CN104716253B - 热电装置和热电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热电装置和热电模块。一种用于将热源(2)的热传递到散热器(3)的热电装置(1)包括：至少一个热电腿部对(10)，其具有包含n型半导体材料的第一腿部(4)和包含p型半导体材料的第二腿部(5)。所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)串联电耦接。电阻元件(9)将所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)电耦接在所述热源(2)和所述散热器(3)之间。

Description

热电装置和热电模块

技术领域

本公开总体上涉及热传递装置，具体地，涉及用于将热从热源传递到散热器(heatsink)的热电(thermoelectric)装置和模块。更具体地，本公开涉及可耦接到待加热或冷却的对象的热电装置。

背景技术

用于冷却的热电装置用于传递来自诸如传感器、有源光电组件、红外CCD芯片等电子装置的过量热。因为许多电子装置具有低功率耗散，所以需要附加的冷却部件。JohnCharles Peltier观察到流过不相似导体(诸如，n型半导体或p型半导体)之间的结点的电流可随着通过结点的电流流动来引起热或冷却，从而首先发现电冷却。这个效应被称为Peltier效应或热电效应。根据通过结点的电流方向，温度可升高或降低。

热电装置经常被用作设置在热源和散热器之间的热泵，其中，热源可以是电子组件并且散热器有时候是表面面板或对流型(convection)散热器。传统的热电冷却装置经常使用多个级将对象逐步冷却或者将来自热源的热传递走。这种多级模块基本上由彼此堆叠的单独热电模块组成。由于所涉及的热电组件有多个并且复杂，造成额外的空间需求和增大的开销。一般来讲，希望提高热电冷却模块的效率。

发明内容

因此，本公开的一方面提供了一种用于将热源的热传递到散热器的改进的热电装置。热电装置可特别适于实现其它热电模块或布置。

根据本发明的一方面的实施例，一种用于将热源的热传递到散热器的热电装置包括：

至少一个热电腿部对，其具有包含n型半导体材料的第一腿部和包含p型半导体材料的第二腿部，其中，所述第一腿部和所述第二腿部串联电耦接；

电阻元件，其将所述第一腿部和所述第二腿部电耦接在所述热源和所述散热器之间。

形成一对的两个腿部可例如彼此平行布置并且分别设置在与热源的界面和与散热器的界面之间。在热电装置的操作中，电流可通过第一腿部和第二腿部注入，其中，在p型半导体材料和n型半导体材料之间的结处可利用Peltier效应。结果，腿部对的面向热源侧和腿部对的面向散热器侧之间存在温度梯度。例如，热源可以是需要被冷却的电子装置。例如，散热器可以是耗散器(dissipater)。电阻元件允许电流在第一腿部和第二腿部之间的背离或远离p-n结的区域中。

在热电装置的实施例中，所述第一腿部和所述第二腿部并联热耦接在所述热源和所述散热器之间。还可想到交替的n型腿部和p型腿部构造，其中，腿部串联电耦接，然而关于热传递腿部是并联的。

至少一个电阻元件可适于至少部分地旁路(bypass)通过所述第一腿部和所述第二腿部之间的结的电流。电阻元件可具有比两个腿部之间的电耦接或连接和/或用于插入电流的接触件更高的电阻，其中电流用于在结或材料界面处的热电效应。例如，旁路电流低于通过由第一腿部、金属层或接触件和第二腿部形成的电路的工作电流。

旁路(bypassing)电流并且从而在不同于表现出Peltier效应的结的区域中产生热可致使热电装置允许腿部的面向散热器侧和腿部的面向热源侧之间能实现更高的温度差。允许电流接近散热器的电阻元件可导致接近散热器的热的聚集。电阻元件可例如被实现为允许旁路电流，从而在接近散热器的区域中沿着第一腿部和第二腿部形成更陡的温度梯度。优选地，在p-n结处由Peliter效应形成的热被定位在散热器处。

