专利名称：热电转换模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电转换模块，尤其涉及一种利用致冷器与温差发电器的热电转换模块。
背景技术：
目前，致冷器已广泛应用于航太工业领域中的航空器或太空舱，以及日常生活上的冰水机、小型冰箱、汽车冷暖坐垫或宠物冷暖床垫等消费性产品中，其原理早在公元1834 年由法国表匠Jean Charles Athanase Peltier发布的珀尔帖效应(Peltier Effect)中提出说明，珀尔帖效应用来解释电流可以产生温差的一种物理现象。请参阅图1，其为致冷器的内部结构与作用方式示意图。如图1所示，致冷器1包含第一绝缘体11、第二绝缘体 12、多个N型半导体13、多个P型半导体14以及多个金属导体15。该第一绝缘体11与第二绝缘体12的材料为可导热材料，其中第一绝缘体11连接一热源，例如CPU芯片101，而第二绝缘体12连接一散热装置102，用以将热量导出致冷器1。每一 N型半导体13与P型半导体14由半导体材料，例如碲化铋，所制而成热电偶，其接头端连接金属导体15且相互交错排列设置而连成电耦对，再者，第一绝缘体11及第二绝缘体12分别与对应的金属导体 15连接，当前述电路电性连接直流电源10(DC power source)时，直流电源10所提供的电流I将由N型半导体13流向P型半导体14的接头端并吸收第一绝缘体11的热量，而使第一绝缘体11成为相对的冷端(TC)，反之，当电流I由P型半导体14流向N型半导体13的接头端时，则将热量释放到第二绝缘体12，而使第二绝缘体12成为相对的热端(TH)，如此便能将热量由第一绝缘体11移转到第二绝缘体12而达到热量转移的目的，其中，致冷器1 的绝缘体吸热或放热由电流I的方向决定，而吸热及放热的能量大小则由电流I的大小来决定。由上述可知，当致冷器由直流电源供电后，第一绝缘体会吸收热源热量，以降低热源的温度，而使第一绝缘体成为冷端，并根据珀尔帖效应将热量转移至第二绝缘体，而使第二绝缘体成为热端，进而使致冷器两端产生一冷热温差的效果。再者，热量会经由设置于第二绝缘体的散热装置导离致冷器，以达到维持致冷器两端温差的目的。此外，由于一般致冷器的产品其最大温差值(ATmax)可以达到摄氏62°C，且当冷热两端温差太大或热端的温度过高时会造成致冷器的崩坏，可见散热装置在致冷器的应用上扮演一个不可或缺的角色，然而，依据目前的设计与应用，致冷器的散热装置除了需要依照热源的强弱来调整尺寸的大小，还需要外加风扇来帮助散热，所以需要额外的耗电，且通常散热装置具有刚性、体积大、占空间以及重量较重的缺陷，因而导致致冷器的应用范围受到限制。
发明内容
本发明的目的为提供一种热电转换模块，其以温差发电单元替换致冷单元热端的散热装置，用以使温差发电单元两端的温差产生电流(根据塞贝克效应(Seekick Effect))，进而达到降低致冷单元热端的温度以及散热的目的，同时可以利用废热发电，并解决公知致冷单元需配置散热装置而衍生体积大、占空间、重量较重以及应用受限的缺陷。为达上述目的，本发明的较广义实施方式为提供一种热电转换模块，包括第一绝缘导热体；第二绝缘导热体；致冷单元，具有第一表面及第二表面，其分别贴附于第一绝缘导热体与第二绝缘导热体；温差发电单元，具有第一表面及第二表面，其分别贴附于第一绝缘导热体与第二绝缘导热体；以及整流单元，电性连接于致冷单元及温差发电单元；其中， 致冷单元电性连接一直流电源并由直流电源供电，致冷单元由第一绝缘导热体或第二绝缘导热体的一相对冷端将第一热量传递至一相对热端，并使第一绝缘导热体与第二绝缘导热体产生一温度差，且该温度差使温差发电单元由相对热端将第二热量回传至相对冷端，其中第二热量小于等于第一热量，且温差发电单元产生一电流至致冷单元，以形成热电循环回路。