溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，包括由p型半導(dǎo)體材料電偶臂和n型半導(dǎo)體材料電偶臂組成的π型電偶臂對結(jié)構(gòu)，所述p型半導(dǎo)體材料電偶臂和n型半導(dǎo)體材料電偶臂的截面為梯形。本實(shí)用新型的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，可以顯著改善溫差發(fā)電器性能。通過結(jié)構(gòu)的改善，可以在同等工況下，提升溫差發(fā)電電動勢。
【專利說明】溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于溫差發(fā)電器領(lǐng)域，更加具體的說，涉及一種溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具有提升溫差發(fā)電器性能的特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]溫差發(fā)電器是一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)化裝置，可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理如附圖1所示。溫差發(fā)電器是由若干溫差電偶臂(P型和N型半導(dǎo)體材料)串聯(lián)而成，傳統(tǒng)的電偶臂是矩形截面形狀。按照工作溫度來分類，溫差發(fā)電器可分為高溫溫差發(fā)電器(工作溫度是700°C以上)，中溫溫差發(fā)電器(工作溫度400?700°C)和低溫溫差發(fā)電器(工作溫度400°C以下)。對于不同的工作環(huán)境，溫差發(fā)電器會處于不同的溫度梯度，熱電材料的物理性質(zhì)受溫度影響很大，所以有必要對電偶臂的形狀進(jìn)行優(yōu)化，使之可以與工作的溫度梯度相匹配，以提高溫差發(fā)電器的輸出功率。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，相比原有的η型電偶臂對結(jié)構(gòu)，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)對電偶臂形狀進(jìn)行了改進(jìn)，可更有效的利用溫度梯度，增大熱電材料的優(yōu)值系數(shù)，提高熱電材料的比功率，在不增加熱電材料使用量的前提下，提高溫差發(fā)電器的性能。
[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0005]溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，包括由P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂組成的H型電偶臂對結(jié)構(gòu)，所述P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂的截面為梯形。
[0006]所述電偶臂對結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)形式、單極排列，組成溫差發(fā)電器。
[0007]所述梯形選擇正常梯形，或者帶有弧度的梯形，或者三段線結(jié)構(gòu)的梯形。
[0008]所述帶有弧度的梯形為兩個斜面(邊)為圓弧的梯形。
[0009]所述三段線結(jié)構(gòu)的梯形為梯形，將兩個圓弧斜面(邊)近似為由三段斜面組成的斜面，具體如下:弧形斜面依據(jù)所在同心圓的圓弧值均勻分為三段(即在圓弧上點(diǎn)上的兩個劃分點(diǎn))，自梯形的上底到下底連接圓弧上的兩個劃分點(diǎn)，將弧形斜面近似為由三段線組成的斜面。
[0010]在上述溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)中，P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂選擇軸對稱設(shè)置，即兩邊選擇的梯形都是同方向設(shè)置(即上底向上和下底向下)。
[0011]在上述溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)中，P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂選擇反方向設(shè)置(即一側(cè)P型半導(dǎo)體材料電偶臂上底向上和下底向下，另一側(cè)η型半導(dǎo)體材料電偶臂上底向下和下底向上)。
[0012]本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，可以顯著改善溫差發(fā)電器性能。通過結(jié)構(gòu)的改善，可以在同等工況下，提升溫差發(fā)電電動勢?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0013]圖1是溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例采用的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)的示意圖，其中Gl傳統(tǒng)溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)；G2梯形結(jié)構(gòu)；G3小弧度梯形結(jié)構(gòu)；G4大弧度梯形結(jié)構(gòu)；G5倒置弧度梯形結(jié)構(gòu)；G6邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)；G7邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
