TWI574438B - 熱電轉換裝置 - Google Patents

Description

熱電轉換裝置

本揭露是有關於一種熱電轉換裝置，且特別是有關於一種具有串接結構的熱電轉換裝置。

由於能源短缺問題，再生能源技術的發展成為了重要議題。熱電轉換技術為目前一種可直接將熱能與電能進行轉換的新興再生能源技術，此熱電轉換效應是藉由熱電材料內部載子移動讓熱能與電能達到能量轉換之功效。其中，能量轉換過程不需機械動件，因此具有體積小、無噪音、無振動及具環境親和性之優點，可應用於溫差發電、廢熱回收、電子元件冷卻及空調系統等方面的應用潛力。近年來，熱電轉換技術受到各國相關研究單位高度重視並投入大量研發能量，除了材料的開發，也積極進行熱電技術應用。

熱電模組(thermoelectric module)是熱電轉換技術的應用產品之一。具體地說，熱電模組為一種具有熱與電兩種能量互相轉換特性之元件。就結構而言，以導電金屬層為橋樑，將P型熱電材料與N型熱電材料作電性串聯，在將電性連接的導電金屬層以及P型熱電材料與N型熱電材料設置於電絕緣之上下基板以構成目前的熱電模組。熱電模組的運作原理簡述如下。對熱電模組通入直流電時，熱電模組兩端產升溫差，由冷端吸熱將熱能送到熱端放出，達到熱泵(heat pump)的功能，此為珀爾帖效應(Peltier effect)。另一方面，若熱電模組上下兩基板處於不同溫度時，熱電模組即產生直流電，溫差越大的時候，產生的電功率越高，此為塞貝克效應(Seebeck effect)。

根據上述兩種原理，如何使熱電材料與金屬電極的接合處所產生之熱電轉換效應可以有效傳導進行應用，是非常重要的課題。

本揭露提供一種熱電轉換裝置。熱電轉換裝置包括至少一個熱電轉換單元，其中每一熱電轉換單元包括至少一第一電極、至少一第二電極、P型熱電材料以及N型熱電材料。第一電極內具有第一流體通道，以使第一電極形成第一中空結構。第二電極具有第二流體通道，以使第二電極形成第二中空結構。P型熱電材料位於第一電極以及第二電極之間，且第二電極位於P型熱電材料以及N型熱電材料之間。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本揭露一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。請參照圖1，熱電轉換裝置10a包括至少一個熱電轉換單元100。圖2為圖1之熱電轉換裝置的第一電極的沿著剖線AA’的剖面圖。每一熱電轉換單元100包括至少一第一電極110、至少一第二電極120、P型熱電材料130以及N型熱電材料140。舉例而言，在本實施例中，是以圖1繪示之熱電轉換單元100的構件排列順序(即：第一電極110、P型熱電材料130、第二電極120以及N型熱電材料140)作說明，但不以此為限制。在一實施例中，熱電轉換單元100所具有的構件排列順序亦可以例如是第一電極110、N型熱電材料140、第二電極120以及P型熱電材料130。

第一電極110具有第一流體通道112，以使第一電極110具有中空結構。第一電極110具有外表面110a以及內表面110b。第一電極110的外表面110a包括兩個彼此相對的區域116，其中每一個區域116上配置有P型熱電材料130或是N型熱電材料140。區域116可為平面或非平面，圖中以平面之區域116為例，可利於將P型熱電材料130以及/或是N型熱電材料140連結（例如焊接）至第一電極110以及第二電極120上。第二電極120具有第二流體通道122，以使第二電極120形成中空結構。第二電極120具有外表面120a以及內表面120b。第二電極120的外表面120a包括兩個彼此相對的區域126，其中每一個區域126上配置有P型熱電材料130或是N型熱電材料140。區域126可為平面或非平面，圖中以平面之區域126為例，藉由區域126的設置，可利於將P型熱電材料130以及/或是N型熱電材料140連結（例如焊接）至第一電極110以及第二電極120上。

請參考圖1，第一電極100的內表面110b具有凹槽結構118，使第一流體通道112具有非平坦的表面；第二電極120的內表面120b具有凹槽結構128，使第二流體通道122具有非平坦的表面。本實施例中的第一電極100的內表面110b以及第二電極120的內表面120b分別因配置有凹槽結構118以及凹槽結構128，可提高位於第一流體通道112以及第二流體通道122內的流體(例如：第一流體A、第二流體B或輸入流體C)與第一電極100/第二電極120間的接觸面積，增加可發生熱交換的面積，進而有效減低熱電轉換裝置的熱電轉換效率之損耗。

