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JP2001267642A - Manufacturing method of thermoelectric conversion module - Google Patents

Manufacturing method of thermoelectric conversion module

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Publication number
JP2001267642A
JP2001267642A JP2000070676A JP2000070676A JP2001267642A JP 2001267642 A JP2001267642 A JP 2001267642A JP 2000070676 A JP2000070676 A JP 2000070676A JP 2000070676 A JP2000070676 A JP 2000070676A JP 2001267642 A JP2001267642 A JP 2001267642A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric
conversion module
thermoelectric conversion
face
thermoelectric element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000070676A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiko Kushibiki
引 圭 子 櫛
Yutaka Makuchi
裕 馬久地
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2000070676A priority Critical patent/JP2001267642A/en
Publication of JP2001267642A publication Critical patent/JP2001267642A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビスマス−テルル系熱電素子の端面を電気的
に接合するに際して、接合部での熱的・電気的抵抗が小
さく、接合歩留まりが向上した接合方法を提供し、あわ
せて、熱電変換性能の密度が高く、損失が少ない熱電変
換モジュールの製造方法を提供する。 【解決手段】 少なくとも1対以上のp型およびn型の
熱電素子2,4と、熱電素子2,4の相対する両端面に
おいて電極層5により電気的に接合された構成の熱電変
換モジュール6を製造するに際し、ビスマス−テルル系
を主成分とする熱電素子2,4の端面に、Cuあるいは
Al板からなる端面金属層3を超音波溶接法により接合
する工程を含むようする。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bonding method in which the thermal / electrical resistance at the bonding portion is small and the bonding yield is improved when electrically bonding the end faces of a bismuth-tellurium-based thermoelectric element. And a method of manufacturing a thermoelectric conversion module having a high density of thermoelectric conversion performance and low loss. A thermoelectric conversion module (6) having at least one pair of p-type and n-type thermoelectric elements (2, 4) and a thermoelectric conversion module (6) electrically connected by electrode layers (5) at opposite end faces of the thermoelectric elements (2, 4). At the time of manufacture, a step of joining an end face metal layer 3 made of a Cu or Al plate to the end faces of the thermoelectric elements 2 and 4 containing a bismuth-tellurium system as a main component by an ultrasonic welding method is included.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱と電気を変換す
る熱電素子としてビスマス−テルル系材料を使用した熱
電変換モジュールの製造方法に関するものである。
The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric conversion module using a bismuth-tellurium-based material as a thermoelectric element for converting heat and electricity.

【0002】[0002]

【従来の技術】p型とn型の熱電半導体が電気的に接合
した接合部を持つ熱電変換素子対において、接合部を高
温にしかつ熱電素子半導体の他方を低温にすると、温度
差に応じた熱起電力が発生する現象があり、これをゼー
ベック効果と称している。また、上記熱電変換素子対に
おいて、一方の熱電半導体から他方の熱電半導体に電流
を流すと、一方の接合部では熱を吸収し、他方では熱を
発生する現象があり、これをペルチェ効果と称してい
る。さらに、p型またはn型の熱電半導体の一方を高温
にしかつ他方を低温にして温度勾配に沿って電流を流す
と、電流の方向によって半導体の内部で熱の吸収または
発生を生じる現象があり、これをトムソン効果と称して
いる。
2. Description of the Related Art In a thermoelectric conversion element pair having a junction in which p-type and n-type thermoelectric semiconductors are electrically joined, if the junction is heated to a high temperature and the other of the thermoelectric element semiconductors is cooled to a temperature difference, There is a phenomenon in which a thermoelectromotive force is generated, and this is called the Seebeck effect. Also, in the above thermoelectric conversion element pair, when a current flows from one thermoelectric semiconductor to the other thermoelectric semiconductor, there is a phenomenon that one junction absorbs heat and the other generates heat, which is called a Peltier effect. ing. Further, when one of the p-type or n-type thermoelectric semiconductor is heated to a high temperature and the other is cooled to flow a current along a temperature gradient, there is a phenomenon that heat is absorbed or generated inside the semiconductor depending on the direction of the current, This is called the Thomson effect.

【0003】このような効果を利用した熱電変換装置
は、振動,騒音,摩耗等を生じる可動部分が全くなく、
構造が簡単で信頼性が高く、高寿命で保守が容易である
という特長をもった簡略化されたエネルギー直接変換装
置となりうるものである。
A thermoelectric conversion device utilizing such an effect has no moving parts that generate vibration, noise, wear, etc.
The present invention can be a simplified energy direct conversion device having features such as simple structure, high reliability, long life and easy maintenance.

【0004】熱電変換を行うモジュール部分は、p型と
n型の熱電半導体が電気的に接合した構成の熱電素子対
を1対以上そなえ、各熱電素子対は電気的には直列に、
また、熱的には並列に接合した構成をとるのが一般的で
ある。そして、モジュールの両端に温度差をつけること
により、この温度差に依存した起電力を取り出す前記ゼ
ーベック効果を利用した熱電発電装置や、モジュールの
両端に電圧を印加して温度差を生じさせることにより、
モジュールの一端を冷却する前記ペルチェ効果を利用し
た熱電冷却装置に利用することができる。
A module portion for performing thermoelectric conversion includes at least one thermoelectric element pair having a configuration in which p-type and n-type thermoelectric semiconductors are electrically joined, and each thermoelectric element pair is electrically connected in series.
In general, it is generally thermally connected in parallel. By applying a temperature difference between both ends of the module, a thermoelectric generator utilizing the Seebeck effect to extract an electromotive force depending on the temperature difference, or by applying a voltage to both ends of the module to generate a temperature difference ,
The present invention can be used for a thermoelectric cooling device utilizing the Peltier effect for cooling one end of a module.

