CN106784278B - 热电转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热电转换装置，包括至少一个热电转换单元，其中每一热电转换单元包括：至少一个第一电极、至少一个第二电极、P型热电材料以及N型热电材料。第一电极内具有第一流体通道，以使第一电极形成第一中空结构。第二电极具有第二流体通道，以使第二电极形成第二中空结构。P型热电材料位于第一电极以及第二电极之间，且第二电极位于P型热电材料以及N型热电材料之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电转换装置，且特别是涉及一种具有串接结构的热电转换装置。
背景技术
由于能源短缺问题，再生能源技术的发展成为了重要议题。热电转换技术为目前一种可直接将热能与电能进行转换的新兴再生能源技术，此热电转换效应是通过热电材料内部载流子移动让热能与电能达到能量转换的功效。其中，能量转换过程不需机械动件，因此具有体积小、无噪音、无振动及具环境亲和性的优点，可应用于温差发电、废热回收、电子元件冷却及空调系统等方面的应用潜力。近年来，热电转换技术受到各国相关研究单位高度重视并投入大量研发能量，除了材料的开发，也积极进行热电技术应用。
热电模块(thermoelectric module)是热电转换技术的应用产品之一。具体地说，热电模块为一种具有热与电两种能量互相转换特性的元件。就结构而言，以导电金属层为桥梁，将P型热电材料与N型热电材料作电性串联，在将电连接的导电金属层以及P型热电材料与N型热电材料设置于电绝缘的上下基板以构成目前的热电模块。热电模块的运作原理简述如下。对热电模块通入直流电时，热电模块两端产升温差，由冷端吸热将热能送到热端放出，达到热泵(heat pump)的功能，此为珀尔帖效应(Peltier effect)。另一方面，若热电模块上下两基板处于不同温度时，热电模块即产生直流电，温差越大的时候，产生的电功率越高，此为塞贝克效应(Seebeck effect)。
根据上述两种原理，如何使热电材料与金属电极的接合处所产生的热电转换效应可以有效传导进行应用，是非常重要的课题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种热电转换装置。热电转换装置包括至少一个热电转换单元，其中每一个热电转换单元包括至少一个第一电极、至少一个第二电极、P型热电材料以及N型热电材料。第一电极内具有第一流体通道，以使第一电极形成第一中空结构。第二电极具有第二流体通道，以使第二电极形成第二中空结构。P型热电材料位于第一电极以及第二电极之间，且第二电极位于P型热电材料以及N型热电材料之间。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的热电转换装置的示意结构图；
图2为图1的热电转换装置的第一电极的沿着剖线AA’的剖视图；
图3为图1的热电转换装置的简易示意图；
图4为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图；
图5为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图；
图6为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图。
符号说明
10a、10b、10c、10d：热电转换装置
100：热电转换单元
110：第一电极
110a：第一电极的外表面
110b：第一电极的内表面
112：第一流体通道
116、126：区域
118、128：凹槽结构
120：第二电极
120a：第二电极的外表面
120b：第二电极的内表面
122：第二流体通道
130：P型热电材料
140：N型热电材料
150-1、150-2、150-3、150-4：绝缘流管
160：外壳
162-1、162-2、162-3、162-4：接口
170：分流塞
180：绝缘层
190：导线
200：电力系统
A：第一流体
B：第二流体
C：输入流体
D1：第一方向
D2：第二方向
具体实施方式
图1为本发明一实施例的热电转换装置的示意结构图。请参照图1，热电转换装置10a包括至少一个热电转换单元100。图2为图1的热电转换装置的第一电极的沿着剖线AA’的剖视图。每一热电转换单元100包括至少一个第一电极110、至少一个第二电极120、P型热电材料130以及N型热电材料140。举例而言，在本实施例中，是以图1绘示的热电转换单元100的构件排列顺序(即：第一电极110、P型热电材料130、第二电极120以及N型热电材料140)作说明，但不以此为限制。在一实施例中，热电转换单元100所具有的构件排列顺序也可以例如是第一电极110、N型热电材料140、第二电极120以及P型热电材料130。
