CN1747193A - 薄膜热电模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄膜热电模块。该模块包括高温部分和低温部分模块基板、单位热电装置和导线。高温和低温部分模块基板相互面对布置。单位热电装置位于两模块之间用于在两模块间传热。导线连接单位热电装置的电极。每个单位热电装置包括一对下和上基板、电极和热电材料。这对上和下基板相互面对布置。在下基板的上表面和上基板的下表面上形成电极。将热电材料放置在电极之间。

Description

薄膜热电模块

技术领域

本发明总体上涉及一种薄膜热电模块，更具体地，涉及这样一种薄膜热电模块，其中适当地构造使用薄膜材料的装置，以防止该模块的性能由于受到热散逸工艺的限制而退化，并尽可能地体现该薄膜材料的固有性能。

背景技术

热电模块(装置)是一种利用以下现象用于发电(power-generation)或冷却的装置，当把温度差施加到具有热电动性质的材料两端上时，由于所产生的热电动势，会在两端间产生电势差，或者当流过异质金属在该材料两端间施加电流时，根据电流的方向，会在其界面处冷却或发热。

热电模块的发电可以用于生产能量，例如余热发电，还可以通过使用车辆的余热或由燃料电池产生的热量发电以提高系统的能耗效率。

同时，热电模块的冷却是一种有效的替代，它可以克服环境破坏、噪音和长周期不可靠性的问题，这些问题存在于现有的依靠压缩机的冷却当中。但是，由于市场上供应的材料的效率还没有达到依靠压缩机冷却的水平，所以还没有实现热电模块冷却的广泛应用。

最近的研究成果显示，如果在一种材料中形成人工毫微尺寸的结构，则该材料由声子引起的热导率大幅降低⁽¹⁾，那么，由此将大大提高热电装置的效率并接近压缩机的效率^(2，3)。但是，还没有成功实现材料的聚合，而且还不确定使用聚合后的材料最终能否获得高性能。因此，薄膜型材料的应用是当前提高性能的最可靠的方法，这种薄膜型材料便于形成毫微结构。

在这种热电装置中，当热电模块用作冷却装置时，在装置两端之间的温差曲线相对于电流具有负斜率的抛物线形状。

这可以通过下面的公式1来表示：

$\mathrm{\ΔT}\left(I\right)=-\frac{R}{2K}{(1-\frac{\mathrm{\Π}}{R})}^2+\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{MAX}}-\frac{Q_{\mathrm{LOAD}}}{K}---\left(1\right)$

其中P＝αT，α是热电功率，T是低温部分的温度，R和K分别是材料的电阻和导热系数(热阻的倒数)。

此外，Q_LOAD是从低温部分输送的热量。当该值为零而电流是IMAX＝Π/R时，在材料两端之间的最大温差是ΔT_MAX。

因此， $\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{MAX}}=\frac{{\mathrm{\Π}}^2}{2\mathrm{KR}}.$

此外，假设该材料的电导率是σ而热导率是k，则

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{MAX}}=\frac{{\mathrm{\Π}}^2}{2\mathrm{KR}}=\frac{1}{2}Z{T}^2$ 或者 $\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{MAX}}}{T}=\frac{1}{2}\mathrm{ZT}.$

在上述公式中，将 $\mathrm{ZT}=\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\σ}}{k}T$ 称为材料性能指标，它是没有单位的物理参数值，由材料的物理性质决定，而于与该材料本身的截面积或者高度无关。

因此，ΔT_MAX也与横截面积和高度无关。

当前市场供应的材料中，ZT比1稍小。在装置中，当其高温部分是30℃时，最大温差在60℃和80℃之间。

最近推广的装置是用下面的方法制造的，将单晶材料或挤压材料切割成小尺寸单元，然后组合这些单元。在这种情况下，单元的截面积大约为几mm²，而其高度大约为1mm。在这种情况下，产生最大温差的电流为大约5A，因此，需要昂贵的直流(DC)电源。

同时，由于在公式1中当I＝I_MAX和ΔT＝0时获得最大冷却功率，所以Q_LOADMAX＝KΔT_MAX。在这种情况下，ΔT_MAX与材料的截面积和高度无关。因此，当使用薄膜材料或比几百微米薄的厚膜材料时，由于材料高度低使得热阻低，因此可以实现每单位面积的高冷却密度。当材料的高度是大约10微米且其截面积是大约100×100微米时，可以获得高达几百W/cm²的冷却密度。

