JP2013531370A

JP2013531370A - 熱電素子

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Publication number: JP2013531370A
Application number: JP2013512814A
Authority: JP
Inventors: シュパーン・ゲールハルト
Original assignee: オー−フレックス・テクノロジーズ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: WO2011151144A3; DE102010022668A1; RU2546830C2; CN102947960A; DE102010022668B4; WO2011151144A2; RU2012157991A; US20130081665A1; JP5788501B2; EP2577756A2; CN102947960B; EP2577756B1

Abstract

本発明は、半導体材料から成るｎ型熱電素片とｐ型熱電素片とがある少なくとも１つの熱電対を有する熱電素子に関する。この場合、これらの熱電素片が、熱電素子の高温側と低温側との間に延在し、異なる高さの温度が、当該高温側と当該低温側との間で印加可能であるか又は獲得可能である。
少ない半導体材料にもかかわらず十分な機械的な安定性を保証する、高い熱出力密度を有する熱電素子を提供するため、直方体の熱電効果と支持機能とを２つの構造部品に分割することが提唱される。多数の部分から成るキャリアが、当該支持機能を請け負う一方で、当該熱電効果は、このキャリア上に配置された、特に薄膜として形成された熱電素片から得られる。

Description

本発明は、半導体材料から成るｎ型熱電素片とｐ型熱電素片とがある少なくとも１つの熱電対を有する熱電素子に関する。この場合、これらの熱電素片が、熱電素子の高温側と低温側との間に延在し、異なる高さの温度が、当該高温側と当該低温側との間で印加可能であるか又は獲得可能であり、当該熱電素子が、キャリアを有する。

熱電素子の当該作用は、熱電効果に基づく：

ゼーベック効果の場合、電圧が、相違する温度を有する電気伝導体又は半導体の２点間で発生する。ゼーベック効果は、電圧の発生を表す一方で、ペルチェ効果は、専ら外部電流の通電によって発生する。電流が流れている熱電対中では、当該２つの効果が常に発生する。相違する電熱容量を有する２つの導体又は半導体が接触され、電子が、外部から印加された電流によって一方の導体又は半導体から他方の導体又は半導体中に流れるときに、ペルチェ効果が発生する。適切な材料、特に半導体材料によって、通電で温度差を発生させることが成し遂げられるか、又は、反対に温度差から通電を発生させることが成し遂げられる。

熱を電気エネルギーに直接に変換することが、複数の熱電素子を有する熱電発電機によって可能である。これらの熱電素子は、特に相違する型の半導体材料から構成される。このため、当該効果が、相違する２つの材料であってその一方の端部が互いに接合されているこれらの材料に比べて著しく向上されることを可能にする。従来の半導体材料は、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、ＳｉＧｅ、ＢｉＳｂ又はＦｅＳｉ２である。十分に高い電圧を得るため、複数の熱電素子が、モジュールに統合され電気的に直列接続され、場合によっては並列接続にもされる。

従来の熱電素子は、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料とから成る２つ又は複数の小さい直方体から構成される。当該ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料との上側と下側とが、金属ブリッジを通じて互い違いに互いに結合されている。同時に、これらの金属ブリッジが、熱電素子の高温側上又は低温側上に熱接触面を形成し、間隔をあけて互いに配置された２つのセラミック板間に少なくとも配置されている。熱電素片とも呼ばれる１つのｎ型の直方体と１つのｐ型の直方体とがそれぞれ、１つの熱電対を構成する。この場合、これらの直方体が、熱電素子の高温側と低温側との間に延在する。これらの相違する型の直方体が、直列回路を構成するように、これらの相違する型の直方体が、金属ブリッジによって互いに結合されている。

電流が、これらの直方体に供給されると、これらの直方体の接合地点が、電流の強さ及び電流の方向に応じて冷える一方で、これらの直方体の接合地点が、その対向する側で熱せられる。したがって、当該印加された電流が、当該２つのセラミック板間に温度差を発生させる。当該通電中に、異なる高さの温度が、対向するセラミック板に印加されると、電流が、当該温度差に応じて熱電素子のこれらの直方体中に流れる。

