本发明涉及热电模块，更具体的，涉及一种具有更高容错性和输出特性的热电模块。
背景技术：
热电模块在设备中可用于冷却、加热或发电。热电模块都是固态的，没有移动部件，所以它们通常比同等机械系统更轻、更小、声音更安静。热电模块通常用于要求高可靠性和长使用寿命的应用领域中。例如，包括一个或多个热电模块的热电发电机可用于向位于远程或难以进入的位置的设备提供低维护电力供应。如此，热电设备也是对环境友好的并且相对便宜，例如，通过消除频繁更换电池的需要。
一般来说，标准热电模块对模块内单个组件的故障不能容忍。例如，由于标准热电模块中的热电元件串联连接，任何一个组件或连接一对组件的任何电互连件的开路故障将导致整个模块的完全故障。具有高容错性的模块可以带来高可靠性和长使用寿命。
为了提高热电模块的容错性，在模块内提供一个或多个旁路电路以绕过一个或多个损坏或发生故障的热电元件的方法是已知的。例如，
wo9522188公开了一种用于热电冷却器的容错热电装置电路。响应于一个或多个热电元件的故障，使用旁路电路内的传感器和开关激活主旁路电路或辅旁路电路。
us3632451公开了一种热电设备，其具有在相等的电势点处互连的并联电路，每个并联电路包括多个串联电连接的热电偶(热电偶)。这使得热电设备对电路中任何一个组件的故障具有容忍性。
然而，与标准热电模块相比，即使在发生故障之前，具有改进的容错性的已知热电模块通常具有显著降低的输出或性能特性。例如，具有改进的容错能力的已知热电发电机通常产生显著降低的输出电压，这可能难以有效地将设备与其所需的电气系统连接，或者低输出功率不足以达到其目的。
技术实现要素：
本发明的第一个方面，提供一种热电模块，包括：多个串联电连接以提供穿过热电模块的主电气通路的热电偶，每个热电偶包括一个n型热电元件和一个p型热电元件；至少一个并联连接到所述主电气通路的一部分的分路电气通路，所述主电气通路的一部分包括至少一个n型和/或一个p型热电元件；其中，一个特定分路电气通路的电阻小于所述主电气通路的电阻，并且超过与所述特定分路电气通路并联连接的所述主电气通路的一部分的电阻。
因此，本发明的至少一个分路电气通路提供了用于在部分主电气通路(例如热电元件)发生故障的情况下电流流通的替代电气通路，分路电气通路是与部分主电气通路并联的。这提高了热电模块的容错性。
有利地，通过基于主电气通路的电阻和与给定分路电气通路并联的部分主电气通路的电阻来具体选择分路电气通路的电阻，本发明披露的热电模块确保在发生故障之前模块的输出(例如输出功率)只有很小的下降，并且在发生一个或多个故障后，性能只会降低很少。
例如，如果分路电气通路的电阻低于与给定分路电气通路并联的部分主电气通路的电阻，则电流将主要流过分路电气通路而不是主电气通路，影响模块的性能。
此外，如果分路电气通路的电阻太高，那么在发生故障时，由于通过分路电气通路的电流非常低，模块的性能可能会受到显着影响。本发明的发明人已经发现，如果分路电气通路的电阻小于主电气通路的电阻(即，小于通过热电模块的总电阻)，则在发生故障的情况下，模块的性能不受显著限制。因此，本发明提供了具有改进的性能特征的容错热电模块。
在与至少一个分路电气通路并联的部分主电气通路内的组件发生故障的情况下，部分主电气通路的电阻趋于无穷大，因此电流将自动地通过现在具有比部分主电气通路的电阻更低电阻的分路电气通路。
与已知的容错热电模块相比，因为在分路电气通路内不需要任何开关或复杂的电路，本发明因此可以更节约成本并且制造简单。此外，由于分路电气通路是无需阈值电压的无源元件，因此可以在任何操作条件下以高可靠性为一系列模块设计提供容错性。
所述至少一个分路电气通路可以包括细长的导电元件，例如导线。可选地，所述至少一个分路电气通路可以包括至少一个电阻器。在一些实施例中，分路电气通路可以包括附加的电路组件。
可选地，一个特定分路电气通路的电阻rs满足下列公式：
其中，rmain为主电气通路的电阻，rportion为与特定分路电气通路并联连接的所述主电气通路的一部分的电阻。
