CN104868044A - 一种用于大温差环境下的多级联热电臂及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大温差环境下的多级联热电臂及其制造方法，该多级联热电臂用于制造在高温度梯度条件下工作的组串型多级联温差发电模块或器件；由多种热电材料焊接而成，焊接面为加工得到的周期性的表面开槽结构；焊接方式为钎焊，通过在热电材料的焊接面上预加工周期性的表面结构，可以提高焊料的接触面积，同时便于助焊剂的排除、将残余助焊剂的影响降到较低水平；通过上述焊接方法，热电材料与热电材料之间的连接电阻和热阻可以得到有效的降低，有利于提高多级联温差发电的功率和效率。
Description
技术领域
本发明属于热电技术领域，特别涉及一种用于大温差环境下的多级联热电臂及其制造方法。
背景技术
热电器件是指可以直接实现电能与热能相互转换的一类电子元件，其核心是由多组不同载流子类型的热电材料串并联起来组成的热电(thermoelectric)模块。热电器件的应用迄今已有一百多年的历史，早期主要是用来探测温度，例如热电偶。后来随着高性能热电材料的开发，又被用于电子控温、废热发电和航天电池组等领域。近20年来，热电器件在余热回收温差发电领域受到了越来越广泛的关注。美、德、日等国相继开发了多种套技术方案，并将其应用于便携式电源、垃圾焚烧发电和地热利用等领域。
工业余热的温度范围一般在200～800C左右，较高温度的工业余热可以产生较高的温差，从而显著提高温差发电的效率和功率。但是，一般热电材料最佳的工作温度范围只有100～200C左右，因此为了实现热源能量的梯度高效利用，会将多种热电材料串联起来，组成多级联热电模块。
多级联热电模块主要有两种结构，一种是将不同种类的热电材料分别制作成热电模块，然后再将它们沿温度梯度方向串联起来(叠层结构)，另一种是将不同热电材料直接串联起来，一起封装、制作成热电模块(组串结构)。两种结构各有优劣，前者工艺较为简单，应用灵活，但是不方便进行功率统一输出，热损耗较大而且集成度较低，一般适用于小型低功率发电；后者集成度高，对外输出接口少方便安装，而且几乎没有热损失，但是制作工艺难度较高，一般适用于集成式大功率发电。本发明针对第二种结构，主要服务于大功率、高集成度的温差发电应用。
热电材料通常是合金、固溶体或陶瓷材料，不同种热电材料之间的连接是一项非常考验工艺水平的制造工艺。这是因为连接的强度、电阻和热阻都会对热电模块的发电效率和可靠性造成很大的影响。目前主流的热电材料连接技术主要有一体化烧结(熔炼)和焊接两种。一体化烧结(熔炼)技术是指将不同种的热电材料粉末按照串联叠层的方式在模具中压好，然后加热一次成型。焊接一般是指通过钎焊的方法将两种材料连接起来。一体化烧结工艺的连接电阻和热阻都比较小，但最大问题是两种或多种热电材料在相同的条件下制备很可能会牺牲材料的性能。相比而言，分别制备热电材料再焊接起来可以保证每种材料在最佳的温度和时间条件下制备而成，热电性能更高，而且焊接的工艺也更简单。如果可以有效降低焊接电阻，焊接的方法将更加适合大规模工业化生产。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于大温差环境下的多级联热电臂及其制造方法，本发明所涉及的热电臂及其制造方法采用了焊接的工艺连接块体热电材料，通过采用特殊的焊缝设计，可以有效降低连接电阻和热阻，使其达到或接近一体烧结成型的水平。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于大温差环境下的多级联热电臂，所述多级联热电臂由多种热电材料焊接而成，每种热电材料对应于不同的温区应用范围，焊接面为加工得到的周期性的表面开槽结构。
所述焊接的方式为钎焊，钎料中的助焊剂的密度远远低于焊料金属。
每种热电材料的长度由材料的物理性质决定。