因此，在实施例中，至少一个所述电阻元件布置在所述第一腿部和所述第二腿部之间，使得通过改变电流流动，腿部的焦耳热向着所述散热器侧转移或聚集。

电阻元件可包括结构支承元件。例如，电阻元件本身或其一些部分可致使装置机械地更坚固。在实施例中，电阻元件包含至少部分刚性的材料。

在实施例中，第一腿部和/或第二腿部的截面沿着从热源到散热器的方向变化。

在几何学上，改变腿部截面的厚度可导致对通过腿部的电流的调节。例如，在存在将第一腿部电耦接到第二腿部的电阻元件的情况下，通过向着散热器增大第一腿部和/或第二腿部的截面导致高电流密度，从而使热聚集在散热器。

电阻元件可包含表现出温度依赖的导电率的材料。例如，用于热电阻元件的材料具有随着温度的变化而增大的导电率。结果，在出现相对于其它区域的高温的地方，更多电流流过两个腿部之间的电阻元件。

在热电装置的实施例中，至少一个电阻元件包含布置在所述第一腿部和所述第二腿部之间的材料并且至少部分地沿着所述第一腿部和所述第二腿部在所述第一腿部和所述第二腿部之间的结和接触件之间延伸，所述接触件用于将电流插入所述第一腿部和/所述第二腿部。

例如，电阻元件可被实现为腿部之间的层或填充件。可想到半导体材料、金属、半金属或氧化物，而且还可以想到可额外表现出温度依赖的导电率的有机导电材料或它们的组合。

在实施例中，所述热电装置包括在所述热源和所述散热器之间将所述第一腿部和所述第二腿部电耦接的多个电阻元件。可想到用电阻元件作为将两个腿部彼此部分耦接的桥接元件。桥接元件可使两个腿部机械上相对于彼此稳定。

通过使用多个电阻元件，可根据电阻率、导电率或热性质来改变每个元件。因此，使用多个电阻元件允许更好地调节通过腿部和电阻元件的电流和热电装置中的热分布。

在实施例中，各电阻元件具有预定导电率，使得所述电阻元件的导电率向着所述热源侧增大。

在实施例中，所述电阻元件在所述第一腿部和所述第二腿部之间延伸，且所述电阻元件沿着所述第一腿部和所述第二腿部的纵向延伸相对于彼此分隔预定距离。可调节该距离以实现装置中的所需电流和热分布。

在实施例中，第一腿部和第二腿部之间的电阻元件可具有不同的截面。通过调节截面，可调节电阻元件或桥接元件的电特性和热特性。

在实施例中，第一腿部和第二腿部之间的电阻元件可具有不同的长度/厚度。通过调节长度/厚度，可调节电阻元件或桥接元件的电特性和热特性。

在热电装置的实施例中，提供基本上彼此平行布置的多个热电腿部对。例如，在散热器和热源之间，p型腿部和n型腿部彼此交替串联电耦接并且并联热连接。当向n型腿部和p型腿部施加电压时，出现Peltier效应，从而导致电流流过n型区和p型区之间的串联电结。结果，出现经过平行正向连接的n型腿部和p型腿部的热传递。另外，旁路电流可流过桥或电阻元件。

通过增加腿部对的数量，可传递更多的热。在热电装置的实施例中，多个热电腿部对形成布置在基板上的腿部阵列。基板可导致热电装置更好的机械稳定性或坚固性。

根据本发明的另一方面的实施例，公开了包括前述热电装置中的至少一个热电装置的热电模块。根据实施例，至少一个腿部对结合在热源和散热器之间。还可想到将许多热电模块附接为堆叠，以实现更胜一筹的热传递。