为达上述目的，本发明的另一较广义实施方式为提供一种热电转换模块，包括一第一绝缘导热体；一第二绝缘导热体；一致冷单元，具有一第一表面及一第二表面，其分别贴附于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体；一温差发电单元，具有一第一表面及一第二表面，其分别贴附于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体；以及一整流单元，电性连接于该致冷单元及该温差发电单元；其中，该致冷单元电性连接一直流电源并由该直流电源供电，该致冷单元由该第一绝缘导热体将一第一热量传递至该第二绝缘导热体，使该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体产生一温度差，且该温度差使该温差发电单元由该第二绝缘导热体将一第二热量回传至该第一绝缘导热体，其中该第二热量小于等于该第一热量， 且该温差发电单元产生一电流至该致冷单元，以形成一热电循环回路。本发明的热电转换模块以温差发电单元替换致冷单元热端的散热装置，用以使温差发电单元两端的温差产生电流(根据塞贝克效应)，进而达到降低致冷单元两端的温度差与其热端的温度以及散热的目的，同时可以利用废热发电，并解决公知致冷单元需配置散热装置而衍生体积大、占空间、重量较重以及应用受限的缺陷，另外，由于不用外加风扇来辅助散热，因此不需要额外的耗电，进而节省电力与物料成本。
233a:第一半导体的第一连结端234,334 第二半导体234b 第二半导体的第二连结端235’ 致冷单元的第一接脚236’ 致冷单元的第二接脚对、34:温差发电单元242 温差发电单元的第二表面243a 第三半导体的第一连结端244、；344 第四半导体244b 第四半导体的第二连结端M6:第五导电元件M7:第六导电元件335，致冷单元的第一接脚345’ 温差发电单元的第一接脚I、I1- I3:电流D2 第二二极管SCR2 第二硅控整流器H2 第二热量H4:第四热量V12 第一输出接脚V22:第二输出接脚Tc 冷端L:导线
具体实施例方式体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，然其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。请参阅图2A，其为本发明第一较佳实施例的热电转换模块示意图。如图2A所示， 热电转换模块2包括第一绝缘导热体21、第二绝缘导热体22、致冷单元23、温差发电单元 M以及整流单元25。其中，致冷单元23，具有第一表面231及第二表面232，其分别贴附于第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22。温差发电单元24，具有第一表面241及第二表面对2，其也分别贴附于第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22。整流单元25，电性连接于致冷单元23及温差发电单元24。于本实施例中，致冷单元23电性连接一直流电源20， 并由直流电源20供电，致冷单元23由第一绝缘导热体21或第二绝缘导热体22的一相对冷端T。将第一热量H1传递至一相对热端TH，并使第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22 产生一温度差Δ T，且该温度差Δ T使温差发电单元M由相对热端Th将第二热量H2回传至相对冷端Tc，其中第二热量吐小于等于第一热量H1,且温差发电单元M产生一电流I1至致冷单元23，以形成一热电循环回路。
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233b 第一半导体的第二连结端 234a 第二半导体的第一连结端 235 第一导电元件
236第二导电元件
237第三导电元件
241 温差发电单元的第一表面 243,343 第三半导体 243b 第三半导体的第二连结端 244a 第四半导体的第一连结端 M5:第四导电元件 246'温差发电单元的第二接脚 25,35 整流单元 336’ 致冷单元的第二接脚 346’ 温差发电单元的第二接脚 D1 第一二极管 SCR1 第一硅控整流器 H1 第一热量 H3 第三热量 V11 第一输入接脚 V21 第二输入接脚 Th 热端 Δ T 温度差
