CN105006517B - 一种多级联热电器件及其制法 - Google Patents
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Abstract
一种多级联热电器件，包括封装套及发电单元，发电单元的上下两端设有导电布线陶瓷基板；发电单元由P型、N型交替排列的多级联热电臂组成，两种多级联热电臂均具有两节以上适于各温度工况的热电柱且通过热遮挡层依次联接，两种多级联热电臂的低温端部与导电布线钎焊连接，两种多级联热电臂的高温端部通过柔性导电材料与导电布线机械配合，对应高温端部的导电布线的连接处铣设有凹槽，并顺次填设有鳞片石墨和环形垫，高温端部装入环形垫中并与鳞片石墨相接触。本热电器件及其制法采用机械接触法进行热传导，并通过柔性导电石墨实现定位和柔性固定，既消除了热失配应力，又避免了对材料的破坏。此外本装置的加工材料均较为廉价，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种多级联热电器件及其制法，属于热电器件领域。
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模块。所述热电模块的整体结构如图1所示。
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，热电模块的微型化技术因其独特的应用背景受到了越来越广泛的关注。美、德、日等国相继开发了多种热电模块微型化的技术方案，并将其应用于便携式电源、海底探测器、气体传感器和医疗器械等领域。最近的理论研究表明，在利用热电技术进行工业余热或汽车尾气的温差发电时，仅靠减小热电模块的特征尺寸就可以在不改变转化效率和功率的前提下有效减少材料的使用量，从而降低成本和环境代价。因此适合于大规模生产的低成本微型热电模块制造技术将在未来显现出广阔的市场前景。
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。
Acta Materialia 87 (2015) 357–376揭示了一种目前工业界最常用的热电模块制造方法，其热端的连接方式为焊接。在热电材料上面制作金属化层，然后再通过钎焊料和导电带（电极材料）连接起来。电极材料和陶瓷板的连接方式可以是粘接，也可是直接金属化键合。
Materials Science in Semiconductor Processing 13 (2010) 221–224揭示了一种适用于高温发电的双级联热电器件的制作方法。其中热端和电极的连接方法与文献1的报道相同，但是采用了热膨胀系数和热电材料相近的金属合金作为电极。而两种热电材料的连接方式是直接用粉末叠在一起，一次烧结成型。
但是，以上的这些现有技术仍然存在着以下诸多缺点：
首先，热电模块内部在高温状态下辐射传热一个非常重要的热损失因素，现有的技术方案为了降低纵向的漏热，往往会提高模块的集成密度，即使得热电臂之间的距离减小。但这样横向又存在辐射换热的可能，对于多级联热电臂来说，横向的辐射换热可能会破坏设计的最优温度分布状态。
其次，高温热电模块在使用中最容易失效的部位就是高温端热电材料和电极的连接处。一般适用于低温模块的传统焊接方法无法解决热膨胀系数失配的问题，这样在长时间使用后就容易发生断裂。
并且，利用粉末叠一次烧结成型的方法制作多级联的热电模块，其工艺难度较高，烧结的温度区间非常窄。除此之外，一体烧结的温度也很难同时满足两种不同温区热电材料的最佳烧结要求。还有就是传统做法工艺繁琐、造价昂贵。因为烧结工艺的挑战，从而导致了产品经济效率低、良品率低和缺陷高。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种多级联热电器件及其制法，改善产品结构的抗失配性能。