提出的热电装置和模块的某些实施例可包括以上或以下相对于示例性实施例提到的个体或组合的特征或方面。

附图说明

以下，参照附图描述热电装置和模块的实施例。

图1示出热电装置的第一实施例的示意图。

图2至图7示出热电装置的其它实施例的示意图。

图8示出热电模块的实施例的示意图。

图9示出热电模块的其它实施例的透视图。

如果没有另外指明，附图中类似的或功能上类似的元件已经被分配相同的参考符号。

具体实施方式

在本公开中，术语“热源”是指例如通过热电装置传递过量热的元件或对象。术语“散热器”是指可耗散或俘获热的元件或对象。通常，通过热电装置将热源冷却下来，散热器升温。所公开的热电装置可被视为将热从热源传递到散热器的热泵。术语“截面”用于定义元件的截面面积。“腿部”是具有纵向延伸和横向延伸的结构。腿部可具有类似杆状或类似柱状的几何形状。在一些情况下，纵向延伸超过横向延伸。然而，可想到其它纵横比。在腿部的实施例中，纵向延伸在从热源到散热器或者从散热器到热源的方向上。可假设腿部带有基本上并行的电流和热流。

要理解，“电阻元件”意指允许在腿部之间流动旁路电流。电阻元件受功能上的限定并且可通过各种结构装置(例如，电阻材料)和/或腿部相对于彼此的特定几何形状来实现。由于腿部之间减小的横向距离而导致的腿部之间的接触区域也可充当电阻元件。电阻元件可以是分离的结构元件或装置，但也可以是腿部的部分或与腿部形成一体。

热电装置利用Peltier效应或热电效应。P型和n型掺杂的半导体材料可用作热电材料。例如，可采用铋、锑、碲化铋、硒化铋、锑化铋、碲化锑、碲化铅、硒化铅、锑化铅、硅化铁、硅化锰、硅化钴、硅化镁、硅化铬、氧化钙镁或它们的组合物。可想到表现出热电效应的其它半导体材料。

图1示出热电装置1的第一实施例。热电装置1例如用于冷却散发热量的电子装置。在图1中，示出热源2和散热器3。热源可以是电子组件或其它应该被冷却的装置。散热器3可以是例如耗散器或其它冷却元件。

热电装置1包括一对10腿部4、5。在图1的方位(orientation)中，上腿部4是n型半导体并且下腿部5是p型半导体。腿部4、5的n型和p型半导体材料通过金属层6彼此附接或电连接，从而有效地形成p-n结11。结11面向热源2。存在耦接到第一腿部4的电接触件7和耦接到第二腿部5的电接触件8。例如，通过在电接触件7和8之间施加电压，这些接触件允许电流串联插入(insert)通过腿部4、5。

包括两个腿部5、4的热电腿部对10并联热耦接在热源2和散热器2之间并且串联电耦接。这样允许用箭头HF指示的从左到右的热传递，箭头HF示出从热源2流向散热器3的热流。除去p-n结11，电阻元件9(例如，合适的半导体材料)设置在两个腿部4、5之间。电阻元件9允许旁路电流远离结11在两个腿部4、5之间流动，其中在结11处利用Peltier效应。比起热源2，电阻元件9更靠近散热器3。

通过添加电阻元件9，可调节通过腿部和第一接触件7、第一腿部4、结11或金属耦接层6、第二腿部5和第二接触件8之间的路径的电流分布。例如，电流流过以电阻元件9形式存在的旁路，这造成在热电装置1的暖侧或热侧的焦耳热的增强。相比于传统的热电装置，电桥或电阻元件9允许旁边电流。可实现面向热源2的那侧和面向散热器的那侧之间的温度差的增加。可通过将导致焦耳热的电流向着装置的热侧转移或集中来提高热电装置的性能。

图2示出热电装置100的第二实施方式。热电装置100设置在热源2和散热器3之间。热电腿部对10具有第一腿部4和第二腿部5。在图2中示出的部分中，两个腿部4、5通过薄金属层6耦接，其中，第一腿部包括n型材料并且第二腿部包括p型材料。金属接触层15和16设置在相对于结11的腿部4、5的远端。

