热电转换元件的制造装置及制造方法

文档序号:7090390阅读:126来源:国知局
专利名称:热电转换元件的制造装置及制造方法
技术领域
本发明涉及热电转换元件的制造装置及制造方法。
背景技术
热电转换元件使用的是利用了珀尔帖效应(Peltier Effect)或塞贝克效应(Seeback Effect)的元件。由于该热电转换元件构造简单且容易处理并能够维持稳定的特性,所以近年来,其大范围的利用备受瞩目。特别是作为电子冷却元件使用时,能够进行局 部冷却及室温附近的精密的温度控制,所以面向光电、半导体激光等的恒温化等而在进行广泛的研究。如图7所示,上述的电子冷却元件或用于热电发电的热电模块的结构为,经由连接电极(金属电极)7将P型热电转换元件(P型半导体)5和η型热电转换元件(η型半导体)6连接而形成ρη元件对,并且串行排列多个该ρη元件对。此时,根据流过ρη元件对的电流方向,使P型热电转换元件5及η型热电转换元件6的一端部发热,同时使另一端部冷却。在图7中,8、9是外部连接端子,10是陶瓷制的基板,H是表示热的流向的箭头。该热电转换元件的材料使用在该元件的利用温度区域内,由物质固有的常数即塞贝克(Seebeck)系数α、电阻率ρ及热导率K表示的性能指数Z ( = α 2/ P K)大的材料。作为热电转换元件通常使用的结晶材料是Bi2Te3类材料,但已知存在下述问题,S卩,这些结晶具有显著的劈开性,在经过用于从结晶块(ingot)获得热电转换元件的切片、切割步骤等后,由于破裂或缺损,成品率极低。为了解决该问题,试验了通过下述各步骤制作热电转换元件模块的方法,其包括加热步骤,将材料粉末混合以具有所期望的组成,并将其加热熔化;凝固步骤,形成具有菱形结构(六面晶体结构)的热电转换材料的固溶体晶块;粉碎步骤,将固溶体晶块粉碎而形成固溶体粉末;造粒步骤,使固溶体粉末的粒径均一;烧结步骤,对粒径均一的固溶体粉末进行加压烧结;以及热镦锻锻造步骤,通过使该粉末烧结体热间塑性变形并延展,从而使粉末烧结组织的结晶粒取向性能指数优异的结晶方位。(例如,参照专利文献I)。另外,作为现有的热电转换元件模块的制造方法已知有下述制造方法,其包括制造合金锭的步骤;在氧气浓度为IOOppm以下的真空或惰性气体的环境气体下将合金锭粉碎,粉碎为平均粉末粒径为O. I μ m以上而小于I μ m的原料粉末;以及烧结步骤,对该原料粉末施加压力,同时通过电阻加热将所述原料粉末烧结。在所述烧结步骤中,流过脉冲状电流,通过其焦耳热对原料粉末进行烧结,并在烧结中对原料粉末施加lOOkg/cm2以上且1000kg/cm2以下(9. 8MPa以上且98. IMPa以下)的压力。通过该制造方法,制造出结晶粒径细微且加工性优异的热电转换材料(例如,参照专利文献2)。另外,作为现有的热电转换元件模块的制造方法已知有下述方法,即,在收纳溶化了的热电转换材料的坩埚内收纳由耐热性绝缘材料构成的整个管子,通过对溶化了的热电转换材料进行加压而填充所述管子(例如,参照专利文献3 6)。进而,作为热电转换元件的制造方法已知有下述方法,即,将玻璃细管的一端插入溶化了的热电转换材料,吸升所述热电转换材料,使热电转换材料凝固,并切断所述细管而获得热电转换元件(例如,参照专利文献7) ο专利文献I :(日本)特开平11-261119号公报专利文献2 :(日本)特开2003-298122号公报专利文献3 :(日本)特开平10-290030号公报专利文献4:(日本)特开平5-152616号公报专利文献5 :(日本)特开平8-228027号公报专利文献6 :(日本)特开2007-281070号公报

