CN101599525A - 热电模块装置和用于其中的热交换器 - Google Patents
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Abstract
一种热电模块装置(10)从热侧吸收热量，并将热量传递至冷侧；该热电模块装置构造有在热侧上的散热部件(11)、在冷侧上的散热部件(16)和热电元件串联结构(PLT)，该热电元件串联结构(PLT)由不同传导类型的半导体元件(14)的对、吸热金属电极(15)和放热金属电极(13)形成；由于装配孔(11e)和不漏蒸气的壁，散热部件(11/16)的整个主表面不用于吸热金属电极(15)和放热金属电极(13)，从而被金属电极(13/15)占据的区域(13a/15a)与可利用区域的比以及未用于金属电极(13/15)的区域与整个主表面的比不小于50％和不大于20％。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电模块装置，更具体地涉及一种具有珀尔元件阵列和热交换器的热电模块装置，该热交换器连接至该热电模块装置的吸热基板和/或放热基板。
背景技术
热电模块装置具有p型半导体元件和n型半导体元件阵列，该阵列设置在吸热基板上的吸热电极和放热基板上的放热电极之间，该吸热电极和放热电极使得p型半导体和n型半导体交替地串联连接。当电流流过p型半导体和n型半导体时，p型半导体和n型半导体导致吸热基板和放热基板之间的温度形成差异。为了增加要被传递的热量的量，热交换器连接至吸热基板和/或放热基板。
热交换器的典型例子在日本专利申请No.2003-332642中披露。图1A显示了在该日本专利申请中披露的现有技术热电模块装置。
现有技术热电模块装置整体通过附图标记50表示。现有技术热电模块装置50包括热交换器或散热部件51、电绝缘层52、金属化层53、导电金属电极50a和半导体元件55，即p型半导体元件55a和n型半导体元件55b。p型半导体元件55a、n型半导体元件55b、放热金属电极54和吸热金属电极56形成珀耳帖元件50a。散热部件51由铝制成，电绝缘层52由防蚀铝制成。电绝缘层52形成在散热部件51上。电绝缘层50a被分为两组，即放热电极54和吸热金属56。金属化层53用铜并通过电镀在电绝缘层52的主表面上形成，并且布置为与放热金属电极54相同的样式。
放热金属电极54分别设置在金属化层53上，一对p型半导体元件55a和n型半导体元件55b与放热金属电极54接触。在放热金属电极54的一个上的p型半导体元件55a和n型半导体元件55b分别通过吸热金属电极56连接至邻近放热金属电极54的n型半导体元件55b以及通过另一吸热金属电极56连接至另一放热金属电极54上的p型半导体元件55a。由此，p型半导体元件55a和n型半导体元件55b通过放热金属电极54和吸热金属电极56交替地串联连接。
虽然在图1A中未示出，电势源连接在p型半导体元件55a和n型半导体元件55b的串联组合的一端处的放热金属电极54和该串联组合的另一端处的另一吸热金属电极54之间。当电流流过p型半导体元件55a、导电金属电极50a和n型半导体元件55b的串联组合时，吸热金属电极56的温度高于放热金属电极54的温度，相应地高于散热部件51的温度。
诸如热电模块装置50这样的热电模块装置在市场上有售并形成各种消费品的一部分。
防蚀铝制成的电绝缘层52形成在散热部件51的主表面上方，并被珀耳帖元件50a零散地占据，如图1B所示。被珀耳帖元件50a占据的区域被称为“单元被占据区域57a、57b或57c”，用具有单元被占据区域57a、57b和57c的包围部包围的区域被称为“被占据区域”。不能被珀耳帖元件50a占据的区域被称为“非被占据区域”。附图标记“57x”指示散热部件51的整个主表面。
现有技术热电模块装置面对的问题在于，现有技术热电模块没有展现出预期的吸热特性或预期的放热特性。换句话说，用户需要大尺寸的热电模块装置来获得预期的吸热特性或预期的放热特性。
发明内容
因此，本发明的一个重要目的是提供一种热电模块装置，其能展现出良好的吸热特性或良好的放热特性。
本发明的另一重要目的是提供一种热交换器，其使得热电模块装置能展现出良好的吸热特性或良好的放热特性。
本发明的发明人研究了上述问题并注意到，制造者没有考虑被占据区域57a、57b和57c的比例和未被占据区域的比例。本发明的发明人推理出，未被占据区域导致散热部件51具有不期望有的温度分布。虽然散热部件51具有足够宽的主表面以展现出良好的吸热特性，但是不均匀的温度分布使得吸热特性比设计图纸上的差。
本发明的发明人研究了现有技术热电模块装置在主表面上的温度分布，并发现在现有技术热电模块装置中发生严重的温度分布。
本发明的发明人还进行实验以观察被占据区域的比例和未被占据区域的比例对温度分布是否有明显的影响。本发明的发明人确定，被占据区域的比例和未被占据区域的比例对温度分布有明显的影响，并相应地对热电模块装置的热传递特性有明显影响，发明人还进一步找到了比例的临界值。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于将热量从冷侧传递至热侧的热电模块装置，包括：第一散热部件，具有热传导性和电绝缘性，该第一散热部件具有主表面和用作所述冷侧和热侧中的一个的热交换表面；第二散热部件，具有热传导性和电绝缘性，该第二散热部件具有另一主表面和用作所述冷侧和热侧中的另一个的另一热交换表面；和一组热电元件，设置在所述主表面和所述另一主表面之间，占据所述主表面中的被占据区域和所述另一主表面中的另一被占据区域，并且所述一组热电元件被施加有电压，以便在所述第一散热部件和所述第二散热部件之间传递热量，其中，所述主表面和所述另一主表面分别具有可利用区域和另一可利用区域，所述可利用区域能被所述一组热电元件占据，所述另一可利用区域能被所述一组热电元件占据。所述被占据区域和所述可利用区域之间的比与所述另一被占据区域和所述另一可利用区域之间的比等于或大于50％。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于一组热电元件的热交换器，包括：安装部分，具有：主表面，包括可利用区域，所述可利用区域能被所述一组热电元件占据；和热交换表面，在与所述主表面的温度不同的一定温度下与介质保持接触。所述可利用区域和被所述一组热电元件占据的被占据区域之间的比等于或大于50％。
附图说明
结合附图将通过以下描述更加清晰地理解热电模块装置和热交换器的特点和优势，在附图中：
图1A是显示了在日本专利申请中披露的现有技术热电模块装置的结构的横截面视图，
图1B是显示了珀耳帖元件在该现有技术热电模块装置的电绝缘层上的布局的平面视图，
图2A至2C是显示了本发明热电模块装置在制造过程中的不同步骤时的结构的示意横截面视图，
图3A是显示了下电极在热电模块装置的电绝缘层上的布局的示意平面视图，
图3B是显示了与下电极上的半导体元件互连的上电极的布局的示意平面视图，
图4是显示了在实验中用于测量最大吸热量的热电模块装置的样品的示意图，
图5是以未被占据区域的形式显示了最大吸热量的视图，
图6A至6C是显示了本发明另一热电模块装置在制造过程中的不同步骤时的结构的示意横截面视图，
图7A是显示了下电极在热电模块装置的电绝缘层上的布局的示意平面视图，
图7B是显示了与下电极上的半导体元件互连的上电极的布局的示意平面视图，
图8是显示了在实验中用于测量最大吸热量的热电模块装置的样品的示意图，
图9是以被占据区域的形式显示了最大吸热量的图表，
图10A至10C是显示了本发明又一热电模块装置在制造过程中的不同步骤时的结构的示意横截面视图，
图11A是显示了下电极在热电模块装置的电绝缘层上的布局的示意平面视图，
图11B是显示了热电模块装置的上电极的布局的示意平面视图，
图12是显示了在实验中用于测量最大吸热量的热电模块装置的样品的示意图，
图13是显示了以被占据区域的形式显示了最大吸热量的图表，
图14是显示了用于不漏蒸气的壁的沟槽的示意平面视图，
图15是以被未占据区域的形式显示了最大吸热量的图表，其通过在热电模块装置的样品上的实验获得，以及
图16是以被未占据区域的形式显示了最大吸热量的图表，其通过实验获得。
具体实施方式
本发明的热电模块装置用于将热量从冷侧传递至热侧，并主要包括第一散热部件(heat sink)、第二散热部件和一组热电元件。该一组热电元件夹在第一散热部件和第二散热部件之间。当电流流过该一组热电元件时，该一组热电元件使得第一和第二散热部件中的一个以及第一和第二散热部件中的另一个温度下降和上升，以使得形成冷侧和热侧。
第一散热部件由具有热传导性和电绝缘性的材料制成，并具有主表面和热交换表面。该第二散热部件也由具有热传导性和电绝缘性的材料制成，并具有另一主表面和另一热交换表面。
该一组热电元件设置在第一散热部件的主表面和第二散热部件的上述另一主表面之间。该一组热电元件的一端在主表面中占据一被占据区域，该一组热电元件的另一端在上述另一主表面中占据另一被占据区域。当电压施加在该一组热电元件时，冷侧和热侧分别在热交换器表面中形成，热量在第一散热部件和第二散热部件之间传递。