請同時參考圖1以及圖2，每一熱電轉換單元100更包括多個分流塞170。在本實施例中，第一電極110內的第一流體通道112配置有一個分流塞170。藉由分流塞的設置，可以強制使通過第一流體通道112內的流體與第一電極110的凹槽結構116相接觸，強化熱交換的功能，如圖2所示。分流塞170的材料可以是導體材料或非導體材料，本揭露不以此為限。此外，第一電極100的內表面110b亦可以具有電絕緣層180；藉此，當通過第一電極100的第一流體通道112以及第二電極120的第二流體通道122內的流體例如是具有導電性的流體時，可避免發生短路(short circuit)。又，第二電極120可以與第一電極110具有相同或相似的結構，故本揭露不再贅述。除此之外，在一實施例中，第一電極110的外表面110a以及第二電極120的外表面120a亦可包含鎳層或其他金屬接合材料層(未繪示)，可提高第一電極110的外表面110a以及第二電極120的外表面120a與P型熱電材料130以及N型熱電材料140之間的接合強度，但本揭露不以此為限。

此外，第一電極110以及第二電極120的形狀可以是圓柱形、方柱形、長方柱形或是多邊柱形等。以本實施例為例，第一電極110以及第二電極120的形狀例如是具有中空結構的圓柱形，但不以此為限。在一實施例中，第一電極110沿著第一方向D1延伸，第二電極120沿著第二方向D2延伸，其中第一方向D1與第二方向D2之間具有呈0度至180度的夾角，本揭露不以此為限。第一電極100以及第二電極120的材料可以是金屬、合金或其組合，例如是銅、鋁等金屬、合金或金屬基複合材料等具有高熱傳導係數特性的導體材料，且第一電極100以及第二電極120的材料可以是相同或不同。

請參考圖1，P型熱電材料130位於第一電極110以及第二電極120之間，且第二電極120位於P型熱電材料130以及N型熱電材料140之間。P型熱電材料130的材料可以是含鉍、銻、碲或上述之組合之化合物。N型熱電材料140的材料可以是含鉍、碲、硒或上述之組合之化合物。另外，P型熱電材料130的可以是一個大面積的P型熱電材料或是呈陣列方式排列的多個小面積P型熱電材料所組成。P型熱電材料130的形狀例如是圓柱形、方柱形、長方柱型或多邊柱形，本揭露不以此為限。類似地，N型熱電材料140的可以是一個大面積的N型熱電材料或是呈陣列方式排列的多個小面積N型熱電材料所組成。N型熱電材料140的形狀例如是圓柱形、方柱形、長方柱形或多邊柱形，本揭露不以此為限。

另外，如圖1所示，熱電轉換裝置10a更可以包括導線190以及電力系統200，其中熱電轉換單元100是藉由導線190電性連接電力系統200，而完成一個完整的電路迴路。電力系統200例如是電力提供裝置或電力儲存裝置，本揭露不限於此。在本實施例中，電力系統200例如是直流電提供裝置。

圖3為圖1之熱電轉換裝置的簡易示意圖，其中圖3中的箭頭標示是用以表示電子的傳遞方向。請同時參照圖1以及圖3，熱電轉換裝置10a包含兩個或兩個以上的熱電轉換單元100時，每一個熱電轉換單元100中的第一電極110是與另一個熱電轉換單元100中的N型熱電材料140相連接。其中，兩個相鄰的熱電轉換單元110之間是以串聯型式連接彼此。也就是說，在本實施例的熱電轉換裝置10a中，第一電極110位於N型熱電材料140以及P型熱電材料130之間，P型熱電材料130位於第一電極110以及第二電極120之間，第二電極120位於P型熱電材料130以及N型熱電材料140之間，以及N型熱電材料140位於第一電極110以及第二電極120之間。換言之，本實施例的熱電轉換裝置10a是依序由第一電極110、P型熱電材料130、第二電極120、N型熱電材料140、第一電極110、P型熱電材料130…(依此類推)等構件之間彼此電性連接所組成的串聯結構，可有效減低熱應力累積與集中的問題。除此之外，本揭露的熱電轉換裝置10a中的熱電材料具有較寬鬆的尺寸需求，有效降低製造成本。

