环形构造热电器件制造技术

本发明专利技术涉及环形构造热电器件，包括：沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；各所述锥形热电元件串联连接。本发明专利技术的环形构造热电器件结构合理、有利于成本控制、性能优化和批量化生产工艺。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术属于热电转换
，具体地，涉及一种环形构造热电器件。

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。
一个热电器件往往由多个n型和p型半导体热电元件组成。由于每个热电元件的电压很低，为了获得较高的电压以便于实际使用，通常用金属电极将一个n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π形构造。在该结构中，n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下，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π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1cm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且性能更为优异。
环形构造的热电器件中，n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和深海石油输送管道等都属于非平板状热源，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，所以利用环形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。
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.4thIntersocEnergyCouversEng.Conf.WahingtonDC,1969,NewYork,1969,300-307）。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n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。2000年美国专利US6096966公开了完整环形热电器件概念，报道了以Si0.8Ge0.2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（M.GaoandD.M.Rowe,Ring-structuredThermoelectricModule,Semicond.Sci.Technol.22(2007)880-883），其制备工艺比较复杂。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。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。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，为环形材料部件表面金属化的难题提供了一种可靠的途径。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.StieweandE.Muller,PreparationofRing-ShapedThermoelectricLegsfromPbTePowdersforTubularThermoelectricModules,J.Elec.Mater.,42(2013)1702-1706），集成器件时采用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。另外美国专利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形器件集成的发电器相比，明显提高了热交换效率。
但是，现有的环形热电元件结构存在如下问题。首先，环形热电元件集成为器件时，如何确保元件集成器件后各元件的同心度问题；其次，增加环形热电元件的厚度（径向壁厚）将有利于提高最大输出功率和转换效率，但是过度通过这种增加厚度方式来提高性能的同时会带来增加环形热电元件内部热应力的问题；第三，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；第四，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，本领域现在迫切需要开发一种新型的环形构造热电器件，该环形构造热电器件应具有结构合理、便于规模化生产以及提高热电器件的发电效率等特点，从而促进环形构造热电器件的真正应用。

技术实现思路

鉴于以上所述，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种结构合理、有利于成本控制、性能优化和批量化生产工艺的新型的环形构造热电器件。
本专利技术所提供的环形构造热电器件包括：沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；各所述锥形热电元件串联连接。
根据本专利技术，环形构造热电器件由沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件构成。这种锥形部件的设计可以解决现有工艺中环形热电元件集成同心度差的难题，更为重要的是，与具有同样尺寸的现有环形构造热电器件相比，由锥形热电元件集成的环形构造热电器件可以既提高热电元件两端温差又减小热电元件中的残余热应力。采用本专利技术的环形构造热电器件，可以大幅提高环形构造热电器件的生产效率和产品成品率，能够明显地改善环形构造热电器件与热源的热交换效率，集成的环形构造热电器件具有转换效率高、输出稳定、可靠性高和使用寿命长的优点。
又，在本专利技术中，也可以是，各所述锥形热电元件包括锥形热电材料部件和形成于所述锥形热电材料部件的外环表面和内环表面的金属化和导流电极层。
根据本专利技术，通过在锥形热电材料部件的外环表面和内环表面形成金属化和导流电极层，由此形成了锥形热电元件。
又，在本专利技术中，也可以是，所述锥形热电材料部件的锥形角度为15°～45°。
根据本专利技术，锥形热电材料部件的锥形角度为15°～45°，可以在不增加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形构造热电器件，其特征在于，包括：沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；各所述锥形热电元件串联连接。

【技术特征摘要】
1.一种环形构造热电器件，其特征在于，包括：
沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；
各所述锥形热电元件串联连接。
2.根据权利要求1所述的环形构造热电器件，其特征在于，各所述锥形热电元件包括锥形热电材料部件和形成于所述锥形热电材料部件的外环表面和内环表面的金属化和导流电极层。
3.根据权利要求2所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的锥形角度为15°～45°。
4.根据权利要求2或3所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的厚度为1.5～8mm。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的高度为2～22mm。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的外环面直径为9～30mm，内环面直径为6～12mm，所述外环面直径大于所述内环面直径。
7.根据权利要求3所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄向阳，柏胜强，尹湘林，仇鹏飞，顾明，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