熱電模塊和熱電交換裝置的製作方法

2023-05-13 06:42:06

本發明實施例涉及熱電技術，尤其涉及一種熱電模塊和熱電交換裝置。

背景技術：

熱電模塊作為可直接實現電能與熱能相互轉換的一類電子器件，其體積小、重量輕、無噪音、高可靠性等優點使得熱電模塊的應用範圍越來越廣。

圖1為一種常見熱電模塊的結構示意圖。如圖1所示，熱電模塊可包括上基板101、下基板102、和位於上基板101和下基板102間的熱電結構，該熱電結構可以包括至少一組熱電元件103。至少一組熱電元件103中每組熱電元件可包括一個P型熱電元件和一個N型熱電元件。該至少一組熱電元件103中各熱電元件與上基板101的電極和下基板102的電極連接，各組熱電元件中P型熱電元件和N型熱電元件交替連接。熱電模塊在運行過程的熱能，即上基板101和下基板102存在溫度差，因此上基板101和下基板102具有由於熱應力產生的線性熱膨脹。熱電模塊在高溫環境中運行，則運行過程中各熱電元件中還存在殘餘熱應力，即該各熱電元件還具有溫度分布，因此，熱電元件在該殘餘熱應力的作用下還存在線性熱膨脹。基板和熱電元件的不同線性膨脹係數，使得基板與熱電元件的線性熱膨脹不同，從而使得熱電模塊整體產生變形。熱電模塊的整體變形使得熱電元件產生機械扭力，並且位於上基板101和下基板102間距離中心最遠的熱電元件受到的機械扭力最大。

現有技術中，熱電模塊時常出現基板邊緣的熱電元件變形嚴重，易產生裂痕的問題，從而影響整個熱電模塊的使用壽命。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種熱電模塊和熱電交換裝置，以提高熱電模塊的使用壽命。

第一方面，本發明實施例提供一種熱電模塊，包括：上基板、下基板、 熱電結構以及至少兩個支撐柱；所述熱電結構包括至少一組熱電元件，每組熱電元件包括一個P型熱電元件和一個N型熱電元件；

其中，所述上基板與所述下基板平行設置，所述至少兩個支撐柱支撐在所述上基板和所述下基板之間的邊緣位置，各組熱電元件的P型熱電元件和N型熱電元件通過所述上基板的電極以及所述下基板的電極交替連接，所述支撐柱的材料為韌性材料。

根據第一方面，在第一種可能實現的方式中，所述至少兩個支撐柱分別設置在所述上基板和所述下基板之間的距離所述熱電結構的中心最遠的位置。

根據第一方面的第一種可能實現的方式，在第二種可能實現的方式中，所述支撐柱為兩個，所述兩個支撐柱分別設置在所述上基板和所述下基板之間的對角頂點位置。

根據第一方面的第一種可能實現的方式，在第三種可能實現的方式中，所述支撐柱為四個，所述四個支撐柱分別設置在所述上基板和所述下基板之間的邊緣頂點位置。

根據第一方面至第一方面的第三種可能實現的方式中任意一種，在第四種可能實現的方式中，所述支撐柱沿垂直於柱體軸向方向的橫截面的面積小於所述熱電結構中熱電元件沿所述方向的橫截面的面積。

