專利名稱：熱電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及(包括熱電轉(zhuǎn)換器的)熱電裝置及其制造方法，并且涉及使用P型材料和N型材料的熱電裝置及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及具有能夠利用塞貝克效應(yīng)進(jìn)行溫差發(fā)電(熱發(fā)電)并能夠利用珀?duì)柼?yīng)進(jìn)行電子冷卻/加熱的P型片和N型片的熱電裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，熱電裝置經(jīng)由金屬電極將P型熱電半導(dǎo)體和N型熱電半導(dǎo)體接合起來而形成PN結(jié)對(duì)。其在PN結(jié)對(duì)上提供溫差，以便基于塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電力，從而使其充當(dāng)發(fā)電機(jī)。另外，也可使用所謂的珀?duì)柼?yīng)而將其用作溫度控制器，其中通過向該裝置施加電流而冷卻接合部分中的一個(gè)并加熱接合部分中的另一個(gè)。
通常，通過將熱電裝置組裝到熱電微型組件中而利用該熱電裝置，其中在熱電微型組件中，串聯(lián)形成幾十至幾百的PN結(jié)對(duì)(熱電裝置)。用于熱電微型組件的熱電裝置保持作為結(jié)構(gòu)體的形狀，并由以下組件構(gòu)成兩塊板、多個(gè)P型和N型熱電半導(dǎo)體、和接合材料，其中兩塊板具有金屬電極以形成PN結(jié)對(duì)；多個(gè)P型和N型熱電半導(dǎo)體被夾在這些板之間；并且接合材料用于在P型、N型元件和金屬電極之間進(jìn)行接合。
這里，P型和N型熱電半導(dǎo)體材料包括Bi-Te型材料、Fe-Si型材料、Si-Ge型材料和Co-Sb型材料。在這些材料中，特別地，優(yōu)選使用Bi-Te型材料。
如上所述，通過連接兩種不同的熱電半導(dǎo)體，P型和N型來將熱電裝置設(shè)置為π型(pie型)裝置。大量這樣的裝置串聯(lián)連接，以形成熱電裝置的集合體，從而構(gòu)成熱電模塊。已經(jīng)主要將基于Bi2Te3的材料用作如上所述的熱電裝置的材料。然而，其被認(rèn)為引起了高材料成本、高溫時(shí)缺乏穩(wěn)定性、差的可使用性和高環(huán)境負(fù)擔(dān)。另外，當(dāng)經(jīng)由鉛板(lead plate)形成PN結(jié)時(shí)，與鉛板的接觸阻抗增加，從而可能不能完全實(shí)現(xiàn)材料自身的原始性能。另一方面，便宜且接觸阻抗優(yōu)秀的基于金屬的材料具有小的塞貝克系數(shù)。因此，特別優(yōu)選但是，當(dāng)將大量PN結(jié)對(duì)彼此串聯(lián)連接時(shí)，可獲得足夠的電力。
這些串聯(lián)連接的多個(gè)PN結(jié)對(duì)是例如設(shè)置在兩塊板之間的多個(gè)π形元件(專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1日本待審查專利申請(qǐng)公開號(hào)Hei 11-251649(圖1)發(fā)明內(nèi)容發(fā)明要解決的問題然而，由基于Bi2Te3的材料組成的P型和N型熱電半導(dǎo)體具有差的可使用性，使得其生產(chǎn)率尤其在大規(guī)模生產(chǎn)中可能趨于降低。另外，鑒于其高材料成本和大環(huán)境負(fù)擔(dān)，這樣的半導(dǎo)體并不總適合于大規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明是鑒于上述問題而提出的，并打算提供即使在大規(guī)模生產(chǎn)中也具有高生產(chǎn)率、相對(duì)低的材料成本和小環(huán)境負(fù)擔(dān)的熱電裝置；并打算提供熱電裝置的制造方法。
