CN113257758A - 一种新型高温区热电器件集成模块 - Google Patents

一种新型高温区热电器件集成模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型高温区热电器件集成模块，集成模块包括：低温端陶瓷基板；与低温端陶瓷基板相对设置的高温端陶瓷基板，高温端陶瓷基板由若干个彼此分离的子基板组成；多个热电器件，均设于高温端陶瓷基板与低温端陶瓷基板之间；高温端集流体，其设于高温端陶瓷基板与热电器件之间；低温端集流体，其设于低温端陶瓷基板与热电器件之间；其中，热电器件的两端分别与高温端集流体及低温端集流体连接，以形成闭合电路。本发明将高温端陶瓷基板拆分成小块，保证端面平整的同时降低高温端陶瓷基板热膨胀产生的应力影响，通过将低温端陶瓷基板固定在打有安装通孔的金属基板上，将该新型高温区热电器件集成模块刚性或弹性固定在指定工作区域上。

Description

一种新型高温区热电器件集成模块
技术领域
本发明涉及热电转换器件应用领域，具体涉及一种新型高温区热电器件集成模块。
背景技术
热电转换装置具有结构简单、无噪音及运动部件、使用寿命长和维护成本低的固有优势，是一种很有前途的绿色环保，对环境无害的供电方式。理论上，热电转换能有效利用任何温差进行热能向电能的转换，而且温差越大，其转换效率和输出功率也越大。
热电器件包括P型和N型两种热电器件，一般而言，热电器件为脆性半导体，其抗剪切强度较低，很容易受到热膨胀产生的应力而断裂，因此安装时必须要使热电器件受到的力为正压力。同时，由于热电器件要求在高温和大温差甚至变化温场环境下长时间工作，需要承受热、力、电等多种外场共同作用与耦合的苛刻服役条件，器件的长效可靠性与服役性能成为制约器件工业应用的又一屏障。
高温区热电转换装置的工作温度通常为300℃～1000℃，即便在真空或惰性气体氛围下长期服役，为避免部分组成元素挥发导致其热电器件的性能下降或失效，工作人员也通常会在热电器件表面制备涂层进行防护。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型高温区热电器件集成模块，所述集成模块能够降低高温端陶瓷基板受热膨胀传递到热电器件上的应力。
为了达到上述目的，本发明提供了一种新型高温区热电器件集成模块，所述集成模块包括：低温端陶瓷基板；与所述低温端陶瓷基板相对设置的高温端陶瓷基板，所述高温端陶瓷基板由若干个彼此分离的子基板组成；多个热电器件，均设于所述高温端陶瓷基板与所述低温端陶瓷基板之间；高温端集流体，其设于所述高温端陶瓷基板与所述热电器件之间；以及，低温端集流体，其设于所述低温端陶瓷基板与所述热电器件之间；其中，所述热电器件的两端分别与高温端集流体及低温端集流体连接，以形成闭合电路。
可选的，所述集成模块还包括：金属基板，所述的低温端陶瓷基板通过该金属基板安装在待安装平台上。
可选的，所述集成模块还包括：限位螺钉，缓冲组件；金属基板开设有若干个安装通孔，限位螺钉穿过所述安装通孔固定至待安装平台上；所述限位螺钉包括：螺纹部及光滑部，所述螺纹部插入待安装平台内，至少部分光滑部暴露于待安装平台外，使得金属基板能够沿所述光滑部移动；所述待安装平台开设有若干个盲孔；所述缓冲组件包括：活塞及弹性件；所述弹性件设于所述盲孔内；所述活塞包括：安装板及从安装板向一个方向延伸的若干个突起柱；所述安装板与所述金属基板贴合；所述突起柱的端部插入所述盲孔内，与所述的弹性件抵触。
可选的，所述金属基板的制备原料选自：铜、钛、镍、不锈钢中的一种或几种。
可选的，所述弹性件为弹簧。
可选的，所述热电器件周围填充有绝热元件，所述绝热元件由绝热材料制成。
可选的，所述绝热材料选自气凝胶、高氧硅玻璃纤维、岩棉中的一种或几种。
可选的，所述热电器件的制备原料选自：碲化铅基合金、硅锗合金、方钴矿基合金、TAGS基合金中的一种或多种。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设置多个高温端陶瓷基板子基板，且子基板之间彼此分离，降低了高温端陶瓷基板受热膨胀传递到热电器件上的应力；
(2)针对本发明的新型高温区热电器件集成模块，本发明还提供了一种弹性安装固定方式，进一步缓解高温端陶瓷基板受热膨胀产生的应力。
