CN103378283A

CN103378283A - 热电转换模块

Info

Publication number: CN103378283A
Application number: CN2013101222207A
Authority: CN
Inventors: 前岛聪; 丰田香; 东田隆亮; 久保隆志
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-10-30
Also published as: JP5671569B2; JP2013236057A; US20130269744A1

Abstract

本发明的目的在于提供易于高密度排列、连接可靠性高的热电转换元件、热电转换模块以及其制造方法。该热电转换元件包括管、填充在所述管中的热电转换材料以及电镀在所述热电转换材料的一端或两端的电镀金属层，所述热电转换材料从所述管突出，并且所述电镀金属层覆盖所述热电转换材料的突出部。进而，该热电转换模块是将热电转换元件串联连接而成的。

Description

热电转换模块

技术领域

本发明涉及一种热电转换模块。

背景技术

热电转换模块包括相互串联连接的P型热电转换元件和N型热电转换元件。热电转换元件作为利用了塞贝克效应(Seeback Effect)的发电元件而正在被开发。例如，正在研发利用了工业废热的发电系统，但该系统被指出存在热电转换效率低、发电成本高等应改善的问题。

在图1示出包括热电转换元件的热电转换模块的一例(参见专利文献1)。在图1所示的热电转换模块100中，P型热电转换元件50和N型热电转换元件60通过接合电极(电气配线)70而串联连接，形成有多个PN元件对。在PN元件对的一个的端面配置有陶瓷基板80，在PN元件对的另一个的端面配置有陶瓷基板90。通过对陶瓷基板80进行加热、对元件对的另一个端面上的陶瓷基板90进行冷却(设为非加热)来进行发电。图1中的箭头表示因加热或冷却引起的热流动。通过一对电流导入端子15、15’来取出所产生的电。

另外，目前还提出了以下所示的热电转换模块的制造方法(参见专利文献2)。如图2所示，在蜂窝成形模110的内部插入P型热电转换材料150和N型热电转换材料160，再使绝缘树脂120浸渍固化，从而形成整体被一体化的块130。接着，在与各元件的长边方向正交的方向上，利用刀具140将块130按预定的厚度切割而做成块片130’。在块片130’中，交替地排列有P型热电转换元件151和N型转换元件161。通过将P型热电转换元件151和N型热电转换元件161电镀成串联连接，从而得到热电转换模块。

在这样得到的热电转换模块中，P型热电转换材料150和N型热电转换材料160被绝缘树脂120所覆盖，因此，能够可靠地防止热电转换元件之间的短路。因此，能够得到将P型热电转换元件151和N型热电转换元件161高密度地排列而成的热电转换模块。

还提出了排列包括热电转换材料和覆盖该材料侧面的树脂膜的热电转换元件而成的热电转换模块(专利文献3)。另外，还提出了若干用于使热电转换模块中的热电转换元件高密度化的方案(专利文献4、5)。

进一步，还提出了用于提高热电转换模块的生产率的方案。在专利文献6中，在将热电转换元件与电气配线(电极)连接时使用方格状的样板，使方格状的样板的尺寸相对于热电转换元件的尺寸在100.5％以内，从而能够降低连接位置的偏差(专利文献6)。在专利文献7中，在热电转换模块中使位于端部的热电转换元件相互连接的电气配线(电极)的宽度小于除此之外的电气配线的宽度，从而消除热电转换元件的位置偏移(专利文献7)。