解決問題的手段當(dāng)將通常用于熱電偶的材料用作P型和N型材料時(shí)，可獲得生產(chǎn)率同時(shí)控制成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。另外，可通過提供與通常用于熱電偶的材料的特性特征相對(duì)應(yīng)的制造方法而期待提高生產(chǎn)率。
通常用于熱電偶的材料包括已知通常作為K型熱電偶的鎳鉻-鎳鋁合金、已知作為R型熱電偶的鉑-鉑銠合金、已知作為T型熱電偶的銅-康銅合金、已知作為AF型熱電偶的金/鐵-鎳鉻合金、已知作為S型熱電偶的鉑-鉑10％銠合金、已知作為E型熱電偶的鎳鉻-康鋼合金、以及已知作為G型熱電偶的鎢-鎢26％錸合金。在這些合金中，考慮到其可用性和價(jià)格，優(yōu)選地使用鎳鉻-鎳鋁合金。
更具體地，本發(fā)明將提供以下幾點(diǎn)根據(jù)第一方面，提供了一種熱電塊體，其包括交替地夾在絕緣層之間并在交替配置的方向上延伸的至少一個(gè)由P型材料制成的P片和至少一個(gè)由N型材料制成的N片，其中在每個(gè)端面與另一端面相對(duì)并且在交替配置的方向上被基本平行地設(shè)置的、構(gòu)成熱電塊體的外表面的端面之間，相鄰的P片和N片邊界部分被交替地焊接在一起，并且熱電塊體的P片和N片以一系列的鋸齒形電氣連接。
這里，術(shù)語(yǔ)“P片”或“N片”是指其由P型和N型材料構(gòu)成，并可作為PN熱電裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)件來提供，同時(shí)具有預(yù)定尺寸。預(yù)定尺寸是提供足以允許它們交替地夾在絕緣層之間的尺寸和形狀，但不以任何方式特別限制。例如，如果每個(gè)片是六面體形狀，則其優(yōu)選地具有0.5至5mm的長(zhǎng)度、0.5至5mm的寬度和1至20mm的高度；更優(yōu)選地為1至5mm的長(zhǎng)度、1至5mm的寬度和2至10mm的高度；并且最優(yōu)選地為1至3mm的長(zhǎng)度、1至3mm的寬度和3至7mm的高度。在這種情況下，優(yōu)選地，夾在P片和N片之間的各絕緣層的鄰接表面可具有基本相同的形狀。此外，P型和N型材料可包括通常用于熱電裝置的材料。在這些材料中，更優(yōu)選的是適于下文中描述的處理的那些材料。
可將絕緣層安裝在如果沒有設(shè)置絕緣層，彼此相鄰的P片和N片會(huì)彼此接觸的鄰接表面上。這樣的絕緣層可覆蓋P片和/或N片的表面。可選地，例如，其可以是夾在P片和N片之間的絕緣膜。此外，這里使用的術(shù)語(yǔ)“絕緣層”不限于固體，其可以是液體或氣體。因此，在P片和N片之間可形成任何空間。這里，只要絕緣層具有足以允許熱電裝置發(fā)揮其功能的電絕緣效果，該絕緣層是滿足條件的。
另外，P片和N片交替設(shè)置的狀態(tài)可以是這樣的狀態(tài)，在該狀態(tài)中，它們被設(shè)置成使得N片緊接于P片設(shè)置，另一P片緊接于N片設(shè)置，另一N片緊接于另一P片設(shè)置，等等。因此，交替配置的方向與P片和N片一個(gè)一個(gè)堆疊在一起并延伸的方向相對(duì)應(yīng)。由于它們沿著交替配置的方向延伸，所以作為結(jié)果的熱電塊體可以是具有窄寬度的棒狀的形式。定義基本平行于交替配置的方向的熱電塊體的外表面中的、彼此面對(duì)的兩個(gè)端面可包括構(gòu)成熱電塊體的多個(gè)PN熱電裝置的釋熱或吸熱面或者高溫或低溫面。例如，當(dāng)方形棒狀的熱電塊體包括交替配置方向(即，方形棒的軸向)中片狀的P片和N片的交替配置時(shí)，在方形棒的四個(gè)面中，彼此相對(duì)的兩個(gè)面可與所謂的彼此面對(duì)的兩個(gè)端面相對(duì)應(yīng)。另外，存在兩種彼此面對(duì)的面。然而，在彼此面對(duì)的面(對(duì)應(yīng)于定義P片和N片的側(cè)面)上，包括允許彼此相鄰的P片和N片交替焊接的焊接部分的、彼此面對(duì)的兩個(gè)面彼此對(duì)應(yīng)。
