CN105810807A - 环形构造热电器件 - Google Patents
环形构造热电器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105810807A CN105810807A CN201410846352.9A CN201410846352A CN105810807A CN 105810807 A CN105810807 A CN 105810807A CN 201410846352 A CN201410846352 A CN 201410846352A CN 105810807 A CN105810807 A CN 105810807A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- taper
- annular
- electric device
- thermo
- thermoelectric material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 150
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 15
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 5
- 238000010923 batch production Methods 0.000 abstract 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 9
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 210000000031 electric organ Anatomy 0.000 description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000002305 electric material Substances 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 229910052571 earthenware Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 3
- 238000006263 metalation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017629 Sb2Te3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- 229910002899 Bi2Te3 Inorganic materials 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910002665 PbTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- OOSYCERWOGUQJY-UHFFFAOYSA-N calcium;dioxido(dioxo)manganese Chemical compound [Ca+2].[O-][Mn]([O-])(=O)=O OOSYCERWOGUQJY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000013440 design planning Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000007567 mass-production technique Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Resistance Heating (AREA)
Abstract
本发明涉及环形构造热电器件，包括：沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；各所述锥形热电元件串联连接。本发明的环形构造热电器件结构合理、有利于成本控制、性能优化和批量化生产工艺。
Description
技术领域
本发明属于热电转换技术领域，具体地，涉及一种环形构造热电器件。
背景技术
作为一种环境友好的再生能源技术，热电转换技术近几年在国际上受到了广泛的瞩目。热电发电技术是利用半导体材料的塞贝克效应，直接将温差转化为电能的新技术。该技术具有可靠性高、无污染和无噪音的优点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用以及军用电源等高新技术领域将具有良好的应用前景。
一个热电器件往往由多个n型和p型半导体热电元件组成。由于每个热电元件的电压很低，为了获得较高的电压以便于实际使用，通常用金属电极将一个n型热电元件和一个p型热电元件连接成热电单偶，然后将多个热电单偶按导电串联、导热并联的结构连接起来构成热电器件。
