CN209592085U - 一种热电器件的制备系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种热电器件的制备系统，包括：第一、第二超音速喷涂设备，分别用于将第一焊料喷涂在封装环的热端面、热端基板的电极区域和密封面，分别以形成第一、第二、第三焊料层；第四超音速喷涂设备，用于将热电臂材料喷涂在第二焊料层以形成热电臂；第一热压装置，用于将第一、第三焊料层紧压接触完成热端封装；第五第六超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在热电臂和封装环的冷端面、冷端基板的电极区域和密封面，分别以形成第四、第五、第六、第七焊料层；第二热压装置，用于将第四、第六焊料层紧压接触，将第五、第七焊料层紧压接触，完成冷端封装。本系统基于超音速喷涂方式制备热电器件，可生成变截面和多种材料制作的热电臂。
Description
技术领域
本实用新型涉及热电技术领域，特别涉及一种热电器件的制备系统。
背景技术
热电材料是一种能够在热能和电能直接转换的功能材料。由于应用时不需要传动部件，因而具有无噪音、无排弃物、寿命长等特点，是一种具有广泛应用前景的环保功能材料。热电材料在固体制冷、工业废热发电、汽车废热发电、太阳能高效热电-光电复合发电和微小温差发电技术等新能源技术领域有着广泛的应用。但是，由于转化效率低和成本较高等问题，热电材料的应用市场化受到了限制。
为了能应用热电技术，提高转换效率，人们通过计算机模拟技术研究设计了各种形状的热电臂，结果表明，在其他情况相同时，如图1所示的梯形热电臂具有最高的转换效率。传统技术制备器件时，陶瓷板被用做绝缘材料，并在其上用陶瓷金属化技术按设计图形制备图形化电极材料(如铜)；预先制备好的热电材料块材，经切割、精磨成符合设计需要的长方体状小颗粒(热电臂)，用钎焊的方法将其与陶瓷板上的图形化电极连接起来，形成串联通路。然而传统制备技术不仅存在制备工艺复杂、成本高的缺点，而且难以制成图1所示的边截面或异形的热电臂，或者是分段式热电臂。
实用新型内容
本实用新型的目的在于改善现有技术中所存在的上述不足，提供一种热电器件的制备系统，不仅可以制备异形或非异形，一段或多段式热电臂，而且还可以提高转换效率。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例提供了以下两种技术方案：
方案一：一种热电器件的制备系统，包括：
第一超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在封装环的已金属化的热端面，以形成所需厚度的第一焊料层；
第二超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在热端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第二焊料层、第三焊料层；
第四超音速喷涂设备，用于将热电臂材料喷涂在所述第二焊料层的指定区域，以形成所需厚度和形状的热电臂；
第一热压装置，用于将第一焊料层和第三焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第一焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成热端封装；
第五超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在所述热电臂和封装环的已金属化的冷端面，分别以形成所需厚度的第四焊料层、第五焊料层；
第六超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在冷端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第六焊料层、第七焊料层；
第二热压装置，用于将第四焊料层和第六焊料层紧压接触，将第五焊料层和第七焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第二焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成冷端封装。
方案二：一种热电器件的制备系统，包括：
第一超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在封装环的已金属化的热端面，以形成所需厚度的第一焊料层；
第二超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在热端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第二焊料层、第三焊料层；
