專利名稱：熱電轉(zhuǎn)換元件及熱電轉(zhuǎn)換模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用賽貝克效應(yīng)(Seebeck effect)進(jìn)行發(fā)電、或者利用珀爾貼效應(yīng) (Peltier effect)進(jìn)行冷卻或加熱的熱電轉(zhuǎn)換模塊、以及使用在該熱電轉(zhuǎn)換模塊上的熱電轉(zhuǎn)換元件。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，公知有以下一種η型熱電轉(zhuǎn)換元件(例如，參照日本公開專利特開平11-274578號公報)。在具備一對基板和一對電極的熱電轉(zhuǎn)換模塊的兩電極之間配置多個所述η型熱電轉(zhuǎn)換元件，所述η型熱電轉(zhuǎn)換元件的一端與其中一個電極電連接，另一端與另一個電極電連接。其中，所述一對電極分別設(shè)置在各基板的相對的面上。根據(jù)特開平11-274578號公報記載的熱電轉(zhuǎn)換元件，沒有必要在基板上劃分多個區(qū)域配置電極，并交錯串聯(lián)P型和η型熱電轉(zhuǎn)換元件，因此，能夠獲得一種生產(chǎn)簡單、并且能進(jìn)行有效的批量生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換模塊。而且，由于是對η型熱電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行并聯(lián)配置，因此具備即使一部分熱電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生破損、熱電轉(zhuǎn)換元件整體依然能夠進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換的自動防故障功能，能夠提高成品率(yield)和耐久性。上述熱電轉(zhuǎn)換元件在其兩端形成溫度差時，能夠獲得電力。因此，可以認(rèn)為利用熱電轉(zhuǎn)換元件放熱從而獲得電力。像這樣，使用熱電轉(zhuǎn)換元件用于發(fā)電時，需要適當(dāng)?shù)乇３譄犭娹D(zhuǎn)換元件兩端的溫度差。現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換模塊的各熱電轉(zhuǎn)換元件用于發(fā)電時，由于高溫側(cè)的面積和低溫側(cè)的面積相同，因而高溫側(cè)的吸熱量和低溫側(cè)的放熱量相同。所以，希望增加低溫側(cè)的放熱量，從而更容易保持熱電轉(zhuǎn)換元件兩端的溫度差。另外，由于熱電轉(zhuǎn)換元件是逐一通過錫焊(半田付)或銅焊(3 M寸)等的釬接接合在電極上的，因此各熱電轉(zhuǎn)換元件容易相對電極產(chǎn)生傾斜。熱電轉(zhuǎn)換元件一旦發(fā)生傾斜，因元件自身的熱膨脹，則可能導(dǎo)致熱電轉(zhuǎn)換元件從電極上剝離、或在熱電轉(zhuǎn)換元件上產(chǎn)生龜裂。所以，現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件具有成品率差、耐久性低的問題。此外，由于熱電轉(zhuǎn)換元件是逐一連接到電極上的，因此制造熱電轉(zhuǎn)換模塊時比較費事、批量生產(chǎn)性低。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種成品率及耐久性得到提高、容易確保兩端的溫度差、并且能夠簡單地連接在電極上而不會產(chǎn)生傾斜的、提高了批量生產(chǎn)效率的熱電轉(zhuǎn)換元件，以及使用了該熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電轉(zhuǎn)換模塊。本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件配置在具備第一電極和第二電極的熱電轉(zhuǎn)換模塊的兩電極之間，所述第一電極和所述第二電極以相互保持間隔的方式配置并電連接，其特征在于， 該熱電轉(zhuǎn)換元件具備多個柱狀部以及聯(lián)結(jié)部，所述多個柱狀部以相互保持間隔的方式配置，并且各柱狀部的一端與所述第一電極電連接，所述聯(lián)結(jié)部聯(lián)結(jié)各柱狀部的另一端，并且與所述第二電極電連接，該聯(lián)結(jié)部的與所述第二電極連接的連接面的面積比各柱狀部的所述一端的合計面積大。根據(jù)本發(fā)明，由于熱電轉(zhuǎn)換元件具備多個柱狀部，因此，即使一部分柱狀部發(fā)生破損，第一電極和第二電極也能夠通過其他的柱狀部保持電連接狀態(tài)，從而能夠進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，也就是說具有所謂的自動防故障功能。所以，如果使用本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件制造熱電轉(zhuǎn)換模塊，則能夠提高熱電轉(zhuǎn)換模塊的成品率，并且提高耐久性。而且，由于聯(lián)結(jié)部的與第二電極電連接的連接面的面積比各柱狀部的所述一端的合計面積大，所以，將柱狀部一側(cè)配置在高溫側(cè)、將聯(lián)結(jié)部一側(cè)配置在低溫側(cè)，來使用本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行發(fā)電時，聯(lián)結(jié)部的連接面一側(cè)的放電量比柱狀部的所述一端側(cè)的吸熱量大，能夠有效地保持兩端的溫度差，并有效地獲得電力。