CN111083937A - 热电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热电模块，以及根据本发明的一个示例性实施方案的热电模块包括：设置在传热构件与冷却构件之间的复数个热电元件；和分别设置在传热构件与复数个热电元件之间和在冷却构件与复数个热电元件之间的第一电极层和第二电极层，其中复数个热电元件可以包括P型热电元件和N型热电元件，以及彼此邻接的P型热电元件和N型热电元件可以具有不同的高度，以及选自在彼此邻接的P型热电元件和N型热电元件上方形成的第一电极层和第二电极层中的一个电极层可以具有至少两个弯曲部。

Description

热电模块

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0097692号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及热电模块，并且更特别地，其涉及可以改善发电效率和高温可靠性的热电模块。

背景技术

热电元件是用于通过利用具有热电特性的材料将热能直接转换成电能或将电能直接转换成热能的元件，并且是对应于节能时代的需求的技术。这已在全部行业(例如，汽车、航空航天、半导体、生物、光学、计算机、发电和电子消费品)中广泛使用。

具体地，当在材料的相对端出现温差时，出现具有热依赖性的载流子(例如电子或空穴)的浓度差异，导致热电现象。这些热电现象可以分为产生电能的热电发电和通过供电在相对端之间引起温差的热电冷却/加热。

由使空穴移动以移动热能的P型热电元件和使电子移动以移动热能的N型热电元件组成的一对p-n热电元件可以为P型热电模块的基本单元。此外，这样的热电模块可以配置有连接P型热电元件和N型热电元件的电极。此外，热电模块可以配置有基底，所述基底设置在热电元件外侧以使组成元件(例如，电极)与外侧电绝缘，并且保护热电模块不受外部物理或化学要素的影响。

通常，相似地形成P型热电元件的高度和N型热电元件的高度以在热电模块的制造中容易地制造热电元件。这是因为在热电元件的制造过程中的电极与热电材料之间的结合过程期间进行高温和高压过程，并且可以通过使材料的高度与电极的高度匹配而简化过程。

然而，在这样的情况下，当P型热电元件和N型热电元件(各自具有不同水平的电导率、泽贝克特性和热导率)同时使用时，可能出现性能劣化，并因此热电材料的性能不能最大化，从而导致热电元件的相对性能劣化。

发明内容

技术问题

本发明致力于提供这样的热电模块：根据热电元件的特性，P型热电元件和N型热电元件在高度方面不同。

然而，本发明的实施方案所要解决的问题不限于上述问题，可以在本发明中包含的技术思想的范围内进行各种扩展。

技术方案

根据本发明的一个示例性实施方案的热电模块包括：设置在传热构件与冷却构件之间的复数个热电元件；和分别设置在传热构件与复数个热电元件之间和在冷却构件与复数个热电元件之间的第一电极层和第二电极层，其中复数个热电元件可以包括P型热电元件和N型热电元件，以及彼此邻接的P型热电元件和N型热电元件可以具有不同的高度，以及选自在彼此邻接的P型热电元件和N型热电元件上方形成的第一电极层和第二电极层中的一个电极层可以具有至少两个弯曲部。

