TWI395354B - 熱電轉換裝置 - Google Patents

Description

熱電轉換裝置

本發明是有關於一種熱電轉換裝置，且特別是有關於一種具有堆疊結構的熱電轉換裝置。

由於能源短缺問題使得再生能源技術的發展成為重要議題，以汽車為例，引擎廢熱約佔車輛動力的三分之一，如能利用排氣廢熱提供熱電溫差發電，便可以減少燃油的消耗。此外，工廠與家庭排放大量廢熱，如何將廢熱回收重新利用，也是非常重要的課題。然而，目前大部份的廢熱並無適當的回收技術，因此造成能源浪費。

熱電轉換技術是近年來產業研發的重點技術之一，熱電轉換技術的工作原理是將一N型半導體材料和一P型半導體材料聯結成熱電對，利用N型和P型半導體材料兩端接觸不同溫度，如此便能產生能量轉移，在熱電對中產生電流，稱為塞貝克效應(Seebeck effect)。熱電轉換發電主要是利用N型和P型半導體材料兩端的溫差使熱電對產生電流，因此熱電轉換發電不會對環境造成污染，且熱電轉換發電的反應速率快。熱電轉換發電更可結合廢熱回收的技術，將廢熱當作熱電轉換發電的熱源，減少能源的浪費。另外，多個熱電對可電性串聯並堆疊成熱電轉換裝置，以符合不同的發電量需求。從另一個角度來看，熱電轉換裝置可將熱能直接轉換成電能，不需要透過類似引擎活塞的動件(moving part)，因此能夠提高熱電轉換裝置的結構之可靠性。熱電轉換裝置的製造可結合微機電及半導體製程，大幅縮小熱電轉換裝置的體積。

然而，熱電轉換發電在應用上最大的問題是熱電轉換效率有限。為了提高熱電轉換裝置的熱電轉換效率，可透過材料技術的研發，開發具有良好熱電性質的熱電材料。此外，由於目前熱電轉換裝置的組裝密度有限，熱電轉換裝置的發電量因而受到限制，所以另外一個提高熱電轉換效率的重要技術方向便是改良目前熱電轉換裝置結構的設計，並增加熱電轉換裝置的組裝密度，以提高熱電轉換裝置的發電效能。

本發明提供一種具堆疊結構之熱電轉換裝置，其結構能夠用以提高熱電轉換裝置的發電效能。

本發明提出一種熱電轉換裝置，包括一冷端基板、一熱端基板及一堆疊結構。堆疊結構配置於冷端基板與熱端基板之間，且堆疊結構包括多個熱電轉換層，每一熱電轉換層分別排列於堆疊結構中，該熱電轉換層包括一熱電對層、一第一導電材料層與一第二導電材料層、一第一導熱不導電結構及一第二導熱不導電結構。該第一導電材料層包括多個第一導電材料，而該第二導電材料層包括多個第二導電材料。該熱電對層包括多個熱電對且每一熱電對包括P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件，使第一導電材料分別電性連接於P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件的上方，而第二導電材料分別電性連接於N型熱電轉換元件與相鄰的P型熱電轉換元件的下方，而兩兩熱電對便以串聯型式連接。第一導熱不導電結構連接於相鄰的兩第一導電材料層間及該熱端基板，並導熱至第一導電材料層，使每一層的第一導電材料層維持在第一操作溫度下。其中該第一操作溫度為熱端操作溫度。第二導熱不導電結構則分別連接於相鄰的兩第二導電材料層間及該冷端基板，並導熱至第二導電材料層，使每一層的第二導電材料層維持在第二操作溫度下，且第一操作溫度不等於第二操作溫度。其中該第二操作溫度為冷端操作溫度。

在本發明之一實施例中，上述之第一導熱不導電結構包括一橫向連接結構，該橫向連接結構包括多個相連的第一水平桿件，用以連接第一導電材料層。此外，第一導熱不導電結構更包括一縱向連接結構，而該縱向連接結構包括多個第一支柱，這些第一支柱垂直地連接於這些第一水平桿件之間。