根據第一方面至第一方面的第四種可能實現的方式中任意一種，在第五種可能實現的方式中，所述支撐柱的材料為可伐合金或氧化鋁。

根據第一方面至第一方面的第五種可能實現的方式中任意一種，在第六種可能實現的方式中，所述支撐柱的兩端分別與所述上基板和所述下基板焊接。

根據第一方面至第一方面的第六種可能實現的方式中任意一種，在第七種可能實現的方式中，所述上基板和所述下基板相背的表面上還設有金屬層。

根據第一方面至第一方面的第七種可能實現的方式中任意一種，在第八種可能實現的方式中，所述熱電元件的材料為碲化鉍、碲化銻、矽鍺或碲鉛。

第二方面，本發明實施例還提供一種熱電轉換裝置，包括：電源模塊和熱電模塊；

所述電源模塊與所述熱電模塊連接，以為所述熱電模塊提供電能；所述 熱電模塊為上述任一所述的熱電模塊。

第三方面，本發明實施例還提供一種熱電轉換裝置，包括：熱源模塊和熱電模塊；

所述熱源模塊與所述熱電模塊連接，以為所述熱電模塊提供熱能；所述熱電模塊為上述任一所述的熱電模塊。

本發明實施例提供的熱電模塊和熱電交換裝置，熱電模塊可包括上基板、下基板、熱電結構、至少兩個支撐柱，且該至少兩個支撐柱支撐在上基板和下基板之間的邊緣位置，且，該支撐柱的材料為韌性材料，因此支撐柱則可通過變形將熱電模塊運行過程中熱電結構的熱能進行消耗，可減小熱電結構的熱應力，減小支撐柱所在位置的機械扭力的大小，從而減小支撐柱由於其所在位置的機修扭力帶來的裂痕，提高熱電模塊的使用壽命。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為一種常見熱電模塊的結構示意圖；

圖2為本發明實施例一提供的一種熱電模塊的結構示意圖；

圖3為本發明實施例二提供的一種熱電模塊的截面示意圖；

圖4為本發明實施例二提供的另一種熱電模塊的結構示意圖；

圖5為本發明實施例二提供的又一種熱電模塊的結構示意圖；

圖6為本發明實施例三提供的熱電模塊的結構示意圖；

圖7為本發明實施例三提供的熱電模塊的截面示意圖；

圖8為本發明實施例三提供的各支撐柱對應的溫度梯度圖；

圖9為本發明實施例四提供的一種熱電轉換裝置的結構示意圖；

圖10為本發明實施例五提供的一種熱電轉換裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明各實施例提供的熱電模塊，可應用於製冷、加熱、發電與溫度傳感等各領域中，因此該熱電模塊可以設置於製冷設備、加熱器、發電機或者溫度傳感設備中。

圖2為本發明實施例一提供的一種熱電模塊的結構示意圖。如圖2所示，熱電模塊包括：上基板201、下基板202、熱電結構203、至少兩個支撐柱204。其中，支撐柱204的材料為韌性材料。

其中，上基板201和下基板202可以為絕緣基板，上基板201和下基板202的材料例如可以為陶瓷。熱電結構203可包括熱電元件。熱電元件可稱為熱電素子。熱電元件可為熱電半導體。該韌性材料例如可以為韌性金屬材料。

上基板201與下基板202平行設置。至少兩個支撐柱204支撐在上基板201和下基板202之間的邊緣位置。熱電結構203包括至少一組熱電元件，每組熱電元件包括一個P型熱電元件和一個N型熱電元件；各組熱電元件的P型熱電元件和N型熱電元件通過上基板201的電極以及下基板202的電極交替連接。

其中，電極例如可以為金屬電極。

可選的，上基板201的電極和/或下基板202的電極還可連接電源使得上基板201的電極和下基板202的電極間產生電勢，即具有電壓差。上基板201電極和下基板202的電極間產生電勢，可使得與各電極連接的熱電元件模塊中形成電流迴路，由於珀爾貼效應，使得上基板201的電極和下基板202的電極中一個電極吸熱，另一個電極放熱，實現電能與熱能的轉換，進行製冷或加熱。其中，一個電極可以是通過該一個電極所在的基板吸熱，另一個電極可以是通過該另一個電極所在的基板放熱。因此，該上基板201和下基板202中一個基板可以為冷基板，另一個基板可以為熱基板。具體是上基板201還是下基板202作為熱基板，可以是由熱電結構中的電流方向，若電流方向 發生變化，則原冷基板可以為熱基板，原熱基板也可變為冷基板。

可替代地，上基板201的電極和下基板202的電極可輸出電壓，以將熱能轉化得到的電能輸出。上基板201的電極與下基板202的電極存在溫度差，即其中，一個電極的溫度與另一個電極的溫度不同。該一個電極溫度可以是該一個電極所在基板吸熱或放熱後的溫度。上基板201的電極與下基板202的電極間的溫度差，使得與電極連接的熱電模塊中形成電流迴路，由於賽貝克效應，使得上基板201的電極和下基板202的電極間產生電壓差，即電勢，實現熱能到電能的轉換，進行發電。熱電模塊進行發電可稱為溫差發電或者熱能發電。