請參照圖1以及圖3，當熱電轉換裝置10a作為發熱裝置時，其簡單地運作如以下實施例說明。首先，通過導線190的設置，電力系統200提供一直流電給熱電轉換單元100，藉由P型熱電材料130中帶有正電荷的電洞往鄰近的第二電極120移動以及N型熱電材料140中帶有負電荷的電子往鄰近的第一電極110移動，因此第一電極110因吸熱而被加熱，使得通過第一電極110之第一流體通道112的輸入流體C被加熱至具有第一溫度的第一流體A，且第二電極120因被吸熱而降溫，使得通過第二電極120之第二流體通道122的輸入流體C被致冷至具有第二溫度的第二流體B，其中第一溫度高於第二溫度。據此，本實施例熱電轉換裝置10a藉由珀爾帖效應(Peltier effect)，達到熱泵(heat pump)的功能。

另一方面，根據另一實施例，熱電轉換裝置10a亦可作為發電裝置，說明如下。電力系統200可以作為電力儲存裝置。首先，藉由對第一電極110的第一流體通道112輸入具有第一溫度的第一流體A，且對第二電極120的第二流體通道122輸入具有第二溫度的第二流體B，其中第一溫度高於第二溫度，使第一電極110與第二電極120之間具有溫差狀態時，因此P型熱電材料130中帶有正電荷的電洞往鄰近的第二電極120移動以及N型熱電材料140中帶有負電荷的電子往鄰近的第一電極110移動，以此類推，而產生一電流。上述因塞貝克效應(Seebeck effect)所產生之電流可藉由導線190的設置，透過路徑上的電力系統200以進行發電。

承上所述，由於本實施例之第一電極110具有第一流體通道112以使第一電極110具有中空結構，且第二電極120具有第二流體通道122以使第一電極120具有中空結構。因此通入第一流通道112以及第二流通道流體122之流體可以直接與第一電極110以及第二電極122接觸，以使得流體的熱能可以直接傳遞至第一電極110以及第二電極122並傳遞至P型熱電材料130以及N型熱電材料140。換言之，由於流體的熱能不需要經過其他的吸熱交換器，因此本實施例可以有效地將流體的熱能轉換成電能。此外，由於第一電極110以及第二電極120是以串接排列方式設置，所產生的電流之傳遞方向是直線傳遞，因此電能的耗損也可以降低。

圖4為本揭露另一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。圖4之實施例之熱電轉換裝置10b與上述圖1之熱電轉換裝置10a相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符號表示，且不再重複說明。圖4之實施例與圖1之實施例主要差異處在於，熱電轉換裝置10b更包括至少四個絕緣流管150-1~150-4。上述四的絕緣流管150-1~150-4分別與第一電極110的第一流體通道112與第二電極120的第二流體通道122相連通。

具體來說，第一電極110的第一流體通道112的一端與絕緣流管150-1相連接，且第一電極110的第一流體通道112的另一端與絕緣流管150-3相連接。第二電極120的第二流體通道122的一端與絕緣流管150-2相連接，且第二電極120的第二流體通道122的另一端與絕緣流管150-4相連接。值得注意的是，絕緣流管150-1~150-4較佳為選用電絕緣材料，以避免直流電短路的發生。

如圖4所示，本實施例藉由電力系統200經由導線190提供直流電給熱電轉換裝置10b。因此當輸入流體C被提供至絕緣流管150-1，可藉由絕緣流管150-1的設置而分別流入熱電轉換裝置10b中的各個第一電極110的第一流體通道112內，與第一電極110的內表面110b進行熱交換後形成第一流體A。接著，第一流體A被收集與彙總至絕緣流管150-3後，再經由絕緣流管150-3被排出於熱電轉換裝置10b外。相似地，當輸入流體C被提供至絕緣流管150-2，並藉由絕緣流管150-2的設置而分別流入熱電轉換裝置10b中的各個第二電極120的第二流體通道122內，與第二電極120的內表面120b進行熱交換後形成第一流體B。再藉由絕緣流管150-4的設置收集與彙總第一流體B至一處後，再將第一流體B導出於熱電轉換裝置10b外。據此，本實施例的熱電轉換裝置10b具有熱泵的功能。

此外，在一實施例中，電力系統200可不提供直流電給熱電轉換裝置10b，取而代之的是，分別提供兩個彼此之間具有溫差的流體(例如：第一流體A以及第二流體B)給絕緣流管150-1以及絕緣流管150-2，藉由流體間的溫差產生電流(即：Seebeck effect)，使熱電轉換裝置10b具發電功能。

圖5為本揭露另一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。圖5之實施例之熱電轉換裝置10c與上述圖4之熱電轉換裝置10b相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符號表示，且不再重複說明。圖5之實施例與圖4之實施例主要差異處在於，熱電轉換裝置10c的熱電轉換單元100包括兩個第一電極110以及兩個第二電極120。然，本揭露不以此為限；其它實施例中，熱電轉換單元具有兩個或兩個以上的第一電極110以及兩個或兩個以上的第二電極120。

