專利名稱：熱電轉(zhuǎn)換模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電轉(zhuǎn)換模塊。特別地，本發(fā)明涉及一種利用塞貝克效應(yīng)或珀?duì)柼?yīng)的熱電轉(zhuǎn)換模塊。
背景技術(shù)：
熱流和電流相互影響的諸如塞貝克效應(yīng)和珀?duì)柼?yīng)的物理現(xiàn)象通常被稱為“熱電效應(yīng)”。在具有不同熱電性質(zhì)的金屬和/或半導(dǎo)體被接合的電路中會(huì)展現(xiàn)出熱電效應(yīng)。當(dāng)在接合處存在溫差時(shí)在這樣的電路中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)。展現(xiàn)出塞貝克效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換模塊已被用作例如功率發(fā)生設(shè)備。
同時(shí)，當(dāng)電流流過(guò)電路時(shí)，會(huì)發(fā)生在一側(cè)的接合處產(chǎn)生熱并在另一側(cè)的接合處吸收熱的現(xiàn)象。這被稱為珀?duì)柼?yīng)。使用珀?duì)柼?yīng)的熱電轉(zhuǎn)換模塊也被稱為珀?duì)柼?。這樣的珀?duì)柼驯挥糜诶鏑PU(中央處理單元)等的熱電冷卻。
在典型的熱電轉(zhuǎn)換模塊中，并行設(shè)置有不同的熱電轉(zhuǎn)換材料，即P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，并且通過(guò)串聯(lián)連接P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體以形成π形狀而構(gòu)成閉合電路。當(dāng)電流以一個(gè)方向流過(guò)該閉合電路時(shí)，熱取決于在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的接合處的電流方向而被釋放或吸收。
具有上述結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換模塊在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的一個(gè)端面吸收熱，同時(shí)在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的另一端面產(chǎn)生熱。相反，根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)在使用P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的一個(gè)端面作為低溫表面、并使用P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的另一端面作為高溫表面時(shí)，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的兩個(gè)端面之間提供溫差，電流將在閉合電路中流動(dòng)，可將該電流取出以作為電力。
因此，熱電轉(zhuǎn)換模塊具有幾乎相同的基本結(jié)構(gòu)，并且能夠發(fā)生可逆作用，即，利用塞貝克效應(yīng)的功率發(fā)生，或利用珀?duì)柼?yīng)的溫度控制。因此，也可將熱電轉(zhuǎn)換模塊既用作熱電發(fā)電元件模塊又用作珀?duì)柼?熱電冷卻元件模塊)。
接下來(lái)，將參照?qǐng)D3解釋作為常規(guī)的典型珀?duì)柼臒犭娹D(zhuǎn)換模塊。圖3是示出常規(guī)熱電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)的正視圖。在圖3中，附圖標(biāo)記1表示P型半導(dǎo)體，并且附圖標(biāo)記2表示N型半導(dǎo)體。如圖3中所示，P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2并行地交替設(shè)置。
P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2經(jīng)由電極3連接，以形成π形狀。在設(shè)置在一個(gè)端側(cè)的P型半導(dǎo)體1的底部端面處，連接有用于外部連接的電極4，并且在設(shè)置在另一端側(cè)的N型半導(dǎo)體2的底部端面處，連接有用于外部連接的電極5。P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2在電極4和電極5之間串聯(lián)連接，以形成π形狀。
