本發(fā)明涉及進(jìn)行基于塞貝克效應(yīng)的熱電發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換模塊。

背景技術(shù)：

熱電轉(zhuǎn)換模塊是由通過塞貝克效應(yīng)能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換成電能的熱電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的模塊。通過利用這樣的能量的轉(zhuǎn)換性質(zhì)，能夠?qū)墓I(yè)、民用工藝及移動(dòng)體排出的排熱轉(zhuǎn)換成有效的電力，故而作為考慮了環(huán)境問題的省能技術(shù)，該熱電轉(zhuǎn)換模塊及構(gòu)成熱電轉(zhuǎn)換模塊的熱電轉(zhuǎn)換元件受到注目。

這樣的熱電轉(zhuǎn)換模塊通常利用電極將多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件(p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體)接合而構(gòu)成。這樣的熱電轉(zhuǎn)換模塊例如公開在專利文獻(xiàn)1中。專利文獻(xiàn)1公開的熱電轉(zhuǎn)換模塊具有一對基板、一端部與在該基板的一方配置的第一電極電連接，另一端部與在該基板的另一方配置的第二電極電連接的多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件、將與該熱電轉(zhuǎn)換元件電連接的第一電極和與鄰接的熱電轉(zhuǎn)換元件電連接的第二電極電連接的連接部。

專利文獻(xiàn)1：(日本)特開2013－115359號公報(bào)

但是，在專利文獻(xiàn)1公開的熱電轉(zhuǎn)換模塊的構(gòu)造中，由于熱電轉(zhuǎn)換元件的尺寸偏差，在熱電轉(zhuǎn)換元件和電極的接合強(qiáng)度上產(chǎn)生偏差，作為熱電轉(zhuǎn)換模塊整體的強(qiáng)度降低。另外，在露出的熱電轉(zhuǎn)換元件也進(jìn)行散熱，電極間的溫度差波動(dòng)且變小，難以實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換效率的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是鑒于這樣的課題而設(shè)立的，其目的在于提供一種具有優(yōu)良的強(qiáng)度及熱電轉(zhuǎn)換效率，且能夠進(jìn)行穩(wěn)定的熱電發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換模塊。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊具有：多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件，其并列設(shè)置；第一電極，其與所述熱電轉(zhuǎn)換元件的一端接合，并且將鄰接的所述熱電轉(zhuǎn)換元件的一端彼此電連接；第二電極，其與所述熱電轉(zhuǎn)換元件的另一端接合，并且將鄰接的所述熱電轉(zhuǎn)換元件的另一端彼此電連接；冷卻機(jī)構(gòu)，其進(jìn)行所述第一電極的冷卻；第一覆蓋部件，其將所述第一電極覆蓋；第二覆蓋部件，其將所述多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件各自的至少一部分覆蓋，所述第二覆蓋部件具有比所述第一覆蓋部件低的導(dǎo)熱率。

根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊，能夠提高模塊自身的強(qiáng)度，并且通過優(yōu)良的熱電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行穩(wěn)定的熱電發(fā)電。

附圖說明

圖1是實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊的立體圖；

圖2是沿圖1中的線II－II的剖面圖。

標(biāo)記說明

1：熱電轉(zhuǎn)換模塊

2a：第一熱電轉(zhuǎn)換元件

2b：第二熱電轉(zhuǎn)換元件

3a：第一電極

3b：第二電極

4：第一覆蓋部件

4a：空洞

5：第二覆蓋部件

6：支承基板

7：外部連接部

8：外部連接部

9：冷卻機(jī)構(gòu)

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖，基于實(shí)施例對本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說明。另外，本發(fā)明不限于以下說明的內(nèi)容，在不改變其主旨的范圍內(nèi)可任意地變更而實(shí)施。另外，實(shí)施例的說明所使用的附圖均示意地表示本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊或其構(gòu)成部件，為了加深理解，進(jìn)行了部分的強(qiáng)調(diào)、擴(kuò)大、縮小或省略等，具有不準(zhǔn)確地表示各構(gòu)成部件的比例尺及形狀等的情況。另外，實(shí)施例中使用的各種數(shù)值均表示一例，可根據(jù)需要而進(jìn)行各種變更。

<實(shí)施例>

(熱電轉(zhuǎn)換模塊的構(gòu)造)