所述电极层可以同时设置在彼此邻接的P型热电元件和N型热电元件的上端表面上。

设置在彼此邻接的P型热电元件和N型热电元件的上端表面上的所述电极层可以具有均匀的厚度。

选自第一电极层和第二电极层中的另一电极层可以在并非邻接P型热电元件的N型热电元件的另一N型热电元件的底端表面和所述P型热电元件的底端表面上方形成在单一平面上。

P型热电元件的高度可以低于N型热电元件的高度。

热电模块还可以包括第一基底和第二基底，第一基底和第二基底设置在复数个热电元件的外侧并且设置在相对于复数个热电元件的不同侧。

第一基底和第二基底中的至少一者可以包含氧化铝。

选自第一基底和第二基底中的一个基底可以包括至少两个弯曲部以对应于具有至少两个弯曲部的所述电极层。

P型热电元件和N型热电元件可以在水平方向上具有不同的长度。

P型热电元件的长度可以比N型热电元件的长度长。

热电模块还可以包括绝缘体，绝缘体结合至P型热电元件和N型热电元件中的具有较高高度的热电元件的顶端表面。

热电模块还可以包括伪金属(dummy metal)层，所述伪金属层被设置成在垂直方向上与P型热电元件和N型热电元件中的具有较低高度的热电元件交叠。

热电模块还可以包括绝缘体，所述绝缘体结合至P型热电元件和N型热电元件中的具有较高高度的热电元件的顶端表面和伪金属层的顶端表面。

伪金属层可以设置在P型热电元件和N型热电元件中的具有较低高度的热电元件的下方。

伪金属层可以包括上伪金属层和下伪金属层，以及在上伪金属层与下伪金属层之间设置P型热电元件和N型热电元件中的具有较低高度的热电元件。

有益效果

根据示例性实施方案，形成考虑到热电元件的特性各自具有不同高度的热电元件以由此使热电元件的性能最大化，并且电连接P型热电元件和N型热电元件的电极在P型热电元件与N型热电元件之间具有弯曲或弯曲部以实现使得热电模块的发电效率可以改善的这样的热电元件结构。

附图说明

图1是根据本发明的一个示例性实施方案的热电模块的截面图。

图2是被提供用于描述图1的示例性实施方案中的元件结合中的压力过程的截面图。

图3是根据图1的示例性实施方案的热电模块中的电极结构的透视图。

图4是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的绝缘涂层的透视图。

图5是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的绝缘基底结构的透视图。

图6是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块的截面图。

图7是根据图6的示例性实施方案的热电模块中的电极结构的透视图。

图8是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的绝缘涂层的透视图。

图9是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的伪金属层和绝缘基底结构的透视图。

图10是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的伪金属层的截面图。

图11是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的上伪金属层和下伪金属层的截面图。

具体实施方式

在下文中将参照其中示出本发明的示例性实施方案的附图更充分地描述本发明。如本领域技术人员将认识到的，所描述的实施方案可以以各种不同的方式(不脱离本发明的精神或范围的所有方式)修改。

此外，除非明确相反地描述，否则词语“包含”和其变体将被理解为意指包含陈述的要素但不排除任何其他要素。

此外，在本说明书中，短语“在平面上”意指从顶部观察目标部分，短语“在截面上”意指从侧面观察通过垂直切割目标部分而形成的截面。

图1是根据本发明的一个示例性实施方案的热电模块的截面图。

参照图1，根据本发明的一个示例性实施方案的热电模块包括传热构件100、与传热构件100相对应的冷却构件200、以及设置在传热构件100与冷却构件200之间的复数个热电元件160和260。在该情况下，可以对热电元件160和260进行涂覆以防止热电元件160和260的氧化，或者复数个热电元件160和260、传热构件100以及冷却构件200可以设置在真空结构中。

在本示例性实施方案中，形成第一电极层140和第二电极层240用于复数个热电元件160和260的电连接。虽然未示出，但是电信号可以通过经由模块电极与外部端的连接来传输。根据本示例性实施方案的热电模块还包括导热层105和205，所述导热层105和205设置在传热构件100与热电元件160和260之间和在冷却构件200与热电元件160和260之间中的至少一者处，使得传热构件100与热电元件160和260之间的粘附和冷却构件200与热电元件160和260之间的粘附可以改善，并且传热效率可以提高。

热电模块通过利用传热构件100与冷却构件200之间的温差来发电，或者通过电力供应来冷却或加热。更具体地，上述导热层105和205可以设置在传热构件100与第一基底110之间和在冷却构件200与第二基底210之间。导热层105和205可以将热从传热构件100传递至热电元件160和260或者将热辐射至冷却构件200，并且同时，可以减轻由于外部冲击或振动以及热电模块组成元件的热膨胀引起的安装负荷的增加。导热层105和205可以包含石墨片、导热油脂和导热垫的至少一者。

根据本发明的示例性实施方案的热电元件组件包括第一基底110、第二基底210、复数个电极层140和240以及复数个热电元件160和260。

第一基底110和第二基底210形成板的形状以及可以具有绝缘特性，并且可以通过设置在热电元件组件的外部来保护热电模块的各种元件如热电元件160和260，并且可以保持热电元件组件与外部电绝缘。第一基底110和第二基底210可以为氧化铝基底。代替第一基底110和第二基底210，可以涂覆绝缘层。

第一电极层140和第二电极层240设置在第一基底110和第二基底210上，并且它们是导电的使得电流可以经由那里流动。形成第一电极层140和第二电极层240以暴露第一基底110和第二基底210的至少一个表面，从而可以安装热电元件160和260。在第一电极层140或第二电极层240上可以安装至少两个热电元件160和260，并且第一电极层140和第二电极层240提供两个热电元件160与260之间的电流路径。第一电极层140和第二电极层240可以通过沉积、溅射、直接压缩、印刷等形成在第一基底110的顶表面和第二基底210的底表面上，热电元件160和260可以设置在形成在第一基底110中的第一电极层140与形成在第二基底210中的第二电极层240之间。