在本發明之一實施例中，上述之第二導熱不導電結構包括一水平連接結構，該水平連接結構包括多個相連的第二水平桿件，用以連接第二導電材料層。此外，第二導熱不導電結構更包括一垂直連接結構，該垂直連接結構包括多個第二支柱，而這些第二支柱垂直地連接於這些第二水平桿件之間。

在本發明之一實施例中，上述之這些第二水平桿件排列成一網狀結構，而第二導電材料層配置於網狀結構上。該網狀結構可為一幾何形狀。

在本發明之一實施例中，上述每一層的P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件以六角形結構的型態交錯排列。

在本發明之一另一實施例中，上述每一層的P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件以四角形結構的型態交錯排列

在本發明之一實施例中，上述之冷端基板的材質例如是矽基材、陶瓷基材或其他等效基材。

在本發明之一實施例中，上述之熱端基板的材質例如是矽基材、陶瓷基材或其他等效基材。

在本發明之一實施例中，上述之熱電對的材質例如是Bi₂ Te₃ 、PbTe、Sb₂ Te₃ 、SiGe或其他等效材質。

基於上述，本發明之熱電轉換裝置能夠透過第一導熱不導電結構與第二導熱不導電結構傳遞熱量，使每一層熱電轉換層的高溫側與低溫側的溫差都能維持在相同的溫差，並使每一層的熱電對層的溫差亦幾乎相同，以提高每一層熱電轉換層的發電量，進而提高熱電轉換裝置的發電效能。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明之一實施例之熱電轉換元件的結構圖，而圖2為圖1之熱電轉換元件的側視圖。請參照圖1及圖2，本實施例之熱電轉換裝置10，該熱電轉換裝置10包括一熱端基板12、一冷端基板14及一堆疊結構100。堆疊結構100配置於熱端基板12與冷端基板14之間，且堆疊結構100包括多個熱電轉換層100a、100b。其中，熱電轉換層100a包括一熱電對層110a、一第一導電材料層120a與一第二導電材料層130a、一第一導熱不導電結構140a及一第二導熱不導電結構150a。熱電轉換層100b包括一熱電對層110b、一第一導電材料層120b與一第二導電材料層130b、一第一導熱不導電結構140b及一第二導熱不導電結構150b。每一熱電轉換層100a、100b排列於堆疊結構100中，本實施例僅以最上層的熱電轉換層100a說明如下，至於熱電轉換層100b的說明如同熱電轉換層100a，故省略未提，不再贅述。

如圖1、2所示，本實施例之每一熱電對層110a排列於熱電轉換層100a中，該熱電對層110a包括多個熱電對且每一熱電對包括N型熱電轉換元件112a與P型熱電轉換元件114a。該熱電對層110a的材質可包括例如Bi₂ Te₃ 、PbTe、Sb₂ Te₃ 或SiGe等半導體材料或是奈米結構的熱電材料。第一導電材料層120a包括有多個第一導電材料a1，第一導電材料a1分別電性連接於熱電轉換層100a之熱電對層110a的N型熱電轉換元件112a與P型熱電轉換元件114a的上方。第二導電材料層130a包括有多個第二導電材料a2，第二導電材料a2分別電性連接於熱電轉換層100a之熱電對層110a的N型熱電轉換元件112a與相鄰的P型熱電轉換元件114a的下方。兩兩熱電對便以串聯型式連接。在上述的串聯結構中，當每一熱電對處於溫差狀態時，P型熱電轉換元件114a中帶有正電荷的電洞向下經由第二導電材料層130a朝向N型熱電轉換元件112a移動，之後經由N型熱電轉換元件112a向上朝第一導電材料層120a移動，而到達另一個P型熱電轉換元件114a，依此類推，以產生一電流。

