CN101529606A - 热电元件及热电模块 - Google Patents

热电元件及热电模块 Download PDF

Info

Publication number
CN101529606A
CN101529606A CNA2007800404408A CN200780040440A CN101529606A CN 101529606 A CN101529606 A CN 101529606A CN A2007800404408 A CNA2007800404408 A CN A2007800404408A CN 200780040440 A CN200780040440 A CN 200780040440A CN 101529606 A CN101529606 A CN 101529606A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
thermoelectric
thermoelectric element
stress
semiconductor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2007800404408A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101529606B (zh
Inventor
深田善树
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN101529606A publication Critical patent/CN101529606A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101529606B publication Critical patent/CN101529606B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够防止由热应力引起的断裂的热电元件及使用多个该热电元件的热电模块。本发明所涉及的热电元件包括：在热能与电能之间转换能量的元件；和连接在上述元件两端部一对电极，其中上述元件设有应力缓和部，该应力缓和部缓和由于上述两端部的温度差而产生的应力。由此，在使用热电元件进行发电时，能够通过应力缓和部缓和由于元件两端部的温度差而产生的应力，能够抑制由热应力引起元件断裂。

Description

热电元件及热电模块
技术领域
本发明涉及一种在热能与电能之间直接转换能量的热电元件及使用多个该热电元件的热电模块。
背景技术
热电模块将两种不同极性的半导体元件(热电元件)、即N型热电元件及P型热电元件在高热侧的集热部与低温侧的散热部之间配置多个，并经由电极将这些热电元件的端部之间交替地串联连接，上述半导体元件因塞贝克效应(Seebeck effect)而产生与温度差对应的热电势，上述热电模块能够将热能直接转换成电能(例如参照日本特开2005-322848号公报)。
发明内容
在这里，为了增大热电模块的发电量，优选的是，缩短热电元件的元件长度(高度)，增大热电元件上流动的热量。但是，在为了增大发电量而使用高宽比(元件的高度与宽度之比)小的热电元件的情况下，由于热电元件的宽度方向的刚性变大，由热电元件的高温侧端部与低温侧端部的热膨胀差引起的热电元件在宽度方向上的应力可能会导致热电元件断裂。
本发明就是为了解决上述问题而提出，目的在于提供一种能够防止由热应力引起的断裂的热电元件及使用多个该热电元件的热电模块。
即，本发明所涉及的一种热电元件包括：在热能与电能之间转换能量的元件；和连接在上述元件两端部的一对电极，上述元件设有应力缓和部，该应力缓和部缓和由于上述两端部的温度差而产生的应力。
在使用热电元件进行发电时，设有一方电极的一端部成为高温，设有另一方电极的另一端部成为低温。此时，热电元件的高温侧膨胀，低温侧收缩。其结果，在热电元件上会作用有热应力。在这里，根据本发明所涉及的热电元件，通过在元件上设置用于缓和由于两端部的温度差而产生的应力的应力缓和部，能够缓和由于高温侧端部与低温侧端部的温度差而产生的热应力。因此，能够抑制由热应力引起元件断裂，能够使用高宽比小的元件提高发电量。
并且，在本发明所涉及的热电元件中，优选的是，上述应力缓和部为从上述元件的端部朝向端部方向形成的间隙部。
根据本发明，通过在元件上从其端部朝向端部的方向形成间隙部，容易朝向平行于元件与电极的接合面的方向变形，能够降低元件在该方向上的刚性。因此，在由于元件的高温侧端部与低温侧端部的温度差而产生热应力的情况下，能够缓和该热应力。因此，能够抑制由热应力引起元件断裂，能够使用高宽比小的元件提高发电量。
并且，本发明所涉及的热电元件的特征在于，包括：在热能与电能之间转换能量的元件；和设置在该元件两端部的一对电极，朝向大致垂直于与电极的接合面的方向将元件的至少一部分分割成多个部分。
在使用热电元件进行发电时，设有一方电极的一端部成为高温，设有另一方电极的另一端部成为低温。此时，热电元件的高温侧膨胀，而低温侧收缩。其结果，在热电元件上会作用有热应力。在此，根据本发明所涉及的热电元件，元件的至少一部分朝向大致垂直于与电极的接合面的方向被分割成多个部分，由此分割而成的多个部分的高宽比变大，从而对于该部分的弯曲变形而言刚性下降。因此，能够通过元件的变形来缓和由于热电元件两端的温度差而产生的热应力。其结果，能够防止由热应力引起元件断裂。
其中，优选的是，由形成在一方电极与另一方电极之间的多个狭缝将上述元件分割成多个部分。
并且，在本发明所涉及的热电元件中，优选的是，上述多个部分的一端与元件的任意一端一致。由此，能够降低热应力变大的元件端部的刚性。因此，能够通过元件端部的变形来缓和作用于该端部的热应力。其结果，能够有效地防止由热应力引起元件端部断裂。
