CN108713259B - 热电转换模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的热电转换模块的特征在于，n型热电转换元件与p型热电转换元件由热膨胀系数互不相同的材料构成，n型热电转换元件的一侧面与p型热电转换元件的一侧面相互排列并接合在共同的绝缘性基板的一侧面，在n型热电转换元件的另一侧面与p型热电转换元件的另一侧面分别独立地形成有导热性部件。

Description

热电转换模块
技术领域
本发明涉及一种电连接多个热电转换元件而成的热电转换模块。
本申请主张基于2016年3月24日于日本申请的专利申请2016-060866号及2017年2月24日于日本申请的专利申请2017-033837号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
热电转换元件是称作塞贝克(Seebeck)效应或珀耳帖(Peltier)效应的能够相互转换热与电的电子元件。塞贝克效应是将热能转换为电能的效应，是若在热电转换材料的两端产生温度差则产生电动势的现象。这种电动势根据热电转换材料的特性而决定。近年来，盛行利用该效应的热电发电的开发(例如，参考专利文献1)。
另一方面，珀耳帖效应是将电能转换为热能的效应，是若在热电转换材料的两端形成电极等并在电极之间产生电位差，则在热电转换材料的两端产生温度差的现象。具有这种效应的元件特别称为珀耳帖元件，利用于精密设备或小型冰箱等的冷却和温度控制(例如，参考专利文献2)。
关于电连接多个这种热电转换元件而构成的热电转换模块，通常已知有连接半导体型相互相同的热电转换元件彼此而成的Uni-leg型热电转换模块及交替连接互不相同的半导体型即n型热电转换元件与p型热电转换元件而成的π(Pi)型热电转换模块。
其中，π(Pi)型热电转换模块与Uni-leg型热电转换模块相比，能够使电连接结构简单，且通过p-n连接，能够高效地进行热电转换。
以往，这种π型热电转换模块构成为用电极板等相互连接的多个n型热电转换元件与p型热电转换元件的一侧面及另一侧面分别接合于一个绝缘板。
专利文献1：日本特表2012-533972号公报
专利文献2：日本特开2011-249742号公报
在上述的π(Pi)型热电转换模块中，使用互不相同的组成的热电转换材料时，n型热电转换元件与p型热电转换元件的热膨胀系数也互不相同。因此，如以往那样将n型热电转换元件与p型热电转换元件的一侧面及另一侧面分别接合于一个绝缘板的结构中，由于n型热电转换元件与p型热电转换元件的热膨胀系数的不同，有可能产生其中一个热电转换元件从绝缘板剥离或元件破损的不良情况。
发明内容
本发明是鉴于前述情况而完成的，其目的在于提供一种热电转换模块，该热电转换模块通过组合分别利用热膨胀系数互不相同的热电转换材料来形成的n型热电转换元件及p型热电转换元件而成，该热电转换模块能够防止热电转换元件从基板剥离或者热电转换元件破损的现象。
为了解决上述课题，作为本发明的一方式的热电转换模块由n型热电转换元件与p型热电转换元件经由电极板交替串联连接而成，该热电转换模块的特征在于，所述n型热电转换元件与所述p型热电转换元件由热膨胀系数互不相同的材料构成，所述n型热电转换元件的一侧面与所述p型热电转换元件的一侧面相互排列并接合在共同的绝缘性基板的一侧面，在所述n型热电转换元件的另一侧面与所述p型热电转换元件的另一侧面分别独立地形成有导热性部件。
在热电转换模块工作时(热电转换时)，由具有互不相同的热膨胀系数的材料形成的n型热电转换材料与p型热电转换材料因高热侧的热而热膨胀成互不相同的大小。例如，n型热电转换材料的热膨胀系数大于p型热电转换材料时，n型热电转换材料比p型热电转换材料膨胀得更大。
但是，该结构的热电转换模块中，n型热电转换元件与p型热电转换元件中只有一侧面与共同的绝缘性基板接合，形成于另一侧面的导热性部件按各个n型热电转换元件及p型热电转换元件分别独立地形成且互不干涉。因此，不会发生导热性部件从n型热电转换元件或p型热电转换元件剥离或者元件破损的现象。容许n型热电转换元件比p型热电转换元件膨胀得更大，形成于n型热电转换元件的导热性部件的端部能够比形成于p型热电转换元件的导热性部件的前端更突出。
作为本发明的一方式的热电转换模块中，优选在所述n型热电转换元件的另一侧面与所述导热性部件之间及所述p型热电转换元件的另一侧面与所述导热性部件之间分别配设有导热性绝缘层。
此时，所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的另一侧面与导热性部件之间的绝缘性得到确保，因此能够防止导热性部件与其他金属制部件接触时产生的电流泄漏，能够实现安全性高的热电转换模块。
作为本发明的一方式的热电转换模块中，优选在相互相邻的所述n型热电转换元件与所述p型热电转换元件之间还配设有隔热部件。
此时，通过隔热部件，抑制从一侧面向另一侧面的传热，能够在所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的一侧面与另一侧面维持温度差，发电效率得到提高。
作为本发明的一方式的热电转换模块中，优选所述隔热部件是形成有能够供所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件贯穿的多个开口的隔热板。
