CN103430442A - 热电发电装置和便携式电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够实现紧凑性、长寿命和高发电效率的热电发电装置。具有基板1以及形成在基板1的前表面上的热电转换元件2的热电发电装置100进一步包括：蓄电电路4，其形成在基板1的后表面上以储存由热电转换元件2生成的电能；布线30和31，其是连接到热电转换元件2并且穿过基板1以在基板1的后表面露出的布线；布线3a和3b，其形成在基板1的后表面上以将布线30和31连接到蓄电电路4；金属膜5，其用于冷却基板1并且形成在布置有蓄电电路4和布线3a和3b的区域周围；以及散热片7，其布置在基板1的后表面上方以在平面视图中覆盖布线3a和3b以及布线3a和3b与金属膜5之间的边界。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电发电装置和便携式电子设备。
背景技术
诸如蜂窝电话、笔记本个人计算机和便携式音乐播放器的便携式电子设备近来已经被广泛地使用。通常，这些便携式电子设备利用诸如锂离子电池或镍氢电池的小型二次电池来操作。
因此，为了使用这些便携式电子设备，要求对二次电池进行充电的操作。充电需要具有对AC电源进行整流并且将整流后的AC电源调节到预定的DC电压的功能的充电器。为此，在消耗电力以执行充电操作的地方存在限制。
已经提出了一种热电充电器集成型二次电池作为能够在不使用任何AC电源的情况下进行充电的二次电池，该热电充电器集成型二次电池具有形成在蜂窝电话的壳体的外表面侧的热电转换元件和一体地形成在热电转换元件的与蜂窝电话的外壳的外表面相反的外表面中的二次电池（参见专利文献1）。
根据使用热电充电器集成型二次电池的便携式设备，不需要使用充电器的充电操作并且能够不需要电源，从而能够消除在充电时的电力消耗。
另外，在专利文献2中已经描述了下述半导体装置，该半导体装置具有硅基板、形成在硅基板的前表面中的热电转换元件和形成在硅基板的后表面的LSI。该半导体装置被设计为使得LSI中产生的热由热电转换元件转换为电力并且该电力能够由LSI中的电容器存储。
另外，在专利文献3中描述了下述技术，其中，热电转换元件和与其连接的电路元件设置在基板的前面和后面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP-A-11-284235
专利文献2：JP-A-2007-95897
专利文献3：JP-A-2010-283130
发明内容
本发明解决的技术问题
在专利文献1中描述的热电充电器集成型二次电池中，需要利用导热的金属等等的布线连接热电转换元件和二次电池。因此，热电转换元件的高温侧的热通过该布线传导到二次电池侧。由于二次电池的温度由于该传导热而增加，因此，可能的是，热电发电元件的低温侧和高温侧之间的温差会变得较小，从而使得发电效果变弱或者缩短二次电池的寿命。在专利文献1中没有考虑这样的可能性。
在专利文献2和3中没有考虑由于传导到电路元件的热而引起的前述可能性。
考虑前述情况而做出本发明。本发明的目的在于提供了一种热电发电装置，其能够实现紧凑性、长寿命和高发电效率，并且本发明还提供了一种配备有该热电发电装置的便携式电子设备。
解决问题的手段
根据本发明的热电发电装置是下述热电发电装置，其具有基板和形成在基板的一个表面上的热电转换元件，其中：热电转换元件形成为其一个表面用作低温侧；并且热电发电装置进一步具有：蓄电电路，其形成在基板的另一表面上以储存由热电转换元件生成的电能；第一布线，其是形成在基板的另一表面上以将热电转换元件和蓄电电路彼此电连接的布线；以及散热片，其布置在基板的另一表面上以在平面视图中覆盖第一布线。
根据该构造，热电转换元件和蓄电电路分别形成在基板的一个表面和另一表面上，从而热电发电装置能够被制造为紧凑的。此外，将蓄电电路和热电转换元件彼此连接的第一布线形成在基板的另一表面上并且散热片布置为覆盖第一布线，从而从基板的一个表面侧通过第一布线传送到蓄电电路的热能够通过散热片高效地发散。结果，能够防止蓄电电路的温度增加，从而发电效率能够得到改进并且能够延长蓄电电路的寿命。
