专利摘要:
本発明は、n型脚部及びp型脚部を含む少なくとも1対の熱電脚部を有し、両脚部が導電性接触材料に溶接される熱電構成部品を生産するための方法であって、この1対の脚部のn型脚部及びp型脚部が、別々の溶接ステップで接触材料に、また熱電構成部品に溶接される方法に関する。
公开号:JP2011510500A
申请号:JP2010543384
申请日:2008-12-10
公开日:2011-03-31
发明作者:ヤン ケーニッヒ,;ウヴェ フェッテル,;カールステン マタイス,
申请人:フラウンホファー・ゲゼルシャフト・ツール・フォルデルング・デル・アンゲバンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン;
IPC主号:H01L35-34
专利说明:

[0001] 本発明は、特許請求項1の前文による熱電構成部品を生産するための方法に関する。さらに本発明は、熱電構成部品に関する。]
背景技術

[0002] 熱電構成部品の動作モードは、ゼーベック効果とも呼ばれる熱電効果やペルチェ効果とも呼ばれる熱電効果に基づくものである。したがって、本発明の応用分野は、熱電体である。熱電構成部品は、一方で、熱電発電機としてエネルギーを生成するために使用することができ、他方で、ペルチェ素子として温度制御のために使用することができる。熱電構成部品のための第3の応用分野は、センサ、たとえばサーモエレメント及びサーモカラムである。]
[0003] 熱電発電機では、電圧、したがって電流が温度差によって生成される。反対に、ペルチェ素子では、電圧を印加することによって、またその結果生じる電流により熱電構成部品の一方の側が加熱され、熱電構成部品の他方の側が冷却される。熱電構成部品を温度センサとして使用するとき、温度の変化は、熱電構成部品の出力のところでの電圧の変化を介して検出される。]
[0004] 図1は、熱電構成部品1の基本構造を示す。原理的には、そのような熱電構成部品1は、n型脚部2及びp型脚部3を備える熱電脚部対で構成される。これらのn型脚部2及びp型脚部3は、半導体技術の他の分野でも使用されるn型導電材料及びp型導電材料である。導電性接触材料4により、n型脚部2とp型脚部3は、互いに交互に接触している。したがって、n型脚部2とp型脚部3は、電気的に直列且つ熱的に並列に接続される。熱電脚部の対と導電性接触材料4は、電気的絶縁性基板5の層間に設けられる。] 図1
[0005] 図1に概略的に示されているように、熱電構成部品1の上側と熱電構成部品1の下側の間に、「高温」から「低温」への温度勾配がある。この温度勾配により、熱電構成部品1を、熱電構成部品の出力間で電圧が印加されるような熱電発電機として使用することが可能である。これは、図1の「マイナス」符号及び「プラス」符号によって示されている。] 図1
[0006] しかし、図1の同じ構造を用いて、外部電圧を印加することによって、また電流が熱電構成部品を通って回路内を流れる状態で、熱電構成部品1の上側と下側の間に温度勾配を生成することも同様に可能である。したがって、熱電構成部品1は、ペルチェ素子として使用される。] 図1
[0007] 熱電脚部対を導電性接触材料4と接触させるために、たとえばはんだ付け法又は機械的な方法を使用することができる。]
[0008] はんだ付け工程では、通常、はんだペースト又は液体はんだがスクリーン印刷法で付着される。或いは、箔状部品によってはんだを付着させることができる。さらに、蒸着、スパッタ、プラズマ・スプレー、又は電気めっき法によって、はんだコーティングが形成される。]
[0009] はんだ法による接触は、はんだの軟化点が熱電構成部品の動作温度より高くなければならないという欠点を有する。はんだの軟化点が熱電構成部品の動作温度より低い場合、高温で接触接続部が溶融するおそれがあり、それにより熱電構成部品が破壊されるおそれがあるため、熱電構成部品の応用分野が制限される。300℃と450℃の間の範囲内の熱電応用例向けのはんだは、使用可能でない。]
[0010] さらに、250℃を超える動作温度では、熱電構成部品に使用することができるはんだは、脆性など、さらなる欠陥を示す。概して、熱電構成部品の効率をさらに低下させる追加的な電気抵抗及び熱抵抗がはんだ層によって生じることが避けられない。]
[0011] 機械的な接着方法、たとえば導電性の編組を熱電材料内に焼結する、又は電気接点を熱電材料に押し付ける場合には、熱電構成部品の複雑な製造が不都合である。さらに、機械的に押し付けられた接点は、不十分な電気的、熱的特性を示し、そのため、そのような熱電構成部品の効率が低下する。]
[0012] 本発明の目的は、低コスト且つ安全に、熱電気的に伝導性の接触材料に脚部を接触させることができる、熱電構成部品を生産するための方法、また効率的な熱電構成部品を提供することである。]
[0013] 本発明によれば、この目的は、n型脚部及びp型脚部を含む少なくとも1対の熱電脚部を有し、両脚部が導電性接触材料に溶接される熱電構成部品を生産するための方法であって、この1対の脚部のn型脚部及びp型脚部が、別々の溶接ステップで接触材料に溶接される方法によって達成される。]
[0014] 溶接パラメータ及び材料によって決まる物理化学的反応が、この工程で発生し、接触材料、又は接触材料上に配置された層が、脚部材料、又は脚部材料上に配置された反応層と接合する。]
[0015] それにより、方法全体の自動化が容易なことのほかに、溶接法、溶接工具、及び溶接パラメータを、それぞれの脚部特性、及び接合しようとする導電性接触材料に対して最適化することが可能である。個々の脚部の溶接中に生じる熱負荷は短時間しか持続しないため、脚部材料の熱電特性は、変化しない。より具体的には、材料が蒸発することも酸化することもない。]
[0016] 好ましくは、n型脚部を溶接するための溶接パラメータ、及びp型脚部を溶接するための溶接パラメータは、互いに独立して設定される。それにより、溶接しようとする脚部材料ごとに、又は溶接しようとする脚部材料と接触材料の材料対ごとに、溶接工程のために電流の流れ、及び/又は保持時間、及び/又はバイアス電流、及び/又は昇温時間、及び/又は接触圧力など最適なパラメータ設定を選択することが可能である。]
