專利名稱：熱電變換裝置以及熱電變換裝置的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電變換裝置以及熱電變換裝置的制造方法，其可以將熱變換成電力(electricity)或者是把電力變換成熱。
背景技術(shù)：
熱電變換裝置是把利用湯姆遜效應(yīng)、珀?duì)柼?Peltier)效應(yīng)與西貝克(Seebeck)效應(yīng)等的熱電效應(yīng)的熱電組件進(jìn)行組合而構(gòu)成的。做為溫度調(diào)整的熱電變換裝置已經(jīng)是量產(chǎn)化了。另外，做為將熱變換成電力的發(fā)電單元的熱電變換裝置，其研究開發(fā)也在進(jìn)行中。
做為發(fā)電單元的相關(guān)連熱電變換裝置是一種結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)在兩端賦予溫度差而產(chǎn)生電動(dòng)力的多數(shù)個(gè)p型熱電組件與n型熱電組件，是夾在具有多數(shù)個(gè)電極的第一基板與具有多數(shù)個(gè)電極的第二基板之間。另外，通過(guò)焊錫，將各熱電組件的一端連接到第一基板的電極，而另一端連接到第二基板的電極，使得所有熱電組件被電性串聯(lián)連接。另外，這些熱電組件在熱學(xué)上是并列配置的。
為了使把熱變換成電力時(shí)的熱電變換裝置的發(fā)電效率接近熱電組件本身的發(fā)電效率，對(duì)熱電組件一端的熱供給以及從熱電組件另一端的放熱必須是平順地進(jìn)行。因此，在構(gòu)成熱電變換裝置的第一基板與第二基板方面，使用熱傳導(dǎo)優(yōu)良的陶瓷基板。另外，熱電組件所連接的各個(gè)電極是使用電性阻抗低的銅等等的導(dǎo)電性材料。
然而，由于焊錫的熔點(diǎn)是150至300℃左右，當(dāng)讓使用焊錫的熱電變換裝置在像900℃的高溫環(huán)境下動(dòng)作時(shí)，焊錫可能會(huì)溶化，而有損及動(dòng)作上的可靠度的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熱電變換裝置以及熱電變換裝置的制造方法，即使在高溫環(huán)境下動(dòng)作，可靠性更優(yōu)異。
本發(fā)明的種熱電變換裝置包括多數(shù)個(gè)熱電組件，配置在第一基板與第二基板之間，以使一端與第一基板的各電極相對(duì)應(yīng)，另一端與第二基板的各電極相對(duì)；規(guī)定構(gòu)件，用以規(guī)定各熱電組件的位置；及蓋體，配置在第二基板外側(cè)，與第一基板結(jié)合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間。
在本發(fā)明中，因?yàn)榫邆溆脕?lái)規(guī)定各熱電組件的位置的規(guī)定構(gòu)件，故不需要舊有之用來(lái)連接各熱電組件的焊錫。另外，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)在各熱電組件的高度方向所施加的壓力來(lái)保持住各熱電組件，故即使在熱電變換裝置被加熱而發(fā)生熱變形的情形，在各熱電組件與各電極的接觸面會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，可以防止組件的破損等。
在上述熱電變換裝置中，最好是從前述蓋體的端部延伸出的部分的前端與前述第一基板結(jié)合，以使前述規(guī)定構(gòu)件被前述延伸出的部分保持住。
藉此，不需要設(shè)置其它的構(gòu)件，便可以保持住規(guī)定構(gòu)件。另外，因?yàn)槭褂脧纳w體的端部延伸出來(lái)的部分，故規(guī)定構(gòu)件的相對(duì)于第一基板的定位變得容易。
在上述熱電變換裝置中，最好是從前述蓋體的端部延伸出的部分的寬度比前述蓋體的邊長(zhǎng)短。
藉此，當(dāng)將熱提供給蓋體時(shí)，從蓋體的端部延伸出的部分的熱阻抗會(huì)變大，可以減少通過(guò)此部份流出到第一基板的熱量。
在上述的熱電變換裝置中，前述規(guī)定構(gòu)件最好是絕緣基板，在對(duì)應(yīng)前述各熱電組件的位置上具有貫通孔，用以規(guī)定前述熱電組件的位置。
