CN103413888B - 一种浇注型热电器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浇注型热电器件及其制作方法，适合大规模高效生产。该热电器件包括由N型热电材料制成的N型块和P型热电材料制成的P型块，还包括固凝体，所述固凝体内设置有多个所述N型块和P型块以及金属电极，各个N型块、P型块以及金属电极依次相连。上述方法主要包括先通过模具制作含有N、P型热电材料以及金属电极的整体式固凝体，然后通过切割形成一定厚度的单体式固凝体，然后通过沉积导电电极层以及封装等步骤形成最终的热电器件。

Description

一种浇注型热电器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及热电领域应用的一种浇注型热电器件及其制作方法。

背景技术

热电器件（包括塞贝克器件和帕尔贴器件）可以将热能和电能相互直接转换，具有体积小、重量轻、寿命长、无运动部件和无需维护等优点，在制冷和废热发电领域具有广泛的应用。目前商用的热电器件一般通过在上下两个导热绝缘陶瓷基片间组装多个具有阵列结构的P型和N型块材，并通过与金属的热压、焊接等方式将各个热电块相互串联，同时与陶瓷基片连接形成一个整体。在该结构中，除了必要的热电材料外，还增加了陶瓷片和焊接材料，致使单个器件的重量较大；另外，现有制作方法所得到的热电器件的外观尺寸和阵列密度都有限，缺乏一定的灵活性，并且器件的生产步骤繁杂，热电块的组装需要大量的人工操作，因此生产周期缓慢，成本相对较高。

热电器件的发电是基于温差的存在而实现的。值得关注的是，除了工业废热和余热环境外，我们周围还存在很多不可忽视的自然环境温差。例如，建筑物的内外实际上存在一定的温差，特别是夏冬两季，当室内使用空调或暖气时，建筑物的玻璃窗内外或墙体内外的温差可能超过20度。此外，汽车的车窗内外的温差、室外地表与内部的温差也不容忽视。这些自然环境温差的存在为热电器件在发电领域的应用提供了广阔空间。然而，现有的热电器件由于其固定的结构和制作方法，器件的安装和使用受到一定的地点和条件限制，一般只能在一些温差较大的工业场合（如炼铝生产线、工业锅炉、高温烟囱等）发电，很难利用环境温差在建筑一体化等领域得到应用，其重要的原因之一是现有热电器件的制备方法较难实现热电器件的大面积、高阵列密度、轻型、和低成本快速量产。

中国专利CN101170157A公开了一种热电模块及其制造方法，该热电模块包括N型热电材料和P型热电材料；N型热电材料和P型热电材料为丝状，相互交替且头尾依次连接而构成W型热电丝串，各热电丝串纵向间隔排列，并在端头相互连接；各热电丝串的周围分布固结有固凝体。该专利虽然提供了一种热电模块量产的途径，但该热电模块需要将丝状的N型热电材料和P型热电材料通过大量的焊接而头尾相连形成W型，其加工工艺比较复杂，且对加工设备的精度要求较高，生产效率较低。另外，该热电模块要求N型和P型材料均为柔软的丝状，这就限定了该器件中热电材料的种类只能采用性能较差的各类热电偶材料，而无法适用于众多其它的热电性能较好但延展性较差的P型和N型材料，如碲化铋等。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种适合大规模高效生产的浇注型热电器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种浇注型热电器件，包括由N型热电材料制成的N型块和P型热电材料制成的P型块，还包括固凝体，所述固凝体内设置有多个所述N型块和P型块，各个N型块和P型块依次相连。

进一步的是：所述固凝体内还设置有金属电极，所述金属电极与N型块或P型块相连。

进一步的是：所述金属电极上设置有卡接结构。

进一步的是：所述固凝体的厚度为0.2～10mm。

本发明还提供了上述浇注型热电器件的制作方法：

A、将多个条状或丝状的N型热电材料和P型热电材料固定在模具内；

B、向模具内注入浆料，使N型热电材料和P型热电材料被浆料包裹；

C、待浆料凝固后形成整体式固凝体，将模具拆除，通过对整体式固凝体进行切割获得一定厚度的单体式固凝体，单体式固凝体内的N型热电材料为N型块，单体式固凝体内的P型热电材料为P型块，各个N型块的两端裸露，各个P型块的两端裸露；

D、通过沉积导电电极层，使各个N型块和P型块依次相连；

E、接着通过浆料对步骤D中沉积有导电电极层的表面进行封装。

上述N型块和P型块是相对于条状和丝状的N、P型热电材料而言，也就是将条状或丝状的N、P型热电材料切割后形成块状。本发明的上述方法的主体思路是先制作整体式固凝体，然后通过切割可将整体式固凝体分隔形成多个单体式固凝体，这样就可按照实际需要制作出不同厚度的热电器件，且生产效率较现有技术明显提高。

