DE102006037540B4 - Thermoelektrische Vorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Thermoelektrische Vorrichtung, mit:
einem geschlossenen Gefäß (2, 4, 5), in dem ein innerer Raum durch Metallelemente aufgebaut ist und eine erste Hauptoberfläche (α) und eine zweite Hauptoberfläche (β) einander mit einem Abstand gegenüberliegen;
einer Isolierschicht (6), die auf der ersten Hauptoberfläche (α) ausgebildet ist;
einer Verdrahtungsschicht (7), die auf einer Oberfläche der Isolierschicht (6) vorgesehen ist;
einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (3), deren erste Enden an der Verdrahtungsschicht (7) befestigt sind, so dass sie aufrecht stehen, und die elektrisch verbunden sind;
einem dünnen Metalldrahtnetz (9), das an den anderen Enden der thermoelektrischen Elemente (3) angeordnet ist, um die Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (3) elektrisch zu verbinden; und
einem Isolierelement (10), das zwischen dem dünnen Metalldrahtnetz (9) und der zweiten Hauptoberfläche (β) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Vorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung, und insbesondere auf eine thermoelektrische Vorrichtung zum Umwandeln von Wärme in Elektrizität oder zum Umwandeln von Elektrizität in Wärme und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Die thermoelektrische Vorrichtung ist die Vorrichtung, die den thermoelektrischen Effekt, wie beispielsweise den Thomson-Effekt, den Peltier-Effekt, den Seebeck-Effekt oder dergleichen benutzt. Als die Vorrichtungen, die bereits in Serie erzeugt wurden, kann die Temperatureinstelleinheit zum Umwandeln von Elektrizität in Wärme und dergleichen aufgeführt werden. Auch die Forschung und Entwicklung beispielsweise einer Energieerzeugungseinheit zum Erzeugen von Elektrizität aus Abwärme macht Fortschritte.
  • Um einen Energieerzeugungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung näher an einen Energieerzeugungswirkungsgrad des thermoelektrischen Elements selbst zu bringen, muss die Wärmezufuhr zu einem Endabschnitt des thermoelektrischen Elements und die Wärmestrahlung von dem anderen Endabschnitt des thermoelektrischen Elements störungsfrei ausgeführt werden. Daher wird das keramische Substrat, das in der Wärmeleitung ausgezeichnet ist, als das isolierende Substrat verwendet, das die thermoelektrische Vorrichtung bildet. Dann ist die Elektrode, die an dem Endabschnitt des thermoelektrischen Elements bereitgestellt wird, aus dem Material mit einem niedrigen elektrischen Widerstand zusammengesetzt.
  • Wenn die thermoelektrische Vorrichtung einer hohen Temperatur von 200°C ausgesetzt wird, wird ebenfalls verlangt, dass nicht nur das der Wärme direkt ausgesetzte Element nicht durch Wärme ausfallen sollte, sondern dass das thermoelektrische Element und die Elektrode, die das thermoelektrische Element elektrisch verbindet, ebenfalls hermetisch abgeschlossen sein sollten. Dies ist so, weil eine Situation verhindert werden sollte, in der das thermoelektrische Element und die Elektrode der hohen Temperatur ausgesetzt sind und oxidieren, wobei dann der Energieerzeugungswirkungsgrad verschlechtert wird. Bei der thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben, wird normalerweise das keramische Substrat als das isolierende Substrat verwendet, und das keramische Substrat und Gehäuse werden hermetisch durch Hartlöten abgeschlossen.
  • Bei der thermoelektrischen Vorrichtung wird, um eine Ausgangsleistung einer elektromotorischen Kraft zu erhöhen, die nach außen ausgegeben werden kann, eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen auf dem Substrat ausgerichtet, um zwischen die isolierenden Substrate mit den Elektroden gesetzt zu werden, und diese werden außerdem elektrisch in Reihe, jedoch thermisch parallel geschaltet. In einigen Fällen gibt es jedoch eine Variante in der Höhe von einzelnen thermoelektrischen Elemente. In diesem Fall werden derartige Nachteile verursacht, dass die von der hohen Temperaturseite absorbierte Wärme nicht ausreichend an das thermoelektrische Element etc. geliefert werden kann, und in einigen Fallen keine gewünschte Energieerzeugungsleistung erhalten werden kann. Daher wurde eine thermoelektrische Vorrichtung vorgeschlagen, bei der das elastische leitende Element an der anderen Endoberfläche des thermoelektrischen Elements angeordnet ist, die der Endoberfläche gegenüberliegt, an der das Substrat gebondet ist, und ebenfalls die Elektrode vom Kappentyp zum Abdecken des leitenden Elements und des thermoelektrischen Elements ist vorgesehen, um ihre Bewegung zu verhindern (siehe Patentliteratur 1).
    [Patentliteratur 1] Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2005-64457 A
  • Bei der in der Patentliteratur 1 offenbarten Erfindung kann jedoch ein Fall betrachtet werden, bei dem die Verbesserung in der Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung schwierig wird. Genauer gesagt, wenn die Elektroden vom Kappentyp vorgesehen werden, werden die isolierenden Platten, die jeweils eine vorbestimmte Höhe aufweisen, jeweils zwischen den thermoelektrischen Elementen auf dem Substrat angeordnet, um das Ereignis zu verhindern, dass diese mehreren Elektroden in Kontakt miteinander kommen und einen Kurzschluss verursachen. Wenn diese isolierenden Platten angeordnet sind, ist die Anzahl der auf dem Substrat angeordneten thermoelektrischen Elemente begrenzt, und eine Rate der thermoelektrischen Elemente je Einheitsfläche des Substrats verringert. Daher kann eine Ausgangsdichte der thermoelektrischen Vorrichtung nicht verbessert werden, und die Energieerzeugungsleistung wird abgesenkt.
  • Da die thermoelektrische Vorrichtung einer hohen Temperatur während ihres Betriebs ausgesetzt ist, werden die jeweiligen Elemente, die die thermoelektrische Vorrichtung bilden, ebenfalls thermisch ausgedehnt, und nicht in dem normalen Temperaturzustand sein. Zu dieser Zeit ist der Betrag der Verformung der jeweiligen Elemente verschieden, aufgrund jeweils des Unterschiedes in den linearen Ausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Elemente und des Temperaturunterschieds zwischen der Wärmeabsorptionsseite und der Wärmestrahlungsseite. Da insbesondere der Unterschied in den linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem keramischen Substrat und dem Gehäuse groß ist, wird die an die hartgelöteten Abschnitte angelegte Last erhöht, was einen Ausfall verursachen kann, und die Luftdichte der thermoelektrischen Vorrichtung wird verschlechtert, was die Energieerzeugungsleistung absenken kann.
  • Außerdem wird der thermische Widerstand von der Wärmequelle zu den thermoelektrischen Elementen durch die Art des zwischen der Wärmequelle und den thermoelektrischen Elementen liegenden Elements, der Dicke des Elements und des mechanischen Kontakts zwischen diesen Elementen beeinflusst. Genauer gesagt, da der Einfluss des mechanischen Kontakts beachtlich ist, müssen die mechanischen Kontakte zwischen der Wärmequelle und den thermoelektrischen Elementen verringert werden, indem die Anzahl von Elementen verringert wird, und die Energieerzeugungsleistung muss ebenfalls verbessert werden, indem der thermische Widerstand verringert wird. Wenn eine Dicke der externen Elektrode, die verwendet wird, um eine elektromotorische Kraft von der thermoelektrischen Vorrichtung nach außen auszugeben, beispielsweise dicker als die des Substrats ist, und dann ein Spielraum zwischen dem Substrat der thermoelektrischen Vorrichtung und dem Kühlmittel entsteht, wird der thermische Widerstand zwischen ihnen erhöht und eine Verringerung in der Energieerzeugungsleistung verursacht.
  • Wenn das keramische Substrat an den Deckel angepasst ist, um in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Deckels ohne Spielraum zu sein und um eine elektrische Isolierung zu dem Deckel zu erreichen, wird ebenfalls ein Spielraum zwischen der inneren Oberfläche des Deckels und des keramischen Substrats aufgrund der Genauigkeit der maschinellen Fertigung auftreten. Somit wird die Luftschicht in diesem Spielraum einen Wärmeübertragungsverlust zu dem thermischen Element hervorrufen. Dieser Wärmeübertragungsverlust wird ebenfalls zwischen der Elektrode vom Kappentyp und dem keramischen Substrat erzeugt. Diese Verluste der Wärmeüberübertragung führen zu einer Verringerung in der Energieerzeugungsleistung.
  • Die Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine thermoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, die im Stande ist, die Energieerzeugungsleistung zu verbessern, während die hermetische Abdichtung beibehalten wird, nachdem ein Wärmezyklus angewendet wurde, und ebenfalls um eine Vereinfachung der Struktur und eine Verbesserung bei der Produktivität und Zuverlässigkeit der Vorrichtung durch Verringern der Anzahl der Elemente, und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch eine thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, 9 oder 11 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 17 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
  • 1 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 3 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 4 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 5 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 6 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 7 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 8 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer ersten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 9 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 10A bis D sind Schnittansichten von Hauptschritten der in 9 gezeigten thermoelektrischen Vorrichtung;
  • 11 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer dritten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 12 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer vierten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 13A ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer fünften Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung, und 13B ist eine Draufsicht eines Wärmetauschmantels von einer Linie B-B in einer Pfeilrichtung in 13A aus betrachtet;
  • 14 ist eine Schnittansicht einer weiteren Variante der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 15 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 16 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 17 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 18 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 19 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 20 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 21 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 22 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 23 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 24 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer ersten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 25 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 26 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
  • 27A, B, C sind eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen Metalldrahtnetzes mit Folie gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 28A, B sind eine erläuternde Ansicht, die ein weiteres Verfahren zur Herstellung des dünnen Metalldrahtnetzes mit Folie gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
  • 29 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
  • 30 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 31 ist eine Draufsicht von Hauptschritten der in 30 gezeigten thermoelektrischen Vorrichtung;
  • 32 ist eine erläuternde Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 33 ist eine Draufsicht von Hauptschritten der in 32 gezeigten thermoelektrischen Vorrichtung;
  • 34 ist eine erläuternde Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 35 ist eine Draufsicht von Hauptschritten der in 34 gezeigten thermoelektrischen Vorrichtung;
  • 36 ist eine erläuternde Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 37 ist eine erläuternde Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 38 ist eine erläuternde Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 39 ist eine erläuternde Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 40 ist eine Seitenansicht der thermoelektrischen Vorrichtung, wenn die in 29 gezeigte thermoelektrische Vorrichtung aus der Richtung D betrachtet wird;
  • 41 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer Variante der fünften Ausführungsform der Erfindung;
  • 42 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
  • 43A, B sind erläuternde Ansichten, die einen Rahmenkörper gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung auf eine vergrößerte Art und Weise zeigen;
  • 44 ist eine erläuternde Ansicht, die einen verbundenen Abschnitt zwischen einem Deckel und dem Rahmenkörper bei der sechsten Ausführungsform der Erfindung auf eine vergrößerte Art und Weise zeigt;
  • 45 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer ersten Variante der sechsten Ausführungsform der Erfindung;
  • 46 ist eine erläuternde Ansicht, die den Rahmenkörper gemäß der ersten Variante der sechsten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 47 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Rahmenkörper gemäß einer zweiten Variante der sechsten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
  • 48 ist eine erläuternde Ansicht einer weiteren Variante der zweiten Variante der sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
  • 49 ist eine erläuternde Ansicht noch einer weiteren Variante der zweiten Variante der sechsten Ausführungsform der Erfindung.
  • Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird eine thermoelektrische Vorrichtung (geschlossenes Gefäß) 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut durch: ein aus einem Metall hergestellten Metallsubstrat 2, thermoelektrischen Elementen 3, die auf einem Mittelabschnitt auf einer Oberfläche des Metallsubstrats 2 (im Folgenden zweckmäßigerweise als eine „erste Hauptoberfläche α” bezeichnet) gestellt werden, einen Deckel 4 zum Abdecken der oberen Oberflächen und Seitenoberflächen der thermoelektrischen Elemente 3 und ein verbindendes Metallelement 5, das aus Metall hergestellt ist, um das Metallsubstrat 2 und den Deckel 4 in einem peripheren Abschnitt der ersten Hauptoberfläche α hermetisch abzuschließen. Insbesondere sind alle Elemente, die das Gefäß (thermoelektrische Vorrichtung) 1 bilden, d. h. das Metallsubstrat 2, der Metalldeckel 4 und das verbindende Metallelement 5, aus Metall hergestellt.
  • Eine Isolierschicht 6 wird in dem Mittelabschnitt auf der ersten Hauptoberfläche α bereitgestellt, und erste leitende Verdrahtungsschichten 7 werden auf der Isolierschicht 6 ausgebildet. Als die Isolierschicht 6 sollten vorzugsweise ein Harz oder z. B. ein keramisches Pulver enthaltendes Harz benutzt werden. Bei der ersten Ausführungsform kann genauer gesagt Kupfer für das Metallsubstrat 2 und für die erste Verdrahtungsschicht 7 benutzt werden, und ein keramisches Pulver enthaltendes Epoxydharz kann als die Isolierschicht 6 benutzt werden. Die thermoelektrischen Elemente 3 werden beispielsweise mit den ersten Verdrahtungsschichten 7 über ein Verbindungsmaterial 8, wie beispielsweise ein Lötmittel oder dergleichen, verbunden.
  • Ein dünnes Metalldrahtnetz 9, wie etwa ein maschenartiges leitendes Element, ist an Endabschnitten der thermoelektrischen Elemente 3 angeordnet, die nicht an den ersten Verdrahtungsschichten 7 gebondet sind, um sich über ein Paar von thermoelektrischen Elementen 3 auszudehnen. Genauer gesagt kann ein Band, das gebildet wird, indem ein Cu-Draht von 0,6 mm Durchmesser mit Maschen versehen und in eine vorbestimmte Länge geschnitten wird, als das dünne Metalldrahtnetz 9 verwendet werden.
  • Da das dünne Metalldrahtnetz 9 eine Elastizität in der Dickenrichtung aufweist, kann ein derartiges dünnes Metalldrahtnetz 9 eine Variante in der Höhe der angebrachten thermoelektrischen Elemente 3 ausgleichen. Daher kann die elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 3 und einer zweiten Verdrahtungsschicht 11 sicher über das dünne Metalldrahtnetz 9 ausgeführt werden, und der Schritt des Auswählens/Prüfens des thermoelektrischen Elements 3 für jede Länge oder dergleichen kann weggelassen werden.
  • Ein isolierendes Element 10 ist auf den dünnen Metalldrahtnetzen 9 angeordnet. Die zweiten Verdrahtungsschichten 11 sind auf einer Oberfläche (untere Oberfläche in 1) des isolierenden Elements 10 ausgebildet, und ein Metallfilm 12 wird auf einer hinteren Gesamtoberfläche (obere Oberfläche in 1) des isolierenden Elements 10 bereitgestellt. Der Metallfilm 12 kontaktiert eine Oberfläche (nachstehend als eine „zweite Hauptoberfläche β” bezeichnet) des Deckels 4, die der ersten Hauptoberfläche α gegenüberliegt. Eine mechanische Festigkeit des isolierenden Elements 10 kann erhöht werden, indem das isolierende Element 10 zwischen den zweiten Verdrahtungsschichten 11 und dem Metallfilm 12 gebracht wird. Da der Metallfilm 12 die zweite Hauptoberfläche β kontaktiert, kann ein endothermischer Wirkungsgrad ebenfalls verbessert werden.