其中，优选的是，构成上述多个部分的各部分在短边方向上的宽度，根据元件上所产生的应力及元件的断裂韧性而设定。如此，通过考虑作用在元件上的应力及元件的断裂韧性而设定上述各部分的宽度，能够确保应对元件与电极的接合部的热应力的强度，能够防止该接合部断裂。
并且，在本发明所涉及的热电元件中，优选的是，在上述元件至少与任意电极的接合部上形成有切口，该切口将该接合部分割成比上述多个部分更细的微细部分。由此，能够提高应对元件与电极的接合部的热应力的强度，能够防止该接合部断裂。
其中，优选的是，由切口分割而成的上述微细部分在短边方向上的宽度，根据元件上所产生的应力及元件的断裂韧性而设定。如此，通过考虑作用在元件上的应力及元件的断裂韧性而设定上述微细部分的宽度，能够确保应对元件与电极的接合部的热应力的强度，能够防止该接合部断裂。
优选的是，本发明所涉及的热电元件，在被分割成上述微细部分的元件的接合部填充导电性的接合材料，从而元件与电极接合。由此，能够增大元件与电极的接合部的接触面积，能够降低该接合部的电阻即热电元件的电阻。
另一方面，将电极与元件的接合部以嵌入到形成于元件上的切口中的方式形成，通过嵌合电极的接合部与元件的切口，元件与电极接合，根据上述结构，也能够增大元件与电极的接合部的接触面积。因此，这种情况下，也能降低该接合部的电阻即热电元件的电阻。
其中，优选的是，上述微细部分在短边方向上宽度，根据接合界面的电阻与元件的电阻率之比而设定。如此，通过考虑接合界面的电阻与元件的电阻率之比而设定上述微细部分的宽度，能够适当地降低元件与电极的接合部的电阻即热电元件的电阻。
并且，优选的是，元件与电极的接合部位的深度，根据接合界面的电阻与上述元件的电阻率之比及上述微细部分在短边方向上的宽度而设定。如此，能够考虑元件与电极的接合部位的各微细部分长度方向的电流密度分布而设定该接合部位的深度。因此，能够更有效地降低元件与电极的接合部的电阻即热电元件的电阻。
本发明所涉及的一种热电模块而特征在于，连接多个上述的任意一个热电元件而构成。根据本发明所涉及的热电模块，通过连接多个上述的任意一个热电元件而构成热电模块，由此能够防止由于热电模块两端的温度差而产生的热应力导致热电模块断裂。
根据本发明，在元件上设置有用于缓和由于两端部的温度差而产生的应力的应力缓和部，从而能够缓和由于高温侧端部与低温侧端部的温度差而产生的热应力。因此，能够抑制由热应力引起元件断裂。
附图说明
图1是第1实施方式所涉及的热电元件的剖视图。
图2是用于说明元件与电极的界面的剪切应力的图。
图3是用于说明微细部分的宽度的设定方法的图。
图4是表示元件与电极的接合部的剖视图。
图5是表示元件与电极的接合部的其他例子的剖视图。
图6是用于说明元件与电极的接合部的微细部分在长度方向上的电位梯度及电流密度分布的图。
图7是表示由作用于热电元件上的热应力引起的弯曲变形的剖视图。
图8是第2实施方式所涉及的热电元件的透视图。
图9是构成第3实施方式所涉及的热电元件的半导体元件的透视图。
图10是图9所示的半导体元件的俯视图。
图11是包括由第3实施方式所涉及的热电元件构成的热电模块的热发电装置的剖视图。
图12是用于说明图11所表示的热发电装置中的热电元件与传热片一侧电极和模块冷却部件一侧电极的接合方法的主要部分剖视图。
图13是第4实施方式所涉及的热电元件的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。图中，相同或相应的部分使用了相同的标号。
(第1实施方式)
首先，参照图1，对第1实施方式所涉及的热电元件的结构进行说明。图1为第1实施方式所涉及的热电元件1的剖视图。另外，在本说明书中，将图1所示的箭头H方向、即连接一方电极与另一方电极的方向作为热电元件的高度方向，将箭头C方向、即平行于电极的方向作为热电元件的宽度方向。
热电元件1包括：在热能与电能之间直接转换能量的N型或P型半导体元件11；和设置于该半导体元件11的两端面上的一对电极20、21。其中，半导体元件11相当于权利要求书中所记载的元件。
半导体元件11为大致长方体形状的元件。在该半导体元件11上，与半导体元件11的侧面平行地、从与一方电极20的接合面朝向与另一方电极21的接合面形成有多个(图1的例子中为3个)狭缝11s。狭缝11s的一端到达半导体元件11与一方电极20的接合面。而狭缝11s的另一端不到达半导体元件11与另一方电极21的接合面。
在半导体元件11上，在与图1所示的截面正交的侧面，也形成有同样的狭缝11s。即，俯视半导体元件11时，狭缝11s形成为格子状。通过这些狭缝11s，半导体元件11的一部分被分割为多个部分(在图1的例子中为16(4×4)个部分，以下称为[分割部分])11d。另外，在图1的例子中狭缝的数量设置为[3×3]个，但狭缝11s的数量当然不限于此。
并且，在半导体元件11与电极20的接合部，形成有多个切口11c，该切口11c将上述狭缝11s所分割的相应接合部分割为更细的微细部分11m。切口11c与狭缝11s平行地形成。并且，与狭缝11s同样，切口11c还形成在与图1所示的截面正交的侧面上。即，俯视半导体元件11时，切口11c形成为比上述狭缝11s所划分的格子还细的格子状。该切口的数量，根据微细部分11m的设定宽度而设定。狭缝11s及切口11c为从半导体元件11的一方端部朝向另一方端部的方向形成的间隙部，具有应力缓和部的功能，缓和由于半导体元件11两端部的温度差而产生的应力。
接着，参照图2及图3，对微细部分11m的宽度的设定方法进行说明。图2为用于说明半导体元件与电极的界面上的剪切应力的图。并且，图3为用于说明微细部分11m的宽度的设定方法的图。
