CN108780832B - 热电转换模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电转换模块，其具有：多个热电转换元件，其并排设置；第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，且将相邻的所述热电转换元件的一端彼此电连接；第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，且将相邻的所述热电转换元件的另一端彼此电连接；所述多个热电转换元件、所述第一电极、及所述第二电极至少形成一个串联体，在所述串联体的端部配设有具备挠性的第三电极。

Description

热电转换模块

技术领域

本发明涉及进行基于泽贝克效应实现的热电发电的热电转换模块。

背景技术

热电转换模块是由热电转换元件构成的模块，该热电转换元件可通过泽贝克效应将热能转换为电能。利用这种能量的转换性质，从而能够将从用于工业、民生的工艺及移动体排出的排出热转换为有效的电力，故而，作为就环境问题所考虑的节能技术，该热电转换模块及构成该模块的热电转换元件受到瞩目。

这种热电转换模块通常由电极将多个热电转换元件(P型半导体及N型半导体)接合而构成。这种热电转换模块例如被专利文献1公开。专利文献1中公开的热电转换模块具备：一对基板；多个热电转换元件，其一端部与该基板的一方上配置的第一电极电连接，另一端部与该基板的另一方上配置的第二电极电连接；连接部，其将与该热电转换元件电连接的第一电极电连接到与相邻热电转换元件电连接的第二电极。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2013－115359号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，就专利文献1中公开的那种热电转换模块的构造而言，在将该热电转换模块搭载于发动机的排气部等热源进行使用的情况下，热量随着发动机的排气量的增加而上升时，与该热源接触的基板有时因热膨胀而形变或弯曲。产生这种基板的形变或弯曲时，应力集中于热电转换模块的用于引出的端子、或位于该端子附近(即，热电转换模块的起始端及终止端)的电极或连接部，将产生如下问题：该端子从热电转换元件剥离、或位于该端子附近的电极从连接部剥离的问题。这种剥离与热电转换模块的内部阻力及电压的变动相关联，将导致可靠性降低。

本发明是鉴于这种课题而作出的，其目的在于，提供与使用条件无关地防止电极等的剥离、且可靠性优异的热电转换模块。

用于解决课题的技术方案

为了达成上述目的，本发明的热电转换模块具有：多个热电转换元件，其并排设置；第一电极，其与上述热电转换元件的一端接合，且将相邻的上述热电转换元件的一端彼此电连接；第二电极，其与上述热电转换元件的另一端接合，且将相邻的上述热电转换元件的另一端彼此电连接；上述多个热电转换元件、上述第一电极、及上述第二电极至少形成一个串联体，在上述串联体的端部配设有具备挠性的第三电极。

发明效果

根据本发明的热电转换模块，能够与使用条件无关地防止电极等的剥离，并且实现优异的可靠性。

附图说明

图1是实施例的热电转换模块的立体图；

图2是实施例的热电转换模块的俯视图；

图3是沿着图2的线III－III的剖切部端面图；

图4是实施例的热电转换模块中使用的电极的侧视图；

图5是表示规定试验中的与热电转换模块相关的电压变动的曲线图；

图6是表示规定试验中的与比较例相关的电压变动的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图，基于实施例对本发明的热电转换模块的实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不限于以下说明的内容，在不改变其主旨的范围内，可任意地变更而实施。另外，实施例的说明中使用的附图均是示意性地表示本发明的热电转换模块或其构成部件，有时为了加深理解而进行局部的强调、放大、缩小、或省略等，并未正确地表示各构成部件的比例及形状等。进一步地，实施例中使用的各种数值均表示一例，可根据需要进行各种变更。

＜实施例＞

(热电转换模块的构造)

下面，参照图1至图3对本实施例的热电转换模块1的构造进行说明。这里，图1是本实施例的热电转换模块1的立体图。另外，图2是本实施例的热电转换模块1的俯视图。进一步地，图3是沿着图2的线III－III的剖切部端面图。并且，将图1中的一方向定义为X方向，将与X方向正交的方向定义为Y方向、及Z方向，并且特别地将热电转换模块1的高度方向定义为Z方向。

由图1至图3可知，本实施例的热电转换模块1具有：并排设置的多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b、在该第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的端部设置的第一电极3a及第二电极3b。另外，本实施例的热电转换模块1具有：将位于热电转换模块1的X方向的端部的第一电极3a彼此连接的连接电极3c、起到热电转换模块1的外部连接电极的功能的引出电极3d。本实施例的热电转换模块1还具有：以覆盖第一电极3a的方式设置的第一覆盖部件4、以覆盖该第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、及连接电极3c的方式设置的第二覆盖部件5、以支承第二电极3b的方式设置的支承基板6。

