一种高热电转换效率的混联式温差发电片的制作方法

本实用新型涉及温差发电技术领域，具体涉及一种高热电转换效率的混联式温差发电片。

背景技术：

温差发电片是一种能够将热能直接转换为电能的半导体组件，其基础理论是热电效应，关键技术包括：热电材料的研发与制备，以及热电偶阵列的设计与制造。现有的温差发电片一般采取三层结构，上下两层是绝缘片覆盖的冷端面和热端面，工作时分别接触冷源和热源，中间层设置多组串联连接的热电偶，是进行热电转换的元件。热电偶的臂采取条块状的n型和p型半导体材料制作，高度相同且直立设置，工作时起到导电电路和导热热路的双重作用。热电偶臂的两个顶端分别用金属导流片交错连接，形成热电偶回路的冷接点和热接点，全部冷接点形成温差发电片的冷端面，全部热接点形成温差发电片的热端面。因而，温差发电片的电路是串联连接，而热路是并联连接的。

温差发电片是热电转换装置的核心元件。热电转换效率是其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(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)。目前，温差发电片的热电转换效率仅为4.5％左右，是实际应用中的最大障碍，为了解决这一问题，科技界一直在研发高性能的热电材料，用于制作热电偶臂，但至今的研发成果尚无明显的进展。究其原因是要求一种热电材料同时满足塞贝克系数高、电阻小而且导热系数小三个条件极为困难。此外，现有技术中，温差发电片的结构缺陷也使其热电转换效率难以提高，原因是：(1)温差发电片的热电偶全部采取串联连接，优点是电路比较简单、电压可以叠加提高，缺点是内电阻很大，导致了电量的无功损耗；(2)全部热电偶臂的两端分别接触冷端面和热端面，形成了导热热路的并联连接，由于温差的存在，热电偶臂的冷端与热端之间不可避免地产生极大的导热量，造成热端吸热量的无功损耗。

技术实现要素：

为了克服以上现有技术的不足，本实用新型提供一种高热电转换效率的混联式温差发电片。本实用新型的温差发电片从结构设计出发，具有输出(工作)电流大、外特性好，而且热电转换效率显著提高的特点。

本实用新型采用以下技术方案实现：

本实用新型高热电转换效率的混联式温差发电片(简称：温差发电片)仍保持现有温差发电片的外形尺寸、热电材料以及热电偶臂阵列的规模不变。温差发电片的热端面(热面)仍然完全接触热源，以保证最大限度地从热源吸取热量。冷端面(冷面)的改变原则是只允许部分表面积接触冷源，即通过减少冷面的导热面积减少传递的热量。同时，提供一种新型的具有多接点的混联式热电偶组合单元，解决了现有技术中电路完全是串联连接，而且热路完全是并联连接所引起的问题，从而达到提高热电转换效率的目的。具体地：

(1)根据传热学原理，沿固体的传热量与其两端的温差、导热系数、导热面积成正比，与导热距离成反比。因而，本实用新型将温差发电片的冷端面划分为冷却区域和非冷却区域。冷却区域需要与冷源接触，而非冷却区域不需要与冷源接触，这两种区域之间相互分隔无热量的传递。冷却区域面积越小，热端面的吸热量经过热电偶臂传入冷端面的总热量就越少。

(2)根据电工学原理，热电偶臂的电阻与其电阻率和长度成正比，与其截面积成反比；热电偶回路的基本原理指出，多个热电偶组合单元的热接点并联使用可以提高热电转换的电流值。因而，本实用新型将热电偶臂设计为短臂和长臂两种尺寸，它们的截面积相等但高度不同，短臂的电阻值小于长臂的电阻值，全部热电偶臂的总电阻值得以降低。热电偶组合单元采取短臂组合和长臂组合的形式构建热电偶回路，其中，每一对n型材料短臂组合和p型材料短臂组合相连接，形成热电偶组合单元的二个热接点，每一对n型材料长臂组合与p型材料长臂组合的热端连接形成热电偶组合单元的另外一个热接点，热接点只受热源加热而无需冷源的冷却，因而具有相同的温度，一个热电偶组合单元可以有多个热接点并且进行并联连接；而长臂组合的冷端分别与相邻单元的异型材料长臂组合的冷端相连接，形成热电偶组合单元的二个冷接点，冷接点需要冷源的冷却。在热电偶臂组合阵列规模不变的条件下，本实用新型增加了热接点的数量，减少了冷接点的数量。

