热电转换模

专利类型 发明授权 法律事件 公开; 申请权转移; 实质审查; 授权; 未缴年费;
专利有效性 失效专利 当前状态 权利终止
申请号 CN201410508622.5 申请日 2014-09-28
公开(公告)号 CN105098051B 公开(公告)日 2018-10-12
申请人 松下知识产权经营株式会社; 申请人类型 企业
发明人 丰田香; 前岛聪; 第一发明人 丰田香
权利人 松下知识产权经营株式会社 权利人类型 企业
当前权利人 松下知识产权经营株式会社 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份: 城市 当前专利权人所在城市:
具体地址 当前专利权人所在详细地址:日本大阪府 邮编 当前专利权人邮编:
主IPC国际分类 H01L35/08 所有IPC国际分类 H01L35/08H01L35/32H01L35/34
专利引用数量 3 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 15 专利文献类型 B
专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 专利代理人 刘晓迪;
摘要 本 发明 提供一种热电转换模 块 ,校正P型热电转换部件和N型热电转换部件的热阻之差。该热电转换模块中,通过使P型热电转换部件和N型热电转换部件各自具备的绝缘体的热阻不同,从而能够校正P型热电转换元件和N型热电转换元件的热阻之差。
权利要求

1.热电转换模,其包括:
P型热电转换元件,其具有P型热电转换部件和覆盖该P型热电转换部件的第一绝缘体;
N型热电转换元件,其具有N型热电转换部件和覆盖该N型热电转换部件的第二绝缘体;
以及
电极,其将所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件电连接,
在与所述P型热电转换部件或所述N型热电转换部件中流动的电流的方向正交的截面中,所述第一绝缘体的面积和所述第二绝缘体的面积不同,而且所述P型热电转换元件和所述N型热电转换元件的热阻之差小于所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件的热阻之差,
在所述P型热电转换部件的热阻大于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的面积大于所述第二绝缘体的面积,
在所述P型热电转换部件的热阻小于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的面积小于所述第二绝缘体的面积。
2.如权利要求1所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件的热阻大于所述N型热电转换部件的热阻,而且,在所述截面中,所述第一绝缘体的面积大于所述第二绝缘体的面积。
3.如权利要求1所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件的热阻小于所述N型热电转换部件的热阻,而且,在所述截面中,所述第一绝缘体的面积小于所述第二绝缘体的面积。
4.如权利要求1所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件由Bi-Te系材料构成,
所述第一绝缘体和所述第二绝缘体由耐热玻璃构成,
在所述截面中,所述第二绝缘体的面积大于所述第一绝缘体的面积。
5.如权利要求1所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件由Bi-Te系材料构成,
所述第一绝缘体和所述第二绝缘体由石英构成,
在所述截面中,所述第二绝缘体的面积大于所述第一绝缘体的面积。
6.如权利要求1所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件由Zn-Sb系材料构成,所述N型热电转换部件由Co-Sb系材料构成,
所述第一绝缘体和所述第二绝缘体由石英构成,
在所述截面中,所述第二绝缘体的面积小于所述第一绝缘体的面积。
7.如权利要求1所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件由Zn-Sb系材料构成,所述N型热电转换部件由Co-Sb系材料构成,
所述第一绝缘体由耐热玻璃构成,所述第二绝缘体由石英构成,
在所述截面中,所述第二绝缘体的面积小于所述第一绝缘体的面积。
8.如权利要求1所述的热电转换模块,
在所述截面中,所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件的面积相等。
9.热电转换模块,其包括:
P型热电转换元件,其具有P型热电转换部件和覆盖该P型热电转换部件的第一绝缘体;
N型热电转换元件,其具有N型热电转换部件和覆盖该N型热电转换部件的第二绝缘体;
以及
电极,其将所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件电连接,
所述第一绝缘体的材料和所述第二绝缘体的材料不同,而且所述P型热电转换元件和所述N型热电转换元件的热阻之差小于所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件的热阻之差,
在所述P型热电转换部件的热阻大于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的材料的热阻小于所述第二绝缘体的材料的热阻,