但是，在高温部分，相应地形成高发热密度。除非通过辐射消除由高温部分产生的热，否则就会发生以下现象，即使高温部分的温度升高，低温部分的温度相对于露天温度也不会降低，由此，在热电装置的两端之间产生温差。因此，高温部分的热辐射是很重要的，并且决定了实际装置的实际性能。

但是，由于当前开发的技术能够实现具有几十W/cm²水平的热辐射密度，因此材料的每单位面积的占用率必须减少以符合该热辐射密度。如果材料的每单位面积的占用率减少以减小冷却密度，那么必须生产和使用具有大面积的装置。

在当前的薄膜制造技术中，制造具有大面积薄膜的费用非常高。因此，虽然在激光二极管(LD)或者发光二极管(LED)的情况下这也许问题不大，其中低温部分的总热负载很大，但是当把薄膜制造技术应用于例如冰箱或空调这样的产品时，其具有几十到几百瓦(W)的总热负载，从竞争力的角度考虑这就成了问题。

(1)S.-M.Lee，D Cahill，R.Venkatasubramanian，Thermal conductivity of Si-Ge superlattices，Appl.Phys.Lett.70(1997)2957。

(2)Venkatasubramanian，R.，Siivola，E.，Colpitts，T.&Quinn，B.Thin film thermoelectric devices with high room-temperature figures ofmerit。Nature 413，597-602(201)。

(3)Harman，T.C.，Taylor，P.J.，Walsh，M.P.&Laforge，B.E.Quantum dot superlattice thermoelectric materials and devices。Science297，2229-2232(2002)。

发明内容

因此，本发明是为了解决现有技术中的上述问题，本发明的一个目的是提供一种使用薄膜材料的冷却和发电模块。

本发明的另一目的是提供一种薄膜热电模块，其中按预定的距离将低温部分模块基板和高温部分模块基板分隔开，并将热屏蔽材料填充在基板间的凹槽中，用以防止由于在热散逸(heat-dissipation)工艺上的限制而使模块的性能退化，并能够最大化地实现薄膜材料的固有性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种薄膜热电模块，包括高温部分模块基板和低温部分模块基板，将它们相互面对地设置；单位热电装置，其位于模块基板之间用于在两模块之间传热；以及连接到单位热电装置的电极上的导线；

其中每个单位热电装置包括一对上基板和下基板，将它们相互面对地布置；在下基板的上表面和在上基板的下表面上形成的电极；以及布置在电极之间的热电材料。

此外，本发明的目的是在低温部分模块基板和高温部分模块基板之间保持预定的间隙。这一目的可以由下面所述的方法实现：

第一种，本发明还可以包括上单位模块基板，它和低温部分模块基板集成，并在低温部分模块和紧靠在低温部分模块基板下方的基板之间。

第二种，本发明还可以包括下单位模块基板，它和高温部分模块基板集成，并在高温部分模块和紧靠在高温部分模块基板上方的基板之间。

第三种，本发明还可以包括上单位模块基板，它和低温部分模块基板集成，在低温部分模块基板和紧靠在低温部分模块基板下方的基板之间；以及下单位模块基板，它和高温部分模块基板集成，并在高温部分模块基板和紧靠在高温部分模块基板上方的基板之间。