另外，如果把各柱狀部設(shè)定成和現(xiàn)有熱電轉(zhuǎn)換元件相同程度的大小，則由于各柱狀部被聯(lián)結(jié)部聯(lián)結(jié)，能夠把多個現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件一次性安裝在電極上，提高了熱電轉(zhuǎn)換模塊的批量生產(chǎn)性能。而且，將熱電轉(zhuǎn)換元件的聯(lián)結(jié)部連接到第二電極上時，由于聯(lián)結(jié)部的接觸面積比現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件的接觸面積大，因此能夠簡單地將熱電轉(zhuǎn)換元件連接到第二電極上而不產(chǎn)生傾斜。所以，能夠防止因熱電轉(zhuǎn)換元件相對第二電極產(chǎn)生傾斜而導(dǎo)致所述熱電轉(zhuǎn)換元件發(fā)生龜裂以及破損，從而提高熱電轉(zhuǎn)換元件的耐久性。并且，由于聯(lián)結(jié)部與第二電極的連接面積增大，能夠提高兩者的連接強(qiáng)度，使得熱電轉(zhuǎn)換元件不易從第二電極上剝離。另外，如果將本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件的各柱狀部的橫截面面積設(shè)定成與現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件的橫截面面積相同，并將本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件在電極間方向上的長度設(shè)定成與現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件在電極間方向上的長度相同，則本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件的聯(lián)結(jié)部的與第二電極連接的接觸面積比現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件的與第二電極連接的面積要大，所以， 能夠?qū)犭娹D(zhuǎn)換元件自身的內(nèi)阻以及熱電轉(zhuǎn)換元件與第二電極的連接部分的電阻抑制在較低程度，因而更容易獲取電力，這是有利的。此外，在本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件中，如果將各柱狀部的一端面積設(shè)定成比各柱狀部與聯(lián)結(jié)部的連接部分的橫截面面積小，則能夠進(jìn)一步抑制熱電轉(zhuǎn)換元件在柱狀部一端處的吸熱，容易確保大的溫度差，能夠進(jìn)行高效發(fā)電。另外，本發(fā)明熱電轉(zhuǎn)的換模塊按如下方式構(gòu)成將本發(fā)明的多個熱電轉(zhuǎn)換元件以與第一電極和第二電極電連接的狀態(tài)配置在一對基板之間，所有熱電轉(zhuǎn)換元件成型為η型或P型，并且連接在一個熱電轉(zhuǎn)換元件上的第一電極與連接在與所述一個熱電轉(zhuǎn)換元件鄰接的熱電轉(zhuǎn)換元件上的第二電極連接，以使各熱電轉(zhuǎn)換元件串聯(lián)連接。這樣，將一個熱電轉(zhuǎn)換元件作為單位元件，能夠根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換模塊的用途，在確保所述自動防故障功能的同時， 根據(jù)所要求的電壓、電流，制造各種輸出特性的熱電轉(zhuǎn)換模塊，提高通用性能。另外，如果在熱電轉(zhuǎn)換模塊的一對基板之間配置絕熱材料，則由于阻止因輻射熱量在基板間的傳熱、以及防止基板間的放熱，所以能夠適當(dāng)?shù)卮_?；逯g的溫度差。另外，本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊按如下方式構(gòu)成將多個本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件成型為η型及ρ型，并以熱電轉(zhuǎn)換元件與所述第一電極和所述第二電極連接的狀態(tài)，在一對基板之間交替配置η型熱電轉(zhuǎn)換元件和ρ型熱電轉(zhuǎn)換元件，鄰接的兩個熱電轉(zhuǎn)換元件的第一電極電連接，并且相互鄰接的、同時第一電極分離的兩個熱電轉(zhuǎn)換元件的第二電極電連接，以使各熱電轉(zhuǎn)換元件串聯(lián)連接。這樣，即使η型及ρ型熱電轉(zhuǎn)換元件中僅任意一方是由不能獲取足夠的電力的材料成型的，該熱電轉(zhuǎn)換模塊也能夠獲取良好的電力。