在所述P型热电转换部件的热阻小于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的材料的热阻大于所述第二绝缘体的材料的热阻。
10.如权利要求9所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件的热阻大于所述N型热电转换部件的热阻,而且,所述第一绝缘体的热阻小于所述第二绝缘体的热阻。
11.如权利要求9所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件的热阻小于所述N型热电转换部件的热阻,而且,所述第一绝缘体的热阻大于所述第二绝缘体的热阻。
12.如权利要求9所述的热电转换模块,
所述P型热电转换部件由Zn-Sb系材料构成,
所述N型热电转换部件由Co-Sb系材料构成,
所述第一绝缘体由耐热玻璃构成,所述第二绝缘体由石英构成。
13.如权利要求9所述的热电转换模块,
在与所述P型热电转换部件或所述N型热电转换部件中流动的电流的方向正交的截面中,所述第一绝缘体和所述第二绝缘体的面积不同。
14.如权利要求9所述的热电转换模块,
在与所述P型热电转换部件或所述N型热电转换部件中流动的电流的方向正交的截面中,所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件的面积相等。
15.如权利要求9所述的热电转换模块,
在与所述P型热电转换部件或所述N型热电转换部件中流动的电流的方向正交的截面中,所述第一绝缘体和所述第二绝缘体的面积相等。

说明书全文

热电转换模

技术领域

[0001] 本发明涉及热电转换模块。

背景技术

[0002] 所谓热电转换模块,是组合包含P型半导体的热电转换元件和包含N型半导体的热电转换元件而得到的模块,是利用温度差起电的模块。图4中示出了热电转换元件的结构例。图4所示的P型或N型热电转换元件400是在中空筒状的耐热性绝缘部件402的内部充满了P型或N型热电转换部件401而构成的。P型热电转换元件400P包含P型热电转换部件401P,N型热电转换元件400N包含N型热电转换部件401N。
[0003] 通过组合P型热电转换元件400P和N型热电转换元件400N来构成热电转换模块。图5所示的热电转换模块500具有利用电极502将P型热电转换元件400P和N型热电转换元件
400N在电气上串联地连接而得到的结构(例如,参照专利文献1)。
[0004] 专利文献1:国际公开第2012/066788号

发明内容

[0005] P型热电转换部件和N型热电转换部件的热特性不同。因此,在以往的热电转换模块中,P型热电转换元件的热阻和N型热电转换元件的热阻不同。
[0006] 通过利用热能在P型热电转换元件中生成空穴、在N型热电转换元件生成电子,从而使热电转换元件进行发电。由此,若在P型热电转换元件和N型热电转换元件中热阻不同,则热能流动的量在P型热电转换元件和N型热电转换元件之间不同,因此,存在以下的问题:空穴和电子的流量不同,电流量由流量较少的一方限制,作为热电转换模块的发电性能下降。
[0007] 本发明解决上述以往的问题,其目的在于,提供通过校正(降低)P型热电转换部件和N型热电转换部件的热阻之差来呈现较高性能的热电转换元件模块。
[0008] 本发明提供热电转换模块,其包括:P型热电转换元件,其具有P型热电转换部件和覆盖该P型热电转换部件的第一绝缘体;N型热电转换元件,其具有N型热电转换部件和覆盖该N型热电转换部件的第二绝缘体;以及电极,其将所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件电连接。
[0009] 在上述热电转换模块的一方面中,热电转换模块包括将所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件电连接的电极,在与所述P型热电转换部件或所述N型热电转换部件中流动的电流的方向正交的截面中,所述第一绝缘体的面积和所述第二绝缘体的面积不同,而且所述P型热电转换元件和所述N型热电转换元件的热阻之差小于所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件的热阻之差,在所述P型热电转换部件的热阻大于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的面积大于所述第二绝缘体的面积,在所述P型热电转换部件的热阻小于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的面积小于所述第二绝缘体的面积。
[0010] 在上述热电转换模块的另一方面中,所述第一绝缘体的材料和所述第二绝缘体的材料不同,而且所述P型热电转换元件和所述N型热电转换元件的热阻之差小于所述P型热电转换部件和所述N型热电转换部件的热阻之差,在所述P型热电转换部件的热阻大于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的材料的热阻小于所述第二绝缘体的材料的热阻,在所述P型热电转换部件的热阻小于所述N型热电转换部件的热阻的情况下,所述第一绝缘体的材料的热阻大于所述第二绝缘体的材料的热阻。
[0011] 根据本结构,能够提供P型热电转换元件和N型热电转换元件的热阻差较小的热电转换模块。
[0012] 如上所述,根据本发明的热电转换模块,能够使P型热电转换元件和N型热电转换元件的热阻接近,呈现较高的性能。附图说明
[0013] 图1A是本发明实施方式中的热电转换模块的横截面图。
