CN1969398A - 热电转换模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电转换模块，其包括便宜的良导热性基板，并确保良导热性基板与电极之间的电绝缘性能。热电转换元件单元由被连接以形成π形状的P型半导体1和N型半导体2构成。电极3至5被连接到热电转换元件单元的两个端面。良导热性基板8和9与电极3至5接触。良导热性基板8和9由铝或铝合金组成，并且在良导热性基板8、9和电极3至5之间设置有阳极氧化膜10。热电转换模块20具有由便宜的铝或铝合金组成的良导热性基板8和9，并且能够通过阳极氧化膜10而确保良导热性基板和电极之间的电绝缘性能。

Description

热电转换模块
技术领域
本发明涉及一种热电转换模块。特别地，本发明涉及一种利用塞贝克效应或珀尔帖效应的热电转换模块。
背景技术
热流和电流相互影响的诸如塞贝克效应和珀尔帖效应的物理现象通常被称为“热电效应”。在具有不同热电性质的金属和/或半导体被接合的电路中会展现出热电效应。当在接合处存在温差时在这样的电路中产生电流的现象被称为塞贝克效应。展现出塞贝克效应的热电转换模块已被用作例如功率发生设备。
同时，当电流流过电路时，会发生在一侧的接合处产生热并在另一侧的接合处吸收热的现象。这被称为珀尔帖效应。使用珀尔帖效应的热电转换模块也被称为珀尔帖元件。这样的珀尔帖元件已被用于例如CPU(中央处理单元)等的热电冷却。
在典型的热电转换模块中，并行设置有不同的热电转换材料，即P型半导体和N型半导体，并且通过串联连接P型半导体和N型半导体以形成π形状而构成闭合电路。当电流以一个方向流过该闭合电路时，热取决于在P型半导体和N型半导体的接合处的电流方向而被释放或吸收。
具有上述结构的热电转换模块在P型半导体和N型半导体的一个端面吸收热，同时在P型半导体和N型半导体的另一端面产生热。相反，根据具有上述结构的热电转换模块，通过在使用P型半导体和N型半导体的一个端面作为低温表面、并使用P型半导体和N型半导体的另一端面作为高温表面时，在P型半导体和N型半导体的两个端面之间提供温差，电流将在闭合电路中流动，可将该电流取出以作为电力。
因此，热电转换模块具有几乎相同的基本结构，并且能够发生可逆作用，即，利用塞贝克效应的功率发生，或利用珀尔帖效应的温度控制。因此，也可将热电转换模块既用作热电发电元件模块又用作珀尔帖元件(热电冷却元件模块)。
接下来，将参照图3解释作为常规的典型珀尔帖元件的热电转换模块。图3是示出常规热电转换模块的结构的正视图。在图3中，附图标记1表示P型半导体，并且附图标记2表示N型半导体。如图3中所示，P型半导体1和N型半导体2并行地交替设置。
P型半导体1和N型半导体2经由电极3连接，以形成π形状。在设置在一个端侧的P型半导体1的底部端面处，连接有用于外部连接的电极4，并且在设置在另一端侧的N型半导体2的底部端面处，连接有用于外部连接的电极5。P型半导体1和N型半导体2在电极4和电极5之间串联连接，以形成π形状。
在图3中，良导热性基板6与连接到P型半导体1和N型半导体2的上部端面的电极3接触。良导热性基板7与连接到P型半导体1和N型半导体2的底部端面的电极3至5接触。将诸如氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)的具有电绝缘性能的陶瓷用于良导热性基板6和7。
在图3中，在电极4和电极5之间连接有直流电源。因此，当电流流过电极5作为正(+)侧并且电极4作为负(-)侧的热电转换模块30时，良导热性基板6被冷却，同时良导热性基板7被加热。