【0005】熱電変換効率が高いモジュールを形成する
場合、p型およびn型の熱電半導体からなる熱電素子両
端部分の接合部において、損失が少ないモジュールを製
造することが重量な課題である。たとえば、熱電発電モ
ジュールでは、p型熱電素子とn型熱電素子の接合部、
あるいは、各熱電素子と電極の接合部には、以下の特性
が要求される。
When a module having high thermoelectric conversion efficiency is formed, it is a serious problem to manufacture a module having a small loss at a junction between both ends of a thermoelectric element made of p-type and n-type thermoelectric semiconductors. For example, in a thermoelectric power generation module, a junction between a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element,
Alternatively, a junction between each thermoelectric element and an electrode is required to have the following characteristics.

【0006】熱エネルギーは、熱源からモジュール高温
端の接合部を通過して素子部分に伝達される構成をとる
場合が多いため、接合部での熱抵抗は小さいことが要求
される。
In many cases, thermal energy is transmitted from a heat source through a junction at a high-temperature end of a module to an element portion, so that a small thermal resistance is required at the junction.

【0007】また、素子部分にかかる温度差に依存して
発電した電力は、電気的に直列接合された素子対の接合
部を介して取り出されたり、素子に入力された電力に依
存してモジュール両端において吸放熱されるので、接合
部での電気抵抗は小さいことが要求される。
Further, the power generated depending on the temperature difference applied to the element portion is taken out through the junction of the element pair electrically connected in series, or the module is generated depending on the power input to the element. Since heat is absorbed and dissipated at both ends, it is required that the electric resistance at the junction be small.

【0008】さらに、特に高温端側の接合部は高温に達
するため、高温時に剥離しないことや、接合部の拡散反
応の進行に起因して素子特性を劣化させないことなど、
熱耐久性に優れていることも要求される。
Furthermore, since the junction at the high-temperature end particularly reaches a high temperature, it does not peel off at a high temperature and does not deteriorate the element characteristics due to the progress of the diffusion reaction at the junction.
Excellent heat durability is also required.

【0009】一般的に、熱電変換モジュールは数百個の
熱電素子が電気的に直列に、熱的には並列に接続した構
成をとるため、接合部の形成の歩留まりがモジュールの
製造歩留まりを大きく左右するものである。
In general, a thermoelectric conversion module has a configuration in which several hundred thermoelectric elements are electrically connected in series and thermally in parallel. Therefore, the yield of forming a junction increases the production yield of the module. It depends.

【0010】変換効率が高い熱電素子材料としてビスマ
ス−テルル系化合物が知られており、この熱電素子を使
用した熱電変換モジュールが製造されていて、電極と熱
電素子の接合は以下の様になされている。
A bismuth-tellurium compound is known as a thermoelectric element material having a high conversion efficiency, and a thermoelectric conversion module using this thermoelectric element has been manufactured. The junction between the electrode and the thermoelectric element is made as follows. I have.

【0011】(1)所望のパターンに配列した熱電素子
の端面にCu板からなる電極層をハンダ付けする方法。
(1) A method of soldering an electrode layer made of a Cu plate to an end face of a thermoelectric element arranged in a desired pattern.

【0012】(2)接合部の電気抵抗を低下させない目
的や、接合部の熱耐久性を向上させる目的,ハンダのぬ
れ性を改善する目的で、ニッケルメッキ層を形成した
後、Cu板からなる電極層をハンダ付けする方法。
(2) For the purpose of not lowering the electric resistance of the joint, improving the thermal durability of the joint, and improving the wettability of the solder, a nickel plated layer is formed and then a Cu plate is formed. A method of soldering an electrode layer.

【0013】(3)所望のパターンに配列したビスマス
−テルル系熱電素子の隣接する端面同士を電気的に接続
するように、溶射法によりAlからなる電極層を形成す
る方法。
(3) A method of forming an electrode layer made of Al by thermal spraying so that adjacent end faces of bismuth-tellurium-based thermoelectric elements arranged in a desired pattern are electrically connected to each other.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記(1)
の従来技術では、数百個の熱電素子を配列した熱電変換
モジュールにおいて、熱電素子端面に均等にハンダをの
せることが煩雑であるという問題がある。そして、1箇
所でも熱電素子端面とハンダのぬれ性が悪いことにより
接合不良部分が生じると、その部分が電気抵抗となるた
め、熱電変換性能が低下する問題がある。さらに、電気
抵抗が高い接合箇所では、電気抵抗による局所的な発熱
が生じるため、熱電素子に亀裂が入ったり、ハンダ材が
変質したりして、耐久性が低下することになる。さら
に、隣接する熱電素子間の間隔は狭いほど、モジュール
の性能密度を向上させることができるが、熱電素子端面
から絶縁する必要がある隣の熱電素子との間にハンダが
はみ出た場合は、数百個の熱電素子を電気的に直列に結
線した構成の一部を短絡することとなるため、熱電変換
性能が著しく低下することとなる。これらの結果、製造
歩留まりを低下させることになるという問題がある。ま
た、接合時、溶融したハンダが直接ビスマス−テルル系
素子端面と接触するため、熱電素子の組成元素であるテ
ルルやビスマス、Se、Sbやその他の添加物が、ハン
ダ材に溶け出すこととなる。これにより、ハンダ組成が
変化し、ハンダの耐熱性が低下したり、熱衝撃に対して
クラックが入りやすくなるなど、ハンダ部分の耐久性が
低下する問題がある。
However, the above (1)
In the prior art, there is a problem that in a thermoelectric conversion module in which hundreds of thermoelectric elements are arranged, it is troublesome to evenly solder the end faces of the thermoelectric elements. In addition, even at one location, if a poor junction between the thermoelectric element end face and the solder has poor wettability, the portion becomes an electric resistance, and thus the thermoelectric conversion performance is degraded. Further, at a joint having a high electric resistance, local heat is generated due to the electric resistance, so that the thermoelectric element is cracked or the solder material is deteriorated, thereby lowering the durability. Furthermore, the smaller the distance between adjacent thermoelectric elements, the higher the performance density of the module can be.However, if solder protrudes from the adjacent thermoelectric element that needs to be insulated from the end face of the thermoelectric element, a few Since a part of the configuration in which one hundred thermoelectric elements are electrically connected in series is short-circuited, the thermoelectric conversion performance is significantly reduced. As a result, there is a problem that the manufacturing yield is reduced. Further, at the time of joining, the molten solder directly contacts the bismuth-tellurium-based element end face, so that tellurium, bismuth, Se, Sb, and other additives, which are constituent elements of the thermoelectric element, are melted into the solder material. . As a result, there is a problem that the durability of the solder portion is reduced, for example, the solder composition is changed, the heat resistance of the solder is reduced, and cracks are easily generated by a thermal shock.

