專利名稱：可模塊化的熱電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電裝置，其包括與熱源和冷源接觸的熱電腿。每個(gè)腿包括傳導(dǎo)元件。不同熱電性質(zhì)的傳導(dǎo)元件彼此連接以形成熱電偶。
背景技術(shù)：
圖I示出了熱電偶模塊的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)熱電偶I由一對(duì)腿2a和2b形成，腿2a和2b由不同性質(zhì)的傳導(dǎo)材料制作且由內(nèi)部金屬連接件3經(jīng)它們的端部之一彼此連接。腿2a通常由P型材料制造，并且腿2b通常由N型材料制造，典型地為P型和N型硅。這樣的一對(duì)也可稱為熱電對(duì)。
該模塊通常包括多個(gè)熱電偶1，由連接金屬連接件4a串聯(lián)電連接。末端金屬連接件4b、4c位于串聯(lián)熱電偶I的端部以提供模塊的電連接。形成熱電腿2a和2b的傳導(dǎo)材料或元件是不同熱電性質(zhì)的。不同熱電性質(zhì)材料的意思是能夠形成熱電偶的不同化學(xué)成分的材料或者由具有不同摻雜類型的相同材料制成的材料。熱電模塊可用在塞貝克效應(yīng)或珀?duì)柼?yīng)的模式中。模塊包括溫度為Th的熱端儲(chǔ)存器5和溫度為Tf的冷端儲(chǔ)存器6。儲(chǔ)存器5和6分別設(shè)置在熱電偶I兩側(cè)的連接件3處和連接件4a處。在塞貝克模式中，模塊由熱端5和冷端6之間的溫度梯度產(chǎn)生電能。該模式也稱為發(fā)電機(jī)模式。在珀?duì)柼Ｊ街?，在模塊的末端上施加電流能在熱端5和冷端6之間產(chǎn)生溫度梯度。該模式也稱為冷卻模式。熱電模塊的效率實(shí)際上取決于所用的材料、其幾何形狀以及使用的環(huán)境。因此，傳統(tǒng)的模塊可優(yōu)化為用于冷卻模式或優(yōu)化為用于發(fā)電機(jī)模式，但從不能同時(shí)優(yōu)化為用于二者。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供簡(jiǎn)單緊湊的熱電裝置，其能根據(jù)需要既在塞貝克模式下又能在珀?duì)柼Ｊ较乱宰罴逊绞竭\(yùn)行。這些目的可通過以下方案實(shí)現(xiàn)，一種熱電裝置，包括第一和第二腿，該第一和第二腿均具有與第一表面接觸的第一端和與第二表面接觸的第二端。第一和第二腿分別包括連續(xù)延伸在第一和第二表面之間的第一和第二傳導(dǎo)元件。第一和第二腿分別包括連續(xù)延伸在第一和第二表面之間的第三和第四傳導(dǎo)元件。第三傳導(dǎo)元件相鄰于第一傳導(dǎo)元件且通過絕緣體與第一傳導(dǎo)元件隔開。第四傳導(dǎo)元件相鄰于第二傳導(dǎo)元件且通過絕緣體與第二傳導(dǎo)元件隔開。該裝置還包括選擇部件，其能使第一熱電偶由第一和第二傳導(dǎo)元件形成，并且使第二熱電偶由第三和第四傳導(dǎo)元件形成。


通過下面對(duì)本發(fā)明特定實(shí)施例的描述，本發(fā)明其它的優(yōu)點(diǎn)和特征將更加清楚易懂，本發(fā)明的特定實(shí)施例僅為非限定示例的目的且表示在附圖中，其中圖I示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電模塊；圖2示出了塞貝克模式中由熱電裝置產(chǎn)生的電功率與腿截面的曲線圖；圖3示出了珀?duì)柼Ｊ街杏蔁犭娧b置產(chǎn)生的熱能與腿截面的曲線圖；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一般熱電裝置；
圖5和6示出了根據(jù)本發(fā)明裝置的第一實(shí)施例的腿；圖7示出了包括兩個(gè)圖6的腿的熱電裝置，兩個(gè)腿由電連接元件連接；圖8和9示出了圖7中裝置的電連接元件的可替代實(shí)施例；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二實(shí)施例；圖11和12是圖10中裝置的電連接元件的截面圖；圖13至21示出了制造圖10的裝置的方法的步驟；圖22是圖11的連接元件在一制造步驟中的截面圖；圖23是圖22的步驟的可替代實(shí)施例的截面圖；以及圖24和25是圖12的連接元件在制造步驟中的截面圖。
具體實(shí)施例方式可通過將其幾何形狀適應(yīng)于使用條件以及所希望的運(yùn)行模式來優(yōu)化熱電裝置。通過熱電學(xué)和熱力學(xué)的一般方程獲得的模型可用于確定最佳的幾何形狀。下面根據(jù)圖I的模塊描述一研究實(shí)例。其重點(diǎn)在于裝置在塞貝克模式下的優(yōu)化不同于在珀?duì)柼Ｊ较碌膬?yōu)化。表I同時(shí)列出了這次模擬中所用的熱電裝置的電學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)。為了定義裝置的環(huán)境，熱交換器設(shè)置在裝置和冷端儲(chǔ)存器6之間。熱交換器的特性也在表I中示出。第一類參數(shù)(溫度)是熱端5的溫度Th和冷端6的溫度Tf，單位為開爾文(Kelvin)。第二類參數(shù)定義了材料的固有特性，諸如形成腿的導(dǎo)電材料的塞貝克系數(shù)S、熱導(dǎo)率、以及電阻率P，以及基質(zhì)(即，腿之間的電絕緣材料)的熱導(dǎo)率XMT。第三類表征了裝置的幾何形狀，即腿的數(shù)量n (熱電偶的數(shù)量等于N=n/2)、腿的高度L、在本實(shí)例中由邊尺寸為b的方形定義的腿的截面積Anp (Anp=b2)、在相鄰兩個(gè)腿之間的距離d以及其上分布有腿的可用面積Ate。表I
權(quán)利要求
