CN107623464A - 温差发电器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种温差发电器，涉及温度差发电技术领域。该温差发电器包括：第一基体，所述第一基体与一热端接触；第二基体，所述第二基体与一冷端接触；热电材料，所述热电材料设置于所述第一基体与所述第二基体中间，所述热电材料具有降低热应力的结构。通过上述方案，能够降低热电材料的热应力，提高了温差发电模组的使用寿命和可靠性。

Description

温差发电器

技术领域

本发明涉及温度差发电领域，具体涉及一种温差发电器中热电材料部件的具体结构。

背景技术

温差发电器是利用塞贝克效应，将热能转换成电能的一种发电器。温差发电器是一种没有转动部件的固态器件，体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护。温差发电技术主要应用在航空航天、军事、深海探测等高科技领域，其简单稳定能很好的解决供电装置幅值、维护更换不便、有噪音污染等问题。汽车燃料产生的能量多于40％被尾气带走，如果每台车能利用温差发电技术，并加以合理利用，即提高了汽车燃油的使用效率，又可以减少空气的污染。

受设计、制造、环境等因素影响，温差发电还存在温差电组件使用寿命短、可靠性不高等问题，以高温条件下工作的温差发电器最为显著。当温差电器件的冷热端温度变化时，由于热电材料部件与导流电极、基体的热膨胀系数不匹配，在接头处会产生很大的热应力，会使基体变形或者导致温差电元件的断裂，降低了温差电元件的使用寿命及可靠性。汽车在运行过程中，振动带来热电材料部件受到较大的冲击力等机械应力，

针对上述问题，亟需一种全新的温差发电器。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种温差发电器及内燃机，至少部分的解决现有技术中存在的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种温差发电器，包括：

第一基体，所述第一基体与一热端接触；

第二基体，所述第二基体与一冷端接触；

热电材料，所述热电材料设置于所述第一基体与所述第二基体中间，所述热电材料具有降低热应力的结构。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料的结构为弹簧结构。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述弹簧结构为螺旋弹簧、板弹簧、蝶形弹簧、涡卷弹簧、扭杆弹簧、片状弹簧、环形弹簧、平卷弹簧、恒力弹簧、卡簧、拉簧、扭簧、蛇形弹簧、波形弹簧、杆簧中的任意一种。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料的结构为Z形、L形、U形、C形中的任意一种。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料的横截面或者纵截面是梯形、圆台形、圆锥形、抛物线、渐开线、双曲线形中的任意一种。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料的端面开设有若干个孔或者沟槽。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料由多个相同材质及相同形状的热电单元通过并联的方式联结形成。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述温差发电器还包括：

冷端电极，所述冷端电极设置于所述第二基体与所述热电材料之间。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述温差发电器还包括：

第二焊接层，所述第二焊接层设置于所述冷端电极与所述热电材料之间。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述温差发电器还包括：

热端电极，所述热端电极设置于所述第一基体与所述热电材料之间。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述温差发电器还包括：

第一焊接层，所述第一焊接层设置于所述热端电极与所述热电材料之间。

第二方面，本发明实施例还提供了一种内燃机，所述内燃机含有前述任第一方面或第一方面的任一实现方式所述的温差发电器。

本发明实施例提供的温差发电器及内燃机，从热电材料部件结构角度，将热电材料设置为具有降低热应力的结构，降低了热电材料的热应力，提高了温差发电模组(组件)的使用寿命和可靠性，有利于高温差的温差发电器广泛推广与应用，实现汽车尾气温差发电产业化，对于改善人类生存和自然环境与维持可持续发展都有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种温差发电器结构图；

