專利名稱：具有一體熱交換器的熱電模塊和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳熱裝置，特別是涉及一種熱電傳熱裝置。
當(dāng)由電池或其他DC電源來向熱電模塊提供合適的電壓時，模塊的一側(cè)變冷，而模塊的另一側(cè)變熱。模塊的“冷”、“熱”側(cè)依賴于流過裝置的電流；如果使模塊的電壓極性反向由此引起電流反向，則模塊“冷”側(cè)會變成“熱”側(cè)，反之亦然。通常通過將熱電模塊放置在熱源和散熱片如流體板、平板或?qū)α魃崞g而使用熱電模塊。熱電模塊的“冷”側(cè)上會吸收熱源的熱量并將熱量傳遞給其“熱”側(cè)和散熱片。
普通熱電模塊由一排通常由碲化鉍(Bismuth Telluride)構(gòu)成并可以P型和N型提供的稱為“小片(dice)”的熱電元件構(gòu)成。P型和N型材料是在相同溫度可具有不同自由電子密度的鉍和碲的合金。P型小片由電子缺失的材料組成，而N型小片由電子過剩的材料組成。多數(shù)模塊具有相同數(shù)量的P型和N型小片，公用一個電連接的每種類型的一個模稱為“電偶(couple)”。當(dāng)電流流過該電偶時，試圖在材料內(nèi)形成新的平衡。電流的方向會決定特定側(cè)的溫度是否要下降或升高。
一排P型和N型熱電元件電連接成串聯(lián)電偶鏈，使交替元件類型通過電接線相連。當(dāng)如此連接時，電接線構(gòu)成了裝置的冷熱側(cè)，當(dāng)向電偶鏈供電則使交替接線分別變熱和變冷。
為了構(gòu)成緊密和形狀上凹凸不平的模塊，小片通常被夾在形成機械剛度和電絕緣的兩陶瓷片之間。通過通常為金屬墊片的導(dǎo)電材料將P型和N型小片進行串聯(lián)電連接，該導(dǎo)電材料電鍍在或附著在陶瓷片上。為了保證機械強度通常將小片焊接在墊片上。


圖1A和1B分別示出了一種這樣的熱電模塊的橫截面視圖和俯視圖。在圖1A中，模塊100夾在翼片狀對流型散熱片102和熱源104之間。在圖1B中，去除了散熱片102和上基片106而露出使熱電元件互連的金屬墊片。。
圖1A中示出了三個這樣的元件110、112和114。如上所述，元件連接成電偶，使得P型小片與N型小片相互交替。例如，熱電元件110和112通過電墊片116相互電連接。同樣，元件112和114通過墊片120連接。墊片118和122將元件110和114連接于其他元件(圖中未示出)。
圖1B是露出了電連接的俯視圖。如圖所述，墊片116、120、122、124、126、128、130和132串聯(lián)8個熱電元件。還通過電墊片(圖中未示出)將元件134與另一元件或電源連接。在包括H.J.Goldsmid的“CRC熱電學(xué)和熱電制冷手冊”在內(nèi)的幾份文獻中公開了該普通結(jié)構(gòu)。
盡管這些裝置工作良好，但是效率受到普通結(jié)構(gòu)的限制。用來制造基片106和108的最常用類型材料是96％的氧化鋁。該材料的導(dǎo)熱性差，例如大約為35瓦/m℃。由于從熱源104向散熱片102傳遞的熱量必須通過兩基片108和106，而這兩基片導(dǎo)熱性都很差，因此降低了裝置的效率。
因此，需要一種具有高熱效率的熱電裝置。
在一個實施例中，導(dǎo)電接線穿過導(dǎo)管，該導(dǎo)管輸送要受到加熱或冷卻的材料。在導(dǎo)管中，導(dǎo)電材料可以形成有效的傳熱形狀如葉片，其延伸穿過非導(dǎo)電導(dǎo)管。
在另一實施例中，構(gòu)成電接線的導(dǎo)體的幾何形狀形成了管，要受到加熱或冷卻的材料穿過該管。
使用本發(fā)明模塊不需要分離的熱交換裝置如散熱片、流體板等，因此減小了熱交換器的尺寸以及通過取消裝置之間的連接裝置提高了效率。
此外本發(fā)明可以高效地將廢熱轉(zhuǎn)換成可使用的電能。在將熱電裝置裝入設(shè)備中的如機動車排氣管和散熱器的應(yīng)用中，可以有效利用該設(shè)計的小尺寸和高效率?？梢钥紤]許多其它用途，包括蒸汽管、處理管路、通風(fēng)系統(tǒng)等。
在又一實施例中，在導(dǎo)電表面設(shè)置熱傳導(dǎo)性很高的保護層，以便在電解或電離流體流過接線的應(yīng)用中防止裝置受到腐蝕或短路。
圖2A是本發(fā)明第一實施例的主視圖，其中熱電模塊的導(dǎo)電接線穿過導(dǎo)管，該導(dǎo)管輸送要受到加熱或冷卻的材料；圖2B是圖2A所示實施例的側(cè)視圖，示出了穿過導(dǎo)管的接線；圖2C是圖2A所示實施例的俯視圖，示出了穿過導(dǎo)管的接線。