目前主要的热电器件构造为π形构造。在该结构中，n型和p型热电元件以电串联和热并联的形式集成于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之中，这种构造主要适用于平板状热源的环境下，即热流方向垂直于两个平行的陶瓷板。
但是，当热源为非平板状时，这种传统的π形构造热电器件就不再适用。例如汽车尾气排放管道，如采用π形热电发电模块来制造与热源相匹配的的热电发电器（US8656710B2，US2005/0172993A1，US013/0160809A1），由于需要在热电模块表面施加力保证模块和热源之间的良好接触，从而使得发电器的结构变得非常复杂，制作成本高，而且发电器的性能和使用可靠性低。特别对于像直径为约1cm的小柱状热源，这种热电发电器的集成变得非常困难。但是对于这种柱状热源，使用环形构造的热电器件就使得发电器的集成相对简单且性能更为优异。
环形构造的热电器件中，n型和p型环形中空热电元件沿柱状热源交替地同轴排列，彼此之间填充热和电均绝缘的材料。这种构造可以最大限度地利用柱状热源所传导的热量，故热量利用效率相对于π形构造的热电器件将大幅度提高。由于目前很多热源，如汽车尾气排放管道和深海石油输送管道等都属于非平板状热源，因此，环形构造的热电器件在实际应用中具有很大的前景。需要特别强调的是，对于汽车尾气废热发电，发电器冷端冷却通常采用汽车上现成的冷却水。将环形器件的外圆设计成热端，而内圆设计成冷端。由于液体与固体间的传热要优于气体与固体间的传热，所以利用环形器件内外圆表面的面积差异可以平衡器件在冷热端的热交换能力，这是环形热电发电器的另一个优点。
尽管环形热电发电器件的概念已经诞生了很多年，但由于热电材料性能的限制导致目前国际上与实际应用密切相关的环形构造热电器件的研究报道不多。1969年美国西屋电器公司最早报道了环形热电器件概念（Proc.4thIntersocEnergyCouversEng.Conf.WahingtonDC,1969,NewYork,1969,300-307）。1977年美国专利US4056406公开了一种环形热电元件结构，每一个环由相同数量的n型和p型的扇形元件构成，从而可以有效地消除热电元件使用过程中的热应力影响。2000年美国专利US6096966公开了完整环形热电器件概念，报道了以Si0.8Ge0.2热电材料，Si为阻挡层Cu为电极的环状热电器件的制备方法。2007年Gao等人报道了用Cu作为电极连接的Bi2Te3热电材料环形热电模块（M.GaoandD.M.Rowe,Ring-structuredThermoelectricModule,Semicond.Sci.Technol.22(2007)880-883），其制备工艺比较复杂。美国专利US2009/0133734A1公开了一种改进的环形元件结构和制备方法，每个环的内外圆上有一个小平台以便于电极连接相邻近的环形元件。中国专利CN201310549191.2和CN201310443542.1公开了几种环形热电材料部件的形状和制备方法。中国专利CN201410039382.9公开了一种一步法快速制备环形热电元器件的方法，依据该专利环形材料部件和内外圆表面的金属化可以同时完成，为环形材料部件表面金属化的难题提供了一种可靠的途径。A.Schmitz报道了一种制备PbTe环形热电材料部件和表面金属化的方法（A.Schmitz,C.StieweandE.Muller,PreparationofRing-ShapedThermoelectricLegsfromPbTePowdersforTubularThermoelectricModules,J.Elec.Mater.,42(2013)1702-1706），集成器件时采用Ni为电极和白云母为绝缘材料，与Gao论文报道的环形热电器件结构不同之处在于金属化是在环形部件的内外圆上，而Gao论文报道的材料部件金属化是在环形侧面。另外美国专利US2012/0174567A1和中国专利CN201420052870.9公开了以环形热电器件集成的热电发电器结构，依据设计结构不同，热源可以从径向和轴向与热电元件进行热交换，与传统由π形器件集成的发电器相比，明显提高了热交换效率。
但是，现有的环形热电元件结构存在如下问题。首先，环形热电元件集成为器件时，如何确保元件集成器件后各元件的同心度问题；其次，增加环形热电元件的厚度（径向壁厚）将有利于提高最大输出功率和转换效率，但是过度通过这种增加厚度方式来提高性能的同时会带来增加环形热电元件内部热应力的问题；第三，为了确保环形热电器件在使用过程中不变形，需要在内外圆表面采用一定厚度和强度的陶瓷管（考虑耐腐蚀和电绝缘）来固定；第四，环形热电器件在内外陶瓷管固定下，大温差环境下使用时热应力不能释放将造成环形热电元件的损坏。因此，本领域现在迫切需要开发一种新型的环形构造热电器件，该环形构造热电器件应具有结构合理、便于规模化生产以及提高热电器件的发电效率等特点，从而促进环形构造热电器件的真正应用。
发明内容
鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构合理、有利于成本控制、性能优化和批量化生产工艺的新型的环形构造热电器件。
本发明所提供的环形构造热电器件包括：沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；各所述锥形热电元件串联连接。
