CN105895794A - 热转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热转换装置。该热转换装置包括：单位热电模块，其包括第一半导体元件和第二半导体元件；以及热转换模块，其通过与单位热电模块接触来进行热转换，其中，热转换模块包括：与第一半导体元件或第二半导体元件的一端和另一端中的至少任一端直接接触的热转换衬底；以及布置在热转换衬底上的辐射单元。

Description

热转换装置

技术领域

本发明的实施方式涉及包括热电元件的热转换装置。

背景技术

通常，包括热电转换元件的热电元件被配置成使得P型热电材料与N型热电材料在金属电极之间被结合(bond)，以形成PN结合对。当将温度差施加至PN结合对时，通过塞贝克效应(Seebeck effect)产生电能，使得热电元件可以用作发电装置。此外，热电元件可以通过对PN结对中的一个(one)进行制冷而对PN结对的另一个进行加热的珀尔帖效应(Peltier effect)来用作温度控制装置。

关于应用于温度控制装置的热电元件，热电元件设置在衬底对之间，并且使用异质结材料——例如具有粘合特性的热界面材料(TIM)——将与衬底的表面接触的散热构件的表面粘合至衬底的表面。该热界面材料可以例如为辐射膏(radiating grease)。由于存在该热界面材料出现以下问题：用于实现热吸收和热发射操作的热电半导体元件的热传输效率减小，从而造成热损耗。

发明内容

本发明致力于解决上述问题，并且本发明的实施方式的方面提供了热转换装置，在热转换装置中，电极图案形成在散热结构的表面上，以直接与热电元件接触，而不需要衬底构件来形成在热电半导体元件与散热结构之间的热电模块，从而可以防止由于存在热界面材料而造成的热损耗，并且可以提高热效率。

根据本发明的实施方式的方面，热转换装置可以包括：包含第一半导体元件和第二半导体元件的至少一个单位热电模块；以及通过与单位热电模块接触来进行热转换的至少一个热转换模块，其中，热转换模块包括：与第一半导体元件或第二半导体元件的一端和另一端中的至少任一端直接接触的热转换衬底；以及在热转换衬底上设置的辐射单元。

附图说明

所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，并且将附图并入并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的示例性实施方式，并且结合描述用于说明本发明的原则。在附图中：

图1为根据本发明的一个实施方式的热转换装置的概念图；

图2为示出了在热转换装置的热转换衬底上实现电极图案的示例的图；

图3为示出第一半导体元件、第二半导体元件与热转换模块的热转换衬底的接触结构的主要内容的横截面图；

图4为示出了多个热电半导体元件与在热转换衬底上直接形成的电极图案的接触结构的示例图；

图5示出了根据本发明的另一实施方案的热转换装置的概念图；

图6和图7为图5的热转换构件的示例性图；以及

图8示出了根据本发明的另一实施方式的热转换装置的应用示例。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的实施方式的配置和操作。然而，以不同方式使本发明具体化，并且不应解释为限制在本文中提出的实施方式内。在参考附图进行说明时，不考虑附图的附图标记，类似的标记贯穿说明书指代类似的元件，并且省略对其重复的说明。术语——例如第一术语和第二术语——可以用于说明各种构成元件，然而构成元件不限制于这些术语。使用这些术语的目的仅在于使某构成元件区别于其他构成元件。如在本文中所使用的单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。

图1为根据本发明的一个实施方式的热转换装置的概念图，并且图2为示出了在图1的热转换装置的热转换衬底上实现电极图案的示例的图。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施方式的热转换装置包括至少一个单位热电模块Z，该热电模块Z包括第一半导体元件120和第二半导体元件130。此外，热转换装置可以配置成包括通过与单位热电模块Z接触来进行热转换的热转换模块X、Y。

在该情况下，热转换模块X、Y可以配置成，使得处于不同形式的辐射单元111、112可以分别地设置在热转换衬底110A、110B上。辐射单元111、112具有实现为类似引脚结构形状的结构，但是不限于此。可以设置如图5或图6所示的结构。