上和下单位模块基板优选都形成梯形。

而且，每个上和下单位模块基板的高度优选在1mm和2mm之间。

此外，本发明的特征在于将热屏蔽材料填充在上单位模块基板之间的凹槽和下单位模块基板之间的凹槽里。

每种热屏蔽材料优选都是聚氨酯。

附图说明

通过以下和附图相结合的详细说明，本发明的上述和其它的目的、特征和优点会更容易理解，这些附图中：

图1A和图1B是示出根据本发明第一实施例的薄膜热电模块，切去其一部分的横截面视图和正视图；

图1C是根据本发明第一实施例的单位热电装置的侧视图；

图2是根据本发明第二实施例的薄膜热电模块的正视图；

图3是根据本发明第三实施例的薄膜热电模块的正视图；

图4是根据本发明第四实施例的薄膜热电模块的正视图；

图5是示出薄膜热电模块的正视图，其中改变了图2的低温部分模块基板的形状，并在邻接低温部分模块基板的单位热电装置之间的凹槽里填充热屏蔽材料；

图6是示出薄膜热电模块的正视图，其中改变了图3的高温部分模块基板的形状，并在邻接高温部分模块基板的单位热电装置之间的凹槽里填充热屏蔽材料；和

图7是示出薄膜热电模块的正视图，其中改变了图4的高温部分和低温部分模块基板的形状，并在单位热电装置之间的凹槽里填充热屏蔽材料。

具体实施方式

将参考下面的附图对本发明的优选实施例进行详细的说明。

图1A和图1B是示出根据本发明第一实施例的薄膜热电模块，切去其一部分的横截面视图和正视图。此外，图1C是根据本发明第一实施例的单位热电装置的侧视图。

参考图1A至图1C，薄膜热电模块由高温部分模块基板10b、单位热电装置20和低温部分模块基板10a形成，它们依次向上排列。

此外，将导线30a和30b连接到单位热电装置20的电极。

低温部分模块基板10a位于模块的上侧，而高温部分模块基板10b位于模块的下侧，使得两块模块基板10a和10b相互面对地布置。

因为通过单位热电装置20的基板将模块基板10a和10b绝缘，所以不需要使用绝缘体。因此，优选使用例如铝(Al)和铜(Cu)的材料制造模块基板10a和10b。

单位热电装置20位于两模块基板之间并在这两块模块基板之间传热，它由下基板21b，下电极22b热电材料23(23a和23b)，上电极22a，以及上基板21a形成，这些部分依次向上布置。

尽管没有在图中示出，但是在热电材料23和上电极22a之间形成有焊料层。

焊料层优选用锡基材料制成。

优选用具有优良散热性能的材料来制造上和下基板21a和22b，例如包括像硅、铜和铝的金属，以及像AlN和BeO的绝缘基板。而且当使用硅作为上和下基板21a和22b的材料时，必须在上和下基板21a和22b的表面上形成绝缘层，因为硅是导电的。

热电材料23分为N型热电材料23a和P型热电材料23b。

图2至图4示出在图1A至图1C中所示实施例上改进的薄膜热电模块。

图2是根据本发明第二实施例的薄膜热电模块的正视图。

参考图2，和在图1b中所示的薄膜热电模块相比，本实施例的薄膜热电薄膜还包括形成在低温部分模块基板10a和上基板21a之间的上单位模块基板11a，这些基板11a紧靠在低温部分模块基板10a的下方。

上单位模块基板11a优选和低温部分模块基板10a集成。

上单位模块基板11a的高度H1优选大于1mm，并且该高度更优选在1mm和2mm之间。

如果上单位模块基板11a的高度H1超过2mm，就会产生机械强度逐渐降低以及制造费用增加的问题。

如上所述，在低温部分模块基板10a和上基板21a之间形成上单位模块基板11a，使得在低温部分模块基板10a和高温部分模块基板10b之间的间隙比图1中的要大。

因此，本实施例可以通过防止由于空气和辐射造成的反向热传导，来提高该薄膜热电模块的性能。

图3是根据本发明第三实施例的薄膜热电模块的正视图。

参考图3，和在图1b中所示的薄膜热电模块相比，本实施例的薄膜热电模块还包括形成在高温部分模块基板10b和下基板21b之间的下单位模块基板11b，这些基板11b紧靠在高温部分模块基板10b的上方。

下单位模块基板11b优选和高温部分模块基板10b集成。

因为下单位模块基板11b具有和前面结合图2所述的上单位模块基板11a相同的规格(高度，等)和特征，因此这里就省去了对下单位模块基板11b的描述。

图4是根据本发明第四实施例的薄膜热电模块的正视图。

参考图4，和图1b中所示的薄膜热电模块相比，本实施例的薄膜热电模块还包括形成在低温部分模块基板10a和上基板21a之间的上单位模块基板11a，这些基板11a紧靠在低温部分模块基板10a的下方，以及形成在高温部分模块基板10b和下基板21b之间的下单位模块基板11b，这些基板11b紧靠在高温部分模块基板10b的上方。

