TWI744717B - 熱電溫差發電裝置及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種熱電溫差發電裝置，具有一第一鋁合金板、一第二鋁合金板、一吸熱層、一散熱層、一第一金屬邏輯線路層、一第二金屬邏輯線路層、複數個P型半導體以及複數個N型半導體。吸熱層形成在第一鋁合金板上，而散熱層形成在第二鋁合金板上。第一金屬邏輯線路層形成在吸熱層上，而第二金屬邏輯線路層形成在散熱層上。複數個P型半導體及複數個N型半導體交互排列，並固定於第一金屬邏輯線路層與第二金屬邏輯線路層之間，其中，散熱層的熱傳導係數大於吸熱層的熱傳導係數，以提升發電效率。此外，一種熱電溫差發電裝置製造方法亦在此揭露。

Description

熱電溫差發電裝置及其製造方法

本發明係一種溫差發電裝置及其製造方法，特別是有關於一種熱電溫差發電裝置及其製造方法。

現今社會是網際網路的時代，電腦、電視、家電等的發明，推動了現代文明，也加大了人們對於電力的需求。電力逐漸成為人們生活的必需品。電力的產生方式主要有：火力發電、太陽能發電、風力發電、核能發電、水利發電等。其中，熱電溫差發電裝置(thermoelectric conversion device)是一種具有熱與電兩種能量互相轉換特性之元件，由於其熱電轉換特性，因此具有致冷/加熱以及發電兩種應用領域。若對熱電溫差發電裝置通電，使元件兩端分別產成吸熱與放熱現象(稱為Peltier Effect)，則可應用在致冷或加熱的技術領域。若使熱電溫差發電裝置兩端分別處於不同溫度，則能令熱電溫差發電裝置輸出直流電(稱為Seebeck Effect)，因此可應用於發電技術領域。

然而，目前各種能源轉換設備所產生的電力只有利用到部分的原能量以轉換成電能，其餘大部分則以廢熱或廢能形式再次逸散到大氣中。如此大量的能量被無效的消耗循環也讓溫室效應加劇，其中工廠排熱應是最大宗的廢熱能來源。如能提升轉換效率，增加熱電溫差發電裝置的熱電轉換效率，將有助於回收大量的廢熱，減緩自然能源的消耗與環境的負擔。

本發明之一目的，在於提供一種熱電溫差發電裝置，以提升熱電轉換效率。

為了達成上述之目的，本發明係為一種熱電溫差發電裝置，具有一第一鋁合金板、一第二鋁合金板、一吸熱層、一散熱層、一第一金屬邏輯線路層、一第二金屬邏輯線路層以及交互排列的複數個P型半導體及複數個N型半導體。吸熱層形成在第一鋁合金板上，而散熱層形成在第二鋁合金板上。第一金屬邏輯線路層形成在吸熱層上，而第二金屬邏輯線路層形成在散熱層上。交互排列的複數個P型半導體及複數個N型半導體，固定於第一金屬邏輯線路層與第二金屬邏輯線路層之間，其中，散熱層的熱傳導係數大於吸熱層的熱傳導係數。

根據本發明之另一實施方式，一種熱電溫差發電裝置製造方法包含有，提供一第一鋁合金板及一第二鋁合金板，在第一鋁合金板上形成一吸熱層，另在第二鋁合金板 上形成一散熱層，在吸熱層上形成一第一金屬邏輯線路層，並在該熱層上形成一第二金屬邏輯線路層，以及提供交互排列複數個P型半導體及複數個N型半導體，並固定在第一金屬邏輯線路層及第二金屬邏輯線路層之間。

在一些實施例中，吸熱層係三氧化二鋁吸熱層，而散熱層係氮化鋁散熱層或石墨烯散熱層。

在一些實施例中，吸熱層的熱傳導係數約1至1200W/mK，而散熱層的熱傳導係數約2至5300W/mK。

在一些實施例中，第一金屬邏輯線路層包含有複數個第一金屬導體。第二金屬邏輯線路層包含有複數個第二金屬導體與第一金屬邏輯線路層之第一金屬導體交錯設置，以串聯P型半導體與N型半導體，一陰極焊墊連接於P型半導體其中之一，以及一陽極焊墊連接於N型半導體其中之一。

