CN102306701B - 一种长程集中冷却动力热电偶转换元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，尤其是指外形纵向延长，具有高温段、边界段和冷却段的结构；其高温段直接设置在热源的内部，边界段是热源和冷源的分界，冷却段设置在冷源内，整体由防护外壳封装；热电偶转换元件内部设置先并联，后串联的热电偶组、金属导流片和过渡导体连接的热电回路，并将回路的全部冷端结点集中在冷却段冷却的动力热电偶转换元件。本发明有利于通过强化热电偶转换元件的传热和冷却过程，充分地利用热源能量，提高输出功率并降低成本；有利于设计开发紧凑型热电转换装置，提高功率密度指标。

Description

一种长程集中冷却动力热电偶转换元件

技术领域

本发明涉及一种热电直接转换元件，尤其涉及一种长程集中冷却动力热电偶转换元件。

背景技术

热电转换的基础是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。当两种不同材料的导体连成一个闭合回路，并且使该回路两端的接头（或称为结点）的温度不同时，回路中就会有电流产生。此回路称为热电回路，电流称为热电流，相应的电动势称为热电动势或塞贝克电动势；其中，温度高的结点称为工作端或热端，温度低的结点称为参考端或冷端。采用工业技术把接头焊接成一个通用的产品，称之为热电偶。

目前，动力热电偶转换元件（或称为“热电堆”、“片”）一般采用平板式结构，包括用于制冷和发电的两类元件，通常采用N、P两种类型的半导体热电材料，分别切割成条块状的“热电偶臂”作为热电回路的导体，两头用金属导流片串联构成热电偶，使用时将多对热电偶串联连接，形成闭合回路，当回路两端具有温差时，输出直流电。

半导体热电偶实质上是一个较大面积的PN结，热电偶臂具有导热和导电的作用，它们的热导率与电导率之比为常数，因而，热电偶臂的长度和截面积成为重要的设计参数。由于固体导热影响热电回路两端温差的大小，而热电流通过热电偶臂时将产生珀尔帖效应，以及电阻值的存在而产生焦耳热，这些因素反过来影响热电偶的温度状态。因此，提高热电偶元件的性能，需要从热电偶元件的塞贝克系数、热导率和电导率三个参数入手研究解决，而通过结构设计和制造工艺，可以有效地改进热电偶元件的电阻值和工作温差，是一个不能忽视的技术方向。

现有热电材料的条件下，热电偶转换元件的输出功率小，效率比较低，主要用于小功率热电转换装置，其主要原因是：（1）热电转换过程中，热量传递的方式为外表面导热，接触热阻大，且热源内部的能量未能充分利用；（2）热电偶转换元件独立铺设，使得冷却点分散，冷却系统结构复杂，冷却效果不佳；（3）热电偶是平面排列串联连接，电阻值较大；热电偶臂很短，一般为3-10毫米，而热导率系数不可能为无穷大，两端能够形成的温差小，影响输出功率的提高；（4）半导体热电材料的使用量大，价格高。

提高热电转换装置的输出功率，一直是热电学领域的研究目标，尤其在余热利用方面，热电转换的首要目标不是转换效率，而是获得最大的输出功率。尤为重要的是，热电转换装置作为大功率电源使用时，还需要以单位体积和单位质量下的输出功率（即功率密度）作为技术指标。综上所述，新型热电偶转换元件的提出，在满足工程应用方面具有重要意义。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，配合强化温差发电器的高效换热形式，采取内置式或内置与外设相结合的布置方式，更有效地利用热源的能量；采取集中冷却热电偶回路冷端结点的方式，提高冷却效果，扩大热电转换过程的温差；转换元件采取薄臂型结构的热电偶，通过金属导流片的并联，及过渡导体的连接，形成完整的热电回路，既增加单位体积中热电偶的数量，又降低了热电材料的消耗，达到提高热电偶转换元件的输出功率及功率密度指标，并降低成本的目的。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为:

长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于包括上盖6、金属导流片7、薄臂型热电偶8、下盖9、冷却段防护外壳10、边界段绝热环11、高温段防护外壳12、过渡导体14；

所述上盖6、冷却段防护外壳10、边界段绝热环11、高温段防护外壳12、下盖9构成热电偶转换元件4的防护外壳；本发明设计防护外壳的目的是用以防护内部组件不受高温流体的腐蚀，同时起到支撑件的作用。

