CN108780835A - 热电转换模块以及热电转换元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热电转换模块以及热电转换元件。热电转换模块设置于加热源，具有：多个热电转换元件，其并联设置；第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，将相邻的所述热电转换元件的一端彼此电连接，并且与所述加热源分离而配设；第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，将相邻的所述热电转换元件的另一端彼此电连接，并且配设于所述加热源侧。所述热电转换元件具有：与所述第一电极连接的第一构造部、以及与所述第二电极连接且体积小于所述第一构造部的第二构造部。

Description

热电转换模块以及热电转换元件
技术领域
本发明涉及利用塞贝克效应进行热电发电的热电转换模块、以及构成该热电转换模块的热电转换元件。
背景技术
热电转换模块是由能够利用塞贝克效应将热能转换为电能的热电转换元件构成的模块。通过利用上述能量的转换性质，能够将从工业/民用生产过程及移动物体排出的废热转换为有效电力，所以，作为考虑了环境问题的节能技术，该热电转换模块以及构成该模块的热电转换元件受到关注。
上述的热电转换模块通常利用电极接合多个热电转换元件(p型半导体及n型半导体)而构成。上述热电转换模块例如在专利文献1进行了公开。专利文献1中公开的热电转换模块具有：一对基板；多个热电转换元件，其一个端部与配置于该基板一侧的第一电极电连接，另一个端部与配置于该基板另一侧的第二电极电连接；连接部，其将与该热电转换元件电连接的第一电极和与相邻的热电转换元件电连接的第二电极进行电连接。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2013-115359号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在专利文献1所公开的热电转换模块的构造中，在将该热电转换模块搭载于发动机的排气部等加热源进行使用的情况下、搭载于发动机附近的情况下、或热量随着发动机排气量的增加等而上升时，热电转换元件自身的温度将过度升高，存在热电转换元件的发电性能降低的问题。
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种即使设置在比较高温的热源上也能够维持良好的发电性能的热电转换模块、以及即使在比较高温的环境下发电性能也不会恶化的热电转换元件。
用于解决技术问题的技术方案
为了实现上述目的，本发明的热电转换模块为设置于加热源的热电转换模块，具有：并联设置的多个热电转换元件；第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，将相邻的所述热电转换元件的一端彼此电连接，并与所述加热源分离而配设；第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，将相邻的所述热电转换元件的另一端彼此电连接，并配设在所述加热源侧。所述热电转换元件具有：第一构造部，其与所述第一电极连接；第二构造部，其与所述第二电极连接且体积小于所述第一构造部。
为了实现上述目的，本发明的热电转换元件具有：第一构造部、以及体积小于所述第一构造部的第二构造部，与所述第一构造部相比，第二构造部暴露于高温下。
发明的效果
根据本发明的热电转换模块，即使设置在比较高温的热源上也能够维持良好的发电性能。另外，根据本发明的热电转换元件，即使在比较高温的环境下，发电性能也不会恶化。
附图说明
图1是实施例的热电转换模块的立体图。
图2是实施例的热电转换模块的俯视图。
图3是沿图2的线III-III的切割部剖视图。
图4是在实施例的热电转换模块中使用的热电转换元件的结构概要图。
图5是在实施例的热电转换模块中使用的电极的侧视图。
图6是变形例的热电转换元件的结构概要图。
图7是变形例的热电转换元件的结构概要图。
具体实施方式
下面，参照附图，针对本发明的热电转换模块的实施方式，基于实施例详细地进行说明。需要说明的是，本发明不限于如下说明的内容，在不改变其主旨的范围内可以任意地进行变更并实施。另外，在实施例的说明中所利用的附图都示意性地表示本发明的热电转换模块或其结构部件，并且为了加深理解，进行部分的强调、放大、缩小、或者省略等，可能没有正确地表示各结构部件的缩小尺寸及形状等。此外，在实施例中利用的各种数值都表示一个例子，可以根据需要进行各种变更。
