CN105122486A

CN105122486A - 热电转换模块

Info

Publication number: CN105122486A
Application number: CN201380071903.2A
Authority: CN
Inventors: 须田浩; 佐藤纯一
Original assignee: Nippon Thermostat Co Ltd
Current assignee: Nippon Thermostat Co Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: US9537076B2; JP2014179539A; JP6009382B2; EP2975660A1; US20160005947A1; KR20150132085A; CN105122486B; EP2975660A4; WO2014141551A1; EP2975660B1

Abstract

本发明提供一种使量产性提高的热电转换模块。热电转换模块(1)具有基部(11)、多个第一电极(3)、多个热电转换元件(2)、多个第二电极(4)、连接部(42)。多个热电转换元件(2)以n形构成且串联连接。连接部(42)与第二电极(4)一体形成，并且与第一电极(3)分体构成。在第一电极(3)设有收纳连接部(42)的前端的收纳部(33)。将五个热电转换元件(2)在X轴方向上排列而构成的元件列(6)在Y轴方向上排列六个。收纳部(33)即使在连接部(42)将元件列(6)内的热电转换元件(2)连接的情况或连接部(42)将邻接的元件列(6)之间彼此连接的情况下，也能够收纳同一形状的连接部(42)，第一电极(3)及第二电极(4)全部构成同一形状。

Description

热电转换模块

技术领域

本发明涉及使用塞贝克效应进行发电，或者使用帕尔帖效应进行冷却或加热的热电转换模块。

背景技术

以往，已知有将在两端部分别具有电极的多个热电转换元件配置在基部上的热电转换模块(例如，参照专利文献1)。

专利文献1的热电转换模块由将n形热电转换元件和p形热电转换元件两种热电转换元件交替配置而串联地电连接的所谓的π肢型的热电转换模块构成。

在专利文献1的热电转换模块中，使热电转换模块的高温侧相对于被隔热材料覆盖的电阻加热炉内的加热室为非接触，在热电转换模块的高温侧，接受来自加热室的辐射导热。因此，在专利文献1的热电转换模块中省略了作为高温侧的绝缘体的基部。另外，在使热电转换模块的高温侧与电阻加热炉内的加热室接触的情况下，设置由绝缘体构成的基部。

另外，也已知有仅由n形或p形的热电转换元件一种构成的所谓的单肢型的热电转换模块(例如，参照专利文献2)。

专利文献2的热电转换模块具有将热电转换元件的一电极和邻接的热电转换元件的另一电极一体地且串联地电连接的连接部，由两个电极和连接部构成U形连接器。该U形连接器将金属板弯折而形成。在制造热电转换模块时，将该U形连接器在基部预先固定多个。而且，热电转换元件被从横向压入该U形连接器并插入到两个电极之间，与连接器连接。

专利文献1：(日本)专利第4834986号公报

专利文献2：(日本)特开2009－176919号公报

目前的所谓的单肢型的热电转换模块由于需要将热电转换元件压入U形连接器中，故而具有组装难、量产性低的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点而设立的，其目的在于提供一种使量产性提高的热电转换模块。

[1]为了实现上述目的，本发明热电转换模块具有基部；多个第一电极；一端部分别与所述第一电极电连接的多个热电转换元件；分别与该热电转换元件的另一端部电连接的多个第二电极；将与所述热电转换元件电连接的所述第一电极电连接在与邻接的所述热电转换元件电连接的所述第二电极上的连接部，所述多个热电转换元件由n形和p形的任一方构成，将所述多个热电转换元件串联地电连接，其中，所述连接部与所述第二电极一体形成，并且与所述第一电极分体构成，所述第一电极具有与所述热电转换元件的一端部电接触的元件配置部和收纳所述连接部的前端的收纳部，所述第一电极或所述第二电极配置在所述基部上，将沿着所述基部且相互正交的两个轴线设为X轴及Y轴，所述热电转换元件在所述基部上沿所述X轴方向排列多个而构成元件列，所述元件列在Y轴方向上排列多个，所述收纳部在所述元件列内位于所述元件配置部的所述X轴方向，即使在所述连接部将元件列内的热电转换元件电连接的情况或所述连接部将相邻的元件列之间彼此电连接的情况下，也将同一形状的连接部收纳，所述第一电极全部构成同一形状，所述第二电极全部构成同一形状。

