CN100561765C

CN100561765C - 一种热电模块的制造方法

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Publication number: CN100561765C
Application number: CNB2007100317825A
Authority: CN
Inventors: 况学成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: CN101170157A

Abstract

本发明公开了一种热电模块的制造方法，采用丝状热电材料编织成丝网，并对丝网中的每一个交叉点进行焊接，然后按照网格同一对角线的方向依次进行剪裁，从而获得大量热电丝串；将这些热电丝串排列并注入浆料固化后而成为热电模块。本发明材料成本低，并可以直接焊接，不需要另外的电极材料，可进行大规模的加工生产，产品性能可靠。为利用热电模块进行余热发电或制冷提供了更加良好和更加坚实的基础，有利于促进热电技术的应用和发展。

Description

一种热电模块的制造方法

技术领域

本发明涉及热电技术领域，尤其涉及一种热电材料模块的制造方法。

背景技术

能源是现代生活和发展的基础，电能是使用最为广泛、也是最为便利的能源形式。然而，如今发电的主要形式仍然是(燃料)火力发电，这些能源的使用给我们带来了便利的同时，也带来了一个全球关注的问题-污染。为此，从上个世纪90年代以来，能源转换材料(热电材料)的研究成为材料科学的一个研究热点。

利用热电模块进行发电是一种新型的发电方式，不需要使用传动部件，工作时无噪音、无排弃物，与太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好材料。如果将其应用于上述的大规模电厂发电或普遍的制冷器，那么我们的生活将大为改观，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。上个世纪50～60年代，人们在热能和电能相互转化，特别是对电制冷方面的迫切要求，使得热电材料得到迅速发展。70年代以来，由于氟里昂制冷技术的发展，使得热电制冷和热电材料的研究受到冷落，并几乎陷入了停顿状态。90年代以来，由于氟里昂对环境的破坏作用已被人们普遍认识，制造无污染、无噪声的制冷剂则成为制冷技术追求的目标。同时，随着计算机技术、航天技术、超导技术以及微电子技术的发展，迫切需要小型、静态制冷且能固定安装的长寿命的制冷装置。因此，适用于制造这种装置的热电材料又重新引起人们的浓厚兴趣。

目前，经过半个多世纪的研究，热电转换技术正伴随着现代科学技术不断进步的步伐而逐渐走进我们的生活。热电饮水机、热电冰箱和热电空调都已经出现，并且在逐步推广。热电冰箱不需要制冷剂和压缩机，只要提供一个直流电源就能够制冷。与传统制冷设备相比，氟里昂所带来的环境问题立刻迎刃而解。因此，世界各国均在加紧研究高效率热电转换热电材料和热电模块，以便进行大规模余热发电和热电制冷应用。

目前，国内外热电发电器其发电效率一般在5％左右，最大约12％，热电转换效率偏低。在制造方面，国内外热电发电器(模块)所选用的材料通常是Bi₂Te₃、Sb₂Te₃，普通块体热电模块的制备工艺其步骤如下：

1、采用放电等离子烧结炉进行烧结，利用Bi₂Te₃、Sb₂Te₃制备出塞贝克系数较大的半导体热电材料；

2、切割烧结体成为所需要的规格尺寸；

3、利用电极材料(铜或者银)通过焊接将N型和P型半导体连接起来；

4、电极材料外部再连接一层导热抗氧化片，如氮化铝(AlN)；

5、利用这种方法将大量N型和P型半导体串联或并联起来，从而形成热电模块。

上述现有技术存在着以下缺陷：材料Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、氮化铝(AlN)原料成本高，Bi、Te、Sb是有毒重金属，易污染环境，而且烧结和切割Bi₂Te₃、Sb₂Te₃成本高，Bi₂Te₃、Sb₂Te₃块体与电极材料的焊接困难，难以进行大规模生产；同时，焊接料不耐高温，易被氧化。因此，限制了热电模块在余热发电和大规模发电方面的应用，也限制了余热发电和热电制冷技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种性能可靠、成本低、易于加工、可进行大规模生产的热电模块的制造方法，从而为利用热电模块进行余热发电或热电制冷提供更好的坚实基础，以促进热电技术的应用和发展。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种热电模块的制造方法，包括以下步骤：

(1)采用丝状热电材料编织成丝网；

(2)对丝网中的每一个交叉点进行焊接；

(3)按照网格同一对角线的方向依次进行剪裁，从而获得大量热电丝串；

(4)将各热电丝串纵向间隔并整齐地排放在模具中，每排热电丝串之间在端头以串联或并联的方式连接；

(5)向模具中注入用于固凝的浆料；

(6)浆料固化后便在各热电丝串周围形成固凝体，从而将大量排列的热电丝串固定而成为热电模块。

本发明采用丝状的热电材料作为N型和P型热电材料，获得的热电丝串为相互交替且头尾依次连接的“W”型，材料成本低，并可以直接焊接，不需要另外的电极材料，可进行大规模的加工生产。

此外，本发明制造方法可进一步对所述步骤(6)获得的热电模块进行防水处理，以获得更好的防水性能。

为提高各热电丝串之间绝缘的可靠性，本发明制造方法所述步骤(4)中相邻两排热电丝串之间还设置有绝缘件，热电丝串与绝缘件之间紧密排列。

本发明制造方法所述丝状热电材料具有较高的塞贝克系数，为≥10μv/k，以获得更好的热电性能。可以采用K型热电偶丝、E型热电偶丝、J型热电偶丝、T型热电偶丝或N型热电偶丝。