第三超音速喷涂设备，用于将第一接触材料喷涂在所述第二焊料层，以形成所需厚度的第一接触材料层；
第四超音速喷涂设备，用于将热电臂材料喷涂在所述第一接触材料层的指定区域，以形成所需厚度和形状的热电臂；
第一热压装置，用于将第一焊料层和第三焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第一焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成热端封装；
第八超音速喷涂设备，用于将第二接触材料喷涂在所述热电臂，以形成所需厚度的第二接触材料层；
第五超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在所述第二接触材料层和封装环的已金属化的冷端面，分别以形成所需厚度的第四焊料层、第五焊料层；
第六超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在冷端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第六焊料层、第七焊料层；
第二热压装置，用于将第四焊料层和第六焊料层紧压接触，将第五焊料层和第七焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第二焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成冷端封装。
与现有技术相比，本实用新型热电器件的制备系统，采用超音速喷涂设备进行喷涂制备热电器件，固态粉末被直接喷涂在相应位置，避免了材料氧化，可以解决例如等离子喷涂技术所存在的材料易氧化的问题；由于固态超音速冷喷涂或热喷涂技术制备的涂层精度可达0.02mm，从而使批量生产分段或梯度热电器件成为可能；基于本系统，可以制备热电臂分段多至100段以上的块状或柱状热电器件，充分利用现有热电材料性能，提高能量转换效率；基于本系统，可制备各种异型截面热电臂，提高发电效率；基于本系统，采用陶瓷密封环和焊接方法进行封装，器件可在更高温度下保证密封工作；相比于传统工艺，大大简化了工艺，降低了成本，提高了生产率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为一种热电器件的结构示意图。
图2为本实用新型实施例1提供的制备图1所示热电器件的制备系统的结构示意图。
图3为本实用新型实施例2提供的热电器件的制备系统的示意图。
图4为几种异型截面热电臂的截面示意图。
图中标记
冷端基板1；图形化电极2；第六焊料层3；第二接触材料层4；第二焊料层5；第一接触材料层6；冷端基板的已金属化的密封面7；封装环的已金属化的冷端面8；封装环9；p型分段热电臂10；n型分段热电臂11；引出电极12；热端基板13；第一超音速喷涂设备21；第二超音速喷涂设备22；第三超音速喷涂设备23；第四超音速喷涂设备24；第五超音速喷涂设备25；第六超音速喷涂设备26；第八超音速喷涂设备28；第一热压装置31；第二热压装置32。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
请参阅图2，本实施例中示意性地提供了一种热电器件的制备系统，包括第一至第八超音速喷涂设备和两个热压装置，八个超音速喷涂设备和两个热压装置，再配合适当的掩膜板，制备图1所示的热电器件。
具体的，第一超音速喷涂设备21用于将第一焊料喷涂在封装环的已金属化的热端面，以形成所需厚度的第一焊料层。
在具体实施时，若封装环的热端面(或后面所述的封装环的冷端面，热端基板的密封面，冷端基板的密封面，基板的电极区域)未进行金属化处理，那么在喷涂形成第一焊料层之前，先要对相应区域进行金属化处理，即，通过第七超音速喷涂设备，将金属粉末(例如铜粉)按照设定速度喷涂在封装环的热端面(或封装环的冷端面、热端基板的密封面、冷端基板的密封面、基板的电极区域)，以实现金属化和图形化电极。仅作为举例，第七超音速喷涂设备在喷涂金属粉末实现金属化处理时，需要满足的要求如下：
| 参数名称 | 参数值 | 单位 |
| 喷涂粉粒温度 | 800 | K |
| 喷涂粉粒运动速度 | 700 | m/s |
| 送粉率 | 70 | g/min |
若针对于已进行金属化处理的封装环或基板，则无需通过第七超音速喷涂设备进行金属化操作。
在更优化的实施方案中，还可以利用预处理装置对已金属化的密封面、图形化电极进行粗化及清洁处理，以消除例如氧化层、油污等。
第一焊料的选取需要考虑制备的热电器件的工作温度，例如第一焊料的熔化温度至少要高于热电器件最高工作温度30℃以上，以保障焊接的牢靠性。第一焊料可在但不限于银铜合金的材料中进行选择。第一焊料层的厚度按需设计，范围为0.1～1mm，即是说，第一超音速喷涂设备为可通过控制喷涂时间、喷涂速度而实现喷涂厚度为0.1～1mm的超音速喷涂设备。
