CN106992244A - 热电转换装置以及热电转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热电转换装置以及热电转换器。热电转换装置包括至少两个以上的长型的P型热电材料与长型的N型热电材料、第一电极以及第二电极。P型与N型热电材料的长度方向的两端分别具有第一与第二端部，其中P型与N型热电材料以于长度方向平行的方式而设置为交错排列，P型与N型热电材料的第一端部位于同一侧，且第二端部位于同一侧。第一电极电连接P型热电材料以及下一个N型热电材料的第一端部的至少两侧面，第二电极电连接N型热电材料以及下一个P型热电材料的第二端部的至少两侧面。第一电极以及第二电极沿着长度方向而分别突出于P型与N型热电材料的第一与第二端部之外。

Description

热电转换装置以及热电转换器

技术领域

本发明涉及一种热电转换装置以及热电转换器，且特别是涉及一种具有可与流体直接接触的突出电极的热电转换装置以及热电转换器。

背景技术

由于能源短缺问题，再生能源技术的发展成为了重要议题。热电转换技术为目前一种可直接将热能与电能进行转换的新兴再生能源技术，此热电转换效应是通过热电材料内部载流子移动让热能与电能达到能量转换的功效。近年来，热电转换技术受到各国相关研究单位高度重视并投入大量研发能量，除了材料的开发，也积极进行热电技术应用。

热电模块(thermoelectric module)是热电转换技术的应用产品之一。具体地说，热电模块为一种具有热与电两种能量互相转换特性的元件。对热电模块通入直流电时，热电模块两端产生温差，由冷端吸热将热能送到热端放出，达到热泵(heat pump)的功能，此为珀尔帖效应(Peltier effect)。另一方面，若热电模块两端处于不同温度时，热电模块即产生直流电，温差越大的时候，产生的电功率越高，此为塞贝克效应(Seebeck effect)。

根据上述两种原理，如何使热电材料与金属电极的接合处所产生的热电转换效应可以有效传导进行应用，是非常重要的课题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种热电转换装置。热电转换装置包括至少两个以上的长型的P型热电材料、至少两个以上的长型的N型热电材料、第一电极以及第二电极。P型热电材料的长度方向的两端分别具有第一端部以及第二端部，且N型热电材料的长度方向的两端分别具有第一端部以及第二端部。P型热电材料以及N型热电材料以于长度方向平行的方式而设置为交错排列，且P型热电材料的第一端部与N型热电材料的第一端部位于同一侧，P型热电材料的第二端部与N型热电材料的第二端部位于同一侧。第一电极电连接P型热电材料的第一端部的至少两侧面以及下一个N型热电材料的第一端部的至少两侧面，其中第一电极沿着长度方向而突出于P型热电材料的第一端部以及N型热电材料的第一端部之外。第二电极电连接N型热电材料的第二端部的至少两侧面以及下一个P型热电材料的第二端部的至少两侧面，其中第二电极沿着长度方向而突出于P型热电材料的第二端部以及N型热电材料的第二端部之外，前述第一电极或前述第二电极为两片的片状电极，且其中一片的片状电极电连接于前述P型热电材料以及前述N型热电材料的相对向的侧面，而另一片的片状电极电连接于与前述P型热电材料以及前述N型热电材料的相对向的侧面相反侧的侧面，并且前述两片的片状电极不互相接触。

而且，本发明提供一种热电转换器。热电转换器包括上述提及的热电转换装置、第一流体通道以及第二流体通道。第一流体通道设置于前述第一电极侧，其中第一电极位于第一流体通道内，以使流体直接流经第一电极。第二流体通道设置于第二电极侧，其中第二电极位于第二流体通道内，以使流体直接流经第二电极。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的热电转换装置的示意结构图；