相反，当通过在图3中的电极4和电极5之间连接负载来构造闭合电路，并且在良导热性基板6和良导热性基板7之间施加温差，使良导热性基板6作为低温侧，并且使良导热性基板7作为高温侧时，电流在闭合电路中流动，可将该电流取出以作为电力。
已经开发出新颖且有用的热电发电元件模块，该热电发电元件模块具有与图3中所示的结构类似的结构，并且具有电绝缘膜(例如，见专利文献1)。
根据专利文献1的热电发电元件模块是这样的热电转换元件单元模块：P型热电转换材料和N型热电转换材料经由电极交替连接。该模块的特征在于电极的表面具有电绝缘膜，该电绝缘膜由通过涂布包括作为结构单元的-(SiH2NH)-的聚硅氨烷溶液而形成的硅膜组成。
根据专利文献1的发明的绝缘膜据报道在热阻和热导率方面非常优秀，并在广阔的温度范围内(从常温至1300℃，特别在600至1300℃的更高温度范围内)有效。另外，根据专利文献1的发明，能够极大地使热阻最小化，因为可将硅薄膜制成超薄，例如具有1μm的膜厚度。因此，据报道有优秀效果，诸如能够避免热电转换元件模块的功率发生性能的大幅恶化。
专利文献1：JP-A-2001-326394
发明内容
本发明要解决的问题
在图3中所示的常规的典型热电转换模块中，考虑到电绝缘性能和热导率，将诸如氮化铝或氧化铝的陶瓷用作良导热性基板。根据专利文献1的发明，在其实例中将氧化铝瓷(Al2O3)用作良导热性基板。
然而，可用作良导热性基板的氮化铝(AlN)的缺点在于通常昂贵，尽管其在电绝缘性能和热导率方面有利。相反，可用作良导热性基板的氧化铝(Al2O3)便宜且在电绝缘性能方面有利，但是它的不利之处在于劣等的热导率。
本发明是为了解决上述问题而提出的。本发明的目的是提供一种热电转换模块，该热电转换模块包括便宜的良导热性基板，并能够确保良导热性基板和电极之间的电绝缘性能。
用于解决问题的手段
本发明人采用如下结构完成了如后面所述的新颖热电转换模块的发明，以用于达到上述目的：良导热性基板包括具有低热阻的普通金属，并且在良导热性基板和电极之间设置有电绝缘膜。
根据热电转换模块的第一方面，该热电转换模块装备有热电转换元件单元，该热电转换元件单元采用被连接以形成π形状的P型半导体和N型半导体、连接到热电转换元件单元的每个端面的电极、以及与电极接触的良导热性基板来进行构造，其中良导热性基板包括铝或铝合金，并且阳极氧化膜设置在良导热性基板和电极之间。
根据本发明的上述方面的热电转换模块具有热电转换元件单元，该热电转换元件单元由被连接以形成π形状的P型半导体和N型半导体构成。对于由P型半导体和N型半导体构成的热电转换元件单元来说，可使用诸如铋碲化合物、锑碲化合物、铋碲锑化合物、铋碲硒化合物以及铅锗化合物、硅锗化合物等的常用材料。可将P型半导体和N型半导体形成为例如柱状，并且P型半导体和N型半导体的大致平行的两端具有电气连接端面。
此外，P型半导体和N型半导体具有大致相同的高度，并且P型半导体和N型半导体被连接以形成π形状。将P型半导体和N型半导体连接以形成π形状意味着P型半导体和N型半导体被串联连接。
根据本发明的热电转换模块具有连接到热电转换元件单元的两个端面的电极。电极可以是例如板状导电金属板，并且电极的电阻优选是低的。可将电极接合到热电转换元件单元的两个端面，以允许它们电气连接。例如，接合可以通过锡焊或通过熔接来实现。此外，可通过导电粘合剂将电极粘接到热电转换元件单元的两个端面，以允许它们电气连接。
此外，可通过例如将铜箔板附着于电绝缘膜上，并使铜箔板经历图形刻蚀来形成电极，并且可使经图形刻蚀的电极与热电转换元件单元的两个端面接触，从而将电极连接到热电转换元件单元的两个端面。同样，可使经图形刻蚀的电极经历导电性电镀(conductive plating)。