全方向のこれらの直方体の辺長は、１〜３ｍｍである。これらの直方体の形は、さいころの形にほぼ近い。相当な厚さの直方体が必要である。何故なら、これらの直方体は、熱電効果を得るために使用されるのではなくて、さらに熱電素子の機械的な安定性を担うからである。特に、接合地点として作用する金属ブリッジが、熱電素子の高温側又は低温側のセラミック板を支持する。それ故に、これらの直方体は、熱電効果を得るためには必要でない多くの半導体材料を必要とする。その結果、一般的な用途向けの熱電モジュールの面積当たりの熱出力密度は非常に大きいものの、一組の既知の熱電素子当たりの電力密度及び熱出力密度は比較的小さい。

米国特許出願公開第２００７／０１５２３５２号明細書は、複数の熱電対を有する熱電デバイスを開示する。これらの熱電対がそれぞれ、半導体材料から成る１つのｎ型熱電素片と１つのｐ型熱電素片とから構成される。この熱電デバイスは、開口部を包囲するフレーム形状のキャリア構造体を有する。基板が、このキャリア構造体のこの開口部内に配置されている。この基板は、電子ユニットを収容するために使用される。この電子ユニットの温度が、当該熱電デバイスのアシストによって周囲温度の上又は下に適切に維持されなければならない。熱絶縁構造体が、この基板とこの基板を包囲するキャリア構造体との間に存在する。全ての熱電対の熱電素片が、この熱絶縁構造体上だけに配置されている。電流が、当該熱電デバイスの稼働中に直列接続されたこれらの熱電対中に流れる。当該通電は、熱エネルギーが基板から熱絶縁構造体を経由してキャリア構造体まで伝達されることを引き起こす。これによって、基板とこの基板上に配置された電子ユニットとが冷却される。

米国特許出願公開第２００７／０１５２３５２号明細書

本発明の課題は、この従来の技術から出発して、少ない半導体材料にもかかわらず十分な機械的な安定性を保証する、一組の熱電素子当たり高い熱出力密度を有する熱電素子を提供することにある。これらの熱電素子及びこれらの熱電素子から製造されたモジュールの絶対的な熱出力及び出力密度が、当該熱電素子及びモジュールの使用時に生じる熱出力及び出力密度に対して良好に適合され得る。

この課題の解決策は、直方体の熱電効果と支持機能とを２つの構造部品に分割するという考えに基づく。多数の部分から成るキャリアが、当該支持機能を請け負う一方で、当該熱電効果は、このキャリア上に配置された熱電素片から得られる。

特に、この課題は、冒頭で述べた種類の熱電素子の場合は、
（ａ）前記キャリアが、第１キャリア部分とより高い熱伝導率を有する第２キャリア部分とを備え、
（ｂ）前記第１キャリア部分と前記第２キャリア部分とが、これらのキャリア部分に比べてより小さい熱伝導率を有する区間によって互いに分離されていて、
（ｃ）前記キャリア上に配置された前記熱電素片が、前記第１キャリア部分と前記第２キャリア部分との間に延在し且つより小さい熱伝導率を有する前記区間をブリッジし、これらのキャリア部分のうちの一方のキャリア部分が、前記熱電素子の高温側を形成し、その他方のキャリア部分が、前記熱電素子の低温側を形成することによって解決される。

当該キャリアが、安価で且つ半導体材料に比べて機械的に安定な材料から構成され得る。その結果、このキャリアは、同じ機械的な安定性の場合はより僅かな構造空間で済む。特に直方体として形成されたキャリアは、より丈夫な材料を使用する場合は、例えば従来の半導体の直方体より薄い厚さを有する。

熱電対の熱電素片が、特に膜として、特に薄膜として又は金属箔片としてキャリア上に配置されている。それ故に、従来の熱電素子の場合よりも遥かに少ない半導体材料で済む。

熱電素子の高温側と低温側との間の温度差が、第一に熱電対中で実効的に機能されることを可能にするため、第１キャリア部分と第２キャリア部分とが、より小さい熱伝導率を有する区間によって互いに分離されている。当該熱電対の熱電素片が、第１キャリア部分と第２キャリア部分との間に延在し且つより小さい熱伝導率を有する区間をブリッジする。

より小さい熱伝導率を有する当該区間が、両キャリア部分を熱的に分離する。その結果、その一方のキャリア部分が、熱電素子の高温側を形成し、その他方のキャリア部分が、熱電素子の低温側を形成する。

当該両キャリア部分を分離する区間の全体又はその一部が、絶縁材料から成り得る。当該分離する区間の一部だけが、絶縁材料から成る場合は、第１キャリア部分と第２キャリア部分との間の残りの部分が、周囲ガス、特に０．０２６１Ｗ／ｍ・Ｋの小さい熱伝導率を有する周囲空気によって形成される。

