熱電轉(zhuǎn)換模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱電轉(zhuǎn)換模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]所謂熱電轉(zhuǎn)換模塊，是組合包含P型半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換元件和包含N型半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換元件而得到的模塊，是利用溫度差起電的模塊。圖4中示出了熱電轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)例。圖4所示的P型或N型熱電轉(zhuǎn)換元件400是在中空筒狀的耐熱性絕緣部件402的內(nèi)部充滿了 P型或N型熱電轉(zhuǎn)換部件401而構(gòu)成的。P型熱電轉(zhuǎn)換元件400P包含P型熱電轉(zhuǎn)換部件401P，N型熱電轉(zhuǎn)換元件400N包含N型熱電轉(zhuǎn)換部件401N。
[0003]通過組合P型熱電轉(zhuǎn)換元件400P和N型熱電轉(zhuǎn)換元件400N來構(gòu)成熱電轉(zhuǎn)換模塊。圖5所示的熱電轉(zhuǎn)換模塊500具有利用電極502將P型熱電轉(zhuǎn)換元件400P和N型熱電轉(zhuǎn)換元件400N在電氣上串聯(lián)地連接而得到的結(jié)構(gòu)(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。
[0004]專利文獻(xiàn)1:國際公開第2012/066788號

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]P型熱電轉(zhuǎn)換部件和N型熱電轉(zhuǎn)換部件的熱特性不同。因此，在以往的熱電轉(zhuǎn)換模塊中，P型熱電轉(zhuǎn)換元件的熱阻和N型熱電轉(zhuǎn)換元件的熱阻不同。
[0006]通過利用熱能在P型熱電轉(zhuǎn)換元件中生成空穴、在N型熱電轉(zhuǎn)換元件生成電子，從而使熱電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行發(fā)電。由此，若在P型熱電轉(zhuǎn)換元件和N型熱電轉(zhuǎn)換元件中熱阻不同，則熱能流動的量在P型熱電轉(zhuǎn)換元件和N型熱電轉(zhuǎn)換元件之間不同，因此，存在以下的問題:空穴和電子的流量不同，電流量由流量較少的一方限制，作為熱電轉(zhuǎn)換模塊的發(fā)電性能下降。
[0007]本發(fā)明解決上述以往的問題，其目的在于，提供通過校正(降低)P型熱電轉(zhuǎn)換部件和N型熱電轉(zhuǎn)換部件的熱阻之差來呈現(xiàn)較高性能的熱電轉(zhuǎn)換元件模塊。
[0008]本發(fā)明提供熱電轉(zhuǎn)換模塊，其包括:P型熱電轉(zhuǎn)換元件，其具有P型熱電轉(zhuǎn)換部件和覆蓋該P型熱電轉(zhuǎn)換部件的第一絕緣體；N型熱電轉(zhuǎn)換元件，其具有N型熱電轉(zhuǎn)換部件和覆蓋該N型熱電轉(zhuǎn)換部件的第二絕緣體；以及電極，其將所述P型熱電轉(zhuǎn)換部件和所述N型熱電轉(zhuǎn)換部件電連接。
[0009]在上述熱電轉(zhuǎn)換模塊的一方面中，熱電轉(zhuǎn)換模塊包括將所述P型熱電轉(zhuǎn)換部件和所述N型熱電轉(zhuǎn)換部件電連接的電極，在與所述P型熱電轉(zhuǎn)換部件或所述N型熱電轉(zhuǎn)換部件中流動的電流的方向正交的截面中，所述第一絕緣體的面積和所述第二絕緣體的面積不同，而且所述P型熱電轉(zhuǎn)換元件和所述N型熱電轉(zhuǎn)換元件的熱阻之差小于所述P型熱電轉(zhuǎn)換部件和所述N型熱電轉(zhuǎn)換部件的熱阻之差。
[0010]在上述熱電轉(zhuǎn)換模塊的另一方面中，所述第一絕緣體的材料和所述第二絕緣體的材料不同，而且所述P型熱電轉(zhuǎn)換元件和所述N型熱電轉(zhuǎn)換元件的熱阻之差小于所述P型熱電轉(zhuǎn)換部件和所述N型熱電轉(zhuǎn)換部件的熱阻之差。
[0011]根據(jù)本結(jié)構(gòu)，能夠提供P型熱電轉(zhuǎn)換元件和N型熱電轉(zhuǎn)換元件的熱阻差較小的熱電轉(zhuǎn)換模塊。
[0012]如上所述，根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊，能夠使P型熱電轉(zhuǎn)換元件和N型熱電轉(zhuǎn)換元件的熱阻接近，呈現(xiàn)較高的性能。