可选地，至少一个分路电气通路可以与n型和/或p型热电元件中的一个相连接，由此防止热电元件失效和/或保护其到主路径的电连接。
在一些实施例中，至少一个分路电气通路可以与多个热电偶中的一个并联连接。这比为每个热电元件提供分路电气通路可能更具成本效益且易于制造。
可选地，分路电气通路可以与多个热电偶中的每一个并联连接。如果热电模块中的任意一个热电偶发生故障，这可能是有利的，相应的分路电气通路可以进行工作以维持模块的性能。
可选地，至少一个分路电气通路可以与主电气通路的一部分并联连接，主电气通路的一部分包括至少两个热电偶。因此，单个分路电气通路可以与多个热电偶并联连接。这在主电气通路易于发生故障的部分中可能是特别有利的。例如，这些分路电气通路可以用于在与单个热电偶连接的主分路电气通路发生故障的情况下提供次分路电气通路。
热电模块可以包括至少一个基板。多个热电偶和至少一个分流电同路可以设置在所述至少一个基板上。至少一个基板的使用可能是有利的，因为基板可以为热电模块提供机械支撑和/或可以从任何外表面电绝缘隔离热电偶。
可选地，所述至少一个基板可以包括陶瓷或聚合物材料或本质上由陶瓷或聚合物材料组成。所述基板可以包括薄膜基板。所述至少一个基板可以包括聚合物材料，或者本质上由其组成，例如，聚酰亚胺比如
所述至少一个分路电气通路可以使用任何合适的方式设置在基板上或基板中。在一些实施例中，所述至少一个分路电气通路可以至少部分地印制到所述至少一个基板上，或者经由其他物理或化学沉积技术设置在其上或其中。或者，所述至少一个分路电气通路可被焊接到所述至少一个基板上。
可选地，热电模块可以包括底部基板和顶部基板。n型热电元件和p型热电元件可以设置在底部基板和顶部基板之间。在一些实施例中，至少一个分路电气通路可以设置在底部基板和/或顶部基板上。
多个热电偶以及每个热电偶的n型热电元件和p型热电元件可以通过多个电互连件串联电连接。可选地，所述多个电互连件可以包括印制在所述至少一个基板上或以其他方式设置在所述至少一个基板上或基板中的多个电线和/或电连接件。
在一些实施例中，所述电互连件可以被设置在底部基板和/或顶部基板上或底部基板和/或顶部基板中。
可选地，所述至少一个分路电气通路可以具有比所述多个电互连件低的电阻率。另外地，至少一个分路电气通路可以具有比所述多个电互连件的横截面面积更小的横截面面积。
在一些实施例中，n型热电元件和p型热电元件可以直接串联电连接(即，不需要任何电互连件)。
本发明的第二个方面，提供一种热电发电机，包括至少一个基于本发明的第一方面的任意实施例所述的热电模块。
本发明的第三个方面，提供一种热电冷却器或热电加热器，包括至少一个基于本发明的第一方面的任意实施例所述的热电模块。
本发明的第四个方面，提供一种热电模块的制造方法，例如，基于本发明的第一方面的任意实施例所述的热电模块，所述方法包括：电连接多个n型热电元件和p型热电元件以形成串联电连接的多个热电偶，从而提供穿过热电模块的主电气通路；以及将至少一个分路电气通路并联连接到所述主电气通路的一部分，所述主电气通路的一部分包括n型热电元件和/或p型热电元件中的至少一个；其中给定分路电气通路的电阻小于主电气通路的电阻并且超过与所述特定分路电气通路并联连接的所述主电气通路的一部分的电阻。
所述方法还可以包括将至少一个分路电气通路设置在一个基板上或基板中，例如，底部基板和/或顶部基板。
可选地，所述方法可以包括将多个热电偶设置在底部基板和顶部基板之间的步骤。
附图说明
现将参照附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是现有技术中标准热电模块的侧视图；
图2是图1中所示的热电模组的电气原理图；
图3是根据本发明的一些实施例所示的一个热电模组的电气原理图；
图4是根据本发明的一些实施例所示的一个热电模组的电气原理图；
图5是根据本发明的一些实施例所示的一个热电模组的侧视图；
图6a是现有技术中标准热电模块除去顶部基板以及在顶部基板上的电互连件的平面图；
