CN100403569C - 热电变换装置以及热电变换装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种热电变换装置，即使在高温环境下也会稳定动作。热电变换装置包括：具有多数个电极的第一基板与第二基板；多数个热电组件，配置在第一基板与第二基板之间，使一端与第一基板的各电极相对应，另一端与第二基板的各电极相对应；规定构件，用以规定各热电组件的位置；盖体，配置在第二基板的外侧，并与第一基板结合，以使压力加在第二基板与第一基板之间。

Description

热电变换装置以及热电变换装置的制造方法
技术领域
本发明涉及一种热电变换装置以及热电变换装置的制造方法，其可以将热变换成电力(electricity)或者是把电力变换成热。
背景技术
热电变换装置是把利用汤姆逊效应、珀尔帖(Peltier)效应与西贝克(Seebeck)效应等的热电效应的热电组件进行组合而构成的。做为温度调整的热电变换装置已经是量产化了。另外，做为将热变换成电力的发电单元的热电变换装置，其研究开发也在进行中。
做为发电单元的相关连热电变换装置是一种结构，其中通过在两端赋予温度差而产生电动力的多数个p型热电组件与n型热电组件，是夹在具有多数个电极的第一基板与具有多数个电极的第二基板之间。另外，通过焊锡，将各热电组件的一端连接到第一基板的电极，而另一端连接到第二基板的电极，使得所有热电组件被电性串联连接。另外，这些热电组件在热学上是并列配置的。
为了使把热变换成电力时的热电变换装置的发电效率接近热电组件本身的发电效率，对热电组件一端的热供给以及从热电组件另一端的放热必须是平顺地进行。因此，在构成热电变换装置的第一基板与第二基板方面，使用热传导优良的陶瓷基板。另外，热电组件所连接的各个电极是使用电性阻抗低的铜等等的导电性材料。
然而，由于焊锡的熔点是150至300℃左右，当让使用焊锡的热电变换装置在像900℃的高温环境下动作时，焊锡可能会溶化，而有损及动作上的可靠度的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种热电变换装置以及热电变换装置的制造方法，即使在高温环境下动作，可靠性更优异。
本发明的种热电变换装置包括：具有多数个电极的第一基板与第二基板；多数个热电组件，配置在第一基板与第二基板之间，以使一端与第一基板的各电极相对应，另一端与第二基板的各电极相对；规定构件，用以规定各热电组件的位置；及盖体，配置在第二基板外侧，与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间。
在本发明中，因为具备用来规定各热电组件的位置的规定构件，故不需要旧有之用来连接各热电组件的焊锡。另外，因为可以通过在各热电组件的高度方向所施加的压力来保持住各热电组件，故即使在热电变换装置被加热而发生热变形的情形，在各热电组件与各电极的接触面会产生滑动，可以防止组件的破损等。
在上述热电变换装置中，最好是从前述盖体的端部延伸出的部分的前端与前述第一基板结合，以使前述规定构件被前述盖体的端部延伸出的部分保持住。
藉此，不需要设置其它的构件，便可以保持住规定构件。另外，因为使用从盖体的端部延伸出来的部分，故规定构件的相对于第一基板的定位变得容易。
在上述热电变换装置中，最好是从前述盖体的端部延伸出的部分的宽度比前述盖体的边长短。
藉此，当将热提供给盖体时，从盖体的端部延伸出的部分的热阻抗会变大，可以减少通过此部份流出到第一基板的热量。
在上述的热电变换装置中，前述规定构件最好是绝缘基板，在对应前述各热电组件的位置上具有贯通孔，用以规定前述热电组件的位置。
藉此，在高温的环境下，可以规定各热电组件的位置而热电组件彼此之间不会产生电性上的影响。