(3)本实用新型提出电路和热路协同设计的原则，将热电偶臂组合按功能分别设置在冷却区域和非冷却区域内。非冷却区域中设置的热电偶臂组合全部为短臂的组合；冷却区域中，设置的热电偶臂组合为长臂与短臂的组合，其中，长臂的高度不变，其电阻值和导热功能也不变，作为热路仍然保持并联连接，满足形成工作温差的要求。在冷却区域和非冷却区域之间，属于同一个的热电偶组合单元内的相同类型材料的短臂组合与长臂组合由金属导流片串联连接，是热电偶组合电源内的串联环节，使电流和热流由热接点流向冷接点，构成一个基本的热电偶回路；而相邻热电偶组合单元的冷接点通过金属导流片串联连接，形成一个整体的热电偶电路和热路。实现了降低电阻、减小导热量、适当地降低电压增加电流、保持总功率不变的特点，是一种面向工程应用的高效率的温差发电片。

具体地：

一种高热电转换效率的混联式温差发电片，包括：冷端面、热端面和位于冷端面和热端面之间的热电偶组合单元，其中：

所述冷端面划分为冷却区域和非冷却区域，冷却区域与冷源接触，非冷却区域不与冷源接触；所述热端面完全接触热源；

所述热电偶组合单元采取短热电偶臂组合和长热电偶臂组合的形式构建热电偶的并联与串联回路，所述热电偶组合单元相当于一个或多个并联连接的简单热电偶；

所述混联式温差发电片包括多个热电偶组合单元，从混联式温差发电片的中心线两侧，各纵向设置多列热电偶组合单元，不同列热电偶组合单元之间由转向金属导流片串联连接，形成一个整体的热电偶转换电路。

优选地，热电偶组合单元采取短热电偶臂组合和长热电偶臂组合的形式构建热电偶的并联与串联回路，具体包括：每一对n型材料短臂组合和p型材料短臂组合相连接，形成热电偶组合单元的二个热接点，每一对n型材料长臂组合与p型材料长臂组合的热端连接形成热电偶组合单元的另外一个热接点，热接点只受热源加热而无需冷源的冷却；而长臂组合的冷端分别与相邻单元的异型材料长臂组合的冷端相连接，形成热电偶组合单元的二个冷接点，冷接点需要冷源的冷却。

优选地，所述温差发电片冷面可以设有一个或多个冷却区域，以及一个或多个非冷却区域。而且冷却区域越小、非冷却区域越大，通过温差发电片的热量损耗就越小，热电转换效率就越高。

优选地，所述温差发电片外围设有封装隔热框，开有电路引出线接头槽，在冷却区域和非冷却区域之间设置有上直框条和下直框条，上直框条和下直框条由耐高温的绝热材料制造。上直框条开有贯通槽和转向槽，下直框条为独立部件，配合上直框条一同使用。

优选地，非冷却区域上覆盖有隔热板，隔热板为耐高温的绝热材料制成，隔热板的上面为阶梯形结构，下面是平面结构，下面与封装隔热框以及上直框条和下直框条一起形成热接点的安装空间。

优选地，所述温差发电片的热电偶臂由不同类型的半导体材料制造，采取并联与串联的方式连接，采取组合的方式使用。

优选地，所述混联式温差发电片的多个热电偶组合单元的长热电偶臂组合和短热电偶臂组合组成热电偶臂组合阵列，所述热电偶臂组合阵列以混联式温差发电片的中心线为基准，不同类型的热电偶臂组合反向对称；相邻行及相邻列中的热电偶臂组合交错布置。

优选地，所述温差发电片的热电偶臂采取长、短两种高(长)度，短热电偶臂的电阻值小于长热电偶臂的电阻值，而且短热电偶臂的长度越短对提高热电转换效率越有利。

优选地，所述温差发电片的短热电偶臂组合(短臂组合)由同类型材料的短热电偶臂上下叠加、中间设置金属导流片而构成；长热电偶臂组合(长臂组合)由同类型材料的长热电偶臂和短热电偶臂上下叠加、中间设置金属导流片而构成。