【0015】また、上記(2)の従来技術では、熱電素
子端面にニッケルメッキを施すことにより、Pb系ハン
ダ材のぬれを向上させ、ハンダ材と熱電素子材の拡散反
応を抑制する特徴を有するが、熱電変換モジュールの耐
熱性が、Pb系ハンダ材の軟化温度に制限される問題が
ある。そしてまた、ハンダに有害物質であるPbを含有
する問題がある。また、Pbレスハンダを使用する場合
は、ニッケルメッキ層上のぬれ性が必ずしも良好でなか
ったり、ハンダの融点が低いため熱電変換モジュールの
耐熱性を著しく低下してしまうこともあるという問題が
ある。
Further, the prior art (2) is characterized in that the end face of the thermoelectric element is nickel-plated to improve the wetting of the Pb-based solder material and to suppress the diffusion reaction between the solder material and the thermoelectric element material. However, there is a problem that the heat resistance of the thermoelectric conversion module is limited by the softening temperature of the Pb-based solder material. Another problem is that the solder contains Pb, which is a harmful substance. In addition, when Pb-less solder is used, there is a problem that the wettability on the nickel plating layer is not always good, and the heat resistance of the thermoelectric conversion module is significantly reduced due to the low melting point of the solder.

【0016】さらに、上記(3)の従来技術では、ハン
ダを使用しないため、熱電変換モジュールの耐熱性が高
い特徴を有するが、熱電素子間の隙間が小さいパターン
で電極を形成することが困難であるため、熱電変換性能
密度が低くなってしまう問題がある。また、電極層を溶
射法により厚膜形成するためには、熱電素子を電気絶縁
性の枠に挿入固定するなどしてあらかじめ固定する必要
があるが、溶射工程に耐えることのできる電気的絶縁性
の枠材は、熱伝導度が比較的高くなってしまうため、モ
ジュールの高温端から低温端へ熱流が流れる場合に、熱
電素子以外の枠材を流れてしまう比率が大きくなるの
で、モジュールの熱電変換性能が低下する問題となる。
Further, the prior art (3) has a feature that the thermoelectric conversion module has high heat resistance because no solder is used, but it is difficult to form electrodes in a pattern with a small gap between thermoelectric elements. Therefore, there is a problem that the thermoelectric conversion performance density is lowered. In addition, in order to form a thick electrode layer by thermal spraying, it is necessary to previously fix the thermoelectric element by inserting and fixing it in an electrically insulating frame, but the electrical insulating property that can withstand the thermal spraying process is required. Since the thermal conductivity of the frame material becomes relatively high, when the heat flow from the high-temperature end to the low-temperature end of the module increases, the ratio of the flow of the frame material other than the thermoelectric element increases. The problem is that the conversion performance is reduced.

【0017】[0017]

【発明の目的】本発明は、上記した従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、上記問題を解決し、ビスマス
−テルル系熱電素子の端面を電気的に接合するに際し
て、接合部での熱的・電気的抵抗が小さく、接合歩留ま
りが向上した接合方法を提供し、あわせて、熱電変換性
能の密度が高く、損失が少ない熱電変換モジュールの製
造方法を提供することを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and solves the above-mentioned problems. The object of the present invention is to provide a joining method in which the thermal / electrical resistance of the element is small and the joining yield is improved, and at the same time, to provide a method of manufacturing a thermoelectric conversion module having a high density of thermoelectric conversion performance and low loss. It is.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱電変換
モジュールの製造方法は、ビスマス−テルル系を主成分
とする熱電素子の端面に、板状のCuあるいはAlから
なる端面金属層を超音波溶接法により接合するようにし
たことに特徴がある。すなわち、請求項1に記載してい
るように、少なくとも1対以上のp型およびn型の熱電
素子と、熱電素子の相対する両端面において電極層によ
り電気的に接合された構成の熱電変換モジュールを製造
するに際し、ビスマス−テルル系を主成分とする熱電素
子の端面に、CuあるいはAl板からなる端面金属層を
超音波溶接法により接合する工程を含むようにしたこと
を特徴としている。
According to a method of manufacturing a thermoelectric conversion module according to the present invention, a plate-like end face metal layer made of Cu or Al is formed on an end face of a thermoelectric element mainly composed of bismuth-tellurium. It is characterized by joining by a welding method. That is, as described in claim 1, a thermoelectric conversion module having a configuration in which at least one pair or more of p-type and n-type thermoelectric elements are electrically connected by electrode layers on opposite end faces of the thermoelectric elements. Is characterized by including a step of joining an end face metal layer made of a Cu or Al plate to an end face of a thermoelectric element containing a bismuth-tellurium system as a main component by an ultrasonic welding method.