這些PN熱電裝置通常具有在彼此面對(duì)的端面上的電氣連接器部分，并且每個(gè)端面形成釋熱或吸熱面或者高溫或低溫面。因此，更優(yōu)選地是在平面上以直線一個(gè)一個(gè)地設(shè)置這些端面而構(gòu)建釋熱或吸熱面或者高溫或低溫面。將這些彼此面對(duì)的各端面的彼此相鄰的P片和N片的邊界部分焊接在一起以形成電氣連接。將絕緣層設(shè)置在彼此相鄰的P片和N片之間，使得它們能夠在端面的附近彼此絕緣。然而，通過這樣的焊接程序可獲得在絕緣層上形成的部分?jǐn)嚅_或橋接。焊接在上述交替配置的方向上交替地焊合和連接彼此面對(duì)的端面。從而，可在交替配置的方向上以鋸齒形式樣形成所謂的π連接，以形成串聯(lián)連接(鏈條)。
上述熱電塊體的配置可從P片或N片開始，并且這些片被交替設(shè)置，然后在它們中的任何一個(gè)上終止。術(shù)語(yǔ)“具有不同相位的熱電塊體被并行設(shè)置”是指，各直接相鄰熱電塊體的PN半導(dǎo)體的交替配置沒有彼此相對(duì)應(yīng)。例如，當(dāng)將兩個(gè)彼此相鄰的熱電塊體設(shè)置成彼此接觸時(shí)，例如存在這樣的關(guān)系，例如，第一熱電塊體的P片和第二熱電塊體的N片彼此相鄰。
電極可裝備電極板、引線等。電極板通常被稱為引線，并用于對(duì)由熱電裝置組成的熱電塊體進(jìn)行電力供應(yīng)等。電極板可由通常用于電極的任何材料制成。熱電塊體的端部可采用位于上述交替配置方向上的端部附近，或完全在其端部處。術(shù)語(yǔ)“同樣的相對(duì)關(guān)系”是指如上所述彼此面對(duì)的兩個(gè)面之間的關(guān)系，其中相對(duì)于釋熱或吸熱面(或者高溫面或低溫面)，它們的位置彼此相對(duì)應(yīng)。例如，如果兩個(gè)端面處于同樣的相對(duì)關(guān)系，則這些端面一起是釋熱面或一起是吸熱面。另外，處于同樣的相對(duì)關(guān)系的兩個(gè)端面可一起位于頂表面上或可一起位于底表面上。
根據(jù)如在本發(fā)明的第一方面中描述的熱電塊體的第二方面，其中P片由熱電偶陰極材料制成，并且N片由熱電偶陽(yáng)極材料制成。
根據(jù)如本發(fā)明的第二方面中描述的熱電塊體的第三方面，其中P片由鎳鋁合金組成，并且N片由鎳鉻合金組成。
根據(jù)如在本發(fā)明的第一至第三方面的任何一個(gè)中描述的熱電塊體的第四方面，其中焊接接合處是微焊接接合處。
對(duì)于本發(fā)明的焊接，可應(yīng)用諸如軟釬焊和采用銅焊的硬釬焊的任何各種已知的焊接技術(shù)。然而，在它們之中，更優(yōu)選地進(jìn)行微焊接。微焊接技術(shù)包括各種焊接技術(shù)，諸如電阻焊、TIG焊、點(diǎn)焊、電子束焊接和激光焊接。更優(yōu)選地應(yīng)用任何的激光焊接技術(shù)，諸如二氧化碳激光、YAG激光和半導(dǎo)體激光。
根據(jù)第五方面，提供了一種熱電模塊，其配備有第一熱電塊體，其具有交替地夾在絕緣層之間并在交替配置的方向上延伸的至少一個(gè)由P型材料制成的P片和至少一個(gè)由N型材料制成的N片，其中，在每個(gè)端面與另一端面相對(duì)并且在交替配置的方向上被基本平行地設(shè)置的、構(gòu)成第一熱電塊體的外表面的端面之間，相鄰的P片和N片邊界部分被交替地焊接在一起，并且第一熱電塊體的P片和N片以一系列的鋸齒形電氣連接；第二熱電塊體，其具有交替地夾在絕緣層之間并在交替配置的方向上延伸的至少一個(gè)由P型材料制成的P片和至少一個(gè)由N型材料制成的N片，其中，在每個(gè)端面與另一端面相對(duì)并且在交替配置的方向上被基本平行地設(shè)置的、構(gòu)成第二熱電塊體的外表面的端面之間，相鄰的P片和N片邊界部分被交替地焊接在一起，并且第二熱電塊體的P片和N片以一系列的鋸齒形電氣連接，第二熱電塊體具有與第一熱電塊體不同的相位，并且被設(shè)置成使得第二熱電塊體的交替配置的方向與第一熱電塊體的交替配置的方向基本平行；以及電極，其電氣連接第一和第二熱電塊體，通過鄰接處于同樣的相對(duì)關(guān)系、并且被基本設(shè)置在交替配置的方向上的第一和第二熱電塊體的每個(gè)的端部的各個(gè)P片和N片端面的每個(gè)而允許N片和P片之間的電接觸，從而橋接第一和第二熱電塊體。
