TWI586006B - 熱電模組 - Google Patents

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TWI586006B
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戴明吉
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黃泓憲
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Description

熱電模組
本發明是有關於一種熱電模組，且特別是有關於一種橫向輸出電壓的熱電模組。
許多產業在製造過程中需耗費大量能源及產生可觀的熱，造成大量的能源浪費。一般熱電模組可利用溫差發電，其優點在於所占空間不大，以及維修成本低，因此適合用來回收產業廢熱以避免能源浪費。
然而，一般傳統熱電模組僅產生與溫差方向平行的電場，不易透過模組中P型與N型熱電構件尺寸的改變來調整模組的熱電效能，因此需要串接大量的P型與N型的熱電材料方可在固定溫差下得到較高的輸出電壓。
本發明提供一種熱電模組，其可有效地提升模組效率。
本發明提供一種熱電模組，包括至少一個PN接面元件。PN接面元件包括PN接面結構、多個上電極以及至少一個下電極。PN接面結構包括N型熱電構件與P型熱電構件，其中N型熱電構件與P型熱電構件相向的側面相接。上電極彼此分離且分別覆蓋N型熱電構件的部分上表面或P型熱電構件的部分上表面。下電極覆蓋N型熱電構件的下表面與P型熱電構件的下表面。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，N型熱電構件與P型熱電構件可為半導體材料，其電荷載子濃度例如是介於10 18cm -3至10 21cm -3之間。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，N型熱電構件的材料可為BiTe系熱電材料、PbTe系熱電材料或SiGe系熱電材料。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，P型熱電構件的材料可為BiTe系熱電材料、PbTe系熱電材料或SiGe系熱電材料。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，上電極與下電極材料分別可為金屬或金屬複合的導電材料。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，N型熱電構件與P型熱電構件的形狀分別可為條狀、弧狀或環狀。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，N型熱電構件與P型熱電構件可組成條狀、弧狀或環狀。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，N型熱電構件與P型熱電構件分別為弧狀或環狀，或者N型熱電構件與P型熱電構件組成弧狀或環狀時，PN接面元件可應用於管狀熱源。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，上電極與下電極的形狀分別可為條狀、弧狀或環狀。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，在一個PN接面元件中的下電極之數量可為一個，且完全覆蓋或部分覆蓋N型熱電構件的下表面與P型熱電構件的下表面。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，PN接面結構的數量可為多個且分離設置，且在相鄰兩個PN接面結構中，相互分離的N型熱電構件的上表面與P型熱電構件的上表面藉由所述上電極連接，相鄰的下電極互相不接觸。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，在一個PN接面元件中的下電極的數量可為多個，且下電極彼此分離且分別覆蓋部分N型熱電構件的部分下表面或部分P型熱電構件的部分下表面。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，在同一個PN接面元件中，下電極之間可具有暴露出N型熱電構件的部分下表面與P型熱電構件的部分下表面的開口。