  • Der Deckel 4 ist aus Metall, wie beispielsweise Kovar, Edelstahl (vorzugsweise SUS304) oder dergleichen, gebildet und metallisch mit dem Metallsubstrat 2 über das verbindende Metallelement 5 verbunden. Eine Metallfolie, wie beispielsweise eine Nickelfolie (Ni-Folie) oder dergleichen, kann als das verbindende Metallelement 5 verwendet werden. Im Gegensatz zu dem bisherigen keramischen Substrat sind sowohl das Metallsubstrat 2 als auch der Deckel 4 aus Metall hergestellt. Daher kann der Unterschied in den linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metallsubstrat 2 und dem Deckel 4 verringert werden, und eine Spannung, die in dem verbundenen Abschnitt zwischen beiden Elemente nach dem Wärmezyklus erzeugt wird, kann verringert werden, und die Luftdichtigkeit kann ebenfalls beibehalten werden.
  • Die bei der ersten Ausführungsform verwendeten Verdrahtungsschichten werden durch Formen des handelsüblichen Metallsubstrats in jene der thermoelektrischen Vorrichtung erhalten. Im Allgemeinen wird vielfach für das Metallsubstrat handelsübliches Kupfer (Cu), Aluminium (Al) oder dergleichen als das Metallsubstrat 2 verwendet. Die ersten Verdrahtungsschichten 7, die erhalten werden, indem die Kupferfolie mit einem Muster versehen wird, werden ebenfalls auf die erste Hauptoberfläche α des Metallsubstrats 2 mittels der isolierenden Epoxyd-Klebstoffe, die die Füllmaterialien enthalten, geklebt. Wenn ein derartiges handelsübliches Metallsubstrat benutzt wird, kann die metallische Verbindung durch Bilden einer Legierung mittels Schweißen über die Nickelteile, beim Verbinden des Substrats mit der Legierung, wie beispielsweise Kovar, Edelstahl oder dergleichen, effizient erhalten werden. Zu diesem Zweck wird das rahmenähnliche Nickelelement, das die gleiche äußere Form wie der äußere Umfang des Metallsubstrats aufweist, als das verbindende Metallelement 5 benutzt, sodass das verbindende Metallelement 5 entlang des äußeren Rands des Metallsubstrats bereitgestellt werden kann, von dem das Metallsubstrat 2 freigelegt ist. Wenn das gleiche Material wie der Deckel 4 als das Material des Metallsubstrats 2 verwendet werden kann, wird das verbindende Metallelement 5 nicht benötigt.
  • Der Deckel 4 ist angeordnet, so dass er den Metallfilm 12 an seiner zweiten Hauptoberfläche β kontaktiert und die oberen Oberflächen und die seitlichen Oberflächen einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 3 abdeckt, und er ist mit dem Metallsubstrat 2 über das verbindende Metallelement 5 in dem peripheren Abschnitt des Metallssubstrats verbunden. Weil der Deckel 4 und das Metallsubstrat 2 miteinander verbunden sind, werden das isolierende Element 10 (die zweiten Verdrahtungsschichten 11) und die auf die thermoelektrischen Elemente 3 gesetzten dünnen Metalldrahtnetze 9 durch den Deckel gehalten und zwischen dem Deckel 4 und dem Metallsubstrat 2 eingepasst, so dass Druck in der Längsrichtung des thermoelektrischen Elements 3, d. h. der Richtung, entlang der ein Strom als Reaktion auf die Erzeugung der elektromotorischen Kraft fließt, anliegt.
  • Ein Abschnitt des Deckels 4, der das verbindende Metallelement 5 kontaktiert, ist Flansch-förmig. Laserschweißen wird auf die seitlichen Oberflächenabschnitte, bei denen der Endabschnitt des Flansches des Deckels 4, das verbindende Metallelement 5 und das Metallsubstrat 2 übereinander angeordnet sind, über den gesamten Umfang angewendet, um sie über die Legierung zu verbinden, die als Bestandteil Nickel aufweist.
  • Auf diese Art und Weise umfasst die thermoelektrische Vorrichtung 1 einen inneren Raum, der von dem Metallsubstrat 2 und dem Deckel 4 umgeben ist, und dieser innere Raum dient als geschlossenes Gefäß, das von außen geschlossen ist. Auf die Innenseite des geschlossenen Gefäßes wird eine Niederdruckatmosphäre angewendet, sodass das geschlossene Gefäß schwer zu verformen und zu zerstören ist, sogar wenn es einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Jeweilige thermoelektrische Elemente 3 sind hermetisch in dem geschlossenen Gefäß abgeschlossen, das bei der Niederdruckatmosphäre gehalten wird.
  • Als thermoelektrische Elemente 3 gibt es zwei Arten, jene aus einem thermoelektrischen Element vom p-Typ 3a und jene die aus einem thermoelektrischen Element vom n-Typ 3b bestehen. Eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom p-Typ 3a und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom n-Typ 3b sind abwechselnd elektrisch in Reihe geschaltet und thermisch parallel von der Wärmeabsorptionsseite zu der Wärmestrahlungsseite ausgerichtet.
  • Bei dem thermoelektrischen Element 3 sind die Ströme, die in dem thermoelektrischen Element vom p-Typ 3a und dem thermoelektrischen Element vom n-Typ 3b erzeugt werden, wenn eine Wärme angelegt wird, in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung des thermischen Gradienten gerichtet. Wenn die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ 3a und die thermoelektrischen Element vom n-Typ 3b durch die ersten Verdrahtungsschichten 7 und die zweiten Verdrahtungsschichten 11 elektrisch in Reihe geschaltet sind, wird die Spannung der elektromotorischen Kraft erhöht.
  • Als die elektrische Reihenschaltung werden beispielsweise thermoelektrische Elemente vom p-Typ 3a und thermoelektrische Elemente vom n-Typ 3b abwechselnd in der Zeilenrichtung bzw. Spaltenrichtung auf dem Metallsubstrat 2 verbunden, und eine erste Verdrahtungsschicht 7 wird jeweils elektrisch mit den ersten Enden eines Paares aus einem thermoelektrischen Element vom p-Typ 3a und einem thermoelektrischen Element vom n-Typ 3b in einer Zeile in Kontakt gebracht. Dann wird eine zweite Verdrahtungsschicht 11 mit den anderen Enden eines Paares aus einem benachbarten thermoelektrischen Element vom p-Typ 3a bzw. einem thermoelektrischen Element vom n-Typ 3b elektrisch in Kontakt gebracht, die nicht mit der gemeinsamen ersten Verdrahtungsschicht verbunden sind. D. h., dass das thermoelektrische Element vom p-Typ 3a und das thermoelektrische Element vom n-Typ 3b, die an dem Endabschnitt jeder Zeile angeordnet sind, so aufgebaut sind, dass die in der Spaltenrichtung benachbarten thermoelektrischen Elemente elektrisch miteinander durch die erste Verdrahtungsschicht 7 oder die zweite Verdrahtungsschicht 11 in Kontakt gebracht werden. Mit einer derartigen Konfiguration wird der aus der Wärme umgewandelte Strom abwechselnd durch das thermoelektrische Element vom p-Typ 3a und das thermoelektrische Element vom n-Typ 3b geleitet und von der externen Elektrode ausgegeben.
  • Eine Durchgangsloch-Verdrahtung 13, die vorgesehen ist, so dass sie durch das Metallsubstrat 2 und die Isolierschicht 6 läuft, wird mit einer Metallschicht 14 an einem Abschnitt des nach außen freigelegten Metallsubstrats 2 verbunden. Dann wird diese Metallschicht 14 mit einer externen Elektrode 16 über ein Lötmittel 15 verbunden, und somit wird die in dem thermoelektrischen Element 3 erzeugte elektromotorische Kraft nach außen herausgeführt.
  • Als nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung (Verfahren zum Zusammenbauen) der thermoelektrischen Vorrichtung 1 mit Bezug auf 2 bis 7 nachstehend erläutert.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wird die Isolierschicht 6, auf der die ersten Verdrahtungsschichten 7 ausgebildet sind, mit dem Metallsubstrat 2 (der ersten Hauptoberfläche α) verbunden, und die Durchgangslochverdrahtung 13 wird ebenfalls gebildet. Die Isolierschicht 6 ist nicht mit der gesamten Oberfläche der ersten Hauptoberfläche α verbunden, sondern die Isolierschicht 6 ist mit dem Mittelabschnitt des Metallsubstrats 2 verbunden, sodass ein Bereich, mit dem die Isolierschicht nicht verbunden ist, in dem peripheren Abschnitt entlang des Umfangs des Metallsubstrats 2 vorhanden ist, um einen verbundenen Bereich sicherzustellen, bei dem der Deckel 4 und das Metallsubstrat 2 zusammen verbunden sind.
  • Wie in 3 gezeigt ist, ist das Verbindungsmaterial 8 auf vorbestimmte Abschnitte der ersten Verdrahtungsschichten 7 geschichtet. Beispielsweise wird vorzugsweise das Lötmittel als das Verbindungsmaterial 8 verwendet. Das Material ist jedoch nicht besonders beschränkt, wenn ähnliche Vorteile zu jenen bei der ersten Ausführungsform erzielt werden können.
  • Dann wird, wie in 4 gezeigt ist, eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 3a und 3b an Stellen angebracht, an denen das Verbindungsmaterial 8 geschichtet ist, um sich beispielsweise gemäß der obigen Anordnung auszurichten, und die thermoelektrischen Elemente 3a und 3b werden jeweils mit den ersten Verdrahtungsschichten 7 verbunden. Wenn z. B. das Lötmittel als das Verbindungsmaterial 8 benutzt wird, werden die ersten Verdrahtungsschichten 7 und die thermoelektrischen Elemente 3a und 3b miteinander in einem Schritt in dem Aufschmelzofen verbunden.
  • Wie in 5 gezeigt ist, wird das dünne Metalldrahtnetz 9 auf die thermoelektrischen Elemente 3a und 3b gesetzt, so dass es sich über diese erstreckt (um sie elektrisch zu verbinden). Bei diesem Schritt wird das dünne Metalldrahtnetz 9 nicht mit den thermoelektrischen Elementen 3 verbunden, sondern einfach darauf angeordnet.
  • Dann wird das isolierende Element 10 auf der Oberfläche und der Rückseite, auf denen die zweiten Verdrahtungsschichten 11 und der Metallfilm 12 im voraus bereitgestellt wurden, jeweils auf die dünnen Metalldrahtnetze 9 geladen, die auf die thermoelektrischen Elemente 3 gebracht wurden. Wie aus 6 ersichtlich ist, werden die zweiten Verdrahtungsschichten 11 lediglich in einem Bereich bereitgestellt, bei dem sie die dünnen Metalldrahtnetze 9 kontaktieren. Bei diesem Schritt wird das isolierende Element 10 nicht mit den dünnen Metalldrahtnetzen 9 verbunden, sondern einfach auf den dünnen Metalldrahtnetzen 9 angeordnet.
  • Dann wird, wie in 7 gezeigt ist, der Deckel 4 angeordnet, um den Metallfilm 12 auf dem isolierendem Element 10 zu kontaktieren und die oberen Oberflächen und die seitlichen Oberflächen der thermoelektrischen Elemente 3 abzudecken, und der seitliche Abschnitt des Deckels 4 wird ebenfalls auf dem peripheren Oberflächenabschnitt des Metallsubstrats 2, mit dem die obige Isolierschicht 6 nicht verbunden ist, angeordnet. Dann werden der Deckel 4 und das Metallsubstrat 2 zusammen über das verbindende Metallelement 5 verbunden. Bei der ersten Ausführungsform wird SUS304 als das Material des Deckels 4 und Ni als das verbindende Metallelement 5 verwendet. Die Materialien des Deckels 4 und des verbindenden Metallelements 5 sind jedoch nicht auf diese Materialien begrenzt, solange die hermetische Abdichtung beibehalten werden kann.
  • Ein innerer Raum C1, in dem das thermoelektrische Element 3 platziert ist, wird zwischen dem Deckel 4 und dem verbindenden Metallelement 5 erzeugt, indem sie wie beschrieben verbunden werden. In diesem inneren Raum C1 wird eine Niederdruckatmosphäre eingestellt, indem der Druck von atmosphärischem Druck über ein Abdichtungsloch 17, das zuvor an dem Deckel 4 vorgesehen wird, beispielsweise um 0,07 MPa verringert wird. Der innere Raum C1 wird ebenfalls in eine nicht-oxidierende Atmosphäre durch Füllen von Stickstoff, Argon oder dergleichen gebracht, und dann wird das Dichtungsloch 17 durch den Laser geschmolzen, um den inneren Raum hermetisch abzuschließen. Demgemäß kann die thermoelektrische Vorrichtung 1, die die hermetisch abgeschlossene Struktur aufweist, erhalten werden. Dann werden die externen Elektroden 16 an die Abschnitte der Durchgangslochverdrahtung 13 angepasst, um die durch die thermoelektrische Vorrichtung 1 erzeugte Elektrizität nach außen abzugeben. Die Durchgangslochverdrahtung 13, die an der thermoelektrischen Vorrichtung 1 bereitgestellt wird, ist nicht auf eine begrenzt, und eine Mehrzahl von Durchgangslochverdrahtungen kann bereitgestellt werden.
  • So kann, da der Metalldeckel 4 mit dem Metallsubstrat 2 über das verbindende Metallelement 5 verbunden ist, ein Unterschied der linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen jeweiligen Elementen, die das externe Gehäuse der thermoelektrischen Vorrichtung 1 bilden, verringert werden. Daher wird, sogar wenn die thermoelektrische Vorrichtung 1 einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, der verbindende Abschnitt zwischen dem Metallsubstrat 2 und dem Deckel 4 nicht zerstört, und die hermetische Abdichtung geht nie verloren. Als Ergebnis kann die Energieerzeugungsleistung des in dem inneren Raum C1 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 bereitgestellten thermoelektrischen Elements 3 verbessert werden, die thermoelektrische Vorrichtung 1, die in der Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist, kann verwirklicht werden, und die thermoelektrische Vorrichtung 1 kann einfach hergestellt werden.
  • Als nächstes wird eine erste Variante der ersten Ausführungsform nachstehend erläutert. Bei der ersten Ausführungsform und anschließenden Varianten der ersten Ausführungsform werden die gleichen Bezugssymbole an den gleichen Bestandteilen angebracht, wie jenen bei der ersten Ausführungsform, und somit werden die redundanten Erläuterungen der gleichen Bestandteile hier weggelassen.
  • Eine Konfiguration der ersten Variante unterscheidet sich von der Konfiguration der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Deckel 4 in einen Hauptkörper des Deckels 4 und einen Rahmenkörper 4a aufgeteilt ist, und dass das Metallsubstrat 2 mit dem Rahmenkörper 4a verbunden ist. D. h., der Deckel ist mit dem peripheren Abschnitt der Oberfläche des Metallsubstrats 2 über das verbindende Metallelement 5 bei der ersten Ausführungsform verbunden, während bei der ersten Variante der Rahmenkörper 4a mit dem peripheren Abschnitt der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 verbunden ist.
  • Die thermoelektrische Vorrichtung 1 erzeugt die Elektrizität aus der absorbierten Wärme mittels der thermoelektrischen Elemente 3. Um einen thermoelektrischen Transformations-Wirkungsgrad durch Erzeugen der größeren Ausgangsleistung zu verbessern, muss eine größere Anzahl von thermoelektrischen Elementen 3 je Einheitsfläche auf der ersten Hauptoberfläche α angeordnet sein. Wenn der Deckel 4 mit dem Metallsubstrat 2 an dem peripheren Abschnitt der ersten Hauptoberfläche α verbunden ist, wird jedoch ein vorbestimmter Verbindungsbereich benötigt, um den Deckel 4 mit dem Metallsubstrat 2 zu verbinden, sodass ein Oberflächenbereich der ersten Hauptoberfläche α, der erforderlich ist, um die thermoelektrischen Elemente 3 anzuordnen, verringert wird. Daher kann bei der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß der ersten Variante ein Verbindungsbereich zwischen dem Deckel 4 und dem Metallsubstrat 2 ausreichend sichergestellt werden, während ein Packungswirkungsgrad der thermoelektrischen Elemente 3 auf der ersten Hauptoberfläche α verbessert wird.
