CN1702881A

CN1702881A - 热电转换装置

Info

Publication number: CN1702881A
Application number: CNA2005100837233A
Authority: CN
Inventors: 舘山和树; 十河敬宽; 井口知洋; 花田博吉; 齐藤康人; 荒川雅之; 近藤成仁; 常冈治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2005-11-30
Also published as: EP1580819A2; EP1580819A3; US20050211288A1; JP2005277206A

Abstract

在热电转换装置中，具有弹性的细金属丝网作为导电元件安装在第一电极和热电元件之间，以便提高生产率，即使每个元件加热而产生热变形，它也能够在不损害滑动结构的可靠性的情况下减少性能的变化。这种布局避免了细金属丝网线的温度在热电转换装置运行中升高，并防止细金属丝网线的弹性退化。另外，这种构造消除了第一电极与热电元件使用焊料焊接的必要性。而且，当组装热电转换装置时，细金属丝网线的弹性可使各个热电元件间高度上的变化得到调节。

Description

热电转换装置

相关申请的交叉参考

本申请基于2004年3月25日提交的日本专利申请No.2004-90011，并据此要求优先权；其全部内容在此作参考引用。

技术领域

本发明涉及一种热电转换装置，其中多个热电元件电学上串联，热学上并联。尤其是，本发明涉及一种提高其结构可靠性和生产率的技术。

背景技术

热电转换装置为利用热电效应，例如Thomson效应，Peltier效应，Seebeck效应，等等的装置。作为使电能转换为热能的温度调节装置，热电转换装置已投入批量生产。另外，还作为使热能转换为电能的发电装置，正在研制和开发热电转换装置。通常，在热电转换装置中，多个热电元件电学上串联，热学上并联排列，第一电极与热辐射侧上相应的热电元件末端相连，第二电极与热吸收侧上相应的热电元件末端相连(参照日本未经审查的专利申请No.2002-232028)。

为使热电转换装置的发电效率接近这些热电元件的发电效率，必须对热电元件的热吸收面末端实施没有损耗的热能供应，从热电元件的热辐射面末端实施没有损耗的热辐射。因此，对于热辐射面的绝缘衬底和热吸收面绝缘衬底来说，可以使用热传导性能优良的陶瓷衬底。另外，第一第二电极采用低电阻材料制造。

由于热电转换装置在被加热时实施热电转换操作，因此，与室温中的元件相比，每个元件在运行过程中会产生热膨胀。此时，由于各个元件的线性膨胀系数不同，而且热吸收面和热辐射面的温度不同，所以，它们的变形量互不相同。由于上述热变形量的不同，存在热电元件的连接部分和热电元件易受损的现象。

为防止这种现象，迄今为止采用的结构中，热辐射面上的第一电极和热电元件用焊接剂焊接，有弹性的导电网孔元件安装在热吸收面上的第二电极和第二电极之间。也就是，采用滑动结构，其中第二电极和热电元件不是通过焊接剂焊接进行热电连接，而是通过在它们之间安装弹性导电网孔元件使第二电极和热电元件相互连接，从而减少各个元件变形的影响。

然而，由于热电转换装置工作在高温下，就会存在下述问题：由于热电转换装置工作在高温下，安装在热吸收面上第二电极和热电元件之间的导电元件的弹性距会严重退化，当热电转换装置长期使用后滑动结构的可靠性也因此降低。

此外，由于用焊接剂焊接第一电极和热电元件需要花费很长时间，所以就存在生产率低的问题。而且，热电元件在焊接剂焊接过程中会水平和垂直移动，会引起各个热电元件间高度上的变化。因此，存在热电转换装置性能变化的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种热电转换装置，其中即使各个部件产生热变形，滑动结构的可靠性也不会减退，生产率很高，并且性能的变化可减小。

本发明的热电转换装置包括：具有多个第一电极的绝缘衬底；安装在第一电极上的多个导电元件，每个导电元件都有弹性；多个热电元件，其放置的状态是其一个端面分别与导电元件形成接触；多个第二电极，设置成分别与热电元件的另一端面形成接触；盖子，它的构成要使第一电极、热电元件和第二电极固定在盖子和绝缘衬底之间的空间内，盖子的放置要能从第二电极上加压；和连接元件，其构成要能限定绝缘衬底和盖子之间的相对位置。