根据本发明，环形构造热电器件由沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件构成。这种锥形部件的设计可以解决现有工艺中环形热电元件集成同心度差的难题，更为重要的是，与具有同样尺寸的现有环形构造热电器件相比，由锥形热电元件集成的环形构造热电器件可以既提高热电元件两端温差又减小热电元件中的残余热应力。采用本发明的环形构造热电器件，可以大幅提高环形构造热电器件的生产效率和产品成品率，能够明显地改善环形构造热电器件与热源的热交换效率，集成的环形构造热电器件具有转换效率高、输出稳定、可靠性高和使用寿命长的优点。
又，在本发明中，也可以是，各所述锥形热电元件包括锥形热电材料部件和形成于所述锥形热电材料部件的外环表面和内环表面的金属化和导流电极层。
根据本发明，通过在锥形热电材料部件的外环表面和内环表面形成金属化和导流电极层，由此形成了锥形热电元件。
又，在本发明中，也可以是，所述锥形热电材料部件的锥形角度为15°～45°。
根据本发明，锥形热电材料部件的锥形角度为15°～45°，可以在不增加环形构造热电器件外形尺寸的前提下提高器件的冷热端温差，从而提高热电转换效率。
又，在本发明中，也可以是，所述锥形热电材料部件的厚度为1.5～8mm。
根据本发明，锥形热电材料部件的厚度为1.5～8mm，依据热电材料性能的合适厚度可以确保器件有最大的输出功率密度。
又，在本发明中，也可以是，所述锥形热电材料部件的高度为2～22mm。
根据本发明，锥形热电材料部件的高度为2～22mm，则与部件的锥形角度相结合确保环形器件有较高的温差。
又，在本发明中，也可以是，所述锥形热电材料部件的外环面直径为9～30mm，内环面直径为6～12mm，所述外环面直径大于所述内环面直径。
根据本发明，锥形热电材料部件的外环面直径为9～30mm，内环面直径为6～12mm，与部件的锥形角度及其高度相配合确保环形器件既有高的输出功率密度又有高的发电效率。
又，在本发明中，也可以是，所述锥形绝缘隔热材料部件的锥形角度与所述锥形热电材料部件的锥形角度相同，所述锥形绝缘隔热材料部件的厚度为0.5～3mm。
根据本发明，锥形绝缘隔热材料部件的锥形角度与锥形热电材料部件的锥形角度相同，从而可以使锥形绝缘隔热材料部件与锥形热电材料部件形状相配合，使两者可以紧密地相连。锥形绝缘隔热材料部件的厚度为0.5～3mm，则在不影响相邻热电元件的绝缘以及提供足够的绝热条件前提下，可以降低环形器件的质量和外形体积。
又，在本发明中，也可以是，所述锥形绝缘隔热材料部件具备两种结构，其中，第一结构形成为与所述锥形热电材料部件的尺寸相比，在外环面上增加一段与所述金属化和导流电极层的厚度相等的凸起部分，第二结构形成为与所述锥形热电材料部件的尺寸相比，在内环面上增加一段与所述金属化和导流电极层的厚度相等的凸起部分。
根据本发明，锥形绝缘隔热材料部件具备两种结构可以防止元件化和器件化过程中造成元件之间的短路，提高集成效率和器件质量。
又，在本发明中，也可以是，所述环形构造热电器件形成为由p型和n型的所述锥形热电元件交替排列，相邻两锥形热电元件之间由所述锥形绝缘隔热材料部件隔开，所述第一结构的锥形绝缘隔热材料部件和所述第二结构的锥形绝缘隔热材料部件交替使用，相邻的所述锥形热电元件通过所述金属化和导流电极层串联连接。
根据本发明，更有利于形成本发明的性能优异的环形构造热电器件。
又，在本发明中，也可以是，所述环形构造热电器件的轴向两端面形成为平面。
根据本发明，环形构造热电器件的轴向两端面形成为平面，可使得需要多个环形器件集成为环形发电器的设计规划和组装技术变得简单。
此外，在本发明中，锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件的垂直轴向截面形状不局限于圆形。截面形状可以是圆形、多边形和椭圆。由此可适应于各种形状的热源，具有广泛的应用性。
与现有的环形构造热电器件相比，本发明的具有以下优点。
本发明的环形构造热电器件中，锥形热电元件具有组装容易和准确的优点，集成的环形构造热电器件中各锥形热电元件同心度高。采用本发明的锥形热电元件组装器件可以提高生产效率和产品成品率。
采用本发明集成的环形构造热电器件，与现有的环形构造热电器件相比，在外形尺寸不变的前提下，可以显著提高器件两端的温差从而提高输出功率密度和发电效率。另外其结构本身还可以释放大温差环境下形成的热应力，因而，本发明的环形构造热电器件具有输出稳定、可靠性高和使用寿命长的优点。
采用本发明集成的环形构造热电器件，位于器件内外圆表面的固定支撑用陶瓷管或者金属管厚度大大降低，从而明显地提高了环形构造热电器件与热源的热交换效率。
根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。
附图说明
图1示出了根据本发明的一实施形态的环形构造热电器件的锥形器件构成部件示意性分解图；
图2示出了图1中的环形构造热电器件的锥形热电材料部件沿A-A方向的剖视图；
图3示出了图2中的锥形热电材料部件内外圆环表面金属化后的锥形热电元件的剖视图；
图4示出了两种类型锥形绝缘隔热材料部件沿图1的A-A方向的剖视图，其中图4（A）为A型结构的锥形绝缘隔热材料部件，图4（B）为B型结构的锥形绝缘隔热材料部件；