进而，在热电转换装置中将与热电转换元件连接的电气配线(电极)配置于在基板上进行构图而形成的槽中，从而使电气配线微细化并使电气配线的电阻降低(专利文献8)。

还提出了设有光元件和热电半导体的光组件的方案作为热电转换模块的一种用途(专利文献9和专利文献10)。

【专利文献1】日本专利第3958857号公报

【专利文献2】日本特开2009－76603号公报

【专利文献3】美国专利第6,252,154号说明书

【专利文献4】美国专利公开第2003／0057560号

【专利文献5】美国专利公开第2006／0180191号

【专利文献6】日本特开2003－347605号公报

【专利文献7】日本特开2004－228230号公报

【专利文献8】日本特开2009－43808号公报

【专利文献9】日本特开2003－198042号公报

【专利文献10】美国专利公开第2003／0127661号

发明内容

热电转换模块是其一端部(参照图1中的陶瓷基板80)暴露在高温下、另一端部(参照图1中的陶瓷基板90)暴露在低温下来进行发电的器件。这样一来，热电转换模块在有温差的状态下长期使用，从而由于该温差导致的热膨胀的差，在热电转换元件与配线部分(参照图1中的接合电极70)的接合部分容易产生热应力。若热电转换元件与配线部分的接合部分处的热应力变大，则有可能在接合部分处产生裂纹等，导致接合可靠性降低。其结果是，热电转换模块自身的可靠性降低。

本发明用于解决上述现有的问题，其目的在于提供一种连接可靠性高的热电转换元件和热电转换模块。

本发明涉及以下所示的热电转换元件和热电转换模块。

［1］热电转换模块，包括：

两个以上的P型热电转换元件，其包含P型热电转换材料；

两个以上的N型热电转换元件，其包含N型热电转换材料；以及

电气配线，其串联连接所述P型热电转换元件和所述N型热电转换元件，

其中，所述电气配线焊接在所述P型热电转换材料和所述N型热电转换材料的长轴方向的端面上，

所述电气配线的宽度小于所述P型热电转换材料和所述N型热电转换材料的宽度，

所述配线位于所述电气配线的宽度方向的中央部，

接合所述端面和所述电气配线的焊锡具有角焊形状。

［2］如［1］所述的热电转换模块，其中，所述包含P型热电转换材料的两个以上的P型热电转换元件和所述包含N型热电转换材料的两个以上的N型热电转换元件沿着多行排列。

［3］如［1］或［2］所述的热电转换模块，其中，用于焊接所述电气配线的焊锡相对于所述P型热电转换元件或所述N型热电转换元件的所述端面的接触角为75°以下。

［4］如［1］～［3］中任一项所述的热电转换模块，其中，所述P型热电转换元件包括覆盖所述P型热电转换材料的长轴方向的端面的电镀金属层，所述电气配线隔着所述电镀金属层焊接在所述P型热电转换材料上，并且，所述N型热电转换元件包括覆盖所述N型热电转换材料的长轴方向的端面的电镀金属层，所述电气配线隔着所述电镀金属层焊接在所述N型热电转换材料上。

［5］如［1］～［4］中任一项所述的热电转换模块，其中，所述P型热电转换元件还包括填充有所述P型热电转换材料的绝缘性的管，并且所述N型热电转换元件还包括填充有所述N型热电转换材料的绝缘性的管。

作为本发明的热电转换模块，其焊接在热电转换元件上的配线的宽度被适当地调整，因此，焊锡的形状被优化，热电转换元件与电气配线板的焊接的强度提高，从而安装可靠性提高。另外，由于焊接在热电转换元件上的配线的宽度被适当地调整，因此能够提高热电转换元件的排列密度。

进一步优选的是，作为本发明的热电转换模块中的热电转换元件，热电转换材料填充在绝缘性的管内，因此，能够可靠地抑制热电转换元件之间的短路。因此，能够使热电转换元件之间贴紧排列，从而能够得到高密度地排列有热电转换元件的热电转换模块。