第一电极层140和第二电极层240可以由导电材料形成，并且可以由例如选自铜、金、银、镍、铝、铬、锡、铟、锌等中的至少一种金属或者包含这些金属的合金形成。

可以分别在第一电极层140与第一基底110之间和在第二电极层240与第二基底210之间设置第一粘合剂层130和第二粘合剂层230用于其间的牢固粘附。粘合层130和230可以由金属材料(例如Pb、Al、Ni、Sn、Cu、Ti、Mo、Al和Ag)或这些金属的合金形成。

可以在热电元件160和260与第一电极层140之间和/或在热电元件160和260与第二电极层240之间设置辅助层150和250，所述辅助层包括功能层(例如扩散阻挡层)以及材料结合和保护层。

热电元件160和260可以由热电材料即热电半导体形成。热电半导体可以包括各种类型的热电材料，例如基于硫属化物的、基于方钴矿的、基于硅化物的、基于柠檬酸盐的和基于半霍伊斯勒(halfHeusler)的热电材料。例如，可以适当地掺杂诸如基于BiTe的材料、基于PbTe的材料等的热电材料。

热电元件160和260包括N型热电元件260和P型热电元件160，N型热电元件260可以使空穴移动以移动热能，而P型热电元件160可以使电子移动以移动热能。热电元件160和260可以通过将N型热电元件260和P型热电元件160配对来形成基本单元。由于配置有至少两个或更多个N型热电元件260和/或P型热电元件160，因此可以配置复数个对。此外，N型热电元件260和P型热电元件160交替排列使得可以形成复数个N型热电元件260-P型热电元件260对。

N型热电元件260和P型热电元件160可以通过第一电极层140和第二电极层240彼此电连接。例如，相对于一个第一电极层140，N型热电元件元件260可以结合至第一电极层140的一端，并且P型热电元件160可以结合至第一电极层140的另一端。

根据本示例性实施方案，P型热电元件160和N型热电元件260具有不同的高度以减小性能劣化，并且以改善热电模块的发电效率，所述性能劣化在一起使用P型热电元件和N型热电元件(各自具有不同水平的电导率、泽贝克特性和热导率)时可能发生。例如，低高度的热电元件的高度可以为高高度热电元件的80％或更小。

为了实现这样的热电元件，如图1所示，以串联电连接P型热电元件和N型热电元件的电极在P型热电元件与N型热电元件之间可以具有弯曲或弯曲部。具体地，P型热电元件160在高度方面低于N型热电元件260，并且第二电极层240连续地形成在彼此邻接的P型热电元件160和N型热电元件260上方，使得第二电极层240同时形成在P型热电元件160的顶端表面和N型热电元件260的顶端表面上。由于N型热电元件260的顶端表面与P型热电元件160的顶端表面之间的部分的高度差，第二电极层240在N型热电元件260的拐角附近弯曲一次，然后可以在P型热电元件160的拐角附近再次弯曲。在该情况下，在彼此邻接的P型热电元件160和N型热电元件260上方形成的第二电极层240可以具有均匀的厚度。

相反，形成在P型热电元件160的底端表面和N型热电元件260的底端表面处的第一电极层140连续地形成在彼此邻接的P型热电元件160和N型热电元件260的底端表面上方，因此P型热电元件160的底端表面和N型热电元件260的底端表面具有相同的高度，使得第一电极层140可以在平面上形成一体。当第二电极层240在参照图1中的P型热电元件160在左侧处邻接的N型热电元件260的方向上连续形成时，第一电极层140可以在右侧处邻接的N型热电元件260的方向上连续形成。

当P型热电元件和N型热电元件的高度一起减小时，总电阻减小并且输出显著提高，从而提高了输出密度的增加。然而，在该情况下，不能容易地形成温差，因此热电元件效率可能劣化。然而，根据本示例性实施方案，通过将装置制造成通过将P型热电元件和N型热电元件的高度设置成彼此不同来提高传热效率可以实现在输出密度、装置效率、材料消耗率和装置价格方面有利的装置设计。具体地，在N型热电材料的情况下，电导率大，因此即使材料长，电阻也小，并且热导率大使得为了产生显著的温差N型热电材料需要高的高度。然而，在P型热电材料的情况下，电导率小，因此需要使P型热电材料的高度短使得电阻水平可以与N型热电材料的电阻水平相似，总电阻可以有利减小，并且即使P型热电材料的高度由于小热导率而是短的，也可以显著地出现用于实现热电特性的温差。

