CN100346489C - 具有一体热交换器的热电模块和使用方法 - Google Patents

Abstract

热电模块任何侧或双侧的电接线直接与热源或散热片或需要以热方式(即受到加热或冷却)改变的材料热接触，由此取消了通常在这样的模块中使用的普通基片和其相关的热电阻。在一个实施例中，导电接线穿过导管，该导管输送要受到加热或冷却的材料。在导管中，导电材料可以形成有效传热的形状如叶片，其延伸穿过非导电导管壁。在另一实施例中，构成电接线的导体的几何形状为管状，要受到加热或冷却的材料穿过该管。在导电表面设置热传导性很高的保护层，以便在接线穿过电解或电离流体的应用中防止装置受到腐蚀或短路。

Description

具有一体热交换器的热电模块和使用方法

发明领域

本发明涉及一种传热装置，特别是涉及一种热电传热装置。

发明背景

热电模块是利用称为“珀尔帖效应”的效应将电能转换成温度梯度的固态装置。此外，通过设置穿过装置的温度梯度而将热能应用于这样的装置，以便利用称为“赛贝克效应”的效应来产生电能。

当由电池或其他DC电源来向热电模块提供合适的电压时，模块的一侧变冷，而模块的另一侧变热。模块的“冷”、“热”侧依赖于流过装置的电流；如果使模块的电压极性反向由此引起电流反向，则模块“冷”侧会变成“热”侧，反之亦然。通常通过将热电模块放置在热源和散热片如流体板、平板或对流散热片之间而使用热电模块。热电模块的“冷”侧上会吸收热源的热量并将热量传递给其“热”侧和散热片。

普通热电模块由一排通常由碲化铋(Bismuth Telluride)构成并可以P型和N型提供的称为“小片(dice)”的热电元件构成。P型和N型材料是在相同温度可具有不同自由电子密度的铋和碲的合金。P型小片由电子缺失的材料组成，而N型小片由电子过剩的材料组成。多数模块具有相同数量的P型和N型小片，公用一个电连接的每种类型的一个模称为“电偶(couple)”。当电流流过该电偶时，试图在材料内形成新的平衡。电流的方向会决定特定侧的温度是否要下降或升高。

一排P型和N型热电元件电连接成串联电偶链，使交替元件类型通过电接线相连。当如此连接时，电接线构成了装置的冷热侧，当向电偶链供电则使交替接线分别变热和变冷。

为了构成紧密和形状上凹凸不平的模块，小片通常被夹在形成机械刚度和电绝缘的两陶瓷片之间。通过通常为金属垫片的导电材料将P型和N型小片进行串联电连接，该导电材料电镀在或附着在陶瓷片上。为了保证机械强度通常将小片焊接在垫片上。

图1A和1B分别示出了一种这样的热电模块的横截面视图和俯视图。在图1A中，模块100夹在翼片状对流型散热片102和热源104之间。在图1B中，去除了散热片102和上基片106而露出使热电元件互连的金属垫片。。

图1A中示出了三个这样的元件110、112和114。如上所述，元件连接成电偶，使得P型小片与N型小片相互交替。例如，热电元件110和112通过电垫片116相互电连接。同样，元件112和114通过垫片120连接。垫片118和122将元件110和114连接于其他元件(图中未示出)。

图1B是露出了电连接的俯视图。如图所述，垫片116、120、122、124、126、128、130和132串联8个热电元件。还通过电垫片(图中未示出)将元件134与另一元件或电源连接。在包括H.J.Goldsmid的“CRC热电学和热电制冷手册”在内的几份文献中公开了该普通结构。

尽管这些装置工作良好，但是效率受到普通结构的限制。用来制造基片106和108的最常用类型材料是96％的氧化铝。该材料的导热性差，例如大约为35瓦/m℃。由于从热源104向散热片102传递的热量必须通过两基片108和106，而这两基片导热性都很差，因此降低了装置的效率。

因此，需要一种具有高热效率的热电装置。

发明内容

根据本发明原理，热电模块任何侧或双侧的电接线直接与热源或散热片或需要以热方式(即受到加热或冷却)改变的材料热接触，由此取消了通常在这样的模块中使用的普通基片和其相关的热电阻。可以使用导电材料如铜、铝或任何已知具有较高导热性的导电体作为一对电热元件之间的电接线，同时起传热介质作用，用于传导由元件产生的热能。

在一个实施例中，导电接线穿过导管，该导管输送要受到加热或冷却的材料。在导管中，导电材料可以形成有效的传热形状如叶片，其延伸穿过非导电导管。

在另一实施例中，构成电接线的导体的几何形状形成了管，要受到加热或冷却的材料穿过该管。

使用本发明模块不需要分离的热交换装置如散热片、流体板等，因此减小了热交换器的尺寸以及通过取消装置之间的连接装置提高了效率。

此外本发明可以高效地将废热转换成可使用的电能。在将热电装置装入设备中的如机动车排气管和散热器的应用中，可以有效利用该设计的小尺寸和高效率。可以考虑许多其它用途，包括蒸汽管、处理管路、通风系统等。