然而,热电转换元件模块需要在高温侧/低温侧的温度差,所以由于起因于温度差的热膨胀的差,在热电转换元件和连接电极产生热应力。因此,若为了获得大电位差而提高温度差,则热电转换元件和连接电极之间的连接部分的应力变大。在现有的热电转换元件模块中,连接电极仅与热电转换元件连接。因此,针对所述应力的所述连接部分的可靠性不高。另外、由于将热电转换元件一个个地单独安装而制作现有的热电转换元件模块,所以存在难以高密度排列热电转换元件,取出的输出小的问题。另外,例如,在专利文献I所示的制造方法及装置中,存在下述问题,即难以在多个热电转换元件之间形成绝缘层,无法实现上述的热电转换元件的高密度排列。另外,在专利文献7记载的制造方法中,有时热电转换材料从获得的热电转换元件的细管脱落或者热电转换材料产生断裂或缺损。因此,存在无法提高连接可靠性的问题。

发明内容
本发明解决上述现有的问题,其目的在于提供高密度排列容易且连接可靠性高的热电转换元件的制造装置及制造方法。作为实现上述目的的方式,本发明提供以下所述的热电转换元件的制造装置。[I]热电转换元件的制造装置,包括坩埚,能够存贮溶化了的热电转换材料;力口热装置,配置在所述坩埚的外周,加热所述坩埚中的热电转换材料;预加热装置,配置在所述坩埚的上方并具备将所述坩埚的内部与外部连通的通路,而且具有与所述加热装置不同的加热源,对插入所述通路且由耐热性绝缘材料构成的管子进行加热;以及减压装置,与所述管子的一端连接。[2]如[I]所述的热电转换元件的制造装置,还包括缓冲室,其与所述减压装置和所述管子的所述一端连接,并且独立于所述减压装置和所述管子而开关自由。[3]如[I]或[2]所述的热电转换元件的制造装置,还包括收纳于所述坩埚的内盖,,在所述内盖上具有供所述管子穿通的贯穿孔。[4]如[I] [3]中任一项所述的热电转换元件的制造装置,所述加热装置是进行感应加热的感应加热装置,所述预加热装置的所述加热源是进行感应加热以外的加热的加
热装置。[5]如[I] [4]中任一项所述的热电转换元件的制造装置,还包括腔室,收纳所述坩埚。另外、作为实现上述目的的方式,本发明提供以下所述的热电转换元件的制造方法。[6]热电转换元件的制造方法,包括对由耐热性绝缘材料构成的管子的一端部进行预加热;将所述管子的一端导入存储有溶化了的热电转换材料的坩埚,从所述管子的另一端吸引所述溶化了的热电转换材料,由此用所述热电转换材料填充所述管子的内部;将填充到所述管子的热电转换材料固化;以及将所述管子切断。[7]如[6]所述的热电转换元件的制造方法,将调整了减压度的缓冲室与所述管子的另一端连接,从所述管子的另一端吸引所述溶化了的热电转换材料。[8]如[6]或[7]所述的热电转换元件的制造方法,所述热电转换材料是Bi2Te3类材料。[9]如[6] [8]中任一项所述的热电转换元件的制造方法,所述管子具有扩大所述管子的内截面面积而形成的缓冲部。
根据本发明,实现高密度排列容易且连接可靠性高的热电转换元件的制造装置及制造方法。


图1(A)、⑶是表示本发明的热电转换元件的截面的图。图2是表示第一例本发明的热电转换元件的制造装置的概要的图。图3(a) (e)是表示本发明的热电转换元件的制造步骤的概要的图。图4是表示本发明的热电转换元件的部件形状的图。图5是表示第二例本发明的热电转换元件的制造装置的概要的图。图6(A)、⑶是表示第三例本发明的热电转换元件的制造装置的概要的图。图7是表示现有的热电转换模块的示意图。标号説明5 ρ型热电转换元件6 η型热电转换元件7连接电极8、9外部连接端子10 基板100热电转换元件101热电转换材料102 管子105缓冲部201减压装置202 腔室203 线圈204 坩埚205预加热装置206 通路301线状锯
500减压度调整装置501缓冲室502压力计
503、504 喷嘴505、506 阀507 活塞507a 圆板507b 轴600 内盖601贯穿孔H表示热的流向的箭头