  • Genauer gesagt, wie es in 8 gezeigt ist, ist der Rahmenkörper 4a des Abschnitts zum Abdecken der seitlichen Oberflächen der thermoelektrischen Elemente 3 aufgebaut, um zu der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 herumzugehen, und der Rahmenkörper 4a und der periphere Abschnitt der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 werden zusammen über das verbindende Metallelement 5 verbunden. Daher kann der Verbindungsbereich an dem Rahmenkörper 4a auf der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 verglichen mit der ersten Hauptoberfläche α ausreichend gesichert werden. Die Dicke des Metallsubstrats 2 bei diesem Verbindungsbereich (der periphere Abschnitt der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2) wird dünner als die eines Mittelabschnitts der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 eingestellt. Somit kann das verbindende Metallelement 5 ohne Weiteres ausgerichtet werden, und der Rahmenkörper 4a (der Verbindungsbereich) ragt nicht von dem Mittelabschnitt der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 hervor.
  • So wird der Rahmenkörper 4a mit der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 verbunden. Daher kann die erste Hauptoberfläche α wirksam als der Montagebereich der thermoelektrischen Elemente 3 benutzt werden, ohne den Verbindungsbereich bereitzustellen, und somit kann eine größere Anzahl von thermoelektrischen Elementen 3 auf der ersten Hauptoberfläche α angeordnet werden. Als Ergebnis kann der Energieerzeugungs-Wirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung 1 weiter verbessert werden, während die hermetische Abdichtung beibehalten wird.
  • Als nächstes wird eine zweite Variante der ersten Ausführungsform nachstehend erläutert.
  • Die zweite Variante unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch eine andere Konfiguration der Durchgangslochverdrahtung 13, wie es in 9 gezeigt ist. Genauer gesagt wird bei der zweiten Variante, wie es in 10A gezeigt, zuerst im Voraus ein Durchgangsloch 13A in dem Metallsubstrat 2 ausgebildet, um die Durchgangslochverdrahtung 13 zu bilden. Dann wird, wie in 10B gezeigt ist, das Isoliermaterial 13B in das Durchgangsloch 13A gefüllt, um das in dem Metallsubstrat 2 gebildete Durchgangsloch 13A einmal abzudichten. Dann wird die Isolierschicht 6 mit den ersten Verdrahtungsschichten 7 auf der ersten Hauptoberfläche α verbunden, und eine Isolierschicht 13C und die Metallschicht 14 (beide werden in 10 nicht gezeigt) werden mit der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 verbunden. Daher werden die Metallschicht 14, die Isolierschicht 13C, das Metallsubstrat 2, die Isolierschicht 6 und die ersten Verdrahtungsschichten 7 der Reihe nach von unten betrachtet ausgebildet (siehe 9).
  • In diesem Zustand wird, wie in 10C gezeigt ist, ein durch jeweilige vorhergehende Schichten laufendes Durchgangsloch 13D gebildet. Das Durchgangsloch 13D wird beispielsweise durch die maschinelle Fertigung mit dem Bohrer gebildet. Das Durchgangsloch 13D kann ebenfalls durch Stanzen gebildet werden. Wie in 10D gezeigt ist, wird die Durchgangslochverdrahtung 13 mindestens entlang der inneren Wand des Durchgangslochs 13D ausgebildet. Die Durchgangslochverdrahtung 13 kann beispielsweise durch Plattierung gebildet werden. Dann wird die externe Elektrode 16 mit der Metallschicht 14 über das Lötmittel 15 verbunden.
  • Weil ein derartiges Verfahren der Herstellung der Durchgangslochverdrahtung 13 benutzt wird, kann der innere Raum C1 in der thermoelektrischen Vorrichtung 1 hermetisch abgeschlossen und die Energieerzeugungsleistung des thermoelektrischen Elements 3 verbessert werden. Als Ergebnis kann nicht nur eine thermoelektrische Vorrichtung 1, die in der Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist, und ein Verfahren zu deren Herstellung erreicht werden, sondern die Durchgangslochverdrahtung 13 kann ebenfalls einfach hergestellt werden, ohne eine besondere Anordnung oder dergleichen bei der Herstellung der Durchgangslochverdrahtung 13 zu verwenden.
  • Als nächstes wird eine dritte Variante der ersten Ausführungsform nachstehend erläutert.
  • Wie in 11 gezeigt ist, unterscheidet sich die dritte Variante gegenüber der ersten Ausführungsform in der Konfiguration der Durchgangslochverdrahtung 13. Zuerst wird ein Durchgangsloch 23A im Voraus gebildet, um die Durchgangslochverdrahtung 23 in dem Metallsubstrat 2 zu bilden. Dieses Durchgangsloch 23A wird gebildet, sodass sein Öffnungsdurchmesser auf der hinteren Oberfläche größer als der Durchmesser auf der Oberfläche (der ersten Hauptoberfläche α) des Metallsubstrats 2 ist. Dann wird ein Isoliermaterial 23B in das Durchgangsloch 23A gefüllt, um das in dem Metallsubstrat 2 gebildete Durchgangsloch 23A einmal zu vergraben. In diesem Fall wird das Isoliermaterial 23B gefüllt, nicht um das Durchgangsloch 23A vollständig zu vergraben, sondern um eine Ausnehmung von der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 aus betrachtet zu bilden.
  • Dann wird die Isolierschicht 6 mit den ersten Verdrahtungsschichten 7 darauf mit der Oberfläche des Metallsubstrats 2 verbunden, und ein durch jeweilige Schichten mit Ausnahme der ersten Verdrahtungsschichten 7 laufendes Durchgangsloch 23C wird gebildet. Das Durchgangsloch 23C wird beispielsweise durch die maschinelle Fertigung mit dem Bohrer gebildet. Das Durchgangsloch 23C kann ebenfalls durch Stanzen gebildet werden.
  • Dann wird die Durchgangslochverdrahtung 23 an einer inneren Wand des Durchgangsloch 23C gebildet, und ein Landabschnitt 23D wird ebenfalls gebildet, um das Isoliermaterial 23B zu kontaktieren und eine koplanare Oberfläche mit der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 zu bilden. Die Durchgangslochverdrahtung 23 und der Landabschnitt 23D können beispielsweise durch Plattierung gebildet werden. Dann wird, obwohl in 11 nicht gezeigt, die externe Elektrode 16 über das Lötmittel 15 verbunden.
  • Weil ein derartiges Verfahren zur Herstellung der Durchgangslochverdrahtung 13 benutzt wird, kann der innere Raum C1 in der thermoelektrischen Vorrichtung 1 hermetisch abgeschlossen werden, und der Energieerzeugungs-Wirkungsgrad der thermoelektrischen Elemente 3 kann verbessert werden. Als Ergebnis kann eine thermoelektrische Vorrichtung 1, die in der Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung implementiert werden, und eine Größe des zu bildenden Landabschnitts 23D kann ebenfalls in der Ausgestaltung frei entschieden werden. Genauer gesagt wird, wie durch A in 11 gezeigt ist, da ein Abstand zwischen dem Landabschnitt 23D und dem Metallsubstrat 2, d. h. ein Isolierabstand, frei entschieden werden kann, die Isolierung zwischen dem Landabschnitt 23D und dem Metallsubstrat 2 sicherer ausgeführt. Da ein Bereich des Verbindungsabschnitts zwischen der externen Elektrode 16 und dem Landabschnitt 23D hinsichtlich eines Ausgleichs mit dem Isolierabstand maximiert werden kann, kann die Verbindung zwischen der externen Elektrode 16 und dem Landabschnitt 23D einfacher verstärkt werden.
  • Bei der dritten Variante wird das Durchgangsloch 23A als ein gestuftes Loch geöffnet. Das Loch, das irgendein Profil aufweist, wie beispielsweise ein spitz zulaufendes Loch, kann geöffnet werden, wenn das Loch, das sich auf der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 öffnet, größer als das Loch auf der Oberfläche ist, d. h. dass sich sein Öffnungsdurchmesser von der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 zu der Oberfläche verringert.
  • Es ist ebenfalls ähnlich dem Landabschnitt 23D bei der dritten Variante für die Installation wünschenswert, dass der Landabschnitt 23D eine koplanare Oberfläche bildet. Es ist jedoch nicht immer erforderlich, dass der Landabschnitt 23D die koplanare Oberfläche bilden muß. Vorzugsweise sollte jedoch in Betracht gezogen werden, den Kontakt zwischen dem Metallsubstrat und der kalten Wärmequelle nicht zu stören.
  • Als nächstes wird eine vierte Variante der ersten Ausführungsform nachstehend erläutert.
  • Wie in 12 gezeigt ist, umfasst die thermoelektrische Vorrichtung 1 gemäß der vierten Variante ein derartiges Merkmal, dass Rippen 2a an der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 bereitgestellt werden. Bei der vierten Variante wird ein Metall, das ohne weiteres durch die maschinelle Fertigung verarbeitet werden kann, als das Metallsubstrat 2 benutzt, wobei die Rippen 2a hergestellt werden können, wobei Schneiden, Ätzen oder dergleichen an der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 angewendet wird.
  • Mit anderen Worten werden die Rippen 2a, deren Wärmestrahlungseffekt hoch ist, an der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 bereitgestellt, die als die Wärmestrahlungsseite wirkt. Daher kann der Wärmestrahlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung 1 verbessert werden, und die Energieerzeugungsleistung des thermoelektrischen Elements 3 kann weitaus mehr verbessert werden. Als Ergebnis kann die Energieerzeugungsleistung des thermoelektrischen Vorrichtung 1 zusätzlich verbessert werden.
  • Hier werden die Rippen 2a nicht durch Bearbeiten der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 hergestellt, sondern die Rippen 2a, die als getrennter Körper aus dem Metallsubstrat 2 hergestellt sind, können an die hintere Oberfläche des Metallsubstrats 2 angepasst werden.
  • Als nächstes wird eine fünfte Variante der ersten Ausführungsform nachstehend erläutert.
  • Wie in 13A und 13B gezeigt ist, liegt ein Merkmal der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß der fünften Variante darin, dass das Metallsubstrat 2 eine Wärmeaustauschmantel-Funktion aufweist. 13B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B der Draufsicht aus 13A, die einen Wärmeaustauschmantel 2b zeigt.
  • Genauer gesagt wird die Wärmeaustauschmantel-Funktion aufgebaut, indem ein Strömungsweg 2c bereitgestellt wird, der in dem Inneren des Metallsubstrats 2 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gelegt wird, um ein Medium zu zirkulieren. Um einen gleichmäßigen und hohen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad zu erzielen, wird der Strömungsweg 2c zickzackmäßig durch den Gesamtbereich des Metallsubstrats 2 mit Ausnahme des Verbindungsbereichs zu der externen Elektrode 16 gelegt. In dem Fall, dass das Metallsubstrat 2 hergestellt wird, indem zwei Bahnen von Substraten zusammen verklebt werde und dann der Strömungsweg 2c in mindestens einem der geklebten Substrate durch maschinelle Fertigung, Ätzen oder dergleichen gebildet wird, kann die Wärmeaustauschmantel-Funktion einfach an dem Metallsubstrat 2 bereitgestellt werden.
  • Die Wärmeaustauschmantel-Funktion, die eine hohe Wärmeaustauschwirkung aufweist, wird an dem Metallsubstrat 2 bereitgestellt. Daher kann der Wärmeaustausch-Wirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung 1 verbessert werden, und die Energieerzeugungsleistung des thermoelektrischen Elements 3 kann ebenfalls verbessert werden. Als Ergebnis kann die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung 1 weitaus mehr verbessert werden.
  • Ähnlich der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß der obigen vierten Variante kann bei der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß der fünften Variante der Wärmeaustauschmantel 2b als von dem Metallsubstrat getrennt hergestellter Körper auf der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 angebracht werden. Wie in 14 gezeigt ist, können die bei der vierten Variante beschriebenen Rippen 2a ebenfalls vorgesehen werden, um einen Oberflächenbereich zu erhöhen.
  • Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform nachstehend erläutert. Bei der zweiten Ausführungsform und jeweiligen Varianten der zweiten Ausführungsform werden die gleichen Bezugssymbole für die gleichen Bestandteile verwendet, die bei der ersten Ausführungsform erläutert wurden, und die redundanten Erläuterungen der gleichen Bestandteile wurden weggelassen.
  • Wie in 15 gezeigt ist, umfasst eine thermoelektrische Vorrichtung 31 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung das Substrat 32, die thermoelektrischen Element 3 auf dem Substrat 32 und den Deckel 34, und enthält auch eine Sprühablagerung 35, die ausgebildet ist, um eine innere Oberfläche des isolierenden Deckels 34 eng zu kontaktieren.
  • Das Substrat 32 wird durch ein isolierendes Substrat 32a, ein auf dem isolierenden Substrat 32a bereitgestellter Metallfilm 32b und Verdrahtungsschichten 37 aufgebaut. Hier bedeutet die Oberfläche des Substrats 32 jene Oberfläche, auf der die thermoelektrischen Elemente angebracht werden, und seine hintere Oberfläche bedeutet die Oberfläche, auf der der Metallfilm 32b bereitgestellt wird. Als das isolierende Substrat 32a kann z. B. vorzugsweise ein Harz oder ein keramisches Pulver enthaltendes Harz zusätzlich zu der keramischen Platte, wie in 15 gezeigt ist, bei der zweiten Ausführungsform verwendet werden. Der Metallfilm 32b kann z. B. ebenfalls auf der hinteren Oberfläche des isolierenden Substrats 32a durch Schweißen, Aufdampfung oder dergleichen gebildet werden. Als der Metallfilm 32b kann z. B. vorzugsweise Kupfer benutzt werden. Die thermoelektrischen Elemente 3 werden mit den Verdrahtungsschichten 37 auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 32a über das Verbindungsmaterial 8, wie beispielsweise das Lötmittel oder dergleichen, verbunden.
  • Für das thermoelektrische Element 3 gibt es zwei Arten, jene die aus dem thermoelektrischen Element vom p-Typ 3a und jene die aus dem thermoelektrischen Element vom n-Typ 3b bestehen. Eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom p-Typ 3a und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom n-Typ 3b sind abwechselnd elektrisch in Reihe geschaltet und thermisch parallel von der Wärmeabsorptionsseite zu der Wärmestrahlungsseite ausgerichtet.
  • Der Deckel 34 ist beispielsweise aus einem Metall, wie beispielsweise Kovar, Edelstahl (vorzugsweise SUS304) oder dergleichen gebildet, und die Sprühablagerung 35 wird bereitgestellt, um die innere Oberfläche des Deckels 34 eng zu kontaktieren. Hier bedeutet die innere Oberfläche des Deckels 34 die Oberfläche, die der Oberfläche des Substrats 32 über die thermoelektrischen Elemente 3 gegenüberliegt. Eine Oberfläche des Deckels 34, die die Außenseite kontaktiert, wenn die thermoelektrische Vorrichtung 31 fertig gestellt wird, wird als eine äußere Oberfläche angenommen.
  • Das isolierende keramische Material wird als die Sprühablagerung 35 verwendet. Als dieses keramische Material kann beispielsweise weißes Alumina, graues Alumina, Magnesiaspinell, Chrom, Zirkonium oder dergleichen verwendet werden, das die elektrische Isolationseigenschaft und Abriebwiderstand aufweist und beispielsweise mit Kovar oder Edelstahl kompatibel ist, die den Deckel 34 bilden, kann geeignet ausgewählt werden und dann gesprüht werden. Hier kann eine Gesamtoberfläche des Deckels 34 als ein Sprühbereich der Sprühablagerung 35 auf der inneren Oberfläche des Deckels 34 eingestellt werden. Die Sprühablagerung 35 muss jedoch zu einem Ausmaß ausgebildet sein, sodass eine derartige Sprühablagerung 35 mindestens einen Bereich abdeckt, in dem die thermoelektrischen Elemente 3 ausgerichtet sind.
