TWI424595B

TWI424595B - 熱電模組

Info

Publication number: TWI424595B
Application number: TW100126409A
Authority: TW
Inventors: Wei Kuo Han; Chun Kai Liu
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2014-01-21
Also published as: TW201306334A

Description

熱電模組

本發明是有關於一種熱電模組，且特別是有關於一種具有可撓性且可應用於高溫、中溫或低溫裝置上的熱電模組。

由於能源短缺問題，再生能源技術的發展成為了重要議題。以汽車為例，引擎廢熱約佔車輛動力的三分之一。因此，若能利用排氣廢熱提供熱電溫差發電，則可以減少燃油的消耗。此外，工廠與家庭排放大量廢熱，若可有效地應用這些廢熱，除了能夠減少燃油的消耗，還可以降低廢熱對環境所造成的影響。因此，如何將廢熱回收重新利用亦為非常重要的課題。

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個N型熱電元件和一個P型熱電元件聯結成一個熱電對，然後將多個熱電對藉由多個金屬電極串聯連接以形成完整線路，並裝設於基板上，以構成熱電模組。之後，將此熱電模組與發熱源接觸，利用發熱源與外界的環境溫度所造成的溫度差來產生電流。

舉例來說，汽車引擎的廢熱藉由排氣管排出，因此將熱電模組貼附於排氣管上可將熱能轉換為電能。然而，在傳統的熱電模組中，基板通常為陶瓷板。由於陶瓷屬於剛性材料，因此所形成的熱電模組皆為平面的，使得熱電模組無法有效地貼合於曲面狀的排氣管上。此外，在例如高於600℃的高溫下，陶瓷板可能因為熱應力的影響而造成破裂或導致熱電元件自基板剝離，因而導致熱電模組失效。

為了解決上述問題，可採用塑膠或橡膠做為基板的材料，以使基板具有可撓性而能夠有效地貼附於曲面上。然而，塑膠或橡膠具有無法耐高溫的缺點，使得此類熱電模組無法應用於高溫裝置上。

本發明提供一種熱電模組，其具有可撓性且可應用於高溫、中溫或低溫裝置上。

本發明提出一種熱電模組，其包括網狀結構、多個P型熱電元件、多個N型熱電元件、多個絕緣體以及多個導電片。網狀結構包括多條網線。這些網線定義出多個網眼，且每一個網眼具有多個邊緣。P型熱電元件與N型熱電元件交替配置於網眼中。絕緣體套設於網線上，且配置於每一個網眼的至少一個邊緣上。每一個導電片配置於相鄰的P型熱電元件與N型熱電元件上，以串聯連接這些P型熱電元件與這些N型熱電元件。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之網狀結構例如由網線編織而成。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之網線包括多條經線和多條緯線。經線與緯線呈彼此垂直狀或非垂直狀，且網狀結構由經線和緯線連續且上下交錯地編織而成。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之網線的材料例如為金屬或合金。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之網狀結構例如為經鑽孔的金屬片或合金片。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之導電片例如以上下交替的方式配置於相鄰的P型熱電元件與N型熱電元件上。

本發明另提出一種熱電模組，其包括多個熱電元件對、多個導電片、多個絕緣體以及多條線。這些熱電元件對呈矩陣排列。每一個熱電元件對包括一個P型熱電元件與一個N型熱電元件。這些P型熱電元件與這些N型熱電元件彼此交替排列。導電片配置於熱電元件對的上表面，以及配置於相鄰的熱電元件對中的相鄰的P型熱電元件與N型熱電元件的下表面，以串聯連接這些P型熱電元件與這些N型熱電元件。絕緣體配置於相鄰的P型熱電元件與N型熱電元件之間，且套設於線上。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之線包括多條經線和多條緯線。經線與緯線呈彼此垂直狀或非垂直狀，且經線和緯線連續且上下交錯地編織成網狀結構。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之線的材料例如為金屬或合金。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之線例如彼此連接而形成金屬片或合金片。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之絕緣體的材料例如為陶瓷或披覆陶瓷的金屬。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之絕緣體的外形例如呈柱形或酒桶形。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之導電片的材料例如為金屬或合金。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之每一導電片的位於對應的P型熱電元件與對應的N型熱電元件之間的部分例如呈拱形。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之每一導電片例如包覆部分對應的P型熱電元件與部分對應的N型熱電元件。