在圖3中，良導(dǎo)熱性基板6與連接到P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2的上部端面的電極3接觸。良導(dǎo)熱性基板7與連接到P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2的底部端面的電極3至5接觸。將諸如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2O3)的具有電絕緣性能的陶瓷用于良導(dǎo)熱性基板6和7。
在圖3中，在電極4和電極5之間連接有直流電源。因此，當(dāng)電流流過(guò)電極5作為正(+)側(cè)并且電極4作為負(fù)(-)側(cè)的熱電轉(zhuǎn)換模塊30時(shí)，良導(dǎo)熱性基板6被冷卻，同時(shí)良導(dǎo)熱性基板7被加熱。
相反，當(dāng)通過(guò)在圖3中的電極4和電極5之間連接負(fù)載來(lái)構(gòu)造閉合電路，并且在良導(dǎo)熱性基板6和良導(dǎo)熱性基板7之間施加溫差，使良導(dǎo)熱性基板6作為低溫側(cè)，并且使良導(dǎo)熱性基板7作為高溫側(cè)時(shí)，電流在閉合電路中流動(dòng)，可將該電流取出以作為電力。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新穎且有用的熱電發(fā)電元件模塊，該熱電發(fā)電元件模塊具有與圖3中所示的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)，并且具有電絕緣膜(例如，見(jiàn)專利文獻(xiàn)1)。
根據(jù)專利文獻(xiàn)1的熱電發(fā)電元件模塊是這樣的熱電轉(zhuǎn)換元件單元模塊P型熱電轉(zhuǎn)換材料和N型熱電轉(zhuǎn)換材料經(jīng)由電極交替連接。該模塊的特征在于電極的表面具有電絕緣膜，該電絕緣膜由通過(guò)涂布包括作為結(jié)構(gòu)單元的-(SiH2NH)-的聚硅氨烷溶液而形成的硅膜組成。
根據(jù)專利文獻(xiàn)1的發(fā)明的絕緣膜據(jù)報(bào)道在熱阻和熱導(dǎo)率方面非常優(yōu)秀，并在廣闊的溫度范圍內(nèi)(從常溫至1300℃，特別在600至1300℃的更高溫度范圍內(nèi))有效。另外，根據(jù)專利文獻(xiàn)1的發(fā)明，能夠極大地使熱阻最小化，因?yàn)榭蓪⒐璞∧ぶ瞥沙?，例如具?μm的膜厚度。因此，據(jù)報(bào)道有優(yōu)秀效果，諸如能夠避免熱電轉(zhuǎn)換元件模塊的功率發(fā)生性能的大幅惡化。
專利文獻(xiàn)1JP-A-2001-326394發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問(wèn)題在圖3中所示的常規(guī)的典型熱電轉(zhuǎn)換模塊中，考慮到電絕緣性能和熱導(dǎo)率，將諸如氮化鋁或氧化鋁的陶瓷用作良導(dǎo)熱性基板。根據(jù)專利文獻(xiàn)1的發(fā)明，在其實(shí)例中將氧化鋁瓷(Al2O3)用作良導(dǎo)熱性基板。
然而，可用作良導(dǎo)熱性基板的氮化鋁(AlN)的缺點(diǎn)在于通常昂貴，盡管其在電絕緣性能和熱導(dǎo)率方面有利。相反，可用作良導(dǎo)熱性基板的氧化鋁(Al2O3)便宜且在電絕緣性能方面有利，但是它的不利之處在于劣等的熱導(dǎo)率。
本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而提出的。本發(fā)明的目的是提供一種熱電轉(zhuǎn)換模塊，該熱電轉(zhuǎn)換模塊包括便宜的良導(dǎo)熱性基板，并能夠確保良導(dǎo)熱性基板和電極之間的電絕緣性能。
用于解決問(wèn)題的手段本發(fā)明人采用如下結(jié)構(gòu)完成了如后面所述的新穎熱電轉(zhuǎn)換模塊的發(fā)明，以用于達(dá)到上述目的良導(dǎo)熱性基板包括具有低熱阻的普通金屬，并且在良導(dǎo)熱性基板和電極之間設(shè)置有電絕緣膜。
根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換模塊的第一方面，該熱電轉(zhuǎn)換模塊裝備有熱電轉(zhuǎn)換元件單元，該熱電轉(zhuǎn)換元件單元采用被連接以形成π形狀的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體、連接到熱電轉(zhuǎn)換元件單元的每個(gè)端面的電極、以及與電極接觸的良導(dǎo)熱性基板來(lái)進(jìn)行構(gòu)造，其中良導(dǎo)熱性基板包括鋁或鋁合金，并且陽(yáng)極氧化膜設(shè)置在良導(dǎo)熱性基板和電極之間。
