CN105006996B - 相变抑制传热温差发电器件及其制造方法 - Google Patents

相变抑制传热温差发电器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种相变抑制传热温差发电器件及其制造方法，相变抑制传热温差发电器件包括至少一个温差电单体；所述温差电单体包括一P型温差电元件、一N型温差电元件、一相变抑制散热板及一相变抑制集热板。本发明的相变抑制传热温差发电器件在热路上减少了陶瓷片热阻及其与电极界面的接触热阻，有利于建立温差，相变抑制传热板既是电极又是热面和冷面的热交换器，不存在界面热阻，大大提高了温差发电器的热‑电转换效率；将若干单体组合起来，可获得较大的输出电压和输出电功率。

Description

相变抑制传热温差发电器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及能源领域，特别是涉及一种相变抑制传热温差发电器件及其制造方法。
背景技术
塞贝克效应是德国科学家塞贝克(T.J.Seebeck)于1821年发现的。如图1，一个P型温差电元件10和一个N型温差电元件11在热面12和冷面13分别用电极14连接起来，就构成了一个传统的温差电单体。当这个温差电单体的热面输入热量、另一面保持不变的温度而建立温差时，由于塞贝克效应，回路两端就会产生电动势；在回路里接上负载15，该负载上就获得了电功率，这就是一个最简单的温差发电器。
能够实用化的温差发电组件，往往由几对或几十对，甚至更多对温差电单体构成。传统的温差发电组件，其中的温差电单体(包括P型温差电元件10及N型温差电元件11)，在电路上是串联的，而在热路上是并联的。作为一个完整的温差发电组件，其热、冷两面电极14的外侧各集成了一片DBC陶瓷板16，与外界实行电隔离，所述温差发电组件通过正电极141及负电极142与外界负载相连接，见图2.
以上所述传统温差发电组件中，电极主要充当P型和N型温差电元件的电连接器，也具有热量传递的作用，但是整个温差电组件陶瓷片两个外侧通常必须安装体积很大的热交换器，将需要的热量传递进温差电组件，将不需要的热量发散到环境中去。这样构成一个温差发电器，典型的结构见图3，所述结构包括集热器17、温差发电组件18及散热器19。
以上所述传统温差发电组件和温差发电器，可用于制造燃气或燃油温差发电器(系统)、放射性同位素温差发电器，或可用于太阳热发电、地热发电、工业余热发电、汽车尾气发电等。由于它没有转动部件，因此工作寿命长、无噪音，而且是一种环境友好电源，已经在航天、工业、国防、民用电器等国民经济各部门获得应用。
传统结构温差发电器，由于温差发电组件与热、冷面热交换器接触的是陶瓷片，最常用的是厚度为0.6mm或1mm的氧化铝陶瓷片。陶瓷片在温差发电组件与金属制成的热交换器之间起着电绝缘的作用，但同时，在传热通路上，热、冷两面，陶瓷片与热交换器之间的界面热阻、陶瓷片的热阻和陶瓷片与温差电单体电极之间的接触热阻，会造成很大的热损失。热面温度和冷面温度之间的温差愈大，热阻越大，热损失也就越大。
另一个问题是，传统结构温差发电器中，温差发电组件必须配置体积和重量庞大的热交换器。最常用的方法，冷面用肋状铝质散热器，外加强迫风冷。不仅增加了温差发电器整体的重量和体积，也降低了整机的可靠性。
本发明针对传统温差发电器件的缺点，提出一种新结构温差发电器件及其制造方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变抑制传热温差发电器件及其制造方法，用于解决现有技术中由于温差发电组件与热、冷面热交换器接触的是陶瓷片，陶瓷片与热交换器之间的界面热阻、陶瓷片的热阻和陶瓷片与温差电单体电极之间的接触热阻，会造成很大的热损失的问题。热面温度和冷面温度之间的热流密度越大，热阻造成的温差损失越大，热损失也就越大，从而降低了温差发电器件的热-电转换效率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种相变抑制传热温差发电器件，所述相变抑制传热温差发电器件包括至少一个温差电单体；所述温差电单体包括一P型温差电元件、一N型温差电元件、一相变抑制散热板及一相变抑制集热板；