圖3是采用圖2A-2C中所示幾個組件的系統(tǒng)的立體圖4是本發(fā)明另一實施例的立體圖，其中導(dǎo)電接線的形式為傳送要受到加熱和冷卻的材料的導(dǎo)管的壁。
由導(dǎo)電體連接這些電元件以形成串聯(lián)連接，P型和N型的熱電元件交替串聯(lián)，以便形成熱電鏈。例如，元件206和208由在導(dǎo)管205內(nèi)延伸的導(dǎo)電體210連接，元件222和220由導(dǎo)電體221連接，元件230和232由導(dǎo)電體231連接。
以類似的方式，通過在導(dǎo)管外部的導(dǎo)電體214、216和218連接元件208和220，通過導(dǎo)電體224、226和228連接元件222和230。導(dǎo)體234、236、238和240形成與導(dǎo)體242、244、248和250同樣的連接。以類似于普通熱電模塊方式的電連接將熱電元件連接成一排。通過導(dǎo)體247和203將熱電元件的串聯(lián)鏈與電源相連，使得電流沿箭頭209方向流動，以便以普通方式向熱電模塊供電。
設(shè)置垂直導(dǎo)體214、218、224、228等以形成導(dǎo)管205外部的散熱片“翼片”，在其上面第二流體可以沿箭頭方向260在導(dǎo)管外部流動。散熱器翼片將熱量傳給第二流體。
根據(jù)本發(fā)明原理，連接熱電元件熱側(cè)或冷側(cè)的導(dǎo)電體直接穿過導(dǎo)管205，并直接與要受到加熱或冷卻的材料進行熱接觸。例如，導(dǎo)體210和221穿過導(dǎo)管205并由此直接接觸導(dǎo)管205中的材料。導(dǎo)體由一種同時為良好導(dǎo)電體和熱導(dǎo)體的材料如銅、氧化鋁或其他金屬制成。因此，導(dǎo)管205中材料的熱量會通過導(dǎo)體直接傳給熱電元件而不是通過基片。
以類似方式使熱電元件與構(gòu)成散熱片翼片的導(dǎo)體214、218、224和228進行直接的熱接觸。由此不采用在現(xiàn)有技術(shù)熱電模塊中使用的氧化鋁基片，其結(jié)果是增強了傳熱并提高了熱效率。
為了進一步提高熱效率，盡管所示的導(dǎo)體210、221等為導(dǎo)管205中的薄板，但是一個或多個導(dǎo)體210、221等可以形成有效的傳熱形狀如翼片或葉片，以便進一步提高傳熱效率。
在另一種變形中，可以在導(dǎo)體210、221等上應(yīng)用保護層207，同時將導(dǎo)體210、221放置在導(dǎo)管205內(nèi)，以防止發(fā)生導(dǎo)體和導(dǎo)管中材料之間的化學(xué)相互作用。圖2A示出了導(dǎo)體210一側(cè)上的該覆蓋層。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解如果使用這樣的覆蓋層材料，該覆蓋層會蓋住導(dǎo)體在導(dǎo)管205中的所有暴露表面。還可以將類似材料應(yīng)用于導(dǎo)管205外部的導(dǎo)體上。這在導(dǎo)體穿過電解或電離流體的應(yīng)用中，對于防止裝置的腐蝕或短路是特別重要的。保護覆蓋層應(yīng)該由導(dǎo)熱材料制成或應(yīng)該很薄，以便不阻礙熱量在導(dǎo)體和材料之間傳遞。
圖3中示出了利用多層熱電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的立體圖。熱電組件300具有供空氣或一些其他流體沿垂直方向流過的導(dǎo)管。上下電熱系統(tǒng)302、304各自與圖2A-2C中所示的裝置相同，并且各自具有流過交替P型和N型熱電元件的電流。例如，系統(tǒng)302的熱電元件是兩分離層的部分，其間形成導(dǎo)管303，流體通過導(dǎo)管303流過導(dǎo)體310、321等。由于電流沿第一方向流動，導(dǎo)管303中的材料暴露于每個熱電元件的冷側(cè)，并且在其到達組件300后側(cè)的時間，其溫度下降。熱電系統(tǒng)304以與系統(tǒng)302相同的方式工作，這里就不詳細說明了。
如圖3所示，位于熱電元件遠離導(dǎo)管303的側(cè)面的系統(tǒng)302導(dǎo)電部分延伸到垂直流道312和314內(nèi)。同樣地，位于熱電元件遠離導(dǎo)管305的側(cè)面的系統(tǒng)304導(dǎo)電部分延伸到垂直流道314和316內(nèi)。每個表面中嵌入熱電元件，或者將熱電元件附著在每個表面上，以便使每個導(dǎo)管與相鄰導(dǎo)管分離，由此防止流動材料的混合。由于延伸到導(dǎo)管312、314和316內(nèi)的導(dǎo)電體各自附著在其相應(yīng)熱電元件的熱側(cè)上，因此流過熱電組件導(dǎo)管312、314和316的空氣在此由導(dǎo)電部分加熱。同樣地，流過導(dǎo)管303和305的流體在此由導(dǎo)體冷卻，導(dǎo)體各自與熱電元件的冷側(cè)熱接觸。