[0014] 图1B是本发明实施方式中的热电转换模块的横截面图。
[0015] 图1C是本发明实施方式中的热电转换模块的横截面图。
[0016] 图1D是本发明实施方式中的热电转换模块的横截面图。
[0017] 图1E是本发明实施方式中的热电转换模块的横截面图。
[0018] 图1F是本发明实施方式中的热电转换模块的横截面图。
[0019] 图1G是本发明实施方式中的热电转换模块的横截面图
[0020] 图2是本发明实施方式中的热电转换模块的纵截面图。
[0021] 图3是本发明实施方式中的热电转换模块的制造工序图。
[0022] 图4是表示专利文献1中记载的以往的热电转换元件的图。
[0023] 图5是表示专利文献1中记载的以往的热电转换模块的图。
[0024] 符号说明
[0025] 100  热电转换模块
[0026] 110  P型热电转换元件
[0027] 111  P型热电转换部件
[0028] 112  筒
[0029] 120  N型热电转换元件
[0030] 121  N型热电转换部件
[0031] 122  筒
[0032] 201  电极
[0033] 202  接合材料
[0034] 203a 上面基板
[0035] 203b 下面基板
[0036] 204  抗蚀剂
[0037] 205  衬底金属
[0038] 301  管
[0039] 302  软管
[0040] 303  气缸
[0041] 304  坩埚
[0042] 305  溶融热电转换材料

具体实施方式

[0043] 以下参照附图说明本发明实施方式。
[0044] 在图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图1F以及图1G中,表示本发明的热电转换模块100的横截面图(与发电时在热电转换元件中流动电流的方向正交的截面)。
[0045] 图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图1F以及图1G中所示的热电转换模块100具有P型热电转换元件110和N型热电转换元件120。P型热电转换元件110具有棒状的P型热电转换部件111和覆盖P型热电转换部件111的绝缘材料的筒112(第一绝缘体)。N型热电转换元件120具有棒状的N型热电转换部件121和覆盖N型热电转换部件121的绝缘材料的筒122(第二绝缘体)。
[0046] P型热电转换部件111和N型热电转换部件121是由若在两端产生温度差则产生电动势的材料形成的棒状部件。本实施方式1及2中的P型热电转换部件111以及N型热电转换部件121采用了在从常温到500K的温度范围具有较高的起电电压的Bi-Te(铋-碲)系材料。另外,本实施方式3及4中的P型热电转换部件111采用了在从500K到700K的温度范围具有较高的起电电压的Zn-Sb(锌-锑)系材料,N型热电转换部件121采用了在从500K到900K的温度范围具有较高的起电电压的Co-Sb(钴-锑)系材料。但是,可以根据在起电时的使用时存在的温度差选择P型热电转换部件111以及N型热电转换部件121。例如,如果温度差为从常温到800K则可以使用Pb-Te(铅-碲)系,如果所述温度差为从常温到900K则可以使用方钴矿系,如果所述温度差为从常温到1,000K则可以使用Si-Ge(-锗)系。
[0047] 可以通过添加适当的掺杂物来得到P型热电转换部件111以及N型热电转换部件121。在作为P型热电转换部件111和N型热电转换部件121而使用Bi-Te系材料的情况下,用于得到P型热电转换部件111的掺杂物的例子中包括Sb。用于得到N型热电转换部件121的掺杂物的例子中包括Se。通过添加这些掺杂物,热电转换材料形成混合晶。因此,例如以“Bi0.5Sb1.5Te3”和“Bi2Te2.7Se0.3”这样的组成式所表示的程度的量添加这些掺杂物。
[0048] 对于P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的形状,从元件的生产性和使热电转换材料的晶体取向与筒的轴向一致的观点出发,优选为多棱柱或圆柱,从防止作为脆性的热电转换材料的断裂的观点出发,更优选为能够抑制应部集中的圆柱。
[0049] 筒112和122是由具有耐热性和绝缘性的材料形成的、具有在两端开口的空腔的部件。筒112和122具有对于元件即使在使用时的高温侧一端的温度或在热电转换材料的融点也保持形状的耐热性。另外,筒112和122具有在热电转换模块中起电时截断P型热电转换部件111和N型热电转换部件121之间的电流的绝缘性。
[0050] 筒112和122能够分别容纳P型热电转换部件111和N型热电转换部件121且具有耐热性和绝缘性即可。对于筒112和122的形状,可以从圆筒、多棱筒以及在角部具有圆角的多棱筒等中选择。筒112和122的材料的例子包括化硅、氧化等金属氧化物、耐热玻璃、石英等。对于筒112和122的材料,根据耐热性的观点优选为石英,进而若考虑成本,优选为耐热玻璃。
[0051] 在本发明的第一方式中(参照实施方式1),优选P型热电转换元件110的筒112和N型热电转换元件120的筒122的横截面积(与发电时在热电转换元件中电流流动的方向正交的截面的面积)不同(参照图1A~图1D)。
[0052] 在本发明的第二方式中(参照实施方式2),优选筒112的材料的热阻率(热阻率是热传导率的倒数)和筒122的材料的热阻率不同。