如上所述，考虑到P型热电元件160和N型热电元件260的特性，不仅每个热电元件的高度不同地形成，而且为了最大输出形成，热电元件的长度也不同地形成。在此，长度意指在水平方向上的长度，即，当在彼此邻近的P型热电元件160和那个N型热电元件260上方连续地形成第一电极层140时，沿着从P型热电元件160向N型热电元件260形成第一电极层140的方向所限定的长度。P型热电元件160的长度可以比N型热电元件260的长度长。

图2是被提供用于描述图1的示例性实施方案中的元件结合中的压力过程的截面图。

参照图2，如前所述，由于P型热电元件160与N型热电元件260之间的高度差，在根据本发明的示例性实施方案的热电模块的制造中在热电元件与电极之间的结合方面存在困难。为了解决这样的问题，如图2所示，使用具有在一个方向上突出的复数个突出部1100的模具1000以进行根据本示例性实施方案的热电模块的制造中的高温压力过程。在此，模具1000可以具有复数个突出部1100以对应于具有低高度的P型热电元件160，并且突出部1100可以在高温压力过程期间直接按压设置在P型热电元件160的上端表面上的第二电极层240。

图3是根据图1的示例性实施方案的热电模块中的电极结构的透视图。图3a示出了其中热电元件160和260安装在第一电极层140上的状态，图3b是示出其中第二电极层240形成在安装的热电元件160和260上的状态的透视图。

参照图3a和图3b，示出了这样的示例性结构：其中通过使N型热电元件260和P型热电元件160配对而形成的基本单元以复数配置使得基本单元彼此连接。可以产生电流并使其流动，如图3b中的箭头所示。图3a和图3b中所示的热电元件160和260的连接结构为一个实例，并且基本单元的连接结构可以进行各种修改。

图4是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的绝缘涂层的透视图。

参照图4，绝缘涂层135和235形成在第一电极层140和第二电极层240上以代替已参照图1描述的第一基底110和第二基底210。绝缘涂层135和235是绝缘体，并且绝缘涂层135和235可以抑制至热电模块的外侧处的热源/冷却构件的漏电流的形成。

图5是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的绝缘基底结构的透视图。

参照图5，与参照图1描述的第二基底210不同，根据本示例性实施方案的第二基底210具有弯曲结构而不是具有板状。即，形成在具有弯曲结构的第二电极层240上的第二基底210也具有两个弯曲部，并且可以紧密地附接至第二电极层240。为了便于描述，在图5中仅示出了P型热电元件160的上端处的第二电极层240上的第二基底210的一部，但是第二基底210可以延伸，因此N型热电元件260的上端处的第二电极层240也可以被第二基底210覆盖。

图6是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块的截面图。图7是根据图6的示例性实施方案的热电模块中的电极结构的透视图。

图6和图7与参照图1和图3描述的示例性实施方案几乎相同，但是根据本示例性实施方案的电池模块还包括设置成在垂直方向上与具有低高度的P型热电元件160交叠的伪金属层300。伪金属层300可以设置在第二基底210与第二电极层240之间。粘合层310可以形成在伪金属层300与第二电极层240之间。粘合层310被配置用于将伪金属层300与第二电极层240结合，并且可以通过使用诸如Pb、Al、Ni、Sn、Cu、Ti、Mo、Al、Ag的金属材料及其合金来形成。

伪金属层300可以以与P型热电元件160的数量相同的数量或小于P型热电元件160的数量形成。为了使输出最大化，需要低电阻和高温差，但是当使用伪金属层300时，伪金属层300未插入到具有弯曲电极结构的电路中，因此与不使用伪金属层300的情况相比，即使总电阻不改变，也添加了用于传递来自热源的热的热流路径。因此，与不使用伪金属层300的情况相比，可以在保持已经最小化的总电阻的同时通过增加温差来使输出最大化。

图8是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的绝缘涂层的透视图。

参照图8，绝缘涂层135和绝缘涂层235分别形成在第一电极层140和第二电极层240上，从而代替参照图1描述的第一基底110和第二基底210。在此，绝缘涂层235也可以形成在伪金属层300上。绝缘涂层235可以是绝缘体。