具体实施例方式本发明的热电转换元件的制造装置包括坩埚,能够存贮溶化了的热电转换材料;加热装置,配置在所述坩埚的外周,加热所述坩埚中的热电转换材料;预加热装置,配置在所述坩埚的上方并具备将所述坩埚的内部与外部连通的通路,而且具有与所述加热装置不同的加热源,对插入所述通路且由耐热性绝缘材料构成的管子进行加热;以及减压装置,与所述管子的一端连接。所述坩埚是用于加热热电转换材料而使其溶化,并存贮溶化了的热电转换材料的容器。所述坩埚由具有对应于所述热电转换材料的溶化温度的耐热性和隔热性的材料构成。作为坩埚的材料可以举出例如碳。作为所述热电转换材料可以列举例如铋-碲(Bi-Te)合金、铅-碲(Pb-Te)合金以及硅-锗(Si-Ge)合金。如果热电转换元件的使用时的温度差为从常温到500K为止,则使用铋-碲合金,如果所述温度差为从常温到800K为止,则使用铅-碲合金,如果温度差从常温到1000K为止,则使用硅-锗合金。所述加热装置是用于加热坩埚中的热电转换材料而使其溶化,并且将溶化了的热电转换材料的温度维持在热电转换材料的溶化温度以上的装置。所述加热装置例如是进行电阻加热的电阻加热装置、进行感应加热的感应加热装置、进行介质加热的介质加热装置、或者进行电弧加热的电弧加热装置。从对所述热电转换材料进行加热以使所述热电转换材料的温度迅速达到溶化温度为止的观点出发,所述加热装置优选感应加热装置。所述预加热装置是用于对插入将所述坩埚的外部与内部连通的通路的所述管子进行加热的装置。所述预加热装置可以是对构成所述通路的导热性的筒状的部件进行加热的装置,可以是对在所述通路与所述管子接触的导热性的部件进行加热的装置,也可以是例如通过导线的线圈形成所述通路的装置。所述预加热装置的所述加热源通常对于所述通路内的管子,将所述管子加热到从室温(例如25°C)以上的高温度至所述热电转换材料的溶化温度以下之间的温度。从将所述管子中的热电转换材料的结晶方位统一为更加提高热电转换材料的热电转换能力的方向的观点出发,所述加热源优选将所述管子加热到350 450°C。从将所述管子中的热电转换材料的结晶方位统一为更加提高热电转换材料的热电转换能力的方向的观点出发,所述预加热装置是对所述腔室中的所述管子的插入长度(例如,从所述腔室的上端至所述坩埚的底部的距离)以上的长度的所述通路中的所述管子进行加热的装置。所述预加热装置可以是对所述通路中的管子均匀加热的装置,也可以是对所述通路中的管子进行加热以沿所述管子的轴向形成多个温度区域的装置。从防止所述管子的断裂或变形的观点出发,优选的是,所述多个温度区域的温度,在越接近腔室的温度区域,其温度越高,在越远离腔室的温度区域,其温度越低。另外,从防止热电转换材料凝固时由于急剧收缩而造成的热电转换材料从所述管子脱落的观点出发,优选这样的温度梯度。所述预加热装置的所述加热源例如是所述电阻加热装置、所述感应加热装置、所述介质加热装置、或所述电弧加热装置。在所述加热装置为基于感应加热的感应加热装置的情况下,从防止所述加热装置和所述预加热装置之间的电耦合的观点出发,所述加热源 优选是基于感应加热以外的加热的加热装置。例如,在所述加热装置是感应加热装置的情况下,所述加热源是电阻加热装置。所述减压装置为下述装置,S卩,为了从所述坩埚将溶化了的所述热电转换材料吸升到所述管内,在所述管内产生负压的装置。所述减压装置通常经由与所述管子的端部密封连接的配管(例如,耐压管)而与管子的端部连接。所述减压装置是能够将所述管内的压力下降到比大气压(IMPa)小的压力,例如SOkPa的装置。所述减压装置例如是真空泵或注射器(syringe)。本发明的热电转换元件的制造装置也还可以具有上述结构以外的其他结构。作为这样的其他结构可以列举例如腔室、缓冲室、内盖以及电磁波屏蔽层。所述腔室是收纳后述的坩埚和加热装置的腔室。