根据本发明，在第二电极一体地形成连接部，将第一电极和连接部分体构成。因此，在第一电极或第二电极上载置热电转换元件之后，将剩余的电极载置在热电转换元件上，由此能够容易地组装热电转换模块，能够提供在抑制了零件数量增加的同时可比较容易地组装的热电转换模块。

[2]另外，在本发明中，收纳部由多个孔部构成，多个孔部中位于中央的所述孔部为在元件列内收纳连接部的孔部，位于左右方向的孔部为在元件列之间收纳连接部的孔部。

[3]另外，在本发明中，第一电极具有从元件配置部沿着基部延伸的延伸设置部，在该延伸设置部设有收纳部，第一电极为了防止误配置在基部上而设有由凸部或凹部构成的防误组装部。

根据本发明，能够防止将第一电极误设置在基部上，能够实现成品率的提高。

[4]另外，本发明的热电转换模块的组装方法，将具有多个与多个第一电极的配置及形状对应的切孔的定位部件配置在基部上，通过将第一电极嵌入切孔，从而将第一电极配置在基部上。

根据该组装方法，由于在定位部件的切孔上也形成与第一电极的防误组装部对应的部分，故而即使在将第一电极以错误的状态配置在基部上，防误组装部或与其对应的切孔的部分成为阻碍，不能将第一电极嵌入定位部件的切孔。由此，能够防止将第一电极误设置在基部上，能够实现成品率的提高。

附图说明

图1是将本发明的热电转换模块的一实施方式局部放大表示的立体图；

图2是将本实施方式的热电转换模块分解表示的立体图；

图3是表示本实施方式的热电转换模块的平面图；

图4是表示本实施方式的第一电极的立体图；

图5是表示本实施方式的第二电极的说明图；

图6是表示本实施方式的热电转换模块的组装方法，即使用定位部件将第一电极配置在基部上且将定位部件抬起的状态的组装工序的一部分的说明图。

标记说明

1：热电转换模块

11：基部

2：热电转换元件

3：第一电极

31：元件配置部

32：延伸设置部

32a：凹部(防误组装部)

33：收纳部

33a、33b、33c：孔部

4：第二电极

41：元件配置部

42：连接部

6：元件列

61～66：第一～第六元件列

7：端子

7a：元件配置部

8：定位部件

8a：切孔

8b：凸部

8c：端子用切孔

具体实施方式

参照图1～图6对本发明实施方式的热电转换模块进行说明。图1～图3所示的第一实施方式的热电转换模块1为将多个n形热电转换元件串联地电连接的所谓的单肢型的热电转换模块，具有由氧化铝成形的具有绝缘性的一对板状基部11。在图1～图3中，为了容易看到热电转换模块1的内部，省略了位于上方的基部。另外，在图1中，位于上方的基部由于在使热电转换模块1相对于金属那样的具有导电性的外装的热源接触而使用时为了防止短路等而需要，但在将热源绝缘的情况或不与热源接触而以受到辐射导热的方式构成的情况下，也可以不设置位于上方的基部。另外，基部的材质也可以根据热源而适当变更。例如，也可以将上方的基部由绝缘性的导热片构成。另外，也能够仅留下上方的基部且不设置下方的基部11而构成热电转换模块1。

在两基部11的相对侧的面上分别设有多个由镍板(Ni板)构成的第一电极3及第二电极4。在两电极3、4之间配置有Mg₂Si制的n形热电转换元件2。

目前，作为热电转换元件的材料，使用了BiTe类、PbTe类、Cosb类的材料，但均对人体有害(包含有害化的可能性)，而且价格不菲。对此，Mg₂Si对人体无害且对环境负荷小，另外，资源丰富且价格低。另外，Mg₂Si的比重轻，故而能够制作非常轻的热电转换元件2。因此，近年来，作为热电转换元件的材料，Mg₂Si受到瞩目。

另外，两基部11不限于氧化铝，也可以由其他材料成形。另外，电极3、4不限于镍(Ni)，也可以使用其他材料、例如由镍(Ni)镀敷的铜(Cu)。

热电转换元件2的一端与第一电极3接合，另一端与第二电极4接合。作为接合方法，能够使用焊接、硬焊接等钎焊、或者基于银膏等导电性粘接剂的粘接、扩散接合，根据热电转换模块的用途等适当选择而接合。