圖1是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意圖。其中，該熱電轉(zhuǎn)換模塊使用了本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件。圖2是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的立體圖。圖3是表示第二實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意圖。其中，該熱電轉(zhuǎn)換模塊使用了本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件。圖4是表示第三實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意圖。其中，該熱電轉(zhuǎn)換模塊使用了本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件。圖5(a)是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊的模式圖及其等效電路圖，圖5(b) 是表示比較例的模式圖及其等效電路圖。圖6是表示第四實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意圖。其中，該熱電轉(zhuǎn)換模塊使用了本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件。圖7(a)和圖(b)是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的制造方法的示意圖。圖8(a)和圖(b)是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的制造方法的示意圖。圖9是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的材料的溫度和賽貝克系數(shù)之間的關(guān)系的示意圖。圖10是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的材料的溫度和電導(dǎo)率之間的關(guān)系的示意圖。圖11是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的材料的溫度和電力因素(power factor)之間的關(guān)系的示意圖。圖12是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的材料的溫度和熱導(dǎo)率之間的關(guān)系的示意圖。圖13是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件的材料的溫度和無量綱性能指數(shù)熱導(dǎo)率之間的關(guān)系的示意圖。圖14是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊的立體圖。圖15是表示比較例的熱電轉(zhuǎn)換元件模塊的立體圖。圖16是表示第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊的溫度差和電力(輸出)之間的關(guān)系的示意圖。
具體實施例方式參照圖1和圖2說明本發(fā)明第一實施方式的使用了熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電轉(zhuǎn)換模塊，該熱電轉(zhuǎn)換模塊用于發(fā)電。第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊具備通過氧化鋁成型的具有絕緣性能的一對基板11、12、設(shè)置在各基板11、12相對側(cè)的表面上的由銅板構(gòu)成的第一和第二電極31、32、以及配置在兩電極31、32之間的硅化鎂(Mg2Si)制的η型熱電轉(zhuǎn)換元件2。在現(xiàn)有技術(shù)中，使用材料BiTe、PbTe、CoSb作為熱電轉(zhuǎn)換元件的材料。但是，所有這些材料均對人體有害(包括可能具有危害性)，而且價格昂貴。硅化鎂(Mg2Si)對人體無害，對環(huán)境影響小，并且資源豐富且價格便宜。而且，由于硅化鎂比重輕，能夠成型為質(zhì)量非常輕的熱電轉(zhuǎn)換元件2。所以，近年來，硅化鎂作為熱電轉(zhuǎn)換元件的材料備受矚目。另外，基板11、12不僅僅只限于氧化鋁，還可以使用其他材料進(jìn)行成型。此外，各電極31、32可以在基板11、12上形成為薄膜狀。并且，電極31、32不僅僅只限于銅制，還可以使用其他材料制成。熱電轉(zhuǎn)換元件2成劍山狀，由一端22a與第一電極32連接的多個方柱狀部22和與方柱狀部22的另一端一體聯(lián)結(jié)的矩形板狀的聯(lián)結(jié)部21構(gòu)成。聯(lián)結(jié)部21與第二電極31 連接。作為連接方法可以使用錫焊或銅焊、或是使用銀漿等導(dǎo)電性粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)的方法， 可以針對熱電轉(zhuǎn)換模塊的用途等適當(dāng)進(jìn)行選擇，并實施連接。通過錫焊進(jìn)行連接時，可以事先將焊料(焊錫)涂覆于熱電轉(zhuǎn)換元件2的兩個端部上。熱電轉(zhuǎn)換元件2的表面具有細(xì)小凹凸，通過由焊料(焊錫)、銀漿等覆蓋在凹凸的表面上，能夠使熱電轉(zhuǎn)換元件2的表面形成平滑的面。因此，熱電轉(zhuǎn)換元件2和電極31、32間的連接狀態(tài)良好，能夠確保優(yōu)良的導(dǎo)電性。電極31上釬接有導(dǎo)線41，電極32上釬接有導(dǎo)線 42。另外，熱電轉(zhuǎn)換模塊1的基板11、12之間配置有絕熱材料5。