JPS6142976A - 熱電発生器およびその製造方法 - 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】 この発明は、熱電発生器に関し、ざらに詳しくは、選択
されたサブストレート上の薄膜熱電合金を利用した熱電
発生器に関するものである。

熱電発生器は数年前から知られているものでおる。熱電
発生器に関する同順の１つは、熱電エネルギ変換におけ
る比較的低い効率に関係している。燃１１の価格が比較
的安い場合には、この低効率は無視できる。海洋や地熱
井戸における温度勾配及び産業廃棄物が利用される場合
には、低いエネルギ変換効率は問題とならない。

しかしながら、この実質的に無料のエネルギでさえ、競
合し得る熱電発生器にとっては、従来のものよりも廉価
な電力出力を持たなければならない。従って、競合し得
るためには、熱電発生器の製作費用を最小にすることが
必要である。

周知の型式の熱電発生器の１つは、熱交換器の表面積の
一部分のみ（通常は１／３以下）を覆う薄い熱電半導体
エレメント（通常は厚さ１ｍｍ以下）を備えている。ビ
スマス・テルル化物−アンチモン・セレン化物化合物が
、特に約○℃〜２００℃のような低い温度範囲でのかか
る熱電発生器において用いるのに適している。この型式
の熱電発生器においては、複数の半導体エレメントがア
レイ状に配列されており、所望の電圧及び電流を与える
ように運ばれた直列／並列パターンで電気的に相互接続
されている等しい数のｎ型及びｐ型半導体エレメントを
有している。上記した熱電発生器の１つの変形例におい
ては、ｎ型か又はｐ型のいずれか一方のみが各アレイに
使用される。しかし、その発生器モジュールにおいては
、ｎ型とｐｍとが交互に積み重ねられたアレイが使用さ
れる。

この発明の目的は、良好な電気的絶縁性及び熱伝導性を
持つ材料が２つの金属層間に置かれており、またその金
属層間に均一な間隔を確保するめたのスベー′す手段が
組込まれているようなサブストレートを連続的に製造す
る方法を提供することでおる。

この発明の他の目的は、薄い熱電半導体ニレメン１〜を
サブストレー！へ上での予め決められた場所に置くこと
ができかつ自動生産システムによりそこに固定すること
ができるような方法を提供することでおる。

この発明の別な目的は、複数の積み重ねられた層からな
る薄い熱電半導体エレメントをサブストレー１〜上での
予め決めら・れた場所に置くことかできかつ自動生産シ
ステムによりそこに固定することができるような方法を
提供することでおる。

この発明の更に別な目的は、薄い熱電半導体エレメント
をその上に持つサブストレー１−とスーパーストレー１
〜とから熱電発生器を形成することでおる。

この発明の更に別な目的は、ｎ型又はｐ型のいずれか一
方の半導体エレメントのみを使用した積み重ねアレイを
持つ熱電発生器を形成することでおる。

この発明は、熱電発生器において使用するためのサブス
トレート及びスーパーストレートを製作する方法；かか
るサブストレート上に薄い熱電半導体ニレメン１−を製
作する方法：複数の薄い熱電半導体エレメントをその上
に持つ複数のサブストレー１〜とスーパーストレー１〜
とを熱電発生器に組立てる方法；そしてｎ型又はｐ型の
半導体エレメントの一方のみを持つ熱電発生器を形成す
る方法に関するもので釣る。

サブストレートは、低温ガラス質エナメルの薄い層が金
属筒の２つの居間で溶融されるような連続積層化プロセ
スにおいて形成される。このエナメルは、好ましくは、
液状の溶融エナメル中で固体のまま保持されている均一
直径の小さなビーズのような間隔材料ずなわちスペーサ
を含んでいる。これらの小さなビーズは、金属筒の居間
に均一な間隔を確保するように機能する。好ましい実施
例においては、金属筒は銅からなるが、同様な性質を持
つ他の金属を使用しても良い。また、エナメルは鉛酸化
物をベースとし・たガラス質のエナメルであり、そして
小さなビーズは高シリカ含伍のガラス・ビーズでおるの
が好ましいが、他の材料でも同様な性質のものは使用で
きる。

更に、ザブストレー１−は薄い熱電半導体エレメントを
有している。特に、サブストレートは、１気圧の数分の
１の圧力に維持されている複数の作業ステーションを通
過して一連のローラ上で移動し、そしてそのサブストレ
ート上の予め決められた場所に固定されている薄い熱電
半導体エレメントを備えた形態で最後の作業ステーショ
ンから出てくる。

