CN203721772U

CN203721772U - 具有环形构造的热电器件

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Publication number: CN203721772U
Application number: CN201420052870.9U
Authority: CN
Inventors: 仇鹏飞; 黄向阳; 陈立东; 顾明; 史迅; 唐云山; 王超
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2024-01-27

Abstract

本实用新型的具有环形构造的热电器件，包括：沿轴向依次交替排列的多个环形的P型热电元件和N型热电元件；设置于每个所述P型热电元件与N型热电元件之间的环形的隔离层；连接于每对所述P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上的高温端电极；连接于相邻对的所述P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上的低温端电极；以及分别连接于所述热电器件两端的高温端电极或低温端电极之上的导线。通过本实用新型，可以克服传统的π形构造热电器件不适用于非平板状热源环境的限制，而且可大幅度提高该具有环形构造的热电器件的热利用率及热电转换效率。

Description

具有环形构造的热电器件

技术领域

本实用新型属于热电转换技术领域，具体地，涉及一种热电器件，特别是涉及一种具有环形构造的热电器件。

背景技术

热电发电是一种利用半导体材料塞贝克效应实现热能和电能直接转换的技术，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用、高精度温控器件、以及军用电源等高新技术领域有着广阔的应用前景。

热电器件是热电发电技术的关键。一个热电器件由多个N型和P型半导体材料制成的热电元件构成。由于单个热电元件的电压很低，所以需要将许多个N型和P型热电元件按导电串联、导热并联的方式连接起来才能获得较高的电压，从而构成真正可以使用的热电器件。

目前主要的热电器件构造为如图1（a）中所示的π形构造。如图1（a）所示，n型和p型热电元件以电串联和热并联的形式集成于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之中，因此这种构造主要适用于平板状热源的环境下。

除了这种传统的π形构造，2002年Weinberg等人提出了可以将热电器件设计成环形构造的设想（F. J. Weinberg, D. M. Rowe, and G. Min, “Novel high performance small-scale thermoelectric power generation employing regenerative combustion systems”, J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) L61-L63）。如图1（b）中所示，n型和p型环形中空热电元件交替沿柱状热源同轴排列。这种环形构造适用于非平板状热源的环境，特别是热流方向沿柱状热源的径向传输的环境。

在2007年，Gao等人根据该设想，制造出了一种具有环形构造的Bi₂Te₃热电器件（G. Min and D. M. Rowe, “Ring-structured thermoelectric module”, Semicond. Sci. Technol. 22 (2007) 880-883）。如图2所示，每对n型和p型环形中空热电元件21、22之间放置一层隔离材料23和一个铜环。其中，隔离材料23用以实现每对热电元件之间的热绝缘，而具有一定厚度的铜环作为电极用以实现每对热电元件之间电连接。其中，铜环分为两种，一种为外径与环形热电元件的外径尺寸一致的外铜环241，另一种为内径与环形热电元件的内径尺寸一致的内铜环242，这两种铜环241、242沿轴向方向依次交替排列。

在Gao等人的设计中，由于铜环241、242与热电元件21、22直接接触，没有额外的阻挡层，所以在高温下电极与热电元件之间将会出现互扩散现象，造成热电材料的损坏及其热电性能的恶化。

此外，如图2所示，在该设计中，作为电极的铜环241、242位于热电元件21、22的上下表面，而不是侧壁的曲面之上。由于实际应用中，温度梯度一般是沿着径向从环形热电元件的外侧壁向内侧壁单调增加或递减，即外侧壁与内侧壁之间的温差为最大，所以Gao等人的设计将不能完全利用环形热电元件的内外侧壁所产生的温差，因此将不利于实现高的热利用率以及高的热电转换效率。且迄今为止，除了上述Bi₂Te₃环形热电器件之外，还无其他环形热电器件的报道。

另外，方钴矿作为一种中高温区热电材料，以其优良的热电性能而获得了人们的广泛关注。使用该类材料制成的π形热电单偶，其最大热电转换效率可达到10.7%。如果进一步将方钴矿材料与低温区热电材料Bi₂Te₃制备成级联热电单偶，则可将热电转换效率进一步提升至13.5%（M. S. ElGenk, H. H. Saber, and T. Caillat, “Performance tests of skutterudites and segmented thermoelectric converters”, AIP Conf. Proc. 699 (2004) 541）。因此，方钴矿基热电器件在热电发电领域具有很大的潜力。目前，具有传统的π形构造的方钴矿基热电器件已经得到了很大的发展，但是环形的方钴矿基热电器件迄今为止还未见报道，这就使得方钴矿基热电器件在非平板状热源的环境下的应用收到了很大的限制。