[0053] 根据这些结构,能够与P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的热阻之差相比,缩小P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的热阻之差。即,能够校正(降低)P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的热阻之差。通过降低P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的热阻之差,能够防止热电转换模块100性能下降。
[0054] 另一方面,由于能够将P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面中的面积设为相同,因此,能够不使P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的电阻降低而校正热阻之差。进而,由于能够将P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的体积和形状设为相同,因此能够不使P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的电阻降低而进一步减小热阻之差。
[0055] 在本发明的第三方式中(参照实施方式3),P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积(与发电时在热电转换元件中电流流动的方向正交的截面的面积)不同。另外,P型热电转换元件110的筒112和N型热电转换元件120的筒122的横截面积(与发电时在热电转换元件中电流流动的方向正交的截面的面积)不同(参照图1F)。
[0056] 在本发明的第四方式中(参照实施方式4),优选P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积(与发电时在热电转换元件中电流流动的方向正交的截面的面积)不同。另外,筒112的材料和筒122的材料不同。具体而言,优选筒112的材料的热阻率和筒122的材料的热阻率不同。另外,优选P型热电转换元件110的筒112和N型热电转换元件120的筒122的横截面积(与发电时在热电转换元件中电流流动的方向正交的截面的面积)不同(参照图1G)。
[0057] 根据这些结构,能够与P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的热阻之差相比,缩小P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的热阻之差。即,能够校正(降低)P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的热阻之差。通过降低P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的热阻之差,能够防止热电转换模块100性能下降。
[0058] 另一方面,能够通过调整横截面积来缩小电阻率较大地不同的P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的电阻之差。即,能够校正(降低)P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的电阻之差。通过降低P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的电阻之差,能够防止电阻较大的热电转换部件111或热电转换部件121的影响引起的热电转换模块100的性能下降。
[0059] 若P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的截面面积过小,则P型热电转换部件111和N型热电转换部件121被破坏,若P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的截面面积过大,则热电转换模块100的每单位面积的热电转换元件数减少而引起性能下降。2 2
因此,优选P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的截面面积为0.02mm ~4mm 。进而,若P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的截面面积在0.03mm2~2.6mm2的范围内,则性能提高,因此更优选。
[0060] 筒112和122的横截面积越比P型热电转换部件111和N型热电转换部件121小,则越能够增大热电转换模块100中的P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的截面面积率。由此,热电转换模块100的性能提高,但是,另一方面,引起P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的强度下降。由此,优选筒112和122的横截面积为P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积的0.2~1.7倍。进而,若筒112和122的横截面积为P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积的0.4~1.5倍,则性能提高,因此优选。
[0061] 图1A是表示一例本发明的热电转换模块的横截面图。P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的横截面都大致为正方形,但是,其一边的长度不同(N型热电转换元件120的一边较长)。由于没有横截面中的长边和短边的区别,因此,在装配P型热电转换元件
