CN100508232C

CN100508232C - 热电转换器

Info

Publication number: CN100508232C
Application number: CNB2005800203310A
Authority: CN
Inventors: 高桥恒
Original assignee: Aruze Corp
Current assignee: Universal Entertainment Corp
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: EP1780810A4; US20080087317A1; US8129610B2; JPWO2005124881A1; WO2005124881A1; EP1780810A1; JP5160784B2; CN1969399A

Abstract

本发明提供了一种热电转换器，其解决了由于半导体的不均匀特性引起的转换效率的降低和由于各热电转换器之间的热膨胀系数引起的每个元件单元和电极之间的附着强度的降低。另外，通过修改单个装置的结构而打算改善电热转换效率。单个元件单元(13)被设置在热电转换器(10)的板(5、12)上，其中单个元件单元(13)由烧结体单元构成的相同类型的半导体制成，每个烧结体单元包含金属元素氧化物、稀土元素氧化物和锰。膜状的薄膜电极被设置在冷却和加热表面上，以便与烧结体单元成为一体。在这些侧，引线(16)被彼此串联连接。

Description

热电转换器

技术领域

本发明涉及热电转换器模块，尤其涉及由单个热电半导体组成的单个装置。

背景技术

热电转换是指利用珀尔帖效应或塞贝克效应的热能到电能的转换以及电能到热能的转换。通过利用热电转换，使用塞贝克效应而从热流中取出电力，或者使用珀尔帖效应将电流施加到材料以便能够产生吸热现象或发热现象。同样，热电转换的特征在于：由于是直接转换而在能量转换时不会产生额外的废物，能高效地利用排出热，由于没有设置诸如发动机和涡轮机的活动部件而免于维护，等等。因此热电转换作为高效利用能量的技术而吸引了注意。

热电转换通常使用叫做热电元件的金属或半导体元件。如图4所示，n型半导体6和p型半导体7被设置在基板5上，并且相邻半导体通过电极8彼此连接。该热电转换器的性能取决于这些半导体的形状和材料，并且已经进行了不同的研究以用于提高性能。例如，这些研究中的一个是提高热电转换器的热电特性(参考专利文献1)。

[专利文献1]日本待审查专利申请公开号Hei 7-211944。

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1中公开的热电转换器利用基于beta-FeSi₂(基于β-FeSi₂)的热电转换器，该热电转换器由包含Sn和/或Pb的基于β-FeSi₂的热电转换材料组成。因此，作为具有低热导率的热电转换器，可获得高热电转换率。另外，可通过对溶解和凝固定义材料的导电类型的预定量的诸如Fe、Si、Mn或Co的掺杂物而获得的金属相(alpha相和epsilon相的共晶合金)进行热处理，接着使其相变到β相作为半导体，来制备基于β-FeSi₂的热电转换材料。对于β相变，应理解的是，加入诸如Cu的族XI或X的部分元素，可加速β相的相变。然而，这些促进相变的材料对提高基于β-FeSi₂的材料的热电转换率完全没有贡献。可以认为诸如Cu的促进剂没有溶解并凝固成β-FeSi₂晶体，但是它不对β-FeSi₂晶体的半导体特性做出贡献，因为它是作为β相晶体的晶界上的金属Cu存在的。

这样的热电转换器通常由P型和n型单个元件单元构成，它们取决于各自的单个元件单元的半导体特性而相互不同。因此，热电转换器作为整体具有不均匀的热电特性，使得它们可能产生不稳定的输出、热电转换器和负载之间的阻抗匹配的困难、以及与每个单个装置相比总体转换效率的显著降低。此外，由于p型和n型装置的热膨胀系数之间的差别，每个装置可能歪曲，并且单个装置和电极之间的附着力也可能减小。

