热偶发电器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种制造热偶发电器(10)的方法，所述热偶发电器(10)包括由p型热电偶元件(12)和n型热电偶元件(14)构成的多个热电偶。具有多个孔(20a，20b)的晶片(18)在热电材料粉末(22，24)中覆盖。当加热时，将压力(P)施加于所述粉末(22，24)，使之渗入孔(20a，20b)中，从而构成包含在晶片(18)中的多个p型和n型热电偶元件(12，14)。晶片(18)变薄，使得变薄的晶片构成含有热电偶元件(12，14)的基体(16)。在保存基体(16)的同时，连接p型热电偶元件使之构成热电偶以及连接n型热电偶元件使之构成热电偶，从而获得热偶发电器(10)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种制造热偶发电器(10)的方法，所述热偶发电器(10)包括由p型热电偶元件(12)和n型热电偶元件(14)构成的多个热电偶。具有多个孔(20a，20b)的晶片(18)在热电材料粉末(22，24)中覆盖。当加热时，将压力(P)施加于所述粉末(22，24)，使之渗入孔(20a，20b)中，从而构成包含在晶片(18)中的多个p型和n型热电偶元件(12，14)。晶片(18)变薄，使得变薄的晶片构成含有热电偶元件(12，14)的基体(16)。在保存基体(16)的同时，连接p型热电偶元件使之构成热电偶以及连接n型热电偶元件使之构成热电偶，从而获得热偶发电器(10)。【专利说明】本专利技术涉及热偶发电器，所述热偶发电器包括由P型热电偶元件和η型热电偶元件构成的多个热电偶。这些热电偶作为热电模块而相互关联。所述热电模块包括成对电性能连接的热电偶。各个热电偶均分别由具有孔空穴传导和电子传导的P型材料(塞贝克系数(Seebeck coefficient) s > O)和η型材料(塞贝克系数s < O)构成。热电偶元件的组成材料可由假定热能为零的导电材料键合。热电偶的两个分支(P和η)和构成模块的所有热电偶都电性能串联和热性能并联。这些模块可根据组成材料用于冷却(珀尔帖效应)或用于发电(热偶发电器，塞贝克效应)。本专利技术涉及热偶发电器的制造方法。更具体的说，本专利技术涉及热偶发电器，所述热偶发电器包括由位于同一平面所交替的P型和η型热电偶元件构成的多个热电偶。籍助于烧结方法，将热电偶元件放置于绝缘基体的步骤，包括其致密化，可在一个单独的步骤中进行。众所周知，当热源形成温度梯度时，热偶发电器允许可回收能量。就Bi2Te3材料来说，热源位于中等温度，一般低于200°C。这一热源可为气态、固态和/或可能的液态。目前，热电学在冷却应用中尤其有用，通常具有低功率损耗(小型条状，等)。发电应用，尽管开发较少，但涉及更高的功率级别，因为在任何工业环境中，由系统所消耗的能量十分显著、甚至系统消耗的大部分能量通常被无意义地以热量来释放。由于热电材料的低效能和热偶发电器的复杂设计，使得回收能量解决方案的效率低、价格贵并且难以实现。在环境温度具有较小温度梯度的领域中，会发生两种情况:即通过热电冷却来消散热能，一种保护设备比风扇更可靠的系统，这是例如用于电子组件的情况；或使用废热来回收可观的能量，因为它与系统运行相关联，但效率很低(仅几个百分点)。众所周知，尤其是基于Bi2Te3的热电模块，其表面积通常很小，最多只有几平方厘米。一般而言，已知包括热电偶元件的热偶发电器的常规几何结构及其相互的连接都是插入在通常为氧化铝、硅等支撑体之间。这些支撑体确保了单元的机械刚度。在这些支撑体之间电性能连接的热电偶元件可由空气环绕或者在一些情况下可由热性能绝缘材料环绕，从而避免可能的腐蚀。于是，已知的热偶发电器并不允许以合理的代价来产生电能，这是由于它们的低能效和高生产成本(需要劳力来将P型和η型材料切薄以便制造P型和η型热电偶元件以及之后的组装和相互连接)。本专利技术的目的是实现以单一步骤来制造和组装P型和η型热电偶元件，并且大幅减低成本。低成本、大表面面积的热偶发电器的创造适用于从具有低温度梯度的大量热源中创新获得能量的应用，以便获得更大的发电量，这在经济上更有竞争力。