專(zhuān)利名稱(chēng)：具有一體熱交換器的熱電模塊和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳熱裝置，特別是涉及一種熱電傳熱裝置。
背景技術(shù)：
熱電模塊是利用稱(chēng)為"珀?duì)柼?yīng)"的效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成溫度梯 度的固態(tài)裝置。此外，通過(guò)設(shè)置穿過(guò)裝置的溫度梯度而將熱能應(yīng)用于 這樣的裝置，以便利用稱(chēng)為"賽貝克效應(yīng)"的效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。
當(dāng)由電池或其他DC電源來(lái)向熱電模塊提供合適的電壓時(shí)，模塊 的一側(cè)變冷，而模塊的另一側(cè)變熱。模塊的"冷"、"熱"側(cè)依賴(lài)于流 過(guò)裝置的電流；如果使模塊的電壓極性反向由此引起電流反向，則模 塊"冷"側(cè)會(huì)變成"熱"側(cè)，反之亦然。通常通過(guò)將熱電模塊放置在 熱源和散熱片如流體板、平板或?qū)α魃崞g而使用熱電模塊。熱 電模塊的"冷"側(cè)上會(huì)吸收熱源的熱量并將熱量傳遞給其"熱"側(cè)和 散熱片。
普通熱電模塊由一排通常由碲化鉍(Bismuth Telluride)構(gòu)成 并可以P型和N型提供的稱(chēng)為"小片(dice)"的熱電元件構(gòu)成。P 型和N型材料是在相同溫度可具有不同自由電子密度的鉍和碲的合 金。P型小片由電子缺失的材料組成，而N型小片由電子過(guò)剩的材料 組成。多數(shù)模塊具有相同數(shù)量的P型和N型小片，公用一個(gè)電連接的 每種類(lèi)型的一個(gè)模稱(chēng)為"電偶(co叩le)"。當(dāng)電流流過(guò)該電偶時(shí)，試 圖在材料內(nèi)形成新的平衡。電流的方向會(huì)決定特定側(cè)的溫度是否要下 降或升高。
一排P型和N型熱電元件電連接成串聯(lián)電偶鏈，使交替元件類(lèi)型 通過(guò)電接線相連。當(dāng)如此連接時(shí)，電接線構(gòu)成了裝置的冷熱側(cè)，當(dāng)向 電偶鏈供電則使交替接線分別變熱和變冷。
為了構(gòu)成緊密和形狀上凹凸不平的模塊，小片通常被夾在形成機(jī)
械剛度和電絕緣的兩陶瓷片之間。通過(guò)通常為金屬墊片的導(dǎo)電材料將 P型和N型小片進(jìn)行串聯(lián)電連接，該導(dǎo)電材料電鍍?cè)诨蚋街谔沾善?上。為了保證機(jī)械強(qiáng)度通常將小片焊接在墊片上。
圖1A和1B分別示出了一種這樣的熱電模塊的橫截面視圖和俯視
圖。在圖1A中，模塊100夾在翼片狀對(duì)流型散熱片102和熱源104 之間。在圖IB中，去除了散熱片102和上基片106而露出使熱電元 件互連的金屬墊片。。
圖1A中示出了三個(gè)這樣的元件110、 112和114。如上所述，元 件連接成電偶，使得P型小片與N型小片相互交替。例如，熱電元件 IIO和112通過(guò)電墊片116相互電連接。同樣，元件112和114通過(guò) 墊片120連接。墊片118和122將元件110和114連接于其他元件(圖 中未示出)。
圖1B是露出了電連接的俯視圖。如圖所述，墊片116、 120、 122、 124、 126、 128、 130和132串聯(lián)8個(gè)熱電元件。還通過(guò)電墊片(圖 中未示出)將元件134與另一元件或電源連接。在包括H. J. Goldsmid 的"CRC熱電學(xué)和熱電制冷手冊(cè)"在內(nèi)的幾份文獻(xiàn)中公開(kāi)了該普通結(jié) 構(gòu)。
盡管這些裝置工作良好，但是效率受到普通結(jié)構(gòu)的限制。用來(lái)制 造基片106和108的最常用類(lèi)型材料是96%的氧化鋁。該材料的導(dǎo) 熱性差，例如大約為35瓦/m'C。由于從熱源104向散熱片102傳遞 的熱量必須通過(guò)兩基片108和106，而這兩基片導(dǎo)熱性都很差，因此 降低了裝置的效率。