110和N型热电转换元件120时,作业容易进行,而且作为模块的可靠性提高。
[0062] 图1B是表示一例本发明的热电转换模块的横截面图。横截面是长方形,P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的一边大致为相同尺寸,另一边的尺寸不同(N型热电转换元件120的另一边较长)。由于一边大致为相同尺寸,从而在通过研磨或切削校正筒112和122的横截面积时,能够通过兼用夹具等简化研磨或切削工序。另外,由于能够使P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的距离较小地(之间的空间窄)地排列和装配,因此能够增加每单位面积的P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的数量。
[0063] 图1C是表示一例本发明的热电转换模块的横截面图。P型热电转换元件110和N型热电转换元件120中的任一方的横截面为圆形,另一方的横截面为四边形。通过对圆筒进行研磨或切削,能够得到横截面为四边形的热电转换元件。由于只要通过研磨或切削得到筒112和122中的任一方即可,因此,能够将研磨或切削工序减半。另外,如图1C所示,通过将P型热电转换元件110和N型热电转换元件120中的任一方的横截面设为圆形,将另一方的横截面设为四边形,从而能够通过外观观察容易地区别P型热电转换元件110和N型热电转换元件120。因此,在为了得到热电转换模块而装配热电转换元件时,能够抑制排列错误的发生。其结果,能够防止热电转换模块的性能下降。
[0064] 图1D是表示一例本发明的热电转换模块的横截面图。在图1D中,P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面的形状都是圆形,而且两者的横截面积也相等。筒112和筒122的内径(P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的外径)相同,另一方面,筒
112和筒122的外径不同。因此,筒112的横截面积和筒122的横截面积不同。以使外形不同的筒112和筒122线接触的方式配置P型热电转换元件110和N型热电转换元件120。而且,在筒
112和筒122线接触的部位以外的位置分配有空间。
[0065] 图1E是表示一例本发明的热电转换模块的横截面图。图1E中,P型热电转换元件110的横截面和N型热电转换元件120的横截面为相同的形状。即,P型热电转换元件110的筒
112的横截面和N型热电转换元件120的筒122的横截面为相同的形状。而且,将P型热电转换元件110的筒112的材料和N型热电转换元件120的筒122的材料设为不同的材料。如果选择不同的材料,则即使使筒112和筒122的截面面积设为相等,有时也能够校正P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的热阻之差。
[0066] 例如,在P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的横截面积为相同面积,而且P型热电转换部件111的热阻比N型热电转换部件121小的情况下,作为筒112的材料选择具有比筒122的热阻率大的热阻率的材料。
[0067] 图1F是表示一例本热电转换模块的横截面图。在图1F中,筒112和筒122的内径(P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的外径)不同,筒112和筒122的外径也不同。因此,P型热电转换部件111的横截面积和N型热电转换部件121的横截面积不同,筒112的横截面积和筒122的横截面积不同。另外,将P型热电转换元件110的筒112的材料和N型热电转换元件120的筒122的材料设为相同的材料。
[0068] 图1G是表示一例本热电转换模块的横截面图。在图1G中,筒112和筒122的内径(P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的外径)不同,筒112和筒122的外径也不同。因此,P型热电转换部件111的横截面积和N型热电转换部件121的横截面积不同,筒112的横截面积和筒122的横截面积不同。另外,将P型热电转换元件110的筒112的材料和N型热电转换元件120的筒122的材料设为不同的材料。
[0069] 当在热电转换模块100中起电时(使用时)的、1)P型热电转换部件111的两端面之间的温度差和筒112的两端面之间的温度差大致相等,而且2)P型热电转换部件111的高度和筒112的高度大致相等时,P型热电转换元件110的热阻R(p)如以下式(I)所示。同样地,N型热电转换元件120的热阻R(n)如以下式(II)所示。
[0070] 根据1/R(p)=1/R(pm)+1/R(pg)
[0071] 其中,
[0072] R(pm)=A(pm)×L/S(m)
[0073] R(pg)=A(pg)×L/S(pg)
[0074] 得到
[0075] R(p)={A(pm)×A(pg)×L}/{S(m)×A(pg)+A(pm)×S(pg)}…式(I)
[0076] R(n)={A(nm)×A(ng)×L}/{S(m)×A(ng)+A(nm)×S(ng)}…式(II)
[0077] 在式(Ⅰ)、(II)中,
[0078] L:P型热电转换部件111和筒112的高度
[0079] R(pm):P型热电转换部件111的热阻
[0080] R(pg):筒112的热阻
[0081] R(nm):N型热电转换部件121的热阻