根據(jù)如在本發(fā)明的第五方面中描述的熱電模塊的第六方面，其中P片由熱電偶陰極材料制成，并且N片由熱電偶的熱電偶陽(yáng)極材料制成。
根據(jù)如在本發(fā)明的第五方面中描述的熱電模塊的第七方面，其中P片由鎳鋁合金制成，并且N片由鎳鉻合金制成。
根據(jù)如在本發(fā)明的第五至第七方面的任一方面中描述的熱電模塊的第八方面，其中焊接接合處是微焊接接合處。
根據(jù)第九方面，提供了一種熱電塊集合體的制造方法，其包括層疊步驟，其用于通過將由第一材料制成的第一片部件和由第二材料制成的第二片部件堆疊在一起而獲得層疊體；第一切割步驟，其用于通過切割層疊體而獲得由第一和第二材料制成的條紋式樣的片部件；第一焊接步驟，其用于對(duì)條紋式樣的片部件的第一表面上的邊界部分進(jìn)行每隔一個(gè)地焊接；第二焊接步驟，其用于采用與第一焊接步驟的焊接不同的相位對(duì)條紋式樣的片部件的第二表面上的邊界部分進(jìn)行每隔一個(gè)地焊接，以便通過與第一表面和第二表面的接合而獲得具有交替的鋸齒形的接合的經(jīng)焊接的條紋式樣的片部件；帶切割步驟，其用于對(duì)經(jīng)焊接的條紋式樣的片部件進(jìn)行切割以獲得帶狀熱電塊體；平行設(shè)置步驟，其用于設(shè)置多個(gè)帶狀熱電塊體；和橋接步驟，其用于采用電極板對(duì)相鄰帶狀熱電塊體進(jìn)行橋接。
根據(jù)熱電裝置模塊的制造方法的第十方面，其中熱電裝置模塊使用通過如在本發(fā)明的第九方面中描述的方法制造的熱電塊集合體。
本發(fā)明打算提供一種熱電裝置，該熱電裝置可通過大規(guī)模生產(chǎn)來生產(chǎn)，同時(shí)獲得高生產(chǎn)率，并且可容易地控制其材料成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)；并且打算提供熱電裝置的制造方法。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的熱電模塊的局部分段橫斷面視圖；圖2是表示如1中所示的熱電模塊的制備過程中通過對(duì)兩種不同材料制成的薄板進(jìn)行堆疊而獲得的層疊體的透視圖；圖3A是表示將圖2中獲得的層疊體切割成板的透視圖；圖3B是表示在圖3A中獲得的板的表面上正在執(zhí)行激光焊接的透視圖；圖3C是表示在圖3A中獲得的板的背面上正在執(zhí)行激光焊接的透視圖；圖4是表示通過將在圖3A至C中焊接的薄板切割成帶而獲得的熱電塊體的透視圖；
圖5是表示圖4中獲得的熱電塊體被并行設(shè)置的狀態(tài)的透視圖；圖6是表示將并行設(shè)置的熱電塊體連接起來的透視圖；圖7是表示通過對(duì)并行設(shè)置和連接的熱電塊體集合體進(jìn)行裝配而獲得的熱電模塊的透視圖；圖8是表示在本發(fā)明的另一實(shí)施例的熱電模塊的制備過程中，正在對(duì)兩種薄片進(jìn)行堆疊的側(cè)視圖；圖9A是表示在圖8中堆疊的層疊體的側(cè)面上進(jìn)行激光焊接而獲得的層疊體的側(cè)面的示圖；圖9B是表示在圖8中堆疊的層疊體的側(cè)面上執(zhí)行激光焊接的放大視圖；圖10是表示將圖9A和B中焊接的層疊體切割成小片的視圖；圖11是表示將切割的層疊體的小片并行設(shè)置，并串聯(lián)連接成整體的示圖；圖12是表示將在圖11中獲得的串聯(lián)連接集合體設(shè)置在板上的示圖；并且圖13是用于說明本發(fā)明的實(shí)施例的熱電模塊的制備過程的流程圖。