第一电极110具有第一流体通道112，以使第一电极110具有中空结构。第一电极110具有外表面110a以及内表面110b。第一电极110的外表面110a包括两个彼此相对的区域116，其中每一个区域116上配置有P型热电材料130或是N型热电材料140。区域116可为平面或非平面，图中以平面的区域116为例，可利于将P型热电材料130以及/或是N型热电材料140连结(例如焊接)至第一电极110以及第二电极120上。第二电极120具有第二流体通道122，以使第二电极120形成中空结构。第二电极120具有外表面120a以及内表面120b。第二电极120的外表面120a包括两个彼此相对的区域126，其中每一个区域126上配置有P型热电材料130或是N型热电材料140。区域126可为平面或非平面，图中以平面的区域126为例，通过区域126的设置，可利于将P型热电材料130以及/或是N型热电材料140连结(例如焊接)至第一电极110以及第二电极120上。
请参考图1，第一电极100的内表面110b具有凹槽结构118，使第一流体通道112具有非平坦的表面；第二电极120的内表面120b具有凹槽结构128，使第二流体通道122具有非平坦的表面。本实施例中的第一电极100的内表面110b以及第二电极120的内表面120b分别因配置有凹槽结构118以及凹槽结构128，可提高位于第一流体通道112以及第二流体通道122内的流体(例如：第一流体A、第二流体B或输入流体C)与第一电极100/第二电极120间的接触面积，增加可发生热交换的面积，进而有效减低热电转换装置的热电转换效率的损耗。
请同时参考图1以及图2，每一热电转换单元100还包括多个分流塞170。在本实施例中，第一电极110内的第一流体通道112配置有一个分流塞170。通过分流塞的设置，可以强制使通过第一流体通道112内的流体与第一电极110的凹槽结构116相接触，强化热交换的功能，如图2所示。分流塞170的材料可以是导体材料或非导体材料，本发明不以此为限。此外，第一电极100的内表面110b也可以具有电绝缘层180；由此，当通过第一电极100的第一流体通道112以及第二电极120的第二流体通道122内的流体例如是具有导电性的流体时，可避免发生短路(short circuit)。又，第二电极120可以与第一电极110具有相同或相似的结构，故本发明不再赘述。除此之外，在一实施例中，第一电极110的外表面110a以及第二电极120的外表面120a也可包含镍层或其他金属接合材料层(未绘示)，可提高第一电极110的外表面110a以及第二电极120的外表面120a与P型热电材料130以及N型热电材料140之间的接合强度，但本发明不以此为限。
此外，第一电极110以及第二电极120的形状可以是圆柱形、方柱形、长方柱形或是多边柱形等。以本实施例为例，第一电极110以及第二电极120的形状例如是具有中空结构的圆柱形，但不以此为限。在一实施例中，第一电极110沿着第一方向D1延伸，第二电极120沿着第二方向D2延伸，其中第一方向D1与第二方向D2之间具有呈0度至180度的夹角，本发明不以此为限。第一电极100以及第二电极120的材料可以是金属、合金或其组合，例如是铜、铝等金属、合金或金属基复合材料等具有高热传导系数特性的导体材料，且第一电极100以及第二电极120的材料可以是相同或不同。
请参考图1，P型热电材料130位于第一电极110以及第二电极120之间，且第二电极120位于P型热电材料130以及N型热电材料140之间。P型热电材料130的材料可以是含铋、锑、碲或上述的组合的化合物。N型热电材料140的材料可以是含铋、碲、硒或上述的组合的化合物。另外，P型热电材料130的可以是一个大面积的P型热电材料或是呈阵列方式排列的多个小面积P型热电材料所组成。P型热电材料130的形状例如是圆柱形、方柱形、长方柱型或多边柱形，本发明不以此为限。类似地，N型热电材料140的可以是一个大面积的N型热电材料或是呈阵列方式排列的多个小面积N型热电材料所组成。N型热电材料140的形状例如是圆柱形、方柱形、长方柱形或多边柱形，本发明不以此为限。
另外，如图1所示，热电转换装置10a还可以包括导线190以及电力系统200，其中热电转换单元100是通过导线190电连接电力系统200，而完成一个完整的电路回路。电力系统200例如是电力提供装置或电力储存装置，本发明不限于此。在本实施例中，电力系统200例如是直流电提供装置。