此外，第一導熱不導電結構140a可連接熱電轉換層100a的第一導電材料層120a，主要作用是導熱至熱電轉換層100a的第一導電材料層120a，使第一導電材料層120a幾乎可維持在第一操作溫度(例如是熱端操作溫度)之下，進而將熱電轉換層100a中的第一導電材料層120a與相鄰的熱電轉換層100b中的第一導電材料層120b的溫差降至最小。第二導熱不導電結構150a用以連接熱電轉換層100a的第二導電材料層130a，並導熱至熱電轉換層100a之第二導電材料層130a，使第二導電材料層130a可以維持在第二操作溫度(例如是冷端操作溫度)之下，進而將熱電對轉換層100a中的第二導電材料層130a與相鄰的熱電轉換層100b中的第二導電材料層130b的溫差降至最小，而且第一操作溫度不等於第二操作溫度，以保持熱端與冷端的溫差。第一導熱不導電結構140a與第二導熱不導電結構150a其材料可為導熱性良好且不具導電性的材料，如此可以將熱量分別有效地傳遞至第一導電材料層120a與第二導電材料層130a，而不會影響每個熱電對的發電效果。

請繼續參考圖1，本實施例之第二導熱不導電結構150a包括一水平連接結構150x，水平連接結構150x包括多個相連的水平桿件。此外，相鄰的水平連接結構150x之間更有一垂直連接結構150y，其包括多個支柱。這些支柱垂直地連接於水平桿件之間，以維持在預定高度內。值得一提的是，水平連接結構150x皆不與第一導電材料層120a、120b接觸，僅與第二導電材料層130a接觸。因此，水平連接結構150x的溫度不會影響第一導電材料層120a、120b的溫度，使熱電轉換層100a之第一導電材料層120a、第二導電材料層130a之溫差與熱電轉換層100b之第一導電材料層120b、第二導電材料層130b之溫差可維持在相同的溫差。

另外，在本實施例中，第一導熱不導電結構140a包括橫向連接結構140x以及多個連接於橫向連接結構140x之間的縱向連接結構140y。橫向連接結構140x用以水平地連接第一導電材料層120a，而縱向連接結構140y則可分別垂直地排列於四角形的網狀結構之中。橫向連接結構140x包括多個水平桿件，而縱向連接結構140y包括多個支柱。這些支柱垂直地連接於水平桿件之間，以維持預定的高度。。

如圖1所繪示，熱電轉換裝置10具有熱端基板12與冷端基板14。其中，熱端基板12連接於立體化的第一導熱不導電結構140a、140b，冷端基板14則連接於立體化的第二導熱不導電結構150a、150b。熱端基板12的溫度經由第一導熱不導電結構140a、140b分別傳遞到第一導電材料層120a、120b上，以維持在第一操作溫度(例如是熱端操作溫度)，而冷端基板14則是將溫度經第二導熱不導電結構150a、150b分別傳遞至第二導電材料層130a、130b上，以維持在第二操作溫度(例如是冷端操作溫度)。熱端基板12與冷端基板14的材質例如是矽基材或陶瓷基材等高導熱材料。

圖3為本發明之另一實施例之熱電轉換裝置的結構圖，而圖4為圖3之熱電轉換裝置的側視圖，圖5為圖3之熱電轉換裝置的簡易俯視圖。本實施例之熱電轉換裝置10包括一熱端基板12、一冷端基板14及一堆疊結構100。堆疊結構100配置於熱端基板12與冷端基板14之間，且堆疊結構100包括多個熱電轉換層100a、100b、100c。其中，熱電轉換層100a包括一熱電對層110a、一第一導電材料層120a與一第二導電材料層130a、一第一導熱不導電結構140a及一第二導熱不導電結構150a。熱電轉換層100b包括一熱電對層110b、一第一導電材料層120b與一第二導電材料層130b、一第一導熱不導電結構140b及一第二導熱不導電結構150b。熱電轉換層100c包括一熱電對層110c、一第一導電材料層120c與一第二導電材料層130c、一第一導熱不導電結構140c及一第二導熱不導電結構150c。本實施例將針對三層熱電轉換層100a、100b、100c、三層熱電對層110a、110b、110c、三層第一導電材料層120a、120b、120c、三層第二導電材料層130a、130b、130c、三層第一導熱不導電結構140a、140b、140c、三層第二導熱不導電結構150a、150b、150c做說明。每一熱電轉換層100a、100b與100c排列於堆疊結構100中，本實施例僅以最上層的熱電轉換層100a說明如下，至於熱電轉換層100b、100c的說明如同熱電轉換層100a，故省略未提，不再贅述。