图2为图1的热电转换装置的上视图；

图3为本发明一实施例的热电转换装置的示意结构图；

图4为本发明一实施例的热电转换装置的示意结构图；

图5为本发明一实施例的热电转换器的示意结构图；

图6为本发明一实施例的热电转换器的示意结构图；

图7为本发明于空气环境中测试热电转换装置所得的温度对时间的图；

图8为本发明于通水环境中测试热电转换装置所得的温度对时间的图；

图9为本发明测试不同的电极与热电材料的结合面积所得的温差对输入功率的图。

符号说明

10a、10b、10c：热电转换装置

20a、20b：热电转换器

110：P型热电材料

110-E1、120-E1：第一端部

111、112、121、122：侧面

120：N型热电材料

110-E2、120-E2：第二端部

130：第一电极

131、132、141、142：片状电极

140：第二电极

150：绝热绝缘材料

160：外壳

161：端子接点

190：导线

210、230：第一流体通道

220、240：第二流体通道

A、B：流体

L、T、W：方向

具体实施方式

图1为本发明一实施例的热电转换装置的示意结构图。图2为图1的热电转换装置的上视图。请同时参照图1以及图2，热电转换装置10a包括至少两个以上的长型的P型热电材料110、至少两个以上的长型的N型热电材料120、第一电极130以及第二电极140。此处所谓的「长型」的P型或N型热电材料，是指热电材料是由长度边(图1中的方向L)、宽度边(图1中的方向W)以及厚度边(图1中的方向T)所构成的长方体。举例而言，一实施例中，长型的热电材料的长度边(L)相当程度的大于宽度边(W)以及厚度边(T)，而使得热电材料呈长条状；一实施例中，将上述的长型的热电材料的厚度边(T)的厚度变小，将得到如同图1所示的长型的片状的热电材料；一实施例中，上述的长型的热电材料的厚度边(T)的厚度相当程度的小于宽度边(W)时，将得到长型的膜状的热电材料。

请继续参照图1以及图2，P型热电材料110分别在长度方向(L)的两端具有第一端部110-E1以及第二端部110-E2，而且N型热电材料120分别在长度方向(L)的两端具有第一端部120-E1以及第二端部120-E2。多个P型热电材料110与多个N型热电材料120以于长度方向(L)平行的方式而设置为交错排列，且P型热电材料110的第一端部110-E1与N型热电材料120的第一端部120-E1位于同一侧，并且P型热电材料110的第二端部110-E2与N型热电材料120的第二端部120-E2位于同一侧。在本实施例中，是使P型热电材料110的具有较大表面积的侧面111或112(亦即长度边与宽度边所构成的侧面)与N型热电材料120的具有较大表面积的侧面121或122相对向而设置。P型热电材料110以及N型热电材料120可以是铋碲系、铅碲系、镁硅系、方钴矿系、锌锑系等的热电材料。

请继续参照图1以及图2，沿着P型热电材料110以及N型热电材料120的排列方向(T)，使第一电极130电连接P型热电材料110的第一端部110-E1的至少两侧面以及下一个N型热电材料120的第一端部120-E1的至少两侧面，并且其中第一电极130沿着长度方向而突出于P型热电材料110的第一端部110-E1以及N型热电材料120的第一端部120-E1之外。而且，第二电极140电连接N型热电材料120的第二端部120-E2的至少两侧面以及下一个P型热电材料110的第二端部110-E2的至少两侧面，并且其中第二电极140沿着长度方向而突出于P型热电材料110的第二端部110-E2以及N型热电材料的第二端部120-E2之外。通过上述的P型热电材料110、N型热电材料120、第一电极130以及第二电极的配置方式，将能够以串联的方式构成本发明的热电转换装置。于本实施例中，第一电极130以及第二电极140的材质例如是可包括铜、镍、铁、银、钛、铝、钼等金属及其合金。并且第一电极130以及第二电极140的形状例如是可包括片状或线状。使第一电极130电连接于P型热电材料110与N型热电材料120的方式例如是可使用焊接。

于本实施例中，所使用的长型的P型热电材料110以及N型热电材料120为厚度边为小的热电材料，通过如同本实施例的图1以及图2的配置方式，能够有助于热电转换装置本体的小型化。而且，第一电极130以及第二电极140接合于P型热电材料110以及N型热电材料120的两侧面，因此，即使是采用薄型的热电材料，也能够具有充分大的接合面积，从而能够提升热电转换以及热能输送的效果。此外，于本实施中，使第一电极130以及第二电极140突出于P型热电材料110以及N型热电材料120的端部之外的构成，是为了使本发明的热电转换装置10a在后续使用时，能够使流体直接流经第一电极130以及第二电极140以进行热交换，从而能够增加热交换的效能。