根据本发明的热电转换模块具有与电极接触的良导热性基板。例如，成对的对向良导热性基板可通过热绝缘柱状支柱夹持电极并与电极接触。同样，可将诸如硅树脂的良导热性材料设置在电极和良导热性基板之间，并且可使良导热性基板与电极接触。
根据本发明的热电转换模块的特征在于良导热性基板由铝或铝合金组成。
可用作根据本发明的良导热性基板的铝可以是纯铝，并且考虑到实用性和成本，优选的是具有99.7至99.0％的纯度的工业纯铝。
可用作根据本发明的良导热性基板的铝合金可以是例如为了实现耐蚀性通过加工和硬化而强化的Al-Mg化合物或Al-Mn化合物，并且可以是具有热加工性和有利的耐蚀性的Al-Mg-Si化合物。为了采用适于供诸如压铸的铸造用的铝合金来制造根据本发明的良导热性基板，可使用Al-Cu化合物、Al-Cu-Si化合物(劳塔尔铜硅铝合金等)、Al-Si化合物(铝硅合金等)、Al-Mg化合物(海德罗纳留姆耐蚀铝镁合金等)、Al-Cu-Mg-Ni化合物(Y合金等)(上述铝合金组摘录自“IwanamiPhysical and Chemical Dictionary，5th ed.，Iwanami.Press”)。
此外，根据本发明的热电转换模块的特征在于，在良导热性基板和电极之间设置有阳极氧化膜。
如上所述，根据本发明的热电转换模块包括：热电转换元件单元、电极、和与电极接触的良导热性基板，其中热电转换元件单元具有在两个对向表面之间连接以形成π形状的P型半导体和N型半导体；每个电极设置在热电转换元件单元的π形连接的两个对向表面上；与电极接触的良导热性基板被设置在电极的至少一个面上，并且热电转换模块的特征可在于，良导热性基板由铝或铝合金组成，并且阳极氧化膜设置在良导热性基板和电极之间以与其接触。
因为铝或铝合金与氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)相比具有劣等的热阻，但具有更加有利的导电性，所以当由铝或铝合金组成的良导热性基板与电极接触时，电极会短路。因此，在具有有利的导电性的良导热性基板和电极之间设置了具有电绝缘性能的阳极氧化膜，以确保良导热性基板和电极之间的电绝缘性能。
因此，根据本发明的热电转换模块包括由便宜的铝或铝合金组成的良导热性基板，并且在良导热性基板和电极之间设置有具有电绝缘性能的阳极氧化膜，从而确保良导热性基板和电极之间的电绝缘性能。
根据如本发明的第一方面中描述的热电转换模块的第二方面，其中阳极氧化膜被形成在由铝或铝合金组成的良导热性基板上。
阳极氧化是在电解时在阳极上发生的氧化反应，并且通过在诸如硫酸的电解溶液中电解铝或铝合金而在铝或铝合金的表面上形成的Al2O3的阳极氧化膜具有电绝缘性能。
通过这样在由铝或铝合金组成的良导热性基板上形成具有电绝缘性能的阳极氧化膜，可确保良导热性基板和电极之间的电绝缘性能。
尽管电解后立刻产生的阳极氧化膜是多孔的和非晶的Al2O3，但可在执行采用沸水的处理或采用蒸汽的处理时执行封孔。在这种状态下，将实现有利的耐蚀性和电绝缘性能。因此，通过使形成在良导热性基板上的阳极氧化膜经历例如封孔处理，与电极接触的良导热性基板的表面的表面粗糙度被降低，从而能够减小接触热阻。
根据本发明，阳极氧化膜可以不必要形成在与电极接触的整个良导热性基板上。成对的对向良导热性基板中的一个可由其上可形成有阳极氧化膜的铝或铝合金组成，而对向的良导热性基板可由例如氮化铝(AlN)组成。例如，在珀尔帖元件中，在冷却侧的良导热性基板可由氮化铝组成，并且在释热侧的良导热性基板可由其上可形成有阳极氧化膜的铝或铝合金组成。
根据如本发明的第二方面所述的热电转换模块的第三方面，其中阳极氧化膜被制成具有0.1至0.5μm的膜厚度。
如上所述，形成在由铝或铝合金组成的良导热性基板上的阳极氧化膜具有电绝缘性能。此外，由于阳极氧化膜具有更大的膜厚度，所以可认为增强了电绝缘性能。另一方面，由于阳极氧化膜具有更大的膜厚度，所以可认为也提高了热阻。