[0082] R(ng):筒122的热阻
[0083] A(pm):P型热电转换部件111的热阻率
[0084] A(nm):N型热电转换部件121的热阻率
[0085] A(pg):筒112的热阻率
[0086] A(ng):筒122的热阻率
[0087] S(m):P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积(在不是恒定的情况下,是与发电时在P型热电转换部件111和N型热电转换部件121中电流流动的方向正交的截面中的最小的横截面积)
[0088] S(pg):筒112的横截面积(在不是恒定的情况下,是与发电时在P型热电转换部件111中电流流动的方向正交的截面中的最小的横截面积)
[0089] S(ng):筒122的横截面积(在不是恒定的情况下,是与发电时在N型热电转换部件121中电流流动的方向正交的截面中的最小的横截面积)。
[0090] 在如图1A、图1B、图1C和图1D所示,P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积相同,另一方面,筒112的横截面积和筒122的横截面积不同,而且筒112和筒122的材料相同的情况下,
[0091] 可设置为
[0092] A(pg)=A(ng)=A(g)。
[0093] 在R(p)=R(n)时,
[0094] {S(ng)-S(pg)}/{A(nm)-A(pm)}=A(g)×S(m)/{A(nm)×A(pm)}
[0095] 其中,根据
[0096] A(g)×S(m)/{A(nm)×A(pm)}>0
[0097] 得到
[0098] {S(ng)-S(pg)}/{A(nm)-A(pm)}>0
[0099] 根据以上,得到
[0100] 在A(pm)>A(nm),即R(pm)>R(nm)时,S(pg)>S(ng)、
[0101] 在A(pm)
[0102] 由此,在P型热电转换部件111的热阻比N型热电转换部件121的热阻大的情况下,通过使筒112的横截面积比筒122的横截面积大,能够校正P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的热阻之差。另外,在P型热电转换部件111的热阻比N型热电转换部件121的热阻小的情况下,通过使筒112的横截面积比筒122的横截面积小,能够校正P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的热阻之差。
[0103] 另外,如图1E所示,在P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积相同,筒112的横截面积和筒122的横截面积也相同,将筒112的材料和筒122的材料设为不同的材料的情况下,
[0104] 可设置为
[0105] S(pg)=S(ng)=S(g)。
[0106] 在R(p)=R(n)时,
[0107] {A(pm)-A(nm)}/{A(ng)-A(pg)}=A(nm)×A(pm)×S(g)/{A(ng)×A(pg)×S(m)}[0108] 其中,根据
[0109] A(nm)×A(pm)×S(g)/{A(ng)×A(pg)×S(m)}>0
[0110] 得到
[0111] {A(pm)-A(nm)}/{A(ng)-A(pg)}>0
[0112] 根据以上,得到
[0113] 在A(pm)>A(nm),即R(pm)>R(nm)时,A(ng)>A(pg)、
[0114] 在A(pm)
[0115] 由此,在P型热电转换部件111的热阻比N型热电转换部件121的热阻大的情况下,通过选择与筒122相比热阻率小的材料作为筒112的材料,能够校正P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的热阻之差。另外,在P型热电转换部件111的热阻比N型热电转换部件121的热阻小的情况下,通过选择与筒122相比热阻率大的材料作为筒112的材料,能够校正P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的热阻之差。
[0116] 另外,也能够通过“温度倾斜法”实际测量P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的热阻R(p)和R(n)。能够通过以下的方法利用温度倾斜法测定热阻R。利用加热后的夹具和冷却后的夹具夹持P型热电转换元件110或N型热电转换元件120。根据P型热电转换元件110或N型热电转换元件120的上下端面的温度差、以及P型热电转换元件110或N型热电转换元件120的高度,求出P型热电转换元件110或N型热电转换元件120的热阻。在利用加热后的夹具和冷却后的夹具夹持P型热电转换元件110或N型热电转换元件120时,以热电转换部件和筒的上下端面与夹具的端面相接的方式进行夹持。由此,能够测定由热电转换部件和筒构成的P型热电转换元件110或N型热电转换元件120的热阻。
[0117] 优选P型热电转换元件110的热阻R(p)和N型热电转换元件120的热阻R(n)之差小于1℃/W,从可靠性的观点出发,更优选小于0.5℃/W。这是因为,热阻R(p)和热阻R(n)之差越小,则在P型热电转换元件110中通过的热量和在N型热电转换元件120中通过的热量越近似,能够防止模块性能下降。
[0118] [实施方式1]
[0119] 在将P型热电转换部件111和N型热电转换部件121设为Bi-Te系材料,作为筒112和122使用耐热玻璃的情况下,优选使P型热电转换元件110的筒112的横截面积比N型热电转换元件120的筒122小。