由上所述，迫切需要开发一种新型的具有环形构造的热电器件，可使得该热电器件具有高的热电转换效率和长的使用寿命。

实用新型内容

鉴于以上所述，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种不同于现有构造的具有环形构造的热电器件，以克服传统的π形构造热电器件不适用于非平板状热源环境的限制，而且可大幅度提高该具有环形构造的热电器件的热利用率及热电转换效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型的具有环形构造的热电器件，包括：沿轴向依次交替排列的多个环形的P型热电元件和N型热电元件；设置于每个所述P型热电元件与N型热电元件之间的环形的隔离层；连接于每对所述P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上的高温端电极；连接于相邻对的所述P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上的低温端电极；以及分别连接于所述热电器件两端的高温端电极或低温端电极之上的导线。

根据本实用新型，沿轴向依次交替排列地设置有多个环形的P型热电元件和N型热电元件，且P型热电元件和N型热电元件的外侧壁为高温端，P型热电元件和N型热电元件的内侧壁为低温端，通过连接于每对P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上的电极形成了热电器件的高温端电极，且通过连接于相邻对的P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上的电极形成为热电器件的低温端电极。此外，通过设置于每个P型热电元件与N型热电元件之间的环形的隔离层，可以在这两种环形热电元件之间实现热绝缘。并通过分别连接于该热电器件的两端的电极上的导线，与外电路实现电连接。由此以导电串联、导热并联的方式构成了本实用新型的具有环形构造的热电器件。

且本实用新型所提供的结构中电极位于环形热电元件的内外侧壁曲面上，不同于现有的Bi₂Te₃环形热电器件中电极位于环形热电元件上下表面，因此本实用新型的结构可以最大限度地利用环形热电元件内外壁所形成的温差，实现更大的热电转换效率。

因而，本实用新型的具有环形构造的热电器件克服了传统的π形构造热电器件不适用于非平板状热源环境的限制，拓宽了热电器件的应用范围，而且可大幅度提高热电器件的热利用率及热电转换效率。

在本实用新型中，也可以是，还包括：依次设置于所述高温端电极与所述外侧壁之间的焊料层、第一增强结合层和阻挡层；以及依次设置于所述低温端电极与所述内侧壁之间的焊锡层和第二增强结合层。

根据本实用新型，通过该设置于高温端电极与外侧壁之间的焊料层与第一增强结合层，可将高温端电极与P/N型热电元件结合在一起；且通过设置阻挡层，可以阻挡热电元件与高温端电极之间的反应扩散。另外，通过设置于低温端电极与内侧壁之间的焊锡层与第二增强结合层，可将低温端电极与P/N型热电元件结合在一起。

在本实用新型中，也可以是，所述P型热电元件和N型热电元件为方钴矿基热电元件。

根据本实用新型，以作为一种中高温区热电材料且具有优良的热电性能的方钴矿制成热电器件的P型热电元件和N型热电元件，可大幅度提升热电器件的热电转换效率。

在本实用新型中，也可以是，各所述P型热电元件和N型热电元件的厚度为1～5mm。

根据本实用新型，P型热电元件和N型热电元件的厚度为1～5mm，既可以使得热电元件具有一定的厚度以保证其具有足够的力学强度，又可以防止热电元件过厚而导致整体器件的热电转换效率的下降，特别是输出功率与热电器件重量比值的降低。

在本实用新型中，也可以是，所述隔离层的厚度为0.5～5mm。

根据本实用新型，隔离层的厚度为0.5～5mm，既可以具有一定的厚度起到有效隔离相邻环形热电元件之间的热传导和电传导的作用，又可以避免隔离层太厚而带来的器件整体体积的不必要的增加以及热量利用效率的降低。

在本实用新型中，也可以是，所述P型热电元件、N型热电元件和隔离层三者的外径与内径尺寸均相同，其中内径尺寸为5～20mm，外径尺寸为10～50mm。

根据本实用新型，上述尺寸设计的优点是，既可以充分利用热源与冷源以形成热电器件所需的温差，又可以防止热电元件侧壁太厚而导致整体器件的热电转换效率的下降，特别是输出功率与热电器件重量比值的降低。。

