CN113098327B - 一种具有低应力安装结构的热电器件及其安装固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低应力安装结构的热电器件及其安装固定方法，热电器件包含：热端固定结构、冷端固定结构、设于热端固定结构和冷端固定结构之间的热电器件本体、若干个固定件；热端固定结构包含：高温合金套筒、用于从高温合金套筒接触传热的均热块、弹性元件；均热块设于高温合金套筒的外侧；弹性元件夹持在热电器件本体的热端面和均热块之间；冷端固定结构包含：冷却块、结构外壳、与结构外壳固定连接的结构底座；固定件包含：由高温合金套筒内部穿出的预锁紧螺钉；冷却块设有与预锁紧螺钉适配的预锁紧螺纹孔；预锁紧螺钉旋入预锁紧螺纹孔实现预锁紧。本发明具有较高力学稳定性同时，能释放热膨胀应力。

Description

一种具有低应力安装结构的热电器件及其安装固定方法

技术领域

本发明涉及半导体温差发电技术领域，具体涉及一种具有低应力安装结构的热电器件及其安装固定方法。

背景技术

温差发电是指利用塞贝克效应将热能转化为电能的技术。根据热源的不同，温差发电技术在深空探测、深海发电、工业余热利用等多个领域都有重要应用。而温差发电核心的器件就是半导体热电材料，其有着无噪声、无污染、结构简单、使用寿命长及可靠性高等优点。在某些特殊条件下如长航时空间探测任务，传统太阳能发电及蓄电池储能等能源供应模式根本无法满足使用需求，而核能源产生的热则可以利用温差发电进行能源供给，因而其在特殊领域有着突出性的优势。

但是半导体热电材料因其自身的材料特点，其力学性能较差，尤其无法抵抗剪切力的影响而脆裂失效，而由于功率需求，热电器件尺寸一般不会太小否则会限制其应用范围，这就对其整体力学性能提出了更高的要求。而其在安装及整机运行过程中无法避免的会受到振动、冲击等各种外力的作用，因而提高其力学稳定性，才能为其在较大功率条件下的工程应用提供可靠保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低应力安装结构的热电器件，解决半导体热电材料力学性能较差，无法抵抗剪切力的影响而容易脆裂失效的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种具有低应力安装结构的热电器件，其包含：热端固定结构、冷端固定结构、设于所述热端固定结构和所述冷端固定结构之间的热电器件本体、若干个固定件；其中，所述热端固定结构包含：高温合金套筒、用于从所述高温合金套筒接触传热的均热块、弹性元件；所述的均热块设于所述高温合金套筒的外侧；所述的弹性元件夹持在所述热电器件本体的热端面和所述均热块之间；所述冷端固定结构包含：冷却块、结构外壳、与所述结构外壳固定连接的结构底座；所述冷却块的第一端与所述的结构外壳固定连接，所述冷却块的第二端与所述热电器件本体的冷端面固定连接；所述固定件包含：由所述高温合金套筒内部穿出的预锁紧螺钉；所述冷却块设有与所述预锁紧螺钉适配的预锁紧螺纹孔；所述预锁紧螺钉旋入所述预锁紧螺纹孔实现预锁紧；