本发明的上述第一个目的，一种多级联热电器件，包括封装套及设置在所述封装套内部的发电单元，所述发电单元的上下两端设有导电布线及用于向发电单元机械加压的陶瓷基板；所述发电单元由P型、N型交替排列的多级联热电臂组成、并通过导电布线串联，两种多级联热电臂均具有两节以上适于各温度工况的热电柱且通过热遮挡层依次联接，两种多级联热电臂的低温端部与导电布线钎焊连接；两种多级联热电臂的高温端部通过柔性导电材料与导电布线机械配合，对应高温端部的导电布线的连接处铣设有一个凹槽，并顺次填设有鳞片石墨和石墨泡沫的环形垫，高温端部装入环形垫中并与鳞片石墨相接触。
优选地，所述热遮挡层为焊片，所述焊片为可实现快速钎焊的预覆焊料型中温焊片。
优选地，所述焊片的横截面积大于所述热电柱的横截面积，且相邻两个多级联热电臂中段所设的焊片互不接触。
优选地，所述石墨泡沫的环形垫夹固鳞片石墨于凹槽中并与凹槽过盈配合。
优选地，两种多级联热电臂的高温端部与所述环形垫过盈配合。
优选地，所述多级联热电臂具有对应两个温度工况段的两节热电柱，且两节热电柱通过一片热遮挡层中温钎焊联接。
优选地，所述多级联热电臂具有对应三个温度工况段的三节热电柱，且三节热电柱通过两片热遮挡层中温钎焊联接。
本发明的上述第二个目的，一种多级联热电器件的制法，所述多级联热电器件由封装套、导电布线、陶瓷基板、P型和N型交替排列的多级联热电臂组成，两种多级联热电臂均具有两节以上适于各温度工况的热电柱且通过热遮挡层依次联接，其特征在于所述制法包括步骤：
Ⅰ、将多级联热电臂的低温端部与导电布线钎焊连接；
Ⅱ、采用中温焊片预覆焊料制成热遮挡层，并采用热遮挡层钎焊的方式将多级联热电臂的各节热电柱联接；
Ⅲ、在导电布线对应多级联热电臂高温端部的连接处铣设一个凹槽，而后在凹槽中填充鳞片石墨并加塞石墨泡沫的环形垫达到环形垫与凹槽过盈配合；
Ⅳ、将多级联热电臂的高温端部装入环形垫中过盈配合并与鳞片石墨（6）相接触；
Ⅴ，将陶瓷基板从顶、底两侧压盖于导电布线上保压，而后封装。
优选地，所述多级联热电臂具有对应三个温度工况段的三节热电柱，且步骤Ⅰ中先钎焊底侧的导电布线与相对低温工况段的热电柱；步骤Ⅱ自低温工况段至高温工况段依次通过热遮挡层钎焊相对中温工况段的热电柱和相对高温工况段的热电柱。
本发明技术方案较之于现有技术的突出效果为：本装置通过延长焊片的方式实现了对热电模块内部的辐射遮挡，在基本不提高成本、不提高工艺难度的前提下明显降低了辐射传热，同时也避免了对横向热电臂之间温度分布的影响。
同时，本装置采用机械接触法进行电导，并通过柔性导电石墨实现定位和柔性固定。整个操作过程在常温下完成，既能够在不影响电接触性能的前提下消除热失配应力，又避免了高温焊接对于材料的破坏。
本装置中所使用的快速钎焊技术可以在较低的温度下进行，可以分别在其最适合的温度下烧结出两种热电材料，再焊接，从而避免了对材料性能的破坏。
除此之外，本装置中所使用的导电石墨等原材料均为廉价的成熟工业产品，所使用的加工模具均可以通过塑料成型来获得，从而极大地降低了加工企业的生产成本。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是现有技术中热电模块的结构示意图。
图2是本发明的整体结构示意图。
图3是本发明的局部结构示意图。
图4是热电臂高温段与低温段间的焊接示意图。
图5是本发明中热遮挡层的原理示意图。
具体实施方式
本发明揭示了一种多级联热电器件。包括封装套1及设置在封装套1内部的发电单元，发电单元的上下两端设有导电布线2及用于向发电单元机械加压的陶瓷基板3。由于本新型的多级联热电器件需要在高温下使用，为了阻止热电材料和电极材料的氧化、以及避免封装套1内部空气对流导热，造成旁路漏热损失，所以需要对装置进行真空封装。为了实现这一目的，封装套1应选择镍铬基合金等抗氧化、高延展性金属材料，以便将整个热电模块完全气密封装起来。
如图2~3所示，发电单元由交替排列的P型多级联热电臂4及N型多级联热电臂5组成，P型多级联热电臂4、N型多级联热电臂5借助导电布线串联起来对外输出电功率。两种多级联热电臂均具有两节以上适于各温度工况的热电柱且通过热遮挡层依次联接。热电柱应选用适用于不同温度工况的热电材料，具体而言，高温段可采用碲化铅基、锑化钴基、half-heulser类、钙钛矿氧化物类等热电材料，低温段可采用碲化铋基、锑化铋基等热电材料。两种多级联热电臂的低温端部与导电布线钎焊连接。