如圖5所示，類似於繪示於圖4的熱電轉換裝置10b，在熱電轉換裝置10c的熱電轉換單元100中，兩個第一電極110的第一流體通道112中位於同側的一端與絕緣流管150-1相連接且另一端與絕緣流管150-3相連接；且兩個第二電極120的第二流體通道122中位於同側的一端與絕緣流管150-2相連接且另一端與絕緣流管150-4相連接。換言之，熱電轉換裝置10c的熱電轉換單元100中的兩個第一電極110之間是以並聯型式連接，且兩個第二電極120之間亦是以並聯型式連接。依據此架構，每個第一電極110的第一流體通道112與第二電極120的第二流體通道122中的流體可經歷兩次或兩次以上的熱交換(即：加熱或致冷過程)後，再排出於熱電轉換裝置10c外，因此可提升熱電轉換裝置10c的熱泵功能的效果。類似於熱電轉換裝置10b，分別提供兩個彼此之間具有溫差的流體(例如：第一流體A以及第二流體B)給絕緣流管150-1以及絕緣流管150-2，藉由流體間的溫差產生電流，熱電轉換裝置10c亦具有發電功能。

圖6為本揭露另一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。圖6之實施例之熱電轉換裝置10d與上述圖5之熱電轉換裝置10c相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符號表示，且不再重複說明。圖6之實施例與圖5之實施例主要差異處在於，熱電轉換裝置10d更包括外殼160。具體來說，熱電轉換裝置10d的外殼160包覆熱電轉換單元100以及絕緣流管150-1~150-4，其中外殼160具有至少四個接口162-1~162-4分別連接絕緣流管150-1~150-4。外殼160的設置可對熱電轉換裝置10d達到結構上的保護，且藉由將接口162-1~162-4全部配置於外殼160的同一表面上，同時可使熱電轉換裝置10d中絕緣流管150-1~150-4的流體出入口皆位於同一平面，可使熱電轉換裝置10d的外觀更為簡化。在其它實施例中，接口162-1~162-4亦可以分別設置於外殼160的不同表面上，本揭露不以此為限。外殼160材料例如是絕緣材料；舉例來說，電絕緣材料、熱絕緣材料或絕電絕熱材料。此外，依照需求，熱電轉換裝置10d的導線以及電力系統(未繪示)可選擇配置於外殼160內或配置於外殼160內，本揭露不以此為限。 〈熱泵功能的測試〉

首先，在圖1的熱電轉換裝置10a上裝置測溫熱電偶後，藉由由電力系統200提供直流電進行熱泵功能的測試。測試1以及測試2為在空氣中進行量測，測試3為水中進行量測，測試條件以及量測的結果如下表1所示：   表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0002"><TBODY><tr><td>   </td><td> 測試1 </td><td> 測試2 </td><td> 測試3 </td></tr><tr><td> 輸入電力 (W) </td><td> 9.8 </td><td> 60 </td><td> 60 </td></tr><tr><td> 第一電極的溫度(℃) </td><td> 26 </td><td> 52 </td><td> 27 </td></tr><tr><td> 第二電極的溫度(℃) </td><td> 13 </td><td> 13 </td><td> 17 </td></tr><tr><td> 第一電極與第二電極間的溫差(℃) </td><td> 13 </td><td> 38 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> 環境溫度(℃) </td><td> 18 </td><td> 19 </td><td> 19 </td></tr></TBODY></TABLE>

由上述表1可知，不論是於空氣中或通水狀態下，本揭露的熱電轉換裝置10a確實具備熱電元件所具有的熱泵功能。 〈發電功能的測試〉

將圖1的熱電轉換裝置10a的導線190與電壓檢測裝置連接。分別將具有溫度約55℃的水與溫度25℃的水導入第一電極110的第一流體通道112以及第二電極120的第二流體通道122內，經由電壓檢測裝置測量到的開路電壓(V _oc)約為32 mV。據此，本揭露的熱電轉換裝置10a確實具備熱電元件所具有的發電功能。

綜上所述，本揭露的熱電轉換裝置是由第一電極、P型熱電材料、第二電極、N型熱電材料、第一電極、P型熱電材料…(依此類推)等構件之間彼此電性連接所組成的串聯結構，可有效減低熱應力累積與集中的問題，且具有較寬鬆的尺寸需求，有效降低製造成本。

在本揭露的熱電轉換裝置中，熱電材料與金屬電極的接合處所產生之熱電轉換效應可不需透過絕緣基板熱傳導進行應用，因此可不受限於絕緣基板本身的熱阻降低了實際可應用的性能。此外，亦不需在絕緣基板的外側進行熱交換，可減少熱電模組的熱電轉換效率再次受到損耗。