图5中的图5（A）和图5（B）示出了图1中的环形构造热电器件的轴向两端处的热电材料部件沿A-A方向的剖视图；
图6中的图6（A）和图6（B）示出了图1中的环形构造热电器件的轴向两端处的绝缘隔热材料部件沿A-A方向的剖视图；
图7示出了由锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件组成的环形构造热电器件，此时其内外表面未金属化，无连接电极，两端未配置图5或图6所示的热电材料部件或绝缘隔热材料部件；
图8示出了图7所示的环形构造热电器件，此时其外环表面已具有金属化层和连接电极，两端未配置图5或图6所示的热电材料部件或绝缘隔热材料部件；
图9示出了图8所示的环形构造热电器件沿图7中B-B方向的剖视图；
图10示出了图7所示的环形构造热电器件，此时其外环表面和内环表面均已具有金属化层和连接电极，两端未配置图5或图6所示的热电材料部件或绝缘隔热材料部件。
具体实施方式
下面结合具体实施形态和附图来说明本发明的实质性特点和显著性的进步。应理解，这些实施例仅用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种结构合理且性能优异的环形构造热电器件，包括：沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；各所述锥形热电元件串联连接。
以下说明中，制备出的锥形热电材料样品称为锥形热电材料部件，所述材料部件局部表面金属化之后称为锥形热电元件，所述锥形热电元件通过导流电极材料、绝缘隔热材料和内外环固定材料集成的器件称为环形热电器件。锥形元件的厚度是指轴向剖视图中内侧壁和外侧壁之间的垂直距离，锥形元件的高度是指锥形元件两平行侧平面之间的垂直距离（如后文结合图2详细说明）。
图1示出了根据本发明的一实施形态的环形构造热电器件的锥形器件构成部件示意性分解图。如图1所示，本发明的环形构造热电器件中，锥形热电元件（锥形热电材料部件1表面金属化之后）和锥形绝缘隔热材料部件2交替沿着轴向排列从而构成环形构造热电器件。
图2示出了图1中的环形构造热电器件的锥形热电材料部件1沿A-A方向的剖视图。如图2所示，锥形热电材料部件1的尺寸包括厚度m1、高度h1、锥形角度β、外环面直径d1和内环面直径d2。厚度m1是指锥形热电材料部件1的轴向剖视图中内侧壁和外侧壁之间的垂直距离，一般为1.5～8mm。高度h1是指该锥形热电材料部件1两平行侧平面之间的垂直距离，一般为2～22mm。锥形角度β是指该锥形热电材料部件1的侧壁与中心对称轴之间的夹角，一般为15°～45°。此外，例如，外环面直径d1=9～30mm，内环面直径d2=6～12mm，外环面直径d1大于内环面直径d2。
图3示出了图2中的锥形热电材料部件1内外圆环表面金属化后的锥形热电元件的剖视图。如图3所示，与锥形热电材料部件1的两平行侧平面相连接且垂直的内圆环和外圆环区域为金属化和电极连接区域5和6。金属化和连接电极区域5和6的厚度n一般约为0.5～2mm。
图4示出了两种类型锥形绝缘隔热材料部件2沿图1的A-A方向的剖视图。如图4所示，由锥形部件集成环形器件时，相邻p型和n型锥形热电材料部件1之间放入锥形绝缘隔热材料部件2。为了防止元件化和器件化过程中造成元件之间的短路，提高集成效率和器件质量，锥形绝缘隔热材料部件2分成两种：A型和B型。如图4（A）所示，A型绝缘隔热材料部件尺寸与锥形热电材料部件1尺寸相比，在外环面上增加一段厚为n（即与前述金属化和连接电极区域5和6的厚度相同）的凸起部分，即d3=d1+2n。如图4（B）所示，B型绝缘隔热材料部件尺寸与锥形热电材料部件1尺寸相比，在内环面上增加一段厚为n的凸起部分，即d4=d2-2n。集成本发明的环形构造热电器件时，A型和B型锥形绝缘隔热材料部件交替使用。
通常来说，锥形绝缘隔热材料部件2的厚度m2和高度h2与前述锥形热电材料部件1的相应参数m1和h1不相同，厚度m2取决于材料的热性能和器件使用温度，可为0.5～3mm。锥形绝缘隔热材料部件2的锥形角度与锥形热电材料部件1的锥形角度β相同。
当采用锥形元件集成锥形器件时，环形器件的两端采用特定形状的热电材料部件（图5）3和4或者绝缘隔热材料部件（图6）3’和4’，目的是使环形器件的两端面为平面。具体地，图5示出了图1中的环形构造热电器件的轴向两端处的热电材料部件3和4沿A-A方向的剖视图。而图6示出了图1中的环形构造热电器件的轴向两端处的绝缘隔热材料部件3’和4’沿A-A方向的剖视图。用作热电材料部件3和4及绝缘隔热材料部件3’和4’的高度较相应的锥形热电材料部件1和锥形绝缘隔热材料部件2的高度多1～2mm。环形器件两端的部件究竟是热电材料部件3、4（图5）还是绝缘隔热材料部件（图6）3’、4’取决于器件的设计。
图7示出了由锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件2组成的环形构造热电器件，此时其内外表面未金属化，无连接电极，两端未配置图5所示的热电材料部件3、4或图6所示的绝缘隔热材料部件3’、4’。如图7所示，一种由6组锥形材料部件构成的器件结构从左至右描述如下：p型锥形热电材料部件1、A型绝缘隔热材料部件2、n型锥形热电材料部件1、B型绝缘隔热材料部件2、p型锥形热电材料部件1、A型绝缘隔热材料部件2…。
