环形热电器件制造技术

本发明专利技术的环形热电器件，具备：沿轴向依次交替排列的多个环形P型热电元件和N型热电元件；设置于每个所述P型热电元件和N型热电元件之间的环形的隔离层；在外侧壁上连接每对所述P型热电元件和N型热电元件的外环导流电极；在内侧壁上以与外环导流电极交错的形式连接相邻对的所述N型热电元件和P型热电元件的内环导流电极；以及分别位于所述环形热电器件的内周侧和外周侧的管状部件； 各热电元件包括依次径向向外排列的至少两个环形热电材料部件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热电转换
，具体地，涉及一种环形热电器件。
技术介绍
作为一种环境友好的再生能源技术，热电转换技术近几年在国际上受到了广泛的瞩目。热电发电技术是利用半导体材料的塞贝克效应，直接将温差转化为电能的新技术。该技术具有可靠性高、无污染和无噪音的优点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用以及军用电源等高新
将具有良好的应用前景。—个热电器件往往由多个η型和P型半导体热电元件组成。由于每个热电元件的输出电压很低，为了获得较高的电压以便于实际使用，通常用金属或者合金电极将一个η型热电元件和一个P型热电元件连接成热电单偶，然后将多个热电单偶按导电串联、导热并联的结构连接起来构成热电器件。目前主要的热电器件构造为形构造。在该结构中，η型和P型热电元件以电串联和热并联的形式集成于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之中，这种构造主要适用于平板状热源的环境，即热流方向垂直于两个平行的陶瓷板。但是，当热源为非平板状时，这种传统的形构造热电器件就不再适用。例如汽车尾气排放管道，如采用π形热电发电模块来制造与热源相匹配的的热电发电器(US8656710B2，US2005/0172993A1，US013/0160809A1)，由于需要在热电模块表面施加力保证模块和热源之间的良好接触，从而使得发电器的结构变得非常复杂，制作成本高，而且发电器的性能和使用可靠性低。特别对于像直径为约Icm的小柱状热源，这种热电发电器的集成变得非常困难。但是对于这种柱状热源，使用环形构造的热电器件就使得发电器的集成相对简单和性能更为优异。在环形构造的热电器件中，η型和P型环形中空热电元件沿柱状热源交替地同轴排列，彼此之间填充热和电均绝缘的材料。这种构造可以最大限度地利用柱状热源所传导的热量，故热量利用效率相对于π形构造的热电器件将大幅度提高。由于目前很多热源，如汽车尾气排放管道属于非平板状热源，因此，环形构造的热电器件在实际应用中具有很大的前景。需要特别强调的是，对于汽车尾气废热发电，发电器冷端冷却通常采用汽车上现成的冷却水。将环形器件的外圆设计成热端，而内圆设计成冷端。由于液体与固体间的传热要优于气体与固体间的传热，所以利用环状器件内外圆表面的面积差异可以平衡器件在冷热端的热交换能力，这是环形热电发电器的另一个优点。美国专利US2012/0174567A1和中国专利CN201420052870.9公开了以环形热电器件集成的热电发电器结构，依据设计结构不同，热源可以从径向和轴向与热电元件进行热交换，与传统由π型器件集成的发电器相比，明显提高了热交换效率。尽管环形热电发电器件的概念已经诞生了很多年，但由于热电材料性能的限制导致目前国际上与实际应用密切相关的环形构造热电器件的研究报道不多。1969年美国西屋电器公司最早报道了环形热电器件概念(Proc.4th Intersoc Energy Couvers Eng.Conf.Wahington DC, 1969，New York, 1969，300-307)。到目前为止，已公开或者报道的环形热电器件的结构有如下几种: (I)单环含有若干对扇形元件的环形器件。1977年美国专利US4056406公开了一种环形热电元件结构，每一个环由相同数量的η型和P型的扇形元件构成，从而可以有效地消除热电元件使用过程中的热应力影响。(2)单环是完整的环形热电元件，η型和/或P型环形热电元件以多环交替布局方式集成器件。2000年美国专利US6096966公开了完整环形热电器件概念，报道了以Sia8Gea2热电材料，Si为阻挡层Cu为电极的环状热电器件的制备方法。