在通过钎焊而接合的情况下，也可以将焊锡(焊料)预先涂敷在热电转换元件2的两端部。热电转换元件2的表面成为具有细凹凸的面，但通过由焊锡(焊料)或银膏等将表面的凹凸覆盖而能够形成平滑的面，由此，热电转换元件2与电极3、4的接合状态良好，能够确保优良的导电性。另外，在制作热电转换元件2时，也可以在热电转换元件2的两端形成镍层。

如图4所示，第一电极3具有配置热电转换元件2的元件配置部31、从元件配置部31沿着基部11延伸的延伸设置部32。即，在热电转换元件2的一端部电连接元件配置部31。另外，如图5所示，第二电极4具有配置热电转换元件2的元件配置部41、从元件配置部41的侧缘部L形地弯曲并延伸的四棱柱形棒状的连接部42。即，在热电转换元件2的另一端部电连接元件配置部41。

在第一电极3的延伸设置部32设有三个将连接部42的前端插入的孔部33a、33b、33c。在本实施方式中，由这三个孔部33a、33b、33c构成收纳部33。连接部42将其前端插入设于第一电极3的收纳部33，通过钎焊等而接合。由此，第一电极3、和在与设有第一电极3的热电转换元件2邻接的热电转换元件上设置的第二电极4串联地电连接。另外，连接部42与电极3、4同样地使用镍(Ni)，但不限于此，也可以使用其他金属、例如实施了镀镍的铜(Cu)。

在此，将沿着基部11的表面且相互正交的两个轴线设为X轴及Y轴。在图3中，横方向为X轴方向，纵方向为Y轴方向。热电转换元件2构成在基部11上沿X轴方向排列有多个(在图中为五个)的元件列6。该元件列6在Y轴方向上排列多个(图中为六列)。在附图中，一个热电转换模块1具有30个热电转换元件2。

另外，在位于图3的最上方的元件列6的右端的热电转换元件2的一端部设有取出电气的输入输出用的端子7。该端子7形成为从配置热电转换元件2的元件配置部7a向基部11外大大突出的长方形。

另外，在位于图3的最下方的元件列6的右端的热电转换元件2的另一端部设有取出电气的输入输出用的端子7。该端子7从配置热电转换元件2的元件配置部7a向基部11外大大突出，并且曲柄状地弯曲。而且，该端子7的图3中的右侧的端部与位于最上方的元件列6的端子7同一高度。

另外，在本实施方式中，元件列6为偶数列，但也可以以奇数列构成。在元件列6构成奇数列的热电转换模块1的情况下，只要例如将在位于图3的最上方的元件列6设置的端子7设置在位于左端的第一电极3即可。

另外，如图4所示，在延伸设置部32的左右两侧缘部分别设有凹部32a。该凹部32a在将第一电极3配置在基部11上时使用。具体地，在将第一电极3配置在基部11上时，使用图6所示的定位部件8。如图6所示，在定位部件8上设有多个与多个第一电极3的配置及形状对应的切孔8a。

在热电转换模块1的组装中，在将第一电极3配置在基部11上时，首先将定位部件8设置在基部11上。然后将第一电极3嵌入切孔8a中。

在切孔8a上形成有与设于第一电极3的凹部32a对应的凸部8b。因此，即使以延伸设置部32相对于元件配置部31的位置错误的状态要将第一电极3嵌合到切孔8a中，凹部32a和凸部8b的位置偏移而使凸部8b成为障碍，不能将第一电极3适当地嵌合到切孔8a中。由此，根据本实施方式的热电转换模块1，能够防止将第一电极3相对于基部11误设置，能够实现成品率的提高。另外，在本实施方式的热电转换模块1的组装方法中使用的定位部件8上也能够将端子7定位地也设有端子用切孔8c。

另外，也考虑在元件配置部31的左右两侧缘部设置凹部，但由此使元件配置部31与热电转换元件2的接触面积减少。通过如上所述地在延伸设置部32设置凹部32a，不使热电转换元件2的配置面积减少，能够防止将第一电极3误配置在基部11上。

另外，也可以在第一电极3的延伸设置部32的左右两侧缘部形成凸部，在切孔8a形成与凸部对应的凹部。该情况下，也能够将凸部设置在元件配置部31的周缘部。另外，延伸设置部32的凹部或凸部也可以形成在前端部(自元件配置部31分隔侧的端部)，该情况下，例如也可以将凹部或凸部在中央设置一个，还可以使凹部或凸部位于孔部之间而左右对称地设置两个。