所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板平行排布，所述相变抑制集热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件之间，所述相变抑制散热板位于所述P型温差电元件或所述N型温差电元件远离所述相变抑制集热板的一侧；所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板紧密贴合。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板均包括一金属板，所述金属板内形成有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道内填充有传热工质。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板均包括两块层叠的金属板；其中一层所述金属板内形成有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道内填充有传热工质，另一层所述金属板内形成有具有一定形状的流体介质管道，所述流体介质管道两端形成有开口，所述开口适于与流体介质源相连通。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述封闭管道的形状为六边形蜂窝状、圆形蜂窝状、四边形蜂窝状、首尾串联的多个U形、菱形、三角形、圆环形，或其中任一种以上图形的任意组合。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板的材料均为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、不锈钢，或其中任一种以上的任意组合。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的材料均为掺杂的赝二元碲化铋及其固溶体、赝三元碲化铋及其固溶体、掺杂的碲化铅及其固溶体、碲化锗及其固溶体、单填或多填的方钴矿类温差电材料、Half-Heusler温差电材料、掺杂的Si-Ge合金、Zintl相温差电材料。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板与所述P型温差电元件及所述N型温差电元件贴合部分表面的形状为平面状，所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板其他部分的表面形成有孔洞、浅槽、突起、活页窗或覆盖涂层以强化传热。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述相变抑制传热温差发电器件包括多个所述温差电单体，所述多个温差电单体串联组合集成为所述相变抑制传热温差发电器件。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述相变抑制传热温差发电器件的两侧各设有一DBC陶瓷板；位于所述相变抑制传热温差发电器件一侧的所述DBC陶瓷板贴合于所述温差电单体中的所述相变抑制散热板的表面，位于所述相变抑制传热温差发电器件另一侧的所述DBC陶瓷板经由一所述相变抑制散热板与所述温差电单体中的所述P型温差电元件或所述N型温差电元件相连接。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的一种优选方案，所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板通过软钎焊、硬钎焊、压接、摩擦焊或压焊工艺固定连接。该陶瓷板也可用有电绝缘、隔热功能，并与本发明所述的温差发电器件工作温度范围相容的其他材料的板材替换。
本发明还提供一种相变抑制传热温差发电器件的制造方法，所述制造方法包括：
制造P型温差电元件及N型温差电元件；
制造相变抑制散热板；
制造相变抑制集热板；
准备DBC陶瓷板；
将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板平行排布，所述相变抑制集热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件之间，所述相变抑制散热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件远离所述相变抑制集热板的一侧，所述DBC陶瓷板位于最外层的所述相变抑制散热板的外侧；并将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板固定连接。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的制造方法的一种优选方案，制造所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的具体方法为：
分别按一定组分及配比配制所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料；
将配制好的所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料分别按常规区域熔炼生长工艺制造温差电棒材；
使用内圆切片机、外圆切片机或线切割机将所述温差电棒材切割成温差电元件；