両キャリア部分間の区間の熱伝導率を減少させる別の可能性は、これらの両キャリア部分が少なくとも１つのウェブによって互いに結合されている点にある。当該ウェブの、これらのキャリア部分に比べて小さい横断面が、或る熱抵抗を発生させ、この熱抵抗によって当該区間中でその熱伝導率を減少させる。生産技術的には、好ましくは、直方体形のキャリアの、特に直方体形のウェブが、当該直方体のほぼ中心で対向する２つの面に沿って存在する。第１キャリア部分と第２キャリア部分とに比べてより小さい熱伝導率を有するガス、特に周囲空気が、これらのウェブ間に存在する、同様に直方体形の貫通部分内に存在する。

このウェブ又は結合しているこれらのウェブが、キャリア部分より小さい熱伝導率を有する材料から成る場合、第１キャリア部分と第２キャリア部分との間の、さらにより実効的に機能する熱分離が達成される。このとき、ウェブの減少した横断面に起因する区間の減少した熱伝導率に加えて、その熱伝導率が、当該材料によってさらに減少される。

より小さい熱伝導率を有する区間の一部が、貫通部分を有する場合、熱電素片が、より小さい熱伝導率を有する基板上に被覆されていて、この基板が、当該熱電素片を有するこの基板の表面によってキャリア上に配置されているときに、このキャリア上に当該熱電素片を配置することが容易になる。この基板が、当該貫通部分をブリッジする領域内で熱電対の熱電素片のための支持機能を請け負う。この基板は、例えば０．７６Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するガラス製でもよい。

従来の熱電素子のように、異なる型の複数の熱電素片が直列接続されている。接触電気抵抗を減少させるため、当該直列接続された熱電素片が、低温側で両電気接点に接合されている。これらの接点が、特に接触領域としてキャリア部分の表面上に配置されているか又はこのキャリア部分の表面内に埋設されている。

本発明の多数の熱電素子を互いに電気接続するため、特にこれらの熱電素子をモジュールに統合するため、特に低温側の両接点のうちの一方の接点が、貫通接触部を有する。この貫通接触部が、キャリア部分の対向する側の１つの接点まで通じている。当該対向する側の接点が、同様にキャリア部分の表面上に被覆され得るか又はこのキャリア部分の表面内に埋設され得る。

キャリア又は第１キャリア部分及び第２キャリア部分としては、特に工業用セラミックの材料が考慮される。当該セラミック材料が、良好な電気絶縁性を有すると同時に要求された大きい熱伝導率を有する。当該良好な電気絶縁性が、直列接続された複数の熱電対間の短絡を阻止するために必要である。さらに、セラミック材料が、高温に耐え且つ熱電素子に相応しい熱衝撃抵抗性を有する。セラミック材料の当該強度、硬度及び保形性が、支持機能のために好ましい。セラミック材料の耐腐食性及び耐摩耗性が、要求される耐久性のある熱電素子で考慮される。

当該セラミックキャリア、特に第１キャリア部分及び第２キャリア部分は、特に低温同時焼成多層セラミックスから成る。低温同時焼成多層セラミックス（Low Temperature Cofired Ceramics（ＬＴＣＣ））は、多層のセラミックキャリアを製造するための技術に基づく。最初に、セラミック粉末が、溶媒及び可塑剤と一緒に膜に加工される。当該焼成されていない膜が、打ち抜き、切断、場合によっては印刷によって加工される。貫通接触部分を製造するため、例えば貫通孔が、当該セラミック膜内に打ち抜かれるか又はレーザーによって切断される。

当該加工されたセラミック膜の個々の層が、整合されてプレス金型内で積層される。当該貫通孔が、導電ペースト、特に銀ペースト、銀／パラジウムペースト又は金ペーストで充填される。これらの導体ペーストの利点は、これらの導体ペーストが引き続く焼成時にセラミック膜とほぼ同じ程度に収縮する点にある。当該セラミック膜が、例えば７０°の熱と例えば９０ｂａｒの圧力との供給下で積層される。引き続く当該セラミック膜の焼成時に、当該セラミック膜の個々の層が、互いに不動に結合する。