在本发明中，导电网孔元件被安置在温度较低的热辐射面上的第一电极和热电元件之间，以使导电网孔元件不会遗留在运行的高温环境中，于是避免了导电元件弹性的退化。

而且，使用导电元件消除了第一电极与导电元件焊接剂焊接的必要性。

另外，由于导电元件的弹性，热电元件之间高度上的变化由导电元件调节。

这里，为了防止热电元件互相接触，就希望绝缘件安装在热电元件之间。而且，希望连接元件使用与盖子相同的金属材料形成。

附图说明

图1是依据实施例的热电转换装置的结构的剖面图。

图2是在制造热电转换装置过程中在热辐射面绝缘衬底上形成第一电极情况的剖面图。

图3是在制造热电转换装置过程中焊接在热辐射面绝缘衬底上的框架的情况的剖面图。

图4是在制造热电转换装置过程中安装在热辐射面绝缘衬底上用于限定热电元件位置的栅格状绝缘件情况的剖面图。

图5是在制造热电转换装置过程中安装在由绝缘元件隔开的各个网格单元中的金属丝网线情况的剖面图。

图6是在制造热电转换装置过程中分别安装在网格单元中金属丝线上的热电元件情况的剖面图。

图7是在制造热电转换装置过程中分别安装在网格单元中金属丝网线上的热电元件情况的平面视图。

图8是在制造热电转换装置过程中安装在热电元件上的第二电极和热吸收面绝缘衬底情况的剖面图。

图9是在制造热电转换装置过程中通过从热吸收面绝缘衬底加压盖子与框架相固定情况的剖面图。

具体实施方式

下文中，将参照附图描述本发明的实施例。

如图1的剖面图所示，根据本实施例的热电转换装置1有多个p型热电元件10和多个n型热电元件11，并且设有多个第一电极13，它们以阵列形式排列在热辐射面绝缘基质14的平面上。在第一电极13上，安装了作为导电元件细金属丝网6，其在厚度方向上具有弹性。

各个热电元件10和11相应地安装以使其一个端面与细金属丝网6形成接触。第二电极5分别位于与每个热电元件10和11另一端面上，以能与它们形成接触。热吸收面绝缘衬底4安装在第二电极5的顶面上。

框架9用蜡状材料8固定于绝缘衬底14表面的外围部分。盖子2的安装方式要使压力从绝缘衬底4上施加，并且盖子2的边缘部分固定于框架9上。

也就是，盖子2和热辐射面绝缘衬底14的设置要保持一段距离正对，同时第二电极5、热电元件10和11，和第一电极13插入其中。另外，压力在热电元件10和11纵向上，也就是，在因存在电动势产生的电流的方向上施加。而且，框架9的作用是限定绝缘衬底14和盖子2之间的相对位置。

由于具有上述结构，热电元件10和11间长度变化由细金属丝网6调节。因此，热电元件10和11在没有基于长度和测试的选择步骤的运行中可达到稳定传导。而且，纯金属丝网6不是放置在热电元件10，11和运行中温度较高的热吸收面上的第二电极5之间，而是放置在热电元件10、11和温度较低的热辐射面上第一电极13之间，这样细金属丝网6的弹性不会退化。

绝缘元件21分别安装在热电元件10和11之间的每个空间中。绝缘元件21可防止热电元件互相接触。

框架9使用与盖子2相同的金属材料形成。这样避免了框架9和盖子2热膨胀系数的不同，也避免了框架9和盖子2之间的接头由于操作中的热膨胀而受损。

在热吸收面绝缘衬底4上，铜膜形成在其与第二电极5接触的侧面相正对的整个表面上，因此能够提高热吸收率。

整个热电转换装置1为盖子2，框架9和绝缘衬底14所密封的箱体结构。箱体结构的内部设定为减压的大气，以便即使该结构经受温度大幅度的变化，也不易变形或损坏，并且通过箱体结构气密封来维持气压。

热电元件10和11中产生的电动势通过密封在穿过绝缘衬底14的通孔16中的导线释放到外部。导线暴露在朝外的通孔16的主平面上，通过焊料17与安装在绝缘衬底14上的外部电极18相连。而且，用于提高热辐射性的金属涂层15形成在绝缘衬底14的外表面上。

本实施例中，热电转换装置在高温面(热吸收面)上的运行温度设定为600℃。作为热电元件10和11，分别使用具有方钴矿结构的p型和n型热电元件。另一方面，低温面(热辐射面)上的运行温度设定为200℃。第一电极13使用铜制作。绝缘衬底14采用基于Si₃N₄的陶瓷衬底。各个热电元件10和11根据热吸收面和热辐射面之间的温度差异而产生电力。

这里，p型和n型热电元件是指其构成要使热供应时产生的电流流向相对于热变化梯度方向相互正对的热电元件。在该热电转换装置中，电动势的电压通过由第一和第二电极13和5电串联p型热电元件10和n型热电元件11而增加。

下面，将描述一个制造热电转换装置过程的实施例。如图2所示，首先，准备好绝缘衬底14，该绝缘衬底14具有在其主平面上形成的多个第一电极13。

如图3所示，由柯伐合金制成的框架9在绝缘衬底14边缘部分用蜡状材料8与第一电极13连接。作为蜡状材料8，举例来说，可用银蜡。考虑散热率、绝热性和密封性之间的平衡来选择框架9和绝缘衬底14的材料。然而，只要不严重降低热电转换装置发电性能，可以使用任何材料。

蜡剂8的材料没有特别限制，只要在热电转换装置运行温度下其粘结强度不容易降低，并且能够保持一种柯伐合金和第一电极13一起连接的状态即可。

希望在高度方向上的两端，即，，在与盖子2和与热辐射面绝缘衬底14的连接处对框架9实施弯曲。由于采用上述结构，当框架9的一个末端和绝缘衬底14焊接在一起时，在该框架9的末端的弯曲部分形成圆角。因此，粘结强度可提高。另一方面，为了连接框架9另一末端的弯曲部分和盖子2，框架9和盖子2之间的接触面积可通过执行激光熔接接处理而增加。因此，通过对金属形成的框架9的两端的接合处执行弯曲，应用焊接和激光熔接处理易于提高粘结强度。结果是，框架9的厚度可变薄。