＜实施例＞
(热电转换模块的构造)
下面，参照图1至图4，针对本实施例的热电转换模块1的构造进行说明。在此，图1是本实施例的热电转换模块1的立体图。另外，图2是本实施例的热电转换模块1的俯视图。此外，图3是沿图2的线III-III的切割部剖视图。而且，图4是构成热电转换模块1的热电转换元件的结构概要图。需要说明的是，将图1中的一个方向定义为X方向，将与X方向正交的方向定义为Y方向、以及Z方向，并且特别将热电转换模块1的高度方向定义为Z方向。
根据图1至图3可知，本实施例的热电转换模块1具有：并联设置的多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b、以及在该第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的端部设置的第一电极3a及第二电极3b。另外，本实施例的热电转换模块1具有：将位于热电转换模块1的X方向的端部的第一电极3a彼此连接的连接电极3c、以及作为热电转换模块1的外部连接电极而发挥作用的引出电极3d。此外，本实施例的热电转换模块1具有：第一覆盖部件4，其覆盖第一电极3a而设置；第二覆盖部件5，其覆盖该第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、以及连接电极3c而设置；支承基板6，其支承第二电极3b而设置。而且，将热电转换模块1设置于该加热源，以使支承基板6侧与用于车辆的发动机等加热源接触。
需要说明的是，在选择任意一个连接电极3c进行说明的情况下，以连接电极3c1、连接电极3c2、连接电极3c3、或连接电极3c4进行说明，在选择任意一个引出电极3d进行说明的情况下，以引出电极3d1、或引出电极3d2进行说明。
在本实施例中，第一热电转换元件2a由N型半导体材料构成，第二热电转换元件2b由P型半导体材料构成。另外，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b交替且矩阵状(X方向上八个、Y方向上五个、合计四十个)地进行配置。此外，相邻的第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b经由第一电极3a及第二电极3b而电连接。
如图3及图4所示，在本实施例中，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b具有直径互不相同的圆柱体所连结的形状。更具体而言，如图4所示，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的外形尺寸即直径大的第一圆柱部(第一构造部)11(例如直径为5mm)位于第一电极3a侧，直径小的第二圆柱部(第二构造部)12(例如直径为3mm)位于第二电极3b侧。即，各热电转换元件由与第一电极3a连接的第一圆柱部11、以及与第二电极3b连接且体积小于第一圆柱部11的第二圆柱部12构成，外形形成为台阶。通过设置上述各热电转换元件的体积差，能够控制来自加热源的热传导。需要说明的是，针对该热传导的控制，会在后面叙述的实验结果的说明中详细地进行说明。
第一电极3a及第二电极3b具有相同的形状(平板状)，例如由铜板形成。另外，第一电极3a在X方向并联设置五个，在Y方向并联设置五个(合计二十五个)。此外，在位于X方向两端的第一电极3a的一端只连接有第一热电转换元件2a或第二热电转换元件2b的任意一个，在另一端连接有连接电极3c或引出电极3d。另一方面，第二电极3b在X方向并联设置四个，在Y方向并联设置五个(合计二十个)。另外，在第二电极3b的一端连接有第一热电转换元件2a，在另一端连接有第二热电转换元件2b。而且，根据图1及图3可知，第一电极3a与第二电极3b在Z方向上隔着第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b进行配置。