所述热电器件的安装固定方法包括以下步骤：

S1、安装所述的高温合金套筒、均热块及弹性元件，所述冷却块与所述热电器件本体固定连接，然后压紧所述弹性元件至预定位置；

S2、由所述高温合金套筒内部穿出的预锁紧螺钉旋入所述预锁紧螺纹孔实现预锁紧；

S3，套入所述结构外壳，并固定于所述结构底座，然后松开所述预锁紧螺钉，从而使预紧力释放，并且所述冷却块在所述弹性元件的弹力作用下进一步与所述结构外壳紧贴。

优选地，所述高温合金套筒呈圆筒状，所述均热块朝向所述高温合金套筒的一面呈锥面，以紧贴所述高温合金套筒的外侧锥面。

优选地，所述冷却块的第一端设有凸出的定位条，所述结构外壳的内壁设有与所述定位条适配的定位槽。

优选地，所述结构底座设有导向条，所述冷却块的底部设有与所述导向条适配的导向槽。

优选地，所述的热电器件本体包含：热电对、陶瓷基板及固定基板；所述热电对及所述固定基板均焊接于所述陶瓷基板；所述冷却块的第二端与所述固定基板连接。

优选地，所述热电器件还包含：设于所述结构底座和所述热端固定结构之间的绝热材料层。

本发明还提供了上述的具有低应力安装结构的热电器件的安装固定方法，所述安装固定方法包括以下步骤：

S1、安装所述的高温合金套筒、均热块及弹性元件，所述冷却块与所述热电器件本体固定连接，然后压紧所述弹性元件至预定位置；

S2、由所述高温合金套筒内部穿出的预锁紧螺钉旋入所述预锁紧螺纹孔实现预锁紧；

S3，套入所述结构外壳，并固定于所述结构底座，然后松开所述预锁紧螺钉，从而使预紧力释放，并且所述冷却块在所述弹性元件的弹力作用下进一步与所述结构外壳紧贴。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、采用定位导向及工装辅助，热电器件的安装定位更加精确，同时预留一定的设计裕度，减少了加工误差及安装误差带来的应力影响。

2、热电器件冷端固定、热端弹性紧压，既大大减小了在冲击、振动等环境下热电器件所受应力，又保证了传热的效率及热膨胀应力的释放。

3、采用预锁紧的安装方式，各个方向热电器件的安装相互独立，安装过程受力方向一致均匀，具有更好的操作性及可拓展性。

附图说明

图1为本发明的具有低应力安装结构的热电器件的原理示意图。

图2为本发明的具有低应力安装结构的热电器件的截面示意图。

图3为本发明的具有低应力安装结构的热电器件的部分结构的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

图1为本发明的具有低应力安装结构的热电器件的原理示意图。热电器件包含：利用温差发电的热电器件本体。热电器件本体朝向热端的一面为热端面，朝向冷端的一面为冷端面。热电器件本体由于一面朝向热端，另一面朝向冷端，因此可以温差发电。热端是指提供热源的一端，冷端是指用于散热的一端。冷端选择易导热材料，对热端产生的热源进行散热。热量可自热端流向冷端。

图2为本发明的具有低应力安装结构的热电器件的截面示意图。图3为本发明的具有低应力安装结构的热电器件的部分结构的示意图。如图2和图3所示，本发明的热电器件包含：热端固定结构、冷端固定结构、设于热端固定结构和冷端固定结构之间的热电器件本体20、若干个固定件。

热端固定结构包含：高温合金套筒11、用于从高温合金套筒11接触传热的均热块12、弹性元件13；均热块12设于高温合金套筒11的外侧；弹性元件13夹持在热电器件本体20的热端面和均热块12之间。

冷端固定结构包含：冷却块31、位于热电器件外侧的结构外壳32、与结构外壳32固定连接的结构底座(请参阅图1)；冷却块31的第一端与结构外壳32固定连接，冷却块31的第二端与热电器件本体20的冷端面固定连接。结构外壳32呈套筒状套置在热电器件外。

固定件包含：由高温合金套筒11内部穿出的预锁紧螺钉41；冷却块31设有与预锁紧螺钉41适配的预锁紧螺纹孔；预锁紧螺钉41旋入预锁紧螺纹孔实现预锁紧。

热端固定结构起到高温承力、均热及热膨胀应力释放等作用。冷端固定结构用于冷端固定及散热。由于结构外壳32的限制，结构外壳32内部配合间隙较小，松开预锁紧螺钉41后，在弹性元件13的弹性力作用下，冷却块31紧贴结构外壳32，保证了冷端的散热性能。

