CN101689595A - 热电转换模块 - Google Patents

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CN101689595A CN200880018746A CN200880018746A CN101689595A CN 101689595 A CN101689595 A CN 101689595A CN 200880018746 A CN200880018746 A CN 200880018746A CN 200880018746 A CN200880018746 A CN 200880018746A CN 101689595 A CN101689595 A CN 101689595A
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Abstract

本发明提供一种热电转换模块，该热电转换模块具有：多个热电元件、和电串联连接所述多个热电元件的电极，所述电极具有向所述电极外开口的孔部。在所述孔部内容纳有在使用温度中成为液体的金属。

Description

热电转换模块
技术领域
本发明涉及热电转换模块。
背景技术
作为现有的热电转换模块，已知下面的热电转换模块，其包括：多个热电元件、和用于这些热电元件相互连接的电极，热电元件与电极的电连接通过金属进行，热电元件与电极相对可动地设置。(例如，日本专利申请特开2001-24242号公报)
但是，在上述专利文献1记载的热电转换模块中，通过具有流动性的液体金属进行热电元件与电极的电连接，所以在成为比较高的温度的使用温度区域中液体金属发生膨胀，液体金属从热电元件和电极之间流出。从而热电转换性能降低，在热电转换性能随时间的稳定性方面不能说是足够的。
发明内容
因此本发明是鉴于上述情况完成的，其目的是提供一种能够抑制液体金属从热电元件和电极之间流出，抑制热电转换性能的降低的热电转换模块。
本发明的热电转换模块包括：多个热电元件、和电串联连接多个热电元件的电极。该电极具有向电极外开口的孔部，在该孔部内容纳金属。
根据本发明的热电转换模块，在电极中具有向电极外开口的孔部，在该孔部内容纳有在使用温度中变成液体的金属。因此，在使用时，液体金属发生膨胀，仅从孔部向电极和热电元件的间隙中流出必要的量，能够经由液体金属进行热电元件与电极的电连接。从而能够抑制液体金属从热电元件和电极之间流出，抑制热电转换性能的降低。此外，电极和多个热电元件在使用温度区域中，在相对可动的状态下电连接。因此，由于在成为比较高的温度的使用环境下，难以产生伴随电极和热电元件的连接部分的热膨胀、收缩的应力，所以能够抑制连接部分的裂缝等的产生。
此处，在本发明的热电转换模块中，优选在与热电元件相向的位置上配置孔部，朝向热电元件开口。由此，因为液体金属有效率地流出到电极和热电元件之间，所以电连接更可靠，能够进一步抑制多余的液体金属的流出。
此外，在本发明的热电转换模块中，优选孔部通过将电极的至少一部分作为多孔质来形成。此外，孔部也可以通过将电极的至少一部分作为网状来形成，孔部也可以通过在电极的连接位置设置的一个以上的贯通孔来形成。在任何一种情况下都能够容纳充分量的在使用时成为液体的金属，从而能够适宜地进行在使用温度中的电连接。
此外，在本发明的热电转换模块中，电极优选以从钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨和铝构成的组中选择的至少一种元素作为主成分的金属形成。由此能够提高电极的耐热性、耐蚀性、向热电元件的粘接性。
此外，在本发明的热电转换模块中，在使用温度中成为液体的金属优选是含有镓和铟的金属。由于该金属即使在常温附近也是液体，所以在比较低温的使用温度区域中使用的热电转换模块中，能够进一步可靠地抑制液体金属从热电元件和电极之间流出，能够抑制热电转换性能的降低。