具体地，第一半导体元件120和第二半导体元件130的一端和另一端中的至少之一可以实现为与热转换模块的每个热转换基底110A、110B的一个表面直接接触。

换言之，根据本发明的一个实施方式的热转换装置可以被实现为：在组成热电模块的半导体元件之间构成电连接的电极图案形成在辐射结构的表面上，而非形成在隔离衬底构件上。由于该配置，该隔离衬底构件可以从现有的热电模块去除。

作为一个示例，如图1所示，电极图案直接形成在热转换模块的每个热转换衬底110A、110B的一个表面上，并且第一半导体元件120与第二半导体元件130与电极图案接触，从而可以实现电连接。

第一半导体元件120和第二半导体元件130与在热转换模块的每个外表面(热转换衬底)上形成的电极图案接触，并且将第一半导体元件120和第二半导体元件130设置为彼此电连接。热电半导体元件被配置成：P型半导体与N型半导体被设置为一对。当施加电流时，在衬底对上通过珀尔帖效应来实现热吸收部件和热发射部件。

该结构以下述结构实现：其中，电极图案直接形成在实现热发射和热吸收的热转换的热电模块(或装置)的表面上，并且热电半导体元件与电极图案接触；而非以下述结构实现：其中，分别地设置衬底对，用于半导体元件之间的电连接的电极图案被实现，并且热电半导体被设置在衬底对之间。因此，可以防止由于存在用于结合隔离结构的粘合材料而造成的热损耗，并且能够改善由于附加的衬底而引起的热传输的低效率。

特别地，如图1所示，包括第一半导体元件120和第二半导体元件130的热电模块可以被配置成：与形成在针对热吸收和热发射的热电模块X、Y的每个热转换衬底110A、110B的一个表面上的电极图案直接接触。

在图1所示的结构中，在第一半导体元件120和半导体元件130的一端和另一端的两个方向上布置热转换衬底110A、110B，但不限于此。可以仅在一端与另一端中的任意一个处布置热转换衬底。

此外，如所示的，在与热转换衬底110A、110B中连接有第一半导体元件120和第二半导体元件130的各个表面相对的每个表面上布置突出结构111、112，使得热辐射功能和热吸收功能能够被最大化。突出结构可以是具有突出的柱状形状的引脚结构，并且可以是布置有后文将描述的弯曲图案的结构。

图2是仅示出了热转换衬底110A、110B中连接有第一半导体元件120与第二半导体元件130的电极图案区域R1、R2的放大视图。

如图2所示，电极图案160a、160b直接被形成在热转换衬底110A、110B的每个表面上。此外，在以上关于图1的段落中描述的第一半导体元件120和第二半导体元件130与电极图案160a、160b接触并且被连接至电极图案160a、160b。在这种情况下，电极图案160a、160b可以在热转换衬底110A、110B的每个表面上形成。此外，通过在热转换衬底110A、110B的相应表面中形成固定凹槽，电极图案可以形成为部分地被嵌入。该嵌入结构可以使电极图案稳定地安装。

在热电模块的常规结构中，热电模块被配置成：使得第一半导体元件120和第二半导体元件130被布置在具有电极图案的衬底对之间，并且电极图案被形成在需要温度控制的热电模块的外表面上并且与第一半导体元件120和第二半导体元件130直接接触。因此，装置的厚度可以变薄，可以提高直接热传递的效率，并且因为没有使用用于结合衬底与热电模块的异质结材料(例如散射膏等)，所以可以防止热量损失。

具体地，根据本发明的一种实施方式，当形成热电半导体元件以与热转换模块的每个外表面直接接触时，较之使用隔离衬底进行接触(使用粘合材料如散热膏)的情况，可以防止热损失并且热电元件的性能与现有热电元件的性能(Qc,△)相比可以提高2％至5％。

图3是示出了在关于图1的段落中所描述的第一半导体元件120和第二半导体元件130的接触结构以及热转换模块的热转换衬底110A、110B的主要部分的剖视图。

如图3所示，第一半导体元件120和第二半导体元件130与电极图案160a、160b接触，电极图案160a、160b直接形成在热电模块的热转换衬底110A、110B的每个表面上而没有隔离结构，由此实现电连接。