因此，需要一種具有高熱效率的熱電裝置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明原理，熱電模塊任何側(cè)或雙側(cè)的電接線直接與熱源或 散熱片或需要以熱方式(即受到加熱或冷卻)改變的材料熱接觸，由 此取消了通常在這樣的模塊中使用的普通基片和其相關(guān)的熱電阻?？?以使用導(dǎo)電材料如銅、鋁或任何已知具有較高導(dǎo)熱性的導(dǎo)電體作為一
對(duì)電熱元件之間的電接線，同時(shí)起傳熱介質(zhì)作用，用于傳導(dǎo)由元件產(chǎn) 生的熱能。
在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電接線穿過(guò)導(dǎo)管，該導(dǎo)管輸送要受到加熱或 冷卻的材料。在導(dǎo)管中，導(dǎo)電材料可以形成有效的傳熱形狀如葉片， 其延伸穿過(guò)非導(dǎo)電導(dǎo)管。
在另一實(shí)施例中，構(gòu)成電接線的導(dǎo)體的幾何形狀形成了管，要受 到加熱或冷卻的材料穿過(guò)該管。
使用本發(fā)明模塊不需要分離的熱交換裝置如散熱片、流體板等， 因此減小了熱交換器的尺寸以及通過(guò)取消裝置之間的連接裝置提高 了效率。
此外本發(fā)明可以高效地將廢熱轉(zhuǎn)換成可使用的電能。在將熱電裝 置裝入設(shè)備中的如機(jī)動(dòng)車(chē)排氣管和散熱器的應(yīng)用中，可以有效利用該 設(shè)計(jì)的小尺寸和高效率?？梢钥紤]許多其它用途，包括蒸汽管、處理 管路、通風(fēng)系統(tǒng)等。
在又一實(shí)施例中，在導(dǎo)電表面設(shè)置熱傳導(dǎo)性很高的保護(hù)層，以便 在電解或電離流體流過(guò)接線的應(yīng)用中防止裝置受到腐蝕或短路。


通過(guò)結(jié)合附圖進(jìn)行說(shuō)明可以更好地理解本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和其 他優(yōu)點(diǎn)，其中
圖1A是表示基片、熱電元件和連接的普通熱電模塊的橫截面視
圖1B是圖1A所示裝置的俯視圖，圖中為了露出電連接而去除了
散熱片和上基片。
圖2A是本發(fā)明第一實(shí)施例的主視圖，其中熱電模塊的導(dǎo)電接線 穿過(guò)導(dǎo)管，該導(dǎo)管輸送要受到加熱或冷卻的材料；
圖2B是圖2A所示實(shí)施例的側(cè)視圖，示出了穿過(guò)導(dǎo)管的接線； 圖2C是圖2A所示實(shí)施例的俯視圖，示出了穿過(guò)導(dǎo)管的接線。 圖3是采用圖2A-2C中所示幾個(gè)組件的系統(tǒng)的立體圖； 圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例的立體圖，其中導(dǎo)電接線的形式為傳送 要受到加熱和冷卻的材料的導(dǎo)管的壁。
具體實(shí)施例方式
圖2A、 2B和2C示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的主視圖、側(cè)視圖和俯 視圖。在所示方向中，圖2A的側(cè)視圖和圖2B的主視圖對(duì)應(yīng)圖2C俯 視圖中所示剖面線表示的方向。在該實(shí)施例中，如箭頭201所示，要 受到加熱和冷卻的材料穿過(guò)具有頂壁202和底壁204的導(dǎo)管205，頂 壁202和底壁204由電絕緣材料如聚合物或纖維材料構(gòu)成。導(dǎo)管205 還具有將流體封閉在導(dǎo)管中的端壁(圖中未示出)。交替的一串熱電 元件206、 222、 230等嵌入頂壁202 (或交替安裝在頂壁的表面上)。 在相對(duì)的壁204上附加或嵌入另一交替熱電元件串208、 220、 232等。
由導(dǎo)電體連接這些電元件以形成串聯(lián)連接，P型和N型的熱電元 件交替串聯(lián)，以便形成熱電鏈。例如，元件206和208由在導(dǎo)管205 內(nèi)延伸的導(dǎo)電體210連接，元件222和220由導(dǎo)電體221連接，元件 230和232由導(dǎo)電體231連接。
