CN108565332A - 一种真空热电管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真空热电管，包括：内管，外管，外管壁(1)内层和内管壁(2)外层之间的真空腔体；其中P型元件(3)和N型元件(4)沿平行于热电管轴的方向交替排列在真空腔体内；P型元件(3)和N型元件(4)的一端经由内电极(5)连接，另一端通过外电极(6)连接。本发明的真空热电管质量更为轻便，单位面积输出能效更高；且能适应更高温度的工作环境，具有广泛适应性。
Description
技术领域
本发明属于热电元件技术领域，特别涉及一种真空热电管。
背景技术
能源是人类发展的基石，随着全球人口增多，目前已有的传统能源如煤、石油、天然气等已无法满足人们的需求，同时带来了日益严重的环境问题，寻找新能源迫在眉睫。热电器件由于能通过利用塞贝克(Seebeck)效应和帕尔帖效应(Peltier)，即固体条件下凭借自身的空穴或载流子的传输，实现热能和电能的直接转换而引起了广泛的关注。
人们希望可以通过热电技术将汽车尾气以及锅炉等排气管处废热回收，实现能源再利用。目前已有的管状热电器如日本专利公开为No.61-254082的新型热电元件专利，该专利被称为热电环的开山鼻祖，其中热电环包括内管和外管，P型和N型块状元件沿圆周方向交替镶嵌在内管和外管之间。P型和N型依次首尾连接，一端经由内电极连接，另一端通过外电极连接，内部电极和外部电极经由绝缘体与内管和外管接触；美国专利公开号为US9166138B2的新型专利公开了一种热电管的制作方法，其中热电管包括内管和外管，将带有缺口的环状P型和N型热电元件置于内管和外管之间，经由绝缘体和内外管接触，在外管的最外层包裹有热交换管。将P型和N型元件以P-N-P-N…方式依次放置，导电环依次置入P和N型之间；中国专利公开号CN107221595A公开了一种真空热电管，该热电管包括真空腔体和若干热电偶，热电偶一端直接连接构成低温电极端设置于腔体外，热电偶另一端非直接连接构成高温电极端设置于腔体内。且高温端电极端N型和P型元件间填有高温绝缘填料。
以上热电管发明虽能基本实现对于废热的转换回收但任然存在以下问题：为保证良好的热接触，电极需和热电管具备相同的曲率；为减小接触电阻，也需与电极类似的曲率，这增加了热电元件加工工艺复杂性以及热电材料的消耗率；且由于工艺限制，接触不良限制了能效的提高。同时，已有的热电管通常以P型环和N型环与导电环串联构成或者以P型和N型块状元件串联而成的热电环与绝缘环串联构成，P型和N型的对数影响热电管的质量，限制了热电偶对数增加，阻止了热电管输出有效功率的进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种真空热电管，不同于已有的热电管中，P型和N型热电块状元件沿圆周方向交替排列或者环状热电元件沿热电管轴向交替排列，本发明的热电管采取P型和N型块状元件平行于热电管轴向交替排列，并且省去了以往热电管中的绝缘环结构，采用真空结构对P型和N型元件进行分隔同时能保护热电元件在高温下不会氧化而影响性能，增大了热电管的使用范围。在减轻热电管的重量同时，增加了单位面积热电管上P型和N型的对数，从而增加了单位面积热电管的有效输出功率。同时本热电管中热电偶沿轴向排列处于同一水平高度，故而可以采用一种的异形电极，极大改善了接触不良问题，彻底解决了热电管中N和P型元件加工困难的问题，为热电管效率进一步提高奠定了基础。
本发明的一种真空热电管，为中空的真空圆柱体，包括：内管，外管，外管壁内层和内管壁外层之间的真空腔体；其中P型元件和N型元件沿平行于热电管轴的方向交替排列在真空腔体内；P型元件和N型元件的一端经由内电极连接，另一端通过外电极连接。
所述P型元件或N型元件为无机热电材料、有机热电材料或无机-有机混合所得热电材料。
所述P型元件或N型元件为扇形或长方形。
所述P型元件和N型元件交替排列的方式为P-N-P-N…方式或N-P-N-P…方式。
所述内电极或外电极为导电材料。
所述导电材料为铝或铜。
所述内电极或外电极为二维片状材料或三维异形材料。
所述热电管的外管壁或内管壁为绝缘耐高温材料。
所述绝缘耐高温材料为玻璃基材料、陶瓷基材料、橡胶材料或者聚合物材料中的至少一种。
所述外管壁、内管壁与内电极、外电极的交接处涂抹导热油脂。
本发明的热电管由多个热电偶构成。当管内部或管外部受热时，热电管内外部产生温差。受温度激发，载流子由温度高的一端向温度低的一端发射，从而获得电动势，即产生电流，完成了热能与电能之间的转化。
有益效果
(1)本发明的真空热电管较已有的热电管，结构更简单，且其接触更好，质量更为轻便，在热电管质量相同的情况下，单位面积拥有更多的热电偶，单位面积输出能效更高。