在本实用新型中，也可以是，所述高温端电极与低温端电极均为弧形的金属薄片，其中所述高温端电极的内弧直径与所述P型热电元件和N型热电元件的外径相同，所述低温端电极的外弧直径与所述P型热电元件和N型热电元件的内径相同。

根据本实用新型，可将高温端电极有效地配设在P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上，且也可将低温端电极有效地配设在P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上，由此可实现各电极与热电元件之间的良好电接触和热接触。

在本实用新型中，也可以是，每对所述P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上沿周向设有一段或多段所述高温端电极，每段所述高温端电极的内圆弧的长度为所述外侧壁的周长的1/18～1/2，所有所述高温端电极的内圆弧的总长度为所述外侧壁的周长的1/8～3/4，且每段所述高温端电极之间不接触。

根据本实用新型，上述高温端电极的内圆弧的长度设计的优点是，既可以具有一定的长度以保证热电材料与电极之间形成良好的热传导和电传导，又可以避免长度太长而导致的由于高温端电极与热电元件之间热膨胀系数失配而带来的热应力的大幅度增加，以及由此所引起的对热电器件造成的损坏。

在本实用新型中，也可以是，每对所述P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上沿周向设有一段或多段所述低温端电极，每段所述低温端电极的外圆弧的长度为所述内侧壁的周长的1/18～1/2，所有所述低温端电极的外圆弧的总长度为所述内侧壁的周长的1/8～3/4，且每段所述低温端电极之间不接触。

根据本实用新型，上述低温端电极的外圆弧的长度设计的优点是，既可以具有一定的长度以保证热电材料与电极之间形成良好的热传导和电传导，又可以避免长度太长而导致的由于低温端电极与热电元件之间热膨胀系数失配而带来的热应力的大幅度增加，以及由此所引起的对热电器件造成的损坏。

在本实用新型中，也可以是，各所述高温端电极与低温端电极的厚度为0.1～2mm。

根据本实用新型，各高温端电极与低温端电极的厚度为0.1～2mm，既可以具有一定的厚度以保证高的力学强度，又可以防止金属连接层过厚而产生的额外的热损失和因此而增加的不必要的成本。

本实用新型可包含权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合。尤其是，本实用新型包含权利要求书的各项权利要求的两个以上的任意组合。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1（a）示出了现有技术中的π形构造的热电器件；

图1（b）示出了现有技术中的环形构造的热电器件；

图2示出了现有的Bi₂Te₃基环形热电器件的结构示意图；

图3为示意性地示出根据本实用新型的一实施形态的具有环形构造的热电器件的结构的立体图；

图4（a）示出了图3所示的热电器件的热电元件的截面图；

图4（b）示出了图3所示的热电器件的隔离层的截面图。

具体实施方式

以下结合附图及优选实施形态详细说明本实用新型的具有环形构造的热电器件。图3为示意性地示出根据本实用新型的一实施形态的具有环形构造的热电器件的结构的立体图；而图4（a）示出了图3所示的热电器件的热电元件的截面图，图4（b）示出了图3所示的热电器件的隔离层的截面图。

如图3、图4（a）和图4（b）所示，本实用新型的具有环形构造的热电器件，包括沿轴向依次交替排列的多个环形的P型热电元件4和N型热电元件5。在每个P型热电元件4与N型热电元件5之间设置有环形的隔离层3，以在这两种环形热电元件之间实现热绝缘。该热电器件还包括连接于每对P型热电元件4和N型热电元件5的外侧壁上的高温端电极1和连接于相邻对的P型热电元件4和N型热电元件5的内侧壁上的低温端电极2.。且在该热电器件的两端的高温端电极或低温端电极之上分别连接有导线6，以与外电路实现电连接。

由此以导电串联、导热并联的方式构成了本实用新型的具有环形构造的热电器件。通过将该热电器件整体放置于高温环境下，并在其轴向的中心孔洞中通冷却液体，即可在该环形热电器件的外侧壁与内侧壁之间形成温度梯度，并产生温差电动势，从而将热能转变为电能。

由于本实用新型所提供的结构中电极1、2位于环形热电元件4、5的内外侧壁曲面上，不同于现有的Bi₂Te₃环形热电器件中电极位于环形热电元件上下表面，因此本实用新型的结构可以最大限度地利用环形热电元件内外壁所形成的温差，实现更大的热电转换效率。