此外，在本发明的热电转换模块中，在使用温度中成为液体的金属优选是以从金、银、锡、铅、锌、铜和铋构成的组中选择的至少一种元素作为主成分的软钎焊料。这些软钎焊料在比较高的温度(例如300℃以上)中成为液体，在比较低的温度(例如250℃以下)中是固体。因此，在比较高温的使用温度区域中使用的热电转换模块中，能够进一步可靠地抑制液体金属从热电元件和电极之间流出，能够抑制热电转换性能的降低。
此外，在多个热电元件中，优选在与电极连接一侧的面上形成有金属膜。由此，因为液体金属相对于热电元件的润湿性提高，所以更可靠地电连接热电元件和电极。
附图说明
图1是示出本发明一个实施方式的热电转换模块的外观的分解侧面图。
图2是示出图1中示出的热电转换模块的第2电极的部分剖面图。
图3是示出根据本发明的热电转换模块的电极的变形例的立体图。
图4是示出根据本发明的热电转换模块的电极的变形例的立体图。
图5是示出根据本发明的热电转换模块的热电元件与第2电极的接合状态的变化的局部剖面图。
图6是示出根据本发明的热电转换模块的热电元件的其它方式的侧面图。
附图标记说明
1热电转换模块
2第1基板
3第1电极
4热电元件
6第2电极
7第2基板
8孔部
9液体金属
22金属膜
具体实施方式
本发明的见解通过参照仅用于例示而表示的附图并考虑下面的详细描述能够容易理解。接着一边参照附图一边说明本发明的实施方式。在可能的情况下对相同的元件赋予相同的附图标记，省略重复的说明。
图1是示出本发明一个实施方式的热电转换模块的外观的分解侧面图。如图1所示，热电转换模块1包括：第1基板2、第1电极3、热电元件4、夹持器5、第2电极6、以及第2基板7。此处，在热电转换模块1中，假设将第1基板2侧作为相对低温侧，将第2基板7侧作为相对高温侧。
第1基板2呈矩形，具有电绝缘性和热传导性，覆盖热电元件4的一端。作为该第1基板的材料可列举氧化铝、氮化铝、氧化镁等。
第1电极3设置在第1基板2上，对相互邻接的热电元件4的一个端面4a彼此进行电连接。该第1电极3能在第1基板2的规定位置，例如使用溅射或蒸镀等薄膜技术、丝网印刷、电镀等方法形成。此外，也可以将规定形状的金属板等例如以软钎焊料等接合到第1基板2上。作为第1电极3的材料，只要具有导电性就没有特别的限制，但是从提高电极的耐热性、耐蚀性、向热电元件的粘接性的观点出发，优选含有从钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨和铝构成的组中选择的至少一种元素为主成分的金属。此处，主成分指的是电极材料中含有50体积％以上的成分。
热电元件4是剖面为矩形的棒状部件，具有p型热电元件41和n型热电元件42。p型热电元件41和n型热电元件42交替排列设置，并且例如通过软钎焊料等固定在对应的第1电极上。
作为该p型热电元件的材料，例如可以列举Ca3Co4O9或NaxCoO2等金属复合氧化物，MnSi1.73、Fe1-xMnxSi2、Si0.8Ge0.2、β-FeSi2等硅化物，CoSb3、FeSb3、RFe3CoSb12(R表示La、Ce或Yb)等方钴矿(Skutterudite)，BiTeSb、PbTeSb等含Te的合金等。此外，作为n型热电元件的材料，例如可以列举SrTiO3、Zn1-xAlxO、CaMnO3、LaNiO3、BaxTi8O16、Ti1-xNbxO等金属复合氧化物，Mg2Si、Fe1-xCoxSi2、Si0.8Ge0.2、β-FeSi2等硅化物，方钴矿、Ba8Al12Si30、Ba8Al12Ge30等包合物，CaB6、SrB6、BaB6、CeB6等硼化物，BiTeSb、PbTeSb等含Te的合金等。其中，从制造成本、在大气中的稳定性的观点出发，优选金属复合氧化物的热电元件，优选作为p型热电元件的Ca3Co4O9和作为n型热电元件的CaMnO3的组合。此外，由于这些热电元件能够特别在700～800℃左右显现高的热电特性，所以能够特别适用于利用高温热源的发电装置。更具体地说，例如在BiTe类是300～570K、在PbTe类是300-850K、在MnSi和MgSi等硅化物类是500-800K、在ZnSb类是500-750K、在CoSb(方钴矿)类是300-900K、在氧化物类是500-1100K左右是特别合适的使用范围。