所述腔室由具有对应于所述热电转换材料的溶化温度的耐热性和隔热性的材料构成。另外,所述腔室具有开口部,所述开口部用于从后述的预加热装置的通路插入后述的由耐热性绝缘材料构成的管子。所述腔室也还可以具有用于开闭所述开口部的盖子。所述缓冲室与所述减压装置连接而且与所述管子的端部连接,并且独立于所述减压装置和所述管子而开闭自由。从调整溶化了的所述热电转换材料的吸升量的观点出发,缓冲室优选具有能够调整容积的结构。作为能够调整容积的结构,例举了下述结构,即,通过在所述缓冲室内进退自如且能够固定在所期望的位置的活塞,构成所述缓冲室的一壁面(图 5)。从调整缓冲室的减压度的观点出发,优选还具有用于显示所述缓冲室内的压力(或者减压度)的压力计。通过调整缓冲室的减压度,能够调整溶化了的所述热电转换材料的吸升速度。所述缓冲室能够形成具有所期望的减压度和所期望的容积的空间。因此,从使溶化了的所述热电转换材料的向所述管子吸入的吸升条件恒定的观点出发,更优选所述缓冲室。所述内盖为收纳于所述坩埚的部件。所述内盖具有供经过所述通路而插入所述坩埚的内部的所述管子穿通的贯穿孔。所述内盖由具有对应于所述热电转换材料的溶化温度的耐热性并具有比溶化了的热电转换材料小的密度的材料构成。所述内盖的材料例如是碳。从使所述内盖紧贴溶化了的热电转换材料的液面的观点出发,优选在所述内盖的外周和所述坩埚的内周壁之间形成间隙A(图6B)。另一方面,从抑制溶化了的热电转换材料的组成的变化的观点出发,优选间隙A较小。从使所述管子容易插入坩埚内的观点出发,优选所述内盖的所述贯穿孔的周壁与所述管子之间形成间隙B(图6B)。另一方面,从抑制溶化了的热电转换材料的组成的变化的观点出发,优选间隙B较小。在所述加热装置和所述预加热装置都为感应加热装置的情况下,在所述腔室和所述预加热装置之间配置所述电磁波屏蔽层。所述电磁波屏蔽层是能够将电磁波屏蔽为下述程度的层,即,在所述加热装置和所述预加热装置之间,一方的装置的电磁波不对另一方的装置的输出造成影响。所述电磁波屏蔽层是导电性的层,例如,是金属膜、金属粉末分散的树脂层或者含有导电性金属的导电胶。本发明的热电转换元件的制造方法包括对由耐热性绝缘材料构成的管子的一端部进行预加热;将所述管子的一端导入存贮有溶化了的热电转换材料的坩埚,从所述管子的另一端吸引所述管内的气体,由此将所述热电转换材料填充到所述管子的内部;将填充到所述管子的热电转换材料固化;以及将所述管子切断。能够使用上述的本发明的制造装 置实施该制造方法。下面,参照

本发明的实施方式。(实施方式I)图I表示本发明实施方式I的热电转换元件100。图I (A)是热电转换元件100的侧视图,图I(B)是热电转换元件100的仰视图。在图I中,101是热电转换材料,102是耐热性绝缘材料的管子。热电转换材料101紧贴在管子102的内周壁面而充满管子102内。例如、热电转换元件100的全长L为I. 3 3. Omm,管子102的内径dl为I. 8mm,管子102的外径d2为3. 0mm。热电转换材料101是若在两端产生温度差则产生电动势的材料。热电转换材料101能够根据使用时产生的温度差进行选择。热电转换材料101例如是Bi2Te3类材料。P型的热电转换材料或N型的热电转换材料例如能够通过对所述的热电转换材料添加适当的掺杂材料而获得。作为用于获得P型的热电转换材料的掺杂材料可以举出例如Sb。作为用于获得N型的热电转换材料的掺杂材料可以举出例如Se。通过添加这些掺杂材料,热电转换材料形成混晶。因此,将这些掺杂材料以例如通过“Bia 5SbL 5Te3”或“Bi2Te2.7Sea 3”那样的热电转换材料的组成式表示的程度的量添加到热电转换材料中。管子102是由具有耐热性和绝缘性的材料形成的管子。管子102具有即使在使用热电转换元件的环境下的最高温度或热电转换材料的融点也稳定地保持形状的耐热性。