于一些实施例中，当致冷单元23电性连接一直流电源20且由该直流电源20供电时，致冷单元23将由第一绝缘导热体21传递第一热量H1至第二绝缘导热体22，以使第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22产生一温度差Δ T，其中第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22分别为相对冷端与相对热端。此外，由于温差发电单元M的第一表面241及第二表面242分别贴附于第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22，因此温差发电单元M 可以作为致冷单元23的散热装置，通过该温度差ΔΤ使温差发电单元M由第二绝缘导热体22将第二热量压回传至第一绝缘导热体21，其中第二热量吐小于等于第一热量H1，此时该温差发电单元23会利用部分第二热量H2产生一电流I2并通过整流单元25传递至致冷单元23，剩余的热量，也即第三热量H3,则回流至第一绝缘导热体21，其中第三热量H3小于第二热量H2,进而形成一热电循环回路。致冷单元23因于外加电源作用下可从第一绝缘导热体21转移第一热量H1至第二绝缘导热体22，因此第一绝缘导热体21除了接收回流的第三热量H3外，可再从外部取得不足的热量，例如第四热量Η4(也即Η4 = Η1-Η3)，进而使热电转换模块2可以应用于降低与第一绝缘导热体21的贴附物或其周围环境的温度。于本实施例中，第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22的材料为绝缘导热材料，例如陶瓷材料，但不以此为限。请参阅图2Β并配合图2Α，其中图2Β为本发明图2Α的内部结构与作用方式示意图。如图2Α及图2Β所示，于本实施例中，致冷单元23包含第一半导体233，例如P型半导体，及第二半导体234，例如N型半导体，其分别具有第一连结端233^23 及第二连结端 233b,234b,且第一半导体233与第二半导体234分别设置于第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22之间；第一导电元件235连接于第一半导体233的第一连结端233a且贴附于第一绝缘导热体21 ；第二导电元件236连接于第二半导体234的第一连结端23 且贴附于第一绝缘导热体21 ；以及第三导电元件237分别连接于第一半导体233的第二连结端23 与第二半导体234的第二连结端234b，以使第一半导体233与第二半导体234连接成电耦对，并且贴附于第二绝缘导热体22。温差发电单元M包含第三半导体M3，例如P型半导体，及第四半导体M4，例如N 型半导体，其分别具有第一连结端243aJMa及第二连结端M!3b、244b，且第三半导体243 与第四半导体244分别设置于第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22之间。其中，第四导电元件245连接于第三半导体243的第一连结端且贴附于第一绝缘导热体21 ’第五导电元件246连接于第四半导体M4的第一连结端且贴附于第一绝缘导热体21 ；以及第六导电元件247分别连接于第三半导体M3的第二连结端对北与第四半导体M4的第二连结端M4b，以使第三半导体243与第四半导体M4连接成电耦对，并且贴附于第二绝缘导热体22。整流单元25包含第一二极管D1，该整流单元25具有第一输入接脚V11以及第一输出接脚V12，其中，第一输入接脚V11 (连接第一二极管D1的阳极)经由导线L连接于温差发电单元M的第二接脚对6’ (连接第五导电元件M6)，而第一输出接脚V12 (连接第一二极管01的阴极)经由导线L连接于致冷单元23的第一接脚235’(连接第一导电元件235)。 于本实施例中，P型及N型的半导体材料可为碲化铋，但不以此为限。请再参阅图2B，当致冷单元23电性连接一直流电源20时，例如第一接脚235’经由导线L连接直流电源20的正极(+)，而第二接脚236’经由导线L连接直流电源20的负极(_)，以形成一电流回路，也就是说，电流I1由直流电源20的正极⑴流出，经导线L流入第一导电元件235，再依序流经第一半导体233、第三导电元件237、第二半导体234以及第二导电元件236，最后经导线L流回直流电源20的负极(_)，以形成一电流回路。