附图说明
图1为本发明的新型高温区热电器件集成模块的结构示意图；
图2为本发明的新型高温区热电器件集成模块的剖视图；
图3为本发明的新型高温区热电器件集成模块的俯视图；
图4为本发明的新型高温区热电器件集成模块的刚性安装固定方式示意图；
图5为本发明的新型高温区热电器件集成模块的弹性安装固定方式示意图。
图中：
1-高温端陶瓷基板，2-高温端集流体，3-P型热电器件，4-N型热电器件，5-绝热元件，6-低温端集流体，7-低温端陶瓷基板，8-金属基板，9-安装通孔，10-限位螺钉，11-平台，12-金属活塞，13-弹性件。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-图3所示，本发明提供了一种新型高温区热电器件集成模块，包括：低温端陶瓷基板7；与低温端陶瓷基板7相对设置的高温端陶瓷基板1，高温端陶瓷基板1由若干个彼此分离的子基板组成，所述子基板的端面保持平整；多个热电器件，每个热电器件均设于高温端陶瓷基板1与低温端陶瓷基板7之间；高温端集流体2，其设于高温端陶瓷基板1与热电器件之间；以及，低温端集流体6，其设于低温端陶瓷基板7与热电器件之间。热电器件集成模块的一端(即高温端)接触加热端面(图中未示出)，使热电器件集成模块的两端产生温差，以将热能转换为电能。热电器件集成模块工作时，其高温端温度可达五六百摄氏度，高温端陶瓷基板1受热膨胀产生的应力传递到热电器件会对热电器件造成损伤。本发明通过设置多个独立的高温端陶瓷基板1子基板，在高温端温度不变的情况下，子基板受热膨胀产生的应力可以通过其之间的间隙释放，使得传递到热电器件上的应力较小，减少了热电器件受到的损伤。
请继续参阅图1，本发明的热电器件包括：P型热电器件3和N型热电器件4，P型热电器件3和N型热电器件4交替排列设置，并且P型热电器件3和N型热电器件4的两端分别与高温端集流体2及低温端集流体6连接。高温端集流体2/低温端集流体6上通常安装有接线柱(图中未示出)，所述接线柱与外部线缆连接，向外部供给电流或接收外部供给的电流。
请继续参阅图2，本发明的热电器件(P型热电器件3和N型热电器件4)垂直设置在高温端陶瓷基板1与低温端陶瓷基板7之间，以尽量保证热电器件受到的应力为正压力。所述热电器件由碲化铅基合金、硅锗合金、方钴矿基合金、TAGS基合金等半导体中的一种或多种制成。将热电器件连接形成闭合回路，再向热电器件两端施加不同的温度，闭合回路中将产生电势，热能转换为电能。
热电器件集成模块在高温下长期工作时，热电器件间隙处的热辐射会带来热量的损耗，并导致热电器件在同一平面上热量的不均匀分布。同时，热对流的存在也将造成一定的热量损失。而目前要对热辐射及热对流所造成的热损失进行精确的定量描述和控制尚存在较大难度。因此，通常会在热电器件的间隙处填充低热导绝缘材料，尽可能地避免器件内部由于热对流、热辐射所带来的热损失。本发明相邻热电器件周围填充有绝热元件5，以降低热电器件的热损耗，一些实施例中，所述绝热元件由气凝胶、高氧硅玻璃纤维、岩棉中的一种或几种制成。
实施例1本发明的新型高温区热电器件集成模块的安装过程
本发明的集成模块还包括：金属基板8，金属基板8与低温端陶瓷基板7固定，金属基板8开设有若干个安装通孔9，可以通过螺钉紧固于外部待安装平台上。所述金属基板8由铜、钛、镍、不锈钢中的一种或几种制成，其热传导性能较好，使低温端陶瓷基板7散热较快。
如图1-图5所示，本发明的一种新型高温区热电器件集成模块的安装过程如下：
(1)通过钎焊将热电器件、高温端集流体2、多个高温端陶瓷基板1连接；将绝热元件5填充于热电器件周围，然后将热电器件、低温端集流体6、低温端陶瓷基板7焊接；
(2)将带有安装通孔9的金属基板8焊接于低温端陶瓷基板7远离热电器件的一侧，通过螺钉紧固于任意形状的待安装平台11上。
实施例2本发明的新型高温区热电器件集成模块与待安装平台11之间的安装方式
请继续参阅图4，本实施例提供了一种新型高温区热电器件集成模块的刚性安装固定方式，即，直接将螺钉穿过安装通孔9与平台11上对应的螺纹孔，实现集成模块与待安装平台11之间的刚性连接。金属基板8需与待安装平台11及低温端陶瓷基板7完全贴合，以减少集成模块工作过程中，金属基板8-低温端陶瓷基板7连接界面处产生的应力。