根据本发明的便携式电子设备是一种配备有热电发电装置的便携式电子设备，其中：该便携式电子设备具有消耗电力而发热的元件；并且热电发电装置中包括的热电转换元件的高温侧被布置为面对该元件。
根据该构造，可在不使用任何充电器的情况下进行充电的便携式电子设备能够实现紧凑性、长寿命并且通过减少充电次数来在没有电源的环境中长期使用。
本发明的效果
根据本发明，能够提供一种能够实现紧凑性、长寿命和高发电效率的热电发电装置以及配备有该热电发电装置的便携式电子设备。
附图说明
图1是用于解释本发明的实施方式的从前侧看的热电发电装置的示意性平面图。
图2是用于解释本发明的实施方式的从后侧看的热电发电装置的示意性平面图。
图3是沿着图2中所示的线A-A截取的示意性截面图。
图4是示出图2中所示的蓄电电路的细节的视图。
图5是示出图1中所示的热电发电装置100的散热片7的形状的修改示例的视图。
图6是示出作为配备有图1至图3中所示的热电发电装置100的便携式电子设备的示例的蜂窝电话的示意性构造的示意性截面图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施方式。
图1是用于解释本发明的实施方式的从前侧看的热电发电装置的示意性平面图。图2是用于解释本发明的实施方式的从后侧看的热电发电装置的示意性平面图。图3是沿着图2中所示的线A-A截取的示意性截面图。图4是示出图2中所示的蓄电电路的细节的视图。
如图1至图3中所示，热电发电装置100具有基板1、热电转换元件2、蓄电电路4、布线30、31、3a和3b、金属膜5、绝缘包覆层6和散热片7。基板1由玻璃环氧树脂、聚酰亚胺、液晶聚合物（LCP）、阻焊剂等等制成。热电转换元件2形成在作为基板1的一个表面的前表面上。蓄电电路4形成在作为基板1的另一表面的后表面上。布线30、31、3a和3b由诸如金属的导电材料制成，以将热电转换元件2和蓄电电路4彼此电连接。金属膜5形成在基板1的后表面上并且用于对基板1进行冷却。绝缘包覆层6由聚酰亚胺、聚硅氧烷、SiO2等等制成，以覆盖蓄电电路4、布线3a和3b以及金属膜5。散热片7形成在包覆层6上。
如图1和图3中所示，热电转换元件2具有形成在基板1的前表面上彼此分离的多个下电极21、嵌入在形成在基板1的前表面和下电极21上形成的绝缘层20中的开口中的p型半导体23（例如，BiSbTe、Na2Co2O4、MnSi、FeSi2、CoSb3、Zn4Sb3等等）和n型半导体24（例如，Bi2Te3、BiSeTe、Mg2Si、ZnAlO（AZO）等等）以及形成在绝缘层20、p型半导体23和n型半导体24上彼此分离的多个上电极22。能够使用在“Present State and Trend of Thermoelectric Conversion Technology”（Idemitsu Giho，47卷第2期，2004）中描述的任何公知的p型半导体材料和n型半导体材料作为热电转换材料。
如图1和图3中所示，上电极22、p型半导体23、下电极21和n型半导体24像链一样连接。夹持在上电极22和下电极21之间的p型半导体23和夹持在上电极22和下电极21之间的n型半导体24被二维地交替布置。p型半导体23和n型半导体24串行地电连接。
布线30和31（参见图2和图3）分别连接到该串的两端（即，连接到图1中位于左上端的上电极22和位于右下端的下电极21）。这两个布线30和31通过形成为从前表面到后表面穿过基板1的孔部（接触孔）从基板1的后表面露出。
在热电转换元件2中，上电极22侧用作高温侧，而下电极21侧（基板1的前侧）用作低温侧。热电转换元件2根据上电极22与下电极21之间的温差生成电能。顺便提及，可以为热电转换元件2使用任何公知的构造，并且热电转换元件2不限于图1中所示的构造。
