CN102479917A - 具有高热电转换效能的热电转换组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有高热电转换效能的热电转换组件。该热电转换组件设置在一物件的一高温表面上。热电转换组件至少包括一集热件、一热电模块和一模块冷端散热构件。集热件具有一底面和一顶面，该底面与物件的高温表面接触，且底面的一底面积小于高温表面的一表面积。热电模块设置在集热件的顶面上，而模块冷端散热构件设置在热电模块上。通过高导热的集热件将热源产生的单位面积热流量集中至热电模块的热端，增加通过模块的单位面积热流量(Q’)，并提升热电模块的热端温度，而增进热电转换效率η，进而提高热电模块发电量P。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电转换组件，且特别是涉及一种可具有高热电转换效能的热电转换组件。
背景技术
热电发电模块(Thermoelectric generator module)是一种具有热与电两种能量互相转换特性的元件，由于其热电转换特性，因此具有致冷/加热以及发电两种应用领域。若对热电转换元件通入直流电，可使元件两端分别产成吸热与放热现象，因此可应用在需致冷或加热的技术领域；若使热电转换元件两端分别处于不同温度，则可令热电转换元件输出直流电，因此可应用在发电技术领域。
热电发电模块完全为固态结构，不需要运动组件。请参照图1，其绘示一种传统热电发电模块的侧视图。传统的热电发电模块一般由块状的P型热电材料101与N型热电材料102电性串联，和导电金属层111a/111b、焊料112a/112b及电绝缘的上下基板121a/121b所构成。其中热电材料101、102的特性主要决定了热电转换元件的性能。如图1所示，P型热电材料101与N型热电材料102通常为直立式，利用导电金属层111a/111b将P型、N型热电材料以串联方式连接，而电绝缘的上下基板121a/121b其材料例如是陶瓷基板。当热电模块上下两基板121a/121b处于不同温度时(如下基板121b处于低温，上基板121a处于高温)，意即模块基板有温差条件时，热电模块即产生直流电，产生直流电的方向由P/N热电材料的放置顺序与冷热端相对位置有关。图1中电流方向与温差/热流方向平行。
热电模块发电效能与热电材料特性，以及热电模块冷热端温度(Thot与Tcold)及温差(ΔT)有关。其中，热电材料特性以热电优值ZT(Figure of merit)表示。热电转换效率η如下式(1)，当热电材料ZT值及模块冷热端温差ΔT越大时，热电模块的热电转换效率(ConversionEfficiency)η越高。
而热电模块发电量P则如下式(2)，为：
P＝η×Q (2)
其中，η为热电转换效率，Q为通过热电模块的热流量。
由于能源短缺问题使得再生能源技术的发展成为重要课题，如能利用排气废热提供热电模块温差以发电，达到废热回收重新利用，则可减少能源的浪费。目前相关业者无不希望能提高应用热电模块的发电量P。而当式(2)中热电转换效率η和通过热电模块的热流量Q两者至少其中之一提升，即可提高热电模块的发电量P。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电转换组件，其采用高导热的集热件作为热电模块热端基板与热源间的介质，通过集热件的高效率热传性能，将热源产生的单位面积热流量集中至热电模块的热端，增加通过模块的单位面积热流量(Q’)，并提升热电模块的热端温度，而增进热电转换效率η，进而提高热电模块发电量P。
为达上述目的，根据本发明的第一方面，提出一种热电转换组件，设置在一物件的一高温表面上。热电转换组件至少包括一集热件、一热电模块和一模块冷端散热构件。集热件具有一底面和一顶面，该底面与物件的高温表面接触，且底面的一底面积小于高温表面的一表面积。热电模块设置在集热件的顶面上，而模块冷端散热构件设置在热电模块上。