本发明是考虑到上述问题而提出的，并打算提供一种热电转换器，该热电转换器能够克服由于上述的p型和n型热电转换器的不均匀的半导体特性而产生的转换效率的降低，并能够防止由于各热电转换器之间的热膨胀系数而产生的各装置与电极之间的附着强度的降低。另外，本发明的另一目的是提供能够容易地装配的热电转换器模块，同时志在通过考虑单个元件单元的结构而提高热电转换效率。

解决问题的手段

本发明提供以下几点：

(1)一种热电转换器模块，其装备有：由相同材料制成并在板上彼此连接的多个单个元件单元，其从被定义为单个装置的一个表面的加热表面和被定义为与单个装置的加热表面相对的一侧上的表面的冷却表面之间的温差中发电，其中单个元件单元包括具有相同尺寸和相同形状的半导体，其中每个半导体包括由复合金属氧化物制成的烧结体单元和连接到加热和冷却表面的两个表面的一对电极，该对电极中的每个电极具有等于和稍大于烧结体单元的表面的尺寸，并且彼此相邻的单个元件单元的冷却表面上的电极和加热表面上的电极，采用具有比电极的一侧的宽度窄的宽度的引线彼此连接。

根据(1)中的发明，具有相同尺寸和形状的半导体构成热电转换器，从而允许各单个元件单元的半导体特性标准化。结果，与常规热电转换器相比，提高转换效率变得可能。另外，由于单个装置由烧结体构成，而该烧结体由复杂金属氧化物制成，所以改善热阻和机械强度变得可能。

这里，术语“热电转换器模块”是指包含热电转换器的一个模块，其中单个元件单元经由电极和其它部件(诸如绝缘体)彼此连接。这里，术语“单个装置”是指以预定形状形成的烧结体单元，被定义为烧结体单元的加热表面的表面，以及被定义为加热表面的相对侧的冷却表面的表面，它们通过电极彼此连接。“烧结体单元”的形状优选地但不具体限于简单立方体形状，诸如长方体或正六面体，以用于获得高热电转换效率。

另外，连接到烧结体单元的“电极”的尺寸近似等于每个加热和冷却表面的尺寸，以用于提高热电转换率。优选地，电极被配置成覆盖每个表面。

这里，术语“近似等于”是指电极的尺寸大于加热和冷却表面的各自面积，但小于加热或冷却面与烧结体单元的四个侧面的面积的总面积。此外，连接到电极的“引线”可与电极一体形成。引线短于加热或冷却表面的一侧的宽度(窄宽度)，并且电极的面积与引线的横截面面积的比率在1000:2至1000:35的范围内，更优选地处于1000:5至1000:25的范围内，原因如下：如果引线比上述范围更粗，则不会出现温差。如果引线比通常细，则电流可能难以流动。此外，电极和引线的材料包括具有良导电率的金属，诸如金、银、铜和铝。这些部件优选是相同的。

这里，当将电极的面积定义成S_E，并将引线的横截面面积定义成S_L(见图2C)时，优选地，S_E/S_L的比率是1000/2或大于1000/2，更优选地，是1000/5或大于1000/5。另外，优选地，S_E/S_L的比率是1000/35或小于1000/35，更优选地是1000/25或小于1000/25，仍然更优选地是1000/20或小于1000/20。此外，如果单个装置具有平均热导率K₁和等于电极的面积的面积S_E；引线具有平均热导率K_L和横截面面积S_L；高温表面和低温表面(或加热表面和冷却表面)之间的距离是D；并且引线几乎垂直地从高温表面延伸到低温表面，则两个表面之间的热阻R_I和R_L可描述如下(A是常量)：

R_I＝A*D*S_E/K_I

R_L＝A*D*S_L/K_L

因此，由于考虑到在两个表面之间存在相同的温差，所以由单个装置传送的热量与由引线传送的热量的比率R_therm可表达如下：

R_therm＝(K_I*S_L)/(K_L*S_E)