在此，在图3中，将各元件列6以从上方朝向下方依次定义为第一元件列61、第二元件列62、第三元件列63、第四元件列64、第五元件列65、第六元件列66，将第一元件列61、第三元件列63、第五元件列65定义为奇数列，将第二元件列62、第四元件列64、第六元件列66定义为偶数列。

如图3所示，奇数列61、63、65的第一电极3以延伸设置部32位于元件配置部31的右侧的方式排列。对此，如图3所示，偶数列62、64、66的第一电极3以延伸设置部32位于元件配置部31的左侧的方式排列。即，在本实施方式的热电转换模块1中，全部的延伸设置部32位于元件配置部31的X轴方向。

奇数列61、63、65的第二电极4除了位于最左侧的第二电极4之外，以连接部42位于元件配置部41左侧的方式配置。而且，连接部42的前端被插入位于收纳部33的中央的孔部33b，通过钎焊等而接合。而偶数列62、64、66的第二电极4除了位于最右侧的第二电极4之外，以连接部42位于元件配置部41的右侧的方式配置。而且，连接部42的前端被插入位于收纳部33的中央的孔部33b，通过钎焊等而接合。

位于奇数列61、63、65的最左侧的第二电极4用于将元件列6之间串联地电连接，在图3中，以连接部42位于元件配置部41的下侧而配置。而且，连接部42的前端被插入位于收纳部33右侧的孔部33a，通过钎焊等而接合。

另外，偶数列中未设有端子7的第二元件列62、和位于第四元件列64的最右侧的第二电极4用于将元件列6之间串联地电连接，在图3中，连接部42以位于元件配置部41下侧的方式配置。而且，连接部42的前端插入位于收纳部33左侧的孔部33C，通过钎焊等而接合。

这样，在元件列6内将连接部42插入中央的孔部33b，在元件列6之间将连接部42插入左右的孔部33a、33c，故而不改变连接部42的形状，在同一形状的连接部42的状态下能够将元件列6内及元件列6之间电连接。

因此，根据本实施方式的热电转换模块1，与将两电极和连接部分体的构成相比，能够在抑制零件数量增加的同时，实现比以往更容易的制造。

另外，第一电极3也形成为由三个孔部33a、33b、33c构成收纳部33的左右对称的形状，故而能够将全部的第一电极3形成同一形状。另外，由于第一电极3为左右对称的形状，故而没有表背的不同，组装更容易。

在此，作为第一电极3的排列方式，仅将偶数列62、64、66的位于图3中最左侧的第一电极3以延伸设置部32位于元件配置部31上侧的方式进行配置，仅将奇数列中的第三元件列63和第五元件列65的位于图3中最右侧的第一电极3以延伸设置部32位于元件配置部31上侧的方式进行配置，构成热电转换模块1。

但是，由此，在元件列61～66之间需要空出延伸设置部32量的空间，热电转换模块1的元件密度下降。在本实施方式的热电转换模块1中，由于全部的第一电极3的延伸设置部32能够在元件配置部31的X轴方向上配置，故而能够提高元件密度。

另外，在本实施方式中，对由三个孔部33a、33b、33c构成收纳部33进行了说明，但本发明的收纳部不限于此。例如，也可以将收纳部由在左右方向上伸长的一个孔构成，另外，也可以省略左侧的孔部33c而由中央和右侧的孔部33a、33b两个构成。在由两个孔部33a、33b构成收纳部的情况下，以将从邻接的元件列6延伸的连接部42由右侧的孔部33a收纳的方式使第一电极3适当翻过来即可。

另外，本实施方式的热电转换元件2在图2中表示了四棱柱状，但不限于此，也可以为其他形状、例如圆柱状。

接着，对本实施方式的热电转换模块1的动作进行说明。将热电转换模块1上侧的基部(省略图示)安装在例如300℃～600℃的热源上，若使基部11冷却，则在热电转换元件2的两端产生温度差，通过塞贝克效应使电流流动而进行发电。此时，为了持续发电，需要在热电转换元件2的两端持续维持规定的温度差，但在第一实施方式中，由于作为热电转换元件2的材料使用了导热率小的Mg₂Si，故而能够良好地维持温度差。

根据第一实施方式的热电转换模块1，由于连接部42与第二电极4一体且与第一电极3分体，故而在使热电转换元件2的一端与固定于基部11的第一电极3电连接之后，使第二电极4与热电转换元件2的另一端电连接，并且在邻接的热电转换元件2之间将第一电极3和第二电极4电连接而能够将连接部42与第一电极3的收纳部33连接。因此，无需如现有的热电转换模块那样地将热电转换元件压入U形连接器中，热电转换模块的量产性提高。