根据本发明的第二方面，提出一种热电转换装置，包括多个如第一方面所述的热电转换组件。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1为一种传统热电发电模块的侧视图；
图2A～图2C分别为一高温物件尚未安装任何热电转换组件、安装一般热电模块、和安装本发明一实施例的热电转换组件的示意图；
图3为本发明一实施例的安装于高温物件外壁的集热件和热电模块的示意图；
图4A～图4F分别为实施例的集热件的多种实施态样的示意图；
图5为本发明另一实施例的热电转换组件的示意图；
图6为本发明一实施例的热电转换组件的一安装应用的示意图；
图7A～图7C，其为应用多组本发明实施例的热电转换组件的示意图；
图8A为一传统热电模块直接设置于热源外壁的简示图；
图8B为实施例的一热电转换组件设置于热源外壁的简示图，其中以一铝合金集热块作为集热件；
图8C为实施例的另一热电转换组件设置于热源外壁的简示图，其中以一铝碳复合材料(MMC)集热块作为集热件；
图9为三种热电转换结构在不同冷却水流量条件下，热电模块的冷热端温度变化曲线图；
图10为三种热电转换结构在不同冷却水流量条件下，单一热电模块的发电量变化曲线图。
主要元件符号说明
101：P型热电材料
201：P型热电材料薄膜
102：N型热电材料
111a/111b：导电金属层
121a/121b：上下基板
112a/112b：焊料
20：高温物件
201：物件内部
203：物件外壁
22：空气
23、303、503、603、703：热电模块
30：热电转换组件
301、501、601、701：集热件
3013、5013：集热件的底面
3015、5015：集热件的顶面
305、505、605：模块冷端散热构件
401、405：第一集热块体
402、406、407：第二集热块体
402a：第二集热块体的顶面
4075：第二集热块体的凹槽
403：第三集热块体
403a：第三集热块体的顶面
404：梯型集热块体
404a：梯型集热块体的顶面
507、607：绝热材料层
601a：第一高热导集热块
601b：第二高热导集热块
6051：冷却通水金属块
6053：冷却水入口
6055：冷却水出口
609：固定构件
6091：固定片
6093：锁固件
71：热源全面区域
72：热源一单位区域
73：热源子区域
803：热源外壁
8041：铝合金集热块
8042：铝碳复合材料集热块
805：热电模块
806：水冷铜块
具体实施方式
本发明所提出的热电转换组件利用两基板处于不同温度时可产生直流电的特性，其应用十分广泛，例如是工业制作工艺、车辆船舶引擎高温排气、温泉地热等等各种余热回收发电。以工业制作工艺中常见高温炉为例，炉壁外侧温度通常可达100～250℃的范围，此时若将热电模块安装于炉壁上，其中一面基板与炉壁接触形成热端，另一面基板利用空冷或水冷结构冷却形成冷端，此时热电模块处于冷热温差产生直流电，发电量大小则由热电模块中P/N材料特性、此时模块冷热端温差、以及流通过模块的热流量三者决定。
请参照图2A～图2C，分别绘示一高温物件尚未安装任何热电转换组件、安装一般热电模块、和安装本发明一实施例的热电转换组件的示意图。其中，高温物件20(例如是高温炉)包括物件内部201(例如是高温炉内)和物件外壁203(例如是高温炉壁)。高温物件内部201的温度为TH，高温物件外壁203的表面温度为T1。空气22的温度为TC。
图2A中，尚未安装任何热电转换组件的高温物件20，此时高温物件外壁203的表面温度为T1是热流量Q、高温物件内部201的温度TH、高温物件外壁的热传导系数、空气热传导系数、以及环境温度TC等各项平衡的结果。
如图2B所示，若把一般热电模块23安装在高温物件20上时，由于热电模块23热传导系数大于原本的空气22，且热电模块23冷端可能安装水冷结构或强制气冷进行冷却，在吸热能力上远高于空气，因此在固定热流供应量Q条件下，物件外壁203的表面温度T1会随之降低，进而使模块23热端温度降低而减损热电模块转换效率，致使模块发电量P降低。