2007年Gao等人报道了用Cu作为电极连接的Bi2Te3热电材料环形热电模块(Μ.Gao and D.M.Rowe,Ring-structured Thermoelectric Module, Semicond.Sc1.Technol.22 (2007)880-883)。美国专利US2009/0133734A1公开了一种改进的环形元件结构和制备方法，每个环的内外圆上有一个小平台以便于电极连接相邻近的环形元件。A.Schmitz报道了一种制备PbTe环形热电材料部件和表面金属化的方法(A.Schmitz, C.Stiewe and E.Muller,Preparat1n of Ring-Shaped Thermoelectric Legs from PbTe Powders for TubularThermoelectric Modules, J.Elec.Mater., 42 (2013) 1702-1706)，集成器件时米用Ni为电极和白云母为绝缘材料，与Gao论文报道的环形热电器件结构不同之处在于金属化是在环形部件的内外圆上，而Gao论文报道的材料部件金属化是在环形侧面。中国专利CN201410039382.9公开了一种一步法快速制备环形热电元器件的方法，依据该专利环形材料部件和内外圆表面的金属化可以同时完成。(3)单环是完整的环形热电元件，截面形状为多边形等。从实质上讲，这种结构仍然属于第二类。例如中国专利CN201310549191.2和CN201310443542.1公开了几种环形热电材料部件的形状和制备方法。但是，现有的环形热电元件结构存在如下问题。首先，采用单一热电材料的环形热电器件不能充分利用中温或者高温热源资源，发电效率低；其次，为了确保环形热电器件在使用过程中不变形，需要在内外圆表面采用一定厚度和强度的陶瓷管(考虑耐腐蚀和电绝缘)来固定。环形热电器件在内外陶瓷管固定下，大温差环境下使用时热应力不能释放将造成环形热电元件的损坏。因此，本领域迫切需要开发一种新型的环形热电元件结构，该环形热电元件结构应具有结构合理、发电效率高和便于规模化生产等特点，从而促进环形构造热电器件的真正应用。
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述问题做出的，其目的是提供一种有利于成本控制，性能优化和批量化生产工艺的环形热电器件。解决问题的手段: 为了达到上述目的，根据本专利技术的环形热电器件，具备:沿轴向依次交替排列的多个环形P型热电元件和N型热电元件；设置于每个所述P型热电元件和N型热电元件之间的环形的隔离层；在外侧壁上连接每对所述P型热电元件和N型热电元件的外环导流电极；在内侧壁上以与外环导流电极交错的形式连接相邻对的所述N型热电元件和P型热电元件的内环导流电极；以及分别位于所述环形热电器件的内周侧和外周侧的管状部件；各热电元件包括依次径向向外排列的至少两个环形热电材料部件。根据本专利技术，可以充分利用宽广温区的热源资源，显著提高环形热电器件的发电效率和输出功率密度。另外，这种分布式的分段结构设计与传统的环形热电元件相比高温下可以释放更多热应力，提高了环形热电器件的使用寿命。又，在本专利技术中，所述至少两个环形热电材料部件由不同热电材料所构成。根据本专利技术，每个环形热电元件含有两种或者三种在不同温区具有较佳热电性能的热电材料，可以充分利用宽广温区的热源资源。又，在本专利技术中，所述至少两个环形热电材料部件的高度相同。根据本专利技术，高度相同的各环形热电元件集成环形热电器件时可以有效提高器件的组装质量和减少不可控的内部热量传递。又，在本专利技术中，所述至少两个环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形热电器件，其特征在于，具备：沿轴向依次交替排列的多个环形P型热电元件和N型热电元件；设置于每个所述P型热电元件和N型热电元件之间的环形的隔离层；在外侧壁上连接每对所述P型热电元件和N型热电元件的外环导流电极；在内侧壁上以与外环导流电极交错的形式连接相邻对的所述N型热电元件和P型热电元件的内环导流电极；以及分别位于所述环形热电器件的内周侧和外周侧的管状部件；各热电元件包括依次径向向外排列的至少两个环形热电材料部件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄向阳，顾明，仇鹏飞，柏胜强，唐云山，廖锦城，陈立东，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31