環(huán)形熱電器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種環(huán)形熱電器件。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種環(huán)境友好的再生能源技術(shù)，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)近幾年在國(guó)際上受到了廣泛的矚目。熱電發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)，直接將溫差轉(zhuǎn)化為電能的新技術(shù)。該技術(shù)具有可靠性高、無(wú)污染和無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)余廢熱和汽車尾氣廢熱的回收利用以及軍用電源等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒕哂辛己玫膽?yīng)用前景。
[0003]—個(gè)熱電器件往往由多個(gè)η型和P型半導(dǎo)體熱電元件組成。由于每個(gè)熱電元件的輸出電壓很低，為了獲得較高的電壓以便于實(shí)際使用，通常用金屬或者合金電極將一個(gè)η型熱電元件和一個(gè)P型熱電元件連接成熱電單偶，然后將多個(gè)熱電單偶按導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)連接起來(lái)構(gòu)成熱電器件。
[0004]目前主要的熱電器件構(gòu)造為形構(gòu)造。在該結(jié)構(gòu)中，η型和P型熱電元件以電串聯(lián)和熱并聯(lián)的形式集成于兩個(gè)電絕緣而熱傳導(dǎo)良好的陶瓷平板之中，這種構(gòu)造主要適用于平板狀熱源的環(huán)境，即熱流方向垂直于兩個(gè)平行的陶瓷板。
[0005]但是，當(dāng)熱源為非平板狀時(shí)，這種傳統(tǒng)的形構(gòu)造熱電器件就不再適用。例如汽車尾氣排放管道，如采用π形熱電發(fā)電模塊來(lái)制造與熱源相匹配的的熱電發(fā)電器(US8656710B2，US2005/0172993A1，US013/0160809A1)，由于需要在熱電模塊表面施加力保證模塊和熱源之間的良好接觸，從而使得發(fā)電器的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，制作成本高，而且發(fā)電器的性能和使用可靠性低。特別對(duì)于像直徑為約Icm的小柱狀熱源，這種熱電發(fā)電器的集成變得非常困難。但是對(duì)于這種柱狀熱源，使用環(huán)形構(gòu)造的熱電器件就使得發(fā)電器的集成相對(duì)簡(jiǎn)單和性能更為優(yōu)異。
[0006]在環(huán)形構(gòu)造的熱電器件中，η型和P型環(huán)形中空熱電元件沿柱狀熱源交替地同軸排列，彼此之間填充熱和電均絕緣的材料。這種構(gòu)造可以最大限度地利用柱狀熱源所傳導(dǎo)的熱量，故熱量利用效率相對(duì)于π形構(gòu)造的熱電器件將大幅度提高。由于目前很多熱源，如汽車尾氣排放管道屬于非平板狀熱源，因此，環(huán)形構(gòu)造的熱電器件在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的前景。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于汽車尾氣廢熱發(fā)電，發(fā)電器冷端冷卻通常采用汽車上現(xiàn)成的冷卻水。將環(huán)形器件的外圓設(shè)計(jì)成熱端，而內(nèi)圓設(shè)計(jì)成冷端。由于液體與固體間的傳熱要優(yōu)于氣體與固體間的傳熱，所以利用環(huán)狀器件內(nèi)外圓表面的面積差異可以平衡器件在冷熱端的熱交換能力，這是環(huán)形熱電發(fā)電器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)專利US2012/0174567A1和中國(guó)專利CN201420052870.9公開了以環(huán)形熱電器件集成的熱電發(fā)電器結(jié)構(gòu)，依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，熱源可以從徑向和軸向與熱電元件進(jìn)行熱交換，與傳統(tǒng)由π型器件集成的發(fā)電器相比，明顯提高了熱交換效率。
[0007]盡管環(huán)形熱電發(fā)電器件的概念已經(jīng)誕生了很多年，但由于熱電材料性能的限制導(dǎo)致目前國(guó)際上與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的環(huán)形構(gòu)造熱電器件的研究報(bào)道不多。1969年美國(guó)西屋電器公司最早報(bào)道了環(huán)形熱電器件概念(Proc.4th Intersoc Energy Couvers Eng.Conf.Wahington DC, 1969，New York, 1969，300-307)。到目前為止，已公開或者報(bào)道的環(huán)形熱電器件的結(jié)構(gòu)有如下幾種:
(I)單環(huán)含有若干對(duì)扇形元件的環(huán)形器件。1977年美國(guó)專利US4056406公開了一種環(huán)形熱電元件結(jié)構(gòu)，每一個(gè)環(huán)由相同數(shù)量的η型和P型的扇形元件構(gòu)成，從而可以有效地消除熱電元件使用過(guò)程中的熱應(yīng)力影響。