图2C绘示安装本发明一实施例的热电转换组件于高温物件的示意图。如图2C所示，实施例的热电转换组件30包括一集热件301、一热电模块303和一模块冷端散热构件305。其中集热件301具有高热导特性，其导热系数约在100～1000W/mK之间。集热件301具有一底面3013和一顶面3015，底面3013与物件20的高温表面接触(如物件外壁203的表面)，且底面3013的一底面积AC小于高温表面的一表面积AH。热电模块303设置在集热件301的顶面3015上。模块冷端散热构件305设置在热电模块303上。
由于高温物件20的内部201通过物件外壁203传出的单位面积热流量Q为固定，而集热件301具有高热导特性，且底面积AC小于高温物件20表面的一表面积AH，因此可将原本的热流量迅速集中至较小面积的集热件301，使该区的单位面积热流量因面积缩减之故，提高到Q’(即Q’＞Q)。也由于单位面积热流量提高，将可使高温物件外壁203保持热端温度TH或甚至进一步提高，而增进热电转换效率η。因此实施例中提出热电模块303搭配集热件301集中热量的安装结构不但可提高通过热电模块单位面积热流量，也可增进热电转换效率η。根据热电模块发电量P＝Q’×η，当Q’与η均提高时，热电模块发电量P将明显增加。
图3绘示本发明一实施例的安装于高温物件外壁的集热件和热电模块的示意图。实施例的热电转换组件30例如是分散式地安装于高温物件外壁203上，即外壁203上某固定面积区块安装一组热电转换组件30，区块面积大小可由外壁203单位面积热流量Q决定。其中集热件301材料须为高热传导性的材料，合适的集热件301面积尺寸则由Q、集热件301材料热传系数与热电模块303尺寸等共同决定，但应介于热源单位区块面积与热电模块303面积之间。如图3所示，集热件301的面积(a×b)小于外壁203某区块面积(m×n)，但大于热电模块303的面积(c×d)。
实施例中，集热件301可以是单一集热块体、或是由多个集热块体垂直堆叠而成。当集热件301为单一集热块体时，可如图2C所示集热块体的底面积和顶面积相等，或是底面积大于顶面积。当集热件301为多个垂直堆叠的集热块体，则该些集热块体的截面积随堆叠高度而递减。因此，无论是单一或多个集热块体，其形状没有特别限制，只要集热件301的截面积有随其高度而递减的趋势，即可作为实施态样。
请参照图4A～图4F，其分别绘示实施例的集热件的多种实施态样的示意图。如图4A所示，集热件包括第一、二集热块体401、402，且两者皆为平板形状，第一集热块体401的截面积大于第二集热块体402的截面积，而热电模块则设置在第二集热块体402的顶面402a上。如图4B所示，集热件包括平板形状的第一集热块体401和梯型的第二集热块体402，第二集热块体402的截面积小于第一集热块体401的截面积，而热电模块则设置在第二集热块体402的顶面402a上。图4C所示的集热件包括平板形状的第一、二集热块体401、402和梯型的第三集热块体403，第一集热块体401的截面积大于第二集热块体402的截面积，且用以设置热电模块的第三集热块体403的顶面403a，其面积小于第二集热块体402的截面积。图4D所示的集热件包括一梯型的集热块体404，且用以设置热电模块的顶面404a的面积小于底面的面积；当然，集热块体404也可以是两梯型集热块体堆叠后所产生的外型。图4E所示的集热件包括梯型的第一集热块体405和小平台状的第二集热块体406，而热电模块则设置在第二集热块体406的顶面406a上。图4F所示的集热件包括平板形状的第一集热块体401和不规则形状的第二集热块体407，而第二集热块体407具有一凹槽4075以与热电模块相接合。
虽然上述态样多以多块集热块体堆叠而成集热件，但单一集热块体也可制作为如图4A～图4C、图4E和图4F所示的该些多个集热块体堆叠而成的外型，而使此一集热件达到其截面积有随其高度而递减的趋势。
再者，熟悉此技术者当可理解，图4A～图4F所示的附方型平台的板片、或是附梯型平台的板片、或是梯型板片或是以上的排列组合，都仅为众多可实施态样的其中几种，在本发明中，集热块的形状并不限于此，除了平板、小平台、梯型等排列组合外，也可以是与其它形状(如类半圆)、甚至不规则形状的组合，只要与热源接触面积大，与模块接触面积小的几何形状，因逐渐缩减面积，而具有单位面积热流量(或热流量密度)的功效皆适合应用。