附图说明

图1是表示现有的热电转换模块的例子的图。

图2是表示现有的热电转换模块的制造流程的例子的图。

图3是表示热电转换模块中P型热电转换元件与N型热电转换元件的排列状态的图。

图4A和图4B分别为热电转换元件的剖面图。

图5A和图5B分别为热电转换模块的剖面图。

图6A和图6B分别为热电转换模块中焊接在电气配线板上的热电转换元件的接合部分的剖面图。

图7A和图7B分别为热电转换模块中焊接在由电线构成的配线上的热电转换元件的接合部分的剖面图。

图8是示意性地示出热电转换模块中的热电转换元件与电气配线板的电气配线的接合部分的图。

图9是热电转换模块中焊接在电气配线板上的热电转换元件的接合部分的剖面图。

符号说明

15,15’：电流导入端子

50：P型热电转换元件

60：N型热电转换元件

70：接合电极

80：陶瓷基板

90：陶瓷基板

100：热电转换模块

110：蜂窝成形模

120：绝缘树脂

130：块

130’：块片

140：刀具

150：P型热电转换材料

151：P型热电转换元件

160：N型热电转换材料

161：N型热电转换元件

300：热电转换材料

300P：P型热电转换材料

300N：N型热电转换材料

310,310P,310N：管

320,320P,320N：电镀金属层

350,350’：热电转换元件

350P,350P’：P型热电转换元件

350N,350N’：N型热电转换元件

360：电气配线板

365：配线

400：焊锡

A：电气配线板的配线的宽度

B：热电转换材料的宽度

θ,θ’：接触角

具体实施方式

本发明的热电转换模块包括两个以上的P型热电转换元件、两个以上的N型热电转换元件、以及将它们相互串联连接的电气配线。P型热电转换元件和N型热电转换元件通过电气配线交替串联连接。

图3示出热电转换模块100中的P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N的排列状态的例子。P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N优选配置成矩阵状。优选的是，P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N沿着多行排列，更为优选的是沿着3个以上的行排列。在P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N的长轴方向的两个端面上焊接有电气配线365。在图3中，P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N以串联方式电连接在一起。电气配线365配置在电气配线板360上，该电气配线板360为任意的结构部件。

P型热电转换元件和N型热电转换元件分别至少包括热电转换材料。将热电转换材料掺杂成P型的热电转换元件称为P型热电转换元件，将热电转换材料掺杂成N型的热电转换元件称为N型热电转换元件。

P型热电转换元件和N型热电转换元件中的热电转换材料是施加温差后产生电动势的物质。能够根据使用时产生的温差选择热电转换材料。在热电转换材料的例子中，若温差是从常温到500K则优选铋碲类(Bi－Te类)，若温差是从常温到800K则优选铅碲类(PB－Te类)，若温差是从常温到1000K则优选硅锗类(Si－Ge类)。作为在室温左右性能优异的热电转换材料，可举出Bi－Te类材料。

通过对热电转换材料添加掺杂剂来进行热电转换材料的掺杂。p型掺杂剂的例子包括Sb，n型掺杂剂的例子包括Se。通过添加这些掺杂剂，从而使热电转换材料形成混合晶。因此，这些掺杂剂例如以如下的量包含在热电转换材料中，即该量为以“Bi0.5Sb1.5Te3”或“Bi2Te2.7Se0.3”这样的材料组成式所表示的程度的量。

P型热电转换元件和N型热电转换元件中的热电转换材料也可以填充在绝缘性的管内。填充有热电转换材料的绝缘性的管优选以耐热性绝缘材料形成。在耐热性绝缘材料的例子中包括玻璃、耐热性有机树脂等，可优选为耐热玻璃(混合有SiO2和B2O3的硼硅玻璃的一种，热膨胀率约3×10－6／K左右的材料)等。热电转换元件中的管的两端部开口。热电转换元件中的管的内径和外径各自没有特别限定，可以为1.8mm和3mm。

作为P型热电转换元件和N型热电转换元件中的热电转换材料，优选其长轴方向的一个端面或两个端面被电镀金属层所覆盖。电镀金属层优选采用对焊锡的浸润性高的金属，另外优选采用具有抑制焊锡成分扩散到热电转换材料的性质(阻挡特性)的金属。电镀金属的种类没有特别限定，但优选为镀镍、镀钼等。