根據(jù)本發(fā)明的上述方面的熱電轉(zhuǎn)換模塊具有熱電轉(zhuǎn)換元件單元，該熱電轉(zhuǎn)換元件單元由被連接以形成π形狀的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成。對(duì)于由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電轉(zhuǎn)換元件單元來(lái)說(shuō)，可使用諸如鉍碲化合物、銻碲化合物、鉍碲銻化合物、鉍碲硒化合物以及鉛鍺化合物、硅鍺化合物等的常用材料?？蓪型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成為例如柱狀，并且P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的大致平行的兩端具有電氣連接端面。
此外，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體具有大致相同的高度，并且P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體被連接以形成π形狀。將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體連接以形成π形狀意味著P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體被串聯(lián)連接。
根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊具有連接到熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面的電極。電極可以是例如板狀導(dǎo)電金屬板，并且電極的電阻優(yōu)選是低的?？蓪㈦姌O接合到熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面，以允許它們電氣連接。例如，接合可以通過(guò)錫焊或通過(guò)熔接來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，可通過(guò)導(dǎo)電粘合劑將電極粘接到熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面，以允許它們電氣連接。
此外，可通過(guò)例如將銅箔板附著于電絕緣膜上，并使銅箔板經(jīng)歷圖形刻蝕來(lái)形成電極，并且可使經(jīng)圖形刻蝕的電極與熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面接觸，從而將電極連接到熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面。同樣，可使經(jīng)圖形刻蝕的電極經(jīng)歷導(dǎo)電性電鍍(conductive plating)。
根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊具有與電極接觸的良導(dǎo)熱性基板。例如，成對(duì)的對(duì)向良導(dǎo)熱性基板可通過(guò)熱絕緣柱狀支柱夾持電極并與電極接觸。同樣，可將諸如硅樹(shù)脂的良導(dǎo)熱性材料設(shè)置在電極和良導(dǎo)熱性基板之間，并且可使良導(dǎo)熱性基板與電極接觸。
根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊的特征在于良導(dǎo)熱性基板由鋁或鋁合金組成。
可用作根據(jù)本發(fā)明的良導(dǎo)熱性基板的鋁可以是純鋁，并且考慮到實(shí)用性和成本，優(yōu)選的是具有99.7至99.0％的純度的工業(yè)純鋁。
可用作根據(jù)本發(fā)明的良導(dǎo)熱性基板的鋁合金可以是例如為了實(shí)現(xiàn)耐蝕性通過(guò)加工和硬化而強(qiáng)化的Al-Mg化合物或Al-Mn化合物，并且可以是具有熱加工性和有利的耐蝕性的Al-Mg-Si化合物。為了采用適于供諸如壓鑄的鑄造用的鋁合金來(lái)制造根據(jù)本發(fā)明的良導(dǎo)熱性基板，可使用Al-Cu化合物、Al-Cu-Si化合物(勞塔爾銅硅鋁合金等)、Al-Si化合物(鋁硅合金等)、Al-Mg化合物(海德羅納留姆耐蝕鋁鎂合金等)、Al-Cu-Mg-Ni化合物(Y合金等)(上述鋁合金組摘錄自“IwanamiPhysical and Chemical Dictionary，5th ed.，Iwanami.Press”)。
