一种倾斜型热电元件及其组成的倾斜型热电组件制造技术

本发明专利技术公开了一种倾斜型热电元件及其组成的倾斜型热电组件，包括P型热电臂、N型热电臂以及布置于P型热电臂、N型热电臂上下两侧的导电片和陶瓷基板；所述N型热电臂与导电片成一倾角布置，且P型热电臂与导电片垂直或成一倾角布置；所述P型热电臂、N型热电臂与导电片之间均布置有包含铁、钛、铜、银四种单质的过渡金属层；上下两侧的陶瓷基板之间分别布置有一系列单倾斜型热电元件或双倾斜型热电元件，彼此有序串联连接，分别构成单倾斜型热电组件和双倾斜型热电组件。本发明专利技术相比于传统垂直型热电元件，在相同材料用量的前提下，可有效提高热电设备的运行效率，增大制冷量或发电量，从而促进热电设备在更广范围内的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种倾斜型热电元件及其组成的倾斜型热电组件
本专利技术涉及一种倾斜型热电元件及其组成的倾斜型热电组件，属于热电转换
，可从原理上提高微小型、低功耗热电制冷器或热电发电器的运行效率。
技术介绍
现代科学技术的发展日新月异，电子产品的集成度和运行负荷也大幅度增大，而设备的微小型化发展趋势也急剧压缩着芯片的物理尺寸，导致电子设备的热流密度也相应大幅度增大。热电技术是一种前沿的工程技术，近年来受到了国内外学者的广泛关注，其本质原理是温度场和电场的耦合效应，在航天、医疗、工业及人们的日常生活中有着广泛的应用，主要可分为热电制冷器和热电发电器。其中热电制冷器是利用了半导体材料的帕尔贴效应，当电流流过两种不同材料的汇合处时，此处会发生冷却或加热，实现电能到热能的转换；而热电发电器是利用了半导体材料的塞贝克效应，即在半导体材料中由于温差产生电压，实现热能到电能的转换。截止目前，不管是热电制冷器还是热电发电器，它们的缺点是运行效率偏低，制冷量或发电量较小，无法满足特定需求，因而很难大范围推广。综合上述问题，亟须提出新型结构形式的热电元件，有效提高热电设备的运行效率，增大制冷量或发电量，从而促进热电设备在更广范围内的应用。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种倾斜型热电元件及其组成的倾斜型热电组件，旨在提高热电制冷器或热电发电器的运行效率，增大制冷量和发电量，从而促进热电设备在更广范围内的应用。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种倾斜型热电元件，分为单倾斜型热电元件和双倾斜型热电元件，其包括P型热电臂、N型热电臂以及布置于P型热电臂、N型热电臂上下两侧的导电片；其中，所述P型热电臂、N型热电臂呈棱柱型，且N型热电臂与导电片成一倾角布置；所述P型热电臂与导电片垂直或成一倾角布置，则构成单倾斜型热电元件或双倾斜型热电元件；所述P型热电臂、N型热电臂的垂直高度相等，且横截面积也相等；所述双倾斜型热电元件中，P型热电臂与N型热电臂左右相互对称布置。进一步的，无论是单倾斜型还是双倾斜型热电元件，所述P型热电臂、N型热电臂与导电片之间均布置有包含铁、钛、铜、银四种单质的过渡金属层，确保半导体材料与导电片的紧密粘合，有效防止半导体材料与导电片脱节。进一步的，所述过渡金属层包括彼此厚度相等的第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层；所述第一过渡层以单质铁为主要成分，且粘连在P型热电臂或N型热电臂上；所述第二过渡层以单质钛为主要成分，且覆盖在第一过渡层上；所述第三过渡层以单质银、铜为主要成分，叠加在第二过渡层上且与导电片相连。进一步的，所述N型热电臂与导电片所成的倾角在45°～90°之内。进一步的，所述P型热电臂、N型热电臂采用半导体材料制成，其四个侧面涂抹有绝缘材料，保证绝缘不漏电。一种由倾斜型热电元件组成的倾斜型热电组件，分为单倾斜型热电组件和双倾斜型热电组件，其包括上下两侧的陶瓷基板，且上下两侧的陶瓷基板之间分别布置有一系列单倾斜型热电元件或双倾斜型热电元件，彼此有序串联连接；所述串联连接的热电元件最终剩余两个终端热电臂，即一个P型热电臂和一个N型热电臂，其通过导电片上的铜导线与外界相连。进一步的，两种热电组件均可作为热电制冷器或热电发电器，提高设备运行效率，增大设备输出功率。有益效果：本专利技术提供的一种倾斜型热电元件及其组成的倾斜型热电组件，相对于现有技术，具有以下优点：1、所述P型热电臂、N型热电臂的垂直高度相等，且横截面积也相等，因此相比于常规的垂直型热电元件，所需的半导体材料分量并没有变化，成本没有增加；2、相比于传统垂直型热电元件，有效提高了热电设备的运行效率，增大了制冷量或发电量，从而促进了热电设备在更广范围内的应用。