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，PN接面結構的數量可為多個且分離設置，且在一個PN接面結構中的N型熱電構件的上表面以及P型熱電構件的下表面分別藉由上電極與下電極連接至一側的P型熱電構件的上表面以及N型熱電構件的下表面。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，在一個PN接面結構中的N型熱電構件的下表面以及P型熱電構件的上表面分別藉由下電極與上電極連接至另一側的P型熱電構件的下表面以及N型熱電構件的上表面。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，上電極與PN接面結構的連接方式可藉由焊料或直接壓合進行連接。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，下電極與PN接面結構的連接方式可藉由焊料或直接壓合進行連接。
依照本發明的一實施例所述，在上述熱電模組中，在同一個PN接面元件中，上電極之間可具有暴露出N型熱電構件的部分上表面與P型熱電構件的部分上表面的開口。
基於上述，本發明所提出的熱電模組中，藉由N型熱電構件與P型熱電構件相向的側面相接的設計，以及上電極彼此分離且分別覆蓋N型熱電構件的部分上表面或P型熱電構件的部分上表面的設置方式，可產生垂直於冷端與熱端的溫差方向的橫向溫度梯度，亦即可在PN接面結構中形成二維溫度梯度，因此可具有引導載子流的效果，使得在固定溫差下可得到更大的輸出電壓，以提升模組效率。
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所繪示為本發明第一實施例的熱電模組的示意圖。
請參照圖1，熱電模組包括至少一個PN接面元件100。在此實施例中，熱電模組是以包括一個PN接面元件100為例來進行說明，亦即可採用一個PN接面元件100作為熱電模組的最小單元，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，熱電模組亦可包括多個PN接面元件100。
一個PN接面元件100包括一個PN接面結構102、多個上電極108以及至少一個下電極110。在第一實施例中，是以一個PN接面元件100包括一個下電極110為例進行說明，但本發明不以此為限。在其他實施例中，一個PN接面元件100亦可包括多個下電極110。
PN接面結構102包括N型熱電構件104與P型熱電構件106，且N型熱電構件104與P型熱電構件106相向的側面相接。在此實施例中，是以N型熱電構件104與P型熱電構件106相向的側面完全相接為例進行說明，但本發明不以此為限。N型熱電構件104與P型熱電構件106可為半導體材料，其電荷載子濃度例如是介於10 18cm -3至10 21cm -3之間。當半導體材料的電荷載子濃度高於10 21cm - 3，則席貝克（Seebeck）係數太低。當電荷載子濃度低於10 18cm - 3，則電阻率太高。N型熱電構件104可為常溫熱電材料(如BiTe系熱電材料)、中溫熱電材料(如PbTe系熱電材料)或高溫熱電材料(如SiGe系熱電材料)。P型熱電構件106的材料可為常溫熱電材料(如BiTe系熱電材料)、中溫熱電材料(如PbTe系熱電材料)或高溫熱電材料(如SiGe系熱電材料)。然而，本發明並不以上述N型熱電構件104與P型熱電構件106的材料為限，任何熱電材料系統其電荷載子濃度介於前述範圍內皆可適用。
N型熱電構件104與P型熱電構件106的形狀分別可為條狀、弧狀或環狀，且N型熱電構件104與P型熱電構件106更可組成條狀、弧狀或環狀。在此實施例中，是以N型熱電構件104與P型熱電構件106的形狀為條狀，且N型熱電構件104與P型熱電構件106組成條狀為例來進行說明。此外，當N型熱電構件104與P型熱電構件106為弧狀或環狀時(請參照圖3與圖4)，或者N型熱電構件104與P型熱電構件106組成弧狀或環狀時(請參照圖5與圖6)，PN接面元件100可適用於常見管狀熱源，例如是熱水管或廢氣管。