[0017] 好ましい実施形態によれば、脚部は、長手方向におけるそれらの端部の一方に、接触材料と接触させられる接触表面を備えており、n型脚部の溶接及び/又はp型脚部の溶接は、その接触表面上で、及び/又はそれぞれの脚部の接触表面の側で実施される。これにより、導電性接触材料とそれぞれの脚部の接触表面との間に最大可能な接触表面が生み出され、熱電構成部品の接触抵抗が低くなる。]
[0018] 他の好ましい実施形態によれば、それぞれの溶接ステップの前及び/又はそれぞれの溶接ステップ中に、接触材料が、少なくとも1つの溶接電極によって、溶接しようとする脚部に押し付けられる。したがって、導電性接触材料を別々に固定することが必要とされない。]
[0019] 好ましくは、脚部の対のn型脚部及びp型脚部が、ギャップ溶接によって接触材料に溶接される。]
[0020] さらに好ましくは、接触材料が、対応する脚部と接触させられ、接触材料と接触するギャップ電極の間隙が、溶接しようとする脚部の幅に合わせて設定される。これは、溶接継手を形成するための正確なエネルギー入力を可能にする。]
[0021] 同様に、接触材料を対応する脚部と接触させ、接触材料と接触するギャップ電極の間隙を、溶接しようとする脚部の幅より広くなるように設定することが可能である。]
[0022] 好ましくは、接触材料が、溶接しようとする脚部の一端を、脚部の径方向で少なくとも部分的に封入し、ギャップ電極が、溶接しようとする脚部の径方向で接触材料と接触する。それにより、溶接のためのエネルギー入力が、ギャップ電極を接触材料上に配置する、又は接触材料に押し付けることができる側部から行われることが可能である。]
[0023] 他の好ましい実施形態によれば、溶接しようとする脚部及び/又は接触材料が、溶接前に予熱される。これは、熱衝撃によって引き起こされる材料内の応力を防止する。]
[0024] 他の好ましい実施形態によれば、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、選ばれた脚部対の中で、最初にn型脚部が、次いで対応するp型脚部が接触材料に溶接される。熱電構成部品が複数の脚部対を備え、選ばれた脚部対の中で、最初にp型脚部が、次いで対応するn型脚部が接触材料に溶接されることも同様に可能である。したがって、両選択肢を用いて、いくつかのn型脚部といくつかのp型脚部をそれぞれ並列で溶接することができ、それにより、熱電構成部品を生産するために必要とされる時間が短縮される。]
[0025] これは、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、n型脚部のすべてが同時に接触材料に溶接されるとき特に好ましい。同様に、これは、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、p型脚部のすべてが同時に接触材料に溶接されるとき特に好ましい。したがって、熱電構成部品を生産するために必要とされる時間は、最初にn型脚部のすべてが、次いでp型脚部のすべてが溶接される場合、又はその逆である場合、最小限に抑えられる。]
[0026] さらに、n型脚部及びp型脚部のすべてが別々に、しかし同時に接触材料に溶接されることが可能である。]
[0027] 本発明による方法の他の好ましい実施形態が、他の従属請求項に概説されている。]
[0028] 本発明によれば、上述の目的は、少なくとも1つの前述の方法によって生産される熱電構成部品であって、n型脚部及びp型脚部を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える熱電構成部品によってさらに達成される。]
[0029] 本発明によれば、上述の目的は、n型脚部及びp型脚部を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この導電性接触材料が被覆される、熱電構成部品によってさらに達成される。これにより、脚部と接触材料の間で特に信頼性の高い電気接続が確保される。]
[0030] 上述の目的は、本発明によれば、n型脚部及びp型脚部を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この脚部が相異なる寸法を有する、熱電構成部品によってさらに達成される。したがって、その応用分野に応じて、熱電構成部品の厚さを変えることができ、その結果、前記熱電構成部品を効率的に使用することができる。]
[0031] 本発明によれば、上述の目的は、n型脚部及びp型脚部を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この導電性接触材料が、溶接される脚部の一端を、この脚部の径方向で少なくとも部分的に封入する、熱電構成部品によってさらに達成される。それにより、接触材料と脚部の間の接触表面が増大され、接触抵抗が低減される。]
[0032] 本発明によれば、上述の目的は、n型脚部及びp型脚部を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える熱電構成部品であって、この導電性接触材料が、溶接される脚部の長手方向でその接触表面に溶接される、熱電構成部品によってさらに達成される。この熱電構成部品もまた、接触材料とそれぞれの脚部との間に大面積の接触表面を備え、それにより低い接触抵抗が達成される。]
[0033] 好ましくは、導電性接触材料が、導電性材料で被覆される。]
[0034] 他の好ましい実施形態によれば、熱電構成部品が複数の脚部対を備え、これらの脚部が、接触材料を介して、電気的に直列且つ熱的に並列に接続される。これにより、高効率のコンパクトな熱電構成部品が得られる。]