熱伝導率を改善するため、キャリア部分の熱伝導率を改善するための層が、低温同時焼成多層セラミックス中に埋設され得る。層としては、特に金属被膜層が挙げられるものの、シリコン、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムも考慮される。当該窒化アルミニウムから成る層及び酸化アルミニウムから成る層は、その熱伝導率を改善するものの、電気絶縁性である。それ故に、当該窒化アルミニウムから成る層及び酸化アルミニウムから成る層は、特に熱電素子の高温側で使用される。当該埋設された層とセラミック膜との間の接合が、例えば反応性はんだ又はソルダーガラスによって実施される。貫通接触部分が、金属材料で充填されているように、当該熱伝導率は、貫通部分によってさらに改善され得る。

出力電力を増大させるため、複数の熱電素子が、本発明にしたがって電気的に且つ機械的にモジュールに互いに結合され得る。特に、このモジュールを構成する熱電素子が、板状の直方体として形成されている。これらの板状の直方体が、積層体に統合されている。このモジュールの各熱電素子が、特に接触部分を低温側の板状のキャリア部分の対向する側に有する。これらの接触部分が、隣接する板状のそれぞれの熱電素子の接触部分に接触する。その結果、このモジュールのこれらの熱電素子が、直列接続されているか又は並列接続されている。

以下に、本発明を図面に基づいて詳しく説明する。

基板上に膜として形成された本発明の熱電素子用の熱電対を示す。本発明の熱電素子のキャリアの前面及び側面を示す。本発明の熱電素子のキャリアの後面を示す。本発明の熱電素子の平面図である。熱電対の第２の実施の形態の概略的な投影図である。この熱電素子の場合、熱電素片が、キャリアの片面上に配置されている。熱電対の第３の実施の形態の概略的な投影図である。この熱電素子の場合、熱電素片が、キャリアの対向している２つの面上に配置されている。改良された熱伝導率を有する図４による熱電素子を示す。積層体に統合されている複数の熱電素子を示す。モジュールを構築するために、間隔をあけて配置された２つのセラミック板間に複数の熱電素子を配列するための可能性を示す。

図１は、基板上に膜として被覆されている熱電対（１）を示す。この基板（２）は、例えば小さい熱伝導率を有する長方形のガラス板である。各熱電対（１）が、半導体材料から成るｎ型熱電素片及びｐ型熱電素片（３ａ，ｂ）を有する。当該ｎ型熱電素片及びｐ型熱電素片（３，３ｂ）が、対向している結合点（４，５）で直列接続されている。

ｎ型熱電素片及びｐ型熱電素片（３ａ，３ｂ）の当該直列回路が、その入力部とその出力部とで２つの電気接点（６，７）に電気接続されている。これらの電気接点（６，７）が、接触領域、すなわち金属層として基板（２）の表面上に被覆されている。

図２ａ，ｂは、本発明の熱電素子のキャリア（８）を示す。このキャリア（８）が、全体で直方体の形を成す。図２ａ中に示された側面図から、このキャリア（８）の厚さ（９）が、支持機能と熱電効果とを分離することに起因して比較的薄いことが認識可能である。キャリア（８）が、第１キャリア部分（１０）及びより高い熱伝導率を有する第２キャリア部分（１１）を有する。これらのキャリア部分は、特に技術的なセラミック材料から成る。これらの両キャリア部分（１０，１１）が、これらのキャリア部分に比べてより小さい熱伝導率を有する区間（１２）によって互いに分離されている。この区間（１２）が、第１キャリア部分及び第２キャリア部分（１０，１１）を結合させる２つのウェブ（１３ａ，ｂ）を有する。これらのウェブ（３ａ，ｂ）が、側面の延長部分内で当該両キャリア部分（１０，１１）を互いに結合させる。ウェブ（１３ａ，ｂ）が、キャリア部分（１０，１１）と同じ材料から成る場合、その熱伝導率は、ウェブ（１３ａ，ｂ）のより小さい横断面に起因してキャリア部分（１０，１１）の横断面に比べて明らかに減少している。さらに、区間（１２）が、ウェブ（１３ａ，ｂ）の側面と第１キャリア部分及び第２キャリア部分（１０，１１）の隣接面（１４ａ，ｂ）とによって限定された周囲の空気を含む空隙を有する。当該周囲の空気は、キャリア部分（１０，１１）に比べてより小さい熱伝導率を有し、それ故にこれらのキャリア部分（１０，１１）を熱的に分離する。