依照本發明實施例所述之熱電模組，更包括配置於每一導電片上的絕緣層。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之絕緣層的材料例如為陶瓷。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之P型熱電元件與N型熱電元件的外形例如呈柱形。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之P型熱電元件與N型熱電元件的每一側壁上例如具有凹面。

依照本發明實施例所述之熱電模組，更包括黏著材料，其配置於每一導電片與對應的P型熱電元件以及對應的N型熱電元件之間。

依照本發明實施例所述之熱電模組，上述之黏著材料例如為焊料。

基於上述，在本發明的實施例中，熱電元件配置於可撓性網狀結構的網眼中並由導電片將這些熱電元件串聯連接，因此所構成的熱電模組可以有效地貼附於具有曲面的發熱裝置上。此外，由於熱電模組中的各元件(網線、絕緣體、導電片)皆具有耐熱性，因此熱電模組可應用於產生高溫、中溫或低溫的發熱裝置上而不會受損。

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。

在本文中，依據本領域技術人員所慣用，“高溫”表示高於600℃的溫度，“低溫”表示低於300℃的溫度，而“中溫”表示藉於高溫和低溫之間的溫度。此外，為了清楚說明，在以下的各圖式中繪示出熱電模組的局部。

圖1A為依照本發明一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。圖1B為沿圖1A中的I-I’剖線所繪示的熱電模組之剖面示意圖。在本實施例中，P型熱電元件與N型熱電元件的數量為示範例，並非用以限制本發明。

請同時參照圖1A與圖1B，熱電模組10包括網狀結構100、多個絕緣體102、多個P型熱電元件104、多個N型熱電元件106以及多個導電片108。網狀結構100包括多條網線100a。這些網線100a定義出多個網眼100b。在本實施例中，網狀結構100例如由這些網線100a編織而成。進一步說，如圖7所示，這些網線100a包括多條經線700和多條緯線702，且這些經線700與這些緯線702連續且上下交錯地編織成網狀結構100。在本實施例中，經線700與緯線702彼此垂直，而在其他實施例中，經線700與緯線702也可以彼此不垂直。此外，在本實施例中，經由編織網線100a而定義出的網眼100b較佳為四邊形，亦即每一個網眼100b具有四個邊緣。網線100a的材料為具有可撓性、高強度以及耐熱性的材料，其例如為金屬或合金。如此一來，由網線100a所編織出的網狀結構100可具有可撓性、高強度以及耐熱性。

此外，在另一實施例中，網狀結構100也可以為經開孔的金屬片或合金片。詳細地說，網狀結構100可以經由蝕刻或機械的方式在金屬片或合金片800鑽孔作為網眼100b而形成，如圖8所示。

請繼續參照圖1A與圖1B，絕緣體102套設於網線100a上，且這些絕緣體102配置於網眼100b的每一邊緣上。也就是說，每一個網眼的一個邊緣上套設有一個絕緣體102。在本實施例中，由於網眼100b的形狀為四邊形，因此網眼100b被四個絕緣體102所圍繞。絕緣體102的材料例如為耐熱材料，其可以是陶瓷或是表面披覆陶瓷的金屬。由於網狀結構100與絕緣體102皆例如為耐熱材料，且由於絕緣體102套設於網線100a上，因此當絕緣體102受到高溫而膨脹時，絕緣體102可在網線100a的延伸方向上產生位移，且因此在高溫之下可以避免絕緣體102因熱應力的影響而破裂損壞。在本實施例中，絕緣體102的外形例如呈圓柱形，而在其他實施例中，絕緣體102的外形也可以是酒桶形或其他的柱形。

