热电模块和热电交换装置的制作方法

本发明实施例涉及热电技术，尤其涉及一种热电模块和热电交换装置。

背景技术：

热电模块作为可直接实现电能与热能相互转换的一类电子器件，其体积小、重量轻、无噪音、高可靠性等优点使得热电模块的应用范围越来越广。

图1为一种常见热电模块的结构示意图。如图1所示，热电模块可包括上基板101、下基板102、和位于上基板101和下基板102间的热电结构，该热电结构可以包括至少一组热电元件103。至少一组热电元件103中每组热电元件可包括一个P型热电元件和一个N型热电元件。该至少一组热电元件103中各热电元件与上基板101的电极和下基板102的电极连接，各组热电元件中P型热电元件和N型热电元件交替连接。热电模块在运行过程的热能，即上基板101和下基板102存在温度差，因此上基板101和下基板102具有由于热应力产生的线性热膨胀。热电模块在高温环境中运行，则运行过程中各热电元件中还存在残余热应力，即该各热电元件还具有温度分布，因此，热电元件在该残余热应力的作用下还存在线性热膨胀。基板和热电元件的不同线性膨胀系数，使得基板与热电元件的线性热膨胀不同，从而使得热电模块整体产生变形。热电模块的整体变形使得热电元件产生机械扭力，并且位于上基板101和下基板102间距离中心最远的热电元件受到的机械扭力最大。

现有技术中，热电模块时常出现基板边缘的热电元件变形严重，易产生裂痕的问题，从而影响整个热电模块的使用寿命。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种热电模块和热电交换装置，以提高热电模块的使用寿命。

第一方面，本发明实施例提供一种热电模块，包括：上基板、下基板、 热电结构以及至少两个支撑柱；所述热电结构包括至少一组热电元件，每组热电元件包括一个P型热电元件和一个N型热电元件；

其中，所述上基板与所述下基板平行设置，所述至少两个支撑柱支撑在所述上基板和所述下基板之间的边缘位置，各组热电元件的P型热电元件和N型热电元件通过所述上基板的电极以及所述下基板的电极交替连接，所述支撑柱的材料为韧性材料。

根据第一方面，在第一种可能实现的方式中，所述至少两个支撑柱分别设置在所述上基板和所述下基板之间的距离所述热电结构的中心最远的位置。

根据第一方面的第一种可能实现的方式，在第二种可能实现的方式中，所述支撑柱为两个，所述两个支撑柱分别设置在所述上基板和所述下基板之间的对角顶点位置。

根据第一方面的第一种可能实现的方式，在第三种可能实现的方式中，所述支撑柱为四个，所述四个支撑柱分别设置在所述上基板和所述下基板之间的边缘顶点位置。

根据第一方面至第一方面的第三种可能实现的方式中任意一种，在第四种可能实现的方式中，所述支撑柱沿垂直于柱体轴向方向的横截面的面积小于所述热电结构中热电元件沿所述方向的横截面的面积。

根据第一方面至第一方面的第四种可能实现的方式中任意一种，在第五种可能实现的方式中，所述支撑柱的材料为可伐合金或氧化铝。

根据第一方面至第一方面的第五种可能实现的方式中任意一种，在第六种可能实现的方式中，所述支撑柱的两端分别与所述上基板和所述下基板焊接。

根据第一方面至第一方面的第六种可能实现的方式中任意一种，在第七种可能实现的方式中，所述上基板和所述下基板相背的表面上还设有金属层。

根据第一方面至第一方面的第七种可能实现的方式中任意一种，在第八种可能实现的方式中，所述热电元件的材料为碲化铋、碲化锑、硅锗或碲铅。

第二方面，本发明实施例还提供一种热电转换装置，包括：电源模块和热电模块；

所述电源模块与所述热电模块连接，以为所述热电模块提供电能；所述 热电模块为上述任一所述的热电模块。

第三方面，本发明实施例还提供一种热电转换装置，包括：热源模块和热电模块；

所述热源模块与所述热电模块连接，以为所述热电模块提供热能；所述热电模块为上述任一所述的热电模块。

本发明实施例提供的热电模块和热电交换装置，热电模块可包括上基板、下基板、热电结构、至少两个支撑柱，且该至少两个支撑柱支撑在上基板和下基板之间的边缘位置，且，该支撑柱的材料为韧性材料，因此支撑柱则可通过变形将热电模块运行过程中热电结构的热能进行消耗，可减小热电结构的热应力，减小支撑柱所在位置的机械扭力的大小，从而减小支撑柱由于其所在位置的机修扭力带来的裂痕，提高热电模块的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种常见热电模块的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种热电模块的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种热电模块的截面示意图；