熱電結構203可以為半導體結構，如熱電結構203的熱電元件為熱電半導體，因此熱電模塊進行製冷可稱為半導體製冷，熱電模塊進行加熱可稱為半導體加熱，熱電模塊進行發電還可稱為半導體發電。各組熱電元件的P型熱電元件和N型熱電元件通過上基板201的電極以及下基板202的電極交替連接，指的是：相鄰兩個熱電元件不同，該相鄰兩個熱電元件可包括一個P型熱元件和一個N型熱電元件。其中，各組熱帶元件中相鄰熱電元件的間距可以相同。

該至少兩個支撐柱204支撐在上基板201和下基板202之間的邊緣位置，支撐柱的材料為韌性材料，支撐柱則可通過變形將熱電模塊在運行過程中熱電結構的熱能進行消耗，因此可減小熱電結構203的熱應力，減小熱電結構203的熱膨脹，減小支撐柱所在位置的機械扭力的大小，從而減小支撐柱由於其所在位置的機械扭力帶來的裂痕。其中，該熱電結構203的熱能可以為熱電模塊運行過程中外部環境溫度，使得熱電結構203存在殘餘熱應力所帶來的熱能。

本發明實施例一提供的熱電模塊，包括上基板、下基板、熱電結構、至少兩個支撐柱，且該至少兩個支撐柱支撐在上基板和下基板之間的邊緣位置，且，該支撐柱的材料為韌性材料，因此支撐柱則可通過變形將熱電模塊運行過程中熱電結構的熱能進行消耗，可減小熱電結構的熱應力，減小支撐柱所在位置的機械扭力的大小，從而減小支撐柱由於其所在位置的機修扭力帶來的裂痕，提高熱電模塊的使用壽命。

可選的，該至少兩個支撐柱204分別設置在上基板201和下基板202之 間的距離熱電結構203的中心最遠的位置。

圖3為本發明實施例二提供的一種熱電模塊的截面示意圖。如圖3所示，支撐柱204可以為兩個，兩個支撐柱204分別設置在上基板201和下基板202之間的對角頂點位置。

圖4為本發明實施例二提供的另一種熱電模塊的截面示意圖。如圖4所示，支撐柱204可以為四個，四個支撐柱204分別設置在上基板201和下基板202之間的邊緣頂點位置。

可選的，支撐柱204沿垂直於柱體軸向方向的橫截面的面積可以等於熱電結構203中熱電元件沿該方向的橫截面的面積。

可選的，支撐柱204沿垂直於柱體軸向方向的橫截面的面積，小於，熱電結構203中熱電元件沿該方向的橫截面的面積。

若支撐柱204沿垂直於柱體軸向方向的橫截面的面積小於熱電模塊203中熱電元件沿該方向的橫截面的面積，可以減小由於支撐柱與上基板201和下基板202間的單向熱傳輸的方向相反的熱通量，保證熱電模塊的性能，即保證熱電模塊的上基板201和下基板202的溫度差。

同時，支撐柱204沿垂直於柱體軸向方向的橫截面的面積較小，可使得支撐柱204的機械剛度更小，其變形更大，因而通過變形消耗的熱能更多，使得熱電結構203的殘餘熱應力更小，減小殘餘熱應力帶來的熱電模塊的損壞，更好地保證熱電模塊的使用壽命。

可選的，支撐柱204的材料為可伐合金(KOVAR)或氧化鋁(Alumina oxide)。該氧化鋁可表示為三氧化二鋁(Al2O3)。

可選的，支撐柱204的兩端分別與上基板201和下基板202焊接。

可選的，本發明實施例二還提供又一種熱電模塊。圖5為本發明實施例二提供的又一種熱電模塊的結構示意圖。如圖5所示，可選的，該圖5的熱電模塊在上述實施例一或實施例二所述的熱電模塊的基礎上，上基板201和下基板202相背的表面還設有金屬層501。