此时，通过隔热板，抑制一侧面的辐射热向另一侧面传递，能够在所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的一侧面与另一侧面维持温度差，发电效率得到提高。
作为本发明的一方式的热电转换模块中，优选以包围所述绝缘性基板的另一侧面以及排列有所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的区域的周围的方式形成有保护罩。
此时，通过保护罩，能够防止热电转换模块的腐蚀和污损，并防止热电转换模块的热电转换效率的下降。
作为本发明的一方式的热电转换模块中，优选所述导热性部件由导热系数为10W/(mK)以上的材料构成。
此时，由于所述导热性部件的导热系数设为10W/(mK)以上而比较大，因此能够高效地进行吸热及散热。
作为本发明的一方式的热电转换模块中，优选形成于所述n型热电转换元件的另一侧面与所述p型热电转换元件的另一侧面的所述导热性部件的前端部浸渍于冷却液中。
根据该结构的热电转换模块，通过将形成于所述n型热电转换元件的另一侧面与所述p型热电转换元件的另一侧面的所述导热性部件的前端部浸渍于冷却液中，能够在所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的一侧面与另一侧面维持温度差，发电效率得到提高。
作为本发明的一方式的热电转换模块中，优选在所述绝缘性基板的与接合有所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的面相反一侧的面上形成有金属层。
根据该结构的热电转换模块，在所述绝缘性基板的与接合有所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的面相反一侧的面上形成有金属层，因此能够隔着该金属层配置热源，能够抑制对所述绝缘性基板的热冲击，实现绝缘性基板的寿命延长。
本发明的热电转换模块为通过组合分别利用热膨胀系数互不相同的热电转换材料形成的n型热电转换元件及p型热电转换元件而成的热电转换模块，其能够防止热电转换元件从基板剥离的现象或热电转换元件破损的现象。
附图说明
图1是从侧面观察第1实施方式的热电转换模块时的剖视图。
图2是示出第1实施方式的热电转换模块工作时的情况的主要部分放大剖视图。
图3是第2实施方式的热电转换模块的主要部分放大剖视图。
图4是第3实施方式的热电转换模块的主要部分放大剖视图。
图5是从侧面观察本发明的另一实施方式的热电转换模块时的剖视图。
图6是从侧面观察本发明的另一实施方式的热电转换模块时的剖视图。
图7是示出本发明的实施方式中的导热性部件的另一例的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图，对本发明的热电转换模块进行说明。另外，以下示出的各实施方式是为了更好地理解发明的主旨而具体进行说明的实施方式，只要无特别指定，则并不限定本发明。并且，关于以下说明中使用的附图，为了便于理解本发明的特征，有时为了便于说明而放大示出成为主要部分的部分，各构成要件的尺寸比例等并不一定与实际相同。
(热电转换模块：第1实施方式)
图1是从侧面观察第1实施方式的热电转换模块时的剖视图。
第1实施方式的热电转换模块20是串联连接不同的半导体型例如p型及n型的热电转换材料而成的π(Pi)型热电转换模块。
热电转换模块20具备绝缘性基板21、交替排列于该绝缘性基板21的一侧面21a的n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B。
绝缘性基板21是接合所有的n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的共同的一个基板。绝缘性基板21能够使用具有绝缘性且导热性优异的材料例如碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或赛隆等的板材。
另外，绝缘性基板21还能够使用如下复合基板：即，使用导电性的金属材料作为基材，并且在该基材的周围形成有树脂膜或陶瓷薄膜等绝缘层的复合基板。
这种绝缘性基板21是对后述的热电转换材料11A、11B的一个面11a进行加热或使该一个面11a吸热的介质。绝缘性基板21的导热系数例如优选为20W/(mK)以上。绝缘性基板21的导热系数更优选为30W/(mK)以上，进一步优选为40W/(mK)以上。
n型热电转换元件10A在其一侧面10a与绝缘性基板21接合，在n型热电转换材料11A的一个面11a及另一个面11b上分别形成有金属化层12a、12b。
作为n型热电转换材料11A的具体例，可举出通过切断向硅化镁(Mg2Si)添加作为掺杂剂d的锑(Sb)且进行烧结来获得的热电转换材料并加工成所希望的形状来制造的n型热电转换材料。另外，烧结时，能够添加0.5mol％～13.0mol％的SiO2等氧化硅。通过添加氧化硅，热电转换材料的硬度和发电效率得到提高。
本实施方式的n型热电转换材料11A使用由在Mg2Si中包含0.5at％的锑的物质构成的镁类烧结体。另外，本实施方式中，通过添加作为5价供体的锑，成为载流子密度高的n型热电转换材料。另外，本实施方式的n型热电转换材料11A的热膨胀系数在500℃下例如为12.5×10-6/K～17.5×10-6/K左右。