因此，如果在两边之间不存在热导率的相当大的差别，并且存在S_L<<S_E的关系，则应理解的是，可忽略引线传送的热量。如果热导率为K_I<<L_K，则优选地应重新考虑上述情况。毕竟，这将由面积比率和导热性比率之间的相对关系来确定。

(2)如(1)中描述的热电转换器，其中单个元件单元被彼此串联连接。

根据(2)中的本发明，由于单个元件单元被串联连接，所以热电转换器具有简单的结构，这简化了制造。另外，这导致更简单的制造过程，从而降低了制造成本。

(3)如(1)和(2)中描述的热电转换器，其中复合金属氧化物是配备碱土金属元素、稀土元素和锰的氧化物。

根据(3)中的本发明，复合金属元素的氧化物是包括碱土金属元素、稀土元素和锰的氧化物，使得可获得高温时的热阻的改善。另外，优选地对于碱土金属元素使用钙，并且同样优选地对于稀土元素使用钇或镧。具体地，可给出任何钙钛矿类型的基于CaMnO₃的复合氧化物作为实例。在钙钛矿类型的基于CaMnO₃的复合氧化物中，优选的是由通式Ca_(1-x)M_xMnO₃(其中M是钇或镧，0.001≦x≦0.05)表示的那些。

根据本发明的热电转换器，所使用的单个元件单元包括相同类型的半导体，从而可获得转换效率的提升。另外，与常规热电转换器相比，本发明的热电转换器由于其更简单的结构而可以更容易地制造，从而引起制造成本的降低。此外，单个装置由复合金属氧化物的烧结体单元构成，从而可改善其机械强度。

附图说明

图1A是本发明的优选实施例的热电转换器模块的俯视图；

图1B是本发明的优选实施例的热电转换器模块的详细视图；

图1C是本发明的优选实施例的热电转换器模块的透视图；

图2A是用于示出本发明的优选实施例的热电转换器模块的制造过程的图；

图2B是用于示出本发明的优选实施例的热电转换器模块的制造过程的详细图；

图2C是本发明的优选实施例的热电转换器模块的电极和引线的部分的透视图；

图3是用于示出作为关于本发明的优选实施例的修改实例的另一热电转换器模块的图；

图4是常规热电转换器的俯视图。

附图标记的说明

10：热电转换器模块

12、5：板

13：单个装置

14：加热表面

15：冷却表面

16：引线

17：集电极

18：烧结体单元

19、8：电极

6：n型半导体

7：p型半导体

具体实施方式

图1A是表示本发明的优选实施例的热电转换器模块10的俯视图。图1B是从热电转换器模块提取的部分X的视图，该视图通过板12从其背面(底视图)显示出该部分X。如图1A和1B所示，单个元件单元13被设置在板12上，其中每个单个元件单元13由包括烧结体单元的相同类型的半导体组成。另外，与板12接触的单个元件单元13的表面是冷却表面15，并且其相对表面是加热表面14。在该实施例中，具有与加热表面14相同的面积的膜状电极附着在加热表面14上，以使其与烧结体单元成为一体。此外，在该实施例中，使用了n型半导体，然而本发明不限于此。

图1C是表示本发明的优选实施例的热电转换器模块10的外观的透视图。各单个元件单元13被夹在板5和板12之间，并通过引线16彼此串联连接。

另外，如图2A所示，在这些结构元件上设置有引线16。在串联连接中，一个单个元件单元13的加热表面上的电极19a与相邻单个装置的冷却表面上的电极19b连接。通过将具有比电极19a和19b更窄的宽度的导电带连接在加热表面上的电极19a上而建立串联连接，然后将伸出的部分向下弯曲，并且将其到达板12的部分进一步弯曲成曲柄形状，以便将其设置在相邻单个装置的下面。

