热电元件及热电模块制造技术

本发明专利技术的目的在于提供一种能够防止由热应力引起的断裂的热电元件及使用多个该热电元件的热电模块。本发明专利技术所涉及的热电元件包括：在热能与电能之间转换能量的元件；和连接在上述元件两端部一对电极，其中上述元件设有应力缓和部，该应力缓和部缓和由于上述两端部的温度差而产生的应力。由此，在使用热电元件进行发电时，能够通过应力缓和部缓和由于元件两端部的温度差而产生的应力，能够抑制由热应力引起元件断裂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种在热能与电能之间直接转换能量的热电元件及使 用多个该热电元件的热电模块。
技术介绍
热电模块将两种不同极性的半导体元件(热电元件)、即N型热电元件及p型热电元件在高热侧的集热部与低温侧的散热部之间配置 多个，并经由电极将这些热电元件的端部之间交替地串联连接，上述半导体元件因塞贝克效应(Seebeck effect)而产生与温度差对应的热电 势，上述热电模块能够将热能直接转换成电能(例如参照日本特开 2005-322848号公报)。
技术实现思路
在这里，为了增大热电模块的发电量，优选的是，缩短热电元件 的元件长度(高度)，增大热电元件上流动的热量。但是，在为了增 大发电量而使用高宽比(元件的高度与宽度之比)小的热电元件的情 况下，由于热电元件的宽度方向的刚性变大，由热电元件的高温侧端 部与低温侧端部的热膨胀差引起的热电元件在宽度方向上的应力可能 会导致热电元件断裂。本专利技术就是为了解决上述问题而提出，目的在于提供一种能够防 止由热应力引起的断裂的热电元件及使用多个该热电元件的热电模 块。艮口，本专利技术所涉及的一种热电元件包括在热能与电能之间转换 能量的元件；和连接在上述元件两端部的一对电极，上述元件设有应力缓和部，该应力缓和部缓和由于上述两端部的温度差而产生的应力。在使用热电元件进行发电时，设有一方电极的一端部成为高温， 设有另一方电极的另一端部成为低温。此时，热电元件的高温侧膨胀， 低温侧收縮。其结果，在热电元件上会作用有热应力。在这里，根据 本专利技术所涉及的热电元件，通过在元件上设置用于缓和由于两端部的 温度差而产生的应力的应力缓和部，能够缓和由于高温侧端部与低温 侧端部的温度差而产生的热应力。因此，能够抑制由热应力引起元件 断裂，能够使用高宽比小的元件提高发电量。并且，在本专利技术所涉及的热电元件中，优选的是，上述应力缓和 部为从上述元件的端部朝向端部方向形成的间隙部。根据本专利技术，通过在元件上从其端部朝向端部的方向形成间隙部， 容易朝向平行于元件与电极的接合面的方向变形，能够降低元件在该 方向上的刚性。因此，在由于元件的高温侧端部与低温侧端部的温度 差而产生热应力的情况下，.能够缓和该热应力。因此，能够抑制由热 应力引起元件断裂，能够使用高宽比小的元件提高发电量。并且，本专利技术所涉及的热电元件的特征在于，包括在热能与电 能之间转换能量的元件；..和设置在该元件两端部的一对电极，朝向大 致垂直于与电极的接合面的方向将元件的至少一部分分割成多个部 分。在使用热电元件进行发电时，设有一方电极的一端部成为高温， 设有另一方电极的另一端部成为低温。此时，热电元件的高温侧膨胀， 而低温侧收縮。其结果，在热电元件上会作用有热应力。在此，根据 本专利技术所涉及的热电元件，元件的至少一部分朝向大致垂直于与电极 的接合面的方向被分割成多个部分，由此分割而成的多个部分的高宽 比变大，从而对于该部分的弯曲变形而言刚性下降。因此，能够通过元件的变形来缓和由于热电元件两端的温度差而产生的热应力。其结 果，能够防止由热应力引起元件断裂。其中，优选的是，由形成在一方电极与另一方电极之间的多个狭 缝将上述元件分割成多个部分。并且，在本专利技术所涉及的热电元件中，优选的是，上述多个部分 的一端与元件的任意一端一致。由此，能够降低热应力变大的元件端 部的刚性。因此，能够通过元件端部的变形来缓和作用于该端部的热 应力。其结果，能够有效地防止由热应力引起元件端部断裂。其中，优选的是，构成上述多个部分的各部分在短边方向上的宽 度，根据元件上所产生的应力及元件的断裂韧性而设定。