而且，由使第一电极130以及第二电极140能够得到与P型热电材料110以及N型热电材料120充分的接合面积的观点，在一实施例中，第一电极130以及第2电极140可以为具有与P型热电材料110以及N型热电材料120相同宽度的片状结构，并使第一电极130以及第二电极140接合于P型热电材料110与N型热电材料120的由长度边与宽度边所构成的侧面。在一实施例中，相对于P型热电材料110以及N型热电材料120的一个侧面的面积，第一电极130与P型热电材料110以及N型热电材料120的一个侧面的接合面积可以为25％以下(大于0％小于等于25％)，而且第二电极140与P型热电材料110以及N型热电材料120的一个侧面的接合面积可以为25％以下(大于0％小于等于25％)。

请参照图1，于本实施例中，第一电极130为宽度与P型热电材料110以及N型热电材料120相同的两片的片状电极131、132，且其中一片的片状电极131电连接P型热电材料110的侧面111以及N型热电材料120的侧面122，亦即是通过片状电极131电连接P型热电材料110以及N型热电材料120的相对向的侧面。而另一片的片状电极132电连接于P型热电材料110的侧面112以及N型热电材料120的侧面121，亦即是，通过片状电极132电连接P型热电材料110以及N型热电材料120的与相对向的侧面相反侧的侧面。而且，前述两片的片状电极131、132并不互相接触。

而且，于本实施例中，第二电极140为宽度与P型热电材料110以及N型热电材料120相同的两片的片状电极141、142，且其中一片的片状电极141电连接N型热电材料120的侧面121以及P型热电材料的侧面112，亦即是通过片状电极141电连接N型热电材料120以及P型热电材料110的相对向的侧面。而另一片的片状电极142电连接于N型热电材料120的侧面122以及P型热电材料110的侧面111，亦即是，通过片状电极142电连接N型热电材料120以及P型热电材料110的与相对向的侧面相反侧的侧面。而且，前述两片的片状电极141、142并不互相接触。

在本实施例中，通过使第一电极130为两片的片状电极131、132，且片状电极131、132不互相接触，并通过使第二电极140为两片的片状电极141、142，并且，且片状电极141、142不互相接触，因此每一片片状电极131、132、141、142的突出部分的电极表面都能够与流体接触，与现有架构相较之下，第一电极130以及第二电极140能够得到约两倍以上的热交换面积，因此能够更为增加第一电极130以及第二电极140与流体的热交换效能。此外，在本实施例中，是利用两片的U型片状电极来电连接P型热电材料以及N型热电材料的由长度边与宽度边所构成的两侧面，但本发明并不限定于此，电极的形状并不限定为U型，可依据实际需要(例如是电极加工容易性或是与流体接触面积等)而为任意的适当形状。而且，也可以利用电极进一步电连接P型热电材料以及N型热电材料的由宽度边与厚度边所构成的侧面，并使所形成的电极不互相接触，以使流体能够接触所有电极的表面，通过此种构成，可以使电极得到更大的热交换面积，进一步增加电极与流体的热交换效能。

另外，如图1所示，热电转换装置10a更可以包括导线190以及电力系统(未图示)，其中通过导线190电连接电力系统，而完成一个完整的电路回路。电力系统例如是电力提供装置或电力储存装置，本发明不限于此。在本实施例中，电力系统例如是直流电提供装置。

请参照图1，当热电转换装置10a作为发热装置时，其简单的运作如以下实施例说明。首先，通过导线190的设置，电力系统(未图示)提供一直流电给热电转换装置10a，通过P型热电材料110中带有正电荷的空穴往邻近的第一电极130移动以及N型热电材料120中带有负电荷的电子往邻近的第一电极130移动，因此第一电极130因吸热而被加热，且第二电极140因被吸热而降温。因此，如在热电转换装置10a的第一电极130侧以及第二电极140侧分别使流体通过，将能够使流经第二电极140的流体被致冷，并使流经第一电极130的流体被加热。据此，本实施例热电转换装置10通过珀尔帖效应(Peltier effect)，达到热泵(heat pump)的功能。