[0035] 好ましくは、1対の脚部のn型脚部及びp型脚部が、接触材料を介して熱電構成部品の一方の側で電気的に相互接続され、上述の対の脚部のn型脚部が、熱電構成部品の反対側で、別の隣接するp型脚部に接続され、上述の対の脚部のp型脚部が、別の隣接するn型脚部に電気的に接続される。]
[0036] 好ましくは、隣り合う脚部間に機械的な安定化装置が設けられる。そのような熱電構成部品は、非常に丈夫であり、また溶接継手を損なうことなしに振動環境内で使用することができる。]
[0037] 他の好ましい実施形態によれば、脚部のうちの少なくとも1つが、一端若しくは両端に、又は面上に、少なくとも1つの追加の層を、拡散障壁及び/又は接着層として、並びに/或いは接触材料に対する境界抵抗を低減するために備える。接触材料が、少なくとも1つの追加の層を、拡散障壁及び/又は接着層として、並びに/或いはそれぞれの脚部に対する境界抵抗を低減するために備えることも可能である。]
[0038] 好ましくは、熱電構成部品は、機械的に可撓性である。はんだ接続部は曲げ応力下で比較的急速に破損する傾向があるが、溶接継手は、はるかに抵抗力があり、その結果、可撓性の熱電構成部品を、様々な環境、たとえば隣接する熱導体に適合させることができる。]
[0039] 本発明による熱電構成部品の他の好ましい実施形態が、他の従属請求項に述べられている。]
[0040] 次に、本発明について、添付の図と共に好ましい実施形態を参照してより詳細に述べる。]
図面の簡単な説明

[0041] 機能原理を説明するための、熱電構成部品の基本構造を示す概略図である。
熱電構成部品の1対の脚部を示す概略図である。
熱導体の周りに配置された熱電構成部品を示す概略図である。
平坦構造の熱電構成部品を示す概略図である。
機械的な安定化装置を有する平坦構造の熱電構成部品を示す概略図である。
熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
熱電構成部品を生産するための方法を示す概略図である。
p型脚部及びn型脚部を導電性接触材料と接触させるための様々なギャップ溶接部を示す図である。
p型脚部及びn型脚部を導電性接触材料と接触させるための様々なギャップ溶接部を示す図である。
p型脚部及びn型脚部を導電性接触材料と接触させるための様々なギャップ溶接部を示す図である。]
実施例

[0042] 本明細書の導入ですでに述べた図1に対して、図2は、熱電構成部品1の1対の脚部の好ましい実施形態を示す概略図である。] 図1 図2
[0043] 以下の説明では、同様の特徴部に対して同様の符号が使用され、見やすくするために、符号は、必ずしもすべての同様の特徴部、特に熱電構成部品1の様々な実施形態の脚部すべてについて図に示されているわけではない。むしろ、例として、個々の脚部だけ、それぞれの符号と共に与えられている。]
[0044] 図2の熱電構成部品1は、n型脚部2及びp型脚部3からなる1対の脚部を備える。n型脚部2及びp型脚部3は、溶接部によって導電性接触材料4と導電的に接触している。図2の上部領域では、2つの脚部2、3が、導電性接触材料4の条片によって相互接続される。図2の下部領域では、2つの脚部2、3のそれぞれが、導電性接触材料4の別々の条片に接続される。] 図2
[0045] 熱電構成部品1が熱電発電機又は温度センサである場合、最後に述べた条片からすでに電圧を取り出すことができる。代替として、熱電構成部品1がペルチェ素子として使用される場合、前記の場所ですでに電流源との接触を実施することができる。]
[0046] しかし、好ましい実施形態によれば、図2の下部領域の導電性接触材料4は、他の隣接する脚部2、3に導電的に接続される。これは、図2では、n型脚部2がその左側で他のp型脚部(図示せず)に接続され、一方、p型脚部3がその右側で他のn型脚部(図示せず)に導電的に接続されることを意味する。図1の他に、そのような構成は、以下で述べる図3から図5にも見出される。] 図1 図2 図3 図5
[0047] したがって、図2に示されている脚部の対のn型脚部2及びp型脚部3は、熱電構成部品1の上側で、接触材料4を介して電気的に相互接続される。熱電構成部品1の、反対側の下側では、図の脚部の対のn型脚部2が、好ましくは別の隣接するp型脚部(図示せず)に接続され、図の脚部の対のp型脚部3が、好ましくは別の隣接するn型脚部(図示せず)に接続される。その結果、個々の脚部2、3は、接触材料4を介して電気的に直列且つ熱的に並列に接続される。好ましくは、熱電構成部品1が複数の脚部対を備え、そのうちの脚部2、3が、接触材料を介して電気的に直列且つ熱的に並列に接続され、ここでは、それぞれの脚部2、3を、相異なる空間方向で互いに接触させることができる。] 図2
[0048] 図の実施形態では、脚部2、3の形状が実質的にブロック形であるが、脚部の他の形態、たとえば回転対称、特に丸形の脚部断面もまた可能である。脚部2、3の寸法は、ランダムに変えることができる。]
[0049] 好ましくは、脚部2、3のうちの少なくとも1つが、一端若しくは両端に、又は面上に、少なくとも1つの追加の層を備える。たとえば、これは、境界抵抗9を低減するための層、及び/又は拡散障壁10、及び/又は接着層11とすることができる。これらの層は、様々な順序及び厚さで、それぞれの脚部2、3、特に接触材料4に対するそれらの接触表面上に付着させることができる。たとえば、前記付着には電気めっき法が適している。]
[0050] 好ましくは、導電性接触材料4は、追加で、又は代替として、1つ又は複数の層で被覆することができる。これらは、別個の金属被覆7及び/又は他の拡散障壁6、8とすることができる。図の実施形態では、導電性接触材料4は、追加の金属被覆7に隣接するそれぞれのn型脚部2及びp型脚部3に対する内側拡散障壁8と、金属被覆7と厳密な意味での導電性接触材料4との間の外側拡散障壁6とを備える。別個の接着層もまた可能であり、すべての層を様々な順序で配置することができる。この場合も、好ましくは、前記層を接触材料4に付着させるのに電気めっき法が適している。]