优选地，所述温差发电片采取长、短两种不同尺寸的金属导流片。短金属导流片用于连接一对n型材料热电偶臂组合和p型材料热电偶臂组合，长金属导流片用于连接相同类型材料的热电偶臂组合。

优选地，所述温差发电片的一个热电偶组合单元所有的热电偶臂组合按功能设置在冷却区域和非冷却区域内。设置在冷却区域内的n型材料热电偶臂组合和p型材料热电偶臂组合都为长热电偶臂组合，长热电偶臂组合的热端面接触热源、冷端面接触冷源；设置在非冷却区域内的n型材料热电偶臂组合和p型材料热电偶臂组合都由短热电偶臂构成，短热电偶臂组合只被热源加热，不被冷源冷却。相同类型材料的短热电偶臂组合与长热电偶臂组合由长金属导流片串联连接。

优选地，所述混联式温差发电片的热端面是一个平面，各金属导流片连接形成的热接点都是并联连接，而且所有的热接点温度相同。热端面设置有下直框条，与封装隔热框和上直框条一起形成热接点的安装空间。

优选地，所述温差发电片的一对n型材料与p型材料的短热电偶臂，由短金属导流片连接，形成一个热电偶组合单元的热接点，一个热电偶组合单元内可以有一对或多对热接点，多个热接点并联连接。热接点数量的多少以及短热电偶臂的尺寸，决定温差发电片输出电流值的大小。

优选地，所述温差发电片的一对n型材料与p型材料的长热电偶臂组合，它们的热端受到热源的加热，冷端受到冷源的冷却。一个热电偶组合单元内可以有一对或多对长热电偶臂组合，相同材料的长热电偶臂组合并联连接。属于相邻热电偶组合单元的一对异型材料的长热电偶臂组合的冷端由短金属导流片连接，形成一个热电偶组合单元的冷接点，冷接点串联连接。串联连接的冷接点数量的多少以及长热电偶臂的尺寸，决定温差发电片输出电压值的大小。优选地，所述温差发电片的中心线两侧，各纵向设置热电偶组合单元阵列，同列的热电偶组合单元由短转向金属导流片串联连接，不同列的热电偶组合单元由长转向金属导流片或短转向金属导流片串联连接。

优选地，所述温差发电片采取长、短两种不同尺寸的转向金属导流片。长转向金属导流片连接相邻的热电偶组合单元列中位置相隔的异型材料的长热电偶臂组合；短转向金属导流片连接相邻的热电偶组合单元列中位置相邻的异型材料的长热电偶臂组合。两种转向金属导流片的连接都形成冷接点，并将多列热电偶组合单元连接成为一个整体热电转换电路。

优选地，所述温差发电片冷面可以覆盖有绝缘板，热面也可以覆盖有绝缘板。

优选地，所述温差发电片技术也可用于温差制冷片的设计。

本实用新型相对于现有技术具有以下优点：

(1)申请人发现：从结构设计方面，提高温差发电片转换效率的方向为：减小热电偶阵列的总电阻以减小输出电量的损耗，同时减少通过热电偶臂的导热量以降低热量的损耗。因而，本实用新型以现有的热电材料为基础，改变温差发电片的电路和热路结构设计，对于提高温差发电片的热电转换效率具有重要的意义。

(2)在温差发电片的冷面设置冷却区域和非冷却区域，其中：非冷却区域中的热电偶臂无需冷却，极大地降低了通过导热产生的热量损耗。

(3)采取长、短两种长度的热电偶臂组合以及长、短两种长度的金属导流片，构建电路和热路相协同的多接点混联式热电偶组合单元，增加了热接点的数量且减少了冷接点的数量，降低了总电阻，使热电转换效率得到了显著地提高。

(4)温差发电片的输出电压合理地下降，但输出电流相应地增加，总的输出功率不变，具有良好的输出功率特性。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例中温差发电片的结构图(立体图、冷面视图)。