在所述温差电元件上电镀或喷涂Ni层、Ni合金、Mo层、Mo合金、Ti层、Ti合金作为缓冲层；
在所述缓冲层上电镀或化学镀Sn层。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的制造方法的一种优选方案，制造所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的具体方法为：
分别按一定组分及配比配制所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料；
将配制好的所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料分别通过热压、SPS工艺、机械合金法或其他粉末冶金工艺制造成块体材料；
使用内圆切片机、外圆切片机或线切割机将所述块体材料材切割成温差电元件；
在所述温差电元件上电镀或喷涂Ni层、Ni合金、Mo层、Mo合金、Ti层、Ti的金作为缓冲层；
在所述缓冲层上电镀或化学镀Sn层。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的制造方法的一种优选方案，制造所述相变抑制散热板及制造所述相变抑制集热板之后，还包括对所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板进行金属化处理的步骤。
作为本发明的相变抑制传热温差发电器件的制造方法的一种优选方案，通过软钎焊、硬钎焊、压接、摩擦焊或压焊工艺将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板固定连接。
如上所述，本发明的相变抑制传热温差发电器件及其制造方法，具有以下有益效果：
1.本发明的相变抑制传热温差发电器件由一片相变抑制集热板和一片相变抑制散热板将一片P型温差电元件和一片N型温差电元件隔离开，构成一对温差电单体。若干个温差电单体串联组合集成为温差电器件，中间无需电隔离；一体化相变抑制传热板既作为温差电单体的电极，同时又作为集热板和散热板；本发明的相变抑制传热温差发电器件在热路上减少了陶瓷片热阻及其与电极界面的接触热阻，有利于建立温差，相变抑制传热板既是电极又是热面和冷面的热交换器，界面热阻较小，大大提高了温差发电器件的热-电转换效率；将若干单体组合起来，可获得较大的输出电压和输出电功率；
2.本发明的相变抑制传热温差发电器件中的温差电元件，是经区域熔炼生长的棒材(或者是热压或其他粉末冶金工艺制造的块体材料)切成片材后，再经适当的表面处理工艺后直接当作温差电元件，而不同于传统温差电组件制作工艺，即由片材再经切割工艺制造成相对小矩形截面的温差电元件，因此简化了温差电组件的制造工艺，提高了材料利用率，大大降低了原材料消耗和成本。
附图说明
图1显示为现有技术中的温差发电单元的结构示意图。
图2显示为现有技术中的温差发电组件的结构示意图。
图3显示为现有技术中的温差发电器的结构示意图。
图4显示本发明的相变抑制传热温差发电器件的结构示意图。
图5显示为本发明的相变抑制传热温差发电器件的制造方法的流程图。
元件标号说明
10 P型温差电元件
11 N型温差电元件
12 热面
13 冷面
14 电极
141 正电极
142 负电极
15 负载
16 DBC陶瓷板
17 集热器
18 温差发电组件
19 散热器
21 DBC陶瓷板
22 温差电单体
221 P型温差电元件
222 N型温差电元件
223 相变抑制散热板
224 相变抑制集热板
23 正电极
24 负电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图4至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图4，本发明提供一种相变抑制传热温差发电器件，所述相变抑制传热温差发电器件包括至少一个温差电单体22；所述温差电单体22包括一P型温差电元件221、一N型温差电元件222、一相变抑制散热板223及一相变抑制集热板224；
所述P型温差电元件221、所述N型温差电元件222、所述相变抑制散热板223及所述相变抑制集热板224平行排布，所述相变抑制集热板224位于所述P型温差电元件221及所述N型温差电元件222之间，所述相变抑制散热板223位于所述P型温差电元件221或所述N型温差电元件222远离所述相变抑制集热板224的一侧；所述P型温差电元件221、所述N型温差电元件222、所述相变抑制散热板223及所述相变抑制集热板224紧密贴合。
作为示例，所述P型温差电元件221及所述N型温差电元件222的材料均可以为掺杂的赝二元碲化铋Bi2Te3及其固溶体、赝三元碲化铋及其固溶体、掺杂的碲化铅PbTe及其固溶体(如PbTe-SnTe、PbTe-SnTe-MnTe)、碲化锗GeTe及其固溶体(如GeTe-PbTe、GeTe-AgSbTe2)单填或多填的CoSb3方钴矿类温差电材料、Half-Heusler温差电材料、掺杂的Si-Ge合金、Zintl相温差电材料以及其他温差电材料。