为提高热电模块的隔热性能，本发明制造方法所述浆料中添加有隔热材料。

本发明具有以下有益效果：

(1)材料成本低，并可以直接焊接，不需要另外的电极材料，容易加工，可进行大规模的加工生产，为利用热电模块进行余热发电或制冷提供了更加良好和更加坚实的基础，有利于促进热电技术的应用和发展。

(2)采用浆料固化，能够使热电模块具有较高的强度，并可以阻止水、气等流体渗入；同时使得热电模块冷、热两端具有一定的隔热性。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例热电模块的外观示意图；

图2是图1的A-A剖视图(放大)；

图3是图1的B-B剖视图(放大)；

图4是图1所示实施例中热电丝串与绝缘件的排放示意图；

图5是图1所示实施例制造方法中编织的丝网以及剪裁示意图；

图6是图1所示实施例制造方法中剪裁出的热电丝串示意图；

图7是图1所示实施例制造方法中热电丝串与绝缘件在模具中的排放示意图。

图中：热电丝串1，N型热电材料11，P型热电材料12，绝缘件2，固凝体3，模具4

具体实施方式

图1～图7所示为本发明的实施例。如图1所示，本实施例热电模块包括由N型热电材料11和P型热电材料12构成的热电丝1、绝缘件2和固凝体3。如图2和图3所示，N型热电材料11和P型热电材料12为丝状，相互交替且头尾依次连接而构成“W”型热电丝串1，该热电丝串中相隔一个连接点的各连接点位于同一直线上，因此热电丝串的连接点构成上下两条直线，且这两条直线相互平行。各热电丝串纵向排列，每排热电丝串之间或者相隔一定距离，使得排与排之间互相隔开而不接触；或者，如图4所示，相邻两排热电丝串1之间设置有绝缘件2且紧密排列，绝缘件2可以为多孔布或无孔布。

每排热电丝串1之间在端头采用串联(或并联)的方式连接。固凝体3分布固结在各热电丝串1和绝缘件2的周围。

本实施例热电模块的制造方法，其步骤如下：

(1)如图5所示，采用丝状热电材料编织成丝网，网孔可以是边长为0.01～50mm的菱形、长方形、正方性或四边型孔。使用的丝状热电材料具有较高的塞贝克系数，为≥10μv/k。可以采用K型热电偶丝(以镍铝和镍铬为主要原料制成的热电偶丝)、E型热电偶丝(以镍铬和铜镍为主要原料制成的热电偶丝)、J型热电偶丝(以铁丝和铜镍丝为主要原料制成的热电偶丝)、T型热电偶丝(以铜丝和铜镍丝为主要原料制成的热电偶丝)或N型热电偶丝(镍铬硅丝和镍硅镁丝为主要原料制成的热电偶丝)。

(2)对丝网中的每一个交叉点进行焊接。可以是在完成丝网的编织后进行焊接，也可以是一边编织、一边焊接。焊接时可以采用排焊机同时进行多点焊接，例如电阻焊、TIG焊、点焊、电子束焊接和激光焊接，以优选应用任何的激光焊接技术为宜，诸如二氧化碳激光、YAG激光和半导体激光等。

(3)按照网格同一对角线的方向依次进行剪裁，从而获得大量热电丝串。如图5所示，按照直线a和直线b方向进行剪裁，其中a→b区域为剪除的部分，b→a区域为所需要的热电丝串1(见图6)；或者，增大焊接点并从焊接点的中间剪裁，使得a→b区域以及b←a区域均为所需要的热电丝串1。

(4)如图7所示，将各热电丝串1及绝缘件2纵向并整齐地排放在模具4中，绝缘件2设置在相邻两排热电丝串1之间且紧密排列；或者，不使用绝缘件2，各排热电丝串1之间相隔一定距离，使得排与排之间互相隔开而不接触。每排热电丝串1之间在端头以串联(或并联)的方式连接；

(5)向模具4中注入用于固凝的浆料。浆料可以是水泥浆(也可以注入可固化、耐高温(大于200℃)的其它胶凝材料)。为提高热电模块的隔热性能，水泥浆中可以加入如漂珠、耐热空心球等隔热材料。

(6)浆料固化后便在各热电丝串1和绝缘件2周围形成固凝体3，从而将大量排列的热电丝串1固定而成为热电模块。

(7)为获得更好的防水性能，对热电模块进行防水处理，如在外表面涂油漆或防水材料。

Claims

1、一种热电模块的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用丝状热电材料编织成丝网；

(2)对丝网中的每一个交叉点进行焊接；

(3)按照网格同一对角线的方向依次进行剪裁，从而获得大量热电丝串(1)；

(4)将各热电丝串(1)纵向间隔并整齐地排放在模具(4)中，每排热电丝串(1)之间在端头以串联或并联的方式连接；

(5)向模具(4)中注入用于固凝的浆料；

(6)浆料固化后便在各热电丝串(1)周围形成固凝体(3)，从而将大量排列的热电丝串(1)固定而成为热电模块。

2、根据权利要求1所述的热电模块的制造方法，其特征在于：对所述步骤(6)获得的热电模块进行防水处理。

3、根据权利要求1所述的热电模块的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中相邻两排热电丝串(1)之间还设置有绝缘件(2)，热电丝串(1)与绝缘件(2)之间紧密排列。

4、根据权利要求1或2或3所述的热电模块的制造方法，其特征在于：所述丝状热电材料的塞贝克系数≥10μv/k。

5、根据权利要求4所述的热电模块的制造方法，其特征在于：所述丝状热电材料为K型热电偶丝、E型热电偶丝、J型热电偶丝、T型热电偶丝或N型热电偶丝。

6、根据权利要求1所述的热电模块的制造方法，其特征在于：所述浆料中添加有隔热材料。