[0051] 導電性接触材料4及び/又は脚部2、3上に追加の層を設けることによって、機械的に安定な、また電気的、熱的に伝導性の高い接続を確立することができる。さらに、これらのコートは、熱的、電気的な境界抵抗を低減するように、また、たとえば熱歪み及び機械的歪みなど、他の好ましくない効果をなくするように働く。より具体的には、それぞれの層のそれらの材料組成を一致させることによって、熱膨張係数を適合させることができる。さらに、導電性接触材料4には、特に非常に薄い熱電構成部品1の場合、脚部接触点の周りの領域を電気的に絶縁するために絶縁層を設けることも可能である。]
[0052] さらに図2は、熱電構成部品1を外部に対して電気的に絶縁する任意選択の基板5を示す。しかし、たとえば隣接する熱導体12それ自体が電気的絶縁材料製であるとき、熱電構成部品1が外に開いていることも可能である。] 図2
[0053] 好ましくは、n型脚部2及びp型脚部3は、以下の元素、すなわちTa、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si、及びGeのうちの少なくとも1つ、又はそれらの組合せを含む。脚部2、3が、第IV及び第VI族の元素からなる組成、特に、たとえばPbTe、PbSe、PbS、SnTe、GeTe、及びGeSeなど、[Pb,Sn,Ge]及び[S,Se,Te]の任意の所望の組合せを実質的に有するとき有利である。好ましくは、脚部2、3のうちの少なくとも1つが、カルコゲニドをベースとする材料を含む。]
[0054] 同様に、n型脚部2及びp型脚部3が、第V及び第VI族の元素からなる組成、特に、Bi2S3、Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2S3、Sb2Se3及びSb2Te3など、[Bi,Sb]2及び[S,Se,Te]3の組成を実質的に含むことが可能である。]
[0055] 同様に、脚部2、3が、SiGeをベースとする材料、スクッテルド鉱をベースとする材料、ハーフホイスラーベースの材料、酸化物をベースとする材料、アンチモンをベースとする材料、クラスレートをベースとする材料、又はホウ素をベースとする材料を含むことが可能である。]
[0056] n型脚部2及びp型脚部3が、炭素族、すなわち周期系の第IV族の材料、やはり組成でC、Si、Ge、Sn、及びPbを含む。ナノ複合材料もまた、脚部2、3にとって有利なものと思われる。]
[0057] 以下の元素、すなわちTa、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si、及びGe、又はそれらの組成物が、導電性材料4に好ましい。またこれは、接触材料4のコーティングについても、そうである。]
[0058] 接触材料4が、Ta、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si、若しくはGeの単独の、又は1つ若しくは複数の他の元素との組合せでの条片又はワイヤを含むとき、特に有利である。重ねて、又は並べて配置された接触材料4のいくつかの条片又はワイヤもまた可能である。同様に、接触材料に付着される層が上述の元素のうちの1つ又は複数を含むことが可能である。これは特に、それぞれの脚部2、3と物理化学的に反応する反応層、及び/又は溶接中に前記脚部に配置される反応層とすることができる。]
[0059] 好ましくは、n型脚部2及びp型脚部3のすべてが、導電性接触材料4の対応する条片又はワイヤに溶接される。しかし、脚部2、3が、熱電構成部品1の一方の側だけ、たとえば図2に関して上側で、導電性接触材料4の条片又はワイヤに溶接されることも可能である。反対側では、脚部2、3は、別の接合方法(はんだ法、機械的な接合方法)によって導電性接触材料4のそれぞれの条片又はワイヤに接続されてもよい。] 図2
[0060] 好ましくは、n型脚部2及びp型脚部3は、熱電構成部品1を様々な環境に適合させるように、様々な寸法を有することができる。また、導電性接触材料4が、それぞれの脚部2、3の長手方向Lで、その接触表面、特に面に完全に溶接されるとき有利である。さらに、導電性接触材料4が、少なくとも一部にはその径方向Rで、溶接される脚部2、3の一端を封入するとき有利である。また、前述の実施形態は、任意の所望の方法で互いに組み合わせることができる。]
[0061] 図3は、熱導体12の周りに配置された熱電構成部品1を示す概略図である。図2に示されている実施形態とは対照的に、図3の実施形態は、熱導体12それ自体が、好ましくは電気的絶縁性であるため、電気的絶縁性基板5を有していない。熱導体12は、たとえば管状であり、好ましくは丸形の断面を有する。したがって、好ましくは、熱電構成部品1は、湾曲した、特に環状又は管状の形状を有する。] 図2 図3
[0062] 熱電構成部品1が機械的に可撓性であり、熱導体12の断面に適応することができるとき、特に有利である。接触材料4と脚部2、3との間に溶接部があれば、可撓性の熱電構成部品1を様々な環境及び設置状況に適合させることが可能である。というのは、溶接継手は、従来のはんだ継手とは対照的に、実質的により大きな負荷に耐え、より破損しにくいからである。]
[0063] 図4及び図5のそれぞれは、平坦構造の熱電構成部品1を示す。脚部2、3の接触表面は、それらの長手方向Lで、それぞれ拡散障壁10を備える。図4とは対照的に、図5の実施形態は、連続的な電気的絶縁性外部基板5を有しておらず、前記基板5の複数の区間を備える。基板5の複数の区間のそれぞれは、導電性接触材料4の条片を覆い、その結果、外側に対する電気的絶縁が確保される。] 図4 図5
[0064] したがって、幾何学的に様々な設置状況に適合させるように熱電構成部品1を変形させることが可能である。補強するために、機械的な安定化装置13が熱電構成部品1の内部に設けられ、この安定化装置は、それぞれの脚部2、3を封入し、隣り合う脚部を互いに分離する。この機械的な安定化装置13は、熱電構成部品1内に残すことができるが、その製造後に再び除去することもできる。最初に述べた方の場合には、機械的な安定化装置13は、導電性であるべきでなく、非常に弱い熱伝導性を示すにすぎず、第2の場合には、機械的な安定化装置13の熱的、電気的な伝導性は、何の働きもしない。]