熱電對層110a排列於熱電轉換層100a中，熱電對層110a包括多個熱電對，每一熱電對包括P型熱電轉換元件114a與N型熱電轉換元件112a。熱電對層110a的材質可包括例如Bi₂ Te₃ 、PbTe、Sb₂ Te₃ 或SiGe等半導體材料或是奈米結構的熱電材料。第一導電材料層120a包括有多個第一導電材料a1，第一導電材料a1分別電性連接於熱電對之P型熱電轉換元件114a與N型熱電轉換元件112a的上方。第二導電材料層130a包括有多個第二導電材料a2，第二導電材料a2分別電性連接於熱電對之P型熱電轉換元件114a與N型熱電轉換元件112a的下方，且為N型熱電轉換元件接P型熱電轉換元件，P型熱電轉換元件接另一個N型熱電轉換元件，兩兩熱電對便可以串聯型式連接。在上述的串聯結構中，當每一熱電對處於溫差狀態時，P型熱電轉換元件114a中帶有正電荷的電洞向下經由第二導電材料層130a朝向N型熱電轉換元件112a移動，之後經由N型熱電轉換元件112a向上朝第一導電材料層120a移動，而到達另一個P型熱電轉換元件114a，依此類推，以產生一電流。

此外，第一導熱不導電結構140a可連接熱電轉換層100a的第一導電材料層120a，主要作用是導熱至熱電轉換層100a的第一導電材料層120a，使第一導電材料層120a幾乎可維持在第一操作溫度(例如是熱端操作溫度)之下，進而將熱電轉換層100a中的第一導電材料層120a與相鄰的熱電轉換層100b中的第一導電材料層120b的溫差降至最小。第二導熱不導電結構150a用以連接熱電轉換層100a的第二導電材料層130a，並導熱至熱電轉換層100a之第二導電材料層130a，使第二導電材料層130a可以維持在第二操作溫度(例如是冷端操作溫度)之下，進而將熱電對轉換層100a中的第二導電材料層130a與相鄰的熱電轉換層100b中的第二導電材料層130b的溫差降至最小，而且第一操作溫度不等於第二操作溫度，以保持熱端與冷端的溫差。第一導熱不導電結構140a與第二導熱不導電結構150a其材料可為導熱性良好且不具導電性的材料，如此可以將熱量分別有效地傳遞至第一導電材料層120a與第二導電材料層130a，而不會影響每個熱電對的發電效果。

請繼續參考圖3，本實施例之第二導熱不導電結構150a包括一水平連接結構150x，水平連接結構150x包括多個相連的水平桿件。此外，相鄰的水平連接結構150x之間更有一垂直連接結構150y，其包括多個支柱。這些支柱垂直地連接於水平桿件之間，以維持在預定高度內。值得一提的是，水平連接結構150x皆不與第一導電材料層120a、120b、120c接觸，僅與第二導電材料層130a接觸。因此，水平連接結構150x的溫度不會影響第一導電材料層120a、120b、120c的溫度，使熱電轉換層100a之第一導電材料層120a、第二導電材料層130a之溫差、熱電轉換層100b之第一導電材料層120b、第二導電材料層130b之溫差以及熱電轉換層100c之第一導電材料層120c、第二導電材料層130c之溫差可維持在相同的溫差。