图3为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图。图3的实施例的热电转换装置10b与上述图1的热电转换装置10a相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符号表示，且不再重复说明。图3的实施例与图1的实施例主要差异处在于，P型热电材料110与N型热电材料120被设置于绝缘绝热材料150中，而且，第一电极130以及第二电极140分别沿着P型热电材料110以及N型热电材料120的长度方向突出于绝缘绝热材料150之外。绝缘绝热材料150的材质例如是陶瓷、塑胶、压克力、木头、保丽龙及此些的混合物等。

就理论上而言，本发明的核心元件为P型热电材料110、N型热电材料120、第一电极130以及第二电极140，通过对上述构件所组成的热电转换装置10a施加电流，就能够达成本发明的热电转换装置10a的热泵的功能。但于本实施例中，通过将P型热电材料110、N型热电材料120设置于绝缘绝热材料150中，能够利用绝缘绝热材料150更为稳固的固定P型热电材料110、N型热电材料120，并提供良好的绝缘绝热效果。

图4为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图。图4的实施例的热电转换装置10c与上述图3的热电转换装置10b相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符号表示，且不再重复说明。图4的实施例与图3的实施例主要差异处在于，热电转换装置10c更包括外壳160。具体来说，热电转换装置10c的外壳160包覆图3中的热电转换装置10b，而且，第一电极130以及第二电极140分别沿着P型热电材料110以及N型热电材料120的长度方向而突出于外壳160之外。

外壳160的设置可对热电转换装置10c进一步达到结构上的保护。而且，通过将用以输入电流的正负端子接点161设置于外壳160的一处，将有利于后续的使用。外壳160的材料例如是绝缘材料；举例来说，可为电绝缘材料、热绝缘材料或绝缘绝热材料。此外，依照需求，通过对外壳160进行适当的设计，以使得流体通道(未图示)能够容易的安装于热电转换装置10c。或者是，通过对外壳160进行适当的设计，以能够堆叠设置多个热电转换装置10c。此外，于本实施例中，绝缘绝热材料150与外壳160为分别设置的不同构件，但本发明不以此为限，也能够采用绝缘绝热材质的外壳来直接填充并包覆P型热电材料110以及N型热电材料120。

图5为本发明一实施例的热电转换器20a的示意结构图，热电转换器20a至少包括热电转换装置10c、第一流体通道210、第二流体通道220。如图5所示，第一流体通道210设置于第一电极130侧，其中第一电极130设置于第一流体通道210的内部，以使得当流体A流经第一流体通道210时，能够与其中的第一电极130进行热交换。而且，第二流体通道220设置于第二电极140侧，其中第二电极140设置于第二流体通道220的内部，以使得当流体B流经第二流体通道220时，能够与其中的第二电极140进行热交换。此外，在本实施例中，第一流体通道210以及第二流体通道220所流通的流体的流动方向是设定为与第一电极130或第二电极140的排列方向(T方向)平行，但本发明并不限定于此。

图6为本发明另一实施例的热电转换器的示意结构图。图6的实施例的热电转换器20b与上述图5的热电转换器20a相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符号表示，且不再重复说明。图6的实施例与图5的实施例主要差异处在于，第一流体通道230以及第二流体通道240的流体流动方向与图5的热电转换器20a的流体流动方向不同。具体来说，本实施例中的第一流体通道230所流通的流体A以及第二流体通道240所流通的流体B的流动方向是设定为与第一电极130或第二电极140的排列方向(T方向)垂直的方向(W方向)。通过本实施例的此种设计，能够视需要而堆叠设置多个热电转换器20b，并通过使流体流经更多的第一电极130以及第二电极140，从而获得更佳的热泵功效。

在上述图5以及图6的实施例中，其中的热电转换装置10c如采用图1的电连接方式，将能够使流经第二电极140的流体被致冷，并使流经第一电极130的流体被加热。但本发明并不限定于此，也可以采用与图1相反的电连接方式，以使流经第二电极140的流体被加热，并使流经第一电极130的流体被致冷。此外，在上述图5以及图6的实施例中，是将流体通道设置于热电转换装置10c以分别构成热电转换器20a、20b，但本发明并不限定于此，也可以将流体通道设置于图1的热电转换装置10a或是图3的热电转换装置10b以构成热电转换器。