其中，第二超音速喷涂设备22用于将第一焊料喷涂在热端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第二焊料层、第三焊料层。图形化电极的指定区域就是指与热电臂对应的区域，即需要在该区域形成热电臂。基板可选用陶瓷基板，例如导热较好的绝缘氧化锌陶瓷基板，厚度例如可以是0.5mm。
由于仅需要在陶瓷基板的部分区域喷涂第一焊料以形成第二焊料层、第三焊料层，因此，为了便于操作，提高喷涂效率，此处可借助掩膜板进行喷涂。即，先用掩膜板覆盖陶瓷热端基板，露出需喷涂第一的部位，遮挡无需喷涂第一焊料的部位，再在粉料桶中装入第一焊料粉末，然后启动喷嘴进行喷涂，并通过控制喷涂时间、喷涂速度以控制喷涂层厚度。
其中，第三超音速喷涂设备23安装于第二超音速喷涂设备的下游，在第二超音速喷涂设备工作完成后才启用。第三超音速喷涂设备用于将第一接触材料喷涂在所述第二焊料层，以形成所需厚度的第一接触材料层。
根据所选用n型、p型热电臂材料，可能需要在第二焊料层与热电材料之间喷涂零至数层恰当的接触材料层以降低接触电阻、阻挡离子迁移。第一接触材料可以是但不限于镍或镍合金。
n型热电臂、p型热电臂分别可以采用相同或不同的接触材料。当n型热电臂、p型热电臂采用相同的接触材料时，即第一接触材料为一种时，第三超音速喷涂设备为可实现喷涂一种接触材料的超音速喷涂设备。当n型热电臂、p型热电臂需采用不同接触材料时，即第一接触材料为两种时，第三超音速喷涂设备为可实现分次喷涂两种接触材料的超音速喷涂设备，一次喷涂一种接触材料，且喷涂时需要分别进行喷涂。由于仅需要在第二焊料层喷涂接触材料，因此为了便于操作，可以借助掩膜板。例如，如图1所示，可先更换掩膜板以仅露出n型热电臂对应位置，装入n型热电臂需要的接触材料粉末，喷涂以制备n型热电臂所需接触材料；然后，再更换掩膜板以仅露出p型热电臂对应位置，装入需要的接触材料粉末，喷涂以制备p型热电臂所需接触材料。
容易理解的，当不需要接触层以降低接触电阻、阻挡离子迁移时，则不需要第三超音速喷涂设备。
其中，第四超音速喷涂设备24安装于第三超音速喷涂设备的下游，在第三超音速喷涂设备工作完成后才启用。第四超音速喷涂设备用于将热电臂材料喷涂在所述第一接触材料层的指定区域，以形成所需厚度和形状的热电臂。
n型或p型热电臂分别可以由一种材料形成，也可以是由多种材料形成的分段式结构，针对于不同的情况，对第四超音速喷涂设定的结构有不同的要求。另外，热电臂的形状可以是规则的，也可以是不规则的，如图4所示，因此，此处可以借助相应形状的掩膜板来形成热电臂。
例如，当n型和p型热电臂均只由一种材料构成时，第四超音速喷涂设备为可实现喷涂一种热电臂材料的超音速喷涂设备。由于n型和p型热电臂所需材料不同，此时可采用两个第四超音速喷涂设备，或者采用更换粉料桶，或同一粉料桶更换不同粉料的方式，分别形成n型热电臂和p型热电臂。利用相应形状的掩膜板以仅露出n型热电臂位置，装入需要的n型热电材料粉末，喷涂以制备符合设计尺寸(即厚度)的n型热电臂；然后，再更换相应形状的(若n型和p型热电臂的形状相同则无需更换)掩膜板以仅露出p型热电臂位置，装入需要的p型热电材料粉末，喷涂以制备符合设计尺寸的p型热电臂。
当n型或p型热电臂分别由多种材料分段构成时，第四超音速喷涂设备为可实现分次喷涂多种热电臂材料的超音速喷涂设备，以形成由多种热电臂材料分段构成的热电臂，或者是可同时喷涂多种材料且可通过控制各种材料的喷射高度来实现形成热电臂的分段式结构的超音速喷涂设备。如图1所示，n型或p型热电臂分别由两种材料分段构成，且整个n型或p型热电臂为梯形结构。可在喷涂中对各段热电臂材料逐层喷涂以制备分段热电臂。热电臂的各分段热电材料间，可能需要喷涂接触材料以降低接触电阻。此时，可在各层热电材料喷涂中间插入所需接触材料喷涂流程。
当n型或p型热电臂为图1所示之变截面热电臂时，需在喷涂n型热电臂或p型热电臂的过程中，逐次更换漏孔面积越来越小的掩膜板，控制各次喷涂时间，喷涂以得到可变截面热电臂。
其中，第一热压装置31用于将第一焊料层和第三焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第一焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成热端封装。
其中，第八超音速喷涂设备28安装于第四超音速喷涂设备的下游，在第四超音速喷涂设备完成工作后才启用。第八超音速喷涂设备用于将第二接触材料分别喷涂在n型和p型热电臂，以形成所需厚度的第二接触材料层。第二接触材料选择导电性好，且熔化温度至少高于冷端预期工作温度30℃以上的焊接材料。喷涂层厚度根据需要涉及，可以是0.1～0.5mm。