因此，由于阻止了因輻射熱量而在基板11、12間產(chǎn)生傳熱的同時，還防止了基板11、12間的放熱，所以能夠更適當(dāng)?shù)卮_保兩基板11、12間的溫度差。此外，作為絕熱材料5雖然優(yōu)選使用氧化硅或多孔質(zhì)氧化鋁材，但也可以使用其他材料。接著，參照圖7、圖8說明第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的制造方法。首先，如圖7所示，將沖頭Pl插入到貫穿孔Dl內(nèi)堵住模具D的下方開口，其中，該模具D具有在豎直方向貫穿的圓柱狀的貫穿孔D1。在這種狀態(tài)下，從模具D的上方開口向模具D的貫穿孔 Dl內(nèi)倒入粉末狀的硅化鎂(Mg2Si)(顆粒平均直徑約為63 μ m)。然后，從貫穿孔Dl的上方開口插入沖頭P2，對粉末狀的硅化鎂(Mg2Si)加壓，并施加用于防止粉末狀的硅化鎂噴散的氬保護(hù)氣氛(氬壓力0. 06MPa)后，按照下述四個階段性的燒結(jié)條件進(jìn)行燒結(jié)處理。該四個階段性條件是指用五分鐘時間從室溫上升到500°C的第一階段；用四分鐘時間從500°C上升到700°C的第二階段；用五分鐘時間從700°C上升到 750°C的第三階段；以及用兩分鐘時間從750°C上升到775°C的第四階段。處理后得到的燒結(jié)體的大小為直徑15mm、高度10mm。另外，燒結(jié)溫度可以根據(jù)組成比進(jìn)行適當(dāng)選擇，通常可以在700°C 950°C的范圍內(nèi)進(jìn)行處理。接著，如圖8所示，將處理后得到的燒結(jié)體放置到旋轉(zhuǎn)臺T上，通過使線鋸(wire saw)Y升降，從附圖上看的外側(cè)向里側(cè)依次形成互相保持間隔的第一切斷部2b、三個溝槽加、21加、第二切斷部2c。接著，旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺T，將燒結(jié)體旋轉(zhuǎn)90度后，從附圖上看的外側(cè)向里側(cè)依次形成互相保持間隔的第三切斷部2d、三個溝槽加、21加、第四切斷部2e。通過這種方式對圖2所示的熱電轉(zhuǎn)換元件2進(jìn)行成型。另外，作為形成溝槽加以及切斷部2b 2e的方法，不僅僅只限于線鋸，例如還可以采用片鋸(blade saw)、微噴砂處理(micro blasting)等。并且，熱電轉(zhuǎn)換元件2的制造方法也不僅僅只限上述方法，也可以采用其他方法。 例如，也可以在劍山狀的模具中放入粉末狀的硅化鎂(M^Si)并進(jìn)行燒結(jié)。還可以采用注塑成型。在使用注塑成型來對熱電轉(zhuǎn)換元件2進(jìn)行成型時，只須將熔融后的硅化鎂注入到劍山狀的模具中即可。此外，雖然第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2在圖2中示出了方柱狀的一種熱電轉(zhuǎn)換元件，但是并不僅僅只限于此，例如也可以制成圓柱狀的熱電轉(zhuǎn)換元件。在熱電轉(zhuǎn)換元件 2成型為圓柱狀的情況下，例如可以使用圓柱狀的模具，通過形成溝槽加來取代上述第一至第四的四個切斷部2b 加，從而得到圓柱狀的熱電轉(zhuǎn)換元件2。柱狀部22的根數(shù)、高度、溝槽加的寬度、聯(lián)結(jié)部21的大小、厚度則是鑒于確保熱電轉(zhuǎn)換元件2的溫度差、來自高溫側(cè)的輻射熱量、熱傳導(dǎo)、熱電轉(zhuǎn)換元件2自身的機(jī)械強(qiáng)度等進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。然后，說明第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊1的工作。當(dāng)把熱電轉(zhuǎn)換模塊1的基板 12安裝到熱源上，并冷卻基板11時，熱電轉(zhuǎn)換元件2的兩端產(chǎn)生溫度差，根據(jù)賽貝克效應(yīng)產(chǎn)生電流流動，并發(fā)電。這時，為了持續(xù)進(jìn)行發(fā)電，需要持續(xù)地維持熱電轉(zhuǎn)換元件2兩端的規(guī)定的溫度差。在第一實施方式中，由于采用熱導(dǎo)率較小的硅化鎂(Mg2Si)作為熱電轉(zhuǎn)換元件2的材料，所以，能夠良好地維持溫度差。除此以外，第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2是在截面呈矩形的塊體上形成格子狀的溝槽2a，聯(lián)結(jié)部21的與電極31接觸的另一個表面21b的面積比各柱狀部22的頂端2 的面積總和要大。因此，熱電轉(zhuǎn)換元件2由于其形狀，在高溫側(cè)的端部上抑制吸熱的同時， 在低溫側(cè)的端部上促進(jìn)放熱，所以能夠適當(dāng)?shù)鼐S持兩端的溫度差。根據(jù)使用了第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的熱電轉(zhuǎn)換模塊1，由于熱電轉(zhuǎn)換元件2具備多個柱狀部22，所以，即使一部分柱狀部22發(fā)生破損，其他的柱狀部22也能夠確保第一電極32與第二電極31之間的電連接，由此能夠進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。因此，根據(jù)第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊1，能夠提高成品率，并提高耐久性。