此外，每组集热块结构所构成的集热件301，虽然在图2C和图3中绘示供一个热电模块303使用，但本发明并不以此为限，每组集热块结构所构成的集热件301也可提供多个热电发电模块使用。例如一集热件的顶面形成数个平台，分别与多个热电模块相接合。
实施例中，集热件301材料须为高热传导性材料，例如金属及其合金、金属基复合材料，以及石墨片等碳材。可应用的金属及其合金例如是铜、铝、银、锌、镁、钛及其合金；可应用的金属基复合材料例如是铜基、铝基、银基等复合材料。其中，金属基复合材料的基材其第二相例如是包括陶瓷颗粒(如SiC，AlN，BN，Si3N4...)、钻石粉末、各种形式的碳纤维及发泡石墨等。
另外，实施例中，高温物件外壁203(即热源)与集热件301的接合处、多个集热块之间的接合处、以及集热件301与热电模块303的接合处，可选用适当的界面材料如导热膏等，以减低接合热阻。
实施例中，模块冷端散热构件305可为有附配风扇或无风扇的高表面积金属散热鳍片或发泡体、或是一内通冷却液体的金属块、或是其他可迅速散热的元件。若在模块冷端散热构件305处选择性地配置风扇，例如以高表面积金属散热鳍片或高表面积发泡体为模块冷端散热构件，风扇的配置可提升散热效率。
图5绘示本发明另一实施例的热电转换组件的示意图。如图5所示，在此实施例中，热电转换组件包括一集热件501、一热电模块503、一模块冷端散热构件505和一绝热材料层507。其中具有高热导特性的集热件501为梯型，且具有一底面5013和一顶面5015，顶面5015的面积A1小于底面5013的面积A2，且底面5013与高温物件表面接触(如物件外壁203的表面)。而热电模块503设置在集热件501的顶面5015上。模块冷端散热构件505设置在热电模块503上。绝热材料层507则设置于物件的高温表面上(如物件外壁203的表面上)并覆盖集热件501，以避免热的散逸，维持热电模块503高温端的温度。绝热材料层507例如是一低导热陶瓷材料层、一隔热棉层或一多孔材。其中，低导热陶瓷材料层可利用喷涂制作工艺喷附而形成；隔热棉层或多孔材例如是含石绵、玻璃纤维等，可利用外加覆盖的方式而形成。覆盖方式例如是令绝热材料层507的位置覆盖至热电模块503的两边，或是覆盖至集热件501的两边并露出集热件501的顶面5015，皆可做为实施态样。
图6绘示本发明一实施例的热电转换组件的一安装应用的示意图。实施例的热电转换组件应用于实际安装时，可更包括一固定构件，以将组件固定在高温物件的表面上(如高温物件外壁203上)。其中一种安装结构如图6所示，热电转换组件包括一集热件601、一热电模块603、一模块冷端散热构件605、一绝热材料层607和一固定构件609。其中集热件601包括第一高热导集热块601a和第二高热导集热块601b。第一高热导集热块601a直接与热源(如高温物件外壁203)接触，而第二高热导集热块601b则为一凸起小平台(高度不限定地例如是1mm，底面积不限定地例如是3cm×3cm)设置于第一高热导集热块601a上。而热电模块603设置在第二高热导集热块601b上。凸起小平台的第二高热导集热块601b可设计与热电模块603面积相同，以强化热流集中达到提高单位面积热流量的效果。在此应用例中，第一高热导集热块601a和第二高热导集热块601b为一体成形。
模块冷端散热构件605例如是选用可内通冷却液体的金属块散热构件，包括冷却通水金属块(如铜块)6051和冷却水入口6053、冷却水出口6055。此应用例中，也具有绝热材料层607覆盖集热件601，以避免热的散逸，维持热电模块603高温端的温度。
