CN205828436U - 新型半导体温差发电芯片结构 - Google Patents

Abstract

新型半导体温差芯片叠加的发电结构，包括有热源、温差发电芯片、均温体，所述热源固定在第一温差发电芯片的热端或均温体表面，在所述第一温差发电芯片的冷端或均温体表面至少固定有第二温差发电芯片；本实用新型作为一个稳定高效的温差发电模组，可以根据应用环境，改变模组的形状，不受安装空间、形状的影响，可以单独或组合运用在太阳能发电、工业余热发电、空调废热发电、空气能发电，汽车废热利用，地热等多个领域，应用领域广阔，市场前景良好。

Description

新型半导体温差发电芯片结构

技术领域

本实用新型涉及一种利用半导体温差发电芯片进行发电的装置，尤其是一种通过设置均温体，多个温差发电芯片同时叠加发电的新型温差片发电结构。

背景技术

温差发电芯片是一种利用半导体材料的petier效应和塞贝克效应，通过对P型和N型半导体材料两端通电来吸热放热或者在P型、N型半导体材料两端提供温差来发电的技术而制成的一种半导体器件。它不需要化学反应且无机械移动部分，因此具有节能环保、体积小、结构简单、无噪声、启动快等优势而被广泛应用。目前，国内的多家公司开始生产和批量市场供应，如江西纳米克热电电子股份有限公司、常山县万谷电子科技有限公司等，相关的产品已经应用在太阳能发电、工业余热发电、汽车废热利用、海洋分散热源发电等领域，并在向其他领域不断衍生扩大。

在现有技术中，已公开有用温差发电片进行发电的装置，如在公告号为CN103762904A的一种半导体温差矩阵发电装置中，包括半导体温差发电块和分别设置在该发电块两端的正温度铜块和负温度铜块，半导体温差发电块与正温度铜块、负温度铜块之间分别通过固定硅胶固定并封闭。该专利的半导体温差发电装置利用多个单个发电装置汇流进逆变系统进行发电，操作方便，解决了现有的温差半导体成本高等问题，具有导热效果好，发电效率高，使用范围宽，成本低，可根据需要调节发电功率，适合大范围推广的优点。

但是，在该专利装置中，采用螺纹连接半导体温差发电块与正温度铜块、负温度铜块，大大限制了温差发电片的体积。该结构将使温差片设计需要考虑到两侧安装面的大小，以免造成铜块体积的大幅增加。采用金属块的结构，如果多个装置连接使用，将大幅增加整个发电系统的重量，另外对使用空间也提出来较高的要求。采用密封胶固定，但是其导热系数较低，容易造成温差发电片表面与金属铜块之间的热阻，影响热传递效率。

实用新型内容

本实用新型针对上述不足，提供一种利用均温体和温差发电芯片叠加的组合应用，使多个温差发电芯片均匀受热增大总温差同时发电的新型半导体温差发电芯片结构。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：

新型半导体温差芯片叠加的发电结构，包括有热源、温差发电芯片、均温体，所述热源固定在第一温差发电芯片的热端或均温体表面，在所述第一温差发电芯片的冷端或均温体表面至少固定有第二温差发电芯片；

或所述的温差发电芯片固定在均温体表面，形成一均温温差发电芯片层，热源固定在所述均温温差发电芯片层的均温体表面，所述均温温差发电芯片层的温差发电芯片表面，对应于均温体，固定有一个及以上的均温温差发电芯片层；或热源固定在所述均温温差发电芯片层的温差发电芯片，所述均温温差发电芯片层的均温体表面，对应于温差发电芯片，固定有一个及以上的均温温差发电芯片层；