形成在铝或铝合金上的阳极氧化膜，可在多孔膜的情况下，被制成给出一般在1至100μm范围内的平均膜厚度。考虑到电绝缘性能，优选的是，形成具有20μm或大于20μm的平均膜厚度的薄膜。考虑到使热阻最小化和确保电绝缘性能，优选的是形成具有在20至80μm范围内的平均膜厚度的薄膜，更优选的是25至60μm范围内的平均膜厚度，仍然更优选的是30至40μm范围内的平均膜厚度。
更优选的是，形成势垒型膜作为形成在铝或铝合金上的阳极氧化膜。势垒型膜可在包括例如硼酸铵等的中性液体中形成，并且在致密性上有利且在电绝缘性能上优秀。此外，由于在势垒型膜中晶体生长与电压成线性关系，所以可控制膜厚度。
在这样的势垒型膜的情况下，据报道可形成一般在0.01至0.8μm范围内的平均膜厚度。考虑到电绝缘性能，优选的是，形成具有0.1μm或大于0.1μm的膜厚度的薄膜，而考虑到使热阻最小化同时确保电绝缘性能，优选的是，形成具有在0.1至0.5μm范围内的膜厚度的薄膜。
根据如本发明的第一至第三方面所述的热电转换模块的第四方面，其中并行设置的多个热电转换元件单元被夹在良导热性基板之间。
根据本发明的热电转换模块还可包括在对向的两个表面之间与一热电转换元件单元并行设置并且串联连接到该热电转换元件单元的另一热电转换元件单元，该另一热电转换元件单元包括被连接以形成π形状的P型半导体和N型半导体。换句话说，设置有一起并行设置的多个(任意数量)热电转换元件单元的热电转换模块也可包括在本发明中。
可把措辞“一起并行设置的多个热电转换元件单元”理解为指的是，例如，形成为柱状的多个P型半导体和多个N型半导体被交替地彼此相邻设置，并被排列成以行和列竖立。多个P型半导体和多个N型半导体具有大致相同的高度，多个P型半导体和多个N型半导体被串联连接以形成π形状。
例如，多个P型半导体和多个N型半导体沿着列交替设置，并且电极在列的方向上被连接到多个热电转换元件单元的两个端面。另外，设置在该列的方向上的两个末端处的成对的P型半导体和N型半导体的每一个端面处都连接有电极。
关于这些多个电极，多个热电转换元件单元沿对齐的方向排列，使得设置在一个表面上的多个电极与吸热侧相对应，并且设置在另一表面上的多个电极与释热侧相对应。所设置的多个电极被夹在良导热性基板之间以与其接触。
例如，可将热绝缘柱状支柱设置在成对的对向良导热性基板之间，以夹持多个热电转换元件单元。可选地，可将不导电的液封设置在成对的对向良导热性基板之间，并且液封可粘附于该对对向的良导热性基板，从而夹持多个热电转换元件单元。
因为本发明的热电转换模块包括以这种方式设置的多个热电转换元件单元，所以可通过适当地设置热电转换元件单元的数量，而从热电发电元件模块获得期望的电功率，或者可从珀尔帖元件获得期望的冷却能力。
本发明的热电转换模块包括良导热性基板，该良导热性基板包括便宜的铝或铝合金，并且在良导热性基板和电极之间设置有具有电绝缘性能的阳极氧化膜，从而能够确保良导热性基板和电极之间的电绝缘性能。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的热电转换模块的结构的正视图。
图2是示出根据本发明的另一实施例的热电转换模块的分解透视图。
图3是示出常规热电转换模块的结构的正视图。
附图标记的描述
1  P型半导体
2  N型半导体
3-5  电极
8、9、81、91  良导热性基板
10  阳极氧化膜
20、200  热电转换模块
具体实施方式
在下文中，将参照附图说明用于实现本发明的方式。
