CN101681976A - 热电转换模块以及热电发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电转换模块以及热电转换系统。热电转换模块具有热电元件和固定在所述热电元件上的电极，在所述电极上形成有空洞。热电发电系统具有热源和所述热电转换模块，来自所述热源的热经由所述电极以及所述基板供给至所述热电元件。

Description

热电转换模块以及热电发电系统

技术领域

本发明涉及热电转换模块以及热电发电系统。

背景技术

作为以往的热电转换模块，公知有包括基板、固定在基板上的电极、固定在电极上的热电元件的热电转换模块。并且，作为热电元件和电极的电连接方法，公知有：利用焊料等接合材料进行固定的方法(例如，日本特开平5-41543号公报)；不使用接合材料，将热电元件的一部分嵌入到电极的孔内，由此，将彼此固定的方法(例如，日本特开2006-253343号公报)。

发明内容

但是，通常，相对于热电元件或基板的热膨胀率，电极的热膨胀率很大的情况较多，由于该热膨胀系数之差，当在使用时成为高温时，电极和热电元件之间、或电极和基板之间容易产生热应力。因此，例如在为了高效地发电而提高低温侧和高温侧的温度差的情况下，由于热应力，有可能在电极和热电元件的接合部产生裂缝等不良、或者电极从基板剥离而损害热电转换模块的可靠性。

因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种可靠性更高的热电转换模块以及使用了该热电转换模块的热电发电系统。

本发明的第一热电转换模块具有热电元件和固定在热电元件上的电极，在电极上形成有空洞。

本发明的第二热电转换模块具有热电元件、与热电元件电连接的电极和固定有电极的基板，在电极上形成有空洞。

根据这些本发明，在电极上形成有空洞。因此，由于该空洞自身能够容易地进行膨胀收缩或变形，所以，在有温度的变动的情况下，也能够缓和电极与热电元件之间的热应力、或者电极与基板之间的热应力。

在此，空洞能够为多孔质的孔(porous hole)、网眼或者贯通孔。

本发明的热电发电系统具有热源和上述的第一热电转换模块，来自热源的热经由电极供给至热电元件。

本发明的第二热电发电系统具有热源和上述的第二热电转换模块，来自热源的热经由电极以及基板供给至热电元件。

另外，本发明的热电转换模块用电极优选由金属形成，该金属以从由钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨以及铝构成的组中选择的至少一种元素为主要成分。由此，能够提高电极的耐热性、耐腐蚀性以及针对热电元件的粘结性。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的热电转换模块的外观的分解侧视图。

图2是表示图1所示的热电转换模块的第二电极的部分剖视图。

图3是表示本发明的热电转换模块的电极的变形例的立体图。

图4是表示本发明的热电转换模块的电极的变形例的立体图。

图5是表示本发明的热电发电系统的示意图。

附图标记说明：

1 热电转换模块

2 第一基板

3 第一电极

4 热电元件

6 第二电极

7 第二基板

58 空洞

9 接合材料。

具体实施方式

关于本发明的见解，参照为了例示而示出的附图并考虑下面的详细叙述，从而能够容易地理解。接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在可能的情况下，对同一要素标注同一附图标记，并省略重复的说明。

图1是表示本发明一实施方式的热电转换模块1的外观的分解侧视图。如图1所示，热电转换模块1具有第一基板2、第一电极3、热电元件4、第二电极6以及第二基板7。在此，热电转换模块1是将第一基板2侧用作相对低温侧、将第二基板7侧用作相对高温侧的热电转换模块。

第一基板2例如呈矩形形状，且是电绝缘性并具有热传导性，覆盖热电元件4的一端。作为该第一基板的材料，例如，举出氧化铝、氮化铝、氧化镁等。

第一电极3设置在第一基板2上，使相互相邻的热电元件4的一端面4a彼此间电连接。能够使用例如溅射或蒸镀等的薄膜技术、丝网印刷、电镀、热喷镀等方法，在第一基板2上的规定位置形成该第一电极3。另外，也可以通过例如焊接(soldering)、钎焊(brazing)等使预定形状的金属板等接合在第一基板2上。作为第一电极3的材料，只要是具有导电性的材料即可，并没有特别限制，但是，从提高电极的耐热性、耐腐蚀性、针对热电元件的粘结性的角度考虑，优选包含从由钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨以及铝构成的组中选择的至少一种元素作为主要成分的金属。在此，主要成分是指在电极材料中含有50体积％以上的成分。