另外，作为构成n型热电转换材料11A的镁类化合物，除了Mg2Si以外，还能够同样地使用Mg2SiXGe1-X、Mg2SiXSn1-x等对Mg2Si附加其他元素而成的化合物。
并且，作为n型热电转换材料11A的供体，除了锑以外，还能够使用铋、铝、磷、砷等。
p型热电转换元件10B在其一侧面10a与绝缘性基板21接合，在p型热电转换材料11B的一个面11a及另一个面11b上分别形成有金属化层12a、12b。
作为p型热电转换材料11B的具体例，可举出通过切断烧结MnSi1.73、Mn34.6W1.8Si63.6、Mn30.4Re6Si63.6等来获得的热电转换材料并加工成所希望的形状来制造的p型热电转换材料。本实施方式中，作为p型热电转换材料11B使用由MnSi1.73构成的锰类烧结体，热膨胀系数例如在500℃下为10.0×10-6/K～11.5×10-6/K左右。
金属化层12a、12b是将电极板13a、13b接合到n型热电转换材料11A或p型热电转换材料11B的中间层，例如使用镍、银、钴、钨或钼等或者由这些的金属纤维制成的无纺布等。
本实施方式中，使用镍作为金属化层12a、12b。金属化层12a、12b能够通过烧结、电镀或电沉积等来形成。
相互相邻配设的n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B经由电极板13a、13b电串联连接。具体而言，n型热电转换材料11A的金属化层12a与相邻配设的p型热电转换材料11B的金属化层12a通过电极板13a连接。并且，该p型热电转换材料11B的金属化层12b与相邻配设的另一n型热电转换材料11A的金属化层12b通过电极板13b连接。
电极板13a、13b由导电性优异的金属材料例如铜或铝等的板材形成。本实施方式中，使用铝的轧制板。并且，金属化层12a、12b与电极板13a、13b能够通过Ag钎料或Ag浆料等接合。
如此排列的多个n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B以电连接成一体的方式串联连接。即在π(Pi)型热电转换模块20中交替反复地串联连接有n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B。
另外，图1中仅示出了近前侧的一列量的n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B，但实际上，在图面进深方向上也同样地交替配置有多列量的n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B。
通过这种结构，在n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的一侧面10a与另一侧面10b之间产生温度差，能够用作在电极板13a与电极板13b之间产生电位差的塞贝克元件。
并且，例如通过对电极板13a侧与电极板13b之间施加电压，能够用作在n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的一侧面10a与另一侧面10b之间产生温度差的珀耳帖元件。例如，通过对电极板13a侧与电极板13b之间流通电流，能够对n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的一侧面10a或另一侧面10b进行冷却或加热。
在n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B各自的另一侧面10b形成有导热性部件22。即，按各个n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B形成有分别独立的导热性部件22。
这种导热性部件22能够使用具有绝缘性且导热性优异的材料例如碳化硅、氮化硅、氮化铝或氧化铝等的棒材或板材等，或者能够使用为了加大表面积而在表面设置有凹凸的结构的棒材或板材等。导热性部件22是对热电转换材料11A、11B的另一个面11b进行加热或使其吸热的介质。即，是用于散热或者吸热的部件。将导热性部件22设为具有绝缘性且导热性优异的材料时，导热性部件22的导热系数例如优选为10W/(mK)以上。导热性部件22的导热系数更优选为20W/(mK)以上，进一步优选为30W/(mK)以上。
并且，这些导热性部件22还能够使用导热性优异的金属材料例如铝或铝合金、镁或镁合金、铜或铜合金等的棒材或板材，或者还能够使用为了加大表面积而在表面设置有凹凸的结构的棒材或板材等。将导热性部件22设为导热性优异的金属材料时，导热性部件22的导热系数优选为200W/(mK)以上，更优选为400W/(mK)以上。
而且，在相互相邻的n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B之间配设有隔热部件24。具体而言，隔热部件24由形成有能够供n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B贯穿的多个开口的隔热板构成，并且形成为在n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的另一侧面10b覆盖n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B之间的间隙。