图2是本实用新型一个实施例中温差发电片的热电偶臂组合阵列布置图(冷面视图)。

图3是本实用新型一个实施例中温差发电片的热电偶组合单元结构图(立体图)。

图4是本实用新型一个实施例中温差发电片的冷面连接图(冷面视图)。

图5是本实用新型一个实施例中温差发电片的热面连接图(热面视图)。

图6是本实用新型一个实施例中温差发电片的封装隔热框图(冷面视图)。

其中：a、温差发电片的冷却区域(区域a)；b、温差发电片的非冷却区域(区域b)；l(行号，列号)、热电偶臂组合编号；c(行号，列号)、热电偶臂组合单元编号；e、热电偶组合单元；n(行号，列号)、冷面导流片编号；m(行号，列号)、热面导流片编号；t0、温差发电片中心线；1、电路引出线接头(正极)；2、电路引出线接头(负极)；3、冷面隔热板；4、封装隔热框；5、n型材料长热电偶臂(n型长臂)；6、n型材料短热电偶臂(n型短臂)；7、p型材料长热电偶臂(p型长臂)；8、p型材料短热电偶臂(p型短臂)；9、长金属导流片；10、短金属导流片；11、长转向金属导流片；12、短转向金属导流片；13、电路引出线接头槽；14、上直框条；15、贯通槽；16、转向槽；17、下直框条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型的实施方式并不限于此。

图1所示为温差发电片结构的冷面视图。其中，温差发电片的上端面是它的冷面，冷面是直接接触冷源受到冷却的工作面。冷面以温差发电片中心线t0为基准，对称地分为七个区域(如图2)：四个冷却区域a和三个非冷却区域b，冷却区域a的总面积和非冷却区域b的总面积相等，且只有冷却区域a能够与冷源接触，即只有1/2的冷面面积能够受到冷却。非冷却区域b之上覆盖有冷面隔热板3，冷面隔热板3的上面为阶梯形结构，长转向金属导流片11所在的位置是低阶梯面，冷面隔热板3的高阶梯面与温差发电片的冷面平齐。冷面隔热板3是由绝热且绝缘的材料，如泡沫材料、纤维材料、真空材料制造，对于热流和电流都能起到隔绝作用，可以避免热接点接触冷源，造成传热及电流的短路。封装隔热框4同样由绝热且绝缘材料制造(如图6所示)，封闭在温差发电片的周边。上直框条14和下直框条17用于分隔区域a和区域b，并与冷面隔热板3相配合，起到隔离区域b的作用。电路引出线接头正极1和负极2与外接电路连接，工作时输出直流电流。温差发电片工作时，可以在冷面之上设置绝缘板，绝缘板由陶瓷板或其它耐高温的绝缘材料制造，使冷接点可以得到充分地冷却，而且避免金属导流片与冷源直接接触造成电流短路。

区域a中设置n型长臂5的组合与p型长臂7的组合，它们各自都是由相同类型半导体材料制成的一块长臂和一块短臂焊接在长金属导流片9的上下两面，并由短金属导流片10连接它们的短臂热端面，形成热电偶组合单元的一个热接点(如图3所示)。区域b中设置有n型短臂6的组合与p型短臂8的组合，它们各自都是由2块相同类型半导体材料制成的短臂焊接在长金属导流片9的上下两面，并由短金属导流片10分别连接相邻行的2个不同类型半导体材料短臂的热端面，形成热电偶组合单元的另二个热接点(如图3所示)；区域a与区域b之间，长金属导流片9贯通区域a和区域b，连接位于同一行的相同类型材料臂的热端面(如图3所示)。长转向金属导流片11和短转向金属导流片12的作用是将不同列的热电偶组合单元串联连接(如图4所示)，形成一个整体的热电偶转换电路。

图1的下端面是温差发电片的热面，工作时，热面的全部表面积受到热源的加热，吸收热源的热量。热面同样可以覆盖有绝缘板，使热面与热源之间进行充分的热量传递，同时避免金属导流片与热源直接接触造成电流短路。