另外，由于聯(lián)結(jié)部21的與第二電極31電連接的連接面21b比各柱狀部22的一端 2 的面積總和大，所以，熱電轉(zhuǎn)換元件2在聯(lián)結(jié)部21的連接面21b —側(cè)的放熱量比在柱狀部22的一端2 —側(cè)的吸熱量大，能夠良好地保持兩端部的溫度差，并很好地獲得電力。此外，只要將各柱狀部22制成與現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件相同程度的大小，由于各柱狀部22是由聯(lián)結(jié)部21聯(lián)結(jié)的，能夠?qū)⒍鄠€現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件集合在一起，并一次性安裝在第二電極上，因此提高了熱電轉(zhuǎn)換模塊1的批量生產(chǎn)能力。而且，聯(lián)結(jié)部21的與第二電極31電連接的連接面21b比現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件與第二電極電連接的表面的面積總和要大出溝槽加的面積這么多，所以能夠簡單地將熱電轉(zhuǎn)換元件2連接到第二電極31上，而不會使該熱電轉(zhuǎn)換元件2相對第二電極31產(chǎn)生傾斜。據(jù)此，能夠防止由于熱電轉(zhuǎn)換元件2相對第二電極31發(fā)生傾斜而導(dǎo)致熱電轉(zhuǎn)換元件2產(chǎn)生龜裂、破裂，提高熱電轉(zhuǎn)換元件2的耐久性。而且，由于聯(lián)結(jié)部21與第二電極31 的連接面積增大，能夠提高兩者的連接強(qiáng)度，并且熱電轉(zhuǎn)換元件2難以從第二電極31剝離。另外，一般來說，熱電轉(zhuǎn)換元件非常脆，例如，沒有形成溝槽加的塊體以這種形狀作為熱電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行使用時，其一旦產(chǎn)生龜裂，受該龜裂的影響，有可能導(dǎo)致元件整體破裂。針對這個現(xiàn)象，第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2由于具備多個柱狀部22，即使其中一個柱狀部22產(chǎn)生龜裂，其他的柱狀部22也不會受到該龜裂的影響。所以，第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2與現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換元件相比，能夠提高耐久性。而且，由于聯(lián)結(jié)部21的與第二電極31連接的接觸面積較大，所以能夠?qū)犭娹D(zhuǎn)換元件2的內(nèi)阻以及熱電轉(zhuǎn)換元件2和第二電極31的連接部分的電阻控制在較小的程度，容易輸出電力。利用圖5的模式圖以及等效電路圖說明上述現(xiàn)象。圖5(a)的上圖是簡略性表示第一實施方式中具備四個柱狀部22的熱電轉(zhuǎn)換模塊1的模式圖。圖5(a)的下圖表示上圖的等效電路。等效電路的Rra表示負(fù)荷電阻。&表示熱電轉(zhuǎn)換元件2的內(nèi)阻、Rin2表示一個柱狀部22的內(nèi)阻表示柱狀部22的高度、Si表示柱狀部22的一端22a的面積、Rin3表示聯(lián)結(jié)部21的內(nèi)阻、Ii2表示聯(lián)結(jié)部21的高度、&表示聯(lián)結(jié)部21的連接面21b的面積、P表示硅化鎂(Mg2Si)的電阻率。這樣，熱電轉(zhuǎn)換元件2的內(nèi)阻&能夠根據(jù)下式(1)求得。R2 = Rin2/4+Rin3 = P (V4SA/&) ... (1)圖5(b)的上圖表示比較例的模式圖，下圖表示比較例的等效電路。在比較例的電極之間配置四個熱電轉(zhuǎn)換元件，該熱電轉(zhuǎn)換元件由硅化鎂(Mg2Si)成型，該熱電轉(zhuǎn)換元件的柱狀部的橫截面面積與第一實施方式的柱狀部22的橫截面面積S1相同，高度與第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的高度h(h = hjh2)相同。比較例的熱電轉(zhuǎn)換元件的內(nèi)阻Rinl和四個熱電轉(zhuǎn)換元件的內(nèi)阻的合計設(shè)定為禮。則R1可以根據(jù)下式O)求得。R1 = Rinl/4 = P (Vti2)Z^S1) ... (2)為了比較第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的內(nèi)阻民和比較例中的4個熱電轉(zhuǎn)換元件的內(nèi)阻的合計內(nèi)阻R1，將隊減去&時，可以根據(jù)式子(1)、式子⑵導(dǎo)出下式(3)。R1-R2 = [ph2 (S2^S1) ] / GSj2) ... (3)這里，聯(lián)結(jié)部21的接觸面21b的面積&比柱狀部22的一端2 面積S1的合計面積4Si大出柱狀部22間的間隙部分的面積。所以，由于(S2IS1) > 0，因此，明顯可知式子 (3)的值也超過0。由此可以得知，第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的內(nèi)阻比比較例的四個熱電轉(zhuǎn)換元件的內(nèi)阻小。接著，就圖5(a)中的第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的與電極31、32的連接部分的接觸電阻進(jìn)行研究。