在最外侧的温差发电芯片表面或均温体表面，固定有散热装置。

所述均温温差发电芯片层的温差发电芯片为一片及以上，按照温差发电芯片间的冷端对应热端固定方式，叠加固定有多个温差发电芯片。

所述均温体为铜、热管、铝合金、相变材料、石墨烯和碳纤维中的一种金属、非金属或装置。

所述均温温差发电芯片层中最靠近热源的第一均温体形状为长方体,棱锥体,“L”字型或“U”字型结构。

所述温差发电芯片和/或均温体上设置有绝缘层，采用搪瓷或阳极氧化方式制作。

所述绝缘层上设置有线路层，采用印刷、电镀、复合或喷涂方式制作。

所述线路层至少包括有可焊接部位和电气连接分布。

所述固定方式为焊接和/或粘结固化。

所述的温差发电芯片之间的电气连接为串联和/或并联。

所述的散热装置散热方式为主动散热或被动散热。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过均温体的设置，可以快速的将热源热量均匀传递到均温体，由均温体将均匀热量传递到温差发电芯片的热端，而且可以扩大热传导面积，使更多的温差发电芯片同时均匀发电，从而提高发电效率。

通过温差发电片与均温体组成的均温发电层的多层叠加结构设置，对热量进行充分利用发电，从而进一步提高发电效率。不叠加的话大部分热量通过散热器散都大气中浪费掉了。

均温体的形状可以进行设计，例如长方体、棱锥体、“L”字型、“U”字型结构等多种结构，尤其是最靠近热源的第一均温体形状可以进行多样化设计，从而改变空间和位置分布，便于进行模块化设计。

在温差发电芯片、热源、均温体、散热器之间的连接，主要是通过粘结固化和焊接的方式进行，能够最大限度的减少传统机械接触、硅酯等产生的热阻，不仅有利于热量工作中产生的热量传递散热，更可以提高温差发电片的发电效率。

本实用新型作为一个稳定高效的温差发电模组，可以根据应用环境，改变模组的形状，不受安装空间、形状的影响，可以单独或组合运用在太阳能发电、工业余热发电、空调废热发电、空气能发电，汽车废热利用，地热等多个领域，应用领域广阔，市场前景良好。

附图说明

图1为本实用新型的一优选实施例的剖面示意图；

图2为本实用新型的另一优选实施例的剖面示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实用新型的一优选实施例，由热源1、第一温差发电芯片2、第二温差发电芯片3、第三温差发电芯片4、最外侧温差发电芯片5、散热器6等组成。其中，热源1固定在第一温差发电芯片2的热端，在第一温差发电芯片2的冷端表面至少固定有第二温差发电芯片3，在本实施例中，按照温差发电芯片间的冷端对应热端固定方式，第二温差发电芯片3的冷端固定有第三温差发电芯片4的热端，如此叠加固定有多个温差发电芯片；在最外侧的均温温差发电芯片层的温差发电芯片表面5，固定有散热器6。

热源1还可以固定在均温体表面，在温体表面固定有第二温差发电芯片2的热端，在第一温差发电芯片2的冷端至少固定有第二温差发电芯片3，第二温差发电芯片3的冷端固定有第三温差发电芯片4的热端，按照温差发电芯片间的冷端对应热端固定方式，叠加固定有多个温差发电芯片。在实际应用中，第一温差发电芯片1、第二温差发电芯片2、第三温差发电芯片3、第四温差发电芯片4等温差发电芯片数量并不限定为一片，可以为多片，而且数量也可以不尽相同。

其中通过均温体的设置，一方面可以均匀扩大热源1产生的热量分布面积，从而提高温差发电芯片在均温体上的分布，另一方面均温体可以改变热量的传递方向，引申出更多不同方向和面积的安装面，从而改变第二温差发电芯片2、第三温差发电芯片3、第四温差发电芯片4等温差发电芯片、均温体、散热装置6与热源1之间不同的空间和位置分布。