需要说明的是，选择任一连接电极3c进行说明，该情况下，作为连接电极3c₁、连接电极3c₂、连接电极3c₃或连接电极3c₄进行说明；选择任一引出电极3d进行说明，该情况下，作为引出电极3d₁、或引出电极3d₂进行说明。

在本实施例中，第一热电转换元件2a由N型半导体材料构成，第二热电转换元件2b由P型半导体材料构成。另外，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b交替且矩阵状(X方向上8个、Y方向上5个，合计40个)地配置。进一步地，相邻的第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b经由第一电极3a及第二电极3b电连接。并且，如图3所示，在本实施例中，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b具有直径互不相同的圆柱体连结而成的形状。更具体来说，如图3所示，就第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b而言，直径大的第一圆柱部11(例如，直径5mm)位于第一电极3a侧，直径小的第二圆柱部12(例如，直径3mm)位于第二电极3b侧。需要说明的是，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的形状不限于这种形状，例如，也可以是圆柱状或棱柱状。

第一电极3a及第二电极3b具有同一形状(平板状)，例如，由铜板形成。另外，第一电极3a在X方向上并排设置有5个，在Y方向上并排设置有5个(合计25个)。进一步地，在位于X方向的两端的第一电极3a的一端，仅连接有第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b中的任一方，在另一端连接有连接电极3c或引出电极3d。另一方面，第二电极3b在X方向上并排设置有4个、在Y方向上并排设置有5个(合计20个)。另外，在第二电极3b的一端连接有第一热电转换元件2a，在另一端连接有第二热电转换元件2b。并且，由图1及图3可知，第一电极3a及第二电极3b在Z方向上配置为，夹着第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b。

通过这种第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、及第二电极3b的配置关系，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b被串联连接。特别地，在本实施例中，由在X方向上并排设置的、4个第一热电转换元件2a、4个第二热电转换元件2b、5个第一电极3a及4个第二电极3b形成一个串联体13。即，在热电转换模块1形成有合计5个串联体13。另外，在Y方向上相邻的串联体13彼此间，各自的一端彼此经由连接电极3c连接。需要说明的是，选择任一串联体13进行说明，该情况下，作为串联体13a、串联体13b、串联体13c、串联体13d、或串联体13e进行说明。

这里，第一电极3a及第二电极3b不限于铜板，也可以由其他的导电性材料(例如，铝等金属材料)形成。另外，第一电极3a及第二电极3b的数量、形状不限于上述内容，可以根据第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b(即，电动势的大小)适当变更。进一步地，也可以是，以将第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b并列连接的方式，配设第一电极3a及第二电极3b。

连接电极3c及引出电极3d具有同一构造。具体来说，如图4所示，两电极由网目状金属21、固定于该网目状金属21的两端处的两个金属板22构成。连接电极3c及引出电极3d包括具备良好挠性的网目状金属21，故而，作为连接电极3c及引出电极3d本身也具备挠性。这里，在能够使连接电极3c及引出电极3d具备良好的挠性的范围内，网目状金属21的开口率及开口尺寸可适当设定。

另外，在本实施例中，网目状金属21及金属板22由铜形成，但是，其材料不限于铜，也可以使用其他的金属。特别地，优选为如下材料：能够保持连接电极3c及引出电极3d的良好的挠性、且也能够保持良好的电导率。进一步地，连接电极3c及引出电极3d只要电极本身能够保持良好的挠性即可，也可以不使用网目状金属21，而使用与网目状不同构造的金属材料。

如图2所示，在与位于－Y侧的引出电极3d₁连接的串联体13a的另一端(+X侧)连接有连接电极3c₁，经由该连接电极3c₁连接有一个位于Y侧的串联体13b。另外，串联体13b在与同串联体13a连接的端部的相反侧(－X侧)也连接有连接电极3c₂，经由该另一连接电极3c₂与一个位于Y侧的串联体13c连接。进一步地，通过同样的连接结构，串联体13c和串联体13d在+X侧经由连接电极3c₃连接，串联体13d和串联体13e在－X侧经由连接电极3c₄连接。并且，在串联体13e的+X侧连接有引出电极3d₂。

通过这种串联体13和连接电极3c的连接关系，在热电转换模块1形成有曲折状的一个串联电路。并且，在该串联电路的两端，配置有外部连接用的引出电极3d，故而，能够将经热电转换模块1产生的电力输出到外部。需要说明的是，为了形成这种曲折状的一个串联电路，串联体13a、13c、13e、和串联体13b、13d中的第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的配置关系相反。