图1是示出根据本发明的一个实施例的热电转换模块的结构的正视图。图2是示出根据本发明的另一实施例的热电转换模块的分解透视图。关于分配给图3中所示的常规组件的附图标记，在下面的描述中将相同的附图标记分配给相应的组件，因此在某些情况下可忽略相应组件的描述。
首先，将对比图3中所示的常规热电转换模块，对本发明的热电转换模块的结构进行说明。
在图1中，P型半导体1和N型半导体2被交替地并行设置。P型半导体1和N型半导体2经由电极3连接以形成π形状。用于外部连接的电极4被连接到设置在一个末端侧的P型半导体1的底部端面，并且用于外部连接的电极5被连接到设置在另一末端侧的N型半导体2的底部端面。P型半导体1和N型半导体2在电极4和电极5之间被串联连接以形成π形状。
在图1中，良导热性基板8与连接到P型半导体1和N型半导体2的上部端面的电极3接触。良导热性基板9与连接到P型半导体1和N型半导体2的底部端面的电极3至5接触。
这些良导热性基板8和9由铝或铝合金组成，并且阳极氧化膜10被设置在良导热性基板8、9和电极3至5之间。阳极氧化膜10被形成在由铝或铝合金组成的良导热性基板8和9上。阳极氧化膜10被形成为具有0.1至0.5μm的膜厚度。
在图1中，在电极4和电极5之间连接有直流电源。因此，当电流流过具有作为正(+)侧的电极5和作为负(-)侧的电极4的热电转换模块20时，良导热性基板8被冷却，同时良导热性基板9被加热。
相反，当通过将负载连接在图1中的电极4和电极5之间而构成闭合电路，并且将温差施加到良导热性基板8和良导热性基板9之间，使良导热性基板8作为低温侧并使良导热性基板9作为高温侧时，电流在闭合电路中流动，可将该电流取出以作为电力。
接下来，将说明根据另一实施例的热电转换模块的结构。
在图2中，形成为柱状的32个P型半导体1和32个N型半导体2被交替设置。32个P型半导体1和32个N型半导体2具有大致相同的高度，并且32个P型半导体1和32个N型半导体2被串联连接以形成π形状。
如图2所示，32个P型半导体1和32个N型半导体2沿着列交替设置，并且电极3在列的方向上被连接到多个热电转换元件单元的两个端面。另外，设置在列的方向的两个末端处的成对的P型半导体1和N型半导体2的每一个端面都被连接到电极3。
在图2中，用于外部连接的电极4被连接到设置在第一列的第一行的P型半导体1的底部端面，并且用于外部连接的电极5被连接到设置在第一列的末行的N型半导体2的底部端面。32个P型半导体1和32个N型半导体2被串联连接以在电极4和电极5之间形成π形状。
关于这些多个电极3至5，多个热电转换元件单元在对齐的方向上排列，使得设置在一个表面上的多个电极3与吸热侧相对应，并且设置在另一表面上的多个电极3至5与释热侧相对应。所设置的多个电极3至5被夹在良导热性基板81和91之间以与其接触。
例如，可在成对的对向良导热性基板81和91之间设置图中未示出的热绝缘柱状支柱，以夹持多个热电转换元件单元。可选地，可在成对的对向良导热性基板81和91之间设置图中未示出的不导电的液封，并且液封可粘附到成对的对向良导热性基板81和91，以夹持多个热电转换元件单元。
这些良导热性基板81和91由铝或铝合金组成，并且阳极氧化膜10设置在良导热性基板81、91和电极3至5之间。阳极氧化膜10被形成在由铝或铝合金组成的良导热性基板81和91上。阳极氧化膜10被形成为具有0.1至0.5μm的膜厚度。
因为热电转换模块200包括以这种方式设置的多个热电转换元件单元，所以可通过适当地设置热电转换元件单元的数量，而从热电发电元件模块获得期望的电功率，或者可从珀尔帖元件获得期望的冷却能力。
接下来，将解释根据本发明的热电转换模块的操作。
在具有图1至图3中所示的结构的热电转换模块中，期望良导热性基板具有低热阻，以及电绝缘性能。这样的良导热性基板的热阻一般可通过以下通式来确定：