这种隔热部件24防止由于辐射热从n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的一侧面10a向另一侧面10b传递而导致的一侧面10a与另一侧面10b之间的温度差减少及热电转换效率下降。
或者，隔热部件24还能够设为防止辐射热从n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的另一侧面10b向一侧面10a传递的部件。
隔热部件24由导热性低且具有绝缘性的部件构成，例如，由氧化铝、赛隆板、岩棉制隔热材料及由氧化铝或二氧化硅等的纤维制成的隔热材料构成。
并且，作为隔热部件24，还能够使用反射红外线的不锈钢、铝、铜或钢等金属的板或箔等，但此时需要设置这些金属的板或箔不与热电转换元件10A或10B接触的程度的开口部。
这些隔热部件24与绝缘性基板21在其周缘部分通过例如由螺栓及螺钉等构成的紧固部件23，以夹持n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的方式被一体化。
并且，以包围绝缘性基板的另一侧面21b以及排列有n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的区域的周围的方式形成有保护罩25。这种保护罩25防止热电转换模块20的腐蚀和污损，防止热电转换模块20的热电转换效率的下降。
保护罩25例如通过由不锈钢、钢或铝构成的板材等构成。
对如以上结构的本实施方式的热电转换模块20的作用进行说明。
将热电转换模块20例如用作塞贝克元件时，能够分别经由绝缘性基板21与分别形成于各个n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的导热性部件22，在n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的一侧面10a与另一侧面10b之间产生温度差，由此在电极板13a与电极板13b之间产生电位差。
图2是示出本实施方式的热电转换模块工作时的情况的主要部分放大剖视图。
在热电转换模块20工作时(热电转换时)，由具有互不相同的热膨胀系数的材料形成的n型热电转换材料11A与p型热电转换材料11B因高热侧例如一侧面10a的热而热膨胀成互不相同的大小。
本实施方式中，n型热电转换材料11A的热膨胀系数大于p型热电转换材料11B的热膨胀系数，因此例如沿着厚度方向，n型热电转换材料11A比p型热电转换材料11B膨胀得更大。
但是，n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B中只有一侧面10a经由电极板13a与作为共同基板的绝缘性基板21接合，形成于另一侧面10b的导热性部件22按各个n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B分别独立地形成，因此不会发生金属化层12a、12b或者电极板13a、13b从n型热电转换元件10A或p型热电转换元件10B剥离的现象。并且，不会发生热电转换元件10A、10B上产生龟裂的现象。容许n型热电转换元件10A比p型热电转换元件10B膨胀得更大，形成于n型热电转换元件10A的导热性部件22的前端能够比形成于p型热电转换元件10B的导热性部件22的前端更突出。
另外，由于这种n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B的热膨胀系数的不同，电极板13b会稍微弯曲，但由于电极板13b由展性和延性优异的铜或铝等的板材或箔、将箔重叠成多层而成的电极形成，因此电极板13b即使弯曲也不会从n型热电转换元件10A或p型热电转换元件10B剥离。
如上所述，根据本实施方式的热电转换模块20，即使是通过组合分别使用热膨胀系数互不相同的n型热电转换材料11A与p型热电转换材料11B来形成的n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B而成的热电转换模块20，也能够防止热电转换元件10A、10B从绝缘性基板21或导热性部件22剥离。
(热电转换模块：第2实施方式)
图3是表示第2实施方式的热电转换模块的主要部分放大剖视图。
第2实施方式的热电转换模块30中，在n型热电转换元件10A的另一侧面10b与导热性部件32之间及p型热电转换元件10B的另一侧面10b与导热性部件32之间分别形成有导热性绝缘层33。
这种导热性绝缘层33例如能够由碳化硅、氮化硅、氮化铝或氧化铝等构成。通过与各个导热性部件32相接而形成导热性绝缘层33，导热性部件32与电极板13b之间的绝缘性得到确保。由此，使用导热性优异的金属来形成导热性部件32时，能够防止导热性部件32与其他金属制部件接触时产生的电流泄漏，能够实现安全性高的热电转换模块。
(热电转换模块：第3实施方式)
图4是表示第3实施方式的热电转换模块的主要部分放大剖视图。
第3实施方式的热电转换模块40中，在n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B的另一侧面10b分别形成有电极板41a、41b，并且用柔软的引线42连接该电极板41a与电极板41b之间。