附图说明图1为本专利技术中单倾斜型热电元件的结构示意图；图2为本专利技术中双倾斜型热电元件的结构示意图；图3为本专利技术中N型热电臂及过渡金属层的示意图；图4为本专利技术中单倾斜型热电组件的结构示意图；图5为本专利技术中双倾斜型热电组件的结构示意图；图6为热端温度为40℃时垂直型热电元件、单倾斜型热电元件和双倾斜型热电元件的冷端温度随电流变化对比图；图7为冷热端温差为20℃时垂直型热电元件、单倾斜型热电元件和双倾斜型热电元件的制冷量随电流变化对比图；图8为冷热端温差为20℃时垂直型热电元件、单倾斜型热电元件和双倾斜型热电元件的制冷系数COP随电流变化对比图；图中包括：1、单倾斜型热电元件，2、双倾斜型热电元件，3、单倾斜型热电组件，4、双倾斜型热电组件，5、P型热电臂，6、N型热电臂，7、过渡金属层，71、第一过渡层，72、第二过渡层，73、第三过渡层，8、导电片，9、铜导线，10、陶瓷基板。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，单倾斜型热电元件1中的P型热电臂5为垂直型棱柱，N型热电臂6为倾斜型棱柱；而双倾斜型热电元件2中的热电臂形状均为倾斜型棱柱，如图2所示。所述热电臂四个侧面涂抹三氧化二铝材料，保证绝缘不漏电。如图3所示，所述热电臂上下底面与过渡金属层7连接。过渡金属层7共计三层，彼此厚度相等。第一过渡层71以单质铁为主要成分，且与热电臂粘连；第二过渡层72的主要成分是单质钛，同时覆盖在第一过渡层71上；第三过渡层73包括单质银、铜，既叠加在第二过渡层72上，又与导电片8相连接。如图4所示，是单倾斜型热电元件所构建的热电组件。组件上下两侧均覆盖有陶瓷基板10，既可传导热量，又能防止漏电，实现绝缘效果。基板层之间布置一系列的单倾斜型热电元件1，彼此有序串联连接。P型热电臂5垂直于导电片8，N型热电臂6与导电片8成60°倾角，虽然两者长度不等，但垂直高度相等，横截面积相等，因而材料用量相同。在热电臂与导电片8之间添加过渡金属层7，主要包括铁、钛、铜、银四种单质，如此可防止导电片8与半导体材料脱节。串联连接的热电元件最终剩余两个终端热电臂，一个P型，另一个N型，均借由与铜导线9与外界相连。如图5所示，是双倾斜型热电元件所构建的热电组件，组件上下两侧同样覆盖有陶瓷基板10，基板层之间布置一系列的双倾斜型热电元件2，互相有序串联连接，P型热电臂5与N型热电臂6均与导电片8成60°倾角，且关于中心线轴对称。半导体材料与导电片8之间添加包含铁、钛、铜、银四种单质的过渡金属层7。热电组件的两个终端均通过铜导线9与外界相连。两种热电组件均可作为热电制冷器或热电发电器。在两种热电组件中，半导体材料选用Bi0.5Sb1.5Te3-xSex四元晶格结构合金，其中0.3≤x≤0.8。热电臂的形状为棱柱状，包括垂直型棱柱和倾斜型棱柱。以双倾斜型热电组件4为例，从组件两终端铜导线9通以电流，则电能转化为热能，热电组件上下两侧分别出现制冷和制热效应，充分利用上侧的冷效应即可达到低温制冷的目的。相对应的，分别对热电组件的上下侧施加热负荷和冷负荷，则在组件回路中产生电压，可作为发电机使用。相比于传统垂直型热电元件，包括单倾斜型和双倾斜型在内的倾斜型热电元件，更加适用于微小型、低功耗热电设备。图6是热端温度为40℃时冷端温度随电流的变化情况，随着电流的增大，冷端温度降低，双倾斜型能够实现最低的冷端温度，单倾斜型其次，垂直型冷端温度最高，所以双倾斜型制冷性能最好。图7是冷热端温差为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种倾斜型热电元件，其特征在于，分为单倾斜型热电元件(1)和双倾斜型热电元件(2)，其包括P型热电臂(5)、N型热电臂(6)以及布置于P型热电臂(5)、N型热电臂(6)上下两侧的导电片(8)；其中，所述P型热电臂(5)、N型热电臂(6)呈棱柱型，且N型热电臂(6)与导电片(8)成一倾角布置；所述P型热电臂(5)与导电片(8)垂直或成一倾角布置，则构成单倾斜型热电元件(1)或双倾斜型热电元件(2)；所述P型热电臂(5)、N型热电臂(6)的垂直高度相等，且横截面积也相等；所述双倾斜型热电元件(2)中，P型热电臂(5)与N型热电臂(6)左右相互对称布置。

【技术特征摘要】
1.一种倾斜型热电元件，其特征在于，分为单倾斜型热电元件(1)和双倾斜型热电元件(2)，其包括P型热电臂(5)、N型热电臂(6)以及布置于P型热电臂(5)、N型热电臂(6)上下两侧的导电片(8)；其中，所述P型热电臂(5)、N型热电臂(6)呈棱柱型，且N型热电臂(6)与导电片(8)成一倾角布置；所述P型热电臂(5)与导电片(8)垂直或成一倾角布置，则构成单倾斜型热电元件(1)或双倾斜型热电元件(2)；所述P型热电臂(5)、N型热电臂(6)的垂直高度相等，且横截面积也相等；所述双倾斜型热电元件(2)中，P型热电臂(5)与N型热电臂(6)左右相互对称布置。2.根据权利要求1所述的一种倾斜型热电元件，其特征在于，所述P型热电臂(5)、N型热电臂(6)与导电片(8)之间均布置有包含铁、钛、铜、银四种单质的过渡金属层(7)。3.根据权利要求2所述的一种倾斜型热电元件，其特征在于，所述过渡金属层(7)包括彼此厚度相等的第一过渡层(71)、第二过渡层(72)、第三过渡层(73)；所述第一过渡层(71)包含单质铁，且粘连在P型热...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐豪，许鹏飞，陈楠，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32