图4为本发明实施例二提供的另一种热电模块的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的又一种热电模块的结构示意图；

图6为本发明实施例三提供的热电模块的结构示意图；

图7为本发明实施例三提供的热电模块的截面示意图；

图8为本发明实施例三提供的各支撑柱对应的温度梯度图；

图9为本发明实施例四提供的一种热电转换装置的结构示意图；

图10为本发明实施例五提供的一种热电转换装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明各实施例提供的热电模块，可应用于制冷、加热、发电与温度传感等各领域中，因此该热电模块可以设置于制冷设备、加热器、发电机或者温度传感设备中。

图2为本发明实施例一提供的一种热电模块的结构示意图。如图2所示，热电模块包括：上基板201、下基板202、热电结构203、至少两个支撑柱204。其中，支撑柱204的材料为韧性材料。

其中，上基板201和下基板202可以为绝缘基板，上基板201和下基板202的材料例如可以为陶瓷。热电结构203可包括热电元件。热电元件可称为热电素子。热电元件可为热电半导体。该韧性材料例如可以为韧性金属材料。

上基板201与下基板202平行设置。至少两个支撑柱204支撑在上基板201和下基板202之间的边缘位置。热电结构203包括至少一组热电元件，每组热电元件包括一个P型热电元件和一个N型热电元件；各组热电元件的P型热电元件和N型热电元件通过上基板201的电极以及下基板202的电极交替连接。

其中，电极例如可以为金属电极。

可选的，上基板201的电极和/或下基板202的电极还可连接电源使得上基板201的电极和下基板202的电极间产生电势，即具有电压差。上基板201电极和下基板202的电极间产生电势，可使得与各电极连接的热电元件模块中形成电流回路，由于珀尔贴效应，使得上基板201的电极和下基板202的电极中一个电极吸热，另一个电极放热，实现电能与热能的转换，进行制冷或加热。其中，一个电极可以是通过该一个电极所在的基板吸热，另一个电极可以是通过该另一个电极所在的基板放热。因此，该上基板201和下基板202中一个基板可以为冷基板，另一个基板可以为热基板。具体是上基板201还是下基板202作为热基板，可以是由热电结构中的电流方向，若电流方向 发生变化，则原冷基板可以为热基板，原热基板也可变为冷基板。

可替代地，上基板201的电极和下基板202的电极可输出电压，以将热能转化得到的电能输出。上基板201的电极与下基板202的电极存在温度差，即其中，一个电极的温度与另一个电极的温度不同。该一个电极温度可以是该一个电极所在基板吸热或放热后的温度。上基板201的电极与下基板202的电极间的温度差，使得与电极连接的热电模块中形成电流回路，由于赛贝克效应，使得上基板201的电极和下基板202的电极间产生电压差，即电势，实现热能到电能的转换，进行发电。热电模块进行发电可称为温差发电或者热能发电。

热电结构203可以为半导体结构，如热电结构203的热电元件为热电半导体，因此热电模块进行制冷可称为半导体制冷，热电模块进行加热可称为半导体加热，热电模块进行发电还可称为半导体发电。各组热电元件的P型热电元件和N型热电元件通过上基板201的电极以及下基板202的电极交替连接，指的是：相邻两个热电元件不同，该相邻两个热电元件可包括一个P型热元件和一个N型热电元件。其中，各组热带元件中相邻热电元件的间距可以相同。

该至少两个支撑柱204支撑在上基板201和下基板202之间的边缘位置，支撑柱的材料为韧性材料，支撑柱则可通过变形将热电模块在运行过程中热电结构的热能进行消耗，因此可减小热电结构203的热应力，减小热电结构203的热膨胀，减小支撑柱所在位置的机械扭力的大小，从而减小支撑柱由于其所在位置的机械扭力带来的裂痕。其中，该热电结构203的热能可以为热电模块运行过程中外部环境温度，使得热电结构203存在残余热应力所带来的热能。

本发明实施例一提供的热电模块，包括上基板、下基板、热电结构、至少两个支撑柱，且该至少两个支撑柱支撑在上基板和下基板之间的边缘位置，且，该支撑柱的材料为韧性材料，因此支撑柱则可通过变形将热电模块运行过程中热电结构的热能进行消耗，可减小热电结构的热应力，减小支撑柱所在位置的机械扭力的大小，从而减小支撑柱由于其所在位置的机修扭力带来的裂痕，提高热电模块的使用寿命。