以下，參照圖1及圖2對本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1的構(gòu)造進(jìn)行說明。在此，圖1是本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1的立體圖，圖2是沿著圖1中的線II－II的剖面圖。而且，將圖1中的一方向定義為X方向，將與X方向正交的方向定義為Y方向及Z方向，并且，特別將熱電轉(zhuǎn)換模塊1的高度方向定義為Z方向。

由圖1及圖2可知，本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1具有并列設(shè)置的多個(gè)第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、設(shè)于該第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b的端部的第一電極3a及第二電極3b、以將第一電極3a覆蓋的方式設(shè)置的第一覆蓋部件4、以將該第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b覆蓋的方式設(shè)置的第二覆蓋部件5、以支承第二電極3b的方式設(shè)置的支承基板6。

在本實(shí)施例中，第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a由N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b由P型半導(dǎo)體材料構(gòu)成。而且，第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b交替地、且矩陣狀地配置，并且經(jīng)由第一電極3a及第二電極3b而電連接。

在本實(shí)施例中，第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b形成為一邊約為3mm，長度為5mm～10mm的長方體狀，但不限于這樣的形狀，例如也可以為圓柱狀。

第一電極3a及第二電極3b具有同一形狀(平板狀)，例如由銅板形成。另外，如圖1所示，第一電極3a以在X方向的兩端配置的5個(gè)(更具體地，在+X方向的端部配置2個(gè)，在－X方向的端部配置3個(gè))在Y方向上延伸的方式調(diào)整長邊方向的朝向，以被該5個(gè)夾著的12個(gè)在X方向上延伸的方式調(diào)整長邊方向的朝向。另一方面，第二電極3b全部(18個(gè))以在X方向上延伸的方式調(diào)整長邊方向的朝向。另外，在第一電極3a及第二電極3b的表面上，在兩端部分接合有第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b。即，第一電極3a及第二電極3b以夾著第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b的方式配置。

根據(jù)這樣的第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、第一電極3a及第二電極3b的配置關(guān)系，將第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b串聯(lián)連接。更具體地，如圖1及圖2所示，形成從第二電極3b的未接合有熱電轉(zhuǎn)換元件的部分即外部連接部7到外部連接部8的串聯(lián)連接電路。在此，雖然在圖1及圖2中未作圖示，但在外部連接部7、8通過焊料等接合部件接合外部連接配線。

另外，第一電極3a及第二電極3b不限于銅板，也可以由其他導(dǎo)電性材料(例如鋁等金屬材料)形成。另外，第一電極3a及第二電極3b的數(shù)量、形狀不限于上述內(nèi)容，能夠根據(jù)第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b(即電動(dòng)勢的大小)適當(dāng)變更。另外，也可以以將第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b并聯(lián)連接的方式配設(shè)第一電極3a及第二電極3b。

由圖1及圖2可知，第一覆蓋部件4以將第一電極3a埋設(shè)的方式覆蓋第一電極3a的表面。另外，第一覆蓋部件4由具有絕緣性的樹脂形成，且在該樹脂中混合有作為導(dǎo)熱性材料起作用的鋁、銅或氮化鋁等金屬材料。通過這樣的構(gòu)造，第一覆蓋部件4具有較高的導(dǎo)熱性，并且良好地維持第一電極3a周圍的電絕緣狀態(tài)。

另外，如圖2所示，在第一覆蓋部件4形成有空洞4a。向該空洞4a供給冷卻水，通過使該冷卻水循環(huán)而能夠?qū)⒖斩?a的周圍冷卻。即，在第一覆蓋部件4形成有冷卻機(jī)構(gòu)9。通過將這樣的冷卻機(jī)構(gòu)9形成在第一覆蓋部件4上，能夠?qū)⒌谝浑姌O3a冷卻。特別是，由于第一覆蓋部件4具有較高的導(dǎo)熱性，能夠提高冷卻機(jī)構(gòu)9的冷卻效果(即，有效地冷卻)。這樣，若將第一電極3a冷卻，則在第一電極3a與第二電極3b之間產(chǎn)生溫度差，產(chǎn)生電動(dòng)勢。

另外，在本實(shí)施例中，通過在第一覆蓋部件4形成空洞4a，向該空洞4a內(nèi)供給冷卻水，從而能夠?qū)⒌谝浑姌O3a冷卻，但也可以代替空洞4a而形成多個(gè)凸部，使第一覆蓋部件4作為散熱片發(fā)揮作用。即，也可以不使用本實(shí)施例那樣的水冷的冷卻機(jī)構(gòu)，而使用空冷的冷卻機(jī)構(gòu)。