キャリア（８）の前面上には、接触領域として形成された接点（１４，１５）が、直列接続された熱電対（１）に電気接触するために存在する。接点（１５）が、貫通接触部（１６）を通じてキャリア（８）の後面上の接点（１７）に電気伝導性に結合されている。キャリア（８）の第１キャリア部分（１０）の前面及び後面上の大きい面積の当該接点（１４，１７）が、熱電素子を簡単に接触させること及び同様なその他の熱電素子に接続させることを可能にする。

図２ｃは、どのようにして基板（２）がキャリア（８）上の熱電素片（３ａ，ｂ）を有する表面に配置されているかを具体的に示す。接点（６，７）が、接点（１４，１５）に接触しながらキャリア（８）の表面上に達する。その結果、接点（６）が、貫通接触部（１６）を通じて後側の接点（１７）に接続されている。熱電対（１）の熱電素片（３ａ，ｂ）が、第１キャリア部分（１０）と第２キャリア部分（１１）との間に延在し、このときに区間（１２）の空隙（１８）をより小さい熱伝導率でブリッジする。第２キャリア部分（１１）が、高温側（１９）を形成し、第１キャリア部分（１）が、熱電素子の低温側（２０）を形成する。熱結合が、特に第２キャリア部分（１１）の上縁（２１）に沿って実施される一方で、ヒートシンクが、第１キャリア部分（１０）の下縁（２２）に沿って配置されている。従来の熱電素子のように、多数の熱電素子が、図７中に示されているように、当該上縁及び下縁（２１，２２）によって、形成面に対して垂直に延在するセラミック板（３０，３１）間に配置され得る。キャリア（８）の機械的な安定性が、セラミック板（３０，３１）を薄膜熱電技術にもかかわらず間隔をあけて保持するために十分である。

図３は、セラミックのキャリア（８）を示す。このキャリア（８）の場合、第１キャリア部分（１０）及び第２キャリア部分（１１）並びに区間（１２）のウェブ（１３ａ，ｂ）が、低温同時焼成多層セラミックスから成る。接点（２３）が、キャリア（８）の上側に露出している前面上に存在する。この接点（２３）が、貫通接触部（２４）を通じてキャリア（８）の後面上の接点（２５）に接続されている。さらに、大きい面積の接点（２６）が、当該後面上に存在する。この接点（２６）及び接点（２５）が、直列接続された熱電素片（３ａ，ｂ）に接続するように提供されている。これらの直列接続された熱電素片（３ａ，ｂ）が、当該後面上で両接点（２５，２６）に接続されていて且つ低温側の第１キャリア部分（１０）から高温側の第２キャリア部分（１１）まで延在する。この場合、これらの熱電素片（３ａ，ｂ）が、区間（１２）の空隙（１８）をブリッジする。これらの熱電素片（３ａ，ｂ）は、特に基板上に配置されている。この代わりに、これらの熱電素片は、膜の構成要素でもよい。この膜が、その固有の剛性構造に起因して追加の基板なしに空隙（１８）をブリッジできる。

図４は、複数の熱電対（１）の熱電素片（３ａ，ｂ）がキャリア（８）の前面と後面とに配置されているこのキャリア（８）を示す。全ての熱電素片（３ａ，ｂ）が、直列接続されている。このキャリア（８）が、その前面上に接点（２３）と接点（２７）とを有し並びに接点（２７）から出発する、後面上の接点（２５）に接続されている貫通接触部（２４）及び後面の接点（２６）を有する。

キャリア（８）の前面上の直列接続された熱電素片（３ａ，ｂ）が、その端部側で接点（２３，２７）に接続されている。当該後面上では、直列接続された熱電素片（３ａ，ｂ）が、電気接点（２５，２６）に接続されている。この場合、貫通接触部（２４）が、キャリア（８）の、前面上の熱電素片（３ａ，ｂ）と後面上の熱電素片（３ａ，ｂ）との間を電気伝導性に接続する。

図３によるキャリアの場合と同様に、複数の熱電素子が、大きい面積の接点（２３，２６）を通じて直列又は並列に接続されることを可能にする。

図５によるキャリアは、熱電素片（３ａ，ｂ）の接触部分に関しては図４によるキャリアに一致する。そのため、当該接触部分の構成を分かりやすく示す。しかしながら、金属被膜層（２８）を埋め込むことによって、キャリア（８）の高温側と低温側との双方（１９，２０）の熱伝導率が改善されている。上面に搭載されている熱電素片（３ａ，ｂ）と下面に搭載されている熱電素片（３ａ，ｂ）とが短絡しないように、キャリア（８）の高温側（１９）の上面と下面とには、金属被膜がない。この代わりに、熱伝導率を改善する一方で、熱電素片（３ａ，ｂ）と熱電素片（３ａ，ｂ）との間の短絡を阻止するため、高温側では、シリコン、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムから成る膜が、第２キャリア部分（１０）中に埋め込まれてもよい。