其中，該金屬層501可以為銅鎳金鍍層。上基板201的電極和下基板202的電極也可以為銅鎳金鍍層。

上基板201的金屬層可便於上基板201其他元件焊接連接，下基板202的金屬層501可便於下基板202其他元件焊接連接。

可選的，熱電元件的材料為碲化鉍(Bismuth Telluride)、碲化銻(antimony Telluride)、矽鍺(SiGr)或碲鉛(PbTe)。碲化鉍可表示為Bi2Te3。碲化銻可表示為Sb2Te3。

本發明實施例二提供的多種熱電模塊，通過將支撐柱的橫截面的面積減小，使得支撐柱的橫截面的面積小於熱電結構的熱電元件的橫截面的面積，減小支撐柱中的反向熱通量，避免熱基板的熱量傳遞到冷基板，保證熱電模塊的性能，並且減小支撐柱的橫截面的面積，可使得個支撐柱的機械剛度減小，變形更大，因而通過變形消耗的熱能更多，使得熱電結構中熱電元件的殘餘熱應力更小，減小殘餘熱應力帶來的熱電模塊的損壞，更好地保證熱電模塊的使用壽命。

需要說明的是，支撐柱和熱電元件可以為矩形柱體，也可以為圓柱體、圓柱體或其他形狀的柱體。雖然，本發明實施例一或實施例二中提供的各熱電模塊附圖中每個支撐柱和每個熱電元件的橫截面為矩形，然，該每個支撐柱和該每個熱電元件的橫截面還可以為其他形狀，如圓形、菱形等其他形狀，本發明實施例不以此作為限制。

本發明實施例三還提供一種熱電模塊。圖6為本發明實施例三提供的熱電模塊的結構示意圖。圖7為本發明實施例三提供的熱電模塊的截面示意圖。如圖6所示，熱電模塊可包括上基板601、下基板602、至少一組熱電元件603和至少兩個支撐柱604。其中，至少一組熱電元件603中每組熱電元件603包括一個P型熱電元件和一個N型熱電元件。至少兩個支撐柱604中每個支撐柱604的材料為韌性金屬，如可伐合金或鋁合金。上基板601和下基板602的材料例如可以為陶瓷。上基板601和下基板602相背的表面上還設有電極605；上基板601和下基板602相背的表面上還設有金屬層606。

上基板601與下基板602平行設置。至少兩個支撐柱604支撐在上基板601和下基板602之間的邊緣位置。

各組熱電元件的P型熱電元件和N型熱電元件通過上基板201的電極和下基板202的電極交替連接。

上基板601和下基板602的表面可以為矩形，支撐柱604為四個。該四個支撐柱604分別設置在上基板601和下基板602之間的邊緣定點位置。

支撐柱604沿垂直於柱體軸向方向的橫截面的面積可小於各熱電元件 603沿該方向的橫截面的面積。

支撐柱604可以為橫截面為矩形的柱體。舉例來說，該熱電元件603的橫截面為邊長是0.47毫米的正方形，因此，熱電元件603的橫截面的面積可以為0.22平方毫米。支撐柱604的橫截面為邊長是0.2毫米的正方形，因此，支撐柱604的橫截面的面積可以為0.04平方毫米。

當熱電元件603有電流時，該熱電模塊中上基板601和下基板602便產生溫差，即生成溫度梯度。該溫度梯度可表示為△T。

圖8為本發明實施例三提供的各支撐柱對應的溫度梯度圖。常見的熱電模塊，若包括42個碲化鉍材料的熱電元件，每個熱電元件的橫截面的面積為0.22平方毫米，則熱電模塊中兩個基板間的溫度可以為圖8默認的支撐柱所對應的溫度梯度如35.7度。可伐合金的導熱性為30W/mK，氧化鋁的導熱性為17W/mK。如圖8所示，若本發明實施例三中的熱電模塊的支撐柱為橫截面為0.47mm×0.47mm，材料為可伐合金的支撐柱，則熱電模塊的上基板和下基板的溫度梯度可以為如圖8所示的19度。如圖8所示，若本發明實施例三中的熱電模塊的支撐柱為橫截面為0.47mm×0.47mm，材料為氧化鋁的支撐柱，則熱電模塊的上基板601和下基板602的溫度梯度可以為如圖8所示的16度。