在一些實施例中，第一鋁合金板及第二鋁合金板的材料係鋁碳銅合金、鋁錳合金、鋁鎂合金、鋁鎂矽合金、鋁銅合金或鋁鋅合金，而第一金屬邏輯線路層及該第二金屬邏輯線路層係銅鎳金共晶線路、銅鎳錫共晶線路、銅銀錫共晶線路、鎳金共晶線路、鎳銀共晶線路、銀膠線路、碳膠線路、銅膠線路、石墨烯線路或銅線路所形成。

綜上所述，熱電溫差發電裝置可以藉由散熱層的熱傳導係數大於吸熱層的熱傳導係數，使熱電溫差發電裝置可以提供更佳的熱電轉換效率，不僅可以提升廢熱發電的能力，更能減少自然資源的消耗，降低地球環境的污染，提 供人類所需的潔淨電源。

100‧‧‧熱電溫差發電裝置

110‧‧‧第一鋁合金板

120‧‧‧第二鋁合金板

130‧‧‧吸熱層

140‧‧‧散熱層

150‧‧‧第一金屬邏輯線路層

156‧‧‧第一金屬導體

160‧‧‧第二金屬邏輯線路層

162‧‧‧陽極焊墊

164‧‧‧陰極焊墊

166‧‧‧第二金屬導體

170‧‧‧P型半導體

180‧‧‧N型半導體

200‧‧‧熱電溫差發電裝置製造方法

210~240‧‧‧步驟

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係根據本發明之一實施方式所繪示的一種熱電溫差發電裝置的剖面示意圖。

第2圖係根據本發明之另一實施方式所繪示的一種熱電溫差發電裝置的製造方法流程示意圖。

下文係舉實施例配合所附圖式進行詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。另外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件或相似元件將以相同之符號標示來說明。

另外，在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

於實施方式與申請專利範圍中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單一個或複數個。而步驟中所使用之編號僅係用來標示步驟以便於說明，而非用來限制前後順序及實施方式。

其次，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。

參閱第1圖及第2圖，第1圖係繪示熱電溫差發電裝置的剖面示意圖，而第2圖係繪示熱電溫差發電裝置的製造方法流程示意圖。

如第1圖所示，熱電溫差發電裝置100包括一第一鋁合金板110及一第二鋁合金板120、一吸熱層130及一散熱層140、一第一金屬邏輯線路層150及一第二金屬邏輯線路層160。其中，P型半導體170及N型半導體180可以利用焊錫固定於第一金屬邏輯線路層150及第二金屬邏輯線路層160之間，然本發明並不限定於此。

第1圖的熱電溫差發電裝置100兩端面分別處於不同溫度，其中第一鋁合金板110為吸熱端，第二鋁合金板120為散熱端，利用吸熱端與散熱端的溫度差異，可以輸出直流電。因此，熱電溫差發電裝置100可以使用於發電技術領域，且適合使用在低於100℃的廢熱的能量回收系統中。

在一些實施例中，吸熱層130是一絕緣材料所形成，舉例而言，導熱但不導電的材料所形成，例如是三氧化二鋁所形成。

在一些實施例中，散熱層140是一絕緣材料所形成，舉例而言，導熱但不導電的材料所形成，例如是氮化鋁或石墨烯散熱層所形成。

在一些實施例中，吸熱層130，相較於散熱層140，具有較低的熱傳導係數，例如是約1~1200W/mK。而散熱層140具有較高的熱傳導係數，例如是約2~5300W/mK。

熱阻(Thermal Resistance)係指電子封裝散熱領域中，用來決定電子元件散熱能力的評量標準。其代表熱量通過物體時，阻止熱流通過物體的能力，使得物體產生溫度差，所以不同材料與結構，均會影響熱阻的變化。