P型熱電元件104與N型熱電元件106交替配置於網眼100b中，且藉由絕緣體102而彼此電性分離。P型熱電元件104與N型熱電元件106的外形例如呈柱形。在本實施例中，P型熱電元件104與N型熱電元件106的外形例如皆為四角柱。

P型熱電元件104與N型熱電元件106以導電片108電性連接，以將所有的P型熱電元件104與N型熱電元件106串聯連接。詳細地說，以緯線方向而言，導電片108依序以上下交替的方式配置於相鄰的P型熱電元件104與N型熱電元件106上表面與下表面，亦即第一個導電片108連接圖1A中左上方的第一個P型熱電元件104與第一個N型熱電元件106的上表面，而第二個導電片108連接右方的第二個P型熱電元件104與第一個N型熱電元件106的下表面，且第三個導電片108則連接第二個P型熱電元件104與右方的第二個N型熱電元件106的上表面。依此類推，這些導電片108使得相鄰的P型熱電元件104與N型熱電元件106彼此電性串聯。此外，在經線方向上，導電片108連接位於不同行的P型熱電元件104與N型熱電元件106。重要的是，不論在經線方向上或是在緯線方向上，這些導電片108皆是以上下交替的方式配置於相鄰的P型熱電元件104與N型熱電元件106上，以串聯連接這些P型熱電元件104與N型熱電元件106。

如此一來，當熱電模組10貼合於發熱裝置上時，例如貼合於汽車排氣管等，可藉由P型熱電元件104與N型熱電元件106將發熱裝置與外界的環境溫度所造成的溫度差轉換為電流，並透過與導電片108連接的線路(未繪示)將電流傳送至外部元件。換句話說，導電片108即為熱電模組10的電極。導電片108的材料例如為具有可撓性與耐熱性的導電材料，其可以是金屬或合金。此外，在導電片108與P型熱電元件104之間以及在導電片108與N型熱電元件106之間還可以配置黏著材料110。黏著材料110例如為焊料，亦即導電片108可經由焊接的方式接合至P型熱電元件104與N型熱電元件106上。

在本實施例中，由於P型熱電元件104與N型熱電元件106配置於網狀結構100的網眼100b中，且網狀結構100的網線具有可撓性，而用以串聯P型熱電元件104與N型熱電元件106的導電片108亦具有可撓性，因此熱電模組10可以有效地貼附於具有曲面的發熱裝置上。此外，由於熱電模組10中的各元件皆具有耐熱性，因此熱電模組10可應用於產生高溫的發熱裝置上而不會受損。

當然，熱電模組10除了應用於產生高溫的發熱裝置上，還可以應用於產生中溫或低溫的發熱裝置上。此外，當熱電模組10應用於產生中溫或低溫的發熱裝置上時，由於發熱裝置的溫度較低，熱電模組10中的金屬或合金材料亦可替換為熔點較低的材料(例如塑膠)。

此外，為了進一步提高熱電模組的可撓程度，導電片亦可具有彎曲增強部。圖2為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。在圖2中，與圖1A、1B相同的元件將以相同的標號表示。如圖2所示，在熱電模組20中，每一個導電片208可以呈拱形。如此一來，可以進一步提高導電片208的彎曲能力，且可避免導電片208因過於彎曲而斷裂。關於導電片彎曲後的示意圖，其與下文中的圖9相似，可參照圖9而得知導電片208彎曲後的形態。

另外，在另一實施例中，導電片亦可包覆部分對應的P型熱電元件與部分對應的N型熱電元件。圖3為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。在圖3中，與圖1A、1B相同的元件將以相同的標號表示。如圖3所示，在熱電模組30中，導電片308的二端例如呈帽狀，使得導電片308能夠包覆P型熱電元件104的上部與N型熱電元件的上部。

特別一提的是，在上述各實施例中，P型熱電元件104與N型熱電元件106的外形皆為四角柱，而在其他實施例中，P型熱電元件104與N型熱電元件106的外形可為其他的柱形(如圓柱形)。

