專利名稱：分裂式熱電結(jié)構(gòu)以及采用該結(jié)構(gòu)的設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型熱電技術(shù)，所述新型熱電技術(shù)基于分裂式熱電結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
用于制冷或發(fā)電的熱電系統(tǒng)具有廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。現(xiàn)有常規(guī)的熱電模塊的結(jié)構(gòu) 不可避免地局限了在所述模塊的熱量吸收側(cè)和熱量消散側(cè)之間傳輸?shù)臒嵬康牧恐?。熱電效?yīng)所基于的物理原理是分別自1821年和1834年已公知的塞貝克 (Seebeck)效應(yīng)和帕爾貼(Peltier)效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)涉及一電流，在由兩種不同的金屬或 導(dǎo)體構(gòu)成的閉合電路中，只要兩種材料之間的連接部保持在給定的溫度梯度，該電流就在 所述閉合電路中連續(xù)地流動(dòng)。相反，帕爾貼效應(yīng)說明，當(dāng)電流流經(jīng)由不同的金屬或?qū)w構(gòu)成 的電路時(shí)，將穿越兩種金屬或?qū)w的連接部產(chǎn)生熱流以及由此的溫度梯度。盡管這些現(xiàn)象已由威廉湯姆遜(William Thomson，即開爾文，LordKelvin)在19 世紀(jì)50年代進(jìn)行了詳細(xì)地解釋，但是直到20世紀(jì)中期，該理論才得以實(shí)際應(yīng)用。任何金屬都能呈現(xiàn)塞貝克效應(yīng)和/或帕爾貼效應(yīng)，這兩個(gè)效應(yīng)都是基于金屬的電 傳導(dǎo)率ke和熱傳導(dǎo)率kt。然而，只有當(dāng)塞貝克系數(shù)和電傳導(dǎo)率都很大而熱傳導(dǎo)率很小時(shí)， 才能測(cè)得明顯的熱電效應(yīng)。該熱電效應(yīng)主要由涵蓋一定溫度范圍的材料的所謂“品質(zhì)因 數(shù)” Z表示，由此Z = α 2ke/kt 等式(1)其中，α是熱電塞貝克系數(shù)；kt是熱傳導(dǎo)率；ke是電傳導(dǎo)率。然而，對(duì)于金屬來說，電傳導(dǎo)率與熱傳導(dǎo)率相關(guān)，即，好的導(dǎo)電體也是好的導(dǎo)熱體。 這大概是熱電效應(yīng)直至如今才應(yīng)用于實(shí)際技術(shù)系統(tǒng)的主要原因。在過去的幾十年里，熱電半導(dǎo)體材料的使用已經(jīng)成為在高科技領(lǐng)域中大量應(yīng)用的 基礎(chǔ)，比如電子、航天、醫(yī)療、能量輸送以及其它科學(xué)運(yùn)作?；A(chǔ)熱電技術(shù)實(shí)際上體現(xiàn)在熱電模塊上，熱電模塊包括數(shù)量變化的熱電偶(通常 為上百個(gè))，由此每個(gè)熱電偶單元基本上由P型和η型半導(dǎo)體元件組成。通常，這些元件電 串聯(lián)，并且熱并聯(lián)。

圖1示意性示出現(xiàn)有技術(shù)中的熱電模塊10的一部分，所述熱電模塊10 夾在與熱源12熱接觸的中間基片12'以及與散熱器14熱接觸的中間基片14'之間。模 塊10由P型和N型半導(dǎo)體元件對(duì)1 和1 通過金屬導(dǎo)體接合片18電串聯(lián)組成。由連接 部22和M示意性地示出至DC電源的正極和負(fù)極的外部電連接。所述半導(dǎo)體元件熱并聯(lián)。 為了使該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在陶瓷板20之間擠壓半導(dǎo)體元件1 和1 的頂部和底部。在圖中，箭 頭指示熱量流動(dòng)的方向。值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)模塊的高度在2至4mm之間。這樣設(shè)置的意義將隨著進(jìn)一步 說明而變得更加清楚，因?yàn)檫@不僅會(huì)涉及熱電模塊兩側(cè)的熱量吸收和熱量消散機(jī)構(gòu)之間的緊密的鄰近(close vicinity)，還涉及其它關(guān)鍵運(yùn)算參數(shù)。顯然，由圖1可以看出，熱電結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)、材料的物理特性、以及電阻和熱阻 都是決定熱電模塊的總體性能的因素。這些參數(shù)與模塊功率的關(guān)系能夠從文獻(xiàn)中獲知，并且可以表示為 r—a2NA*(Th-Tc)權(quán)利要求