另外，本发明的热电变换装置的制造方法包括：在具有多数个电极的第一基板上，配置规定构件，以对应第一基板的各该多数个电极的方式规定各热电组件的一端的位置的工序；在被前述第一基板上的规定构件所规定的位置上，配置多数个热电组件的工序；将具有多数个电极的第二基板与第一基板相对向配置，以使第二基板的各该多数个电极应各热电组件的另一端的工序；及在前述第二基板的外侧配置盖体，将盖体与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间的工序。
在上述热电变换装置的制造方法中，在前述的结合工序，较好是从前述盖体的端部延伸出的部分的前端与前述第一基板结合，以使前述规定构件被前述盖体的端部延伸出的部分保持住。
上述热电变换装置的制造方法中，较好是使用从前述盖体的端部延伸出的部分的宽度是加工成比前述盖体的边长短的盖体。
上述热电变换装置的制造方法中，较好是前述规定构件使用一绝缘基板，在对应前述各热电组件的位置上具有贯通孔，用以规定前述热电组件的位置。
附图说明
图1是显示实施形态的热电变换装置的结构的剖面图。
图2是显示实施形态的热电变换装置的结构的立体图。
图3是显示实施形态的热电变换装置的规定构件的立体图。
图4是显示实施形态的热电变换装置的第一制造工序的一部份的剖面图。
图5是显示实施形态的热电变换装置的第一制造工序的一部份的剖面图。
图6是显示实施形态的热电变换装置的第二制造工序的剖面图。
图7是显示实施形态的热电变换装置的第三制造工序的剖面图。
1：热电变换装置     2：盖体
3：绝缘性第二基板   4：电极
5：弹性金属片       6：延伸部分
7：p型热电组件      8：n型热电组件8
9：第一基板         10：电极
11：规定构件        12：盖体连接用电极
13：贯穿孔          14：金属膜
15：金属膜
具体实施方式
接着，使用图面说明本发明的一个实施形态。
图1是显示在一实施形态中热电变换装置的结构的剖面图。同图的热电变换装置1包括：具有多数个电极10与盖体连接用电极12的绝缘性第一基板9、具有多数个电极4的绝缘性第二基板3、多数个p型热电组件7与n型热电组件8、用来规定各热电组件的位置的规定构件11、以及盖体2。电极10是配置在第一基板9上，而电极4是配置在第二基板3上，使得所有的热电组件是以电性地串联连接的方式。在此，第一基板9与第二基板3使用SiN基材的陶瓷，而电极4与电极10使用组抗性好的铜，分别作为一个例子。
多数个p型热电组件7与n型热电组件8配置在第一基板9与第二基板3之间，使得一端与第一基板9的电极10相对应，另一端与第二基板3的电极4相对应。
以铜的金属细线编织而形成的弹性金属片5分别配置在各热电组件7、8与各电极4、10之间。此弹性金属片5以阻抗熔接方式固定于各电极4、10上。因为弹性金属片5具有弹性变形的性质，故通过此结构，在高温环境下，在热电组件7、8热变形的状况下，高度方向的伸缩会被吸收。另外，弹性金属片5会吸收热电组件7、8制造时的高度差异性，并且吸收第一基板9与第二基板3的弯曲等所引起之组装时的差异性。
为了规定各热电组件7、8的位置，规定构件11配置在第一基板9上。另外，盖体2配置在第二基板3的外侧，从盖体2的端部延伸出的部分6的前端通过盖体连接用电极12，连接到第一基板9，使得压力施加在第二基板3与第一基板9之间。规定构件11与盖体2的详细结构会在后面详细叙述。
热电变换装置1通过从盖体2提供给第一基板9侧的热以及提供到第二基板3侧的热，把热电组件7、8两端产生的温度差变换成电力而进行动作。例如，第二基板3侧的使用温度设定在900℃，第一基板9侧的使用温度设定在低于900℃的温度。在此，热传导率优良的金属膜14形成在盖体2与第二基板3之间，而且在第一基板8的外侧也同样地形成金属膜15，藉此把与外部的热流平滑化，以提高热效率。
接着使用图2、图3说明规定构件11。
图2是显示本发明热电变换装置的结构的立体图。在该图中，规定构件11是以平行于盖2与第一基板9的方式配置在第一基板9上。