將第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的與電極31、32連接部分的接觸電阻設(shè)定為Ra、將一個柱狀部22的一端22a與第一電極32的連接部分的接觸電阻設(shè)定為 Rjl、將聯(lián)結(jié)部21的連接面21b與第二電極31的連接部分的接觸電阻設(shè)定為民2、將連接部分的電阻率設(shè)定為P ’、將連接部分的厚度設(shè)定為hs (假定所有的連接部分處于相同的連接狀態(tài)，且具有相同的厚度)時，則Ra可以根據(jù)下式(4)來求得。Ra = 1^/4+ = P，OisZ^SAhyS2) - (4)就圖5(b)所示的比較例的四個熱電轉(zhuǎn)換元件的與電極31、32的接觸部分的接觸電阻進(jìn)行考慮時，將比較例的四個熱電轉(zhuǎn)換元件的與電極31、32接觸部分的接觸電阻的合計電阻設(shè)定成Rb。這樣，由于比較例的一個熱電轉(zhuǎn)換元件各端的面積與柱狀部22的一端 2 的面積相同，所以比較例的一個熱電轉(zhuǎn)換元件各端的接觸電阻即為Iijltj因此，可以根據(jù)下式(5)求出Rb。Rb = 1^/4+1^/4 = 1^/2 = P，hs/2S1 ... (5)為了比較第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的接觸電阻Ra和比較例的四個熱電轉(zhuǎn)換元件的合計接觸電阻Rb，可以從Rb中減去Ra，根據(jù)式子、式子(5)導(dǎo)出下式(6)。Rb-Ra = P，^(82-48^/(48! ) ... (6)這里，聯(lián)結(jié)部21的接觸面21b的面積&比柱狀部22的一端2 面積S1的合計面積4Si大出柱狀部22間的間隙部分的面積。所以，由于(S2IS1) >0，所以明顯可知式子 (6)的值也超過0。因此可以知道第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2的內(nèi)阻比比較例的四個熱電轉(zhuǎn)換元件的接觸電阻小。 如上所述，第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2與比較例的四個熱電轉(zhuǎn)換元件相比， 內(nèi)阻以及接觸電阻小，電損失少，所以與比較例的熱電轉(zhuǎn)換元件相比能夠獲得的更大的電力。另外，為了確認(rèn)硅化鎂原料的熱電轉(zhuǎn)換性能，使用橫截面面積是4mm2、高度是8mm 的橫截面成正方形的燒結(jié)體，并利用穩(wěn)定直流法測定賽貝克系數(shù)、電導(dǎo)率以及電力因數(shù) (Power Factor)。熱電特性評估裝置使用愛發(fā)科理工株式會社(ULVAC-RIKO，Inc.)制的 ZEM-2。圖9表示溫度與賽貝克系數(shù)的關(guān)系，圖10表示溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系，圖11表示溫度與電力因數(shù)的關(guān)系。此外，使用愛發(fā)科理工株式會社(ULVAC-RIKO，Inc.)制的TC-7000H測定所述熱電轉(zhuǎn)換模塊1的熱導(dǎo)率。圖12表示溫度和熱導(dǎo)率的關(guān)系。利用根據(jù)上述測定的賽貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率，計算出作為熱電轉(zhuǎn)換材料的性能指標(biāo)的無量綱性能指數(shù)ZT。圖13表示溫度與無量綱性能指數(shù)ZT的關(guān)系。從圖13可知， 無量綱性能指數(shù)ZT在溫度是87 時等于0. 6，得到良好的熱電特性。接著，使用熱電轉(zhuǎn)換模塊1，其中，該熱電轉(zhuǎn)換模塊1與圖3的熱電轉(zhuǎn)換模塊1 一樣，由四個分別具備如圖14所示的四個柱狀部22的熱電轉(zhuǎn)換元件2串聯(lián)而成，并利用 Unionmaterials株式會社制的熱電特性評估裝置UMTE-1000M測定規(guī)定溫度差下得到的電力。另外，圖14中所示的熱電轉(zhuǎn)換模塊1省略了基板11、12。在該測定中，低溫側(cè)的基板11的溫度設(shè)定為100°C，高溫側(cè)的基板12的溫度設(shè)定成200°C 600°C，各柱狀部22的橫截面面積設(shè)定成4mm2、高度設(shè)定成7mm，溝槽加的寬度設(shè)定成0. 3mm,聯(lián)結(jié)部21的高度設(shè)定成3mm、縱向?qū)挾群蜋M向?qū)挾染O(shè)定成4. 3mm,各熱電轉(zhuǎn)換元件2的高度設(shè)定成10mm。同時，作為比較例，如圖15所示，將橫截面面積為4mm2、高度為IOmm的4個熱電轉(zhuǎn)換元件在電極31、32之間按間距0. 3mm并列配置組成一個單元。在基板11、12之間將4個上述單元串聯(lián)形成熱電變換模塊，并使用相同的方法測定該熱電轉(zhuǎn)換模塊的電力。其中，圖15所示的比較例的熱電轉(zhuǎn)換模塊顯示省略了基板11、12。圖16表示溫度差與電力(輸出)間的關(guān)系。從圖16可知，相對于使用比較例的熱電轉(zhuǎn)換元件的情況，第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2能夠獲得兩倍的電力。