图3为图1的热电转换装置的简易示意图，其中图3中的箭头标示是用以表示电子的传递方向。请同时参照图1以及图3，热电转换装置10a包含两个或两个以上的热电转换单元100时，每一个热电转换单元100中的第一电极110是与另一个热电转换单元100中的N型热电材料140相连接。其中，两个相邻的热电转换单元110之间是以串联型式连接彼此。也就是说，在本实施例的热电转换装置10a中，第一电极110位于N型热电材料140以及P型热电材料130之间，P型热电材料130位于第一电极110以及第二电极120之间，第二电极120位于P型热电材料130以及N型热电材料140之间，以及N型热电材料140位于第一电极110以及第二电极120之间。换言之，本实施例的热电转换装置10a是依序由第一电极110、P型热电材料130、第二电极120、N型热电材料140、第一电极110、P型热电材料130…(依此类推)等构件之间彼此电连接所组成的串联结构，可有效减低热应力累积与集中的问题。除此之外，本发明的热电转换装置10a中的热电材料具有较宽松的尺寸需求，有效降低制造成本。
请参照图1以及图3，当热电转换装置10a作为发热装置时，其简单地运作如以下实施例说明。首先，通过导线190的设置，电力系统200提供一直流电给热电转换单元100，通过P型热电材料130中带有正电荷的空穴往邻近的第二电极120移动以及N型热电材料140中带有负电荷的电子往邻近的第一电极110移动，因此第一电极110因吸热而被加热，使得通过第一电极110的第一流体通道112的输入流体C被加热至具有第一温度的第一流体A，且第二电极120因被吸热而降温，使得通过第二电极120的第二流体通道122的输入流体C被致冷至具有第二温度的第二流体B，其中第一温度高于第二温度。据此，本实施例热电转换装置10a通过珀尔帖效应(Peltier effect)，达到热泵(heat pump)的功能。
另一方面，根据另一实施例，热电转换装置10a也可作为发电装置，说明如下。电力系统200可以作为电力储存装置。首先，通过对第一电极110的第一流体通道112输入具有第一温度的第一流体A，且对第二电极120的第二流体通道122输入具有第二温度的第二流体B，其中第一温度高于第二温度，使第一电极110与第二电极120之间具有温差状态时，因此P型热电材料130中带有正电荷的空穴往邻近的第二电极120移动以及N型热电材料140中带有负电荷的电子往邻近的第一电极110移动，以此类推，而产生一电流。上述因塞贝克效应(Seebeck effect)所产生的电流可通过导线190的设置，使路径上的电力系统200进行发电。
承上所述，由于本实施例的第一电极110具有第一流体通道112以使第一电极110具有中空结构，且第二电极120具有第二流体通道122以使第一电极120具有中空结构。因此通入第一流通道112以及第二流通道流体122的流体可以直接与第一电极110以及第二电极122接触，以使得流体的热能可以直接传递至第一电极110以及第二电极122并传递至P型热电材料130以及N型热电材料140。换言之，由于流体的热能不需要经过其他的吸热交换器，因此本实施例可以有效地将流体的热能转换成电能。此外，由于第一电极110以及第二电极120是以串接排列方式设置，所产生的电流的传递方向是直线传递，因此电能的耗损也可以降低。
图4为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图。图4的实施例的热电转换装置10b与上述图1的热电转换装置10a相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符号表示，且不再重复说明。图4的实施例与图1的实施例主要差异处在于，热电转换装置10b还包括至少四个绝缘流管150-1～150-4。上述四的绝缘流管150-1～150-4分别与第一电极110的第一流体通道112与第二电极120的第二流体通道122相连通。
具体来说，第一电极110的第一流体通道112的一端与绝缘流管150-1相连接，且第一电极110的第一流体通道112的另一端与绝缘流管150-3相连接。第二电极120的第二流体通道122的一端与绝缘流管150-2相连接，且第二电极120的第二流体通道122的另一端与绝缘流管150-4相连接。值得注意的是，绝缘流管150-1～150-4优选为选用电绝缘材料，以避免直流电短路的发生。