作为示例，所述P型温差电元件221及所述N型温差电元件222可以是经区域熔炼生长的棒材、或者是热压、SPS工艺、机械合金法或其他粉末冶金工艺制造的块体材料，经切成片材后，再经适当的表面处理工艺后直接当作温差电元件，而不必像传统温差电组件制作工艺那样，由片材再经切割工艺制造成相对小矩形截面的温差电元件，因此简化了温差电组件的制造工艺，提高了材料利用率，大大降低了原材料消耗和成本。将若干单体串联或并联组合起来，可获得较大的输出电功率。本实施例制造的温差发电器件，有利于设计成大输出电流的温差发电器。
作为示例，所述相变抑制散热板223包括一金属板，所述金属板内通过吹胀工艺形成有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道内填充有传热工质。
作为示例，所述传热工质为流体，优选地，所述传热工质可以为气体或液体或液体与气体的混合物，更为优选地，本实施例中，所述传热工质为液体与气体混合物。
作为示例，所述封闭管道的形状可以为六边形蜂窝状、圆形蜂窝状、四边形蜂窝状、首尾串联的多个U形、菱形、三角形、圆环形，或其中任一种以上图形的任意组合。
作为示例，所述相变抑制散热板223的材料可以为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、不锈钢，或其中任一种以上的任意组合。
作为示例，所述相变抑制散热板223的厚度及所述封闭管道的内径可以根据实际进行设定，优选地，本实施例中，所述相变抑制散热板223的厚度为0.2mm～3mm，所述封闭管道的内径为0.1mm～1mm。
作为示例，所述相变抑制散热板223与所述P型温差电元件221及所述N型温差电元件222贴合部分表面的形状为平面状，所述相变抑制散热板223的其他部分的表面形成有孔洞、浅槽、突起或活页窗等强化传热的结构，或覆盖强化传热涂层，以增强所述相变抑制散热板223的传热能力。此处，所述相变抑制散热板223的其他部分是指所述相变抑制散热板223暴露出所述P型温差电元件221及所述N型温差电元件222的部分。
作为示例，所述相变抑制散热板223可以包括两块层叠的金属板；其中一层所述金属板内形成有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道内填充有传热工质，另一层所述金属板内形成有具有一定形状的流体介质管道，所述流体介质管道两端形成有开口，所述开口适于与流体介质源相连通。将所述相变抑制散热板223设计为包括适于作为相变抑制管道的金属层及包括流体介质管道的金属层的双层结构，可利用适当的流动介质将所述相变抑制散热板223部分传递的热量迅速散发出去。
所述相变抑制散热板223具有极高的有效热导率，能将高热流密度的热量快速从热源传递到热槽；本实施例中，所述相变抑制散热板223能将温差电元件传出的热量快速、均匀地从散热板发散至空间或传递给流动的介质。
作为示例，所述相变抑制集热板224包括一金属板，所述金属板内通过吹胀工艺形成有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道内填充有传热工质。
作为示例，所述传热工质为流体，优选地，所述传热工质可以为气体或液体或液体与气体的混合物，更为优选地，本实施例中，所述传热工质为液体与气体混合物。
作为示例，所述封闭管道的形状可以为六边形蜂窝状、圆形蜂窝状、四边形蜂窝状、首尾串联的多个U形、菱形、三角形、圆环形，或其中任一种以上图形的任意组合。
作为示例，所述相变抑制集热板224的材料可以为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、不锈钢，或其中任一种以上的任意组合。
作为示例，所述相变抑制集热板224的厚度及所述封闭管道的内径可以根据实际进行设定，优选地，本实施例中，所述相变抑制集热板224的厚度为0.2mm～3mm，所述封闭管道的内径为0.1mm～1mm。
作为示例，所述相变抑制集热板224与所述P型温差电元件221及所述N型温差电元件222贴合部分表面的形状为平面状，所述相变抑制集热板224的其他部分的表面形成有孔洞、浅槽、突起或活页窗等强化传热的结构，或覆盖强化传热涂层，以增强所述相变抑制集热板224的传热能力。此处，所述相变抑制集热板224的其他部分是指所述相变抑制集热板224暴露出所述P型温差电元件221及所述N型温差电元件222的部分。