主表面和上述另一主表面分别具有一可利用区域和另一可利用区域。对于这些热电元件组而言，可以占据可利用区域和上述另一可利用区域，因为任何其它机构均不能占据该可利用区域和上述另一可利用区域。被其它机构占据的区域称为“未被占据区域”，因此可利用区域面积等于主表面的面积和未被占据区域的面积之间的差。“被占据区域”限定为主表面或上述另一主表面中的被该一组热电元件占据的区域。需注意，该一组热电元件占据该被占据区域。即使在热电元件之间存在空置的区域，该空置区域也能形成被占据区域的一部分。在热电元件以行和列布置的情况下，被占据区域等于用最外行热电元件的侧表面和最外列热电元件的端表面共面所在的包围表面所包围的区域。
本发明的发明人发现，在被占据区域和可利用区域之间的比与上述另一被占据区域和上述另一可利用区域之间的比等于或大于50％的条件下，大量的热量在冷侧和热侧之间传递。为此，本发明的热电模块装置满足该条件。大量的热量被传递的原因是热交换表面上的温度分散变得缓和。
本发明的发明人还发现，未被占据区域和主表面/另一主表面的区域之间的比的临界值。在未被占据区域和主表面/另一主表面的区域之间的比等于或小于20％的情况下，样品展现出良好的热传递特性。
在热电模块装置实现以上两种条件时，热传递特性被进一步增强。
第一实施例
图2A至2C显示了根据本发明的热电模块装置10在制造过程中的不同步骤时的结构。当电流流过热电模块装置10时，在热电模块装置10中形成冷侧和热侧。但是，冷侧和热侧取决于电流方向。为此，在以下描述中，电极没有用术语“吸热(endoergic)”和“放热(exoergic)”限定。
如图2C所示，热电模块装置10主要包括第一散热部件11、第二散热部件16和珀耳帖元件(Peltier element)PLT阵列。珀耳帖元件PLT阵列电串联连接，以便形成珀耳帖元件PLT的串联组合，珀耳帖元件PLT阵列夹在第一散热部件11和第二散热部件16之间。第一散热部件11和第二散热部件16用作热交换器。虽然图2A至2C中未示出，电源缆线连接到串联组合的一端处的一个珀耳帖元件PLT和串联组合的另一端处的另一珀耳帖元件。
第一散热部件11由高热传导材料制成，诸如铜、铜合金、铝或铝合金，并具有鳍状部分11a、安装部分11b和电绝缘层12。安装部分11b具有主表面11c和与主表面11c相反的另一主表面11d。安装部分11b的主表面11c覆盖有电绝缘层12，鳍状部分11a间隔地从主表面11d突出。
电绝缘层12由绝缘材料制成，诸如绝缘合成树脂、含填充物的绝缘合成树脂或绝缘合金(insulating alloy)。绝缘合成树脂的例子是聚酰亚胺树脂(polyimide resin)或环氧树脂，绝缘合金的例子是防蚀铝(alumite)。期望用填充物增强电绝缘层12的热传导性，填充物例如是氧化铝粉末(即，Al2O3粉末)，氮化铝粉末(即，AlN粉末)、氧化镁粉末(即，MgO粉末)或碳化硅粉末(即，SiC粉末)。粉末具有微粒尺寸，即平均直径等于或小于15μm。在电绝缘层12层叠在主表面11c上之前，可使填充物分散在绝缘合成树脂中，诸如分散在聚酰亚胺树脂和环氧树脂中。电绝缘层12具有10μm至100μm的厚度范围。
金属电极13形成在电绝缘层12上，如图2A所示，并布置为矩阵，这将在以下描述。
第二散热部件16由铝制成，也具有鳍状部分16a、安装部分16b和电绝缘层17。安装部分16b具有主表面16c和另一主表面16d，主表面16d与主表面16c相反。安装部分16b的主表面16c覆盖有电绝缘层17，鳍状部分16a间隔地从主表面16d突出。由此，除了金属电极13，第二散热部件16具有与第一散热部件11类似的结构，如图2A所示。
电绝缘层17也由绝缘材料制成，诸如绝缘合成树脂、含填充物的绝缘合成树脂或绝缘合金。绝缘合成树脂的例子是聚酰亚胺树脂或环氧树脂，绝缘合金的例子是防蚀铝。填充物例如是氧化铝粉末(即，Al2O3粉末)，氮化铝粉末(即，AlN粉末)、氧化镁粉末(即，MgO粉末)或碳化硅粉末(即，SiC粉末)。粉末具有微粒尺寸，即，平均直径等于或小于15μm。可使填充物在电绝缘层17层叠在主表面16c上之前分散在绝缘合成树脂中，诸如分散在聚酰亚胺树脂和环氧树脂中。电绝缘层17具有10μm至100μm的厚度。
随后，在第一散热部件11上制造珀耳帖元件PTL，如图2B所示。珀耳帖元件PLT阵列由两种类型的半导体元件14(即，p型半导体元件和n型半导体元件)、金属电极15和金属电极13制成。金属电极13和15由铜或铜合金制成，并具有70μm至200μm的厚度范围。
可使一种传导类型(即，p型或n型)的半导体元件14与另一种传导类型(即，n型或p型)的半导体元件14成对，半导体元件14的这些对分别在其下端处钎焊至金属电极13并在其上端处钎焊至金属电极15，以使得每对半导体元件14连接至相关联的金属电极13和15。但是，每对半导体元件14彼此不直接接触。
除了在串联组合两端处的金属电极13上的半导体元件14，每个金属电极13上的一种传导类型的半导体元件14和另一种传导类型的半导体元件14通过金属电极13彼此连接，并且通过金属电极15分别连接至在邻近金属电极13上的另一种传导类型的半导体元件和在另一邻近金属电极13上的一种传导类型的半导体元件。供电缆线在串联组合的两端处连接至金属电极13，直流电压被施加至该串联的半导体元件14。在串联组合两端处的吸热金属电极13形成有用于电源缆线的端子部分。
在这种情况下，半导体元件14由p型化合物半导体(compoundsemiconductor)和n型化合物半导体制成。由于Bi-Te系中的化合物半导体的烧结产品在室温展现出良好的性能，所以Bi-Sb-Te化合物半导体被用作p型化合物半导体，Bi-Sb-Te-Se化合物半导体被用作n型化合物半导体。Bi-Sb-Te化合物半导体表达为Bi0.5Sb1.5Te3，Bi-Sb-Te-Se化合物半导体表达为Bi1.9Sb0.1Te2.6Se0.4。
如下所述，半导体元件14由熔化的p型化合物半导体和熔化的n型化合物半导体形成。熔化的p型化合物半导体和熔化的n型化合物半导体通过液体介质淬火方法(liquid quenching method)分别形成为p型化合物半导体片和n型化合物半导体片。p型化合物半导体片和n型化合物半导体片经历热压制，以便获得p型化合物半导体块和n型化合物半导体块。p型化合物半导体块被切成p型化合物半导体柱，且n型化合物半导体块被切成n型化合物半导体柱。p型化合物半导体柱和n型化合物半导体柱长度测得为1.35mm，宽度测得为1.35mm，高度测得为1.5mm。每个p型化合物半导体柱的两端表面和每个n型化合物半导体柱的两端表面镀有镍，从而获得半导体元件14。
半导体元件14钎焊至金属电极13和15。SnSb合金、AuSn合金和SnAgCu合金可用于钎焊。
最后，第二散热部件16连接至珀耳帖元件PLT阵列，如图2C所示。详细地说，第二散热部件16被翻转，使电绝缘层17与金属电极15相对。电绝缘层17与金属电极15接触并连接至金属电极15。
安装部分11b具有矩形六面体构造，装配孔11e形成在安装部分11b的角部处，如图3A所示。在以下的描述中，术语“主表面”不仅表示主表面11c、11d、16c或16d，还表示电绝缘层12或17的顶表面，因为主表面11c/11d或16c/16d面积等于电绝缘层12或17的顶表面。
当第一散热部件11被组装时，诸如螺栓和螺母这样的联接构件CP占据装配孔11e，且由于装配孔11e，制造者不会在该角部处形成任何电极。为此，不能在角部区域形成金属电极13，该角部区域用作未被占据区域。如果诸如用于不漏蒸气(vapor-proof)的密封壁的沟槽这样的其它类型机构形成在主表面11c上，则被该机构占据的区域也形成未被占据区域的一部分。未被占据区域限定为安装部分11b的主表面一部分——该部分实体上不能被电极13占据。虽然装配孔11e之间的周边区域11f在这种情况下空置，但是未被占据区域不包含周边区域11f。
虽然用于不漏蒸气的密封壁的沟槽形成在散热部件11和16中，但是为了简便可省略沟槽和不漏蒸气的密封壁。
金属电极13在包围表面13a内形成在区域11h中，在该包围表面中，最靠外的那些金属电极13的侧表面及端表面共面。区域11h用作被占据区域。由此，被占据区域被限定为金属电极13的矩阵所占据的区域。
根据本发明，未被占据区域等于或小于主表面11c的20％。在这种情况下，角部区域的总和是主表面11c的7％。另一方面，被占据区域等于或大于可利用区域的50％，该可利用区域根据本发明被限定为等于主表面11c和未被占据区域之间的差。在这种情况下，区域11h大于可利用区域的50％。
在区域11h中，即在被占据区域中，金属电极13以行和列布置，即，以间隔“t”布置为矩阵。金属电极13具有矩形顶表面，矩形顶表面长度测得为3mm，宽度测得为1.8毫米。距离“t”比1.8mm的宽度小。