此外，根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊的特征在于，在良導(dǎo)熱性基板和電極之間設(shè)置有陽(yáng)極氧化膜。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊包括熱電轉(zhuǎn)換元件單元、電極、和與電極接觸的良導(dǎo)熱性基板，其中熱電轉(zhuǎn)換元件單元具有在兩個(gè)對(duì)向表面之間連接以形成π形狀的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體；每個(gè)電極設(shè)置在熱電轉(zhuǎn)換元件單元的π形連接的兩個(gè)對(duì)向表面上；與電極接觸的良導(dǎo)熱性基板被設(shè)置在電極的至少一個(gè)面上，并且熱電轉(zhuǎn)換模塊的特征可在于，良導(dǎo)熱性基板由鋁或鋁合金組成，并且陽(yáng)極氧化膜設(shè)置在良導(dǎo)熱性基板和電極之間以與其接觸。
因?yàn)殇X或鋁合金與氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2O3)相比具有劣等的熱阻，但具有更加有利的導(dǎo)電性，所以當(dāng)由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板與電極接觸時(shí)，電極會(huì)短路。因此，在具有有利的導(dǎo)電性的良導(dǎo)熱性基板和電極之間設(shè)置了具有電絕緣性能的陽(yáng)極氧化膜，以確保良導(dǎo)熱性基板和電極之間的電絕緣性能。
因此，根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊包括由便宜的鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板，并且在良導(dǎo)熱性基板和電極之間設(shè)置有具有電絕緣性能的陽(yáng)極氧化膜，從而確保良導(dǎo)熱性基板和電極之間的電絕緣性能。
根據(jù)如本發(fā)明的第一方面中描述的熱電轉(zhuǎn)換模塊的第二方面，其中陽(yáng)極氧化膜被形成在由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板上。
陽(yáng)極氧化是在電解時(shí)在陽(yáng)極上發(fā)生的氧化反應(yīng)，并且通過(guò)在諸如硫酸的電解溶液中電解鋁或鋁合金而在鋁或鋁合金的表面上形成的Al2O3的陽(yáng)極氧化膜具有電絕緣性能。
通過(guò)這樣在由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板上形成具有電絕緣性能的陽(yáng)極氧化膜，可確保良導(dǎo)熱性基板和電極之間的電絕緣性能。
盡管電解后立刻產(chǎn)生的陽(yáng)極氧化膜是多孔的和非晶的Al2O3，但可在執(zhí)行采用沸水的處理或采用蒸汽的處理時(shí)執(zhí)行封孔。在這種狀態(tài)下，將實(shí)現(xiàn)有利的耐蝕性和電絕緣性能。因此，通過(guò)使形成在良導(dǎo)熱性基板上的陽(yáng)極氧化膜經(jīng)歷例如封孔處理，與電極接觸的良導(dǎo)熱性基板的表面的表面粗糙度被降低，從而能夠減小接觸熱阻。
根據(jù)本發(fā)明，陽(yáng)極氧化膜可以不必要形成在與電極接觸的整個(gè)良導(dǎo)熱性基板上。成對(duì)的對(duì)向良導(dǎo)熱性基板中的一個(gè)可由其上可形成有陽(yáng)極氧化膜的鋁或鋁合金組成，而對(duì)向的良導(dǎo)熱性基板可由例如氮化鋁(AlN)組成。例如，在珀?duì)柼?，在冷卻側(cè)的良導(dǎo)熱性基板可由氮化鋁組成，并且在釋熱側(cè)的良導(dǎo)熱性基板可由其上可形成有陽(yáng)極氧化膜的鋁或鋁合金組成。
根據(jù)如本發(fā)明的第二方面所述的熱電轉(zhuǎn)換模塊的第三方面，其中陽(yáng)極氧化膜被制成具有0.1至0.5μm的膜厚度。
如上所述，形成在由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板上的陽(yáng)極氧化膜具有電絕緣性能。此外，由于陽(yáng)極氧化膜具有更大的膜厚度，所以可認(rèn)為增強(qiáng)了電絕緣性能。另一方面，由于陽(yáng)極氧化膜具有更大的膜厚度，所以可認(rèn)為也提高了熱阻。