R(m2·K/W)＝t(m)/k(W/(m·K))，
其中R表示热阻；t表示良导热性基板的厚度；并且k表示热导率系数。
当用典型值“20(W/(m·K))”替换由氧化铝组成的良导热性基板(在下文中，称为Al2O3板)的热导率系数k；用典型值“170(W/(m·K))”替换由氮化铝组成的良导热性基板(在下文中，称为AlN板)的热导率系数k；并用值“230(W/(m·K))”替换由铝或铝合金组成的良导热性基板(在下文中，称为Al板)的热导率系数k时，通过根据上面的公式计算具有“1mm”厚度的良导热性基板的热阻，可导出下面的值。
Al2O3板：5.0×10-5(m2·K/W)
AlN板：5.88×10-6(m2·K/W)
Al板：4.35×10-6(m2·K/W)
如上所述，铝板展现出最小的热阻值；然而，使Al板直接与连接到热电转换元件单元的两个端面的电极接触不是优选的，因为Al板具有导电性。因此，在本发明中，在由铝或铝合金组成的良导热性基板和电极之间设置有阳极氧化膜。
接下来，计算当阳极氧化膜形成在Al板上时的热阻。如果在Al板上形成有具有“0.5μm”的膜厚度的阳极氧化膜，并且“Al板+阳极氧化膜”的厚度是“1mm”，则复合热阻的值如下。
Al板+阳极氧化膜(0.5μm)：4.37×10-6(m2·K/W)
因此，当阳极氧化膜形成在Al板上时的热阻值是“4.37×10-6”，可将该值看作与单独Al板的热阻值“4.35×10-6”几乎相同。另外，根据本发明的阳极氧化膜是膜厚度可减小到0.5μm的势垒型，并且具有足够的电绝缘性能，以承受大约400V的电压。
形成在Al板上的阳极氧化膜可以是多孔膜，但是多孔膜的平均膜厚度通常是20至100μm，其大于势垒型膜的膜厚度。如果在Al板上形成具有“40μm”的平均膜厚度的多孔膜，并且(Al板+多孔膜)的厚度是1mm，则复合热阻的值如下。
Al板+多孔膜(40μm)：6.17×10-6(m2·K/W)
因此，当多孔膜形成在Al板上时的热阻值是“6.17×10-6”，其大于上述AlN板的热阻值，即“5.88×10-6”。这里，将阳极氧化膜的热导率系数k假定成“20(W/(m·K))”。因此，在多孔膜的情况下，热导率系数的值预期会低于上述值。在这种情况下，复合热阻值将会更大。
下面的表1中示出了阳极氧化膜的平均膜厚度(μm)和热阻值(m2·K/W)之间的关系。在表1中；通过将阳极氧化膜的热导率系数k假定成“20(W/(m·K))”来确定热阻值。
            表1
  下限   上限
  D   5.0   20
  R1   8   60
  R2   6   20
  Deg1   3   30
  Deg2   10   40

Claims (4)

1.一种热电转换模块，包括：
热电转换元件单元，其采用被连接以形成π形状的P型半导体和N型半导体、连接到所述热电转换元件单元的每个端面的电极、以及与所述电极接触的良导热性基板来进行构造，其中
所述良导热性基板包括铝或铝合金，并且阳极氧化膜被设置在所述良导热性基板和所述电极之间。
2.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，所述阳极氧化膜被形成在由铝或铝合金组成的所述良导热性基板上。
3.如权利要求2所述的热电转换模块，其中，所述阳极氧化膜被形成为具有0.1至0.5μm的膜厚度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的热电转换模块，其中，并行设置的多个热电转换元件单元被夹在所述良导热性基板之间。
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