安装部分16b具有矩形六面体构造，装配孔16e形成在安装部分11b的角部处，如图3B所示。当第二散热部件16被组装时，联接构件CP占据装配孔16e，且由于装配孔16e，制造者不会将该角部区域分配给电极15。为此，角部区域用作未被占据区域。未被占据区域也限定为安装部分11b的主表面的一部分——该部分实体上不能被电极15占据。虽然装配孔16e之间的周边区域16f是空置区域，但是未被占据区域不包含周边区域16f。
金属电极13在包围表面13a内占据区域16h，在该包围表面中，最靠外的那些电极15的侧表面共面。区域16h用作被占据区域。由此，被占据区域也被限定为金属电极15的矩阵所占据的区域。
根据本发明，未被占据区域等于或小于主表面16c的20％。在这种情况下，角部区域7的总和是主表面16c的7％。另一方面，被占据区域等于或大于可利用区域的50％，根据本发明该可利用区域被限定为等于主表面11c和未被占据区域之间的差。在这种情况下，区域16h大于可利用区域的50％。
在区域16h中，即在被占据区域中，金属电极15以行和列布置，即，以间隔“t”布置为矩阵。金属电极15具有矩形顶表面，矩形顶表面长度测得为3mm，宽度测得为1.8毫米。距离“t”比1.8mm的宽度小。
前述的热电模块装置10可用于气体的温度控制。在温度控制中，第二散热部件16的鳍状部16a暴露至要进行温度控制的气体，电势差施加在缆线(未示出)之间，并相应地施加在半导体元件14的串联结构上。然后，电流流过半导体元件14的串联结构，在第一散热部件11和第二散热部件16之间形成温度差。第二散热部件16温度低于第一散热部件11，使得热能从气体传递至第二散热部件16的鳍状部16a。另一方面，第一散热部件11温度升高，热能从鳍状部11a辐射到鳍状部11a周围的环境中。
热电模块装置10的样品如下制造。首先，制备热电模块装置10的组成部件。制备出与第一散热部件11相应的被空气冷却的(air-cooled)散热部件11。被空气冷却的散热部件11具有相应的粘结性电绝缘层12和相应的多个鳍状部11a的一些组，所述鳍状部从与电绝缘层12相反的表面突出，并且所述被空气冷却的散热部件用于热辐射。被空气冷却散热部件11的金属部分由铝制成，主表面11c长度测得有100mm、宽度测得有100mm。鳍状部11a高度为35mm。
类似地，制备出与第二散热部件12相对应的空气冷却的散热部件16。空气冷却的散热部件16用于吸收热量。空气冷却式(air-cooling)散热部件16具有相应的粘结性电绝缘层17和相应的多个鳍状部16a的一些组，所述鳍状部从相反的表面突出，与第一散热部件11类似。
此外，制备出与金属电极13相应的放热金属电极13、与金属电极15相应的吸热金属电极15、与半导体元件14中被选出的那些相应的多个p型半导体元件、与半导体元件14中其他的那些相应的多个n型半导体元件。
空气冷却式散热部件16的金属部分由铝制成，主表面16c长度测得有100mm、宽度测得有100mm。鳍状部16a高度为35mm。
被空气冷却的散热部件11的粘结性电绝缘层12和空气冷却式散热部件16的粘结性电绝缘层17由含有填充物的聚酰亚胺树脂层、含有填充物的环氧树脂层、防蚀铝层和含有填充物的合成树脂层(即，含有填充物的聚酰亚胺树脂层和/或含有填充物的环氧树脂层)的多层结构制成。Al2O3粉末、AlN粉末、MgO粉末和SiC粉末被用作填充物。被空气冷却的散热部件11的金属部分和空气冷却式散热部件16的金属部分由高热传导性金属和高热传导性合金制成，即，由铜、铝、铜合金和铝合金制成。
粘结性电绝缘层12和17被制成为含有填充物的合成树脂的片状物。含有填充物的合成树脂的片状物放置在金属部分的主表面上或防蚀铝层的主表面上，然后，被压制到该金属部分或该防蚀铝层以便用它们包覆金属部分或防蚀铝层。或者，金属部分用含有填充物的合成树脂的浆(paste)涂覆，然后使浆状物固化。
放热金属电极13和吸热金属电极15由铜和铜合金制成。放热金属电极13和吸热金属电极15长度为3mm、宽度为1.8mm，厚度为70μm至200μm。
p型半导体元件和n型半导体元件由上述化合物半导体制成，p型半导体元件和n型半导体元件中的每一个都具有镀有镍层的端表面。
放热金属电极13布置为图2A所示的样式，并附连至粘结性电绝缘层12。随后，p型半导体元件和n型半导体元件放置在放热金属电极13上，并且在放热金属电极13上彼此间隔开。p型半导体元件和n型半导体元件钎焊至放热金属电极13。钎料从包含SnSb合金、AuSn合金和SnAgCu合金的组选出。吸热金属电极15钎焊至p型半导体元件和n型半导体元件，以使得p型半导体元件和n型半导体元件交替地串联连接。在钎焊完成时，不完整的结构与图2B所示相同。
样品中的邻近电极之间的距离“t”不同，样品中的被占据区域和可利用区域之间的比例也不同。四百二十对p型半导体元件和n型半导体元件被钎焊至金属电极13和15。
随后，空气冷却式散热部件16与被空气冷却的散热部件11相对，吸热金属电极15与粘结性电绝缘层17接触。吸热金属电极15附连至粘结性电绝缘层17，并且该结构与图3C所示的类似。
本发明的发明人从用于研究的样品中选出四组样品A1、A2、A3和A4。如前所述，组A1、A2、A3和A4的所有样品的散热部件11和16具有铝制成的金属部分并且测得的长度为100mm、宽度为100mm，鳍状部11a和16a的高度为35mm。但是，粘结性电绝缘层12和17不同，如下所述。
样品组A1具有厚度为15μm的粘结性电绝缘层12和17，且粘结性电绝缘层12和17由含有防蚀铝粉末的聚酰亚胺树脂制成。样品组A2具有厚度为20μm的粘结性电绝缘层12和17，且粘结性电绝缘层12和17由含有氮化铝粉末的环氧树脂制成。样品组A3具有多层绝缘结构12，该多层绝缘结构具有厚度为10μm的防蚀铝层和厚度为100μm的含氧化镁粉末的聚酰亚胺树脂。样品组A4也具有多层绝缘结构12，该多层绝缘结构具有厚度为10μm的防蚀铝层和厚度为80μm的含碳化硅粉末的聚酰亚胺树脂。
放热金属电极13和吸热金属电极15由铜制成，测得长度为3mm、宽度为1.8mm且厚度为120μm。四百二十对p型半导体元件和n型半导体元件被钎焊至放热金属电极13和吸热金属电极15。未被占据区域与整个主表面的比例固定至7％。在各组A1至A4中邻近金属电极13之间和邻近电极15之间的距离“t”彼此不同，记载在表1中。被占据区域与可利用区域的比例也记载在表1中。
本发明的发明人进一步制备了热绝缘箱X，如图4所示。热绝缘箱X具有内部空间，加热器单元H容纳于其中。一窗口被形成为用于组A1至A4的热电模块装置10的样品M，且每个样品M通过该窗口装配至热绝缘箱X。吸热散热部件16暴露至热绝缘箱X的内部空间，放热散热部件11暴露至热绝缘箱X的外侧。虽然在图4中未示出，但是风扇设置在热绝缘箱X内和热绝缘箱X外，用于强制空气冷却。
本发明的发明人将每个样品M装配至热绝缘箱X，并驱动加热器单元H和驱动风扇(未示出)。本发明的发明人开始提供通过样品M的p型半导体元件和n型半导体元件的串联结构的电流，并测量内部温度和外部温度，即测量热绝缘箱X内的温度和热绝缘箱X外的温度。
虽然加热器单元H向内部空间提供热量，但是热电模块装置10的样品M将热能从吸热散热部件16传递至放热散热部件11。本发明的发明人改变供应至加热器单元H的电源，并观察内部温度和外部温度之间的温度差异。本发明的发明人寻找通过加热器单元H产生的热量的最大值，在该最大值处，内部温度等于外部温度。当内部温度等于外部温度时，本发明的发明人确定样品M展现出最大吸热量Qmax。本发明的发明人确定最大吸热量Qmax瓦特数等于由加热器单元H产生的热量的最大值。最大吸热量记载在表1中。
表1
在表1中，术语“比例”指被占据区域与可利用区域的比例，且可利用区域是(主表面的总面积-未被占据区域)。在该实验中，被施加电压和流过的电流如下。
施加至样品A1的电压是24V。流过样品A1的电流的量与最大吸热量Qmax一起变化，在80W时是4.2A，在87W时是4.3A、在110W时是4.5A、在110W时是4.5A以及在112W时是4.7A。
施加至样品A2的电压是24V。流过样品A2的电流的量与最大吸热量Qmax一起变化，在86W时是4.1A，在92W时是4.1A、在111W时是4.5A、在113W时是4.4A以及在113W时是4.3A。
施加至样品A3的电压是24V。流过样品A3的电流的量与最大吸热量Qmax一起变化，在83W时是4.1A，在87W时是4.1A、在105W时是4.4A、在106W时是4.4A以及在106W时是4.4A。
施加至样品A4的电压是24V。流过样品A4的电流的量与最大吸热量Qmax一起变化，在80W时是3.9A，在89W时是4.2A、在107W时是4.4A、在107W时是4.5A以及在109W时是4.3A。
从表1的实验结果应该理解，样品组A1、A2、A3和A4的样品在被占据区域等于或大于可利用区域的50％的条件下展现出最大吸热量Qmax的大值。需注意，距离“t”比电极13和15的宽度(即，1.8mm)小。