所述冷却段防护外壳10内设置全部冷端结点构成热电偶转换元件4的冷却段，将所有冷端结点引入集中冷却，使冷却系统结构简单，冷却过程得到强化，提高冷端结点的冷却效果。

所述高温段防护外壳12内设置金属导流片7、薄臂型热电偶8构成热电偶转换元件4的高温段；热电偶转换元件的高温段与热源进行对流热换和辐射换热，以获得最大的热能，同时，充分利用空间结构，增加热电偶的数量。

所述边界段绝热环11内设置过渡导体14构成热电偶转换元件4的边界段；所述过渡导体14的一端连接金属导流片7，另一端连接冷端结点，形成完整的热电回路；边界段绝热环11由绝热材料制成，用于阻断冷却段防护外壳与高温段防护外壳之间的热路，防止热源的热量直接经过防护外壳向冷源传导，加热冷流体的温度；

所述冷却段、边界段、高温段依次从上到下纵向设置在热电偶转换元件4上；安装时，冷却段位于冷源通道1内，边界段位于绝热层2内，高温段位于热源通道3内。绝热层2由绝热材料制成，将热源通道和冷却通道隔开，防止热量由通道的外壁直接传导。

所述的热电偶转换元件4制成横截面为一字型、十字型、或多边型的形状设置在冷源通道1和热源通道3内，是为了增加换热面积，减小对流体的阻力，并使热电偶从现有技术的外平面设置，转变为内部的空间设置。若热源通道3轴向延长，热电偶转换元件4随之轴向延长。

所述的热电偶转换元件4的高温段，制成横截面为圆形或弧形的形状设置在热源通道3的外壁上。由于采取了金属导流片7并联连接方式，热电偶组可以弯曲并设置在热源通道3的外壁上，获取壁面传导的热量。

所述薄臂型热电偶8由配对的半导体热电材料，通过切片压焊，或粉末压铸、沉积制成，纵向间隔排列，两侧由金属导流片7并联连接。以降低热电材料的使用量、减小热电偶臂的电阻、形成并联的电流通道。

所述的若干薄臂型热电偶8、金属导流片7、过渡导体14和冷端结点连接组成并联的热电偶组；热电偶组采取独立封装，或采取多层并联、多级串联后，整体封装制成热电偶转换元件4，便于使用。

所述过渡导体14由N型或P型半导体材料制成，与同类型材料的热电偶臂相互连接。满足热电回路的中间金属定律要求。

所述高温段和边界段内部的缝隙中填充性能良好的绝缘材料，使内部元件与防护外壳电绝缘。

所述高温段、冷却段外壁设置肋片或翅片，采用这种方式可以增加热电偶转换元件4的传热面积，强化传热性能。

所述冷却段内设置金属导流片7，以中间金属定律为设计依据，连接长距离的热电回路，并增加冷却面积。

所述上盖6上设有接线柱5，便于连接输出导线13。

所述薄臂型热电偶（8）采用切片压焊、粉末压铸或沉积制成。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）有利于强化传热、有效地利用热源的能量；热电偶转换元件采取长程结构可以设置在热源和冷源的内部，采取对流换热和辐射换热耦合的换热方式，增加换热面积，提高换热量和热流密度；

（2）有利于强化冷却、建立大的温差；热电回路的冷端集中冷却，可以增强冷却效果，在同样热源温度的条件下扩大温差值；

（3）有利于增加热电偶的数量，提高输出功率；采取金属导流片纵向延长转换元件的长度，或将转换元件的形状制成弧形或圆形，可以增加温差发电器单位体积中热电偶的数量，提高总的输出功率；

（4）有利于提高热电偶的转换性能；采取长程金属导流片并联连接热电偶的方式，可以在热电回路的热端采取薄臂型热电偶，在保持热电动势不变的同时减小电阻；可以分散流经每一个热电偶的电流，减小珀尔帖效应的影响以及焦耳热的产生；并联和串联配合，可以减少引入冷源的冷端结点的数量，降低故障率，输出品质良好的电流；

（5）有利于制造高效、紧凑型的热交换器结构，提高温差发电器的功率密度指标；

（6）有利于降低热电转换装置的成本；由于薄臂型热电偶减小了臂长，热电材料的使用量只是现有产品使用量的若干分之一，总成本得以降低。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