【0019】そして、請求項2に記載しているように、
ビスマス−テルル系を主成分とする熱電素子の端面にA
lあるいはNiからなる中間層を形成した後、Cuある
いはAl板からなる端面金属層を超音波溶接法により接
合する工程を含むようになすことができる。
And, as described in claim 2,
A is attached to the end face of the thermoelectric element mainly containing bismuth-tellurium.
After the formation of the intermediate layer made of 1 or Ni, a step of joining the end face metal layer made of the Cu or Al plate by an ultrasonic welding method can be included.

【0020】そしてまた、請求項3に記載のように、ビ
スマス−テルル系を主成分とする熱電素子の端面に、厚
さ0.1〜1mmのCuあるいはAl板からなる端面金
属層を超音波溶接法により接合するようになすことがで
きる。
Further, as set forth in claim 3, an end surface metal layer made of a Cu or Al plate having a thickness of 0.1 to 1 mm is provided on the end surface of the thermoelectric element mainly composed of bismuth-tellurium. It can be made to join by a welding method.

【0021】さらにまた、請求項4に記載しているよう
に、ビスマス−テルル系を主成分とする熱電素子の端面
に、厚さ0.01〜0.1mmのAlあるいはNiから
なる中間層を形成した後、厚さ0.1〜1mmのCuあ
るいはAl板からなる端面金属層を超音波溶接法により
接合するようになすことができる。
Further, as described in claim 4, an intermediate layer made of Al or Ni having a thickness of 0.01 to 0.1 mm is provided on an end face of the thermoelectric element mainly containing bismuth-tellurium. After the formation, an end face metal layer made of a Cu or Al plate having a thickness of 0.1 to 1 mm can be joined by an ultrasonic welding method.

【0022】さらにまた、請求項5に記載のように、熱
電変換モジュールの製造方法において、ビスマス−テル
ル系を主成分とする熱電素子の端面に、CuあるいはA
l板からなる端面金属層を超音波溶接法により接合した
後、隣接する熱電素子の端面金属層同士を電気的に結線
等により接続するようになすことができる。
Further, according to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a thermoelectric conversion module, Cu or A
After joining the end face metal layers made of the 1 plate by the ultrasonic welding method, the end face metal layers of the adjacent thermoelectric elements can be electrically connected to each other by a connection or the like.

【0023】そして、熱電素子の端面に端面金属層を接
合する工程は、熱電素子単体ごとに行った後所望のパタ
ーンに熱電素子を配列するようになすこともできるし、
配列して固定された熱電素子群の端面に接合するように
なすこともできる。
The step of bonding the end face metal layer to the end face of the thermoelectric element may be performed for each thermoelectric element alone and then arranged in a desired pattern.
It is also possible to join the end faces of the arranged and fixed thermoelectric element group.

【0024】端面に本発明の端面金属層が接合された熱
電素子は、例えば、Cu板上の電極板をハンダ付けする
ことにより、隣接する熱電素子と電気的に接続すること
ができる。この場合、熱電素子端面のAlあるいはCu
板からなる端面金属層と電極金属をハンダ付けするの
で、ハンダのぬれ性不良による接合不良が発生しにく
い。また、ビスマス−テルル系を主成分とする熱電素子
からの成分の溶け出しを考慮する必要はなく、ハンダ融
点と熱電変換モジュールの要求耐熱性を鑑みて、鉛レス
ハンダ材を選択することが可能になる。
The thermoelectric element having the end face metal layer of the present invention joined to the end face can be electrically connected to an adjacent thermoelectric element by, for example, soldering an electrode plate on a Cu plate. In this case, Al or Cu on the thermoelectric element end face is used.
Since the end face metal layer made of the plate is soldered to the electrode metal, poor joining due to poor wettability of the solder is less likely to occur. In addition, it is not necessary to consider the dissolution of components from the thermoelectric element mainly composed of bismuth-tellurium, and it is possible to select a lead-less solder material in view of the solder melting point and the required heat resistance of the thermoelectric conversion module. Become.

【0025】一般に、溶接法は、超音波溶接法以外に溶
融溶接法や電気抵抗溶接法などがあり、接合工程に真空
容器や雰囲気制御を必要とせず、大気中で簡便に金属同
士を接合できる特徴を有する。しかしながら、接合部分
を局所的に急加熱急冷却するため、融点が高く、脆性が
高いセラミックスや半導体を接合すると、接合できなか
ったり、クラックが発生したりしてしまう問題があっ
た。
Generally, the welding method includes a fusion welding method and an electric resistance welding method other than the ultrasonic welding method, and the metal can be easily joined in the air without requiring a vacuum vessel or atmosphere control in the joining process. Has features. However, there is a problem in that when the joining portion is locally heated and cooled rapidly, joining ceramics or semiconductors having a high melting point and high brittleness cannot be joined or cracks occur.

【0026】そこで、ビスマス−テルル系熱電素子端面
への金属の溶接について鋭意研究の結果、超音波溶接法
において、超音波エネルギーを制御することにより、ビ
スマス−テルル系熱電素子に接合できることを見い出し
た。
Then, as a result of earnest research on welding of metal to the end face of the bismuth-tellurium-based thermoelectric element, it was found that the ultrasonic welding method can control the ultrasonic energy to join the bismuth-tellurium-based thermoelectric element. .