图4A示出热电转换元件的第一例的剖面图，图4B示出热电转换元件的第二例的剖面图。图4A所示的热电转换元件350包括热电转换材料300和在该热电转换材料300的长轴方向的两端形成的电镀金属层320。图4B所示的热电转换元件350’包括热电转换材料300、填充热电转换材料300的管310、以及在热电转换材料300的两端形成的电镀金属层320。

在图4B所示的热电转换元件350’中，填充在管310中的热电转换材料300的长轴方向的端部也可以从管的一个开口端或两个开口端(优选从两个开口端)突出。在热电转换材料300从管310突出的情况下，优选以电镀金属层320覆盖突出部。

热电转换元件350的高度Ｈ(参照图4A和图4B)优选为1.0～3.0mm，更优选为1.0～2.0mm。热电转换元件350中的热电转换材料的宽度B例如为1.8mm。但这些尺寸没有特别限定。

也可以是，热电转换元件350、350’中的热电转换材料300的与电镀金属层320接触的接触面被做成为粗糙面。通过做成粗糙面，能够提高热电转换材料300与电镀金属层320的紧贴性。

图4A所示的热电转换元件350的制造方法没有特别限制，例如可通过如下步骤制造：1)使热电转换材料的单晶或多晶解理而加工成热电转换材料300、或者烧结热电转换材料的粉末而加工成热电转换材料300，然后，2)在热电转换材料300的两端部形成电镀金属层320。电镀方法没有特别限定。

图4B所示的热电转换元件350’的制造方法没有特别限制，例如可通过如下步骤制造：1)将热电转换材料填充到管310内，然后，2)在管310的端部露出的热电转换材料300的露出部分形成电镀金属层320。电镀方法没有特别限定。

为了1)将热电转换材料填充到管310内，例如使热电转换材料的粉末填充到管中，对填充有热电转换材料的粉末的管310进行加热，使热电转换材料溶解而液化。既可以将管310投入到加热炉内来进行热电转换材料的溶解，也可以用加热器对管310进行加热来进行热电转换材料的溶解。通过按从管310的一端向另一端逐步进行加热，容易使热电转换材料的晶体取向一致，由此容易提高热电转换元件的发电效率。另外，为了1)将热电转换材料填充在管310内，例如也可以是，将管的端部浸渍到溶融后的热电转换材料中，对管的内部进行减压，从而将热电转换材料吸上来。

也可以是，在填充有热电转换材料300的管310的长度较长时，在与长轴方向垂直的方向上切断该管310而使其单片化。将各单片化部件做成为热电转换元件。另外，也可以是，去除填充有热电转换材料300的管310的端部，使热电转换材料300从管310突出。

热电转换模块包括电气配线，该电气配线用于使P型热电转换元件与N型热电转换元件相互以串联的方式电连接在一起。电气配线既可以是电线，也可以是被印刷到电气配线板上的线路。电气配线板例如可以是热传导性高的陶瓷基板(例如氧化铝)或挠性树脂基板。被印刷的线路例如为铜线。

为了使热电转换元件连接在电气配线上，则将热电转换元件的热电转换材料的两端部焊接在配线上即可。优选的是，隔着在热电转换元件的热电转换材料的两端部形成的电镀金属层焊接在配线上。

图5A和图5B示出沿着热电转换元件的长轴方向切断热电转换模块时的切断面(沿着图3中的X－X线的剖面图、即沿着热电转换元件之间的电连接方向的剖面图)。图5A所示的热电转换模块包括P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N。P型热电转换元件350P包括P型热电转换材料300P、以及在P型热电转换材料300P的两端部形成的电镀金属层320P。同样地，N型热电转换元件350N包括N型热电转换材料300N、以及形成在N型热电转换材料300N的两端部的电镀金属层320N。即，排列有图4A所示的热电转换元件350。