图1 为本发明的热电偶转换元件工作原理图；

图2 为本发明的热电偶转换元件结构图；

图3为本发明的热电偶组主视图；

图4为图3的A-A视图；

图5为图3的B向视图；

图6为本发明的热电偶组混联热电回路原理图。

图中所示：1—冷源通道，2—绝热层，3—热源通道，4—热电偶转换元件；5—接线柱，6—上盖，7—金属导流片，8—薄臂型热电偶，9—下盖，10—冷却段防护外壳，11—边界段绝热环，12—高温段防护外壳，13—输出导线，14—过渡导体，15—热电偶臂，16—串联金属导流片，17—绝缘板，18—第1并联热电偶组，19—第2并联热电偶组，k—第k并联热电偶组，20—第1串联冷端结点。

具体实施方式

如图1所示，本发明的热电偶转换元件4（横截面为一字形），设置在冷源通道1、绝热层2、热源通道3中，若热源通道3轴向延长，热电偶转换元件4随之轴向延长。与所设置的位置相对应，热电偶转换元件4沿纵向分为三段：（1）设置在热源通道3中的是热电偶转换元件4的高温段，通道中流动的热流体是高温热源，且温度均匀，热电偶转换元件4的高温段与热流体进行对流换热和辐射换热，以获得最大热能；（2）热源通道3与冷源通道1之间，由绝热层2分隔，防止热量由通道的外壁直接传导，绝热层内部设置热电偶转换元件的边界段；（3）设置在冷源通道1中的是热电偶转换元件4的冷却段，是冷却段与冷流体进行对流换热的区间，热电偶转换元件4的冷端结点在此集中冷却。当高温段的温度高于冷却段的温度时，热电偶转换元件4输出直流电。

如图2所示，本发明的长程集中冷却动力热电偶转换元件由接线柱5、上盖6、金属导流片7、薄臂型热电偶8、下盖9、冷却段防护外壳10、边界段绝热环11、高温段防护外壳12组成；其中接线柱5连接输出导线，输出转换电流；上盖6、冷却段防护外壳10、边界段绝热环11、高温段防护外壳12、下盖9构成了防护外壳整体，用以防护内部组件不受流体的腐蚀，同时起到支撑件的作用；薄臂型热电偶8是热电回路的热端结点，由金属导流片7在两侧并联电连接；边界段绝热环11由绝缘和绝热材料制成，内部设置过渡导体，过渡导体电连接金属导流片7和冷端结点，构成完整的热电回路，也是温度梯度最大的区间；高温段和过渡段内部的缝隙中填充绝缘材料，使内部元件与防护外壳电绝缘。

如图3所示，是本发明的热电偶组的主视图，图中纵向排列的各热电偶由N型和P型半导体材料的热电偶臂15直接压焊制成，两热电偶臂15厚度为0.8mm，两侧由金属导流片7并联电连接，而过渡导体14也分别由N型和P型半导体材料制成，与同类型材料的热电偶臂15相互电连接，构成并联的热电偶组；13是输出导线，17是绝缘板，用以增加过渡导体14的强度；根据中间金属定律，在连接导体的接头处温度相同时，所增加的连接导体对热电回路的电动势无影响，由于热源通道内流体的温度均匀一致，所以，金属导流片7与过渡导体14的电连接，与热电偶臂15并联电连接，都不影响热电回路的热电动势；由于控制单个热电偶的截面积的大小，可以限制通过它的电流的大小，因此，虽然通过金属导流片7的电流是各热电偶的电流之和，但总电流的珀尔帖效应被分散到各个并联的热电偶上，在热源的热容量比较大时，由珀尔帖效应产生的热电偶热端被冷却的现象被弱化；另外，热电偶臂15的长短影响它的电阻值大小，在相同截面积的条件下，薄臂型结构的热电偶电阻小，产生的焦耳热较低，汤姆逊效应可以忽略，而电动势并未因此结构而降低；

图4是图3的A-A视图，表示出左、右两个并联的热电偶组，其中左边组的热电偶臂15为N型材料，过渡导体14为N型材料；右边组的热电偶臂15为P型材料，过渡导体14也为P型材料；输出导线13为金属导线，与接线柱5的“+”、“-”极电连接。

图5是图3的B向视图，表示对这两个并联的热电偶组再做串联连接。热电回路的冷端节点，由串联金属导流片16连接两个热电偶组的N型和P型过渡导体14构成，并使接头具有较大的PN结面积，可满足热端多个并联连接的热电偶传输电流的需要；当热电偶转换元件4随热源通道3轴向延长时，它的内部沿轴向可设置多个并联的热电偶组再做串联连接。