如图2所示，通常，在将热膨胀率不同的半导体元件与电极进行接合时，由于温度产生变化，会产生热应力。另外，图2所示的例子表示半导体元件的线膨胀系数小于电极的线膨胀系数、ΔT为正(加热状态)的情况。其中，在半导体元件的接合面中央部附近所产生的拉伸应力σs(Pa)由下式(1)求得。
σs＝{(αs-αm)·ΔT·Es}/{1+(Es/Em)}…(1)
其中，αs为半导体元件的线膨胀系数(/℃)，αm为电极材料的线膨胀系数(/℃)，ΔT为与接合时温度的温度差(℃)，Es为半导体元件的弹性模量(Pa)，Em为电极材料的弹性模量(Pa)。
如图2所示，由于该拉伸应力σs，在半导体元件的接合面端部，产生发散为无限大的界面剪切应力。关于由该剪切应力产生的断裂，在线性理论中，值产生发散，因此应力理论(指当超过某应力时产生损坏的理论)在温度差为0的状态下不适用，从而无法预测断裂。但是，应力发散的区域局限于端部的较小的区域，能够根据断裂力学进行处理。因此，将端部的应力发散区域视为通过断裂力学来处理的微小裂纹(裂缝)，并判断作用有拉伸应力σs的半导体元件上产生了微小裂纹的状态下裂纹的发展，即判断是否产生断裂。
根据断裂力学，在作用有拉伸应力σs的半导体元件上产生有长度为L(m)的微小裂纹的状态下，裂纹不发展(断裂)的条件由下式(2)表示。
πLσs2＜Kc2…(2)
其中，Kc为半导体元件的模式2断裂韧性(Pa·m1/2)。
根据上述式(1)(2)，裂纹不发展(断裂)、即满足上述式(2)的裂纹长度L的临界值(最大值)Lc通过下式(3)求得。
Lc＝Kc2{1+(Es/Em)2}/{π(αs-αm)2·ΔT2·Es2}…(3)
其中，例如，对半导体元件与电极材料的物理性质及使用条件(ΔT)进行如下假定。即，假定为：Kc＝0.4×106(Pa·m1/2)，Es＝70×109(Pa)，Em＝100×109(Pa)，αs-αm＝4×10-6(/℃)，ΔT＝300(℃)。在如此假定的情况下，根据上述式(3)，临界裂纹长度Lc为21×10-6(m)。
其中，裂纹长度L为假想的裂纹长度，将界面的剪切应力升高的区域视为裂纹，但是该值当然不能超过半导体元件的宽度。因此，通过将半导体元件的宽度设为临界裂纹长度Lc的数倍程度以下，从而实现即使在高温下也不损坏的接合。
因此，如图3所示，在本实施方式中，将半导体元件11的微细部分11m的宽度d设定为临界裂纹长度Lc的数倍以下。
接着，参照图4，以半导体元件11与一方电极20的接合部作为例子，对半导体元件11与各电极20、21的接合部的结构进行说明。图4为放大表示半导体元件11与一方电极20的接合部的剖视图。如图4所示，半导体元件11与电极20通过所谓钎焊来接合。更具体地说，在半导体元件11的微细部分11m与电极20之间，流入熔解的导电性接合材料(钎材料)而进行填充，从而将半导体元件11与电极20接合。
并且，在图5中示出半导体元件11的微细部分11m与电极20的结合部的其他优选的结构例。在该结构中，电极20的接合部形成为截面呈梳子型的形状，以与半导体11的结合部的凹凸(即，由切口11c及微细部分11m形成的凹凸)嵌合，通过嵌合半导体元件11一侧结合部的凹凸与电极20一侧接合部的凹凸，半导体元件11与电极20结合。
其中，从降低半导体元件11与电极20的结合部的电阻的观点出发，将微细部分11m的宽度d及微细部分11m与电极20的结合深度D(参照图4、图5)设定为分别满足下式(4)(5)。
d＜＜δ/σ…(4)
D≥(δ·d/σ)1/2…(5)
其中，δ为接合界面的电阻(每单位接合面面积的电阻)(Ω·m2)，σ为半导体元件11的电阻率(体积电阻率)(Ω·m)。
其中，关于上述式(4)(5)的根据，参照图6进行详细说明。另外，图6为用于说明半导体元件11与电极20的接合部的微细部分11m的电位梯度及电流密度分布的图(电流解析模型)。
在假定为形成为棱柱状的微细部分11m的前端部被作为良导体的电极20包围的情况下，在微细部分11m中流动的电流I由微细部分11m中的电位U的梯度确定，通过下式(6)求得。
I＝-(1/σ)(dU/dx)…(6)
另一方面，从微细部分11m流向电极20的电流i由微细部分11m的电位U与电极20的电位的电位差及接合界面的电阻δ确定，在将电极20的电位设为0的情况下，通过下式(7)求得。
i＝U/δ…(7)
其中，由电荷守恒定律可知，在微细部分11m中的电流I与从微细部分11m流向电极20的电流i之间成立下式(8)的关系。
dI/dx＝-i/d…(8)
由上述式(7)及式(8)可以导出下式(9)。
dI/dx＝-U/δd…(9)
进一步，由上述式(6)及式(9)可以导出下式(10)。
d2U/dx2＝(σ/δd)U…(10)
并且，通过求解上述式(10)，可以得出以下的解(下式(11)(12))。
U＝U0exp(-k·x)…(11)
k＝(δd/σ)1/2…(12)
其中，为了增大半导体元件11与电极20的接触面积而减小界面的电阻，需要设为[k＜＜d]，该条件成为上述式(4)。并且，微细部分11m与电极20的结合深度D需要在[1/k]以上，由此能够导出上述式(5)。
在以上结构中，使用热电元件1进行发电时，一方电极20的侧面成为高温，另一方电极21的侧面成为低温。此时，高温侧膨胀，低温侧收缩，从而在热电元件1上作用有由高温侧与低温侧的热膨胀差所产生的热应力。
其中，在本实施方式中，由狭缝11s将构成热电元件1的半导体元件11分割为多个分割部分11d，由此该分割部分11d的高宽比(高度L/宽度W)增大，从而热电元件1在宽度方向的刚性降低。因此，在由高温侧与低温侧的热膨胀差产生的热应力作用于热电元件1上的情况下，如图7所示，热电元件1(半导体元件11)整体上产生变形。
如此，根据本实施方式，由于设置为能够容易变形的结构，因此能够通过热电元件1的变形适当地缓和由热膨胀差产生的热应力。其结果，能够防止由热电元件1的热应力引起的断裂。
