專利名稱：分裂式熱電結構以及采用該結構的設備和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型熱電技術，所述新型熱電技術基于分裂式熱電結構。
背景技術：
用于制冷或發電的熱電系統具有廣泛的發展和應用。現有常規的熱電模塊的結構 不可避免地局限了在所述模塊的熱量吸收側和熱量消散側之間傳輸的熱通量的量值。熱電效應所基于的物理原理是分別自1821年和1834年已公知的塞貝克 (Seebeck)效應和帕爾貼(Peltier)效應。塞貝克效應涉及一電流，在由兩種不同的金屬或 導體構成的閉合電路中，只要兩種材料之間的連接部保持在給定的溫度梯度，該電流就在 所述閉合電路中連續地流動。相反，帕爾貼效應說明，當電流流經由不同的金屬或導體構成 的電路時，將穿越兩種金屬或導體的連接部產生熱流以及由此的溫度梯度。盡管這些現象已由威廉湯姆遜(William Thomson，即開爾文，LordKelvin)在19 世紀50年代進行了詳細地解釋，但是直到20世紀中期，該理論才得以實際應用。任何金屬都能呈現塞貝克效應和/或帕爾貼效應，這兩個效應都是基于金屬的電 傳導率ke和熱傳導率kt。然而，只有當塞貝克系數和電傳導率都很大而熱傳導率很小時， 才能測得明顯的熱電效應。該熱電效應主要由涵蓋一定溫度范圍的材料的所謂“品質因 數” Z表示，由此Z = α 2ke/kt 等式(1)其中，α是熱電塞貝克系數；kt是熱傳導率；ke是電傳導率。然而，對于金屬來說，電傳導率與熱傳導率相關，即，好的導電體也是好的導熱體。 這大概是熱電效應直至如今才應用于實際技術系統的主要原因。在過去的幾十年里，熱電半導體材料的使用已經成為在高科技領域中大量應用的 基礎，比如電子、航天、醫療、能量輸送以及其它科學運作。基礎熱電技術實際上體現在熱電模塊上，熱電模塊包括數量變化的熱電偶(通常 為上百個)，由此每個熱電偶單元基本上由P型和η型半導體元件組成。通常，這些元件電 串聯，并且熱并聯。
圖1示意性示出現有技術中的熱電模塊10的一部分，所述熱電模塊10 夾在與熱源12熱接觸的中間基片12'以及與散熱器14熱接觸的中間基片14'之間。模 塊10由P型和N型半導體元件對1 和1 通過金屬導體接合片18電串聯組成。由連接 部22和M示意性地示出至DC電源的正極和負極的外部電連接。所述半導體元件熱并聯。 為了使該結構穩定，在陶瓷板20之間擠壓半導體元件1 和1 的頂部和底部。在圖中，箭 頭指示熱量流動的方向。值得注意的是，標準模塊的高度在2至4mm之間。這樣設置的意義將隨著進一步 說明而變得更加清楚，因為這不僅會涉及熱電模塊兩側的熱量吸收和熱量消散機構之間的緊密的鄰近(close vicinity)，還涉及其它關鍵運算參數。顯然，由圖1可以看出，熱電結構的幾何結構、材料的物理特性、以及電阻和熱阻 都是決定熱電模塊的總體性能的因素。這些參數與模塊功率的關系能夠從文獻中獲知，并且可以表示為 r—a2NA*(Th-Tc)權利要求
1.一種分裂式熱電結構(STES)，包括第一熱電元件和第二熱電元件，所述第一和第 二熱電元件位于距離彼此一定距離處，其中所述第一熱電元件處于高的溫度，并且所述第 二熱電元件處于低的(冷)溫度，并且其中所述第一熱電元件和所述第二熱電元件由中間 連接部或熱電鏈路連接，所述中間連接部既傳導電流又傳導熱量，所述熱電鏈路由一個或 多個熱電元件組成，其中所述鏈路中的每對所述熱電元件由既傳導電流又傳導熱量的中間 連接部連接，其中，所述STES中的每個所述熱電元件以及每個所述中間連接部呈現溫度梯 度。
2.根據權利要求1所述的STES，其特征在于，所述熱電元件分別由以下類型材料中的 一種制成金屬、P型半導體材料、η型半導體材料或i型半導體材料。
3.根據權利要求1所述的STES，其特征在于，所述熱電元件中的至少一些是由不同的 材料制成。
4.根據權利要求1所述的STES，其特征在于，所述熱電元件中的至少一些具有不同的 尺寸。
5.根據權利要求1所述的STES，其特征在于，所述STES為塞貝克設備，其中，所述第一 和第二元件之間的連接部維持在不同溫度，以沿著連接所述第一和第二元件的所述連接部 產生電流。
6.根據權利要求1所述的STES，其特征在于，所述STES為帕爾貼設備，其中電流被促 使流經連接所述第一和第二元件的所述連接部，由此冷卻所述第一元件并加熱所述第二元 件。
7.一種利用一個或多個根據權利要求5所述的STES的系統，其中，熱源來自余熱。
8.根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述余熱由機動車產生。
9.一種利用一個或多個根據權利要求5所述的STES的系統，其中，熱源為太陽。
10.一種利用一個或多個根據權利要求5所述的STES的系統，其中，所述第二元件由行 駛的機動車的制冷系統所冷卻。
11.一種熱電設備，包括多對根據權利要求1所述的STES，其中，每對中的一個STES由 P型半導體元件組成，并且所述對中的另一個STES由η型半導體元件組成，其中，所述設備 中的每個STES的所述第一熱電元件附接至第一支撐層，并且所述設備中的每個STES的所 述第二熱電元件附接至第二支撐層，其中所述第一和所述第二支撐層在其表面包括金屬導 體接合片，所述金屬導體接合片將所述設備中的所有STES以串聯方式電連接。
12.一種利用根據權利要求11所述的熱電設備的系統，其中所述第一支撐層熱連接至 熱源，并且所述第二支撐層熱連接至散熱器。
13.根據權利要求12所述的系統，所述系統為塞貝克設備，其中所述第一支撐層和第 二支撐層維持在不同溫度，以沿著連接所述第一支撐層和第二支撐層的STES產生電流。
14.根據權利要求12所述的系統，所述系統為帕爾貼設備，其中電流被促使流經連接 所述第一支撐層和第二支撐層的STES，由此冷卻所述第一支撐層并加熱所述第二支撐層。
15.根據權利要求12所述的系統，其特征在于，所述熱源或散熱器或兩者都距離其各 自的支撐層一定距離定位。
全文摘要
本發明公開了一種分裂式熱電結構(STES)以及采用該結構的設備和系統。所述STES包括處于高溫的第一熱電元件和處于低(冷)溫的第二熱電元件。第一熱電元件和第二熱電元件由中間連接部或者熱電鏈路連接，所述中間連接部既導電又導熱，所述熱電鏈路由一個或多個熱電元件組成。所述鏈路中的每對熱電元件由既導電又導熱的中間連接部連接。STES中的每個熱電元件和每個中間連接部呈現溫度梯度。STES能夠用于塞貝克或帕爾貼設備。STES能夠用于構造由多個n型和p型STES對組成的設備，其中設備中的每個STES每端都連接至支撐層。其中支撐層中的一個熱連接至熱源，并且第二支撐層熱連接至散熱器以形成熱電系統。熱源或散熱器或其二者位于距離其各自的支撐層一定距離處。
文檔編號H01L35/32GK102106010SQ200980126318
公開日2011年6月22日 申請日期2009年7月2日 優先權日2008年7月6日
發明者諾姆·達南伯格 申請人:拉莫斯有限公司