  • Der Deckel 34 ist in einer Position angeordnet, die die oberen Oberflächen der mehreren thermoelektrischen Elemente 3 abdeckt, und ist mit einem Rahmenkörper 39 verbunden. Wenn der Deckel 34 und der Rahmenkörper 39 miteinander verbunden sind, wird das dünne Metalldrahtnetz 9, das auf die thermoelektrischen Elemente 3 gesetzt ist, mit dem Deckel 34, dem Rahmenkörper 39 und dem Substrat 32 gedrückt, um einen Druck in der Längsrichtung der thermoelektrischen Elemente 3, d. h. der Richtung, entlang welcher Strom aufgrund der Erzeugung einer elektromotorischen Kraft fließt, auszuüben.
  • Ein Abschnitt des Rahmenkörpers 39, der den Deckel 34 kontaktiert, ist in eine Flansch-Form geformt. Der seitliche Oberflächenabschnitt des Deckels 34, auf dem der Flansch-Endabschnitt des Rahmenkörpers 39 überlagert ist, wird über seinen gesamten Umfang durch Laserschweißen geschweißt.
  • Das dünne Metalldrahtnetz 9, das als maschenähnliches leitendes Element dient, ist an den Endabschnitten der thermoelektrischen Elemente 3 angeordnet, die nicht mit den Verdrahtungsschichten 37 gebondet sind, um sich über ein Paar von thermoelektrischen Elementen 3 zu erstrecken.
  • Der Rahmenkörper 39 ist mit dem isolierenden Substrat 32a über ein zum Bonden dienendes Klebematerial 41 an einer Rahmen verbindenden Elektrode 40 verbunden bzw. gebondet, die auf dem peripheren Abschnitt der Oberfläche des isolierenden Substrats 32a vorgesehen ist. D. h., der Rahmenkörper 39 umgibt die thermoelektrischen Elemente 3 und verbindet das Substrat 32 und den Deckel 34. Als das zum Bonden dienende Klebematerial 41 wird z. B. vorzugsweise Hartlot-Füllmetall benutzt.
  • Auf diese Art und Weise umfasst die thermoelektrische Vorrichtung 31 einen Raum in ihrer Innenseite, der von dem Substrat 32, dem Deckel 34 und dem Rahmenkörper 39 umgeben ist. Dieser innere Raum bildet eine kastenförmige Struktur, die hermetisch von der Außenseite abgeschlossen ist. Die Innenseite der kastenförmigen Struktur wird auf eine Niederdruckatmosphäre eingestellt, sodass es schwierig ist, diese kastenförmige Struktur zu verformen und zu zerstören, sogar wenn sie einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Jeweilige thermoelektrische Elemente 3 sind hermetisch in der kastenförmigen Struktur abgeschlossen, in der die Niederdruckatmosphäre aufrechterhalten wird.
  • Eine Durchgangslochverdrahtung 42, die bereitgestellt wird, um durch das isolierende Substrat 32a zu laufen, ist mit der externen Elektrode 43 an dem Abschnitt des nach außen freigelegten isolierenden Substrats 32a über das Verbindungsmaterial (nicht gezeigt) verbunden. Somit wird die in den thermoelektrischen Elementen 3 erzeugte elektromotorische Kraft nach außen geführt.
  • Als nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung (Verfahren zum Zusammenbauen) der thermoelektrischen Vorrichtung 31 mit Bezug auf 16 bis 23 nachstehend erläutert.
  • Wie in 16 gezeigt ist, wird zuerst das Substrat 32 mit Ausnahme des Deckels 34 der thermoelektrischen Vorrichtung 31 hergestellt. Die Verdrahtungsschichten 37 werden mit der Oberfläche des Substrats 32 verbunden, das aus dem isolierenden Substrat 32a und dem Metallfilm 32b besteht, und die Durchgangslochverdrahtung 42 und die externe Elektrode 43 werden ebenfalls gebildet. Die Verdrahtungsschichten 37 werden nicht mit der Gesamtoberfläche des Substrats 32, sondern mit dem Mittelabschnitt des Substrats 32 verbunden, sodass der Bereich, mit dem die Verdrahtungsschichten 37 nicht verbunden sind, an dem peripheren Abschnitt entlang des Umfangs des Substrats 32 vorhanden ist, um den Verbindungsbereich an dem Rahmenkörper 39 auf der Oberfläche des Substrats 32 zu bilden. Der periphere Abschnitt des Substrats 32 wird als der Verbindungsbereich zwischen dem Rahmenkörper 39 und dem Substrat 32 verwendet, und der die Elektrode 40 verbindende Rahmen ist darauf ausgebildet.
  • Wie in 17 gezeigt ist, ist der Rahmenkörper 39 auf dem Rahmen, der die auf dem Substrat 32 ausgebildete Verbindungselektrode 40 verbindet, über das zum Bonden dienende Klebematerial 41 verbunden.
  • Wie in 18 gezeigt ist, ist das Verbindungsmaterial 8 auf vorbestimmten Abschnitten der Verdrahtungsschichten 37 beschichtet. Als das Verbindungsmaterial 8 wird z. B. vorzugsweise das Lötmittel benutzt. Das Material ist jedoch nicht besonders begrenzt, solange ähnliche Wirkungen zu jenen bei der zweiten Ausführungsform erreicht werden können.
  • Wie in 19 gezeigt ist, wird eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 3a, 3b an die Positionen gesetzt, auf denen das Verbindungsmaterial 8 beschichtet ist, in Übereinstimmung mit der bei der ersten Ausführungsform beispielsweise beschriebenen Ausrichtung, und dann werden jeweils die thermoelektrischen Elemente 3a, 3b mit den Verdrahtungsschichten 37 verbunden. Wenn Lötmittel beispielsweise als Verbindungsmaterial 8 verwendet wird, werden jeweils die thermoelektrischen Elemente 3a, 3b gemeinsam mit den Verdrahtungsschichten 37 in dem Aufschmelzofen verbunden.
  • Dann wird der Deckel 34 hergestellt. Wie in 20 gezeigt ist, wird der Deckel 34 angeordnet, so dass seine äußere Oberfläche nach unten gerichtet ist (seine innere Oberfläche nach oben). Ein Abdichtungsloch 34a wird zuvor in dem Deckel 34 ausgebildet.
  • Dann wird, wie in 21 gezeigt ist, die Sprühablagerung (spray deposit) 35 auf der inneren Oberfläche des Deckels 34 ausgebildet. Wie oben als Beispiel beschrieben ist, wird weißes Aluminiumoxid (Alumina) oder dergleichen vorzugsweise als Sprühablagerung 35 benutzt. Das Material ist jedoch nicht besonders begrenzt, solange zur zweiten Ausführungsform ähnliche Wirkungen erzielt werden können.
  • Wie in 22 gezeigt ist, wird ein wärmebeständiger Klebstoff 35a auf der Sprühablagerung 35 beschichtet, und dann werden die dünnen Metalldrahtnetze 9 als das leitende Element damit verbunden. Bei der zweiten Ausführungsform wird ein anorganisches Klebematerial als wärmebeständiger Klebstoff 35a verwendet, so dass kein Gas oder dergleichen erzeugt wird, auch wenn die thermoelektrische Vorrichtung 31 bei einer hohen Temperatur verwendet wird. Der wärmebeständige Klebstoff 35a kann in einer Menge geschichtet werden, die ausreicht, um vorübergehend das dünne Metalldrahtnetz 9 festzuhalten. Abschnitte, an denen der wärmebeständige Klebstoff 35a beschichtet ist, schwellen ebenfalls an, um Unregelmäßigkeiten auf der Sprühablagerung 35 zu bilden. In diesem Fall kann, weil sich das dünne Metalldrahtnetz 9 entlang der Unregelmäßigkeiten verformt, eine derartige Unregelmäßigkeit durch das dünne Metalldrahtnetz 9 absorbiert werden, wenn das dünne Metalldrahtnetz 9 in Kontakt mit den thermoelektrischen Elementen 3 gebracht wird. Hier können, sogar wenn lediglich die dünnen Metalldrahtnetze 9 auf die vorbestimmten Positionen der Sprühablagerung 35 gesetzt werden, um den wärmebeständigen Klebstoff 35a nicht zu verwenden, Vorteile erreicht werden, die jenen der vorliegenden Ausführungsform ähnlich sind.
  • Dann werden das Substrat 32 und der Deckel 34, die jeweils auf diese Art und Weise hergestellt wurden, miteinander verbunden, so dass die Oberfläche des Substrats 32 der inneren Oberfläche des Deckels 34 über den Rahmenkörper 39 gegenüberliegt. In 23 wird ein derartiges Fall angenommen, dass die Sprühablagerung 35 und die dünnen Metalldrahtnetze 9 gemeinsam ohne den wärmebeständigen Klebstoff 35a bei den Herstellungsschritten des Deckels 34 verbunden werden. Mit anderen Worten werden die dünnen Metalldrahtnetze 9 einfach auf die auf der inneren Oberfläche des Deckels 34 ausgebildete Sprühablagerung 35 gesetzt, sodass die dünnen Metalldrahtnetze 9 fallen, wenn die innere Oberfläche des Deckels 34 während des Verbindens mit dem Substrat 32 nach unten gerichtet wird. Aus diesem Grund werden der Deckel 34 und der Rahmenkörper 39 so miteinander verbunden, dass das Substrat 32 positioniert ist, dass die thermoelektrischen Elemente 3 nach unten gerichtet sind, und dann wird das Substrat 32 auf den Deckel 34 gesetzt.
  • Im Gegensatz dazu fallen, wenn die dünnen Metalldrahtnetze 9 in der Sprühablagerung 35 mit wärmebeständigem Klebstoff 35a angebracht sind, die dünnen Metalldrahtnetze 9 nicht. Daher sind im Gegensatz zu dem obigen Fall die besonderen Verbindungsprozeduren nicht erforderlich, und das Substrat 32 und der Deckel 34 können jeweils miteinander verbunden werden.
  • Auf diese Art und Weise wird, weil das Substrat 32 und der Deckel 34 miteinander verbunden sind, so dass die Oberfläche des Substrats 32 der inneren Oberfläche des Deckels 34 über den Rahmenkörper 39 gegenüberliegt, ein innerer Raum C2 erzeugt, in dem die thermoelektrischen Elemente ausgerichtet sind. Eine Innenseite des inneren Raums C2 wird auf Niederdruckatmosphäre mittels des Abdichtungsloches 34a eingestellt, das zuvor in dem Deckel 34 bereitgestellt wurde. Bei der zweiten Ausführungsform wird beispielsweise der Druck um 0,07 MPa gegenüber Atmosphärendruck verringert, oder die Atmosphäre wird auch auf als nicht-oxidierende Atmosphäre durch Fallen mit Stickstoff, Argon oder dergleichen eingestellt, und dann wird der innere Raum C2 hermetisch abgeschlossen, indem das Abdichtungsloch 34a durch den Laser geschmolzen wird. So kann eine thermoelektrische Vorrichtung 31 mit einer hermetisch abgeschlossenen Struktur erhalten werden. In diesem Fall ist die Anzahl der Durchgangslochverdrahtungen 42, die an der thermoelektrischen Vorrichtung 31 bereitgestellt werden, nicht auf Eins begrenzt, und eine Mehrzahl von Durchgangslochverdrahtungen 42 kann bereitgestellt werden.
  • Gemäß der so hergestellten thermoelektrischen Vorrichtung 31 ist es unnötig, die Elektrode vom Kappentyp und die Isolierplatte bereitzustellen, und lediglich die Sprühablagerung 35 und die dünnen Metalldrahtnetze 9 werden zwischen der inneren Oberfläche des Deckels 34 und den thermoelektrischen Elementen 3 bereitgestellt. Daher kann, da eine größere Anzahl von thermoelektrischen Elementen 3 auf der Oberfläche des Substrats 32 bereitgestellt werden können, die Ausgangsdichte erhöht werden, und die mechanischen Kontakte zwischen der Wärmequelle und den thermoelektrischen Elementen werden ebenfalls durch Verringern der Anzahl von Artikeln verringert, um den Wärmewiderstand abzusenken. Als Ergebnis kann eine thermoelektrische Vorrichtung 31, die im Stande ist, die Energieerzeugungsleistung zu verbessern, verwirklicht werden, und diese thermoelektrische Vorrichtung 31 kann ebenfalls mit niedrigen Kosten und guter Produktivität hergestellt werden.
  • Als nächstes wird eine erste Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung nachstehend erläutert.
  • Bei der zweiten Ausführungsform werden der Deckel 34 und der Rahmenkörper 39 aus Metall gebildet. Die erste Variante unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass das Substrat 32 ebenfalls aus Metall gebildet ist, und auch dass der Deckel 34 unterschiedlich geformt ist. D. h., die Sprühablagerung 35 bei der zweiten Ausführungsform wird der thermoelektrischen Vorrichtung 1 der ersten Ausführungsform zur Verfügung gestellt.
  • Wie in 24 gezeigt ist, umfasst eine thermoelektrische Vorrichtung 51 gemäß der ersten Variante der zweiten Ausführungsform das Metallsubstrat 2, die auf die Oberfläche des Metallsubstrats 2 gebrachten thermoelektrischen Elemente 3 und den Deckel 24 mit einer oberen Wand, deren innere Oberfläche der Oberfläche des Metallsubstrats 2 gegenüberliegt, und einer seitlichen Wand, die mit dem Randabschnitt der oberen Wand gekoppelt und mit dem peripheren bzw. Rand-Abschnitt des Metallsubstrats 2 verbunden ist. Außerdem umfasst die thermoelektrische Vorrichtung 51 ferner die Sprühablagerung 35, die die innere Oberfläche des Deckels 24 kontaktiert, und die dünnen Metalldrahtnetze 9, die die Elektroden der thermoelektrischen Elemente 3 und die Sprühablagerung 35 kontaktieren. Die Isolierschicht 6 wird in dem Mittelabschnitt der Oberfläche des Metallsubstrats 2 bereitgestellt, und die leitenden Verdrahtungsschichten 37 werden auf die Isolierschicht 6 gesetzt.
  • Der Deckel 24 bei der ersten Variante ist in der Konfiguration mit dem Deckel 4 bei der ersten Ausführungsform identisch. Daher gibt es keine Notwendigkeit, den Rahmenkörper 39 bei der zweiten Ausführungsform an dem peripheren Abschnitt der Oberfläche des Metallsubstrats 2 bereitzustellen, und somit kann die Anzahl von Artikeln verringert werden. Beispielsweise wird der Deckel 24 bei der ersten Variante aus Kovar oder Edelstahl gebildet, und eine Dicke des Elements wird auf 0,2 mm oder weniger eingestellt.
  • Der Deckel 24 wird ebenfalls durch einstückiges Ausbilden des Deckels 34 und des Rahmenkörpers 39 bei der zweiten Ausführungsform aufgebaut und metallisch mit dem Metallsubstrat 2 durch das Laserschweißen verbunden. Hier kann die Verbindungsfähigkeit zwischen dem Deckel 24 und dem Metallsubstrat 2 verbessert werden, indem das verbindende Metallelement 5, wie beispielsweise eine Nickelfolie (Ni-Folie) oder dergleichen, dazwischen angeordnet wird.
  • Die Durchgangslochverdrahtung 13, die bereitgestellt wird, um durch das Metallsubstrat 2 zu laufen, und die Isolierschicht 6 ist mit der Metallschicht 14 an dem Abschnitt verbunden, der an der Außenseite des Metallsubstrats 2 freigelegt ist, und dann wird die Metallschicht 14 mit der externen Elektrode 16 über das Lötmittel 15 verbunden. Somit kann eine in den thermoelektrischen Elementen 3 erzeugte elektromotorische Kraft nach außen geführt werden.