并且，在本实施方式所涉及的热电元件1中，狭缝11s的一端到达与电极20的接合面，因此能够有效地降低热应力变大的半导体元件11端部的刚性。因此，能够通过使半导体元件11的端部产生变形，适当地缓和作用于该端部的热应力。其结果，能够有效地防止由热应力引起的半导体元件11的端部断裂。
在接合热膨胀率不同的半导体元件11与电极20时，由于温度发生变化，会产生热应力。例如，在半导体元件11的线膨胀系数小于电极20的线膨胀系数、电极20被加热的情况下，拉伸应力作用于半导体元件11的接合面中央部附近，由于该拉伸应力，在半导体元件11的接合面端部产生剪切应力。
在本实施方式所涉及的热电元件1中，半导体元件11与电极20的接合部由多个切口11c分割为微细部分11m，并且该微细部分11m的宽度d设定为临界裂纹长度Lc的数倍以下，该临界裂纹长度Lc由产生在半导体元件11上的拉伸应力及半导体元件11的断裂韧性确定。因此，能够确保对半导体元件11与电极20的接合部的热应力的强度，例如即使在半导体元件11与电极20刚性接合的情况下，也能够防止该接合部断裂。
在本实施方式所涉及的热电元件1中，在分割为微细部分11m的半导体元件11的接合部填充有导电性钎材料22，由此半导体元件11与电极20接合，因此能够增大半导体元件11与电极20的接合部的接触面积，从而能够降低该接合部的电阻即热电元件1的电阻。
并且，除上述的所谓钎焊之外，也可以是如下结构：将电极20的接合部形成为截面呈梳子型的形状，以与半导体元件11的结合部的凹凸(即，由切口11c及微细部分11m形成的凹凸)嵌合，通过嵌合半导体元件11一侧结合部的凹凸与电极20一侧接合部的凹凸，半导体元件11与电极20结合。在如此构成的情况下，同样能够增大半导体元件11与电极20的接合部的接触面积，从而能够减小该接合部的电阻。
进而，在本实施方式中，微细部分11m的宽度d是根据接合界面的电阻δ与半导体元件11的电阻率σ的比值(满足上述式(4))来设定，因此能够进一步适当地减小半导体元件11与电极20的接合部的电阻即热电元件1的电阻。
并且，在本实施方式中，半导体元件11与电极20的接合部位的深度D是根据接合界面的电阻δ与上述元件的电阻率σ的比值及微细部分11m的宽度d(满足上述式(5))来设定，因此能够进一步有效地减小半导体元件11与电极20的接合部的电阻即热电元件1的电阻。
(第2实施方式)
在上述的第1实施方式中，将半导体元件11通过狭缝11s分割为比较大的分割部分11d，并且半导体元件11与电极20的接合部通过切口11c分割为微细部分11m，但如图8所示，也可以是如下结构：不形成狭缝，而从与一方电极20的接合面到与另一方电极21的接合面为止形成切口12c，将半导体元件12的整体分割成细长的微细部分12m，也就是说使成捆的纤维状的半导体元件12m而与电极20、21接合。另外，图8为一对N型半导体元件12n与P型半导体元件12p通过电极20在电学角度上串联(在热学角度上并联)连接的热电元件2的透视图。此时，切口12c为从半导体元件12的端部朝向端部的方向形成的间隙部，具有应力缓和部的功能，缓和由半导体元件12两端部温度差产生的应力。
其他结构尤其微细部分12m的宽度d、与电极20、21的接合方法、接合深度D等与上述的第1实施方式类似或相同，因此在这里省略其说明。
在以上结构中，使用热电元件2进行发电时，一方电极20的侧面成为高温，另一方电极21的侧面成为低温。此时，高温侧膨胀，低温侧收缩，从而在热电元件2上作用有由高温侧和低温侧的温度差产生的热应力。
其中，在本实施方式中，通过将构成热电元件2的半导体元件12n、12p分割为多个微细部分12m，增大该微细部分12m的高宽比，进一步降低热电元件2在宽度方向上的刚性。因此，在由高温侧与低温侧的热膨胀差产生的热应力作用在热电元件2上的情况下，热电元件2(半导体元件12)在整体上更容易变形。
如此，根据本实施方式，由于设置成能够更容易变形的结构，因此能够通过热电元件2的变形适当地缓和由热膨胀差产生的热应力。其结果，能够防止由热电元件2的热应力引起的断裂。此外，本实施方式也能够获得与上述的第1实施方式类似或相同的效果。
(第3实施方式)
接着，使用图9及图10，对第3实施方式所涉及的热电元件的结构进行说明。图9为构成第3实施方式所涉及的热电元件的半导体元件13的透视图。并且，图10为图9所示半导体元件13的俯视图，是用于说明狭缝的形成方法的图。
如图9所示，本实施方式所涉及的热电元件与上述第1实施方式的不同点在于，除了在构成该热电元件的半导体元件13上，从与一方电极(省略图示)的接合面朝向与另一方电极(省略图示)的接合面形成有多个狭缝13s以外，从与另一方电极(省略图示)的接合面朝向与一方电极(省略图示)的接合面形成有多个狭缝13su。此时，狭缝13su为从半导体元件13的端部朝向端部的方向形成的间隙部，具有应力缓和部的功能，缓和由半导体元件13两端部的温度差产生的应力。
其中，如图10所示，狭缝13s所划分的格子(参照图10的实线)与狭缝13su所划分的格子(参照图10的虚线)按照以下方式配置：在俯视半导体元件13时，向前后左右偏离与格子宽度的一半相应的量，即彼此交错。因此，在侧视时，配置成交叉指型(Interdigital)的结构。
并且，本实施方式所涉及的热电元件与上述第1实施方式的不同点在于，在半导体元件13与另一方电极的接合部，也形成有多个切口13c，该切口13c将上述狭缝13su所分割的多个分割部分13d的相应接合部分割成更细的微细部分13m。其他结构与上述的第1实施方式类似或相同，因此省略其说明。
在以上结构中，使用本实施方式所涉及的热电元件进行发电时，一方电极侧面成为高温，另一方电极侧面成为低温。此时，高温侧膨胀，低温侧收缩，从而在热电元件上作用有由高温侧与低温侧的热膨胀差产生的热应力。
