溫差發電器的優化結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了溫差發電器的優化結構，包括由p型半導體材料電偶臂和n型半導體材料電偶臂組成的π型電偶臂對結構，所述p型半導體材料電偶臂和n型半導體材料電偶臂的截面為梯形。本實用新型的技術方案結構簡單，易于加工，可以顯著改善溫差發電器性能。通過結構的改善，可以在同等工況下，提升溫差發電電動勢。
【專利說明】溫差發電器的優化結構
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于溫差發電器領域，更加具體的說，涉及一種溫差發電器的優化結構，具有提升溫差發電器性能的特點。
【背景技術】
[0002]溫差發電器是一種固態能量轉化裝置，可以直接將熱能轉化為電能，其工作原理如附圖1所示。溫差發電器是由若干溫差電偶臂(P型和N型半導體材料)串聯而成，傳統的電偶臂是矩形截面形狀。按照工作溫度來分類，溫差發電器可分為高溫溫差發電器(工作溫度是700°C以上)，中溫溫差發電器(工作溫度400?700°C)和低溫溫差發電器(工作溫度400°C以下)。對于不同的工作環境，溫差發電器會處于不同的溫度梯度，熱電材料的物理性質受溫度影響很大，所以有必要對電偶臂的形狀進行優化，使之可以與工作的溫度梯度相匹配，以提高溫差發電器的輸出功率。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，設計一種溫差發電器的優化結構，相比原有的η型電偶臂對結構，所述優化結構對電偶臂形狀進行了改進，可更有效的利用溫度梯度，增大熱電材料的優值系數，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，提高溫差發電器的性能。
[0004]本實用新型的技術目的通過下述技術方案予以實現:
[0005]溫差發電器的優化結構，包括由P型半導體材料電偶臂和η型半導體材料電偶臂組成的H型電偶臂對結構，所述P型半導體材料電偶臂和η型半導體材料電偶臂的截面為梯形。
[0006]所述電偶臂對結構采用串聯形式、單極排列，組成溫差發電器。
[0007]所述梯形選擇正常梯形，或者帶有弧度的梯形，或者三段線結構的梯形。
[0008]所述帶有弧度的梯形為兩個斜面(邊)為圓弧的梯形。
[0009]所述三段線結構的梯形為梯形，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:弧形斜面依據所在同心圓的圓弧值均勻分為三段(即在圓弧上點上的兩個劃分點)，自梯形的上底到下底連接圓弧上的兩個劃分點，將弧形斜面近似為由三段線組成的斜面。
[0010]在上述溫差發電器的結構中，P型半導體材料電偶臂和η型半導體材料電偶臂選擇軸對稱設置，即兩邊選擇的梯形都是同方向設置(即上底向上和下底向下)。
[0011]在上述溫差發電器的結構中，P型半導體材料電偶臂和η型半導體材料電偶臂選擇反方向設置(即一側P型半導體材料電偶臂上底向上和下底向下，另一側η型半導體材料電偶臂上底向下和下底向上)。
[0012]本實用新型結構簡單，易于加工，可以顯著改善溫差發電器性能。通過結構的改善，可以在同等工況下，提升溫差發電電動勢。【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是溫差發電器結構的示意圖。
[0014]圖2是本實用新型實施例采用的溫差發電器結構的示意圖，其中Gl傳統溫差發電器結構；G2梯形結構；G3小弧度梯形結構；G4大弧度梯形結構；G5倒置弧度梯形結構；G6邊框為三段線的梯形結構；G7邊框為三段線的倒置梯形結構。
[0015]圖3是本實用新型的新型形狀的溫差發電器的賽貝克電勢分布圖，其中(I)傳統溫差發電器結構；(2)梯形結構；(3)小弧度梯形結構；(4)大弧度梯形結構；(5)倒置弧度梯形結構；(6)邊框為三段線的梯形結構；(7)邊框為三段線的倒置梯形結構。
[0016]圖4是本實用新型的新型形狀的溫差發電器的歐姆電勢分布圖，其中(I)傳統溫差發電器結構；(2)梯形結構；(3)小弧度梯形結構；(4)大弧度梯形結構；(5)倒置弧度梯形結構；(6)邊框為三段線的梯形結構；(7)邊框為三段線的倒置梯形結構。
[0017]圖5是本實用新型的新型形狀的溫差發電器的“電壓一電流”曲線，其中(I)傳統溫差發電器結構；(2)梯形結構；(3)小弧度梯形結構；(4)大弧度梯形結構；(5)倒置弧度梯形結構；(6)邊框為三段線的梯形結構；(7)邊框為三段線的倒置梯形結構。
【具體實施方式】
