[发明专利]温差发电装置的制造方法

说明书

本发明涉及将由不同半导体结合而成的热电偶作为温差发电元件、并将多个温差发电元件串联结合起来构成的温差发电装置的制造方法。

使热电偶的两端有温度差，就能产生电压。将该电压作为电能利用就是温差发电。

温差发电作为将热能直接变换成电能的方法、作为包括费热的利用在内的热能的有效利用方法是非常引人注目的。

另外，用于温差发电的温差发电装置，由于它由多个温差发电元件即热电偶串联结合起来构成，结构简单，所以与其它发电机相比，有利于小型化，不象氧化还原电池那样消耗，不存在电解液的泄漏问题，所以被用于手表之类的超小型携带用电子机器，非常引人注目。

现有的温差发电装置的结构之一例示于图46中的斜视图。该温差发电装置的总体呈板状，将利用p型热电材料101和n型热电材料102的热电偶100作为温差发电元件，配置多个该温差发电元件，并将它们串联连接起来。

热电偶100的热端104和冷端105分别位于板状温差发电装置的表面和背面，利用其表面和背面的温度差进行发电。

温差发电是利用所谓赛贝克效应，即将两种不同的金属的两端结合起来，如果在其两个结合部之间存在温度差，就会在该两个结合部之间产生电动势。

进行这种温差发电的温差发电装置，一般是按下述方法制造的。

首先，将合金材料粉碎后烧结，形成块状材料，即利用所谓烧结法分别形成p型和n型热电半导体材料块。

然后，用切块机等将所形成的热电材料的块分别切断，分割成呈长方体的片。如图9所示，将该长方体的片排列成矩阵状，且使p型的热电材料101和n型的热电材料102互相交替地排列。

然后，用金属板等导电性材料(热端104和冷端105)将相邻片的两端连接起来，形成由多个热电偶串联连接而成的温差发电装置。这种连接主要采用软钎焊的方法。

这样制成的现有的温差发电装置的总体尺寸达数十cm以上的见方，另外，热电偶的对数以数十对为标准。

可是，采用现在利用的热电材料中可以说性能最好的BiTe系列材料的热电偶的输出电压，每一对约为400μV/℃。

以手表为代表的携带用电子机器由于在通常室温附近的温度环境下使用，所以不可能期待该携带用电子机器内部有大的温度差。即手表内部的温度差最大也不过2℃左右。

利用这样小的温度差，为了获得驱动手表所需要的1.5V以上的电压，必须使用2000对的BiTe系列的热电偶。

因此，如果使温差发电装置大型化是没有问题的，但存在难以将2000对热电偶集中在钮扣式电池那样大小的1cm见方的容积中的问题。该温差发电装置的大小，对于将其用作以手表为代表的超小型电子机器的电源时特别重要。

因此，为了使该温差发电装置达到小型化，只利用上述的机械加工方法，如果能对热电材料的烧结体进行微小的切断加工即可。

可是，这当然只对微小元件的加工而言。再者，大多数热电材料都非常脆，因此不仅在切断加工步骤就是在切断以后的处理过程中也要非常小心，故成品率很低。

就是说，在采用机械加工的现有的制造方法中，考虑到在通常的极限条件下，充其量能处理尺寸为1mm左右的材料，即使将温差发电装置装入1cm见方的容积内，也只能装入50对左右的该温差发电元件即热电偶。

作为温差发电装置的另一种制造方法，可考虑采用真空蒸镀法形成薄膜状的热电材料，再用蚀刻法对该薄膜热电材料进行精细加工而制成热电偶，将热电偶串联连接起来形成温差发电装置。如果采用这种制造方法，的确能容易地制作小热电偶。

可是，用真空蒸镀法形成的薄膜的厚度约为1μm左右，将其作为温差发电元件构成热电偶时，就显得过薄了，形成2000对后，其内部阻抗变得非常高，作为温差发电元件存在得不到必要的电流值的问题。

因此，其结果是由采用真空蒸镀法形成的覆膜构成的热电偶不适合作为温差发电元件使用。

另外，还提出了这样一种形成温差发电元件的方法，即采用一种称为厚膜法的方法涂敷糊状的BiTe系列合金后进行烧结，能形成比用真空蒸镀法形成的薄膜厚很多的厚膜。

有关这种采用厚膜法进行的温差发电元件的制造方法记载于例如特开昭63-70462号日本专利公报中。

该公报中记载的采用厚膜法进行的温差发电元件的制造方法能够利用网板印刷，所以可进行精细加工，而且能实现10μm以上的膜厚。因此与采用真空蒸镀法形成的薄膜相比，适合于形成内部阻抗低的温差发电元件。