图6b是在图6a中缺少的顶部基板的平面图，可查看设置在顶部基板上的电互连件；
图7是根据本发明的一些实施例所示的一个热电模块的底部基板、电互连件以及分路电气通路的平面图；
图8是根据本发明的一些实施例所示的一个热电模块的底部基板、电互连件以及分路电气通路的平面图；
图9是根据本发明的一些实施例所示的与两个电互连件相连接的热电模块的分路电气通路的平面图；
图10是根据本发明的一些实施例所示的与两个电互连件相连接的热电模块的分路电气通路的平面图。
具体实施方式
图1是现有技术中公知的标准热电模块100的侧视图。热电模块100包括底部基板101、设置在底部基板101上的电互连件102、n型热电元件104、p型热电元件103以及设置在顶部基板111上的电互连件102。电互连件102串联连接n型热电元件104和p型103热电元件，从而形成一连串电连接的热电偶。
热电模块100可以与外部电源电连接，以提供电冷却或电加热，或者在温差之间热连接以产生电力。
图2中示出了图1中的热电模块的电气示意图。热电元件103和104，及与其接口相连接的电互连件102可分别由等效电路203和204表示，包括电压源(vp或vn)和电阻(rp或rn)。电压源(vp或vn)取决于热电元件两端的温差。电互连件102由包括电阻rt的等效电路202表示。如果热电元件203、204或其与电互连件102连接的接口中任意一个发生故障(由此产生开路或非常大的电阻)，则将导致整个模块100的故障。
如果提供额外的电分流路径，如在本发明中那样，通过为电流提供可选的连续电气通路，一个组件出现故障后仍然可以保持模块的其余部分的大部分性能。
图3是根据本发明的一些实施例所示的热电模块300的电气原理图。
在图3中，通过串联连接的每个热电元件303、304的蛇形路径(等同于图2中的路径)示出了通过热电模块300的主电气通路。分路电气通路305分别由电阻器rs表示。在该示例中，每个分路电气通路提供了到主电气通路的一部分的可选电气通路，包括n型热电元件和p型热电元件304、303和另一个基板上的电互连件302。通过电互连件302连接的每个n型和p型热电元件304、303可以被定义为热电偶。因此，图3中的每个分路电气通路305并联连接到多个热电偶中的一个。
实际上，在热电模块中热电元件303、304或其与电互连件相连接的接口经常发生故障。如果在图3中这些部件中的一个失效，则电流还可以从可选电气通路通过分路电气通路305，由此防止整个装置发生故障。另外，在另一基板(即本例中的顶部基板)上的电互连件302发生故障的情况下，分路电气通路305提供了到主电气通路的可选电气通路。
图4是根据本发明的一些实施例所示的热电模块400的电气原理图。在本示例中，n型热电元件404和p型热电元件403仍然通过多个电互连件402串联连接。具有电阻rs的分路电气通路405与热电偶并联连接，如图3所示。
与图3中所示的单个热电偶相反，具有电阻rs′的附加分路电气通路405'并联连接到两个热电偶。因此，如果这两个热电偶中的任意一个发生故障，电流将流经分路电气通路405'而不是流经主电气通路的一部分，来通过发生问题的热电偶。如果模块中有大量的热电偶，这可能是特别有利的，因为这将降低制造成本，并且在单个热电偶出现故障的情况下，多个热电偶的损失将对模块的整体性能产生较小的影响。
可选地，分路电气通路405'可以并联连接到两个以上的热电偶。在其他实施例中，分路电气通路405'可以并联连接至一个或多个分路电气通路405，从而在主分路电气通路发生故障的情况下形成次级分路电气通路。
分路电气通路305、405、405'的引入将导致热电模块的性能下降。例如，如果图3中的热电模块用作发电机，假设外部负载与热电模块匹配，则每个热电偶将在外部负载上产生(vn+vp)/2的电压降，并且(vn+vp)/2横跨由电互连件和热电元件组成的内部电阻。在典型的模块中，与(n型和p型)热电元件相比，电互连件的电阻较低，即
rt<rn
rt<rp
因此，假设rt＝0，利用欧姆定律(v＝ir)，在没发生故障的情况下，流经热电偶的电流大体上等于：