【0027】本発明で適用する超音波溶接法は、一般的
に、金属同士の溶接や、プラスチックの溶着に使用され
る公知の装置を使用することができる。しかし、一般的
な超音波装置に比較して、超音波の入力を低下させるこ
とが重要となる。ここで、超音波の入力エネルギーは、
ホーンアンビルと呼ばれる端子の先端部の形状や大き
さ、熱電素子の組成や硬度、端面金属層であるCuやA
l板の厚さなどに依存して大きく変化するが、素子端面
が1〜25mmの場合に、接合面積に対し30J/m
以下が概ね良好に接合することができる。
In the ultrasonic welding method applied in the present invention, generally known devices used for welding metals or welding plastics can be used. However, it is important to reduce the input of ultrasonic waves as compared with a general ultrasonic device. Here, the input energy of the ultrasonic wave is
The shape and size of the tip of the terminal called the horn anvil, the composition and hardness of the thermoelectric element, Cu and A
Although it largely changes depending on the thickness of the l-plate, when the element end face is 1 to 25 mm 2 , 30 J / m
It can be m 2 or less is generally well bonded.

【0028】端面金属層は、AlあるいはCu板であ
り、厚さは0.1〜1mmが良好である。そして、0.
1mmより薄い場合は、接合装置の端子(アンビル)の
凹凸により、端面金属層が大きく変形するため、熱電素
子にクラックが発生するなどして接合が困難になる傾向
となる。また、1mmを超える場合は、接合に30J/
mmを超える大きな超音波エネルギーが必要となり、
熱電素子にクラックが発生して接合が困難となる傾向に
ある。また、熱電変換モジュールの端面から熱電素子ま
での間の接合部分の厚さが厚くなることとなるため、熱
抵抗が大きくなり、熱電変換特性が低下する傾向となっ
てしまう。
The end face metal layer is an Al or Cu plate, and preferably has a thickness of 0.1 to 1 mm. And 0.
If the thickness is less than 1 mm, the end face metal layer is greatly deformed by the unevenness of the terminal (anvil) of the joining device, and the joining tends to be difficult due to cracks in the thermoelectric element. In addition, when it exceeds 1 mm, 30 J /
large ultrasonic energy exceeding 2 mm is required,
Cracks tend to occur in the thermoelectric element, making joining difficult. In addition, since the thickness of the junction between the end face of the thermoelectric conversion module and the thermoelectric element increases, the thermal resistance increases and the thermoelectric conversion characteristics tend to decrease.

【0029】本発明において、熱電素子の端面には、あ
らかじめ、メッキ法や蒸着法、イオンスパッタ法等によ
りAlあるいはNiからなる中間層を形成することがで
きる。また、端面金属層の接合時に、端面金属板と熱電
素子の間の中間層用の箔を挿入して接合することもでき
る。この場合、中間層の厚さは、0.01〜0.1mm
が良好である。そして、0.01mmより薄い場合は、
より小さな接合エネルギーで接合することにより、熱電
素子にクラックが発生するのを防止する効果が小さくな
る割に、中間層を形成する工程が増えるため製造が煩雑
になる傾向となるので好ましくない。また、0.1mm
より厚い場合は、接合エネルギーの入力調整が不安定と
なり、製造歩留まりが低下する傾向となるので好ましく
ない。
In the present invention, an intermediate layer made of Al or Ni can be previously formed on the end face of the thermoelectric element by plating, vapor deposition, ion sputtering, or the like. When joining the end face metal layers, it is also possible to insert and join an intermediate layer foil between the end face metal plate and the thermoelectric element. In this case, the thickness of the intermediate layer is 0.01 to 0.1 mm
Is good. And when it is thinner than 0.01mm,
Joining with a smaller joining energy is not preferable because the effect of preventing cracks from being generated in the thermoelectric element is reduced, but the manufacturing process tends to be complicated because the number of steps for forming the intermediate layer increases. Also, 0.1mm
If the thickness is larger, the adjustment of the input of the bonding energy becomes unstable, and the production yield tends to decrease, which is not preferable.

【0030】本発明で適用する熱電素子には、公知のビ
スマス−テルル系の熱電半導体を使用することができ、
溶融法、ホットプレス焼結法などで形成したものとする
ことができる。
As the thermoelectric element applied in the present invention, a known bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor can be used.
It can be formed by a melting method, a hot press sintering method, or the like.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明による熱電変換モジュールの製造
方法は、少なくとも1対以上のp型およびn型の熱電素
子と、熱電素子の相対する両端面において電極層により
電気的に接合された構成の熱電変換モジュールを製造す
るに際し、ビスマス−テルル系を主成分とする熱電素子
の端面に、CuあるいはAl板からなる端面金属層を超
音波溶接法により接合する工程を含むようにしたから、
ビスマス−テルル系熱電素子の両端面に金属層を簡便な
方法で形成することができる。また、超音波溶接法を使
用することにより、接合工程の中の熱電素子および端面
金属層用板材の接合面の酸化物を除去する工程を簡略化
することができるため、簡便に安定して接合形成を行う
ことができる。さらに、電気的・熱的抵抗が少ない接合
部を形成することができるなどといった著しく優れた効
果がもたらされる。
The method of manufacturing a thermoelectric conversion module according to the present invention has a structure in which at least one or more pairs of p-type and n-type thermoelectric elements are electrically connected to each other at opposite end faces of the thermoelectric element by electrode layers. In manufacturing the thermoelectric conversion module, since the end face of the thermoelectric element having a bismuth-tellurium system as a main component, a step of joining an end face metal layer made of a Cu or Al plate by an ultrasonic welding method was included,
A metal layer can be formed on both end surfaces of the bismuth-tellurium-based thermoelectric element by a simple method. In addition, by using the ultrasonic welding method, the step of removing the oxide on the joining surface of the thermoelectric element and the plate material for the end face metal layer in the joining step can be simplified, so that the joining can be performed easily and stably. The formation can take place. Further, a remarkably excellent effect such as the ability to form a joint having low electrical and thermal resistance can be obtained.