热电元件4是例如剖面为矩形形状的棒状构件，存在p型热电元件41以及n型热电元件42。

作为该p型热电元件的材料，能够举出例如Ca₃Co₄O₉或Na_xCoO₂等金属复合氧化物、MnSi_1.73、Fe_1-xMn_xSi₂、Si_0.8Ge_0.2、β-FeSi₂等硅化物、CoSb₃、FeSb₃、RFe₃CoSb₁₂(R表示La、Ce或Yb)等方钴矿(Skutterudite)、BiTeSb、PbTeSb等的含有Te的合金等材料。另外，作为n型热电元件的材料，能够举出例如SrTiO₃、Zn_1-xAl_xO、CaMnO₃、LaNiO₃、Ba_xTi₈O₁₆、Ti_1-xNb_xO等金属复合氧化物、Mg₂Si、Fe_1-xCo_xSi₂、Si_0.8Ge_0.2、β-FeSi₂等硅化物、方钴矿、Ba₈Al₁₂Si₃₀、Ba₈Al₁₂Ge₃₀等包合物(clathratecompound)、CaB₆、SrB₆、BaB₆、CeB₆等硼化合物、BiTeSb、PbTeSb等含有Te的合金等的材料。在这些当中，从制造成本、在大气中的稳定性的角度考虑，优选金属复合氧化物的热电元件，特别优选作为p型热电元件的Ca₃Co₄O₉与作为n型热电元件的CaMnO₃的组合。另外，对于这些热电元件来说，由于特别是在700～800℃左右表现较高的热电特性，所以，特别地，能够很好地利用到对高温的热源进行利用的发电装置。更具体地说，例如，BiTe类300～570K、PbTe类300～850K、MnSi或MgSi等硅化物类500～800K、ZnSb类500～750K、CoSb(方钴矿)类300～900K、氧化物类500～1100K左右是特别优选的使用范围。

第二基板7呈例如矩形形状，覆盖热电元件4的另一端侧。第二基板7的材料与第一基板2同样地只要是电绝缘性并且具有热传导性的材料即可，并不特别限制，例如能够使用氧化铝、氮化铝、氧化镁等材料。

第二电极6使相互相邻的热电元件4的另一端面4b彼此电连接，能够使用例如溅射或蒸镀等的薄膜技术、丝网印刷、电镀、热喷镀等方法形成在第二基板7上。并且，利用该第二电极6和在热电元件4的一端面4a侧设置的第一电极3，将热电元件4串联地电连接。

p型热电元件41以及n型热电元件42在第一基板2以及第二基板7间交替地排列配置，并且，利用例如AuSb、PbSb类的焊料或银膏等接合材料9固定在这些电极的两面所对应的第一电极3以及第二电极6的表面，作为整体串联地电连接在一起。在用作热电元件时，优选该接合材料为固体。

图2是第二电极6的部分剖视图。如图2(a)所示，在第二电极6中形成有多个空洞8。该空洞8既可以是在第二电极的表面未开口的封闭的空洞，也可是在第二电极6的表面开口的空洞。在此，空洞是指，其内部没有被热电元件4的一部分或接合材料9完全填充，至少一部分收容有气体的部分残留而成的孔。气体并不特别限定，例如能够举出热电元件的使用场所的环境气体或制造第二电极6时的环境气体等。在此，如图2所示，为了能够容易地具有多个空洞，优选电极的一部分或全部为多孔质。在本发明中，空洞的直径、空洞率(所有空洞的体积相对电极的外观体积的比例(体积％))也取决于构成电极、基板、热电元件的材料，根据电极与基板或者热电元件之间的热膨胀率之差，适当设定即可，但是，优选空洞率为30体积％～90体积％。另外，在本发明中，接合材料9可以与电极6同样地具有空洞8(参照图2(b))。

该多孔质的电极6能够利用例如如下所谓的浆料发泡法(slurryfoaming method)制作。例如，使碳数为5～8左右的非水溶性碳氢化合物有机溶剂、表面活性剂、水溶性树脂粘结剂、金属粉末以及水以预定量混合来制作金属膏。使用该金属膏，采用例如公知的刮刀法(doctorblade method)等方法形成预定形状的成形体。然后，将该成形体保持为例如5℃以上的高温。这样一来，非水溶性碳氢化合物有机溶剂发生气化，从成形体中蒸发，形成了在成形体内产生细微的气泡的多孔质成形体。进而，对该多孔质成形体进行烧结，从而得到多孔质的电极。另外，多孔质的电极6的制造并不限于此，例如，也可以通过对金属球或金属纤维进行烧结、或在发泡树脂的表面电镀金属后对树脂进行分解除去等进行制作。当第二电极6的空洞8为多孔质时，能够容易地形成多个空洞8。