[0008](2)單環(huán)是完整的環(huán)形熱電元件，η型和/或P型環(huán)形熱電元件以多環(huán)交替布局方式集成器件。2000年美國(guó)專利US6096966公開了完整環(huán)形熱電器件概念，報(bào)道了以Sia8Gea2熱電材料，Si為阻擋層Cu為電極的環(huán)狀熱電器件的制備方法。2007年Gao等人報(bào)道了用Cu作為電極連接的Bi2Te3熱電材料環(huán)形熱電模塊(Μ.Gao and D.M.Rowe,Ring-structured Thermoelectric Module, Semicond.Sc1.Technol.22 (2007)880-883)。美國(guó)專利US2009/0133734A1公開了一種改進(jìn)的環(huán)形元件結(jié)構(gòu)和制備方法，每個(gè)環(huán)的內(nèi)外圓上有一個(gè)小平臺(tái)以便于電極連接相鄰近的環(huán)形元件。A.Schmitz報(bào)道了一種制備PbTe環(huán)形熱電材料部件和表面金屬化的方法(A.Schmitz, C.Stiewe and E.Muller,Preparat1n of Ring-Shaped Thermoelectric Legs from PbTe Powders for TubularThermoelectric Modules, J.Elec.Mater., 42 (2013) 1702-1706)，集成器件時(shí)米用Ni為電極和白云母為絕緣材料，與Gao論文報(bào)道的環(huán)形熱電器件結(jié)構(gòu)不同之處在于金屬化是在環(huán)形部件的內(nèi)外圓上，而Gao論文報(bào)道的材料部件金屬化是在環(huán)形側(cè)面。中國(guó)專利CN201410039382.9公開了一種一步法快速制備環(huán)形熱電元器件的方法，依據(jù)該專利環(huán)形材料部件和內(nèi)外圓表面的金屬化可以同時(shí)完成。
[0009](3)單環(huán)是完整的環(huán)形熱電元件，截面形狀為多邊形等。從實(shí)質(zhì)上講，這種結(jié)構(gòu)仍然屬于第二類。例如中國(guó)專利CN201310549191.2和CN201310443542.1公開了幾種環(huán)形熱電材料部件的形狀和制備方法。
[0010]但是，現(xiàn)有的環(huán)形熱電元件結(jié)構(gòu)存在如下問(wèn)題。首先，采用單一熱電材料的環(huán)形熱電器件不能充分利用中溫或者高溫?zé)嵩促Y源，發(fā)電效率低；其次，為了確保環(huán)形熱電器件在使用過(guò)程中不變形，需要在內(nèi)外圓表面采用一定厚度和強(qiáng)度的陶瓷管(考慮耐腐蝕和電絕緣)來(lái)固定。環(huán)形熱電器件在內(nèi)外陶瓷管固定下，大溫差環(huán)境下使用時(shí)熱應(yīng)力不能釋放將造成環(huán)形熱電元件的損壞。因此，本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)一種新型的環(huán)形熱電元件結(jié)構(gòu)，該環(huán)形熱電元件結(jié)構(gòu)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)合理、發(fā)電效率高和便于規(guī)?；a(chǎn)等特點(diǎn)，從而促進(jìn)環(huán)形構(gòu)造熱電器件的真正應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題做出的，其目的是提供一種有利于成本控制，性能優(yōu)化和批量化生產(chǎn)工藝的環(huán)形熱電器件。
[0012]解決問(wèn)題的手段:
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形熱電器件，具備:沿軸向依次交替排列的多個(gè)環(huán)形P型熱電元件和N型熱電元件；設(shè)置于每個(gè)所述P型熱電元件和N型熱電元件之間的環(huán)形的隔離層；在外側(cè)壁上連接每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的外環(huán)導(dǎo)流電極；在內(nèi)側(cè)壁上以與外環(huán)導(dǎo)流電極交錯(cuò)的形式連接相鄰對(duì)的所述N型熱電元件和P型熱電元件的內(nèi)環(huán)導(dǎo)流電極；以及分別位于所述環(huán)形熱電器件的內(nèi)周側(cè)和外周側(cè)的管狀部件；各熱電元件包括依次徑向向外排列的至少兩個(gè)環(huán)形熱電材料部件。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，可以充分利用寬廣溫區(qū)的熱源資源，顯著提高環(huán)形熱電器件的發(fā)電效率和輸出功率密度。另外，這種分布式的分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的環(huán)形熱電元件相比高溫下可以釋放更多熱應(yīng)力，提高了環(huán)形熱電器件的使用壽命。
[0014]又，在本發(fā)明中，所述至少兩個(gè)環(huán)形熱電材料部件由不同熱電材料所構(gòu)成。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)環(huán)形熱電元件含有兩種或者三種在不同溫區(qū)具有較佳熱電性能的熱電材料，可以充分利用寬廣溫區(qū)的熱源資源。
[0016]又，在本發(fā)明中，所述至少兩個(gè)環(huán)形熱電材料部件的高度相同。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，高度相同的各環(huán)形熱電元件集成環(huán)形熱電器件時(shí)可以有效提高器件的組裝質(zhì)量和減少不可控的內(nèi)部熱量傳遞。
[0018]又，在本發(fā)明中，所述至少兩個(gè)環(huán)形熱電材料部件的厚度相同，也可以不同。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，依據(jù)熱源溫度和徑向排列的不同環(huán)形熱電材料之間的溫度狀況來(lái)設(shè)計(jì)環(huán)形熱電材料部件的高度。
[0020]又，在本發(fā)明中，所述至少兩個(gè)環(huán)形熱電材料部件中的至少一個(gè)由多個(gè)環(huán)形分布的材料單元組成。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，將環(huán)形材料部件拆成多個(gè)環(huán)形分布的材料單元可以有效地釋放因熱脹冷縮而形成的熱應(yīng)力，避免環(huán)形熱