热电器件的安装固定方法包括以下步骤：

S1、安装高温合金套筒11、均热块12及弹性元件13，冷却块31与热电器件本体20固定连接，然后压紧弹性元件13至预定位置；

S2、由高温合金套筒11内部穿出的预锁紧螺钉41旋入预锁紧螺纹孔实现预锁紧；

S3，套入结构外壳32，并固定于结构底座，然后再释放冷却块31上的预锁紧螺钉41，从而使预紧力释放，冷却块31与结构外壳32紧密接触传热。

结构外壳32的上下端面设置密封圈，下端与结构底座密封，上端则加盖(图中未示)密封，上下端面绝热密封。

本发明根据热电器件的材料特性及工作特点，优化热电器件的力学设计，强化其在整机中的定位及安装固定，使其长期稳定地工作，增加使用寿命及可靠性。

高温合金套筒11内部可放入同位素源，衰变产生热量。放入同位素源后，结构外壳32的上端加盖密封，确保整个装置的密封性。高温合金套筒11用于高温承力，在800℃下亦能保持良好的力学性能。

高温合金套筒11呈圆筒状。均热块12朝向高温合金套筒11的一面也呈锥面。高温合金套筒11与均热块12之间采用了锥面紧配的接触传热方式，保证了传热的高效性，同时小锥度的设计又不影响切应力的产生。

为方便安装及拆卸，一些实施例中，高温合金套筒11位于热电器件中部，热量从中心往四周散发。在高温合金套筒11外侧的多个方向上分别安装其他结构件，即一个高温合金套筒11设于热电器件的中部，均热块12、弹性元件13、热电器件本体20、冷却块31等结构件设置为多套，相同的结构件对称设置在高温合金套筒11外，形成辐射对称结构。一些优选的实施例中，高温合金套筒11外侧的8个方向上，每个方向布置一套均热块12、弹性元件13、热电器件本体20、冷却块31等结构件。

热电器件本体20包含：热电对、陶瓷基板及固定基板。热电对由热电材料切割同时焊接而成，为主要的功能对；陶瓷基板则用于焊接一个个热电对形成整个器件，同时起到绝缘导热的作用；固定基板则焊接在冷端陶瓷基板上用于安装固定。冷却块31的第二端与固定基板连接。热电器件本体20采用冷端固定、热端弹性压紧的固定方式，既保证了热电器件受力的稳定性，又保证了传热的高效性，同时能有效释放热膨胀应力。

均热块12在轴向导热系数极高而径向导热系数一般，对整个热端面起到均热效果而又不影响内部高温的建立。弹性元件13则在高温下保持一定弹性从而用于高温端热膨胀应力的释放以保护热电器件。

冷却块31用于固定热电器件本体20以利于定位拆装，热电器件本体20与冷却块31固定形成冷却组件，结构外壳32用于固定冷却组件同时进行外部散热，底座则用于安装承力及整机固定。

结构底座设有导向条33，冷却块31的底部设有与导向条33适配的导向槽。固定连接的冷却块31与热电器件本体20，利用导向条向前推进，压紧弹性元件13至预定位置。此外，冷却块31的第一端设有凸出的定位条311，结构外壳32的内壁设有与定位条311适配的定位槽321。套入结构外壳32时，定位条311与定位槽321减小了安装误差。底座设计的导向条及结构外壳32设计的定位槽321大大增加了热电器件的安装精度，减小了安装误差造成的热电器件应力增大。

固定件还包含：连接螺钉。均热块12与高温合金套筒11通过连接螺钉进行连接。冷却块31的第二端与固定基板通过螺钉42连接。冷却块31呈“凸”形，通过螺钉43固定到结构外壳32上。

实施例

先将均热块12通过螺钉拧紧至高温合同套筒11，两者之间设计为锥面紧配从而保证传热的高效性，再将弹性元件13安装至均热块12，三者形成热端固定结构；热端固定结构则通过绝热材料固定在底座上，使热电器件具备安装条件。

此时热电器件本体20冷端面的固定基板通过螺钉紧固在冷却块31上形成冷却组件。在安装时，利用工装压紧冷却块31，同时其底部的导向槽与结构底座的导向条33精密配合缓慢向前进，压紧热端弹性元件13至预定位置。然后再从高温合金套筒11内部采用预锁紧螺钉41拧紧至冷却块上螺纹孔完成预锁紧。在各个方向的结构件均完成预锁紧之后，则可套入结构外壳32并固定至结构底座，结构外壳32上的定位槽321与冷却块上的定位条311保证了匹配的准确性。此时再将预锁紧螺钉41松开从而缓慢释放应力，由于配合间隙较小，释放过程中的弹性应力主要为压应力，在弹性力作用下冷却块31紧贴结构外壳32保证了冷端的散热性能。再将冷却组件锁紧至结构外壳32使其成为一个整体，保证了热电器件在冲击、振动等条件下的力学稳定性。