图8示出了图7所示的环形构造热电器件，此时其外环表面已具有金属化层和连接电极5，图9示出了图8所示的环形构造热电器件沿图7中B-B方向的剖视图；其中，两端未配置图5所示的热电材料部件3、4或图6所示的绝缘隔热材料部件3’、4’。如图8和图9所示，锥形热电材料部件1的内外环表面金属化和电极连接工艺实施时（例如电弧喷涂工艺），相邻两A型绝缘隔热材料部件之间的锥形热电材料部件1在外环表面以金属化层和导流电极5连接，相邻两B型绝缘隔热部件之间的锥形热电材料部件1在内环表面以金属化层和导流电极6连接，如此所有的锥形热电材料部件通过串联连接成一个整体。图10示出了该环形器件的内外立体结构，此时其外环表面和内环表面均已具有金属化层和连接电极5、6，两端未配置图5所示的热电材料部件3、4或图6所示的绝缘隔热材料部件3’、4’。
与现有的环形元件相比，锥形热电元件的使用在不增加器件外形尺寸的情况下，提高了元件的冷热端之间距离和温差，从而提高了热电转换的效率。而与具有相同冷热端之间距离的环形热电元件相比，锥形热电元件中的热应力分布更趋合理。
本发明中，锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件的垂直轴向截面形状不局限于圆形。截面形状可以是圆形、多边形和椭圆。如此，管状热电器件的形状可以是圆柱体、棱柱体和椭圆柱体。
本发明中，锥形热电材料部件的高度h1、厚度m1、内径d2和外径尺寸d1应该依据材料的热电性能和力学性能进行优化设计。
本发明中，锥形热电材料部件可以是碲化铋、填充方钴矿、碲化锌、ZrNiSn基half-Heulsler、Ba8Ga16Ge30、锰酸钙、钴酸钙、钴酸钠。
下面结合具体实施例和附图来说明本发明。应理解，这些实施例仅用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，例如是工艺手册中的条件，或按照厂商所建议的条件。
实施例1
本实施例是根据方钴矿材料性能设计锥形热电元件及其集成的环形构造热电器件。本环形器件的使用温度为热端～770K，冷端～320K。
采用的方钴矿材料为Yb0.3Co4Sb12（n-type）和Ce0.9Fe4Sb12（p-type）。金属化层和导流电极材料为Mo\Mo0.5Cu0.5，厚度n=1mm。
锥形热电材料部件1结构如图2所示。环形器件的外环面为热端，内环面为冷端。
方钴矿材料部件尺寸参数为厚度m1=2mm，外径d1=16mm，内径d2=10mm，锥形角度β=35°。制备时可分别将p型和n型方钴矿材料粉末样品放入特制的石墨模具中，通过放电等离子烧结技术获得致密的环状方钴矿材料部件。环状方钴矿材料部件的外径为16.5mm，内径为9.5mm。然后对烧结获得的P型和n型环形热电材料部件采用线切割加工成锥形热电材料部件并进行表面研磨抛光至设计尺寸。
绝缘隔热材料为白云母，厚度为1.5mm，结合金属化层和导流电极层的厚度设计A型和B型白云母部件尺寸，A型d3=18mm，B型d4=8mm。环形器件两端面为白云母部件，高度为10mm。
集成环形器件时，首先将p型和n型锥形热电材料部件1沿着轴向交替排列，中间用白云母部件隔开（A型和B型交替使用），用喷涂的方法将各锥形材料部件依次串联起来。
实施例2
本实施例是根据碲化铋材料性能设计碲化铋锥形热电元件及其集成的碲化铋环形构造热电器件。本环形器件的使用温度为热端～470K，冷端～320K。
采用的碲化铋材料为(Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05（n-type）和(Bi2Te3)0.25(Sb2Te3)0.72(Sb2Se3)0.03（p-type）。金属化层和导流电极材料为Mo\Cu，厚度为1mm。
锥形热电材料部件1结构如图2所示。环形器件的外环面为热端，内环面为冷端。
碲化铋材料部件尺寸参数为厚度m1=1.5mm，外径d1=14mm，内径d2=10mm，锥形角度β=45°。制备时可分别将p型和n型碲化铋材料粉末样品放入特制的石墨模具中，通过放电等离子烧结技术获得致密的环状碲化铋材料部件。环状碲化铋材料部件的外径为14.5mm，内径为9.5mm。然后对烧结获得的P型和n型环形热电材料部件采用线切割加工成锥形热电材料部件并进行表面研磨抛光至设计尺寸。
绝缘隔热材料为白云母，厚度为1mm，结合金属化层和导流电极层的厚度设计A型和B型白云母部件尺寸，A型d3=16mm，B型d4=8mm。环形器件两端面为白云母部件，高度为5mm。
集成环形器件时，首先将p型和n型锥形热电材料部件沿着轴向交替排列，中间用白云母部件隔开（A型和B型交替使用），用喷涂的方法将各锥形材料部件依次串联起来。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种环形构造热电器件，其特征在于，包括：
沿着轴向交替排列的锥形热电元件和锥形绝缘隔热材料部件；
各所述锥形热电元件串联连接。
2.根据权利要求1所述的环形构造热电器件，其特征在于，各所述锥形热电元件包括锥形热电材料部件和形成于所述锥形热电材料部件的外环表面和内环表面的金属化和导流电极层。