本发明的发明人进一步制备了一些样品，这些样品在电绝缘层12和17、未被占据区域的比例和距离“t”方面与样品组A1、A2、A3和A4的样品不同。电绝缘层12和17具有多层结构，该结构通过5μm的防蚀铝层和30μm的含有氮化铝粉末的环氧树脂构造。所有样品具有的被占据区域与可利用区域的比例彼此相等。邻近电极13和15之间的距离“t”以及未被占据区域与整个主表面的比例如图4所示。所有样品所具有的距离“t”比电极13和15的宽度短。
根据图5，应理解，样品在未被占据区域的比例等于或小于20％的条件下展现出最大吸热量Qmax的大值。
从表1和图5所示的实验结果可以理解，就未被占据区域与整个主表面的比例恒定而言，热电模块装置10在被占据区域与可利用区域的比例等于或大于50％的条件下展现出最大吸热量的大值，而就被占据区域与可利用区域的比例恒定而言，在未被占据区域与整个主表面的比例比等于或小于20％的条件下展现出最大吸热量的大值。上述条件导致上述结果的原因是上述条件使得散热部件11和16上的温度均匀。
第二实施例
图6A至6C显示了根据本发明的另一热电模块装置20在制造过程中的不同步骤时的中间结构。热电模块装置20与热电模块装置10的不同之处在于在该热电模块装置20中并入有水冷式系统。
如图6C所示，热电模块装置20包括被水冷却的散热部件21、水冷式散热部件26和半导体元件24a的串联组合24。在电流反向流过半导体元件24a的串联组合24的条件下，被水冷却的散热部件21和水冷式散热部件26分别用作水冷式散热部件和被水冷却的散热部件。
被水冷却的散热部件21包括金属板22a和电绝缘层22b，如图6A所示。金属板22a由高热传导金属制成，并具有矩形平行六面体构造。被水冷却的散热部件21没有形成有任何鳍状部。在这种情况下，金属板22a由铝制成。金属板22a的主表面分别由附图标记22c和22d指示，主表面22c覆盖有电绝缘层22b。水导管形成在金属板22a中，水导管具有水入口21a和水出口21c。冷却水通过水入口21a流入水导管，并通过水出口21c流出水导管。
水冷式散热部件26与被水冷却的散热部件21类似，并且水冷式散热部件包括金属板27a和电绝缘层27b。金属板27a具有矩形平行六面体构造。水导管形成在金属板27a中，水导管具有水入口26a和水出口26c。金属板27a和电绝缘层27b在材料和结构上与被水冷却的散热部件21类似，为此，不再进一步描述以便简捷。
串联组合24包括金属电极23、半导体元件24a和金属电极25。每个半导体元件24a的两个端表面都镀有导电金属，诸如镍。金属电极23在电绝缘层22b上布置为矩阵，并且半导体元件24a立在金属电极23上。半导体元件24a被分为两组，即，p传导类型和n传导类型，以使得p型半导体元件24a和n型半导体元件24a被并入到串联组合24中。p型元件24a分别与n型半导体元件24a成对，且每对p型半导体元件24a和n型半导体元件24a被分配给金属电极23中的一个。p型半导体元件24a和n型半导体元件24a立在相关联的金属电极23的两个端部上，并且钎焊至这两个端部。为此，每对的p型半导体元件24a和n型半导体元件24a通过金属电极23电连接至彼此。每对的p型半导体元件24a通过金属电极25电连接至邻近金属电极23上的n型半导体元件24a。金属电极25在其一端处钎焊至p型半导体元件24a，并在其另一端处钎焊至n型半导体元件24a。因此，p型半导体元件24a和n型半导体元件24a通过金属电极23和金属电极25交替地串联连接，以便形成串联组合24的部分，如图6B所示。虽然图6A至6C中未示出，但是电源缆线分别在串联组合24的一端处和串联组合24的另一端处连接至金属电极23，并且直流电势差被施加至串联组合24。在串联组合两端处的吸热金属电极23形成有用于电源缆线的端子部分。
电绝缘层22a由绝缘材料制成，诸如由绝缘合成树脂、包含填充物的绝缘合成树脂或绝缘合金制成。绝缘合成树脂的例子是聚酰亚胺树脂或环氧树脂，绝缘合金的例子是防蚀铝。期望用填充物增强电绝缘层22a的热传导性，填充物例如是氧化铝粉末(即，Al2O3粉末)，氮化铝粉末(即，AlN粉末)、氧化镁粉末(即，MgO粉末)或碳化硅粉末(即，SiC粉末)。粉末具有微粒尺寸，即，平均直径等于或小于15μm。填充物在电绝缘层22a层叠在主表面22c上之前分散在绝缘合成树脂中，诸如分散在聚酰亚胺树脂和环氧树脂中。电绝缘层22b具有10μm至100μm的厚度。在电绝缘层22b由绝缘金属(即，防蚀铝)制成的情况下，优选的是，将防蚀铝层的主表面与含有填充物的聚酰亚胺树脂层或含有填充物的环氧树脂层层叠。由此，电绝缘层22b具有多层结构。
转到图7A和7B，被水冷却的散热部件21形成有装配孔21b，水冷式散热部件26形成有装配孔26b。在以下描述中，术语“主表面”不仅表示主表面22c、22d、27c或27d，还表示电绝缘层22b或27b的顶表面。
装配孔21b沿被水冷却的散热部件21的厚度方向延伸，并在被水冷却的散热部件21的四个角部暴露至电绝缘层22b，并在四个角部处暴露至主表面22d。装配孔26b沿水冷式散热部件26的厚度方向延伸，并在水冷式散热部件26的四个角部暴露至电绝缘层27b，并在四个角部处暴露至主表面27d。当被水冷却的散热部件21、水冷式散热部件26和串联组合24被组装时，联接构件(未示出)占据装配孔21b和26b。为此，由于装配孔11e，制造者不会在这些角部区域处形成任何电极。不能在这些角部区域形成金属电极23和25，以使得该角部区域用作未被占据区域。如果其它类型机构形成在主表面22c和27c上，被该机构占据的区域也形成未被占据区域的一部分。未被占据区域限定为主表面的实体上不能被电极13占据的一部分。
虽然装配孔21b之间和装配孔26b之间的周边区域21f和26f在这种情况下空置，但是未被占据区域不包含周边区域21f和26f。
金属电极23在包围表面23a内形成在区域21h中，在该包围表面中，最靠外的那些金属电极23的侧表面和端表面共面。区域21h用作被占据区域。由此，被占据区域被限定为金属电极23的矩阵所占据的区域。
类似地，金属电极25在包围表面25a内占据区域26h，在该包围表面中，这些金属电极25的侧表面共面。区域25h也用作被占据区域，“被占据区域”的定义也适用于区域25h。
根据本发明，未被占据区域等于或小于主表面的20％。在这种情况下，角部区域的总和——即未被占据区域——是主表面的14％。另一方面，被占据区域等于或大于可利用区域的50％，该可利用区域根据本发明被限定为等于主表面的面积和未被占据区域之间的差。在这种情况下，区域21h或26h大于可利用区域的50％。
在区域21h中，即在被占据区域中，金属电极23以行和列布置，即，以间隔“t”布置为矩阵。金属电极形成行和列，并且两侧上的电极25行和列转过直角。所有的金属电极25形成矩阵。金属电极23和25具有矩形顶表面，矩形顶表面长度测得为3mm，宽度测得为1.8毫米。金属电极23和25由铜或铜合金制成，金属电极23和25的厚度落入70μm至200μm的范围。距离“t”比1.8mm的宽度小。
在这种情况下，半导体元件24a由两端表面覆盖有镍镀层的p型化合物半导体器件和两端表面也覆盖有镍镀层的n型化合物半导体器件制成。由于Bi-Te系中的化合物半导体的烧结产品在室温展现出良好的性能，Bi-Sb-Te化合物半导体被用作p型化合物半导体，Bi-Sb-Te-Se化合物半导体被用作n型化合物半导体。Bi-Sb-Te化合物半导体表达为Bi0.5Sb1.5Te3，Bi-Sb-Te-Se化合物半导体表达为Bi1.9Sb0.1Te2.6Se0.4。
如下所述，半导体元件24a由熔化的p型化合物半导体和熔化的n型化合物半导体形成。熔化的p型化合物半导体和熔化的n型化合物半导体通过液体介质淬火方法分别形成为p型化合物半导体片和n型化合物半导体片。p型化合物半导体片和n型化合物半导体片经历热压制，以便获得p型化合物半导体块和n型化合物半导体块。p型化合物半导体块被切成p型化合物半导体柱，且n型化合物半导体块被切成n型化合物半导体柱。p型化合物半导体柱和n型化合物半导体柱长度测得为1.35mm，宽度测得为1.35mm，高度测得为1.5mm。每个p型化合物半导体柱的两端表面和每个n型化合物半导体的两端表面镀有镍，从而获得半导体元件24a。
半导体元件24a钎焊至金属电极23和25。SnSb合金、AuSn合金和SnAgCu合金可用于钎焊。
热电模块装置20的样品如下制造。首先，制备出热电模块装置20的组成部件。制备被水冷却的散热部件21，被水冷却的散热部件21具有相应的粘结性电绝缘层22b和形成有水导管的金属板22a，并且用于将热量传递至水。被水冷却的散热部件21的金属板由铝制成，主表面22c长度测得有120mm、宽度测得有100mm，厚度测得有15mm。本发明的发明人确定铝合金可用于被水冷却的散热部件21。
放热电极23和吸热电极25由铜制成。铜合金可用于放热电极23和吸热电极25。放热电极23和吸热电极25长度为3mm，宽度为1.8mm，放热电极23的厚度和吸热电极25的厚度落入70μm至200μm的范围。放热电极相应于金属电极23，吸热电极相应于金属电极25。