1.一種熱電裝置，包括第一腿和第二腿(2a、2b),該第一腿和第二腿(2a、2b)具有與第一表面(5)接觸的第一端以及與第二表面(6)接觸的第二端，該第一腿和第二腿分別包括連續(xù)延伸在該第一表面和第二表面之間的第一傳導(dǎo)元件和第二傳導(dǎo)元件(8a、8b)， 其特征在于，該第一腿和第二腿(2a、2b)分別包括連續(xù)延伸在該第一表面和第二表面之間的第三傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8c、8d)，該第三傳導(dǎo)元件(Sc)相鄰于該第一傳導(dǎo)元件(8a)且通過絕緣體(9)與該第一傳導(dǎo)元件隔開，并且該第四傳導(dǎo)元件(8d)相鄰于該第二傳導(dǎo)元件(Sb)且通過絕緣體(10)與該第二傳導(dǎo)元件隔開， 并且，該熱電裝置包括選擇部件，該選擇部件能使該第一傳導(dǎo)元件和第二傳導(dǎo)元件(8a、8b)形成第一熱電偶且使該第三傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8c、8d)形成第二熱電偶。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，該第一傳導(dǎo)元件和第三傳導(dǎo)元件(8a、8c)由熱電性質(zhì)相同的材料形成，并且該第二傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8b、8d)由熱電性質(zhì)相同的材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該選擇部件包括在該第一腿和第二腿(2a、2b)的外表面上的可移動(dòng)連接兀件(3),該第一腿(2a)的該外表面暴露該第一傳導(dǎo)兀件和第三傳導(dǎo)元件(8a、8c)，并且該第二腿(2b)的該外表面暴露該第二傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8b、8d)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該第一傳導(dǎo)元件和第三傳導(dǎo)元件(8a、8c)為同心圓柱體，并且該第二傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8b、8d)為同心圓柱體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該可移動(dòng)連接元件(3)包括由可變形且導(dǎo)電的材料制造的中央部分(3d)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該可移動(dòng)連接元件(3)包括與該第一腿(2a)接觸的第一部分(3a)以及與該第二腿(2b)接觸的第二部分(3b)，該第一部分和第二部分彼此可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，該第一傳導(dǎo)元件和第二傳導(dǎo)元件(8a、8b)具有第一截面積(Anpl)，并且該第三傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8c、8d)具有與該第一截面積(Anpl)不同的第二截面積(Anp2X
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，該選擇部件包括 連接該第一傳導(dǎo)兀件和第二傳導(dǎo)兀件(8a、8b)的第一金屬層(13a), 與該第一金屬層電絕緣的且連接該第三傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8c、8d)的第二金屬層(13b )，以及 切換部件(14、T1、T2)，用以將該第一金屬層和第二金屬層中的一個(gè)或另一個(gè)連接在電路(V+、V-)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，該第一傳導(dǎo)元件和第二傳導(dǎo)元件(8a、8b)的該第一截面積(Anpl)的尺寸設(shè)為適合于珀?duì)柼腿惪藘煞N效應(yīng)的其一者，并且該第三傳導(dǎo)元件和第四傳導(dǎo)元件(8c、8d)的該第二截面積(Anp2)的尺寸設(shè)為適合于該兩種效應(yīng)的另一者。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，該第一傳導(dǎo)元件(8a)包括設(shè)置在該第三傳導(dǎo)元件(Sc)兩側(cè)上的兩個(gè)部分，并且該第二傳導(dǎo)元件(Sb)包括設(shè)置在該第四傳導(dǎo)元件(8d)兩側(cè)上的兩個(gè)部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱電裝置，其包括連續(xù)延伸在第一和第二熱源(5、6)之間的第一和第二接觸件(2a、2b)。第一和第二接觸件分別包括第一和第二傳導(dǎo)元件(8a、8b)以及第三和第四傳導(dǎo)元件(8c、8d)。第一和第三傳導(dǎo)元件(8a、8c)相鄰且由絕緣體(9)隔開。第二和第四傳導(dǎo)元件(8b、8d)相鄰且由絕緣體(10)隔開。該裝置還包括選擇部件，其能使第一熱電偶由第一和第二傳導(dǎo)元件(8a、8b)形成且使第二熱電偶由第三和第四傳導(dǎo)元件(8c、8d)形成。
文檔編號(hào)H01L35/32GK102971879SQ201180033152
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者G.薩維利, P.科羅內(nèi)爾, M.普利森尼爾 申請(qǐng)人:原子能和代替能源委員會(huì)