在这样的情况下，当热转换衬底110A、110B由金属导电材料(如铝等)形成时，如图3所示，可以在热转换衬底110A与电极图案160a之间以及在热转换衬底110B与电极图案160b之间分别布置隔离绝缘层170a、170b。当然，当热转换衬底为非导电时，金属电极图案(其在没有绝缘层的情形下直接形成)形成为被连接至第一半导体元件120和第二半导体元件130。

此外，考虑作为具有辐射性能的介电材料的制冷热电模块的热导率，绝缘层170a、170b可以由具有5W/K至10W/K的热导率的材料形成，并且可以以0.01mm至0.15mm范围内的厚度被形成。在这种情况下，当绝缘层的厚度小于0.01mm时，绝缘效率(或耐电压性能)大大降低，并且当厚度大于0.15mm时，热导率降低，因此引起辐射效率的降低。

电极图案160a、160b使用电极材料(如Cu、Ag、Ni等)与第一半导体元件和第二半导体元件电连接。如图4所示，当所示出的单位元件(unit cell)被连接时，电极图案形成与相邻单位元件的电连接。电极图案的厚度可以在从0.01mm至0.3mm的范围内。

当电极图案的厚度小于0.01mm时，电极图案作为电极的功能下降，因此导致电导率的降低。此外，当电极图案的厚度大于0.3mm时，由于电阻的增加，电导率也降低。

具体地，对于形成单位元件的热电元件，可以应用根据本发明的一种实施方式的包括具有层压结构的单位元件的热电元件。在这种情况下，热电元件的一个表面可以由作为第一半导体元件120的P型半导体和作为第二半导体元件130的N型半导体构成。第一半导体与第二半导体被连接至金属电极160a、160b。这样的结构以复数数量被形成，并且借助于电极通过用于向半导体元件供应电流的电路线181、182来实现珀尔帖效应。

P型半导体材料或N型半导体材料可以应用于热电模块中的半导体元件。关于P型半导体材料或N型半导体材料，可以使用如下混合物来形成N型半导体元件：在该混合物中，基于主要原材料的总重量，将基于BiTe的包含Se、Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga、Te、Bi和In的主要原材料与0.001wt％至1.0wt％的Bi或Te进行混合。例如，当主要原材料是基于Bi-Se-Te的材料时，可以基于Bi-Se-Te材料的总重量以0.001wt％至1.0wt％的量来添加Bi或Te。即，当基于Bi-Se-T的材料以100g的量被添加时，则与其混合的Bi或Te的量可以在0.001g至1.0g的范围内。如上所述，当添加至主要原材料的材料的量在0.001wt％至0.1wt％的范围内时，热导率不降低，而电导率降低。因此，数量范围具有如下意义：不可能预期ZT值的增加。

可以使用如下混合来形成P型半导体元件：在该混合中，基于主要原材料的总重量，将基于BiTe的包含Sb、Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga、Te、Bi和In的主要原材料与0.001wt％至1.0wt％的Bi或Te进行混合。例如，当主要原材料是基Bi-Se-Te的材料时，可以基Bi-Se-Te材料的总重量以0.001wt％至1.0wt％的量添加Bi或Te。即，当以100g的量添加基于Bi-Se-T的材料时，与其混合的Bi或Te的量可以在0.001g至1.0g的范围内。如上所述，当添加至主要原材料的材料的量在0.001wt％至0.1wt％的范围内时，热导率不降低，而电导率降低。因此，数值范围具有如下意义：不可能预期ZT值的增加。

在形成单位元件时彼此面对的第一半导体元件和第二半导体元件可以具有相同的形状和大小。然而，在这种情况下，由于P型半导体元件的电导率不同于N型半导体元件的电导率，所以冷却效率降低。考虑到该事实，它们中的任何一个可以被形成为具有与其他半导体元件不同的体积，从而可以提高制冷能力。

换言之，彼此面对布置的单位元件的半导体元件的体积可以以如下方式形成为彼此不同：半导体元件整体形成为具有不同的形状、具有相同高度的半导体元件中的任何一个的横截面形成为具有比另一个半导体元件的横截面的直径更宽的直径、或者具有相同形状的半导体元件形成为具有不同的高度和不同的各自的横截面直径。具体地，将N型半导体元件的直径形成为大于P型半导体元件的直径，以使得体积增加，从而可以提高热电效率。