作为示例，所述相变抑制集热板224可以包括两块层叠的金属板；其中一层所述金属板内形成有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道内填充有传热工质，另一层所述金属板内形成有具有一定形状的流体介质管道，所述流体介质管道两端形成有开口，所述开口适于与流体介质源相连通。将所述相变抑制集热板224设计为包括适于作为相变抑制管道的金属层及包括流体介质管道的金属层的双层结构，可利用适当的流动介质将热源的热量传递给所述相变抑制集热板224部分，然后迅速和均匀地传递给温差电元件。
所述相变抑制集热板224具有极高的有效热导率，能将高热流密度的热量快速从热源传递到热槽；本实施例中，所述相变抑制集热板224能将热源发出的热量快速、均匀地传递给温差电元件。
作为示例，所述相变抑制传热温差发电器件包括多个所述温差电单体22，所述多个温差电单体22串联组合集成为所述相变抑制传热温差发电器件；图4仅为包括5对所述温差电单体22的示例，本实施例中并不以此为限；本实施例中，所述相变抑制传热温差发电器件中包括的所述温差电单体22的数量可以根据实际需要进行设定。将多个所述温差电单体22组合起来，可获得较大的输出电压和输出电功率。
作为示例，所述相变抑制传热温差发电器件的两侧各设有一DBC陶瓷板21；位于所述相变抑制传热温差发电器件一侧的所述DBC陶瓷板21贴合于所述温差电单体22中的所述相变抑制散热板223的表面，位于所述相变抑制传热温差发电器件另一侧的所述DBC陶瓷板21经由一所述相变抑制散热板223与所述温差电单体22中的所述P型温差电元件221或所述N型温差电元件222相连接。位于所述相变抑制传热温差发电器件两侧的所述DBC陶瓷板21仅作为与外界隔离的电绝缘材料；与所述两块DBC陶瓷板21贴合的所述相变抑制散热板223分别作为正电极23及负电极24。
作为示例，所述P型温差电元件221、所述N型温差电元件222、所述相变抑制散热板223、所述相变抑制集热板224及所述DBC陶瓷板21通过软钎焊、硬钎焊、压接、摩擦焊或压焊工艺固定连接。所述P型温差电元件221、所述N型温差电元件222、所述相变抑制散热板223、所述相变抑制集热板224及所述DBC陶瓷板21形成的温差发电器件的集成工艺的实施可以在大气中进行，也可以在真空环境进行，还可以在有惰性气体保护和温度控制的环境中进行。需要说明的是，所述温差发电器件的集成工艺应考虑到与所述相变抑制散热板223及所述相变抑制集热板224及其工质灌装工艺的相容性。
本发明的相变抑制传热温差发电器件由一片相变抑制集热板和一片相变抑制散热板将一片P型温差电元件和一片N型温差电元件隔离开，构成一对温差电单体。若干个温差电单体串联组合集成为温差电器件，中间无需电隔离；一体化相变抑制传热板既作为温差电单体的电极，同时又作为集热板和散热板；本发明的相变抑制传热温差发电器件在热路上去除了冷、热两面陶瓷片与热交换器之间的接触热阻、陶瓷片的热阻和陶瓷片与电极之间的接触热阻，有利于建立温差，大大提高了热量利用率，最终增加了温差发电器件的热-电转换效率。
实施例二
请参阅图5，本发明还提供一种相变抑制传热温差发电器件的制造方法，所述制造方法包括：
S1：制造P型温差电元件及N型温差电元件；
S2：制造相变抑制散热板；
S3：制造相变抑制集热板；
S4：准备DBC陶瓷板；
S5：将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板平行排布，所述相变抑制集热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件之间，所述相变抑制散热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件远离所述相变抑制集热板的一侧，所述DBC陶瓷板位于最外层的所述相变抑制散热板的外侧；并将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板固定连接。
执行S1步骤，请参阅图5中的S1步骤，制造P型温差电元件及N型温差电元件。
作为示例，制造所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的具体方法为：
S11：分别按一定组分及配比配制所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料；以制造碲化铋温差发电器件为例，配制的所述P型温差电元件的材料为组分为(70％～80％)Sb2Te3-(20％～30％)Bi2Te3的赝二元温差电材料，外加占总重量1％～5％的过量Te；配制的所述N型温差电元件的材料为组分为掺杂SbI3或TeI4不到总重量1％的(85％-98％)Bi2Te3-(2％-15％)Bi2Se3的贋二元温差电材料；其中的百分数为组分中各部分的重量百分比；
S12：将配制好的所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料分别按常规区域熔炼生长工艺制造具有一定直径(譬如直径为30mm)的温差电棒材；