[0120] 另外,在将P型热电转换部件111和N型热电转换部件121设为Bi-Te系材料,作为筒112和122使用石英的情况下,也优选使P型热电转换元件110的筒112的横截面积比N型热电转换元件120的筒122小。
[0121] 在实施方式1中,准备了图1D所示的P型热电转换元件110和N型热电转换元件120。将P型热电转换部件111和N型热电转换部件121设为Bi-Te系材料。更具体地,在将P型热电转换部件的热阻率设为0.74m·K·W-1,将N型热电转换部件的热阻率设为0.79m·K·W-1,将P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积分别设为0.50mm2(直径0.80mm的圆柱)的情况下,P型热电转换部件111的热阻为737℃/W,N型热电转换部件的热阻为783℃/W。将筒112和122设为热阻率为1.00m·K·W-1的康宁(Corning)公司的派热克斯玻璃(Pyrex,注册商标),将P型热电转换元件110的筒112的横截面积设为0.28mm2(外径1.00mm的圆筒),将N型热电转换元件120的筒122的横截面积设为0.32mm2(外径1.03mm的圆筒)。根据该结构,P型热电转换元件110的热阻R(p)和N型热电转换元件120的热阻R(n)之差为0.07℃/W。
[0122] [实施方式2]
[0123] 在实施方式2中,准备了图1E所示的P型热电转换元件110和N型热电转换元件120。即,将P型热电转换元件110的横截面和N型热电转换元件120的横截面设为相同形状。作为P型热电转换部件111和N型热电转换部件121,使用Bi-Te系材料。
[0124] 在将P型热电转换部件111的热阻率设为0.74m·K·W-1,将N型热电转换部件121的-1热阻率设为0.79m·K·W ,将P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的横截面积分别设为0.50mm2(直径0.80mm的圆柱)的情况下,P型热电转换部件111的热阻为737℃/W,N型热电转换部件121的热阻为783℃/W。在将筒112和筒122的横截面积设为0.80mm2(外径1.29mm的圆筒)的情况下,作为筒112使用热阻率为1.05m·K·W-1、热阻为658℃/W的钠玻璃,作-1
为筒122使用热阻率为1.00m·K·W 、热阻为625℃/W的康宁公司的派热克斯玻璃(注册商标)即可。根据该结构,P型热电转换元件110的热阻R(p)和N型热电转换元件120的热阻R(n)之差为0.05℃/W。
[0125] [实施方式3]
[0126] 在实施方式3中,准备了图1F所示的P型热电转换元件110和N型热电转换元件120。即,将P型热电转换元件110的横截面和N型热电转换元件120的横截面设为不同形状。作为P型热电转换部件111使用Zn-Sb系材料,作为N型热电转换部件121使用Co-Sb系材料。将筒
112和122的材料设为石英玻璃。
[0127] 将P型热电转换部件111的电阻率设为2.75×10-5Ωm,将N型热电转换部件121的电阻率设为1.40×10-5Ωm,将P型热电转换部件111的横截面积设为0.99mm2(直径1.12mm的圆2
柱),将N型热电转换部件121的横截面积设为0.50mm (直径0.80mm的圆柱)。根据该结构,P型热电转换部件111的电阻和N型热电转换部件121的电阻之差为6.87×10-5Ω。
[0128] 将P型热电转换部件111的热阻率设为1.47m·K·W-1,将N型热电转换部件121的热阻率设为0.34m·K·W-1。在该结构中,P型热电转换部件111的热阻为741℃/W,N型热电转换-1部件121的热阻为343℃/W。将筒112和122的材料设为热阻率为0.72m·K·W 的石英玻璃,将筒112的横截面积设为0.85mm2(直径1.53mm的圆筒),将筒122的横截面积设为0.28mm2(直径1.00mm的圆筒)。根据该结构,P型热电转换元件110的热阻R(p)和N型热电转换元件120的热阻R(n)之差为0.20℃/W。
[0129] [实施方式4]
[0130] 在实施方式4中,准备了图1G所示的P型热电转换元件110和N型热电转换元件120。即,将P型热电转换元件110的横截面和N型热电转换元件120的横截面设为不同形状。作为P型热电转换部件111使用Zn-Sb系材料,作为N型热电转换部件121使用Co-Sb系材料。作为筒
112采用耐热玻璃,作为筒122采用石英玻璃。由于Co-Sb系材料的融点较高,因此,为了实施后述的制法,使用石英构成筒122。
[0131] 将P型热电转换部件111的电阻率设为2.75×10-5Ωm,将N型热电转换部件121的电阻率设为1.40×10-5Ωm,将P型热电转换部件111的横截面积设为0.99mm2(直径1.12mm的圆柱),将N型热电转换部件121的横截面积设为0.50mm2(直径0.80mm的圆柱)。根据该结构,P型热电转换部件111的电阻和N型热电转换部件121的电阻之差为6.87×10-5Ω,与设为相同横截面的情况相比,减小了该差值。
[0132] 将P型热电转换部件111的热阻率设为1.47m·K·W-1,将N型热电转换部件121的热阻率设为0.34m·K·W-1。在该结构中,P型热电转换部件111的热阻为741℃/W,N型热电转换部件121的热阻为343℃/W。将筒112的横截面积设为1.17mm2(直径1.66mm的圆筒),将筒122的横截面积设为0.28mm2(直径1.00mm的圆筒),作为筒112使用热阻率为1.00m·K·W-1的康宁公司的派热克斯玻璃(注册商标),作为筒122使用热阻为0.72m·K·W-1的石英玻璃即可。根据该结构,P型热电转换元件110的热阻R(p)和N型热电转换元件120的热阻R(n)之差为