图5示出了根据本发明的其他实施方式的热转换装置的概念图。具体地，在图5的结构中，设置有图3的包括第一半导体元件120和第二半导体元件130的热电模块Z，并且设置有与第一半导体元件120和第二半导体元件130直接接触的热转换模块X、Y的热转换衬底110A、110B。由此，该结构与根据本发明的一种实施方式的热转换装置的结构相同。然而，该结构与根据本发明的一种实施方式的热转换装置的结构的不同在于：包括用于实现和提高热发射能力和热吸收能力的隔离热转换构件220、320。

根据位于中心部分的热电模块Z的热发射功能和热吸收功能，穿过热转换模块X、Y的流体(水或空气)与热转换构件220、320接触，以使得根据本实施方式的热转换构件220、320可以使得热发射功能和热吸收功能能够被最大化。

图6示出了示出包含在根据其他实施方式的热转换模块中的热转换构件220的结构的一个示例。图9是示出了由包含在热转换构件220中的一个流动路径图案220A形成的结构的放大概念图。

如所示，热转换构件220可以以下结构来形成：在该结构中，在具有平坦板状形状并且包括第一平面221和与第一平面221相对的第二平面222的衬底上实现了至少一个流动路径图案220A，从而可以实现与空气的表面接触，其中所述至少一个流动路径图案220A形成与空气的运动路径对应的空气流动路径C1。

如图6中所示，流动路径图案220A可以以以下方式来实现，该方式使得衬底以折叠结构被形成，以便能够形成具有固定的间距P1、P2和固定的高度T1的弯曲图案。

换言之，根据本发明的实施方式的热转换构件220、320可以以以下结构来实现：在该结构中，形成具有与空气表面接触的两个平面并且使与空气接触的表面面积(area)最大化的流动路径图案。

在图6中示出的结构中，当空气从空气流入的流入部分的空气流动路径C1的方向流动时，空气与第一平面2210和与第一平面相对的第二平面222均匀地接触，以便朝向空气流动路径的末端方向C2行进。从而，这样的结构可以在同一空间中实现比与空气的接触表面更高的接触面积，使得可以进一步提高热发射效应或热吸收效应。

具体地，为了提高与空气的接触面积，如图6和图7中所示，根据本发明的实施方式的热转换构件220可以在衬底表面上包括阻力图案223。

考虑单位流动路径图案，可以在第一弯曲表面B1和第二弯曲表面B2上形成阻力图案。该阻力图案可以被实现成沿第一平面的方向和与第一平面相对的第二平面的方向中的任一方向突出。

此外，热转换构件220还可以包括穿过衬底的多个流体流动凹槽224。受益于该流体流动凹槽，可以在热转换构件220的第一平面与第二平面之间更加自由地实现与空气的接触以及空气的运动。

具体地，如图7的局部放大图中所示，阻力图案223形成为在空气进入的方向上倾斜成具有倾斜角θ的突出结构，从而能够使得与空气的摩擦最大化，以便实现增加接触面积或提高接触效率。

倾斜角θ可以被配置成使得阻力图案的表面的水平延长线和衬底的表面的延长线形成锐角。这是因为：当该角度是直角或钝角时，降低阻力效应。此外，流体流动凹槽224被布置在阻力图案与衬底之间的连接部分处，使得可以增加对流体(如空气等)的阻力，并且可以有效地执行空气到相对置表面的运动。

具体地，因为流体流动凹槽224在阻力图案223前方形成在衬底的表面上，所以与阻力图案223接触的空气部分地穿过衬底的前表面和后表面，从而可以增加接触频率或接触面积。

图8示出了根据本发明的热转换装置的应用示例。

本发明意在通过在需要加热或制冷的装置的表面上直接形成电极图案并且使热电半导体元件与电极图案直接接触来提高温度控制的效率，而非通过以下结构来提高温度控制的效率：在该结构中使用热电模块的热转换装置被配置成使得热电模块中的热电半导体元件被布置在隔离衬底之间。

