具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件，包括：沿軸向依次交替排列的多個(gè)環(huán)形的P型熱電元件和N型熱電元件；設(shè)置于每個(gè)所述P型熱電元件與N型熱電元件之間的環(huán)形的隔離層；連接于每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁上的高溫端電極；連接于相鄰對(duì)的所述P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁上的低溫端電極；以及分別連接于所述熱電器件兩端的高溫端電極或低溫端電極之上的導(dǎo)線(xiàn)。通過(guò)本實(shí)用新型，可以克服傳統(tǒng)的π形構(gòu)造熱電器件不適用于非平板狀熱源環(huán)境的限制，而且可大幅度提高該具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件的熱利用率及熱電轉(zhuǎn)換效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于熱電轉(zhuǎn)換【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種熱電器件，特別是涉及一種具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電發(fā)電是一種利用半導(dǎo)體材料塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，在工業(yè)余廢熱和汽車(chē)尾氣廢熱的回收利用、高精度溫控器件、以及軍用電源等高新【技術(shù)領(lǐng)域】有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]熱電器件是熱電發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。一個(gè)熱電器件由多個(gè)N型和P型半導(dǎo)體材料制成的熱電元件構(gòu)成。由于單個(gè)熱電元件的電壓很低，所以需要將許多個(gè)N型和P型熱電元件按導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)的方式連接起來(lái)才能獲得較高的電壓，從而構(gòu)成真正可以使用的熱電器件。
[0004]目前主要的熱電器件構(gòu)造為如圖1(a)中所示的形構(gòu)造。如圖1 (a)所示，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，因此這種構(gòu)造主要適用于平板狀熱源的環(huán)境下。
[0005]除了這種傳統(tǒng)的π形構(gòu)造，2002年Weinberg等人提出了可以將熱電器件設(shè)計(jì)成環(huán)形構(gòu)造的設(shè)想(F.J.Weinberg, D.M.Rowe, and G.Min, “Novel high performancesmall-scale thermoelectric power generation employing regenerative combustionsystems”，J.Phys.D: App1.Phys.35 (2002) L61-L63)。如圖1 (b)中所不，n 型和P型環(huán)形中空熱電元件交替沿柱狀熱源同軸排列。這種環(huán)形構(gòu)造適用于非平板狀熱源的環(huán)境，特別是熱流方向沿柱狀熱源的徑向傳輸?shù)沫h(huán)境。
[0006]在2007年，Gao等人根據(jù)該設(shè)想，制造出了一種具有環(huán)形構(gòu)造的Bi2Te3熱電器件(G.Min and D.M.Rowe, “Ring-structured thermoelectric module”，Semicond.Sc1.Technol.22 (2007) 880-883)。如圖2所示，每對(duì)n型和p型環(huán)形中空熱電元件21、22之間放置一層隔離材料23和一個(gè)銅環(huán)。其中，隔離材料23用以實(shí)現(xiàn)每對(duì)熱電元件之間的熱絕緣，而具有一定厚度的銅環(huán)作為電極用以實(shí)現(xiàn)每對(duì)熱電元件之間電連接。其中，銅環(huán)分為兩種，一種為外徑與環(huán)形熱電元件的外徑尺寸一致的外銅環(huán)241，另一種為內(nèi)徑與環(huán)形熱電元件的內(nèi)徑尺寸一致的內(nèi)銅環(huán)242，這兩種銅環(huán)241、242沿軸向方向依次交替排列。
[0007]在Gao等人的設(shè)計(jì)中，由于銅環(huán)241、242與熱電元件21、22直接接觸，沒(méi)有額外的阻擋層，所以在高溫下電極與熱電元件之間將會(huì)出現(xiàn)互擴(kuò)散現(xiàn)象，造成熱電材料的損壞及其熱電性能的惡化。