各々が薄い熱電半導体エレメントをその上に持つ複数の
サブストレートにはスーパーストレート（上図）が重ね
られ、熱電モジュールが形成される。複数の隔置された
中空パネルからなる構造体を熱電モジュールと組合せて
、熱電発生器が形成される。モジュールは隣接の中空パ
ネル間にそれらと接触させて置かれる。そこには、１つ
おきのパネルを通して比較的熱い流体を流し、残りのパ
ネルを通して冷たい流体を流すための適切な手段が設け
られている。この発明の好ましい実施例では、ｐ型又は
ｐ型のどちらか１つだけの型式の半導体エレメントが使
用される。この熱電発生器によって温度勾配に応答して
発生される電気的エネルギを集めて使用・できるように
するための適当な電気的回路が設けられている。

以下に、この発明の好ましい実施例を示す添付図面を参
照して、この発明を詳述する。

第１図は、熱電発生器に使用するためのサブストレート
を製作する方法を説明している。金属箔４のコイル２は
、連続コンベア８の一端６に回転自在に取付けられ、金
属箔４がコイル２から取出されてコンベヤ８上に置かれ
るようになっている。ホッパー１０はコンベヤ８の上方
に置かれ、開口１４を通して金属箔４の上面へ連続的に
供給される材料１２を含んでいる。この材料１２は、良
好な電気的絶縁性及び良好な熱伝導性を持つものならば
いかなる材料でもよく、ここでの好ましい実施例では、
以下にＬｌ１３いて記述される目的のために、複数の小
さいビーズとガラス質エナメルとの混合物からなる。コ
ンベヤ８は適当な手段（図示せず）によって連続運動さ
れている。

材料１２は、金属＠４上に載置されたのち、ガラス質エ
ナメルを液化するように十分な熱を材料１２に適用する
一連のヒーター１６の下を、通過する。金属箔２０の別
なコイル１８がコンベヤ８の上部に回転自在に取付けら
れ、金属箔２０がコイル１８から取出されて液化した材
料１２上に重ねられる。第２のコンベヤ２２は、コンベ
ヤ８の一部分の上部に置かれ、そして適当な手段（図示
せず）によって連続運動されている。金属箔４、小さな
ビーズを含む材料１２の溶融物及び金属箔２０からなる
積層体はコンベヤ８と２０との間へと移動する。コンベ
ヤ２２は、箔２０を液化された材料に対して押付けるよ
うに、金属箔２０上に予め決められた圧力を付与する。

液化された材料１２に対する箔２０の運動は小さいビー
ズによって制限される。

金属箔２０と４との間の間隔は、金属箔４及び２０に接
触している小さいビーズにより均−呵保たれる。液化さ
れたガラス質エナメルは、コンベヤ８及び２２間を通過
中に硬化し、そして金属箔４及び２０の層の隣接表面に
対して融合される。コンベヤ８及び２２の端部２４及び
２６には、サプス１−レーｌ〜３２を形成するために、
金Ｂ箔４、ガラス質エナメルと小さいビーズ及び金属箔
２０の連続積層体を予め決められた長さに切断するめだ
の適当な手段が設けられている。コンベヤ３４はザブス
１〜レート３２を更に処理するための別な場所へと移動
させるために設けられている。

第２図は、金属＠４、ガラス質エナメル３６、小さいビ
ーズ３８及び金属箔２０からなるサブストレート３２の
一部分が例示されている。好ましい実施例においては、
金属箔は約０．０２５〜０、０７６ｍｍの厚さを持つ銅
からなっている。ガラス質エナメル３６は鉛酸化物をベ
ースとしたガラス質エナメルからなっている。小ざいビ
ーズ３８は、高シリカ含量を有するガラスからなり、約
０．０５１ｍｍの平均直径を持っている。ヒーター１６
は、鉛ベースのガラス質エナメル３６を液化するように
、材料１２の温度を約６００℃に上昇させるだけの十分
な熱を適用する。

第３図は、１ノ゛ブストレ〜ト３２に薄い熱電半導体エ
レメントを付与する。ようにサブス１〜レート３２を処
理するためのシステムを概略的に示すものである。コン
ベヤ４０は一連の作業ステーションを通して複数の支持
板４２を運搬する。

支持板４２は、予め決められた距離だけ互いに隔置され
、複数の動力駆動運搬ローラ４４により作業ステーショ
ンを通して運搬される。多くの場合、支持板４２とサブ
ストレート３２とは、はぼ同じ寸法にある。しかしなが
ら、支持板４２は、複数のサブストレートが各支持板上
に匝けるように、サブストレート３２よりも実質的に大
きくすることができる。サブストレート３２は、薄い熱
電半導体エレメントが適切な位置に置かれるように、各
支持板４２の上の予め決めれた場所に首かれる。動力駆
動運搬ローラの運動はコンピュータ（図示せず）によっ
て発生される信号によって制御されて支持板４２をコン
ベヤ４０上で移動させ、そして各支持板を各作業ステー
ションでの予め決められた場所に位置させる。