根据珀尔帖效应，电流I1经第一半导体233 (也即P型半导体)流向第二半导体234 (也即N型半导体)会释放热量，以使第一绝缘导热体21的第一热量H1经致冷单元23传递至第二绝缘导热体22，因而使第一绝缘导热体21成为相对冷端(温度为T。)，且使第二绝缘导热体22 成为相对热端(温度为Th)，进而使第一绝缘导热体21与第二绝缘导热体22产生一温度差 ΔΤ。再者，根据塞贝克效应，当该温度差Δ T使温差发电单元M将第二绝缘导热体22的第二热量吐回传至第一绝缘导热体21时，温差发电单元23会将部分的第二热量吐转换成电能，也即产生一电流12，并通过第一输入接脚V11流入整流单元25，经整流单元25整流后， 由第一输出接脚V12流出并流入致冷单元23，剩余的热量，也即第三热量H3,则回流至第一绝缘导热体21，其中第三热量H3小于第二热量H2，以形成一热电循环回路。于本实施例中， 温差发电单元M的第三半导体243 (也即P型半导体)，其多数载流子为带正电的空穴，而第四半导体244(也即N型半导体)的多数载流子为带负电的电子，因此该温度差ΔΤ可使温差发电单元M的第一表面241与第二表面242产生一极性为正的端电压。于一些实施例中，通过更换直流电源20与致冷单元23电性连接的极性，例如第一接脚235’(连接第一导电元件23 经由导线L连接直流电源20的负极(_)，而第二接脚 236’(连接第二导电元件236)经由导线L连接直流电源20的正极(+)，可使致冷单元23 的冷热端互换且该温度差Δ T可使温差发电单元M的第一表面241与第二表面242产生一极性为负的端电压。于一些实施例中，致冷单元23与温差发电单元M的第一半导体233 及第三半导体243可为N型半导体，而第二半导体234及第四半导体244可为P型半导体， 但不以此为限。当致冷单元23电性连接一直流电源20时，第一绝缘导热体21形成一相对热端Th且第二绝缘导热体22形成一相对冷端Τ。，而其余各自运作原理相似，于此不再赘述。请参阅图3，其为本发明第二较佳实施例的热电转换模块的内部结构与作用方式示意图。如图3所示，本实施例的热电转换模块3其主要结构与第一实施例大致上相同。 于本实施例中，致冷单元33包含多个第一半导体333，例如P型半导体，及多个第二半导体 334，例如N型半导体，其分别交错排列设置且连成多个电耦对。温差发电单元34包含多个第三半导体343，例如P型半导体，及多个第四半导体344，例如N型半导体，其也分别交错排列设置且连成多个电耦对。整流单元35包含多个二极管，例如第一二极管D1及第二二极管D2,以及多个硅控整流器，例如第一硅控整流器SCR1及第二硅控整流器SC&，该多个二极管及多个硅控整流器相互电性连接，以使整流单元35形成第一输入接脚Vn、第二输入接脚V21、第一输出接脚V12以及第二输出接脚V22，其中，第一输入接脚V11与温差发电单元34 的第二接脚；346’电性连接；第二输入接脚V21与温差发电单元34的第一接脚345’电性连接；第一输出接脚V12与致冷单元33的第一接脚335’电性连接；以及第二输出接脚V22与致冷单元33的第二接脚336’电性连接，其系用以达到整流的功能。当致冷单元33电性连接一直流电源30时，例如第一接脚335’电性连接直流电源 30的正极(+)，第二接脚336’电性连接直流电源30的负极(_)，根据珀尔帖效应，致冷单元 33的两端会产生一温度差Δ T，而根据塞贝克效应，该温度差ΔΤ使温差发电单元34产生一电流13，并经整流单元35整流后流入致冷单元33，以形成一热电循环回路，进而达到热量转移、降低致冷单元33两端的温度差ΔΤ以及使致冷单元33散热的目的。请再参阅图2，根据本发明的构想，本发明的热电转换模块2可应用于例如汽车坐垫、冷暖床垫等，且不以此为限。当本发明的热电转换模块2应用于汽车坐垫时，由于致冷单元23的热端(温度为Th)无需使用刚性的散热器进行散热，取而代的的是温差发电单元 24，因此除了可以使热电转换模块2体积变小、应用变广外，更可利用废热发电，以提供致冷单元23的电源使用。除此之外，虽部分的余热回流至第一绝缘导热体21会略为降低致冷单元23的效率，但仍能保持致冷单元23可以降低相对冷端(Tc)的温度的功能，因而可以在无须外加风扇辅助散热的条件下，达到对贴附物或冷端所处环境的温度降温或升温的效果。