其中，第五超音速喷涂设备25安装于第八超音速喷涂设备的下游，在第八超音速喷涂设备完成工作后才启用。第五超音速喷涂设备用于将第二焊料分别喷涂在所述第二接触材料层和封装环的已金属化的冷端面，分别以形成所需厚度的第四焊料层、第五焊料层。根据需要，可以实现第四焊料层、第五焊料层在同一平面。
其中，第六超音速喷涂设备26用于将第二焊料分别喷涂在冷端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第六焊料层、第七焊料层；
其中，第二热压装置32用于将第四焊料层和第六焊料层紧压接触，将第五焊料层和第七焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第二焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成冷端封装。
上述热电器件的制备系统中，“第一”“第二”等仅是用于区分，不用于明示或暗示设备之间的优先级或重要性。上述系统中，第一至第八超音速喷涂设备(或第一第二热压装置)，分别表示不同工序所需的设备，在具体实现时，可以采用相同结构的设备，也可以根据需求采用不同结构的设备，可以是分别独立的设备，甚至也可以是同一设备可完成多项操作，具体可根据设备成本、安装空间等因素来确定。超音速喷涂设备和热压装置均可直接从市面上购买。
上述热电器件的制备系统，采用超音速喷涂设备进行喷涂制备热电器件，固态粉末被直接喷涂在相应位置，避免了材料氧化；由于固态超音速冷喷涂或热喷涂技术制备的涂层精度可达0.02mm，从而使批量生产分段或梯度热电器件成为可能；基于本系统，可以制备热电臂分段多至100段以上的热电器件，充分利用现有热电材料性能，提高能量转换效率；基于本系统，可制备各种异型截面热电臂，提高发电效率；基于本系统，采用陶瓷密封环和焊接方法进行封装，器件可在更高温度下保证密封工作；相比于传统工艺，大大简化了工艺，降低了成本，提高了生产率。
实施例2
请参阅3，本实施例中提供了另一种结构的热电器件的制备系统，与实施例1中所述系统相比，省掉了第三超音速喷涂设备和第八超音速喷涂设备，适用于无需通过接触层以降低接触电阻、阻挡离子迁移的情况。
具体地，本实施例中热电器件的制备系统中，包括以下设备：
第一超音速喷涂设备21，用于将第一焊料喷涂在封装环的已金属化的热端面，以形成所需厚度的第一焊料层；
第二超音速喷涂设备22，用于将第一焊料喷涂在热端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第二焊料层、第三焊料层；
第四超音速喷涂设备24，用于将热电臂材料喷涂在所述第二焊料层的指定区域，以形成所需厚度和形状的热电臂；
第一热压装置31，用于将第一焊料层和第三焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第一焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成热端封装；
第五超音速喷涂设备25，用于将第二焊料分别喷涂在所述热电臂和封装环的已金属化的冷端面，分别以形成所需厚度的第四焊料层、第五焊料层；
第六超音速喷涂设备26，用于将第二焊料分别喷涂在冷端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第六焊料层、第七焊料层；
第二热压装置32，用于将第四焊料层和第六焊料层紧压接触，将第五焊料层和第七焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第二焊料至其熔点，焊接后可冷却至室温，完成冷端封装。
本实施例中，对于各个设备的具体结构或情况没有描述之处，还请参见实施例1中相应描述。
图2和图3中的箭头不表示两者之间有直接或间接的连接关系，而是表示下一工序的方向。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热电器件的制备系统，其特征在于，包括：
第一超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在封装环的已金属化的热端面，以形成所需厚度的第一焊料层；
第二超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在热端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第二焊料层、第三焊料层；
第四超音速喷涂设备，用于将热电臂材料喷涂在所述第二焊料层的指定区域，以形成所需厚度和形状的热电臂；
第一热压装置，用于将第一焊料层和第三焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第一焊料至其熔点，焊接后冷却至室温，完成热端封装；
第五超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在所述热电臂和封装环的已金属化的冷端面，分别以形成所需厚度的第四焊料层、第五焊料层；