形成在鋁或鋁合金上的陽(yáng)極氧化膜，可在多孔膜的情況下，被制成給出一般在1至100μm范圍內(nèi)的平均膜厚度?？紤]到電絕緣性能，優(yōu)選的是，形成具有20μm或大于20μm的平均膜厚度的薄膜。考慮到使熱阻最小化和確保電絕緣性能，優(yōu)選的是形成具有在20至80μm范圍內(nèi)的平均膜厚度的薄膜，更優(yōu)選的是25至60μm范圍內(nèi)的平均膜厚度，仍然更優(yōu)選的是30至40μm范圍內(nèi)的平均膜厚度。
更優(yōu)選的是，形成勢(shì)壘型膜作為形成在鋁或鋁合金上的陽(yáng)極氧化膜。勢(shì)壘型膜可在包括例如硼酸銨等的中性液體中形成，并且在致密性上有利且在電絕緣性能上優(yōu)秀。此外，由于在勢(shì)壘型膜中晶體生長(zhǎng)與電壓成線性關(guān)系，所以可控制膜厚度。
在這樣的勢(shì)壘型膜的情況下，據(jù)報(bào)道可形成一般在0.01至0.8μm范圍內(nèi)的平均膜厚度。考慮到電絕緣性能，優(yōu)選的是，形成具有0.1μm或大于0.1μm的膜厚度的薄膜，而考慮到使熱阻最小化同時(shí)確保電絕緣性能，優(yōu)選的是，形成具有在0.1至0.5μm范圍內(nèi)的膜厚度的薄膜。
根據(jù)如本發(fā)明的第一至第三方面所述的熱電轉(zhuǎn)換模塊的第四方面，其中并行設(shè)置的多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元被夾在良導(dǎo)熱性基板之間。
根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊還可包括在對(duì)向的兩個(gè)表面之間與一熱電轉(zhuǎn)換元件單元并行設(shè)置并且串聯(lián)連接到該熱電轉(zhuǎn)換元件單元的另一熱電轉(zhuǎn)換元件單元，該另一熱電轉(zhuǎn)換元件單元包括被連接以形成π形狀的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。換句話說(shuō)，設(shè)置有一起并行設(shè)置的多個(gè)(任意數(shù)量)熱電轉(zhuǎn)換元件單元的熱電轉(zhuǎn)換模塊也可包括在本發(fā)明中。
可把措辭“一起并行設(shè)置的多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元”理解為指的是，例如，形成為柱狀的多個(gè)P型半導(dǎo)體和多個(gè)N型半導(dǎo)體被交替地彼此相鄰設(shè)置，并被排列成以行和列豎立。多個(gè)P型半導(dǎo)體和多個(gè)N型半導(dǎo)體具有大致相同的高度，多個(gè)P型半導(dǎo)體和多個(gè)N型半導(dǎo)體被串聯(lián)連接以形成π形狀。
例如，多個(gè)P型半導(dǎo)體和多個(gè)N型半導(dǎo)體沿著列交替設(shè)置，并且電極在列的方向上被連接到多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面。另外，設(shè)置在該列的方向上的兩個(gè)末端處的成對(duì)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的每一個(gè)端面處都連接有電極。
關(guān)于這些多個(gè)電極，多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元沿對(duì)齊的方向排列，使得設(shè)置在一個(gè)表面上的多個(gè)電極與吸熱側(cè)相對(duì)應(yīng)，并且設(shè)置在另一表面上的多個(gè)電極與釋熱側(cè)相對(duì)應(yīng)。所設(shè)置的多個(gè)電極被夾在良導(dǎo)熱性基板之間以與其接觸。
例如，可將熱絕緣柱狀支柱設(shè)置在成對(duì)的對(duì)向良導(dǎo)熱性基板之間，以?shī)A持多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元?？蛇x地，可將不導(dǎo)電的液封設(shè)置在成對(duì)的對(duì)向良導(dǎo)熱性基板之間，并且液封可粘附于該對(duì)對(duì)向的良導(dǎo)熱性基板，從而夾持多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元。
因?yàn)楸景l(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊包括以這種方式設(shè)置的多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元，所以可通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置熱電轉(zhuǎn)換元件單元的數(shù)量，而從熱電發(fā)電元件模塊獲得期望的電功率，或者可從珀?duì)柼@得期望的冷卻能力。