  • Das Metallsubstrat 2 und der Deckel 24, die auf diese Art und Weise ausgebildet sind, werden beispielsweise gemeinsam mittels Laser metallisch verbunden, und somit wird der innere Raum C2 erzeugt, wobei die thermoelektrischen Elemente ausgerichtet sind. Eine Innenseite des inneren Raums C2 wird auf die Niederdruckatmosphäre durch ein Abdichtungsloch 4b eingestellt, das zuvor in dem Deckel 24 bereitgestellt wurde, oder die Atmosphäre wird ebenfalls auf die nicht-oxidierende Atmosphäre durch Füllen von Stickstoff, Argon oder dergleichen eingestellt, und dann wird der innere Raum C2 hermetisch durch Schmelzen des Dichtungslochs 4b mittels Laser abgeschlossen. Demgemäß kann eine thermoelektrische Vorrichtung 51 mit einer hermetisch abgeschlossenen Struktur erhalten werden.
  • Mit der so hergestellten thermoelektrischen Vorrichtung 51 kann, da der Deckel 24 in einer Form gebildet ist, die die obere Wand aufweist, deren innere Oberfläche der Oberfläche des Metallsubstrats 2 gegenüberliegt, und die Seitenwand mit dem peripheren Abschnitt der oberen Wand gekoppelt und mit dem peripheren Abschnitt des Metallsubstrats 2 verbunden ist, die Anzahl von Artikeln verringert werden. Zur gleichen Zeit gibt es keine Notwendigkeit, die Elektrode vom Kappentyp und die isolierende Platte bereitzustellen, und lediglich die Sprühablagerung 35 und die dünnen Metalldrahtnetze 9 werden zwischen der inneren Oberfläche des Deckels 24 und den thermoelektrischen Elementen 3 bereitgestellt. Daher kann, da eine größere Anzahl von thermoelektrischen Elementen 3 auf der Oberfläche des Metallsubstrats 2 bereitgestellt werden kann, die Ausgangsdichte erhöht werden, und mechanische Kontakte zwischen der Wärmequelle und den thermoelektrischen Elementen werden ebenfalls durch Verringern der Anzahl von Artikeln verringert, um den Wärmewiderstand abzusenken. Als Ergebnis kann die Energieerzeugungsleistung, die in dem inneren Raum C2 der thermoelektrischen Vorrichtung 51 bereitgestellt wird, verbessert werden, während die Anzahl von Artikeln verringert wird, und eine thermoelektrische Vorrichtung 51, die hinsichtlich Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist, kann verwirklicht werden, und die so thermoelektrische Vorrichtung 51 kann ebenfalls mit niedrigen Kosten und mit guter Produktivität hergestellt werden.
  • Als nächstes wird eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung nachstehend erläutert.
  • Bei der ersten Variante ist der Deckel 24 mit dem peripheren Abschnitt auf der Oberfläche des Metallsubstrats 2 über dem verbindenden Metallelement 5 verbunden. Diese zweite Variante unterscheidet sich dahingehend, dass der Deckel mit dem peripheren Abschnitt auf der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 verbunden ist. D. h., bei der zweiten Ausführungsform wird die Sprühablagerung 35 für die thermoelektrische Vorrichtung 1 bereitgestellt, die bei der ersten Variante der ersten Ausführungsform gezeigt ist.
  • Wie in 25 gezeigt ist, ist der Rahmenkörper 4a des Abschnitts zum Abdecken der seitlichen Oberflächen der thermoelektrischen Elemente 3 aufgebaut, um um die hintere Oberfläche des Metallsubstrats 2 zu gehen, und der Rahmenkörper 4a und der periphere Abschnitt der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 werden miteinander über das verbindende Metallelement 5 verbunden. Daher kann der Verbindungsbereich mit dem Rahmenkörper 4a auf der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 verglichen mit der Oberfläche des Metallsubstrats 2 ausreichend gesichert werden. Die Dicke des Metallsubstrats 2 in diesem Verbindungsbereich (dem peripheren Abschnitt der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2) wird dünner als die des Mittelabschnitts der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 eingestellt. Somit kann eine Ausrichtung des verbindenden Metallelements 5 einfach ausgeführt werden, und der Rahmenkörper 4a (der Verbindungsbereich) ragt ebenfalls nicht von dem Mittelabschnitt der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 hervor. Außerdem werden die Sprühablagerung 35, die die innere Oberfläche des Deckels 4 kontaktiert, und die dünnen Metalldrahtnetze 9, die die Elektroden der thermoelektrischen Elemente 3 und die Sprühablagerung 35 kontaktieren, bereitgestellt.
  • So wird der Rahmenkörper 4a mit der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 verbunden, ohne den Verbindungsbereich auf der Oberfläche des Metallsubstrats 2 vorzusehen. Daher kann die Oberfläche des Metallsubstrats 2 wirksam als der Montagebereich der thermoelektrischen Elemente 3 benutzt werden, und somit kann eine größere Anzahl von thermoelektrischen Elementen 3 angeordnet werden. Zur gleichen Zeit ist es unnötig, die Elektrode vom Kappentyp und die isolierende Platte bereitzustellen, und lediglich die Sprühablagerung 35 und die dünnen Metalldrahtnetze 9 werden zwischen der inneren Oberfläche des Deckels 4 und den thermoelektrischen Elementen 3 vorgesehen. Daher kann die Ausgangsdichte erhöht werden, und die mechanischen Kontakte zwischen der Wärmequelle und den thermoelektrischen Elementen werden ebenfalls durch Verringern der Anzahl von Artikeln verringert, um den Wärmewiderstand abzusenken. Als Ergebnis kann die in dem inneren Raum C2 bei einer thermoelektrischen Vorrichtung 61 bereitgestellte Energieerzeugungsleistung verbessert werden, während die Anzahl von Artikeln verringert wird, und eine thermoelektrische Vorrichtung 61, die hinsichtlich Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist, kann verwirklicht werden, und diese thermoelektrische Vorrichtung 61 kann ebenfalls mit niedrigen Kosten und mit guter Produktivität hergestellt werden.
  • Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform nachstehend erläutert. Bei der dritten Ausführungsform werden die gleichen Bezugssymbole für die gleichen Bestandteile verwendet, die bei der ersten Ausführungsform erläutert wurden, und somit werden redundante Erläuterungen der gleichen Bestandteile hier weggelassen.
  • 26 ist eine Schnittansicht der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß der dritten Ausführungsform. Die von den thermoelektrischen Elementen 3 erzeugte elektromotorische Kraft wird zu der Außenseite der thermoelektrischen Vorrichtung 1 geführt, wobei sie durch die Durchgangslochverdrahtung 13, die Metallschicht 14, das Lötmittel 15 bzw. die externe Elektrode 16 läuft. Bei der dritten Ausführungsform wird ein isolierendes Material 18 zur Isolation gegenüber dem Kühlmittel auf der Oberfläche gegenüberliegend jener Oberfläche bereitgestellt, die mit dem Lötmittel 15 der externen Elektrode 16 verbunden ist.
  • Bei der thermoelektrischen Vorrichtung 1 etc. bei obigen jeweiligen Ausführungsformen werden die Dicken des Metallsubstrats 2 und dergleichen in dem Bereich der Durchgangslochverdrahtung 13 verringert, die verwendet wird, um die elektromotorische Kraft auszugeben, um die externe Elektrode 16 etc. darin aufzunehmen. Die resultierende Dicke, die erhalten wird, nachdem die Durchgangslochverdrahtung 13, die Metallschicht 14, das Lötmittel 15 und die externe Elektrode 16 übereinander angeordnet sind, ist identisch mit der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2.
  • Bei der dritten Ausführungsform wird die Schichtdicke der Durchgangslochverdrahtung 13, der Metallschicht 14, des Lötmittels 15, der externen Elektrode 16 und des in dem Bereich der Durchgangslochverdrahtung 13 bereitgestellten isolierenden Materials 18, um die elektromotorische Kraft auszugeben, um eine Länge γ dünner als die hintere Oberfläche des Metallsubstrats 2 (wird von der Oberfläche des Metallsubstrats 2 aus betrachtet ausgenommen). D. h., dass ein Abstand von der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 zu einer verbundenen Oberfläche zwischen der Durchgangslochverdrahtung 13 und der Metallschicht 14 um eine Länge γ länger als ein Abstand von dem isolierenden Material 18 zu einer verbindenden Oberfläche zwischen der Durchgangslochverdrahtung 13 und der Metallschicht 14 ist.
  • Mit anderen Worten kann, da eine Schichtdicke der Durchgangslochverdrahtung 13 zu dem isolierenden Material 18 dick wird, indem beispielsweise das isolierende Material 18 bereitgestellt wird, eine derartige Situation berücksichtigt werden, dass, wenn das Kühlmittel mit der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 in Kontakt gebracht wird, ein Spielraum aufgrund einer Gesamtdicke von der Durchgangslochverdrahtung zu dem isolierenden Material 18 gebildet wird. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, eine Zunahme des Wärmewiderstands aufgrund des zwischen dem Kühlmittel und der hinteren Oberfläche des Metallsubstrats 2 erzeugten Spielraums zu vermeiden. Daher kann die Wärmestrahlung von der thermoelektrischen Vorrichtung 1 wirksam ausgeführt werden, und somit kann der Energieerzeugungs-Wirkungsgrad der thermoelektrischen Elemente 3 verbessert werden. Als Ergebnis kann die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung 1 weiter verbessert werden.
  • Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform nachstehend erläutert. Bei der vierten Ausführungsform werden die gleichen Bezugssymbole für die gleichen Bestandteile verwendet, die bei der ersten Ausführungsform erläutert wurden, und die redundante Erläuterunge der gleichen Bestandteile hier weggelassen.
  • Bei der vierten Ausführungsform gibt es das Merkmal, dass die bei den obigen Ausführungsformen verwendeten dünnen Metalldrahtnetze 9 mit einer Metallfolie umwickelt sind. Ein mit dieser Metallfolie umwickeltes dünnes Metalldrahtnetz 9a (nachstehend als ein „dünnes Metalldrahtnetz mit Folie 9a bezeichnet) kann beispielsweise durch das folgende Verfahren hergestellt werden.
  • Zuerst werden, wie in 27A gezeigt ist, eine zylindrische Metallfolie 9c, die durch Schweißen einer Metallfolie 9b ähnlich einem kreisförmigen Zylinder gebildet wird, und die in 27B gezeigten dünnen Metalldrahtnetze 9 hergestellt. Dann wird das dünne Metalldrahtnetz mit Folie 9a hergestellt, indem das dünne Metalldrahtnetz 9 durch die zylindrische Metallfolie 9c geleitet (siehe 27C), und dann diese zylindrische Metallfolie 9c in eine geeignete Größe geschnitten wird, wie durch eine gepunktete Linie angegeben ist.
  • Das dünne Metalldrahtnetz mit Folie 9a kann ebenfalls durch das beispielsweise in 28 gezeigte Verfahren hergestellt werden. D. h. es werden, wie in 28A gezeigt ist, die dünnen Metalldrahtnetze 9 zwischen zwei Bahnen von Metallfolien 9b gesetzt, und dann werden die Metallfolien 9b an beiden Seiten der dünnen Metalldrahtnetze 9 geschweißt (siehe 28B). Dann werden die gewünschten dünnen Metalldrahtnetze mit Folie 9a durch Schneiden einer Mehrzahl von geschweißten dünnen Metalldrahtnetzen mit Folie 9a in eine durch eine gepunktete Line angegebene gewünschte Größe erhalten.
  • Weil derartige dünne Metalldrahtnetze mit Folie 9a benutzt werden, kann eine Haftfähigkeit zwischen den dünnen Metalldrahtnetzen 9 und den thermoelektrischen Elementen 3 erhöht werden, und eine Verringerung des Wärmewiderstands kann ebenfalls erreicht werden. Weil die dünnen Metalldrahtnetze 9 mit der Metallfolie 9b umwickelt sind, kann ebenfalls eine derartige Situation verhindert werden, dass der dünne Cu-Draht der dünnen Metalldrahtnetze 9 bricht und fällt, so dass er mit den ersten Verdrahtungsschichten 7 etc. in Kontakt kommt und einen Kurzschluss verursacht, und somit kann eine weitaus größere Verbesserung in der Energieerzeugungsleistung erreicht werden. Außerdem kann, weil die dünnen Metalldrahtnetze mit Folie 9a bei der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung 1 und dergleichen aufgenommen und gehandhabt werden können, der Schritt des Einsetzens der dünnen Metalldrahtnetze 9 auf die thermoelektrischen Elemente 3 automatisiert werden, und die Produktivität der thermoelektrischen Vorrichtung 1 und dergleichen kann ebenfalls verbessert werden.
  • Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform nachstehend erläutert. Bei der fünften Ausführungsform und einer Variante der fünften Ausführungsform werden die gleichen Bezugssymbole für die gleichen Bestandteile verwendet, die bei der ersten Ausführungsform erläutert wurden, und somit die redundanten Erläuterungen der gleichen Bestandteile hier weggelassen.
  • Wie in 29 gezeigt ist, umfasst eine thermoelektrische Vorrichtung 71 gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung ein Metallsubstrat 72, an einem Mittelabschnitt der Oberfläche des Substrats 72 angebrachten thermoelektrischen Elemente 3, einen mit dem peripheren Abschnitt der Oberfläche des Substrats 72 verbundenen Rahmenkörper 74, um die thermoelektrischen Elemente 3 an seiner Innenseite zu umgeben, Hauptverdrahtungen 75, deren erste Enden elektrisch mit den thermoelektrischen Elementen 3 auf der Oberfläche des Substrats 72 und deren andere Enden mit der externen Elektrode verbunden sind, die sich nach außen von dem Rahmenkörper 74 erstreckt, und einen Deckel 76, der angeordnet ist, so dass er der Oberfläche des Substrats 72 gegenüberliegt, wobei die thermoelektrischen Elemente 3 in dem Raum dicht angeschlossen sind, der durch diesen Deckel 76, das Substrat 72 und den Rahmenkörper 74 gebildet wird.
  • Ein erster isolierenden Film 77 wird auf der Oberfläche des Metallsubstrats 72 bereitgestellt, und erste leitende Elektroden 78 werden auf dem Mittelabschnitt des ersten isolierenden Films 77 gesetzt. Als der erste isolierende Film 77 sollte vorzugsweise ein Harz oder ein ein keramisches Pulver enthaltendes Harz benutzt werden. Bei der fünften Ausführungsform kann konkret Kupfer für das Substrat 72 und die ersten Elektroden 78 benutzt werden, und ein ein keramisches Pulver enthaltendes Epoxydharz kann als der erste isolierende Film 77 benutzt werden. Die thermoelektrischen Elemente 3 werden mit den ersten Elektroden 78 über ein zum Bonden geeignetes Material 79, wie beispielsweise Lötmittel oder dergleichen, verbunden.
  • Ein isolierendes Substrat 80 ist an den Endabschnitten der thermoelektrischen Elemente 3 angeordnet, die nicht mit den ersten Elektroden 78 verbunden sind. Zweite Elektroden 81 sind auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 80 (der unteren Oberfläche in 29) über ein Paar von thermoelektrischen Elementen 3 ausgebildet. Ein Metallfilm 82 wird auf dem gesamten Bereich der hinteren Oberfläche (der oberen Oberfläche in 29) des isolierenden Substrats 80 bereitgestellt. Weil eine derartige Struktur benutzt wird, bei der das isolierende Substrat 80 zwischen den zweiten Elektroden 81 und dem Metallfilm 82 gesetzt wird, kann eine mechanische Festigkeit des isolierenden Substrats 80 erhöht werden, und ein Kontakt-Wärmewiderstand zwischen dem Metallfilm 82 und dem Deckel 76, der die Außenseite kontaktiert, kann ebenfalls verringert werden. Somit kann ein Temperaturunterschied zwischen den oberen und unteren Enden der thermoelektrischen Elemente 3 erhöht werden, und daher kann die Energieerzeugungsfähigkeit verbessert werden.
