CN111554796A - 一种高可靠性热电模块系统 - Google Patents

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孟祥宁
周森
朱九州
付莹
朱苗勇
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Jinzhou Fushibo New Materials Technology Co ltd
Northeastern University China
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
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Abstract

本发明提供一种高可靠性热电模块系统，涉及高可靠性热电模结构技术领域。本系统包括N个单体热电模块；单体热电模块包括半导体热电臂、铜导电片以及绝缘层；通过分析单体热电模块传热情况，建立热电模块的数学模型和物理模型，然后利用软件对热电模块的传热过程进行计算分析，得到温度场分布，接着将传热分析得到的温度场作为结构分析的“体载荷”并施加位移约束进行结构力学计算，得到单体热电模块的应力场和变形量分布。接着建立水平方向的多种热电模块组合的实体模型，利用相同的边界条件和约束情况，得到结构力学分析结果。利用多个热电模块组合的结果对比分析了解热电模块间的相互作用情况，最后通过分析结果得到最佳高可靠性热电模块结构。

Description

一种高可靠性热电模块系统
技术领域
本发明涉及高可靠性热电模结构技术领域，尤其涉及一种高可靠性热电模块系统。
背景技术
目前Π型热电模块是最常见的模块形式，以此模块形式最常见的排列方式为横向和纵向均为8对热电臂形式。热电发电技术自诞生以来，就具有其先天的优势，其固态换能的特点使热电发电技术的应用十分广泛。
热电发电技术可以制作小功率电源，在传感器和智能穿戴领域具有明显优势，传感器和穿戴装备所需电池电量很小，但是仍需要周期性的充电或更换电池。热电发电技术为此提供了解决方案，几平方毫米的热电模块即可解决电池电力问题。美日等发达国家利用人体温作为热源进行发电，采用柔性材料热电发电器，既可以保持便携电子设备具有稳定持续的电力补充，实现高续航，还可以减少电池遗弃造成的环境污染。
传统的热电模块排列其稳定性并不是最佳的，为了提升其使用寿命，对其排列方式进行相应的优化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高可靠性热电模块系统；
本发明所采取的技术方案是：
一种高可靠性热电模块系统，包括N个单体热电模块；
所述单体热电模块包括半导体热电臂、铜导电片以及绝缘层；所述半导体热电臂包括两个六面体结构的半导体热电臂，所述铜导电片为两片平行放置的铜导电片，半导体热电臂安装于所述两平行铜导电片之间，半导体热电臂间相互平行，方向与铜导电片方向垂直，所述绝缘层设于两铜导电片外侧，形成单体热电模块；
所述热电模块系统包括X方向和Y方向的N个单体热电模块连接，单体热电模块间通过焊接层连接，其中X和Y方向分别为与铜导电片平行方向和垂直方向。
热电模块系统X方向与Y方向热电臂数量为14和12，为应力最佳排列的热电模块系统；
热电模块系统X方向与Y方向热电臂数量为20和16，为应变最佳排列的热电模块系统。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明采用一种高可靠性热电模块系统，将模块X方向与Y方向热电臂数量为14和12，可以有效减小模块内产生的内应力，提高模块工作稳定性。将模块X方程和Y方向热电臂数量安置为20和16，可以减小模块受热产生形变，增加模块使用寿命。
通过改变热电模块组合中模块的横向和纵向排列数量，提供一种优化思路，应用于多种工作环境。将模块横向和纵向热电臂数量安置为20和16，可以减小模块受热产生形变，增加模块使用寿命。通过改变水平方向热电臂数量，对模块稳定性变化规律进行分析，并根据所得结论建立两组优化模块，将模块横向与纵向热电臂数量为14和12，可以有效减小模块内产生的内应力，提高模块工作稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例单体热电模块示意图；
其中1、3-导电铜片，2-半导体热电臂，5-空气间隔，6、7-绝缘层；
图2为本发明实施例中三个单体热电模块的X、Y方向排列示意图；
其中图(a)-X方向排列示意图，图(b)-Y方向排列示意图；
图3为本发明实施例应力最佳及应变最佳的热电模块系统俯视图；
其中图(a)-X方向热电臂数量14个、Y方向热电臂数量12个，图(b)-X方向热电臂数量20个、Y方向热电臂数量16个；