【附圖說明】
[0013]圖1A是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的橫截面圖。
[0014]圖1B是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的橫截面圖。
[0015]圖1C是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的橫截面圖。
[0016]圖1D是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的橫截面圖。
[0017]圖1E是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的橫截面圖。
[0018]圖1F是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的橫截面圖。
[0019]圖1G是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的橫截面圖
[0020]圖2是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的縱截面圖。
[0021]圖3是本發(fā)明實施方式中的熱電轉(zhuǎn)換模塊的制造工序圖。
[0022]圖4是表示專利文獻(xiàn)I中記載的以往的熱電轉(zhuǎn)換元件的圖。
[0023]圖5是表示專利文獻(xiàn)I中記載的以往的熱電轉(zhuǎn)換模塊的圖。
[0024]符號說明
[0025]100熱電轉(zhuǎn)換模塊
[0026]110 P型熱電轉(zhuǎn)換元件
[0027]111 P型熱電轉(zhuǎn)換部件
[0028]112 筒
[0029]120 N型熱電轉(zhuǎn)換元件
[0030]121 N型熱電轉(zhuǎn)換部件
[0031]122 筒
[0032]201 電極
[0033]202接合材料
[0034]203a上面基板
[0035]203b下面基板
[0036]204抗蝕劑
[0037]205襯底金屬
[0038]301 管
[0039]302 軟管
[0040]303 氣缸
[0041]304 坩堝
[0042]305溶融熱電轉(zhuǎn)換材料
【具體實施方式】
[0043]以下參照【附圖說明】本發(fā)明實施方式。
[0044]在圖1A、圖1B、圖1C、圖1D、圖1E、圖1F以及圖1G中，表示本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊100的橫截面圖(與發(fā)電時在熱電轉(zhuǎn)換元件中流動電流的方向正交的截面)。
[0045]圖1A、圖1B、圖1C、圖1D、圖1E、圖1F以及圖1G中所示的熱電轉(zhuǎn)換模塊100具有P型熱電轉(zhuǎn)換元件110和N型熱電轉(zhuǎn)換元件120。P型熱電轉(zhuǎn)換元件110具有棒狀的P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和覆蓋P型熱電轉(zhuǎn)換部件111的絕緣材料的筒112 (第一絕緣體)。N型熱電轉(zhuǎn)換元件120具有棒狀的N型熱電轉(zhuǎn)換部件121和覆蓋N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的絕緣材料的筒122 (第二絕緣體)。
[0046]P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121是由若在兩端產(chǎn)生溫度差則產(chǎn)生電動勢的材料形成的棒狀部件。本實施方式I及2中的P型熱電轉(zhuǎn)換部件111以及N型熱電轉(zhuǎn)換部件121采用了在從常溫到500K的溫度范圍具有較高的起電電壓的B1-Te (鉍-碲)系材料。另外，本實施方式3及4中的P型熱電轉(zhuǎn)換部件111采用了在從500K到700K的溫度范圍具有較高的起電電壓的Zn-Sb(鋅-銻)系材料，N型熱電轉(zhuǎn)換部件121采用了在從500K到900K的溫度范圍具有較高的起電電壓的Co-Sb(鈷-銻)系材料。但是，可以根據(jù)在起電時的使用時存在的溫度差選擇P型熱電轉(zhuǎn)換部件111以及N型熱電轉(zhuǎn)換部件121。例如，如果溫度差為從常溫到800K則可以使用Pb-Te(鉛-碲)系，如果所述溫度差為從常溫到900K則可以使用方鈷礦系，如果所述溫度差為從常溫到1，000K則可以使用S1-Ge (??圭-錯)系。