所述周期性的表面结构为周期性锯齿状结构，锯齿的周期即宽度在为0.2～2mm左右，具体取决于多级联热电臂的大小；锯齿的张角2θ1为45°～120°。所述锯齿的张角的选择原则为：流动性好的钎料可以选择较小的张角，这样降低电阻和热阻效果更好；流动性不好的钎料需要选择较大的张角。
所述周期性的表面结构为周期性梯形结构。
所述周期性的表面结构为周期性梯形的上底上叠加矩形形成的结构。
上述所述的用于大温差环境下的多级联热电臂的制造方法，采用磨削成型的尖端为V型刀口的刀片以在热电材料表面切割，刀片的厚度等于或小于开槽的厚度，切割时每刀之间的刀距等于或大于开槽的周期即宽度；在切割完成、焊接之前，将热电材料进行超声清洗，以洗掉热电材料表面的切割残屑或未完全剥落的毛刺，有利于后续的焊接工作。
如果热电材料为层状组织，为了避免层间解离，则加大刀距，形成平台，从而避免应力集中。
如果热电材料本身比较软，容易发生塑性形变，在开槽切割后尖端会变圆，导致不易对叉，则进行第二次切割，利用较小的加工量形成尖锐的锯齿尖端。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明所采用的周期性的表面开槽结构主要优势在于两点。第一，提高了焊接层的接触面积，从而降低了总的连接层电阻。例如焊接层电阻率为ρ(Ωm2)，平面接触面结为S(m2)，则普通焊接的连接层电阻为ρ/S(m2)，采用本发明结构的连接层电阻为ρ/sinθ1·S(m2)。第二，减少了未挥发助焊剂的影响。在两种材料面对面焊接时，焊料中的助焊剂熔化后可能不能完全挥发，特别是更靠近接触面中部的焊料更不易挥发，其在高温碳化后就会留在材料内部，形成高电阻的缺陷。本发明由于助焊剂的密度远远低于焊料金属，因此在熔化后将浮在金属液体上面。对于平面接触而言，助焊剂和焊料金属形成了串联电阻，大大提高了焊接层的电阻；而对于本发明的表面结构，助焊剂集中在锯齿的顶端，和焊料金属形成了并联，对焊接层的电阻影响不大。进一步地，如果锯齿的顶端足够尖锐，将引入毛细渗流作用，促进中间部分的液态助焊剂向外表面流动(沿垂直纸面方向)，从而加速助焊剂的挥发速度，进一步降低电阻。
2、本发明所涉及的表面结构通过精密机械加工的方法来获得，采用高速滑片的方法在热电材料表面切割，刀的尖端采用特殊磨削成型的V型刀口，刀片的厚度等于或略小于开槽的宽度，切割时每刀之间的刀距等于或大于开槽的宽度。采用其它的工艺，例如湿法腐蚀、热电材料模具铸造等等，也可以加工出以上结构。但从成本和生产率的角度上考虑，精密切割法是一种比较优选的实现方法。
附图说明
图1本发明所涉及的多级联热电臂及其焊接面放大图。
图2本发明所涉及的热电材料焊接面与普通焊接面的比较图。
图3本发明所涉及的焊接面的一种实施例A(适用于普通热电材料)。
图4本发明所涉及的焊接面的一种实施例B(适用于易发生内部层间解离的热电材料)。
图5本发明所涉及的焊接面的一种实施例C(适用于加工形变率较高的热电材料)。
图6本发明所涉及的焊接面的一种实施例D(适用于可发生内部层间解离，且加工形变率较高的热电材料)。
图7焊接面的一种加工方法。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一种用于大温差环境下的多级联热电臂，所述多级联热电臂由多种热电材料焊接而成，每种热电材料对应于不同的温区应用范围，由较高温区热电材料、较低温区热电材料和焊接层组成。焊接面为加工得到的周期性的表面开槽结构。
作为本发明的优选实施方式，锯齿的周期即宽度在为0.2～2mm，具体取决于多级联热电臂的大小；锯齿的张角2θ1为45°～120°，需要根据钎料的性状决定，流动性好的钎料可以选择较小的张角，这样降低电阻和热阻效果更好；流动性不好的钎料需要选择较大的张角，否则焊接时无法有效的将两种热电材料对叉起来，容易导致焊接层过厚电阻增高。
