专利名称：可模块化的热电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热电装置，其包括与热源和冷源接触的热电腿。每个腿包括传导元件。不同热电性质的传导元件彼此连接以形成热电偶。
背景技术：
图I示出了热电偶模块的传统结构。每个热电偶I由一对腿2a和2b形成，腿2a和2b由不同性质的传导材料制作且由内部金属连接件3经它们的端部之一彼此连接。腿2a通常由P型材料制造，并且腿2b通常由N型材料制造，典型地为P型和N型硅。这样的一对也可称为热电对。
该模块通常包括多个热电偶1，由连接金属连接件4a串联电连接。末端金属连接件4b、4c位于串联热电偶I的端部以提供模块的电连接。形成热电腿2a和2b的传导材料或元件是不同热电性质的。不同热电性质材料的意思是能够形成热电偶的不同化学成分的材料或者由具有不同掺杂类型的相同材料制成的材料。热电模块可用在塞贝克效应或珀尔帖效应的模式中。模块包括温度为Th的热端储存器5和温度为Tf的冷端储存器6。储存器5和6分别设置在热电偶I两侧的连接件3处和连接件4a处。在塞贝克模式中，模块由热端5和冷端6之间的温度梯度产生电能。该模式也称为发电机模式。在珀尔帖模式中，在模块的末端上施加电流能在热端5和冷端6之间产生温度梯度。该模式也称为冷却模式。热电模块的效率实际上取决于所用的材料、其几何形状以及使用的环境。因此，传统的模块可优化为用于冷却模式或优化为用于发电机模式，但从不能同时优化为用于二者。
发明内容
本发明的目的是提供简单紧凑的热电装置，其能根据需要既在塞贝克模式下又能在珀尔帖模式下以最佳方式运行。这些目的可通过以下方案实现，一种热电装置，包括第一和第二腿，该第一和第二腿均具有与第一表面接触的第一端和与第二表面接触的第二端。第一和第二腿分别包括连续延伸在第一和第二表面之间的第一和第二传导元件。第一和第二腿分别包括连续延伸在第一和第二表面之间的第三和第四传导元件。第三传导元件相邻于第一传导元件且通过绝缘体与第一传导元件隔开。第四传导元件相邻于第二传导元件且通过绝缘体与第二传导元件隔开。该装置还包括选择部件，其能使第一热电偶由第一和第二传导元件形成，并且使第二热电偶由第三和第四传导元件形成。
通过下面对本发明特定实施例的描述，本发明其它的优点和特征将更加清楚易懂，本发明的特定实施例仅为非限定示例的目的且表示在附图中，其中图I示出了根据现有技术的热电模块；图2示出了塞贝克模式中由热电装置产生的电功率与腿截面的曲线图；图3示出了珀尔帖模式中由热电装置产生的热能与腿截面的曲线图；图4示意性地示出了根据本发明的一般热电装置；
图5和6示出了根据本发明装置的第一实施例的腿；图7示出了包括两个图6的腿的热电装置，两个腿由电连接元件连接；图8和9示出了图7中装置的电连接元件的可替代实施例；图10示出了根据本发明的装置的第二实施例；图11和12是图10中装置的电连接元件的截面图；图13至21示出了制造图10的装置的方法的步骤；图22是图11的连接元件在一制造步骤中的截面图；图23是图22的步骤的可替代实施例的截面图；以及图24和25是图12的连接元件在制造步骤中的截面图。
具体实施例方式可通过将其几何形状适应于使用条件以及所希望的运行模式来优化热电装置。通过热电学和热力学的一般方程获得的模型可用于确定最佳的几何形状。下面根据图I的模块描述一研究实例。其重点在于装置在塞贝克模式下的优化不同于在珀尔帖模式下的优化。表I同时列出了这次模拟中所用的热电装置的电学参数、热学参数和几何参数。为了定义装置的环境，热交换器设置在装置和冷端储存器6之间。热交换器的特性也在表I中示出。第一类参数(温度)是热端5的温度Th和冷端6的温度Tf，单位为开尔文(Kelvin)。第二类参数定义了材料的固有特性，诸如形成腿的导电材料的塞贝克系数S、热导率、以及电阻率P，以及基质(即，腿之间的电绝缘材料)的热导率XMT。第三类表征了装置的几何形状，即腿的数量n (热电偶的数量等于N=n/2)、腿的高度L、在本实例中由边尺寸为b的方形定义的腿的截面积Anp (Anp=b2)、在相邻两个腿之间的距离d以及其上分布有腿的可用面积Ate。表I
权利要求