由圖1及圖2可知，第二覆蓋部件5以將第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b及第二電極3b埋設(shè)的方式，覆蓋第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b及第二電極3b。另外，第二覆蓋部件5由具有絕緣性的樹脂形成，并且在該樹脂中混合有隔熱材料。例如，作為形成第二覆蓋部件5的隔熱材料，能夠使用玻璃纖維等纖維類隔熱材料、聚苯乙烯泡沫等發(fā)泡類隔熱材料。

通過這樣的構(gòu)造，第二覆蓋部件5具有比第一覆蓋部件4低的導(dǎo)熱性。具有抑制第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b及第二電極3b中的散熱的功能。而且，第二覆蓋部件5將第一電極3a及第二電極3b間的溫度差增大且將該溫度差保持為一定，能夠產(chǎn)生更大的電動(dòng)勢。另外，第二覆蓋部件5良好地維持第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b及第二電極3b周圍的電絕緣狀態(tài)。

另外，通過第二覆蓋部件5將第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b及第二電極3b較牢固地保持，故而能夠提高熱電轉(zhuǎn)換模塊1自身的強(qiáng)度。另外，由于將第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b完全覆蓋，故而能夠防止第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b的破損及污染等，能夠抑制熱電轉(zhuǎn)換模塊1自身的熱電轉(zhuǎn)換效率及可靠性的降低。而且，第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b與第一電極3a及第二電極3b的接合界面的邊緣部不露出，故而能夠提高熱電轉(zhuǎn)換元件與電極的接合強(qiáng)度，并且能夠抑制伴隨著經(jīng)年變化而導(dǎo)致的接合強(qiáng)度的下降，能夠防止接合界面的裂紋的產(chǎn)生。

另外，第二覆蓋部件5無需將第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b完全覆蓋，也可以覆蓋其一部分。即使在這樣的情況下，也能夠在第一電極3a與第二電極3b之間產(chǎn)生溫度差且將該溫度差保持為一定，能夠提高熱電轉(zhuǎn)換模塊1自身的強(qiáng)度。

另外，第二覆蓋部件5也可以與第一覆蓋部件4同樣地，混合有作為導(dǎo)熱性材料起作用的材料。即使在這樣的情況下，第二覆蓋部件5也需要具有比第一覆蓋部件4低的導(dǎo)熱性。

另外，也可以在第二覆蓋部件5與第一覆蓋部件4同樣地設(shè)置空洞，可供給冷卻水。即，也可以在第二覆蓋部件5形成冷卻機(jī)構(gòu)。通過形成為這樣的構(gòu)成，能夠以更高精度將第一電極3a與第二電極3b之間的溫度差保持為一定。

而且，在本實(shí)施例中，第一覆蓋部件4及第二覆蓋部件5的主材料為樹脂，但也可以使用陶瓷等材料。即使在這樣的情況下，覆蓋第二電極3b的材料也需要具有比覆蓋第一電極3a的材料低的導(dǎo)熱率。

如圖2所示，支承基板6以支承第二電極3b的方式與第二電極3b接合。支承基板6由絕緣材料構(gòu)成，例如能夠使用玻璃環(huán)氧樹脂基板等一般的絕緣基板。

(熱電轉(zhuǎn)換模塊的制造方法)

作為本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1的制造方法，在作為構(gòu)成制造裝置的通電加壓部件而起作用的兩個(gè)沖頭之間配置準(zhǔn)備好的第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、第一電極3a及第二電極3b。之后，將兩個(gè)沖頭向第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、第一電極3a及第二電極3b加壓并供給電流。由此，第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b和第一電極3a及第二電極3b擴(kuò)散接合(等離子接合)，將多個(gè)第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b串聯(lián)連接。這樣的通電加壓在真空、氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w環(huán)境的腔室內(nèi)進(jìn)行。

接著，將已接合狀態(tài)的第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、第一電極3a及第二電極3b安裝在支承基板6上。更具體地，在形成于支承基板6上的金屬圖案上經(jīng)由焊料等接合部件接合第二電極3b，形成第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、第一電極3a及第二電極3b的支承。