进一步的是：步骤A中，还包括将条状或丝状的金属电极固定在模具内；步骤B中，使金属电极也被浆料包裹；步骤C中，获得单体式固凝体后，金属电极的两端裸露；步骤D中，通过沉积导电电极层，使金属电极与N型块或P型块相连。

进一步的是：金属电极位于单体式固凝体的边缘，还包括步骤F：对步骤E获得的单体式固凝体的边缘部分进行切割处理，使得金属电极上形成凸起或凹槽。

进一步的是：步骤A中，所述模具包括注浆容器以及两个对置的基板，所述基板上间隔设置有多个定位孔，各个N型热电材料的两端、各个P型热电材料的两端以及金属电极的两端都分别通过两个基板上的定位孔固定；所述注浆容器至少将两个基板之间的N型热电材料、P型热电材料以及金属电极容纳在其内。

进一步的是：步骤A中，各个条状或丝状的N型热电材料、各个条状或丝状的P型热电材料以及条状或丝状的金属电极相互平行设置。其排列方式和阵列密度可由上述基板上定位孔的排列方式和阵列密度决定。

进一步的是：步骤B中，在向模具内注入浆料后，在真空环境下进行脱泡处理。

本发明的有益效果是：本发明的浇注型热电器件结构简单，以固凝体替代了传统的陶瓷基片作为结构支撑体，适合大规模高效生产。本发明的制作方法生产效率高，以定位后批量切割的方法替代了传统的手工动组装，可降低生产成本。本发明的热电器件在形状、尺寸、阵列密度和厚度设计上具有很强的灵活性，既可生产出超薄微型热电器件，也可以用来生产超大面积的发电器件或组合式器件，适合未来在建筑一体化等领域的应用。

附图说明

图1为通过带有定位孔的两个基板将P型热电材料、N型热电材料和金属电极固定的示意图；

图2为基板上的定位孔为阵列设置的示意图；

图3为基板上的定位孔呈M形排列的示意图；

图4为单体式固凝体的示意图；

图中标记为：基板1，金属电极2，N型热电材料3，定位孔4，上电极层5，下电极层6，固凝体7，P型热电材料8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图4所示，一种浇注型热电器件，包括由N型热电材料3制成的N型块和P型热电材料8制成的P型块，还包括固凝体7，所述固凝体7内设置有多个所述N型块和P型块，各个N型块和P型块依次相连。上述各个N型块和P型块的连接方式可以是依次串联，也就是N型块串联P型块，P型块再串联N型块，以此连接下去。当然也可以是并联或串联与并联相结合的方式。例如包括多排，每排包括串联的多个N型块和P型块，各排之间并联。

上述热电器件使用时，只需将热电器件与电极相连即可使用。由于N型块和P型块设置在固凝体内部，也就是被固凝体包裹，为了将N型块和P型块与电极相连，可通过将固凝体7进行切割处理，使位于固凝体7边缘的P型块和N型块裸露，然后将裸露的P型块和N型块与电极相连。P型块和N型块与电极相连的方式可为沉积电极层或直接用导线焊接等。

为了更加方便应用，在上述基础上，如图4所示，所述固凝体内还设置有金属电极2，所述金属电极2与N型块或P型块相连。例如固凝体内设置有2个金属电极块，2个金属电极块分别与一个N型块和一个P型块相连。将金属电极一同设置在固凝体内可省去额外连接金属电极的工序。设置时，可将金属电极设置在固凝体的边缘，这样对固凝体的边缘进行处理后可将金属电极裸露，进而可与其它设备连接。

为了方便将多个上述热电器件组合使用，以获得更大的输出电压和功率，在上述基础上，所述金属电极上设置有卡接结构。例如，可在金属电极上设置凸起结构或凹槽结构，这样可通过凸起结构与凹槽结构的卡接配合将多个热电器件插接到一起使用，方便快捷。上述卡接结构还可以是在金属电极上设置弹性金属卡扣或卡头，通过卡扣和卡头的卡接配合来实现不同热电器件上的金属电极之间的卡接。

由于本发明的上述热电器件的厚度基本为固凝体的厚度，而固凝体的厚度可根据实际需要来设定，因此上述热电器件的厚度在设定时灵活度较大，例如固凝体的厚度可为0.2～10mm。其下限厚度的器件也就是超薄型热电器件。热电器件越薄，其质量越轻，可应用的领域越多，适用范围越广。