[0065] 機械的な安定化装置13は、マトリックス材料として熱電構成部品1内に残されると、安定化に役立つだけでなく、たとえば脚部2、3の汚染又は脚部2、3の化学組成の変化をも防止する。好ましくは、セラミック材料、ガラス、磁器、又はプラスチック材料が使用される。特に弾性的に変形可能なプラスチック材料が機械的な安定化装置13用のマトリックス材料として使用されると、このように安定化された熱弾性構成部品1を設置状況に柔軟に適合させることが可能である。]
[0066] 好ましくは、接触材料4は、1μmと1mmの間の厚さ、及び10μmと100mmの間の幅を有する。2つの脚部2、3を接続するために、接触材料4の、1つ又は複数の条片を、並べて、又は重ねて使用することができる。]
[0067] 図6から図9は、熱電構成部品1を生産するための好ましい方法を示す概略図である。これらの図は、熱電構成部品1、又は熱電構成部品1の部品を3次元図で示す。図8及び図9では、平坦な接触材料4が、生産しようとする熱電構成部品1のベース領域に沿って、すなわちその長さ及び幅に沿って延在している。脚部2、3の長手方向軸が、生産しようとする熱電構成部品1の高さを画定し、脚部2、3は、図6では長手方向Lで延在している。] 図6 図8 図9
[0068] 図6では、後の設置状況を見越して望まれるように、n型脚部2及びp型脚部3がすでに配置されている。ここでは、異なる脚部長さを有する脚部2、3を使用することも可能である。脚部の組成及びそれらの形態については、前の説明を参照されたい。] 図6
[0069] その後で、脚部2、3は、上述のように、機械的な安定化装置13としてのマトリックス材料によって取り囲まれることが好ましい。]
[0070] 前述のように、導電性接触材料4は、2つの隣り合うn型脚部2及びp型脚部3を接続するために、頂部側及び底部側(図示せず)で上記脚部にその都度溶接される。n型脚部及びp型脚部は、時間的に連続して溶接されてもよい。また、n型脚部2及びp型脚部3のすべてを別々に、しかし同時に接触材料4に溶接することも可能である。]
[0071] 好ましくは、使用される溶接法は、ギャップ溶接、スポット溶接、プロジェクション溶接、又はロール圧接など、抵抗溶接である。好ましくは、これらの溶接法は、特に酸化物による溶接の汚染を防止するために、不活性ガス内、又は活性ガス内のどちらでも、保護ガス雰囲気内で実施される。同様に、溶接法を真空中で実施することが可能である。]
[0072] アーク溶接、ガス・シールド溶接、レーザ・ビーム溶接、電子ビーム溶接、プラズマ溶接、又は水素溶接など、他の溶接法が可能である。しかし、特に有利なのはギャップ溶接、好ましくはナローギャップ溶接又は不活性ガス・ナローギャップ溶接であり、これらについてはなおも、下記でさらに論じる。不活性ガス又は活性ガスのどちらを用いても、MIG溶接法が有利である。ここでは、タングステン不活性ガス溶接について特に述べるべきである。]
[0073] あらゆる方法において、溶接前に、溶接しようとする脚部2、3及び/又は接触材料4を予熱することが可能である。]
[0074] 溶接操作により、非常に高い温度まで、考えられる応用例との安定した接触が実現される。溶接は、接触材料4内への、またおそらくは頂部又は下側に配置された1つ又は複数の材料内及び脚部材料内への、またおそらくはそれらの上方に配置された1つ又は複数の材料内への短いエネルギー入力によって行われる。]
[0075] 溶接法を用いると、接触材料及び脚部材料の、また頂部又は下側に配置された材料の、ほぼすべての材料組合せを互いに接続することができる。これにより、高い付着力が実現され、非常に融点の高い材料を同時に接続することができ、その結果、接触がそれぞれの熱需要を満たす。さらに、この技法を用いて確立された接触部は、高い機械的安定性を特色とする。]
[0076] 接触材料及び脚部材料、並びに対応する層状構造の、ほぼどんな材料組合せをも溶接によって接合することが可能であるため、熱膨張係数を容易に適合させることができ、拡散障壁によって拡散を容易に防止することができる。個々の脚部の高さの差は、ここでは役割はない。溶接工程は、その単純さにより容易に自動化することができ、高い再現性を実現する。]
[0077] 図9では、必要に応じて、任意選択の機械的な安定化装置13が除去される。その後で、熱電構成部品1は、たとえばその頂部側及び底部側に、上述の外部基板5を備えることができる。] 図9
[0078] 図10から図12は、n型脚部2及びp型脚部3を導電性接触材料4と接触させるための様々なギャップ溶接を示す。符号14はギャップ電極を示し、その2つの電極先端は、間隙BEによって離隔されている。間隙BEの幅は、可変に調整可能である。好ましくは、n型脚部2とp型脚部3は、異なる脚部幅B2、B3を有する。] 図10 図12
[0079] 図10に示されている実施形態では、ギャップ電極14の間隙BEは、n型脚部2の幅B2に従って設定されている。ギャップ電極14は、脚部2、3上に配置された接触材料4と接触し、好ましくは上記材料を、溶接しようとする脚部2、3上にそれぞれ押圧する。しかし、接触材料4を、それぞれの脚部2、3上にすでにある他の手段によって押圧することも可能である。後者は、たとえばレーザ・ビーム溶接又は電子ビーム溶接によって非接触溶接が実施される場合、特に心に留めておかなければならない。] 図10
[0080] 脚部2、3を長手方向Lにおけるそれらの端部に含む接触表面又は面が、接触材料と接触させられ、それぞれの脚部が、好ましくは前記脚部2、3の接触表面全体にわたって溶接される。]
[0081] 電極、好ましくはギャップ電極14の電極先端が、それぞれの脚部上に設けられた接触材料4に、0.001N/mm2と10000N/mm2の間の接触圧力で押し付けられる。溶接のために、接触材料4とそれぞれ溶接しようとする脚部とを介して、2つの電極間に、1μA/mm2から10kA/mm2の範囲で、1ナノ秒と10秒の間で、電流が流れている。]