另夕卜,管子102具有屏蔽热电转换材料101的电流的绝缘性。从在热电转换元件模块中高密度地排列热电转换元件的观点出发,优选管子102为圆筒。作为管子102的材料可以列举例如、二氧化硅、氧化铝等金属氧化物、耐热性玻璃、石英。管子102的材料若根据耐热性的观点则优选石英,若进一步考虑费用则优选耐热玻璃。接着,说明制造热电转换元件100的装置。图2是示意地表示第一例本发明的热电转换元件的制造装置的结构的图。如图2所示,热电转换材料100的制造装置包括腔室202 ;收纳于腔室202且能够存贮溶化了的热电转换材料的坩埚204 ;用于对坩埚204的热电转换材料进行加热的线圈203 ;配置在所述腔室上的预加热装置205 ;与插入坩埚204内的管子102连接的减压装置201。线圈203构成感应加热装置。线圈203相当于上述加热装置。腔室202例如是包括线圈203及坩埚204的马弗炉。坩埚204例如是碳制的有底部的圆筒状容器。预加热装置205例如具有圆筒状配置的电阻加热装置。此时,能够将电阻加热装置形成的所述圆筒状空间作为连通腔室202上方的外部空间和腔室202内部的通路206。通路206例如也能够由铝等的金属制的筒形成。在通路206的上方配置用于开闭通路206的盖子。参照图2及图3说明制作图I的热电转换元件100的步骤。图3是说明一例本发明的热电转换元件的制造方法的图。首先,准备耐热性绝缘材料制的管子102 (图3 (a))。管子102的材料是玻璃,特别是耐热玻璃(是将SiO2和B2O3混合所得的一种硼硅酸盐玻璃,热膨胀率约为3X 10_6/K左右的材料)。作为耐热玻璃,一般已知有康宁公司制造的“Pyrex”(注册商标)玻璃。这里 准备的管子102例如是全长L为150mm、内径dl为I. 8mm、外径d2为3. Omm的耐热玻璃制
的管子。接着,配管(没有标号)与管子102的一端连接,将该配管的另一端与减压装置201连接(图2)。另外,通过线圈203将预先置换为非氧化环境气体的腔室202内的坩埚204加热到规定的温度,使坩埚204内的热电转换材料101溶化。通过由线圈203产生的磁场的作用对热电转换材料101进行感应加热。通过坩埚204的外周部和内周部的温度差及融化液体上下的温度差,在坩埚204内的融化液体中产生对流,坩埚204内的融化液体被搅拌而温度均一。接着,从预加热装置205上方将管子102的一端部插入预加热装置205的通路206 (图3 (b))。通路206中,通过所述电阻加热装置,例如按照温度区域a及b的顺序沿通路206的轴从下方开始形成两个不同的温度区域。例如,最下方的温度区域a为500°C 600°C的区域,在其上方的温度区域b为350°C 450°C的区域。各温度区域的轴向上的长度相同,但也可以不同。温度区域的温度例如能够根据热电转换材料的种类来决定。例如,在将P型热电转换材料导入管子102时,存在希望较慢冷却的情况。在该情况下,温度区域的温度设定为例如较接近于热电转换材料的溶化温度的温度。另外、在将η型热电转换材料导入管子102时,存在希望快速冷却的情况。在该情况下,温度区域的温度设定为例如较接近于室温的温度。使管子102的一端部在预加热装置205内保持规定的时间(图3的(b))。这样,对管子102的一端部进行预加热。接着,将管子102进一步插入通路206,而将管子102的一端浸入坩埚204 (图的3 (c))。接着,通过减压装置201吸引管子102内的空气,将溶化了的热电转换材料101导入管子102的内部。这样,将热电转换材料填充到管子102的内部。另外,例如通过将连接到减压装置201、管子102以及外部空间这三处的未图示的三向阀的旋塞(cock),从连接减压装置201和管子102的方向转动到连接减压装置201和外部空间的方向,从而能够停止热电转换材料101被吸入管子102。