上单位模块基板11a和下单位模块基板11b优选分别同低温部分模块基板10a和高温部分模块基板10b集成。

因为上单位模块基板11a和下单位模块基板11b具有和前面结合图2所述的上单位模块基板11a相同的规格(高度，等)和特征，因此这里就省去了对上单位模块基板11a和下单位模块基板11b的描述。

图5至图7示出在图2至图4所示实施例上改进的薄膜热电模块。

图5是薄膜热电模块的正视图，其中改变了图2的低温部分模块基板的形状，并在邻接低温部分模块基板的单位热电装置之间的凹槽里填充热屏蔽材料。

参考图5，在本实施例中形成梯形的上单位模块基板11a。

因此，本实施例通过减小在单位热电装置20和低温部分模块基板10a之间的热阻，可以实现下部温度的进一步下降。

此外，在本实施例中，在邻接低温部分模块基板10a的上单位模块基板11a之间的凹槽里填充热屏蔽材料40a。

该热屏蔽材料40a优选具有比空气更低的热导率，这样它就具有防止对流和减少通过辐射的热传导的特性。

该热屏蔽材料40a优选是聚氨酯泡沫体(PUF)。

如上所述，本发明可以通过用热屏蔽材料40a填充凹槽，从而在凹槽中阻隔由对流引起的热传导。

图6是薄膜热电模块的正视图，其中改变了图3的高温部分模块基板的形状，并在邻接高温部分模块基板的单位热电装置之间的凹槽里填充热屏蔽材料。

参考图6，在本实施例中形成梯形的下单位模块基板11b。

因此，本实施例可以在改进两模块之间的热屏蔽的同时，进一步地传播从单位热电装置20产生的热流。

而且，在本实施例中，在邻接高温部分模块基板10b的下单位模块基板11b之间的凹槽里填充热屏蔽材料40b。

因为已经结合图5对热屏蔽材料40b进行了描述，所以这里就省去了对该热屏蔽材料40b的说明。

图7是薄膜热电模块的正视图，其中改变了图4的高温部分和低温部分模块基板的形状，并在单位热电装置之间的凹槽里填充热屏蔽材料。

参考图7，形成梯形的上单位模块基板11a和下单位模块基板11b。

因此，本发明可以在提高两模块之间的热屏蔽的同时，进一步地传播从单位热电装置20产生的热流。

而且，在本实施例中，在邻接高温部分模块基板10b的下单位模块基板11b之间的凹槽和在邻接低温部分模块基板10a的上单位模块基板11a之间的凹槽里填充热屏蔽材料40a和40b。

因为已经结合图5和图6，对热屏蔽材料40a和40b进行了描述，所以这里就省去了对该热屏蔽材料40a和40b的说明。

如上所述，根据本发明，通过薄膜制造方法，使用高密度排布的单位热电装置制造出具有更大面积的模块，以便可以利用薄膜材料的高性能，并解决了在现有的薄膜材料中产生的单位面积高生产费用的问题。

尽管已经参考附图强调优选实施例对本发明进行了说明，但是本领域技术人员可以了解，就像附带的权利要求所指出的那样，在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以进行各种修改，增加和替换。

Claims (30)

1.一种薄膜热电模块，包括：

低温模块基板；

高温模块基板，其位于低温模块基板下方并面对低温模块基板；

一个或多个单位热电装置，其位于高温和低温模块基板之间，每一个单位热电装置都包括热电材料；和

用于向单位热电装置提供电源的供电装置。

2.如权利要求1所述的薄膜热电模块，还包括连接在低温模块基板和单位热电装置之间的上单位模块基板。

3.如权利要求2所述的薄膜热电模块，其中连接到低温模块基板的单位模块基板具有比连接到单位热电装置的单位模块基板的表面更大的表面。

4.如权利要求2所述的薄膜热电模块，其中每个上单位模块基板具有在1mm和2mm之间的高度。

5.如权利要求2所述的薄膜热电模块，还包括夹在连接到低温模块基板的上单位模块基板之间的热屏蔽材料。

6.如权利要求5所述的薄膜热电模块，其中该热屏蔽材料由聚氨酯制成。

7.如权利要求2所述的薄膜热电模块，其中单位热电装置包括在其表面上的绝缘材料，上单位模块基板连接到该表面，每个上单位模块基板是由从包含铝和铜的组中选择的一种或多种材料制成的。