S13：使用内圆切片机、外圆切片机或线切割机将所述温差电棒材切割成具有一定厚度(譬如1.6mm)的温差电元件；
S14：在所述温差电元件上喷涂厚度为3μm～60μm的Ni层；
S15：在所述Ni层上电镀或化学镀厚度为1μm～3μm的Sn层。
作为示例，制造所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的具体方法为：
S11：分别按一定组分及配比配制所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料；以制造碲化铋温差发电器件为例，配制的所述P型温差电元件的材料为组分为(70％～80％)Sb2Te3-(20％～30％)Bi2Te3的赝二元温差电材料，外加占总重量1％～5％的过量Te；配制的所述N型温差电元件的材料为组分为掺杂SbI3或TeI4不到总重量1％的(85％-98％)Bi2Te3-(2％-15％)Bi2Se3的贋二元温差电材料；其中的百分数为组分中各部分的重量百分比；
S12：将配制好的所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料分别通过热压、SPS工艺、机械合金法或其他粉末冶金工艺制造成块体材料；
S13：使用内圆切片机、外圆切片机或线切割机将所述块体材料切割成具有一定厚度(譬如1.6mm)的温差电元件；
S14：在所述温差电元件上喷镀厚度为3μm～60μm的Ni层；
S15：在所述Ni层上电镀或化学镀厚度为1μm～3μm的Sn层。
执行S2步骤，请参阅图5中的S2步骤，制造相变抑制散热板。
作为示例，制造所述相变抑制散热板之后，还包括对所述相变抑制散热板进行金属化处理的步骤。
执行S3步骤，请参阅图5中的S3步骤，制造相变抑制集热板。
作为示例，制造所述相变抑制集热板之后，还包括对所述相变抑制集热板进行金属化处理的步骤。
执行S4步骤，请参阅图5中的S4步骤，准备DBC(Direct Bond Copper)陶瓷板。
需要说明的是，制造所述P型温差电元件及所述N型温差电元件S1步骤、制造所述相变抑制散热板的S2步骤、制造所述相变抑制集热板的S3步骤及准备所述DBC陶瓷板的S4步骤四者的先后顺序可以根据实际需要进行调换，这里顺序仅作为一个示例，本实施例并不以此为限。
作为示例，还包括对所述DBC陶瓷板进行清洗的步骤。
执行S5步骤，请参阅图5中的S5步骤，将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板平行排布，所述相变抑制集热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件之间，所述相变抑制散热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件远离所述相变抑制集热板的一侧，所述DBC陶瓷板位于最外层的所述相变抑制散热板的外侧；并将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板固定连接。
作为示例，通过软钎焊、硬钎焊、压接、摩擦焊或压焊工艺将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板固定连接。
作为示例，所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板形成的温差发电器件的集成工艺的实施可以在大气中进行，也可以在真空环境进行，还可以在有惰性气体保护和温度控制的环境中进行。需要说明的是，所述温差发电器件的集成工艺应考虑到与所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板及其工质灌装工艺的相容性。
作为示例，可以在所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板的两面涂上一定厚度的95％Pb～5％Sn焊膏，将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板按一定的顺序排列后使用焊接夹具固定起来，放入氮气气氛保护的焊接炉中焊接成温差发电器件整体。
作为示例，本实施例中所制造的所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板的数量及其排列次序可以如实施例一中图4所示，即所示P型温差电元件、所述N型温差电元件及所述相变抑制集热板的数量均为5片，所述相变抑制散热板的数量为6片，所述DBC陶瓷板的数量为2片。但本实施例中并不以此为限，所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板的数量及其排列次序可以根据实际需要进行调整。需要说明的是，无论所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板的排列次序如何调整，必须确保所述P型温差电元件及所述N型温差电元件被所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板隔开，所述DBC陶瓷板位于整个结构的最外两侧。
