热电转换模块的制作方法

本发明涉及进行基于塞贝克效应的热电发电的热电转换模块。

背景技术：

热电转换模块是由通过塞贝克效应能够将热能转换成电能的热电转换元件构成的模块。通过利用这样的能量的转换性质，能够将从工业、民用工艺及移动体排出的排热转换成有效的电力，故而作为考虑了环境问题的省能技术，该热电转换模块及构成热电转换模块的热电转换元件受到注目。

这样的热电转换模块通常利用电极将多个热电转换元件(p型半导体及n型半导体)接合而构成。这样的热电转换模块例如公开在专利文献1中。专利文献1公开的热电转换模块具有一对基板、一端部与在该基板的一方配置的第一电极电连接，另一端部与在该基板的另一方配置的第二电极电连接的多个热电转换元件、将与该热电转换元件电连接的第一电极和与邻接的热电转换元件电连接的第二电极电连接的连接部。

专利文献1：(日本)特开2013－115359号公报

但是，在专利文献1公开的热电转换模块的构造中，由于热电转换元件的尺寸偏差，在热电转换元件和电极的接合强度上产生偏差，作为热电转换模块整体的强度降低。另外，在露出的热电转换元件也进行散热，电极间的温度差波动且变小，难以实现热电转换效率的提高。

技术实现要素：

本发明是鉴于这样的课题而设立的，其目的在于提供一种具有优良的强度及热电转换效率，且能够进行稳定的热电发电的热电转换模块。

为了实现上述目的，本发明的热电转换模块具有：多个热电转换元件，其并列设置；第一电极，其与所述热电转换元件的一端接合，并且将邻接的所述热电转换元件的一端彼此电连接；第二电极，其与所述热电转换元件的另一端接合，并且将邻接的所述热电转换元件的另一端彼此电连接；冷却机构，其进行所述第一电极的冷却；第一覆盖部件，其将所述第一电极覆盖；第二覆盖部件，其将所述多个热电转换元件各自的至少一部分覆盖，所述第二覆盖部件具有比所述第一覆盖部件低的导热率。

根据本发明的热电转换模块，能够提高模块自身的强度，并且通过优良的热电转换效率进行稳定的热电发电。

附图说明

图1是实施例的热电转换模块的立体图；

图2是沿图1中的线II－II的剖面图。

标记说明

1：热电转换模块

2a：第一热电转换元件

2b：第二热电转换元件

3a：第一电极

3b：第二电极

4：第一覆盖部件

4a：空洞

5：第二覆盖部件

6：支承基板

7：外部连接部

8：外部连接部

9：冷却机构

具体实施方式

以下，参照附图，基于实施例对本发明的热电转换模块的实施方式进行详细地说明。另外，本发明不限于以下说明的内容，在不改变其主旨的范围内可任意地变更而实施。另外，实施例的说明所使用的附图均示意地表示本发明的热电转换模块或其构成部件，为了加深理解，进行了部分的强调、扩大、缩小或省略等，具有不准确地表示各构成部件的比例尺及形状等的情况。另外，实施例中使用的各种数值均表示一例，可根据需要而进行各种变更。

<实施例>

(热电转换模块的构造)

以下，参照图1及图2对本实施例的热电转换模块1的构造进行说明。在此，图1是本实施例的热电转换模块1的立体图，图2是沿着图1中的线II－II的剖面图。而且，将图1中的一方向定义为X方向，将与X方向正交的方向定义为Y方向及Z方向，并且，特别将热电转换模块1的高度方向定义为Z方向。

由图1及图2可知，本实施例的热电转换模块1具有并列设置的多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b、设于该第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的端部的第一电极3a及第二电极3b、以将第一电极3a覆盖的方式设置的第一覆盖部件4、以将该第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b覆盖的方式设置的第二覆盖部件5、以支承第二电极3b的方式设置的支承基板6。

在本实施例中，第一热电转换元件2a由N型半导体材料构成，第二热电转换元件2b由P型半导体材料构成。而且，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b交替地、且矩阵状地配置，并且经由第一电极3a及第二电极3b而电连接。

在本实施例中，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b形成为一边约为3mm，长度为5mm～10mm的长方体状，但不限于这样的形状，例如也可以为圆柱状。