在又一实施例中，在导电表面设置热传导性很高的保护层，以便在电解或电离流体流过接线的应用中防止装置受到腐蚀或短路。

附图简要说明

通过结合附图进行说明可以更好地理解本发明的上述优点和其他优点，其中：

图1A是表示基片、热电元件和连接的普通热电模块的横截面视图；

图1B是图1A所示装置的俯视图，图中为了露出电连接而去除了散热片和上基片。

图2A是本发明第一实施例的主视图，其中热电模块的导电接线穿过导管，该导管输送要受到加热或冷却的材料；

图2B是图2A所示实施例的侧视图，示出了穿过导管的接线；

图2C是图2A所示实施例的俯视图，示出了穿过导管的接线。

图3是采用图2A-2C中所示几个组件的系统的立体图；

图4是本发明另一实施例的立体图，其中导电接线的形式为传送要受到加热和冷却的材料的导管的壁。

实施例描述

图2A、2B和2C示出了本发明第一实施例的主视图、侧视图和俯视图。在所示方向中，图2A的侧视图和图2B的主视图对应图2C俯视图中所示剖面线表示的方向。在该实施例中，如箭头201所示，要受到加热和冷却的材料穿过具有顶壁202和底壁204的导管205，顶壁202和底壁204由电绝缘材料如聚合物或纤维材料构成。导管205还具有将流体封闭在导管中的端壁(图中未示出)。交替的一串热电元件206、222、230等嵌入顶壁202(或交替安装在顶壁的表面上)。在相对的壁204上附加或嵌入另一交替热电元件串208、220、232等。

由导电体连接这些电元件以形成串联连接，P型和N型的热电元件交替串联，以便形成热电链。例如，元件206和208由在导管205内延伸的导电体210连接，元件222和220由导电体221连接，元件230和232由导电体231连接。

以类似的方式，通过在导管外部的导电体214、216和218连接元件208和220，通过导电体224、226和228连接元件222和230。导体234、236、238和240形成与导体242、244、248和250同样的连接。以类似于普通热电模块方式的电连接将热电元件连接成一排。通过导体247和203将热电元件的串联链与电源相连，使得电流沿箭头209方向流动，以便以普通方式向热电模块供电。

设置垂直导体214、218、224、228等以形成导管205外部的散热片“翼片”，在其上面第二流体可以沿箭头方向260在导管外部流动。散热器翼片将热量传给第二流体。

根据本发明原理，连接热电元件热侧或冷侧的导电体直接穿过导管205，并直接与要受到加热或冷却的材料进行热接触。例如，导体210和221穿过导管205并由此直接接触导管205中的材料。导体由一种同时为良好导电体和热导体的材料如铜、氧化铝或其他金属制成。因此，导管205中材料的热量会通过导体直接传给热电元件而不是通过基片。

以类似方式使热电元件与构成散热片翼片的导体214、218、224和228进行直接的热接触。由此不采用在现有技术热电模块中使用的氧化铝基片，其结果是增强了传热并提高了热效率。

为了进一步提高热效率，尽管所示的导体210、221等为导管205中的薄板，但是一个或多个导体210、221等可以形成有效的传热形状如翼片或叶片，以便进一步提高传热效率。

在另一种变形中，可以在导体210、221等上应用保护层207，同时将导体210、221放置在导管205内，以防止发生导体和导管中材料之间的化学相互作用。图2A示出了导体210一侧上的该覆盖层。本领域的技术人员可以理解如果使用这样的覆盖层材料，该覆盖层会盖住导体在导管205中的所有暴露表面。还可以将类似材料应用于导管205外部的导体上。这在导体穿过电解或电离流体的应用中，对于防止装置的腐蚀或短路是特别重要的。保护覆盖层应该由导热材料制成或应该很薄，以便不阻碍热量在导体和材料之间传递。

图3中示出了利用多层热电结构的系统的立体图。热电组件300具有供空气或一些其他流体沿垂直方向流过的导管。上下电热系统302、304各自与图2A-2C中所示的装置相同，并且各自具有流过交替P型和N型热电元件的电流。例如，系统302的热电元件是两分离层的部分，其间形成导管303，流体通过导管303流过导体310、321等。由于电流沿第一方向流动，导管303中的材料暴露于每个热电元件的冷侧，并且在其到达组件300后侧的时间，其温度下降。热电系统304以与系统302相同的方式工作，这里就不详细说明了。