【0032】そして、請求項2に記載のように、ビスマ
ス−テルル系を主成分とする熱電素子の端面にAlある
いはNiからなる中間層を形成した後、CuあるいはA
l板からなる端面金属層を超音波溶接法により接合する
工程を含むようになすことによって、接合時の熱電素子
のクラック発生を抑制することができ、製造歩留まりを
向上させることが可能になるという著しく優れた効果が
もたらされる。
Then, after forming an intermediate layer made of Al or Ni on the end face of the thermoelectric element mainly containing bismuth-tellurium, Cu or A
By including the step of joining the end face metal layer made of the 1 plate by the ultrasonic welding method, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the thermoelectric element at the time of joining, and it is possible to improve the production yield. Significant effects are achieved.

【0033】また、請求項3に記載のように、ビスマス
−テルル系を主成分とする熱電素子の端面に、厚さ0.
1〜1mmのCuあるいはAl板からなる端面金属層を
超音波溶接法により接合するようになすことによって、
端面金属層の変形が少なく電極とのハンダ付けが容易
で、ビスマス−テルル系熱電素子のクラック発生率を減
少して製造することが可能になるという著しく優れた効
果がもたらされる。
[0033] As described in claim 3, the thickness of the thermoelectric element having a thickness of 0.
By joining an end face metal layer made of a Cu or Al plate of 1 to 1 mm by an ultrasonic welding method,
An extremely excellent effect is obtained in that the deformation of the end face metal layer is small, the soldering to the electrode is easy, and the crack generation rate of the bismuth-tellurium-based thermoelectric element can be reduced.

【0034】さらにまた、請求項4に記載のように、ビ
スマス−テルル系を主成分とする熱電素子の端面に、厚
さ0.01〜0.1mmのAlあるいはNiからなる中
間層を形成した後、厚さ0.1〜1mmのCuあるいは
Al板からなる端面金属層を超音波溶接法により接合す
るようになすことによって、接合時の超音波エネルギー
を安定して投入することが可能であるため、製造歩留ま
りを向上させることが可能になるという著しく優れた効
果がもたらされる。
Furthermore, an intermediate layer made of Al or Ni having a thickness of 0.01 to 0.1 mm is formed on the end face of the thermoelectric element containing bismuth-tellurium as a main component. Thereafter, by joining the end face metal layer made of a Cu or Al plate having a thickness of 0.1 to 1 mm by an ultrasonic welding method, it is possible to stably supply ultrasonic energy at the time of joining. Therefore, a remarkably excellent effect that the production yield can be improved is brought about.

【0035】さらにまた、請求項5に記載のように、熱
電変換モジュールの製造方法において、ビスマス−テル
ル系を主成分とする熱電素子の端面に、CuあるいはA
l板からなる端面金属層を超音波溶接法により接合した
後、隣接する熱電素子の端面金属層同士を電気的に結線
等により接続するようになすことによって、電極金属を
ハンダ付けする場合に、熱電素子との反応や、ぬれ性を
考慮することなく、耐熱性が高い鉛レスのハンダを選択
して熱電変換モジュールを製造することが可能になる。
また、端面金属層と電極の間のハンダ付けは金属と金属
のハンダ付けであるため、ハンダ付け条件を制御し、安
定して行うことが容昜であるため、ハンダ材のぬれ不良
やはみ出しによる接合不良の発生率を低減することがで
きるという著しく優れた効果がもたらされる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a thermoelectric conversion module, the end face of the thermoelectric element containing a bismuth-tellurium system as a main component may be made of Cu or A
After joining the end face metal layers composed of 1 plate by ultrasonic welding, by connecting the end face metal layers of adjacent thermoelectric elements electrically by wire connection or the like, when soldering the electrode metal, A thermoelectric conversion module can be manufactured by selecting a lead-free solder having high heat resistance without considering the reaction with the thermoelectric element and the wettability.
In addition, since the soldering between the end face metal layer and the electrode is a soldering of metal to metal, it is easy to control the soldering conditions and stably perform the soldering. A remarkably excellent effect that the occurrence rate of bonding failure can be reduced is brought about.

【0036】[0036]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明するが、
本発明はこのような実施例のみに限定されないことはい
うまでもない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
It goes without saying that the present invention is not limited to only such an embodiment.

【0037】(実施例1)組成がBi(Te−Se)
であるn型の熱電半導体をホットプレス焼結法によ
り、焼結した。次いで、焼結板から端面が3.5mm×
3.5mm、高さ5mmの熱電素子をそれぞれ切断し
た。そして、一部の熱電素子の両端面には、Al蒸着
膜、あるいは、Niメッキ膜を施した。また、中間層用
として、厚さ0.015mmのAl箔を用意した。さら
にまた、端面金属層として、3mm×3mmのAl板と
Cu板を用意した。
Example 1 The composition was Bi 2 (Te-Se)
The n-type thermoelectric semiconductor No. 3 was sintered by a hot press sintering method. Then, the end face was 3.5 mm from the sintered plate.
Each of the thermoelectric elements having a height of 3.5 mm and a height of 5 mm was cut. Then, an Al vapor-deposited film or a Ni-plated film was applied to both end surfaces of some of the thermoelectric elements. An Al foil having a thickness of 0.015 mm was prepared for the intermediate layer. Furthermore, a 3 mm × 3 mm Al plate and a Cu plate were prepared as end surface metal layers.

