一种用于温差发电的热电器件和温差发电装置

1.本发明属于热电转换技术领域，尤其涉及一种用于温差发电的热电器件和温差发电装置。


背景技术：

2.温差发电器主要是利用热电材料的热电效应产生电流而工作。热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。1823年，德国人seebeck首先发现，当两种不同导体构成闭合回路，如果两个接点的温度不同，则两接点间会有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或塞贝克效应。
3.温差发电器的核心是热电器件，主要包括n型热电臂、p型热电臂、导流片、导热层(陶瓷片)等部分。图1是目前普遍采用的温差发电热电器件结构。该结构采用两种不同类型的半导体热电材料，加工成长方体或者圆柱体p型热电臂和n型热电臂，然后用电极片串联起来，冷热端均采用绝缘导热材料覆盖。现有的热电器件存在如下问题：
4.1、导流电极片均为平板结构，工作时热端电极膨胀导致热电元件冷端热应力，且随着温度和温差的增大而增加，热应力会加速热电器件老化，甚至产生裂纹而直接失效，尤其在恶劣工作条件(例如工作温度在500-1000℃)下，现有的平板结构电极衰减很快；
5.2、热电器件通常是由一定数量的热电单偶采用热并联、电串联构成的平板结构，由于电串联设计，只要有一个元件失效将导致整个器件失效；
6.3、热电元件的截面为长方形或正方形，形状和面积基本一致，限制了热电器件的结构优化。
7.因此，需要提供一种新的热电器件，以解决现有的热电器件存在的上述问题。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于温差发电的热电器件和温差发电装置，以解决现有的平板热电器件带来高温下热电器件的热应力的技术问题。
9.针对上述问题，本发明的另一目的在于提供一种用于温差发电的热电器件和温差发电装置，以解决现有的热电器件的电串联设计带来的技术问题。
10.针对上述问题，本发明的另一目的在于提供一种用于温差发电的热电器件和温差发电装置，以解决现有的热电器件的热电元件截面形状和面积基本一致带来的技术问题。
11.第一个方面，本发明提供了一种用于温差发电的热电器件，包括：
12.多个线性排列的热电元件阵列，每个热电元件阵列包括p型热电元件和n型热电元件，p型热电元件和n型热电元件均包括设置在相对的两个端面上的热端和冷端，每个热电元件的热端和冷端形成一个具有温差发电功能的热电臂；
13.柔性热端导流片，连接相邻的两个p型热电元件的热端和n型热电元件的热端，并且设有沿所述热电臂垂直方向缓冲的第一波纹结构；
14.柔性冷端导流片，连接相邻的两个p型热电元件的冷端和n型热电元件的冷端，与
所述柔性热端导流片交错布置，并且设有沿所述热电臂垂直方向缓冲的第二波纹结构；
15.冷端导热座和导热陶瓷基板，位于所述柔性冷端导流片的外侧，用于将热量从热电元件的热端穿过热电臂到冷端将热量传递至外部的散热装置，所述导热陶瓷基板位于所述柔性冷端导流片和冷端导热座之间，所述冷端导热座与外部的散热装置连接。
16.根据本发明，采用柔性热端导流片，可缓释热电器件工作时热端导流电极横向膨胀产生的应力，避免器件工作时在大温差下产生大的变形而直接断裂失效。
17.根据本发明，采用柔性冷端导流片，可避免安装时对器件产生额外的应力，进一步降低热电器件整体应力水平，降低热电器件衰减速率。
18.较佳地，所述热电元件阵列为两组p型热电元件和n型热电元件并联后多组线性串联设置。
19.根据本发明，所述热电元件阵列采用两并一串连接电路，可进一步提高热电器件的电气连接可靠性。
20.较佳地，所述柔性冷端导流片连接相邻的两组p型热电元件的冷端和n型热电元件的冷端，并与所述柔性热端导流片交错布置。
21.较佳地，所述柔性冷端导流片的中心设有未与所述p型热电元件的冷端或n型热电元件的冷端接触的中空区域，所述柔性冷端导流片呈“回”字形。
22.较佳地，所述柔性冷端导流片的第二波纹结构位于所述中空区域的两侧。
23.较佳地，所述柔性热端导流片的第一波纹结构位于连接的相邻的两个p型热电元件的热端和n型热电元件的热端之间。