图3是显示规定构件11的结构的立体图。如图3所示，规定构件11是绝缘基板，其在对应各热电组件的位置上，具有规定热电组件的位置的贯通孔13。如图2所示，各热电组件7、8的一端插入到规定构件11的贯穿孔13，与电极4、10连接。在此，考虑到该规定构件11会与各热电组件接触以及使用温度，规定构件11是使用绝缘性与耐热性高的陶瓷。因为这种规定构件是使用陶瓷，所以即使在高的温度环境下，热电组件彼此不会有电性影响。
接着，使用图2来说明盖体2。
如图所示，从盖体2延伸出去的部分6的前端，与第一基板9结合，以使利用此部分6保持住规定构件11。因为利用从盖体2延伸出去的部分6来保持规定构件11，所以不需要设置额外的构件来保持规定构件11。如此，因为利用从盖体2延伸出去的部分6与第一基板9来保持规定构件11，所以规定构件11的位置固定，与第一基板的定位也变得容易。
从盖体2的端部延伸出的部分6的前端，通过第一基板9上的盖体连接用电极12进行结合。例如，当第一基板9侧的使用温度是设定成低于900℃的温度时，盖体连接用电极12方面是可使用可熔接的金属箔。接着，通过激光熔接，把从盖体2的端部延伸出的部分6与盖体连接用电极12进行接合。另外，为了耐热以及为了缩小与第一基板9的热变形差，盖体2方面是使用可以与盖体连接用电极12即金属箔进行激光熔接的可伐合金(kovar)。
再者图2中，从盖体2的端部延伸出的部分6的宽度L2比盖体2的边长L1短。藉此，可以增大从盖体2的端部延伸出的部分6的热阻抗，以达到减少通过从盖体2的端部延伸出的部分6而流入第一基板9侧的热量。另外，在本实施形态中，在盖体2的每一边设置2个从盖体2的端部延伸出的部分6，藉此确保盖体2的稳定性。
本实施形态的热电变换装置例如是可以使用下面所述的制造工序来实现。
在第一工序中，首先如图4所示，在第一基板9上配置多数个电极10与盖体连接用电极12，并且对应各电极10，把金属细线编织而成的弹性金属片5通过阻抗熔接近固定。在第一基板9的外侧，形成导电性优良的金属膜15。接着如图5所示，在第一基板9上配置规定构件11，以规定各热电组件的一端的位置。
在第二制造工序中，通过图6所示的规定构件11所规定出的位置上，配置多数个热电组件7、8。藉此，不使用接合构件来规定出各热电组件7、8的位置。
在第三制造工序中，如图7所示，将配置多数个电极4的第二基板3与第一基板9相对配置，以使各电极4对应到各热电组件的一端。另外，第二基板方面是使用：金属片5预先固定在对应各电极4的位置上，且第二基板3的与配置多数个电极4的面反侧的面上形成有金属膜14。
最后，如图1所示，把盖体2配置在第二基板3的外侧，将盖体2与第一基板9结合，以使压力施加于第二基板3与第一基板9之间。另外，此时，从盖体2的端部延伸出的部分6的前端与第一基板9结合，以使规定构件11被此部份6所保持住。在结合的时候，将从盖体2的端部延伸出的部分6以及第一基板9上的盖体连接用电极12进行熔接。
通过以上的工序，各热电组件7、8被第一基板9与第二基板3保持住，而获得热电变换装置1。在此，从盖体2的端部延伸出的部分6的宽度L2是如图2所示，使用加工成比盖体2的边长L1短的物体。如此，通过利用从盖体2的端部延伸出的部分6与第一基板9来保持住规定构件11，规定构件11的位置便决定了，与第一基板9的定位变得容易。热电变换装置1的组装性能也提高。
因此，根据本发明的话，通过以规定构件来规定各热电组传的位置，不需要旧有的将各热电组件连接到电极的焊锡。藉此，热电变换装置即使在像900℃的高温环境下，也可以优异的可靠度来动作。
另外，在本实施形态中，规定构件是使用设置有贯通孔的绝缘基板。藉此，可以规定各热电组件的位置而热电组件彼此之间不会产生电性上的影响。
另外，在本实施形态中，利用通过配置在第二基板外侧的盖体而在各热电组件的高度方向上所施加的压力，保持各热电组件。藉此，就算是在热电变换装置被加热而产生热变形的情形下，各热电组件与各电极的接触面产生滑动，可以防止组件的破损等。另外，热电变换装置即使在像900℃的高温范围下，也可以稳定地动作，可以提高可靠度。