根據(jù)第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊1，由于電連接在第一電極32上的所有柱狀部 22通過與基板11電連接的聯(lián)結(jié)部21被聯(lián)結(jié)成整體，因此，該熱電轉(zhuǎn)換模塊1與現(xiàn)有技術(shù)中一對電極之間由多個熱電轉(zhuǎn)換元件相互保持間隔排列而成的熱電轉(zhuǎn)換模塊相比，能夠跨越性地提高熱電轉(zhuǎn)換元件2在基板11 一側(cè)的機(jī)械強(qiáng)度。而且，由于熱電轉(zhuǎn)換元件2在基板11 一側(cè)的機(jī)械強(qiáng)度得到提高，基板11與現(xiàn)有技術(shù)中的基板相比機(jī)械強(qiáng)度(剛性)沒有必要太高，可以使用剛性低的廉價材料對基板11進(jìn)行成型，或者把基板11做得更薄，因而能夠抑制制造成本。另外，在第一實施方式中，熱電轉(zhuǎn)換元件2雖然由硅化鎂(Mg2Si)成型，但并不僅僅只限于這種形態(tài)。例如，還能夠使用包含Sb-Te系及Bile系的Bi-Te系、包含Sn-Te 系及 Ge-Te 系的 Pb-Te 系、Ag-Sb-Te 系、Ag-Sb-Ge-Te 系、Si-Ge 系、Fe-Si 系、Mn-Si 系、Zn-Sb系、硫?qū)倩衔?chalcogenide)、方鈷礦(skutterudite)、填充式方鈷礦(filled skutterudite)、碳化硼、層狀氧化鈷等任意熱電轉(zhuǎn)換材料。另外，熱電轉(zhuǎn)換元件2不僅僅只限于η型熱電轉(zhuǎn)換材料，也可以使用ρ型熱電轉(zhuǎn)換材料。此外，硅化鎂(Mg2Si)沒有必要使用高純度材料，例如可以是使用研磨、研磨加工時排出的廢棄硅泥制成的材料。另外，也可以在基板11、12之間配置多個第一實施方式的熱電轉(zhuǎn)換元件2并進(jìn)行串聯(lián)連接。例如，如圖3所示的第二實施方式的熱電轉(zhuǎn)換模塊1那樣，使用兩個熱電轉(zhuǎn)換元件2、2’，將第二電極31a、31b連接到各熱電轉(zhuǎn)換元件2、2’的聯(lián)結(jié)部21的連接面21b、21b 上，將第一電極32a、32b連接到各熱電轉(zhuǎn)換元件2、2’的柱狀部22的一端2 上。然后，通過連接部33將連接在熱電轉(zhuǎn)換元件2上的第一電極3 和連接在熱電轉(zhuǎn)換元件2’上的第二電極31b進(jìn)行電連接，也可以將各電極31a、31b、32a、32b固定在基板11、12上。通過這種構(gòu)成，對兩個熱電轉(zhuǎn)換元件2、2 ’進(jìn)行串聯(lián)連接，能夠獲得更多的電力。此外，還能夠使用Ni、Al、Cu、W、Au、Ag、Co、Mo、Cr、Ti、Pd等、以及這些物質(zhì)的合金、或是過渡族金屬硅化物、TiN, AiTiN等任意電極材料。并且，無須根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換模塊的大小而更改對熱電轉(zhuǎn)換元件2成型的模具的尺寸，能夠通過排列多個熱電轉(zhuǎn)換元件2從而制造各種大小的熱電轉(zhuǎn)換模塊，能夠抑制制造成本。當(dāng)使用和電極32a、32b相同的材料形成連接部33時，為了抑制熱傳遞，連接部33 只要形成得較細(xì)即可。同時，可以利用熱導(dǎo)率較低的素材來構(gòu)成連接部33。在圖3中，顯示省略了配置在基板11、12間的絕熱材料5。另外，如圖4所示的第三實施方式，熱電轉(zhuǎn)換元件2的柱狀部22可以形成為去圓臺狀或棱臺狀，這樣，柱狀部22的一端2 的面積m比柱狀部22與聯(lián)結(jié)部21連接的連接部分的橫截面積η小。因此，柱狀部22的一端22a的面積則更小，能夠抑制柱狀部22在熱電轉(zhuǎn)換元件2高溫側(cè)的吸熱，能夠適當(dāng)?shù)鼐S持溫度差。此外，圖4中的顯示也省略了基板11、 12間的絕熱材料5。此外，如圖6所示的第四實施方式，可以在基板11、12之間交替配置η型的熱電轉(zhuǎn)換元件2η和ρ型的熱電轉(zhuǎn)換元件2ρ，相鄰的熱電轉(zhuǎn)換元件2η和熱電轉(zhuǎn)換元件2ρ的第一電極3 電連接，將第一電極分離的相鄰的熱電轉(zhuǎn)換元件的第二電極31b進(jìn)行電連接。這樣， 串聯(lián)連接各熱電轉(zhuǎn)換元件2n、2p，形成現(xiàn)有公知的所謂π型的熱電轉(zhuǎn)換模塊1。在第一至第三實施方式中，針對用于使用了塞貝克效應(yīng)的發(fā)電用熱電轉(zhuǎn)換模塊1 中的熱電轉(zhuǎn)換元件2進(jìn)行了說明。本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件同樣能夠適用于使用了珀爾帖效應(yīng)進(jìn)行冷卻或加熱的熱電轉(zhuǎn)換模塊。此外，在第一至第三實施方式中，雖然將熱電轉(zhuǎn)換元件2的各柱狀部22的一端2 連接在電極32、3h、32b上，但是也可以通過絕熱構(gòu)件等對基板11和基板12進(jìn)行聯(lián)結(jié)，使各柱狀部22的頂端2 和電極32、3h、32b之間產(chǎn)生間隙，使各柱狀部22的頂端2 和電極32、3h、32b處于非接觸狀態(tài)。而當(dāng)基板12被加熱時，因熱電轉(zhuǎn)換元件2的熱膨脹，使各柱狀部22的頂端2 處于與電極5、53、M相接觸的接觸狀態(tài)。