CN105099275A - 具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构。从上至下依次包括热端基底，孔内装有热端导热片的绝热层，嵌有P型热电臂和N型热电臂的热电臂支撑块和孔内装有绝热块和开有水冷通道的冷端基底。工作时，热量从热端基底的微凸台导入，经热端导热片流向P、N型热电臂交界处，并顺着P、N型热电臂水平放置方向横向流向相邻的热电臂交界处，最后经由水冷通道冷却。这种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，热流方向与热电材料表面平行，沿导热方向热电臂长度与底面积之比大大增加；同时，本发明从下到上逐层安装，装配工艺简单，且易于实现多个P、N型热电臂的串联或并联，以满足对不同外部负载的供电要求。

Description

具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构

技术领域

本发明涉及一种温差发电装置，尤其是涉及一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构。

背景技术

温差发电技术是一种基于塞贝克效应将热能转换为电能的发电技术，将P型热电臂和N型热电臂连接起来构成热电偶，一端置于热端，另一端置于冷端，由于热激发作用，高温端的空穴和电子浓度比低温端高，载流子由高温端向低温端移动，形成电动势。单个热电偶的输出电压很小，将许多热电偶通过电极串联连接组成热电模块，就可获得足够高的电压，根据实际情况将多个模块进行并联或串联形成温差发电器。

温差发电器热量的传导方向取决于热电臂和热源的布置方式，根据热量传导方向与热电材料平面之间的相互关系，温差发电器可分为垂直（Cross-plane）型和平面（In-plane）型两种结构。依据热电臂的尺寸大小，温差发电器可分为微型温差发电器和体温差发电器两种类型。

垂直微型温差发电器热流方向与热电材料表面垂直，在此结构中，所有的薄膜热电臂单元竖直排列在上下两层衬底之间，衬底一端是热端，另一端是冷端。其热电功率的大小与热电臂截面积成正比，与热电臂长度成反比，因此可以利用热电臂的几何尺寸来提高热电电压。垂直微型温差发电器优点是小温差下就可以实现高电压、高功率输出，缺点是这些器件仅有几微米厚，难以在单层热电臂薄膜材料两侧建立较大温差，因此难以获得较高功率密度值，且其制造工艺复杂，热转换效率低。

平面微型温差发电器热流方向与热电材料表面平行，在此结构中，所有的薄膜热电臂单元水平放置排列在上下两层衬底之间，沿薄膜热电臂单元水平放置方向一侧是热端，另一侧是冷端。相比于垂直微型温差发电器，平面微型温差发电器沿导热方向热电臂长度大大增加，因此容易在冷热两端建立较大温差；同时，沿导热方向热电臂的长度与底面积之比大大增加，因而可获得较高的功率密度值，有效提升其能量转换效率。但同时，该类温差发电器面临的问题是存在衬底热漏现象，部分热量容易从衬底散失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，该结构采用了微凸台阵列的热端基底，可有效增加热传导效率；该结构可从下到上逐层安装，装配工艺简单；且沿导热方向，热电臂的长度与底面积之比大大增加，可获得较高的功率密度值，有效提升其能量转换效率；同时易实现多个P、N型热电臂的串联或并联，以满足对不同外部负载的供电要求。

本发明采用的技术方案是：

本发明从上至下依次包括热端基底，孔内装有热端导热片的绝热层，嵌有P型热电臂和N型热电臂的热电臂支撑块和孔内装有绝热块和开有水冷通道的冷端基底。

所述热端基底位于平面型温差发电结构的顶部，热端基底的下表面每行等距排列、且每行均等距设有微凸台，热端基底的下表面的微凸台经各自的热端导热片一一对应嵌入绝热层的方孔中，所述微凸台和热端导热片位于P型热电臂和N型热电臂交界处的正上方。

所述P型热电臂和N型热电臂依次间隔多行排列，水平放置在热电臂支撑块的凹槽内；热电臂支撑块底面开有与热电臂支撑块的凹槽垂直、且等分分布的多列凹糟，多列凹糟内均装有冷端导热片，冷端导热片设置在与热端导热片位置相邻的P型热电臂和N型热电臂交界处的正下方。