另外，在第一实施方式中，热电转换元件2由Mg₂Si制作，但不限于此。例如，能够使用含有Sb-Te类及Bi-Se类的Bi-Te类、含有Sn-Te类及Ge-Te类的Pb-Te类、Ag-Sb-Te类、Ag-Sb-Ge-Te类、Si-Ge类、Fe-Si类、Mn-Si类、Zn-Sb类、硫属化物、方钴矿、填充方钴矿、包合物、半惠斯勒合金、惠斯勒合金、碳化硼、层状钴氧化物等任意的热电转换材料。另外，热电转换元件2不限于n形，也可以使用p形的元件。另外，Mg₂Si无需为高纯度的，也可以利用例如在研削、研磨加工时排出的废硅渣而得到。

另外，为了使与电极的接触阻力降低，也可以在热电转换元件2的两端部设置接合层。接合层也能够与热电转换元件一体地形成。另外，接合层及电极能够使用Ni、Al、Cu、W、Au、Ag、Co、Mo、Cr、Ti、Pd等以及由其构成的合金等任意的材料。

另外，在本实施方式中对使用了塞贝克效应的发电用的热电转换模块1进行了说明，但本发明的热电转换模块在使用帕尔帖效应进行冷却或加热时也能够同样地使用。

另外，在本实施方式中，作为防误组装部说明了图6所示的由凹部32a和凸部8b构成的部件，但本发明的防误组装部不限于此。例如，通过将第一电极的四角中的一部分倾斜地切断而设置作为本发明的凹部的切断部，在定位部件8也形成与作为本发明的凹部的切断部对应地伸出的部分(凸部)，从而能够防止在元件配置部31与延伸设置部32的位置错误的状态下设置于基部11的情况。

另外，在本实施方式中，对将图1所示的热电转换模块1的上方侧设为与热源接触的高温侧，将下方侧设为散热的低温侧进行了说明。但是，本发明的热电转换模块的使用方法不限于此，也可以例如在图1中，将上方侧设为低温侧，将下方侧设为高温侧。

Claims

1.一种热电转换模块，其具有：

基部；

多个第一电极；

一端部分别与所述第一电极电连接的多个热电转换元件；

分别与该热电转换元件的另一端部电连接的多个第二电极；

将与所述热电转换元件电连接的所述第一电极电连接在与邻接的所述热电转换元件电连接的所述第二电极上的连接部，

所述多个热电转换元件由n形和p形的任一方构成，将所述多个热电转换元件串联地电连接，其特征在于，

所述连接部与所述第二电极一体形成，并且与所述第一电极分体构成，

所述第一电极具有与所述热电转换元件的一端部电接触的元件配置部和收纳所述连接部的前端的收纳部，

所述第一电极或所述第二电极配置在所述基部上，

将沿着所述基部且相互正交的两个轴线设为X轴及Y轴，

所述热电转换元件在所述基部上沿所述X轴方向排列多个而构成元件列，

所述元件列在Y轴方向上排列多个，

所述收纳部在所述元件列内位于所述元件配置部的所述X轴方向，即使在所述连接部将元件列内的热电转换元件电连接的情况或所述连接部将相邻的元件列之间彼此电连接的情况下，也将同一形状的连接部收纳，

所述第一电极全部构成同一形状，所述第二电极全部构成同一形状。

2.如权利要求1所述的热电转换模块，其特征在于，

所述收纳部由多个孔部构成，

所述多个孔部中位于中央的所述孔部为在所述元件列内收纳所述连接部的孔部，位于左右方向的所述孔部为在所述元件列之间收纳所述连接部的孔部。

3.如权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，

所述第一电极具有从所述元件配置部沿着所述基部延伸的延伸设置部，

在该延伸设置部设有所述收纳部，

所述第一电极为了防止误配置在所述基部上而设有由凸部或凹部构成的防误组装部。

4.一种热电转换模块的组装方法，其为权利要求3所述的热电转换模块的组装方法，其特征在于，

将具有多个与所述多个第一电极的配置及形状对应的切孔的定位部件配置在所述基部上，

通过将所述第一电极嵌入所述切孔，从而将所述第一电极配置在所述基部上。