第一电极3a及第二电极3b具有同一形状(平板状)，例如由铜板形成。另外，如图1所示，第一电极3a以在X方向的两端配置的5个(更具体地，在+X方向的端部配置2个，在－X方向的端部配置3个)在Y方向上延伸的方式调整长边方向的朝向，以被该5个夹着的12个在X方向上延伸的方式调整长边方向的朝向。另一方面，第二电极3b全部(18个)以在X方向上延伸的方式调整长边方向的朝向。另外，在第一电极3a及第二电极3b的表面上，在两端部分接合有第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b。即，第一电极3a及第二电极3b以夹着第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的方式配置。

根据这样的第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a及第二电极3b的配置关系，将第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b串联连接。更具体地，如图1及图2所示，形成从第二电极3b的未接合有热电转换元件的部分即外部连接部7到外部连接部8的串联连接电路。在此，虽然在图1及图2中未作图示，但在外部连接部7、8通过焊料等接合部件接合外部连接配线。

另外，第一电极3a及第二电极3b不限于铜板，也可以由其他导电性材料(例如铝等金属材料)形成。另外，第一电极3a及第二电极3b的数量、形状不限于上述内容，能够根据第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b(即电动势的大小)适当变更。另外，也可以以将第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b并联连接的方式配设第一电极3a及第二电极3b。

由图1及图2可知，第一覆盖部件4以将第一电极3a埋设的方式覆盖第一电极3a的表面。另外，第一覆盖部件4由具有绝缘性的树脂形成，且在该树脂中混合有作为导热性材料起作用的铝、铜或氮化铝等金属材料。通过这样的构造，第一覆盖部件4具有较高的导热性，并且良好地维持第一电极3a周围的电绝缘状态。

另外，如图2所示，在第一覆盖部件4形成有空洞4a。向该空洞4a供给冷却水，通过使该冷却水循环而能够将空洞4a的周围冷却。即，在第一覆盖部件4形成有冷却机构9。通过将这样的冷却机构9形成在第一覆盖部件4上，能够将第一电极3a冷却。特别是，由于第一覆盖部件4具有较高的导热性，能够提高冷却机构9的冷却效果(即，有效地冷却)。这样，若将第一电极3a冷却，则在第一电极3a与第二电极3b之间产生温度差，产生电动势。

另外，在本实施例中，通过在第一覆盖部件4形成空洞4a，向该空洞4a内供给冷却水，从而能够将第一电极3a冷却，但也可以代替空洞4a而形成多个凸部，使第一覆盖部件4作为散热片发挥作用。即，也可以不使用本实施例那样的水冷的冷却机构，而使用空冷的冷却机构。

由图1及图2可知，第二覆盖部件5以将第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b及第二电极3b埋设的方式，覆盖第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b及第二电极3b。另外，第二覆盖部件5由具有绝缘性的树脂形成，并且在该树脂中混合有隔热材料。例如，作为形成第二覆盖部件5的隔热材料，能够使用玻璃纤维等纤维类隔热材料、聚苯乙烯泡沫等发泡类隔热材料。

通过这样的构造，第二覆盖部件5具有比第一覆盖部件4低的导热性。具有抑制第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b及第二电极3b中的散热的功能。而且，第二覆盖部件5将第一电极3a及第二电极3b间的温度差增大且将该温度差保持为一定，能够产生更大的电动势。另外，第二覆盖部件5良好地维持第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b及第二电极3b周围的电绝缘状态。

另外，通过第二覆盖部件5将第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b及第二电极3b较牢固地保持，故而能够提高热电转换模块1自身的强度。另外，由于将第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b完全覆盖，故而能够防止第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的破损及污染等，能够抑制热电转换模块1自身的热电转换效率及可靠性的降低。而且，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b与第一电极3a及第二电极3b的接合界面的边缘部不露出，故而能够提高热电转换元件与电极的接合强度，并且能够抑制伴随着经年变化而导致的接合强度的下降，能够防止接合界面的裂纹的产生。

另外，第二覆盖部件5无需将第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b完全覆盖，也可以覆盖其一部分。即使在这样的情况下，也能够在第一电极3a与第二电极3b之间产生温度差且将该温度差保持为一定，能够提高热电转换模块1自身的强度。

另外，第二覆盖部件5也可以与第一覆盖部件4同样地，混合有作为导热性材料起作用的材料。即使在这样的情况下，第二覆盖部件5也需要具有比第一覆盖部件4低的导热性。

另外，也可以在第二覆盖部件5与第一覆盖部件4同样地设置空洞，可供给冷却水。即，也可以在第二覆盖部件5形成冷却机构。通过形成为这样的构成，能够以更高精度将第一电极3a与第二电极3b之间的温度差保持为一定。