在实际使用中，温差发电芯片安装叠加后的形状可以为类似柱形、圆台形或倒圆台形等，根据不同的应用要求进行选择。

在本实施中，温差发电芯片的表面分别设置有绝缘层，采用搪瓷或阳极氧化方式制作。绝缘层上设置有线路层，采用印刷、电镀、复合或喷涂方式制作。线路层至少包括有可焊接部位和电气连接分布，温差发电芯片分别固定在可焊接部位，各个温差发电芯片之间的电气连接为串联和/或并联，使每个均温温差发电层的温差发电芯片形成电气连接为整体，根据需要，每个均温温差发电芯片层上作为单位再进行彼此的电气连接，统一输出电压和电流。

在线路层上除至少包括有可焊接部位和电气连接分布外，还可以设置有静电保护电路，整流、限压、电流控制等电路中的一种或多种，以满足不同的功能需要。

如图2所示，为本实用新型的另一优选实施例，主要由热源1、第一均温体7、第一温差发电芯片2、第二均温体8、第二温差发电芯片3、第三均温体9、第三温差发电芯片4、最外侧温差发电芯片5、第四均温体10、散热器6等组成。其中，温差发电芯片固定在均温体表面，形成一均温温差发电芯片层，例如第一温差发电芯片2固定在第一均温体7的表面，形成一均温温差发电芯片层；第二温差发电芯片3固定在第二均温体8的表面，形成一均温温差发电芯片层；第三温差发电芯片4固定在第三均温体9的表面，形成另一均温温差发电芯片层，第四温差发电芯片5固定在第四均温体10的表面，形成一均温温差发电芯片层。热源1固定在所述均温温差发电芯片层的第一均温体7表面，第一温差发电芯片2固定有第二均温体8，第二温差发电芯片3固定有第三均温体9，第三温差发电芯片4，对应于均温体，固定有一个及以上的均温温差发电芯片层，最后在固定有最外侧的均温温差发电芯片层的温差发电芯片5表面，固定有散热器6。

在实际应用中，热源1不仅可以固定在均温温发电芯片层的第一均温体7表面，还可以固定在均温温差发电芯片层的第一温差发电芯片2表面，均温温差发电芯片层的第一均温体7表面，对应于第二温差发电芯片3，固定有一个及以上的均温温差发电芯片层，散热器6还可以固定在最外侧均温温差发电芯片层的均温体表面，主要由散热器6的安装方式、安装面积大小等决定。

在热源1的另一端，固定有同样类似的上述温差发电片、均温体和散热器结构。从而实现热源1的热量能够同时传递到上下两个温差发电装置中，同时进行发电，更加高效的利用热源1的热量。在实际应用中，热源1产生热量的表面都可以安装实用新型所述的温差发电结构进行发电。

热源1是指自身物理或化学反应产生热或者是由于热传递发热的装置，常见的有如半导体发热部件、发动机、压缩机、太阳能聚热装置等等。在实际应用过程中，热源1优选采用热量多余、或者无法利用的装置，将热量转化为电能进行回收重复利用。

均温体，是指导热系数高、热阻小，受热后能够快速将热量传导和均匀分布的物体或装置，常用的为铜、热管、铝合金、相变材料、碳纤维、石墨烯等中的一种金属、非金属或装置。其中，均温温差发电芯片层中最靠近热源的第一均温体7形状为长方体、棱锥体、“L”字型、“U”字型结构等。如果需要改变温差发电芯片与热源1之间的空间位置分布，可以采用“L”字型、“U”字型结构，将原来热源1正上方平行分布的第二均温体8、第二温差发电芯片3等以及其他相连均温温差发电芯片层，改变为在热源两侧垂直方向分布，从而实现温差发电芯片、均温体、散热装置等与热源1之间不同的空间和位置分布。

均温温差发电芯片层的温差发电芯片为一片及以上，如本实施例中的第一温差发电芯片2为一片，第二温差发电芯片3为两片，第三温差发电芯片4为三片，最外侧的温差发电芯片5为四片，在实际的应用过程中，主要是根据热源1的热量大小，均温体的面积等进行综合考虑，一般来说，随着均温体面积的增加，温差发电芯片的数量也会随之增加。