夹持器5具有热绝缘性和电绝缘性，对热电元件4进行保持。在夹持器5中，在对应于热电元件4的配置的位置，形成有对应于热电元件的剖面形状的矩形插通孔51，在该插通孔51中插通各热电元件4。并且，在插通孔51的内壁面和热电元件4的侧面之间填充有例如无机粘接剂等，热电元件4由夹持器5保持。
作为该夹持器5的材料，只有具有热绝缘性和电绝缘性就没有特别的限制，例如可以使用陶瓷材料等。作为陶瓷材料，优选在规定的温度中烧结、绝缘性高的氧化物，例如氧化硅、氧化钙、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化铈、莫来石、堇青石等。这些氧化物可以单独或两种以上组合使用。此外，陶瓷材料中可以根据需要含有玻璃粉。
第2电极6对相互邻接的热电元件4的另一个端面4b彼此进行电连接。并且，通过该第2电极6和在热电元件4的一个端面4a侧上设置的第1电极3，电串联连接热电元件4。
图2是第2电极6的局部剖面图。如图2所示，在第2电极6中在与热电元件4的连接位置形成有向其表面开口的孔部8。再有，孔部8优选向第2电极6的与热电元件4相向的表面开口。由此由于后述的液体金属有效率地向第2电极6和热电元件4之间流出，所以电连接变得更可靠。该孔部8例如可以通过使第2电极6为多孔质来形成。
该多孔质的电极6例如可以通过如下的方法制作。首先，按规定量混合碳数为5-8左右的非水溶性碳氢类有机溶剂、表面活性剂、水溶性树脂粘合剂、金属粉末和水，制作金属浆料。使用该金属浆料，例如通过公知的刮刀法等方法形成规定形状的成形体。然后将该成形体保持在例如5℃以上的温度。于是非水溶性碳氢类有机溶剂气化，从成形体中蒸发，形成了在成形体内产生了微细的气泡的多孔质成形体。进而，通过对该多孔质成形体进行烧结，得到多孔质的电极。这样，通过使第2电极6为多孔质，能容易地形成孔部8。
再有，第2电极6的孔部8不限于通过使电极成为多孔质而形成。图3和图4是示出第2电极6的变形例的图。如图3所示，通过使电极成为网状而形成也可，或者如图4(a)和(a)的B-B剖面图的图4(b)所示，通过在电极中设置贯通孔而形成也可。在任何情况下都能够很容易地形成孔部8。
此外，作为第2电极6的材料，只有要具有导电性，在使用温度区域中不会熔融的材料就没有特别的限定，但是从提高电极的耐热性、耐蚀性、向热电元件的粘接性的观点出发，优选含有从钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨和铝构成的组中选择的至少一种元素作为主成分的金属。
此外，第2电极6的一个面侧通过软钎焊料等固定到热电元件4侧的第2基板7上。另一方面，其另一个面侧不通过软钎焊料等固定到热电元件4的另一个端面4b上，而是第2电极6和热电元件4在相对可动的状态下接触。具体地说，如图1所示，固定有第2电极6的第2基板7、和夹持器5，通过螺栓11和螺母12固定。而且，在该固定中，调整螺栓11或螺母12紧固扭矩，以变为使第2电极6和热电元件4成为相对可动程度的压力。再有，第2基板7呈矩形，覆盖热电元件4的另一端侧。此外，第2基板7与第1基板2同样，只有要电绝缘并且具有热传导性就没有特别的限制，例如可以采用氧化铝、氮化铝、氧化镁等材料。
而且，在第2电极6的孔部8中容纳有在热电转换模块的使用温度中成为液体的金属9。在使用温度中成为液体的金属9不必容纳在全部的孔部8中，只要至少容纳在向电极表面开口的孔部8中即可。液体金属9只要是在使用温度，特别是在相对高的温度一侧的使用温度(例如500～800℃左右)中成为液体的金属就没有特别的限制。作为在该热电转换模块的使用温度中成为液体的金属9，可以采用含镓和铟的金属。由于该金属在常温附近也是液体，所以在比较低温的使用温度区域中使用的热电转换模块中，能够进一步可靠地抑制液体金属从热电元件和电极之间流出，能够抑制热电转换性能的降低。此外，作为在热电转换模块的使用温度区域中成为液体的金属9的材料，可以采用以从金、银、锡、铅、锌、铜和铋构成的组中选择的至少一种元素为主成分的软钎焊料。这些软钎焊料在比较高的温度(例如300℃以上)中成为液体，另一方面，在比较低的温度(例如250℃以下)中成为固体。因此，在比较高温的使用温度区域中使用的热电转换模块中，能够进一步可靠地抑制液体金属从热电元件和电极之间流出，能够抑制热电转换性能的降低。