以图4中所示的相变抑制传热温差发电器件为例，如不计所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板的面积，所述相变抑制传热温差发电器件的尺寸为：截面面积为40mm*40mm，厚度不到15mm，当冷面和热面的温差为200℃时，最大输出电功率可达到85W。与之对比的是型号为TEG1-127-1.4-1.6温差发电组件，这是一种商用碲化铋温差发电组件，其外形尺寸为：面积40mm*40mm,高度3.2mm；温差电元件的尺寸为：截面积1.4mm*1.4mm,高度1.6mm；电极面积为1.6mm*2.4mm；温差电元件对数127对。这种发电组件，当冷热面温差200℃时，最大输出电功率为5.8W。由此可知，本发明图4中所示的5对温差发电单体构成的温差发电器件，同样温差条件下，最大输出电功率达到TEG1-127-1.4-1.6温差发电组件的14.6倍。
本发明的相变抑制传热温差发电器件中的温差电元件，是经区域熔炼生长的棒材、或者是热压或其他粉末冶金工艺制造的块体材料，切成片材后，再经适当的表面处理工艺后直接当作温差电元件，而不同于传统温差电组件制作工艺，即由片材再经切割工艺制造成相对小矩形截面的温差电元件，因此简化了温差电组件的制造工艺，提高了材料利用率，大大降低了原材料消耗和成本。
综上所述，本发明提供一种相变抑制传热温差发电器件及其制造方法，本发明的相变抑制传热温差发电器件由一片相变抑制集热板和一片相变抑制散热板将一片P型温差电元件和一片N型温差电元件隔离开，构成一对温差电单体。若干个温差电单体串联组合集成为温差电器件，中间无需电隔离；一体化相变抑制传热板既作为温差电单体的电极，同时又作为集热板和散热板；本发明的相变抑制传热温差发电器件在热路上减少了陶瓷片热阻及其与电极界面的接触热阻，有利于建立温差，相变抑制传热板既是电极又是热面和冷面的热交换器，只有较小的界面热阻，大大提高了温差发电器的热-电转换效率；将若干单体组合起来，可获得较大的输出电压和输出电功率；本发明的相变抑制传热温差发电器件中的温差电元件，是经区域熔炼生长的棒材，或者是热压或其他粉末冶金工艺制造的块体材料，切成片材后，再经适当的表面处理工艺后直接当作温差电元件，而不同于传统温差电组件制作工艺，即由片材再经切割工艺制造成相对小矩形截面的温差电元件，因此简化了温差电组件的制造工艺，提高了材料利用率，大大降低了原材料消耗和成本。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种相变抑制传热温差发电器件，其特征在于，所述相变抑制传热温差发电器件包括至少一个温差电单体；所述温差电单体包括一P型温差电元件、一N型温差电元件、一相变抑制散热板及一相变抑制集热板；
所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板平行排布，所述相变抑制集热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件之间，所述相变抑制散热板位于所述P型温差电元件或所述N型温差电元件远离所述相变抑制集热板的一侧；所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板紧密贴合；
所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板均包括两块层叠的金属板；其中一层所述金属板内形成有具有一定形状的封闭管道作为相变抑制管路，所述封闭管道内填充有传热工质，另一层所述金属板内形成有具有一定形状的流体介质管道，所述流体介质管道两端形成有开口，所述开口适于与流体介质源相连通。
2.根据权利要求1所述的相变抑制传热温差发电器件，其特征在于：所述封闭管道的形状为六边形蜂窝状、圆形蜂窝状、四边形蜂窝状、首尾串联的多个U形、菱形、三角形、圆环形，或其中任一种以上图形的任意组合。
3.根据权利要求1所述的相变抑制传热温差发电器件，其特征在于：所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板的材料均为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、不锈钢，或其中任一种以上的任意组合。