P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N分别安装在配线板360上。具体而言，P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N分别隔着在热电转换材料(300P和300N)的两端部分形成的电镀金属层(320P和320N)而焊接在电气配线板360的配线365上。另外，电气配线板360的配线365使P型热电转换元件350P和N型热电转换元件350N以串联方式电连接在一起。

另一方面，图5B所示的热电转换模块与图5A所示的热电转换模块同样地包括P型热电转换元件和N型热电转换元件，但与图5A中的热电转换元件的不同之处在于，热电转换材料300(300P和300N)被填充在管310(310P或310N)中。即，图5B中的P型热电转换元件350P’包括管(例如玻璃管)310P、填充在该管310P中的P型热电转换材料300P、以及在P型热电转换材料300P的两端部形成的电镀金属层320P。同样地，N型热电转换元件350N’包括管(例如玻璃管)310N、填充在该管310N中的N型热电转换材料300N、以及在N型热电转换材料300N的两端部形成的电镀金属层320N。即，排列有图4B所示的热电转换元件350’。

在图5B所示的热电转换模块中，热电转换元件350P’、350N’相互紧贴配置。具体而言，热电转换元件350’的管310(310P和310N)相互接触。热电转换元件350’的热电转换材料300填充在绝缘性的管310内，因此，即使热电转换元件350’相互接触也不会发生短路。因此，如图5B所示，能够将热电转换元件350’相互紧贴配置，并能够使其高密度地排列。其结果是，能够提高热电转换模块的每单位面积的发电量。

另一方面，在图5A所示的热电转换模块中，需要使热电转换元件350P、350N相互足够分开地配置，以防止该热电转换元件350P、350N相互接触。因此，难以使热电转换元件350高密度地排列，有可能导致热电转换模块的每单位面积的发电量降低。

在图6A和图6B中，示出将图5A所示的热电转换模块中的热电转换元件350安装在电气配线板360上的接合部分(相当于图5A中的Ｚ部分)的状态的例子。即，图6A和图6B为沿着图3中的Ｙ－Ｙ线的剖面图。该剖面图也就是沿着与热电转换元件之间的电连接方向垂直的方向的剖面图。

另外，图8是表示图6A所示的热电转换元件350和连接在该热电转换元件350的两端上的电气配线365之间的连接部的立体图。

图6A和图8示出电气配线板360上的配线365的宽度A小于热电转换元件350的热电转换材料300的宽度B的情况，图6B示出电气配线板360的配线365的宽度大于热电转换元件350的热电转换材料300的宽度的情况。宽度A指的是配线365的焊锡接合面的最长宽度。宽度B指的是热电转换元件的焊锡接合面(通常为电镀金属层的表面)的最长宽度。

无论在图6A所示的焊锡接合状态还是在图6B所示的焊锡接合状态下，焊锡400均形成角焊形状，从而热电转换元件350与配线365之间焊锡的连接的可靠性高。其中，角焊形状指的是焊脚变宽的形状。

图6A中焊锡400相对于电镀金属层320的接触角θ优选为75°以下，进一步优选处于15°～45°的范围。可以通过调整热电转换材料300的宽度B与电气配线板360的配线365的宽度来调整接触角θ。例如图6A所示，若将连结热电转换材料300的电镀金属层320的边缘和配线365的边缘而成的线与电镀金属层320的焊锡接合面之间的相交角度设为75°以下，则接触角θ为75°以下。

作为一例，图6A中的热电转换元件350的热电转换材料300的宽度B与电气配线板360的配线365的宽度A满足下式：A≤B－2t／tan75°。其中，t表示配线的厚度。另外，焊锡的厚度设为足够小。

优选图6B中的焊锡400的相对于配线365的接触角θ’也为75°以下，更优选的是处于15°～45°的范围。通过调整热电转换材料300的宽度B与电气配线板360的配线365的宽度A也能够调整该接触角θ’。例如图6B所示，若将连结热电转换材料300的电镀金属层320的边缘和配线365的边缘而成的线与配线365的焊锡接合面之间的相交角度设为75°以下，则接触角θ’为75°以下。