而且，在本实施例中，第一覆盖部件4及第二覆盖部件5的主材料为树脂，但也可以使用陶瓷等材料。即使在这样的情况下，覆盖第二电极3b的材料也需要具有比覆盖第一电极3a的材料低的导热率。

如图2所示，支承基板6以支承第二电极3b的方式与第二电极3b接合。支承基板6由绝缘材料构成，例如能够使用玻璃环氧树脂基板等一般的绝缘基板。

(热电转换模块的制造方法)

作为本实施例的热电转换模块1的制造方法，在作为构成制造装置的通电加压部件而起作用的两个冲头之间配置准备好的第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a及第二电极3b。之后，将两个冲头向第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a及第二电极3b加压并供给电流。由此，第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b和第一电极3a及第二电极3b扩散接合(等离子接合)，将多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b串联连接。这样的通电加压在真空、氮气或者惰性气体环境的腔室内进行。

接着，将已接合状态的第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a及第二电极3b安装在支承基板6上。更具体地，在形成于支承基板6上的金属图案上经由焊料等接合部件接合第二电极3b，形成第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a及第二电极3b的支承。

接着，通过一般的插嵌成形而形成第二覆盖部件5，之后通过同样的插嵌成形而形成第一覆盖部件4。在此，在形成第一覆盖部件4时，通过模具等同时形成空洞4a。

经由以上的工序，完成热电转换模块1。

(本实施例的效果)

以上，本实施例的热电转换模块1具有：并列设置的多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b；与上述热电转换元件的一端接合，并且将邻接的热电转换元件的一端彼此电连接的第一电极3a；与上述热电转换元件的另一端接合，并且将邻接的热电转换元件的另一端彼此电连接的第二电极3b；进行第一电极3a的冷却的冷却机构9；覆盖第一电极3a的第一覆盖部件4；覆盖上述热电转换元件的第二覆盖部件5。另外，在本实施例的热电转换模块1中，第二覆盖部件5具有比第一覆盖部件4低的导热率。

通过这样的热电转换模块1的构造，能够将成为热电转换模块1的低温侧的第一电极3a与成为高温侧的第二电极3b的温度差保持为一定，进而能够良好地维持第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a及第二电极3b周围的电绝缘状态，故而能够进行稳定的热电发电。

另外，通过导热性不同的第一覆盖部件4及第二覆盖部件5将第一热电转换元件2a、第二热电转换元件2b、第一电极3a及第二电极3b覆盖并保持，从而这些构成部件不易受到外力等的影响，作为热电转换模块1自身的强度提高。

另外，由于使第二覆盖部件5的导热率比第一覆盖部件4的导热率低，故而能够将位于低温侧的第一电极3a良好地冷却，并且能够抑制第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的温度下降。由此，能够提高热电转换模块1的热电转换效率，进行稳定的热电发电。

在本实施例的热电转换模块1中，第一覆盖部件4由混合有铜或氮化铝等金属材料的树脂形成，故而导热性较高，能够将第一电极3a更好地冷却。

在本实施例的热电转换模块1中，第二覆盖部件5由混合有隔热材料的树脂形成，故而能够进一步抑制第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b中的温度降低。

在本实施例的热电转换模块1中，第二覆盖部件5将多个第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b的整体、以及第二电极3b覆盖，故而能够抑制第一热电转换元件2a及第二热电转换元件2b中的温度下降，提高热电转换模块1自身的强度。

<本发明的实施方式>

本发明第一实施方式的热电转换模块具有：并列设置的多个热电转换元件；与所述热电转换元件的一端接合且将邻接的所述热电转换元件的一端彼此电连接的第一电极；与所述热电转换元件的另一端接合且将邻接的所述热电转换元件的另一端彼此电连接的第二电极；进行所述第一电极的冷却的冷却机构；覆盖所述第一电极的第一覆盖部件；覆盖所述多个热电转换元件各自的至少一部分的第二覆盖部件，所述第二覆盖部件具有比所述第一覆盖部件低的导热率。

本发明第二实施方式的热电转换模块，在第一实施方式的热电转换模块中，所述第一覆盖部件由混合有金属材料的树脂构成。

本发明第三实施方式的热电转换模块，在第一或第二实施方式的热电转换模块中，所述第二覆盖部件包含隔热材料。

本发明第四实施方式的热电转换模块，在第三实施方式的热电转换模块中，所述第二覆盖部件由混合有所述隔热材料的树脂构成。

本发明第五实施方式的热电转换模块，在第一至第四实施方式的任一热电转换模块中，所述第二覆盖部件覆盖所述多个热电转换元件及所述第二电极。