  • Der Rahmenkörper 74 ist jeweils mit dem Substrat 72 (Metallfolie 83) und dem Deckel 76 in dem peripheren Abschnitt der Oberfläche des Substrats 72 verbunden, um die thermoelektrischen Elemente 3 zu umgeben, und somit wird die thermoelektrische Vorrichtung 71 als eine kastenförmige Struktur aufgebaut. Der Rahmenkörper 74 wird aus Metall, wie beispielsweise Edelstahl (vorzugsweise SUS304) oder dergleichen, gebildet und metallisch mit dem Substrat 72 verbunden, in dem eine Nickelfolie zwischen der Metallfolie 83 und dem Rahmenkörper 74 gesetzt wird und dann Laserschweißen auf sie angewendet wird.
  • Die Hauptverdrahtungen 75 werden auf der Oberfläche des Substrats 72 bereitgestellt, um unter dem Rahmenkörper 74 hindurch zu laufen. Die thermoelektrischen Elemente 3 sind mit den Elektroden elektrisch verbunden, die in den Bereichen der einen Endabschnitte der Hauptverdrahtungen 75 aufgebaut sind, und die Bereiche der anderen Endabschnitte sind zu der Außenseite des Rahmenkörpers 74 verlängert, um unter dem Rahmenkörper 74 hindurch zu laufen. Die Bereiche der anderen Endabschnitte wirken als die externen Elektroden, von denen die in den thermoelektrischen Elementen 3 erzeugte elektromotorische Kraft zu der Außenseite der thermoelektrischen Vorrichtung 71 geführt wird. Auf diese Art und Weise kann, weil die elektromotorische Kraft zu der Außenseite der thermoelektrischen Vorrichtung 71 ohne die Durchgangslochverdrahtung ausgegeben wird, ein durch die Durchgangslochverdrahtung erzeugter elektrischer Widerstand beseitigt werden, und somit kann die Energieerzeugungsfähigkeit der thermoelektrischen Vorrichtung 71 verbessert werden.
  • Der Deckel 76 wird aus Metall, wie beispielsweise Kovar, Edelstahl (vorzugsweise SUS304) oder dergleichen gebildet. Weil insbesondere das gleiche Material als Rahmenkörper 74 benutzt wird, kann die Verbindung zwischen dem Deckel 74 und dem Rahmenkörper 74 und die hermetischen Abdichtung ohne Weiteres erzielt werden. Der Deckel 76 ist angeordnet, wobei der Metallfilm 82 kontaktiert wird, um die oberen Oberflächen der thermoelektrischen Elemente 3 abzudecken und der Oberfläche des Substrats 72 über dem Rahmenkörper 74 gegenüberzuliegen. Wenn der Deckel 76 und der Rahmenkörper 74 zusammen verbunden sind, werden das auf die thermoelektrischen Elemente 3 gesetzte isolierende Substrat 80 (zweite Elektrode 81) durch den Deckel 76 und das Substrat 72 gehalten und dazwischen angeordnet, sodass ein Druck in der Längsrichtung der thermoelektrischen Elemente 3, d. h. der Richtung entlang der Strom nach der Erzeugung der elektromotorischen Kraft fließt, angelegt wird.
  • Somit umfasst die thermoelektrische Vorrichtung 71 einen inneren Raum, der von dem Substrat 72, dem Rahmenkörper 74 und dem Deckel 76 umgeben wird und eine kastenförmige Struktur bildet, wobei der innere Raum von dem externen Bereich abgeschlossen ist. Die Innenseite der kastenförmigen Struktur wird auf Niederdruckatmosphäre eingestellt, sodass es schwierig ist, diese kastenförmige Struktur zu verformen und zu zerstören, sogar wenn sie einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, oder die Innenseite der kastenförmigen Struktur wird hermetisch abgeschlossen, indem in ihr eine nicht-oxidierende Atmosphäre eingerichtet wird.
  • Als nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung (Verfahren zum Zusammenbauen) der thermoelektrischen Vorrichtung 71 mit Bezug auf 30 bis 40 nachstehend erläutert.
  • Wie in 30 gezeigt ist, wird der erste isolierende Film 77 auf der Oberfläche des Metallsubstrat 72 bereitgestellt, und dann werden die ersten Elektroden 78 damit verbunden. Zu dieser Zeit werden die Hauptverdrahtungen 75 verbunden, um die Endabschnitte des Substrats 72 und des ersten isolierenden Film 77 gleichmäßig zu machen.
  • Die Hauptverdrahtung 75 läuft unter dem Rahmenkörper 74 in einem Teil des Bereichs des Substrats 72 (erster isolierende Film 77), an dem der Rahmenkörper 74 verbunden ist, und wird dann von der Innenseite des Rahmenkörpers 74, in dem die thermoelektrischen Elemente 3 platziert sind, nach außen verlängert. D. h. es werden, wie in 31 gezeigt ist, der Elektrodenbereich an einem Ende, der externe Elektrodenbereich an dem anderen Ende und der Bereich, der zwischen dem Elektrodenbereich und dem externen Elektrodenbereich gesetzt wird, der Hauptverdrahtung 75 zur Verfügung gestellt, wie oben beschrieben ist. Der Rahmenkörper 74 wird auf dem Bereich bereitgestellt, der zwischen dem Elektrodenbereich und dem externen Elektrodenbereich liegt, und wird beispielsweise im engeren Sinne als die Hauptelektrode verwendet. Um den Rahmenkörper 74 horizontal auf dem Substrat 72 (erster isolierender Film 77) zu bilden, muss die gleiche Höhe wie die Hauptverdrahtung 75 in den Bereichen sichergestellt werden, mit denen der Rahmenkörper 74 verbunden ist, von denen jedoch die Hauptverdrahtung 75 nicht geführt wird. Daher werden, wie in 31 und 32 gezeigt ist, Rahmenkörper verbindende Metallfolien 85 in den Bereichen, an denen der Rahmenkörper 74 verbunden ist, von denen jedoch die Hauptverdrahtung 75 nicht geführt wird, an den peripheren Abschnitten der Oberfläche des Substrats 72 (erster isolierende Film 77) gebildet. Hier bedeutet in 30 die Oberfläche des Substrats 72 die obere Oberfläche, mit der der erste isolierende Film 77 verbunden ist.
  • Wie in 32 und 33 gezeigt ist, wird Prepreg 86, in dem die Metallfolie 83 auf einem zweiten isolierenden Film 84 ausgebildet ist, auf die Bereiche der peripheren Abschnitte der Oberfläche des Substrats 72, an denen der Rahmenkörper 74 verbunden ist, und den Bereich des Mittelabschnitts der Oberfläche des Substrats 72, auf dem die thermoelektrischen Elemente 3 angebracht sind, geklebt. D. h., die äußeren Umfänge der Rahmenkörper verbindenden Metallfolien 85, die auf den peripheren Abschnitten der Oberfläche des Substrats 72 ausgebildet sind, und ein äußerer Umfang des Prepregs 86 stimmen miteinander überein, und der zweite isolierende Film 84 ist ebenfalls direkt mit den den Rahmenkörper verbindenden Metallfolien 85 verbunden.
  • Wenn die thermoelektrische Vorrichtung 71 betrieben wird, dient der Rahmenkörper 74 als Wärmeleitpfad, der die Wärmeabsorptionsseite und die Wärmestrahlungsseite verbindet, wobei jedoch die durch die Innenseite des Rahmenkörpers 74 fließenden Wärmemenge nicht zu der Energieerzeugung der thermoelektrischen Vorrichtung 71 beiträgt. Bei der fünften Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, eine Struktur benutzt, bei der der zweite isolierende Film 84, der eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweist, zwischen den Hauptverdrahtungen 75, den Rahmenkörper verbindenden Metallfolien 85 und der Metallfolie 83 laminiert ist. Mit dieser Anordnung kann die zu den thermoelektrischen Elementen 3 gelieferte Wärmemenge erhöht werden, indem die Wärmemenge verringert wird, die durch den mit der Metallfolie 83 verbundenen Rahmenkörper 74 läuft, und somit kann die Energieerzeugungsfähigkeit der thermoelektrischen Vorrichtung 71 verbessert werden.
  • Dann wird, wie in 34 gezeigt ist, das Prepreg 86 entfernt, um den Bereich zurückzulassen, mit dem der Rahmenkörper 74 verbunden ist. Als Entfernungsverfahren kann ein Verfahren zum Entfernen der Metallfolie durch Ätzen oder ein Verfahren zum Entfernen des Isolierfilms durch Schleifen in Betracht gezogen werden. Das Entfernungsverfahren ist jedoch nicht auf diese begrenzt. Als Ergebnis werden, wie aus 35 ersichtlich ist, der zweite isolierende Film 84 und die Metallfolie 83 (Prepreg 86) über die Hauptverdrahtungen 75 ausgebildet, so dass sie die thermoelektrischen Elemente 3 darin einschließen. In diesem Fall können, weil der zweite isolierende Film 84 zwischen den Hauptverdrahtungen 75 und der Metallfolie 83 ausgebildet ist, Nachteile, wie beispielsweise ein Kurzschluss zwischen den Hauptverdrahtungen 75 und der Metallfolie 83 und dgl., verhindert werden.
  • Dann wird, wie in 36 gezeigt ist, das Verbindungsmaterial 79 auf den ersten Elektroden 78 geschichtet, und dann wird eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 3a und 3b in Übereinstimmung mit der bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Anordnung ausgerichtet. Dann werden jeweils die ersten Elektroden 78 und die thermoelektrischen Elemente 3a, 3b miteinander verbunden. In diesem Fall wird vorzugsweise Lötmittel als das Verbindungsmaterial 79 verwendet. Das Material ist jedoch nicht besonders beschränkt, wenn ähnliche Wirkungen wie bei anderen Ausführungsformen erreicht werden können. Wenn z. B. Lötmittel auch als das Verbindungsmaterial 79 benutzt wird, werden jeweils die ersten Elektroden 78 und die thermoelektrischen Elemente 3a, 3b bei einer Temperatur miteinander verbunden, die der Art des in dem Aufschmelzofen verwendeten Lötmittels entspricht.
  • Wie in 37 gezeigt ist, ist der Rahmenkörper 74 mit der Metallfolie 83 beispielsweise durch Laserschweißen verbunden. Da die Abschnitte, auf denen die Hauptverdrahtungen 75 ausgebildet sind, und die verbleibenden Abschnitte bereits gleichmäßig in der Höhe eingestellt wurden, gibt es keine Notwendigkeit, die Höhe des Rahmenkörpers 74 abhängig von den verbundenen Stellen zu ändern, und die Horizontalität kann ebenfalls ohne Weiteres über den vollen Umfang sichergestellt werden. Das Laserschweißen kann ebenfalls lediglich die verbundenen Abschnitte lokal erwärmen, so dass nicht die gesamte thermoelektrische Vorrichtung 71 erwärmt wird. Daher kann der Rahmenkörper 74 verbunden werden, nachdem die thermoelektrischen Elementen 3 und die ersten Elektroden 78 verbunden sind, indem das Verbindungsmaterial 79 verwendet wird, so dass die Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung 71 vereinfacht werden kann.
  • Dann wird, wie es in 38 gezeigt ist, das isolierende Substrat 80 auf die Oberfläche und die hinteren Oberfläche, auf denen jeweils die zweiten Elektroden 81 und der Metallfilm 82 bereits bereitgestellt wurden, gesetzt. Insbesondere wird die zweite Elektrode 81 aufgebracht, so dass sie die thermoelektrischen Elemente 3a und 3b kreuzt (sie elektrisch verbindet). Dann wird eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom p-Typ 3a und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen vom n-Typ 3b zwischen den ersten Elektroden 78 und den zweiten Elektroden 81 abwechselnd elektrisch in Reihe geschaltet. Bei diesem Schritt wird das isolierende Substrat 80 nicht mit den thermoelektrischen Elementen 3 verbunden, sondern einfach darauf gesetzt.
  • Dann werden, wie in 39 gezeigt ist, der Deckel 76 und der Rahmenkörper 74 durch Laserschweißen miteinander verbunden. Da der Rahmenkörper 74 mit der Metallfolie 83 verbunden wird, während seine horizontale Lage auf der Oberfläche des Substrats 72 beibehalten wird, wie oben beschrieben ist, kann der Deckel 76 mit dem Rahmenkörper 74 verbunden werden, so dass die hermetische Abdichtung beibehalten wird. Bei der fünften Ausführungsform wird SUS304 als die Materialien des Deckels 76 und des Rahmenkörpers 74 verwendet. Die Materialien des Deckels 76 und des Rahmenkörpers 74 sind jedoch nicht auf dieses Material beschränkt, wenn die hermetische Abdichtung beibehalten werden kann.
  • So wird, weil der Deckel 76 und das Substrat 72 über dem Rahmenkörper 74 verbunden sind, ein innerer Raum C3 erzeugt, in dem die thermoelektrischen Elemente ausgerichtet sind. Dieser innere Raum C3 wird auf eine Niederdruckatmosphäre durch Benutzen eines Abdichtungslochs (nicht gezeigt) eingestellt, das zuvor in dem Deckel 76 bereitgestellt wurde. Der innere Raum C3 kann auch mit einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durch Füllen von Stickstoff, Argon oder dgl. Versehen werden, und dann wird das Abdichtungsloch durch den Laser geschmolzen, um den inneren Raum hermetisch abzuschließen. Demgemäß kann die thermoelektrische Vorrichtung 71 mit der hermetischen Abdichtungsstruktur erhalten werden.
  • So wird die durch die thermoelektrischen Elemente 3 erzeugte elektromotorische Kraft nicht über die Durchgangslochverdrahtung sondern über die Hauptverdrahtungen 75, die auf dem Metallsubstrat 72 ausgebildet sind, zu der Außenseite geführt. Daher kann ein Anstieg des elektrischen Widerstands, der durch das Vorsehen der Durchgangslochverdrahtung verursacht wird, vermieden werden.
  • Wie in 40 dargestellt ist, werden, wenn die thermoelektrische Vorrichtung 71 aus der durch einen Pfeil in 29 angegebenen Richtung D betrachtet wird, die die Rahmenkörper verbindenden Metallfolien 85, die die gleiche Höhe wie die Hauptverdrahtungen 75 aufweisen, in den Bereichen des Substrats 72 gebildet, in denen der Rahmenkörper 74 mit dem Substrat 72 verbunden, die Hauptverdrahtungen 75 jedoch nicht ausgebildet sind. Als Ergebnis werden der Rahmenkörper 74 und der Deckel 76 jeweils mit dem Substrat 72 horizontal verbunden, und somit kann die hermetische Abdichtung in dem internen Raum C3 beibehalten werden.
  • Demgemäß kann der elektrische Widerstand der thermoelektrischen Vorrichtung mit einer einfachen Konfiguration verringert werden, und die erzeugte Elektrizität kann ebenfalls wirksam nach außen geführt werden. Somit kann eine thermoelektrische Vorrichtung 71, die die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Elemente 3 verbessern kann, die in dem inneren Raum C3 in der thermoelektrischen Vorrichtung 71 vorgesehen sind, während die hermetische Abdichtung beibehalten wird, und die die ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist, auch verwirklicht werden, und diese thermoelektrische Vorrichtung 71 kann ebenfalls einfach hergestellt werden.
  • Als nächstes wird eine erste Variante der fünften Ausführungsform nachstehend erläutert.
  • Wie in 41 gezeigt ist, ist die thermoelektrische Vorrichtung 71 gemäß der ersten Variante dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen 2a auf der hinteren Oberfläche des Substrats 72 vorgesehen sind. Wie bei der fünften Ausführungsform erläutert ist, wird die in der thermoelektrischen Vorrichtung 71 erzeugte elektromotorische Kraft durch die Hauptverdrahtungen 75 nach außen ausgegeben, die auf der Oberfläche des Metallsubstrats 72 ausgebildet sind. Mit anderen Worten gibt es keine Notwendigkeit, die externe Elektrode mit der hinteren Oberfläche des Substrats 72 zu verbinden, im Gegensatz zu dem Fall, in dem die Durchgangslochverdrahtung benutzt wird, und die hintere Oberfläche des Substrats 72 kann in einem flachen Oberflächenzustand ohne Unebenheiten gehalten werden.