如图4所示，本实施例通过电力系统200经由导线190提供直流电给热电转换装置10b。因此当输入流体C被提供至绝缘流管150-1，可通过绝缘流管150-1的设置而分别流入热电转换装置10b中的各个第一电极110的第一流体通道112内，与第一电极110的内表面110b进行热交换后形成第一流体A。接着，第一流体A被收集与汇总至绝缘流管150-3后，再经由绝缘流管150-3被排出于热电转换装置10b外。相似地，当输入流体C被提供至绝缘流管150-2，并通过绝缘流管150-2的设置而分别流入热电转换装置10b中的各个第二电极120的第二流体通道122内，与第二电极120的内表面120b进行热交换后形成第二流体B。再通过绝缘流管150-4的设置收集与汇总第二流体B至一处后，再将第二流体B导出于热电转换装置10b外。据此，本实施例的热电转换装置10b具有热泵的功能。
此外，在一实施例中，电力系统200可不提供直流电给热电转换装置10b，取而代之的是，分别提供两个彼此之间具有温差的流体(例如：第一流体A以及第二流体B)给绝缘流管150-1以及绝缘流管150-2，通过流体间的温差产生电流(即：Seebeck effect)，使热电转换装置10b具发电功能。
图5为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图。图5的实施例的热电转换装置10c与上述图4的热电转换装置10b相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符号表示，且不再重复说明。图5的实施例与图4的实施例主要差异处在于，热电转换装置10c的热电转换单元100包括两个第一电极110以及两个第二电极120。然而，本发明不以此为限；其它实施例中，热电转换单元具有两个或两个以上的第一电极110以及两个或两个以上的第二电极120。
如图5所示，类似于绘示于图4的热电转换装置10b，在热电转换装置10c的热电转换单元100中，两个第一电极110的第一流体通道112中位于同侧的一端与绝缘流管150-1相连接且另一端与绝缘流管150-3相连接；且两个第二电极120的第二流体通道122中位于同侧的一端与绝缘流管150-2相连接且另一端与绝缘流管150-4相连接。换言之，热电转换装置10c的热电转换单元100中的两个第一电极110之间是以并联型式连接，且两个第二电极120之间亦是以并联型式连接。依据此架构，每个第一电极110的第一流体通道112与第二电极120的第二流体通道122中的流体可经历两次或两次以上的热交换(即：加热或致冷过程)后，再排出于热电转换装置10c外，因此可提升热电转换装置10c的热泵功能的效果。类似于热电转换装置10b，分别提供两个彼此之间具有温差的流体(例如：第一流体A以及第二流体B)给绝缘流管150-1以及绝缘流管150-2，通过流体间的温差产生电流，热电转换装置10c也具有发电功能。
图6为本发明另一实施例的热电转换装置的示意结构图。图6的实施例的热电转换装置10d与上述图5的热电转换装置10c相似，因此相同或相似的元件以相同的或相似的符号表示，且不再重复说明。图6的实施例与图5的实施例主要差异处在于，热电转换装置10d还包括外壳160。具体来说，热电转换装置10d的外壳160包覆热电转换单元100以及绝缘流管150-1～150-4，其中外壳160具有至少四个接口162-1～162-4分别连接绝缘流管150-1～150-4。外壳160的设置可对热电转换装置10d达到结构上的保护，且通过将接口162-1～162-4全部配置于外壳160的同一表面上，同时可使热电转换装置10d中绝缘流管150-1～150-4的流体出入口都位于同一平面，可使热电转换装置10d的外观更为简化。在其它实施例中，接口162-1～162-4也可以分别设置于外壳160的不同表面上，本发明不以此为限。外壳160材料例如是绝缘材料；举例来说，电绝缘材料、热绝缘材料或绝电绝热材料。此外，依照需求，热电转换装置10d的导线以及电力系统(未绘示)可选择配置于外壳160内或配置于外壳160外，本发明不以此为限。
〈热泵功能的测试〉
首先，在图1的热电转换装置10a上装置测温热电偶后，通过由电力系统200提供直流电进行热泵功能的测试。测试1以及测试2为在空气中进行量测，测试3为水中进行量测，测试条件以及量测的结果如下表1所示：
表1
由上述表1可知，不论是于空气中或通水状态下，本发明的热电转换装置10a确实具备热电元件所具有的热泵功能。
〈发电功能的测试〉