由图1及图3可知，第一覆盖部件4以埋设第一电极3a的方式，覆盖第一电极3a的表面。另外，第一覆盖部件4由具备绝缘性的树脂形成，且在该树脂中混合有起到热导性材料的功能的铝、铜、或氮化铝等金属材料。通过这种构造，第一覆盖部件4具备较高的热导率，并且良好地维持第一电极3a周围的电绝缘状态。

另外，由图1及图3可知，第二覆盖部件5以埋设第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b及连接电极3c的方式，覆盖第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b及连接电极3c。另外，第二覆盖部件5由具备绝缘性的树脂形成，且在该树脂中混合有隔热材料。例如，作为形成第二覆盖部件5的隔热材料，可以使用玻璃棉等纤维类隔热材料、聚苯乙烯泡沫等发泡类隔热材料。

通过这种构造，第二覆盖部件5具备比第一覆盖部件4低的热导率，具备如下功能：抑制第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b及连接电极3c的放热。并且，第二覆盖部件5能够增大第一电极3a及第二电极3b间的温度差、且将该温度差保持恒定，能够产生更大的电动势。另外，第二覆盖部件5良好地维持第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b及连接电极3c周围的电绝缘状态。

进一步地，通过第二覆盖部件5将第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b及连接电极3c较牢固地保持，故而，能够使热电转换模块1本身的强度提高。进一步地，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b被完全地覆盖，故而，能够防止第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的破损及污损等，能够抑制热电转换模块1本身的热电转换效率及可靠性的降低。并且，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b、与第一电极3a及第二电极3b的接合界面的缘部未露出，故而，能够提高热电转换元件和电极的接合强度，并且能够抑制随着时间推移产生的接合强度的降低，能够防止在接合界面产生裂纹。

需要说明的是，第二覆盖部件5无需将第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b完全地覆盖，也可以覆盖其一部分。在这种情况下也是，能够在第一电极3a与第二电极3b之间产生温度差并将其保持恒定，能够使热电转换模块1本身的强度提高。另外，与第一覆盖部件4同样地，第二覆盖部件5也可以混合有起到热导性材料的功能的材料。在这种情况下也是，第二覆盖部件5需要具备比第一覆盖部件4低的热导率。进一步地，在本实施例中，第一覆盖部件4及第二覆盖部件5的主材料是树脂，但是，也可以使用陶瓷等材料。在这种情况下也是，将第二电极3b覆盖的材料需要具备比将第一电极3a覆盖的材料低的热导率。

并且，如图1及图3所示，支承基板6以支承第二电极3b的方式，与第二电极3b接合。支承基板6由绝缘材料构成，例如，可以使用玻璃环氧基板等常用的绝缘基板。

(热电转换模块的制造方法)

作为本实施例的热电转换模块1的制造方法，在构成制造装置的起到通电加压部件的功能的两个冲头(punch)之间，配置制备的第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c及引出电极3d。之后，将两个冲头朝第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c及引出电极3d加压并供给电流。由此，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b、与第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c及引出电极3d扩散接合(等离子接合)，多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b串联连接，形成5个串联体13及由这些串联体构成的串联电路。这种通电加压在真空、氮气、或惰性气体环境的腔室内进行。

接着，将接合状态下的第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c及引出电极3d装配到支承基板6上。更具体来说，在形成于支承基板6上的金属图案上，经由焊料等接合部件将第二电极3b接合，构成第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c及引出电极3d的支承。

然后，通过通常的嵌件成形来形成第二覆盖部件5，之后通过同样的嵌件成形来形成第一覆盖部件4。经过以上的工序，完成热电转换模块1。

(本实施例和比较例的比较)

接着，参照图5及图6，就针对本实施例的热电转换模块1、和作为比较品的比较例的热电转换模块(以下，称为比较例)实施的试验及其结果进行说明。在此，本实施例的热电转换模块1和比较例的差异点在于，在比较例中，作为与连接电极3c及引出电极3d相当的部件，使用非挠性的板状的金属电极。

图5是表示规定试验中的热电转换模块1相关的电压变动的曲线图，图6是规定试验中的比较例相关的电压变动的曲线图。需要说明的是，在图5及图6中，纵轴是电压(任意单位)，横轴是经过时间(秒)。另外，所谓规定试验是指如下试验：将热电转换模块1及比较例设于热源即通用发动机(400cc、3700rpm)进行耐久性的确认。另外，在该规定试验中，使用冷水机(设定20℃、流量：4.5L/min)进行冷却。