サブストレート たのち、空気ロック・チャンバ４６を通してサブストレ
ート３２を移動させ、次いで、圧力が約１００Ｐａから
約１０００Ｐａといった大気圧の数分の１に減圧されて
いるバッフトチャンバ４Ｂへと移動ざける。その後、サ
ブス１〜レートを別な空気ロック・チャンバ５０＠通し
てクリーニング・チャンバ５２へと通過させ、ここでサ
ブストレート プラズマのごとき清浄作業を受けて、薄い熱電半導体エ
レメントをその上に＠着するための準備ができる。その
後、サブストレート３２は１つ又はそれ以上の空気ロッ
ク・チャンバ５４及び５６を通って、圧力が約１Ｏ−１
Ｐａから約１０’Ｐａへ減圧されている別なバッファ・
チャンバ５８へ運ばれる。

清浄化されたサブストレート３２は、バッフトチャンバ
５８を出て、複数の材料を蒸着させるチャンバ６０，６
２．６４及び６６を通過する。材料蒸着チャンバ６０，
６２．６４及び６６は、約１Ｏ−１Ｐａから約１．０’
Ｐａの圧力に維持されている。第３図に示した蒸着操作
の間、各チャンバ６０，６２，６４及び６６の寸法は、
一般に各支持板４２の寸法に対応し、サブストレート３
２がチャンバ６０，６２．６４及び６６の各々における
予め決められた適正な場所に容易に首かれるようになっ
ている。

材料蒸着チャンバの各々においては、熱電半導体エレメ
ントを形成するために一緒に積層されるべき材料の１つ
が、第４図に概略的に示されているスパッタリング・プ
ロセスにより、サブストレート３２上の予め決められて
隔置された場所において蒸着される。磁石６８は、支持
板４２上のサブストレート、３２の上方に予め決めれら
た距離だけ隔置されている材料蒸着チャンバの各々にお
ける固定位置に取付けられている。スパッタリング・タ
ーゲット７Ｑは磁石６８の下方に買かれ、サブストレー
ト３２上に蒸着されるべき材料を供給する。スパッタリ
ング・ターゲット７０の直ぐ下には、そのターゲット７
０よりも大きい内側輪郭をもつ７ノード７２がある。飛
散された原子７４は、適当な開口を持つマスク７５を通
って下方へ移動して、サブストレート３２上に蒸着され
る。成る例では、マスク７５がなくてもよく、各サブス
レジー１〜上に材料の連続層を蒸着させてもよい。しか
しながら、マスクは経済的見地から大抵の場合において
使用される。すなわら、連続層による電気的エネルギの
熱電発生と薄い熱電半導体エレメントの隔置された場所
による熱電発生との間の差は比較的小さいために、一般
的にはマスクが使用される。

この発明の好ましい実施例においては、スパッタリング
・ターゲット７０は以下の通りでおる。つまり、蒸着チ
ャンバ６０ではニッケル；蒸着チャンバ６２ではビスマ
ス・テルル化物−アンチモン・セレン化物；蒸着チャン
バ６４ではニッケル；そして蒸着チャンバ６６で半田と
なっている。第５図には薄い熱電エレメント７６が例示
されてあり、そこにおいて、各エレメントは、サブスト
レート３２．に固着されたニッケルの層７８と、ニッケ
ルの層７８に固着されたビスマス・テルル化物−アンチ
モン・セレン化物のＩＷ８０と、層８０に固着されたニ
ッケルの層８２と、そして層８２に固着された半田の層
８４とからなっている。ニッケルの層７８及び８２は拡
散障壁層として機能し、そしてビスマス・テルル化物−
アンチモン・セレン化物の層８０は熱心半導体膜でおる
。ザブストレー１〜３２は、蒸着チャンバ６６から、圧
力が実質的に１気圧にまで徐々に増大される複数の空気
ロック・チャンバ８６及びバッファ・チャンバ８８を通
して運搬される。

第５図には、半田の層８４と接触して置かれようとして
いるスーパーストレート９０が示されている。スーパー
ストレー１−９０はサブストレート３２と類似していて
、第１の金属箔４と、ガラス質エナメル３６と、小さい
ガラス・ビーズ３８と、そして第２の金ｆｆ［２０とか
らなっている。スーパーストレー１−９０が半田の層８
４に接触するように移動された後、低温半田付は又はろ
う付作業を行なって金属箔４をニッケルの層８２に固着
させる。