在将热电转换材料101填充到管子102内之后,根据被预加热的管子102的温度,热电转换材料101固化,决定热电转换材料101的结晶状态。另外,热电转换材料101的固化由管子102的温度决定。由于结晶构造,热电转换材料的优先生长方向通常为与管子102的内壁面垂直的方向。此时,通过从溶化状态被冷却并被吸引,吸升到管子102的热电转换材料的优先生长方向为,将表不冷却的优先生长方向的向量和表不因吸引产生的流动的优先生长方向的向量的合成向量的方向(从管子102的内周壁面向上方倾斜的方向)。因此,本发明的热电转换元件的制造装置通过控制吸引速度和冷却速度,能够控制与热电转换元件的结晶性有关的热电转换特性。另外,在本实施方式中,特别是管子102采用如图2所示直筒的圆筒形状,但如图4所示,也可以构成为在所期望的长度,直径被扩大 的形状。图4是表示管子102的另一例的图。这样,在管子102具有扩大管子102的内截面面积而形成的缓冲部105的情况下,降低热电转换材料的融化液体的吸升速度,相对加快冷却速度,由此能够使其停止在规定的位置。另外,由于热电转换材料101的融解后体积减少,所以在管子102的内部,可能发生热电转换材料101与管子102的粘附力显著降低的情况。这样,若粘附力下降,则可能成为在对管子102进行切断处理时,热电转换材料101从管子102脱落,或者在形成配线时配线材料浸入间隙而造成短路的原因。因此,优选在所述粘附力高的状态下制作热电转换元件 100。在如使用图4所示的管子102的情况下,优选进行下述处理,即,将管子102的预加热温度预先设定得较高,或者通过减压装置201吸引管子102的热电转换材料101,将其吸升到管子102内的规定高度,在管子102内的热电转换材料的融化液体未充分冷却的状态下,将管子102内的压力的调整从减压切换为加压,在提高了管子102内的热电转换材料101的压力的状态下进行冷却。另外,通过在腔室202内,或者从腔室202内经由通路206拨出管子102,将充满了热电转换材料101的管子102冷却。这样,充满了管子102的热电转换材料被固化。其后,如图3(d)所示,沿与管子102的长度方向垂直的方向,通过线状锯301同时切断凝固后的热电转换材料101和管子102,能够获得在周围配置有管子102的热电转换材料 101 (图 3(e))。通过以上的热电转换元件的制造步骤,能够在其紧贴管子102内部的状态下配置热电转换元件101,所以能够抑制在切断热电转换元件101时成为问题的“断裂”或“缺损”。其结果,能够提供热电转换材料与连接电极之间的连接可靠性高的热电转换元件,并能够提供发挥热电转换能力的可靠性高的热电转换元件。另外,在高密度排列一个个热电转换元件100时,管子102自身能够发挥作为隔圈(spacer)的作用,所以也能够获得高密度排列较容易的热电转换元件。另外,在本实施方式中,示出了以制作由一根管子102和填充该管子的热电转换材料101构成的一根材料管的状态为一例,但也可以同时制作多个所述材料管。通过上述的方法使热电转换材料101充满管子102内,与从大块的热电转换材料切出热电转换元件的、现有的制造方法相比,能够削减切断次数二次。因此,与现有的制造方法相比,本实施方式也具有能够减少步骤数的、制造方法上的优点。如上述说明,本实施方式的制造装置具有下述机构,即在通过吸引预先融化了的ρ型或η型的热电转换材料而填充到中空状的耐热性绝缘材料的管子102的内部时,在吸引热电转换材料的融化液体前,预先加热管子102。该能够进行预加热的机构可以将管子102保持在与坩埚204的加热不同的最佳温度。因此,被吸引的热电转换材料可以在管子102的内部形成为具有能够充分发挥其特性的结晶方位的结晶构造。