具有微凸臺(tái)陣列熱端的平面型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
本發(fā)明涉及一種溫差發(fā)電裝置，尤其是涉及一種具有微凸臺(tái)陣列熱端的平面型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]溫差發(fā)電技術(shù)是一種基于塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)，將P型熱電臂和N型熱電臂連接起來(lái)構(gòu)成熱電偶，一端置于熱端，另一端置于冷端，由于熱激發(fā)作用，高溫端的空穴和電子濃度比低溫端高，載流子由高溫端向低溫端移動(dòng)，形成電動(dòng)勢(shì)。單個(gè)熱電偶的輸出電壓很小，將許多熱電偶通過(guò)電極串聯(lián)連接組成熱電模塊，就可獲得足夠高的電壓，根據(jù)實(shí)際情況將多個(gè)模塊進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)形成溫差發(fā)電器。
[0003]溫差發(fā)電器熱量的傳導(dǎo)方向取決于熱電臂和熱源的布置方式，根據(jù)熱量傳導(dǎo)方向與熱電材料平面之間的相互關(guān)系，溫差發(fā)電器可分為垂直(Cross-plane)型和平面(In-plane)型兩種結(jié)構(gòu)。依據(jù)熱電臂的尺寸大小，溫差發(fā)電器可分為微型溫差發(fā)電器和體溫差發(fā)電器兩種類(lèi)型。
[0004]垂直微型溫差發(fā)電器熱流方向與熱電材料表面垂直，在此結(jié)構(gòu)中，所有的薄膜熱電臂單元豎直排列在上下兩層襯底之間，襯底一端是熱端，另一端是冷端。其熱電功率的大小與熱電臂截面積成正比，與熱電臂長(zhǎng)度成反比，因此可以利用熱電臂的幾何尺寸來(lái)提高熱電電壓。垂直微型溫差發(fā)電器優(yōu)點(diǎn)是小溫差下就可以實(shí)現(xiàn)高電壓、高功率輸出，缺點(diǎn)是這些器件僅有幾微米厚，難以在單層熱電臂薄膜材料兩側(cè)建立較大溫差，因此難以獲得較高功率密度值，且其制造工藝復(fù)雜，熱轉(zhuǎn)換效率低。
[0005]平面微型溫差發(fā)電器熱流方向與熱電材料表面平行，在此結(jié)構(gòu)中，所有的薄膜熱電臂單元水平放置排列在上下兩層襯底之間，沿薄膜熱電臂單元水平放置方向一側(cè)是熱端，另一側(cè)是冷端。相比于垂直微型溫差發(fā)電器，平面微型溫差發(fā)電器沿導(dǎo)熱方向熱電臂長(zhǎng)度大大增加，因此容易在冷熱兩端建立較大溫差；同時(shí)，沿導(dǎo)熱方向熱電臂的長(zhǎng)度與底面積之比大大增加，因而可獲得較高的功率密度值，有效提升其能量轉(zhuǎn)換效率。但同時(shí)，該類(lèi)溫差發(fā)電器面臨的問(wèn)題是存在襯底熱漏現(xiàn)象，部分熱量容易從襯底散失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種具有微凸臺(tái)陣列熱端的平面型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用了微凸臺(tái)陣列的熱端基底，可有效增加熱傳導(dǎo)效率；該結(jié)構(gòu)可從下到上逐層安裝，裝配工藝簡(jiǎn)單；且沿導(dǎo)熱方向，熱電臂的長(zhǎng)度與底面積之比大大增加，可獲得較高的功率密度值，有效提升其能量轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)易實(shí)現(xiàn)多個(gè)P、N型熱電臂的串聯(lián)或并聯(lián)，以滿足對(duì)不同外部負(fù)載的供電要求。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明從上至下依次包括熱端基底，孔內(nèi)裝有熱端導(dǎo)熱片的絕熱層，嵌有P型熱電臂和N型熱電臂的熱電臂支撐塊和孔內(nèi)裝有絕熱塊和開(kāi)有水冷通道的冷端基底。
[0008]所述熱端基底位于平面型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的頂部，熱端基底的下表面每行等距排列、且每行均等距設(shè)有微凸臺(tái)，熱端基底的下表面的微凸臺(tái)經(jīng)各自的熱端導(dǎo)熱片一一對(duì)應(yīng)嵌入絕熱層的方孔中，所述微凸臺(tái)和熱端導(dǎo)熱片位于P型熱電臂和N型熱電臂交界處的正上方。
[0009]所述P型熱電臂和N型熱電臂依次間隔多行排列，水平放置在熱電臂支撐塊的凹槽內(nèi)；熱電臂支撐塊底面開(kāi)有與熱電臂支撐塊的凹槽垂直、且等分分布的多列凹糟，多列凹糟內(nèi)均裝有冷端導(dǎo)熱片，冷端導(dǎo)熱片設(shè)置在與熱端導(dǎo)熱片位置相鄰的P型熱電臂和N型熱電臂交界處的正下方。