其中，在本实施方式中，构成热电元件的半导体元件13通过从两端面彼此交错形成的狭缝13s、13su，进一步增大各分割部分13d的高宽比，进一步减小热电元件在宽度方向上的刚性。因此，在热电元件上作用有由高温侧与低温侧的热膨胀差产生的热应力的情况下，热电元件在整体上更容易变形。
由此，根据本实施方式，通过从两端面彼此交错地形成狭缝13s、13su，能够防止各分割部分13d分散，并且能够增大各分割部分13d的高宽比。因此，热电元件的制造工序等不会变得复杂，能够更有效地降低热电元件的刚性。其结果，能够通过热电元件的变形适当地缓和由热膨胀差产生的热应力，能够防止由热电元件的热应力引起的断裂。
并且，根据本实施方式，不仅与一方电极的连接部，与另一方电极的连接部也被分割成微细部分13m，因此能够提高该接合部的强度。此外，根据本实施方式，也可以获得与上述的第1实施方式类似或相同的效果。
接着，参照图11及图12，对通过连接多个第3实施方式所涉及的热电元件3而构成的热电模块90的结构进行说明。其中，图11为含有由第3实施方式所涉及的热电元件3构成的热电模块90的热电发电装置100的剖视图。并且，图12为用于说明图11所示的热电发电装置100中的热电元件3与传热片一侧电极102、模块冷却部件一侧电极104的接合方法的主要部分剖视图。
如图11所示，热电发电装置100的结构如下：在构成高温侧的受热部的绝缘陶瓷制传热片101与构成低温侧的散热部的绝缘陶瓷制模块冷却部件103之间，配置有上述第3实施方式所涉及的N型热电元件3n与P型热电元件3P经由电极20、21交替地串联连接的热电模块90。并且，在模块冷却部件103上形成有多个冷却水通路105。在该冷却水通路105上连接有冷却水配管(省略图示)，通过循环提供冷却液，冷却模块冷却部件103。
在传热片101与热电模块90的结合部安装有传热片一侧电极102。在传热片101及传热片一侧电极102上分别形成有截面呈梳子形状的凹凸，通过嵌合传热片101一侧的凹凸与传热片一侧电极102一侧的凹凸，传热片101与传热片一侧电极102结合。
并且，在模块冷却部件103与热电模块90的结合部安装有模块冷却部件一侧电极104。在模块冷却部件103及模块冷却部件一侧电极104上，分别形成有截面呈梳子形状的凹凸，通过嵌合模块冷却部件103一侧的凹凸与模块冷却部件一侧电极104一侧的凹凸，模块冷却部件103与模块冷却部件一侧电极104结合。
并且，如图12所示，热电模块90与传热片一侧电极102及模块冷却部件一侧电极104分别通过在高温下进行压接而结合。
具有这种结构的本实施方式所涉及的热电发电装置100，例如设置成传热片101与排出气体的流通路径相对，以回收汽车排气系统的热而发电。并且，传热片101所回收的排出气体的热经由传热片一侧电极102传热至热电模块90一端的电极20上，从热电模块90另一端的电极21模块冷却部件一侧电极104向模块冷却部件103进行散热，由此构成热电模块90的多个N型热电元件3n及P型热电元件3p产生电动势而发电。
根据本实施方式所涉及的热电模块90，通过由上述的第3实施方式所涉及的热电元件3构成，能够防止由热电模块90两端的温度差产生的热应力引起热电模块90断裂。
并且，根据热电模块90，能够经得住以下热应力：由电极20和传热片一侧电极102与传热片101的热膨胀率的不同而产生的热应力；以及由电极21和模块冷却部件一侧电极104与模块冷却部件103的热膨胀率的不同而产生的热应力。
(第4实施方式)
接着，对第4实施方式所涉及的热电元件的结构进行说明。图13(a)为第4实施方式所涉及的热电元件的主视图，图13(b)及图13(c)为图13(a)的XIII-XIII的半导体元件的剖视图。
如图13所示，本实施方式所涉及的热电元件，在构成热电元件的半导体元件14上，形成有从其端部朝向端部的方向形成的间隙部14a。该间隙部14a具有应力缓和部的功能，缓和由半导体元件14两端部的温度差产生的应力。
在使用热电元件进行发电时，设有一方电极的一端部成为高温，设有另一方电极的另一端部成为低温。此时，半导体元件14的高温侧膨胀，而低温侧收缩。其结果，热应力作用于半导体元件14。相对于此，通过形成间隙部14a，半导体元件14容易朝向平行于半导体元件14与电极20、21的接合面的方向变形，能够降低半导体元件14在该方向上的刚性。因此，在由半导体元件14的高温侧的端部与低温侧的端部的温度差而产生热应力的情况下，能够缓和该热应力。因此，能够抑制由热应力引起半导体元件14断裂，能够使用高宽比小的半导体元件14提高发电量。
如图13(b)所示，间隙部14a的截面形状例如设置为圆形。此时，优选的是，形成多个间隙部14a，并以预定的间隔配置。并且，如图13(c)所示，间隙部14a的截面形状例如设置为十字型。此时，同样优选的是，形成多个间隙部14a，并以预定的间隔配置。
该间隙部14a可以从半导体元件14的端部贯通至端部，也可以从一方端部形成至不到达另一方端部的位置。
在本实施方式所涉及的热电元件中，也可以形成有其他实施方式中的狭缝、切口。并且，如第3实施方式所示，还可以适用于热电模块。
以上，对本发明的实施方式进行了详细的说明，但本发明不限于上述实施方式，还可以进行各种变形。例如，在上述第1实施方式中，狭缝11s的另一端没有到达与另一方电极21的接合面，但也可以将狭缝11s形成至该接合面，从而分割成多个分割部分。
并且，半导体元件11、12、13的形状及材质不限于上述实施方式。例如，半导体元件11、12、13的形状可以为圆柱形等。
并且，在上述实施方式中，作为构成热电模块90的热电元件，使用了第3实施方式所涉及的热电元件3，但也可以代替热电元件3而使用第1实施方式所涉及的热电元件1或第2实施方式所涉及的热电元件2。
工业实用性
本发明能够缓和热电元件及热电模块中由元件两端部的温度差产生的应力，从而抑制热应力引起元件断裂。