圖3的實施例提供了一種可以向一種流體或多種流體供熱或使其冷卻的系統(tǒng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會知到，通過提供以與流過導(dǎo)管312、314和316流體顯著不同的溫度流過導(dǎo)管303和305的流體，可使該系統(tǒng)用作發(fā)電機。這樣的流體流動會在每個系統(tǒng)的熱電元件上產(chǎn)生熱梯度，導(dǎo)致形成沿一個方向的DC電流，該方向依賴于較熱和較冷流體流過其導(dǎo)管的方向。還可以知道，如系統(tǒng)302和系統(tǒng)304的任何數(shù)量的熱電系統(tǒng)可以組裝在一個如圖3所示的組件中，而用像導(dǎo)管312、314和316這樣的交錯導(dǎo)管分隔這些系統(tǒng)。這些系統(tǒng)還可以設(shè)置成使得電流從一個系統(tǒng)流向下一個系統(tǒng)，形成一單個電路。此外，組件的緊湊形狀使其得以以多個不同容量使用。例如圖3所示的組件，可以應(yīng)用該組件通過使熱廢氣沿一個方向流過導(dǎo)管并使冷的新鮮空氣沿垂直方向流過而在機動車中提供電能。實際上該系統(tǒng)還有許多其他類似的應(yīng)用。
圖4示出了本發(fā)明另一實施例的立體圖。在該實施例中，傳遞受冷和受熱材料的導(dǎo)管由作為熱電模塊組成部分的導(dǎo)體構(gòu)成。特別是，圖4所示的實施例和上述實施例之間的區(qū)別是，在其他實施例中，構(gòu)成熱電模塊一側(cè)電接線的導(dǎo)電體穿過材料輸送導(dǎo)管，而在圖4中，由導(dǎo)管壁構(gòu)成電連接本身。特別是，圖4中示出了由分段402和404構(gòu)成的導(dǎo)電導(dǎo)管400的部分。這些導(dǎo)管分段由電絕緣耦接頭406分隔。以一種使導(dǎo)管壁本身構(gòu)成成對元件之間電連接的方式，將熱電元件附著在導(dǎo)管的任何側(cè)面或所有側(cè)面。例如，導(dǎo)管402的壁電連接元件412、414和元件410、418。這些元件還通過外部電連接件如連接件424、426、428和430連接在一起。以此方式，構(gòu)成熱電模塊冷側(cè)或熱側(cè)的電連接構(gòu)成了導(dǎo)管分段本身。當(dāng)導(dǎo)體424和428或其他(圖中未示出)導(dǎo)體與合適的電能源相連時，電流沿箭頭434、436、438和440方向流動，以便引起導(dǎo)管壁變熱或變冷(取決于電流方向)。材料沿箭頭432所示方向移過導(dǎo)管并通過直接熱接觸導(dǎo)管壁而受到冷卻或加熱。
如上述實施例所述，保護層442可以貼在內(nèi)導(dǎo)管壁上，以防止發(fā)生導(dǎo)體和導(dǎo)管中材料之間的化學(xué)相互作用。圖中只示出了該覆蓋層442的一小部分?？梢酝ㄟ^鈍化或其他合適的覆蓋技術(shù)形成保護層。
盡管已經(jīng)公開了本發(fā)明的實施例。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯然可以進行各種變化和改進，這些變化和改進具有本發(fā)明的一些優(yōu)點而不背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，對于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見，盡管對具有特殊形狀和橫截面的導(dǎo)管進行了說明，但是可以以與所述方式相同的方式使用其他設(shè)計。本發(fā)明還包括了其他方面如熱電元件之間的特定連接和元件的結(jié)構(gòu)以及其它對發(fā)明原理的改進。
權(quán)利要求
1.一種以熱方式改變材料的熱電模塊，所述模塊包括至少一個P型熱電元件；至少一個N型熱電元件；以及在所述P型熱電元件和所述N型熱電元件之間的電連接，所述電連接直接熱接觸所述材料，其中所述P型熱電元件和所述N型熱電元件與所述電連接鄰接。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所述材料在導(dǎo)管中輸送，所述電連接穿過所述導(dǎo)管。
3.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所述材料在具有壁的導(dǎo)管中輸送，所述電連接構(gòu)成至少一部分所述導(dǎo)管壁。