此应用例的固定构件609包括一固定片6091和一锁固件6093。固定片6091设置于模块冷端散热构件605处，如跨置在冷却金属块6051上方，而锁固件6093(例如螺丝)则穿过固定片6091，使热电转换组件固定在高温物件外壁203上，此时模块冷端散热构件605、热电模块603、和集热件601受固定片6091的一下压力。应用例中，锁固件6093除了穿过固定片6091还可选择性地穿过集热件601而固定于高温物件外壁203上；或是令锁固件的底部接合于集热件601的表面，而集热件601底面也选用适当的界面材料如导热膏等与高温物件外壁203接合。其固定方式可视实际应用状况而定，本发明对此并不多作限制。
上述以一热电转换组件做实施例的说明，在实际应用时，可根据现场应用状况设置多组的实施例热电转换组件。以下提出设置多组热电转换组件时的其中一种应用态样。
请同时参照图7A～图7C，其绘示应用多组本发明实施例的热电转换组件的示意图。可应用的热源例如是高温炉壁或排烟道壁的外侧。根据现场热源条件如温度与单位面积热流量等，将热源区分为一个或数个区域。如图7A所示，此实施例的热电转换装置包括多个热电转换组件，以全面区域71或是以一单位区域72来看，以一m×n矩阵排列方式(m和n可为相等或不相等的正整数)设置在物件的高温表面(热源)上，且相邻的两热电转换组件相互隔开。然而矩阵排列仅为众多实施例之一，本发明并不以此排列方式为限；再者，相邻两热电转换组件也可相互连接或隔开，本发明对此也不多作限制。
图7B为图7A的一区域的局部放大图。图7C更为图7B的局部放大图。如图7B所示，一单位区域72内的热电转换装置例如是包括以5×3矩阵排列的多个热电转换组件作说明。在图7B中，显示单位区域72再细分为5×3个子区域73，每一子区域73中设置一热电转换组件(例如包括一集热件701、一热电模块和一模块冷端散热构件)。每一热电转换组件的各元件细部说明可参照前述图2C、图3和图5及其相关说明；而安装方式可参照前述图6及其相关说明。
如图7C所示，实际应用时，可将以金属或金属基复合材料(如铝碳复合材料)所构成集热件701安装紧贴高温物件外壁203(即热源如高温炉壁或排烟道壁的外侧)，集热件701尺寸介于其所分配到的热源的子区域73面积以及热电模块703面积尺寸之间。在一应用例中，整个加热炉壁宽度约10公尺，高度约3公尺，其表面可约略划分为每18.2cm×19.3cm的面积安装一组集热件701与热电模块703结构，集热件701可使用具有面积8cm×8cm，厚度5mm的单一集热块。上述尺寸设计仅为参考例之一，并非用以限缩本发明。具有通常知识者当可视实际应用的条件所需对该些设计作适当调整和变化。
<热电转换组件的相关实验>
以下在相同热源温度与热流量条件下分别对于无集热块结构(传统的热电模块)、铝合金集热块以及铝碳复合材料集热块(实施例的热电转换组件)三种热电转换组件的结构进行相关实验。实验中，均在热电模块上设置冷却铜块(即为实施例的模块冷端散热构件)，在改变冷却水流量条件下，量测模块冷热端温度差异与发电量。
图8A为一传统热电模块直接设置于热源外壁的简示图；其中热源外壁803上设置有热电模块805和水冷铜块806。图8B为实施例的一热电转换组件设置于热源外壁的简示图，其中以一铝合金集热块8041作为集热件。图8C为实施例的另一热电转换组件设置于热源外壁的简示图，其中以一铝碳复合材料(MMC)集热块8042作为集热件。
图9为三种热电转换结构在不同冷却水流量条件下，热电模块的冷热端温度变化曲线图。其中，Th1为无集热块的热电模块(图8A)的热端温度曲线，Tc1为无集热块的热电模块(图8A)的冷端温度曲线，ΔT1为无集热块的热电模块(图8A)的冷热端温差曲线。Th2为铝合金集热块的热电模块(图8B)的热端温度曲线，Tc2为铝合金集热块的热电模块(图8B)的冷端温度曲线，ΔT2为铝合金集热块的热电模块(图8B)的冷热端温差曲线。Th3为MMC集热块的热电模块(图8C)的热端温度曲线，Tc3为MMC集热块的热电模块(图8C)的冷端温度曲线，ΔT3为MMC集热块的热电模块(图8C)的冷热端温差曲线。
由图9的结果可以很明显看出，有集热块结构时，不论是铝合金集热块或MMC集热块，其热电模块冷热端温差ΔT2和ΔT3，皆大于未使用集热块的热电模块冷热端温差ΔT1。再者，由于铝碳金属基复合材料(MMC)的热传导系数更高于铝合金，使热电模块热端温度更高(Th3＞Th2)，对于扩大热电模块冷热端温差的效果更佳，因此ΔT3大于ΔT2。