Claims (13)

1.一种热电元件，其特征在于，
包括：在热能与电能之间转换能量的元件；和
连接在所述元件两端部的一对电极，
所述元件形成有应力缓和部，该应力缓和部缓和由于所述两端部的温度差而产生的应力。
2.如权利要求1所述的热电元件，其特征在于，
所述应力缓和部为从所述元件的端部朝向端部的方向形成的间隙部。
3.如权利要求1或2所述的热电元件，其特征在于，
朝向大致垂直于与所述电极的接合面的方向将所述元件的至少一部分分割成多个部分。
4.如权利要求3所述的热电元件，其特征在于，
所述元件由形成在一方电极与另一方电极之间的多个狭缝分割成所述多个部分。
5.如权利要求3或4所述的热电元件，其特征在于，
所述多个部分的一端与所述元件的任意一端一致。
6.如权利要求5所述的热电元件，其特征在于，
构成所述多个部分的各部分在短边方向上的宽度，根据所述元件上所产生的应力及所述元件的断裂韧性而设定。
7.如权利要求3至5中任一项所述的热电元件，其特征在于，
所述元件在至少与任意电极的接合部形成有切口，该切口将该接合部分割成比所述多个部分更细的微细部分。
8.如权利要求7所述的热电元件，其特征在于，
由所述切口分割而成的所述微细部分在短边方向上的宽度，根据所述元件上所产生的应力及所述元件的断裂韧性而设定。
9.如权利要求7或8所述的热电元件，其特征在于，
在分割成所述微细部分的所述元件的所述接合部填充导电性的接合材料，从而所述元件与所述电极接合。
10.如权利要求7或8所述的热电元件，其特征在于，
所述电极与所述元件的接合部以嵌入到形成于所述元件上的所述切口中的方式形成，通过嵌合所述电极的所述接合部与所述元件的所述切口，所述元件与所述电极接合。
11.如权利要求9或10所述的热电元件，其特征在于，
所述微细部分在短边方向上的宽度，根据接合界面的电阻与所述元件的电阻率之比而设定。
12.如权利要求11所述的热电元件，其特征在于，
所述元件与所述电极的接合部位的深度，根据接合界面的电阻与所述元件的电阻率之比及所述微细部分在短边方向上的宽度而设定。
13.一种热电模块，其特征在于，连接多个如权利要求1至12中任一项所述的热电元件而构成。
CN2007800404408A 2006-11-02 2007-10-31 热电元件及热电模块 Expired - Fee Related CN101529606B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP299277/2006 2006-11-02
JP2006299277 2006-11-02
PCT/JP2007/071588 WO2008054015A1 (en) 2006-11-02 2007-10-31 Thermoelectric element and thermoelectric module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101529606A true CN101529606A (zh) 2009-09-09
CN101529606B CN101529606B (zh) 2011-07-20