其中，待安装平台11与金属基板8接触的一面可以是平面也可以是曲面。
请继续参阅图5，本实施例还提供了一种新型高温区热电器件集成模块的弹性安装固定方式，以进一步缓解高温端陶瓷基板1热膨胀产生的应力。所述集成模块还包括：限位螺钉10及缓冲组件；所述限位螺钉10穿过安装通孔9固定至待安装平台11上，限位螺钉10包括：螺纹部及光滑部，所述螺纹部插入待安装平台11内，至少部分光滑部暴露于待安装平台11外，使得金属基板8能够沿所述光滑部移动。
本发明的待安装平台11上开设有若干个盲孔，所述缓冲组件能够部分插入所述盲孔并在所述盲孔内移动，以缓解高温端陶瓷基板1热膨胀产生的应力。所述缓冲组件包括：金属活塞12及弹性件13；所述弹性件13为弹簧，其设于所述盲孔内；所述金属活塞12包括：安装板及从所述安装板向一个方向延伸的若干个突起柱；所述安装板与金属基板8贴合；所述突起柱的端部插入所述盲孔内，与所述的弹性件抵触。
本实施例的新型高温区热电器件集成模块的弹性安装固定过程如下：
(1)对待安装平台11进行打孔，将弹性件13放入制备好的盲孔中；
(2)制备与待安装平台11形状适配的金属活塞12，将金属活塞12与金属基板8固定，然后将金属活塞12插入待安装平台11的盲孔中；
(3)下压金属基板8，通过限位螺钉10将金属基板8与待安装平台11固定，然后缓慢拧松限位螺钉10，慢慢释放弹性件13，高温端陶瓷基板1向上移动，直至高温端陶瓷基板1与用于对高温端陶瓷基板1进行加热的加热端面(图中未示出)接触。
在高温端陶瓷基板1受热膨胀时，高温端陶瓷基板1对热电器件施加向下的应力，金属活塞12在待安装平台11的盲孔中向下移动，进一步缓解高温端陶瓷基板1对热电器件造成的损伤。
其中，金属活塞12的安装板为与低温端陶瓷基板7大小一致或更大的平板，使金属基板8受力均匀。
综上所述，与现有技术相比，本发明将单个高温端陶瓷基板改为多个，且高温端陶瓷基板之间彼此分离，降低了高温端陶瓷基板受热膨胀传递到热电器件上的应力；同时，针对本发明的新型高温区热电器件集成模块，本发明还提供了一种弹性安装固定方式，进一步缓解高温端陶瓷基板受热膨胀产生的应力。
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 (8)

1.一种新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述集成模块包括：
低温端陶瓷基板；
与所述低温端陶瓷基板相对设置的高温端陶瓷基板，所述高温端陶瓷基板由若干个彼此分离的子基板组成；
多个热电器件，均设于所述高温端陶瓷基板与所述低温端陶瓷基板之间；
高温端集流体，其设于所述高温端陶瓷基板与所述热电器件之间；以及，
低温端集流体，其设于所述低温端陶瓷基板与所述热电器件之间；
其中，所述热电器件的两端分别与高温端集流体及低温端集流体连接，以形成闭合电路。
2.如权利要求1所述的新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述集成模块还包括：金属基板，所述的低温端陶瓷基板通过该金属基板安装在待安装平台上。
3.如权利要求2所述的新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述集成模块还包括：限位螺钉，缓冲组件；
所述金属基板开设有若干个安装通孔，限位螺钉穿过所述安装通孔固定至待安装平台上；所述限位螺钉包括：螺纹部及光滑部，所述螺纹部插入待安装平台内，至少部分光滑部暴露于待安装平台外，使得金属基板能够沿所述光滑部移动；
所述待安装平台开设有若干个盲孔；所述缓冲组件包括：活塞及弹性件；所述弹性件设于所述盲孔内；所述活塞包括：安装板及从安装板向一个方向延伸的若干个突起柱；所述安装板与所述金属基板贴合；所述突起柱的端部插入所述盲孔内，与所述的弹性件抵触。
4.如权利要求3所述的新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述金属基板的制备原料选自：铜、钛、镍、不锈钢中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述弹性件为弹簧。