类似地，制备出水冷式散热部件26。水冷式散热部件26用于从水吸收热量。水冷式散热部件26具有各自的粘结性电绝缘层27b和形成有水导管的各自金属板27a。
制备出与半导体元件24a被选出的那些相应的多个p型半导体元件和与半导体元件24a被选出的另一些相应的多个n型半导体元件。p型半导体元件和n型半导体元件由上述p型化合物半导体部件和n型化合物半导体部件制成，镍镀层镀敷在每个半导体元件24a的两端上。
金属板22d由铝制成，主表面16c长度测得有120mm、宽度测得有100mm。
被水冷却的散热部件21的粘结性电绝缘层22b和水冷式散热部件26的粘结性电绝缘层27b由含有填充物的聚酰亚胺树脂层、含有填充物的环氧树脂层、防蚀铝层和含有填充物的合成树脂层(即，含有填充物的聚酰亚胺树脂层和/或含有填充物的环氧树脂层)的多层结构制成。Al2O3粉末、AlN粉末、MgO粉末和SiC粉末被用作填充物。
粘结性电绝缘层22b和27b被制成为含有填充物的合成树脂的片状物。含有填充物的合成树脂的片状物放置在金属板22a和27a的主表面上，然后，被压制到金属板，以便用它们包覆金属板22a和27a。或者，金属板22a和27a用含有填充物的合成树脂的浆涂覆，然后使浆固化。
放热金属电极23布置为图6A所示的样式，并附连至粘结性电绝缘层22b。随后，p型半导体元件和n型半导体元件放置在放热金属电极23上，并且在放热金属电极23上彼此间隔开。p型半导体元件和n型半导体元件钎焊至放热金属电极23。钎料从包含SnSb合金、AuSn合金和SnAgCu合金的组选出。吸热金属电极25钎焊至p型半导体元件和n型半导体元件，以使得p型半导体元件和n型半导体元件交替地串联连接。在钎焊完成时，不完整结构与图6B所示相同。
样品中的邻近电极23/25之间的距离“t”不同，样品中的被占据区域和可利用区域之间的比例也不同。五百四十对p型半导体元件和n型半导体元件被钎焊至金属电极23和25。
随后，使水冷式散热部件26与被水冷却的散热部件21相对，吸热金属电极25与粘结性电绝缘层27b接触。吸热金属电极25附连至粘结性电绝缘层27b，并且该结构与图6C所示的类似。
本发明的发明人从用于研究的样品中选出两组样品B1和B2。如前所述，组B1和B2的所有样品的被水冷却的散热部件21和水冷式散热部件26具有铝制成的金属板22a和27a并且测得的长度为120mm、宽度为100mm且厚度为15mm。但是，粘结性电绝缘层22b和27b不同，如下所述。
样品组B1的粘结性电绝缘层22b和27b具有多层结构，且该多层结构具有厚度为5μm的防蚀铝层和厚度为30μm的含氮化铝粉末的聚酰亚胺树脂层。另一方面，粘结性绝缘层22b和27b由含有氧化镁粉末的环氧树脂制成，样品组B2的粘结性绝缘层22b和27b的厚度为20μm。
放热金属电极23和吸热金属电极25由铜制成，测得长度为3mm、宽度为1.8mm且厚度为120μm。五百四十对p型半导体元件和n型半导体元件被钎焊至放热金属电极23和吸热金属电极25。
未被占据区域与整个主表面的比固定至14％。邻近放热金属电极23之间和邻近吸热电极25之间的距离“t”在组B1和B2的每一个中彼此不同，记载在表2中。被占据区域与可利用区域的比例也记载在表2中。
本发明的发明人进一步制备了真空容器，如图8所示。真空容器Y具有内部空间，热电模块装置20的每个样品容纳于该内部空间中。冷水供应管道P1连接至水入口21a，排水管道P2连接至水出口21b。热水供应管道P3连接至水入口26a，排水管道P4连接至水出口26b。温度计T1、T2、T3和T4分别与冷水供应管道P1、排水管道P2、热水供应管道P3和排水管道P4接合，水温利用温度计T1、T2、T3和T4监测。内部空间被气密封，在内部空间中实现真空。
热源出口(未示出)连接至热水供应管道P3，以使得温水或热水流入到水冷式散热部件26中。排水管道P4连接至热源入口(未示出)，以使得温水或热水流回热源(未示出)。冷水通过水入口21a流入到被水冷却的散热部件21的水导管中，并通过水出口21b流出。水温利用温度计T1、T2、T3和T4监测。当热电模块装置20运行时，热量通过水冷式散热部件26吸收，并传递至被水冷却的散热部件21。冷水通过被水冷却的散热部件21加热，冷水温度上升。
本发明的发明人将热电模块装置20的每个样品装配至水管道P1、P2、P3和P4，并开始通过样品的p型半导体元件和n型半导体元件的串联结构提供电流。
本发明的发明人对水温测量10分钟，并基于T1时的平均水温和T2时的平均水温之间的差以及T3时的平均水温和T4时的平均水温之间的差计算最大吸热量Qmax。本发明的发明人为每个热电模块装置20的样品确定最大吸热量Qmax，并将最大吸热量的值记载在表2中。
表2
在表2中，术语“比例”指被占据区域与可利用区域的比例，且可利用区域是主表面的总面积减去未被占据区域。在该实验中，被施加电压和流过的电流如下。
施加至样品B1的电压是24V。流过样品B1的电流量与最大吸热量Qmax一起变化，且在195W时是8.6A，在198W时是8.4A、在220W时是8.8A、在224W时是9.1A以及在223W时是9.2A。
施加至样品B2的电压是24V。流过样品B2的电流的量与最大吸热量Qmax一起变化，在187W时是8.3A，在193W时是8.5A、在222W时是9.1A、在222W时是9.0A以及在224W时是9.2A。
图9显示了最大吸热量Qmax和被占据区域与可利用区域的比例之间的关系。圆圈代表组B1的样品，点代表组B2的样品。图线在45％的比例和50％的比例之间迅速上升。由此，在未被占据区域与整个主表面的比例等于14％的情况下，被占据区域与可利用区域的比等于或大于50％。距离“t”比金属电极23和25的宽度(即，1.8mm)小。
至少50％的比导致最大吸热量的大值的原因是在散热部件21和26上的温度分散是均匀的，即，与热电模块装置10类似。
表1和表2相比，应理解，未被占据区域与整个主表面的比例之间的差，即7％和14％对被占据区域与可利用区域的比例的临界百分比没有影响。
第三实施例
转到图10A、10B和10C，根据本发明的又一热电模块装置30在制造过程中的不同步骤中具有中间结构。图10A所示的中间结构为所有结构中最初的一个，图10B所示的中间结构跟随图10A所示的中间结构。图10C所示的中间结构在图10B所示的中间结构之后制造。
虽然热电模块装置10和20的金属电极13/23以行和列均匀地设置，但是由于主表面上的障碍，不总能使金属电极以行和列规则地设置。这样的非规则设置的金属电极展现出区域比例的上述倾向。
热电模块装置30主要包括水冷式散热部件31、被水冷却的散热部件36和38以及珀耳帖元件的两个串联结构M1和M2。珀耳帖元件串联结构M1夹在水冷式散热部件31和被水冷却的散热部件36之间，另一珀耳帖元件串联结构M2夹在水冷式散热部件31和被水冷却的散热部件38之间。
水冷式散热部件31包括绝缘层32a和32b以及金属板32c。金属板32c由高热传导金属制成，诸如由铝或铝合金制成，并通过模制形成为矩形平行六面体构造。金属板32c具有两个主表面32d和32e，绝缘层32a和32b分别在两个主表面32d和32e上延伸。绝缘层32a和32b的顶表面与主表面32d和32e一样宽，为此，此后“主表面”不仅指主表面32d/32e，也指绝缘层32a/32b的顶表面。虽然在图10A至10C中未示出，但是水导管形成在金属板32c中，水入口31a和水出口31b连接至水导管的两端。为此，水通过水入口31a流入水导管，通过水出口31b流出水导管。
被水冷却的散热部件36和38具有各自的金属板36a和38a以及绝缘层36b和38b。金属板36a和38a由高热传导性材料制成，诸如由铝或铝合金制成，并通过模制形成为矩形平行六面体构造。被水冷却的散热部件36的一个主表面被绝缘层36b覆盖，类似地，被水冷却的散热部件38的一个主表面被绝缘层38b覆盖。金属板36a和38a分别形成有水导管，水入口36a和38a以及水出口38b和38b连接至水导管，与水冷式散热部件31类似。
珀耳帖元件串联结构M1包括p型半导体元件34a、n型半导体元件34a、吸热金属电极33a和放热金属电极35a。镍层镀敷在每个p型半导体元件34a的两个端表面上和每个n型半导体元件34a的两个端表面上。吸热金属电极33a固定至绝缘层32a，一些成对的p型半导体元件和n型半导体元件34a分别立在吸热金属电极33a上。每对的p型半导体元件和n型半导体元件34a在吸热金属电极33a上彼此间隔，以使得该对的p型半导体元件和n型半导体元件34a通过吸热金属电极33a电连接至彼此。p型半导体元件和n型半导体元件34a钎焊至吸热金属电极33a。另一方面，在一个吸热金属电极33a上的p型半导体元件和n型半导体元件34a通过放热金属电极35a连接至邻近吸热金属电极33a上的n型半导体元件34a和在另一邻近吸热金属电极33a上的p型半导体元件34a。放热金属电极35a钎焊至p型半导体元件和n型半导体元件34a。SnSb合金、AuSn合金或SnAgCu合金用作钎料。电源缆线在珀耳帖元件串联结构M1的一端处连接至吸热金属电极33a并在珀耳帖元件串联结构M1的另一端处连接至吸热金属电极33a。由此，直流电压被施加至珀耳帖元件串联结构M1。在珀耳帖元件串联结构M1两端处的吸热金属电极33a形成有用于电源缆线的端子部分。