Family

ID=39344350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2007800404408A Expired - Fee Related CN101529606B (zh) 2006-11-02 2007-10-31 热电元件及热电模块

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8895832B2 (zh)
JP (1) JP4888491B2 (zh)
CN (1) CN101529606B (zh)
DE (1) DE112007002615B4 (zh)
WO (1) WO2008054015A1 (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102569629A (zh) * 2010-12-30 2012-07-11 财团法人工业技术研究院 热电模块及其制造方法
CN110505745A (zh) * 2014-01-31 2019-11-26 巨石材料公司 等离子体炬的设计
CN110770923A (zh) * 2017-06-14 2020-02-07 株式会社Kelk 热电模块
US11866589B2 (en) 2014-01-30 2024-01-09 Monolith Materials, Inc. System for high temperature chemical processing
US11926743B2 (en) 2017-03-08 2024-03-12 Monolith Materials, Inc. Systems and methods of making carbon particles with thermal transfer gas
US11939477B2 (en) 2014-01-30 2024-03-26 Monolith Materials, Inc. High temperature heat integration method of making carbon black
US11998886B2 (en) 2015-02-03 2024-06-04 Monolith Materials, Inc. Regenerative cooling method and apparatus
US12012515B2 (en) 2016-04-29 2024-06-18 Monolith Materials, Inc. Torch stinger method and apparatus
US12030776B2 (en) 2017-08-28 2024-07-09 Monolith Materials, Inc. Systems and methods for particle generation
US12119133B2 (en) 2015-09-09 2024-10-15 Monolith Materials, Inc. Circular few layer graphene

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5499317B2 (ja) * 2009-03-03 2014-05-21 学校法人東京理科大学 熱電変換素子及び熱電変換モジュール
JP5438451B2 (ja) * 2009-09-28 2014-03-12 昭和電線ケーブルシステム株式会社 熱電変換発電装置
JP5626593B2 (ja) * 2011-10-03 2014-11-19 学校法人中部大学 熱電冷却型電流リード
US9388740B2 (en) * 2012-02-15 2016-07-12 The Boeing Company Thermoelectric generator in turbine engine nozzles
DE102012208837A1 (de) * 2012-05-25 2013-11-28 Robert Bosch Gmbh Seebeck-Elementanordnung, Seebeck-Elementvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Seebeck-Elementanordnung
US20140261608A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Gmz Energy, Inc. Thermal Interface Structure for Thermoelectric Devices
CN103280519B (zh) * 2013-06-17 2015-11-11 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 微型热电模块及其制造方法
FR3011983B1 (fr) * 2013-10-10 2017-01-27 Valeo Systemes Thermiques Ensemble comprenant un element thermo electrique et un moyen de connexion electrique, module thermo electrique comprenant un tel ensemble et procede de fabrication dudit ensemble.
JP2017163034A (ja) * 2016-03-10 2017-09-14 株式会社アツミテック 熱電変換モジュール及び熱電変換素子
WO2017159594A1 (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 熱電変換素子および熱電変換モジュール
JP2019513307A (ja) 2016-03-30 2019-05-23 エクソンモービル・ケミカル・パテンツ・インク 太陽電池用途向けの熱可塑性加硫物組成物
US10803886B1 (en) 2017-12-29 2020-10-13 Seagate Technology Llc Bond-pad sharing for head-level thermocouple
EP3588590B1 (en) * 2018-06-22 2020-05-13 CS Centro Stirling, S.Coop. Thermoelectric module