相应地，在应用示例中，可以应用根据实施方式的具有各种结构的热转换装置。此外，如图8中所示，在需要水或流体W进行制冷或加热的目标装置的、具有100C的外部表面上实现电极图案区域R1，并且热电半导体元件120、130与电极图案区域直接接触，使得可以提高热传输效率，并且可以防止由于接触表面上的异质结材料(如粘合材料)导致的热损耗。

该应用示例不限于上述结构。该热转换装置还可以应用于使用热电元件的所有温度控制装置。例如，热转换装置还可以应用于各种装置如散热片结构、热力管道、储水罐、蓄水池、冷热饮水机等。

根据本发明的一些实施方式，热转换装置被配置成：构成热电模块的热电半导体元件与热转换模块的热转换衬底直接接触，以使得构成热电模块的衬底构件可以被移除，并且衬底构件与热转换衬底之间的界面粘合层可以被移除。从而，可以防止由于存在用于衬底构件与热转换衬底的接触的粘合材料层而在异质结材料之间产生的热损耗，并且可以提高热电元件的性能。

具体地，除了提高热电元件的性能以外，根据本发明的某种实施方式，与空气表面接触的热转换构件被设置成布置在热电衬底上的辐射结构，并且热转换构件以折叠结构来实现，以便可以形成多个流动路径，从而可以使与空气的接触面积最大化，并且可以使热转换效率最大化。此外，受益于具有折叠结构的热转换构件，还可以在热转换装置的有限的区域中实现高效的热转换装置。由于产品本身的体积形成得较薄，所以可以实现用途广泛的设计布置。

受益于根据本发明的一些实施方式的热转换构件的结构，可以使热发射部件的温度增加效应和热吸收部件的温度减小效应最大化。另外，受益于折叠结构，可以减小产品本身的厚度，因为与具有相同容积的空间相比，由于由铝等制成的热转换构件的容积减小了高达50％或更多。

如前面所描述的，在本发明的具体实施方式部分中，已经描述了本发明的详细的示例性实施方式，显然，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明作出修改和变化。因此，应当理解的是，前述是本发明的说明，并且不应当被理解为限于所公开的具体实施方式，并且对所公开的实施方式以及其他实施方式的修改意在被包括在所附权利要求的范围及其等同的范围内。

Claims (10)

1.一种热转换装置，包括：

单位热电模块，所述单位热电模块包括第一半导体元件和第二半导体元件；以及

热转换模块，所述热转换模块通过与所述单位热电模块接触来进行热转换，

其中，所述热转换模块包括：与所述第一半导体元件或所述第二半导体元件的一端和另一端中的至少任一端直接接触的热转换衬底；以及布置在所述热转换衬底上的辐射单元。

2.根据权利要求1所述的热转换装置，其中，所述热转换模块包括设置在所述热转换衬底的一个表面上并且电连接至所述第一半导体元件和所述第二半导体元件的电极图案。

3.根据权利要求2所述的热转换装置，还包括布置在所述电极图案与所述热转换衬底的一个表面之间的绝缘层。

4.根据权利要求2所述的热转换装置，还包括在所述第一半导体元件和所述第二半导体元件与所述电极图案之间的金属焊料层。

5.根据权利要求1所述的热转换装置，其中，所述辐射单元包括在所述热转换衬底上的突出引脚式的多个辐射结构。

6.根据权利要求1所述的热转换装置，其中，所述辐射单元包括与所述热转换衬底的表面接触并且在所述衬底的表面上具有至少一个流动路径图案的至少一个热转换构件。

7.根据权利要求6所述的热转换装置，其中，所述流动路径图案以在所述衬底的纵向方向上具有间距的弯曲结构来实现。

8.根据权利要求7所述的热转换装置，其中，所述热转换构件还包括形成在所述流动路径图案的表面上并且从所述辐射衬底的表面突出的阻力图案。

9.根据权利要求7所述的热转换装置，还包括穿过所述辐射衬底的表面的多个流体流动凹槽。

10.根据权利要求1所述的热转换装置，还包括至少两个单位热电模块，其中实现了与所述单位热电模块对应的电极图案。