如图2中所示，储存由热电转换元件2生成的电能的蓄电电路4形成在基板1的后表面的中心处。
作为连接到图1中位于左上端的上电极22的布线并且嵌入在穿过基板1的接触孔中的布线30在图2中的基板1的右上端露出。
作为连接到图1中位于右下端的下电极21的布线并且嵌入在穿过基板1的接触孔中的布线31在图2中的基板1的左下端露出。
另外，将布线30与蓄电电路4彼此连接的布线3b和将布线31与蓄电电路4彼此连接的布线3a形成在基板1的后表面上。
金属膜5形成在蓄电电路4和布线3a以及3b周围并且不与其接触。金属膜5用于对与用作热电转换元件2的低温侧的下电极21接触的基板1进行冷却。金属膜5是由能够对基板1进行冷却的金属材料制成的膜。例如，金属膜5由铜制成。
例如，金属膜5以下述方式形成：在基板1的后表面上将铜形成为膜并且然后对铜膜进行选择性蚀刻。
由于蚀刻而移除了铜膜的区域位于基板1的中心部分。蓄电电路4形成在从该区域露出的基板1的后表面上。
另外，还利用蚀刻从自中心部分的由于蚀刻移除了铜膜的区域延伸到布线30和31的均形成为L形的区域移除铜膜。布线3a和3b形成在这些区域中。由于布线3a和3b能够由金属制成，因此能够利用与金属膜5相同的处理来形成布线3a和3b。
如图4中所示，蓄电电路4包括储存由热电转换元件2生成的电能的电容器42和由二极管等等制成的用于防止从电容器42施加到热电转换元件2的反向电流（防止电流回流）的整流元件41。
电容器42包括连接到布线3a的电极、连接布线3b的电极以及夹持在这两个电极之间的电介质。
整流元件41连接在布线3a或布线3b与电容器42之间。顺便提及，整流元件41能够省略。
如图2和图3中所示，散热片7形成在散热片7能够在平面视图中覆盖布线3a和3b以及布线3a和3b与金属膜5的边界部分的位置（形成布线3a和3b的路径）。
基板1的前侧的热通过形成在基板1中的接触孔中的布线30和31并且通过连接到布线30和31的布线3a和3b传送到蓄电电路4。另外，布线3a和3b需要形成为与金属膜5隔开以确保与金属膜5绝缘。以该方式，布线3a和3b几乎不能够接收到来自金属膜5的热辐射影响。
因此，当散热片7被布置为覆盖用作热传送源的布线3a和3b以及布线3a和3b与金属膜5之间的间隙时，通过从散热片7进行的热辐射以及通过散热片7在布线3a和3b与金属膜5之间的热传导来减少布线3a和3b的热，从而能够减少从基板1的前侧传送到蓄电电路4的热。
由于减少了传送到形成在基板1的后表面上的蓄电电路4的热，因此，能够放大热电转换元件2的高温侧与低温侧之间的温差，从而能够改进发电效率。另外，能够实现蓄电电路4的寿命的延长。
顺便提及，散热片7可以布置在至少与布线3a和3b在平面视图中重叠的区域中。当散热片7被布置在覆盖布线3a和3b以及布线3a和3b与金属膜5之间的边界部分的区域中时，与散热片7仅布置在与布线3a和3b重叠的区域中的情况相比，能够增强散热效果。
此外，如图5中所示，散热片可以被布置为当从基板1的后表面看时覆盖金属膜5的全部。当散热片被这样布置时，能够进一步增强散热效果。
图6是示出配备有图1至图3中所示的热电发电装置100的便携式电子设备（例如，蜂窝电话或数字相机）的示意性构造的示意性截面图。
图6中的便携式电子设备具有均容纳在壳体201中电子组件安装基板200、电池组202、图1至图3中所示的热电发电装置100和显示装置203。
电子组件安装基板200是下述基板，其被布置在壳体201的前侧并且具有用于实现便携式电子设备所需要的功能的各种内置电路。
显示装置203被布置在壳体201的前侧并且用于显示各种信息。显示装置203包括液晶显示面板、有机EL面板等等。在操作时，显示装置203的后部的温度由于用于液晶显示面板的背光或有机EL面板中生成的热而升高。
电池组202被布置在壳体201的后侧（电子组件安装基板200和显示装置203的后面），以将电力提供给电子组件安装基板200和显示装置203。电池组202利用未示出的布线连接到热电发电装置100并且利用电容器42中储存的能量进行充电。