对图5及图6进行比较可知，就本实施例的热电转换模块1而言，直到约900秒为止其电压上升，但是，900秒以后不发生电压的变动，输出稳定的电压。另一方面，就比较例而言，其电压渐渐上升，但是，电压的变动不平稳，直到约2000秒之前在重复大幅变动。作为出现这种差异的理由如下：在本实施例的热电转换模块1中，在串联体13的端部配置有具备挠性的连接电极3c及引出电极3d，故而，即使随着热电转换模块1的温度上升产生应力集中，连接电极3c及引出电极3d也不会从第一电极3a剥离。另一方面，在比较例中，在串联体13的端部替代性地配置有非挠性的板状的电极，故而，随着比较例的温度上升，该非挠性的电极从第一电极3a剥离，电压不稳定，其变动大。

如上述，在本实施例中，由于在串联体13的端部配设有具备挠性的连接电极3c及引出电极3d，故而，即使随着热电转换模块1的温度上升产生应力集中，连接电极3c及引出电极3d也不会从第一电极3a剥离。另外，通过上述构造，在将热电转换模块1搭载于车辆的情况下，也能够防止发动机的振动导致的电极剥离。即，本实施例的热电转换模块1能够与使用条件无关地防止电极等的剥离，并能够实现优异的可靠性。

需要说明的是，在本实施例中，形成多个串联体13，但是，也可以是如下构造：仅形成一个串联体13，在其两端配置引出电极3d。即使在该情况下，也能够减少随着在热电转换模块1的两端产生的应力出现的形变的影响，能够与使用条件无关地防止引出电极3d的剥离，并能够实现优异的可靠性。

另外，在本实施例中，对第一电极3a及第二电极3b使用板状的金属板，但是，也可以使用连接电极3c及引出电极3d那样的挠性的电极。如此，不仅是热电转换模块的端部，能够减少全部电极部分的随着应力出现的形变的影响，能够提供可靠性更高的热电转换模块。

＜本发明的实施方式＞

本发明的第一实施方式的热电转换模块具有：多个热电转换元件，其并排设置；第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，且将相邻的所述热电转换元件的一端彼此电连接；第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，且将相邻的所述热电转换元件的另一端彼此电连接；所述多个热电转换元件、所述第一电极、及所述第二电极至少形成一个串联体，在所述串联体的端部配设有具备挠性的第三电极。由此，能够与使用条件无关地防止电极等的剥离，并能够实现优异的可靠性。

本发明的第二实施方式的热电转换模块在上述的第一实施方式的热电转换模块的基础上，具有多个所述串联体，通过所述第三电极将所述串联体彼此连接。由此，能够在热电转换模块内配置更多的热电转换元件，能够实现具备更高热电转换效率的热电转换模块。

本发明的第三实施方式的热电转换模块在上述的第一或第二实施方式的热电转换模块的基础上，所述第三电极包括网目状金属。由此，即使在串联体的端部产生了应力集中，也能够更进一步减少形变对第三电极的影响，能够可靠地防止第三电极的剥离。

本发明的第四实施方式的热电转换模块在上述的第三实施方式的热电转换模块的基础上，所述第三电极具备在所述网目状金属的两端固定有金属板的构造。由此，即使在串联体的端部产生了应力集中，也能够更进一步减少变形对第三电极的影响，能够可靠地防止第三电极的剥离。

本发明的第五实施方式的热电转换模块在上述的第一至第四实施方式的热电转换模块任一个热电转换模块的基础上，所述第一电极及所述第二电极具备挠性。由此，不仅是热电转换模块的端部，能够减少全部电极部分的随着应力出现的形变的影响，能够实现可靠性更高的热电转换模块。

标记说明

1 热电转换模块

2a 第一热电转换元件

2b 第二热电转换元件

3a 第一电极

3b 第二电极

3c 连接电极(第三电极)

3d 引出电极(第三电极)

4 第一覆盖部件

5 第二覆盖部件

6 支承基板

11 第一圆柱部

12 第二圆柱部

13 串联体

Claims (5)

1.一种热电转换模块，其中，具有：

多个热电转换元件，其并排设置；

第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，且将相邻的所述热电转换元件的一端彼此电连接；

第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，且将相邻的所述热电转换元件的另一端彼此电连接；

第一覆盖部件，其以埋设的方式覆盖所述第一电极；

所述多个热电转换元件、所述第一电极、及所述第二电极至少形成一个串联体，

在所述串联体的端部配设有具备挠性的第三电极，

所述第三电极、多个所述热电转换元件、所述第二电极由热导率比所述第一覆盖部件低的第二覆盖部件以埋设的方式覆盖。

2.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，

该热电转换模块具有多个所述串联体，

通过所述第三电极将所述串联体彼此连接。

3.如权利要求1或2所述的热电转换模块，其中，

所述第三电极包括网目状金属。

4.如权利要求3所述的热电转换模块，其中，

所述第三电极具备在所述网目状金属的两端固定有金属板的构造。

5.如权利要求1～4中任一项所述的热电转换模块，其中，

所述第一电极及所述第二电极具备挠性。

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