可选的，该至少两个支撑柱204分别设置在上基板201和下基板202之 间的距离热电结构203的中心最远的位置。

图3为本发明实施例二提供的一种热电模块的截面示意图。如图3所示，支撑柱204可以为两个，两个支撑柱204分别设置在上基板201和下基板202之间的对角顶点位置。

图4为本发明实施例二提供的另一种热电模块的截面示意图。如图4所示，支撑柱204可以为四个，四个支撑柱204分别设置在上基板201和下基板202之间的边缘顶点位置。

可选的，支撑柱204沿垂直于柱体轴向方向的横截面的面积可以等于热电结构203中热电元件沿该方向的横截面的面积。

可选的，支撑柱204沿垂直于柱体轴向方向的横截面的面积，小于，热电结构203中热电元件沿该方向的横截面的面积。

若支撑柱204沿垂直于柱体轴向方向的横截面的面积小于热电模块203中热电元件沿该方向的横截面的面积，可以减小由于支撑柱与上基板201和下基板202间的单向热传输的方向相反的热通量，保证热电模块的性能，即保证热电模块的上基板201和下基板202的温度差。

同时，支撑柱204沿垂直于柱体轴向方向的横截面的面积较小，可使得支撑柱204的机械刚度更小，其变形更大，因而通过变形消耗的热能更多，使得热电结构203的残余热应力更小，减小残余热应力带来的热电模块的损坏，更好地保证热电模块的使用寿命。

可选的，支撑柱204的材料为可伐合金(KOVAR)或氧化铝(Alumina oxide)。该氧化铝可表示为三氧化二铝(Al₂O₃)。

可选的，支撑柱204的两端分别与上基板201和下基板202焊接。

可选的，本发明实施例二还提供又一种热电模块。图5为本发明实施例二提供的又一种热电模块的结构示意图。如图5所示，可选的，该图5的热电模块在上述实施例一或实施例二所述的热电模块的基础上，上基板201和下基板202相背的表面还设有金属层501。

其中，该金属层501可以为铜镍金镀层。上基板201的电极和下基板202的电极也可以为铜镍金镀层。

上基板201的金属层可便于上基板201其他元件焊接连接，下基板202的金属层501可便于下基板202其他元件焊接连接。

可选的，热电元件的材料为碲化铋(Bismuth Telluride)、碲化锑(antimony Telluride)、硅锗(SiGr)或碲铅(PbTe)。碲化铋可表示为Bi₂Te₃。碲化锑可表示为Sb₂Te₃。

本发明实施例二提供的多种热电模块，通过将支撑柱的横截面的面积减小，使得支撑柱的横截面的面积小于热电结构的热电元件的横截面的面积，减小支撑柱中的反向热通量，避免热基板的热量传递到冷基板，保证热电模块的性能，并且减小支撑柱的横截面的面积，可使得个支撑柱的机械刚度减小，变形更大，因而通过变形消耗的热能更多，使得热电结构中热电元件的残余热应力更小，减小残余热应力带来的热电模块的损坏，更好地保证热电模块的使用寿命。

需要说明的是，支撑柱和热电元件可以为矩形柱体，也可以为圆柱体、圆柱体或其他形状的柱体。虽然，本发明实施例一或实施例二中提供的各热电模块附图中每个支撑柱和每个热电元件的横截面为矩形，然，该每个支撑柱和该每个热电元件的横截面还可以为其他形状，如圆形、菱形等其他形状，本发明实施例不以此作为限制。

本发明实施例三还提供一种热电模块。图6为本发明实施例三提供的热电模块的结构示意图。图7为本发明实施例三提供的热电模块的截面示意图。如图6所示，热电模块可包括上基板601、下基板602、至少一组热电元件603和至少两个支撑柱604。其中，至少一组热电元件603中每组热电元件603包括一个P型热电元件和一个N型热电元件。至少两个支撑柱604中每个支撑柱604的材料为韧性金属，如可伐合金或铝合金。上基板601和下基板602的材料例如可以为陶瓷。上基板601和下基板602相背的表面上还设有电极605；上基板601和下基板602相背的表面上还设有金属层606。

上基板601与下基板602平行设置。至少两个支撑柱604支撑在上基板601和下基板602之间的边缘位置。

各组热电元件的P型热电元件和N型热电元件通过上基板201的电极和下基板202的电极交替连接。

上基板601和下基板602的表面可以为矩形，支撑柱604为四个。该四个支撑柱604分别设置在上基板601和下基板602之间的边缘定点位置。

支撑柱604沿垂直于柱体轴向方向的横截面的面积可小于各热电元件 603沿该方向的横截面的面积。

支撑柱604可以为横截面为矩形的柱体。举例来说，该热电元件603的横截面为边长是0.47毫米的正方形，因此，热电元件603的横截面的面积可以为0.22平方毫米。支撑柱604的横截面为边长是0.2毫米的正方形，因此，支撑柱604的横截面的面积可以为0.04平方毫米。