[0015]圖3是本實(shí)用新型的新型形狀的溫差發(fā)電器的賽貝克電勢分布圖，其中(I)傳統(tǒng)溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)；(2)梯形結(jié)構(gòu)；(3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)；(4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)；(5)倒置弧度梯形結(jié)構(gòu)；(6)邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)；(7)邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
[0016]圖4是本實(shí)用新型的新型形狀的溫差發(fā)電器的歐姆電勢分布圖，其中(I)傳統(tǒng)溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)；(2)梯形結(jié)構(gòu)；(3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)；(4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)；(5)倒置弧度梯形結(jié)構(gòu)；(6)邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)；(7)邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
[0017]圖5是本實(shí)用新型的新型形狀的溫差發(fā)電器的“電壓一電流”曲線，其中(I)傳統(tǒng)溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)；(2)梯形結(jié)構(gòu)；(3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)；(4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)；(5)倒置弧度梯形結(jié)構(gòu)；(6)邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)；(7)邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是通過改進(jìn)傳統(tǒng)的η型電偶臂對結(jié)構(gòu)，使熱電材料能夠更有效的利用溫差，在不增加熱電材料使用量的前提下，生成更大的電動勢。
[0019]如附圖1所示溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)的示意圖，一塊頂部金屬板和兩塊底端金屬板，一塊底端金屬板上設(shè)置P型電偶臂，另一塊底部金屬板上設(shè)置η型電偶臂，P型和η型電偶臂的頂端與一塊頂部金屬板相連，整體上組成傳統(tǒng)的η型電偶臂對結(jié)構(gòu)，其中P型和η型電偶臂是溫差發(fā)電器的核心元件。
[0020]在溫差發(fā)電器在工作時，一端靠近熱源(圖1中的頂端金屬板)，一端靠近冷源(圖1中的底端金屬板)，由此在溫差發(fā)電器兩端形成一個溫差。對于η型半導(dǎo)體電偶臂，自由電子的能量是隨溫度升高而增加的，如果導(dǎo)體具有溫度差，那么熱端電子將比冷端電子獲得更多的速度和能量，即在溫差的驅(qū)動下，電偶臂中的載流子一電子的濃度隨溫度升高而增加，形成熱端流向冷端的一股電子流，這種電荷的積累就建立了一定的電勢差，這電勢差形成了一個反向電子流。當(dāng)電荷積累到一定程度，反向的電子漂移流與正向的電子擴(kuò)散流相等，這就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，半導(dǎo)體電偶臂兩端即形成了穩(wěn)定的電動勢。P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是空穴而不是電子，這種情況與上述情形類似，顯然，這時的溫差電動勢與上述情形相反。
[0021]由此可見，由ρ，η型電偶臂組成的電偶臂對得到的總溫差電動勢是兩者絕對值之和。當(dāng)溫差發(fā)電器是由若干串聯(lián)而成的P型和η型電偶臂組成，溫差發(fā)電器的總電勢即是所有電偶臂對的電動勢之和。
[0022]圖2給出的是傳統(tǒng)的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)以及通過本實(shí)用新型改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，并標(biāo)出各個位置的尺寸，單位_，對應(yīng)不同形狀的模具可以制備出不同結(jié)構(gòu)的電偶臂。對比附圖1可知，附圖2給出的不同結(jié)構(gòu)溫差發(fā)電器，采用相同的π型電偶臂對結(jié)構(gòu)(即一塊頂部金屬板和兩塊底端金屬板，一塊底端金屬板上設(shè)置P型電偶臂，另一塊底部金屬板上設(shè)置η型電偶臂，P型和η型電偶臂的頂端與一塊頂部金屬板相連，整體上組成傳統(tǒng)的π型電偶臂對結(jié)構(gòu))，通過調(diào)整P型和η型電偶臂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的電偶臂結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖2所示，其電偶臂體積由大到小依次為:G1=G2>G3>G6=G7>G4=G5，梯形結(jié)構(gòu)中較短的一邊為上底，較長的一邊為下底:
[0023]( I)傳統(tǒng)溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)Gl,即傳統(tǒng)的π型電偶臂對結(jié)構(gòu)，標(biāo)出頂部金屬板長度為4.5mm,厚度0.5mm ;底部金屬板長度為2mm,厚度為0.5mm ；p型和η型電偶臂對稱設(shè)置，高度為1mm，長度為2mm ;從側(cè)視圖side view來看,頂部金屬板、底部金屬板、p型和η型電偶臂的寬度均為2mm;
[0024](2)梯形結(jié)構(gòu)G2,標(biāo)出頂部金屬板長度為4.5mm,厚度0.5mm ;底部金屬板長度為
2.5mm,厚度為0.5mm ；p型和η型電偶臂對稱設(shè)置,截面選擇梯形結(jié)構(gòu),上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm ;從側(cè)視圖side view來看,頂部金屬板、底部金屬板、p型和η型電偶臂的寬度均為2mm ；
[0025](3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)G3,標(biāo)出頂部金屬板長度為4.5mm,厚度0.5mm ;底部金屬板長度為2.5mm，厚度為0.5mm ；p型和η型電偶臂對稱設(shè)置，截面選擇為小弧度梯形結(jié)構(gòu)，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為2.5mm ;從側(cè)視圖side view來看,頂部金屬板、底部金屬板、P型和η型電偶臂的寬度均為2mm ；
[0026](4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)G4,標(biāo)出頂部金屬板長度為4.5mm,厚度0.5mm ;底部金屬板長度為2.5mm,厚度為0.5mm ；p型和η型電偶臂對稱設(shè)置,截面選擇為大弧度梯形結(jié)構(gòu)，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為Imm ;從側(cè)視圖side view來看,頂部金屬板、底部金屬板、P型和η型電偶臂的寬度均為2mm ；
[0027](5)倒置弧度梯形結(jié)構(gòu)G5,標(biāo)出頂部金屬板長度為4.5mm,厚度0.5mm ;一側(cè)底端金屬板(對應(yīng)P型)的長度為2.5mm,厚度0.5mm ;另一側(cè)底端金屬板(對應(yīng)η型)的長度為
1.5mm，厚度為0.5mm ；p型電偶臂的橫截面為大弧度梯形結(jié)構(gòu)，上底(與頂端金屬板接觸連接)為1.5mm,下底(與長度為2.5mm的底端金屬板接觸連接)為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為Imm ;11型電偶臂的橫截面為大弧度梯形結(jié)構(gòu),上底(與長度為2.5mm的底端金屬板接觸連接)為1.5mm,下底(與頂端金屬板接觸連接)為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為1_ ;從側(cè)視圖side view來看,頂部金屬板、底部金屬板、P型和η型電偶臂的寬度均為2mm;
[0028](6)邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)G6，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與大弧度梯形結(jié)構(gòu)G4基本一致，區(qū)別在于，將P型電偶臂、η型電偶臂的弧形斜面依據(jù)所在同心圓的圓弧值均勻分為三段(即在圓弧上點(diǎn)上的兩個劃分點(diǎn))，自梯形的上底到下底連接圓弧上的兩個劃分點(diǎn)，將弧形斜面近似為由三段線組成的斜面；
[0029](7)邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)G7，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與G6，區(qū)別在于，將一側(cè)η型電偶臂的設(shè)置方向顛倒，即將梯形的上底向下，與底端金屬板接觸連接，下底向上，與頂端金屬板連接接觸。
[0030]在進(jìn)行試驗(yàn)時，溫差發(fā)電器選用的熱電材料為Bi2Te3,通過熱壓燒結(jié)(一種壓制成形和燒結(jié)同時進(jìn)行的粉體材料成形工藝方法，是將粉末裝在壓模內(nèi)，在專門的熱壓機(jī)中加壓同時把粉末加熱到熔點(diǎn)以下，在高溫下單向或雙向施壓成形的過程)進(jìn)行制備電偶臂，為便于脫模，熱壓燒結(jié)的模具采用高密度石墨模具，改變模具的結(jié)構(gòu)可以制備不同形狀的電偶臂。
[0031]在進(jìn)行試驗(yàn)時，采用熱導(dǎo)率較高，電絕緣較好的Al2O3陶磁作為基板，采用篩網(wǎng)印刷和高溫?zé)Y(jié)的方法，在陶瓷片上形成局部金屬化區(qū)域，然后在金屬化區(qū)域上形成銅導(dǎo)流片，再將經(jīng)切割和預(yù)處理后的熱電電偶臂按設(shè)計(jì)排布并焊接在掛有焊錫的兩片陶瓷板間，若干電偶臂對在電學(xué)上是串聯(lián)模式。為了防止銅原子向熱電材料內(nèi)部擴(kuò)散，電偶臂與銅導(dǎo)流片之間要加上阻擋層，該阻擋層為為適當(dāng)厚度的鎳層，鎳阻擋層可以來用化學(xué)電鍍的方式形成，其位置可以直接與銅導(dǎo)流片和熱電材料接觸。為了保證接頭處具有盡可能小的接觸電阻和接觸熱阻，各焊接表面要事先進(jìn)行化學(xué)清洗，在焊接時需選擇適當(dāng)?shù)暮附訙囟群蜁r間。在結(jié)合附圖1和2說明參數(shù)的情況下，根據(jù)上述的頂端金屬板、底端金屬板的參數(shù)選取的相應(yīng)材料進(jìn)行相同參數(shù)的設(shè)置。