【0038】そして、それぞれに接合テストを行なった
際の構成と接合条件および結果を表1にまとめて示す。
このとき、接合結果は目視により判断し、○のものは、
良好な接合が再現性よくできた実施例を示す。また、接
合結果が△のものは、接合できるが、素子が割れたり、
接合できなかったものも発生し、再現性が不十分である
実施例を示す。
Table 1 summarizes the configuration, bonding conditions, and results of the respective bonding tests.
At this time, the joining result was judged visually,
An example in which good bonding was achieved with good reproducibility will be described. In addition, if the bonding result is △, it can be bonded, but the element is cracked,
An example in which some parts could not be joined and the reproducibility was insufficient will be described.

【0039】[0039]

【表1】 [Table 1]

【0040】次に、表1のうち○の実施例について、両
端の端面金属層表面にリード用Cu線を銀ペーストで貼
り付け、端面金属間の電流電圧特性から室温での抵抗を
測定した。その結果、素子単体の抵抗が0.025Ωで
あるのに対し、端面金属層および端面金属層と熱電素子
の接合部を含む本発明による熱電変換素子において0.
025±0.001Ω以内であった。すなわち、接合部
の電気的抵抗が極めて小さい良好な接合ができたことを
示す。
Then, for Examples of Table 1 in Table 1, Cu wires for lead were stuck on the surfaces of the end metal layers at both ends with silver paste, and the resistance at room temperature was measured from the current-voltage characteristics between the end metal. As a result, while the resistance of the single element is 0.025Ω, the thermoelectric conversion element according to the present invention including the end face metal layer and the junction between the end face metal layer and the thermoelectric element has a resistance of 0.025Ω.
025 ± 0.001Ω. In other words, it indicates that a good junction with an extremely small electric resistance at the junction was formed.

【0041】(実施例2)実施例1と同様にして、図1
(a)に示すように、組成が(Bi−Sb)Te
p型焼結体1を焼結し、切断して、図1(b)に示すよ
うなp型熱電素子2を形成した。次いで、実施例1−2
と同様にそれぞれp型熱電素子とn型熱電素子に図1
(c)に示すようにCu板3を接合して端面金属層付き
の熱電素子を作成した。続いて、図1(d)に示すよう
に、p型とn型の熱電素子(2,4)対4対を交互に配
列し、隣接する両端の端面金属層(3,3)同士を電気
的に直列となるように、厚さ0.2mmのCu電極5を
ハンダつけして、図1(e)に示すような熱電変換モジ
ュール6を得た。このとき、ハンダ材にはAg−Snハ
ンダを使用した。
(Embodiment 2) As in Embodiment 1, FIG.
As shown in FIG. 1A, a p-type sintered body 1 having a composition of (Bi-Sb) 2 Te 3 is sintered and cut to form a p-type thermoelectric element 2 as shown in FIG. 1B. did. Then, Example 1-2
FIG. 1 shows a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element, respectively.
As shown in (c), the Cu plate 3 was joined to form a thermoelectric element with an end face metal layer. Subsequently, as shown in FIG. 1D, four pairs of p-type and n-type thermoelectric elements (2, 4) are alternately arranged, and the adjacent end face metal layers (3, 3) are electrically connected to each other. A Cu electrode 5 having a thickness of 0.2 mm was soldered so as to be serially connected to obtain a thermoelectric conversion module 6 as shown in FIG. At this time, Ag-Sn solder was used as the solder material.

【0042】このようにして、本発明に従って端面金属
層を接合する工程を含むものとすることにより、Pbレ
スハンダとして汎用性が高いもののビスマス−テルル系
素子にはぬれ性がさほど良好でないハンダを使用して熱
電変換モジュールを製造することができた。
As described above, by including the step of bonding the end face metal layer according to the present invention, it is possible to use a solder which is highly versatile as a Pb-less solder but has poor wettability for a bismuth-tellurium-based element. A thermoelectric conversion module could be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】熱電変換モジュールの製造工程例を(a)〜
(e)に分けて示す斜面説明図である。
FIGS. 1A to 1C show examples of a manufacturing process of a thermoelectric conversion module.
It is a slope explanatory view divided and shown to (e).

【符号の説明】 1 p型焼結体 2 p型熱電素子 3 Cu板 4 n型熱電素子 5 Cu電極 6 熱電変換モジュール[Description of Signs] 1 p-type sintered body 2 p-type thermoelectric element 3 Cu plate 4 n-type thermoelectric element 5 Cu electrode 6 thermoelectric conversion module

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成12年3月16日(2000.3.1
6)
[Submission date] March 16, 2000 (200.3.1.1)
6)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0005[Correction target item name] 0005

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0005】熱電変換効率が高いモジュールを形成する
場合、p型およびn型の熱電半導体からなる熱電素子両
端部分の接合部において、損失が少ないモジュールを製
造することが重な課題である。たとえば、熱電発電モ
ジュールでは、p型熱電素子とn型熱電素子の接合部、
あるいは、各熱電素子と電極の接合部には、以下の特性
が要求される。
[0005] If the thermoelectric conversion efficiency is to form a high module, at the junction of the thermoelectric elements both end portions consisting of thermoelectric semiconductor of p-type and n-type, to produce a low loss module is an important issue. For example, in a thermoelectric power generation module, a junction between a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element,
Alternatively, a junction between each thermoelectric element and an electrode is required to have the following characteristics.

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0024[Correction target item name] 0024

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0024】端面に本発明の端面金属層が接合された熱
電素子は、例えば、Cu板の電極板をハンダ付けする
ことにより、隣接する熱電素子と電気的に接続すること
ができる。この場合、熱電素子端面のAlあるいはCu
板からなる端面金属層と電極金属をハンダ付けするの
で、ハンダのぬれ性不良による接合不良が発生しにく
い。また、ビスマス−テルル系を主成分とする熱電素子
からの成分の溶け出しを考慮する必要はなく、ハンダ融
点と熱電変換モジュールの要求耐熱性を鑑みて、鉛レス
ハンダ材を選択することが可能になる。
The thermoelectric element having the end face metal layer of the present invention joined to the end face can be electrically connected to an adjacent thermoelectric element by, for example, soldering a Cu plate- shaped electrode plate. In this case, Al or Cu on the thermoelectric element end face is used.
Since the end face metal layer made of the plate is soldered to the electrode metal, poor joining due to poor wettability of the solder is less likely to occur. In addition, it is not necessary to consider the dissolution of components from the thermoelectric element mainly composed of bismuth-tellurium, and it is possible to select a lead-less solder material in view of the solder melting point and the required heat resistance of the thermoelectric conversion module. Become.

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0029[Correction target item name] 0029

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0029】本発明において、熱電素子の端面には、あ
らかじめ、メッキ法や蒸着法、イオンスパッタ法等によ
りAlあるいはNiからなる中間層を形成することがで
きる。また、端面金属層の接合時に、端面金属板と熱電
素子の間中間層用の箔を挿入して接合することもでき
る。この場合、中間層の厚さは、0.01〜0.1mm
が良好である。そして、0.01mmより薄い場合は、
より小さな接合エネルギーで接合することにより、熱電
素子にクラックが発生するのを防止する効果が小さくな
る割に、中間層を形成する工程が増えるため製造が煩雑
になる傾向となるので好ましくない。また、0.1mm
より厚い場合は、接合エネルギーの入力調整が不安定と
なり、製造歩留まりが低下する傾向となるので好ましく
ない。
In the present invention, an intermediate layer made of Al or Ni can be previously formed on the end face of the thermoelectric element by plating, vapor deposition, ion sputtering, or the like. Further, at the time of bonding of the end face metal layers can be joined by inserting a foil intermediate layer between the end surface metal plate and the thermoelectric elements. In this case, the thickness of the intermediate layer is 0.01 to 0.1 mm
Is good. And when it is thinner than 0.01mm,
Joining with a smaller joining energy is not preferable because the effect of preventing cracks from being generated in the thermoelectric element is reduced, but the manufacturing process tends to be complicated because the number of steps for forming the intermediate layer increases. Also, 0.1mm
If the thickness is larger, the input adjustment of the bonding energy becomes unstable, and the production yield tends to decrease, which is not preferable.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 35/32 H01L 35/32 A ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 35/32 H01L 35/32 A

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1対以上のp型およびn型の
熱電素子と、熱電素子の相対する両端面において電極層
により電気的に接合された構成の熱電変換モジュールを
製造するに際し、ビスマス−テルル系を主成分とする熱
電素子の端面に、CuあるいはAl板からなる端面金属
層を超音波溶接法により接合することを特徴とする熱電
変換モジュールの製造方法。
At least one pair of p-type and n-type thermoelectric elements and bismuth-tellurium for manufacturing a thermoelectric conversion module having a configuration in which the thermoelectric elements are electrically connected to each other at opposite end surfaces by electrode layers. A method for manufacturing a thermoelectric conversion module, comprising joining an end face metal layer made of a Cu or Al plate to an end face of a thermoelectric element mainly composed of a system by ultrasonic welding.
【請求項2】 請求項1に記載の熱電変換モジュールの
製造方法において、ビスマス−テルル系を主成分とする
熱電素子の端面にAlあるいはNiからなる中間層を形
成した後、CuあるいはAl板からなる端面金属層を超
音波溶接法により接合することを特徴とする熱電変換モ
ジュールの製造方法。
2. The method for manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein an intermediate layer made of Al or Ni is formed on an end face of the thermoelectric element containing bismuth-tellurium as a main component, and then a Cu or Al plate is formed. A method for manufacturing a thermoelectric conversion module, comprising joining an end face metal layer by ultrasonic welding.
【請求項3】 請求項1または2に記載の熱電変換モジ
ュールの製造方法において、ビスマス−テルル系を主成
分とする熱電素子の端面に、厚さ0.1〜1mmのCu
あるいはAl板からなる端面金属層を超音波溶接法によ
り接合することを特徴とする熱電変換モジュールの製造
方法。
3. The method for producing a thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the end face of the thermoelectric element containing bismuth-tellurium as a main component has a thickness of 0.1 to 1 mm.
Alternatively, a method for manufacturing a thermoelectric conversion module, wherein an end face metal layer made of an Al plate is joined by an ultrasonic welding method.
【請求項4】 請求項2に記載の熱電変換モジュールの
製造方法において、ビスマス−テルル系を主成分とする
熱電素子の端面に、厚さ0.01〜0.1mmのAlあ
るいはNiからなる中間層を形成した後、厚さ0.1〜
1mmのCuあるいはAl板からなる端面金属層を超音
波溶接法により接合することを特徴とする熱電変換モジ
ュールの製造方法。
4. The method for manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 2, wherein the thermoelectric element having a bismuth-tellurium system as a main component has an end face made of Al or Ni having a thickness of 0.01 to 0.1 mm. After forming the layer, thickness 0.1 ~
A method for manufacturing a thermoelectric conversion module, comprising joining an end face metal layer made of a 1 mm Cu or Al plate by ultrasonic welding.
【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載の熱
電変換モジュールの製造方法において、ビスマス−テル
ル系を主成分とする熱電素子の端面に、CuあるいはA
l板からなる端面金属層を超音波溶接法により接合した
後、隣接する熱電素子の端面金属層同士を電気的に接続
することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
5. The method for manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the thermoelectric element mainly composed of bismuth-tellurium is provided with Cu or A
A method for manufacturing a thermoelectric conversion module, comprising: bonding an end face metal layer made of a single plate by ultrasonic welding, and then electrically connecting end face metal layers of adjacent thermoelectric elements.
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