1.一种热电装置，包括第一腿和第二腿(2a、2b),该第一腿和第二腿(2a、2b)具有与第一表面(5)接触的第一端以及与第二表面(6)接触的第二端，该第一腿和第二腿分别包括连续延伸在该第一表面和第二表面之间的第一传导元件和第二传导元件(8a、8b)， 其特征在于，该第一腿和第二腿(2a、2b)分别包括连续延伸在该第一表面和第二表面之间的第三传导元件和第四传导元件(8c、8d)，该第三传导元件(Sc)相邻于该第一传导元件(8a)且通过绝缘体(9)与该第一传导元件隔开，并且该第四传导元件(8d)相邻于该第二传导元件(Sb)且通过绝缘体(10)与该第二传导元件隔开， 并且，该热电装置包括选择部件，该选择部件能使该第一传导元件和第二传导元件(8a、8b)形成第一热电偶且使该第三传导元件和第四传导元件(8c、8d)形成第二热电偶。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，该第一传导元件和第三传导元件(8a、8c)由热电性质相同的材料形成，并且该第二传导元件和第四传导元件(8b、8d)由热电性质相同的材料形成。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该选择部件包括在该第一腿和第二腿(2a、2b)的外表面上的可移动连接兀件(3),该第一腿(2a)的该外表面暴露该第一传导兀件和第三传导元件(8a、8c)，并且该第二腿(2b)的该外表面暴露该第二传导元件和第四传导元件(8b、8d)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该第一传导元件和第三传导元件(8a、8c)为同心圆柱体，并且该第二传导元件和第四传导元件(8b、8d)为同心圆柱体。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该可移动连接元件(3)包括由可变形且导电的材料制造的中央部分(3d)。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该可移动连接元件(3)包括与该第一腿(2a)接触的第一部分(3a)以及与该第二腿(2b)接触的第二部分(3b)，该第一部分和第二部分彼此可相对运动。
7.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，该第一传导元件和第二传导元件(8a、8b)具有第一截面积(Anpl)，并且该第三传导元件和第四传导元件(8c、8d)具有与该第一截面积(Anpl)不同的第二截面积(Anp2X
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该选择部件包括 连接该第一传导兀件和第二传导兀件(8a、8b)的第一金属层(13a), 与该第一金属层电绝缘的且连接该第三传导元件和第四传导元件(8c、8d)的第二金属层(13b )，以及 切换部件(14、T1、T2)，用以将该第一金属层和第二金属层中的一个或另一个连接在电路(V+、V-)中。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该第一传导元件和第二传导元件(8a、8b)的该第一截面积(Anpl)的尺寸设为适合于珀尔帖和塞贝克两种效应的其一者，并且该第三传导元件和第四传导元件(8c、8d)的该第二截面积(Anp2)的尺寸设为适合于该两种效应的另一者。
10.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，该第一传导元件(8a)包括设置在该第三传导元件(Sc)两侧上的两个部分，并且该第二传导元件(Sb)包括设置在该第四传导元件(8d)两侧上的两个部分。
全文摘要
本发明涉及一种热电装置，其包括连续延伸在第一和第二热源(5、6)之间的第一和第二接触件(2a、2b)。第一和第二接触件分别包括第一和第二传导元件(8a、8b)以及第三和第四传导元件(8c、8d)。第一和第三传导元件(8a、8c)相邻且由绝缘体(9)隔开。第二和第四传导元件(8b、8d)相邻且由绝缘体(10)隔开。该装置还包括选择部件，其能使第一热电偶由第一和第二传导元件(8a、8b)形成且使第二热电偶由第三和第四传导元件(8c、8d)形成。
文档编号H01L35/32GK102971879SQ201180033152
公开日2013年3月13日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年5月5日
发明者G.萨维利, P.科罗内尔, M.普利森尼尔 申请人:原子能和代替能源委员会