所述冷端基底的上表面每行等距排列、且每行均设有不贯通的方孔，每个不贯通的方孔内均装有冷端导热片，每列不贯通的方孔间等距开有水冷通道，水冷通道上覆盖有对应的冷端导热片。

所述热端基底微凸台的行数和列数、绝热层方孔的行数和列数、热电臂支撑块的行数和冷端基底不贯通的方孔的行数和列数均相等。

设置绝热层保证热量沿热端基底的微凸台经热端导热片传导至P型热电臂和N型热电臂交界处的正上方，防止热量沿横向散失；绝热块的面积大于热端基底的微凸台面积，保证热量沿P型热电臂和N型热电臂水平放置方向进行左右横向传导，防止热量沿竖直方向散失。

本发明具有的有益效果是：

1、该发电结构采用微凸台阵列对的热端基底，能够有效增加热传导效率；

2.该发电结构可由下至上逐层安装，装配工艺简单；

3.该发电结构绝热块的设计，有效保证了热量沿热电臂水平放置方向进行横向传导，防止了沿竖直方向散失；

4.该发电结构热流方向与热电材料表面平行，相比于垂直型温差发电结构，其沿导热方向热电臂的长度与底面积之比大大增加，因而可获得较高的功率密度值，有效增加其能量转换效率；

5.该发电结构每一行的P型热电臂和N型热电臂串联形成一个发电模块，串联后每一行的发电模块可根据热电臂的布置形式和侧面导电片的连接位置合理地进行串联或并联，满足对不同外部负载的供电要求；

6.该发电结构的大小取决于热电臂行数和每一行P型热电臂和N型热电臂的数量，而热电臂行数、每一行P型热电臂和N型热电臂的数量及对应其它零件的数目和大小，可根据外部负载需电量要求进行灵活设计和改变，因此该发电结构灵活变换，更具有普遍性。

附图说明

图1是本发明的整体结构原理图。

图2是本发明的俯视图。

图3是图1的A-A剖视图。

图4是图3的B-B剖视图。

图5是图3的C-C剖视图。

图6是本发明的热流流向图。

图7是本发明的单行发电模块并联示意图。

图8是本发明的单行发电模块串联示意图。

图中：1.热端基底，2.绝热层，3.热端导热片，4.P型热电臂，5.N型热电臂，6.导电片，7.热电臂支撑块，8.冷端导热片，9.绝热块，10.水冷通道，11.冷端基底。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明从上至下依次包括热端基底1，孔内装有热端导热片3的绝热层2，嵌有P型热电臂4和N型热电臂5的热电臂支撑块7和孔内装有绝热块8和开有水冷通道10的冷端基底11。这种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构可由下至上逐层安装，具有装配工艺简单的特点。

如图1、图2、图3所示，热端基底1位于平面型温差发电结构的顶部，热端基底1的下表面每行等距排列、且每行均等距设有微凸台，热端基底1的下表面的微凸台经各自的热端导热片3一一对应嵌入绝热层2的方孔中，所述微凸台和热端导热片3位于P型热电臂4和N型热电臂5交界处的正上方。采用微凸台阵列能有效提高热端基底热传导效率。

如图1、图3、图4所示，所述P型热电臂4和N型热电臂5依次间隔多行排列，水平放置在热电臂支撑块7的凹槽内；热电臂支撑块7底面开有与热电臂支撑块7的凹槽垂直、且等分分布的多列凹糟，多列凹糟内均装有冷端导热片8，冷端导热片8设置在与热端导热片3位置相邻的P型热电臂4和N型热电臂5交界处的正下方。

如图1、图4所示，所述冷端基底11的上表面每行等距排列、且每行均设有不贯通的方孔，每个不贯通的方孔内均装有冷端导热片8，每列不贯通的方孔间等距开有水冷通道10，水冷通道10上覆盖有对应的冷端导热片8。

如图1～图6所示，所述热端基底1微凸台的行数和列数、绝热层2方孔的行数和列数、热电臂支撑块7的行数和冷端基底11不贯通的方孔的行数和列数均相等。

如图1、图3、图4、图6所示，设置绝热层2保证热量沿热端基底1的微凸台经热端导热片3传导至P型热电臂4和N型热电臂交界处5的正上方，防止热量沿横向散失；绝热块9的面积大于热端基底1的微凸台面积，保证热量沿P型热电臂4和N型热电臂5水平放置方向进行左右横向传导，防止热量沿竖直方向散失。