不管是矩形或六角形結構，本發明精神尚包括其它幾何形狀，均為本發明之創作精神範圍內所包括。

如圖3所示，第一導熱不導電結構140a包括一橫向連接結構140x以及多個連接於橫向連接結構140x之間的縱向連接結構140y。橫向連接結構140x包括多個水平桿件，而縱向連接結構140y包括多個支柱。這些支柱垂直地連接於相鄰的水平桿件之間，以維持預定的高度。每一橫向連接結構140x水平地連接相鄰的第一導電材料層120a，縱向連接結構140y則分別垂直地配置於三角形或近似三角形的結構中，連接相鄰之橫向連接結構140x。透過立體化的第一導熱不導電結構140a的熱傳遞，能使第一導電材料層120a之溫度幾乎可維持在第一操作溫度，即熱端操作溫度。

如圖5所示，第二導熱不導電結構150a之水平連接結構150x可排列成六角形的網狀結構(由六個三角形或近似三角形結構連接而成)，熱電對層110a之P型熱電轉換元件114a與N型熱電轉換元件112a是以六角形結構的型態交錯排列在水平連接結構150x上。不管是矩形或六角形結構，本發明精神尚包括其它幾何形狀，均為本發明之創作精神範圍內所包括。

如圖3所繪示，熱電轉換裝置10具有熱端基板12與冷端基板14。其中，熱端基板12連接於立體化的第一導熱不導電結構140a、140b、140c，冷端基板14則連接於立體化的第二導熱不導電結構150a、150b、150c。熱端基板12的溫度經由第一導熱不導電結構140a、140b、140c分別傳遞到第一導電材料層120a、120b、120c上，以維持在第一操作溫度(例如是熱端操作溫度)，而冷端基板14則是將溫度經第二導熱不導電結構150a、150b、150c分別傳遞至第二導電材料層130a、130b、130c上，以維持在第二操作溫度(例如是冷端操作溫度)。熱端基板12與冷端基板14的材質例如是矽基材或陶瓷基材等高導熱材料。舉例來說，冷端基板14的溫度在45℃，則每一層的水平連接結構150a、150b、r50c的溫度為45-48℃時，每一層的第二導電材料層130a、130b、130c的溫度也維持在45-48℃左右。而熱端基板12的溫度在80℃，每一層的第一導電材料層120a、120b、120c的溫度保持在70～80℃，因第一導電材料層120a與第二導電材料層130a的溫差，亦即任一P型及N型熱電轉換元件的上方與下方的溫差是維持在30℃左右，每一層幾乎維持在相同的溫差。反之，習知的堆疊結構因上、下層的導熱結構相互接觸而呈現明顯的梯度變化，例如80度、65度、55度、45度等，故無法維持習知各層的第一導電材料層與第二導電材料層在相同的溫差，且每一層溫差維持在10-15℃之間，效果較差。

綜上所述，本發明之熱電轉換裝置利用第一導熱不導電結構使每一層第一導電材料層的熱量可相互傳遞降低溫度梯度，並利用第二導熱不導電結構使每一層的第二導電材料層的熱量相互傳遞降低溫度梯度，如此便能夠讓熱電轉換層上方及下方的第一導電材料層與第二導電材料層幾乎可保持相同的溫度差，提高熱電轉換裝置的發電效能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．熱電轉換裝置