当热电元件603有电流时，该热电模块中上基板601和下基板602便产生温差，即生成温度梯度。该温度梯度可表示为△T。

图8为本发明实施例三提供的各支撑柱对应的温度梯度图。常见的热电模块，若包括42个碲化铋材料的热电元件，每个热电元件的横截面的面积为0.22平方毫米，则热电模块中两个基板间的温度可以为图8默认的支撑柱所对应的温度梯度如35.7度。可伐合金的导热性为30W/mK，氧化铝的导热性为17W/mK。如图8所示，若本发明实施例三中的热电模块的支撑柱为横截面为0.47mm×0.47mm，材料为可伐合金的支撑柱，则热电模块的上基板和下基板的温度梯度可以为如图8所示的19度。如图8所示，若本发明实施例三中的热电模块的支撑柱为横截面为0.47mm×0.47mm，材料为氧化铝的支撑柱，则热电模块的上基板601和下基板602的温度梯度可以为如图8所示的16度。

与现有的常见热电模块的温度梯度相比，材料为可伐合金或氧化铝，横截面为0.47mm×0.47mm的支撑柱的热电模块的温度梯度较小，为保证本发明实施三中的热电模块的温度梯度，保证热电模块的适用性。可降低支撑柱的横截面的面积。

如图8所示，若本发明实施例三中的热电模块的支撑柱为横截面为0.2mm×0.2mm，材料为可伐合金的支撑柱，则热电模块的上基板和下基板的温度梯度可以为如图8所示的28.5度。如图8所示，若本发明实施例三中的热电模块的支撑柱为横截面为0.2mm×0.2mm，材料为氧化铝的支撑柱，则热电模块的上基板和下基板的温度梯度可以为如图8所示的26.7度。

常见的热电模块在高温环境中运行过程的位移矢量和例如可以为1.346微米，则若本发明实施例三的热电模块中支撑柱的材料为可伐合金，则本发明实施例三的热电模块在高温环境中运行过程中的唯一矢量和可以为1.311微米，位移矢量和取得微弱减小。该常见的热电模块在高温环境中热电元件 的最大冯米塞斯应力例如可以为34616gf/mm²，则若本发明实施例三的热电模块中支撑柱的材料为可伐合金，则本发明实施例三的热电模块在高温环境中运行过程中热电元件的的最大冯米塞斯应力可以为31433gf/mm²。因此可知，韧性材料的支撑柱可使得支撑柱通过变形消耗残余热应力，从而使得本发明实施例三的热电模块中热电元件的冯米塞斯应力得到有效降低。

本发明实施例三提供的热电模块，由于至少两个支撑柱还分别设置在该上基板和下基板之间的边缘定点位置，该支撑柱的材料为韧性材料，因此支撑柱则可通过变形将热电模块运行过程中各热电元件的热能进行消耗，可减小热电元件的热应力，减小支撑柱所在位置的机械扭力的大小，从而减小支撑柱由于支撑柱所在位置的机修扭力带来的裂痕，提高热电模块的使用寿命。

本发明实施例四还提供一种热电转换装置。图9为本发明实施例四提供的一种热电转换装置的结构示意图。如图9所示，该热电转换装置900可包括电源模块901和热电模块902。电源模块901与热电模块902连接，以为热电模块902提供电能；热电模块902可以为本发明上述任一实施例中所述的热电模块。

该热电转换装置900可以为热电制冷器，热电取暖器等热能与电能的交换装置。热电模块902中电极还具有电源输入端，该电源输入端可与电源模块901连接，从而为热电模块提供电能，即为热电模块的热电元件提供驱动电流。该热电模块902用于制冷和取暖的区别在于该热电模块902的热电元件的电流方向不同。

本发明实施例四提供的热电转换装置，包括上述任一实施例所述的热电模块，有益效果与上述实施例类似，在此不再赘述。

本发明实施例五还提供一种热电转换装置。图10为本发明实施例五提供的一种热电转换装置的结构示意图。如图10所示，该热电转换装置1000可包括热源模块1001和热电模块1002。热源模块1001与热电模块1002连接，以为热电模块1002提供电能；热电模块1002可以为本发明上述任一实施例中所述的热电模块。

该热电转换装置1000可以为热电发电机，则该热电模块1002可用于发电，热电模块1002中基板还具有热源输入端，该热源输入端可与热源模块1001连接，从而为热电模块的热电元件连接的电极提供热能。

本发明实施例五提供的热电转换装置，包括上述任一实施例所述的热电模块，有益效果与上述实施例类似，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。