[0008]此外，如圖2所示，在該設(shè)計(jì)中，作為電極的銅環(huán)241、242位于熱電元件21、22的上下表面，而不是側(cè)壁的曲面之上。由于實(shí)際應(yīng)用中，溫度梯度一般是沿著徑向從環(huán)形熱電元件的外側(cè)壁向內(nèi)側(cè)壁單調(diào)增加或遞減，即外側(cè)壁與內(nèi)側(cè)壁之間的溫差為最大，所以Gao等人的設(shè)計(jì)將不能完全利用環(huán)形熱電元件的內(nèi)外側(cè)壁所產(chǎn)生的溫差，因此將不利于實(shí)現(xiàn)高的熱利用率以及高的熱電轉(zhuǎn)換效率。且迄今為止，除了上述Bi2Te3環(huán)形熱電器件之外，還無(wú)其他環(huán)形熱電器件的報(bào)道。
[0009]另外，方鈷礦作為一種中高溫區(qū)熱電材料，以其優(yōu)良的熱電性能而獲得了人們的廣泛關(guān)注。使用該類(lèi)材料制成的η形熱電單偶，其最大熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10.7%。如果進(jìn)一步將方鈷礦材料與低溫區(qū)熱電材料Bi2Te3制備成級(jí)聯(lián)熱電單偶，則可將熱電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升至 13.5%(M.S.ElGenk, H.H.Saber, and T.Caillat, “Performance testsof skutterudites and segmented thermoelectric converters，，，AIP Conf.Proc.699(2004) 541)。因此，方鈷礦基熱電器件在熱電發(fā)電領(lǐng)域具有很大的潛力。目前，具有傳統(tǒng)的η形構(gòu)造的方鈷礦基熱電器件已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但是環(huán)形的方鈷礦基熱電器件迄今為止還未見(jiàn)報(bào)道，這就使得方鈷礦基熱電器件在非平板狀熱源的環(huán)境下的應(yīng)用收到了很大的限制。
[0010]由上所述，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件，可使得該熱電器件具有高的熱電轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)的使用壽命。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0011]鑒于以上所述，本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種不同于現(xiàn)有構(gòu)造的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件，以克服傳統(tǒng)的H形構(gòu)造熱電器件不適用于非平板狀熱源環(huán)境的限制，而且可大幅度提高該具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件的熱利用率及熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0012]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件，包括:沿軸向依次交替排列的多個(gè)環(huán)形的P型熱電元件和N型熱電元件；設(shè)置于每個(gè)所述P型熱電元件與N型熱電元件之間的環(huán)形的隔離層；連接于每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁上的高溫端電極；連接于相鄰對(duì)的所述P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁上的低溫端電極；以及分別連接于所述熱電器件兩端的高溫端電極或低溫端電極之上的導(dǎo)線(xiàn)。
[0013]根據(jù)本實(shí)用新型，沿軸向依次交替排列地設(shè)置有多個(gè)環(huán)形的P型熱電元件和N型熱電元件，且P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁為高溫端，P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁為低溫端，通過(guò)連接于每對(duì)P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁上的電極形成了熱電器件的高溫端電極，且通過(guò)連接于相鄰對(duì)的P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁上的電極形成為熱電器件的低溫端電極。此外，通過(guò)設(shè)置于每個(gè)P型熱電元件與N型熱電元件之間的環(huán)形的隔離層，可以在這兩種環(huán)形熱電元件之間實(shí)現(xiàn)熱絕緣。并通過(guò)分別連接于該熱電器件的兩端的電極上的導(dǎo)線(xiàn)，與外電路實(shí)現(xiàn)電連接。由此以導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)的方式構(gòu)成了本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件。