附圖標(biāo)記的說明10、100 熱電模塊12、14導(dǎo)熱板16熱電塊體18P片20N片22、122 絕緣層24、26、124、126 電極34層疊體36層疊片40激光裝置42、48、142 焊接部分
112、114 氧化鋁板116 熱電偶陣列118 鎳鋁合金板120 鎳鉻合金板具體實(shí)施方式
在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明。
參照?qǐng)D1，其示出了作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱電模塊10的分段橫斷面圖。
多個(gè)熱電塊體16被并行設(shè)置在上部的高溫面(或低溫面)上的導(dǎo)熱板12和下部的低溫面(或高溫面)上的導(dǎo)熱板14之間，使得它們以可傳遞熱的狀態(tài)被夾在高溫和低溫面上的導(dǎo)熱板12、14之間。每個(gè)熱電塊體16在其橫向與其它熱電塊體相互分離，并確保電絕緣等。另外，每個(gè)熱電塊體16由P型材料制成的P片18和N型材料制成的N片20構(gòu)成，P片18和N片20彼此相連并交替設(shè)置，并以棒的形式延伸。在彼此相鄰的P片和N片的邊界上，設(shè)置有所謂的用于電絕緣的絕緣層22。
彼此相鄰的熱電塊體16具有它們各自的相位彼此偏移的P片和N片的交替設(shè)置，使得恰好在側(cè)面方向上的片(例如，N片)可以是不同類型的片(例如，P片)。例如，恰好接近熱電塊體16的P片18的側(cè)面方向并位于相鄰熱電塊體16中的片是N片。
彼此相鄰的熱電塊體16在上述交替配置的方向(相同方向)上的末端由電極24進(jìn)行橋接，以確保熱電塊體16之間的導(dǎo)電。同樣，在交替配置的方向上的另一末端，電極在上述彼此相鄰的熱電塊體16的相反側(cè)上的彼此相鄰的熱電塊體16之間進(jìn)行橋接，從而在多個(gè)熱電塊體16中形成串聯(lián)連接的多個(gè)熱電片。
在熱電模塊10的右和左端上的熱電塊體分別與引線電極26連接，從而允許從外部電源供應(yīng)電力，或允許通過熱電效應(yīng)產(chǎn)生電力傳輸。
在上文的描述中，描述了P型和N型半導(dǎo)體。然而，可通過采用通常用于熱電偶的陰極和陽(yáng)極材料替代它們而對(duì)它們進(jìn)行描述。例如，當(dāng)使用鎳鉻合金-鎳鋁合金熱電偶材料時(shí)，鎳鋁合金被用于P型半導(dǎo)體并且鎳鉻合金被用于N型半導(dǎo)體。在下文中，從圖1中，圖1中描述的P片18是指鎳鋁合金層，并且N片20是指鎳鉻合金層。通常用于熱電偶的材料可參考下表表1

*不滿足JIS術(shù)語(yǔ)“過熱工作溫度限制”是指從不可避免的情況下可在短期采用的溫度限制。
在圖2至7中，將示意性地描述上述熱電模塊10的制造方法。
圖2表示交替堆疊薄鎳鋁合金板30和薄鎳鉻合金板32的狀態(tài)，其中薄鎳鋁合金板30的一側(cè)31經(jīng)受絕緣處理，薄鎳鉻合金板32的一側(cè)33經(jīng)受絕緣處理。鎳鋁合金板30具有大約2mm的板厚t1，并且鎳鉻合金板32具有大約2mm的板厚t2。熱處理給兩個(gè)表面31、33提供了它們各自的有機(jī)絕緣膜，并且隨著交替層疊而起著接著劑的作用。將這樣的層疊進(jìn)行到期望的層數(shù)，從而獲得期望的層疊體34。
圖3A表示沿切割面AA將層疊體34切割成薄板的步驟。可使用普通的細(xì)切割機(jī)(fine cutter)等來執(zhí)行切割。如箭頭B所示，具有分離的鎳鋁合金和鎳鉻合金的條紋式樣的薄板36具有2mm的板厚H1。