珀耳帖元件串联结构M2包括p型半导体元件34b、n型半导体元件34b、吸热金属电极33b和放热金属电极35b。镍层镀敷在每个p型半导体元件34b的两个端表面上和每个n型半导体元件34b的两个端表面上。吸热金属电极33b固定至绝缘层32b，一些成对的p型半导体元件和n型半导体元件34b分别立在吸热金属电极33b上。每对的p型半导体元件和n型半导体元件34b在吸热金属电极33b上彼此间隔，以使得该对的p型半导体元件和n型半导体元件34b通过吸热金属电极33b电连接至彼此。p型半导体元件和n型半导体元件34b钎焊至吸热金属电极33b。另一方面，在一个吸热金属电极33b上的p型半导体元件和n型半导体元件34b通过放热金属电极35b连接至邻近吸热金属电极33b上的n型半导体元件34b和在另一邻近吸热金属电极33b上的p型半导体元件34b。放热金属电极35b钎焊至p型半导体元件和n型半导体元件34b。SnSb合金、AuSn合金和SnAgCu合金用作钎料。p型半导体元件34b与n型半导体元件34b交替。换句话说，p型半导体元件34b与n型半导体元件34b在珀耳帖元件串联结构M2中交替出现。电源缆线(未示出)在珀耳帖元件串联结构M2的一端处连接至吸热金属电极33b并在珀耳帖元件串联结构M2的另一端处连接至吸热金属电极33b。由此，直流电压被施加至珀耳帖元件串联结构M2。在珀耳帖元件串联结构M2两端处的吸热金属电极33b形成有用于电源缆线的端子部分。
在这种情况下，半导体元件14由p型化合物半导体和n型化合物半导体制成。由于Bi-Te系中的化合物半导体的烧结产品在室温展现出良好的性能，所以Bi-Sb-Te化合物半导体被用作p型化合物半导体，Bi-Sb-Te-Se化合物半导体被用作n型化合物半导体。Bi-Sb-Te化合物半导体表达为Bi0.5Sb1.5Te3，Bi-Sb-Te-Se化合物半导体表达为Bi1.9Sb0.1Te2.6Se0.4。
如下所述，由熔化的p型化合物半导体和熔化的n型化合物半导体形成半导体元件34a和34b。熔化的p型化合物半导体和熔化的n型化合物半导体通过液体介质淬火方法分别形成为p型化合物半导体片和n型化合物半导体片。p型化合物半导体片和n型化合物半导体片经历热压制，以便获得p型化合物半导体块和n型化合物半导体块。p型化合物半导体块被切成p型化合物半导体柱，且n型化合物半导体块被切成n型化合物半导体柱。p型化合物半导体柱和n型化合物半导体柱长度测得为1.35mm，宽度测得为1.35mm，高度测得为1.5mm。每个p型化合物半导体柱的两端表面和每个n型化合物半导体的两端表面镀有镍，从而获得半导体元件14。
如上所述，金属板32c、36a和38a形成有水导管并通过模制形成矩形平行六面体构造。水导管在模制过程期间形成在金属板32c、36a和38a中，除了被装配孔31d、36d和38d占据的未被占据区域之外，由于沟槽和腔体，夹具使得在主表面中形成未被占据区域31c、36c和38c，如图11A和11B所示。吸热金属电极33a的布局与吸热金属电极33b的布局相同。在绝缘层36b上的放热金属电极35a的布局进一步与在绝缘层38b上的放热金属电极35b的布局相同。为此，在另一布局中使用的附图标记在图11A和11B中记载在圆括号中。
虽然外侧的那些行具有的吸热金属电极33a/33b等于具有吸热金属电极13/23的相应的外侧那些行，但是内侧那些行具有的吸热金属电极33a/33b少于具有吸热金属电极13/23的相应的内侧那些行。这是由于未被占据区域31c。仅有未被占据区域31c之间的区域可用于吸热金属电极33a/33b。因此，包围表面33c/33d被限制在内侧那些行。类似地，包围表面35c/35d被限制在内侧那些行。由此，未被占据区域31c/31d增加未被占据区域的量，并使得可利用区域减少。被包围表面33c、33d、35c和35d包围的每个区域被称作“被占据区域”。
在这种情况下，未被占据区域31c/31d、36c/36d或38c/38d的总和等于主表面的18％，并小于临界值，即20％。被占据区域33c、33d、35c或35d与可利用区域的比等于或大于50％。
绝缘层32a、32b、36b和38b例如由聚酰亚胺树脂、环氧树脂或防蚀铝制成，并落入10μm至100μm的范围。绝缘层32a、32b、36b和38b具有粘结性。在绝缘层32a、32b、36b和38b由聚酰亚胺树脂或环氧树脂制成的情况下，优选的是，将氧化铝粉末、氮化铝粉末、氧化镁粉末或碳化硅粉末分散在合成树脂中，用于增强绝缘层32a、32b、36b和38b的热传导性。被分散的粉末具有微粒尺寸或平均直径等于或小于15μm。在绝缘层32a、32b、36b和38b由防蚀铝制成的情况下，期望的是，将防蚀铝层的顶表面覆盖有含有粉末的聚酰亚胺树脂层或含有粉末的环氧树脂层。
吸热金属电极33a/33b和放热金属电极35a/35b由铜或铜合金制成，金属电极33a、33b、35a和35b的厚度落入70μm至200μm的范围。吸热金属电极33a/33b和放热金属电极35a/35b具有各自的矩形顶表面，并且矩形顶表面长度为3mm、宽度为1.8mm。邻近金属电极33a、33b、35a和35b之间的距离“t”小于金属电极33a、33b、35a和35b的宽度，即小于1.8mm。
热电模块装置30如下制造。首先，通过金属板32c夹在绝缘层32a和32b之间的步骤制备出形成有水导管的水冷式散热部件31。然后，通过金属板36a和38a的主表面分别覆盖有绝缘层36b和38b的步骤制备出分别形成有水导管的被水冷式散热部件36和38。在绝缘层32a、32b、36b和38b形成在合成树脂层的情况下，合成树脂层被压到金属板32c、36c和38a的主表面。另一方面，在使用合成树脂浆的情况下，合成树脂浆在金属板32c、36c和38a的主表面上遍布，然后使合成树脂浆固化。制备出金属电极34a、34b、35a和35b，p型半导体元件34a和34b以及n型半导体元件34a和34b。
随后，金属吸热电极33a和33b被放置在包围表面33c和33d中的样式上，并附连至绝缘层32a和32b，如图10A所示。多对p型半导体元件和n型半导体元件34a和34b被放置在吸热金属电极33a和33b上，并钎焊至吸热金属电极33a和33b。随后，放热金属电极35a和35b被放置在包围表面35c和35d中的样式上，并钎焊至p型半导体元件34a/34b和n型半导体元件34a/34b，如图10B所示。由此，珀耳帖元件串联结构M1和珀耳帖电极串联结构M2制造在水冷式散热部件31上。
随后，使被水冷却的散热部件36和38与放热金属电极35a和35b相对，放热金属电极附连至绝缘层36b和38b，如图10C所示。
本发明的发明人研究了热电模块装置30。本发明的发明人制备了热电模块装置30的两组样品C1和C2。
第一样品组C1的样品具有由含有氧化铝粉末的聚酰亚胺树脂制成的绝缘层32a、32b、36b和38b，且绝缘层32a、32b、36b和38b为15μm厚。样品中的距离“t”和被占据区域与可利用区域的比例不同，如表3所示。
另一方面，第二样品组C2的样品的绝缘层32a、32b、36b和38b具有多层结构，且每个绝缘层32a、32b、36b和38b具有10μm厚的防蚀铝层和20μm厚的含有粉末的环氧树脂层。粉末或填充物是氧化铝粉末和氮化铝粉末的混合物。
所有样品的吸热金属电极33a和33b与放热金属电极35a和35b由铜制成，并具有120μm的厚度。每个金属板32c、36a和38a由铝制成，并具有100mm的宽度、120mm的长度和15mm的厚度。两个串联结构M1和M2的每个都由五百四十对p型半导体元件和n型半导体元件34a或34b制成。
本发明的发明人进一步制备了真空容器Z，如图12所示，每个样品放置在真空容器Z的真空腔室中。虽然在图12中未示出，但是热源和冷源与真空容器Z相关联地设置，且温度计T1、T2、T3、T4、T5和T6设置在真空容器Z内。
热源的水出口(未示出)连接至水入口31a，水出口32b连接至热源的水入口(未示出)。当热源产生热量时，温水或热水流入到水冷式散热部件31的水导管中，并且排水返回到热源。温水/热水的温度和排水温度利用温度计T1和T2测量。
水入口36a连接至冷水源(未示出)，水出口36b连接至排水管。冷水流入到被水冷却的散热部件36的水导管中，并且温水从水导管中流出。冷水的温度和排水的温度利用温度计T5和T6测量。
水入口38a连接至冷水源(未示出)，水出口38b连接至排水管。冷水流入到被水冷却的散热部件38的水导管中，并且温水从水导管中流出。冷水的温度和排水的温度利用温度计T3和T4测量。直流电压施加至珀耳帖元件串联结构M1和M2二者。