12．．．熱端基板

14．．．冷端基板

100．．．堆疊結構

100a、100b、100c．．．熱電轉換層

110a、110b、110c．．．熱電對層

114a．．．P型熱電轉換元件

112a．．．N型熱電轉換元件

120a、120b、120c．．．第一導電材料層

130a、130b、130c．．．第二導電材料層

140a、140b、140c．．．第一導熱不導電結構

140x．．．橫向連接結構

140y．．．縱向連接結構

150a、150b、150c．．．第二導熱不導電結構

150x．．．水平連接結構

150y．．．垂直連接結構

a1．．．第一導電材料

a2．．．第二導電材料

圖1是本發明之一實施例之熱電轉換裝置的結構圖。

圖2為圖1之熱電轉換裝置的側視圖。

圖3是本發明之另一實施例之熱電轉換裝置的結構圖。

圖4是圖3之熱電轉換裝置的側視圖。

圖5為圖3之熱電轉換裝置的簡易俯視圖。

10．．．熱電轉換裝置

12．．．熱端基板

14．．．冷端基板

100．．．堆疊結構

100a、100b．．．熱電轉換層

110a．．．熱電對層

112a．．．N型熱電轉換元件

114a．．．P型熱電轉換元件

120a、120b．．．第一導電材料層

130a、130b．．．第二導電材料層

140a、140b．．．第一導熱不導電結構

140x．．．橫向連接結構

140y．．．縱向連接結構

150a、150b．．．第二導熱不導電結構

150x．．．水平連接結構

150y．．．垂直連接結構

a1．．．第一導電材料

b1．．．第二導電材料

Claims (10)

1. 一種熱電轉換裝置，包括：一冷端基板；一熱端基板；以及一堆疊結構，配置於該冷端基板與該熱端基板之間，該堆疊結構包括多個熱電轉換層，而該些熱電轉換層分別包括：一熱電對層，設置於該熱電轉換層中，該熱電對層包括多個熱電對，且每一熱電對包括P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件；一第一導電材料層，包括多個第一導電材料，每一第一導電材料分別連接該熱電對的P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件的上方；一第二導電材料層，包括多個第二導電材料，每一第二導電材料分別連接於該熱電對的P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件的下方，以使兩兩熱電對以串聯型式連接；一第一導熱不導電結構，連接於相鄰的第一導電材料層間及該熱端基板，其中該第一導熱不導電結構包括：多個第一橫向連接結構，包括彼此相連的多個第一水平桿件，其中該些第一橫向連接結構未接觸該第二導電材料層而橫向地接觸該第一導電材料層；以及多個第一縱向連接結構，包括多個第一支柱垂直地連接於該些第一水平桿件之間，其中該些第一縱向連接結構分別垂直地配置於幾何形狀的結構中；以及一第二導熱不導電結構，連接於相鄰的第二導電材料層間及該冷端基板，其中該第二導熱不導電結構包括： 多個第二水平連接結構，該些第二水平連接結構包括彼此相連的多個的第二水平桿件，其中該些第二水平連接結構未接觸該第一導電材料層而橫向地接觸該第二導電材料層；以及多個第二垂直連接結構，包括多個第二支柱垂直地連接於該些第二水平桿件之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱電轉換裝置，其中該第一導熱不導電結構導熱至該第一導電材料層，以使每一層的第一導電材料層維持在第一操作溫度下；以及該第二導熱不導電結構導熱至該第二導電材料層，以使每一層的第二導電材料層維持在第二操作溫度下，且該第一操作溫度不等於該第二操作溫度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之熱電轉換裝置，其中該第一操作溫度為熱端操作溫度，該第二操作溫度為冷端操作溫度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱電轉換裝置，其中該些第二水平桿件排列成一網狀結構，而該第二導電材料層配置於該網狀結構上。
5. 如申請專利範圍第4項所述之熱電轉換裝置，其中該網狀結構為幾何形狀。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熱電轉換裝置，其中每一層的P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件以六角形結構的型態交錯排列。
7. 如申請專利範圍第1項所述之熱電轉換裝置，其中每一層的P型熱電轉換元件與N型熱電轉換元件以四角形結構的型態交錯排列。
8. 如申請專利範圍第1項所述之熱電轉換裝置，其中該冷端基板的材質包括矽基材或陶瓷基材。
9. 如申請專利範圍第1項所述之熱電轉換裝置，其中該熱端基板的材質包括矽基材或陶瓷基材。
10. 如申請專利範圍第1項所述之熱電轉換裝置，其中該些熱電對的材質包括Bi₂ Te₃ 、PbTe、Sb₂ Te₃ 或SiGe。