藉此，可以規(guī)定各熱電組件的位置而熱電組件彼此之間不會(huì)產(chǎn)生電性上的影響。
另外，本發(fā)明的熱電變換裝置的制造方法包括在具有多數(shù)個(gè)電極的第一基板上，配置規(guī)定構(gòu)件，以對(duì)應(yīng)各該電極的方式規(guī)定各熱電組件的一端的位置的工序；在被前述第一基板上的規(guī)定構(gòu)件所規(guī)定的位置上，配置多數(shù)個(gè)熱電組件的工序；將具有多數(shù)個(gè)電極的第二基板與第一基板相對(duì)向配置，以使各該電極對(duì)應(yīng)各熱電組件的另一端的工序；及在前述第二基板的外側(cè)配置蓋體，將蓋體與第一基板結(jié)合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間的工序。
在上述熱電變換裝置的制造方法中，在前述的結(jié)合工序，較好是從前述蓋體的端部延伸出的部分的前端與前述第一基板結(jié)合，以使前述規(guī)定構(gòu)件被前述延伸出的部分保持住。
上述熱電變換裝置的制造方法中，較好是使用從前述蓋體的端部延伸出的部分的寬度是加工成比前述蓋體的邊長(zhǎng)短的蓋體。
上述熱電變換裝置的制造方法中，較好是前述規(guī)定構(gòu)件使用一絕緣基板，在對(duì)應(yīng)前述各熱電組件的位置上具有貫通孔，用以規(guī)定前述熱電組件的位置。


圖1是顯示實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是顯示實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖3是顯示實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置的規(guī)定構(gòu)件的立體圖。
圖4是顯示實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置的第一制造工序的一部份的剖面圖。
圖5是顯示實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置的第一制造工序的一部份的剖面圖。
圖6是顯示實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置的第二制造工序的剖面圖。
圖7是顯示實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置的第三制造工序的剖面圖。
1熱電變換裝置2蓋體3絕緣性第二基板 4電極5彈性金屬片 6延伸部分7p型熱電組件 8n型熱電組件89第一基板10電極11規(guī)定構(gòu)件 12蓋體連接用電極13貫穿孔 14金屬膜15金屬膜具體實(shí)施方式
接著，使用圖面說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施形態(tài)。
圖1是顯示在一實(shí)施形態(tài)中熱電變換裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。同圖的熱電變換裝置1包括具有多數(shù)個(gè)電極10與蓋體連接用電極12的絕緣性第一基板9、具有多數(shù)個(gè)電極4的絕緣性第二基板3、多數(shù)個(gè)p型熱電組件7與n型熱電組件8、用來(lái)規(guī)定各熱電組件的位置的規(guī)定構(gòu)件11、以及蓋體2。電極10是配置在第一基板9上，而電極4是配置在第二基板3上，使得所有的熱電組件是以串聯(lián)連接的方式。在此，第一基板9與第二基板3使用SiN基材的陶瓷，而電極4與電極10使用組抗性好的銅，分別作為一個(gè)例子。
以銅的金屬細(xì)線編織而形成的彈性金屬片5分別配置在各熱電組件7、8與各電極4、10之間。此彈性金屬片5以阻抗熔接方式固定于各電極4、10上。因?yàn)閺椥越饘倨?具有彈性變形的性質(zhì)，故通過(guò)此結(jié)構(gòu)，在高溫環(huán)境下，在熱電組件7、8熱變形的狀況下，高度方向的伸縮會(huì)被吸收。另外，彈性金屬片5會(huì)吸收熱電組件7、8制造時(shí)的高度差異性，并且吸收第一基板9與第二基板3的彎曲等所引起之組裝時(shí)的差異性。
為了規(guī)定各熱電組件7、8的位置，規(guī)定構(gòu)件11配置在第一基板9上。另外，蓋體2配置在第二基板3的外側(cè)，從蓋體2的端部延伸出的部分6的前端通過(guò)蓋體連接用電極12，連接到第一基板9，使得壓力施加在第二基板3與第一基板9之間。規(guī)定構(gòu)件11與蓋體2的詳細(xì)結(jié)構(gòu)會(huì)在后面詳細(xì)敘述。
熱電變換裝置1通過(guò)從蓋體2提供給第一基板9側(cè)的熱以及提供到第二基板3側(cè)的熱，把熱電組件7、8兩端產(chǎn)生的溫度差變換成電力而進(jìn)行動(dòng)作。例如，第二基板3側(cè)的使用溫度設(shè)定在900℃，第一基板9側(cè)的使用溫度設(shè)定在低于900℃的溫度。在此，熱傳導(dǎo)率優(yōu)良的金屬膜14形成在蓋體2與第二基板3之間，而且在第一基板8的外側(cè)也同樣地形成金屬膜15，藉此把與外部的熱流平滑化，以提高熱效率。
接著使用圖2、圖3說(shuō)明規(guī)定構(gòu)件11。
圖2是顯示本發(fā)明熱電變換裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。在該圖中，規(guī)定構(gòu)件11是以平行于蓋2與第一基板9的方式配置在第一基板9上。
圖3是顯示規(guī)定構(gòu)件11的結(jié)構(gòu)的立體圖。如圖3所示，規(guī)定構(gòu)件11是絕緣基板，其在對(duì)應(yīng)各熱電組件的位置上，具有規(guī)定熱電組件的位置的貫通孔13。如圖2所示，各熱電組件7、8的一端插入到規(guī)定構(gòu)件11的貫穿孔13，與電極4、10連接。在此，考慮到該規(guī)定構(gòu)件11會(huì)與各熱電組件接觸以及使用溫度，規(guī)定構(gòu)件11是使用絕緣性與耐熱性高的陶瓷。因?yàn)檫@種規(guī)定構(gòu)件是使用陶瓷，所以即使在高的溫度環(huán)境下，熱電組件彼此不會(huì)有電性影響。
接著，使用圖2來(lái)說(shuō)明蓋體2。
如圖所示，從蓋體2的端部延伸出的部分6的前端，通過(guò)第一基板9上的蓋體連接用電極12進(jìn)行結(jié)合。例如，當(dāng)?shù)谝换?側(cè)的使用溫度是設(shè)定成低于900℃的溫度時(shí)，蓋體連接用電極12方面是可使用可熔接的金屬箔。接著，通過(guò)激光熔接，把從蓋體2的端部延伸出的部分6與蓋體連接用電極12進(jìn)行接合。另外，為了耐熱以及為了縮小與第一基板9的熱變形差，蓋體2方面是使用可以與蓋體連接用電極12即金屬箔進(jìn)行激光熔接的可伐合金(kovar)。
再者圖2中，從蓋體2的端部延伸出的部分6的寬度L2筆蓋體2的邊長(zhǎng)L1短。藉此，可以增大從蓋體2的端部延伸出的部分6的熱阻抗，以達(dá)到減少通過(guò)從蓋體2的端部延伸出的部分6而流入第一基板9側(cè)的熱量。另外，在本實(shí)施形態(tài)中，在蓋體2的每一邊設(shè)置2個(gè)從蓋體2的端部延伸出的部分6，藉此確保蓋體2的穩(wěn)定性。
本實(shí)施形態(tài)的熱電變換裝置例如是可以使用下面所述的制造工序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在第一工序中，首先如圖4所示，在第一基板9上配置多數(shù)個(gè)電極10與蓋體連接用電極12，并且對(duì)應(yīng)各電極10，把金屬細(xì)線編織而成的彈性金屬片5通過(guò)阻抗熔接近固定。在第一基板9的外側(cè)，形成導(dǎo)電性優(yōu)良的金屬膜15。接著如圖5所示，在第一基板9上配置規(guī)定構(gòu)件11，以規(guī)定各熱電組件的一端的位置。
在第二制造工序中，通過(guò)圖6所示的規(guī)定構(gòu)件11所規(guī)定出的位置上，配置多數(shù)個(gè)熱電組件7、8。藉此，不使用接合構(gòu)件來(lái)規(guī)定出各熱電組件7、8的位置。
在第二制造工序中，如圖7所示，將配置多數(shù)個(gè)電極4的第二基板3與第一基板9相對(duì)配置，以使各電極4對(duì)應(yīng)到各熱電組件的一端。另外，第二基板方面是使用金屬片5預(yù)先固定在對(duì)應(yīng)各電極4的位置上，且第二基板3的與配置多數(shù)個(gè)電極4的面反側(cè)的面上形成有金屬膜14。
最后，如圖1所示，把蓋體2配置在第二基板3的外側(cè)，將蓋體2與第一基板9結(jié)合，以使壓力施加于第二基板3與第一基板9之間。另外，此時(shí)，從蓋體2的端部延伸出的部分6的前端與第一基板9結(jié)合，以使規(guī)定構(gòu)件11被此部份6所保持住。在結(jié)合的時(shí)候，將從蓋體2的端部延伸出的部分6以及第一基板9上的蓋體連接用電極12進(jìn)行熔接。
通過(guò)以上的工序，各熱電組件7、8被第一基板9與第二基板3保持住，而獲得熱電變換裝置1。在此，從蓋體2的端部延伸出的部分6的寬度L2是如圖2所示，使用加工成比蓋體2的邊長(zhǎng)L1短的物體。如此，通過(guò)利用從蓋體2的端部延伸出的部分6與第一基板9來(lái)保持住規(guī)定構(gòu)件11，規(guī)定構(gòu)件11的位置便決定了，與第一基板9的定位變得容易。熱電變換裝置1的組裝性能也提高。
因此，根據(jù)本發(fā)明的話，通過(guò)以規(guī)定構(gòu)件來(lái)規(guī)定各熱電組件的位置，不需要舊有的將各熱電組件連接到電極的焊錫。藉此，熱電變換裝置即使在像900℃的高溫環(huán)境下，也可以優(yōu)異的可靠度來(lái)動(dòng)作。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，規(guī)定構(gòu)件是使用設(shè)置有貫通孔的絕緣基板。藉此，可以規(guī)定各熱電組件的位置而熱電組件彼此之間不會(huì)產(chǎn)生電性上的影響。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，利用通過(guò)配置在第二基板外側(cè)的蓋體而在各熱電組件的高度方向上所施加的壓力，保持各熱電組件。藉此，就算是在熱電變換裝置被加熱而產(chǎn)生熱變形的情形下，各熱電組件與各電極的接觸面產(chǎn)生滑動(dòng)，可以防止組件的破損等。另外，熱電變換裝置即使在像900℃的高溫范圍下，也可以穩(wěn)定地動(dòng)作，可以提高可靠度。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，從蓋體的端部延伸出的部分的前端與第一基板結(jié)合。藉此，不需要另外設(shè)置構(gòu)件便可以保持住規(guī)定構(gòu)件，可以抑制制造成本的增加。另外，通過(guò)使用從蓋體的端部延伸出的部分，規(guī)定構(gòu)件的相對(duì)于第一基板的定位變得容易。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，從蓋體的端部延伸出來(lái)的部分的寬度比蓋體的邊長(zhǎng)短。通過(guò)此方式，在提供熱給蓋體的時(shí)候，從蓋體的端部延伸出來(lái)的部分的熱阻抗會(huì)變大，可以減少透過(guò)此部分流到第一基板的熱量。結(jié)果，可以抑制因熱量流出而產(chǎn)生的發(fā)電效率降低。
另外，在上述的實(shí)施形態(tài)中，各熱電組件與各電極之間的構(gòu)件是使用以金屬細(xì)線所編織而成的銅彈性金屬片，但是并不局限于此。若是具有彈性變形的性質(zhì)、具有可以吸收各熱電組件的高度方向的差異性的作用的構(gòu)件的話，例如是金屬板彈簧或弦卷狀彈簧等都可以。另外，關(guān)于材質(zhì)部分，從阻抗與熱傳導(dǎo)率的觀點(diǎn)來(lái)看是使用銅，但是并不局限于此。在使用溫度更加上升的情形時(shí)，彈性金屬片也可以是耐熱性高的不銹鋼。
另外，在上述的實(shí)施形態(tài)中，從蓋體的端部延伸出來(lái)的部分是在蓋體的每一邊設(shè)置兩個(gè)，但是也不限于此。例如，在做成一個(gè)的情形，當(dāng)提供熱給蓋體的時(shí)候，從蓋體的端部延伸出的部分的熱阻抗會(huì)更大，可以更加抑制通過(guò)此部分流出到第一基板側(cè)的熱量。另一方面，在做成三個(gè)或四個(gè)的情形，通過(guò)蓋體保持的規(guī)定構(gòu)件的位置的穩(wěn)定性可以更進(jìn)一步地確保。
另外，在上述實(shí)施形態(tài)中，記載著通過(guò)溫度差來(lái)進(jìn)行發(fā)電的情況，但是通過(guò)積極地通電來(lái)進(jìn)行熱移動(dòng)的珀?duì)柼M件(Peltier device)也是可以使用的。此時(shí)，對(duì)于發(fā)高熱的構(gòu)件是使蓋體與之接觸而使用。
權(quán)利要求
1.一種熱電變換裝置，其特征在于其包括多數(shù)個(gè)熱電組件，配置在第一基板與第二基板之間，以使一端與第一基板的各電極相對(duì)應(yīng)，另一端與第二基板的各電極相對(duì)應(yīng)；規(guī)定構(gòu)件，用以規(guī)定各熱電組件的位置；及蓋體，配置在第二基板外側(cè)，與第一基板結(jié)合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電變換裝置，其特征在于其中從前述蓋體的端部延伸出的部分的前端與前述第一基板結(jié)合，以使前述規(guī)定構(gòu)件被前述延伸出的部分保持住。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電變換裝置，其特征在于其中從前述蓋體的端部延伸出的部分的寬度比前述蓋體的邊長(zhǎng)短。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電變換裝置，其特征在于其中前述規(guī)定構(gòu)件是一絕緣基板，在對(duì)應(yīng)前述各熱電組件的位置上具有貫通孔，用以規(guī)定前述熱電組件的位置。
5.一種熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其包括在具有多數(shù)個(gè)電極的第一基板上，配置規(guī)定構(gòu)件，以對(duì)應(yīng)各該電極的方式規(guī)定各熱電組件的一端的位置的工序；在被前述第一基板上的規(guī)定構(gòu)件所規(guī)定的位置上，配置多數(shù)個(gè)熱電組件的工序；將具有多數(shù)個(gè)電極的第二基板與第一基板相對(duì)向配置，以使各該電極對(duì)應(yīng)各熱電組件的另一端的工序；及在前述第二基板的外側(cè)配置蓋體，將蓋體與第一基板結(jié)合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間的工序。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其中在前述的結(jié)合工序中，從前述蓋體的端部延伸出的部分的前端與前述第一基板結(jié)合，以使前述規(guī)定構(gòu)件被前述延伸出的部分保持住。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其中使用從前述蓋體的端部延伸出的部分的寬度是加工成比前述蓋體的邊長(zhǎng)短的蓋體。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其中前述規(guī)定構(gòu)件使用一絕緣基板，在對(duì)應(yīng)前述各熱電組件的位置上具有貫通孔，用以規(guī)定前述熱電組件的位置。
全文摘要
一種熱電變換裝置，即使在高溫環(huán)境下也會(huì)穩(wěn)定動(dòng)作。熱電變換裝置包括具有多數(shù)個(gè)電極的第一基板與第二基板；多數(shù)個(gè)熱電組件，配置在第一基板與第二基板之間，使一端與第一基板的各電極相對(duì)應(yīng)，另一端與第二基板的各電極相對(duì)應(yīng)；規(guī)定構(gòu)件，用以規(guī)定各熱電組件的位置；蓋體，配置在第二基板的外側(cè)，并與第一基板結(jié)合，以使壓力加在第二基板與第一基板之間。
文檔編號(hào)H01L35/32GK1744339SQ20051009351
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月31日
發(fā)明者十河敬寬, 館山和樹, 花田博吉, 近藤成仁, 齋藤康人, 荒川雅之 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