本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊包括良導(dǎo)熱性基板，該良導(dǎo)熱性基板包括便宜的鋁或鋁合金，并且在良導(dǎo)熱性基板和電極之間設(shè)置有具有電絕緣性能的陽(yáng)極氧化膜，從而能夠確保良導(dǎo)熱性基板和電極之間的電絕緣性能。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)的正視圖。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊的分解透視圖。
圖3是示出常規(guī)熱電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)的正視圖。
附圖標(biāo)記的描述1 P型半導(dǎo)體2 N型半導(dǎo)體3-5 電極8、9、81、91 良導(dǎo)熱性基板10 陽(yáng)極氧化膜20、200 熱電轉(zhuǎn)換模塊具體實(shí)施方式
在下文中，將參照

用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方式。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)的正視圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊的分解透視圖。關(guān)于分配給圖3中所示的常規(guī)組件的附圖標(biāo)記，在下面的描述中將相同的附圖標(biāo)記分配給相應(yīng)的組件，因此在某些情況下可忽略相應(yīng)組件的描述。
首先，將對(duì)比圖3中所示的常規(guī)熱電轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
在圖1中，P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2被交替地并行設(shè)置。P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2經(jīng)由電極3連接以形成π形狀。用于外部連接的電極4被連接到設(shè)置在一個(gè)末端側(cè)的P型半導(dǎo)體1的底部端面，并且用于外部連接的電極5被連接到設(shè)置在另一末端側(cè)的N型半導(dǎo)體2的底部端面。P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2在電極4和電極5之間被串聯(lián)連接以形成π形狀。
在圖1中，良導(dǎo)熱性基板8與連接到P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2的上部端面的電極3接觸。良導(dǎo)熱性基板9與連接到P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2的底部端面的電極3至5接觸。
這些良導(dǎo)熱性基板8和9由鋁或鋁合金組成，并且陽(yáng)極氧化膜10被設(shè)置在良導(dǎo)熱性基板8、9和電極3至5之間。陽(yáng)極氧化膜10被形成在由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板8和9上。陽(yáng)極氧化膜10被形成為具有0.1至0.5μm的膜厚度。
在圖1中，在電極4和電極5之間連接有直流電源。因此，當(dāng)電流流過(guò)具有作為正(+)側(cè)的電極5和作為負(fù)(-)側(cè)的電極4的熱電轉(zhuǎn)換模塊20時(shí)，良導(dǎo)熱性基板8被冷卻，同時(shí)良導(dǎo)熱性基板9被加熱。
相反，當(dāng)通過(guò)將負(fù)載連接在圖1中的電極4和電極5之間而構(gòu)成閉合電路，并且將溫差施加到良導(dǎo)熱性基板8和良導(dǎo)熱性基板9之間，使良導(dǎo)熱性基板8作為低溫側(cè)并使良導(dǎo)熱性基板9作為高溫側(cè)時(shí)，電流在閉合電路中流動(dòng)，可將該電流取出以作為電力。
接下來(lái)，將說(shuō)明根據(jù)另一實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)。
在圖2中，形成為柱狀的32個(gè)P型半導(dǎo)體1和32個(gè)N型半導(dǎo)體2被交替設(shè)置。32個(gè)P型半導(dǎo)體1和32個(gè)N型半導(dǎo)體2具有大致相同的高度，并且32個(gè)P型半導(dǎo)體1和32個(gè)N型半導(dǎo)體2被串聯(lián)連接以形成π形狀。