此外，在上述对于热电转换装置或是热电转换器的描述中，都是通过电力系统提供电力给热电转换装置或热电转换器，以通过珀尔帖效应达到热泵的功能，但本发明并不限定于此，也可以分别提供两个彼此之间具有温差的流体至第一电极130侧以及第二电极140侧，通过流体间的温差产生电流(即：Seebeck effect)，使热电转换装置或是热电转换器具发电功能。

〈热泵功能的测试〉

首先，准备5对的长条状的P型热电材料以及N型热电材料，其中P型热电材料以及N型热电材料的尺寸为40mm(L)×5mm(W)×2mm(T)。在P型热电材料以及N型热电材料的两端部个别形成有镍金层，以用于后续与电极的连接。接着，使用厚度为200μm的铜箔作为电极，通过焊接的方式依序串联连接P型热电材料以及N型热电材料，然后弯折电极，以构成如图1所示结构的测试装置。接着，在电极位置装置热电偶，并对此测试装置提供电力，以量测此测试装置的两侧电极的升温与降温特性。

接着，将测试装置设置在空气环境下进行测试，测试的环境温度为23℃，且输入功率为约10W(1.6A/7V)，量测的结果请参照图7。于图7中，温度曲线的量测结果由高至低分别为CH001(热电材料与电极接合放热处温度)、CH005(发热电极温度)、CH003(环境温度)、CH006(致冷电极温度)与CH004(热电材料与电极接合吸热处温度)，其中致冷端的电极片与加热端的电极片的温差最大到达52℃。

接着，将测试装置设置在作为绝缘绝热材料的保丽龙之中，其中前述绝缘绝热材料形成有可使流体分别流经测试装置的两侧电极的流体通道。接着，对前述测试装置进行通水以及通电，所得的测量结果如图8所示。于图8中，数列1以及数列2表示于加热端所测得的水温，数列3以及数列4表示于致冷端所测得的水温。由图8可知，在进行测试前的水温约为28℃，在经由对测试装置施加电力之后，加热端的水温提高至36℃，而且致冷端的水温降低至27℃。因此，由上述图7以及图8的结果可知，不论是于空气中或通水状态下，本发明的热电转换装置确实具备热电元件所具有的热泵功能。

〈接合面积影响的测试〉

提供长条状的P型热电材料以及N型热电材料，其中P型热电材料以及N型热电材料的尺寸为40mm(L)×5mm(W)×2mm(T)。接着，使用作为电极的铜箔对P型热电材料以及N型热电材料的由40mm(L)×5mm(W)构成的两侧面进行焊接，以构成N-P-N的结构。其中对于电极与P型热电材料以及N型热电材料接合的面积分别设定如下：5mm(W)×3mm(L)、5mm(W)×6mm(L)以及5mm(W)×10mm(L)。

接着，对于前述3种不同面积的热电转换装置通入不同功率的直流电进行测试，量测接合电极的温差，其结果如图9所示。由图9可知，在相同的热电材料条件之下，通过提高电极与热电材料的接合面积，能够增加致冷端的电极与加热端的电极的的温差，从而达到提高热电热泵的功效。

综上所述，本发明的热电转换装置或热电转换器中的第一电极以及第二电极接合于P型热电材料以及N型热电材料的两侧面，因此能够具有更大的接合面积，从而能够更为提升热电转换以及热能输送的效果。另一方面，即使是将热电材料小型化或者是薄型化，通过本发明的上述构成，也能够确保充足的接合面积，从而能够得到良好的热电转换以及热能输送的效果。

此外，本发明的热电转换装置或热电转换器中的第一电极以及第二电极突出于P型热电材料以及N型热电材料的端部(绝缘绝热材料或是外壳)之外，本发明的热电转换装置或热电转换器在后续使用时，能够使流体直接流经第一电极以及第二电极以进行热交换，热电材料与金属电极的接合处所产生的热电转换效应可不需透过绝缘基板热传导进行应用，因此可不受限于绝缘基板本身的热阻降低了实际可应用的性能。此外，也不需在绝缘基板的外侧进行热交换，可减少热电模块的热电转换效率再次受到损耗，从而能够提升热交换的效能。