與現有的常見熱電模塊的溫度梯度相比，材料為可伐合金或氧化鋁，橫截面為0.47mm×0.47mm的支撐柱的熱電模塊的溫度梯度較小，為保證本發明實施三中的熱電模塊的溫度梯度，保證熱電模塊的適用性。可降低支撐柱的橫截面的面積。

如圖8所示，若本發明實施例三中的熱電模塊的支撐柱為橫截面為0.2mm×0.2mm，材料為可伐合金的支撐柱，則熱電模塊的上基板和下基板的溫度梯度可以為如圖8所示的28.5度。如圖8所示，若本發明實施例三中的熱電模塊的支撐柱為橫截面為0.2mm×0.2mm，材料為氧化鋁的支撐柱，則熱電模塊的上基板和下基板的溫度梯度可以為如圖8所示的26.7度。

常見的熱電模塊在高溫環境中運行過程的位移矢量和例如可以為1.346微米，則若本發明實施例三的熱電模塊中支撐柱的材料為可伐合金，則本發明實施例三的熱電模塊在高溫環境中運行過程中的唯一矢量和可以為1.311微米，位移矢量和取得微弱減小。該常見的熱電模塊在高溫環境中熱電元件 的最大馮米塞斯應力例如可以為34616gf/mm2，則若本發明實施例三的熱電模塊中支撐柱的材料為可伐合金，則本發明實施例三的熱電模塊在高溫環境中運行過程中熱電元件的的最大馮米塞斯應力可以為31433gf/mm2。因此可知，韌性材料的支撐柱可使得支撐柱通過變形消耗殘餘熱應力，從而使得本發明實施例三的熱電模塊中熱電元件的馮米塞斯應力得到有效降低。

本發明實施例三提供的熱電模塊，由於至少兩個支撐柱還分別設置在該上基板和下基板之間的邊緣定點位置，該支撐柱的材料為韌性材料，因此支撐柱則可通過變形將熱電模塊運行過程中各熱電元件的熱能進行消耗，可減小熱電元件的熱應力，減小支撐柱所在位置的機械扭力的大小，從而減小支撐柱由於支撐柱所在位置的機修扭力帶來的裂痕，提高熱電模塊的使用壽命。

本發明實施例四還提供一種熱電轉換裝置。圖9為本發明實施例四提供的一種熱電轉換裝置的結構示意圖。如圖9所示，該熱電轉換裝置900可包括電源模塊901和熱電模塊902。電源模塊901與熱電模塊902連接，以為熱電模塊902提供電能；熱電模塊902可以為本發明上述任一實施例中所述的熱電模塊。

該熱電轉換裝置900可以為熱電製冷器，熱電取暖器等熱能與電能的交換裝置。熱電模塊902中電極還具有電源輸入端，該電源輸入端可與電源模塊901連接，從而為熱電模塊提供電能，即為熱電模塊的熱電元件提供驅動電流。該熱電模塊902用於製冷和取暖的區別在於該熱電模塊902的熱電元件的電流方向不同。

本發明實施例四提供的熱電轉換裝置，包括上述任一實施例所述的熱電模塊，有益效果與上述實施例類似，在此不再贅述。

本發明實施例五還提供一種熱電轉換裝置。圖10為本發明實施例五提供的一種熱電轉換裝置的結構示意圖。如圖10所示，該熱電轉換裝置1000可包括熱源模塊1001和熱電模塊1002。熱源模塊1001與熱電模塊1002連接，以為熱電模塊1002提供電能；熱電模塊1002可以為本發明上述任一實施例中所述的熱電模塊。

該熱電轉換裝置1000可以為熱電發電機，則該熱電模塊1002可用於發電，熱電模塊1002中基板還具有熱源輸入端，該熱源輸入端可與熱源模塊1001連接，從而為熱電模塊的熱電元件連接的電極提供熱能。

本發明實施例五提供的熱電轉換裝置，包括上述任一實施例所述的熱電模塊，有益效果與上述實施例類似，在此不再贅述。

本領域普通技術人員可以理解：實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成。前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：ROM、RAM、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。