如圖2所示，32個(gè)P型半導(dǎo)體1和32個(gè)N型半導(dǎo)體2沿著列交替設(shè)置，并且電極3在列的方向上被連接到多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面。另外，設(shè)置在列的方向的兩個(gè)末端處的成對(duì)的P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2的每一個(gè)端面都被連接到電極3。
在圖2中，用于外部連接的電極4被連接到設(shè)置在第一列的第一行的P型半導(dǎo)體1的底部端面，并且用于外部連接的電極5被連接到設(shè)置在第一列的末行的N型半導(dǎo)體2的底部端面。32個(gè)P型半導(dǎo)體1和32個(gè)N型半導(dǎo)體2被串聯(lián)連接以在電極4和電極5之間形成π形狀。
關(guān)于這些多個(gè)電極3至5，多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元在對(duì)齊的方向上排列，使得設(shè)置在一個(gè)表面上的多個(gè)電極3與吸熱側(cè)相對(duì)應(yīng)，并且設(shè)置在另一表面上的多個(gè)電極3至5與釋熱側(cè)相對(duì)應(yīng)。所設(shè)置的多個(gè)電極3至5被夾在良導(dǎo)熱性基板81和91之間以與其接觸。
例如，可在成對(duì)的對(duì)向良導(dǎo)熱性基板81和91之間設(shè)置圖中未示出的熱絕緣柱狀支柱，以?shī)A持多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元?？蛇x地，可在成對(duì)的對(duì)向良導(dǎo)熱性基板81和91之間設(shè)置圖中未示出的不導(dǎo)電的液封，并且液封可粘附到成對(duì)的對(duì)向良導(dǎo)熱性基板81和91，以?shī)A持多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元。
這些良導(dǎo)熱性基板81和91由鋁或鋁合金組成，并且陽(yáng)極氧化膜10設(shè)置在良導(dǎo)熱性基板81、91和電極3至5之間。陽(yáng)極氧化膜10被形成在由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板81和91上。陽(yáng)極氧化膜10被形成為具有0.1至0.5μm的膜厚度。
因?yàn)闊犭娹D(zhuǎn)換模塊200包括以這種方式設(shè)置的多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元，所以可通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置熱電轉(zhuǎn)換元件單元的數(shù)量，而從熱電發(fā)電元件模塊獲得期望的電功率，或者可從珀?duì)柼@得期望的冷卻能力。
接下來(lái)，將解釋根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換模塊的操作。
在具有圖1至圖3中所示的結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換模塊中，期望良導(dǎo)熱性基板具有低熱阻，以及電絕緣性能。這樣的良導(dǎo)熱性基板的熱阻一般可通過(guò)以下通式來(lái)確定R(m2·K/W)＝t(m)/k(W/(m·K))，其中R表示熱阻；t表示良導(dǎo)熱性基板的厚度；并且k表示熱導(dǎo)率系數(shù)。
當(dāng)用典型值“20(W/(m·K))”替換由氧化鋁組成的良導(dǎo)熱性基板(在下文中，稱為Al2O3板)的熱導(dǎo)率系數(shù)k；用典型值“170(W/(m·K))”替換由氮化鋁組成的良導(dǎo)熱性基板(在下文中，稱為AlN板)的熱導(dǎo)率系數(shù)k；并用值“230(W/(m·K))”替換由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板(在下文中，稱為Al板)的熱導(dǎo)率系數(shù)k時(shí)，通過(guò)根據(jù)上面的公式計(jì)算具有“1mm”厚度的良導(dǎo)熱性基板的熱阻，可導(dǎo)出下面的值。