[0018]下面結合具體實施例進一步說明本實用新型的技術方案。本實用新型的技術方案是通過改進傳統的η型電偶臂對結構，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所示溫差發電器結構的示意圖，一塊頂部金屬板和兩塊底端金屬板，一塊底端金屬板上設置P型電偶臂，另一塊底部金屬板上設置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，整體上組成傳統的η型電偶臂對結構，其中P型和η型電偶臂是溫差發電器的核心元件。
[0020]在溫差發電器在工作時，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)，由此在溫差發電器兩端形成一個溫差。對于η型半導體電偶臂，自由電子的能量是隨溫度升高而增加的，如果導體具有溫度差，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。當電荷積累到一定程度，反向的電子漂移流與正向的電子擴散流相等，這就達到了穩定狀態，半導體電偶臂兩端即形成了穩定的電動勢。P型半導體中的多數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。當溫差發電器是由若干串聯而成的P型和η型電偶臂組成，溫差發電器的總電勢即是所有電偶臂對的電動勢之和。
[0022]圖2給出的是傳統的溫差發電器結構以及通過本實用新型改進后的結構，并標出各個位置的尺寸，單位_，對應不同形狀的模具可以制備出不同結構的電偶臂。對比附圖1可知，附圖2給出的不同結構溫差發電器，采用相同的π型電偶臂對結構(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置P型電偶臂，另一塊底部金屬板上設置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，整體上組成傳統的π型電偶臂對結構)，通過調整P型和η型電偶臂結構，實現不同的溫差發電結構。改進后的電偶臂結構和尺寸分別如圖2所示，其電偶臂體積由大到小依次為:G1=G2>G3>G6=G7>G4=G5，梯形結構中較短的一邊為上底，較長的一邊為下底:
[0023]( I)傳統溫差發電器結構Gl,即傳統的π型電偶臂對結構，標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型電偶臂對稱設置，高度為1mm，長度為2mm ;從側視圖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)梯形結構G2,標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型電偶臂對稱設置,截面選擇梯形結構,上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm ;從側視圖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)小弧度梯形結構G3,標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型電偶臂對稱設置，截面選擇為小弧度梯形結構，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為2.5mm ;從側視圖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)大弧度梯形結構G4,標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型電偶臂對稱設置,截面選擇為大弧度梯形結構，上底為1.5mm,下底為2.5mm,高度為Imm,弧度半徑為Imm ;從側視圖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)倒置弧度梯形結構G5,標出頂部金屬板長度為4.5mm,厚度0.5mm ;一側底端金屬板(對應P型)的長度為2.5mm,厚度0.5mm ;另一側底端金屬板(對應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構，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構,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)邊框為三段線的梯形結構G6，其結構尺寸參數與大弧度梯形結構G4基本一致，區別在于，將P型電偶臂、η型電偶臂的弧形斜面依據所在同心圓的圓弧值均勻分為三段(即在圓弧上點上的兩個劃分點)，自梯形的上底到下底連接圓弧上的兩個劃分點，將弧形斜面近似為由三段線組成的斜面；