在圖3B中，使具有條紋式樣的作為結(jié)果的薄板36站立，使得兩個(gè)大板表面中的一個(gè)放置在下側(cè)并面朝上，同時(shí)另一個(gè)放置在上側(cè)并面朝下，從而展現(xiàn)出邊界絕緣層22夾在上表面33的鎳鋁合金層18和鎳鉻合金層20之間的配置(見圖1)。從頂表面38露出的絕緣層22由鎳鋁合金層和鎳鉻合金層之間的邊界部分構(gòu)成，使得如果沒做什么事的話不能將其電氣連接。通過來自激光裝置40的激光束41加熱邊界部分(圖中由從右向左延伸的線表示)，以沿著箭頭C連續(xù)執(zhí)行電氣連接。在焊接部分42，鎳鋁合金層18和鎳鉻合金層20都可在頂表面38上獲得電氣連接。在從前至后的方向上，在從右向左延伸的每隔一條線上進(jìn)行激光焊接。
接下來，沿著箭頭D，對(duì)上述的條紋式樣的薄板36進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以將頂表面38向下翻轉(zhuǎn)，然后使其再次站立(圖3C)。該圖中在圖3B中焊接的部分42被設(shè)置在下側(cè)。這里，以與上述說明類似的方式對(duì)另一表面46進(jìn)行激光焊接，從而如箭頭E所示，在另一表面46上連續(xù)執(zhí)行鎳鋁合金層18和鎳鉻合金層20的焊接和接合。隨后，在另一表面46上，焊接部分48可將鎳鋁合金層18和鎳鉻合金層20電氣連接起來。在另一表面48上交替地進(jìn)行焊接，以便與頂表面38交替。隨后，鎳鋁合金層18和鎳鉻合金層20以一連串的鋸齒形從前至后串聯(lián)電氣連接。
圖4表示將條紋式樣的薄板36切割成片的步驟，其中其兩個(gè)表面被交替進(jìn)行激光焊接。可采用細(xì)切割機(jī)來進(jìn)行切割，以便如箭頭G所示切離，從而形成一個(gè)熱電塊體16。熱電塊體16的高度H1對(duì)應(yīng)于條紋式樣的薄板36的板厚，并且其寬度D1對(duì)應(yīng)于切割寬度D1。這里，分別將H1和D1定義為2mm。
圖5表示將圖4中切離的熱電塊體16a、b和c從左以間隔D2順序并行設(shè)置。希望熱電塊體通過焊接部分42、48而彼此連接，使得以一連串的鋸齒形，在交替配置的方向上串聯(lián)設(shè)置PN結(jié)。在這種情況下，各熱電塊體16a、b、c優(yōu)選地具有相同的高度。這是因?yàn)榭蓪⒚總€(gè)熱電塊體16a、b和c的頂表面和底表面設(shè)置為釋熱或吸熱面或者高溫或低溫面，并且可優(yōu)選地均勻進(jìn)行對(duì)導(dǎo)熱板12、14的導(dǎo)熱。另外，優(yōu)選的是，導(dǎo)熱板12、14的表面可具有均勻的溫度。
圖6表示通過將引線電極26和電極24連接到預(yù)定數(shù)量的如上所述并行設(shè)置的熱電塊體16上(箭頭H)而獲得的作為整體的P型和N型半導(dǎo)體的串聯(lián)連接?？赏ㄟ^將電極24交替地連接在每個(gè)熱電塊體16的端部而并行地串聯(lián)設(shè)置全部的各熱電塊體16。圖7表示將如上所述連接的熱電體16集合體夾在頂部和底部導(dǎo)熱板12、14之間(箭頭J)的狀態(tài)。隨后，可制造出圖1的熱電模塊。
圖8至12示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。
圖8示出了通過交替堆疊每個(gè)都具有100mm×5mm×2mm的尺寸的25個(gè)鎳鋁合金板118和具有相同尺寸的25個(gè)鎳鉻合金板120而制備的層疊板136，其中其表面被進(jìn)行絕緣處理。
在鎳鋁合金板118的頂表面131和鎳鉻合金板122的頂表面132上進(jìn)行絕緣處理。隨后，在鎳鋁合金板118和鎳鉻合金板120之間形成絕緣層122。
圖9A和9B表示在層疊板136(圖9B)的表面上的鎳鋁合金板118和鎳鉻合金板120之間每隔一個(gè)接觸部分的線狀焊接以及焊接后的層疊板136(圖9A)。在從右向左延伸的鎳鋁合金板118和鎳鉻合金板120之間的每隔一個(gè)邊界線處的垂直方向上的焊接，在該表面上形成焊接部分142。在與上述表面相對(duì)的表面上進(jìn)行焊接，使得使其焊接位置偏移。