上電極108彼此分離且分別覆蓋N型熱電構件104的部分上表面或P型熱電構件106的部份上表面，所以在上電極108之間會具有暴露出N型熱電構件104的部分上表面與P型熱電構件106的部份上表面的開口107。此外，在同一個PN接面元件100中，一個上電極108僅會覆蓋N型熱電構件104與P型熱電構件106中之一者的部份上表面。換言之，在同一個PN接面元件100中，一個上電極108不會同時覆蓋N型熱電構件104與P型熱電構件106。上電極108可為金屬或金屬複合的導電材料，其電阻率例如是低於10 -6W×m。上電極108的形狀可為條狀、弧狀或環狀。在此實施例中，上電極108的形狀是以條狀為例來進行說明。
下電極110覆蓋N型熱電構件104的下表面與P型熱電構件106的下表面。下電極110可完全覆蓋或部分覆蓋PN接面結構102中的N型熱電構件104的下表面與所述P型熱電構件106的下表面，只要下電極110同時覆蓋到N型熱電構件104的下表面與所述P型熱電構件106的下表面，而使得N型熱電構件104與P型熱電構件106在鄰近於下電極110的部分形成等電位即可。下電極110可為金屬或金屬複合的導電材料。下電極110的形狀可為條狀、弧狀或環狀。在此實施例中，下電極110的形狀是以條狀為例來進行說明。
上電極108以及下電極110與PN接面結構102的連接方式分別可藉由焊料或直接壓合進行連接。在本實施例中，當使用直接壓合的方式進行連結時，可避免焊料的使用，進而避免因焊料耐熱度的限制而影響整體PN接面元件100應用的溫度範圍。
上電極108與下電極110的其中之一鄰近於熱端，另一則鄰近於冷端。在此實施例與下文的其他實施例中，皆是以上電極108鄰近於冷端且下電極110鄰近於熱端為例進行說明，但本發明不以此為限。換言之，亦可將電極108鄰近於熱端且下電極110鄰近於冷端。
相較於上電極108下方的N型熱電構件104與P型熱電構件106，開口107下方的N型熱電構件104與P型熱電構件106未被上電極108所覆蓋而會與空氣進行接觸。由於空氣的導熱率比上電極108小，因此N型熱電構件104與P型熱電構件106會在上電極108覆蓋的區域與未覆蓋的區域之間的產生橫向溫度梯度。其中，橫向溫度梯度的方向垂直於冷端與熱端的溫差方向，亦即可在PN接面結構102中形成二維溫度梯度。由於上述橫向溫度梯度會在其方向上產生橫向電壓梯度，而具有引導載子流向上電極108的效果。因此，在固定溫差的情況下，藉由在PN接面結構102中所形成的二維溫度梯度，可在二個上電極108之間得到更大的輸出電壓，以提升模組效率。
此外，藉由上述橫向電壓梯度可產生垂直於冷端與熱端的溫差方向的橫向電流。上述橫向電流會從P型熱電構件106流至N型熱電構件104，且藉由上電極108進行輸出。因此，本實施例的PN接面元件100所產生的橫向電流僅通過兩個上電極108，因此相較於習知的熱電模組可減少電流通過接點的數量，以降低熱電模組的總電阻，進而提高輸出電壓，以提升模組效率。
另外，PN接面元件100僅須在上電極108側組裝配線，進而使PN接面元件100的結構與形狀更為彈性。
基於上述實施例可知，藉由N型熱電構件104與P型熱電構件106相向的側面相接的設計，以及上電極108彼此分離且分別覆蓋N型熱電構件104的部分上表面或P型熱電構件106的部分上表面的設置方式，可產生垂直於冷端與熱端的溫差方向的橫向溫度梯度，亦即可在PN接面結構102中形成二維溫度梯度，因此可具有引導載子流的效果，使得在固定溫差下可得到更大的輸出電壓，以提升模組效率。
圖2所繪示為本發明第二實施例的熱電模組的示意圖。
請同時參照圖1與圖2，第二實施例與第一實施例差異如下。第二實施例中的熱電模組200包括多個PN接面元件100，而具有多個PN接面結構102。PN接面結構102分離設置，且在相鄰兩個PN接面結構102中，相互分離的N型熱電構件104的上表面與P型熱電構件106的上表面藉由上電極108連接，相鄰的下電極110互相不接觸。此外，第二實施例與第一實施例中相同的構件以相同的標號表示並省略其說明。
在熱電模組200中，PN接面元件100藉由上述方式進行連接，而使得垂直於冷端與熱端的溫差方向的橫向電流可經由上電極108進行輸出。因此，在將兩末端的上電極108連接至負載(load)L1時，可輸出一組電壓。
圖3所繪示為本發明第三實施例的熱電模組的示意圖。
請同時參照圖2與圖3，第三實施例與第二實施例差異如下。在第三實施例的熱電模組300中，PN接面元件100中的N型熱電構件104與P型熱電構件的形狀106分別為環狀。此外，上電極108與下電極110亦可分別為環狀，但本發明並不以此為限。其中，下電極110位於PN接面結構102的內側上，而上電極108位於PN接面結構102的外側上。此外，第三實施例與第二實施例中相同的構件以相同的標號表示並省略其說明。
