[發(fā)明專利]高溫、高效率熱電模塊

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980156485.0
• 申請(qǐng)日: 2009-12-09
• 公開（公告）號(hào): CN102308400A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: F·A·萊維特;N·B·埃爾斯納;J·C·巴斯;J·W·麥考伊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: HI-Z技術(shù)股份有限公司
• 主分類號(hào): H01L35/12
• 分類號(hào): H01L35/12
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 錢孟清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱電模塊，尤其涉及高溫?zé)犭娔K。?

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用?

本發(fā)明是2008年12月19日提交的S/N.12/317,170的部分繼續(xù)申請(qǐng)。?

發(fā)明背景?

????????????????????????????熱電材料?

熱電材料的塞貝克(Seebeck)系數(shù)被定義為在導(dǎo)體上兩點(diǎn)之間產(chǎn)生的開路電壓，在該導(dǎo)體上這些點(diǎn)之間存在均勻的1K溫度差。?

熱電材料的品質(zhì)因數(shù)被定義為：?Z=α2σλ]]>

其中α是該材料的Seebeck系數(shù)，σ是該材料的電導(dǎo)率，而λ是該材料的總熱導(dǎo)率。?

在二十世紀(jì)五十年代末和六十年代初發(fā)現(xiàn)了很多半導(dǎo)體材料，若干這些半導(dǎo)體材料呈現(xiàn)出比金屬或金屬合金高得多的Z值。如所預(yù)期地，沒有開發(fā)出在寬泛溫度范圍上表現(xiàn)出均勻的高品質(zhì)因數(shù)的單個(gè)復(fù)合半導(dǎo)體，因此研究集中于開發(fā)在相對(duì)較窄的溫度范圍上具有高品質(zhì)因數(shù)的材料。在所發(fā)現(xiàn)的大量材料中，那些基于碲化鉍和碲化鉛的合金作為在高達(dá)600℃的各種溫度中操作的最佳材料出現(xiàn)。已經(jīng)做了很多研究來改進(jìn)上述熱電材料的熱電性質(zhì)。例如n-型Bi₂Te₃一般含有百分之5到15的Bi₂Sβ₃，而p-型Bi₂Te₃一般含有75到80摩爾百分比的Sb₂Te₃。碲化鉛針對(duì)P型行為一般摻雜有Na和Te，而針對(duì)N型行為一般摻雜有Pb和I(碘)。?

????????????????標(biāo)準(zhǔn)名稱(Standard?Designation)?

一般可通過改變摻雜級(jí)與添加劑來將熱電合金最為有效的溫度改變?yōu)楦呋蚋偷臏囟取bTe合金的一些更常見變體在熱電行業(yè)被稱為3N和2N(N?型)以及2P和3P(P型)。在由Cadoff和Miller編輯的書中，第10章“碲化鉛合金與接合)”中給出了關(guān)于PbTe合金及其相應(yīng)摻雜成分的深度討論。為進(jìn)一步理解基于Bi2Te3的合金及其摻雜，可參看D.M.Rowe編輯的兩本書″CRC?Handbook?of?Thermoelectrics”，特別是第19章，和“Thermoelectrics?Handbook?Macro?to?Nano”(從宏觀到納米)，第27章。在本說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語PbTe表示包括鉛和碲化物的摩爾百分比均大于百分之二十的任何鉛和碲化物半導(dǎo)體合金。這包括本征的或摻雜的N或P型PbTe、PbSnMnTe和PbSnTe合金，摻雜鉈的PbTe或AgTe₂。?

????????????????????????最佳性能的溫度范圍?

熱電材料可分為三類：低溫、中等范圍溫度和高溫。?

低溫?

可購買的低溫材料一般基于Bi₂Te₃合金。當(dāng)在空氣中操作時(shí)，這些材料不可連續(xù)地超過250℃。盡管基于這些合金有一些廢熱量回收的應(yīng)用，但這些合金主要用于冷卻。當(dāng)被用作電源時(shí)，Bi₂Te₃合金很少有超過5％的效率。?

中等范圍溫度?

中等范圍溫度材料一般基于PbTe和TAGS的使用。PbTe可在高達(dá)約560℃時(shí)操作，TAGS可在約450℃時(shí)操作。所發(fā)現(xiàn)的一些基于方鈷礦(Skutterudite)的熱電合金(其為基于鈷的合金)也屬于此類別，但是它們表現(xiàn)出長壽命所必備的高蒸發(fā)速率。申請(qǐng)人所知的所有中等溫度熱電合金會(huì)在空氣中氧化，且必須氣密地密封。現(xiàn)有技術(shù)的PbTe合金很少有超過約7％的效率。?

高溫-主要用于空間應(yīng)用?

高溫?zé)犭姴牧弦话慊赟iGe和Zintl合金，且可接近1000℃操作。基于這些合金的模塊很難制造、價(jià)格昂貴且一般僅在空間應(yīng)用中使用。這些現(xiàn)有技術(shù)的高溫材料在一些應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)最多百分之九的效率，不過它們?cè)谏虡I(yè)上并不是切實(shí)可行的。9％可實(shí)現(xiàn)的理由是因?yàn)樵谶@些合金中可實(shí)現(xiàn)大的溫度差，這進(jìn)而增加了效率。?