在本实用新型的一实施形态中，上述P型热电元件4和N型热电元件5可以是具有优良的热电性能的方钴矿基热电元件。优选地，方钴矿材料可以为填充方钴矿、掺杂方钴矿，和掺杂的填充方钴矿等。由此，可大幅度提升热电器件的热电转换效率。且各P型热电元件和N型热电元件的厚度可以为1～5mm。

另外，上述隔离层3的厚度可为0.5～5mm。优选地，该隔离层3的材料具有极低的热导率和电导率，以有利于在两种环形热电元件之间实现热绝缘。例如，该隔离层3的材料可以为环形的白云母片。

且上述P型热电元件4、N型热电元件5和隔离层3三者的外径与内径尺寸均相同，其中内径尺寸可为5～20mm，外径尺寸可为10～50mm。

此外，高温端电极1与低温端电极2均由导电性优良的金属材料制备而成，其可使用烧结或焊接的方法制备于环形热电元件的内外侧壁之上。具体地，各高温端电极1与低温端电极2均为弧形的金属薄片，其中高温端电极1的内弧直径与P型热电元件4和N型热电元件5的外径相同，而低温端电极2的外弧直径与P型热电元件4和N型热电元件5的内径相同，由此可实现各电极1、2与热电元件4、5之间的良好电接触和热接触。且各高温端电极1与低温端电极2的厚度可为0.1～2mm。

更具体地，每对P型热电元件4和N型热电元件5的外侧壁上沿周向可设有一段或多段高温端电极1（在图3和图4（a）所示的实施形态中为两段），每段高温端电极1的内圆弧的长度可为P型热电元件4和N型热电元件5的外侧壁的周长的1/18～1/2，所有高温端电极1的内圆弧的总长度为该外侧壁的周长的1/8～3/4，且每段高温端电极1之间不接触，而留有一定的空隙，从而可以减少由于高温端电极1与热电元件4、5之间热膨胀系数失配而带来的热应力，以降低对热电器件造成的损坏，进而延长热电器件的服役时间。

相应地，每对P型热电元件4和N型热电元件5的内侧壁上沿周向可设有一段或多段低温端电极2，每段低温端电极2的外圆弧的长度为P型热电元件4和N型热电元件5的内侧壁的周长的1/18～1/2，所有低温端电极2的外圆弧的总长度为该内侧壁的周长的1/8～3/4，且每段低温端电极2之间不接触，而留有一定的空隙，从而可以减少由于低温端电极2与热电元件4、5之间热膨胀系数失配而带来的热应力，以降低对热电器件造成的损坏，进而延长热电器件的服役时间。

另外，在本实用新型的一实施形态中，该热电器件还可包括依次设置于高温端电极1与P型热电元件4和N型热电元件5的外侧壁之间的焊料层、第一增强结合层7和阻挡层8。通过该焊料层与第一增强结合层7，可将高温端电极1与P/N型热电元件4、5结合在一起。且通过设置阻挡层8，可以阻挡热电元件4、5与高温端电极1之间的反应扩散。

具体地，该阻挡层8可以使用电镀、磁控溅射、等离子喷涂的方法沉积在热电元件4、5的外侧壁上。由此，在服役温度下，该阻挡层8与高温端电极1和热电元件4、5之间均反应非常缓慢甚至无反应发生，从而可以避免高温下高端端电极1与热电元件4、5之间的互扩散现象的发生，进而使得热电器件具有更长的服役时间。优选地，阻挡层8可以为Ti层或Ti基合金层，厚度可为10～100μm。

此外，该热电器件还可包括依次设置于低温端电极2与P型热电元件4和N型热电元件5的内侧壁之间的焊锡层和第二增强结合层9。通过该焊锡层与第二增强结合层9，可将低温端电极2与P/N型热电元件4、5结合在一起。

以下更具体地说明根据本实用新型的具有环形构造的热电器件的一实施例。

实施例

在本实施例的热电器件中，P型热电元件4选用CeFe₃Co₁Sb₁₂，N型热电元件5选用Yb_0.3Co₄Sb₁₂。该P/N型环形热电元件的外侧壁为高温端，内侧壁为低温端。