随后，如图4所示，安装用于限定热电元件位置的绝缘元件21。对于绝缘元件21，采用把Al₂O₃元件处理为网格状线而获得的衬底。

此后，如图5所示，细金属丝网6分别安装在第一电极13上的网格单元中，由绝缘元件21分隔这些单元。对于细金属丝网6，可采用通过将直径为0.6mm的细铜丝编织为丝网而获得的物质。。

然后，如图6所示，热电元件10和11交替安装在相应网格单元中的细金属丝网6上。在热电元件10和11的热辐射面端面和热吸收面端面上沉淀铜薄膜，以减少第一和第二电极的接触热阻和电阻。每个铜薄膜的厚度例如，使用溅射方法喷镀厚度为2μm的薄膜，然后使用电镀法喷镀厚度为18μm的薄膜，总体设定为20μm左右。顺便提及，热电元件的端面处理没有特别限制，只要不会损害热电元件的性能。此时的上述状态如平面图7所示。

随后，如图8所示，多个第二电极5安装在与之接触的热电元件10和11上。另外，绝缘衬底4安装在与之接触的组合结构上。

然后，如图9所示，盖子2，其中设置从前到后穿透的密封孔3，安装在热吸收面绝缘衬底4上，并且盖子2的边缘部分和框架9的末端使用从上面施加的压力进行焊接。在本实施例中，为了减少框架9和绝缘衬底14热膨胀的差异，同时确保预定的热吸收性能，盖子2的原料采用柯伐合金。

如上所述，该热电转换装置的构成是：在高温侧下的运行温度设定为600℃，并且其中具有方钴矿结构的p型和n型热电元件有用作热电元件。然而，在600℃的大气环境中，性能可能因具有方钴矿结构的热电元件被氧化而降低。

关于这一点，为避免这种氧化，热电转换装置在制造工艺的最后阶段采用气密结构。更具体的说，热电转换装置1不遗留在低压环境中，用激光融化密封孔3使其闭合，与第一电极13的相互连接通过绝缘衬底14上的通孔16引出到外面，这样可获得具有气密结构的热电转换装置。

因此，在本实施例中，细金属丝网6作为导电元件安装在位于低温热辐射面上的第一电极13和热电元件10、11之间，这样导电元件不会遗留在运行的高温环境中，从而避免了导电元件弹性退化。这样可提高滑动结构的可靠性。

在本实施例中，使用细金属丝网6消除了焊料焊接第一电极13和热电元件10、11的必要性。从而，可提高热电转换装置的生产率。

在本实施例中，因导电元件在热电元件的高度方向上具有弹性，热电元件间高度的改变可由导电元件调节。因此，即使各个元件产生热变形，仍能减少性能的变化。

在本实施例中，因为用于限定热电元件10、11位置的绝缘元件21放置在相邻的热电元件之间，所以，即使对热电元件产生无意的碰撞，也可避免热电元件互相接触。此外，绝缘元件21可避免热电元件从第二电极处分开。

在本实施例中，由于框架9的材料采用与盖子2同样的金属，框架9和盖子2的热膨胀系数相等。因此，可避免由于运行中的热膨胀在框架9和盖子2的连接处产生损害。

在本实施例中，采用滑动支承结构，其中与多个p型和n型热电元件10、11的热吸收面相连接的第二电极5不与热电元件10、11和绝缘衬底4相固定，但仅与它们形成互相接触。这就允许在各个热电元件10、11和第二电极5之间的接触面上产生滑动，即使热电元件10、11，第二电极5，和绝缘衬底4分别以不同的比率产生热膨胀，也能够防止各个热电元件产生破裂等伤害。因此，它能够提供一种比在此之前更可靠的优良热电转换装置。

在本实施例中，由于热电转换装置具有气密结构，因此在其内部可实现减压的大气。因此，它能够避免由于内部热电元件和相应元件之间的接触部分氧化而造成破坏，并提供可靠性高的热电转换装置。此外，该热电转换装置可安装在任何场所。

Claims

1、一种热电转换装置，包括：

具有多个第一电极的绝缘衬底；

多个导电元件，安装在第一电极上，每个导电元件都有弹性；

多个热电元件，其放置的状态是其一个端面分别与导电元件形成接触；

多个第二电极，放置成分别与热电元件的另一端面形成接触；

盖子，它的构成要使第一电极、热电元件和第二电极固定在盖子和绝缘衬底之间的空间内，盖子的放置要能从第二电极上加压；和

连接元件，其构成要能限定绝缘衬底和盖子之间的相对位置。

2、根据权利要求1所述的热电转换装置，其特征在于，进一步包括：安装在热电元件之间的空间中的绝缘元件。

3、根据权利要求1或2所述的热电转换装置，其特征在于，所述连接元件使用和盖子相同的金属材料制成。