已知热偶发电器的制造方法如图1所示，通过在支撑体上定义金属连接，然后交替地放置P型和η型热电偶元件来实现。随后由同样配备有金属连接的另一个单元覆盖该“热电偶元件/金属连接和基底支撑体”单元。如图1所示，具有第二支撑体的组件制造出已知类型的热偶发电器。本专利技术的目的是以单一步骤来制造具有在同一平面交替放置的热电偶元件并且P型和η型元件之间具有电性能绝缘的热偶发电器；其表面积大于已知的热偶发电器，从而基于从低温源(尤其是低于200°C)中回收能量的原理以合理的成本来产生电能。本专利技术的第一目的涉及热偶发电器的制造方法，所述热偶发电器包括由P型热电偶元件和η型热电偶元件构成的多个热电偶，所述P型热电偶元件和η型热电偶元件各自包括P型热电材料和η型热电材料，其特征在于，执行以下步骤:a)制备热性能和电性能绝缘的晶片，所述晶片具有第一面和第二面，所述第二面与第一面相背，所述第一面具有向第二面方向延伸的多个第一盲孔，所述第二面具有向第一面方向延伸的多个第二盲孔，两个面的盲孔相互交错，b)制备P型热电材料粉末和η型热电材料粉末，c)由P型或η型热电材料粉末的其中之一构成第一层；该第一层面对着晶片的第一面放置，d)由P型或η型热电材料粉末的其中另一构成第二层；该第二层面对着晶片的第二面放置，e)将压力施于第一和第二层上，使得第一层的粉末渗入第一孔和第二层的粉末渗入第二孔，f)以温度(T)加热且保持持续时间(D)，烧结各个P型和η型热电材料粉末，从而在第一和第二孔中构成包含在晶片中的多个P型和η型热电偶元件，g)减小晶片在其第二面一侧的厚度，直至在第一孔中所构成的热电偶元件到达第二面，h)减小晶片在其第一面一侧的厚度，直至在第二孔中所构成的热电偶元件到达第一面，所述晶片因变薄而构成其中包含热电偶元件的基体，以及，i)在保存基体的同时，连接P型和η型热电偶元件，以构成热电偶，从而获得热偶发电器。于是，通过这一方法所获得的构成热偶发电器的P型和η型热电偶元件集成于热性能和电性能绝缘的晶片(或基体)中，所述晶片的最终厚度等于热电偶元件的最终高度。热性能和电性能绝缘的晶片可为任意类型，例如陶瓷，且特别有利于选择廉价的聚合物或使得晶片具有些柔性的塑性材料。然而，该材料的熔点或玻璃转换温度优选必须高于构成P型和η型热电偶元件的材料的烧结温度⑴。适用于热性能和电性能绝缘所使用的聚合物或塑性材料允许制造具有大表面积的低廉组件，构成盲孔的晶片通孔即使对于非常小直径的孔而言都特别容易。在本专利技术的热偶发电器的各种实施例中，还可能使用下述安排中的一个或多个:步骤e)和f)同时执行，步骤e)和f)采用烧结技术执行，优选通过快速烧结或通过两种热烧结技术其中之一来执行=HIP (热等静压法)或HUP (单轴热压法)，持续时间(D)是可变的，这取决于晶片和孔的尺寸以及材料，所述持续时间小于或等于60分钟，但是它也可为5分钟那样短，尤其是在快速烧结的情况下。持续时间(D)实际上更取决于P型和η型热电偶元件所需的最终厚度而改变。本专利技术还涉及包括多个热电偶的热偶发电器，所述热电偶由P型热电偶元件和η型热电偶元件构成。所述热偶发电器包括具有P型热电偶元件和η型热电偶元件的热性能和电性能绝缘的基体。在本专利技术的热偶发电器的多种实施例中，还可能使用下述安排的一个或多个:基体包括选自聚合物和陶瓷的材料，基体包括选自聚合物的材料，该材料具有高于P型和η型热电材料的烧结温度的玻璃转换温度，基体包括选自陶瓷的材料，该材料具有高于P型和η型热电材料的烧结温度的烧结温度。通过阅读下面仅作为本专利技术方法的非限制性示例的详细说明，本专利技术将得到更好的理解并且其优点将变得更为清晰。该说明引用附图，包括:图1图示了已知热偶发电器的制造方法，图2Α示出了根据本专利技术的热偶发电器，图2Β示出了根据本专利技术的热偶发电器的制造方法，图3Α和3Β示出了本专利技术一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：加埃莱·戴莱泽，朱迪思·莫尼厄，克劳德·戈达特，克里斯泰勒·纳沃内，乔汉·泰斯塔德，
申请(专利权)人：原子能与替代能源委员会，
类型：
国别省市：