以類(lèi)似的方式，通過(guò)在導(dǎo)管外部的導(dǎo)電體214、 216和218連接 元件208和220，通過(guò)導(dǎo)電體224、 226和228連接元件222和230。 導(dǎo)體234、 236、 238和240形成與導(dǎo)體242、 244、 248和250同樣的 連接。以類(lèi)似于普通熱電模塊方式的電連接將熱電元件連接成一排。 通過(guò)導(dǎo)體247和203將熱電元件的串聯(lián)鏈與電源相連，使得電流沿箭 頭209方向流動(dòng)，以便以普通方式向熱電模塊供電。
設(shè)置垂直導(dǎo)體214、 218、 224、 228等以形成導(dǎo)管205外部的散 熱片"翼片"，在其上面第二流體可以沿箭頭方向260在導(dǎo)管外部流 動(dòng)。散熱器翼片將熱量傳給第二流體。
根據(jù)本發(fā)明原理，連接熱電元件熱側(cè)或冷側(cè)的導(dǎo)電體直接穿過(guò)導(dǎo) 管205，并直接與要受到加熱或冷卻的材料進(jìn)行熱接觸。例如，導(dǎo)體 210和221穿過(guò)導(dǎo)管205并由此直接接觸導(dǎo)管205中的材料。導(dǎo)體由 一種同時(shí)為良好導(dǎo)電體和熱導(dǎo)體的材料如銅、氧化鋁或其他金屬制
成。因此，導(dǎo)管205中材料的熱量會(huì)通過(guò)導(dǎo)體直接傳給熱電元件而不
是通過(guò)基片。
以類(lèi)似方式使熱電元件與構(gòu)成散熱片翼片的導(dǎo)體214、 218、 224 和228進(jìn)行直接的熱接觸。由此不采用在現(xiàn)有技術(shù)熱電模塊中使用的 氧化鋁基片，其結(jié)果是增強(qiáng)了傳熱并提高了熱效率。
為了進(jìn)一步提高熱效率，盡管所示的導(dǎo)體210、 221等為導(dǎo)管205 中的薄板，但是一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體210、 221等可以形成有效的傳熱形 狀如翼片或葉片，以便進(jìn)一步提高傳熱效率。
在另一種變形中，可以在導(dǎo)體210、 221等上應(yīng)用保護(hù)層207， 同時(shí)將導(dǎo)體210、 221放置在導(dǎo)管205內(nèi)，以防止發(fā)生導(dǎo)體和導(dǎo)管中 材料之間的化學(xué)相互作用。圖2A示出了導(dǎo)體210 —側(cè)上的該覆蓋層。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解如果使用這樣的覆蓋層材料，該覆蓋層會(huì) 蓋住導(dǎo)體在導(dǎo)管205中的所有暴露表面。還可以將類(lèi)似材料應(yīng)用于導(dǎo) 管205外部的導(dǎo)體上。這在導(dǎo)體穿過(guò)電解或電離流體的應(yīng)用中，對(duì)于 防止裝置的腐蝕或短路是特別重要的。保護(hù)覆蓋層應(yīng)該由導(dǎo)熱材料制 成或應(yīng)該很薄，以便不阻礙熱量在導(dǎo)體和材料之間傳遞。
圖3中示出了利用多層熱電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的立體圖。熱電組件300 具有供空氣或一些其他流體沿垂直方向流過(guò)的導(dǎo)管。上下電熱系統(tǒng) 302、 304各自與圖2A-2C中所示的裝置相同，并且各自具有流過(guò)交 替P型和N型熱電元件的電流。例如，系統(tǒng)302的熱電元件是兩分離 層的部分，其間形成導(dǎo)管303，流體通過(guò)導(dǎo)管303流過(guò)導(dǎo)體310、 321 等。由于電流沿第一方向流動(dòng)，導(dǎo)管303中的材料暴露于每個(gè)熱電元 件的冷側(cè)，并且在其到達(dá)組件300后側(cè)的時(shí)間，其溫度下降。熱電系 統(tǒng)304以與系統(tǒng)302相同的方式工作，這里就不詳細(xì)說(shuō)明了 。
如圖3所示，位于熱電元件遠(yuǎn)離導(dǎo)管303的側(cè)面的系統(tǒng)302導(dǎo)電 部分延伸到垂直流道312和314內(nèi)。同樣地，位于熱電元件遠(yuǎn)離導(dǎo)管 305的側(cè)面的系統(tǒng)304導(dǎo)電部分延伸到垂直流道314和316內(nèi)。每個(gè) 表面中嵌入熱電元件，或者將熱電元件附著在每個(gè)表面上，以便使每 個(gè)導(dǎo)管與相鄰導(dǎo)管分離，由此防止流動(dòng)材料的混合。由于延伸到導(dǎo)管