(2)本发明的真空热电管较已有的热电管，能适应更高温度的工作环境，具有广泛适应性。
附图说明
图1为本发明热电发管的结构示意图。
图2为本发明实施例1中热电管轴向剖面图；其中7为尾气管或热水管。
图3为本发明实施例1中热电元件与内、外电极连接示意图。
图4为本发明实施例2中热电元件示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
热电管的外管壁1和内管壁2为耐高温陶瓷基材料；热电管的P型元件3和N型元件4为长方形的无机热电材料；热电管的内电极5和外电极6为三维异形铝电极，其中一面为弧形，一面为平面。
热电管的外管壁1和内管壁2同轴平行排列；热电管外管壁1内层和内管壁2外层之间的中空腔体，为真空状态；将P型元件3和N型元件4沿平行于热电管轴向的方向以P-N-P-N…的方式依次焊接于异形的内电极5和外电极6上，镶嵌在真空腔体内；在内电极5、外电极6与内管壁2、外管壁1的交接处涂抹导热油脂。
本实施例的热电管轴向剖面图如图2所示，当高温气流(或高温液体)从尾气管或热水管7中流过，热量由内管壁2传递给内电极5，在P型元件3和N型元件4的一端形成高温区域，外管壁1仍处于室温条件，此端的P型元件3和N型元件4形成低温区域，从而P型和N型元件的两端形成温差，激发热电偶产生电流，完成了热能与电能之间的转化。
本实施例的热电元件与内、外电极连接示意图如图3所示，可见异形内、外电极一面为弧形，其曲率需与热电管内管壁2和外管壁1的曲率保持一致以保证良好的热接触性；一面为平面，热电元件焊接其上，接触良好。此外，在内、外电极与内、外管壁交接处涂抹的导热油脂，可提高热接触性。
对本实施例制得的真空电热管进行热电性能测试，可知其塞贝克系数可达到145μV/K，当温差70K时，其功率可达33mW。
实施例2
热电管的外管壁1和内管壁2为耐高温石英材料；热电管的P型元件3和N型元件4为扇形的有机热电材料；热电管的内电极5和外电极6为三维异形铜电极。
热电管的外管壁1和内管壁2同轴平行排列；热电管外管壁1内层和内管壁2外层之间的中空腔体，为真空状态；将P型元件3和N型元件4沿平行于热电管轴向的方向以P-N-P-N…的方式依次焊接于异形的内电极5和外电极6上，镶嵌在真空腔体内；在内电极5、外电极6与内管壁2、外管壁1的交接处涂抹导热油脂。
本实施例中的扇形热电元件如图4所示，扇形热电元件的曲率需和内外电极的曲率以及内外管壁的曲率保持一致，以保证良好的热接触和减小接触电阻，提高能效转换率。此外，在内、外电极与内、外管壁交接处涂抹的导热油脂，可提高热接触性。
对本实施例制得的真空电热管进行热电性能测试，可知其塞贝克系数可达到190μV/K，当温差70K时，其功率可达40mW。
Claims (10)
1.一种真空热电管，其特征在于：包括：内管，外管，外管壁(1)内层和内管壁(2)外层之间的真空腔体；其中P型元件(3)和N型元件(4)沿平行于热电管轴的方向交替排列在真空腔体内；P型元件(3)和N型元件(4)的一端经由内电极(5)连接，另一端通过外电极(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种真空热电管，其特征在于：所述P型元件(3)或N型元件(4)为无机热电材料、有机热电材料或无机-有机混合所得热电材料。
3.根据权利要求1所述的一种真空热电管，其特征在于：所述P型元件(3)或N型元件(4)为扇形或长方形。
4.根据权利要求1所述的一种真空热电管，其特征在于：所述P型元件(3)和N型元件(4)交替排列的方式为P-N-P-N…方式或N-P-N-P…方式。
5.根据权利要求1所述的一种真空热电管，其特征在于：所述内电极(5)或外电极(6)为导电材料。
6.根据权利要求5所述的一种真空热电管，其特征在于：所述导电材料为铝或铜。
7.根据权利要求1所述的一种真空热电管，其特征在于：所述内电极(5)或外电极(6)为二维片状材料或三维异形材料。
8.根据权利要求1所述的一种真空热电管，其特征在于：所述热电管的外管壁(1)或内管壁(2)为绝缘耐高温材料。
9.根据权利要求8所述的一种真空热电管，其特征在于：所述绝缘耐高温材料为玻璃基材料、陶瓷基材料、橡胶材料或者聚合物材料中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的一种真空热电管，其特征在于：所述外管壁(1)、内管壁(2)与内电极(5)、外电极(6)的交接处涂抹导热油脂。
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