[发明专利]热电元件、其制造方法及其使用

说明书

本发明涉及热电元件(下文中也称为“TE元件”)的制造以及该方法的产品和这些产品的使用。 

早在19世纪珀尔帖(Peltier)和塞贝克(Seebeck)就发现和介绍了热电效应(下文中也称为“TE效应”)。发现在流经不同金属、合金和半导体的组合(下文中也称为“ET材料”)的热流和电流之间存在一种关系。一方面，热流可以在TE材料的热端和冷端之间产生电势，可以将其以流经闭合电路的电流形式加以利用(塞贝克效应，温差发电机)。另一方面，向这种材料施加电势不仅引起电流而且引起热流；即，一个电接触面变得更热，另一个变得更冷(珀尔帖效应，珀尔帖元件)。 

热电装置也被称为测温用热传感器。此外，还可以将它们用作冷却用的热泵。可以在D.M.Rowe，CRC Press，2006的“Thermoelectrics handbook：macro to nano”中找到对科学研究和现有技术的详细论述。 

TE效应已经在众多应用中使用了很多年。 

例如，热电元件被用于温度测量。在功率需求低或由于其他原因不能使用压缩冷却系统的应用中珀尔帖元件可以进行加热/冷却。还知道有热电发电机(TEG)，其从现存的热流产生电流。 

热电元件和珀尔帖元件已经可以作为批量生产产品获得。TEG也将成为量产产品。不过，对于宽范围应用而言，它们相对于电输出功率的单位成本仍然太高，效率太低，尤其对于TEG而言。 

在本说明书中，也将热电元件、珀尔帖元件和热电发电机称为热电元件(下文中也称为“TE元件”)。 

被称为热电势的量，或换言之，可以产生的电压取决于TE材料的材料特定属性、塞贝克系数和温度差。高的塞贝克系数和大温差导致高温差电势。为了能够汲取大的电功率，大的热流必需要通过绝热容量非常好的材料。这必然意味着必需要提供大的面积或/和应当存在非常高的塞贝克系数。对于当前制造TE元件的方法而言，或者在实践中不能制造大面积元件， 或者制造这种TE元件会导致昂贵的制造成本。因此，过去一些年的研究开发主要集中在利用新的TE材料增大塞贝克系数上。 

近年来，纳米技术的发展伴随着TE材料效率的值得注意改善。通过薄膜涂层或纳米管技术，与传统“体”材料相比，能够生产具有更好TE效应的二维或一维热电结构。基于这些薄膜涂层的制造法也未解决制造大面积廉价元件的问题。对于应用而言，这些方法集中在诸如芯片冷却器或用于微处理器或手表的电流发生器的微部件的制造。可以在DE 10232445A1中找到公知制造法的范例。 

因此，在可以被用作微部件的领域中，热电发电机和珀尔帖元件已经获得了广泛应用。在制造成本不是决定性的场合，例如在太空飞行和卫星技术中，热电元件已经成功使用了几十年。例如，将核反应堆用作热源。 

不过此外还有很多潜在的TE元件应用。由于能源不断减少，同时对能量的需求在增加，人们会对使用热电发电机作为可再生能源产生特别的兴趣。可以找到很多未开发的热源，可以从其获得至少一些电流。范例包括： 

-释放到较冷环境中的热废气和废水。 

-太阳或其他源加热的区域。 

-用于和较冷底层结构绝热的底板和地毯。 

-利用大温差工作的工艺技术功能，例如低温介质(例如液化的天然气)的蒸发。 

-将机动车辆废气热量用作发电机(节约燃料)。 

在实践中已经测试过在机动车辆废气管中将TE元件用作发电机。在这种情况下，系统的制造成本仍然不利于引入汽车市场(就此而言，参见Francis R.Stabler，通用汽车公司，Mater.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.886，2006 Materials Research Society的“Commercialization ofThermoelectric Technology”)。