圖4A為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。在圖4A中，與圖1A、1B相同的元件將以相同的標號表示。請參照圖4A，在本實施例中，熱電模組40A中的P型熱電元件404與N型熱電元件406的外形皆為圓柱形，且二端呈帽狀的導電片408a配置於相鄰的P型熱電元件404與N型熱電元件406上，以包覆P型熱電元件404與N型熱電元件406的上部。此外，導電片408a具有彎曲增強部的導電片。如圖9所示，當導電片408a彎曲時，位於P型熱電元件404與N型熱電元件406之間的拱形部分可以承受彎曲時所產生的應力，以避免導電片408a斷裂。當然，在其他實施例中，導電片408a亦可替換為二端呈圓形的條狀導電片。或者，導電片408a亦可替換為二端呈圓形且具有彎曲增強部的條狀導電片。

圖4B為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。在圖4B中，熱電模組40B中的P型熱電元件404與N型熱電元件406的設置方向與圖4A中的設置方向垂直，亦即圖4B中的P型熱電元件404與N型熱電元件406的軸向與圖4A中的P型熱電元件404與N型熱電元件406的軸向垂直。此外，長條狀的導電片408b配置於相鄰的P型熱電元件404與N型熱電元件406上。

此外，為了調整熱電元件與絕緣體之間的接觸外形來增加熱電元件受夾持的程度，熱電元件的側壁亦可為曲面。圖5為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。請參照圖5，熱電模組50與熱電模組10的差異在於：在熱電模組50中，P型熱電元件504與N型熱電元件506的每一個側壁上具有凹面。當然，在其他實施例中，P型熱電元件與N型熱電元件的每一個側壁上亦可具有凹面。

在上述各實施例中，導電片上亦可配置絕緣層。如圖6所示，以熱電模組50為例，絕緣層112配置於導電片108上。絕緣層112的材料例如為陶瓷。如此一來，當熱電模組貼合於具有導體材料的發熱裝置上時，可避免導電片與導體材料之間產生短路。

此外，絕緣體102的外形亦可隨熱電元件的外形而變化，並不限定於上述各實施例。

以下將描述本發明實施例的熱電模組的應用。以熱電模組應用於汽車的排氣管為例，本發明的可彎曲熱電模組可有效地貼合於汽車排氣管之彎曲管內壁上，但本發明並不限於此。

另外一提的是，由另一角度來看，本發明的熱電模組可包含多個熱電元件對、多個導電片、多個絕緣體以及多條線。以下將以圖1A與圖1B為例來作說明。

請參照圖1A與圖1B，熱電模組10包括多個熱電元件對、多個導電片108、多個絕緣體102以及多條線(即網線100a)。每一個熱電元件對包括一個P型熱電元件104與一個N型熱電元件106。這些熱電元件對呈矩陣排列。此外，這些P型熱電元件104與這些N型熱電元件106彼此交替排列。導電片108配置於這些熱電元件對的上表面，以及配置於相鄰的熱電元件對中的相鄰的P型熱電元件104與N型熱電元件106的下表面，以串聯連接這些熱電元件對。另外，絕緣體102配置於相鄰的P型熱電元件104與N型熱電元件106之間，且套設於線上。