利用上述第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、以及第二电极3b的配置关系，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b串联连接。特别在本实施例中，由在X方向并联设置的四个第一热电转换元件2a、四个第二热电转换元件2b、五个第一电极3a、以及四个第二电极3b形成一个串联连接体13。即，在热电转换模块1形成有合计五个串联连接体13。另外，在Y方向上相邻的串联连接体13各自的一端彼此之间经由连接电极3c而连接。需要说明的是，在选择任意一个串联连接体13进行说明的情况下，以串联连接体13a、串联连接体13b、串联连接体13c、串联连接体13d、或串联连接体13e进行说明。
在此，第一电极3a及第二电极3b不限于铜板，也可以由其它的导电性材料(例如铝等金属材料)形成。另外，第一电极3a及第二电极3b的数量、形状不限于上述内容，可以根据第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b(即电动势的大小)适当变更。此外，也可以配设第一电极3a及第二电极3b，以使第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b并联连接。
连接电极3c及引出电极3d具有相同的构造。具体而言，如图5所示，两电极由网状金属21、以及固定于该网状金属21两端的两个金属板22构成。因为连接电极3c及引出电极3d包含具有良好挠性的网状金属21，所以，作为连接电极3c及引出电极3d自身，也具有挠性。在此，网状金属21的开口率及开口尺寸可以在能够使连接电极3c及引出电极3d具有良好挠性的范围内适当设定。
另外，在本实施例中，虽然网状金属21及金属板22由铜形成，但上述材料不限于铜，可以利用其它的金属。特别优选能够保持连接电极3c及引出电极3d的良好挠性、并保持良好的导电率的材料。此外，连接电极3c及引出电极3d只要电极自身能够保持良好的挠性，也可以不使用网状金属21，而使用与网状不同构造的金属材料。
如图2所示，在与位于－Y侧的引出电极3d1连接的串联连接体13a的另一端(+X侧)连接有连接电极3c1，经由该连接电极3c1，连接一个位于Y侧的串联连接体13b。另外，串联连接体13b的与串联连接体13a连接的端部的相反一侧(－X侧)也连接有连接电极3c2，并经由该其它的连接电极3c2，与一个位于Y侧的串联连接体13c连接。此外，通过同样的连接结构，串联连接体13c与串联连接体13d在+X侧经由连接电极3c3而连接，串联连接体13d与串联连接体13e在－X侧经由连接电极3c4而连接。而且，在串联连接体13e的+X侧连接有引出电极3d2。
利用这样的串联连接体13与连接电极3c的连接关系，在热电转换模块1形成有之字状的一个串联连接回路。而且，因为在该串联连接回路的两端配置有用于外部连接的引出电极3d，所以，能够将由热电转换模块1产生的电力向外部输出。需要说明的是，因为形成上述之字状的一个串联连接回路，所以串联连接体13a、13c、13e与串联连接体13b、13d的第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的配置关系相反。
另外，在本实施例中，因为在串联连接体13的端部配设有具有挠性的连接电极3c及引出电极3d，所以，即使伴随热电转换模块1的温度升高而产生应力集中，连接电极3c及引出电极3d也不会从第一电极3a剥离。此外，利用上述构造，在将热电转换模块1搭载于车辆的情况下，能够防止因发动机的振动而使电极剥离。
根据图1及图3可知，第一覆盖部件4为了埋设第一电极3a而覆盖第一电极3a的表面。另外，第一覆盖部件4由具有绝缘性的树脂形成，并且在该树脂中混合有作为热传导性材料而发挥作用的铝、铜、或氮化铝等金属材料。利用上述构造，第一覆盖部件4具有比较高的热传导性，并且良好地维持第一电极3a周围的电绝缘状态。
另外，根据图1及图3可知，第二覆盖部件5为了埋设第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b、以及连接电极3c，而覆盖第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b、以及连接电极3c。另外，第二覆盖部件5由具有绝缘性的树脂形成，并且在该树脂中混合有隔热材料。例如，作为形成第二覆盖部件5的隔热材料，可以使用玻璃棉等纤维类隔热材料或聚苯乙烯泡沫等发泡类隔热材料。