4.根据权利要求1所述的相变抑制传热温差发电器件，其特征在于：所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的材料为掺杂的赝二元碲化铋及其固溶体、赝三元碲化铋及其固溶体、掺杂的碲化铅及其固溶体、碲化锗及其固溶体、单填或多填的方钴矿类温差电材料、Half-Heusler温差电材料、掺杂的Si-Ge合金、Zintl相温差电材料。
5.根据权利要求1所述的相变抑制传热温差发电器件，其特征在于：所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板与所述P型温差电元件及所述N型温差电元件贴合部分表面的形状为平面状，所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板其他部分的表面形成有孔洞、浅槽、突起、活页窗或覆盖涂层以强化传热。
6.根据权利要求1所述的相变抑制传热温差发电器件，其特征在于：所述相变抑制传热温差发电器件包括多个所述温差电单体，所述多个温差电单体串联组合集成为所述相变抑制传热温差发电器件。
7.根据权利要求6所述的相变抑制传热温差发电器件，其特征在于：所述相变抑制传热温差发电器件的两侧各设有一DBC陶瓷板；位于所述相变抑制传热温差发电器件一侧的所述DBC陶瓷板贴合于所述温差电单体中的所述相变抑制散热板的表面，位于所述相变抑制传热温差发电器件另一侧的所述DBC陶瓷板经由一所述相变抑制散热板与所述温差电单体中的所述P型温差电元件或所述N型温差电元件相连接。
8.根据权利要求7所述的相变抑制传热温差发电器件，其特征在于：所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板通过软钎焊、硬钎焊、压接、摩擦焊或压焊工艺固定连接。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的相变抑制传热温差发电器件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
制造P型温差电元件及N型温差电元件；
制造相变抑制散热板；
制造相变抑制集热板；
准备DBC陶瓷板；
将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板平行排布，所述相变抑制集热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件之间，所述相变抑制散热板位于所述P型温差电元件及所述N型温差电元件远离所述相变抑制集热板的一侧，所述DBC陶瓷板位于最外层的所述相变抑制散热板的外侧；并将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板固定连接。
10.根据权利要求9所述的相变抑制传热温差发电器件的制造方法，其特征在于：制造所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的具体方法为：
分别按一定组分及配比配制所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料；
将配制好的所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料分别按常规区域熔炼生长工艺制造温差电棒材；
使用内圆切片机、外圆切片机或线切割机将所述温差电棒材切割成温差电元件；
在所述温差电元件上电镀或喷涂Ni层、Ni合金、Mo层、Mo合金、Ti层或Ti合金作为缓冲层；
在所述缓冲层上电镀或化学镀Sn层。
11.根据权利要求9所述的相变抑制传热温差发电器件的制造方法，其特征在于：制造所述P型温差电元件及所述N型温差电元件的具体方法为：
分别按一定组分及配比配制所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料；
将配制好的所述P型温差电元件的材料及所述N型温差电元件的材料分别通过热压、SPS工艺、机械合金法或其他粉末冶金工艺制造成块体材料；
使用内圆切片机、外圆切片机或线切割机将所述块体材料切割成温差电元件；
在所述温差电元件上电镀或喷涂Ni层、Ni合金、Mo层、Mo合金、Ti层、Ti合金作为缓冲层；
在所述缓冲层上电镀或化学镀Sn层。
12.根据权利要求9所述的相变抑制传热温差发电器件的制造方法，其特征在于：制造所述相变抑制散热板及制造所述相变抑制集热板之后，还包括对所述相变抑制散热板及所述相变抑制集热板进行金属化处理的步骤。
13.根据权利要求9所述的相变抑制传热温差发电器件的制造方法，其特征在于：通过软钎焊、硬钎焊、压接、摩擦焊或压焊工艺将所述P型温差电元件、所述N型温差电元件、所述相变抑制散热板、所述相变抑制集热板及所述DBC陶瓷板固定连接。
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