[0014]且本實(shí)用新型所提供的結(jié)構(gòu)中電極位于環(huán)形熱電元件的內(nèi)外側(cè)壁曲面上，不同于現(xiàn)有的Bi2Te3環(huán)形熱電器件中電極位于環(huán)形熱電元件上下表面，因此本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)可以最大限度地利用環(huán)形熱電元件內(nèi)外壁所形成的溫差，實(shí)現(xiàn)更大的熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0015]因而，本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件克服了傳統(tǒng)的π形構(gòu)造熱電器件不適用于非平板狀熱源環(huán)境的限制，拓寬了熱電器件的應(yīng)用范圍，而且可大幅度提高熱電器件的熱利用率及熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0016]在本實(shí)用新型中，也可以是，還包括:依次設(shè)置于所述高溫端電極與所述外側(cè)壁之間的焊料層、第一增強(qiáng)結(jié)合層和阻擋層；以及依次設(shè)置于所述低溫端電極與所述內(nèi)側(cè)壁之間的焊錫層和第二增強(qiáng)結(jié)合層。[0017]根據(jù)本實(shí)用新型，通過(guò)該設(shè)置于高溫端電極與外側(cè)壁之間的焊料層與第一增強(qiáng)結(jié)合層，可將高溫端電極與P/N型熱電元件結(jié)合在一起；且通過(guò)設(shè)置阻擋層，可以阻擋熱電元件與高溫端電極之間的反應(yīng)擴(kuò)散。另外，通過(guò)設(shè)置于低溫端電極與內(nèi)側(cè)壁之間的焊錫層與第二增強(qiáng)結(jié)合層，可將低溫端電極與P/N型熱電元件結(jié)合在一起。
[0018]在本實(shí)用新型中，也可以是，所述P型熱電元件和N型熱電元件為方鈷礦基熱電元件。
[0019]根據(jù)本實(shí)用新型，以作為一種中高溫區(qū)熱電材料且具有優(yōu)良的熱電性能的方鈷礦制成熱電器件的P型熱電元件和N型熱電元件，可大幅度提升熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0020]在本實(shí)用新型中，也可以是，各所述P型熱電元件和N型熱電元件的厚度為I?5mm ο
[0021]根據(jù)本實(shí)用新型，P型熱電元件和N型熱電元件的厚度為I?5_，既可以使得熱電元件具有一定的厚度以保證其具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，又可以防止熱電元件過(guò)厚而導(dǎo)致整體器件的熱電轉(zhuǎn)換效率的下降，特別是輸出功率與熱電器件重量比值的降低。
[0022]在本實(shí)用新型中，也可以是，所述隔離層的厚度為0.5?5mm。
[0023]根據(jù)本實(shí)用新型，隔離層的厚度為0.5?5_，既可以具有一定的厚度起到有效隔離相鄰環(huán)形熱電元件之間的熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)的作用，又可以避免隔離層太厚而帶來(lái)的器件整體體積的不必要的增加以及熱量利用效率的降低。
[0024]在本實(shí)用新型中，也可以是，所述P型熱電元件、N型熱電元件和隔離層三者的外徑與內(nèi)徑尺寸均相同，其中內(nèi)徑尺寸為5?20mm,外徑尺寸為10?50mm。
[0025]根據(jù)本實(shí)用新型，上述尺寸設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，既可以充分利用熱源與冷源以形成熱電器件所需的溫差，又可以防止熱電元件側(cè)壁太厚而導(dǎo)致整體器件的熱電轉(zhuǎn)換效率的下降，特別是輸出功率與熱電器件重量比值的降低。。
[0026]在本實(shí)用新型中，也可以是，所述高溫端電極與低溫端電極均為弧形的金屬薄片，其中所述高溫端電極的內(nèi)弧直徑與所述P型熱電元件和N型熱電元件的外徑相同，所述低溫端電極的外弧直徑與所述P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)徑相同。
[0027]根據(jù)本實(shí)用新型，可將高溫端電極有效地配設(shè)在P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁上，且也可將低溫端電極有效地配設(shè)在P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁上，由此可實(shí)現(xiàn)各電極與熱電元件之間的良好電接觸和熱接觸。
[0028]在本實(shí)用新型中，也可以是，每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁上沿周向設(shè)有一段或多段所述高溫端電極，每段所述高溫端電極的內(nèi)圓弧的長(zhǎng)度為所述外側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/18?1/2，所有所述高溫端電極的內(nèi)圓弧的總長(zhǎng)度為所述外側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/8?3/4，且每段所述高溫端電極之間不接觸。
[0029]根據(jù)本實(shí)用新型，上述高溫端電極的內(nèi)圓弧的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，既可以具有一定的長(zhǎng)度以保證熱電材料與電極之間形成良好的熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)，又可以避免長(zhǎng)度太長(zhǎng)而導(dǎo)致的由于高溫端電極與熱電元件之間熱膨脹系數(shù)失配而帶來(lái)的熱應(yīng)力的大幅度增加，以及由此所引起的對(duì)熱電器件造成的損壞。
[0030]在本實(shí)用新型中，也可以是，每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁上沿周向設(shè)有一段或多段所述低溫端電極，每段所述低溫端電極的外圓弧的長(zhǎng)度為所述內(nèi)側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/18?1/2，所有所述低溫端電極的外圓弧的總長(zhǎng)度為所述內(nèi)側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/8?3/4，且每段所述低溫端電極之間不接觸。
[0031]根據(jù)本實(shí)用新型，上述低溫端電極的外圓弧的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，既可以具有一定的長(zhǎng)度以保證熱電材料與電極之間形成良好的熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)，又可以避免長(zhǎng)度太長(zhǎng)而導(dǎo)致的由于低溫端電極與熱電元件之間熱膨脹系數(shù)失配而帶來(lái)的熱應(yīng)力的大幅度增加，以及由此所引起的對(duì)熱電器件造成的損壞。
[0032]在本實(shí)用新型中，也可以是，各所述高溫端電極與低溫端電極的厚度為0.1?2mm ο
[0033]根據(jù)本實(shí)用新型，各高溫端電極與低溫端電極的厚度為0.1?2mm，既可以具有一定的厚度以保證高的力學(xué)強(qiáng)度，又可以防止金屬連接層過(guò)厚而產(chǎn)生的額外的熱損失和因此而增加的不必要的成本。
[0034]本實(shí)用新型可包含權(quán)利要求書(shū)和/或說(shuō)明書(shū)和/或附圖中公開(kāi)的至少兩個(gè)結(jié)構(gòu)的任意組合。尤其是，本實(shí)用新型包含權(quán)利要求書(shū)的各項(xiàng)權(quán)利要求的兩個(gè)以上的任意組合。
[0035]根據(jù)下述【具體實(shí)施方式】并參考附圖，將更好地理解本實(shí)用新型的上述及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1 (a)示出了現(xiàn)有技術(shù)中的π形構(gòu)造的熱電器件；
[0037]圖1 (b)示出了現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)形構(gòu)造的熱電器件；
[0038]圖2示出了現(xiàn)有的Bi2Te3基環(huán)形熱電器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖3為示意性地示出根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施形態(tài)的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件的結(jié)構(gòu)的立體圖；
[0040]圖4 (a)示出了圖3所示的熱電器件的熱電元件的截面圖；
[0041]圖4 (b)示出了圖3所示的熱電器件的隔離層的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]以下結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施形態(tài)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件。圖3為示意性地示出根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施形態(tài)的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件的結(jié)構(gòu)的立體圖；而圖4 (a)示出了圖3所示的熱電器件的熱電元件的截面圖，圖4 (b)示出了圖3所示的熱電器件的隔離層的截面圖。
[0043]如圖3、圖4 Ca)和圖4 (b)所示，本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件，包括沿軸向依次交替排列的多個(gè)環(huán)形的P型熱電元件4和N型熱電元件5。在每個(gè)P型熱電元件4與N型熱電元件5之間設(shè)置有環(huán)形的隔離層3，以在這兩種環(huán)形熱電元件之間實(shí)現(xiàn)熱絕緣。該熱電器件還包括連接于每對(duì)P型熱電元件4和N型熱電元件5的外側(cè)壁上的高溫端電極I和連接于相鄰對(duì)的P型熱電元件4和N型熱電元件5的內(nèi)側(cè)壁上的低溫端電極2.。且在該熱電器件的兩端的高溫端電極或低溫端電極之上分別連接有導(dǎo)線(xiàn)6，以與外電路實(shí)現(xiàn)電連接。
[0044]由此以導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)的方式構(gòu)成了本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件。通過(guò)將該熱電器件整體放置于高溫環(huán)境下，并在其軸向的中心孔洞中通冷卻液體，即可在該環(huán)形熱電器件的外側(cè)壁與內(nèi)側(cè)壁之間形成溫度梯度，并產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，從而將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> [0045]由于本實(shí)用新型所提供的結(jié)構(gòu)中電極1、2位于環(huán)形熱電元件4、5的內(nèi)外側(cè)壁曲面上，不同于現(xiàn)有的Bi2Te3環(huán)形熱電器件中電極位于環(huán)形熱電元件上下表面，因此本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)可以最大限度地利用環(huán)形熱電元件內(nèi)外壁所形成的溫差，實(shí)現(xiàn)更大的熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0046]因而，本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件克服了傳統(tǒng)的π形構(gòu)造熱電器件不適用于非平板狀熱源環(huán)境的限制，拓寬了熱電器件的應(yīng)用范圍，而且可大幅度提高熱電器件的熱利用率及熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0047]在本實(shí)用新型的一實(shí)施形態(tài)中，上述P型熱電元件4和N型熱電元件5可以是具有優(yōu)良的熱電性能的方鈷礦基熱電元件。優(yōu)選地，方鈷礦材料可以為填充方鈷礦、摻雜方鈷礦，和摻雜的填充方鈷礦等。由此，可大幅度提升熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率。且各P型熱電元件和N型熱電元件的厚度可以為I?5mm。
[0048]另外，上述隔離層3的厚度可為0.5?5mm。優(yōu)選地，該隔離層3的材料具有極低的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，以有利于在兩種環(huán)形熱電元件之間實(shí)現(xiàn)熱絕緣。例如，該隔離層3的材料可以為環(huán)形的白云母片。
[0049]且上述P型熱電元件4、N型熱電元件5和隔離層3三者的外徑與內(nèi)徑尺寸均相同，其中內(nèi)徑尺寸可為5?20mm,外徑尺寸可為10?50mm。
[0050]此外，高溫端電極I與低溫端電極2均由導(dǎo)電性?xún)?yōu)良的金屬材料制備而成，其可使用燒結(jié)或焊接的方法制備于環(huán)形熱電元件的內(nèi)外側(cè)壁之上。具體地，各高溫端電極I與低溫端電極2均為弧形的金屬薄片，其中高溫端電極I的內(nèi)弧直徑與P型熱電元件4和N型熱電元件5的外徑相同，而低溫端電極2的外弧直徑與P型熱電元件4和N型熱電元件5的內(nèi)徑相同，由此可實(shí)現(xiàn)各電極1、2與熱電元件4、5之間的良好電接觸和熱接觸。且各高溫端電極I與低溫端電極2的厚度可為0.1?2mm。
[0051]更具體地，每對(duì)P型熱電元件4和N型熱電元件5的外側(cè)壁上沿周向可設(shè)有一段或多段高溫端電極I (在圖3和圖4 (a)所示的實(shí)施形態(tài)中為兩段)，每段高溫端電極I的內(nèi)圓弧的長(zhǎng)度可為P型熱電元件4和N型熱電元件5的外側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/18?1/2，所有高溫端電極I的內(nèi)圓弧的總長(zhǎng)度為該外側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/8?3/4，且每段高溫端電極I之間不接觸，而留有一定的空隙，從而可以減少由于高溫端電極I與熱電元件4、5之間熱膨脹系數(shù)失配而帶來(lái)的熱應(yīng)力，以降低對(duì)熱電器件造成的損壞，進(jìn)而延長(zhǎng)熱電器件的服役時(shí)間。
[0052]相應(yīng)地，每對(duì)P型熱電元件4和N型熱電元件5的內(nèi)側(cè)壁上沿周向可設(shè)有一段或多段低溫端電極2，每段低溫端電極2的外圓弧的長(zhǎng)度為P型熱電元件4和N型熱電元件5的內(nèi)側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/18?1/2，所有低溫端電極2的外圓弧的總長(zhǎng)度為該內(nèi)側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/8?3/4，且每段低溫端電極2之間不接觸，而留有一定的空隙，從而可以減少由于低溫端電極2與熱電元件4、5之間熱膨脹系數(shù)失配而帶來(lái)的熱應(yīng)力，以降低對(duì)熱電器件造成的損壞，進(jìn)而延長(zhǎng)熱電器件的服役時(shí)間。
[0053]另外，在本實(shí)用新型的一實(shí)施形態(tài)中，該熱電器件還可包括依次設(shè)置于高溫端電極I與P型熱電元件4和N型熱電元件5的外側(cè)壁之間的焊料層、第一增強(qiáng)結(jié)合層7和阻擋層8。通過(guò)該焊料層與第一增強(qiáng)結(jié)合層7，可將高溫端電極I與P/N型熱電元件4、5結(jié)合在一起。且通過(guò)設(shè)置阻擋層8，可以阻擋熱電元件4、5與高溫端電極I之間的反應(yīng)擴(kuò)散。[0054]具體地，該阻擋層8可以使用電鍍、磁控濺射、等離子噴涂的方法沉積在熱電元件
4、5的外側(cè)壁上。由此，在服役溫度下，該阻擋層8與高溫端電極I和熱電元件4、5之間均反應(yīng)非常緩慢甚至無(wú)反應(yīng)發(fā)生，從而可以避免高溫下高端端電極I與熱電元件4、5之間的互擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而使得熱電器件具有更長(zhǎng)的服役時(shí)間。優(yōu)選地，阻擋層8可以為T(mén)i層或Ti基合金層，厚度可為10?100 μ m。
[0055]此外，該熱電器件還可包括依次設(shè)置于低溫端電極2與P型熱電元件4和N型熱電元件5的內(nèi)側(cè)壁之間的焊錫層和第二增強(qiáng)結(jié)合層9。通過(guò)該焊錫層與第二增強(qiáng)結(jié)合層9，可將低溫端電極2與P/N型熱電元件4、5結(jié)合在一起。
[0056]以下更具體地說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件的一實(shí)施例。實(shí)施例
[0057]在本實(shí)施例的熱電器件中，P型熱電元件4選用CeFe3Co1Sb12, N型熱電元件5選用YbQ.3Co4Sb12。該P(yáng)/N型環(huán)形熱電元件的外側(cè)壁為高溫端，內(nèi)側(cè)壁為低溫端。
[0058]在高溫端電極I與P/N型環(huán)形熱電元件4、5之間依次有焊料層和第一增強(qiáng)結(jié)合層7與阻擋層8，其中焊料層8與第一增強(qiáng)結(jié)合層7用于將高溫端電極I與P/N型環(huán)形熱電元件4、5結(jié)合在一起，阻擋層8用以阻止高溫端電極I與熱電材料之間在服役條件下的互擴(kuò)散。
[0059]而在低溫端電極2與P/N型環(huán)形熱電元件4、5之間依次有焊錫層和第二增強(qiáng)結(jié)合層9，其中焊錫層和第二增強(qiáng)結(jié)合層9用于將低溫端電極2與P/N型環(huán)形熱電元件4、5結(jié)合
在一起。
[0060]使用環(huán)形白云母片作為隔離層3，被放置于P型環(huán)形熱電元件4和N型環(huán)形熱電元件5之間，用以在兩種環(huán)形熱電元件之間實(shí)現(xiàn)熱絕緣。
[0061]且在該環(huán)形熱電器件兩端的電極(在本實(shí)施例中為環(huán)形熱電器件兩端的高溫端電極)上，引出導(dǎo)線(xiàn)6，與外電路實(shí)現(xiàn)電連接。這樣構(gòu)成了導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)的具有環(huán)形構(gòu)造的方鈷礦基熱電發(fā)電器件。
[0062]本實(shí)施例中的P/N型環(huán)形方鈷礦基熱電元件4、5與作為環(huán)形隔離層的白云母片3的內(nèi)徑均為8mm,外徑均為15mm,厚度均為2.5mm。
[0063]在本實(shí)施例中，阻擋層8選用Ti，厚度為10 μ m，通過(guò)磁控濺射直接沉積于環(huán)形熱電元件4、5的外側(cè)壁上。
[0064]高溫端電極I選用Mo5ciCu5ci合金，厚度為0.5mm，共兩段，每段的弧長(zhǎng)為環(huán)形熱電元件4、5的外圈周長(zhǎng)的1/4。高溫端電極I與阻擋層8之間通過(guò)焊料層與第一增強(qiáng)結(jié)合層7相連接。焊料層選用Ag-Cu焊片，厚度為0.1mm，其中Ag元素的質(zhì)量百分含量為60%，其余為Cu及少量不可避免的雜質(zhì)Zn或Bi。第一增強(qiáng)結(jié)合層選用Ni，厚度為10 μ m,通過(guò)電鍍的方法沉積于阻擋層8之上。