4.如權(quán)利要求3所述的熱電模塊，其中所述電連接構(gòu)成整個導(dǎo)管壁。
5.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所述材料是一種熱源。
6.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所述材料是散熱片。
7.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所述電連接由保護層覆蓋，以防止所述電連接和所述材料之間的化學(xué)相互作用。
8.一種用于加熱和冷卻材料的熱電模塊，所述模塊包括多個P型熱電元件；多個N型熱電元件；多個電連接，這些電連接交替串聯(lián)所述P型和所述N型元件，其中，一些所述電連接構(gòu)成熱側(cè)組，一些所述電連接構(gòu)成冷側(cè)組；以及一供材料通過的導(dǎo)管，用所述熱側(cè)電連接組和所述冷側(cè)電連接組之一使所述導(dǎo)管形成與所述材料的直接熱接觸。
9.如權(quán)利要求8所述的熱電模塊，其中所述被選擇的電連接組中的每個電連接部分穿過所述導(dǎo)管。
10.如權(quán)利要求9所述的熱電模塊，其中所述被選擇電連接組中的每個電連接在導(dǎo)管內(nèi)的部分由保護層覆蓋，以防止所述部分和所述材料之間的化學(xué)相互作用。
11.如權(quán)利要求8所述的熱電模塊，其中所述導(dǎo)管具有壁，在所述被選擇電連接組中的電連接構(gòu)成至少一部分所述導(dǎo)管壁。
12.如權(quán)利要求11所述的熱電模塊，其中在所述被選擇電連接組中的電連接構(gòu)成所述整個導(dǎo)管壁。
13.如權(quán)利要求8所述的熱電模塊，其中所述電連接由金屬構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求8所述的熱電模塊，其中所述導(dǎo)管由具有外側(cè)并由電絕緣接頭分隔的金屬管段構(gòu)成，其中P型和N型熱電元件設(shè)置在管段的外側(cè)，使得管段作為P型和N型元件之間的一組電連接。
15.如權(quán)利要求14所述的熱電模塊，其中所述導(dǎo)管的內(nèi)側(cè)覆蓋有保護層，以防止所述部分和所述材料之間的化學(xué)相互作用。
16.一種用熱電模塊以熱方式改變材料的方法，所述模塊具有至少一個P型熱電元件、至少一個N型熱電元件以及所述P型熱電元件和所述N型熱電元件之間的電連接，所述方法包括使所述電連接與所述材料形成直接熱接觸。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述材料在導(dǎo)管中輸送，所述方法包括使所述電連接穿過所述導(dǎo)管。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述材料在具有壁的導(dǎo)管中輸送，所述方法包括使用所述導(dǎo)管壁的至少一部分以形成所述電連接。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述電連接由所述整個導(dǎo)管壁構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括步驟用保護層覆蓋所述電連接，以防止所述電連接和所述材料之間的化學(xué)相互作用。
全文摘要
熱電模塊任何側(cè)或雙側(cè)的電接線直接與熱源或散熱片或需要以熱方式(即受到加熱或冷卻)改變的材料熱接觸，由此取消了通常在這樣的模塊中使用的普通基片和其相關(guān)的熱電阻。在一個實施例中，導(dǎo)電接線穿過導(dǎo)管，該導(dǎo)管輸送要受到加熱或冷卻的材料。在導(dǎo)管中，導(dǎo)電材料可以形成有效傳熱的形狀如葉片，其延伸穿過非導(dǎo)電導(dǎo)管壁。在另一實施例中，構(gòu)成電接線的導(dǎo)體的幾何形狀為管狀，要受到加熱或冷卻的材料穿過該管。在導(dǎo)電表面設(shè)置熱傳導(dǎo)性很高的保護層，以便在接線穿過電解或電離流體的應(yīng)用中防止裝置受到腐蝕或短路。
文檔編號H01L35/32GK1454396SQ01815213
公開日2003年11月5日 申請日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月8日
發(fā)明者山村秋良, 羅伯特·W·奧蒂 申請人:磁性流體技術(shù)(美國)集團公司