在两个腿部4和5之间，许多电阻元件或桥9、12、13和14沿着两个腿部4、5的纵向延伸且设置在它们之间。桥或电阻元件9、12、13和14允许旁路电流j₉、j₁₂、j₁₃、j₁₄在腿部4、5之间流动。当操作热电装置100时，电流j通过金属接触件15插入到例如上腿部或第一腿部4中。电流的一部分通过腿部4流向结11，进入第二腿部5并且通过第二金属接触件16退出热电装置100。另外，旁路电流j₉、j₁₂、j₁₃、j₁₄通过桥或电阻元件9、12、13和14在腿部4、5之间流动。通过适当地分布桥或电阻元件9、12、13和14，热电装置中的电流密度(并且最终地，温度分布)可得到调节。

申请人的研究表明，在没有如图2中所示的电阻元件的热电装置100中，当假设300K下的热电材料的ZT值是0.9并且在接触件15和16之间施加0.17V的电压时，可得到68K的温度差。然而，包括电阻元件9、12、13和14并且施加0.26V的电压导致195K的最低温度，用图2底部的曲线指示该最低温度。因此，提高能通过热电装置100实现的温度差。基于导电率是105×1/(Ωm)、热导率是3W/(mK)、p型腿部的塞克贝系数(seebeck coefficient)是3×10^-4V/K且n型腿部的塞克贝系数是-3×10^-4V/K的n型和p型热电材料，执行模型计算。

ZT值是代表给定材料有效产生热电能的能力的数字并且通过下式定义：

它取决于塞克贝系数S、热导率λ、电导率σ和温度T。

图3示出与图2中示出的热电装置类似的热电装置的另一个实施例。再次示出包含热电材料的形成对10的两个腿部4、5，腿部4、5通过金属层6彼此耦接。在腿部4、5之间，设置多个桥或电阻元件9、12、13、14。电阻元件9、12、13、14仅仅作为示例示出。可存在比绘出的装置101中的电阻元件更多的桥。桥或电阻元件9、12、13、14相对于彼此分隔距离d₉、d₁₂、d₁₄。通过调节相对于彼此的距离，可调节整个热电装置101中的电流分布。例如，距离d₉和d₁₂小于桥元件14或电阻元件的距离d₁₄，其中桥元件14或电阻元件临近由金属接触件6实现的结。

可想到其中桥或电阻元件9、12之间的距离随着从腿部的面向散热器侧到面向热源侧的距离的变化而增大。这导致更多电流流过靠近散热器的区域，在这些区域中，可更容易提取由电流造成的热。

还可通过调节桥或电阻元件的材料或几何形状来修改两个腿部4、5中的电流密度。图4中示出另一个实施例，其中，热电装置102包括两个腿部4、5，这两个腿部4、5通过金属层6彼此串联耦接并且具有用于插入电流的电接触层15、16。多个桥或电阻元件9、14(在图4中只示出其中的两个)电耦接到热电腿部对10的两个腿部4、5。桥或电阻元件9、14具有预定的截面A₁₄、A₉。例如，靠近散热器(未示出)的截面A₉大于远离散热器的截面A₁₄。结果，不同的旁路电流经过这两个桥。电流j₉通常大于电流j₄。因此，在出现高旁路电流的地方尤其出现焦耳热，使得整体温度梯度向着右手侧的散热器更陡。

图5示出热电装置103的又一个实施例。装置103包括通过金属6彼此耦接的两个热电腿部4、5。示出两个接触层15、16。用l指示腿部对10的长度。替代单独的桥或电阻元件，第一腿部4和第二腿部5之间的区域被填充电阻材料90。例如，电阻材料90允许两个腿部4、5之间有旁路电流。优选地，用于电阻填充件90的材料表现出温度依赖特性，例如，电阻填充件90的材料的导电率随着温度而增大。相反，电阻填充件90的面向散热器侧和面向热源侧之间的电阻率向着热源增大。这在图5的底部示出，其中，实线曲线T示出随长度L的变化而变化的温度分布，且点划线曲线R表示两个腿部4、5之间的电阻率。例如，可想到表现出温度依赖的电阻率或导电率的有机材料。随着温度从面向散热器侧(右边)向面向热源侧(左边)减少，旁路电流密度随着温度的增加而增加。