由此，即使由于n型热电转换材料11A与p型热电转换材料11B之间的热膨胀系数差而产生的n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B的另一侧面10b的位置偏离变大，也能够在n型热电转换元件10A的另一侧面10b与p型热电转换元件10B的另一侧面10b之间确保导电性。
以上，对本发明的若干个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子来提出的，其目的并不在于限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，能够在不脱离发明宗旨的范围内进行各种省略、置换或变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和宗旨内，并且包含在权利要求范围中记载的发明及与其等同的范围内。
例如，如图5所示的热电转换模块50，也可以设为将形成于n型热电转换元件10A与p型热电转换元件10B的另一侧面10b的导热性部件22的前端浸渍于贮留在贮留槽51的冷却液52中的结构。通过设为这种结构，能够在n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的一侧面10a与另一侧面10b维持温度差，发电效率得到提高。
并且，如图6所示的热电转换模块60，也可以在绝缘性基板21的与接合有n型热电转换元件10A及p型热电转换元件10B的面相反一侧的面上形成有金属层61。通过设为这种结构，能够隔着金属层61配置热源，能够抑制对绝缘性基板21的热冲击，并且实现绝缘性基板21的寿命延长。
而且，关于导热性部件的形状，并不限定于本实施方式的形状，能够采用各种形态。例如，可以如图7的(a)所示的导热性部件121那样设为剖面呈星形的形状，或如图7的(b)所示的导热性部件221那样设为剖面呈多边形的形状，或如图7的(c)所示的导热性部件321那样设为多段形状，或如图7的(d)所示的导热性部件421那样通过使鳍片421A突出而加大表面积。
或者，如图7的(e)所示的导热性部件521那样，也可以设为设置贯穿孔521A并使冷却介质在该贯穿孔521A中流通的结构。并且，也可以由金属多孔体构成导热性部件。
产业上的可利用性
根据本发明的热电转换模块，能够防止热电转换元件从基板剥离的现象或热电转换元件破损的现象。本发明的热电转换模块适于通过组合分别使用热膨胀系数互不相同的热电转换材料来形成的n型热电转换元件及p型热电转换元件而成的热电转换模块。
符号说明
10A n型热电转换元件
10B p型热电转换元件
11A n型热电转换材料
11B p型热电转换材料
12a、12b 金属化层
13a、13b 电极板
22、121、221、321、421、521 导热性部件

Claims (8)

1.一种热电转换模块，其由n型热电转换元件与p型热电转换元件经由电极板交替串联连接而成，所述热电转换模块的特征在于，
所述n型热电转换元件与所述p型热电转换元件由热膨胀系数互不相同的材料构成，
所述n型热电转换元件的一侧面与所述p型热电转换元件的一侧面相互排列并接合在共同的绝缘性基板的一侧面，
在所述n型热电转换元件的另一侧面与所述p型热电转换元件的另一侧面分别形成有各自独立的导热性部件。
2.根据权利要求1所述的热电转换模块，其特征在于，
在所述n型热电转换元件的另一侧面与所述导热性部件之间及所述p型热电转换元件的另一侧面与所述导热性部件之间分别配设有导热性绝缘层。
3.根据权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，
在相互相邻的所述n型热电转换元件与所述p型热电转换元件之间还配设有隔热部件。
4.根据权利要求3所述的热电转换模块，其特征在于，
所述隔热部件是形成有能够供所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件贯穿的多个开口的隔热板。
5.根据权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，
以包围所述绝缘性基板的另一侧面以及排列有所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的区域的周围的方式形成有保护罩。
6.根据权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，
所述导热性部件由导热系数为10W/(mK)以上的材料构成。
7.根据权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，
形成于所述n型热电转换元件的另一侧面与所述p型热电转换元件的另一侧面的所述导热性部件的前端部浸渍于冷却液中。
8.根据权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，
在所述绝缘性基板的与接合有所述n型热电转换元件及所述p型热电转换元件的面相反一侧的面上形成有金属层。
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