3.根据权利要求2所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的锥形角度为15°～45°。
4.根据权利要求2或3所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的厚度为1.5～8mm。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的高度为2～22mm。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形热电材料部件的外环面直径为9～30mm，内环面直径为6～12mm，所述外环面直径大于所述内环面直径。
7.根据权利要求3所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形绝缘隔热材料部件的锥形角度与所述锥形热电材料部件的锥形角度相同，所述锥形绝缘隔热材料部件的厚度为0.5～3mm。
8.根据权利要求7所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述锥形绝缘隔热材料部件具备两种结构，其中，第一结构形成为与所述锥形热电材料部件的尺寸相比，在外环面上增加一段与所述金属化和导流电极层的厚度相等的凸起部分，第二结构形成为与所述锥形热电材料部件的尺寸相比，在内环面上增加一段与所述金属化和导流电极层的厚度相等的凸起部分。
9.根据权利要求8所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述环形构造热电器件形成为由p型和n型的所述锥形热电元件交替排列，相邻两锥形热电元件之间由所述锥形绝缘隔热材料部件隔开，所述第一结构的锥形绝缘隔热材料部件和所述第二结构的锥形绝缘隔热材料部件交替使用，相邻的所述锥形热电元件通过所述金属化和导流电极层串联连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的环形构造热电器件，其特征在于，所述环形构造热电器件的轴向两端面形成为平面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410846352.9A CN105810807B (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 环形构造热电器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410846352.9A CN105810807B (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 环形构造热电器件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105810807A true CN105810807A (zh) | 2016-07-27 |
| CN105810807B CN105810807B (zh) | 2019-01-29 |
Family
ID=56420340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410846352.9A Active CN105810807B (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 环形构造热电器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105810807B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109037422A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-12-18 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种具有包覆体结构的热电元器件 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100521271C (zh) * | 2004-07-01 | 2009-07-29 | 阿鲁策株式会社 | 热电转换模块 |
| CN102318097A (zh) * | 2009-02-19 | 2012-01-11 | 排放技术有限公司 | 热电器件 |
| CN103003968A (zh) * | 2010-07-30 | 2013-03-27 | 松下电器产业株式会社 | 管形状的热发电器件及其制造方法、热发电体、使用热发电器件产生电的方法、以及使用热发电体产生电的方法 |
| WO2014141699A1 (ja) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | パナソニック株式会社 | 熱発電素子、熱発電ユニットおよび熱発電システム |
-
2014
