるいわ
ゆるゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する素子である。この熱電変換素子の素
子構成としては、一対の電極夫々を板状に形成し、一対
の電極でｐ型又はｎ型の半導体からなる直方体形状の塊
状体を挟持する構成とするのが一般的である。又、熱電
変換素子の起電力の取り出しについては、一対の電極の
うちの一方の電極における、塊状体の一つの辺の近くか
ら電流が流出し、他方の電極における、塊状体の中心点
に対して前記一つの辺と対称位置にある他の辺の近くか
ら電流が流入するように構成され、例えば複数個の塊状
体を電気的に直列に接続して高い起電力を得ようとする
場合等に、電極間の配線を簡単に行えるようにしてあ
る。

【０００３】一対の電極は、上記したような塊状体に生
じた熱起電力の取り出しの他に、塊状体を挟持状態で支
持し、熱電変換素子を形造る構造部材としての機能を有
する。このため、従来、板状の電極の厚さは、所定の強
度を有する範囲内で、材料コストの面から極力薄く設定
されていた。又、塊状体の大きさについては、電極の厚
さ方向視での前記一つの辺と前記他の辺との間隔が数ｍ
ｍ程度の小形のものしか存在しなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、塊状体の寸法
を大型化しようとする場合に、電極の厚さをどのように
設定するかについては、明確な指針は無かった。本発明
は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的
は、電極の厚さをどのように設定するかの指針を提供す
る点にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の熱電変換素子
は、ｐ型又はｎ型の半導体からなる直方体形状の塊状体
と、前記塊状体の対向する一対の側面夫々に対して、全
面的に接触する状態に配置される一対の平板状の電極と
を備え、前記電極間の温度差により前記電極間に生じた
起電力によって、前記一対の電極のうちの一方の電極に
おける、前記塊状体の一つの辺の近くから電流が流出
し、他方の電極における、前記塊状体の中心点に対して
前記一つの辺と対称位置にある他の辺の近くから電流が
流入するように構成されたものであって、その第１特徴
構成は、前記塊状体が、前記電極の厚さ方向視での前記
一つの辺と前記他の辺との間隔が３０ｍｍ以上となるよ
うに形成されたときに、前記電極の厚さを、前記電極の
厚さ方向における前記塊状体の長さの１／２倍以上とな
るように形成してある点にある。

【０００６】本発明の第２特徴構成は、上記第１特徴構
成において、前記電極と、熱源とを、電気絶縁物を挟ん
だ状態で密着させて配置するときに、前記電極の厚さ方
向における前記塊状体の長さを、２ｍｍ以上で且つ３ｍ
ｍ以下としてある点にある。本発明の第３特徴構成は、
上記第１特徴構成において、前記電極のうち、少なくと
も一方の電極に、電気的に絶縁性を有し且つ流体状の高
温熱媒体を接触させて配置するときに、前記電極の厚さ
方向における前記塊状体の長さを、１ｍｍ以上で且つ２
ｍｍ以下としてある点にある。

【０００７】

【作用】本発明の第１特徴構成によれば、塊状体が、電
極の厚さ方向視での前記一つの辺と前記他の辺との間隔
が３０ｍｍ以上となるような大型の熱電変換素子を作製
する場合、電極の厚さは、電極の厚さ方向における塊状
体の長さの１／２倍以上となるように形成すれば良い。
すなわち、本発明の発明者は、電極の抵抗が熱電変換素
子から取り出せる電力密度に影響し、塊状体が電極の厚
さ方向視での前記一つの辺と前記他の辺との間隔が３０
ｍｍ以上となるような大きさのものの場合は、従来技術
のような塊状体が小形のものとは逆に、電極の厚さが厚
い方が取り出せる電力密度を大きくできることを見出し
た。この知見に基づいて、上記の如く電極の厚さを設定
することで、良好な電力密度の熱電変換素子を得ること
ができるのである。

【０００８】本発明の第２特徴構成によれば、高温状態
とする側の電極と、熱源とを、電気絶縁物を挟んだ状態
で密着させて配置するときは、電極の厚さ方向における
前記塊状体の長さを、２ｍｍ以上で且つ３ｍｍ以下とす
れば良い。すなわち、本発明の発明者は、高温状態とす
る側の電極に対して、どのような形態で熱を供給するか
によって、熱電変換素子から取り出せる電力密度を可及
的に向上させるための電極の厚さ方向における塊状体の
長さが異なることを見出した。この知見に基づいて、高
温状態とする側の電極と、熱源とを、電気絶縁物を挟ん
だ状態で密着させて配置するときは、塊状体を上記の寸
法に設定することで、良好な電力密度の熱電変換素子を
得ることができるのである。

【０００９】本発明の第３特徴構成によれば、一対の電
極のうち、少なくとも一方の電極つまり高温状態とする
側の電極に、電気的に絶縁性を有し且つ流体状の高温熱
媒体を接触させて配置するときは、電極の厚さ方向にお
ける塊状体の長さを、１ｍｍ以上で且つ２ｍｍ以下とす
れば良い。すなわち、本発明の発明者は、高温状態とす
る側の電極に対して、どのような形態で熱を供給するか
によって、熱電変換素子から取り出せる電力密度を可及
的に向上させるための電極の厚さ方向における塊状体の
長さが異なることを見出した。この知見に基づいて、高
温状態とする側の電極に、電気的に絶縁性を有し且つ流
体状の高温熱媒体を接触させて配置するときは、塊状体
を上記の寸法に設定することで、良好な電力密度の熱電
変換素子を得ることができるのである。

【００１０】

【発明の効果】上記第１特徴構成によれば、上記の如く
電極の厚さを設定することで、良好な電力密度の熱電変
換素子を得ることができるので、電極の厚さをどのよう
に設定するかの指針を提供できるに至った。上記第２特
徴構成によれば、上記第１特徴構成による効果に加え、
高温状態とする側の電極と、熱源とを、電気絶縁物を挟
んだ状態で密着させて配置するときは、塊状体を上記の
寸法に設定することで、良好な電力密度の熱電変換素子
を得ることができるので、塊状体の寸法をどのように設
定するかの指針を提供できるに至った。上記第３特徴構
成によれば、上記第１特徴構成による効果に加え、高温
状態とする側の電極に、電気的に絶縁性を有し且つ流体
状の高温熱媒体を接触させて配置するときは、塊状体を
上記の寸法に設定することで、良好な電力密度の熱電変
換素子を得ることができるので、塊状体の寸法をどのよ
うに設定するかの指針を提供できるに至った。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の熱電変換素子の実施例を図面
に基づいて説明する。熱電変換素子１は、ＢｉＴｅＳｂ
Ｓｅ系の半導体を組成及び不純物を調整する等により、
ｐ型の半導体からなる塊状体２とｎ型の半導体からなる
塊状体２とを夫々形成し、図１に示すように、その塊状
体２夫々を一対の電極３Ａ，３Ｂにて挟持する構成とし
てある。尚、この電極３Ａ，３Ｂの材質は銀又は銅等の
極力抵抗の低いものとすることが望ましいが、本実施例
では、コスト面から銅を採用している。又、アルミ等の
電気抵抗の高い材質の場合においては、本発明の効果は
より大なるものである。

【００１２】塊状体２と一対の電極３Ａ，３Ｂとの配置
は、ｐ型の半導体からなる塊状体２とｎ型の半導体から
なる塊状体２とを交互に複数個配置し、隣接する塊状体
２同士を高温状態とする電極３Ａと低温状態とする電極
３Ｂとにて交互に接続し、ｐ型の半導体からなる塊状体
とｎ型の半導体からなる塊状体２とが電気的に直列とな
るようにしてあり、このように配置することで、全ての
塊状体２において電気回路として見た場合の起電力の向
きが揃うことになる。

【００１３】塊状体２は、塊状体２と電極３Ａ，３Ｂを
分離して示す図２のように、直方体形状に形成してあ
り、電極３Ａ，３Ｂは、その塊状体２の対向する一対の
側面夫々に対して全面的に接触する状態に配置され、塊
状体２との接触面の法線方向視で長方形状の平板状に形
成してある。複数個のｐ型の半導体からなる塊状体２及
びｎ型の半導体からなる塊状体２を直列に接続した場合
の熱電変換素子１の全体図を図３に示す。尚、図示を省
略するが、隣接する塊状体２間及び電極３Ａ，３Ｂ間に
は、電気的に絶縁するための雲母等の絶縁体を挿入して
ある。上記の如く構成した熱電変換素子１に適当な外部
負荷を接続し、電極３Ａを高温状態とし、電極３Ｂを低
温状態とすると、図１では概略矢印Ａの方向に電流が流
れ、図３では概略矢印Ｂの方向に電流が流れ、一対のリ
ード線４から電力として外部に取り出される。

【００１４】次に、一つの熱電変換素子１の塊状体２及
び電極３Ａ，３Ｂの寸法を設定する手法について説明す
る。先ず、寸法を設定するための背景技術から順を追っ
て説明する。図１及び図３に示すものと同様に、熱電変
換素子１の電流の流れは、図４において矢印Ｃで概略的
に示すように、電極３Ａにおける直方体形状の塊状体２
の一つの辺２０の近くから電流が流出し、電極３Ｂにお
ける塊状体２の中心点に対してその一つの辺２０と対称
位置にある他の辺２１の近くから流入するものとし、図
５に示すように、抵抗ｒによって電極３Ａ，３Ｂの抵抗
を考慮し、抵抗Ｒによって塊状体２の内部抵抗を考慮し
て、これら抵抗ｒ及び抵抗Ｒが分布しているものとす
る。尚、図５中、熱起電力をＶｓで示しており、又、図
５における紙面に垂直方向での塊状体２の長さは、熱電
変換素子１の電力密度に与える影響が小さいので、単位
長さに設定している。又、更に、図４及び図５において
は、高温状態側の電極３Ａから電流が流出する場合、す
なわち、塊状体２がｎ型の半導体の場合を示している
が、ｐ型の半導体からなる塊状体２の場合は、逆に、低
温状態側の電極３Ｂから流出することになる。

【００１５】図５に示すモデルに基づいて、各部分の熱
抵抗，通電により発生するジュール熱及びペルチェ熱を
考慮して電力密度を求めると、図６に示す如くとなる。
図６は、縦軸に熱電変換素子１から取り出せる電力密度
を、横軸に、塊状体２における前記一つの辺２０と前記
他の２１との、電極３Ａ，３Ｂの厚さ方向視での間隔Ｌ
（以下、便宜上、この間隔Ｌを、塊状体２の長さＬと称
する）をとり、電極３Ａ，３Ｂの厚さｄ、及び、電極３
Ａ，３Ｂの厚さ方向における塊状体２の長さＤ（以下、
便宜上、この長さＤを、塊状体２の厚さＤと称する）を
パラメータとして示してある。図６に示すように、何れ
の塊状体２の厚さＤに対しても、塊状体２の長さＬが３
０ｍｍ付近を境にして、塊状体２の長さＬが短い側で
は、電極３Ａ，３Ｂの厚さｄが薄いほど電力密度が大き
く、塊状体２の長さＬが長い側では、電極３Ａ，３Ｂの
厚さｄが厚いほど電力密度が大きくなっているのがわか
る。

【００１６】つまり、原則として、塊状体２の長さＬが
３０ｍｍ程度より小さい小形の熱電変換素子１を作製す
る場合は、電極３Ａ，３Ｂの厚さを極力薄く、逆に、塊
状体２の長さＬが３０ｍｍ以上の大型の熱電変換素子１
を作製する場合は、電極３Ａ，３Ｂを極力厚くすれば良
いのである。この原則を基に、図６から、塊状体２の長
さＬが３０ｍｍ以上となるように形成されたとき、電極
３Ａ，３Ｂの厚さは、塊状体２の厚さＤとの関係におい
て、塊状体２の厚さＤの１／２倍以上となるように形成
すると、良好な電力密度の熱電変換素子１を作製できる
ことがわかる。

【００１７】次に、塊状体２の厚さＤをどのような寸法
に設定するかについて説明すると、図７に示すように、
熱電変換素子１の高温側の電極３Ａと熱源ＨＳとを電気
絶縁物ＩＳを挟んだ状態で密着させて配置する場合と、
図８に示すように、熱電変換素子１の高温側の電極３Ａ
に高温の油等の電気的に絶縁性を有し且つ流体状の高温
熱媒体ＨＭを接触させる場合とで、夫々、上記と同様の
モデルに基づいて、最適の値を求めて、図７の配置の場
合では、塊状体２の厚さＤは２ｍｍ以上で且つ３ｍｍ以
下とし、図８の配置では、塊状体２の厚さＤは１ｍｍ以
上で且つ２ｍｍ以下とすれば良好な電力密度の熱電変換
素子１が作製できることがわかった。これは、主に、塊
状体２で十分な温度差が確保されるために、熱が塊状体
２に達するまでの経路の熱抵抗と塊状体２自体の熱抵抗
との相対関係に依存することによるものと考えられる。

【００１８】上記構成の熱電変換素子１の製造方法とし
ては、粉末状のＢｉＴｅＳｂＳｅ系の半導体をホットプ
レス法やＨＩＰ法にて焼結して塊状体２を形成した後、
その塊状体２に図１及び図２に示す電極３Ａ，３Ｂを半
田付け等により取り付けるか、あるいは、粉末状のＢｉ
ＴｅＳｂＳｅ系の半導体を、電極３Ａ，３Ｂと塊状体２
との結合を強固にするための接合材を適宜使用しなが
ら、図１及び図２に示す電極３Ａ，３Ｂで挟み、それに
高温高圧をかけて熱電変換素子１を形成するようにして
も良い。

【００１９】〔別実施例〕以下、別実施例を列記する。 上記実施例では、ｐ型又はｎ型の半導体からなる塊
状体２をＢｉＴｅＳｂＳｅ系の半導体材料にて構成する
場合を例示したが、ＰｂＴｅ系の半導体材料を用いる等
種々変更可能である。 上記実施例では、ｐ型の半導体からなる塊状体２と
ｎ型の半導体からなる塊状体２とが対になって電極３
Ａ，３Ｂ上に乗る状態として、熱電変換素子１間の配線
を電極３Ａ，３Ｂ自体で兼用する構成としてあるが、熱
電変換素子１を夫々独立に形成し、電極３Ａ，３Ｂ間を
リード線等で配線する構成としても良い。

【００２０】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる熱電変換素子の要部拡
大図

【図２】本発明の実施例にかかる要部斜視図

【図３】本発明の実施例にかかる熱電変換素子の全体斜
視図

【図４】本発明の実施例にかかる電力密度を求めるため
の説明図

【図５】本発明の実施例にかかる電力密度を求めるため
の説明図

【図６】本発明の実施例にかかる電力密度の関係図

【図７】本発明の実施例にかかる熱電変換素子の配置の
例示図

【図８】本発明の実施例にかかる熱電変換素子の配置の
例示図

【符号の説明】

２ 塊状体 ３Ａ，３Ｂ 電極 ２０ 一つの辺 ２１ 他の辺 ＨＭ 高温熱媒体 ＨＳ 熱源 ＩＳ 電気絶縁物

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型又はｎ型の半導体からなる直方体形
   状の塊状体（２）と、 前記塊状体（２）の対向する一対の側面夫々に対して、
   全面的に接触する状態に配置される一対の平板状の電極
   （３Ａ），（３Ｂ）とを備え、 前記電極（３Ａ），（３Ｂ）間の温度差により前記電極
   （３Ａ），（３Ｂ）間に生じた起電力によって、前記一
   対の電極（３Ａ），（３Ｂ）のうちの一方の電極（３
   Ａ）における、前記塊状体（２）の一つの辺（２０）の
   近くから電流が流出し、他方の電極（３Ｂ）における、
   前記塊状体（２）の中心点に対して前記一つの辺（２
   ０）と対称位置にある他の辺（２１）の近くから電流が
   流入するように構成された熱電変換素子であって、 前記塊状体（２）が、前記電極（３Ａ），（３Ｂ）の厚
   さ方向視での前記一つの辺（２０）と前記他の辺（２
   １）との間隔が３０ｍｍ以上となるように形成されたと
   きに、 前記電極（３Ａ），（３Ｂ）の厚さを、前記電極（３
   Ａ），（３Ｂ）の厚さ方向における前記塊状体（２）の
   長さの１／２倍以上となるように形成してある熱電変換
   素子。
2. 【請求項２】 前記電極（３Ａ），（３Ｂ）と、熱源
   （ＨＳ）とを、電気絶縁物（ＩＳ）を挟んだ状態で密着
   させて配置するときに、 前記電極（３Ａ），（３Ｂ）の厚さ方向における前記塊
   状体（２）の長さを、２ｍｍ以上で且つ３ｍｍ以下とし
   てある請求項１記載の熱電変換素子。
3. 【請求項３】 前記電極（３Ａ），（３Ｂ）のうち、少
   なくとも一方の電極（３Ａ）に、電気的に絶縁性を有し
   且つ流体状の高温熱媒体（ＨＭ）を接触させて配置する
   ときに、 前記電極（３Ａ），（３Ｂ）の厚さ方向における前記塊
   状体（２）の長さを、１ｍｍ以上で且つ２ｍｍ以下とし
   てある請求項１記載の熱電変換素子。