于一些实施例中，任何现有或即将被发明的致冷单元33或温差发电单元34的内部结构与其作动原理在此都可并入参考，其都未脱离本发明技术特征所欲保护的范围。综上所述，本发明的热电转换模块以温差发电单元替换致冷单元热端的散热装置，用以使温差发电单元两端的温差产生电流(根据塞贝克效应)，进而达到降低致冷单元两端的温度差与其热端的温度以及散热的目的，同时可以利用废热发电，并解决公知致冷单元需配置散热装置而衍生体积大、占空间、重量较重以及应用受限的缺陷，另外，由于不用外加风扇来辅助散热，因此不需要额外的耗电，进而节省电力与物料成本。纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由本领域普通技术人员任施匠思而为诸般修饰，都不脱如附权利要求所欲保护的范围。
权利要求
1.一种热电转换模块，包括一第一绝缘导热体； 一第二绝缘导热体；一致冷单元，具有一第一表面及一第二表面，其分别贴附于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体；一温差发电单元，具有一第一表面及一第二表面，其分别贴附于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体；以及一整流单元，电性连接于该致冷单元及该温差发电单元；其中，该致冷单元电性连接一直流电源并由该直流电源供电，该致冷单元由该第一绝缘导热体或该第二绝缘导热体的一相对冷端将一第一热量传递至一相对热端，并使该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体产生一温度差，且该温度差使该温差发电单元由该相对热端将一第二热量回传至该相对冷端，其中该第二热量小于等于该第一热量，且该温差发电单元产生一电流至该致冷单元，以形成一热电循环回路。
2.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体分别为相对冷端与相对热端或相对热端与相对冷端。
3.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该温差发电单元作为该致冷单元的散热装置。
4.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该温差发电单元利用部分该第二热量产生该电流，并通过该整流单元传递该电流至该致冷单元，剩余的热量构成一第三热量，回流至该第一绝缘导热体，其中该第三热量小于该第二热量。
5.如权利要求4所述的热电转换模块，其中该第一绝缘导热体从外部取得一第四热量，且该第四热量的大小为该第一热量与该第三热量的差值，用以使该热电转换模块应用于降低与该第一绝缘导热体的贴附物或该第一绝缘导热体周围环境的温度。
6.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该致冷单元包含一第一半导体及一第二半导体，其分别具有一第一连结端与一第二连结端，且该第一半导体及该第二半导体分别设置于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体之间；一第一导电元件，连接于该第一半导体的该第一连结端且贴附于该第一绝缘导热体； 一第二导电元件，连接于该第二半导体的该第一连结端且贴附于该第一绝缘导热体;以及一第三导电元件，分别连接于该第一半导体的该第二连结端与该第二半导体的该第二连结端，用以使该第一半导体与该第二半导体连接成一电耦对，且该第三导电元件贴附于该第二绝缘导热体。
7.如权利要求6所述的热电转换模块，其中该第一半导体为P型半导体或N型半导体， 该第二半导体为相对该第一半导体的N型半导体或P型半导体。
8.如权利要求6所述的热电转换模块，其中该致冷单元包含多个第一半导体及多个第二半导体，其分别交错排列设置且连成多个电耦对。