ic≈(vn+vp)/2(rn+rp)
而流经分路电气通路的电流大体上等于：
is≈(vn+vp)/2rs
输出至负载的功率与其两端的电压(假定的常数)以及通过它的电流成正比，因此热电模块的输出功率，p，与以下数据成正比：
pαic-is
pα(rs-(rn+rp))/rs/(rn+rp)
因此，在分路电气通路与单个热电偶并联的示例中，为了在故障发生之前使模块的输出功率最大化，必须使(rs-(rn+rp))最大化。这导致要求rs>(rn+rp)，即，分路电气通路的电阻大于形成热电偶的n型和p型热电元件的电阻，以便引入的分路电气通路在发生故障之前不会对模块的性能产生显着影响。
在一些实施例中，分路电气通路的电阻rs可以优选地大于热电偶电阻(rn+rp)的两倍。在一些实施例中，分路电气通路的电阻可以优选地大于热电偶电阻(rn+rp)的十倍。
如果与分路电气通路并联连接的热电元件或电互连件失效(即，图3中的任何热电元件303、304)，则理想地，分路电气通路也不应当显着地限制整体的性能模块。为了满足这种条件，分路电气通路的电阻(rs)应小于沿着主电气通路通过模块的电阻(rmain)。
例如，如果在模块中有a个热电偶，并且电互连件的影响(即，rt)再次被忽略，一个热电偶发生故障之后的功率输出部分与发生故障前的功率输出相比大致由下式给出：
a(rn+rp)/(a(rn+rp)+rs-(rn+rp))由于电阻的增加。
为了限制这种功率损耗，分路电气通路的电阻必须满足以下条件：
rs<a(rn+rp)
结合上述条件，这将导致下列公式：
(rn+rp)<rs<a(rn+rp)(1)
这些条件都可以在具有多个热电偶的模块中被满足(即，a>1)。
如图4所示，分路电气通路不必为单个热电偶提供替代电气通路，而是可以为多个热电偶提供分流路径，即b个热电偶，其中b是大于或等于2的整数。在这种情况下，公式1被修改为：
b(rn+rp)<rs<a(rn+rp)(2)
为了确保用于加热或冷却的热电模块的高性能，将应用类似条件。分路电气通路上的条件可以概括为包括分路电气通路，分路电气通路提供绕过任意数量的热电偶或热电元件的替代电气通路，并且包括电互连件的电阻不能被忽略的情况(即，rt不足以小到近似为0)。
通常，分路电气通路的期望电阻rs可以与通过模块的主电气通路的电阻rmain和分路电气通路所并联连接的部分主气电路径的电阻rportion相关。期望的电阻必须满足条件：
rportion<rs<rmain(3)
为确保整个热电模块在故障发生之前和发生单次故障后的最佳性能，应尽可能强烈地满足这两个条件。因此，例如当每个分路电气通路并联连接到包括大量热电偶的模块中的单个热电偶时，rmain/rportion较大时可能是最有利的。
在优选的实施例中，为了在故障之前和之后同时实现模块的最佳性能，rs的范围可以更小，由以下给出：
0.5(rportion+(rportion+rmain)0.5)<rs<5(rportion+(rportion+rmain)0.5)(4)
本发明的发明人已经确定公式4有助于最小化组件发生故障之前和之后的模块性能损失。在一些实施例中，故障发生之后比故障发生之前具有更大的性能损失(例如，输出功率)可能是有利的，因为不能保证会发生故障。
图5是根据本发明的一些实施例所示的热电模块的侧视图。如图1所示，所述模块包括底部基板501和顶部基板511。多个n型热电部件504和p型热电元件503热电元件以交替布置的方式设置在基板501和511之间。
n型热电元件504和p型热电元件503以串联电连接以通过设置在底部基板501和顶部基板511上的多个电互连件502来形成穿过所述模块的主电气通路。在该示例中，热电偶被定义为通过设置在顶部基板上的电互连件502而连接的n型热电元件504和p型503热电元件。
电互连件502可以由任何导电材料制成。可选地，电互连件502可以印制在底部基板501和顶部基板511上。
