[發明專利]功能性的和耐久的熱電裝置和系統

在審

• 申請號: 201580072356.9
• 申請日: 2015-11-06
• 公開（公告）號: CN107110572A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 塔里克·馬坎西;凱文·福布斯;約瑟·桑托斯·多明格斯;羅伯特·福格羅斯;約翰·拉蒂默·富蘭克林;凱文·蓋斯勒;邁克爾·薩托;理查德·邁爾斯
• 申請（專利權）人: 坦普羅尼克斯公司
• 主分類號: F25B21/04
• 分類號: F25B21/04;A47C21/04;A47C7/74
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司11262
• 代理人: 鄭霞

交叉引用

本申請要求2014年11月6日提交的美國臨時申請序列號62/076,042、2015年3月13日提交的美國臨時申請序列號62/133,215、2015年6月8日提交的美國臨時申請序列號62/172,751和2015年7月10日提交的美國臨時申請序列號62/191,207的優先權，上述文獻的全部內容通過引用并入本文。

背景技術

熱電效應是溫差到電壓的轉換，并且反之亦然。當跨熱電裝置存在溫度梯度時，諸如當熱電裝置的每一側存在不同的溫度時，該熱電裝置可產生電壓。相反，當向熱電裝置施加電壓時，其可產生溫差。施加的溫度梯度可導致熱電裝置中的載流子從熱電裝置的熱側擴散到冷側。

術語“熱電效應”包含塞貝克效應(Seeback effect)、珀爾帖效應(Peltier effect)和湯姆遜效應(Thomson effect)。基于熱電效應的固態冷卻和發電通常采用塞貝克效應或珀爾帖效應進行發電和泵熱。然而，這樣的常規熱電裝置的效用通常受到其低性能系數(coefficient-of-performance，COP)(針對制冷應用)或低效率(針對發電應用)的限制。

熱電模塊可以包含以1-3mm間隔開的密集裝設的元件。多達256個這樣的元件可以連接在2×2英寸(5.08×5.08cm)的陣列中。當部署這些模塊時，可能需要大而重的散熱器和強大的風扇以在每一側散熱或吸熱。具有低電阻的小元件可允許較大的電流(I)在所生成的電阻熱(I²R)破壞熱電冷卻之前流動。為了最大的冷卻能力而使用短元件導致熱側電路板和冷側電路板靠近在一起。這樣的靠近可能導致高密度。

為了實現熱電元件的低密度裝設，可以將元件在板上橫向間隔開，但繼而通過元件之間的空氣傳導和輻射的熱回流限制了整體性能。一些設計可能需要排空模塊內部以減少由于空氣傳導引起的熱回流，但真空腔需要昂貴的材料并且容易泄漏。真空材料(例如，玻璃和Kovar^TM)在薄到足以限制其自身熱回流時也很堅硬且容易破碎。當這些模塊使用在坐墊、汽車和其他環境時，破碎的玻璃可能導致安全問題。

散布熱電元件的另一問題是：在較大距離上的元件的剛性連接導致其由于熱側相對于冷側的熱擴張下的剪應力而斷裂。為了解決這個問題，已經提出了針對電路板使用諸如聚酰亞胺之類的柔性塑料的其他設計，但這些材料過于多孔而不能保持真空。

熱電模塊的現有技術設計的另一缺點是：移向熱側的高密度的熱量可導致經過散熱器的溫度梯度，并且該溫度變化可能會減損模塊可實現的總體冷卻。尤其是，傳統熱電產品可能由于這一溫度梯度而無法達到真正的制冷溫度。

此外，由于一些傳統熱電模塊可能在組裝期間被放置在回流焊爐中，因此只能使用高溫材料。不幸的是，許多期望的冷卻和加熱用途涉及靠近人體或與人體直接接觸，為此諸如襯墊、布料和柔性泡沫之類的軟材料可能是優選的，但這些材料不能承受回流焊爐的高溫。

發明內容

當溫度變化為10℃或更低時，熱電裝置可以與蒸汽壓縮冷卻系統一樣高效或者甚至更高效。中央A/C或供暖系統加上局部熱電系統的總能量節省可以達到對于這種組合的30％或更多，但一些傳統熱電模塊的笨重實現方式阻止了其用于此目的。因此，本文認識到的是對于部署用于占用空間的局部加熱和冷卻的熱電技術并從而減少針對這種部署所需的總能量消耗的需要，以及對于安全地和舒適地改進的具有熱電能力的各種絕緣面板的需要，所述各種絕緣面板諸如為坐墊(例如，汽車座椅、卡車座椅、船座椅或飛機座椅)、床墊、枕頭、毯子、天花板瓦片、辦公室/居住墻壁或隔板、桌下面板、電子產品外殼、建筑物墻壁、太陽能面板、冰箱壁、冰箱內的冷凍室壁或冰箱內的保鮮室壁。此外，由于熱電模塊可用于發電，因此本文認識到的是對于能夠每天24小時、每周7天和每年365天供電并且僅取用可再生能源的低成本發電能力的需要。

本公開內容提供了包括熱電串的熱電模塊，其可以用于將熱量傳遞到物體或從物體傳遞熱量。當連接在一起時，熱電串可以組裝成陣列形式。

本公開內容提供了生產熱電串和將熱電串集成在消費產品中的方法。此外，提供了熱電串和包括一個或多個熱電串的裝置的設計。