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、20、30、40A、40B、50．．．熱電模組

100．．．網狀結構

100a．．．網線

100b．．．網眼

102．．．絕緣體

104、404、504．．．P型熱電元件

106、406、506．．．N型熱電元件

108、208、308、408a、408b．．．導電片

110．．．黏著材料

112．．．絕緣層

700．．．經線

702．．．緯線

800．．．金屬片或合金片

圖1A為依照本發明一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。

圖1B為沿圖1A中的I-I’剖線所繪示的熱電模組之剖面示意圖。

圖2為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。

圖3為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。

圖4A為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。

圖4B為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。

圖5為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。

圖6為依照本發明另一實施例所繪示的熱電模組之立體示意圖。

圖7為依照本發明一實施例所繪示的網狀結構的上視示意圖。

圖8為依照本發明另一實施例所繪示的網狀結構的上視示意圖。

圖9為圖4A中的熱電模組經彎曲後的側視示意圖。

10．．．熱電模組

100．．．網狀結構

100a．．．網線

100b．．．網眼

102．．．絕緣體

104．．．P型熱電元件

106．．．N型熱電元件

108．．．導電片

110．．．黏著材料

Claims

一種熱電模組，包括：一網狀結構，包括多條網線，該些網線定義出多個網眼，且每一網眼具有多個邊緣；多個P型熱電元件與多個N型熱電元件，交替配置於該些網眼中；多個絕緣體，套設於該些網線上，且該些絕緣體配置於每一網眼的至少一邊緣上；以及多個導電片，每一導電片配置於相鄰的該P型熱電元件與該N型熱電元件上，以串聯連接該些P型熱電元件與該些N型熱電元件。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該網狀結構由該些網線編織而成。
如申請專利範圍第2項所述之熱電模組，其中該些網線包括多條經線和多條緯線，該些經線與該些緯線呈彼此垂直狀或非垂直狀，且該網狀結構由該些經線和該些緯線連續且上下交錯地編織而成。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該些網線的材料包括金屬或合金。
如申請專利範圍第4項所述之熱電模組，其中該網狀結構為經鑽孔的金屬片或合金片。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該絕緣體的材料包括陶瓷或披覆陶瓷的金屬。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該絕緣體的外形呈柱形或酒桶形。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該些導電片的材料包括金屬或合金。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中每一導電片的位於對應的P型熱電元件與對應的N型熱電元件之間的部分呈拱形。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中每一導電片包覆部分對應的P型熱電元件與部分對應的N型熱電元件。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，更包括一絕緣層，配置於每一導電片上。
如申請專利範圍第10項所述之熱電模組，其中該絕緣層的材料包括陶瓷。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該些P型熱電元件與該些N型熱電元件的外形呈柱形。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該些P型熱電元件與該些N型熱電元件的每一側壁上具有凹面。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，更包括一黏著材料，配置於每一導電片與對應的P型熱電元件以及對應的N型熱電元件之間。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該黏著材料為銲料。
如申請專利範圍第1項所述之熱電模組，其中該些導電片以上下交替的方式配置於相鄰的該些P型熱電元件與該些N型熱電元件上。
一種熱電模組，包括：多個熱電元件對，呈矩陣排列，每一熱電元件對包括一P型熱電元件與一N型熱電元件，其中該些P型熱電元件與該些N型熱電元件彼此交替排列；多個導電片，配置於該些熱電元件對的上表面，以及配置於相鄰的該些熱電元件對中的相鄰的該P型熱電元件與該N型熱電元件的下表面，以串聯連接該些P型熱電元件與該些N型熱電元件；多個絕緣體，配置於相鄰的該P型熱電元件與該N型熱電元件之間；以及多條線，該些絕緣體套設於該些線上。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該些線包括多條經線和多條緯線，該些經線與該些緯線呈彼此垂直狀或非垂直狀，且該些經線和該些緯線連續且上下交錯地編織成網狀結構。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該些線的材料包括金屬或合金。
如申請專利範圍第20項所述之熱電模組，其中該些線彼此連接而形成金屬片或合金片。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該絕緣體的材料包括陶瓷或披覆陶瓷的金屬。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該絕緣體的外形呈柱形或酒桶形。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該些導電片的材料包括金屬或合金。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中每一導電片的位於對應的P型熱電元件與對應的N型熱電元件之間的部分呈拱形。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中每一導電片包覆部分對應的P型熱電元件與部分對應的N型熱電元件。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，更包括一絕緣層，配置於每一導電片上。
如申請專利範圍第27項所述之熱電模組，其中該絕緣層的材料包括陶瓷。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該些P型熱電元件與該些N型熱電元件的外形呈柱形。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該些P型熱電元件與該些N型熱電元件的每一側壁上具有凹面。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，更包括一黏著材料，配置於每一導電片與對應的P型熱電元件以及對應的N型熱電元件之間。
如申請專利範圍第18項所述之熱電模組，其中該黏著材料為銲料。