图2为本发明实施例提供的一种带有电极的螺旋弹簧结构的热电材料结构图；

图3为本发明实施例提供的一种带有电极的板形弹簧结构的热电材料结构图；

图4a-b为本发明实施例提供的一种带有电极的蝶形弹簧结构的热电材料结构图；

图5a-b为本发明实施例提供的一种带有电极的环形弹簧结构的热电材料结构图；

图6为本发明实施例提供的一种带有电极的‘Z’形形状的热电材料结构图；

图7为本发明实施例提供的一种带有电极的‘L’形形状的热电材料结构图；

图8为本发明实施例提供的一种带有电极的‘U’形形状的热电材料结构图；

图9为本发明实施例提供的一种带有电极的‘C’形形状的热电材料结构图；

图10为本发明实施例提供的一种带有电极的梯形形状的热电材料结构图；

图11为本发明实施例提供的一种带有电极的圆台形形状的热电材料结构图；

图12为本发明实施例提供的一种带有电极的圆锥形形状的热电材料结构图；

图13为本发明实施例提供的一种带有电极的抛物线形状的热电材料结构图；

图14为本发明实施例提供的一种带有电极的渐开线形状的热电材料结构图；

图15为本发明实施例提供的一种带有电极的双曲线形状的热电材料结构图；

图16为本发明实施例提供的一种带有电极的具有端面沟槽的热电材料结构图；

图17为本发明实施例提供的一种带有电极的并联联结热电材料构成的温差发电器的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供的温差发电器，包括：第一基体1，所述第一基体1与一热端接触；第二基体2，所述第二基体2与一冷端接触；热电材料3，所述热电材料3设置于所述第一基体1与所述第二基体2中间，所述热电材料3具有降低热应力的结构。

具体的，当热端和冷端温差产生时，常规的长方体热电材料热胀冷缩受到热端面和冷端面的束缚，热电材料在垂直于热端面和冷端面方向上的热应力无法释放，会造成热电材料的失效。本申请的降低热应力的结构就是从垂直于热端面冷端面方向上降低热膨胀的约束。以图8的‘C’型热电材料为例，当温差变大时，提供一个侧向的释放空间，不会造成热电材料热膨胀的损坏。

在温差发电器中，热电材料部件温度分布极不均匀，高温区产生压应力，低温区产生拉应力。热应力的大小只与热电材料部件的温度分布有关，温度分布越不均匀，产生的热应力就越大。而热电材料部件的温度分布取决于材质、换热剧烈程度，热电材料部件内的温度分布越不均匀，造成的温差越大，产生的热应力也越大，当热应力超过一定值后，会使热电材料部件产生塑性变形，从而引起较大的疲劳损伤。为了缓解和降低热电材料部件的热应力，本发明的热电材料部件制作成具有降低热应力的结构(例如弹簧结构)，降低了热电材料的热应力，提高了温差发电模组(组件)的使用寿命和可靠性，有利于高温差的温差发电器广泛推广与应用，实现汽车尾气温差发电产业化。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料3的结构为弹簧结构，所述弹簧结构为螺旋弹簧、板弹簧、蝶形弹簧、涡卷弹簧、扭杆弹簧、片状弹簧、环形弹簧、平卷弹簧、恒力弹簧、卡簧、拉簧、扭簧、蛇形弹簧、波形弹簧、杆簧中的任意一种。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料3的结构为Z形、L形、U形、C形中的任意一种。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料3的横截面或者纵截面是梯形、圆台形、圆锥形、抛物线、渐开线、双曲线形中的任意一种。

弹簧是利用材料的弹性形变进行缓冲、复位、储能的机械零件。本发明中的热电材料部件形状不局限于螺旋弹簧、板弹簧、蝶形弹簧、涡卷弹簧、扭杆弹簧、片状弹簧、环形弹簧、平卷弹簧、恒力弹簧、卡簧、拉簧、扭簧、蛇形弹簧、波形弹簧、杆簧等形状，也可以制作成Z形、L形、U形、C形等形状，还可以制作成横截面或者纵截面是梯形、圆台形、圆锥形、抛物线、渐开线、双曲线形等异形形状。

为了进一步降低热应力，根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料3的端面开设有若干个孔或者沟槽。

为了进一步降低热应力，根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述热电材料3由多个相同材质及相同形状的热电单元通过并联的方式联结形成。

本发明的温差发电器的单元结构中某级热电材料部件可以采用若干个相同材质和相同形状的小的热电材料部件并联的联结的形式组成。现阶段，温差发电模组(组件)使用寿命短、可靠性不高等问题制约着温差发电器广泛应用，尤其是在100度以上高温差条件下的应用。而本发明从热电材料部件结构角度，降低了热电材料的热应力，提高了温差发电模组(组件)的使用寿命和可靠性，有利于高温差的温差发电器广泛推广与应用，实现汽车尾气温差发电产业化，对于改善人类生存和自然环境与维持可持续发展都有重要意义。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，参见图1，所述温差发电器还包括：冷端电极5，所述冷端电极5设置于所述第二基体2与所述热电材料3之间。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，参见图1，所述温差发电器还包括：第二焊接层7，所述第二焊接层7设置于所述冷端电极5与所述热电材料3之间。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，参见图1，所述温差发电器还包括：热端电极4，所述热端电极4设置于所述第一基体1与所述热电材料3之间。热电材料与电极之间连接通过焊接(高温钎焊)实现。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，参见图1，所述温差发电器还包括：第一焊接层6，所述第一焊接层6设置于所述热端电极4与所述热电材料3之间。