0.17℃/W。
[0133] 图2为本发明的热电转换模块的纵截面图(与发电时在热电转换元件中电流流动的方向平行的截面),是图1A中的A-A截面图。
[0134] 电极201与P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的端面电气接合。由此,能够如图2所示那样,通过将P型热电转换元件110和N型热电转换元件120交替地在电气串联连接来构成热电转换模块100。
[0135] 即可以通过焊或钎料等接合材料202将电极201与P型热电转换部件111和N型热电转换部件121接合,也可以无接合材料而直接将电极201与P型热电转换部件111和N型热电转换部件121接合。作为电极201的材料的例子,包括含有Bi(铋)、Cu()、Sb(锑)、In(铟)、Ni(镍)、Al(铝)、Ag()、Au(金)、Pt(铂)、Pd(铅)中的任意一种的单体金属或合金等。作为接合材料202,例如可以使用含有Sn(锡)、Pb、Ag、Bi、In、Sb、Au中的任意一种的单体金属或合金。
[0136] 作为电极201,即可以使用在上面基板203a和下面基板203b上形成的电极201,也可以通过蒸、溅射或喷涂等在P型热电转换元件110和N型热电转换元件120上形成电极201。在本实施方式中,使用了上面基板203a和下面基板203b,但是,也可以不使用这些基板。
[0137] 在上面基板203a和下面基板203b上也可以存在抗蚀剂204。也可以不存在抗蚀剂,但是,为了防止装配P型热电转换元件110和N型热电转换元件120时的位置错位,优选存在抗蚀剂。
[0138] 从在热电转换部件的两端产生适当的温度差的观点出发,优选P型热电转换元件110和N型热电转换元件120的纵向(发电时电流流动的方向)的长度为0.15~2.0mm。
[0139] 此外,P型热电转换部件111和N型热电转换部件121也可以在其端面具有衬底金属205。衬底金属205是用于提高P型热电转换部件111和N型热电转换部件121与电极201之间的接合性、或者用于抑制自接合材料202和电极201的扩散引起的P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的发电能力下降的金属层。从表现所希望的接合性和提高模块的可靠性的观点出发,衬底金属205的厚度优选为3.0~6.0μm。作为衬底金属205的例子,包括含有Ni、Mo(钼)、Ti()、W(钨)中的任意一种的单体金属或合金,优选使用Ni或Mo。在本实施方式中,作为衬底金属205使用Ni。
[0140] 说明上述的热电转换元件模块的制造方法。首先,参照图3,说明热电转换元件的制造方法。如图3所示,准备具有耐热性和绝缘性的管301。作为管301,优选使用玻璃、特别地使用耐热玻璃(是混合了SiO2和B2O3的硅玻璃的一种,热膨胀率大约为3×10-6/K左右的材料)的管。作为一般公知的耐热玻璃的例子,有康宁公司制的派热克斯(注册商标)玻璃。在本实施方式中,使用全长L为150mm、内径d1和外径d2分别为0.8mm、2mm的派热克斯(注册商标)玻璃制的管301。
[0141] 接着,借助软管302,在图3的管301的一端安装气缸303,将另一端浸渍在坩埚304内的溶融热电转换材料305中。然后,利用气缸303使管301的内部压力降低,从而在管301的内部吸引溶融热电转换材料305。通过使吸引到管301的内部的溶融热电转换材料305凝固,来形成P型热电转换部件111或N型热电转换部件121。
[0142] 作为在管301的内部填充P型热电转换部件111或N型热电转换部件121的方法,也可以使用在将成为粉末状的热电转换材料放入管的内部后,将管301加热到热电转换材料的融点以上的温度,来使热电转换材料熔化的方法。
[0143] 接着,通过对管301进行研磨和/或切削等的方法,使管301的横截面为所希望的截面面积。例如,可以使用顶靠在旋转磨床上进行的研磨、基于无心研磨的切削的方法。在本实施方式中,将管301设为圆筒,将管301的内部的P型热电转换部件111和N型热电转换部件121的形状设为圆柱。
[0144] 接着,将管301切断为所希望的长度,由此形成了P型热电转换元件110或N型热电转换元件120。
[0145] 进而,通过将P型热电转换元件110和N型热电转换元件120装配在上面基板203a和下面基板203b,形成热电转换模块100。
[0146] 此外,作为第一绝缘体的一例示出了筒112,但是,第一绝缘体只要是覆盖P型热电转换部件111的至少一部分的部件即可,例如,也可以以使P型热电转换部件111的侧面的一部分露出的方式构成第一绝缘体。更详细地,也可以利用夹住P型热电转换部件111的侧面的一组部件构成第一绝缘体。同样地,第二绝缘体只要是覆盖N型热电转换部件121的至少一部分的部件即可,例如,也可以以使N型热电转换部件121的侧面的一部分露出的方式构成第二绝缘体。更详细地,也可以利用夹住N型热电转换部件121的侧面的一组部件构成第二绝缘体。
[0148] 根据本发明,通过使P型热电转换元件和N型热电转换元件的热阻接近(减少热阻之差),得到表现较高性能的热电转换模块。从而,可在各种技术领域中,需要将热量直接转换成电气的情况下以及需要将电气转换成热量的情况下,广泛地适用本发明。
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