第三實施例是將熱電模組300應用於管狀熱源HT的實例，其中熱電模組300套置於管狀熱源HT上。
圖4所繪示為本發明第四實施例的熱電模組的示意圖。
請同時參照圖2與圖4，第四實施例與第二實施例差異如下。在第四實施例的熱電模組400中，PN接面元件100中的N型熱電構件104與P型熱電構件的形狀106分別為弧狀。此外，上電極108與下電極110亦可分別為弧狀，但本發明並不以此為限。其中，下電極110位於PN接面結構102的內側，而上電極108位於PN接面結構102的外側上。此外，第四實施例與第二實施例中相同的構件以相同的標號表示並省略其說明。
第四實施例是將熱電模組400應用於管狀熱源HT的實例在此實施例中，是以一組熱電模組400套置於管狀熱源HT上為例進行說明，但在其他實施例中亦可將兩組熱電模組400分離套置於管狀熱源HT上，且本發明並不以此為限。所屬技術領域具有通常知識者可依照實際的產品設計需求來調整套置於管狀熱源HT上的熱電模組400的數量，然而只要在管狀熱源HT上具有一組以上的熱電模組400即屬於本發明所保護的範圍。
圖5所繪示為本發明第五實施例的熱電模組的示意圖。
請同時參照圖2與圖5，第五實施例與第二實施例差異如下。在第五實施例的熱電模組500中，PN接面元件100中的N型熱電構件104與P型熱電構件106組成環狀。此外，上電極108可為弧狀，且下電極110可為環狀，但本發明並不以此為限。其中，下電極110位於PN接面結構102的內側上，而上電極108位於PN接面結構102的外側上。此外，第五實施例與第二實施例中相同的構件以相同的標號表示並省略其說明。
第五實施例是將熱電模組500應用於管狀熱源HT的實例，其中熱電模組500套置於管狀熱源HT上。
圖6所繪示為本發明第六實施例的熱電模組的示意圖。
請同時參照圖2與圖6，第六實施例與第二實施例差異如下。在第六實施例的熱電模組600中，PN接面元件100中的N型熱電構件104與P型熱電構件的形狀106組成弧狀。此外，上電極108與下電極110亦可分別為弧狀，但本發明並不以此為限。其中，下電極110位於PN接面結構102的內側，而上電極108位於PN接面結構102的外側上。此外，第六實施例與第二實施例中相同的構件以相同的標號表示並省略其說明。
第六實施例是將熱電模組600應用於管狀熱源HT的實例。在此實施例中，是以一組熱電模組600套置於管狀熱源HT上為例進行說明，但在其他實施例中亦可將兩組熱電模組600分離套置於管狀熱源HT上，且本發明並不以此為限。所屬技術領域具有通常知識者可依照實際的產品設計需求來調整套置於管狀熱源HT上的熱電模組600的數量，然而只要在管狀熱源HT上具有一組以上的熱電模組600即屬於本發明所保護的範圍。
此外，第一實施例與第三實施例至第六實施例中的熱電模組將電壓輸出到負載的方式可參考第二實施例的說明，故於此不再贅述。
圖7所繪示為本發明第七實施例的熱電模組的示意圖。
請同時參照圖1與圖7，第七實施例與第一實施例的差異如下。在第七實施例中，熱電模組可包括至少一個PN接面元件700。一個PN接面元件700包括多個下電極110。下電極110彼此分離且分別覆蓋N型熱電構件104的部分下表面或P型熱電構件106的部份下表面，而在下電極110之間具有開口109。此外，在同一個PN接面元件700中，一個下電極110僅會覆蓋N型熱電構件104與P型熱電構件106中的一者的部份下表面。換言之，在同一個PN接面元件700中，一個下電極110不會同時覆蓋N型熱電構件104與P型熱電構件106。在此實施例中，熱電模組是以包括一個PN接面元件700為例來進行說明，亦即可採用一個PN接面元件700作為熱電模組的最小單元，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，熱電模組亦可包括多個PN接面元件700。此外，第七實施例與第一實施例中相同的構件以相同的標號表示並省略其說明。
