[發(fā)明專(zhuān)利]一種層疊結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011371037.7
• 申請(qǐng)日: 2020-11-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112289918A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘鋒;鄧元
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院
• 主分類(lèi)號(hào): H01L35/32
• 分類(lèi)號(hào): H01L35/32;H01L35/30;H01L35/34
• 代理公司: 北京細(xì)軟智谷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11471
• 代理人: 劉靜培

本發(fā)明涉及一種層疊結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置及其制備方法，所述溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的熱電材料層、絕緣粘接層、頂部電極和底部電極、頂部絕緣層和底部絕緣層、絕緣絕熱封裝層，所述溫差發(fā)電裝置具有較長(zhǎng)的熱電臂長(zhǎng)度，有利于拉大溫差，可用于空氣自然散熱的溫差發(fā)電環(huán)境。N型和P型熱電材料之間沒(méi)有空隙，單位面積內(nèi)熱電材料的占比大，有效降低溫差發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)內(nèi)阻和熱阻，提高發(fā)電效率；采用簡(jiǎn)單邊沿封裝就能消除濕氣腐蝕等問(wèn)題；N型和P型熱電材料之間的導(dǎo)電連接采用簡(jiǎn)單的噴涂或?yàn)R射工藝，連接電極的絕緣粘接層較薄，能極大地降低傳熱面的熱阻。所述溫差發(fā)電裝置的傳熱面可加工成任何形狀，有效貼合曲面熱源，獲得最大溫差發(fā)電效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱電器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種層疊結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置及其制備方法。

背景技術(shù)

溫差發(fā)電模塊是一種利用半導(dǎo)體熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，具有無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠、輕便等特點(diǎn)，可利用各種能源，包括固、液、氣態(tài)燃料、太陽(yáng)能、核能、人體發(fā)熱以及各種設(shè)備的廢熱、余熱等為用電設(shè)備和裝置提供電力，適用于航天、軍事、勘探、便攜設(shè)備、無(wú)源傳感器等領(lǐng)域。

目前的溫差發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)和制作方法，通常是將P型和N型熱電材料切成設(shè)計(jì)尺寸的顆粒，顆粒兩端鍍上電極。在陶瓷基板上制備連接電極，并將P/N顆粒擺放在陶瓷基板電極上后用焊料將P型和N型顆粒按照導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)的方式焊接構(gòu)成熱電器件。顆粒陣列上下兩個(gè)陶瓷基板形成了溫差發(fā)電片的冷面和熱面，將熱面接觸熱源，冷面接觸冷源(如風(fēng)冷散熱片、冷卻循環(huán)水散熱片等)，就可以從器件的兩輸出端獲得輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。該類(lèi)溫差發(fā)電模塊的具體結(jié)構(gòu)和制作方法參見(jiàn)專(zhuān)利200610130263.X，CN101409324A，CN201408783Y等。

然而，由于現(xiàn)有的溫差發(fā)電模塊是由P型和N型熱電材料顆粒通過(guò)陣列方式組裝的形成的。主要存在以下幾個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：(1)目前的溫差發(fā)電模塊由于P型和N型熱電材料顆粒之間絕緣的需要，顆粒間會(huì)留出毫米級(jí)空隙，使得單位面積熱電材料的占比不高，不僅熱流傳遞效率受到損失，而且增加了發(fā)電模塊的內(nèi)阻。空隙的存在容易導(dǎo)致潮濕環(huán)境中潮氣在器件內(nèi)部聚集，引起熱電材料腐蝕損壞失效。因此溫差發(fā)電模塊需要特殊封裝，增加了制作成本。(2)為了獲得結(jié)構(gòu)支撐和電極之間絕緣，熱電材料顆粒兩端分別焊接在沉積有金屬電極的陶瓷基片上。由于陶瓷的熱導(dǎo)系數(shù)不高，一定厚度的陶瓷基片會(huì)產(chǎn)生熱阻影響發(fā)電模塊的發(fā)電效率。由于加工工藝的限制，陶瓷基片一般是平面結(jié)構(gòu)，限制了發(fā)電模塊在曲面熱源情況下的應(yīng)用。(3)利用空氣自然散熱方式的溫差發(fā)電模塊通常需要較長(zhǎng)的熱電臂來(lái)獲得足夠的溫差。現(xiàn)有溫差發(fā)電模塊是由P型和N型熱電材料顆粒排列焊接而成的，熱電材料顆粒的高度(熱電臂長(zhǎng)度)一般都在毫米數(shù)量級(jí)，因此不能在空氣自然散熱條件下實(shí)現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。現(xiàn)有熱電材料顆粒長(zhǎng)度只有毫米數(shù)量級(jí)的主要原因是熱電材料都比較脆，很難切割加工成細(xì)長(zhǎng)條，并且細(xì)長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)的熱電材料很難采用現(xiàn)有的技術(shù)組裝成器件，并具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。盡管采取多級(jí)發(fā)電片疊加的方式可以等效增加熱電臂的長(zhǎng)度，拉大溫差。但是由于每級(jí)發(fā)電片的熱電材料片都安裝在陶瓷基片上，陶瓷基片會(huì)增加裝置重量和體積。而且每層陶瓷板會(huì)增加器件的縱向熱阻，嚴(yán)重降低系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種層疊結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置及其制備方法。本發(fā)明所述層疊結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置，單個(gè)器件具有較長(zhǎng)的熱電臂長(zhǎng)度，有利于拉大溫差，可用于空氣自然散熱的溫差發(fā)電環(huán)境。N型和P型熱電材料之間沒(méi)有空隙，增加單位面積內(nèi)熱電材料的占比，能有效降低溫差發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)內(nèi)阻和熱阻，提高發(fā)電效率；采用簡(jiǎn)單的邊沿封裝就能消除濕氣腐蝕等問(wèn)題；N型和P型熱電材料之間的導(dǎo)電連接采用簡(jiǎn)單的噴涂或?yàn)R射工藝，連接電極的絕緣粘接層較薄，能極大地降低傳熱面的熱阻。本發(fā)明所述溫差發(fā)電裝置的傳熱面可以加工成任何形狀，能夠有效貼合曲面熱源，獲得最大溫差發(fā)電效率。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種層疊結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)包括：