利用上述构造，第二覆盖部件5具有低于第一覆盖部件4的热传导性，具有抑制第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b、以及连接电极3c散热的功能。而且，第二覆盖部件5能够增大第一电极3a及第二电极3b之间的温度差，并且将其温度差保持为恒定，产生更大的电动势。另外，第二覆盖部件5良好地维持第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b、以及连接电极3c周围的电绝缘状态。
此外，因为利用第二覆盖部件5比较牢固地保持有第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第二电极3b、以及连接电极3c，所以，能够提高热电转换模块1自身的强度。此外，因为完全地覆盖了第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b，所以，能够防止第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b破损及脏污，从而能够抑制热电转换模块1自身的热电转换效率及可靠性的降低。而且，因为第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b与第一电极3a及第二电极3b的接合界面的缘部未露出，所以能够使热电转换元件与电极的接合强度提高，并且抑制接合强度伴随老化而降低，防止接合界面上产生裂纹。
需要说明的是，第二覆盖部件5没有必要完全地覆盖第一热电转换元件2a、以及第二热电转换元件2b，也可以覆盖其一部分。因为即使在上述情况下也能够在第一电极3a与第二电极3b之间产生温度差，并且将该温度差确保为恒定，从而能够使热电转换模块1自身的强度提高。另外，第二覆盖部件5与第一覆盖部件4相同，也可以混合有作为热传导性材料而发挥作用的材料。在上述情况下，第二覆盖部件5需要具有低于第一覆盖部件4的热传导性。此外，在本实施例中，虽然第一覆盖部件4及第二覆盖部件5的主材料为树脂，但也可以采用陶瓷等材料。在上述情况下，覆盖第二电极3b的材料需要具有低于覆盖第一电极3a的材料的热传导率。
而且，如图1及图3所示，支承基板6为了支承第二电极3b而与第二电极3b接合。支承基板6由绝缘材料构成，例如，可以使用玻璃环氧树脂基板等普通的绝缘基板。
(热电转换模块的制造方法)
作为本实施例的热电转换模块1的制造方法，在起到构成制造装置的通电加压部件的作用的两个冲压机之间，配置已准备的第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c、以及引出电极3d。之后，使两个冲压机向第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c、以及引出电极3d加压并供给电流。由此，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b与第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c、以及引出电极3d扩散接合(等离子体接合)，多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b串联连接，形成五个串联连接体13及由上述串联连接体形成的串联连接回路。上述通电加压在真空、氮气、或惰性气体环境下的室内进行。
然后，将接合状态的第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c、以及引出电极3d安装在支承基板6上。更具体而言，在形成于支承基板6上的金属图案上经由焊锡等接合部件接合第二电极3b，形成第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a、第二电极3b、连接电极3c、以及引出电极3d的支承。
然后，通过普通的插入成型而形成第二覆盖部件5，之后通过同样的插入成型而形成第一覆盖部件4。经过上述工序，完成热电转换模块1。
(本实施例样品与比较例样品的比较)
