本發(fā)明涉及一種熱電轉換裝置，且特別是涉及一種具有串接結構的熱電轉換裝置。

背景技術：

由于能源短缺問題，再生能源技術的發(fā)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，此熱電轉換效應是通過熱電材料內(nèi)部載流子移動讓熱能與電能達到能量轉換的功效。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(huán)境親和性的優(yōu)點，可應用于溫差發(fā)電、廢熱回收、電子元件冷卻及空調(diào)系統(tǒng)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并投入大量研發(fā)能量，除了材料的開發(fā)，也積極進行熱電技術應用。

熱電模塊(thermoelectric module)是熱電轉換技術的應用產(chǎn)品之一。具體地說，熱電模塊為一種具有熱與電兩種能量互相轉換特性的元件。就結構而言，以導電金屬層為橋梁，將P型熱電材料與N型熱電材料作電性串聯(lián)，在將電連接的導電金屬層以及P型熱電材料與N型熱電材料設置于電絕緣的上下基板以構成目前的熱電模塊。熱電模塊的運作原理簡述如下。對熱電模塊通入直流電時，熱電模塊兩端產(chǎn)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，若熱電模塊上下兩基板處于不同溫度時，熱電模塊即產(chǎn)生直流電，溫差越大的時候，產(chǎn)生的電功率越高，此為塞貝克效應(Seebeck effect)。

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

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明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，其中每一個熱電轉換單元包括至少一個第一電極、至 少一個第二電極、P型熱電材料以及N型熱電材料。第一電極內(nèi)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型熱電材料位于第一電極以及第二電極之間，且第二電極位于P型熱電材料以及N型熱電材料之間。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附的附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的熱電轉換裝置的示意結構圖；

圖2為圖1的熱電轉換裝置的第一電極的沿著剖線AA’的剖視圖；

圖3為圖1的熱電轉換裝置的簡易示意圖；

圖4為本發(fā)明另一實施例的熱電轉換裝置的示意結構圖；

圖5為本發(fā)明另一實施例的熱電轉換裝置的示意結構圖；

圖6為本發(fā)明另一實施例的熱電轉換裝置的示意結構圖。

符號說明

10a、10b、10c、10d：熱電轉換裝置

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(nèi)表面

112：第一流體通道

116、126：區(qū)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(nèi)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(tǒng)

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

具體實施方式

圖1為本發(fā)明一實施例的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的熱電轉換裝置的第一電極的沿著剖線AA’的剖視圖。每一熱電轉換單元100包括至少一個第一電極110、至少一個第二電極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繪示的熱電轉換單元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也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(nèi)表面110b。第一電極110的外表面110a包括兩個彼此相對的區(qū)域116，其中每一個區(qū)域116上配置有P型熱電材料130或是N型熱電材料140。區(qū)域116可為平面或非平面，圖中以平面的區(qū)域116為例，可利于將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(nèi)表面120b。第二電極120的外表面120a包括兩個彼此相對的區(qū)域126，其中每一個區(qū)域126上配置有P型熱電材料130或是N型熱電材料140。區(qū)域126可為平面或非平面，圖中以平面的區(qū)域126為例，通過區(qū)域 126的設置，可利于將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(nèi)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(nèi)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(nèi)表面110b以及第二電極120的內(nèi)表面120b分別因配置有凹槽結構118以及凹槽結構128，可提高位于第一流體通道112以及第二流體通道122內(nèi)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(fā)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的損耗。

請同時參考圖1以及圖2，每一熱電轉換單元100還包括多個分流塞170。在本實施例中，第一電極110內(nèi)的第一流體通道112配置有一個分流塞170。通過分流塞的設置，可以強制使通過第一流體通道112內(nèi)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，本發(fā)明不以此為限。此外，第一電極100的內(nèi)表面110b也可以具有電絕緣層180；由此，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(nèi)的流體例如是具有導電性的流體時，可避免發(fā)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，故本發(fā)明不再贅述。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也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，但本發(fā)明不以此為限。

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，本發(fā)明不以此為限。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、合金或金屬基復合材料等具有高熱傳導系數(shù)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位于第一電極110以及第二電極120之間，且第二電極120位于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、碲或上述的組合的化合物。N型熱電材料140的材料可以是含鉍、碲、硒或上述的組合的化合物。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，本發(fā)明不以此為限。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，本發(fā)明不以此為限。

另外，如圖1所示，熱電轉換裝置10a還可以包括導線190以及電力系統(tǒng)200，其中熱電轉換單元100是通過導線190電連接電力系統(tǒng)200，而完成一個完整的電路回路。電力系統(tǒng)200例如是電力提供裝置或電力儲存裝置，本發(fā)明不限于此。在本實施例中，電力系統(tǒng)200例如是直流電提供裝置。

圖3為圖1的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(lián)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位于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位于第一電極110以及第二電極120之間，第二電極120位于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位于第一電極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)等構件之間彼此電連接所組成的串聯(lián)結構，可有效減低熱應力累積與集中的問題。除此之外，本發(fā)明的熱電轉換裝置10a中的熱電材料具有較寬松的尺寸需求，有效降低制造成本。