如此，通过 考虑作用在元件上的应力及元件的断裂韧性而设定上述各部分的宽 度，能够确保应对元件与电极的接合部的热应力的强度，能够防止该 接合部断裂。并且，在本专利技术所涉及的热电元件中，优选的是，在上述元件至 少与任意电极的接合部上形成有切口，该切口将该接合部分割成比上 述多个部分更细的微细部分。由此，能够提高应对元件与电极的接合 部的热应力的强度，能够防止该接合部断裂。其中，优选的是，由切口分割而成的上述微细部分在短边方向上 的宽度，根据元件上所产生的应力及元件的断裂韧性而设定。如此， 通过考虑作用在元件上的应力及元件的断裂韧性而设定上述微细部分 的宽度，能够确保应对元件与电极的接合部的热应力的强度，能够防 止该接合部断裂。优选的是，本专利技术所涉及的热电元件，在被分割成上述微细部分 的元件的接合部填充导电性的接合材料，，从而元件与电极接合。由此，能够增大元件与电极的接合部的接触面积，能够降低该接合部的电阻 即热电元件的电阻。另一方面，将电极与元件的接合部以嵌入到形成于元件上的切口 中的方式形成，通过嵌合电极的接合部与元件的切口，元件与电极接 合，根据上述结构，也能够增大元件与电极的接合部的接触面积。因 此，这种情况下，也能降低该接合部的电阻即热电元件的电阻。其中，优选的是，上述微细部分在短边方向上宽度，根据接合界 面的电阻与元件的电阻率之比而设定。如此，通过考虑接合界面的电 阻与元件的电阻率之比而设定上述微细部分的宽度，能够适当地降低 元件与电极的接合部的电阻即热电元件的电阻。并且，优选的是，元件与电极的接合部位的深度，根据接合界面 的电阻与上述元件的电阻率之比及上述微细部分在短边方向上的宽度 而设定。如此，能够考虑元件与电极的接合部位的各微细部分长度方 向的电流密度分布而设定该接合部位的深度。因此，能够更有效地降 低元件与电极的接合部的电阻即热电元件的电阻。本专利技术所涉及的一种热电模块而特征在于，连接多个上述的任意 一个热电元件而构成。根据本专利技术所涉及的热电模块，通过连接多个 上述的任意一个热电元件而构成热电模块，由此能够防止由于热电模 块两端的温度差而产生的热应力导致热电模块断裂。根据本专利技术，在元件上设置有用于缓和由于两端部的温度差而产 生的应力的应力缓和部，从而能够缓和由于高温侧端部与低温侧端部 的温度差而产生的热应力。因此，能够抑制由热应力引起元件断裂。附图说明图1是第1实施方式所涉及的热电元件的剖视图。图2是用于说明元件与电极的界面的剪切应力的图。图3是用于说明微细部分的宽度的设定方法的图。 图4是表示元件与电极的接合部的剖视图。 图5是表示元件与电极的接合部的其他例子的剖视图。 图6是用于说明元件与电极的接合部的微细部分在长度方向上的 电位梯度及电流密度分布的图。图7是表示由作用于热电元件上的热应力引起的弯曲变形的剖视图。图8是第2实施方式所涉及的热电元件的透视图。图9是构成第3实施方式所涉及的热电元件的半导体元件的透视图。图IO是图9所示的半导体元件的俯视图。图11是包括由第3实施方式所涉及的热电元件构成的热电模块的 热发电装置的剖视图。图12是用于说明图11所表示的热发电装置中的热电元件与传热 片一侧电极和模块冷却部件一侧电极的接合方法的主要部分剖视图。图13是第4实施方式所涉及的热电元件的说明图。具体实施例方式以下，参照附图对本专利技术的优选实施方式进行详细说明。图中， 相同或相应的部分使用了相同的标号。(第l实施方式)首先，参照图1，对第1实施方式所涉及的热电元件的结构进行说 明。图1为第1实施方式所涉及的热电元件1的剖视图。另外，在本 说明书中，将图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电元件，其特征在于，　包括：在热能与电能之间转换能量的元件；和　连接在所述元件两端部的一对电极，　所述元件形成有应力缓和部，该应力缓和部缓和由于所述两端部的温度差而产生的应力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：深田善树，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]