接着，参照下面的表1，对针对构成本实施例的热电转换模块1的一个串联连接体13(以下称为实施例样品)、以及作为具有与本实施例的串联连接体13不同的构造的比较例的串联连接体(以下称为比较例样品)实施的实验及其结果进行说明。在此，本实施例样品与比较例样品的不同之处在于，比较例样品中作为相当于带台阶的第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的部件，使用了圆柱状的热电转换元件。另外，作为用来比较该性能的实验内容，利用手动热压机，将实施例样品与比较例样品加热至80℃，使用数字电阻表，对电阻、电压、以及功率进行测量。需要说明的是，加热从实施例样品的第二电极3b(即第二圆柱体12)侧进行。
[表1]
表1：实施例样品与比较例样品的性能比较
电阻(mΩ) 电压(mV) 功率(μW)
实施例样品 19 7.5 740
比较例样品 12 4.5 420
如表1所示，实施例样品的电阻、电压、以及功率的任意一个值都高于比较例样品。当基于该电阻值、电压值、以及功率值之差对发电性能进行评估时，实施例样品与比较例样品相比，可知发电性能约提高43％。这是因为由于在实施例样品中，对体积更小的第二圆柱部12侧进行加热，热量向体积更大的第一圆柱部11侧传导并散热，所以抑制了第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的温度升高。即，不必改变各热电转换元件的材料结构，只利用各热电转换元件的第一圆柱部11与第二圆柱部12的体积差，就能够控制来自加热源的热传导，实现优化各热电转换元件的发电温度。通过优化上述各热电转换元件的发电温度，能够提高各热电转换元件及热电转换模块1自身的发电效率。
如上所述，在本实施例中，构成热电转换模块1的各热电转换元件具有体积互不相同的第一圆柱部(第一构造部)11及第二圆柱部(第二构造部)12。而且，根据上述各热电转换元件的构造，因为能够将体积小的第二圆柱部12配置在作为加热源的高温侧(即暴露于高温侧)，将体积大的第一圆柱部11配置在低温侧(即与作为加热源的高温侧分离配置)，所以能够控制各热电转换元件的热传导，以实现优化各热电转换元件的发电温度。换言之，本实施例的热电转换模块1及各热电转换元件不必改变热电转换元件的材料结构，只通过调整形状这样简单的方法，就能够控制成本，实现优化各热电转换元件的发电温度。因此，本实施例的热电转换模块1即使设置在比较高温的热源上，也能够维持良好的发电性能，本实施例的各热电转换元件即使在比较高温的环境下，发电性能也不会恶化。
(热电转换元件的变形例)
在上述实施例中，虽然各热电转换元件由体积互不相同的第一圆柱部11及第二圆柱部12构成，但在将热电转换模块1设置于加热源时，只要体积小的构造部位于高温侧，体积大的构造部位于低温侧，各热电转换元件的构造不限于上述说明。例如，如图6及图7所示，也可以在热电转换元件内形成空洞。在此，图6及图7是变形例的热电转换元件的结构概要图。
更具体而言，在图6中，热电转换元件31(可以由P型半导体材料及N型半导体材料任一材料构成)的外形为圆柱状。另外，热电转换元件31从其中心向上侧配置有第一构造部31a，向下侧配置有第二构造部31b。即，第一构造部31a与第二构造部31b在外形尺寸及外形形状上相同。此外，只在第二构造部31b形成有圆柱状的空洞32。利用上述空洞32，即使第一构造部31a与第二构造部31b的外形尺寸及外形形状相同，也能够使第一构造部31a的体积大于第二构造部31b的体积。
另外，在图7中，虽然热电转换元件41(可以由P型半导体材料及N型半导体材料任一材料构成)的外形也为圆柱状，但在其内部形成有圆锥台状的空洞42。由此，热电转换元件41从其中心向上侧配置体积大的第一构造部41a，向下侧配置体积小的第二构造部41b。
因为即使是图6及图7所示的热电转换元件31、41，也可以将体积小的第二构造部31b、41b配置在加热源即高温侧，将体积大的第一构造部31a、41a配置在低温侧，所以，能够控制各热电转换元件的热传导，以实现优化各热电转换元件的发电温度。
需要说明的是，热电转换元件的外形不限于圆柱状，例如也可以为四棱柱。即使在上述情况下，也需要通过至少在配置于高温侧的第二构造部侧设置空洞，来设置热电转换元件的结构部的体积差。另外，通过使热电转换元件的外形为圆锥台或棱锥台，也可以通过热电转换元件的外形尺寸来实现结构部的体积差。在该情况下，也可以在该热电转换元件适当形成空洞。
＜本发明的实施方式＞