热源(未示出)产生热量，热水被供应到水冷式散热部件31。冷水被供应到被水冷却的散热部件36和38。然后，珀耳帖元件串联结构M1和M2通过水冷式散热部件31从热水吸收热量，被吸收的热量通过被水冷却的散热部件36和38传递至冷水。
本发明的发明人对热水的温度、冷水的温度和排水的温度测量10分钟，并与样品A1、A2、A3和A4的计算相似地基于热水的平均水温、冷水的平均温度和排水的平均水温计算最大吸热量Qmax。样品的最大吸热量Qmax记载在表3中。
表3
在表3中，术语“比例”指被占据区域与可利用区域的比例，且可利用区域与主表面的总面积减去未被占据区域的总面积的值相等。在该实验中，被施加电压和流过样品的电流量如下。
施加至样品C1的电压是48V。流过样品C1的电流量与最大吸热量Qmax一起变化，在399W时是9.1A，在401W时是9.1A、在443W时是9.5A、在445W时是9.3A以及在445W时是9.5A。
施加至样品C2的电压也是48V。流过样品C2的电流量与最大吸热量Qmax一起变化，在403W时是8.9A，在407W时是8.7A、在445W时是9.4A、在445W时是9.4A以及在447W时是9.4A。
图13显示了最大吸热量Qmax和被占据区域与可利用区域的比例之间的关系。圆圈代表组C1的样品，点代表组C2的样品。图线在45％的比例和50％的比例之间迅速上升。由此，在未被占据区域与整个主表面的比例等于18％的情况下，被占据区域与可利用区域的比例等于或大于50％。距离“t”比金属电极32a、32b、35a和35b的宽度(即，1.8mm)小。
至少50％的比例造成最大吸热量Qmax的大值的原因是在散热部件31、36和38上的温度分布均匀。
表3与表1和表2相比，应理解，未被占据区域与整个主表面的比例之间的差异，即18％与7％/14％对被占据区域与可利用区域的比例的临界百分比没有影响。
随后，本发明的发明人针对未被占据区域与整个主表面的比例对热电模块装置进行了研究。本发明的发明人制备了热电模块装置10的样品D。
虽然用于不漏蒸气的壁的沟槽从显示热电模块装置10的附图中省略，但是沟槽18和19在图14中显示为用于样品D。虽然现在在附图中显示，但是不漏蒸气的壁(未示出)设置在沟槽18和19的底部上的两个端部部分处。因此，不漏蒸气的壁在散热部件11和16之间的间隙上延伸，珀耳帖元件串联结构用不漏蒸气的壁包围。在这种情况下，不漏蒸气的壁(未示出)由丁基橡胶(butyl rubber)制成。
沟槽18和19沿散热部件11和16的外周边形成，且被占据区域用沟槽18和19包围。样品D的包围表面13a/15a内的被占据区域调整至可利用区域的60％。本发明的发明人使得样品D中的沟槽18和19的宽度W不同，记载于表4，邻近金属电极13/15之间的距离“t”在样品D中进一步不同。
金属电极13和15由铜制成，厚120μm。散热部件11和16由铝制成，测得长度为90mm且宽度为90mm。鳍状部11a高度为40mm。绝缘层12和17具有多层结构，其具有5μm的防蚀铝层和30μm的含有氮化铝粉末的环氧树脂层。三百二十对p型半导体元件和n型半导体元件形成珀耳帖元件串联结构PLT。
本发明的发明人将样品D装配在热绝缘箱X的窗口中，并驱动风扇用于强制空气冷却。本发明的发明人以与样品A1至A4类似的方式确定最大吸热量Qmax。最大吸热量Qmax的值记载于表4中。
表4
本发明的发明人根据未被占据区域的比例对最大吸热量Qmax进行绘图，如图15所示。通过图15可以理解，图线在20％的比例和25％的比例之间显著下降。由此，未被占据区域的比例等于或小于20％。
本发明的发明人还进一步利用热电模块装置30对未被占据区域的比例进行研究。本发明的发明人制备了样品E，并使得样品E的沟槽宽度彼此不同。本发明的发明人使得邻近金属电极33a/33b/35a/35b之间的距离“t”彼此不同，如表5所示，并将样品E的被占据区域与可利用区域的比例调整至55％。
五百五十二对p型半导体元件和n型半导体元件34a/34b形成珀耳帖元件串联结构M1和M2。金属电极33a、33b、35a和35b由铜制成，并且厚度为120μm。金属板32c、36a和38a由铝制成，并测得长度为110mm、宽度为130mm且厚度为15mm。绝缘层具有多层结构，5μm厚的防蚀铝层和30μm厚的含有氮化铝粉末的环氧树脂层形成该多层结构。
本发明的发明人以与样品C1和C2类似的方式确定最大吸热量Qmax，实验结果记载于表5中。
表5
本发明的发明人根据未被占据区域的比例对最大吸热量Qmax进行绘图，如图16所示。通过图16可以理解，图线在20％的比例和24％的比例之间显著下降。由此，未被占据区域的比例等于或小于20％。
从上述描述以及表1至5和图5、9、13、15和16可以理解，热电模块装置在被占据区域与可利用区域的比例等于或大于50％以及未被占据区域与整个主表面的比例等于或小于20％的条件下展现出良好的热传递特性。
虽然已经对本发明的具体实施例进行显示和描述，但是对本领域的技术人员来说显而易见的是，可以作出各种变化和修改，而不偏离本发明的精神和范围。
电绝缘层12和17可具有多层结构。例如，绝缘合金层覆盖有含有填充物的绝缘合成树脂层。
金属板22a和26a可以由其它类型的高热传导性合金制成，诸如由铝合金制成。
环氧树脂和聚酰亚胺树脂对本发明的技术范围不构成任何限制。绝缘层可以由其它类型的合成树脂制成，诸如除了聚酰亚胺和环氧之外的芳香族聚酰胺树脂(aramid resin)以及BT(Bismulade Triazine)树脂。
填充物可以是其它类型的粉末，诸如碳粉末、碳化硅粉末和氮化硅粉末。可以将多于两种粉末相混合用作填充物。粉末可以是球形、针形或球形构造与针形构造的混合物。
Bi-Te系的化合物半导体不对本发明的技术范围构成限制。可以将其它类型的半导体、不同类型的金属的组合或半导体与金属的组合用于珀耳帖元件串联组合PLT、M1和M2。
强制空气冷却和水冷不对本发明的技术范围构成限制。本发明的热电模块装置可以工作于自然空气冷却条件下。
水不对本发明的技术范围构成限制。诸如制冷剂这样的其它类型的液体可以流过水导管。
虽然所有的珀耳帖元件在上述实施例中都是串联连接，但是串联连接并非本发明必不可少的特征。例如，珀耳帖元件可以分为多组，以便并联地连接多组。
绝缘层12、17、22b、27b、32a、32b、36b和38b并非本发明热电模块装置的必不可少的元件。在金属电极和安装部分/金属板之间需要绝缘层12、17、22b、27b、32a、32b、36b和38b的原因在于导电金属或导电合金制成的安装部分/金属板使得珀耳帖元件的串联结构短路。在安装部分/金属板由热传导性的电绝缘材料制成的情况下，热电模块装置不需要绝缘层12、17、22b、27b、32a、32b、36b和38b。
样品A1、A2、A3、A4、B1、B2、C1、C2、D和E满足被占据区域的比和未被占据区域的比例这两个条件。但是，即使热电模块装置满足其中一个条件，即，被占据区域的比例或未被占据区域的比例，则热电模块装置也能展现出比没有满足这两个条件的热电模块装置更好的最大吸热量Qmax。
上述热电模块装置10、20和30的组成部件与权利要求的语言相关联如下：
第一散热部件11和第二散热部件16中的一个与水冷式散热部件21/31和被水冷却的散热部件26/36/38中的一个用作“第一散热部件”，第一散热部件11和第二散热部件16中的另一个与水冷式散热部件21/31和被水冷却的散热部件26/36/38中的另一个用作“第二散热部件”。
在主表面11c和16c上方的绝缘层顶表面用作“主表面”和“另一主表面”，鳍状部11a的表面和鳍状部16a的表面用作“热交换表面”和“另一热交换表面”。在主表面22c和27c上方的绝缘层顶表面用作“主表面”和“另一主表面”，限定出水导管的内表面用作“热交换表面”和“另一热交换表面”。在主表面32d和32e上方的绝缘层顶表面用作“主表面”和“另一主表面”中的一个，绝缘层36b和38b的顶表面用作“主表面”和“另一主表面”中的另一个。限定出水导管的内表面用作“热交换表面”和“另一热交换表面”。
珀耳帖元件串联结构PLT、M1和M2对应于“一组热电元件”。被占据区域、可利用区域和未被占据区域与“被占据区域”、“可利用区域”和“未被占据区域”意思相同。至少装配孔11e/16e/21b/26b/31d/36d/38d占据“未被占据区域”和“另一未被占据区域”，并且沟槽18/19和装配孔11e/16e/21b/26b/31d/36d/38d占据“未被占据区域”和“另一未被占据区域”。联接构件CP对应于“联接构件”。
鳍状部11a和鳍状部16a用作“热交换加速机构”和“另一热交换加速机构”，限定出水导管的内表面也用作“热交换加速机构”和“另一热交换加速机构”。水导管——其水入口和水出口标记为21a/21b/26a/26b和31a/31b/36a/36b/38a/38b——对应于“导管”和“另一导管”，水用作“液体”和“另一液体”。
p型半导体元件14、24a、34a和34b对应于“一种传导类型的半导体器件”，n型半导体元件14、24a、34a和34b用作“另一种传导类型的半导体器件”。