[0029](7)邊框為三段線的倒置梯形結構G7，其結構尺寸參數與G6，區別在于，將一側η型電偶臂的設置方向顛倒，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]在進行試驗時，溫差發電器選用的熱電材料為Bi2Te3,通過熱壓燒結(一種壓制成形和燒結同時進行的粉體材料成形工藝方法，是將粉末裝在壓模內，在專門的熱壓機中加壓同時把粉末加熱到熔點以下，在高溫下單向或雙向施壓成形的過程)進行制備電偶臂，為便于脫模，熱壓燒結的模具采用高密度石墨模具，改變模具的結構可以制備不同形狀的電偶臂。
[0031]在進行試驗時，采用熱導率較高，電絕緣較好的Al2O3陶磁作為基板，采用篩網印刷和高溫燒結的方法，在陶瓷片上形成局部金屬化區域，然后在金屬化區域上形成銅導流片，再將經切割和預處理后的熱電電偶臂按設計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上是串聯模式。為了防止銅原子向熱電材料內部擴散，電偶臂與銅導流片之間要加上阻擋層，該阻擋層為為適當厚度的鎳層，鎳阻擋層可以來用化學電鍍的方式形成，其位置可以直接與銅導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行化學清洗，在焊接時需選擇適當的焊接溫度和時間。在結合附圖1和2說明參數的情況下，根據上述的頂端金屬板、底端金屬板的參數選取的相應材料進行相同參數的設置。
[0032]對于不同結構的溫差發電器，均在同一工況下進行測試，工況為熱源、冷源溫度分別為127°C和27°C，熱源與溫差發電器熱端的對流換熱系數為60Wm2K1，冷源與冷端的換熱系數為50W HT2K-1,工作電流為0.01Α。
[0033]在同一工況下，各種結構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給出了本實用新型的新型形狀的溫差發電器的“電壓一電流”曲線。
[0034]由圖3—5的分析可知，梯形結構G2比原結構Gl的賽貝克電勢提升了 17.8%，通過繼續改變截面面積，把梯形截面G2逐漸向弧面梯形G3變化，可發現，賽貝克電勢會繼續提升。弧面的弧度也會對性能有影響，繼續增大弧面的弧度G4，會得到更大的賽貝克電勢。但是由圖4，可以發現，相比傳統結構，梯形截面和帶弧度的的梯形截面形狀，會增大電偶臂的內阻，并且弧度越大，內阻越大。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，可以將弧度梯形結構G4和倒置弧度梯形結構G5，改進為邊框為三段線的梯形結構G6和邊框為三段線的倒置梯形結構G7。
[0036]表1不同結構下輸出電壓隨電流的變化情況
[0037]
【權利要求】
1.溫差發電器的優化結構，其特征在于，包括由P型半導體材料電偶臂和η型半導體材料電偶臂組成的H型電偶臂對結構，所述P型半導體材料電偶臂和η型半導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，或者三段線結構的梯形；P型半導體材料電偶臂和η型半導體材料電偶臂選擇軸對稱設置，或者，P型半導體材料電偶臂和η型半導體材料電偶臂選擇反方向設置。
2.根據權利要求1所述的溫差發電器的優化結構，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.根據權利要求1所述的溫差發電器的優化結構，其特征在于，所述三段線結構的梯形為梯形，將兩個圓弧斜邊近似為由三段斜面組成的斜面。
4.根據權利要求1所述的溫差發電器的優化結構，其特征在于，所述P型和η型電偶臂軸對稱設置，截面選擇梯形結構，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.根據權利要求1所述的溫差發電器的優化結構，其特征在于，所述P型和η型電偶臂選擇反方向設置，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.根據權利要求1所述的溫差發電器的優化結構，其特征在于，所述P型和η型電偶臂軸對稱設置，截面選擇三段線的梯形結構，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.根據權利要求1所述的溫差發電器的優化結構，其特征在于，所述P型和η型電偶臂選擇反方向設置，截面選擇三段線的梯形結構，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 優先權日:2013年10月15日
【發明者】于書海, 田華, 張寓皓, 牛志強, 焦魁, 杜青, 尹燕 申請人:天津大學