动力热电偶在电路中是一个微型电源，可以等效于一个电动势与内电阻串联的模型。因此，根据电工学原理，多个热电偶并联时，电路总电动势等于单个热电偶的电动势、总电阻等于单个热电偶的电阻、总电流等于各热电偶分担电流的叠加；多个热电偶串联时，电路总电动势等于所有热电偶电动势之和，总电阻等于全部热电偶电阻之和，而通过各热电偶的电流是相等的；混合联连接的热电偶组，首先进行并联连接，目的是可以采取薄臂型热电偶，并减少引入冷却段的结点数量；其次，并联的热电偶组进行串联，目的是提高转换元件的输出电压，达到一个合理的数值。

如图6所示，是本发明的转换元件并联、串联（混联）接线图，其中虚线框18、19┄k是相同的内部并联连接的热电偶组，14是过渡导体，分别用N型和P型半导体材料制成，它们再通过冷端结点20的串联连接，提高回路的总电压，最终由“+”、“-”输出端输出直流电；根据热电回路定律，热电偶回路的并联、串联接线，需要的冷源结点数量是不同的，每一个热端结点的串联需要一个冷端结点，而并联的若干个热端结点只需要一个冷端结点；因此，当T₁＞T₂时，本热电回路输出功率是所有热电偶功率的总和，同时，热电偶元件具有良好的热电转换特性。

综上所述，本发明的长程集中冷却动力热电偶转换元件，采取纵向及轴向延长，具有高温段、边界段和冷却段的长程结构；其高温段直接设置在热源中，内部设置先并联，后串联的热电偶组及其金属导流片；边界段是热源和冷源的分界，内部设置过渡导体连接热电回路；冷却段设置在冷源内，将全部冷端结点集中冷却，并由防护外壳封装；由于采取了并联分流、串联升压、大面积冷结点的设计方法，热电偶转换元件将提高输出功率，降低成本，应用于大功率、高功率密度的温差发电装置中。

Claims (9)

1.一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于包括上盖（6）、金属导流片（7）、薄臂型热电偶（8）、下盖（9）、冷却段防护外壳（10）、边界段绝热环（11）、高温段防护外壳（12）、过渡导体（14）；

所述上盖（6）、冷却段防护外壳（10）、边界段绝热环（11）、高温段防护外壳（12）、下盖（9）构成热电偶转换元件（4）的防护外壳；

所述冷却段防护外壳（10）内设置全部冷端结点，构成热电偶转换元件（4）的冷却段；

所述高温段防护外壳（12）内设置金属导流片（7）、薄臂型热电偶（8），构成热电偶转换元件（4）的高温段；

所述边界段绝热环（11）内设置过渡导体（14），构成热电偶转换元件（4）的边界段；所述过渡导体（14）一端连接金属导流片（7），另一端连接冷端结点；

所述冷却段、边界段、高温段依次从上到下纵向设置在热电偶转换元件（4）上；安装时，冷却段位于冷源通道（1）内，边界段位于绝热层（2）内，高温段位于热源通道（3）内。

2.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于所述的热电偶转换元件（4）制成横截面为一字型、十字型、或多边型的形状设置在冷源通道（1）和热源通道（3）内。

3.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于所述的热电偶转换元件（4）的高温段，制成横截面为圆形或弧形的形状设置在热源通道（3）的外壁上。

4.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于所述薄臂型热电偶（8）由配对的半导体热电材料制成，纵向间隔排列，两侧由金属导流片（7）并联连接。

5.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于若干薄臂型热电偶（8）、金属导流片（7）、过渡导体（14）和冷端结点（20）连接构成并联的热电偶组；热电偶组采取独立封装，或采取多层并联、多级串联后，整体封装制成热电偶转换元件（4）。

6.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于所述过渡导体（14）由N型或P型半导体材料制成，与同类型材料制成的热电偶臂相连接。

7.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于所述高温段和边界段内部的缝隙中填充绝缘材料；边界段绝热环（11）由绝热材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于所述高温段防护外壳和冷却段防护外壳上设置肋片或翅片。

9.根据权利要求1所述的一种长程集中冷却动力热电偶转换元件，其特征在于所述冷却段内设置金属导流片（7）。

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