本发明的热电转换器模块10对板12进行加热，同时对单个元件单元13的冷却表面进行冷却，从而把从板12吸收的热能转换成电能。集电极17收集获得的电能，然后电力从这里被供应到外部电极。然而，在加热板12的时候，其热量通过引线16被传输到单个元件单元13的顶面(冷却表面)，从而能够加热冷却表面，并且转换效率会趋于降低。为了减少热传递，将薄膜用于引线16。用作引线16的薄膜优选地具有50μm的厚度，并且其材料优选地，但不具体限于具有比本领域中通常采用的单个装置的电阻更小的电阻的金属。

图2A是示出制造本发明的优选实施例的热电转换器模块10的过程的透视图。连接引线16，以在单个元件单元13的冷却表面上的电极和相邻单个装置的加热表面上的电极之间建立连接。如图中所示，装配这些结构元件，使得引线16被连接在与电极一体形成的烧结体单元18的加热表面上，并且单个元件单元13然后被连接在板12上，以形成串联连接。另外，热电转换器模块10的转换效率取决于各单个元件单元之间的间距及其尺寸。单个元件单元13优选地具有5mm×5mm至20mm×20mm的面积，和1mm至5mm的高度。单个元件单元13之间的间距P优选地是0.1mm至5mm，更优选地是0.5mm至2mm。例如，如果间距P比0.1mm窄，则单个元件单元的集成度会高，但是会出现热问题。

另外，图2B是电极19’与引线一体形成的另一实施例的部分Y的视图。如图2B所示，加热表面上的电极19a’的一部分被向下弯曲，并且其到达板12的部分被进一步弯曲成曲柄形状，以便将其设置在相邻单个元件单元13’的下面。冷却表面上的电极19b可以具有与上述实施例相同的尺寸。

图2C是表示典型电极19a’和引线16的一部分的透视图。从该图中，可以看到电极19a’的面积S_E充分地大于引线16的横截面面积S_L。

图3是表示制造本发明的另一优选实施例的另一热电转换器模块10’的过程的透视图。除了单个装置的加热表面上的电极19”的尺寸大于烧结体单元18的尺寸外，本实施例采用与上述实施例相同的方式配置。另外，冷却表面上的电极19b可具有与上述实施例相同的尺寸，或者可具有与加热表面上的电极19a”相同的尺寸。在本发明的热电转换器模块10’中，电极19”从烧结体单元18突出，并作为顶盖(roof)，从而提供遮蔽下方的热的巨大效果，并且还扩大了烧结体单元的高和低温之间的温差。另外，具有提高功率发生效率的优点。

实例

单个元件单元的制备

使碳酸钙、碳酸锰和氧化钇的重量为Ca/Mn/Y＝0.95/1.0/0.05，然后用球磨机进行湿掺和18个小时。在这之后，过滤并干燥混合物，接下来，在大气中以1000℃焙烧10小时。将这样获得的煅烧粉末粉碎，并通过1t/cm²的压力的单轴向加压而模制。随后，在大气中以1,150℃焙烧5小时，从而获得Ca_0.95Y_0.05MnO₃的烧结体。烧结体的尺寸为大约9mm×9mm×2.5mm。

将银膏施加到烧结体单元18的两侧，然后在700℃焙烧以形成电极。测量装置的塞贝克系数和阻抗；塞贝克系数为145μV/K并且阻抗为7.5Ω。另外，通过在热电转换器的顶表面和底表面上提供温差，并将这样获得的电位差外推到S＝dV/dT(S＝塞贝克系数，dV＝两点之间的电位差，并且T＝两点之间的温差)，来计算塞贝克系数。另外，通过两端子方法来确定阻抗。术语“两端子方法”是指这样的方法：将两个电极端子连接在样品的两端，让电流通过样品，并且使用相同的电极测量这样引起的电位差。采用银膏将银带(3mm宽并且50μm厚)固定到烧结体单元18，从而产生单个元件单元。