另外,切断管子102而获得ρ型或η型的热电转换元件,排列这些元件,接着电连接两元件,由此制造热电转换元件模块。这样,根据本实施方式,能够实现高密度排列容易且连接可靠性高的热电转换元件的制造装置及制造方法。进而,通过以上的热电转换元件的制造装置,在热电转换元件组的热电转换材料间形成具有连接电极的耐热性绝缘材料的层,所以能够缓和在高温/低温的温度差下产生的热应力。因此,能够实现可以提高针对热应力的可靠性的、热电转换元件模块构造。(实施方式2)图5表示本实施方式中的制造装置。图5是示意地表示第二例本发明的热电转换元件的制造装置的结构的图。本实施方式的制造装置除了还具有减压度调整装置500以夕卜,其他与上述实施方式I的制造装置相同。减压度调整装置500包括缓冲室501 ;检测缓冲室501的压力的压力计502 ;两个喷嘴503、504 ;开闭喷嘴503、504的阀505、506 ;以及活塞507。缓冲室501例如是中空的圆柱体。压力计502配置在所述圆柱体的一端面。压力计502例如是将比大气压低的压力检测为压力差的差压计。喷嘴503、504配置在所述圆柱体的圆周面上。阀505、506是例如开闭喷嘴503、504的双向阀。喷嘴503与管子102连接,喷嘴504与减压装置201连接。 活塞507例如由构成所述圆柱体一端的内壁面的圆板507a以及与所述圆板结合的轴507b构成。轴507b例如是拧入在缓冲室501的一端的外壁开设的螺纹孔的螺丝。通过转动轴507b,圆板507a沿所述圆柱体的轴向进退自如,并且能固定在所期望的位置。在使用本实施方式的制造装置制造热电转换元件的情况下,管子102与喷嘴503连接,减压装置201与喷嘴504连接。另外,对缓冲室501的容积进行调整。缓冲室501的容积例如根据溶化了的热电转换材料的所期望的吸入量来决定。通过将活塞507的位置固定在所期望的位置,调整缓冲室501的容积。接着,对缓冲室501的内压进行调整。根据溶化了的热电转换材料的粘度及密度,决定缓冲室501的内压。通过关闭阀505,打开阀506,由减压装置201使缓冲室501的内压为负压,从而调整缓冲室501的内压。根据压力计502,如果缓冲室501的内压下降到所期望的压力值,则关闭阀506。接着,如图3(b)所示进行管子102的预加热。接着,将管子102的一端部插入坩埚204内,打开阀503。通过打开阀503,以与缓冲室501的容积和缓冲室501的内压对应的量及速度,热电转换材料被吸升到管子102。这样,通过将调整了减压度的缓冲室501连接在管子102的另一端,从而从管子102的一端以所期望的量和所期望的速度导入热电转换材料。与实施方式I相同,根据本实施方式,能够使管子102的温度的条件恒定,并能够稳定地制造具有充分发挥热电转换能力的结晶构造的热电转换材料。进而,根据本实施方式,能够使热电转换材料的导入量和导入速度恒定。因此,从制造质量均一的热电转换元件的观点出发,本实施方式的制造装置及制造方法具有更佳的效果。(实施方式3)
图6表示本实施方式的制造装置。图6(A)示意地表示第三例本发明的热电转换元件的制造装置的结构。图6(B)是扩大表示图6(A)的主要部分(内盖600的周边)的图。本实施方式的制造装置除了还具有内盖600以外,其他与所述实施方式I的制造装置相同。内盖600是碳制的圆板。内盖600的外径略小于坩埚204的内径。在内盖600的中心部具有贯穿孔601。贯穿孔601的孔径略大于管子102的外径。使用本实施方式的制造方法的热电转换元件的制造方法除了在溶化坩埚204中的热电转换材料之前,在坩埚204中的热电转换材料之上配置内盖600 ;以及将管子102经由贯穿孔601从预加热装置205的通路206插入坩埚204内以外,其他与实施方式I相同。根据本实施方式,抑制溶化了的热电转换材料从坩埚蒸发。因此,抑制坩埚204中的溶化了的热电转换材料的组成的变化。