这样，通过使热电转换材料300的宽度B不同于电气配线板360的配线365的宽度A，从而将焊锡的形状做成为角焊形，能够提高接合强度。特别是如图6A所示的焊锡接合状态那样，使电气配线板360的配线365的宽度A小于热电转换元件350的热电转换材料300的宽度B后，安装所需要的面积变少。因此，热电转换元件的安装密度提高，能够提高每单位面积的发电量。

图7A和图7B与图6A和图6B同样地示出了将热电转换模块中的热电转换元件350安装在电气配线板360上的接合部分的例子，但在图7A和图7B中示出将热电转换元件350焊接在由电线构成的电气配线365上的状态。即，电气配线365不与电气配线板360接触。

图7A中的电气配线365为扁平状的电线，图7B中的电气配线365是截面为圆形的电线。在图7A和图7B中，均是由电线构成的电气配线365的宽度A小于电转换元件350的热电转换材料的宽度B。因此，焊锡400形成角焊形状，能够进行牢固的焊接。焊锡400的与电镀金属层320的焊锡接合面的接触角θ均为75°以下。另外，用于接合热电转换元件350所需的面积小，热电转换元件的安装密度提高，能够提高每单位面积的发电量。

图9示出将图5B所示的热电转换元件350’(350P’或350N’)安装在电气配线板360上的接合部分的状态的例子。如图9所示，电气配线板360的配线365的宽度A小于热电转换元件350’的热电转换材料300的宽度B。因此，焊锡400形成角焊形状，还能够提高安装密度。

进而，在图9中，通过使宽度A小于宽度B，从而在将热电转换元件350’焊接在配线365上时，能够抑制焊锡400与管310的接触。另一方面，若宽度A大于宽度B，则在进行焊接时，焊锡400与管310容易接触。管310对于焊锡的浸润性低，因此，若焊锡400与管310接触，则焊锡400的形状难以形成角焊形状，进而导致焊锡400与配线365和管310这两者接触。因此，容易产生配线365与管310的热移动，因此，热电转换模块的发电效率降低。

如图6A和图7～图9所示，在本发明的热电转换模块中，优选电气配线板的配线的宽度小于热电转换元件的热电转换材料的宽度。在此，配线365位于热电转换元件的热电转换材料300的端面的宽度方向的中央部。即，配线365配置成不从热电转换元件的热电转换材料300的端面的宽度方向的边缘露出。这是因为使焊锡400形成适当的角焊形状的缘故。

工业实用性

在本发明的热电转换模块中，热电转换元件与用于使热电转换元件之间电连接的电气配线板的连接可靠性高。因此，本发明的热电转换模块的长期可靠性高。

Claims

1.热电转换模块，包括：

两个以上的P型热电转换元件，其包含P型热电转换材料；

所述电气配线位于所述端面的宽度方向的中央部，

接合所述端面和所述电气配线的焊锡具有角焊形状。

2.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，

所述包含P型热电转换材料的两个以上的P型热电转换元件和所述包含N型热电转换材料的两个以上的N型热电转换元件沿着多行排列。

3.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，

用于焊接所述电气配线的焊锡相对于所述P型热电转换元件或所述N型热电转换元件的所述端面的接触角为75°以下。

4.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，

所述P型热电转换元件包括覆盖所述P型热电转换材料的长轴方向的端面的电镀金属层，所述电气配线隔着所述电镀金属层焊接在所述P型热电转换材料上，

所述N型热电转换元件包括覆盖所述N型热电转换材料的长轴方向的端面的电镀金属层，所述电气配线隔着所述电镀金属层焊接在所述N型热电转换材料上。

5.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，

所述P型热电转换元件还包括填充有所述P型热电转换材料的绝缘性的管，

所述N型热电转换元件还包括填充有所述N型热电转换材料的绝缘性的管。