在图5中，多个分路电气通路505被设置在底部基板501上。分路电气通路505电连接到设置在底部基板501上或其中的相邻的电互连件502。因此，如图3所示，每个分路电气通路505与一个热电偶并联连接。
分路电气通路505可以与电互连件502同时布置在底部基板501之上或之中。可选地，分路电气通路505可以由与电互连件502相同的材料或相似的材料组成。分路电气通路505的厚度可以与电互连件502的厚度不同。
分路电气通路505可以在底部基本501上通过直接键合金属敷接来形成，包括但不限于铜，银或铝。可选地，分路电气通路505具有保护性表面层以避免扩散、降解或氧化，例如镍层。分路电气通路可通过印刷工艺或其他形式的物理或化学沉积而设置在底部基板上。
图6a是现有技术中标准热电模块(例如，图1中的模块)没有顶部基板的平面图。图6a示出了布置在底部基板601上的多个n型热电元件604和p型热电元件603以及电互连件602。通过这些模块的主电气通路由路径610表示。
图6b是相应的顶部基板611的平面图，其中基板被描绘为透明的以示出设置在顶部基板611上的电互连件602的布置，这对于完成图6a中所示的n型热电元件604和p型热电元件603之间的一系列电气连接是必需的，即完成主电气通路610。实际上，顶部基板611不一定是透明的。
图7是根据本发明的一些实施例所示的热电模块的底部基板701(例如，图3中的模块)的平面图。布置在底部基板701上的多个电互连件(电互联结构702电连接到布置在底部基板701上的分路电气通路705上。分路电气通路705可以与电互连件702具有相同的宽度和/或厚度，或者它们可以与电互连件702具有不同的宽度和/或厚度。
在一些实施例中，分路电气通路可以仅在模块的最容易发生故障的区域中提供替代(例如旁路)电气通路。例如，如图8所示的示例性底部基板801，连接在电互连件802之间的分路电气通路805可仅用于分流位于模块边缘附近(例如，接近底部基板801的周边)的热电偶。
在一些实施例中，分路电气通路可以存在于一个或两个基板(例如底部和/或顶部基板)中或上。在其他实施例中，分路电气通路可以不设置在基板中或基板上。可选地，分路电气通路可以存在于使设置在其上的电互连件最不可能发生故障的基板中或基板上，例如，在使用中更接近环境温度的基板。
如在图3中所示的例子那样，如果分路电气通路并联连接到一个热电偶及其电互连件，则公式3中的第一个条件rs>rportion变为rs>rn+rp+rt。对于高性能容错热电模块，电互连件的电阻(rt)应远低于热电材料的电阻(rn，rp)，即rt<rn+rp。因此，分路电气通路的电阻rs应该比电互连件的电阻rt大得多，以确保模块的输出不受分路电气通路的显著影响。
在本发明的一个实施例中，分路电气通路由电阻率低于电互连件的电阻率的导电材料制成。
然而，使用具有与电互连件的电阻率相类似的电阻率的导电材料来制造分路电气通路可能是有利的。例如，这可以简化处理或减少制造步骤。因此，由于组件的几何形状的不同，可以产生分路电气通路与电互连件之间所需的电阻差异。
与电互连件相比，分路电气通路可以在与电流垂直方向上明显更小的横截面面积。例如，图5示出了可以使用厚度小于电互连件502的分路电气通路505。图7还示出分路电气通路705可以比电互连件702更窄。
另外地，与电互连件的电阻相比，通过增加电流流过的分路电气通路的长度(在发生故障的情况下)，分路电气通路可以增加其电阻。例如，如图9所示，分路电气通路905可以包括在电互连件902之间的蛇形通路。分路电气通路可以被配置为遵循包括一个或多个弯曲的任何曲折路径，例如，螺旋通道或前面描述的蛇形通道。
另外地，如图10所示，分路电气通路1005可以不通过电互连件1002之间的最短距离连接，由此也可以增加分路电气通路1005的长度。
在一些实施例中，分路电气通路的电阻率可以不同于(例如高于)电互连件的电阻率，并且分路电气通路的横截面面积可以低于电互连件的横截面面积。
以上实施例仅作为示例来描述。在不脱离本发明的情况下可以有多种变化。