热电发电装置100被布置在显示装置203的后面，从而热电转换元件2的上电极22（高温侧）面对显示装置203。
将描述如上所述构造的便携式电子设备的充电操作。
当显示装置203操作时，显示装置203的后部的温度由于用于液晶显示面板的背光或有机EL面板中生成的热而升高。显示装置203的后部中的热从壳体201传送到热电转换元件2的上电极22，从而在热电转换元件2中生成电能。
所生成的电能通过布线30和31以及布线3a和3b储存在蓄电电路4的电容器42中。
储存在电容器42中的电能被提供给电池组202，从而利用能量对可再充电电池进行充电。
以该方式，根据图6中所示的便携式电子设备，能够在不使用附接到便携式电子设备的任何充电器的情况下利用便携式电子设备的显示装置203的操作时间期间生成的热来执行充电操作。
可能的是，在便携式电子设备的显示装置203的操作时间期间，显示装置203的热将会通过连接到热电转换元件2的布线3a和3b传送到蓄电电路4。然而，由于图5中的便携式电子设备配备有图1至3中所示的热电发电装置100，因此，从显示装置203传送来的热能够通过散热片7高效地发散（冷却）。
因此，能够防止热电转换元件2的发电效率由于蓄电电路4的升温而降低，并且能够防止蓄电电路4由于蓄电电路4的变热而劣化。
另外，由于散热片7可以设置在任何区域中（只要散热片7能够与热电发电装置100中的布线3a和3b以及布线3a和3b与金属膜5之间的边界部分重叠），因此，散热片7所占据的面积相对于热电发电装置100的全部面积来说很小，从而能够使得热电发电装置100非常紧凑。
顺便提及，热电发电装置100可以安装在任何便携式电子设备中，该便携式电子设备不限于蜂窝电话或数字相机，并且可以是用电设备，例如，腕表、游戏机、便携式音乐播放器或笔记本个人计算机。
另外，消耗显示装置、DC-DC转换器和显示元件驱动IC等等的电力而发热的任何组件或元件能够用作便携式电子设备中的热源。特别地，显示装置优选地作为用于热电发电的热源，这是因为显示装置具有较大的安装面积并且生成大量的热。
顺便提及，当便携式电子设备是数字相机时，热电发电装置100可以被布置在作为消耗电力而发热的元件的成像元件的后面，从而热电发电装置100的上电极22侧面对成像元件侧。以该方式，从成像元件生成的热能够被转换为能够用于充电的电能。因此，能够实现能够在成像期间进行充电的数字相机。
热电发电装置100由于热电转换元件2和蓄电电路4分别一体地形成在基板1的前面和后面而变得紧凑。因此，热电发电装置100优选地是安装在便携式电子设备中的装置。此外，热电发电装置100紧凑但是具有其中由散热片7有效地抑制了对于蓄电电路4的热传导。因此，能够使得便携式电子设备的寿命变长并且能够改进发电效率。
顺便提及，可以在热电发电装置100中的基板1与热电转换元件2之间提供绝缘膜。另外，可以在金属膜5以及布线3a和3b与基板1的后表面之间设置另一绝缘膜。这些绝缘膜的厚度可以使得不妨碍减少热电发电装置100的厚度。另外，当提供了这些绝缘膜时，可以使用由硅等等制成的半导体基板作为基板1。
如上所述，在本说明书中公开了下述内容。
本公开的热电发电装置是下述热电发电装置，其具有基板以及形成在基板的一个表面上的热电转换元件，其中：热电转换元件形成为使得一个表面侧用作低温侧；并且热电发电装置进一步包括：蓄电电路，其形成在基板的另一表面上以储存由热电转换元件生成的电能；第一布线，其是形成在基板的另一表面上以将热电转换元件与蓄电电路彼此电连接的布线；以及散热片，其布置在基板的另一表面上以在平面视图中覆盖第一布线。
根据该构造，热电转换元件和蓄电电路分别形成在基板的一个表面和另一表面上，从而热电发电装置能够被制造为是紧凑的。此外，将蓄电电路和热电转换元件彼此连接的第一布线形成在基板的另一表面上并且散热片布置为覆盖第一布线。因此，从基板的一个表面侧通过第一布线传送到蓄电电路的热能够通过散热片高效地发散。结果，能够防止蓄电电路的温度增加，从而发电效率能够得到改进并且能够延长蓄电电路的寿命。