9.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该温差发电单元包含一第三半导体及一第四半导体，其分别具有一第一连结端与一第二连结端，且该第三半导体及该第四半导体分别设置于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体之间；一第四导电元件，连接于该第三半导体的该第一连结端且贴附于该第一绝缘导热体；一第五导电元件，连接于该第四半导体的该第一连结端且贴附于该第一绝缘导热体；以及一第六导电元件，分别连接于该第三半导体的该第二连结端与该第四半导体的该第二连结端，用以使该第三半导体与该第四半导体连接成一电耦对，且该第六导电元件贴附于该第二绝缘导热体。
10.如权利要求9所述的热电转换模块，其中该第三半导体为P型半导体或N型半导体，该第四半导体为相对该第三半导体的N型半导体或P型半导体。
11.如权利要求9所述的热电转换模块，其中该温差发电单元包含多个第三半导体及多个第四半导体，其分别交错排列设置且连成多个电耦对。
12.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该整流单元包含一第一二极管且该整流单元具有一第一输入接脚，连接该第一二极管的阳极；以及一第一输出接脚，连接该第一二极管的阴极；其中，该第一输入接脚经由一导线连接于该温差发电单元的一第二接脚，该第一输出接脚经由另一导线连接于该致冷单元的一第一接脚。
13.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该整流单元包含多个二极管及多个硅控整流器，且该整流单元具有一第一输入接脚、一第二输入接脚、一第一输出接脚以及一第二输出接脚，其中，该第一输入接脚与该温差发电单元的一第二接脚电性连接；该第二输入接脚与该温差发电单元的一第一接脚电性连接；该第一输出接脚与该致冷单元的一第一接脚电性连接；以及该第二输出接脚与该致冷单元的一第二接脚电性连接，其用以达到整流的功能。
14.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该致冷单元的一第一接脚经由一导线连接该直流电源的一正极，该致冷单元的一第二接脚经由另一导线连接该直流电源的一负极，用以形成一电流回路，且该温度差使该温差发电单元的该第一表面与该第二表面产生一极性为正的端电压。
15.如权利要求1所述的热电转换模块，其中该致冷单元的一第一接脚经由一导线连接该直流电源的一负极，该致冷单元的一第二接脚经由另一导线连接该直流电源的一正极，用以形成一电流回路，且该温度差使该温差发电单元的该第一表面与该第二表面产生一极性为负的端电压。
16.一种热电转换模块，包括一第一绝缘导热体；一第二绝缘导热体；一致冷单元，具有一第一表面及一第二表面，其分别贴附于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体；一温差发电单元，具有一第一表面及一第二表面，其分别贴附于该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体；以及一整流单元，电性连接于该致冷单元及该温差发电单元；其中，该致冷单元电性连接一直流电源并由该直流电源供电，该致冷单元由该第一绝缘导热体将一第一热量传递至该第二绝缘导热体，使该第一绝缘导热体与该第二绝缘导热体产生一温度差，且该温度差使该温差发电单元由该第二绝缘导热体将一第二热量回传至该第一绝缘导热体，其中该第二热量小于等于该第一热量，且该温差发电单元产生一电流至该致冷单元，以形成一热电循环回路。
全文摘要
本发明公开一种热电转换模块，包括第一及第二绝缘导热体；致冷单元与温差发电单元，其分别有第一表面及第二表面，且贴附第一绝缘导热体与第二绝缘导热体；以及整流单元，电连接致冷单元及温差发电单元；其中，致冷单元电连接一直流电源并由直流电源供电，致冷单元由第一绝缘导热体或第二绝缘导热体的相对冷端将第一热量传至相对热端，使第一绝缘导热体与第二绝缘导热体产生一温度差，且温度差使温差发电单元由相对热端将第二热量回传至相对冷端，其中第二热量小于等于第一热量，且温差发电单元产生一电流至致冷单元，形成热电循环回路。本发明达到了降低致冷单元两端的温度差与其热端的温度以及散热的目的，同时解决了体积大、占空间等缺陷。
文档编号H02N11/00GK102263529SQ20101019486
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者陈瑞贞 申请人:陈瑞贞