[0082] n型脚部2が最初の溶接ステップで図10の左側にて溶接された後で、ギャップ電極14の間隙BEが、右側に位置するp型脚部3の幅B3に設定され、前記脚部の上方に配置される。代替として、熱電構成部品1の位置をそれに応じて変更することも可能である。] 図10
[0083] 後続の第2の溶接ステップのために、電流、保持時間、バイアス電流、昇温時間、及び/又は接触圧力など、他の溶接パラメータが、異なる材料で構成されているより小さいp型脚部3に対応するように整合される。溶接工具それ自体を変更し、それに応じて溶接パラメータを適合させることも可能である。したがって、好ましくは異なる幾何形状及び/又は異なる組成を有するn型脚部2及びp型脚部3を溶接するために、異なる溶接パラメータが、互いに独立して設定される。]
[0084] 図11の他の好ましい実施形態では、接触材料4と接触するギャップ電極14の間隙BEが、それぞれ溶接しようとする脚部の幅B2又は幅B3より広くなるように設定される。] 図11
[0085] 図10及び図11では、ギャップ電極14が接触材料4と、溶接しようとする脚部2、3の長手方向Lで接触するが、図12は、接触材料が、溶接しようとする脚部2、3の一端を、脚部2、3の径方向R、すなわちその幅で少なくとも部分的に封入する他の実施形態を示す。ギャップ電極14は、溶接しようとする脚部2、3の径方向Rで接触材料4と接触し、径方向Rにおいて、力Fで接触材料4に作用する。] 図10 図11 図12
[0086] そのためには、接触材料4に脚部2、3の端部用の対応する凹部又は中空部が予め形成されているとき有利である。しかし、これらの凹部は、接触材料4の平坦な条片それ自体を、対応する脚部端部に押し付けることによって形成されるにすぎないことも可能である。]
[0087] 選択された溶接法とは独立に、熱電構成部品1が複数の脚部対を備え、それにより、選ばれた脚部対の中で、最初にn型脚部2が、次いで対応するp型脚部3が接触材料4に溶接され、逆もまた同様であるとき有利である。熱電構成部品1が複数の脚部対を備える場合、すべてのn型脚部2又はすべてのp型脚部3が接触材料4に同時に溶接されるとき有利である。より具体的には、一方の側(熱電構成部品1の頂部側又は底部側)のn型脚部2すべて、又は一方の側のp型脚部3すべてが同時に接触材料4に溶接されるとき有利である。]
[0088] 接触材料4が、好ましくは相異なる材料のいくつかの層で構成され、これらの層が、互いに、且つ/又はそれぞれの脚部2、3に接続される、特に溶接されることも可能である。これらの多層接触材料4は、箔、特に被覆された箔を備えることが好ましい。この例では、多層接触材料4を、1つ又は複数の溶接ステップで、互いに、且つ/又は対応する脚部2、3に接続又は溶接することが可能である。]
[0089] これまで述べた実施形態は、n型脚部2及びp型脚部3を含む少なくとも1対の熱電脚部を有し、両脚部2、3が導電性接触材料4に溶接される熱電構成部品1を生産するための方法であって、この1対の脚部のn型脚部2及びp型脚部3が、別々の溶接ステップで接触材料4に、また熱電構成部品1に溶接される、方法を指す。]
权利要求:

請求項1
n型脚部(2)及びp型脚部(3)を含む少なくとも1対の熱電脚部を備え、両脚部(2、3)が導電性接触材料(4)に溶接される熱電構成部品を生産するための方法であって、脚部の前記対の前記n型脚部(2)及び前記p型脚部(3)が、別々の溶接ステップで前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする方法。
請求項2
前記n型脚部(2)を溶接するための溶接パラメータ、及び前記p型脚部(3)を溶接するための溶接パラメータが、互いに独立して設定されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
請求項3
前記脚部(2、3)が、少なくとも長手方向(L)におけるそれらの端部の一方に、前記接触材料(4)と接触させられる接触表面を備えており、前記n型脚部(2)の溶接及び/又は前記p型脚部(3)の溶接が、前記接触表面上で、及び/又はそれぞれの脚部(2、3)の前記接触表面の側で実施されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の方法。
請求項4
前記n型脚部(2)の溶接及び/又は前記p型脚部(3)の溶接が、それぞれの脚部(2、3)の前記接触表面全体にわたって実施されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
請求項5
前記接触材料(4)が、好ましくは相異なる材料の複数の層で構成され、前記層が、互いに、且つ/又はそれぞれの脚部(2、3)に1つ又は複数の溶接ステップで接合されることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の方法。
請求項6
前記接触材料(4)又はその上に設けられた層が、p型脚部(3)の材料及び/又はその上に設けられた反応層と物理化学的に反応し、且つ/或いはn型脚部(2)の材料及び/又はその上に設けられた反応層と物理化学的に反応し、前記反応層が、Ta、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si、若しくはGe元素の単独、又は別の元素との組合せのうちの少なくとも1つで構成されることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の方法。
請求項7
それぞれの溶接ステップの前及び/又はそれぞれの溶接ステップ中に、前記接触材料(4)が、溶接しようとする前記脚部(2、3)に押し付けられることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の方法。
請求項8
前記接触材料(4)が、少なくとも1つの溶接電極によって、溶接しようとする前記脚部(2、3)に押し付けられることを特徴とする請求項7に記載の方法。
請求項9
脚部の前記対の前記n型脚部(2)及び前記p型脚部(3)が、抵抗溶接によって別々に前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の方法。
請求項10
脚部の前記対の前記n型脚部(2)及び前記p型脚部(3)が、ギャップ溶接によって前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項9に記載の方法。
請求項11
前記接触材料(4)が、対応する脚部(2、3)と接触させられ、前記接触材料(4)と接触するギャップ電極(14)の間隙(BE)が、溶接しようとする前記脚部(2、3)の幅(B2、B3)に合わせて設定されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
請求項12
前記接触材料(4)が、対応する脚部(2、3)と接触させられ、前記接触材料(4)と接触するギャップ電極(14)の間隙(BE)が、溶接しようとする前記脚部(2、3)の幅(B2、B3)より広くなるように設定されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
請求項13
前記接触材料(4)が、溶接しようとする前記脚部(2、3)の一端を、前記脚部(2、3)の径方向(R)で少なくとも部分的に封入し、前記ギャップ電極(14)が、溶接しようとする前記脚部(2、3)の径方向(R)で前記接触材料(4)と接触することを特徴とする請求項12に記載の方法。
請求項14
前記ギャップ電極(14)が、溶接しようとする前記脚部(2、3)の長手方向(L)で前記接触材料(4)と接触することを特徴とする請求項11又は請求項12に記載の方法。
請求項15
溶接が真空中又は不活性ガス雰囲気内で実施されることを特徴とする請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載の方法。
請求項16
脚部の前記対の前記n型脚部(2)及び/又は前記p型脚部(3)が、不活性ガス溶接、好ましくはMIG溶接、タングステン不活性ガス溶接、MAG溶接、プラズマ溶接、又は水素溶接によって前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の方法。
請求項17
脚部の前記対の前記n型脚部(2)及び/又は前記p型脚部(3)が、レーザ・ビーム溶接によって前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の方法。
請求項18
溶接しようとする前記脚部(2、3)及び/又は前記接触材料(4)が、溶接前に予熱されることを特徴とする請求項1から請求項17までのいずれか1項に記載の方法。
請求項19
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、選ばれた脚部対の中で、最初に前記n型脚部(2)が、次いで対応するp型脚部(3)が前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項18までのいずれか1項に記載の方法。
請求項20
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、選ばれた脚部対の中で、最初に前記p型脚部(3)が、次いで対応するn型脚部(2)が前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項19までのいずれか1項に記載の方法。
請求項21
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、前記n型脚部(2)のすべてが同時に前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項20までのいずれか1項に記載の方法。
請求項22
前記熱電構成部品が複数の脚部対を備え、前記p型脚部(3)のすべてが同時に前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項21までのいずれか1項に記載の方法。
請求項23
1対の脚部の前記n型脚部及びp型脚部(2、3)が、前記接触材料(4)を介して前記熱電構成部品の一方の側で電気的に相互接続され、前記熱電構成部品の反対側で、前記1対の脚部の前記n型脚部(2)が、別の隣接するp型脚部に電気的に接続され、前記1対の脚部の前記p型脚部(3)が、別の隣接するn型脚部に電気的に接続されることを特徴とする請求項1から請求項22までのいずれか1項に記載の方法。
請求項24
一方の側の前記n型脚部(2)のすべてが同時に前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項23に記載の方法。
請求項25
一方の側の前記p型脚部(3)のすべてが同時に前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項23又は請求項24に記載の方法。
請求項26
前記n型脚部及びp型脚部(2、3)のすべてが別々に、しかし同時に前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項1から請求項24までのいずれか1項に記載の方法。
請求項27
請求項1から請求項26までのいずれか1項に記載の方法に従って生産される熱電構成部品であって、n型脚部(2)及びp型脚部(3)を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料(4)に溶接される少なくとも1対の熱電脚部を備えることを特徴とする熱電構成部品。
請求項28
n型脚部(2)及びp型脚部(3)を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料(4)に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える請求項27に記載の熱電構成部品であって、前記導電性接触材料(4)が被覆されることを特徴とする熱電構成部品。
請求項29
n型脚部(2)及びp型脚部(3)を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料(4)に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える請求項27又は請求項28に記載の熱電構成部品であって、前記脚部(2、3)が相異なる寸法を有することを特徴とする熱電構成部品。
請求項30
n型脚部(2)及びp型脚部(3)を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料(4)に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える請求項27から請求項29までのいずれか1項に記載の熱電構成部品であって、前記導電性接触材料(4)が、溶接される前記脚部(2、3)の一端を、前記脚部の径方向(R)で少なくとも部分的に封入することを特徴とする熱電構成部品。
請求項31
n型脚部(2)及びp型脚部(3)を含むとともに少なくとも1つの導電性接触材料(4)に溶接される、少なくとも1対の熱電脚部を備える請求項27から請求項30までのいずれか1項に記載の熱電構成部品であって、前記導電性材料(4)が、溶接される前記脚部(2、3)の長手方向(L)でその接触表面に溶接されることを特徴とする熱電構成部品。
請求項32
前記接触材料(4)が、好ましくは相異なる材料の複数の層で構成され、前記層が、互いに、且つ/又はそれぞれの脚部(2、3)に接続されることを特徴とする請求項27から請求項31までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項33
前記接触材料(4)が、好ましくは被覆された箔の複数の層を含むことを特徴とする請求項32に記載の熱電構成部品。
請求項34
前記導電性接触材料(4)が導電性材料で被覆されることを特徴とする請求項27から請求項33までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項35
前記接触材料(4)が、Ta、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si、若しくはGe元素の単独の、又は1つ若しくは複数の他の元素との組合せでの、且つ/或いはTa、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si、若しくはGe元素の単独、又は1つ若しくは複数の他の元素との組合せとの組合せのうちの少なくとも1つの条片を含むことを特徴とする請求項27から請求項34までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項36
個々の前記脚部(2、3)が、前記接触材料(4)を介して、電気的に直列且つ熱的に並列に接続されることを特徴とする請求項27から請求項35までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項37
複数の脚部対を備え、それらの前記脚部(2、3)が、前記接触材料(4)を介して、電気的に直列且つ熱的に並列に接続されることを特徴とする請求項27から請求項36までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項38
1対の脚部の前記n型脚部及びp型脚部(2、3)が、前記接触材料(4)を介して前記熱電構成部品の一方の側で電気的に相互接続され、前記熱電構成部品の反対側で、前記1対の脚部の前記n型脚部(2)が、別の隣接するp型脚部に電気的に接続され、前記1対の脚部の前記p型脚部(3)が、別の隣接するn型脚部に電気的に接続されることを特徴とする請求項27から請求項37までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項39
前記脚部(2、3)が、熱電構成部品の片側又は両側で前記接触材料(4)に溶接されることを特徴とする請求項38に記載の熱電構成部品。
請求項40
機械的な安定化装置(13)が、隣り合う脚部(2、3)間に挿入されることを特徴とする請求項27から請求項39までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項41
前記脚部(2、3)の少なくとも1つが、カルコゲニドをベースとする材料を含むことを特徴とする請求項27から請求項40までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項42
前記脚部(2、3)のうちの少なくとも1つが、一端若しくは両端に、又は面上に、少なくとも1つの追加の層を、拡散障壁(10)及び/又は接着層(11)として、並びに/或いは前記接触材料(4)に対する境界抵抗(9)を低減するために備えることを特徴とする請求項27から請求項41までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項43
前記接触材料(4)が、少なくとも1つの追加の層を、拡散障壁(6、8)及び/又は接着層として、並びに/或いはそれぞれの脚部(2、3)に対する境界抵抗を低減するために備えることを特徴とする請求項27から請求項42までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項44
機械的に可撓性であることを特徴とする請求項27から請求項43までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
請求項45
熱電発電機又はペルチェ素子又はセンサ素子であることを特徴とする請求項27から請求項44までのいずれか1項に記載の熱電構成部品。
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