24.较佳地，所述p型热电元件和n型热电元件的横截面为长方形、正方形、圆形或椭圆形，并且所述p型热电元件和n型热电元件的横截面积不同；优选地，所述p型热电元件的横截面积与所述n型热电元件的横截面积之比为0.6～1.6。
25.根据本发明，所述p型热电元件和n型热电元件的横截面积大小根据热电材料匹配最优的截面比例，相对现有的热电器件可获得更高的转换效率。
26.第二个方面，本发明还提供一种温差发电装置，所述温差发电装置为轴向延伸的长条状，从热源由近到远包括：热管、均热器、电绝缘板、如上所述的用于温差发电的热电器件和散热装置。
27.较佳地，还包括上盖，所述上盖容纳所述热管、均热器、电绝缘板和热电器件，并固定在所述散热装置上。
28.较佳地，所述上盖内的其余部分填充绝热材料。
29.较佳地，所述热电器件固定在所述散热装置上，并且其冷端一侧靠近所述散热装置。
30.本发明的有益效果：
31.本发明提供的一种用于温差发电的热电器件，根据选用的热电材料性能优化热电元件的结构，降低热电器件整体应力水平；热电元件采用串并联设计，有效提高热电器件的可靠性；热电元件的横截面积不同，其大小根据热电材料匹配最优的截面比例，具有更高的转换效率。
附图说明
32.图1为现有的温差发电热电器件结构。
33.图2为本发明涉及的热电器件的热电元件阵列的结构示意图。
34.图3为本发明涉及的热电器件的结构示意图。
35.图4为图3中a-a剖视图。
36.图5为本发明涉及的热电器件的爆炸视图。
37.图6为本发明涉及的温差发电装置的结构示意图。
38.图7为本发明涉及的温差发电装置的爆炸视图。
39.图8为图6中b-b剖视图。
40.图中：
41.1-热电器件；
42.11-热电元件阵列；
43.111-p型热电元件；
44.11a-p型热电元件热端；
45.11b-p型热电元件冷端；
46.11c-p型热电元件热电臂；
47.112-n型热电元件；
48.12a-n型热电元件热端；
49.12b-n型热电元件冷端；
50.12c-n型热电元件热电臂；
51.12-柔性热端导流片；
52.121-第一波纹结构；
53.13-柔性冷端导流片；
54.131-第二波纹结构；
55.132-中空区域；
56.14-冷端导热座；
57.15-导热陶瓷基板；
58.2-热管；
59.3-均热器；
60.4-电绝缘板；
61.5-散热装置；
62.6-上盖；
63.7-上盖锁紧螺丝；
64.8-器件锁紧螺丝；
65.9-绝热材料。
具体实施方式
66.以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
67.《热电器件》
68.如图3-5所示，本发明提供一种用于温差发电的热电器件1，包括：多个线性排列的热电元件阵列11、柔性热端导流片12、柔性冷端导流片13、冷端导热座14和导热陶瓷基板15。
69.其中，如图2所示，每个热电元件阵列11包括p型热电元件111和n型热电元件112，p型热电元件111包括设置在相对的两个端面上的热端11a和冷端11b，n型热电元件112包括设置在相对的两个端面上的热端12a和冷端12b，热电元件的热端11a、12a和冷端11b、12b分别形成具有温差发电功能的热电臂11c、12c。
70.在本发明中，所述热电元件阵列11为两组p型热电元件111和n型热电元件112并联后多组线性串联设置，形成条形器件。通过这一设计，两组并联的p型热电元件111和n型热电元件112中的一组即使出现失效，也不影响整个热电器件1的正常运转。
71.如图2所示，柔性热端导流片12连接相邻的两个p型热电元件111的热端11a和n型热电元件112的热端12a，并且设有沿热电臂11c、12c垂直方向缓冲的第一波纹结构121。在本发明中，具有第一波纹结构121的柔性热端导流片12可缓释热电器件工作时热端导流电极横向膨胀产生的应力，避免器件工作时在大温差下产生大的变形而直接断裂失效。在一个进一步优选的实施方案中，所述柔性热端导流片的第一波纹结构位于连接的相邻的两个p型热电元件111的热端11a和n型热电元件112的热端12a之间。
72.如图3-5所示，柔性冷端导流片13连接相邻的两个p型热电元件111的冷端11b和n型热电元件112的冷端12b，与柔性热端导流片12交错布置，并且设有沿热电臂11c、12c垂直方向缓冲的第二波纹结构131。在本发明中，具有第二波纹结构131的柔性冷端导流片13可避免安装时对器件产生额外的应力，进一步降低热电器件整体应力水平，降低热电器件衰减速率。