本发明的上述热电器件的制作方法有多种，其中比较快捷方便的方法为：

A、将多个条状或丝状的N型热电材料和P型热电材料固定在模具内。上述N型热电材料和P型热电材料为具有热电效应的任何N、P型金属、无机或有机材料。典型的例子如各类热电偶、N型Bi₂Te₃、P型Sb₂Te₃基热电材料、有机热电材料等。该材料的特点是易加工成丝状（如热电偶丝）或通过成型、切割而获得的具有规则形状的长条形块材，亦可通过高温熔铸、纺丝等方法形成的丝状材料（如有机或高分子材料）。长条形或丝状的目的是方便穿孔定位，并且可在纵向有一定的长度，便于后期可切割成多个部分，有利于量产。

B、向模具内注入浆料，使N型热电材料和P型热电材料被浆料包裹。上述浆料可以是具有可浇注特性的绝缘物料，特别包含具有相对较长固化时间的透明、无味的环氧树脂，浇注后可填充模具中的任何空隙，固化后具有很强的粘性，可使所有P、N型热电材料和金属材料固定牢靠，并起到绝缘作用；该浆料还可为如聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃的成份）类的高分子材料，这种材料可以用粉末填充在模具空隙处，采用加热模具的方式使粉末熔化最终冷却后固定器件，也可以用高温下的液态有机物直接浇注，然后再冷却，采用这种材料浇注可将热电器件植入于有机玻璃内，可实现建筑玻璃、车窗玻璃利用内外温差进行发电；该浆料也可包含玻璃、水泥、石灰等建筑浆料，这样可将热电器件植入于建筑砖瓦内，可在建筑一体化、高温工业环境中利用环境温差或废热余热发电。

C、待浆料凝固后形成整体式固凝体，将模具拆除，通过对整体式固凝体进行切割获得一定厚度的单体式固凝体，例如可以获得几毫米厚的单体式固凝体，实际厚度可根据使用需求设定，单体式固凝体内的N型热电材料形成N型块，也就是将原来条状或丝状的N型热电材料截取了一部分，形成块状，同理，单体式固凝体内的P型热电材料形成P型块。由于单体式固凝体是通过切割获得，使得单体式固凝体的两个对置面上对应的各个N型块的两端裸露，各个P型块的两端裸露。

D、通过沉积导电电极层，使各个N型块和P型块依次相连。如图4所示，通过沉积导电电极层，可在N型块、P型块以及金属电极上形成上电极层5和下电极层6，通过上电极层5和下电极层6将各个N型块、P型块以及金属电极依次相连。上述上电极层5和下电极层6为可将所有P型、N型热电材料和金属电极依次相连的金属导电层，包含Cu、Cr、Ni、Al、Ag、Au、Pt层及它们的复合或合金导电层。上述导电电极层可采用丝网印刷、磁控溅射、蒸发等方法制备，使用适当的掩膜板即可实现上述导电电极层的形状和位置的控制。为获得导电电极层与P型、N型热电材料的良好电接触，减少接触电阻，可在沉积导电电极层前对N型块裸露的两端以及P型块裸露的两端进行表面处理，表面处理方式可为机械抛光、化学处理、等离子处理等。镀层完成后为防止镀层的表面氧化，可立即在镀层上立即继续镀一层绝缘、导热较好的保护层，如AlN、Si3N4等。

E、接着通过浆料对步骤D中沉积有导电电极层的表面进行封装。上述上电极层5和下电极层6分别位于单体式固凝体的两个对置面上，封装就是通过浆料将上述单体式固凝体的两个对置面密封起来，以保护内部热电材料和电极等。例如可在上述导电电极层上分别涂上一层绝缘的有机浆料，待浆料干燥、固化后起到隔绝空气和水汽的作用，对热电器件起到完全的保护作用。封装所用的浆料可参考上述用于向模具内注入的浆料，也可采用有同等效果的其它成份物料。封装步骤可通过印刷、旋涂、拉涂等方式进行。封装后形成的封装层厚度优选控制在0.05至2mm。

为了方便上述热电器件的应用，在上述基础上，步骤A中，还包括将条状或丝状的金属电极固定在模具内；步骤B中，使金属电极也被浆料包裹；步骤C中，获得单体式固凝体后，金属电极的两端裸露；步骤D中，通过沉积导电电极层，使金属电极与N型块或P型块相连。这样制作出来的热电器件本身带有金属电极，方便直接使用。上述金属电极一般成对设置，如图1所示，分别为热电器件的正极和负极。金属电极所用材料可为铜、镍、铝等导电性好的金属材料。

在上述基础上，为了方便将多个上述热电器件组合使用，以获得更大的输出电压和功率，金属电极设置在单体式固凝体的边缘，还包括步骤F：对步骤E获得的单体式固凝体的边缘部分进行切割处理，使得金属电极上形成凸起或凹槽。例如图4所示。这样可通过凸起结构与凹槽结构的卡接配合将多个热电器件插接到一起使用，方便快捷，可获得更大的输出电压和功率。