本发明根据热电器件的材料特性及工作特点，采用稳定可靠的外部结构进行定位安装及紧固，最终使热电器件长期稳定地在整机中工作，具有较高力学稳定性同时，能释放热膨胀应力，满足一定的力学及寿命要求。

综上所述，本发明所提供的低应力的热电器件安装固定方法，由于定位精确、结构安装过程受力均匀稳定且便于反复拆装，可使得热电器件长期稳定工作，同时可根据实际工况较快捷地替换相关部件，增强了自身的可拓展性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种具有低应力安装结构的热电器件，其特征在于，包含：热端固定结构、冷端固定结构、设于所述热端固定结构和所述冷端固定结构之间的热电器件本体、若干个固定件；其中，

所述热端固定结构包含：高温合金套筒、用于从所述高温合金套筒接触传热的均热块、弹性元件；所述的均热块设于所述高温合金套筒的外侧；所述的弹性元件夹持在所述热电器件本体的热端面和所述均热块之间；

所述冷端固定结构包含：冷却块、结构外壳、与所述结构外壳固定连接的结构底座；所述冷却块的第一端与所述的结构外壳固定连接，所述冷却块的第二端与所述热电器件本体的冷端面固定连接；

所述固定件包含：由所述高温合金套筒内部穿出的预锁紧螺钉；所述冷却块设有与所述预锁紧螺钉适配的预锁紧螺纹孔；所述预锁紧螺钉旋入所述预锁紧螺纹孔实现预锁紧；

所述热电器件的安装固定方法包括以下步骤：

S1、安装所述的高温合金套筒、均热块及弹性元件，所述冷却块与所述热电器件本体固定连接，然后压紧所述弹性元件至预定位置；

S2、由所述高温合金套筒内部穿出的预锁紧螺钉旋入所述预锁紧螺纹孔实现预锁紧；

S3，套入所述结构外壳，并固定于所述结构底座，然后松开所述预锁紧螺钉，从而使预紧力释放，并且所述冷却块在所述弹性元件的弹力作用下进一步与所述结构外壳紧贴。

2.根据权利要求1所述的具有低应力安装结构的热电器件，其特征在于，所述高温合金套筒呈圆筒状，所述均热块朝向所述高温合金套筒的一面呈锥面，以紧贴所述高温合金套筒的外侧锥面。

3.根据权利要求1所述的具有低应力安装结构的热电器件，其特征在于，所述冷却块的第一端设有凸出的定位条，所述结构外壳的内壁设有与所述定位条适配的定位槽。

4.根据权利要求1所述的具有低应力安装结构的热电器件，其特征在于，所述结构底座设有导向条，所述冷却块的底部设有与所述导向条适配的导向槽。

5.根据权利要求1所述的具有低应力安装结构的热电器件，其特征在于，所述的热电器件本体包含：热电对、陶瓷基板及固定基板；所述热电对及所述固定基板均焊接于所述陶瓷基板；所述冷却块的第二端与所述固定基板连接。

6.根据权利要求1所述的具有低应力安装结构的热电器件，其特征在于，所述热电器件还包含：设于所述结构底座和所述热端固定结构之间的绝热材料层。

7.权利要求1至6中任意一项所述的具有低应力安装结构的热电器件的安装固定方法，其特征在于，所述安装固定方法包括以下步骤：

S1、安装所述的高温合金套筒、均热块及弹性元件，所述冷却块与所述热电器件本体固定连接，然后压紧所述弹性元件至预定位置；

S2、由所述高温合金套筒内部穿出的预锁紧螺钉旋入所述预锁紧螺纹孔实现预锁紧；

S3，套入所述结构外壳，并固定于所述结构底座，然后松开所述预锁紧螺钉，从而使预紧力释放，并且所述冷却块在所述弹性元件的弹力作 用下进一步与所述结构外壳紧贴。

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