在高温端电极1与P/N型环形热电元件4、5之间依次有焊料层和第一增强结合层7与阻挡层8，其中焊料层8与第一增强结合层7用于将高温端电极1与P/N型环形热电元件4、5结合在一起，阻挡层8用以阻止高温端电极1与热电材料之间在服役条件下的互扩散。

而在低温端电极2与P/N型环形热电元件4、5之间依次有焊锡层和第二增强结合层9，其中焊锡层和第二增强结合层9用于将低温端电极2与P/N型环形热电元件4、5结合在一起。

使用环形白云母片作为隔离层3，被放置于P型环形热电元件4和N型环形热电元件5之间，用以在两种环形热电元件之间实现热绝缘。

且在该环形热电器件两端的电极（在本实施例中为环形热电器件两端的高温端电极）上，引出导线6，与外电路实现电连接。这样构成了导电串联、导热并联的具有环形构造的方钴矿基热电发电器件。

本实施例中的P/N型环形方钴矿基热电元件4、5与作为环形隔离层的白云母片3的内径均为8mm，外径均为15mm，厚度均为2.5mm。

在本实施例中，阻挡层8选用Ti，厚度为10μm，通过磁控溅射直接沉积于环形热电元件4、5的外侧壁上。

高温端电极1选用Mo₅₀Cu₅₀合金，厚度为0.5mm，共两段，每段的弧长为环形热电元件4、5的外圈周长的1/4。高温端电极1与阻挡层8之间通过焊料层与第一增强结合层7相连接。焊料层选用Ag-Cu焊片，厚度为0.1mm，其中Ag元素的质量百分含量为60%，其余为Cu及少量不可避免的杂质Zn或Bi。第一增强结合层选用Ni，厚度为10μm，通过电镀的方法沉积于阻挡层8之上。

低温端电极2选用Mo₅₀Cu₅₀合金，厚度为0.5mm，共两段，每段的弧长为环形热电元件4、5的内圈周长的1/4。低温端电极2与环形热电元件4、5的内侧壁通过焊锡层与第二增强结合层9连接。其中第二增强结合层选用Ni，厚度为10μm，通过电镀的方法直接沉积于环形热电元件4、5的内侧壁之上；焊锡层选用Sn-Pb焊料，其中Sn元素的质量百分含量为40%，其与为Pb以及少量不可避免的杂质Zn或Ag。

在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims

1.一种具有环形构造的热电器件，其特征在于，包括：

沿轴向依次交替排列的多个环形的P型热电元件和N型热电元件；

设置于每个所述P型热电元件与N型热电元件之间的环形的隔离层；

连接于每对所述P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上的高温端电极；

连接于相邻对的所述P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上的低温端电极；以及

分别连接于所述热电器件两端的高温端电极或低温端电极上的导线。

2.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，还包括：

依次设置于所述高温端电极与所述外侧壁之间的焊料层、第一增强结合层和阻挡层；以及

依次设置于所述低温端电极与所述内侧壁之间的焊锡层和第二增强结合层。

3.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，所述P型热电元件和N型热电元件为方钴矿基热电元件。

4.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，各所述P型热电元件和N型热电元件的厚度为1～5mm。

5.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，所述隔离层的厚度为0.5～5mm。

6.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，所述P型热电元件、N型热电元件和隔离层三者的外径与内径尺寸均相同，其中内径尺寸为5～20mm，外径尺寸为10～50mm。

7.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，所述高温端电极与低温端电极均为弧形的金属薄片，其中所述高温端电极的内弧直径与所述P型热电元件和N型热电元件的外径相同，所述低温端电极的外弧直径与所述P型热电元件和N型热电元件的内径相同。

8.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，每对所述P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上沿周向设有一段或多段所述高温端电极，每段所述高温端电极的内圆弧的长度为所述外侧壁的周长的1/18～1/2，所有所述高温端电极的内圆弧的总长度为所述外侧壁的周长的1/8～3/4，且每段所述高温端电极之间不接触。

9.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，每对所述P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上沿周向设有一段或多段所述低温端电极，每段所述低温端电极的外圆弧的长度为所述内侧壁的周长的1/18～1/2，所有所述低温端电极的外圆弧的总长度为所述内侧壁的周长的1/8～3/4，且每段所述低温端电极之间不接触。

10.根据权利要求1所述的热电器件，其特征在于，各所述高温端电极与低温端电极的厚度为0.1～2mm。