上述模具的设置方式也有多种，例如可以是一个底部设置多个夹头的容器，将上述各个P型热电材料、N型热电材料以及金属电极通过夹头固定在容器内，然后可向容器内注入浆料。也可以是如图1所示，步骤A中，所述模具包括注浆容器以及两个对置的基板，所述基板上间隔设置有多个定位孔，各个N型热电材料的两端、各个P型热电材料的两端以及金属电极的两端都分别通过两个基板上的定位孔固定；所述注浆容器至少将两个基板之间的N型热电材料、P型热电材料以及金属电极容纳在其内。如图2所示，在基板1上设置有多个定位孔4，上述P型热电材料、N型热电材料以及金属电极的端部插入上述定位孔4来定位。然后如图1所示，在两个基板之间设置可拆卸的注浆容器，该容器侧面上部留有槽孔，方便浆液浇注进入容器。采用基板这种结构，可方便P型热电材料、N型热电材料以及金属电极的快速定位，可提高生产效率。而且，如图2所示，基板上的定位孔可以是典型的阵列形式设置，也可以设置成其它的文字、图案等，如图3所示，可以设置成M形，也就是可以按照实际需求来设置，方便灵活。上述模具和基板表面可预先贴上一层薄膜塑料，以便在浆液凝固后方便脱模，从而可循环使用。

为了在上述基础上，进一步有利于提高生产效率，如图1所示，步骤A中，各个条状或丝状的N型热电材料、各个条状或丝状的P型热电材料以及条状或丝状的金属电极相互平行设置。虽然在设置时，各个条状或丝状的N型热电材料、各个条状或丝状的P型热电材料以及条状或丝状的金属电极之间可以有一定角度。但如果按照图1所示来设置，可方便整个制作方法中各个步骤的进行。按照上述方式设置，在步骤C中，对整体式固凝体进行切割时，沿着N型热电材料、P型热电材料或金属电极的横截面方向切割即可获得单体式固凝体。

为了使上述形成的固凝体致密牢靠，减少固凝体本身的缺陷，在步骤B中，在向模具内注入浆料后，在真空环境下进行脱泡处理。脱泡处理可应用现有技术中常用的脱泡处理技术。

Claims (8)

1.一种浇注型热电器件，包括由N型热电材料制成的N型块和P型热电材料制成的P型块，其特征是：还包括固凝体，所述固凝体内设置有多个所述N型块和P型块，各个N型块和P型块依次相连，所述固凝体内还设置有金属电极，所述金属电极与N型块或P型块相连，所述金属电极上设置有卡接结构。

2.如权利要求1所述的一种浇注型热电器件，其特征是：所述固凝体的厚度为0.2～10mm。

3.权利要求1所述的浇注型热电器件的制作方法，其特征是：

A、将多个条状或丝状的N型热电材料和P型热电材料固定在模具内；

B、向模具内注入浆料，使N型热电材料和P型热电材料被浆料包裹，所述浆料为环氧树脂或是聚甲基丙烯酸甲酯类的高分子材料；

C、待浆料凝固后形成整体式固凝体，将模具拆除，通过对整体式固凝体进行切割获得一定厚度的单体式固凝体，单体式固凝体内的N型热电材料形成N型块，单体式固凝体内的P型热电材料形成P型块，各个N型块的两端裸露，各个P型块的两端裸露；

D、通过沉积导电电极层，使各个N型块和P型块依次相连；

E、接着通过与步骤B相同的浆料对步骤D中沉积有导电电极层的表面进行封装。

4.如权利要求3所述的制作方法，其特征是：步骤A中，还包括将条状或丝状的金属电极固定在模具内；步骤B中，使金属电极也被浆料包裹；步骤C中，获得单体式固凝体后，金属电极的两端裸露；步骤D中，通过沉积导电电极层，使金属电极与N型块或P型块相连。

5.如权利要求4所述的制作方法，其特征是：金属电极位于单体式固凝体的边缘，还包括步骤F：对步骤E获得的单体式固凝体的边缘部分进行切割处理，使得金属电极上形成凸起或凹槽。

6.如权利要求4所述的制作方法，其特征是：步骤A中，所述模具包括注浆容器以及两个对置的基板，所述基板上间隔设置有多个定位孔，各个N型热电材料的两端、各个P型热电材料的两端以及金属电极的两端都分别通过两个基板上的定位孔固定；所述注浆容器至少将两个基板之间的N型热电材料、P型热电材料以及金属电极容纳在其内。

7.如权利要求4至6中任意一项所述的制作方法，其特征是：步骤A中，各个条状或丝状的N型热电材料、各个条状或丝状的P型热电材料以及条状或丝状的金属电极相互平行设置。

8.如权利要求3至6中任意一项所述的制作方法，其特征是：步骤B中，在向模具内注入浆料后，在真空环境下进行脱泡处理。