73.在本发明的一个实施方式中，所述柔性冷端导流片13连接相邻的两组p型热电元件111的冷端11b和n型热电元件112的冷端12b，并与所述柔性热端导流片12交错布置。如图3、图5所示，所述柔性冷端导流片13的中心设有未与p型热电元件111的冷端11b或n型热电元件112的冷端12b接触的中空区域132，所述柔性冷端导流片13呈“回”字形。在一个进一步优选的实施方案中，所述柔性冷端导流片13的第二波纹结构131位于所述中空区域132的两侧。
74.如图3-5所示，冷端导热座14和导热陶瓷基板15位于柔性冷端导流片13的外侧，用于将热量从热电元件111、112的热端11a、12a穿过热电臂11c、12c到冷端11b、12b将热量传递至外部的散热装置，所述导热陶瓷基板15位于柔性冷端导流片13和冷端导热座14之间。
75.在本发明的一个优选实施方式中，热电元件阵列11的p型热电元件111或n型热电元件112、柔性冷端导流片13、冷端导热座14和导热陶瓷基板15采用例如焊接的方式形成一个整体。
76.在本发明的一个实施方式中，所述热电元件阵列11的p型热电元件111或n型热电元件112由bi2te3基合金、pb-te基合金、cosb3基方钴矿、half-heusler合金、ge-te基化合物、la-te基化合物、或sige基合金中的一种材料构成的单段元件、或由上述两种及以上材料构成的多段元件。
77.在本发明的一个实施方式中，所述冷端导热座14为铜、铝、或其它具有高热导率的
金属或合金材料制成。
78.在本发明的一个实施方式中，所述导热陶瓷基板15为氧化铝、氮化铝、及氮化硅陶瓷双面覆铜结构。
79.根据本发明，所述p型热电元件111和n型热电元件112的横截面为长方形、正方形、圆形或椭圆形，在本发明中，如图3、图5所示，所述p型热电元件111和n型热电元件112的横截面为长方形或正方形，并且所述p型热电元件111和n型热电元件112的横截面积不同。
80.根据本发明，所述p型热电元件和n型热电元件的横截面积大小根据热电材料匹配最优的截面比例，相对现有的热电器件可获得更高的转换效率。p型热电元件和n型热电元件的几何尺寸与热电元件材料的热电性质满足以下关系：
[0081][0082]
式中a
p
为p型元件截面积，an为n型元件截面积，λ
p
为p型热电材料热导率，λn为n型热电材料热导率，ρ
p
为p型热电材料电阻率，ρn为n型热电材料电阻率。可见，p型热电元件和n型热电元件的横截面积之比与热电元件材料的热导率和电阻率的比值有关。热电转换效率是热电器件最重要的技术指标之一，定义为输出的电能与热端吸取热量的比值，其中热端吸取的热量包括热电转换需要的热量以及自身的导热量，因此热电器件的转换效率与热电元件材料的热导率和电阻率有关，本发明的申请人发现，根据热电材料的热导率和电阻率的不同，设计不同的p型热电元件和n型热电元件的横截面比例，可以提高热电器件的热电转换效率。
[0083]
通常情况下，为了制作方便，现有的热电器件的p型热电元件和n型热电元件的形状和大小基本一致，但这限制了热电器件的结构优化和转换效率。为获得更高的转换效率，本发明将热电元件阵列11的p型热电元件111的横截面积与n型热电元件112的横截面积之比设计为0.6～1.6，在这个比值下，热电器件的转换效率可提高5％左右。
[0084]
本发明提供的一种用于温差发电的热电器件，根据选用的热电材料性能优化热电元件的结构，降低热电器件整体应力水平；热电元件采用串并联设计，有效提高热电器件的可靠性；热电元件的横截面积不同，其大小根据热电材料匹配最优的截面比例，具有更高的转换效率。
[0085]
《温差发电装置》
[0086]
本发明还提供一种温差发电装置，如图6-8所示，所述温差发电装置为轴向延伸的长条状，从热源由近到远包括：热管2、均热器3、电绝缘板4、如上所述的用于温差发电的热电器件1和散热装置5，所述温差发电装置还包括用于容纳所述热管2、均热器3、电绝缘板4、热电器件1的上盖6，上盖6通过上盖锁紧螺丝7固定在散热装置5上。均热器3、电绝缘板4和热电器件1位于热管2和散热装置5之间，热电器件1通过器件锁紧螺丝8固定在散热装置5的对称中心线上，并且其冷端一侧靠近所述散热装置5。上盖6内的其余部分填充绝热材料9，通过绝热材料9的变形产生的压力使热电器件1、热管2、均热器3、电绝缘板4和散热装置5之间具有良好的热接触。