所述焊接的方式为钎焊，钎料中的助焊剂的密度远远低于焊料金属。如图2所示，本发明的表面结构使得助焊剂集中在锯齿的顶端，和焊料金属形成了并联，对焊接层的电阻影响不大。进一步地，如果锯齿的顶端足够尖锐，将引入毛细渗流作用，促进中间部分的液态助焊剂向外表面流动(沿垂直纸面方向)，从而加速助焊接的挥发速度，进一步降低电阻。
每种热电材料的长度由材料的物理性质决定，可以根据优化模拟计算得到。
如图3所示，该周期性的表面结构为为一种通用的表面结构-周期性锯齿状结构，V型切割刀具的倾斜角为θ1，刀宽和刀间距均为d1。
图4为图3的一种衍生结构，适用于易发生内部层间解离的热电材料。V型切割刀具的倾斜角为θ1，刀宽为d1，刀间距为d1+d2。该结构避免了V型槽尖端的应力集中。
图5为图3的一种衍生结构，适用于加工形变率较高的热电材料。V型切割刀具的倾斜角为θ1，刀宽为d1，刀间距为d1+d2。在第一次切割完成后，利用倾斜角为θ2，宽度为d2的薄片刀再次补切，刀间距仍为d1+d2。该工艺避免了一次大加工量下的塑性变形。这种变形可能导致开槽切割后尖端变圆，焊接时不易对叉。
图6为图3的一种衍生结构，该周期性的表面结构为周期性梯形的上底上叠加矩形形成的结构。对于可发生内部层间解离，且加工形变率较高的热电材料。V型切割刀具的倾斜角为θ1，刀宽为d1，刀间距为d1+d2。在第一次切割完成后，宽度为d2的薄片直角刀再次补切，刀间距仍为d1+d2。该工艺避免了一次大加工量下的塑性变形，同时避免了槽尖端的应力集中。
如图7所示，为图3所示周期性锯齿状结构的加工方式，采用高速滑片的方法在热电材料表面切割，刀的尖端采用特殊磨削成型的V型刀口，刀片的厚度等于或略小于开槽的宽度，切割时每刀之间的刀距等于开槽的宽度。
Claims (9)
1.一种用于大温差环境下的多级联热电臂，其特征在于：所述多级联热电臂由多种热电材料焊接而成，每种热电材料对应于不同的温区应用范围，焊接面为加工得到的周期性的表面开槽结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于大温差环境下的多级联热电臂，其特征在于：所述焊接的方式为钎焊，钎料中的助焊剂的密度远远低于焊料金属。
3.根据权利要求1所述的一种用于大温差环境下的多级联热电臂，其特征在于：每种热电材料的长度由材料的物理性质决定。
4.根据权利要求1所述的一种用于大温差环境下的多级联热电臂，其特征在于：所述周期性的表面结构为周期性锯齿状结构，锯齿的周期即宽度在为0.2～2mm左右，具体取决于多级联热电臂的大小；锯齿的张角2θ1为45°～120°。
5.根据权利要求1所述的一种用于大温差环境下的多级联热电臂，其特征在于：所述周期性的表面结构为周期性梯形结构。
6.根据权利要求1所述的一种用于大温差环境下的多级联热电臂，其特征在于：所述周期性的表面结构为周期性梯形的上底上叠加矩形形成的结构。
7.权利要求1至6任一项所述的用于大温差环境下的多级联热电臂的制造方法，其特征在于：采用磨削成型的尖端为V型刀口的刀片在热电材料表面切割，刀片的厚度等于或小于开槽的厚度，切割时每刀之间的刀距等于或大于开槽的周期即宽度；在切割完成、焊接之前，将热电材料进行超声清洗，以洗掉热电材料表面的切割残屑或未完全剥落的毛刺。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：如果热电材料为层状组织，为了避免层间解离，则加大刀距，形成平台，从而避免应力集中。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：如果热电材料本身比较软，容易发生塑性形变，在开槽切割后尖端会变圆，导致不易对叉，则进行第二次切割，利用较小的加工量形成尖锐的锯齿尖端。
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