請參照圖1以及圖3，當熱電轉換裝置10a作為發(fā)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(tǒng)200提供一直流電給熱電轉換單元100，通過P型熱電材料130中帶有正電荷的空穴往 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的第一流體通道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的第二流體通道122的輸入流體C被致冷至具有第二溫度的第二流體B，其中第一溫度高于第二溫度。據(jù)此，本實施例熱電轉換裝置10a通過珀爾帖效應(Peltier effect)，達到熱泵(heat pump)的功能。

另一方面，根據(jù)另一實施例，熱電轉換裝置10a也可作為發(fā)電裝置，說明如下。電力系統(tǒng)200可以作為電力儲存裝置。首先，通過對第一電極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，其中第一溫度高于第二溫度，使第一電極110與第二電極120之間具有溫差狀態(tài)時，因此P型熱電材料130中帶有正電荷的空穴往鄰近的第二電極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(chǎn)生一電流。上述因塞貝克效應(Seebeck effect)所產(chǎn)生的電流可通過導線190的設置，使路徑上的電力系統(tǒng)200進行發(fā)電。

承上所述，由于本實施例的第一電極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的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并傳遞至P型熱電材料130以及N型熱電材料140。換言之，由于流體的熱能不需要經(jīng)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，由于第一電極110以及第二電極120是以串接排列方式設置，所產(chǎn)生的電流的傳遞方向是直線傳遞，因此電能的耗損也可以降低。

圖4為本發(fā)明另一實施例的熱電轉換裝置的示意結構圖。圖4的實施例的熱電轉換裝置10b與上述圖1的熱電轉換裝置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，且不再重復說明。圖4的實施例與圖1的實施例主要差異處在于，熱電轉換裝置10b還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優(yōu)選為選用電絕緣材料，以避免直流電短路的發(fā)生。

如圖4所示，本實施例通過電力系統(tǒng)200經(jīng)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，可通過絕緣流管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(nèi)，與第一電極110的內(nèi)表面110b進行熱交換后形成第一流體A。接著，第一流體A被收集與匯總至絕緣流管150-3后，再經(jīng)由絕緣流管150-3被排出于熱電轉換裝置10b外。相似地，當輸入流體C被提供至絕緣流管150-2，并通過絕緣流管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(nèi)，與第二電極120的內(nèi)表面120b進行熱交換后形成第二流體B。再通過絕緣流管150-4的設置收集與匯總第二流體B至一處后，再將第二流體B導出于熱電轉換裝置10b外。據(jù)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(tǒng)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，通過流體間的溫差產(chǎn)生電流(即：Seebeck effect)，使熱電轉換裝置10b具發(fā)電功能。

圖5為本發(fā)明另一實施例的熱電轉換裝置的示意結構圖。圖5的實施例的熱電轉換裝置10c與上述圖4的熱電轉換裝置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，且不再重復說明。圖5的實施例與圖4的實施例主要差異處在于，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。然而，本發(fā)明不以此為限；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，類似于繪示于圖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中位于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中位于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之間是以并聯(lián)型式連接，且兩個第二電極120之間亦是以并聯(lián)型式連接。依據(jù)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(jīng)歷兩次或兩次以上的熱交換(即：加熱或致冷過程)后，再排出于熱電轉換裝置10c外，因此可提升熱電轉換裝置10c的熱泵功能的效果。類似于熱電轉換裝置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，通過流體間的溫差產(chǎn)生電流，熱電轉換裝置10c也具有發(fā)電功能。

圖6為本發(fā)明另一實施例的熱電轉換裝置的示意結構圖。圖6的實施例的熱電轉換裝置10d與上述圖5的熱電轉換裝置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，且不再重復說明。圖6的實施例與圖5的實施例主要差異處在于，熱電轉換裝置10d還包括外殼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，且通過將接口162-1～162-4全部配置于外殼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的流體出入口都位于同一平面，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也可以分別設置于外殼160的不同表面上，本發(fā)明不以此為限。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(tǒng)(未繪示)可選擇配置于外殼160內(nèi)或配置于外殼160外，本發(fā)明不以此為限。

〈熱泵功能的測試〉

首先，在圖1的熱電轉換裝置10a上裝置測溫熱電偶后，通過由電力系統(tǒng)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

由上述表1可知，不論是于空氣中或通水狀態(tài)下，本發(fā)明的熱電轉換裝置10a確實具備熱電元件所具有的熱泵功能。

〈發(fā)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(nèi)，經(jīng)由電壓檢測裝置測量到的開路電壓(V_oc)約為32mV。據(jù)此，本發(fā)明的熱電轉換裝置10a確實具備熱電元件所具有的發(fā)電功能。

綜上所述，本發(fā)明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)等構件之間彼此電連接所組成的串聯(lián)結構，可有效減低熱應力累積與集中的問題，且具有較寬松的尺寸需求，有效降低制造成本。

在本發(fā)明的熱電轉換裝置中，熱電材料與金屬電極的接合處所產(chǎn)生的熱電轉換效應可不需通過絕緣基板熱傳導進行應用，因此可不受限于絕緣基板本身的熱阻降低了實際可應用的性能。此外，也不需在絕緣基板的外側進行熱交換，可減少熱電模塊的熱電轉換效率再次受到損耗。

此外，由于本實施例的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的流體的熱能可以直接傳遞至第一電極以及第二電極，并傳遞至P型熱電材料以及N型熱電材料。換言之，由于流體的熱能不需要經(jīng)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。

雖然結合以上實施例公開了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護范圍應當以附上的權利要求所界定的為準。