[0032]對于不同結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電器，均在同一工況下進(jìn)行測試，工況為熱源、冷源溫度分別為127°C和27°C，熱源與溫差發(fā)電器熱端的對流換熱系數(shù)為60Wm2K1，冷源與冷端的換熱系數(shù)為50W HT2K-1,工作電流為0.01Α。
[0033]在同一工況下，各種結(jié)構(gòu)的電偶臂對的賽貝克電勢和歐姆電勢的分布云圖見圖3和圖4。而圖5給出了本實(shí)用新型的新型形狀的溫差發(fā)電器的“電壓一電流”曲線。
[0034]由圖3—5的分析可知，梯形結(jié)構(gòu)G2比原結(jié)構(gòu)Gl的賽貝克電勢提升了 17.8%，通過繼續(xù)改變截面面積，把梯形截面G2逐漸向弧面梯形G3變化，可發(fā)現(xiàn)，賽貝克電勢會繼續(xù)提升?；∶娴幕《纫矔π阅苡杏绊?，繼續(xù)增大弧面的弧度G4，會得到更大的賽貝克電勢。但是由圖4，可以發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，梯形截面和帶弧度的的梯形截面形狀，會增大電偶臂的內(nèi)阻，并且弧度越大，內(nèi)阻越大。將P型或η型電偶臂倒置G5，會提升約10%的賽貝克電動勢。同時，倒置電偶 臂可以減少電偶臂對所占的空間位置，更有效、合理的利用空間。
[0035]為了降低加工難度，可以用三段線代替弧線，可以將弧度梯形結(jié)構(gòu)G4和倒置弧度梯形結(jié)構(gòu)G5，改進(jìn)為邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)G6和邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)G7。
[0036]表1不同結(jié)構(gòu)下輸出電壓隨電流的變化情況
[0037]
【權(quán)利要求】
1.溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括由P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂組成的H型電偶臂對結(jié)構(gòu)，所述P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂的截面為梯形；所述梯形選擇正常梯形，或者帶有弧度的梯形，或者三段線結(jié)構(gòu)的梯形；P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂選擇軸對稱設(shè)置，或者，P型半導(dǎo)體材料電偶臂和η型半導(dǎo)體材料電偶臂選擇反方向設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述帶有弧度的梯形為兩個斜邊為圓弧的梯形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述三段線結(jié)構(gòu)的梯形為梯形，將兩個圓弧斜邊近似為由三段斜面組成的斜面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型和η型電偶臂軸對稱設(shè)置，截面選擇梯形結(jié)構(gòu)，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm,寬度均為2_ ;截面選擇為帶有弧度的梯形，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為I一2.5mm,寬度均為2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型和η型電偶臂選擇反方向設(shè)置，P型電偶臂的橫截面為帶有弧度的梯形，上底為1.5mm，下底為2.5mm，高度為Imm,弧度半徑為I 一 2.5mm ;n型電偶臂的橫截面為帶有弧度的梯形,上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為I一2.5mm ；p型和η型電偶臂的寬度均為2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型和η型電偶臂軸對稱設(shè)置，截面選擇三段線的梯形結(jié)構(gòu)，P型電偶臂的橫截面為帶有弧度的梯形，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm ;n型電偶臂的橫截面為帶有弧度的梯形,上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm ；p型和η型電偶臂的寬度均為2mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型和η型電偶臂選擇反方向設(shè)置，截面選擇三段線的梯形結(jié)構(gòu)，P型電偶臂的橫截面為帶有弧度的梯形，上底為1.5mm，下底為2.5mm，高度為Imm ;n型電偶臂的橫截面為帶有弧度的梯形，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm ；p型和η型電偶臂的寬度均為2mm。
【文檔編號】H02N11/00GK203554331SQ201320635968
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】于書海, 田華, 張?jiān)? 牛志強(qiáng), 焦魁, 杜青, 尹燕 申請人:天津大學(xué)