热电转换器的装配

在具有100mm×100mm×2mm的尺寸的氧化铝(Al₂O₃)板上，串联设置了100个单个元件单元，接着采用具有相同尺寸的氧化铝板重叠并固定。随后，从顶部和底部轻微地施加压力，同时以700℃加热30分钟，从而获得热电转换器(图1A)。

加热器加热热电转换器的底表面，同时其顶表面被冷却，以向顶表面和底表面提供大约160K的温差。随后，获得2.32V的无负载电压和1.02W的最大功率。

Claims

1.一种热电转换器模块，包括：

由相同材料制成并在板上彼此连接的多个单个元件单元，其从被定义为单个元件单元的一个表面的加热表面和被定义为与所述单个元件单元的所述加热表面相对的一侧上的表面的冷却表面之间的温差中发电，其中

所述多个单个元件单元的每个包括具有相同尺寸和相同形状的半导体，其中每个所述半导体包括由复合金属氧化物制成的烧结体单元和连接到所述加热和冷却表面的两个表面的一对电极，该对电极中的每个电极具有等于和稍大于所述烧结体单元的表面的尺寸，并且第一单个元件单元的所述冷却表面上的电极和与所述第一单个元件单元相邻的第二单个元件单元的所述加热表面上的电极，采用具有比所述电极的一侧的宽度窄的宽度的引线彼此连接，

其中，所述引线具有一对连接部，该连接部以基本上成直角的方式被弯曲，并且反向延伸，并且

其中所述一对连接部中的一个被连接到所述第一单个元件单元的所述冷却表面上的电极，而所述一对连接部中的另一个被连接到所述第二单个元件单元的所述加热表面上的电极。

2.如权利要求1所述的热电转换器模块，其中，所述单个元件单元彼此串联连接。

3.如权利要求1或2所述的热电转换器模块，其中，所述复合金属氧化物由通式Ca_(1-x)M_xMnO₃表示，其中M是选自钇和镧中的一种的元素，并且X是在0.001到0.05范围内的值。

4.一种热电转换器模块，其包括：

多个单个元件单元，每个单个元件单元具有彼此面对的两个表面，即高温表面和低温表面；

板，所述多个单个元件单元被并行设置在所述板上，使得所述多个单个元件单元的每个的所述高温表面与邻接表面接触；以及

引线，所述引线被分别设置在所述多个单个元件单元之间，使得在彼此相邻的一对单个元件单元之间的电气连接，从一个单个元件单元的所述高温表面被形成到另一单个元件单元的所述低温表面，以便使所述多个单个元件单元串联连接；

其中，所述多个单个元件单元中的每个具有设置在所述高温表面上的高温表面电极和设置在所述低温表面上的低温表面电极；烧结体单元被夹在所述电极之间并由复合金属氧化物制成，所述多个单个元件单元的所述高温表面和所述低温表面之间的距离基本上彼此相同，

其中，所述高温表面电极具有单元侧表面，所述单元侧表面的尺寸等于或稍大于所述烧结体单元的高温电极表面，所述烧结体单元由所述高温表面电极和所述低温表面电极夹着并在所述单元侧表面邻接所述高温电极表面，

其中，所述引线的每个被电气连接到相应的高温表面和低温表面电极，并且所述引线的每个的宽度小于所述高温表面电极的宽度，

其中，所述引线的每个具有一对连接部，该连接部以基本上成直角的方式被弯曲，并且反向延伸，并且

其中所述一对连接部中的一个被连接到第一单个元件单元的所述低温表面电极，而所述一对连接部中的另一个被连接到与所述第一单个元件单元相邻的第二单个元件单元的所述高温表面电极。

5.如权利要求1所述的热电转换器模块，其中，连接到所述加热表面和冷却表面两者的每对电极的面积与所述引线的横截面面积的比率在1000：2至1000：35的范围内。

6.如权利要求4所述的热电转换器模块，其中，所述高温表面电极和所述低温表面电极中的每个的面积与所述引线的横截面面积的比率在1000：2至1000：35的范围内。