- 2014-12-31 CN CN201410846352.9A patent/CN105810807B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100521271C (zh) * | 2004-07-01 | 2009-07-29 | 阿鲁策株式会社 | 热电转换模块 |
| CN102318097A (zh) * | 2009-02-19 | 2012-01-11 | 排放技术有限公司 | 热电器件 |
| CN103003968A (zh) * | 2010-07-30 | 2013-03-27 | 松下电器产业株式会社 | 管形状的热发电器件及其制造方法、热发电体、使用热发电器件产生电的方法、以及使用热发电体产生电的方法 |
| WO2014141699A1 (ja) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | パナソニック株式会社 | 熱発電素子、熱発電ユニットおよび熱発電システム |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| AKIHIRO SAKAI,ET AL.: "Enhancement in Performance of the Tubular Thermoelectric Generator (TTEG)", 《JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS》 * |
| ANDREAS SCHMITZ, ET AL.: "Preparation of Ring-Shaped Thermoelectric Legs from PbTe Powders for Tubular Thermoelectric Modules", 《JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109037422A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-12-18 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种具有包覆体结构的热电元器件 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105810807B (zh) | 2019-01-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105576112B (zh) | 环形热电器件 | |
| JP4949841B2 (ja) | 熱電変換モジュール | |
| US5228923A (en) | Cylindrical thermoelectric cells | |
| CN101711436B (zh) | 玻璃-陶瓷热电模块 | |
| CN202651208U (zh) | 柔性微型热电发生器 | |
| JP5834256B2 (ja) | 熱発電素子、熱発電ユニットおよび熱発電システム | |
| CN101894905B (zh) | 一种柔性热电半导体发电器件及其制备方法 | |
| JP2006294738A (ja) | 管状熱電モジュールおよびそれを用いた熱電変換装置並びに管状熱電モジュールの製造方法 | |
| CN102832332A (zh) | 柔性微型热电发生器及其制造方法 | |
| CN108281541A (zh) | 可预成型的热电器件及制备方法 | |
| CN109065697A (zh) | 一种环形热电发电器件 | |
| CN102983261B (zh) | 一种内外电极均为一端封闭金属管的热电转换电池 | |
| CN109065700B (zh) | 一种环形热电发电器件的制备方法 | |
| CN105810807A (zh) | 环形构造热电器件 | |
| JP6266536B2 (ja) | 半導体素子および管状熱電モジュールを生産する方法 | |
| CN104396037B (zh) | 包括热电材料的线材以及用于制备热电模块的部件的方法 | |
| CN105633260A (zh) | 环形热电器件及其制备方法 | |
| JP2006086402A (ja) | 管状熱電モジュールおよび熱電変換装置 | |
| CN103746070B (zh) | 一种环形构造热电器件的制备方法 | |
| JP6077449B2 (ja) | 熱電モジュールに使用する熱電材料製の半導体素子 | |
| CN103954070A (zh) | 一种基于交变磁场驱动的热电制冷器 | |
| CN210723092U (zh) | 一种隔热的半导体热电/电热转换元件 | |
| JPH0370483A (ja) | 高熱抵抗型熱電発電装置 | |
| CN103983030B (zh) | 一种太阳能热电联产管 | |
| CN203721772U (zh) | 具有环形构造的热电器件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |