专利名称：热电转换模块、热电转换装置及它们的制造方法
技术领域：
本发明涉及热电转换模块、热电转换装置及它们的制造方法。
背景技术：
作为利用热介质或冷介质流动通过的管、和该管的外部的气氛的温度差进行发电 的热电转换模块，已知在包围管的圆环状的构件的表面背面和侧面覆盖了热电转换材料的 热电转换模块。(例如，日本专利申请特开2006-228852号公报)
发明内容
本发明要解决的课题 可是，在现有技术中，难以得到充分的输出。本发明正是鉴于上述课题完成的，其 目的在于提供一种能够获得充分的输出的管用热电转换模块、热电转换装置及它们的制造 方法。 用于解决课题的方法 本发明的热电转换模块具备基板；在基板的表面上配置的多个热电元件。在基 板形成有贯通表面背面的贯通 L。多个热电元件在基板的表面上以包围贯通孔的周围的方 式而配置。 本发明的热电转换装置具备上述热电转换模块；以贯通热电转换模块的贯通孔 的方式配置的、热介质或冷介质流动通过的管。 像这样，通过在基板的任何一个的面上以包围贯通孔的周围的方式配置多个热电 元件，从而高密度地配置许多热电元件，能够高效率地进行利用了基板的贯通孔侧和外周 面侧之间的温度差的热电转换。 在这里，优选多个热电元件分别具有细长形状，从相对于基板的一个面垂直的方
向观察，多个热电元件配置为将贯通孔作为中心的放射状。由此，能够高效率地在贯通孔的
周围配置许多热电元件。因此，热电元件的高密度化和高输出化变得容易。 此外，优选热电元件的与细长形状的轴正交的方向的宽度，从相对于基板的一个
面垂直的方向观察，越向将贯通孔作为中心的半径方向的外侧变得越宽。由此，能够更高密
度地配置热电元件，此外，能够更高效率地通过多个热电元件覆盖基板的一个面。 此外，优选基板是圆板状。由此，具有能够使多个热电元件的温度差更均匀的效果。 此外，优选多个热电转换元件电串联连接。由此，高电压输出化容易。 此外，优选多个热电元件以2重以上的方式包围贯通孔的周围。由此，能够分别在
基板上配置与对应于基板上的半径方向的各位置决定的工作温度相适应的热电元件，因此
实现能够更高效率的热电转换。 本发明的热电转换模块的制造方法具备热电元件配置工序，在形成有贯通表面 背面的贯通孔的基板的至少一个面上，以包围该贯通孔的周围的方式配置多个热电元件。
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根据本发明，能够制造上述热电转换模块。 此外，优选在热电元件配置工序中，将包含热电元件的原料粉末和有机粘合剂
(binder)的热电元件原料层，通过印刷法或粉桨浇铸法(slipcasting)在基板的一个面上
的希望的位置涂覆，之后，通过对热电原料层进行烧制，从而配置多个热电元件。 此外，也可以在热电元件配置工序中，通过将熔融后的热电元件原料喷到基板的
表面上的所希望的位置，或者通过粘接剂将上述热电元件贴附到上述基板的一个面上的所
希望的位置，从而配置多个热电元件。 此外，优选还具备布线构件配置工序，在基板的表面上配置布线构件，该布线构 件对热电元件彼此进行连接，在布线构件配置工序中，将包含布线构件的原料粉末和有机 粘合剂的布线构件原料层，通过印刷法或粉浆浇铸法在基板的一个面上涂覆，之后对布线 构件原料层进行烧制。 此外，优选还具备布线构件配置工序，在基板的表面上配置布线构件，该布线构 件对热电元件彼此进行连接，在布线构件配置工序中，将熔融后的布线构件原料喷到基板 的表面上，或者通过导电性粘接剂将布线构件贴附到基板的一个面上。
图1是本发明的热电转换模块的概略平面图。图2是使用了图1的热电转换模块的热电转换装置。图3是本发明的其它实施方式的热电转换模块的概略平面图。图4是表示图1的热电转换模块制造方法的平面图。附图标记说明l热电转换模块2基板3布线构件4、41、41L、41H p型热电元件4、42、42L、42H n型热电元件6布线构件20管ioo热电转换装置
具体实施例方式
本发明的见解通过参照仅为了例示而表示的附图，考虑以下的详细记述，能够容 易地理解。接着，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明。在可能的情况下，对同 一要素赋予同一附图标记，省略重复的说明。 首先，针对本发明的实施方式的热电转换模块l进行说明。如图l和图2所示，热 电转换模块1主要具备基板2 ;多个热电元件4，在基板2的表面2a上设置；以及布线构 件3 、 6 ，对热电元件4彼此进行电串联连接。 基板2是圆环状的基板，在大致中央部形成有贯通表面背面的例如圆形的贯通孔 7。基板2的材质只要是电绝缘性高、热传导率低的话并不特别限定，例如可以举出二氧化
4硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、二氧化铈、莫来石、堇青石、氧化钙等的陶瓷基板，PET等的聚酯 类树脂、环氧类树脂、丙烯酸类树脂、氟类树脂等的树脂基板。 贯通孔7的直径和形状并不被特别限定，只要是适合贯通该贯通孔7内的管(详 细后述)的外形形状的直径和大小即可。此外，基板2的外径也不被特别限定。
在基板2的表面2a配置的热电元件4有2种，一种是p型热电元件41，另一种是 n型热电元件42。 p型热电元件41和n型热电元件42在基板2的表面2a上，以交替地包 围贯通孔7的方式配置。特别是p型热电元件41和n型热电元件42分别具有细长形状， 各热电元件的轴s从相对于基板2的表面2a垂直的方向观察，成为将贯通孔7作为中心的 放射状，B卩，轴s以从贯通孔5起分别向将贯通孔7作为中心的半径方向的外侧延伸的方式 配置。 此外，各p型热电元件41和n型热电元件42分别相对于轴s正交的方向的宽度， 以越向将贯通孔7作为中心的半径方向的外侧变得越宽的方式，分别形成为大致梯形形 状。 作为p型热电元件41的材料，例如能够举出Ca3Co409或NaxCo02等的金属复合氧 化物，MnSiu3、Fe卜xMnxSi2、Si。.8Ge。.2、 P _FeSi2等的硅化物，CoSb3、 FeSb3、 RFe3CoSb12 (R表示 La、 Ce或Yb)等的方钴矿，BiTeSb、 PbTeSb等的含有Te的合金，或聚乙炔、聚丙烯、聚芳醚 腈(polyanylene)、聚噻吩等的高分子等。 此夕卜，作为n型热电元件42的材料，例如能够举出SrTi03、 ZrvXA1X0、 CaMn03、 LaNi03、 BaxTi8016、 T^—xNbx0等的金属复合氧化物，Mg2Si、 Fe丄—xCoxSi2、 Si。.8Ge。.2、 P _FeSi2等 的硅化物，方钴矿，Ba8Al12Si3。、Ba8Al12Ge3。等的包合物，CaB6、SrB6、BaB6、CeB6等的硼化合物， BiTeSb、PbTeSb等的含有Te的合金，或聚乙炔、聚丙烯、聚芳醚腈、聚噻吩等的高分子等。
其中，从制造成本、在大气中的稳定性的观点出发，优选金属复合氧化物的热电元 件，特别优选作为P型热电元件为Ca3Co409，作为n型热电元件为CaMn03的组合。此外，这 些热电元件特别在700 80(TC左右显现高热电特性，因此能够特别适合在利用高温的热 源的发电装置中利用。 此外，在各p型热电元件41、和邻接于p型热电元件41的一侧(在图1中为顺时 针方向侧)的n型热电元件42中，各元件的半径方向外侧的端部彼此通过布线构件3而电 连接。此外，在P型热电元件4、和邻接于p型热电元件41的另一侧(在图1中为逆时针 方向侧)的n型热电元件42中，各元件的半径方向内侧的端部彼此通过布线构件6而电连 接。布线构件3和6分别将贯通孔7作为中心而弧状地延伸。而且，通过这些布线构件3、 6， p型热电元件41和n型热电元件42作为整体形成串联电路。 布线构件3、6的材料只要是导电性的话就没有特别限定，能够使用金属或合金。 作为热电转换模块1的相对高温侧的布线构件材料，例如能够举出Zr、 Au、 Ag、 Pt、 Pd、 Cu、 Ti、 Ni、 Mo、 Zn、 W、 V等的金属或其合金。另一方面，作为相对低温侧的布线构件材料，例如 能够举出Bi、 Sn、 Ag、 Cu、 Pt、 Al、 Au、 Fe、 Mo、 Zn、 Pb等的金属或其合金。使用了这些材料的 电极能够使耐热性、耐蚀性、向热电元件的粘接性提高，因此特别适合在利用高温热源的发 电装置中利用。 进而，在形成串联电路的两端的热电元件4、4的端部形成有引出电极8、9，在该引 出电极8、9分别电连接有引线10。
接着，参照图2对使用了这样的热电转换模块1的热电转换装置100进行说明。该 热电转换装置100具备管20和上述的热电转换模块1。管20是在其内部流过热介质或 冷介质的部件，热介质的温度比管20周围的气氛的温度高，冷介质的温度比管20周围的气 氛的温度低。 热介质和冷介质不被特别限定，例如能够举出氯氟烃(chlorofluorocarbon)、代 替氯氟烃(alternate chlorofluorocarbon)、水、酒精类、氨水、油类、熔融金属类等。此外， 管的材质也不被特别限定，从热传导性的观点出发，优选是金属。 该管20以分别贯通多个热电转换模块1的各贯通孔7的方式配置。优选管20的 外壁与贯通孔7的内周面直接接触，或管20的外壁与贯通孔7的内周面通过热传导性高的 粘接剂等热连接。作为热传导性高的粘接剂，可以举出软钎焊料等。 此外，各热电转换模块1的电极8与相邻的热电转换模块1的电极9通过引线10 电连接，通过多个热电转换模块l，形成利用了许多热电元件的1个串联电路。再有，在图2 中，省略了热电元件4和布线构件3、6的记述。 在这样的热电转换装置100中，当对管20内供给热介质或冷介质时，相对于基板 2在半径方向上产生温度梯度，在热电元件4的长度方向上产生温度梯度。由此，对各热电 转换元件产生电动势，在串联电路的两端产生大的电压。 特别是在本实施方式中，多个热电元件4在基板2的表面2a上以包围贯通孔7的 周围的方式配置，因此高密度地配置许多热电元件4，能够高效率地进行利用了基板2的贯 通孔7侧和外周面侧之间的温度差的热电转换。 此外，多个热电元件4分别具有细长形状，从相对于基板2的表面垂直的方向观 察，将贯通孔7作为中心放射状地配置，因此能够高效率地在贯通孔周围配置许多热电元 件。因此，易于实现热电元件的高密度化和高输出化。 进而，热电元件4的与细长形状的轴s正交的方向的宽度，从相对于上述基板的表 面垂直的方向观察，越向将上述贯通孔作为中心的半径方向的外侧变得越宽，因此能够更 高密度地配置热电元件，此外，能够通过多个热电元件对基板的表面高效率地在基板的表 面上进行覆盖。 再有，在上述实施方式中，如图2所示，串联连接有多个热电转换模块l，但并联连 接也可，此外，不用说热电转换模块1是1个也可。 此外，在图1中，热电元件4是细长形状并且放射状地配置，但并不被限定于此，例 如热电元件的形状即使是正方形或圆形，只要以包围贯通孔7的周围的方式配置有多个， 就能够实施本发明。此外，在上述实施方式中，交替配置P型热电元件41和n型热电元件 42，但仅配置任何的一方也可。此外，根据需要的电压，不串联连接各热电元件4彼此，例如 并联连接也能够实施。此外，基板2的外形形状不是圆形也可，是矩形等也可。
进而，如图3所示，多个热电元件4以2重地包围贯通孔7的周围的方式配置也可。 在图3中，例如在热介质流动通过贯通孔7，贯通孔7侧变为高温、基板的外周侧变为低温的 情况下，优选在内侧交替地配置高温用P型热电元件41H和高温用n型热电元件42H，在外 侧交替地配置低温用P型热电元件41L和低温用n型热电元件42L。在冷介质流动通过贯 通孔7，贯通孔7侧变为低温、基板的外周侧变为高温的情况下，只要将内侧的热电元件作 为低温用，将外侧的热电元件作为高温用即可。由此，能够分别配置与对应于基板上的半径
6方向的各位置而决定的工作温度相适应的热电元件，因此能够实现更高效率的热电转换。
此外，在图3中，在内侧包围贯通孔7的多个热电元件4(41H，42H)通过布线构件 3、6电串联连接，在外侧包围贯通孔7的多个热电元件4(41L，42L)通过布线构件3、6电串 联连接，进而，在内侧包围贯通孔7的多个热电元件4(41H，42H)、和在外侧包围贯通孔7的 多个热电元件4(41L，42L)被进一步电串联连接。再有，在内侧包围贯通孔7的多个热电元 件4(41H，42H)、和在外侧包围贯通孔7的多个热电元件4(41L，42L)不被电串联连接也可。 此外，多个热电元件4以3重以上的方式包围贯通孔7的周围也可。 进而，从热传导性的观点出发，在内侧包围的多个热电元件的布线构件3、和在外 侧包围的多个热电元件的布线构件6的距离，优选尽可能地小，在内侧包围的多个热电元 件的布线构件3、和在外侧包围的多个热电元件的布线构件6之间夹持电绝缘性和热传导 性高的材料也是有效的。作为该材料能够举出氧化铝、氮化铝等，在内侧包围的多个热电元 件的布线构件3、和在外侧包围的多个热电元件的布线构件6之间，将该材料层状地接合来 使用即可。 作为高温用p型热电元件41H，例如能够举出Ca3Co409等的金属复合氧化物，作为 高温用n型热电元件，例如能够举出CaMn(^等的金属复合氧化物。另一方面，作为低温用 P型热电元件41L，能够举出例如p-BiSbTe，作为低温用n型热电元件42L，能够举出例如 n-BiSbTe。 此外，在上述实施方式中，仅在基板2的一个表面2a以包围贯通孔7的方式配置 有多个热电元件4，但仅在基板2的背面以包围贯通孔7的方式配置有多个热电元件4也 可，进而在基板的表面和背面的双方分别以包围贯通孔7的方式配置多个热电元件4也可。
(制造方法) 接着，针对上述热电转换模块的制造方法的一个例子，参照图4进行说明。首先， 如(a)所示方式准备基板2。接着，如(a)和(b)所示方式以在基板2上包围贯通孔7的方 式配置热电元件4。 热电元件4的配置例如能够考虑印刷法、粉浆浇铸、热喷镀、贴附法等各种方法。 在印刷法中，例如准备热电元件原料膏体，其包含热电元件的原料粉末、有机粘
合剂、和对应于需要添加的分散剂，之后，经由丝网印刷用网状物、或对金属板设置了对应
于热电元件4的外形形状的开口的丝网，在基板上涂覆该膏体，由此在希望的位置形成希
望大小的热电元件原料层。这样的工序有时被称为丝网印刷法、刻版印刷法。 之后，在高温烧制热电元件原料层，除去有机粘合剂，并且使原料粉末烧结即可。
在这里，例如在以图4(a)和(b)的方式配置p型热电元件41和n型热电元件42的2种热
电元件4的情况下，如果烧结温度相同的话，同时印刷双方，然后同时烧制即可，如果烧结
温度不同的话，按各型的元件的每一个反复2次印刷和烧制工序即可。这时，优选从烧制温
度高的一方先进行。 再有，作为热电材料的原料粉末，能够使用上述热电材料的原料粉末，或成为上述 热电材料的原料的粉末。例如，在热电材料是复合氧化物的情况下，能够使用各金属的碳酸 盐等的金属盐。此外，作为有机粘合剂，能够举出乙基纤维素等的纤维素类树脂、聚乙烯醇 縮丁醛等的乙烯基类树脂、聚酯类树脂、聚酰胺类树脂、聚氨基甲酸酯类树脂、丙烯酸类树 脂等。这些树脂以单独或组合2种以上的方式使用。有机粘合剂包含溶媒也可。作为溶媒，能够举出水、酒精等各种溶媒。 此外，粉桨浇铸法例如能举出如下方法，即在基板上配置具有对应于热电元件4 的外形形状的开口的模具，在该模具内填充上述膏体，之后，进行烧制，进而在之后除去该 模具的方法。作为模具的材质，例如能够举出PDT等的聚酯类树脂、特氟隆(注册商标)等 的氟类树脂。 此外，热喷镀法是将熔融后的热电元件原料从喷嘴等喷到基板上的所希望的位置 的方法，例如能够举出等离子体热喷镀、电弧热喷镀等。特别是在热喷镀法中，在PET等的 树脂材料基板上也能够形成金属膜。 此外，贴附法是将板状等的切成规定形状的热电元件通过能够应对高温的粘接剂 贴附到基板表面的方法。作为粘接剂，能够适宜地利用ARONCERAMIC或SUMICERAM等的无 机类粘接剂。 接着，如(c)所示方式，配置连接热电元件彼此的布线构件3、6。作为配置布线构 件3、6的方法，例如通过印刷法或粉浆浇铸法，对包含布线材料和有机粘合剂的导电性膏 体(例如，银膏等的金属膏体等)进行涂覆，之后进行热处理形成布线构件3、6也可，对熔 融后的布线构件进行热喷镀也可，此外，将金属箔等的布线构件以软钎焊料等的导电性粘 接剂对热电元件4的端部粘接也可。 再有，本发明并不限定于上述实施方式，能够有各种各样的变形方式。
产业上的利用可能性 根据本发明，可提供一种能够获得充分的输出的管用热电转换模块、热电转换装 置及它们制造方法。
权利要求
一种热电转换模块，其中，具备基板；以及多个热电元件，配置在所述基板的表面上，在所述基板形成有贯通表面背面的贯通孔，所述多个热电元件在所述基板的表面背面的至少一个面上以包围所述贯通孔的周围的方式配置。
2. 根据权利要求l所述的热电转换模块，其中， 所述多个热电元件分别具有细长形状，从相对于所述基板的所述一个面垂直的方向观察，所述多个热电元件配置为将所述贯 通孔作为中心的放射状。
3. 根据权利要求2所述的热电转换模块，其中，所述热电元件的与所述细长形状的轴 正交的方向的宽度，从相对于所述基板的所述一个面垂直的方向观察，越向将所述贯通孔 作为中心的半径方向的外侧变得越宽。
4. 根据权利要求2或3所述的热电转换模块，其中，所述基板是圆板状。
5. 根据权利要求1 4的任一项所述的热电转换模块，其中，所述多个热电转换元件电 串联连接。
6. 根据权利要求1 5的任一项所述的热电转换模块，其中，所述多个热电元件以2重 以上的方式包围所述贯通孔的周围。
7. —种热电转换装置，其中，具备权利要求1 6的任一项的热电转换模块；以及以 贯通所述热电转换模块的贯通孔的方式配置的、热介质或冷介质流动通过的管。
8. —种热电转换模块的制造方法，其中，具备热电元件配置工序，在形成有贯通表面背面的贯通孔的基板的表面背面的至少一个面上，以包围所述贯通孔的周围的方式配置多 个热电元件。
9. 根据权利要求8所述的热电转换模块的制造方法，其中，在所述热电元件配置工序 中，将包含所述热电元件的原料粉末和有机粘合剂的热电元件原料层，通过印刷法或粉浆 浇铸法在所述基板的所述一个面上的希望的位置涂覆，之后，通过对所述热电元件原料层 进行烧制，从而配置所述多个热电元件。
10. 根据权利要求8所述的热电转换模块的制造方法，其中，在所述热电元件配置工序 中，通过将熔融后的热电元件原料喷到所述基板的所述一个面上的希望的位置，或者通过 粘接剂将所述热电元件贴附到所述基板的表面上的希望的位置，从而配置所述多个热电元 件。
11. 根据权利要求8 10的任一项所述的热电转换模块的制造方法，其中，还具备布 线构件配置工序，在所述基板的所述一个面上配置布线构件，该布线构件对所述热电元件 彼此进行连接，在所述布线构件配置工序中，将包含所述布线构件的原料粉末和有机粘合 剂的布线构件原料层，通过印刷法或粉浆浇铸法在所述基板的表面上涂覆，之后对所述布 线构件原料层进行烧制。
12. 根据权利要求8 10的任一项所述的热电转换模块的制造方法，其中，还具备布 线构件配置工序，在所述基板的所述一个面上配置布线构件，该布线构件对所述热电元件 彼此进行连接，在所述布线构件配置工序中，将熔融后的布线构件原料喷到所述基板的表 面上，或者通过导电性粘接剂将所述布线构件贴附到所述基板的表面上。
全文摘要
本发明提供一种热电转换模块、热电转换装置及其制造方法。热电转换模块具备基板；以及多个热电元件，配置在所述基板的表面上，在所述基板形成有贯通表面背面的贯通孔，所述多个热电元件在所述基板的表面背面的至少一个面上以包围所述贯通孔的周围的方式配置。热电转换装置具备热电转换模块；以及以贯通所述热电转换模块的贯通孔的方式配置的、冷介质或热介质流动通过的管。热电转换模块的制造方法具备热电元件配置工序，在形成有贯通表面背面贯通孔的基板的表面背面的至少一个面上，以包围所述贯通孔的周围的方式配置多个热电元件。
文档编号H01L35/34GK101772847SQ200880101609
公开日2010年7月7日 申请日期2008年6月3日 优先权日2007年6月7日
发明者中根坚次, 广山雄一 申请人:住友化学株式会社