また、低温側（２０）では、下面側又は上面側の金属被膜が、接点領域（２３，２５，２６，２７）の外側で熱電素片（３ａ，ｂ）と熱電素片（３ａ，ｂ）との間の短絡を引き起こさないことに配慮する必要がある。図５からは、金属被膜が、より小さい熱伝導率を有する区間（１２）にないことがさらに認識可能である。したがって、ウェブ（１３ａ，ｂ）の熱伝導率は、より小さい横断面によって減少されるだけではなくて、存在しない金属被膜によってさらに減少される。

最後に、図６は、電気的に直列接続された複数の熱電素子を有する積層体（３２）を示す。これらの熱電素子は、図３に応じて構成されているものの、より薄い厚さを有する。複数のこのような積層体（３２）が、図７に相当するモジュール（２９）に統合され得る。

１熱電対
２基板
３ａｎ型熱電素片
３ｂｐ型熱電素片
４結合点
５結合点
６接点
７接点
８キャリア
９キャリアの厚さ
１０第１キャリア部分
１１第２キャリア部分
１２区間
１３ａ，１３ｂウェブ
１４接点
１５接点
１６貫通接触部
１７接点
１８空隙
１９高温側
２０低温側
２１上縁
２２下縁
２３接点
２４貫通接触部
２５接点
２６接点
２７接点
２８金属被膜層
２９モジュール
３０第１セラミック板
３１第２セラミック板
３２積層体

本発明は、半導体材料から成るｎ型熱電素片とｐ型熱電素片とがある少なくとも１つの熱電対を有する熱電素子に関する。この場合、これらの熱電素片が、熱電素子の高温側と低温側との間に延在し、異なる高さの温度が、当該高温側と当該低温側との間で印加可能であるか又は獲得可能であり、当該熱電素子が、キャリアを有する。この場合、このキャリアが、第１キャリア部分とより高い熱伝導率を有する第２キャリア部分とを備える。この第１キャリア部分（１０）とこの第２キャリア部分（１１）とが、これらのキャリア部分に比べてより小さい熱伝導率を有する区間によって互いに分離されている。当該キャリア上に配置された熱電素片が、当該第１キャリア部分と当該第２キャリア部分との間に延在し且つより小さい熱伝導率を有する当該区間をブリッジする。これらのキャリア部分のうちの一方のキャリア部分が、当該熱電素子の高温側を形成し、その他方のキャリア部分が、当該熱電素子の低温側を形成する。

米国特許出願公開第２００７／０１５２３５２号明細書は、複数の熱電対を有する熱電デバイスを開示する。これらの熱電対がそれぞれ、半導体材料から成る１つのｎ型熱電素片と１つのｐ型熱電素片とから構成される。この熱電デバイスは、開口部を包囲するフレーム形状のキャリア構造体を有する。基板が、このキャリア構造体のこの開口部内に配置されている。この基板は、電子ユニットを収容するために使用される。この電子ユニットの温度が、当該熱電デバイスのアシストによって周囲温度の上又は下に適切に維持されなければならない。熱絶縁構造体が、この基板とこの基板を包囲するキャリア構造体との間に存在する。全ての熱電対の熱電素片が、この熱絶縁構造体上だけに配置されている。電流が、当該熱電デバイスの稼働中に直列接続されたこれらの熱電対中に流れる。当該通電は、熱エネルギーが基板から熱絶縁構造体を経由してキャリア構造体まで伝達されることを引き起こす。これによって、基板とこの基板上に配置された電子ユニットとが冷却される。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７６０３４号明細書は、複数の熱電対を有する熱電チップを開示する。これらの熱電対がそれぞれ、半導体材料から成るｎ型薄膜熱電素片とｐ型薄膜熱電素片とを有し、これらの熱電素片間に結合部分を有する。これらの熱電素片が、熱電チップの高温側と低温側との間に延在する。熱電素子が、第１キャリア部分と第２キャリア部分とを有する、高い熱伝導性の材料から成るキャリアを有する。この場合、この第１キャリア部分とこの第２キャリア部分とが、これらのキャリア部分に比べてより小さい熱伝導率を有する区間によって互いに分離されている。当該薄膜熱電素片及びこれらの熱電素片間の金属結合部分が、電気絶縁材料から成る膜の、外側に向いている表面上に配置されている。当該膜の対向している他方の表面が、その縁側でこれらのキャリア部分に搭載している。その結果、当該膜が、第１キャリア部分から第２キャリア部分まで延在し、当該膜の外側に向いている表面上に配置された熱電素片が、より小さい熱伝導率を有する区間をブリッジする。少なくとも１つのチップ、特に複数のチップが、高温側のプレートと低温側のプレートとの間でユニットに統合される。