此外，由於本實施例之第一電極具有第一流體通道以使第一電極具有中空結構，且第二電極具有第二流體通道以使第一電極具有中空結構。因此通入第一流通道以及第二流通道流體之流體的熱能可以直接傳遞至第一電極以及第二電極，並傳遞至P型熱電材料以及N型熱電材料。換言之，由於流體的熱能不需要經過其他的吸熱交換器，因此本實施例可以有效地將流體的熱能轉換成電能。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧熱電轉換單元

110‧‧‧第一電極

110a‧‧‧第一電極的外表面

110b‧‧‧第一電極的內表面

112‧‧‧第一流體通道

116、126‧‧‧區域

118、128‧‧‧凹槽結構

120‧‧‧第二電極

120a‧‧‧第二電極的外表面

120b‧‧‧第二電極的內表面

122‧‧‧第二流體通道

130‧‧‧P型熱電材料

140‧‧‧N型熱電材料

150-1、150-2、150-3、150-4‧‧‧絕緣流管

160‧‧‧外殼 162-1、162-2、162-3、162-4‧‧‧接口

170‧‧‧分流塞

180‧‧‧絕緣層

190‧‧‧導線

200‧‧‧電力系統

A‧‧‧第一流體

B‧‧‧第二流體

C‧‧‧輸入流體

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

圖1為本揭露一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。 圖2為圖1之熱電轉換裝置的第一電極的沿著剖線AA’的剖面圖。 圖3為圖1之熱電轉換裝置的簡易示意圖。 圖4為本揭露另一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。 圖5為本揭露另一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。 圖6為本揭露另一實施例之熱電轉換裝置的示意結構圖。

10b‧‧‧熱電轉換裝置

100‧‧‧熱電轉換單元

110‧‧‧第一電極

120‧‧‧第二電極

130‧‧‧P型熱電材料

140‧‧‧N型熱電材料

150-1、150-2、150-3、150-4‧‧‧絕緣流管

190‧‧‧導線

200‧‧‧電力系統

A‧‧‧第一流體

B‧‧‧第二流體

C‧‧‧輸入流體

Claims (11)

1. 一種熱電轉換裝置，包括至少一熱電轉換單元，其中每一熱電轉換單元包括： 至少一第一電極，其中該第一電極內具有一第一流體通道，使該第一電極形成一中空結構； 至少一第二電極，其中該第二電極內具有一第二流體通道，以使該第二電極形成一中空結構； 一P型熱電材料，位於該第一電極以及該第二電極之間；以及 一N型熱電材料，其中該第二電極位於該P型熱電材料以及該N型熱電材料之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該熱電轉換裝置包含兩個或兩個以上的該熱電轉換單元，每一個熱電轉換單元中的該第一電極是與另一個熱電轉換單元中的該N型熱電材料相連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述的熱電轉換裝置，其中每兩個熱電轉換單元之間是以串聯型式連接。
4. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該第一電極以及該第二電極各具有一外表面，該第一電極的該外表面以及該第二電極的該外表面分別包括兩個彼此相對的區域，其中每一區域僅配置有該N型熱電材料或該P型熱電材料。
5. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該第一電極以及該第二電極各具有一內表面，該第一電極的該內表面以及該第二電極的該內表面分別具有多個凹槽結構，使該第一流體通道與該第二流體通道具有非平坦的表面。
6. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該第一電極以及該第二電極各具有一內表面，該第一電極的該內表面以及該第二電極的該內表面分別具有一絕緣層。
7. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該熱電轉換單元更包括至少四個絕緣流管，分別與該第一電極的該第一流體通道與該第二電極的該第二流體通道相連通。
8. 如申請專利範圍第7項所述的熱電轉換裝置，更包括一外殼，包覆該熱電轉換單元，其中該外殼具有至少四個接口分別連接該些絕緣流管。
9. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該熱電轉換單元具有兩個或兩個以上的該第一電極，該些第一電極之間是以並聯型式連接，且該熱電轉換單元具有兩個或兩個以上的該第二電極，該些第二電極之間是以並聯型式連接。
10. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該熱電轉換單元更包括多個分流塞，其中該第一電極內的該第一流體通道以及該第二電極內的該第二流體通道分別配置有一個分流塞。
11. 如申請專利範圍第1項所述的熱電轉換裝置，其中該第一電極以及該第二電極的形狀包括圓柱形、方柱形、長方柱形或多邊柱形。