第二电极6中的空洞8的位置并不特别限定，但是，从缓和与热电元件4的热应力的角度考虑，优选配置在与各热电元件4固定的部分，从缓和与第二基板7的热应力的角度考虑，优选配置在与第二基板7固定的部分。

此外，空洞8也可以不是多孔质。图3以及图4是表示第二电极6的变形例的图。可以是如图3所示那样通过使电极为网状而形成的作为网眼的空洞8、或如图4的(a)以及作为(a)的B-B剖视图的图4的(b)所示那样通过在电极上设置贯通孔而形成的空洞8。在任何情况下，都能容易地形成空洞8。

另外，作为第二电极6的材料，只要是具有导电性且在使用温度范围内不发生熔化的材料即可，并不特别限制，但是，从提高电极的耐热性、耐腐蚀性、针对热电元件的粘结性的角度考虑，优选包含从由钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨以及铝构成的组中选择的至少一种元素作为主要成分的金属。

在这样的热电转换模块1中，在第二电极6中形成有空洞8。因此，在使用时，即便第二电极6或热电元件4发生热膨胀，由于第二电极6与热电元件4的热膨胀率之差而在第二电极6与热电元件4之间产生热应力的情况下，由于该空洞8的扩大、缩小、变形等，能够缓和该热应力。因此，能够抑制第二电极6和热电元件4的连接部分的裂缝等的发生。因此，能够进一步提高热电转换模块1的高温侧的温度。另外，即使在因第二电极6与第二基板7的热膨胀率之差而在第二电极6与第二基板7之间产生热应力的情况下，也同样地能够缓和热应力。因此，能够抑制第二电极6从第二基板7的剥离等。由此，容易进一步提高高温侧的温度，能够高效地进行热电转换。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但是，本发明并不限于上述实施方式。

例如，对于热电元件4来说，可以在与电极的连接侧的面上形成有金属膜。由此，接合材料9针对热电元件4的浸湿性提高，所以，能够使热电元件4与电极3、6更可靠地电连接。

另外，第一电极3可以与第二电极6同样地具有空洞8。

另外，也能够是没有第一基板2或第二基板7的方式。例如，使用由具有热绝缘性以及电绝缘性的材料形成并且形成有与各热电元件4的剖面形状对应的矩形形状的多个插通孔的支架5，支撑各热电元件4，从而做成所谓的没有基板2、7的被称为骨架型的热电转换模块。

另一方面，如图2(c)所示，也可以不利用接合材料9将第二电极6和热电元件4固定，成为滑动的接触或者夹持有在使用时变为液体的金属，由此，将第二电极6和热电元件4电连接。在该情况下，第二电极6和热电元件4之间的热应力不成为问题，但是，若采用本发明，有助于电极6与第二基板7的热应力的缓和。

接着，参照图5，对本发明的热电发电系统进行说明。本实施方式的热电发电系统具有热源20、热电转换模块1以及冷却扇30。热源20并不特别限定，是例如变压器、压缩机、发动机、泵、流过高温流体的管道等的产生废热的热源即可。

热电转换模块1以第二基板7与热源20热连接的方式配置。冷却扇30与第一电极2热连接。此外，冷却扇30并不是必须具有的。冷却扇30的材质并不特别限定，例如能够举出铝等金属。

若采用这样的热电转换系统，则能够进行利用热源20的热由热电转换模块更好地利用废热的发电。

产业上的可利用性

若采用本发明，则能够提供缓和了电极的热应力、可靠性更高的热电转换模块以及使用了该热电转换模块的热电发电系统。

Claims (7)

1.一种热电转换模块，其特征在于，

具有：热电元件；电极，固定在所述热电元件上，

在所述电极上形成有空洞。

2.一种热电转换模块，其特征在于，

具有：热电元件；电极，与所述热电元件电连接；基板，固定有所述电极，

在所述电极上形成有空洞。

3.如权利要求1或2所述的热电转换模块用电极，其特征在于，

所述空洞为多孔质的孔。

4.如权利要求1或2所述的热电转换模块用电极，其特征在于，

所述空洞为网眼。

5.如权利要求1或2所述的热电变化模块用电极，其特征在于，

所述空洞为贯通孔。

6.一种热电发电系统，其特征在于，

具有热源和权利要求1所述的热电转换模块，来自所述热源的热经由所述电极供给至所述热电元件。

7.一种热电发电系统，其特征在于，

具有热源和权利要求2所述的热电转换模块，来自所述热源的热经由所述电极以及所述基板供给至所述热电元件。

Images