  • Demgemäß kann, da die Rippen 2a mit einer hohen Wärmeaustauschwirkung auf der flachen hinteren Oberfläche des Substrats 72 vorgesehen sind, der Wärmeaustauschwirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung 71 verbessert werden, und der Energieerzeugungswirkungsgrad der thermoelektrischen Elemente 3 kann ebenfalls verbessert werden. Daher kann die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung 71 weiter verbessert werden.
  • Bei der ersten Variante können, da das Metall, das ohne Weiteres durch die maschinelle Fertigung verarbeitet werden kann, als Substrat 72 benutzt wird, die Rippen 2a durch Verarbeitung der hinteren Oberfläche des Substrats 72 durch Schneiden, Ätzen oder dgl. hergestellt werden. Die Rippen 2a können ebenfalls nicht durch Verarbeiten der hinteren Oberfläche des Substrats 72, sondern an die hintere Oberfläche des Substrats 72 als ein von dem Substrat 72 getrennte Körper ausgebildet sein. Außerdem kann, wie bei der fünften Variante der ersten Ausführungsform erläutert ist (sh. 13), der Wärmeaustauschmantel 2b angepasst werden, oder die Rippen 2a und der Wärmeaustauschmantel 2b können zusammen in Kombination verwendet werden.
  • Als nächstes wird eine sechste Ausführungsform nachstehend erläutert. Bei der sechsten Ausführungsform und jeweiligen Varianten der sechsten Ausführungsform werden die gleichen Bezugssymbole für die gleichen Bestandteile verwendet, die bei der ersten Ausführungsform erläutert wurden, und somit werden redundante Erläuterungen der gleichen Bestandteile hier weggelassen.
  • Wie in 42 gezeigt ist, umfasst eine thermoelektrische Vorrichtung 91 gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung ein Substrat 92, die auf einer Oberfläche des Substrats 92 angebrachten thermoelektrischen Elemente 3, einen Deckel 94, der angeordnet ist, so dass er dem Substrat 92 gegenüberliegt, so dass die thermoelektrischen Elemente 3 dazwischen sind, und einen Rahmenkörper 95, der einen Abschnitt mit hohem Wärmewiderstand aufweist, wobei dessen eines Ende mit dem peripheren Abschnitt des Substrats 92 verbunden ist, so dass sie das thermoelektrische Element 3 darin umgeben, und wobei dessen anderes Ende mit dem peripheren Abschnitt des Deckels 94 verbunden ist.
  • Das Substrat 92 ist durch ein erstes isolierendes Substrat 92a und eine Metallfolie 92 gebildet, die auf der hinteren Oberfläche des ersten isolierenden Substrats 92a vorgesehen ist. Erste leitende Elektroden 96 werden auf einem Mittelabschnitt der Oberfläche des ersten isolierenden Substrats 92a gesetzt. Als erstes isolierendes Substrat 92a wird vorzugsweise ein Harz oder ein ein keramisches Pulver enthaltendes Harz zusätzlich zu der keramischen Platte der sechsten Ausführungsform verwendet, wie beispielsweise in 42 gezeigt ist. Die Metallfolie 92b kann auf der hinteren Oberfläche des ersten isolierenden Substrats 92a durch Verbinden, Ablagerung oder dgl. ausgebildet werden. Als Metallfolie 92b kann als bevorzugtes Beispiel Kupfer verwendet werden. Die thermoelektrischen Elemente 3 werden mit den ersten Elektroden 96 über ein erstes zum Bonden geeignetes Material 97, wie beispielsweise Lötmittel oder dgl., verbunden.
  • Ein zweites isolierendes Substrat 98 ist an den Endabschnitten der thermoelektrischen Elemente 3 angeordnet, die nicht mit den ersten Elektroden 96 verbunden sind. Zweite Elektroden 99 werden auf der Oberfläche (der unteren Oberfläche in 42) des zweiten isolierenden Substrats 98 ausgebildet, so dass sie ein Paar von thermoelektrischen Elementen 3 kreuzen, und ein Metallfilm 100 wird auf dem gesamten Bereich der hinteren Oberfläche (der oberen Oberfläche in 4) des zweiten isolierenden Substrats 98 bereitgestellt. Der Metallfilm 100 kann die mechanische Festigkeit des zweiten isolierenden Substrats 98 verstärken. Außerdem kann der Metallfilm 100 den wirksamen Kontakt des zweiten isolierenden Substrats 98 in Bezug auf den Deckel 94 verbessern und somit einen Wärmewiderstand verringern, wodurch ein Wärmeaustauschwirkungsgrad nach außen gesteigert wird.
  • Der Deckel 94 ist aus einem Metall, wie beispielsweise Kovar, Edelstahl (vorzugsweise SUS304) oder dgl. gebildet, und ist in einer Position angeordnet, die die oberen Oberflächen einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 3 abdeckt, während der Metallfilm 100 kontaktiert wird, und ist metallisch mit dem Rahmenkörper 95 verbunden. Wenn der Deckel 94 und der Rahmenkörper 95 zusammen verbunden werden, wird das zweite isolierende Substrat 98 (zweite Elektroden 99), das auf die thermoelektrischen Elemente 3 gesetzt wird, gehalten, und zwischen den Deckel 94, den Rahmenkörper 95 und das Substrat 92 angeordnet, so dass Druck in der Längsrichtung der thermoelektrischen Elemente 3, d. h. der Richtung entlang der ein Strom als Antwort auf die Erzeugung der elektromotorischen Kraft fließt, angelegt wird. Wenn beispielsweise das gleiche Metall wie der Rahmenkörper 95 als der Deckel 94 benutzt wird, kann ebenfalls Spannung, die an dem verbindenden Abschnitt zwischen dem Deckel 94 und dem Rahmenkörper 95 erzeugt wird, verringert werden, und die Druckfestigkeit kann ebenfalls ohne Weiteres gesichert werden.
  • Der Rahmenkörper 95 verbindet das Substrat 92 und den Deckel 94, der an einer Position angeordnet ist, die dem Substrat 92 an einem peripheren Abschnitt der Oberfläche des Substrats 92 gegenüberliegt, so dass sie die thermoelektrischen Elemente 3 in ihrer Innenseite umgeben und sie verbindet. Die thermoelektrische Vorrichtung 91 wird in eine kastenförmige Struktur über den Rahmenkörper 95 geformt. Der Rahmenkörper 95 ist aus einem Metall, wie beispielsweise Edelstahl (vorzugsweise SUS304) oder dgl. gebildet, und ist mit dem Deckel 94 und dem Substrat 92 über eine Rahmenkörper bondierende Metallfolie 101a bzw. eine Nickelfolie 101b metallisch verbunden. Als Metallfolie 101 zum Bonden des Rahmenkörpers kann eine Metallfolie, wie beispielsweise eine Kupferfolie, verwendet werden.
  • Die thermoelektrische Vorrichtung 91 umfasst ebenfalls einen Raum in der Innenseite, der von dem Substrat 92 und dem Deckel 94 umgeben ist, und dieser innere Raum kann hermetisch von der Außenseite abgeschlossen werden. Die Innenseite der kastenförmigen Struktur wird auf eine Niederdruckatmosphäre eingestellt, so dass es schwierig ist, diese kastenförmige Struktur zu verformen und zu zerstören, sogar wenn sie einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Jeweilige thermoelektrische Elemente 3 sind in der kastenförmigen Struktur hermetisch abgeschlossen, in der die Niederdruckatmosphäre aufrechterhalten wird.
  • Inzwischen gibt der ”Wärmewiderstand” einen Temperaturanstieg an, wenn eine elektrische Leistung von 1 Watt angelegt wird, und der Wärmewiderstand erhöht sich im Verhältnis zur Länge (Abstand). Daher wird bei den Ausführungsformen der Erfindung, da die Länge des Rahmenkörpers 95 länger als der Spielraum zwischen dem Substrat 92 und dem Deckel 94 eingestellt wird, der Wärmewiderstand des Rahmenkörpers 95 und ebenfalls die Wärmemenge erhöht, die in den Rahmenkörper 95 fließt, so dass die größere Wärmemenge an die thermoelektrischen Elemente 3 geliefert wird. Folglich kann eine Verbesserung der Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung 91 erzielt werden.
  • Der Rahmenkörper 95 gemäß der sechsten Ausführungsform ist geformt, so dass er keine gerade bzw. lineare Schnittform aufweist. Um den Wärmewiderstand zu erhöhen, wird, wie in 42 gezeigt ist, der Rahmenkörper 95 geformt, indem das Element geformt wird, so dass der den Steg bildende Abschnitt und der die Basis bildende Abschnitt seitlich abwechselnd in einer Schnittform von dem peripheren Abschnitt des Substrats 92 zu dem peripheren Abschnitt des Deckels 94 erscheinen.
  • Genauer gesagt werden, um den Rahmenkörper 95 zwischen dem Substrat 92 und dem Deckel 94 zu verlängern, wie in 42 gezeigt ist, die Elemente verbunden, so dass der den Steg bildende Abschnitt und der die Basis bildende Abschnitt abwechselnd von dem Substrat 92 zu dem Deckel 94 erscheinen, und die Anzahl von kreisförmigen Bogen (Falten) ebenfalls erhöht wird, indem der Radius des gebogenen Abschnitts so klein wie möglich gemacht wird. Beispielsweise kann in dem Fall, in dem eine Länge von der Oberfläche der Rahmenkörper bondierenden Metallfolie 101, die den Rahmenkörper 95 mit der hinteren Oberfläche des Deckels 94 kontaktiert, auf 20 mm eingestellt ist, und eine Dicke des Rahmenkörpers 95 auf 0,25 mm eingestellt ist, der Radius des gebogenen Abschnitts auf etwa 0,5 mm durch die Kunststoffverarbeitung verringert werden. In diesem Fall beträgt, wie in 43A gezeigt ist, die Anzahl von Falten des Rahmenkörpers 95, die sich zu der Außenseite der thermoelektrischen Vorrichtung 91 hin erstrecken, neun, und eine Gesamtlänge des Rahmenkörpers 95 wird etwa 31 mm.
  • Außerdem wird in dem in 43B gezeigten Fall eine Gesamtlänge des Rahmenkörpers 95 etwa 40 mm, nämlich zweimal länger als die normale Länge von der Oberfläche der Rahmenkörper bondierenden Metallfolie 101 zu der hinteren Oberfläche des Deckels 94.
  • Da der Wärmewiderstand im Verhältnis zur Länge (Abstand) erhöht wird, wird der Wärmewiderstand ebenfalls das Zweifache, wenn die Gesamtlänge fast verdoppelt wird. Wenn die Kapazität der Wärmequelle, an die die thermoelektrische Vorrichtung 91 angepasst ist, in diesem Zustand wenig begrenzt ist, reicht das Verhältnis der an die thermischen elektrischen Elemente 3 gelieferten Wärmemenge zu der durch den Rahmenkörper 95 fließenden Wärmemenge von 6:4 bis 7,5:2,5. Daher kann, da die an die thermoelektrischen Elemente 3 gelieferte Wärmemenge um das 1,25-fache erhöht wird, die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung 91 verbessert werden.
  • Außerdem können die formenden Falten (molding bellows) beispielsweise als Rahmenkörper 95 verwendet werden. Die formenden Falten werden erzeugt, indem ein Rohr in Linie mit den auf einer Matrize bereitgestellten Falten unter der Bedingung ausgerichtet werden, dass, während das Rohr, das aus dem den Rahmenkörper 95 bildenden Material hergestellt ist, durch die Matrize, auf deren Innenseite die Falten zuvor gebildet wurden, läuft und in ihr gehalten wird, wobei eine große Menge Fluid, wie beispielsweise Wasser, Öl oder dgl., durch das Rohr geleitet wird, um das Rohr nach außen durch den Druck des Fluids zu expandieren. Außerdem kann das Herstellungsverfahren zum Bilden der Falten durch Anwenden einer Zielverarbeitung, um das aus dem den Rahmenkörper 95 bildenden Material hergestellte Rohr von der Innenseite zu der Außenseite zu drücken, oder dgl., benutzt werden. Beispielsweise können die formenden Falten, die wie oben beschrieben geformt sind, als Rahmenkörper 95 verwendet werden, wenn die wärmeelektrische Vorrichtung 91 ein zylindrischer geformter Körper ist, während die formenden Falten, der durch Formen der Falten in eine rechteckige Form hinsichtlich der Kunststoffverarbeitung verarbeitet werden, als der Rahmenkörper 95 benutzt werden können, wenn die kastenförmige Struktur benutzt wird. Der Rahmenkörper 95 kann ebenfalls gebildet werden, indem die flache Platte in die gewellte Platte geformt wird, dann die Platte gebogen wird und dann beide Enden wie ein Ring geschweißt werden.
  • Der Rahmenkörper 95 ist mit dem Substrat 92 und dem Deckel 94 auf eine derartige Art und Weise verbunden, dass das eine Ende und das andere Ende des Rahmenkörpers 95, die mit dem Substrat 92 oder dem Deckel 94 verbunden sind, zu der Außenseite der thermoelektrischen Vorrichtung 91 gerichtet sind. In diesem Fall wird manchmal die Erläuterung gegeben, als ob das Substrat 92 und der Rahmenkörper 95 direkt miteinander verbunden sind, wobei jedoch tatsächlich beide Elemente über die den Rahmenkörper bondende Metallfolie 101a und die Nickelfolie 101b verbunden sind, wie es oben beschrieben ist.
  • Dann wird nachstehend eine Erläuterung gegeben, wobei der verbundene Abschnitt zwischen dem Deckel 94 und der Rahmenkörper 95 als ein Beispiel genommen wird. Wie in 44 gezeigt ist, umfasst der Rahmenkörper 95 einen zweiten Verbindungsbereich 95d, der mit dem Deckel 94 an dem anderen Ende 95c verbunden ist. Eine andere Endoberfläche 95e des anderen Endes 95c ist an der peripheren Seite des Deckels 94 angeordnet, und der Deckel 94 und der Rahmenkörper 95 sind über den zweiten Verbindungsbereich 95d miteinander verbunden. Ein Ende des Rahmenkörpers 95, das mit dem Substrat 92 verbunden ist, ist auf ähnliche Art und Weise angeordnet und mit dem Substrat 92 verbunden.
  • Weil der Rahmenkörper 95 in einer derartigen Richtung mit dem Substrat 92 und dem Deckel 94 angeordnet ist, kann ihre gemeinsame Verbindung einfacher ausgeführt werden.
  • Eine Durchgangslochverdrahtung 102, die bereitgestellt wird, um durch das Substrat 92 zu laufen, und das erste isolierende Substrat 92a ist mit einer externen Elektrode 103 in dem Abschnitt verbunden, der zu der Außenseite des Substrats 92 freigelegt ist. Dann wird die externe Elektrode 103 mit einer externen Elektrode 105 über ein zweites zum Bonden geeignetes Material 104 verbunden. Somit wird die in den thermoelektrischen Elementen 3 erzeugte elektromotorische Kraft nach außen abgegeben.
  • Die Elemente werden verbunden, so dass der den Steg bildende Abschnitt und der die Basis bildende Abschnitt abwechselnd von dem Substrat 92 zu dem Deckel 94 in einer Schnittansicht des Rahmenkörpers 95 erscheinen. Daher kann, da die Gesamtlänge des Rahmenkörpers 95 verlängert werden kann, der Wärmewiderstand des Rahmenkörpers 95 erhöht werden, und eine größere Wärmemenge kann ebenfalls zu den thermoelektrischen Elementen 3 von außen übertragen werden. Als Ergebnis kann die Energieerzeugungsleistung verbessert werden, während der hermetisch abgeschlossene Zustand beibehalten wird, und eine thermoelektrische Vorrichtung 91, deren Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist, kann verwirklicht werden.
  • Als nächstes wird eine erste Variante der sechsten Ausführungsform nachstehend erläutert.