312、 314和316內(nèi)的導(dǎo)電體各自附著在其相應(yīng)熱電元件的熱側(cè)上， 因此流過(guò)熱電組件導(dǎo)管312、 314和316的空氣在此由導(dǎo)電部分加熱。 同樣地，流過(guò)導(dǎo)管303和305的流體在此由導(dǎo)體冷卻，導(dǎo)體各自與熱 電元件的冷側(cè)熱接觸。
圖3的實(shí)施例提供了一種可以向一種流體或多種流體供熱或使 其冷卻的系統(tǒng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知到，通過(guò)提供以與流過(guò)導(dǎo)管 312、 314和316流體顯著不同的溫度流過(guò)導(dǎo)管303和305的流體， 可使該系統(tǒng)用作發(fā)電機(jī)。這樣的流體流動(dòng)會(huì)在每個(gè)系統(tǒng)的熱電元件上 產(chǎn)生熱梯度，導(dǎo)致形成沿一個(gè)方向的DC電流，該方向依賴(lài)于較熱和 較冷流體流過(guò)其導(dǎo)管的方向。還可以知道，如系統(tǒng)302和系統(tǒng)304的 任何數(shù)量的熱電系統(tǒng)可以組裝在一個(gè)如圖3所示的組件中，而用像導(dǎo) 管312、 314和316這樣的交錯(cuò)導(dǎo)管分隔這些系統(tǒng)。這些系統(tǒng)還可以 設(shè)置成使得電流從一個(gè)系統(tǒng)流向下一個(gè)系統(tǒng)，形成一單個(gè)電路。此外， 組件的緊湊形狀使其得以以多個(gè)不同容量使用。例如圖3所示的組 件，可以應(yīng)用該組件通過(guò)使熱廢氣沿一個(gè)方向流過(guò)導(dǎo)管并使冷的新鮮 空氣沿垂直方向流過(guò)而在機(jī)動(dòng)車(chē)中提供電能。實(shí)際上該系統(tǒng)還有許多 其他類(lèi)似的應(yīng)用。
圖4示出了本發(fā)明另一實(shí)施例的立體圖。在該實(shí)施例中，傳遞受 冷和受熱材料的導(dǎo)管由作為熱電模塊組成部分的導(dǎo)體構(gòu)成。特別是， 圖4所示的實(shí)施例和上述實(shí)施例之間的區(qū)別是，在其他實(shí)施例中，構(gòu) 成熱電模塊一側(cè)電接線的導(dǎo)電體穿過(guò)材料輸送導(dǎo)管，而在圖4中，由 導(dǎo)管壁構(gòu)成電連接本身。特別是，圖4中示出了由分段402和404構(gòu) 成的導(dǎo)電導(dǎo)管400的部分。這些導(dǎo)管分段由電絕緣耦接頭406分隔。 以一種使導(dǎo)管壁本身構(gòu)成成對(duì)元件之間電連接的方式，將熱電元件附 著在導(dǎo)管的任何側(cè)面或所有側(cè)面。例如，導(dǎo)管402的壁電連接元件 412、 414和元件410、 418。這些元件還通過(guò)外部電連接件如連接件 424、 426、 428和430連接在一起。以此方式，構(gòu)成熱電模塊冷側(cè)或 熱側(cè)的電連接構(gòu)成了導(dǎo)管分段本身。當(dāng)導(dǎo)體424和428或其他(圖中 未示出)導(dǎo)體與合適的電能源相連時(shí)，電流沿箭頭434、 436、 438和
440方向流動(dòng)，以便引起導(dǎo)管壁變熱或變冷(取決于電流方向)。材 料沿箭頭432所示方向移過(guò)導(dǎo)管并通過(guò)直接熱接觸導(dǎo)管壁而受到冷 卻或加熱。
如上述實(shí)施例所述，保護(hù)層442可以貼在內(nèi)導(dǎo)管壁上，以防止發(fā) 生導(dǎo)體和導(dǎo)管中材料之間的化學(xué)相互作用。圖中只示出了該覆蓋層 442的一小部分?？梢酝ㄟ^(guò)鈍化或其他合適的覆蓋技術(shù)形成保護(hù)層。
