201143177 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 _]本㈣關於-種熱電轉換模組，尤指—種湘致冷器與 溫差發電器之熱電轉換模組。 【先前技崩】 _2]目河，致冷器已廣泛應用於航太卫業領域中之航空器或 太空艙，以及日常生活上的冰水機 '小型冰箱、汽車冷 暖坐墊或寵物冷暖床墊等消費性產品中，其原理早在西 元 1834年由法國錶匠 Jean Charles Athanase 卩611：161'發佈的珀爾帖效應（？6]11^61^1^&(2”中提出說 明，珀爾帖效應係用來解釋電流可以產生溫差的一種物 理現象。請參閱第一圖，其係為致冷器之内部結構與作 用方式示意圖。如第一圖所示，致冷包含第—絕緣體 11、第二絕緣體12、複數個N型半導體13、複數個p型半 導體14以及複數個金屬導體15。該第一絕緣體U與第二 絕緣體12之材質為可導熱材質，其中第一絕緣體丨丨連接 一熱源，例如CPU晶片1〇1，而第二絕緣體j2連接一散熱 裝置102，用以將熱量導出致冷器丨。每一N型半導體13與 P型半導體14係由半導體材料，例如碲化叙，所製而成熱 電偶，其接頭端連接金屬導體15且相互交錯排列設置而 連成電耦對，再者，第一絕緣體n及第二絕緣體12分別 與對應的金屬導體15連接，當前述電路電性連接直流電 源10(DC power source)時，直流電源1〇所提供之電流 I將由N型半導體13流向p型半導體14的接頭端並吸收第一 絕緣體11的熱量，而使第一絕緣體丨丨成為相對的冷端 (Tc)，反之’當電流I由P型半導體14流向N型半導體13 0992029741-0 099116736 表單編號A0101 第4頁/共24頁 201143177 的接頭端時，則將熱量釋放到第二絕緣體12，而使第二 絕緣體12成為相對的熱端（Tu)，如此便能將熱量由第一 Π 絕緣體11移轉到第二絕緣體12而達到熱量轉移的目的， 其中，致冷器1之絕緣體吸熱或放熱係由電流I的方向決 定，而吸熱及放熱的能量大小則由電流I的大小來決定。 [0003] ❹ ❹ 由上述可知，當致冷器由直流電源供電後，第一絕緣體 會吸收熱源熱量，以降低熱源的溫度，而使第一絕緣體 成為冷端，並根據珀爾帖效應將熱量轉移至第二絕緣體 ，而使第二絕緣體成為熱端，進而使致冷器兩端產生一 冷熱溫差的效果。再者，熱量會經由設置於第二絕緣體 之散熱裝置導離致冷器，以達到維持致冷器兩端溫差的 目的。此外，由於一般致冷器的產品其最大溫差值（△ Tmax)可以達到攝氏62°C，且當冷熱兩端溫差太大或熱端 的溫度過高時會造成致冷器的崩壞，可見散熱裝置在致 冷器的應用上扮演一個不可或缺的角色，然而，依據目 前的設計與應用，致冷器之散熱裝置除了需要依照熱源 的強弱來調整尺寸的大小，還需要外加風扇來幫助散熱 ，所以需要額外的耗電，且通常散熱裝置具有剛性、體 積大、佔空間以及重量較重的缺失，因而導致致冷器的 應用範圍受到限制。 【發明内容】 [0004] 本案之目的為提供一種熱電轉換模組，其係以溫差發電 單元替換致冷單元熱端之散熱裝置，用以使溫差發電單 元兩端之溫差產生電流（根據塞貝克效應（Seeback Effect)) ， 進而達到降低致冷單元熱端之溫度以及散熱的 099116736 表單編號A0101 第5頁/共24頁 0992029741-0 201143177 目的，同時可以利用廢熱發電，並解決習知致冷單元需 配置散熱裝置而衍生體積大、佔空間、重量較重以及應 用受限的缺失。 [0005] 為達上述目的，本案之較廣義實施態樣為提供一種熱電 轉換模組，包括：第一絕緣導熱體；第二絕緣導熱體； 致冷單元，具有第一表面及第二表面，其分別貼附於第 一絕緣導熱體與第二絕緣導熱體；溫差發電單元，具有 第一表面及第二表面，其分別貼附於第一絕緣導熱體與 第二絕緣導熱體；以及整流單元，電性連接於致冷單元 及溫差發電單元；其中，致冷單元電性連接一直流電源 並由直流電源供電，致冷單元由第一絕緣導熱體或第二 絕緣導熱體之一相對冷端將第一熱量傳遞至一相對熱端 ，並使第一絕緣導熱體與第二絕緣導熱體產生一溫度差 ，且該溫度差使溫差發電單元由相對熱端將第二熱量回 傳至相對冷端，其中第二熱量小於等於第一熱量，且溫 差發電單元產生一電流至致冷單元，以形成熱電循環迴 路。 【實施方式】 [0006] 體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明 中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有 各種的變化，然其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明 及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。 [0007] 請參閱第二圖A，其係為本案第一較佳實施例之熱電轉換 模組示意圖。如第二圖A所示，熱電轉換模組2包括第一 絕緣導熱體21、第二絕緣導熱體2 2、致冷單元2 3、溫差 099116736 表單編號A0101 第6頁/共24頁 0992029741-0 201143177 Ο [0008]
發電單元24以及整流單元25。其中，致冷單元23，具有 第一表面231及第二表面232，其係分別貼附於第一絕緣 導熱體21與第二絕緣導熱體22。溫差發電單元24，具有 第一表面241及第二表面242，其亦分別貼附於第一絕緣 導熱體21與第二絕緣導熱體22。整流單元25，係電性連 接於致冷單元23及溫差發電單元24。於本實施例中，致 冷單元23電性連接一直流電源20，並由直流電源20供電 ，致冷單元23由第一絕緣導熱體21或第二絕緣導熱體22 之一相對冷端（Te)將第一熱量\傳遞至一相對熱端（τΗ) ，並使第一絕緣導熱體21與第二絕緣導熱體22產生一溫 度差ΔΤ，且該溫度差ΔΤ使溫差發電單元24由相對熱端 (τΗ)將第二熱量112回傳至相對冷端（Te)，其中第二熱量 H2小於等於第一熱量t，且温差發電單元24產生一電流 Ii至致冷單元23，以形成一熱電循環迴路。 於一些實施例中，當致冷單元23電性連接一直流電源20 且由該直流電源20供電時，致冷單元23將由第一絕緣導 熱體21傳遞第一熱量\至第二絕緣導熱體22，以使第一 絕緣導熱體21與第二絕緣導熱體22產生一溫度差ΔΤ，其 中第一絕緣導熱體21與第二絕緣導熱體22係分別為相對 冷端與相對熱端。此外，由於溫差發電單元24之第一表 面241及第二表面242係分別貼附於第一絕緣導熱體21與 第二絕緣導熱體22，因此溫差發電單元24可以作為致冷 單元23之散熱裝置，藉由該溫度差ΔΤ使溫差發電單元24 由第二絕緣導熱體22將第二熱量H2回傳至第一絕緣導熱 體21，其中第二熱量H2小於等於第一熱量\，此時該溫 099116736 表單編號A0101 第7頁/共24頁 0992029741-0 201143177 差發電單元23會利用部份第二熱量H2產生一電流^並透 過整流單元25傳遞至致冷單元23，剩餘的熱量，^即第 三熱量h3 ’則回流至第—絕緣導熱龍，其中第三熱量 H3小於第二熱量H2 ’進而形成-熱電循環迴路。 [0009] [0010] 致冷單切因於外加電源仙下可從第_絕緣導熱體Μ 轉移第熱里I至第二絕緣導熱體22，因此第一絕緣導 熱體21除了接收回流的第三熱量%外，可再從外部取得 不足的熱量’例如第四熱量&(亦即，進而使 熱電轉換模組2可以應用於降低與第一絕緣導熱體21之貼 附物或其環境的溫度。於本實施例中第—絕緣導 熱體21與第二絕緣導熱體22之材f為絕緣導熱材質例 如陶瓷材質，但不以此為限。 請參閱第二圖B並配合第二_，其中第二圖⑽為本案第 二圖仏内部結構與作用方式示意圖。如第二圖A及B所示 ，於本實施例中，致冷單元23包急第—半導體挪，例如 P型半導體，及第二半導體234，綠如㈣半導體，其分別 具有第-連結端233a、234a及第二連結端233b、23扑 ，且第一料體233與第二半導體234分職置於第一絕 緣導熱體21與第二絕緣導熱體22之間；第—導電元件挪 連接於第-半導體233之第—連結端2咖且貼附於第一絕 緣導熱體21 ’·第二導電元件236連接於第二半導體234之 第一連結端234a且貼附於第—絕緣導熱體21 ;以及第三 導電元件237分別連接於第一半導體233之第二連結端 233b與第二半導體234之第二連結端234b，以使第一半 導體233與第二半導體234連接成電麵對，並且貼附於第 0991】6736 表單編號A0101 第8頁/共24頁 0992029741-0 201143177 [0011] ο [0012] Ο [0013] 099116736 二絕緣導熱體22。 溫差發電單元24包含第三半導體243，例如Ρ型半導體， 及第四半導體244，例如Ν型半導體，其分別具有第一連 結端243a、244a及第二連結端243b、244b，且第三半 導體243與第四半導體244分別設置於第一絕緣導熱體21 與第二絕緣導熱體22之間。其中，第四導電元件245連接 於第三半導體243之第一連結端243a且貼附於第一絕緣導 熱體21 ;第五導電元件246連接於第四半導體244之第一 連結端244a且貼附於第一絕緣導熱體21 ;以及第六導電 元件247分別連接於第三半導體2 4 f之第二連結端243b與 第四半導體244之第二連結端244b，以使第三半導體243 與第四半導體244連接成電耦對，並且貼附於第二絕緣導 熱體22。 整流單元25包含第一二極體\，該整流單元25具有第一 輸入接腳V以及第一輸出接腳ν。，其中，第一輸入接腳 11 12 Vu (連接第一二極體Di之正端）經由導線L連接於溫差發 電單元24之第二接腳246’ （連接第五導電元件246)，而 第一輸出接腳V12(連接第一二極體I之負端）經由導線L 連接於致冷單元23之第一接腳235’（連接第一導電元件 235)。於本實施例中’ P型及N型之半導體材料可為碲化 鉍，但不以此為限。 請再參閱第二圖B，當致冷單元23電性連接一直流電源20 時，例如第一接腳235’經由導線l連接直流電源20之正 極（ + )，而第二接腳236’經由導線l連接直流電源20之 負極（-)’以形成一電流迴路，也就是說，電流1丨由直流 表單编號A0101 第9頁/共24頁 0992029741-0 201143177 電源2 0之正極（+ )流出，經導線L流入第一導電元件2 3 5 ，再依序流經第一半導體233、第三導電元件237、第二 半導體234以及第二導電元件236，最後經導線L流回直流 電源20之負極（-)，以形成一電流迴路。根據珀爾帖效應 ，電流q經第一半導體233(亦即P型半導體）流向第二半 導體234(亦即N型半導體）會釋放熱量，以使第一絕緣導 熱體21之第一熱量\經致冷單元23傳遞至第二絕緣導熱 體22，因而使第一絕緣導熱體21成為相對冷端（溫度為 Tp)，且使第二絕緣導熱體22成為相對熱端（溫度*TH)， 進而使第一絕緣導熱體21與第二絕緣導熱體22產生一溫 度差ΔΤ。再者，根據塞貝克效應，當該溫度差ΔΤ使溫 差發電單元24將第二絕緣導熱體22之第二熱量H2回傳至 第一絕緣導熱體21時，溫差發電單元23會將部份的第二 熱量h2轉換成電能，亦即產生一電流12，並透過第一輸 入接腳Vu流入整流單元25，經整流單元25整流後，由第 一輸出接腳V12流出並流入致冷單元23，剩餘的熱量，亦 即第三熱量H3，則回流至第一絕緣導熱體21，其中第三 熱量h3小於第二熱量h2，以形成一熱電循環迴路。於本 實施例中，溫差發電單元24之第三半導體243(亦即P型半 導體），其多數載子為帶正電之電洞，而第四半導體244( 亦即N型半導體）之多數載子為帶負電之電子，因此該溫 度差ΔΤ可使溫差發電單元24之第一表面241與第二表面 242產生一極性為正之端電壓。 [0014] 於一些實施例中，藉由更換直流電源20與致冷單元23電 性連接之極性，例如第一接腳235’（連接第一導電元件 099116736 表單編號A0101 第10頁/共24頁 0992029741-0 201143177 235)經由導線L連接直流電源20之負極（~)，而第二接腳 236’（連接第二導電元件236)經由導線L連接直流電源 20之正極（ + )’可使致冷單元23之冷熱端互換且該溫度差 △ T可使溫差發電單元24之第一表面241與第二表面242 產生一極性為負之端電壓。於一些實施例中，致冷單元 23與溫差發電單元24之第一半導體233及第三半導體243 可為N型半導體而第二半導體234及第四半導體244可為 P型半導體，但不以此為限。當致冷單元23電性連接一直 流電源2 0時，第一絕緣導熱體21形成一相對熱端（τ )且 〇 第二絕緣導熱體22形成一相對冷端(Tc)，而其餘各自運 作原理相似，於此不再贅述》 [0015] 請參閱第三圖，其係為本案第二較隹實施例之熱電轉換 模組之内部結構與作用方式示意圖。如第三圖所示，本 實施例之熱電轉換模組3其主要結構係與第一實施例大致 上相同。於本實施例中，致冷單元33包含複數個第一半 導體333，例如P型半導體’及複數個第二半導體334，例 q 如N型半導體’其係分別交錯排咧設置且連成複數個電耦 對。溫差發電單元34包含複數個第三半導體343，例如P 型半導體，及複數個第四半導體344，例如N型半導體， 其亦分別交錯排列設置且連成複數個電耦對。整流單元 35包含複數個二極體，例如第一二極體Di及第二二極體 Ε>2 ’以及複數個梦控整流器’例如第一石夕控整流器SCI^ 及第二矽控整流器SCR2 ’該複數個二極體及複數個矽控 整流器係相互電性連接’以使整流單元35形成第一輸入 接腳vn、第二輸入接腳ν2ι、第一輸出接腳v以及第二 1 L· 099116736 表單編號A0101 第11頁/共24頁 0992029741-0 201143177 輸出接腳v22，其中，第一輸入接腳vn與溫差發電單元 34之第二接腳346’電性連接；第二輸入接腳V21與溫差 發電單元34之第一接腳345’電性連接；第一輸出接腳 Vi2與致冷單元33之第一接腳335’電性連接；以及第二 輸出接腳V22與致冷單元33之第二接腳336’電性連接， 其係用以達到整流之功能。 [0016] 當致冷單元3 3電性連接一直流電源3 0時，例如第一接腳 335’電性連接直流電源30之正極（ + )，第二接腳336’ 電性連接直流電源3 0之負極（-)，根據珀爾帖效應，致冷 單元33之兩端會產生一溫度差ΔΤ，而根據塞貝克效應， 該溫度差ΔΤ使溫差發電單元34產生一電流13，並經整流 單元35整流後流入致冷單元33，以形成一熱電循環迴路 ，進而達到熱量轉移、降低致冷單元33兩端之溫度差ΔΤ 以及使致冷單元33散熱的目的。 [0017] 請再參閱第二圖，根據本案之構想，本案之熱電轉換模 組2可應用於例如汽車座墊、冷暖床墊等，且不以此為限 。當本案之熱電轉換模組2應用於汽車座塾時，由於致冷 單元23之熱端（溫度為Tu)無需使用剛性之散熱器進行散 熱，取而代之的是溫差發電單元24，因此除了可以使熱 電轉換模組2體積變小、應用變廣外，更可利用廢熱發電 ，以提供致冷單元23之電源使用。除此之外，雖部分的 餘熱回流至第一絕緣導熱體21會略為降低致冷單元23之 效率，但仍能保持致冷單元23可以降低相對冷端（Te)的 溫度之功能，因而可以在無須外加風扇輔助散熱之條件 下，達到對貼附物或冷端所處環境的溫度降溫或升溫之 099116736 表單編號A0101 第12頁/共24頁 0992029741-0 201143177 效果。 [0018] 於一些實施例中，任何現有或即將被發明之致冷單元33 或溫差發電單元34之内部結構與其作動原理在此皆可併 入參考，其皆未脫離本案技術特徵所欲保護之範圍。 [0019] 综上所述’本案之熱電轉換模組係以溫差發電單元替換 致冷單元熱端之散熱裝置，用以使溫差發電單元兩端之 溫差產生電流（根據塞貝克效應），進而達到降低致冷單 元兩端之溫度差與其熱端之溫度以及散熱的目的，同時 〇 可以利用廢熱發電，並解決習知致冷單元需配置散熱裝 置而衍生體積大、佔空間、重量較重以及應用受限的缺 失，另外，由於不用外加風扇來輔助散熱，因此不需要 額外的耗電，進而節省電力與物科成本丨。 圃縱使本㈣上収實關詳純制可㈣悉本技 藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專 利範圍所欲保護者。 「 ' :芎...·' 【圖式簡單說明】 [0021] 第一圖： 係為致冷器之内部結構與作用$式示意圖。 [0022] 第二圖A : 意圖。 係為本案第—較佳實施例之熱電轉換模組示 [0023] 第二圖B : 圖。 係為本案第二_之⑽結構與仙方式示意 [0024] 第三圖： 係為本案第二較佳實施例之熱電轉換模組之内 4結構與作用方式示意圖。 表單蝙號麵1 第13頁/共24頁 099116736 0992029741-0 201143177 【主要元件符號說明】 1 :致冷器 1 0 ' 2 0、3 0 :直流電源 101 : CPU晶片 102 :散熱裝置 11 :第一絕緣體 12 :第二絕緣體 13 : N型半導體 14 : P型半導體 15 :金屬導體 2、3 :熱電轉換模組 21 :第一絕緣導熱體 22 :第二絕緣導熱體 23、33 :致冷單元 231 :致冷單元之第一表面 232 :致冷單元之第二表面 233、333 :第一半導體 233a :第一半導體之第一 233b:第一半導體之第二 連結端 連結端 234、334 :第二半導體 234a :第二半導體之第一 連結端 234b:第二半導體之第二 235 :第一導電元件 連結端 235’ ： 致冷單元之第一接腳 236 :第二導電元件 236’ ： 致冷單元之第二接腳 237 ：第三導電元件 24、34 :溫差發電單元 241 :溫差發電單元之第一表 面 242 :溫差發電單元之第二表 243、343 :第三半導體 面 243a ：第三半導體之第一 243b :第三半導體之第二 連結端 連結端 244、344 :第四半導體 244a :第四半導體之第一 連結端 244b ：第四半導體之第二 245 :第四導電元件 表單編號A0101 第14頁/共24頁 0992029741-0 099116736 201143177 〇丨 連結端 246 ：第五導電元件 246’ ：溫差發電單元之第二 接腳 247 ：第六導電元件 25、35 :整流單元 335’ ：致冷單元之第一接 336’ ：致冷單元之第二接腳 腳 345’ ：溫差發電單元之第一 346’ ：溫差發電單元之第二 接腳 接腳 I、ιΓι3:電流 Di :第一二極體 d2 :第二二極體 SCI^ :第一矽控整流器 scr2 :第二矽控整流器 H、：第一熱量 h-2 :第二熱量 h-3 :第三熱量 H-,:第四熱量 4 V-n :第一輸入接腳 v_12:第一輸出接腳 v-2l :第二輸入接腳 V-22 :第二輸出接腳 τΗ :熱端 Te :冷端 △ T :溫度差 L :導線 099116736 表單編號Α0101 第15頁/共24頁 0992029741-0