在图6中示出另一个实施例。热电装置104具有第一上腿部4和第二下腿部5。对10的热电腿部4、5在左边通过金属层6耦接。在腿部4、5之间，电阻桥或电阻元件9、14被设置成允许旁路电流流动，如之前阐述的。可发现，面向左手侧(朝向热源)的电阻元件14具有截面A₁₄，而面向左手侧(朝向散热器)的电阻元件9具有截面A₉。A₉大于A₁₄，由于截面面积转换成导电率的值，因而允许旁路电流而增加。

另外，腿部4、5本身的截面沿着它们的纵向延伸改变。各腿部具有三个部分41、42、43、51、52、53，由此，各具有用参考标号B₄₁、B₄₂、B₄₃、B₅₁、B₅₂和B₅₃指示的不同截面。为了在腿部4、5两端施加电压，设置金属接触件15和16。通过以标示方式缩放腿部的截面，主要在散热器侧(图6中的右手侧)出现焦耳热。因此，整体的热传递进行得更有效。

除了使用如图6中所示的腿部截面的逐步改变，腿部的截面面积可具有连续变化。这在根据图7的实施例中指明。热电装置105具有通过金属层6彼此耦接的两个腿部54和55，其中，腿部的厚度沿着它们的长度向着散热器(右手侧)增大。借助电耦接腿部54和55的可选的电阻元件，这种措施(如以上关于图6所描述的)导致温差(spread in thetemperature)，从而致使热电装置105尤其有效。

一个或多个电阻元件可以是腿部54、55之间的单独的桥和/或填充件91。在图7中，包含电阻材料的填充件91作为示例示出。腿部54、55沿着纵向延伸的厚度的变化转换成腿部之间的填充件91的电阻材料的“厚度”的变化。结果，以填充件91为形式的电阻元件的电阻率可向着散热器(未示出，图7中的右手侧)减小。图7的实施例中指示的腿部54、55的逐渐变细(tapering)和特定电阻分布可导致装置105中的温度传递和分布的改善。

可想到沿着腿部长度的其它几何形状和截面的变化。在实施例中，腿部可在热源和散热器之间的区域中彼此部分附接，以通过此pn结实现旁路电流。

图8示出包括如之前表示的多个热电装置的热电模块的示意图。图8示出热电模块60的截面图。热电模块60设置在热源2和散热器3之间。例如，散热器3具有耗散器。多个在虚线框1中指示的腿部对设置在两个基板18和17之间。基板18、17可保证特定机械硬度。在图8中，只用参考符号清楚地指示带有金属耦接件6的一个腿部对4、5。例如，各个腿部可具有柱状形状。图8示出在面向热源侧和面向散热器侧之间多个交替串联耦接的腿部。存在交替串联耦接的n型材料和p型材料。腿部均串联电耦接，然而却相对于与散热器和热源的界面热并联。设置电接触件7和8以将电流插入热电模块60中。模块可包括任何多个前述热电装置的实施例。

图9示出热电模块61的其它实施例的透视图。类似于图8的图，存在多个热电腿部对10，其中至少一个选择的对10具有允许旁路电流流动的桥或电阻元件9。腿部被布置成以阵列状方式从基板18突出。n型腿部4被用阴影表面示出并且p型腿部5具有白色表面。上基板的板17被用虚线轮廓示出。设置电接触件7和8，以将电流插入热电模块61中，上金属层接触件6和下金属层接触件6’实现腿部的串联连接。

所公开的热电装置和模块可允许从热源到散热器的有效热传递。具体地，需要冷却的对象(诸如，电子芯片、CCD芯片等)可附接到此热电模块。根据本发明的热电装置和模块的实施例需要至多两个基板，其中热电腿部在这两个基板之间。这提供了优于需要数个基板来实现相同或甚至更低性能的传统多级热电模块的优点。