相似於圖1的第一實施例的情況，PN接面元件700可藉由開口107在上電極108覆蓋的區域與未覆蓋的區域之間的產生橫向溫度梯度，進而在靠近上電極108的PN接面結構102中產生橫向電壓梯度。同理，PN接面元件700可藉由開口109在下電極110覆蓋的區域與未覆蓋的區域之間的產生橫向溫度梯度，進而在靠近下電極110的PN接面結構102中產生另一橫向電壓梯度。因此，熱電模組700可由上電極108與下電極110各輸出一組電壓。
圖8所繪示為本發明第八實施例的熱電模組的示意圖。請同時參照圖7與圖8，第八實施例與第七實施例差異如下。在本實施例中熱電模組800包括多個分離設置的PN接面元件700。PN接面結構102的數量為多個且分離設置，且在一個PN接面結構102中的N型熱電構件104的上表面以及P型熱電構件106的下表面分別藉由上電極108與下電極110連接至一側的P型熱電構件106的上表面以及N型熱電構件104的下表面。此外，在同一個PN接面結構102中的N型熱電構件104的下表面以及P型熱電構件106的上表面分別藉由下電極110與上電極108連接至另一側的P型熱電構件106的下表面以及N型熱電構件104的上表面。此外，第八實施例與第七實施例中相同的構件以相同的標號表示並省略其說明。
在熱電模組800中，PN接面元件700藉由上述方式進行連接，可在PN接面結構102靠近上電極108的上部與靠近下電極110的下部各產生一個橫向電流，且PN接面結構102上部的橫向電流藉由上電極108進行傳遞與輸出，而PN接面結構102下部的橫向電流藉由下電極110進行傳遞與輸出。因此，在將兩末端的上電極108連接至負載L2時，可輸出一組電壓。在將兩末端的下電極110連接至負載L3時，可輸出另一組電壓。此外，第七實施例的熱電模組將電壓輸出到負載的方式可參考第八實施例的說明，故於此不再贅述。
另一方面，在上述第一實施例至第八實施例中，是以藉由熱電模組利用溫差來進行發電為例來進行說明，但本發明並不以此為限。所屬技術領域具有通常知識者亦可對上述實施例中的熱電模組輸入電流用來做致冷或散熱之用途。
綜上所述，上述實施例所提出的熱電模組至少具有以下特點。藉由N型熱電構件與P型熱電構件相向的側面相接的設計，以及上電極彼此分離且分別覆蓋N型熱電構件的部分上表面或P型熱電構件的部分上表面的設置方式，可產生垂直於冷端與熱端的溫差方向的橫向溫度梯度，亦即可在PN接面結構中形成二維溫度梯度，因此可具有引導載子流的效果，使得在固定溫差下可得到更大的輸出電壓，以提升模組效率。
雖然本發明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，在不脫離本發明的精神和範圍內，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、700‧‧‧PN接面元件
200、300、400、500、600、800‧‧‧熱電模組
102‧‧‧PN接面結構
104‧‧‧N型熱電構件
106‧‧‧P型熱電構件
107、109‧‧‧開口
108‧‧‧上電極
110‧‧‧下電極
L1、L2、L3‧‧‧負載
HT‧‧‧管狀熱源
圖1為依據本發明第一實施例的熱電模組的示意圖。 圖2為依據本發明第二實施例的熱電模組的示意圖。 圖3為依據本發明第三實施例的熱電模組的示意圖。 圖4為依據本發明第四實施例的熱電模組的示意圖。 圖5為依據本發明第五實施例的熱電模組的示意圖。 圖6為依據本發明第六實施例的熱電模組的示意圖。 圖7為依據本發明第七實施例的熱電模組的示意圖。 圖8為依據本發明第八實施例的熱電模組的示意圖。
100‧‧‧PN接面元件
102‧‧‧PN接面結構
104‧‧‧N型熱電構件
106‧‧‧P型熱電構件
107‧‧‧開口
108‧‧‧上電極
110‧‧‧下電極

Claims (19)

  1. 一種熱電模組，包括至少一PN接面元件，其中所述PN接面元件包括：PN接面結構，包括：一N型熱電構件；以及一P型熱電構件，其中所述N型熱電構件與所述P型熱電構件相向的側面相接；多個上電極，彼此分離且分別覆蓋所述N型熱電構件的部分上表面且暴露出所述N型熱電構件的另一部分的上表面，或覆蓋所述P型熱電構件的部分上表面且暴露出所述P型熱電構件的另一部分的上表面；以及至少一下電極，覆蓋所述N型熱電構件的下表面與所述P型熱電構件的下表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中所述N型熱電構件與所述P型熱電構件包括半導體材料，其電荷載子濃度介於1018cm-3至1021cm-3之