而且，在本发明的热电转换装置或热电转换器中，通过使第一电极以及第二电极分别为两片的U型片状电极，与现有架构相较之下，本发明的第一电极以及第二电极能够得到约两倍以上的热交换面积，因此能够更为增加第一电极以及第二电极与流体的热交换效能。

综合上述所揭示的各优点，本发明的热电转换装置或热电转换器即使是将热电材料小型化或是薄型化的情况下，仍然能够具有优良的热电转换以及热能输送的效果，因此，本发明能够提供小型化(或是薄型化)且具有高效能的热电转换装置或热电转换器。

虽然结合以上实施例公开了本揭露，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种热电转换装置，包括：

至少两个以上的长型的P型热电材料，于前述P型热电材料的长度方向的两端分别具有第一端部以及第二端部；

至少两个以上的长型的N型热电材料，于前述N型热电材料的长度方向的两端分别具有第一端部以及第二端部，其中前述P型热电材料以及前述N型热电材料以于前述长度方向平行的方式而设置为交错排列，且前述P型热电材料的第一端部与前述N型热电材料的第一端部位于同一侧，前述P型热电材料的第二端部与前述N型热电材料的第二端部位于同一侧；

第一电极，电连接前述P型热电材料的第一端部的至少两侧面以及下一个前述N型热电材料的第一端部的至少两侧面，其中前述第一电极沿着前述长度方向而突出于前述P型热电材料的第一端部以及前述N型热电材料的第一端部之外；以及

第二电极，电连接前述N型热电材料的第二端部的至少两侧面以及下一个前述P型热电材料的第二端部的至少两侧面，其中前述第二电极沿着前述长度方向而突出于前述P型热电材料的第二端部以及前述N型热电材料的第二端部之外，其中前述第一电极或前述第二电极为两片的片状电极，且其中一片的片状电极电连接于前述P型热电材料以及前述N型热电材料的相对向的侧面，而另一片的片状电极电连接于与前述P型热电材料以及前述N型热电材料的相对向的侧面相反侧的侧面，并且前述两片的片状电极不互相接触。

2.如权利要求1所述的热电转换装置，其中相对于前述P型热电材料以及前述N型热电材料的一个侧面的面积，前述第一电极与前述P型热电材料以及前述N型热电材料的一个侧面的接合面积为25％以下，且前述第二电极与前述P型热电材料以及前述N型热电材料的一个侧面的接合面积为25％以下。

3.如权利要求1所述的热电转换装置，其中还包括绝缘绝热材料，前述P型热电材料以及前述N型热电材料设置于前述绝缘绝热材料之中，且前述第一电极以及前述第二电极突出于前述绝缘绝热材料之外。

4.如权利要求3所述的热电转换装置，其中前述绝缘绝热材料的材质包括陶瓷、塑胶、压克力、木头、保丽龙或此些的混合物。

5.如权利要求3所述的热电转换装置，其中还包括外壳，包覆前述绝缘绝热材料，且前述第一电极以及前述第二电极突出于前述外壳之外。

6.如权利要求1所述的热电转换装置，其中前述P型热电材料或前述N型热电材料包括铋碲系、铅碲系、镁硅系、方钴矿系或是锌锑系的热电材料。

7.如权利要求1所述的热电转换装置，其中前述第一电极或前述第二电极的材质包括铜、镍、铁、银、钛、铝、钼或是此些的合金。

8.如权利要求1所述的热电转换装置，其中前述P型热电材料与前述N型热电材料被设置于一绝缘绝热材料中，前述第一电极以及前述第二电极分别沿着前述P型热电材料以及前述N型热电材料的长度方向突出于前述绝缘绝热材料之外。

9.一种热电转换器，包括：

如权利要求1至8的其中一项所述的热电转换器；

第一流体通道，设置于前述第一电极侧，其中前述第一电极位于前述第一流体通道内，以使流体直接流经前述第一电极；以及

第二流体通道，设置于前述第二电极侧，其中前述第二电极位于前述第二流体通道内，以使流体直接流经前述第二电极。