已经出于例证的目的呈现了对本发明的各种实施例的描述，但这些描述不旨在是排他性的或者限于所公开的实施例。在不脱离所描述实施例的范围和精神的情况下，本领域的普通技术人员将清楚许多修改和变化。本文中使用的术语被选择，以最佳地说明实施例的原理、优于市面上发现的技术的实际应用或技术改进、或能够有其它作用。

参考符号的列表

1 热电装置

2 热源

3 散热器

4 n型腿部

5 p型腿部

6 金属层

7、8 接触件

9 电阻元件

10 腿部对

11 结

12、13、14 电阻元件

15、16 金属层

17、18 基板

41、42、43 n型腿部部分

51、52、53 p型腿部部分

44 n型腿部

54 p型腿部

60、61 热电模块

90、91 电阻元件

100-105 热电装置

HF 热流

J 电流

T 温度

R 电阻

A_i、B_i 截面

d_i 距离

l 长度

Claims (15)

1.一种用于将热从热源(2)传递到散热器(3)的热电装置(1)，所述热电装置包括：

至少一个热电腿部对(10)，其具有包含n型半导体材料的第一腿部(4)和包含p型半导体材料的第二腿部(5)，其中所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)串联电耦接；

分别耦接到所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)的第一接触件(7)和第二接触件(8)；和

电阻元件(9)，其将所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)电耦接在所述热源(2)和所述散热器(3)之间，

其中所述电阻元件(9)包含布置在所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)之间的材料，并且在所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)之间的结(11)与第一接触件(7)和第二接触件(8)之间延伸。

2.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)并联热耦接在所述热源(2)和所述散热器(3)之间。

3.根据权利要求1或2所述的热电装置，其中所述电阻元件(9)适于至少部分地旁路通过所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)之间的结(11)的电流。

4.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述电阻元件(9)布置在所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)之间，使得所述腿部(4，5)的焦耳热向着所述散热器(3)侧聚集。

5.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述第一腿部(4)和/或所述第二腿部(5)的截面沿着从所述热源(2)到所述散热器(3)的方向变化。

6.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述电阻元件(9)包含具有温度依赖的导电率的材料。

7.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述接触件(7、8)用于将电流(j)插入所述第一腿部(4)和/所述第二腿部(5)。

8.根据权利要求1所述的热电装置，所述电阻元件包括在所述热源(2)和所述散热器(3)之间将所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)电耦接的多个电阻元件(9、12、13、14)。

9.根据权利要求8所述的热电装置，其中各电阻元件(9、12、13、14)具有预定导电率，使得所述电阻元件(9、12、13、14)的导电率向着所述热源(2)侧增大。

10.根据权利要求8或9所述的热电装置，其中所述电阻元件(9、12、13、14)在所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)之间延伸并且其中所述电阻元件(9、12、13、14)沿着所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)的纵向延伸相对于彼此分隔预定距离(d₉、d₁₂、d₁₃)。

11.根据权利要求8所述的热电装置，其中所述电阻元件(9、12、13、14)在所述第一腿部(4)和所述第二腿部(5)之间延伸并且其中所述电阻元件(9、12、13、14)具有不同的截面。

12.根据权利要求8所述的热电装置，所述至少一个热电腿部对包括基本上彼此平行布置的多个热电腿部对(10)。

13.根据权利要求8所述的热电装置，其中所述至少一个热电腿部对中包括串联电耦接的至少一组热电腿部对，使得电流可流过一系列交替布置的n型腿部和p型腿部。

14.根据权利要求8所述的热电装置，其中所述至少一个热电腿部对包括多个热电腿部对(10)，形成布置在基板(17、18)上的腿部的阵列。

15.一种热电模块(60)，包括至少一个根据权利要求1至14中的任一项所述的热电装置(1)，其中所述至少一个腿部对(10)结合在所述热源(2)和所述散热器(3)之间。