8.如权利要求1所述的薄膜热电模块，还包括连接在高温模块基板和单位热电装置之间的下单位模块基板。

9.如权利要求8所述的薄膜热电模块，其中连接到高温模块基板的下单位模块基板具有比连接到单位热电装置的下单位模块基板表面更大的表面。

10.如权利要求8所述的薄膜热电模块，其中每个下单位模块基板具有在1mm和2mm之间的高度。

11.如权利要求8所述的薄膜热电模块，还包括夹在连接到高温模块基板的下单位模块基板之间的热屏蔽材料。

12.如权利要求11所述的薄膜热电模块，其中热屏蔽材料是由聚氨酯制成的。

13.如权利要求8所述的薄膜热电模块，其中单位热电装置包括在其表面上的绝缘材料，单位模块基板连接到该表面，每个下单位模块基板是由从包含铝和铜的组中选择的一种或多种材料制成的。

14.如权利要求1所述的薄膜热电模块，还包括上单位模块基板和下单位模块基板，它们分别连接在低温模块基板与单位热电装置之间，以及高温模块基板与单位热电模块之间。

15.如权利要求14所述的薄膜热电模块，其中分别连接低温模块基板和高温模块基板的上单位模块基板和下单位模块基板具有比分别连接到单位热电装置的上单位模块基板和下单位模块基板的表面更大的表面。

16.如权利要求14所述的薄膜热电模块，其中上和下单位模块基板中的每一个具有在1mm和2mm之间的高度。

17.如权利要求14所述的薄膜热电模块，还包括夹在连接到高温模块基板的下单位模块基板之间和夹在连接到低温模块基板的上单位模块基板之间的热屏蔽材料。

18.如权利要求17所述的薄膜热电模块，其中该热屏蔽材料是由聚氨酯制成的。

19.如权利要求14所述的薄膜热电模块，其中单位热电装置包括在其表面上的绝缘材料，上和下单位模块基板连接到该表面，上和下单位模块基板中的每一个都是由从包含铝和铜的组中选择的一种或多种材料制成的。

20.如权利要求1所述的薄膜热电模块，其中每个热电装置包括：

上基板；

在上基板下方面对上基板的下基板；

连接到上基板的下表面的上电极；

连接到下基板的上表面的下电极；和

在上和下电极之间的热电材料。

21.如权利要求20所述的薄膜热电模块，其中单位热电装置包括焊料层，焊料层形成在热电材料与从上电极和下电极中选择的一个或多个电极之间。

22.如权利要求20所述的薄膜热电模块，其中上和下基板中的每一个都是由绝缘体形成。

23.如权利要求20所述的薄膜热电模块，其中上和下基板是由从包含硅、铜、铝、氮化铝和氧化铍的组中选出的一种或多种材料制成的。

24.如权利要求20所述的薄膜热电模块，其中供电装置包括连接到上和下电极的导线。

25.如权利要求20所述的薄膜热电模块，其中单位模块基板连接在低温模块基板和设置于单位热电装置的上基板之间。

26.如权利要求25所述的薄膜热电模块，其中连接到低温模块基板的上单位模块基板具有比连接到上基板的上单位模块基板的表面更大的表面。

27.如权利要求20所述的薄膜热电模块，其中下单位模块基板连接在高温模块基板和设置于单位热电装置的下基板之间。

28.如权利要求27所述的薄膜热电模块，其中连接到高温模块基板的下单位模块基板具有比连接到下基板的下单位模块基板的表面更大的表面。

29.如权利要求20所述的薄膜热电模块，其中上和下单位模块基板分别连接在低温模块基板和设置于单位热电装置的上基板之间，以及高温模块基板和设置于单位热电装置的下基板之间。

30.如权利要求29所述的薄膜热电模块，其中连接到低温和高温模块基板的单位模块基板具有比连接到上和下基板的单位模块基板的表面更大的表面。

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