图4为本发明实施例热应力及热应变随热电臂数量变化结果图；
其中图(a)-热应力随热电臂数量变化结果图；图(b)-热应变随热电臂数量变化结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种高可靠性热电模块系统，包括N个单体热电模块，如图1所示；
所述单体热电模块包括半导体热电臂2、铜导电片1、3以及绝缘层6、7；所述半导体热电臂包括两个六面体结构的半导体热电臂2，所述铜导电片1、3为两片平行放置的铜导电片，半导体热电臂2安装于所述两平行铜导电片1、3之间，半导体热电臂间相互平行，方向与铜导电片方向垂直，所述绝缘6、7设于两铜导电片1、3外侧，形成单体热电模块；
所述热电模块系统包括X方向和Y方向的N个单体热电模块排列，单体热电模块间通过焊接层连接，如图2所示，图2(a)为实施例三个单体热电模块的X方向排列，图2(b)为三个单体热电模块的Y方向排列。其中X和Y方向分别为与铜导电片平行方向和垂直方向。
通过对热电模块结构进行优化，即改变热电模块在水平方向上的数量进行应力应变计算，基于计算结果，本发明提出了一种相较于传统热电模块组合更优的结构，如图3(a)、(b)所示，热电模块系统X方向与Y方向热电臂数量为14和12，为应力最佳排列的热电模块系统；热电模块系统X方向与Y方向热电臂数量为20和16，为应变最佳排列的热电模块系统。
与单体热电模块进行对比，在相同的边界条件下对单体热电模块进行应力应变分析，得到其分析结果。然后控制Y方向热电模块的数量不变，增加X方向热电模块的数量，可得到相应的应力应变分析结果。从而得到最佳X方向热电模块的排列数量，控制X方向热电模块的数量，改变Y方向热电模块的数量可得到最佳Y方向热电模块排列数量。根据传统的热电模块组合方式，在传统热电模块X方向和Y方向均为8对的基础上，本发明设置热电臂数量在6对到10对之间，然后使X方向热电臂数量为6对不变，Y方向热电模块热电臂数量由6对依次递增到10对，并得到相应的计算结果。同理可得到横向排列的结果。
本实施例单体热电模块示意图如图1所示，其中具体尺寸为热电臂为长度为1.2mm的正方体，绝缘层厚度为0.5mm、长3.6mm、宽1.2mm，铜导电片厚度为0.1mm、宽1.2mm，按图中所画结构通过焊接层将热电模块各组成部分连接在一起。热电模块各组成部分包括绝缘层，铜导电片，热电臂，其中绝缘层材料为氧化铝，铜导电片材料为铜，热电臂材料为Bi2Te3。
先通过ANSYS Workbench对单体热电模块进行应力应变分析，将其结果作为参照。然后对传统热电模块组合进行应力应变分析，得到相应的结果如图4(a)、(b)所示。在模块冷端和热端温度差为20K时，传统热电模块最大热应力为64.24MPa，最大变形量为0.252μm。从变形量角度分析，在模块热电臂数量在横向上变化时，X方向热电臂数量为15个时，模块内产生的变形量达到最大为0.121μm，随着热电臂继续增加，模块产生形变开始减小，当热电臂数量为20时型变量最小为0.111μm，故将热电模块X方向排列数量设置为热电臂数量为20个。Y方向模块热电臂数量变化时，热电模块型变量会产生波形变化，故将纵向热电臂数量设置为16个，如图3(b)所示。从应力角度分析，X方向热电臂数量从12个递增到20个时，在第14个时X方向产生的应力最小为52.93MPa，Y方向热电臂数量由12个递增到20个时，应力呈递增趋势，在Y方向热电臂数量为12个时，产生的热应力最小为53.48MPa，如图3(a)所示。
因此本发明中优化后的热电模块组合，有利于减小模块受热产生的形变，增加模块使用寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种高可靠性热电模块系统，其特征在于：包括N个单体热电模块；
所述单体热电模块包括半导体热电臂、铜导电片以及绝缘层；所述半导体热电臂包括两个六面体结构的半导体热电臂，所述铜导电片为两片平行放置的铜导电片，半导体热电臂安装于所述两平行铜导电片之间，半导体热电臂间相互平行，方向与铜导电片方向垂直，所述绝缘层设于两铜导电片外侧，形成单体热电模块；
所述热电模块系统包括X方向和Y方向的N个单体热电模块连接，单体热电模块间通过焊接层连接，其中X和Y方向分别为与铜导电片平行方向和垂直方向。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性热电模块系统，其特征在于：
所述热电模块系统包括X方向和Y方向的N个单体热电模块连接，其中热电模块系统X方向与Y方向热电臂数量为14和12，为应力最佳排列的热电模块系统；热电模块系统X方向与Y方向热电臂数量为20和16，为应变最佳排列的热电模块系统。
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