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中所述N型熱電構件的材料包括BiTe系熱電材料、PbTe系熱電材料或SiGe系熱電材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中所述P型熱電構件的材料包括BiTe系熱電材料、PbTe系熱電材料或SiGe系熱電材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中所述上電極與所述下電極材料分別包括金屬或金屬複合的導電材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，所述N型熱電構件與所述P型熱電構件的形狀分別包括條狀、弧狀或環狀。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，所述N型熱電構件與所述P型熱電構件組成條狀、弧狀或環狀。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，所述N型熱電構件與P型熱電構件包括弧狀或環狀，或者所述N型熱電構件與所述P型熱電構件組成弧狀或環狀時，所述PN接面元件應用於管狀熱源。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，所述上電極與所述下電極的形狀分別包括條狀、弧狀或環狀。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中在一個PN接面元件中的所述至少一下電極的數量為一個，且完全覆蓋或部分覆蓋所述N型熱電構件的下表面與所述P型熱電構件的下表面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之熱電模組，其中所述至少一PN接面結構的數量為多個且分離設置，且在相鄰兩個所述PN接面結構中，相互分離的所述N型熱電構件的上表面與所述P型熱電構件的上表面藉由所述上電極連接，相鄰的所述下電極互相不接觸。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之熱電模組，所述N型 熱電構件與所述P型熱電構件的形狀分別包括條狀、弧狀或環狀。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之熱電模組，所述N型熱電構件與所述P型熱電構件組成條狀、弧狀或環狀。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中在一個PN接面元件中的所述至少一下電極的數量為多個，且所述下電極彼此分離且分別覆蓋所述N型熱電構件的部分下表面或所述P型熱電構件的部分下表面。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之熱電模組，其中在同一個PN接面元件中，所述下電極之間具有暴露出所述N型熱電構件的部分下表面與所述P型熱電構件的部分下表面的開口。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之熱電模組，其中所述至少一PN接面結構的數量為多個且分離設置，且在一個PN接面結構中的所述N型熱電構件的上表面以及所述P型熱電構件的下表面分別藉由所述上電極與所述下電極連接至一側的所述P型熱電構件的上表面以及所述N型熱電構件的下表面。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之PN接面元件，其中在一個PN接面結構中的所述N型熱電構件的下表面以及所述P型熱電構件的上表面分別藉由所述下電極與所述上電極連接至另一側的所述P型熱電構件的下表面以及所述N型熱電構件的上表面。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，所述上電極與所述至少一PN接面結構的連接方式包括藉由焊料或直接壓合進行連接。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，所述下電極與所述至少一PN接面結構的連接方式包括藉由焊料或直接壓合進行連接。
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