因此熱阻值的大小可以判斷及預測出電子元件的發熱狀況，當熱阻值越大，表示熱不容易傳遞，元件所產生的溫度高，散熱能力就差；反之，熱阻值越小，則散熱能力越好。

熱阻公式

Rth=△T/Q 公式(1)

其中，Rth：熱阻(K/W)

Q：熱傳率(W)

△T：溫度差(K)

將熱傳導之公式Q=kA(△T/△n)，其中，△n是空間變數(距離L)，代入熱阻公式中，可以得到一維熱傳導之熱阻，

Rth=L/k * A 公式(2)

其中，Rth：熱阻(K/W)

L：正向距離(m)

k：熱傳導係數(W/m-K)

A：熱傳導穿透之面積(m²)

因此，在傳遞熱功時於同等的厚度下，換言之在等距離的情況下，改變對等兩面，亦即吸熱層130與散熱層140，使用不對等的熱傳導係數材料，將使對等兩面產生溫度差，因此P-N半導體在SEEBACK效應下，就會有電子遷移現象，進而產生了所需的電流與電壓。

在一些實施例中，散熱層140的散熱係數大於吸熱層130的散熱係數。

在一些實施例中，吸熱層130上的第二金屬邏輯線路層160，更形成有一陰極焊墊164，連接於P型半導體170的至少其中之一，以及一陽極焊墊162，連接於N型半導體180的至少其中之一，以提供外部電子裝置所需的電源。其中，陽極焊墊162與陰極焊墊164一般形成於第二金屬邏輯線路層160的外側位置，亦即形成於第二金屬邏輯線路層160的第二金屬導體166的外側。

再同時參閱第1圖與第2圖，一種熱電溫差發電裝置製造方法200，當製作熱電溫差發電裝置100時，首先，步驟210，提供一第一鋁合金板110及一第二鋁合金板120。第一鋁合金板110及第二鋁合金板120可以是鋁碳矽合金、鋁鎂合金、鋁鎂矽合金、鋁銅合金或鋁鋅合金，其導熱係數大約在180-260W/mK，故相較於一般陶瓷具備有較高的傳熱 能力。

接著，步驟220，在第一鋁合金板110上形成一吸熱層130，另在第二鋁合金板120上形成一散熱層140，吸熱層130和散熱層140可以是導熱但不導電的絕緣層，其中，散熱層140的熱傳導係數大於吸熱層130的熱傳導係數。

然後，步驟230，在吸熱層130上形成第一金屬邏輯線路層150，另在散熱層140上形成第二金屬邏輯線路層160。第一金屬邏輯線路層150包含複數個間隔排列的第一金屬導體156，第二金屬邏輯線路層160則包含複數個間隔排列的第二金屬導體166，其中，第一金屬導體156及第二金屬導體166係呈交錯設置，以串聯P型半導體170以及N型半導體180。

在一些實施例中，第一金屬邏輯線路層150及第二金屬邏輯線路層160係銅鎳金共晶線路、銅鎳錫共晶線路、銅銀錫共晶線路、鎳金共晶線路、鎳銀共晶線路、銀膠線路、碳膠線路、銅膠線路、石墨烯線路或銅線路所形成。

步驟240，提供交互排列的複數個P型半導體170及複數個N型半導體180，串聯並固定於第一金屬邏輯線路層150及第二金屬邏輯線路層160之間，其可以利用焊錫或其他導電材料加以固定，其均不脫離本發明之精神與範圍。

綜上所述，藉由散熱層的熱傳導係數大於吸熱層的熱傳導係數，熱電溫差發電裝置可以提供更佳的熱電轉換效率，不僅可以提升廢熱發電的能力，更能減少自然資源的消耗，減緩地球環境的污染，提供人類所需的潔淨電源。

雖然本揭露已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本領域具通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧熱電溫差發電裝置

110‧‧‧第一鋁合金板

120‧‧‧第二鋁合金板

130‧‧‧吸熱層

140‧‧‧散熱層

150‧‧‧第一金屬邏輯線路層

156‧‧‧第一金屬導體

160‧‧‧第二金屬邏輯線路層

162‧‧‧陽極焊墊

164‧‧‧陰極焊墊

166‧‧‧第二金屬導體

170‧‧‧P型半導體

180‧‧‧N型半導體

Claims (10)