如图1、图3、图5所示，P型热电臂4和N型热电臂5受热位置相邻交界处正下方装有水冷通道10，起冷却作用；水冷通道10与热电臂之间装有冷端导热片8；冷端基底11的设计大大方便了绝热块9和水冷通道10的安装。

如图6所示，这种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，其热量J沿着热端基底1的微凸台经热端导热片3传导至P型热电臂4和N型热电臂5交界处的正上方，然后沿着P型热电臂4和N型热电臂5水平放置方向横向传导至其相邻交界处的水冷通道10进行冷却。可以看出，与垂直型体温差发电结构相比，这种平面型体温差发电结构的热流方向与热电材料表面平行，且沿导热方向热电臂的长度与底面积之比大大增加，因而可获得较高的功率密度值，有效增加其能量转换效率。

如图7、图8所示，每一行的P型热电臂4和N型热电臂5串联形成一个发电模块，串联后每一行的发电模块可根据热电臂的布置形式和侧面导电片的连接位置合理地进行串联或并联。当相邻两行P型热电臂4和N型热电臂5布置位置一样时，只需将最左侧的N型热电臂5用导电片6连接起来，便可实现每一行发电模块的并联，电流方向如图7所示；当相邻两行P型热电臂4和N型热电臂5交错布置时，将左侧奇数行的N型热电臂5和下一行的P型热电臂4用导电片6连接起来，右侧奇数行的P型热电臂4和下一行的N型热电臂5用导电片6连接起来，便可实现每一行发电模块的串联，电流方向如图8所示。

结合上述描述可知，这种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构大小取决于热电臂行数和每一行P型热电臂4和N型热电臂5的数量，而热电臂行数、每一行P型热电臂4和N型热电臂5的数量及对应其它零件的数目和大小，可根据外部负载需电量要求进行灵活设计和改变，因此这种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构可灵活变换，更具有普遍性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，其特征在于：从上至下依次包括热端基底（1），孔内装有热端导热片（3）的绝热层（2），嵌有P型热电臂（4）和N型热电臂（5）的热电臂支撑块（7）和孔内装有绝热块（8）和开有水冷通道（10）的冷端基底（11）。

2.根据权利要求1所述的一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，其特征在于：所述热端基底（1）位于平面型温差发电结构的顶部，热端基底（1）的下表面每行等距排列、且每行均等距设有微凸台，热端基底（1）的下表面的微凸台经各自的热端导热片（3）一一对应嵌入绝热层（2）的方孔中，所述微凸台和热端导热片（3）位于P型热电臂（4）和N型热电臂（5）交界处的正上方。

3.根据权利要求1所述的一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，其特征在于：所述P型热电臂（4）和N型热电臂（5）依次间隔多行排列，水平放置在热电臂支撑块（7）的凹槽内；热电臂支撑块（7）底面开有与热电臂支撑块（7）的凹槽垂直、且等分分布的多列凹糟，多列凹糟内均装有冷端导热片（8），冷端导热片（8）设置在与热端导热片（3）位置相邻的P型热电臂（4）和N型热电臂（5）交界处的正下方。

4.根据权利要求1所述的一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，其特征在于：所述冷端基底（11）的上表面每行等距排列、且每行均设有不贯通的方孔，每个不贯通的方孔内均装有冷端导热片（8），每列不贯通的方孔间等距开有水冷通道（10），水冷通道（10）上覆盖有对应的冷端导热片（8）。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，其特征在于：所述热端基底（1）微凸台的行数和列数、绝热层（2）方孔的行数和列数、热电臂支撑块（7）的行数和冷端基底（11）不贯通的方孔的行数和列数均相等。

6.根据权利要求1所述的一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，其特征在于：设置绝热层（2）保证热量沿热端基底（1）的微凸台经热端导热片（3）传导至P型热电臂（4）和N型热电臂交界处（5）的正上方，防止热量沿横向散失；绝热块（9）的面积大于热端基底（1）的微凸台面积，保证热量沿P型热电臂（4）和N型热电臂（5）水平放置方向进行左右横向传导，防止热量沿竖直方向散失。