【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０１５２３５２号明細書
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７６０３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】

特に、冒頭で述べた種類の熱電素子の場合の課題は、前記熱電素片が、より小さい熱伝導率を有する基板上に被覆されていて、この基板が、前記熱電素片を有するこの基板の表面によって前記キャリア上に配置されていることによって解決される。この基板が、当該貫通部分をブリッジする領域内で熱電対の熱電素片のための支持機能を請け負う。この基板は、例えば０．７６Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するガラス製でもよい。

より小さい熱伝導率を有する区間の一部が、貫通部分を有する場合、このキャリア上に当該熱電素片を配置することが、基板によって容易になる。

Claims

半導体材料から成るｎ型熱電素片とｐ型熱電素片とがある少なくとも１つの熱電対を有する熱電素子であって、これらの熱電素片が、前記熱電素子の高温側と低温側との間に延在し、異なる高さの温度が、前記高温側と前記低温側との間で印加可能であるか又は獲得可能であり、前記熱電素子が、キャリアを有する当該熱電素子において、
（ａ）前記キャリア（８）が、第１キャリア部分（１０）とより高い熱伝導率を有する第２キャリア部分（１１）とを備え、
（ｂ）前記第１キャリア部分（１０）と前記第２キャリア部分（１１）とが、これらのキャリア部分（１０，１１）に比べてより小さい熱伝導率を有する区間（１２）によって互いに分離されていて、
（ｃ）前記キャリア（８）上に配置された前記熱電素片（３ａ，ｂ）が、前記第１キャリア部分（１０）と前記第２キャリア部分（１１）との間に延在し且つより小さい熱伝導率を有する前記区間（１２）をブリッジし、これらのキャリア部分のうちの一方のキャリア部分（１１）が、前記熱電素子の前記高温側を形成し、その他方のキャリア部分（１０）が、前記熱電素子の前記低温側を形成することを特徴とする熱電素子。
前記熱電素片（３ａ，ｂ）は、膜として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
前記熱電素片（３ａ，ｂ）は、金属箔として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
前記区間（１２）は、前記第１キャリア部分と前記第２キャリア部分とを結合する少なくとも１つのウェブ（１３ａ，ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電素子。
より小さい熱伝導率を有する前記区間（１２）の少なくとも一部が、絶縁材料から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載熱電素子。
前記熱電素片（３ａ，ｂ）は、より小さい熱伝導率を有する基板（２）上に被覆されていて、この基板（２）が、前記熱電素片（３ａ，ｂ）を有するこの基板の表面によって前記キャリア（８）上に搭載していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載熱電素子。
直列接続された前記熱電素片（３ａ，ｂ）が、前記低温側（２０）で少なくとも２つの電気接点（１４，１５）に接合されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載熱電素子。
前記２つの電気接点のうちの一方の電気接点（１５）が、貫通接触部（１６）を有し、この貫通接触部（１６）が、前記キャリア部分（１０）の、前記電気接点（１５）に対向する側の１つの接点（１７）まで通じていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載熱電素子。
少なくとも前記第１キャリア部分（１０）及び前記第２キャリア部分（１１）は、セラミックから成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載熱電素子。
少なくとも前記第１キャリア部分（１０）及び前記第２キャリア部分（１１）は、低温同時焼成多層セラミックスから成ることを特徴とする請求項９に記載熱電素子。
前記キャリア部分の熱伝導率を改善するための層（２８）が、当該第１キャリア部分（１０）と当該第２キャリア部分（１１）との中に埋設されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載熱電素子。
モジュール（２９）が、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の互いに電気接続されている複数の熱電素子を有する当該モジュール。
板状の複数の熱電素子が、積層体を形成することを特徴とする請求項１２に記載のモジュール。