[0087]
在本发明的温差发电装置的一个应用实例中，本发明的温差发电装置的热管2中通入一定温度的气体或液体，此时的热管2作为热源，热量依次传热至均热器3、电绝缘板4、
热电器件1和散热装置5。热电器件1的热电元件的热端受热膨胀产生变形应力，由于本发明的热电器件1采用柔性热端导流片和柔性冷端导流片，降低了热电器件整体应力水平，使得在热电元件膨胀过程中不影响热电器件、乃至整个温差发电器的性能。同时，由于本发明的热电器件采用串并联设计和热电元件的不同横截面积，有效提高了本发明的温差发电装置的可靠性和转换效率。

技术特征：
1.一种用于温差发电的热电器件，其特征在于，包括：多个线性排列的热电元件阵列，每个热电元件阵列包括p型热电元件和n型热电元件，p型热电元件和n型热电元件均包括设置在相对的两个端面上的热端和冷端，每个热电元件的热端和冷端形成一个具有温差发电功能的热电臂；柔性热端导流片，连接相邻的两个p型热电元件的热端和n型热电元件的热端，并且设有沿所述热电臂垂直方向缓冲的第一波纹结构；柔性冷端导流片，连接相邻的两个p型热电元件的冷端和n型热电元件的冷端，与所述柔性热端导流片交错布置，并且设有沿所述热电臂垂直方向缓冲的第二波纹结构；冷端导热座和导热陶瓷基板，位于所述柔性冷端导流片的外侧，用于将热量从热电元件的热端穿过热电臂到冷端将热量传递至外部的散热装置，所述导热陶瓷基板位于所述柔性冷端导流片和冷端导热座之间，所述冷端导热座与外部的散热装置连接。2.根据权利要求1所述的用于温差发电的热电器件，其特征在于，所述热电元件阵列为两组p型热电元件和n型热电元件并联后多组线性串联设置。3.根据权利要求2所述的用于温差发电的热电器件，其特征在于，所述柔性冷端导流片连接相邻的两组p型热电元件的冷端和n型热电元件的冷端，并与所述柔性热端导流片交错布置。4.根据权利要求1-3任一项所述的用于温差发电的热电器件，其特征在于，所述柔性冷端导流片的中心设有未与所述p型热电元件的冷端或n型热电元件的冷端接触的中空区域，所述柔性冷端导流片呈“回”字形。5.根据权利要求4所述的用于温差发电的热电器件，其特征在于，所述柔性冷端导流片的第二波纹结构位于所述中空区域的两侧。6.根据权利要求1-5任一项所述的用于温差发电的热电器件，其特征在于，所述柔性热端导流片的第一波纹结构位于连接的相邻的两个p型热电元件的热端和n型热电元件的热端之间。7.根据权利要求1-6任一项所述的用于温差发电的热电器件，其特征在于，所述p型热电元件和n型热电元件的横截面为长方形、正方形、圆形或椭圆形，并且所述p型热电元件和n型热电元件的横截面积不同；优选地，所述p型热电元件的横截面积与所述n型热电元件的横截面积之比为0.6～1.6。8.一种温差发电装置，其特征在于，所述温差发电装置为轴向延伸的长条状，从热源由近到远包括：热管、均热器、电绝缘板、权利要求1-7任一项所述的用于温差发电的热电器件和散热装置。9.根据权利要求8所述的温差发电装置，其特征在于，还包括上盖，所述上盖容纳所述热管、均热器、电绝缘板和热电器件，并固定在所述散热装置上。10.根据权利要求9所述的温差发电装置，其特征在于，所述上盖内的其余部分填充绝热材料。11.根据权利要求8-10任一项所述的温差发电装置，其特征在于，所述热电器件固定在所述散热装置上，并且其冷端一侧靠近所述散热装置。

技术总结
本发明提供一种用于温差发电的热电器件，包括：多个线性排列的热电元件阵列、柔性热端导流片、柔性冷端导流片、冷端导热座和导热陶瓷基板。本发明还提供一种包括如上所述的热电器件的温差发电装置。本发明提供的一种用于温差发电的热电器件，根据选用的热电材料性能优化热电元件的结构，降低热电器件整体应力水平；热电元件采用串并联设计，有效提高热电器件的可靠性；热电元件的横截面积不同，其大小根据热电材料匹配最优的截面比例，具有更高的转换效率。转换效率。转换效率。


技术研发人员：廖锦城 柏胜强 夏绪贵 宋庆峰 王超 陈立东
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：2022.02.15
技术公布日：2023/8/28