图2所示为温差发电片的热电偶臂组合阵列布置结构的一个实例(冷面视图)。图中的热电偶臂阵列是12行×12列，由72个n型材料的热电偶臂组合和72个p型材料的热电偶臂组合构成。其中，每一个矩形表示一个矩形截面的热电偶臂组合，相同的颜色表示由相同类型的半导体材料制成。热电偶臂组合的编号用符号l(行号，列号)表示，例如l(1，1)表示位于第1行第1列的热电偶臂组合。阵列中，一对异型材料长热电偶臂组合和一对异型材料短热电偶臂组合构成一个热电偶臂组合单元c，其中，同一行的2个热电偶臂组合的材料类型相同，而相邻行的2个热电偶臂组合的材料类型与之相反。标号ⅰ∽ⅵ表示依次排列的6行×6列，共计36个热电偶臂组合单元c，它们的编号方式为c(行号，列号)。例如c(ⅳ，ⅵ)表示一个位于第4行第6列的热电偶臂组合单元，由l(7，11)、l(7，12)、l(8，11)和l(8，12)组成。

区域a中设置n型长臂5的组合和p型长臂7的组合，它们都是由相同材料的一个长臂和一个短臂上下叠加而成的(如图1和图3所示)。区域b中设置的都是短热电偶臂，包括n型短臂6的组合和p型短臂8的组合，它们都是由2个相同材料的短臂上下叠加而成的(如图1和图3所示)。热电偶臂组合的连接方式如图3、图4和图5所示。

图3所示为温差发电片的一个多接点的混联式热电偶组合单元e的结构及其连接方式，它是由一个热电偶臂组合单元c(在图2中编号为c(ⅳ，ⅵ))和金属导流片构成。其中：标号5为n型长臂，6为n型短臂，7为p型长臂，8为p型短臂。如图1和图2所示：在区域a中，长臂组合的构成方式为：l(7，12)由n型长臂5与n型短臂6焊接在长金属导流片9的上下两面，l(8，12)由p型长臂7和p型短臂8焊接在长金属导流片9的上下两面。在区域b中，短臂组合的构成方式为：l(7，11)由2个n型短臂6焊接在长金属导流片9的上下两面，l(8，11)由2个p型短臂8焊接在长金属导流片9的上下两面。

热电偶臂组合的连接方式包括：

(1)区域a中，包括2个相邻行的长臂组合l(7，12)和l(8，12)，它们的n型短臂6(未标识出)和p型短臂8由编号为m(4，12)的短金属导流片10连接，形成了一个热接点；而2个冷接点分别由长臂与相邻热电偶臂组合单元c对应的异型材料长臂连接而构成，如l(7，12)的n型长臂5的冷端面，通过短金属导流片n(3，12)，与相邻热电偶臂组合单元c的p型长臂组合l(6，12)连接(如图2所示)，形成了一个冷接点；同理，编号为l(8，12)的p型长臂7的冷端面，通过短金属导流片n(4，12)与n型长臂组合l(9，12)的冷端面连接(如图2所示)，形成了第二个冷接点。这二个冷接点是串联连接。

(2)区域b中，包括2个相邻行的短臂组合l(7，11)和l(8，11)，它们的上下二个端面都是热端面，分别由编号为m(4，11)的短金属导流片10连接，形成了上下二个热接点。这二个热接点为并联连接。

(3)区域a和区域b之间，相同类型材料的长热电偶臂组合与短热电偶臂组合由长金属导流片9横向串联连接如编号为l(7，12)的n型长臂组合与编号为l(7，11)的n型短臂组合由长金属导流片9串联连接；编号为l(8，12)的p型长臂组合与编号为l(8，11)的p型短臂组合由长金属导流片9串联连接。同时，由于长金属导流片9的连接作用，区域a和区域b中的三个热接点形成并联连接。

图3表示一个热电偶组合单元e，e中的3个热接点并联连接，二个冷接点串联连接，等效于三个简单热电偶的并联连接，是一个更为紧凑的微型温差电源。

图4为温差发电片的冷面连接图，表示所有热电偶组合单元连接成热电转换回路的方式。其中：标号ⅰ∽ⅵ表示依次排列的6个热电偶臂组合单元c(如图2所示)。标号e表示一个热电偶组合单元，属于它的热电偶臂组合单元在图2中的标号为c(ⅳ，ⅵ)，它的热电偶臂连接方式如图3所示。每一个热电偶组合单元e中包含6个短臂和2个长臂。其中，如图2所示：编号为l(7，12)的n型长臂组合通过短金属导流片n(3，12)与p型长臂组合l(6，12)连接、编号为l(8，12)的p型长臂组合通过短金属导流片n(4，12)与n型长臂组合l(9，12)连接。同理，相邻的热电偶臂组合单元c中的异型材料长臂，通过短金属导流片10的连接形成热电偶组合单元e的串联连接。