這樣，在非接觸狀態(tài)中，從熱電轉(zhuǎn)換元件2的柱狀部22的一端2 —側(cè)不會被施加外力，能夠進(jìn)一步提高熱電轉(zhuǎn)換模塊2的耐久性。另外，例如可以使用云母(Mica)、硅酸鈣板、玻璃纖維、巖棉、渣棉、陶瓷纖維、 鈣硅石、硬鈣硅石、石棉、海泡石、坡縷石、鈦酸鉀、堿性硫酸鎂、微細(xì)硅酸粉、無水硅酸(aerosil)、含水硅酸(白炭黑)、硅藻土、水化硅酸鈣、莫來石球(mullite balloon)、西拉斯球(shirasu balloon)、玻璃球(glass balloon)、珠光體、粉煤灰以及包含上述材料的復(fù)合體的任意材料作為絕熱材料。而且，為了減輕在熱電轉(zhuǎn)換元件2的聯(lián)結(jié)部21的連接面21b以及柱狀部22的一端2 處的與電極之間的接觸電阻，也可以設(shè)置連接層。連接層優(yōu)選是由鎳、鋁、銅、鋅以及組合了這些物質(zhì)的合金形成，但也可以由其他材料形成。在形成連接層情況下，例如，也可以將粉末狀的鎳(平均粒徑約為63 μ m)放入由沖頭Pl堵住模具D下方開口的貫穿孔D1，通過沖頭P2沖壓加固后，將粉末狀的硅化鎂 (Mg2Si)放入貫穿孔Dl中。然后，再度向貫穿孔Dl放入粉末狀的鎳，并再次通過沖頭P2加壓并進(jìn)行燒結(jié)處理，從而使兩端具有連接層的圓柱狀燒結(jié)體成型。另外，也可以通過鍍膜形成連接層。
權(quán)利要求
1.一種熱電轉(zhuǎn)換元件，其配置在具備第一電極和第二電極的熱電轉(zhuǎn)換模塊的兩電極之間，所述第一電極和所述第二電極以相互保持間隔的方式配置并電連接，其特征在于，該熱電轉(zhuǎn)換元件具備多個柱狀部以及聯(lián)結(jié)部，所述多個柱狀部以相互保持間隔的方式配置，并且各柱狀部的一端與所述第一電極電連接，所述聯(lián)結(jié)部聯(lián)結(jié)各柱狀部的另一端，并且與所述第二電極電連接，該聯(lián)結(jié)部的與所述第二電極連接的連接面的面積比各柱狀部的所述一端的合計面積大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，所述各柱狀部的所述一端的面積比所述各柱狀部與所述聯(lián)結(jié)部的連接部分的橫截面面積小。
3.一種熱電轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于，該熱電轉(zhuǎn)換模塊以如下方式構(gòu)成將多個權(quán)利要求1或2所述的熱電轉(zhuǎn)換元件以與所述第一電極和所述第二電極電連接的狀態(tài)配置在一對基板之間，所有熱電轉(zhuǎn)換元件成型為η型或P型，并且連接在一個熱電轉(zhuǎn)換元件上的第一電極與連接在與所述一個熱電轉(zhuǎn)換元件鄰接的熱電轉(zhuǎn)換元件上的第二電極連接，以使各熱電轉(zhuǎn)換元件串聯(lián)連接。
4.一種熱電轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于，該熱電轉(zhuǎn)換模塊以如下方式構(gòu)成將多個權(quán)利要求1或2所述的熱電轉(zhuǎn)換元件成型為η型及ρ型，并以與所述第一電極和所述第二電極連接的狀態(tài)，在一對基板之間交替配置η型熱電轉(zhuǎn)換元件和ρ型熱電轉(zhuǎn)換元件，鄰接的兩個熱電轉(zhuǎn)換元件的第一電極電連接，并且相互鄰接的、同時第一電極分離的兩個熱電轉(zhuǎn)換元件的第二電極電連接，以使各熱電轉(zhuǎn)換元件串聯(lián)連接。
5.一種熱電轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于，該熱電轉(zhuǎn)換模塊被構(gòu)造為將權(quán)利要求1或2所述的熱電轉(zhuǎn)換元件以與第一電極和第二電極電連接的狀態(tài)配置在一對基板之間，在所述一對基板之間配置有絕熱材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱電轉(zhuǎn)換元件及使用了該熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電轉(zhuǎn)換模塊，其中本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換元件及熱電轉(zhuǎn)換模塊能夠提高成品率和耐久性、并且容易確保兩端部的溫度差，同時能夠?qū)犭娹D(zhuǎn)換元件簡單地連接到電極上而不會產(chǎn)生傾斜，而且能夠提高批量生產(chǎn)性能。熱電轉(zhuǎn)換元件(2)的一端與第一電極(32)電連接，該熱電轉(zhuǎn)換元件(2)具備多個柱狀部(22)，其相互之間保持間隔地配置；以及聯(lián)結(jié)部(21)，其聯(lián)結(jié)柱狀部(22)的另一端并與第二電極(31)電連接。聯(lián)結(jié)部(21)的與第二電極(31)連接的連接面(21b)的面積比各柱狀部(22)的一端(22a)的合計面積大。
文檔編號H01L35/08GK102341927SQ20108001045
公開日2012年2月1日 申請日期2010年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者佐藤純一, 小國陽平, 根本崇, 飯?zhí)锱?申請人:學(xué)校法人東京理科大學(xué), 日本恒溫器株式會社