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3197342A (en) * 1961-09-26 1965-07-27 Jr Alton Bayne Neild Arrangement of thermoelectric elements for improved generator efficiency
US3859143A (en) * 1970-07-23 1975-01-07 Rca Corp Stable bonded barrier layer-telluride thermoelectric device
US4749415A (en) * 1987-01-28 1988-06-07 Westinghouse Electric Corp. Fast response thermocouple element
JPH0278255A (ja) 1988-09-14 1990-03-19 Hitachi Ltd 樹脂封止型半導体装置
JPH0753680B2 (ja) 1989-07-17 1995-06-07 高砂香料工業株式会社 光学活性ケトンの製造法
JPH03112955U (zh) * 1990-03-05 1991-11-19
JPH0521354A (ja) 1991-07-09 1993-01-29 Fujitsu Ltd 半導体装置の製造方法
JP3498226B2 (ja) * 1994-09-30 2004-02-16 ターヴァリシシイエースチ エス アグラニーチン アドヴィエーツト ヴィンナチス アルテック 熱電池
JPH09148634A (ja) * 1995-11-21 1997-06-06 Matsushita Electric Works Ltd 熱電気変換装置
JPH09321354A (ja) * 1996-05-28 1997-12-12 Matsushita Electric Works Ltd 金属パターンプレート
JP2001320096A (ja) * 2000-05-09 2001-11-16 Citizen Watch Co Ltd 熱電素子およびその製造方法
US6700053B2 (en) 2000-07-03 2004-03-02 Komatsu Ltd. Thermoelectric module
JP3613237B2 (ja) 2000-12-01 2005-01-26 ヤマハ株式会社 熱電モジュール
JP2002320096A (ja) 2001-04-20 2002-10-31 Konica Corp 画像処理方法
KR20030064292A (ko) 2002-01-25 2003-07-31 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼 열전모듈
JP2003309294A (ja) 2002-02-12 2003-10-31 Komatsu Ltd 熱電モジュール
JP2005302783A (ja) 2004-04-06 2005-10-27 Toshiba Corp 熱電変換モジュール及びその形状評価装置及び形状評価方法
JP2005322848A (ja) 2004-05-11 2005-11-17 Sumitomo Metal Electronics Devices Inc 熱電変換モジュール
JP4715157B2 (ja) 2004-10-18 2011-07-06 株式会社豊田中央研究所 熱電素子

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102569629A (zh) * 2010-12-30 2012-07-11 财团法人工业技术研究院 热电模块及其制造方法
US11866589B2 (en) 2014-01-30 2024-01-09 Monolith Materials, Inc. System for high temperature chemical processing
US11939477B2 (en) 2014-01-30 2024-03-26 Monolith Materials, Inc. High temperature heat integration method of making carbon black
CN110505745A (zh) * 2014-01-31 2019-11-26 巨石材料公司 等离子体炬的设计
US11998886B2 (en) 2015-02-03 2024-06-04 Monolith Materials, Inc. Regenerative cooling method and apparatus
US12119133B2 (en) 2015-09-09 2024-10-15 Monolith Materials, Inc. Circular few layer graphene
US12012515B2 (en) 2016-04-29 2024-06-18 Monolith Materials, Inc. Torch stinger method and apparatus
US11926743B2 (en) 2017-03-08 2024-03-12 Monolith Materials, Inc. Systems and methods of making carbon particles with thermal transfer gas
CN110770923A (zh) * 2017-06-14 2020-02-07 株式会社Kelk 热电模块
US12030776B2 (en) 2017-08-28 2024-07-09 Monolith Materials, Inc. Systems and methods for particle generation

Also Published As

Publication number Publication date
CN101529606B (zh) 2011-07-20
US8895832B2 (en) 2014-11-25
US20100059096A1 (en) 2010-03-11
JPWO2008054015A1 (ja) 2010-02-25
JP4888491B2 (ja) 2012-02-29
DE112007002615B4 (de) 2020-02-06
DE112007002615T5 (de) 2009-09-10
WO2008054015A1 (en) 2008-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101529606B (zh) 热电元件及热电模块
US8575467B2 (en) Generator of electric energy based on the thermoelectric effect
WO2007134209A3 (en) Solid oxide fuel cell device comprising an elongated substrate with a hot and a cold portion
WO2013111815A1 (ja) 熱輸送装置
EP3020077B1 (en) Thermoelectric generator
KR101694979B1 (ko) 복층 구조의 폐열 회수형 열전발전장치
CN107592035A (zh) 一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法
JP2006303037A (ja) 熱電発電装置
CN107147334A (zh) 一种热电压电复合装置
CN106133915A (zh) 半导体装置及半导体装置的制造方法
WO1990009036A1 (fr) Procede de production d'un dispositif de refroidissement du type a caloduc pour element semi-conducteur
JP2002171776A (ja) 工業炉用熱電発電装置
KR100986655B1 (ko) 열전 발전 장치
DE102015120082B4 (de) Thermoelektrische Generatorvorrichtung für ein Fahrzeug
DE602004029593D1 (de) Effekts in einer brennstoffzelle
US10116019B2 (en) Energy storage assembly, temperature control device, and motor vehicle
CN210723092U (zh) 一种隔热的半导体热电/电热转换元件
CN107109994B (zh) 用于排气废热回收的装置
EP3553795B1 (en) Ptc thermistor element
CN1582511A (zh) 优化热管理的燃料电池
CN110770923A (zh) 热电模块
KR200356443Y1 (ko) 히트파이프용 히트싱크 구조
CN104242814A (zh) 一种光伏太阳能接线盒
JP2008028293A (ja) 熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュール並びに熱電発電装置
CN207245840U (zh) 一种发动机电子节温器电热推杆

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20110720