第六超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在冷端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第六焊料层、第七焊料层；
第二热压装置，用于将第四焊料层和第六焊料层紧压接触，将第五焊料层和第七焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第二焊料至其熔点，焊接后冷却至室温，完成冷端封装。
2.根据权利要求1所述的热电器件的制备系统，其特征在于，所述第四超音速喷涂设备为可实现喷涂一种热电臂材料的超音速喷涂设备。
3.根据权利要求1所述的热电器件的制备系统，其特征在于，所述第四超音速喷涂设备为可实现喷涂多种热电臂材料的超音速喷涂设备，以形成由多种热电臂材料分段构成的热电臂。
4.根据权利要求3所述的热电器件的制备系统，其特征在于，还包括多个形状和/或尺寸不同的掩膜板，以配合所述第四超音速喷涂设备喷涂形成变截面的热电臂。
5.根据权利要求1所述的热电器件的制备系统，其特征在于，所述第一超音速喷涂设备和/或第五超音速喷涂设备为可实现喷涂厚度为0.1～1mm的超音速喷涂设备。
6.根据权利要求1所述的热电器件的制备系统，其特征在于，所述第一超音速喷涂设备、第二超音速喷涂设备、第四超音速喷涂设备、第五超音速喷涂设备和/或第六超音速喷涂设备，为可实现扫描式喷涂的超音速喷涂设备。
7.根据权利要求1所述的热电器件的制备系统，其特征在于，还包括第七超音速喷涂设备，用于将金属粉末按照设定速度喷涂在封装环的热端面、封装环的冷端面、热端基板的密封面、冷端基板的密封面、基板的电极区域，以实现金属化和图形化电极。
8.根据权利要求7所述的热电器件的制备系统，其特征在于，还包括预处理装置，用于对已金属化的密封面、图形化电极进行粗化及清洁处理。
9.一种热电器件的制备系统，其特征在于，包括：
第一超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在封装环的已金属化的热端面，以形成所需厚度的第一焊料层；
第二超音速喷涂设备，用于将第一焊料喷涂在热端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第二焊料层、第三焊料层；
第三超音速喷涂设备，用于将第一接触材料喷涂在所述第二焊料层，以形成所需厚度的第一接触材料层；
第四超音速喷涂设备，用于将热电臂材料喷涂在所述第一接触材料层的指定区域，以形成所需厚度和形状的热电臂；
第一热压装置，用于将第一焊料层和第三焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第一焊料至其熔点，焊接后冷却至室温，完成热端封装；
第八超音速喷涂设备，用于将第二接触材料喷涂在所述热电臂，以形成所需厚度的第二接触材料层；
第五超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在所述第二接触材料层和封装环的已金属化的冷端面，分别以形成所需厚度的第四焊料层、第五焊料层；
第六超音速喷涂设备，用于将第二焊料分别喷涂在冷端基板的图形化电极的指定区域和已金属化的密封面，分别以形成所需厚度的第六焊料层、第七焊料层；
第二热压装置，用于将第四焊料层和第六焊料层紧压接触，将第五焊料层和第七焊料层紧压接触，并在保护气氛或真空条件下加热第二焊料至其熔点，焊接后冷却至室温，完成冷端封装。
10.根据权利要求9所述的热电器件的制备系统，其特征在于，所述第三超音速喷涂设备和/或第八超音速喷涂设备，为可实现喷涂一种接触材料的超音速喷涂设备，或者为可实现分次喷涂两种接触材料的超音速喷涂设备，一次喷涂一种接触材料。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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2019
- 2019-04-29 CN CN201920602097.1U patent/CN209592085U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (2)
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| CN110061122A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-26 | 西华大学 | 热电器件的制备系统及制备方法 |
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