接著，通過一般的插嵌成形而形成第二覆蓋部件5，之后通過同樣的插嵌成形而形成第一覆蓋部件4。在此，在形成第一覆蓋部件4時(shí)，通過模具等同時(shí)形成空洞4a。

經(jīng)由以上的工序，完成熱電轉(zhuǎn)換模塊1。

(本實(shí)施例的效果)

以上，本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1具有：并列設(shè)置的多個(gè)第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b；與上述熱電轉(zhuǎn)換元件的一端接合，并且將鄰接的熱電轉(zhuǎn)換元件的一端彼此電連接的第一電極3a；與上述熱電轉(zhuǎn)換元件的另一端接合，并且將鄰接的熱電轉(zhuǎn)換元件的另一端彼此電連接的第二電極3b；進(jìn)行第一電極3a的冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)9；覆蓋第一電極3a的第一覆蓋部件4；覆蓋上述熱電轉(zhuǎn)換元件的第二覆蓋部件5。另外，在本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1中，第二覆蓋部件5具有比第一覆蓋部件4低的導(dǎo)熱率。

通過這樣的熱電轉(zhuǎn)換模塊1的構(gòu)造，能夠?qū)⒊蔀闊犭娹D(zhuǎn)換模塊1的低溫側(cè)的第一電極3a與成為高溫側(cè)的第二電極3b的溫度差保持為一定，進(jìn)而能夠良好地維持第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、第一電極3a及第二電極3b周圍的電絕緣狀態(tài)，故而能夠進(jìn)行穩(wěn)定的熱電發(fā)電。

另外，通過導(dǎo)熱性不同的第一覆蓋部件4及第二覆蓋部件5將第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a、第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b、第一電極3a及第二電極3b覆蓋并保持，從而這些構(gòu)成部件不易受到外力等的影響，作為熱電轉(zhuǎn)換模塊1自身的強(qiáng)度提高。

另外，由于使第二覆蓋部件5的導(dǎo)熱率比第一覆蓋部件4的導(dǎo)熱率低，故而能夠?qū)⑽挥诘蜏貍?cè)的第一電極3a良好地冷卻，并且能夠抑制第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b的溫度下降。由此，能夠提高熱電轉(zhuǎn)換模塊1的熱電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)行穩(wěn)定的熱電發(fā)電。

在本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1中，第一覆蓋部件4由混合有銅或氮化鋁等金屬材料的樹脂形成，故而導(dǎo)熱性較高，能夠?qū)⒌谝浑姌O3a更好地冷卻。

在本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1中，第二覆蓋部件5由混合有隔熱材料的樹脂形成，故而能夠進(jìn)一步抑制第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b中的溫度降低。

在本實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊1中，第二覆蓋部件5將多個(gè)第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b的整體、以及第二電極3b覆蓋，故而能夠抑制第一熱電轉(zhuǎn)換元件2a及第二熱電轉(zhuǎn)換元件2b中的溫度下降，提高熱電轉(zhuǎn)換模塊1自身的強(qiáng)度。

<本發(fā)明的實(shí)施方式>

本發(fā)明第一實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊具有：并列設(shè)置的多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件；與所述熱電轉(zhuǎn)換元件的一端接合且將鄰接的所述熱電轉(zhuǎn)換元件的一端彼此電連接的第一電極；與所述熱電轉(zhuǎn)換元件的另一端接合且將鄰接的所述熱電轉(zhuǎn)換元件的另一端彼此電連接的第二電極；進(jìn)行所述第一電極的冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)；覆蓋所述第一電極的第一覆蓋部件；覆蓋所述多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件各自的至少一部分的第二覆蓋部件，所述第二覆蓋部件具有比所述第一覆蓋部件低的導(dǎo)熱率。

本發(fā)明第二實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊，在第一實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊中，所述第一覆蓋部件由混合有金屬材料的樹脂構(gòu)成。

本發(fā)明第三實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊，在第一或第二實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊中，所述第二覆蓋部件包含隔熱材料。

本發(fā)明第四實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊，在第三實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊中，所述第二覆蓋部件由混合有所述隔熱材料的樹脂構(gòu)成。

本發(fā)明第五實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊，在第一至第四實(shí)施方式的任一熱電轉(zhuǎn)換模塊中，所述第二覆蓋部件覆蓋所述多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件及所述第二電極。