将图1的热电转换装置10a的导线190与电压检测装置连接。分别将具有温度约55℃的水与温度25℃的水导入第一电极110的第一流体通道112以及第二电极120的第二流体通道122内，经由电压检测装置测量到的开路电压(Voc)约为32mV。据此，本发明的热电转换装置10a确实具备热电元件所具有的发电功能。
综上所述，本发明的热电转换装置是由第一电极、P型热电材料、第二电极、N型热电材料、第一电极、P型热电材料…(依此类推)等构件之间彼此电连接所组成的串联结构，可有效减低热应力累积与集中的问题，且具有较宽松的尺寸需求，有效降低制造成本。
在本发明的热电转换装置中，热电材料与金属电极的接合处所产生的热电转换效应可不需通过绝缘基板热传导进行应用，因此可不受限于绝缘基板本身的热阻降低了实际可应用的性能。此外，也不需在绝缘基板的外侧进行热交换，可减少热电模块的热电转换效率再次受到损耗。
此外，由于本实施例的第一电极具有第一流体通道以使第一电极具有中空结构，且第二电极具有第二流体通道以使第一电极具有中空结构。因此通入第一流通道以及第二流通道流体的流体的热能可以直接传递至第一电极以及第二电极，并传递至P型热电材料以及N型热电材料。换言之，由于流体的热能不需要经过其他的吸热交换器，因此本实施例可以有效地将流体的热能转换成电能。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (12)
1.一种热电转换装置，包括至少一个热电转换单元，其中每一个热电转换单元包括：
至少一个第一电极，其中该第一电极内具有第一流体通道，以使该第一电极形成一中空结构；
至少一个第二电极，其中该第二电极内具有第二流体通道，以使该第二电极形成一中空结构；
P型热电材料，位于该第一电极以及该第二电极之间；以及
N型热电材料，其中该第二电极位于该P型热电材料以及该N型热电材料之间；
其中，该第一电极、该P型热电材料、该第二电极以及该N型热电材料沿着一直线方向依序排列。
2.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该热电转换装置包含两个以上的该热电转换单元，每一个热电转换单元中的该第一电极是与另一个热电转换单元中的该N型热电材料相连接。
3.如权利要求2所述的热电转换装置，其中每两个热电转换单元之间是以串联形式连接。
4.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第一电极以及该第二电极各具有一个外表面，该第一电极的该外表面以及该第二电极的该外表面分别包括两个彼此相对的区域，其中每一区域仅配置有该N型热电材料或该P型热电材料。
5.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第一电极以及该第二电极各具有一个内表面，该第一电极的该内表面以及该第二电极的该内表面分别具有多个凹槽结构，使该第一流体通道与该第二流体通道具有非平坦的表面。
6.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第一电极以及该第二电极各具有一个内表面，该第一电极的该内表面以及该第二电极的该内表面分别具有绝缘层。
7.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该热电转换单元还包括至少四个绝缘流管，分别与该第一电极的该第一流体通道与该第二电极的该第二流体通道相连通。
8.如权利要求7所述的热电转换装置，还包括外壳，包覆该热电转换单元，其中该外壳具有至少四个接口分别连接该些绝缘流管。
9.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该热电转换单元具有两个以上的该第一电极，该些第一电极之间是以并联形式连接，且该热电转换单元具有两个以上的该第二电极，该些第二电极之间是以并联形式连接。
10.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该热电转换单元还包括多个分流塞，其中该第一电极内的该第一流体通道以及该第二电极内的该第二流体通道分别配置有一个分流塞。
11.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第一电极以及该第二电极的形状包括圆柱形或多边柱形。
12.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第一电极以及该第二电极的形状包括方柱形或长方柱形。
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