第６図には、複数の熱電モジュール９２を使用した熱電
発生器が概略的に示されており、各熱電モジュール９２
はサブストレート３２と、スーパーストレート９０と、
そしてそれらの間に設けられた薄い熱電半導体エレメン
ト７６とからなっている。隔置された中空パネル９４゜
９６．９８及び１００を含む構造体が配設され、複数の
熱電モジュール９２が中空パネル９４゜９６．９８．及
び１００間にかつそれらと接触して置かれるようになっ
ている。第６図に示されているように、各熱電モジュー
ル９２の片側は冷たい流体に隣接し、そして他の側は熱
い流体に隣接している。パネル９４及び９８は冷たい流
体がそこを通して供給される手段１０１と、そしてその
冷たい流体がそこを通して排出される手段１０２とに接
続されている。パネル９６及び１００は、熱い流体がそ
こを通して供給される手段１０４と、そしてその熱い流
体がそこを通して排出される手段１０６とに接続されて
いる。使用されるパネル９＝１，９６，９８及び１００
・の数は所望とぎれる熱電発生器の寸法に依存する。第
６図に例示されている熱電発生器においては、例えば、
ｎ型又はｐ型のいずれか一方だけの型式の半導体エレメ
ントが使用されている。１つの型式の半導体エレメント
のみ使用できることは、材料の価格がその時々において
異なり、最も経済的な材料が選べる点で極めて有利であ
る。

また、１つの型式のみが使用されるので、製造プロセス
が中断される必要はない。

成る場合には、金属箔２０が省略されることもある。従
って１組立てられた熱電発生器においては、良好な電気
的絶縁性及び良好な熱伝導性を持つ材料１２と、パネル
９４，９６．９８および１００の表面との間には、金属
層がない。

製造上の利点から、上側コンベヤ２２を材料１２に付着
しない材質で形成することもできる。

第７図には、第６図に示されているような熱電発生器と
共に使用するための電気的回路が例示されており、この
場合には半導体エレメントはｎ型である。熱電モジュー
ル９２の負側と正側とは直列に接続されている。

以上の記述は、この発明の詳細な説明するためのもので
あって、この発明は例示された実施例のみに限定される
ものではない。特許請求の範囲内で種々の修正及び変更
が可能であることは当業者にとって容易に理解できよう
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるサブストレートを製造する方法の
説明図であり； 第２図は製造されたサブストレートの一部分の説明図で
あり； 第３図はサブストレート レメン１〜を付与する方法の説明図であり：第４図はサ
ブストレート上に各種材料を蒸着する方法の説明図で必
り； 第５図はスーパーストレートと共にその上に固定された
薄い熱電半導体エレメレトを持つサブス１〜レーＩ〜の
積層の説明図であり；第６図は熱電発生器の説明図で必
り；そして第７図は、第６図の熱電発生器と共に使用す
るための電気的回路の説明図でおる。 ４・・・金属筋、１２・・・材料、２０・・・金属箔、
３２・・・サブス１−レー１〜．３８・・・ビーズ（ス
ペーサ）、７６・・・熱電半導体エレメント、９０・・
・スーパース１〜レー１〜．９２・・・モジュール、１
０１゜１０２．１０４．１０６・・・流体供給路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、温度勾配に応答して電気的エネルギを発生する少な
   くとも１つの熱電半導体エレメントを各々が有している
   複数のモジュールと、前記各モジュールの１つの側に比
   較的冷たい領域を形成させる構造体と、前記各モジュー
   ルの他の側に比較的熱い領域を形成させる構造体と、前
   記電気的エネルギを集める電気回路とからなり、前記熱
   電半導体エメレントはｎ型またはｐ型のどちらか一方の
   同じ型のものであることを特徴とする熱電発生器。 ２、複数のサブストレートを作製し、前記複数のサブス
   トレートの少なくとも１つの面に少なくとも１つの薄い
   熱電半導体エレメントを形成し、複数のサブストレート
   をスーパーストレートとして使用し、前記サブストレー
   トとスーパーストレートとの間に前記薄い熱電半導体エ
   レメントを配置した構造を各々が有している複数のモジ
   ュールを作製し、前記複数のモジュールを使用して熱電
   発生器を作製することを特徴とする熱電発生器の製造方
   法。 ３、前記サブストレートは、第１の金属連続層と第２の
   金属連続層との間で電気的絶縁性および熱伝導性を備え
   た材料の連続層を連続的に溶融させ、前記材料中には前
   記第１および第２の金属連続層の間に均一間隔を保持す
   るためのスペーサを予め含有させておき、かくして得ら
   れた前記第１および第２の金属連続層の間に前記材料の
   溶融物と前記スペーサとが挟まれてなる連続層を切断し
   て複数のサブストレートにすることによって作製する特
   許請求の範囲第２項に記載の熱電発生器の製造方法。