P型多级联热电臂4的低温段端部以及N型多级联热电臂5的低温段端部均与导电布线2利用低温钎焊料焊接。热电臂的焊接利用常规的生产车间精度即可达到，从而降低了现有技术中所使用的电弧焊接的对设备生产线的规格要求。P型多级联热电臂4的高温段端部以及N型多级联热电臂5的高温段端部均通过柔性导电材料与导电布线2机械配合，但并不焊接。高温段端部采用这种电气连接方式的好处有两点，第一，避免了以往加工工艺中刚性连接所导致的热失配应力；第二，使得整个装配过程在常温下完成，既大幅消减了热失配应力，又避免了高温焊接对于材料的破坏。
其连接关系具体为：对应高温端部的导电布线2的连接处铣设有一个凹槽，凹槽内顺次填设有鳞片石墨6和石墨泡沫的环形垫7。石墨泡沫材料的电导率低于鳞片石墨，但是具有较高的弹性变形量，能够满足装配过程中的需要。环形垫7为一帽状结构，多级联热电臂的高温端部装入环形垫7的帽状结构的凹槽内并与鳞片石墨6相接触。
需要说明的是，为了避免部件发生脱落、分离，石墨泡沫的环形垫7夹固鳞片石墨6于凹槽中并与凹槽过盈配合，两种多级联热电臂的高温端部与环形垫7过盈配合。另外，本发明柔性连接的结构可以有一定的变化，在此仅提供一种优选实施例。
目前，现有技术中在焊接位置所选用的一般都是热电材料热膨胀系数相近的电极材料Mo-Cu合金的梯度复合材料。但是这种材料属于专门开发的特种复合材料，工业上没有成熟生产工艺，而且成本也较高。本新型中选择使用的导电石墨均为廉价的成熟工业产品，能够有效地降低企业的生产成本。
此外，热电材料在使用需要保持一定的夹持压力，从而保证鳞片石墨和热电臂的良好电学接触。因此，在使用时，应向本新型中的陶瓷基板3施加一个10~20kg/cm²左右的夹持力。
如图4所示，多级联热电臂具有对应两个温度工况段的两节热电柱，且两节热电柱通过一片热遮挡层中温钎焊联接。热遮挡层为焊片8，焊片8为可实现快速钎焊的预覆焊料型中温焊片。焊片8中间为铜或银等耐高温、高电导型材料，其表面预涂覆了一层中温焊料，优选为金锡焊料、铅锡焊料、金硅焊料等等。焊接时将焊片8叠在两种材料中间，加热并略施加压力即可焊接成型。焊片8的横截面积大于热电柱的横截面积，且相邻两个多级联热电臂中段所设的焊片8互不接触。这样一来焊片8在热电模块工作时就能够起到热遮挡的物理作用。
以下结合图5说明热遮挡层的设置原理：当没有遮挡板时，高温板对低温板的净辐射热流密度为：q=εhc(Eh-Ec)。其中εhc为高温板、低温板之间的辐射系数，Eh、Ec分别为高低温板的辐射能密度。如果中间插入一个中温遮挡板，则可以推导出高温板对低温板的净辐射热流密度为：q=0.5εhm(Eh-Ec)，其中εhm为高、低温板对中温板的辐射系数。高温和低温端陶瓷板的发射系数一般在0.3左右，焊片8由于表面带有光滑的金属涂层，发射系数可以降到0.1以下。这样由于焊片8对于辐射热量的遮挡作用，辐射漏热损失可以降低到没有遮挡时的1/6以下。大大有利于效率的提高。
在此，需要注意的是，如果热端的使用温度非常高（例如大于650℃），则可以使用三级联热电模块，即将三种热电材料依次联接起来。连接的方式与本新型相似，只需要选用适合的焊片（熔化温度高于连接部分使用温度）设置两个热遮挡层即可。具体而言，在这种情况下，多级联热电臂具有对应三个温度工况段的三节热电柱，且三节热电柱通过两片热遮挡层中温钎焊联接。
本装置通过延长焊片8的方式实现了对热点模块内部的辐射遮挡，在基本不提高成本、不提高工艺难度的前提下明显降低了辐射传热，同时也避免了对横向热电臂之间温度分布的影响。
同时，本装置采用机械接触法进行热传导，并通过柔性导电石墨实现定位和柔性固定。整个操作过程在常温下完成，既能够在不影响电接触性能的前提下消除热失配应力，又避免了高温焊接对于材料的破坏。
本装置中所使用的快速钎焊技术可以在较低的温度下进行，可以分别在其最适合的温度下烧结出两种热电材料，再焊接，从而避免了对材料性能的破坏。