[0010]所述冷端基底的上表面每行等距排列、且每行均設(shè)有不貫通的方孔，每個(gè)不貫通的方孔內(nèi)均裝有冷端導(dǎo)熱片，每列不貫通的方孔間等距開(kāi)有水冷通道，水冷通道上覆蓋有對(duì)應(yīng)的冷端導(dǎo)熱片。
[0011]所述熱端基底微凸臺(tái)的行數(shù)和列數(shù)、絕熱層方孔的行數(shù)和列數(shù)、熱電臂支撐塊的行數(shù)和冷端基底不貫通的方孔的行數(shù)和列數(shù)均相等。
[0012]設(shè)置絕熱層保證熱量沿?zé)岫嘶椎奈⑼古_(tái)經(jīng)熱端導(dǎo)熱片傳導(dǎo)至P型熱電臂和N型熱電臂交界處的正上方，防止熱量沿橫向散失；絕熱塊的面積大于熱端基底的微凸臺(tái)面積，保證熱量沿P型熱電臂和N型熱電臂水平放置方向進(jìn)行左右橫向傳導(dǎo)，防止熱量沿豎直方向散失。
[0013]本發(fā)明具有的有益效果是:
1.該發(fā)電結(jié)構(gòu)采用微凸臺(tái)陣列對(duì)的熱端基底，能夠有效增加熱傳導(dǎo)效率；
2.該發(fā)電結(jié)構(gòu)可由下至上逐層安裝，裝配工藝簡(jiǎn)單；
3.該發(fā)電結(jié)構(gòu)絕熱塊的設(shè)計(jì)，有效保證了熱量沿?zé)犭姳鬯椒胖梅较蜻M(jìn)行橫向傳導(dǎo)，防止了沿豎直方向散失；
4.該發(fā)電結(jié)構(gòu)熱流方向與熱電材料表面平行，相比于垂直型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)，其沿導(dǎo)熱方向熱電臂的長(zhǎng)度與底面積之比大大增加，因而可獲得較高的功率密度值，有效增加其能量轉(zhuǎn)換效率；
5.該發(fā)電結(jié)構(gòu)每一行的P型熱電臂和N型熱電臂串聯(lián)形成一個(gè)發(fā)電模塊，串聯(lián)后每一行的發(fā)電模塊可根據(jù)熱電臂的布置形式和側(cè)面導(dǎo)電片的連接位置合理地進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，滿足對(duì)不同外部負(fù)載的供電要求；
6.該發(fā)電結(jié)構(gòu)的大小取決于熱電臂行數(shù)和每一行P型熱電臂和N型熱電臂的數(shù)量，而熱電臂行數(shù)、每一行P型熱電臂和N型熱電臂的數(shù)量及對(duì)應(yīng)其它零件的數(shù)目和大小，可根據(jù)外部負(fù)載需電量要求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)和改變，因此該發(fā)電結(jié)構(gòu)靈活變換，更具有普遍性。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)原理圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的俯視圖。
[0016]圖3是圖1的A-A剖視圖。
[0017]圖4是圖3的B-B剖視圖。
[0018]圖5是圖3的C-C剖視圖。
[0019]圖6是本發(fā)明的熱流流向圖。
[0020]圖7是本發(fā)明的單行發(fā)電模塊并聯(lián)示意圖。
[0021]圖8是本發(fā)明的單行發(fā)電模塊串聯(lián)示意圖。
[0022]圖中:1.熱端基底，2.絕熱層，3.熱端導(dǎo)熱片，4.P型熱電臂，5.N型熱電臂，6.導(dǎo)電片，7.熱電臂支撐塊，8.冷端導(dǎo)熱片，9.絕熱塊，10.水冷通道，11.冷端基底。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明從上至下依次包括熱端基底1，孔內(nèi)裝有熱端導(dǎo)熱片3的絕熱層2，嵌有P型熱電臂4和N型熱電臂5的熱電臂支撐塊7和孔內(nèi)裝有絕熱塊8和開(kāi)有水冷通道10的冷端基底11。這種具有微凸臺(tái)陣列熱端的平面型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)可由下至上逐層安裝，具有裝配工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
[0025]如圖1、圖2、圖3所示，熱端基底I位于平面型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的頂部，熱端基底I的下表面每行等距排列、且每行均等距設(shè)有微凸臺(tái)，熱端基底I的下表面的微凸臺(tái)經(jīng)各自的熱端導(dǎo)熱片3 —一對(duì)應(yīng)嵌入絕熱層2的方孔中，所述微凸臺(tái)和熱端導(dǎo)熱片3位于P型熱電臂4和