1.一種分裂式熱電結(jié)構(gòu)(STES)，包括第一熱電元件和第二熱電元件，所述第一和第 二熱電元件位于距離彼此一定距離處，其中所述第一熱電元件處于高的溫度，并且所述第 二熱電元件處于低的(冷)溫度，并且其中所述第一熱電元件和所述第二熱電元件由中間 連接部或熱電鏈路連接，所述中間連接部既傳導(dǎo)電流又傳導(dǎo)熱量，所述熱電鏈路由一個(gè)或 多個(gè)熱電元件組成，其中所述鏈路中的每對(duì)所述熱電元件由既傳導(dǎo)電流又傳導(dǎo)熱量的中間 連接部連接，其中，所述STES中的每個(gè)所述熱電元件以及每個(gè)所述中間連接部呈現(xiàn)溫度梯 度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STES，其特征在于，所述熱電元件分別由以下類型材料中的 一種制成金屬、P型半導(dǎo)體材料、η型半導(dǎo)體材料或i型半導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STES，其特征在于，所述熱電元件中的至少一些是由不同的 材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STES，其特征在于，所述熱電元件中的至少一些具有不同的 尺寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STES，其特征在于，所述STES為塞貝克設(shè)備，其中，所述第一 和第二元件之間的連接部維持在不同溫度，以沿著連接所述第一和第二元件的所述連接部 產(chǎn)生電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STES，其特征在于，所述STES為帕爾貼設(shè)備，其中電流被促 使流經(jīng)連接所述第一和第二元件的所述連接部，由此冷卻所述第一元件并加熱所述第二元 件。
7.一種利用一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求5所述的STES的系統(tǒng)，其中，熱源來自余熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述余熱由機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生。
9.一種利用一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求5所述的STES的系統(tǒng)，其中，熱源為太陽。
10.一種利用一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求5所述的STES的系統(tǒng)，其中，所述第二元件由行 駛的機(jī)動(dòng)車的制冷系統(tǒng)所冷卻。
11.一種熱電設(shè)備，包括多對(duì)根據(jù)權(quán)利要求1所述的STES，其中，每對(duì)中的一個(gè)STES由 P型半導(dǎo)體元件組成，并且所述對(duì)中的另一個(gè)STES由η型半導(dǎo)體元件組成，其中，所述設(shè)備 中的每個(gè)STES的所述第一熱電元件附接至第一支撐層，并且所述設(shè)備中的每個(gè)STES的所 述第二熱電元件附接至第二支撐層，其中所述第一和所述第二支撐層在其表面包括金屬導(dǎo) 體接合片，所述金屬導(dǎo)體接合片將所述設(shè)備中的所有STES以串聯(lián)方式電連接。
12.一種利用根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電設(shè)備的系統(tǒng)，其中所述第一支撐層熱連接至 熱源，并且所述第二支撐層熱連接至散熱器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)為塞貝克設(shè)備，其中所述第一支撐層和第 二支撐層維持在不同溫度，以沿著連接所述第一支撐層和第二支撐層的STES產(chǎn)生電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)為帕爾貼設(shè)備，其中電流被促使流經(jīng)連接 所述第一支撐層和第二支撐層的STES，由此冷卻所述第一支撐層并加熱所述第二支撐層。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱源或散熱器或兩者都距離其各 自的支撐層一定距離定位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分裂式熱電結(jié)構(gòu)(STES)以及采用該結(jié)構(gòu)的設(shè)備和系統(tǒng)。所述STES包括處于高溫的第一熱電元件和處于低(冷)溫的第二熱電元件。第一熱電元件和第二熱電元件由中間連接部或者熱電鏈路連接，所述中間連接部既導(dǎo)電又導(dǎo)熱，所述熱電鏈路由一個(gè)或多個(gè)熱電元件組成。所述鏈路中的每對(duì)熱電元件由既導(dǎo)電又導(dǎo)熱的中間連接部連接。STES中的每個(gè)熱電元件和每個(gè)中間連接部呈現(xiàn)溫度梯度。STES能夠用于塞貝克或帕爾貼設(shè)備。STES能夠用于構(gòu)造由多個(gè)n型和p型STES對(duì)組成的設(shè)備，其中設(shè)備中的每個(gè)STES每端都連接至支撐層。其中支撐層中的一個(gè)熱連接至熱源，并且第二支撐層熱連接至散熱器以形成熱電系統(tǒng)。熱源或散熱器或其二者位于距離其各自的支撐層一定距離處。
文檔編號(hào)H01L35/32GK102106010SQ200980126318
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月6日
發(fā)明者諾姆·達(dá)南伯格 申請(qǐng)人:拉莫斯有限公司