Al2O3板5.0×10-5(m2·K/W)AlN板5.88×10-6(m2·K/W)Al板4.35×10-6(m2·K/W)如上所述，鋁板展現(xiàn)出最小的熱阻值；然而，使Al板直接與連接到熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面的電極接觸不是優(yōu)選的，因?yàn)锳l板具有導(dǎo)電性。因此，在本發(fā)明中，在由鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板和電極之間設(shè)置有陽(yáng)極氧化膜。
接下來(lái)，計(jì)算當(dāng)陽(yáng)極氧化膜形成在Al板上時(shí)的熱阻。如果在Al板上形成有具有“0.5μm”的膜厚度的陽(yáng)極氧化膜，并且“Al板+陽(yáng)極氧化膜”的厚度是“1mm”，則復(fù)合熱阻的值如下。
Al板+陽(yáng)極氧化膜(0.5μm)4.37×10-6(m2·K/W)因此，當(dāng)陽(yáng)極氧化膜形成在Al板上時(shí)的熱阻值是“4.37×10-6”，可將該值看作與單獨(dú)Al板的熱阻值“4.35×10-6”幾乎相同。另外，根據(jù)本發(fā)明的陽(yáng)極氧化膜是膜厚度可減小到0.5μm的勢(shì)壘型，并且具有足夠的電絕緣性能，以承受大約400V的電壓。
形成在Al板上的陽(yáng)極氧化膜可以是多孔膜，但是多孔膜的平均膜厚度通常是20至100μm，其大于勢(shì)壘型膜的膜厚度。如果在Al板上形成具有“40μm”的平均膜厚度的多孔膜，并且(Al板+多孔膜)的厚度是1mm，則復(fù)合熱阻的值如下。
Al板+多孔膜(40μm)6.17×10-6(m2·K/W)因此，當(dāng)多孔膜形成在Al板上時(shí)的熱阻值是“6.17×10-6”，其大于上述AlN板的熱阻值，即“5.88×10-6”。這里，將陽(yáng)極氧化膜的熱導(dǎo)率系數(shù)k假定成“20(W/(m·K))”。因此，在多孔膜的情況下，熱導(dǎo)率系數(shù)的值預(yù)期會(huì)低于上述值。在這種情況下，復(fù)合熱阻值將會(huì)更大。
下面的表1中示出了陽(yáng)極氧化膜的平均膜厚度(μm)和熱阻值(m2·K/W)之間的關(guān)系。在表1中；通過(guò)將陽(yáng)極氧化膜的熱導(dǎo)率系數(shù)k假定成“20(W/(m·K))”來(lái)確定熱阻值。
表1

權(quán)利要求
1.一種熱電轉(zhuǎn)換模塊，包括熱電轉(zhuǎn)換元件單元，其采用被連接以形成π形狀的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體、連接到所述熱電轉(zhuǎn)換元件單元的每個(gè)端面的電極、以及與所述電極接觸的良導(dǎo)熱性基板來(lái)進(jìn)行構(gòu)造，其中所述良導(dǎo)熱性基板包括鋁或鋁合金，并且陽(yáng)極氧化膜被設(shè)置在所述良導(dǎo)熱性基板和所述電極之間。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換模塊，其中，所述陽(yáng)極氧化膜被形成在由鋁或鋁合金組成的所述良導(dǎo)熱性基板上。
3.如權(quán)利要求2所述的熱電轉(zhuǎn)換模塊，其中，所述陽(yáng)極氧化膜被形成為具有0.1至0.5μm的膜厚度。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的熱電轉(zhuǎn)換模塊，其中，并行設(shè)置的多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件單元被夾在所述良導(dǎo)熱性基板之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種熱電轉(zhuǎn)換模塊，其包括便宜的良導(dǎo)熱性基板，并確保良導(dǎo)熱性基板與電極之間的電絕緣性能。熱電轉(zhuǎn)換元件單元由被連接以形成π形狀的P型半導(dǎo)體1和N型半導(dǎo)體2構(gòu)成。電極3至5被連接到熱電轉(zhuǎn)換元件單元的兩個(gè)端面。良導(dǎo)熱性基板8和9與電極3至5接觸。良導(dǎo)熱性基板8和9由鋁或鋁合金組成，并且在良導(dǎo)熱性基板8、9和電極3至5之間設(shè)置有陽(yáng)極氧化膜10。熱電轉(zhuǎn)換模塊20具有由便宜的鋁或鋁合金組成的良導(dǎo)熱性基板8和9，并且能夠通過(guò)陽(yáng)極氧化膜10而確保良導(dǎo)熱性基板和電極之間的電絕緣性能。
文檔編號(hào)H02N11/00GK1969398SQ20058001977
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者高橋恒 申請(qǐng)人:阿魯策株式會(huì)社