[0065]低溫端電極2選用Mo5ciCu5ci合金，厚度為0.5mm,共兩段，每段的弧長(zhǎng)為環(huán)形熱電元件4、5的內(nèi)圈周長(zhǎng)的1/4。低溫端電極2與環(huán)形熱電元件4、5的內(nèi)側(cè)壁通過(guò)焊錫層與第二增強(qiáng)結(jié)合層9連接。其中第二增強(qiáng)結(jié)合層選用Ni，厚度為10 μ m，通過(guò)電鍍的方法直接沉積于環(huán)形熱電元件4、5的內(nèi)側(cè)壁之上；焊錫層選用Sn-Pb焊料，其中Sn元素的質(zhì)量百分含量為40%,其與為Pb以及少量不可避免的雜質(zhì)Zn或Ag。[0066]在不脫離本實(shí)用新型的基本特征的宗旨下，本實(shí)用新型可體現(xiàn)為多種形式，因此本實(shí)用新型中的實(shí)施形態(tài)是用于說(shuō)明而非限制，由于本實(shí)用新型的范圍由權(quán)利要求限定而非由說(shuō)明書(shū)限定，而且落在權(quán)利要求界定的范圍，或其界定的范圍的等價(jià)范圍內(nèi)的所有變化都應(yīng)理解為包括在權(quán)利要求書(shū)中。
【權(quán)利要求】
1.一種具有環(huán)形構(gòu)造的熱電器件，其特征在于，包括: 沿軸向依次交替排列的多個(gè)環(huán)形的P型熱電元件和N型熱電元件； 設(shè)置于每個(gè)所述P型熱電元件與N型熱電元件之間的環(huán)形的隔離層； 連接于每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁上的高溫端電極； 連接于相鄰對(duì)的所述P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁上的低溫端電極；以及 分別連接于所述熱電器件兩端的高溫端電極或低溫端電極上的導(dǎo)線(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，還包括: 依次設(shè)置于所述高溫端電極與所述外側(cè)壁之間的焊料層、第一增強(qiáng)結(jié)合層和阻擋層；以及 依次設(shè)置于所述低溫端電極與所述內(nèi)側(cè)壁之間的焊錫層和第二增強(qiáng)結(jié)合層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，所述P型熱電元件和N型熱電元件為方鈷礦基熱電元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，各所述P型熱電元件和N型熱電元件的厚度為I?5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，所述隔離層的厚度為0.5?5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，所述P型熱電元件、N型熱電元件和隔離層三者的外徑與內(nèi)徑尺寸均相同，其中內(nèi)徑尺寸為5?20mm,外徑尺寸為10?50mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，所述高溫端電極與低溫端電極均為弧形的金屬薄片，其中所述高溫端電極的內(nèi)弧直徑與所述P型熱電元件和N型熱電元件的外徑相同，所述低溫端電極的外弧直徑與所述P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)徑相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的外側(cè)壁上沿周向設(shè)有一段或多段所述高溫端電極，每段所述高溫端電極的內(nèi)圓弧的長(zhǎng)度為所述外側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/18?1/2，所有所述高溫端電極的內(nèi)圓弧的總長(zhǎng)度為所述外側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/8?3/4，且每段所述高溫端電極之間不接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，每對(duì)所述P型熱電元件和N型熱電元件的內(nèi)側(cè)壁上沿周向設(shè)有一段或多段所述低溫端電極，每段所述低溫端電極的外圓弧的長(zhǎng)度為所述內(nèi)側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/18?1/2，所有所述低溫端電極的外圓弧的總長(zhǎng)度為所述內(nèi)側(cè)壁的周長(zhǎng)的1/8?3/4，且每段所述低溫端電極之間不接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其特征在于，各所述高溫端電極與低溫端電極的厚度為0.1?2_。
【文檔編號(hào)】H01L35/10GK203721772SQ201420052870
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】仇鵬飛, 黃向陽(yáng), 陳立東, 顧明, 史迅, 唐云山, 王超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所