如图3所示，位于热电元件远离导管303的侧面的系统302导电部分延伸到垂直流道312和314内。同样地，位于热电元件远离导管305的侧面的系统304导电部分延伸到垂直流道314和316内。每个表面中嵌入热电元件，或者将热电元件附着在每个表面上，以便使每个导管与相邻导管分离，由此防止流动材料的混合。由于延伸到导管312、314和316内的导电体各自附着在其相应热电元件的热侧上，因此流过热电组件导管312、314和316的空气在此由导电部分加热。同样地，流过导管303和305的流体在此由导体冷却，导体各自与热电元件的冷侧热接触。

图3的实施例提供了一种可以向一种流体或多种流体供热或使其冷却的系统。本领域的技术人员会知到，通过提供以与流过导管312、314和316流体显著不同的温度流过导管303和305的流体，可使该系统用作发电机。这样的流体流动会在每个系统的热电元件上产生热梯度，导致形成沿一个方向的DC电流，该方向依赖于较热和较冷流体流过其导管的方向。还可以知道，如系统302和系统304的任何数量的热电系统可以组装在一个如图3所示的组件中，而用像导管312、314和316这样的交错导管分隔这些系统。这些系统还可以设置成使得电流从一个系统流向下一个系统，形成一单个电路。此外，组件的紧凑形状使其得以以多个不同容量使用。例如图3所示的组件，可以应用该组件通过使热废气沿一个方向流过导管并使冷的新鲜空气沿垂直方向流过而在机动车中提供电能。实际上该系统还有许多其他类似的应用。

图4示出了本发明另一实施例的立体图。在该实施例中，传递受冷和受热材料的导管由作为热电模块组成部分的导体构成。特别是，图4所示的实施例和上述实施例之间的区别是，在其他实施例中，构成热电模块一侧电接线的导电体穿过材料输送导管，而在图4中，由导管壁构成电连接本身。特别是，图4中示出了由分段402和404构成的导电导管400的部分。这些导管分段由电绝缘耦接头406分隔。以一种使导管壁本身构成成对元件之间电连接的方式，将热电元件附着在导管的任何侧面或所有侧面。例如，导管402的壁电连接元件412、414和元件410、418。这些元件还通过外部电连接件如连接件424、426、428和430连接在一起。以此方式，构成热电模块冷侧或热侧的电连接构成了导管分段本身。当导体424和428或其他(图中未示出)导体与合适的电能源相连时，电流沿箭头434、436、438和440方向流动，以便引起导管壁变热或变冷(取决于电流方向)。材料沿箭头432所示方向移过导管并通过直接热接触导管壁而受到冷却或加热。

如上述实施例所述，保护层442可以贴在内导管壁上，以防止发生导体和导管中材料之间的化学相互作用。图中只示出了该覆盖层442的一小部分。可以通过钝化或其他合适的覆盖技术形成保护层。

尽管已经公开了本发明的实施例。对于本领域的技术人员来说显然可以进行各种变化和改进，这些变化和改进具有本发明的一些优点而不背离本发明的精神和范围。例如，对于熟悉本领域的技术人员来说显而易见，尽管对具有特殊形状和横截面的导管进行了说明，但是可以以与所述方式相同的方式使用其他设计。本发明还包括了其他方面如热电元件之间的特定连接和元件的结构以及其它对发明原理的改进。

Claims (9)

1、一种以热方式改变材料的热电模块，所述模块包括：

具有至少一顶壁和一底壁的导管；

与所述顶壁连接的至少一个P型热电元件；

与所述底壁连接的至少一个N型热电元件；以及

在顶壁的所述P型热电元件和底壁的所述N型热电元件之间的电连接，所述电连接直接热接触于所述顶壁和所述底壁之间的材料，并且其中所述P型元件和所述N型元件与所述电连接邻接。

2、如权利要求1所述的热电模块，其中所述电连接呈板形。

3、如权利要求1所述的热电模块，其中所述材料在具有壁的导管中输送，所述电连接构成至少一部分所述导管壁。

4、如权利要求3所述的热电模块，其中所述电连接构成整个导管壁。

5、如权利要求1所述的热电模块，其中所述材料是一种热源。

6、如权利要求1所述的热电模块，其中所述材料是散热片。

7、如权利要求1所述的热电模块，其中所述电连接由保护层覆盖，以防止所述电连接和所述材料之间的化学相互作用。

8、一种用热电模块以热方式改变材料的方法，所述方法包括：

将至少一P型热电元件与导管的一对相对侧中的一侧连接并将N型热电元件与所述导管的一对相对侧中的另一侧连接；以及

在连接到导管的一对相对侧中之一侧的所述P型元件和连接到所述导管的一对相对侧的另一侧的N型元件之间形成电连接，其中所述电连接位于所述导管的一对相对侧之间并邻接于所述P型和N型元件。

9、如权利要求8所述的方法，进一步包括步骤：用保护层覆盖所述电连接，以便防止所述电连接和所述材料之间的化学相互作用。

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