1. 一種熱電溫差發電裝置，包含：一第一鋁合金板；一第二鋁合金板；一吸熱層，形成在該第一鋁合金板上；一散熱層，形成在該第二鋁合金板上；一第一金屬邏輯線路層，形成在該吸熱層上；一第二金屬邏輯線路層，形成在該散熱層上；以及交互排列的複數個P型半導體及複數個N型半導體，固定於該第一金屬邏輯線路層與該第二金屬邏輯線路層之間，其中，該散熱層的熱傳導係數大於該吸熱層的熱傳導係數。
2. 如請求項1之熱電溫差發電裝置，其中該吸熱層係三氧化二鋁吸熱層，而該散熱層係氮化鋁散熱層或石墨烯散熱層。
3. 如請求項1之熱電溫差發電裝置，其中該吸熱層的熱傳導係數約1至1200W/mK，而該散熱層的熱傳導係數約2至5300W/mK。
4. 如請求項1之熱電溫差發電裝置，其中，該第一金屬邏輯線路層，包含，複數個第一金屬導體；以及該第二金屬邏輯線路層，包含： 複數個第二金屬導體，與該第一金屬邏輯線路層之該些第一金屬導體交錯設置，以串聯該些P型半導體與該些N型半導體，一陰極焊墊，連接於該些P型半導體其中之一，以及一陽極焊墊，連接於該些N型半導體其中之一。
5. 如請求項1之熱電溫差發電裝置，其中該第一鋁合金板及該第二鋁合金板的材料係鋁碳銅合金、鋁錳合金、鋁鎂合金、鋁鎂矽合金、鋁銅合金或鋁鋅合金，而該第一金屬邏輯線路層及該第二金屬邏輯線路層係銅鎳金共晶線路、銅鎳錫共晶線路、銅銀錫共晶線路、鎳金共晶線路、鎳銀共晶線路、銀膠線路、碳膠線路、銅膠線路、石墨烯線路或銅線路所形成。
6. 一種熱電溫差發電裝置製造方法，包含：提供一第一鋁合金板及一第二鋁合金板；在該第一鋁合金板上形成一吸熱層，另在該第二鋁合金板上形成一散熱層；在該吸熱層上形成一第一金屬邏輯線路層，並在該散熱層上形成一第二金屬邏輯線路層；以及提供交互排列複數個P型半導體及複數個N型半導體，並固定在該第一金屬邏輯線路層及該第二金屬邏輯線路層之間，其中，該散熱層的熱傳導係數大於該吸熱層的熱傳導係數。
7. 如請求項6之熱電溫差發電裝置製造方法，其中該吸熱層係三氧化二鋁吸熱層，而該散熱層係氮化鋁散熱層或石墨烯散熱層。
8. 如請求項6之熱電溫差發電裝置製造方法，其中該吸熱層的熱傳導係數約1至1200W/mK，而該散熱層的熱傳導係數約2至5300W/mK。
9. 如請求項6之熱電溫差發電裝置製造方法，其中，該第一金屬邏輯線路層，包含，複數個第一金屬導體；以及該第二金屬邏輯線路層，包含：複數個第二金屬導體，與該第一金屬邏輯線路層之該些第一金屬導體交錯設置，以串聯該些P型半導體與該些N型半導體，一陰極焊墊，連接於該些P型半導體其中之一，以及一陽極焊墊，連接於該些N型半導體其中之一。
10. 如請求項6之熱電溫差發電裝置製造方法，其中該第一鋁合金板及該第二鋁合金板的材料係鋁碳銅合金、鋁錳合金、鋁鎂合金、鋁鎂矽合金、鋁銅合金或鋁鋅合金，而該第一金屬邏輯線路層及該第二金屬邏輯線路層係銅鎳金共晶線路、銅鎳錫共晶線路、銅銀錫共晶線路、鎳金共晶線路、鎳銀共晶線路、銀膠線路、碳膠線路、銅膠線路、石墨烯線路或銅線路所形成。

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