因此,有时热电转换元件的热电转换能力提高20 % 25 %左右。根据本实施方式,除了能够使管子102的温度的条件恒定以外,也能够使热电转换材料的组成恒定。因此,从制造质量均一的热电转换元件的观点出发,本实施方式的制造装置及制造方法具有更佳的效果。 内盖600能够用于实施方式2的制造装置。该情况下的制造装置及制造方法具有上述的实施方式I 3的所有效果本申请主张基于2011年4月12日提交的(日本)特愿2011-087877号及2012年2月15日提交的(日本)特愿2012-030905号的优先权。该申请说明书中所记载的内容全都引用于本申请说明书。工业实用性如上所述,根据本发明,可以获得能够高密度排列且具有高连接可靠性的元件特性的热电转换元件的制造装置及制造方法。因此,本发明的制造装置及制造方法能够在各技术领域,广泛适用于需要对热直接进行电转换的情况。
权利要求
1.热电转换元件的制造装置,包括 坩埚,能够存贮溶化了的热电转换材料; 加热装置,配置在所述坩埚的外周,加热所述坩埚中的热电转换材料; 预加热装置,配置在所述坩埚的上方并具备将所述坩埚的内部与外部连通的通路,而且具有与所述加热装置不同的加热源,对插入所述通路且由耐热性绝缘材料构成的管子进行加热;以及 减压装置,与所述管子的一端连接。
2.如权利要求I所述的热电转换元件的制造装置,还包括缓冲室,其与所述减压装置以及所述管子的所述一端连接,并且独立于所述减压装置和所述管子而开关自由。
3.如权利要求I或2所述的热电转换元件的制造装置,还包括收纳于所述坩埚的内盖,在所述内盖上具有供所述管子穿通的贯穿孔。
4.如权利要求I至权利要求3中任一项所述的热电转换元件的制造装置,所述加热装置是进行感应加热的感应加热装置,所述预加热装置的所述加热源是进行感应加热以外的加热的加热装置。
5.如权利要求I至权利要求4中任一项所述的热电转换元件的制造装置,还包括腔室,其收纳所述坩埚。
6.热电转换元件的制造方法,包括下述步骤 对由耐热性绝缘材料构成的管子的一端部进行预加热; 将所述管子的一端导入存贮有溶化了的热电转换材料的坩埚,从所述管子的另一端吸引所述溶化了的热电转换材料,由此将所述热电转换材料填充到所述管子的内部; 将填充到所述管子的热电转换材料固化;以及 将所述管子切断。
7.如权利要求6所述的热电转换元件的制造方法,将调整了减压度的缓冲室与所述管子的另一端连接,从所述管子的另一端吸引所述溶化了的热电转换材料。
8.如权利要求6或7所述的热电转换元件的制造方法,所述热电转换材料是Bi2Te3类材料。
9.如权利要求6至权利要求8中任一项所述的热电转换元件的制造方法,所述管子具有扩大所述管子的内截面面积而形成的缓冲部。
全文摘要
本发明涉及热电转换元件的制造装置及制造方法。本发明提供能够容易地实现高密度排列热电转换元件和确保连接可靠性的热电转换元件的制造装置。在吸升p型或n型的热电转换材料而填充到耐热性绝缘材料制造的管子(102)的内部的热电转换元件的制造装置中,包括在吸升溶化了的热电转换材料之前,能够将管(102)加热到规定的温度的预加热装置(205)。将由预加热装置(205)加热而被调整了温度条件的管子(102)插入坩埚(204)中,通过减压装置(201)将溶化了的热电转换材料向该管子(102)的内部吸起。
文档编号H01L35/34GK102738379SQ201210101469
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月9日 优先权日2011年4月12日
发明者东田隆亮, 丰田薰, 久保隆志, 前岛聪 申请人:松下电器产业株式会社
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