  • Wie in 45 gezeigt ist, unterscheidet sich die Konfiguration der ersten Variante in der Form des Rahmenkörpers 110 von der in der sechsten Ausführungsform gezeigten Konfiguration. Bei der sechsten Ausführungsform wird der Rahmenkörper 95 gebildet, indem das Element so geformt wird, dass sich der einen Steg bildende Abschnitt und der eine Basis bildende Abschnitt abwechselnd in einer Schnittansicht von dem peripheren Abschnitt des Substrats 92 zu dem peripheren Abschnitt des Deckels 94 erscheinen. Bei der ersten Variante wird der Rahmenkörper 110 aufgebaut, indem ein Stegabschnitt, dessen innerer Winkel zwischen zwei Seiten ein spitzer Winkel ist, und ein Basisabschnitt, dessen externer Winkel zwischen zwei Seiten ein spitzer Winkel ist, abwechselnd in einer Schnittansicht von dem Substrat 92 zu dem Deckel 94 verbunden sind.
  • Mit anderen Worten wird angenommen, wie in 45 und 46 gezeigt ist, dass eine Linie, die parallel mit einer verbundenen Oberfläche zwischen einem Bestandteil 110a und einem weiteren Bestandteil 110a als die Bestandteile des Rahmenkörpers 110 gezogen wird, gleich X ist (sh. 46), und dass ein Winkel zwischen zwei Seiten, nämlich dieser Linie X und einer Linie Y, die auf einer Oberfläche des Bestandteils 110a erscheint, gleich Δ1 ist. Hier ist ein Winkel Δ1 gleich 90° oder kleiner. Hier wird der Fall, in dem der Steg zu der Innenseite der thermoelektrischen Vorrichtung 91 ausgebildet ist, wenn der Rahmenkörper 110 von außerhalb (von einer Position Z) der thermoelektrischen Vorrichtung 91 betrachtet wird, als der Stegabschnitt definiert, und umgekehrt wird der Fall, in dem der Steg zu dessen Außenseite ausgebildet ist, wenn der Rahmenkörper 110 von außerhalb betrachtet wird, als der Basisabschnitt definiert. Der Rahmenkörper 110 wird aufgebaut, indem abwechselnd der Steg und die Basis von dem Substrat 92 zu dem Deckel 94 verbunden werden. Genauer gesagt wird der Rahmenkörper 110 durch Aufeinanderschichten von ringähnlichen flachen Platten in einem Mittelabschnitt, in dem ein Loch gebildet ist, und dann durch abwechselndes Verbinden von peripheren Abschnitten der in dem Mittelabschnitt der flachen Platten bereitgestellten Löcher und der peripheren Abschnitt der flachen Platten hergestellt.
  • Genauer gesagt sei beispielsweise angenommen, dass die Länge von der Oberfläche der Rahmenkörper bondenden Metallfolie 101 zu der hinteren Oberfläche des Deckels 91 gleich 10 mm und die Dicke des Rahmenkörpers 110 gleich 0,25 mm bei der Position ist, an der der Rahmenkörper 110 vorgesehen ist. Wenn der Rahmenkörper 110 durch Aufeinanderschichten von 8 Bahnen von flachen Platten (später beschrieben) hergestellt wird, beträgt eine Gesamtlänge des Rahmenkörpers 110 gleich 24 mm, und die Länge wird das 2,4-fache. Wie oben beschrieben ist, wird der Wärmewiderstand das 2,4-fache, weil der Wärmewiderstand im Verhältnis zur Länge (Abstand) ist. Daher wird, weil der Wärmewiderstand des Rahmenkörpers 110 erhöht wird, der Betrag der an die thermoelektrischen Elemente 3 gelieferten Wärme erhöht und nicht der bisher erhaltene, und somit kann die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung 91 verbessert werden.
  • Hier ist der Rahmenkörper 110 mit dem Substrat 92 und dem Deckel 94 auf eine solche Art und Weise verbunden, dass das eine Ende und das andere Ende des Rahmenkörpers 110, die mit dem Substrat 92 oder dem Deckel 94 verbunden sind, zu der Außenseite der thermoelektrischen Vorrichtung 91 gerichtet sind.
  • Auf diese Art und Weise wird die Gesamtlänge des Rahmenkörpers 110 verlängert, indem der Stegabschnitt, dessen innerer Winkel zwischen zwei Seiten ein spitzer Winkel ist, und der Basisabschnitt, dessen externer Winkel zwischen zwei Seiten ein spitzer Winkel ist, abwechselnd in einer Schnittansicht von dem Substrat 92 zu dem Deckel 94 verbunden werden. Daher kann der Wärmewiderstand erhöht werden, und eine größere Wärmemenge kann ebenfalls zu den thermoelektrischen Elementen 3 von außen übertragen werden. Als Ergebnis kann die Energieerzeugungsleistung verbessert werden, während der hermetisch abgeschlossene Zustand beibehalten wird, und eine thermoelektrische Vorrichtung 91, deren Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist, kann verwirklicht werden. Wenn der Rahmenkörper 110 durch das obige Herstellungsverfahren hergestellt wird, kann der Rahmenkörper 110 außerdem ohne Weiteres hergestellt werden.
  • Als nächstes wird eine zweite Variante der sechsten Ausführungsform nachstehend erläutert.
  • Bei der zweiten Variante wird der Rahmenkörper 110 aus einer erhöhten Anzahl von Bestandteilen gebildet, beispielsweise den Bestandteilen 110a, 110b, wie es in 47 gezeigt ist, wo der mit Bezug auf den bei der ersten Variante gezeigten Rahmenkörper 110 erläutert wird. Wenn die Bestandteile 110a, 110b beispielsweise durch Laserschweißen an einer verbundenen Oberfläche 110 miteinander verbunden werden, wird der Wärmewiderstand in dem Rahmenkörper 110 erhöht, wodurch die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung verbessert wird. Nebenbei werden diese Bestandteile, die den Rahmenkörper 110 bilden, aus einem Metall, wie beispielsweise Edelstahl (vorzugsweise SUS304) gebildet.
  • Auf diese Art und Weise wird, da die den Rahmenkörper 110 bildenden Bestandteile gemeinsam so geschweißt werden, dass die verbundenen Abschnitte mit Ausnahme der Endabschnitte des Rahmenkörpers 110 in eine beliebige, den Deckel 94 und das Substrat 92 enthaltene Schnittform gebildet werden, der Wärmewiderstand des Rahmenkörpers 110 erhöht. Der Wärmewiderstand wird ebenfalls erhöht, sogar wenn der Rahmenkörper 110 und das Substrat 92 über die Metallfolie verbunden werden, die verwendet wird, um den Rahmenkörper 110 zu verbinden. Als Ergebnis wird die Wärmemenge, die an die thermoelektrischen Elemente 3 geliefert wird, weit mehr als gewöhnlich erhöht, und somit kann die Energieerzeugungsleistung der thermoelektrischen Vorrichtung 91 verbessert werden.
  • Bei der zweiten Variante wird eine Erläuterung mit dem bei der ersten Variante gezeigten Rahmenkörper 110 gegeben. Beispielsweise kann, wie es in 48 und 49 gezeigt ist, wenn eine Anzahl von Bestandteilen, die den Rahmenköper 110 bilden, verbunden werden, der Wärmewiderstand des Rahmenkörpers 110 erhöht werden. Der Fall, in dem das Schweißen mit dem Laser ebenfalls ausgeführt wird, wurde als Beispiel bisher erläutert. Ferner kann der Wärmewiderstand beispielsweise durch Anwenden von Hartlöten erhöht werden.

Claims (18)

  1. Thermoelektrische Vorrichtung, mit: einem geschlossenen Gefäß (2, 4, 5), in dem ein innerer Raum durch Metallelemente aufgebaut ist und eine erste Hauptoberfläche (α) und eine zweite Hauptoberfläche (β) einander mit einem Abstand gegenüberliegen; einer Isolierschicht (6), die auf der ersten Hauptoberfläche (α) ausgebildet ist; einer Verdrahtungsschicht (7), die auf einer Oberfläche der Isolierschicht (6) vorgesehen ist; einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (3), deren erste Enden an der Verdrahtungsschicht (7) befestigt sind, so dass sie aufrecht stehen, und die elektrisch verbunden sind; einem dünnen Metalldrahtnetz (9), das an den anderen Enden der thermoelektrischen Elemente (3) angeordnet ist, um die Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (3) elektrisch zu verbinden; und einem Isolierelement (10), das zwischen dem dünnen Metalldrahtnetz (9) und der zweiten Hauptoberfläche (β) vorgesehen ist.
  2. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Material eines der Metallelemente, das mindestens an den anderen Endseiten der thermoelektrischen Elemente (3) positioniert ist, Kovar oder rostfreier Stahl oder eine Kombination von beiden Materialien ist.
  3. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der ein verbundener Abschnitt zum Verbinden einer Mehrzahl von Metallelementen, die vorgesehen sind, um eine geschlossene Struktur des geschlossenen Gefäßes zu bilden, aus einer Legierung des Materials des Metallelements und Nickel gebildet ist.
  4. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Isolierelement (10) eine Sprühablagerung ist, die gebildet ist, so dass sie eine innere Oberfläche des Metallelements eng kontaktiert.
  5. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Sprühablagerung aus weißem Alumina, grauem Aluminiumoxid, Magnesiumspinell, Chrom oder Zirkonium gebildet ist.
  6. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit: einer Durchgangslochverdrahtung (13), die vorgesehen ist, so dass sie durch ein Substrat (2) mit der ersten Hauptoberfläche (α) läuft; und einer externen Elektrode (16) zum Entnehmen einer elektromotorischen Kraft, die in den thermoelektrischen Elementen (3) erzeugt wird, zu einer Außenseite der thermoelektrischen Elemente (3) über die Durchgangslochverdrahtung (13).
  7. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Oberfläche, die einer verbundenen Oberfläche gegenüberliegt, zwischen der externen Elektrode (16) und der Durchgangslochverdrahtung (13) an einer Position vorgesehen ist, die näher zu der Durchgangslochverdrahtung (13) als eine hintere Oberfläche des Substrats (2) ist, das die erste Hauptoberfläche (α) hat.
  8. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das dünne Metalldrahtnetz (9) mit einer Metallfolie umwickelt ist.
  9. Thermoelektrische Vorrichtung, mit: einem Metallsubstrat (2); einer Elektrode, die auf dem Metallsubstrat (2) mittels einer Isolierschicht (6) vorgesehen ist; einem thermoelektrischen Element (3), das auf der Elektrode angebracht ist; einem Rahmenkörper, der an einem peripheren Abschnitt der Oberfläche des Substrats (2) verbunden ist, um das thermoelektrische Element (3) in seiner Innenseite zu umgeben; einer Hauptverdrahtung (7, 13), die durch die Isolierschicht (6) und das Metallsubstrat (2) vorgesehen ist und deren eines Ende elektrisch mit der Elektrode und deren anderes Ende mit einer externen Elektrode (16) verbunden ist, um eine elektromotorische Kraft durch das thermoelektrischen Element (3) nach außen zu entnehmen; und einem Deckel, der angeordnet ist, um der Oberfläche des Substrats über dem Rahmenkörper gegenüberzuliegen, so dass der Deckel, das Substrat (2) und der Rahmenkörper das thermoelektrische Element umschließen.
  10. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der eine Elektrode, die mit dem thermoelektrischen Element (3) elektrisch verbunden ist, einstückig mit einem Ende der Hauptverdrahtung aufgebaut ist, und die externe Elektrode (16) einstückig mit dem anderen Ende der Hauptverdrahtung aufgebaut ist.
  11. Thermoelektrische Vorrichtung, mit: einem Metallsubstrat (2); einem thermoelektrischen Element (3), das auf einer Oberfläche des Substrats (2) angebracht ist; einem Deckel (4), der angeordnet ist, um der Oberfläche des Substrats (2) über dem thermoelektrischen Element (3) gegenüberzuliegen; und einem Rahmenkörper (4a), der einen geformten Abschnitt mit hohem Wärmewiderstand aufweist, dessen eines Ende mit einem peripheren Abschnitt des Substrats (2) verbunden ist, um einen Umfang des thermoelektrischen Elements (3) zu umgeben, und dessen anderes Ende mit einem peripheren Abschnitt des Deckels (4) verbunden ist.
  12. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der der geformte Abschnitt mit hohem Wärmewiderstand geformt ist, indem ein Element gebildet ist, so dass mehrere gebogene Abschnitte von einem Ende zu dem anderen Ende erscheinen.
  13. Thermoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der der geformte Abschnitt mit hohem Wärmewiderstand geformt ist, indem Elemente abwechselnd von dem Substrat zu dem Deckel verbunden werden, so dass ein Stegabschnitt, dessen innerer Winkel zwischen zwei Seiten ein spitzer Winkel ist, und ein Basisabschnitt, dessen externer Winkel zwischen zwei Seiten ein spitzer Winkel ist, abwechselnd erscheinen.
  14. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, mit: einem Schritt eines Anbringens eines thermoelektrischen Elements (3) auf einem Substrat (2); einem Schritt eines Anpassens eines Rahmenkörpers (4a) an einen peripheren Abschnitt einer Oberfläche des Substrats (2); einem Schritt eines Befestigens eines dünnen Metalldrahtnetzes (9) auf einer Sprühablagerung, die auf einer inneren Oberfläche eines Deckels (4) durch Sprühen eines Isoliermaterials gebildet ist; und einem Schritt eines Anordnens des Deckels (4), so dass die innere Oberfläche des Deckels (4) der Oberfläche des Substrats (2) gegenüberliegt, so dass der Deckel (4) das dünne Metalldrahtnetz (9) gegen die andere Elektrode des thermoelektrischen Elements (3) über die Sprühablagerung drückt, und eines hermetischen Abdichtens des thermoelektrischen Elements (3) in einem Raum, der von dem Substrat (2), dem Deckel (4) und dem Rahmenkörper (4a) umgeben wird, indem ein peripherer Abschnitt des Deckels (4) an den Rahmenkörper (4a) angepasst wird.
  15. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei dem der hermetische Abdichtungsschritt ein Schritt zum hermetischen Abdichten durch Schweißen von Endabschnitten des Rahmenkörpers (4a) auf das Substrat (2) ist.
  16. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem der Schritt des Befestigens des dünnen Metalldrahtnetzes (9) auf der Sprühablagerung ein Schritt des Verbindens des dünnen Metalldrahtnetzes (9) über ein anorganisches Ablagerungsmittel ist, das auf der Sprühablagerung beschichtet ist.
  17. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, mit: einem Schritt eines Bildens einer Hauptverdrahtung auf einer Oberfläche eines Metallsubstrats (2) von einem Mittelabschnitt zu einem peripheren Abschnitt; einem Schritt eines Verbindens eines Rahmenkörpers (4a) mit einem peripheren Abschnitt einer Oberfläche des Substrats (2), um die Hauptverdrahtung zu kreuzen; einem Schritt eines elektrischen Verbindens eines thermoelektrischen Elements (3) mit einer Elektrode, die in einem Bereich eines Endabschnitts der Hauptverdrahtung aufgebaut ist; und einem Schritt eines Anpassens eines Deckels (4) an eine Oberfläche des Substrats (2) über den Rahmenkörper und eines Abdichtens des thermoelektrischen Elements (3) in einem Raum, der von dem Substrat (2), dem Rahmenkörper (4a) und dem Deckel (4) umgeben ist.
  18. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Anspruch 17, ferner mit: einem Schritt eines Klebens eines Prepregs, bei dem ein isolierender Adhäsionsfilm ausgebildet ist, auf eine Metallfolie, auf einen Bereich, mit dem der Rahmenkörper (4a) verbunden ist, und einen Mittelabschnitt der Oberfläche des Substrats (2), auf dem die thermoelektrischen Elemente (3) angebracht sind, nachdem die Hauptverdrahtung gebildet ist; und einem Schritt des Entfernens des Prepregs von dem Mittelabschnitt der Oberfläche des Substrats (2).
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