本温差发电片一共有6列热电偶组合单元e单元，热电偶电路从正极1到负极2转向5次，因而，各列热电偶组合单元e之间需要通过转向金属导流片串联连接，形成一个整体的热电转换电路。同时，如图1和图2所示：位于第ⅵ列区域a中的p型材料长热电偶臂组合l(12，12)，通过长转向金属导流片11，与位于第ⅴ列区域a中的n型材料长热电偶臂组合l(12，9)串联连接，形成一个冷接点。而长转向金属导流片11是从短臂组合上方越过非冷却区域b，它们之间有冷面隔热板3隔离而没有接触；第ⅳ列的p型材料长热电偶臂组合l(12，8)，也是通过长转向金属导流片11，与位于第ⅲ列区域a中的n型材料长热电偶臂组合l(12，5)串联连接，形成另一个冷接点。同理，第ⅱ列长臂组合与第ⅰ列位于区域a中的异型材料的长臂组合，也是通过长转向金属导流片11的串联连接，形成一个冷接点；而第ⅴ列和第ⅳ列位于区域a中的长臂组合位置相邻，它们之间采取短转向金属导流片12串联连接，并形成一个冷接点；同理，第ⅲ列和第ⅱ列位于区域a中的长臂组合相邻，它们之间也采取短转向金属导流片12串联连接。由此，电路引出线接头正极1经过全部热电偶臂组合连接到电路引出线接头负极2，形成一个完整的热电偶电路。

图5为温差发电片的热面连接图，热面是温差发电片工作时受到热源加热的端面。图5是图4的背面视图，标号ⅰ∽ⅵ表示与图4相同的热电偶臂组合单元c。图5所示的热电偶组合单元e与图4一致，它的热电偶臂组合单元在图2中的标号为c(ⅳ，ⅵ)，它的热电偶臂连接方式如图3所示。热电偶组合单元e的热面连接视图表示出：短金属导流片m(4，11)连接的是l(8，11)和l(7，11)的下短臂、m(4，12)连接的是l(8，12)和l(7，12)的下短臂(如图3所示)。同理，本温差发电片实例的36个热电偶组合单元e的热面连接方式相同，保证各热电偶臂组合的热接点具有相同的温度。下直框条17的热面位置与上直框条14配合，分隔开区域a和区域b，上直框条14中间设置有贯通槽15(如图6所示)，长金属导流片9可以通过贯通槽15并被压紧。

图6所示为温差发电片的封装隔热框4(冷面视图)，封装隔热框4采用耐高温的绝热材料制造，框内设置4个冷却区域a和3个非冷却域b，由六条上直框条14和六条下直框条17将区域a和区域b分隔开(如图1所示)。各上直框条14的底部开有11个贯通槽15，长金属导流片9可以从贯通槽15中通过。下直框条17是独立元件，与上直框条14配合压紧长金属导流片9。转向槽16与冷面隔热板3的阶梯面平齐，使长转向金属导流片11与冷面隔热板3的上平面平齐(如图1所示)。区域b上覆盖有冷面隔热板3，形成一个隔离的热空间(如图1所示)，热接点在其中均匀受热，稳态工作时无温度梯度。封装隔热框4的外边框对温差发电片起固定和保护作用。电路引出线接头槽13作为出口，配合电路引出线接头正极1和负极2与外电路连接。

对比现有12×12规格的温差发电片，本实用新型实例的冷却面积减小了1/2，热量损耗相应地降低1/2，使得热电转换的效率提高近一倍。本温差发电片具有36个热电偶组合单元e串联连接，每一个热电偶组合单元e相当于三个并联连接的简单热电偶。当热电材料和截面积不变，且满足：短热电偶臂的高度≤1/4长热电偶臂的高度时，发电片的输出电压降低1/2，但输出电流增加一倍，使总输出功率值保持不变。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。