温差发电器的最重要的组成便是温差发电片，它是由若干个PN结组合而成的电压输出器件。主要的工作原理是：不同材料中的载流子浓度会随温度的不同而有所差别，P型、N型半导体相互接触，并且接触点的温度有差异，使回路中载流子发生运动，这样就产生了电流，从而使得温差发电器工作。其中P型半导体和N型半导体既为热电材料部件。现在的热电材料部件大部分是规则的立方体或长方体形状。本发明中的热电材料部件形状不局限于螺旋弹簧、板弹簧、蝶形弹簧、涡卷弹簧、扭杆弹簧、片状弹簧、环形弹簧、平卷弹簧、恒力弹簧、卡簧、拉簧、扭簧、蛇形弹簧、波形弹簧、杆簧等形状(参见图2-图5b)，也可以制作成Z形、L形、U形、C形等形状(参见图6-图9)，还可以制作成横截面或者纵截面是梯形、圆台形、圆锥形、抛物线、渐开线、双曲线形等异形形状(参见图10-图15)。

为了进一步降低热应力，参见图16，本发明的热电材料部件端面开若干个孔或者沟槽。

为了进一步降低热应力，参见图17，本发明的温差发电器的单元结构中某级热电材料部件可以采用若干个相同材质和相同形状的小的热电材料部件经电极出线并联的联结的形式组成。

本发明的温差发电器中的第一基体1及第二基体2可以选用陶瓷基体，陶瓷基体选用材料热导率高，绝缘，耐高温陶瓷类基体。热电材料3选择能将热能转换为电能的功能材料。热端电极4选择用于热端导通电流的介质，材料用耐高温，导电率高，内阻小的电极类材料。冷端电极5用做冷端导出电流的介质，材料用耐高温，导电率高，内阻小的电极类材料。焊接层用于焊接电极和热电材料的焊料连接层。温差发电器还可以包括一个或多个电极出线，电极出线作为导出电流的介质，用于电极向外连接的线，其材料选用耐高温，导电率高，内阻小的导体类材料。温差发电器件的热电材料在冷端接冷源，热端接热源形成两端温差的塞贝克效应条件下产生电能经冷端电极出线输出。

作为一种可选情况，本发明实施例中的带有电极的热电材料中的电极的热端电极和冷端电极可以按照图2-17中的样式进行设置，当然也可以将热端电极和冷端电极的位置进行置换，例如将图3、10-17中的正负极可以反过来安装设置。

本发明实施例还提供了一种内燃机，所述内燃机含有前述实施例所述的温差发电器。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种温差发电器，其特征在于，包括：

第一基体，所述第一基体与一热端接触；

第二基体，所述第二基体与一冷端接触；

热电材料，所述热电材料设置于所述第一基体与所述第二基体中间，所述热电材料具有降低热应力的结构。

2.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：

所述热电材料的结构为弹簧结构，所述弹簧结构为螺旋弹簧、板弹簧、蝶形弹簧、涡卷弹簧、扭杆弹簧、片状弹簧、环形弹簧、平卷弹簧、恒力弹簧、卡簧、拉簧、扭簧、蛇形弹簧、波形弹簧、杆簧中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：

所述热电材料的结构为Z形、L形、U形、C形中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：

所述热电材料的横截面或者纵截面是梯形、圆台形、圆锥形、抛物线、渐开线、双曲线形中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：

所述热电材料的端面开设有若干个孔或者沟槽。

6.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：

所述热电材料由多个相同材质及相同形状的热电单元通过并联的方式联结形成。

7.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于，还包括：

冷端电极，所述冷端电极设置于所述第二基体与所述热电材料之间。

8.根据权利要求7所述的温差发电器，其特征在于，还包括：

第二焊接层，所述第二焊接层设置于所述冷端电极与所述热电材料之间。

9.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于，还包括：

热端电极，所述热端电极设置于所述第一基体与所述热电材料之间。

10.根据权利要求9所述的温差发电器，其特征在于，还包括：

第一焊接层，所述第一焊接层设置于所述热端电极与所述热电材料之间。