圖10表示細(xì)切割機(jī)沿著切割線F-F將層疊板136切割成帶片。作為結(jié)果的帶片具有2mm的寬度，使得可分開熱電塊體16a、b、c和d(箭頭G’)。這里，將寬度定義成2mm的原因是如果寬度更大(例如，4mm)，則在單位面積中可以排起來的熱電塊體116的數(shù)量減少，從而降低由溫差產(chǎn)生的電位。如果其更窄，則處理變得更加復(fù)雜。然而，該寬度不是固定值，而是可以取決于用途而適當(dāng)?shù)囟x。這樣，將熱電偶陣列設(shè)置為具有25對(duì)棒狀形式的鎳鋁合金-鎳鉻合金熱電偶的一個(gè)陣列。
如圖11和12中所示，在作為具有120mm×120mm×2mm的導(dǎo)熱板的氧化鋁板114上串聯(lián)連接、設(shè)置并固定50個(gè)熱電偶陣列(或熱電塊體)116。引線124的端部被焊接在各熱電塊體116上，從而在各熱電塊體116之間進(jìn)行連接。另外，通過焊接將外部端子126與多個(gè)串聯(lián)連接的熱電塊體116的兩個(gè)端部連接。另外，采用螺釘將它們從頂表面固定到氧化鋁板(未示出)，以將熱電模塊設(shè)置為1250對(duì)鎳鋁合金-鎳鉻合金熱電偶的集合體。
現(xiàn)參照?qǐng)D13，流程圖表示用于制造上述熱電模塊的方法。首先，對(duì)用于熱電裝置的兩個(gè)不同的薄片A、B的每個(gè)的一端(或任選地兩端)進(jìn)行絕緣處理(S110)。然后，將兩個(gè)不同的薄片A、B堆疊在一起，從而提供層疊體(S120)。如有必要，將作為結(jié)果的AB層疊體切割成膜(S130)。如果層疊體的寬度太小，則可省略切割步驟。隨后，在設(shè)置為薄板的AB層疊體的兩端表面上交替地焊接AB邊界(S140)。這時(shí)，交替焊接了背面和頂面。將焊接的AB層疊板切割成帶片(S150)。分開AB層疊體的帶狀熱電塊體(也稱為陣列)并將其并行設(shè)置在平面上(S160)。在位置固定的熱電塊體的端部上交替地執(zhí)行引線連接(S170)。最后，通過將導(dǎo)熱板連接到熱電塊體的集合體的頂表面和底表面上，而制造出熱電裝置模塊(S180)。
通過加熱器對(duì)根據(jù)圖13中的流程圖制備的圖8至12中所示的熱電模塊的底表面進(jìn)行加熱，同時(shí)對(duì)其頂表面進(jìn)行冷卻，以向模塊提供在頂表面和底表面之間的大約175K的溫差，從而產(chǎn)生8.75V的開路電壓和10.1W的最大輸出。另外，當(dāng)在熱電模塊8A上施加8A的電流時(shí)，獲得59W的冷卻量。
如上所述，可通過交替地堆疊P型和N型材料(諸如半導(dǎo)體和金屬薄板)，然后對(duì)在兩端上的PN邊界進(jìn)行焊接，接著進(jìn)行垂直于層疊表面的切割，而容易地制備取決于層疊數(shù)量的PN結(jié)陣列。此外，對(duì)多個(gè)PN結(jié)陣列進(jìn)行串聯(lián)，從而獲得具有大量PN結(jié)的熱電轉(zhuǎn)換模塊。
權(quán)利要求
1.一種熱電塊體，包括交替地夾在絕緣層之間并在交替配置的方向上延伸的至少一個(gè)由P型材料制成的P片和至少一個(gè)由N型材料制成的N片，其中在構(gòu)成所述熱電塊體的外表面的端面之間，相鄰的P片和N片邊界部分被交替地焊接在一起，并且所述熱電塊體的所述P片和所述N片以一系列的鋸齒形電氣連接，每個(gè)所述端面與另一端面相對(duì)并且在所述交替配置的方向上被基本平行地設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電塊體，其中，所述P片由熱電偶陰極材料制成，并且所述N片由熱電偶陽(yáng)極材料制成。
3.如權(quán)利要求2所述的熱電塊體，其中，所述P片由鎳鋁合金制成，并且所述N片由鎳鉻合金制成。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的熱電塊體，其中，焊接接合處是微焊接接合處。
