[发明专利]环形热电器件

说明书

本发明的环形热电器件，具备：沿轴向依次交替排列的多个环形P型热电元件和N型热电元件；设置于每个所述P型热电元件和N型热电元件之间的环形的隔离层；在外侧壁上连接每对所述P型热电元件和N型热电元件的外环导流电极；在内侧壁上以与外环导流电极交错的形式连接相邻对的所述N型热电元件和P型热电元件的内环导流电极；以及分别位于所述环形热电器件的内周侧和外周侧的管状部件；各热电元件包括依次径向向外排列的至少两个环形热电材料部件。

技术领域

本发明属于热电转换技术领域，具体地，涉及一种环形热电器件。

背景技术

作为一种环境友好的再生能源技术，热电转换技术近几年在国际上受到了广泛的瞩目。热电发电技术是利用半导体材料的塞贝克效应，直接将温差转化为电能的新技术。该技术具有可靠性高、无污染和无噪音的优点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用以及军用电源等高新技术领域将具有良好的应用前景。

一个热电器件往往由多个n型和p型半导体热电元件组成。由于每个热电元件的输出电压很低，为了获得较高的电压以便于实际使用，通常用金属或者合金电极将一个n型热电元件和一个p型热电元件连接成热电单偶，然后将多个热电单偶按导电串联、导热并联的结构连接起来构成热电器件。

目前主要的热电器件构造为π形构造。在该结构中，n型和p型热电元件以电串联和热并联的形式集成于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之中，这种构造主要适用于平板状热源的环境，即热流方向垂直于两个平行的陶瓷板。

但是，当热源为非平板状时，这种传统的π形构造热电器件就不再适用。例如汽车尾气排放管道，如采用π形热电发电模块来制造与热源相匹配的的热电发电器(US8656710B2，US2005/0172993A1，US013/0160809A1)，由于需要在热电模块表面施加力保证模块和热源之间的良好接触，从而使得发电器的结构变得非常复杂，制作成本高，而且发电器的性能和使用可靠性低。特别对于像直径为约1cm的小柱状热源，这种热电发电器的集成变得非常困难。但是对于这种柱状热源，使用环形构造的热电器件就使得发电器的集成相对简单和性能更为优异。

在环形构造的热电器件中，n型和p型环形中空热电元件沿柱状热源交替地同轴排列，彼此之间填充热和电均绝缘的材料。这种构造可以最大限度地利用柱状热源所传导的热量，故热量利用效率相对于π形构造的热电器件将大幅度提高。由于目前很多热源，如汽车尾气排放管道属于非平板状热源，因此，环形构造的热电器件在实际应用中具有很大的前景。需要特别强调的是，对于汽车尾气废热发电，发电器冷端冷却通常采用汽车上现成的冷却水。将环形器件的外圆设计成热端，而内圆设计成冷端。由于液体与固体间的传热要优于气体与固体间的传热，所以利用环状器件内外圆表面的面积差异可以平衡器件在冷热端的热交换能力，这是环形热电发电器的另一个优点。美国专利US2012/0174567A1和中国专利CN201420052870.9公开了以环形热电器件集成的热电发电器结构，依据设计结构不同，热源可以从径向和轴向与热电元件进行热交换，与传统由π型器件集成的发电器相比，明显提高了热交换效率。

尽管环形热电发电器件的概念已经诞生了很多年，但由于热电材料性能的限制导致目前国际上与实际应用密切相关的环形构造热电器件的研究报道不多。1969年美国西屋电器公司最早报道了环形热电器件概念（Proc. 4^th Intersoc Energy Couvers Eng.Conf. Wahington DC, 1969, New York, 1969, 300-307）。到目前为止，已公开或者报道的环形热电器件的结构有如下几种：

（1）单环含有若干对扇形元件的环形器件。1977年美国专利US4056406公开了一种环形热电元件结构，每一个环由相同数量的n型和p型的扇形元件构成，从而可以有效地消除热电元件使用过程中的热应力影响。