除此之外，本装置中所使用的导电石墨等原材料均为廉价的成熟工业产品，所使用的加工模具均可以通过塑料成型来获得，从而极大地降低了加工企业的生产成本。
以下简述本发明的多级联热电器件的制作方法：
Ⅰ、将多级联热电臂的低温端部与导电布线（2）钎焊连接；
Ⅱ、采用中温焊片预覆焊料制成热遮挡层，并采用热遮挡层钎焊的方式将多级联热电臂的各节热电柱联接；
Ⅲ、在导电布线（2）对应多级联热电臂高温端部的连接处铣设一个凹槽，而后在凹槽中填充鳞片石墨（6）并加塞石墨泡沫的环形垫（7）达到环形垫（7）与凹槽过盈配合；
Ⅳ、将多级联热电臂的高温端部装入环形垫（7）中过盈配合并与鳞片石墨（6）相接触；
Ⅴ，将陶瓷基板（3）从顶、底两侧压盖于导电布线（2）上保压，而后封装。
需要说明的是，对于多级联热电臂具有对应三个温度工况段的三节热电柱的制法中，步骤Ⅰ中先钎焊底侧的导电布线（2）与相对低温工况段的热电柱；步骤Ⅱ自低温工况段至高温工况段依次通过热遮挡层钎焊相对中温工况段的热电柱和相对高温工况段的热电柱。
综上所述的实施例旨在便于直观理解本案创新实质，本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多级联热电器件，包括封装套（1）及设置在所述封装套（1）内部的发电单元，所述发电单元的上下两端设有导电布线（2）及用于向发电单元机械加压的陶瓷基板（3）；所述发电单元由P型、N型交替排列的多级联热电臂组成、并通过导电布线（2）串联，两种多级联热电臂均具有两节以上适于各温度工况的热电柱且通过热遮挡层依次联接，两种多级联热电臂的低温端部与导电布线（2）钎焊连接，其特征在于：两种多级联热电臂的高温端部通过柔性导电材料与导电布线（2）机械配合，对应高温端部的导电布线（2）的连接处铣设有一个凹槽，并顺次填设有鳞片石墨（6）和石墨泡沫的环形垫（7），石墨泡沫的环形垫（7）夹固鳞片石墨（6）于凹槽中并与凹槽过盈配合，两种多级联热电臂的高温端部装入环形垫（7）中过盈配合并与鳞片石墨（6）相接触。
2.根据权利要求1所述的多级联热电器件，其特征在于：所述热遮挡层为焊片（8），所述焊片（8）为可实现快速钎焊的预覆焊料型中温焊片。
3.根据权利要求2所述的多级联热电器件，其特征在于：所述焊片（8）的横截面积大于所述热电柱的横截面积，且相邻两个多级联热电臂中段所设的焊片（8）互不接触。
4.根据权利要求1所述的多级联热电器件，其特征在于：所述多级联热电臂具有对应两个温度工况段的两节热电柱，且两节热电柱通过一片热遮挡层中温钎焊联接。
5.根据权利要求1所述的多级联热电器件，其特征在于：所述多级联热电臂具有对应三个温度工况段的三节热电柱，且三节热电柱通过两片热遮挡层中温钎焊联接。
6.一种多级联热电器件的制法，所述多级联热电器件由封装套（1）、导电布线（2）、陶瓷基板（3）、P型和N型交替排列的多级联热电臂组成，两种多级联热电臂均具有两节以上适于各温度工况的热电柱且通过热遮挡层依次联接，其特征在于所述制法包括步骤：
Ⅰ、将多级联热电臂的低温端部与导电布线（2）钎焊连接；
Ⅱ、采用中温焊片预覆焊料制成热遮挡层，并采用热遮挡层钎焊的方式将多级联热电臂的各节热电柱联接；
Ⅲ、在导电布线（2）对应多级联热电臂高温端部的连接处铣设一个凹槽，而后在凹槽中填充鳞片石墨（6）并加塞石墨泡沫的环形垫（7）达到环形垫（7）与凹槽过盈配合；
Ⅳ、将多级联热电臂的高温端部装入环形垫（7）中过盈配合并与鳞片石墨（6）相接触；
Ⅴ，将陶瓷基板（3）从顶、底两侧压盖于导电布线（2）上保压，而后封装。
7.根据权利要求6所述多级联热电器件的制法，其特征在于：所述多级联热电臂具有对应三个温度工况段的三节热电柱，且步骤Ⅰ中先钎焊底侧的导电布线（2）与相对低温工况段的热电柱；步骤Ⅱ自低温工况段至高温工况段依次通过热遮挡层钎焊相对中温工况段的热电柱和相对高温工况段的热电柱。
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