5.一種熱電模塊，包括第一熱電塊體，其具有交替地夾在絕緣層之間并在交替配置的方向上延伸的至少一個(gè)由P型材料制成的P片和至少一個(gè)由N型材料制成的N片，其中在每個(gè)端面與另一端面相對(duì)并且在所述交替配置的方向上被基本平行地設(shè)置的、構(gòu)成所述第一熱電塊體的外表面的端面之間，相鄰的P片和N片邊界部分被交替地焊接在一起，并且所述第一熱電塊體的所述P片和所述N片以一系列的鋸齒形電氣連接；第二熱電塊體，其具有交替地夾在絕緣層之間并在交替配置的方向上延伸的至少一個(gè)由P型材料制成的P片和至少一個(gè)由N型材料制成的N片，其中在每個(gè)端面與另一端面相對(duì)并且在所述交替配置的方向上被基本平行地設(shè)置的、構(gòu)成所述第二熱電塊體的外表面的端面之間，相鄰的P片和N片邊界部分被交替地焊接在一起，并且所述第二熱電塊體的所述P片和所述N片以一系列的鋸齒形電氣連接，所述第二熱電塊體具有與所述第一熱電塊體不同的相位，并且被設(shè)置成使得所述第二熱電塊體的所述交替配置的方向與所述第一熱電塊體的所述交替配置的方向基本平行；以及電極，其電氣連接所述第一和第二熱電塊體，通過鄰接處于同樣的相對(duì)關(guān)系、并且被基本設(shè)置在所述交替配置的方向上的所述第一和第二熱電塊體的每個(gè)的端部的各個(gè)P片和N片端面的每個(gè)而允許所述N片和所述P片之間的電接觸，從而橋接所述第一和第二熱電塊體。
6.如權(quán)利要求5所述的熱電模塊，其中，所述P片由熱電偶陰極材料制成，并且所述N片由熱電偶的熱電偶陽(yáng)極材料制成。
7.如權(quán)利要求5所述的熱電模塊，其中，所述P片由鎳鋁合金制成，并且所述N片由鎳鉻合金制成。
8.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的熱電模塊，其中，焊接接合處是微焊接接合處。
9.一種熱電塊集合體的制造方法，包括層疊步驟，其用于通過將由第一材料制成的第一片部件和由第二材料制成的第二片部件堆疊在一起而獲得層疊體；第一切割步驟，其用于通過切割所述層疊體而獲得由所述第一和第二材料制成的條紋式樣的片部件；第一焊接步驟，其用于對(duì)所述條紋式樣的片部件的第一表面上的邊界部分進(jìn)行每隔一個(gè)地焊接；第二焊接步驟，其用于采用與所述第一焊接步驟的焊接不同的相位對(duì)所述條紋式樣的片部件的第二表面上的邊界部分進(jìn)行每隔一個(gè)地焊接，以便通過與所述第一表面和所述第二表面的接合而獲得具有交替的鋸齒形的接合的經(jīng)焊接的條紋式樣的片部件；帶切割步驟，其用于對(duì)所述經(jīng)焊接的條紋式樣的片部件進(jìn)行切割以獲得帶狀熱電塊體；平行設(shè)置步驟，其用于設(shè)置多個(gè)帶狀熱電塊體；和橋接步驟，其用于采用電極板對(duì)相鄰帶狀熱電塊體進(jìn)行橋接。
10.一種使用通過權(quán)利要求9中描述的方法制造的熱電塊集合體的熱電裝置模塊的制造方法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱電裝置、半成品、模塊及其制造方法，其中生產(chǎn)率高，材料成本相對(duì)低，并且具有低的環(huán)境負(fù)擔(dān)。提供了一種熱電裝置、半成品和熱電模塊，在熱電裝置中，塊體具有至少一個(gè)由P型和N型材料制成的P片和N片，該P(yáng)片和N片交替地夾在絕緣層之間，相鄰的P片和N片邊界部分被交替地焊接在一起，并且塊體的P片和N片以一系列的鋸齒形電氣連接，并且多個(gè)塊體被并行設(shè)置，彼此相鄰的塊體通過電極橋接，以提供串聯(lián)的電氣連接；半成品使用這樣的熱電裝置；并且熱電模塊使用半成品。在這種情況下，作為P型和N型材料，可以使用通常優(yōu)選地用于熱電偶的任何材料。彼此相鄰的P片和N片可以在其邊界部分上部分地電氣連接。
文檔編號(hào)H01L35/20GK1969400SQ20058002033
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月22日
發(fā)明者高橋恒 申請(qǐng)人:阿魯策株式會(huì)社