使成为液体的金属9容纳在孔部8内的方法没有特别的限定，例如可以将电极浸渍到变成了液体的金属9中。
接下来说明利用液体金属9电连接热电元件4和第2电极6的方式。图4是示出热电元件4和第2电极6的接合状态的变化的局部剖面图。
在热电转换模块1停止中的低温状态下，如图5(a)所示，液体金属9贮存在第2电极6的孔部8中，热电元件4和第2电极6的电连接并不一定处于充分的状态。在热电转换模块1为工作中的状态下，即当第2电极6一侧处于相对高的温度中时，如图5(b)所示，液体金属9由于热膨胀而从孔部8向开口侧流出。流出的液体金属9进入热电元件4和第2电极6的间隙中，整体或部分地形成薄膜，进行电连接。
如上所述，在热电转换模块1中，在第2电极6中形成有用来将使用时成为液体的金属9贮存在第2电极6中的孔部8。因此，在使用温度区域中，液体金属9发生膨胀，能够从孔部8向第2电极6和热电元件4的间隙中仅流出必要的量，进行电连接。从而，能够抑制液体金属9从热电元件4和第2电极6之间流出，抑制热电转换性能的降低。第2电极6和多个热电元件4在相对可动的状态下电连接。因此，在成为比较高的温度的使用环境下，难以产生伴随第2电极6和热电元件4的连接部分的热膨胀、收缩的应力，所以能够抑制连接部分的裂缝等的产生。
上面说明了本发明的优选实施方式，但是本发明不限定于上述实施方式。
例如，在热电元件4中，如图6所示，也可以在与电极连接一侧的面上形成金属膜22。由此，因为液体金属对热电元件4的润湿性提高，所以更可靠地电连接热电元件4和电极3、6。
此外，也可以使第1电极4与第2电极6同样地，成为具有容纳成为液体的金属9的孔部8的结构。此外，孔部8也可以不在与热电元件4相向的面上，例如即使在电极6的侧面设置孔部8的情况下，也可以利用毛细管现象等使渗出的液体金属向电极6和热电元件4的间隙中移动，从而能够实施本发明。
产业上的可利用性
根据本发明，能够抑制液体金属从热电元件和电极之间流出，能够抑制热电转换性能的降低。

Claims (9)

1.一种热电转换模块，包括：
多个热电元件，和
电串联连接所述多个热电元件的电极，其中
所述电极具有向所述电极外开口的孔部，
在所述孔部内容纳有在使用温度中成为液体的金属。
2.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，所述孔部配置在与所述热电元件相向的位置，朝向所述热电元件开口。
3.如权利要求2所述的热电转换模块，其中，所述孔部通过将所述电极的至少一部分作为多孔质来形成。
4.如权利要求2所述的热电转换模块，其中，所述孔部通过将所述电极的至少一部分作为网状来形成。
5.如权利要求1或2所述的热电转换模块，其中，所述孔部通过在所述电极设置的一个以上的贯通孔来形成。
6.如权利要求1-5中任何一项所述的热电转换模块，其中，所述电极以从钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨和铝构成的组中选择的一种以上的元素作为主成分的金属形成。
7.如权利要求1-6中任何一项所述的热电转换模块，其中，所述在使用温度中成为液体的金属是含有镓和铟的金属。
8.如权利要求1-7中任何一项所述的热电转换模块，其中，所述在使用温度中成为液体的金属是以从金、银、锡、铅、锌、铜和铋构成的组中选择的至少一种元素作为主成分的软钎焊料。
9.如权利要求1-8中任何一项所述的热电转换模块，其中，在所述多个热电元件中，在与所述电极的连接侧的面上形成有金属膜。
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