在第一均温体7、第二均温体8、第三均温体9、第四均温体10等均温体上分别设置有绝缘层，采用搪瓷或阳极氧化方式制作。绝缘层上设置有线路层，采用印刷、电镀、复合或喷涂方式制作。一般来说，采用传统印刷的方式能够较好适用，尤其是在表面强度和耐久度，适合于批量化生产。线路层至少包括有可焊接部位和电气连接分布，温差发电芯片分别固定在可焊接部位，各个温差发电芯片之间的电气连接为串联和/或并联，使每个均温温差发电层的温差发电芯片形成电气连接为整体，根据需要，每个均温温差发电芯片层上作为单位再进行彼此的电气连接，统一输出电压和电流。

在线路层上除至少包括有可焊接部位和电气连接分布外，还可以设置有静电保护电路，整流、限压、电流控制等电路中的一种或多种，以满足不同的功能需要。

所述的散热装置为主动散热或被动散热。在本实施列中，散热装置为被动散热，即采用散热器6，优选采用常用的铝合金材质，由于铝合金材料具有较高导热系数，在230W/mK左右，而且金属稳定性较好，成本较低，通过铝挤压等工艺便于成型。除了本实施例的散热器6外，还可以采用热管、风扇、铝合金散热器、翅片散热器等中的一种或多种组合，以满足不同环境和散热强度要求。

在本实施例中，所述的固定方式为焊接或固化粘结，固化粘结如使用高导热水泥进行粘结。根据需要会优先考虑进行焊接，如表面由于材料难以焊接，可以在表面通过电镀、复合、喷涂等方式涂覆一金属层后再进行焊接。通过焊接的方式，其接触热阻可以大幅度的减少，有助于提高热传导效率，另一面该生产制作工艺简单，适合于批量化的大规模生产，有助于提高生产效率，减少生产成本。

以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在技术方案范围内进行的通常变化和替换都应该包括在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.新型半导体温差发电芯片结构，包括有热源、温差发电芯片、均温体，其特征在于，所述热源固定在第一温差发电芯片的热端或均温体表面，在所述第一温差发电芯片的冷端或均温体表面至少固定有第二温差发电芯片；或所述的温差发电芯片固定在均温体表面，形成一均温温差发电芯片层，热源固定在所述均温温差发电芯片层的均温体表面，所述均温温差发电芯片层的温差发电芯片表面，对应于均温体，固定有一个及以上的均温温差发电芯片层；或热源固定在所述均温温差发电芯片层的温差发电芯片，所述均温温差发电芯片层的均温体表面，对应于温差发电芯片，固定有一个及以上的均温温差发电芯片层；在最外侧的温差发电芯片表面或均温体表面，固定有散热装置。

2.根据权利要求1所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述均温温差发电芯片层的温差发电芯片为一片及以上，按照温差发电芯片间的冷端对应热端固定方式，叠加固定有多个温差发电芯片。

3.根据权利要求1所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述均温体为铜、热管、铝合金、相变材料、石墨烯和碳纤维中的一种金属、非金属或装置。

4.根据权利要求1,2或3所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述均温温差发电芯片层中最靠近热源的第一均温体形状为长方体,棱锥体,“L”字型或“U”字型结构。

5.根据权利要求4所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述温差发电芯片和/或均温体上设置有绝缘层，采用搪瓷或阳极氧化方式制作。

6.根据权利要求5所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征 在于，所述绝缘层上设置有线路层，采用印刷、电镀、复合或喷涂方式制作。

7.根据权利要求6所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述线路层至少包括有可焊接部位和电气连接分布。

8.根据权利要求7所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述固定方式为焊接和/或粘结固化。

9.根据权利要求7或8所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述的温差发电芯片之间的电气连接为串联和/或并联。

10.根据权利要求9所述新型半导体温差发电芯片结构，其特征在于，所述的散热装置散热方式为主动散热或被动散热。