6.如权利要求1所述的新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述热电器件周围填充有绝热元件，所述绝热元件由绝热材料制成。
7.如权利要求6所述的新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述绝热材料选自气凝胶、高氧硅玻璃纤维、岩棉中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的新型高温区热电器件集成模块，其特征在于，所述热电器件的制备原料选自：碲化铅基合金、硅锗合金、方钴矿基合金、TAGS基合金中的一种或多种。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104465978A (zh) * 2014-12-13 2015-03-25 广东富信科技股份有限公司 复合热电芯片及其热端陶瓷板制造方法
JP2016181564A (ja) * 2015-03-23 2016-10-13 日立化成株式会社 熱電変換モジュール
JP2017130596A (ja) * 2016-01-22 2017-07-27 日立化成株式会社 熱電変換モジュールおよびその製造方法
CN107706296A (zh) * 2017-09-19 2018-02-16 中国科学院上海硅酸盐研究所 一体化封装结构热电器件及其制备方法
CN108097808A (zh) * 2017-12-18 2018-06-01 天津市北方高效石化设备制造有限公司 卡子板冲压模具
CN108140713A (zh) * 2015-09-28 2018-06-08 三菱综合材料株式会社 热电转换模块及热电转换装置
CN111129277A (zh) * 2019-12-27 2020-05-08 湖北赛格瑞新能源科技有限公司 一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法
CN210926060U (zh) * 2019-12-27 2020-07-03 湖北赛格瑞新能源科技有限公司 一种无基板的碲化铋基半导体热电器件
CN211562846U (zh) * 2020-01-14 2020-09-25 浙江金立达新材料科技股份有限公司 一种热电偶缓冲限位装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104465978A (zh) * 2014-12-13 2015-03-25 广东富信科技股份有限公司 复合热电芯片及其热端陶瓷板制造方法
JP2016181564A (ja) * 2015-03-23 2016-10-13 日立化成株式会社 熱電変換モジュール
CN108140713A (zh) * 2015-09-28 2018-06-08 三菱综合材料株式会社 热电转换模块及热电转换装置
JP2017130596A (ja) * 2016-01-22 2017-07-27 日立化成株式会社 熱電変換モジュールおよびその製造方法
CN107706296A (zh) * 2017-09-19 2018-02-16 中国科学院上海硅酸盐研究所 一体化封装结构热电器件及其制备方法
CN108097808A (zh) * 2017-12-18 2018-06-01 天津市北方高效石化设备制造有限公司 卡子板冲压模具
CN111129277A (zh) * 2019-12-27 2020-05-08 湖北赛格瑞新能源科技有限公司 一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法
CN210926060U (zh) * 2019-12-27 2020-07-03 湖北赛格瑞新能源科技有限公司 一种无基板的碲化铋基半导体热电器件
CN211562846U (zh) * 2020-01-14 2020-09-25 浙江金立达新材料科技股份有限公司 一种热电偶缓冲限位装置

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