盡管己經(jīng)公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯 然可以進(jìn)行各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)具有本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn) 而不背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái) 說(shuō)顯而易見(jiàn)，盡管對(duì)具有特殊形狀和橫截面的導(dǎo)管進(jìn)行了說(shuō)明，但是 可以以與所述方式相同的方式使用其他設(shè)計(jì)。本發(fā)明還包括了其他方 面如熱電元件之間的特定連接和元件的結(jié)構(gòu)以及其它對(duì)發(fā)明原理的 改進(jìn)。
權(quán)利要求
1、用于加熱和冷卻材料的熱電模塊，所述模塊包括多個(gè)P型熱電元件；多個(gè)N型熱電元件；多個(gè)電連接，這些電連接使P型和N型元件與P型和N型元件串聯(lián)，其中一些所述電連接構(gòu)成熱側(cè)組，一些所述電連接構(gòu)成冷側(cè)組；以及供材料通過(guò)的具有壁的導(dǎo)管，其中導(dǎo)管的壁的部分為熱側(cè)電連接組和冷側(cè)電連接組所選之一，導(dǎo)管壁與所述材料直接熱接觸。
2、 如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所選電連接組中的每個(gè)電連接部分穿過(guò)所述導(dǎo)管。
3、 如權(quán)利要求2所述的熱電模塊，其中所選電連接組中的每個(gè)電連接在導(dǎo)管內(nèi)的部分由保護(hù)層覆蓋，以防止所述部分和所述材料之 間的化學(xué)相互作用。
4、 如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所選電連接組中的電連 接構(gòu)成整個(gè)導(dǎo)管壁。
5、 如權(quán)利要求l所述的熱電模塊，其中所述電連接由金屬構(gòu)成。
6、 如權(quán)利要求l所述的熱電模塊，其中所述導(dǎo)管由具有外側(cè)并 由電絕緣接頭分隔的金屬管段構(gòu)成，其中P型和N型熱電元件安裝在 管段的外側(cè)，使得管段作為P型和N型元件之間的一組電連接。
7、 如權(quán)利要求6所述的熱電模塊，其中所述導(dǎo)管的內(nèi)側(cè)覆蓋有 保護(hù)層，以防止所述部分和所述材料之間的化學(xué)相互作用。
8、 一種用熱電模塊以熱方式改變材料的方法，所述模塊具有至 少一個(gè)p型熱電元件、至少一個(gè)N型熱電元件以及所述P型熱電元件 和所述N型熱電元件之間的電連接，所述方法包括- 使所述電連接與所述材料直接熱接觸，其中所述材料在具有壁的 導(dǎo)管中輸送；及使用至少一部分所述導(dǎo)管壁構(gòu)成所述電連接。
9、如權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括步驟用保護(hù)層覆蓋 所述電連接，以防止所述電連接和通過(guò)導(dǎo)管的所述材料之間的化學(xué)相 互作用。
全文摘要
熱電模塊任何側(cè)或雙側(cè)的電接線直接與熱源或散熱片或需要以熱方式(即受到加熱或冷卻)改變的材料熱接觸，由此取消了通常在這樣的模塊中使用的普通基片和其相關(guān)的熱電阻。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電接線穿過(guò)導(dǎo)管，該導(dǎo)管輸送要受到加熱或冷卻的材料。在導(dǎo)管中，導(dǎo)電材料可以形成有效傳熱的形狀如葉片，其延伸穿過(guò)非導(dǎo)電導(dǎo)管壁。在另一實(shí)施例中，構(gòu)成電接線的導(dǎo)體的幾何形狀為管狀，要受到加熱或冷卻的材料穿過(guò)該管。在導(dǎo)電表面設(shè)置熱傳導(dǎo)性很高的保護(hù)層，以便在接線穿過(guò)電解或電離流體的應(yīng)用中防止裝置受到腐蝕或短路。
文檔編號(hào)H01L35/08GK101114691SQ20071014530
公開(kāi)日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月8日
發(fā)明者山村秋良, 羅伯特·W.·奧蒂 申請(qǐng)人:磁性流體技術(shù)(美國(guó))集團(tuán)公司