另外，在本实施形态中，从盖体的端部延伸出的部分的前端与第一基板结合。藉此，不需要另外设置构件便可以保持住规定构件，可以抑制制造成本的增加。另外，通过使用从盖体的端部延伸出的部分，规定构件的相对于第一基板的定位变得容易。
另外，在本实施形态中，从盖体的端部延伸出来的部分的宽度比盖体的边长短。通过此方式，在提供热给盖体的时候，从盖体的端部延伸出来的部分的热阻抗会变大，可以减少透过此部分流到第一基板的热量。结果，可以抑制因热量流出而产生的发电效率降低。
另外，在上述的实施形态中，各热电组件与各电极之间的构件是使用以金属细线所编织而成的铜弹性金属片，但是并不局限于此。若是具有弹性变形的性质、具有可以吸收各热电组件的高度方向的差异性的作用的构件的话，例如是金属板弹簧或弦卷状弹簧等都可以。另外，关于材质部分，从阻抗与热传导率的观点来看是使用铜，但是并不局限于此。在使用温度更加上升的情形时，弹性金属片也可以是耐热性高的不锈钢。
此外，在上述的实施形态中，在盖体方面，为了耐热以及为了缩小第一基板的热形变差，选用可与盖体连接电极的金属箔雷射熔接的可伐合金。
另外，在上述的实施形态中，从盖体的端部延伸出来的部分是在盖体的每一边设置两个，但是也不限于此。例如，在做成一个的情形，当提供热给盖体的时候，从盖体的端部延伸出的部分的热阻抗会更大，可以更加抑制通过此部分流出到第一基板侧的热量。另一方面，在做成三个或四个的情形，通过盖体保持的规定构件的位置的稳定性可以更进一步地确保。
另外，在上述实施形态中，记载着通过温度差来进行发电的情况，但是通过积极地通电来进行热移动的珀尔帖组件(Peltier device)也是可以使用的。此时，对于发高热的构件是使盖体与之接触而使用。

Claims (6)

1.一种热电变换装置，其特征在于其包括：
具有多数个电极的第一基板与第二基板；
多数个热电组件，配置在第一基板与第二基板之间，以使一端与第一基板的各电极相对应，另一端与第二基板的各电极相对应；
规定构件，用以规定各热电组件的位置；及
盖体，配置在第二基板外侧，与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间，其中从前述盖体的端部延伸出的部分的前端与前述第一基板结合，以使前述规定构件被前述盖体的端部延伸出的部分保持住。
2.根据权利要求1所述的热电变换装置，其特征在于其中从前述盖体的端部延伸出的部分的宽度比前述盖体的边长短。
3.根据权利要求1所述的热电变换装置，其特征在于其中前述规定构件是一绝缘基板，在对应前述各热电组件的位置上具有贯通孔，用以规定前述热电组件的位置。
4.一种热电变换装置的制造方法，其特征在于其包括：
在具有多数个电极的第一基板上，配置规定构件，以对应第一基板的各该电极的方式规定各热电组件的一端的位置的工序；
在被前述第一基板上的规定构件所规定的位置上，配置多数个热电组件的工序；
将具有多数个电极的第二基板与第一基板相对向配置，以使第二基板的各该电极对应各热电组件的另一端的工序；及
在前述第二基板的外侧配置盖体，将盖体与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间的工序，其中在前述的结合工序中，从前述盖体的端部延伸出的部分的前端与前述第一基板结合，以使前述规定构件被前述盖体的端部延伸出的部分保持住。
5.根据权利要求4所述的热电变换装置的制造方法，其特征在于其中使用从前述盖体的端部延伸出的部分的宽度是加工成比前述盖体的边长短的盖体。
6.根据权利要求4所述的热电变换装置的制造方法，其特征在于其中前述规定构件使用一绝缘基板，在对应前述各热电组件的位置上具有贯通孔，用以规定前述热电组件的位置。
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