安装部分11b、被水冷却的散热部件21/36/38和水冷式散热部件36/31的每个对应于限定了热交换器的权利要求的“安装部分”，每个金属部分22a/27a/32c/36a/38a用作“基部部分”。
Claims (20)
1、一种用于将热量从冷侧传递至热侧的热电模块装置(10；20；30)，包括：
第一散热部件(16；26；31)，具有热传导性和电绝缘性，该第一散热部件具有主表面和用作所述冷侧和热侧中的一个的热交换表面(16a；26a/26b；31a/31b)；
第二散热部件(11；21；36/38)，具有热传导性和电绝缘性，该第二散热部件具有另一主表面和用作所述冷侧和热侧中的另一个的另一热交换表面(11a；21a/21b；36a/36b/38a/38b)；和
一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)，设置在所述主表面和所述另一主表面之间，占据所述主表面中的被占据区域(15a；25a；35c/35d)和所述另一主表面中的另一被占据区域(13a；23a；33c/33d)，并且所述一组热电元件被施加有电压，以便在所述第一散热部件(16；26；31)和所述第二散热部件(11；21；36/38)之间传递热量，
其中，所述主表面和所述另一主表面分别具有可利用区域和另一可利用区域，所述可利用区域能被所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)占据，所述另一可利用区域能被所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)占据，
其特征在于，
所述被占据区域和所述可利用区域之间的比与所述另一被占据区域和所述另一可利用区域之间的比等于或大于50％。
2、如权利要求1所述的热电模块装置，其中，未被占据区域和另一未被占据区域分别等于所述主表面的面积和所述可利用区域之间的差以及所述另一主表面的面积和所述另一可利用区域之间的差，并且所述未被占据区域和所述主表面之间的比例与所述另一未被占据区域和所述另一主表面的面积之间的比等于或小于20％。
3、如权利要求2所述的热电模块装置，其中，所述未被占据区域和所述另一未被占据区域被装配孔(16e/11e；26b/21b；31d/36d/38d)占据，联接构件(CP)穿过所述装配孔以便使所述第一散热部件(16；26；31)、所述第二散热部件(11；21；36/38)和所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)组装在一起。
4、如权利要求1所述的热电模块装置，其中，所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)以行和列布置，所述被占据区域和所述另一被占据区域等于被包围部分(15a/13a；25a/23a；35c/25d/33c/33d)限定的区域，所述热电元件(14；24a；34a/34b)的所述行和列被所述包围区域所包围。
5、如权利要求4所述的热电模块装置，其中，所述热电元件(14；24a；34a/34b)的每个占据由一些长度限定的具有平面构造的区域，并与同一行和同一列中的邻近热电元件以一距离(t)间隔开，该距离比所述平面构造的所述长度中较短的一个更短。
6、如权利要求1所述的热电模块装置，其中，所述第一散热部件(16；26；31)和所述第二散热部件(11；21；36/38)具有各自的电绝缘层(17/21；27b/22b；32a/32b/36b/38b)和各自的安装部分(11b/16b；27a/22a；32c/36a/38a)，所述安装部分由具有电传导性和热传导性的材料制成并分别覆盖有所述电绝缘层(17/21；27b/22b；32a/32b/36b/38b)。
7、如权利要求6所述的热电模块装置，其中，所述电绝缘层(17/21；27b/22b；32a/32b/36b/38b)由具有电绝缘性的合成树脂制成，并含有具有热传导性的填充物，用于改善所述绝缘层(17/21；27b/22b；32a/32b/36b/38b)的热传导性。
8、如权利要求1所述的热电模块装置，其中，所述第一散热部件(16；26；31)和所述第二散热部件(11；21；36/38)分别具有用作所述热交换表面的热交换加速机构(16a；26a/26b；31a/31b)和用作所述另一热交换表面的另一热交换加速机构(11a；21a/21b；36a/36b/38a/38b)。
9、如权利要求8所述的热电模块装置，其中，所述第一散热部件(16)和所述第二散热部件(11)分别形成有用作所述热交换加速机构的鳍状部(16a)和用作所述另一热交换加速机构的其他鳍状部(11a)。
10、如权利要求8所述的热电模块装置，其中，所述第一散热部件(26；31)和所述第二散热部件(21；36/38)分别形成有用于液体的导管(26a/26b；31a/31b)和用于另一液体的另一导管(21a/21b；31a/31b)，并且限定出所述导管(25a/26b；31a/31b)的内表面和限定出所述另一导管(21a/21b；31a/31b)的另一内表面分别用作所述热交换加速机构和所述另一热交换加速机构。
11、如权利要求1所述的热电模块装置，其中，所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)具有一种传导类型的半导体器件、另一种传导类型的另一种半导体器件以及将所述一种传导类型的半导体器件和所述另一种传导类型的半导体器件进行互连的导电电极(13/15；23/25；33a/33b/35a/35b)。
12、如权利要求11所述的热电模块装置，其中，所述一种传导类型的半导体和另一种传导类型的半导体是化学式彼此不同的化合物半导体。
13、如权利要求12所述的热电模块装置，其中，所述化合物半导体是Bi-Te系。
14、一种用于一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)的热交换器，包括：
安装部分(11b/12；16b/17；22a/22b；27a/27b；32a/32c；36a/36b/38a/38b)，具有：
主表面，包括可利用区域，所述可利用区域能被所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)占据；和
热交换表面(11a；16a；21a/21b；26a/26b；31a/31b；36a/36b/38a/38b)，在与所述主表面的温度不同的一定温度下与介质保持接触，
其特征在于，
所述可利用区域和被所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)占据的被占据区域(13a；15a；23a；25a；33c/33d；35c/35d)之间的比等于或大于50％。
15、如权利要求14所述的热交换器，其中，所述未被占据区域等于所述主表面的面积和所述可利用区域之间的差，所述未被占据区域和所述主表面之间的比例等于或小于20％。
16、如权利要求15所述的热交换器，其中，所述未被占据区域被装配孔(11e；16e；21b；26b；31d；36d/38d)占据，联接构件(CP)穿过所述装配孔以便使所述安装部分(11b；16b；22a；27a；32c；36a/38a)、另一安装部分和所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)组装在一起。
17、如权利要求14所述的热交换器，其中，所述一组(PTL；24；M1/M2)热电元件(14；24a；34a/34b)的每个占据由一些长度限定的具有平面构造的区域，并与邻近热电元件(14；24a；34a/34b)以一距离(t)间隔开，该距离比所述平面构造的所述长度中较短的一个更短。
18、如权利要求14所述的热交换器，其中，所述安装部分具有电绝缘层(12；17；22b；27b；32a/32b；36b/38b)和基部部分(11b；16b；22a；27a；32c；36a/38a)，所述基部部分由具有电传导性和热传导性的材料制成并覆盖有所述电绝缘层(12；17；22b；27b；32a/32b；36b/38b)。
19、如权利要求14所述的热交换器，其中，所述安装部分(11b；16b)形成有鳍状部(11a；16a)，所述鳍状部从所述安装部分突出用于加速热交换，其中，所述鳍状部(11a；16a)的表面用作所述热交换表面。
20、如权利要求14所述的热交换器，其中，所述安装部分(22a/22b；27a/27b；32a/32c；36a/36b/38a/38b)形成有用于液体的导管(21a/21b；26a/26b；31a/31b；36a/36b/38a/38b)，并且限定出所述导管(21a/21b；26a/26b；31a/31b；36a/36b/38a/38b)的内表面用作所述热交换表面。
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