本发明第一实施方式的热电转换模块为设置于加热源的热电转换模块，具有：并联设置的多个热电转换元件；第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，将相邻的所述热电转换元件的一端彼此电连接，并且与所述加热源分离而配设；第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，将相邻的所述热电转换元件的另一端彼此电连接，并且配置在所述加热源侧。所述热电转换元件具有：与所述第一电极连接的第一构造部、以及与所述第二电极连接且体积小于所述第一构造部的第二构造部。由此，即使设置于比较高温的热源，也能够维持良好的发电性能。
本发明第二实施方式的热电转换模块基于上述第一实施方式的热电转换模块，根据所述第一构造部与所述第二构造部的体积差，控制来自所述加热源的热传导。由此，能够以更高的精度优化各热电转换元件的发电温度。
本发明第三实施方式的热电转换模块基于上述第一或第二实施方式的热电转换模块，所述第二构造部具有比所述第一构造部小的外形尺寸。由此，能够可靠地设定第一构造部与第二构造部的体积差，能够进一步以更高的精度优化各热电转换元件的发电温度。
本发明第四实施方式的热电转换模块基于上述第三实施方式的热电转换模块，所述第一构造部及所述第二构造部的形状为圆柱状，所述第二构造部的直径小于所述第一构造部的直径。由此，能够可靠地设定第一构造部与第二构造部的体积差，能够进一步以更高的精度优化各热电转换元件的发电温度。
本发明第五实施方式的热电转换模块基于上述第一或第二实施方式的热电转换模块，在所述第二构造部形成有空洞。由此，能够可靠地设定第一构造部与第二构造部的体积差，能够进一步以更高的精度优化各热电转换元件的发电温度。
本发明第六实施方式的热电转换模块基于上述第五实施方式的热电转换模块，在所述第一构造部形成有比形成于所述第二构造部的空洞小的空洞。由此，能够可靠地设定第一构造部与第二构造部的体积差，能够进一步以更高的精度优化各热电转换元件的发电温度。
本发明第七实施方式的热电转换元件具有：第一构造部、以及体积小于所述第一构造部的第二构造部，与所述第一构造部相比，所述第二构造部暴露于高温下。由此，即使在比较高温的环境下，发电性能也不会恶化。
本发明第八实施方式的热电转换元件基于上述第七实施方式的热电转换元件，根据所述第一构造部与所述第二构造部的体积差，控制来自加热源的热传导。由此，能够进一步以更高的精度优化各热电转换元件的发电温度。
附图标记说明
1热电转换模块；2a第一热电转换元件；2b第二热电转换元件；3a第一电极；3b第二电极；3c连接电极；3d引出电极；4第一覆盖部件；5第二覆盖部件；6支承基板；11第一圆柱部(第一构造部)；12第二圆柱部(第二构造部)；13串联连接体。

Claims (8)

1.一种热电转换模块，设置于加热源，其特征在于，具有：
并联设置的多个热电转换元件；
第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，将相邻的所述热电转换元件的一端彼此电连接，并且与所述加热源分离而配设；
第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，将相邻的所述热电转换元件的另一端彼此电连接，并且配设在所述加热源侧；
所述热电转换元件具有：与所述第一电极连接的第一构造部、以及与所述第二电极连接且体积小于所述第一构造部的第二构造部。
2.如权利要求1所述的热电转换模块，其特征在于，
根据所述第一构造部与所述第二构造部的体积差，控制来自所述加热源的热传导。
3.如权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，
所述第二构造部具有小于所述第一构造部的外形尺寸。
4.如权利要求3所述的热电转换模块，其特征在于，
所述第一构造部及所述第二构造部的形状为圆柱状，
所述第二构造部的直径小于所述第一构造部的直径。
5.如权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，
在所述第二构造部形成有空洞。
6.如权利要求5所述的热电转换模块，其特征在于，
在所述第一构造部形成有比形成于所述第二构造部的空洞小的空洞。
7.一种热电转换元件，其特征在于，具有：
第一构造部；
第二构造部，其体积小于所述第一构造部；
与所述第一构造部相比，所述第二构造部暴露于高温下。
8.如权利要求7所述的热电转换元件，其特征在于，
根据所述第一构造部与所述第二构造部的体积差，控制来自加热源的热传导。
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