图9是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的伪金属层和绝缘基底结构的透视图。

参照图9，与参照图1描述的第二基底210不同，根据本示例性实施方案的第二基底210具有弯曲结构而不具有板状。即，形成在具有弯曲结构的第二电极层240上的第二基底210也具有两个弯曲部使得第二基底210可以紧密地附接至第二电极层240。在该情况下，伪金属层300可以形成在第二基底210上。

图10是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的伪金属层的截面图。图11是根据本发明的另一个示例性实施方案的热电模块中包括的上伪金属层和下伪金属层的截面图。

图10是图6的示例性变体，并且与图6所示的示例性实施方案不同，根据图10的示例性实施方案的伪金属层302被设置靠近传热构件100而不是P型热电元件162。

图11是图10的示例性变体，并且图11的示例性实施方案的伪金属层包括上伪金属层306和下伪金属层304，并且在上伪金属层306与下伪金属层304之间设置具有低高度的P型热电元件164。

根据伪金属层的类型(虽然未在本附图中示出)、结合材料的类型、热膨胀系数与邻近部件的匹配、结合强度和结合特性、以及除热电材料之外的其他组件的热稳定性，可以导致参照图10和图11描述的示例性实施方案的结构。

虽然已经关于目前被认为为实用的示例性实施方案描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施方案。相反，其旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等效布置。

附图标记说明

100：传热构件

140：第一电极层

240：第二电极层

160、162、164：P型热电元件

260：N型热电元件

200：冷却构件

300、302：伪金属层

Claims (15)

1.一种热电模块，包括：

设置在传热构件与冷却构件之间的复数个热电元件，和

分别设置在所述传热构件与所述复数个热电元件之间和在所述冷却构件与所述复数个热电元件之间的第一电极层和第二电极层，

其中所述复数个热电元件包括P型热电元件和N型热电元件，以及彼此邻接的P型热电元件和N型热电元件具有不同的高度，以及

选自在彼此邻接的所述P型热电元件和所述N型热电元件上方形成的所述第一电极层和所述第二电极层中的一个电极层具有至少两个弯曲部。

2.根据权利要求1所述的热电模块，其中所述电极层同时设置在彼此邻接的所述P型热电元件和所述N型热电元件的上端表面上。

3.根据权利要求2所述的热电模块，其中设置在彼此邻接的所述P型热电元件和所述N型热电元件的上端表面上的所述电极层具有均匀的厚度。

4.根据权利要求2所述的热电模块，其中选自所述第一电极层和所述第二电极层中的另一电极层在另一N型热电元件的底端表面和所述P型热电元件的底端表面上方形成在单一平面上，所述另一N型热电元件并非邻接所述P型热电元件的所述N型热电元件。

5.根据权利要求1所述的热电模块，其中所述P型热电元件的高度低于所述N型热电元件的高度。

6.根据权利要求1所述的热电模块，还包括第一基底和第二基底，所述第一基底和所述第二基底设置在所述复数个热电元件的外侧并且设置在相对于所述复数个热电元件的不同侧。

7.根据权利要求6所述的热电模块，其中所述第一基底和所述第二基底中的至少一者包含氧化铝。

8.根据权利要求7所述的热电模块，其中选自所述第一基底和所述第二基底中的一个基底包括至少两个弯曲部以对应于具有至少两个弯曲部的所述电极层。

9.根据权利要求1所述的热电模块，其中所述P型热电元件和所述N型热电元件在水平方向上具有不同的长度。

10.根据权利要求9所述的热电模块，其中所述P型热电元件的长度比所述N型热电元件的长度长。

11.根据权利要求1所述的热电模块，还包括绝缘体，所述绝缘体结合至所述P型热电元件和所述N型热电元件中的具有较高高度的热电元件的顶端表面。

12.根据权利要求1所述的热电模块，还包括伪金属层，所述伪金属层被设置成在垂直方向上与所述P型热电元件和所述N型热电元件中的具有较低高度的热电元件交叠。

13.根据权利要求12所述的热电模块，还包括绝缘体，所述绝缘体结合至所述P型热电元件和所述N型热电元件中的具有较高高度的热电元件的顶端表面和所述伪金属层的顶端表面。

14.根据权利要求12所述的热电模块，其中所述伪金属层设置在所述P型热电元件和所述N型热电元件中的具有较低高度的热电元件的下方。

15.根据权利要求12所述的热电模块，其中所述伪金属层包括上伪金属层和下伪金属层，以及在所述上伪金属层与所述下伪金属层之间设置所述P型热电元件和所述N型热电元件中的具有较低高度的热电元件。

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