公开的热电发电装置进一步包括：第二布线，其是连接到热电转换元件并且从基板的一个表面穿透基板到达另一表面以在基板的另一表面露出的布线；其中：第一布线连接到第二布线；并且第二布线的所露出的表面在平面视图中布置在基板的端部。
根据该构造，热从基板的一个表面传送到基板的另一表面的位置能够被设置在基板的端部，从而从基板的端部到蓄电电路的距离能够很长。当该距离变长时，第一布线的长度能够被使得很长。因此，通过第一布线传送的热由散热片发散的时间能够变长，从而能够进一步抑制到蓄电电路的热传送。
公开的热电发电装置进一步包括：金属膜，其用于冷却基板并且形成在位于基板的另一表面上的第一布线和蓄电电路的布置区域周围；其中：散热片还在平面视图中覆盖第一布线与金属膜之间的边界。
根据该构造，金属膜形成在基板的另一表面上，从而基板的后表面侧的温度能够被使得较低并且能够改进发电效率。另外，金属膜和第一电极之间的边界部分由散热片覆盖。因此，不能够由金属膜冷却的部分能够由散热片冷却，从而能够增强冷却效果。
在所公开的热电发电装置中，蓄电电路具有储存电能的电容器和用于防止电流从电容器回流到热电转换元件的整流元件。
根据该构造，电流能够防止电流从电容器回流到热电转换元件，从而能够防止热电转换效率的降低。
所公开的便携式电子设备是一种配备有热电发电装置的便携式电子设备，其中：该便携式电子设备具有消耗电力而发热的元件；并且热电发电装置中包括的热电转换元件的高温侧被布置为面对该元件。
根据该构造，可在不使用任何充电器的情况下进行充电的便携式电子设备能够实现紧凑性、长寿命并且通过减少充电次数来在没有电源的环境中长期使用。
工业应用性
根据本发明，能够提供一种能够实现紧凑性、长寿命和高发电效率的热电发电装置以及配备有该热电发电装置的便携式电子设备。
虽然已经参考具体实施方式详细描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，能够进行各种改变和修改。本申请基于2011年3月17日提交的日本专利申请（专利申请2011-59369），其内容通过引用并入这里。
附图标记列表
1 基板
2 热电转换元件
3a，3b 布线
4 蓄电电路
5 金属膜
7 散热片
30，31 布线
100 热电发电装置
Claims (4)
1.一种热电发电装置，所述热电发电装置包括基板以及形成在所述基板的一个表面上的热电转换元件，其中：
所述热电转换元件形成为所述一个表面侧被用作低温侧；并且
所述热电发电装置进一步包括：
蓄电电路，所述蓄电电路形成在所述基板的另一表面上，储存由所述热电转换元件生成的电能；
第一布线，所述第一布线是形成在所述基板的所述另一表面上的布线，将所述热电转换元件与所述蓄电电路彼此电连接；以及
散热片，所述散热片布置在所述基板的所述另一表面上方，在平面视图中覆盖所述第一布线。
2.根据权利要求1所述的热电发电装置，所述热电发电装置进一步包括：
第二布线，所述第二布线是连接到所述热电转换元件的布线，从所述基板的所述一个表面穿透所述基板到达所述另一表面而在所述基板的所述另一表面露出，其中：
所述第一布线连接到所述第二布线；并且
所述第二布线的露出面在平面视图中布置在所述基板的端部。
3.根据权利要求1或2所述的热电发电装置，所述热电发电装置进一步包括：
金属膜，所述金属膜用于冷却所述基板，形成在所述基板的所述另一表面上的布置有所述蓄电电路和所述第一布线的区域周围，其中：
所述散热片在平面视图中还覆盖所述第一布线与所述金属膜之间的边界。
4.一种便携式电子设备，所述便携式电子设备配备有根据权利要求1至3中的任一项所述的热电发电装置，其中：
所述便携式电子设备包括消耗电力而发热的元件；并且
所述热电发电装置中包括的所述热电转换元件的高温侧被布置为面对该元件。
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