图10为三种热电转换结构在不同冷却水流量条件下，单一热电模块的发电量变化曲线图。其中，P1为无集热块的热电模块(图8A)的发电量曲线，P2为铝合金集热块的热电模块(图8B)的发电量曲线，P3为MMC集热块的热电模块(图8C)的发电量曲线。由图10的结果同样发现集热块对于提升热电模块发电量的明显效果。当无集热块结构时(图8A)，单一热电模块最大发电量约为0.54W。加入铝合金集热块时(图8B)模块最大发电量则增加至约0.66W。而使用铝碳复合材料集热块时(图8C)，模块最大发电量进一步增加至约0.88W，较无集热块结构的模块提升约63％。
综合上述，实施例的热电转换组件采用高导热的集热件，如高导热性及高热扩散性的金属或金属基复合材料，作为热电模块热端基板与热源间的介质，通过集热件的高效率热传性能，将热源产生的单位面积热流量集中至热电模块的热端，增加通过模块的单位面积热流量(Q’)，并提升热电模块的热端温度，而增进热电转换效率η。因此实施例的热电转换组件，其单位面积热流量Q’与热电转换效率η皆可提高，使热电模块发电量P(＝Q’×η)将明显增加。相关实验也证明实施例具增进热电转换模块发电量与转换效率的效果。实施例中，集热件也可为截面积缩减的几何形状，如包括数片截面积缩减集热片堆叠而成、或是截面积缩减的单一集热块，将可更提升通过模块的单位面积热流量，进一步提高热电模块发电量。
综上所述，虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (11)
1.一种热电转换组件，设置在一物件的一高温表面上，该热电转换组件至少包括：
集热件(heat concentrator)，其具有底面和顶面，该底面与该物件的该高温表面接触，且该底面的一底面积小于该高温表面的一表面积；
热电模块(thermoelectric module)，其设置在该集热件的该顶面上；和
模块冷端散热构件(heat sink in cold-side)，其设置在该热电模块上。
2.如权利要求1所述的热电转换组件，其中该集热件的截面积随其高度而递减。
3.如权利要求1所述的热电转换组件，其中该集热件的该顶面具有一平台，与该热电模块相接合。
4.如权利要求1所述的热电转换组件，其中该集热件为一单一集热块体，且该单一集热块体的该底面的该底面积大于该顶面的一顶面积。
5.如权利要求1所述的热电转换组件，其中该集热件包括多个集热块体垂直堆叠而成，且该些集热块体的截面积随堆叠高度而递减。
6.如权利要求1所述的热电转换组件，其中该集热件的导热系数在100～1000W/mK之间，该集热件的材料包括金属及其合金、金属基复合材料或碳材。
7.如权利要求6所述的热电转换组件，其中该集热件的材料包括铜、铝、银、锌、镁、钛或其合金，金属基复合材料包括铜基、铝基、银基复合材料，或石墨片，其中金属基复合材料的基材其第二相包括陶瓷颗粒、钻石粉末、各种形式的碳纤维或发泡石墨。
8.如权利要求1所述的热电转换组件，还包括：
绝热材料层，设置于该物件的该高温表面上并覆盖该集热件，该绝热材料层为低导热陶瓷材料层、隔热棉层或多孔材。
9.如权利要求1所述的热电转换组件，其中该模块冷端散热构件为高表面积金属散热鳍片、高表面积发泡体、或是内通冷却液体的金属块。
10.如权利要求1所述的热电转换组件，还包括固定构件，该固定构件包括：
固定片，位于该模块冷端散热构件上；和
锁固件，穿过该固定片，并使该模块冷端散热构件、该热电模块、和该集热件受该固定片的一下压力，该锁固件固定于该物件的该高温表面上。
11.一种热电转换装置，包括：
多个热电转换组件，其中每该热电转换组件至少包括：
集热件，具有底面和顶面，该底面与该物件的该高温表面接触，且该底面的一底面积小于该高温表面的一表面积；
热电模块，设置在该集热件的该顶面上；和
模块冷端散热构件，设置在该热电模块上。
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