[0047]可以通過添加適當(dāng)?shù)膿诫s物來得到P型熱電轉(zhuǎn)換部件111以及N型熱電轉(zhuǎn)換部件121。在作為P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121而使用B1-Te系材料的情況下，用于得到P型熱電轉(zhuǎn)換部件111的摻雜物的例子中包括Sb。用于得到N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的摻雜物的例子中包括Se。通過添加這些摻雜物，熱電轉(zhuǎn)換材料形成混合晶。因此，例如以Iia5Sk5Te/和“Bi2Te2.7Sea3”這樣的組成式所表示的程度的量添加這些摻雜物。
[0048]對于P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的形狀，從元件的生產(chǎn)性和使熱電轉(zhuǎn)換材料的晶體取向與筒的軸向一致的觀點出發(fā)，優(yōu)選為多棱柱或圓柱，從防止作為脆性的熱電轉(zhuǎn)換材料的斷裂的觀點出發(fā)，更優(yōu)選為能夠抑制應(yīng)力向角部集中的圓柱。
[0049]筒112和122是由具有耐熱性和絕緣性的材料形成的、具有在兩端開口的空腔的部件。筒112和122具有對于元件即使在使用時的高溫側(cè)一端的溫度或在熱電轉(zhuǎn)換材料的融點也保持形狀的耐熱性。另外，筒112和122具有在熱電轉(zhuǎn)換模塊中起電時截斷P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121之間的電流的絕緣性。
[0050]筒112和122能夠分別容納P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121且具有耐熱性和絕緣性即可。對于筒112和122的形狀，可以從圓筒、多棱筒以及在角部具有圓角的多棱筒等中選擇。筒112和122的材料的例子包括二氧化硅、氧化鋁等金屬氧化物、耐熱玻璃、石英等。對于筒112和122的材料，根據(jù)耐熱性的觀點優(yōu)選為石英，進(jìn)而若考慮成本，優(yōu)選為耐熱玻璃。
[0051]在本發(fā)明的第一方式中(參照實施方式I)，優(yōu)選P型熱電轉(zhuǎn)換元件110的筒112和N型熱電轉(zhuǎn)換元件120的筒122的橫截面積(與發(fā)電時在熱電轉(zhuǎn)換元件中電流流動的方向正交的截面的面積)不同(參照圖1A?圖1D)。
[0052]在本發(fā)明的第二方式中(參照實施方式2)，優(yōu)選筒112的材料的熱阻率(熱阻率是熱傳導(dǎo)率的倒數(shù))和筒122的材料的熱阻率不同。
[0053]根據(jù)這些結(jié)構(gòu)，能夠與P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的熱阻之差相比，縮小P型熱電轉(zhuǎn)換元件110和N型熱電轉(zhuǎn)換元件120的熱阻之差。S卩，能夠校正(降低)P型熱電轉(zhuǎn)換元件110和N型熱電轉(zhuǎn)換元件120的熱阻之差。通過降低P型熱電轉(zhuǎn)換元件110和N型熱電轉(zhuǎn)換元件120的熱阻之差，能夠防止熱電轉(zhuǎn)換模塊100性能下降。
[0054]另一方面，由于能夠?qū)型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的橫截面中的面積設(shè)為相同，因此，能夠不使P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的電阻降低而校正熱阻之差。進(jìn)而，由于能夠?qū)型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的體積和形狀設(shè)為相同，因此能夠不使P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的電阻降低而進(jìn)一步減小熱阻之差。
[0055]在本發(fā)明的第三方式中(參照實施方式3)，P型熱電轉(zhuǎn)換部件111和N型熱電轉(zhuǎn)換部件121的橫截面積(與發(fā)電時在熱電轉(zhuǎn)換元件中電流流動的方向正交的截面的面積)不同。另外，P型熱電轉(zhuǎn)換元件110的筒112和N型熱電轉(zhuǎn)換元件120的筒122的橫截面積(與發(fā)電時在熱電轉(zhuǎn)換元件中電流流動的方向正交的截面的面積)不同(參照圖1F)。
[0056]在本發(fā)明的第四方式中(參照實施方式4)，優(yōu)選P型熱電轉(zhuǎn)換部件11