一種用于大溫差環(huán)境下的多級聯(lián)熱電臂及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于熱電技術領域，特別涉及一種用于大溫差環(huán)境下的多級聯(lián)熱電臂及其制造方法。
【背景技術】
[0002]熱電器件是指可以直接實現電能與熱能相互轉換的一類電子元件，其核心是由多組不同載流子類型的熱電材料串并聯(lián)起來組成的熱電(thermoelectric)模塊。熱電器件的應用迄今已有一百多年的歷史，早期主要是用來探測溫度，例如熱電偶。后來隨著高性能熱電材料的開發(fā)，又被用于電子控溫、廢熱發(fā)電和航天電池組等領域。近20年來，熱電器件在余熱回收溫差發(fā)電領域受到了越來越廣泛的關注。美、德、日等國相繼開發(fā)了多種套技術方案，并將其應用于便攜式電源、垃圾焚燒發(fā)電和地熱利用等領域。
[0003]工業(yè)余熱的溫度范圍一般在200?800C左右，較高溫度的工業(yè)余熱可以產生較高的溫差，從而顯著提高溫差發(fā)電的效率和功率。但是，一般熱電材料最佳的工作溫度范圍只有100?200C左右，因此為了實現熱源能量的梯度高效利用，會將多種熱電材料串聯(lián)起來，組成多級聯(lián)熱電模塊。
[0004]多級聯(lián)熱電模塊主要有兩種結構，一種是將不同種類的熱電材料分別制作成熱電模塊，然后再將它們沿溫度梯度方向串聯(lián)起來(疊層結構)，另一種是將不同熱電材料直接串聯(lián)起來，一起封裝、制作成熱電模塊(組串結構)。兩種結構各有優(yōu)劣，前者工藝較為簡單，應用靈活，但是不方便進行功率統(tǒng)一輸出，熱損耗較大而且集成度較低，一般適用于小型低功率發(fā)電；后者集成度高，對外輸出接口少方便安裝，而且?guī)缀鯖]有熱損失，但是制作工藝難度較高，一般適用于集成式大功率發(fā)電。本發(fā)明針對第二種結構，主要服務于大功率、高集成度的溫差發(fā)電應用。
[0005]熱電材料通常是合金、固溶體或陶瓷材料，不同種熱電材料之間的連接是一項非?？简灩に囁降闹圃旃に嚒＿@是因為連接的強度、電阻和熱阻都會對熱電模塊的發(fā)電效率和可靠性造成很大的影響。目前主流的熱電材料連接技術主要有一體化燒結(熔煉)和焊接兩種。一體化燒結(熔煉)技術是指將不同種的熱電材料粉末按照串聯(lián)疊層的方式在模具中壓好，然后加熱一次成型。焊接一般是指通過釬焊的方法將兩種材料連接起來。一體化燒結工藝的連接電阻和熱阻都比較小，但最大問題是兩種或多種熱電材料在相同的條件下制備很可能會犧牲材料的性能。相比而言，分別制備熱電材料再焊接起來可以保證每種材料在最佳的溫度和時間條件下制備而成，熱電性能更高，而且焊接的工藝也更簡單。如果可以有效降低焊接電阻，焊接的方法將更加適合大規(guī)模工業(yè)化生產。

【發(fā)明內容】

[0006]為了克服上述現有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于大溫差環(huán)境下的多級聯(lián)熱電臂及其制造方法，本發(fā)明所涉及的熱電臂及其制造方法采用了焊接的工藝連接塊體熱電材料，通過采用特殊的焊縫設計，可以有效降低連接電阻和熱阻，使其達到或接近一體燒結成型的水平。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0008]一種用于大溫差環(huán)境下的多級聯(lián)熱電臂，所述多級聯(lián)熱電臂由多種熱電材料焊接而成，每種熱電材料對應于不同的溫區(qū)應用范圍，焊接面為加工得到的周期性的表面開槽結構。
[0009]所述焊接的方式為釬焊，釬料中的助焊劑的密度遠遠低于焊料金屬。
[0010]每種熱電材料的長度由材料的物理性質決定。
[0011]所述周期性的表面結構為周期性鋸齒狀結構，鋸齒的周期即寬度在為0.2?2mm左右，具體取決于多級聯(lián)熱電臂的大小；鋸齒的張角2Θ I為45°?120°。所述鋸齒的張角的選擇原則為:流動性好的釬料可以選擇較小的張角，這樣降低電阻和熱阻效果更好；流動性不好的釬料需要選擇較大的張角。
[0012]所述周期性的表面結構為周期性梯形結構。
[0013]所述周期性的表面結構為周期性梯形的上底上疊加矩形形成的結構。
[0014]上述所述的用于大溫差環(huán)境下的多級聯(lián)熱電臂的制造方法，采用磨削成型的尖端為V型刀口的刀片以在熱電材料表面切割，刀片的厚度等于或小于開槽的厚度，切割時每刀之間的刀距等于或大于開槽的周期即寬度；在切割完成、焊接之前，將熱電材料進行超聲清洗，以洗掉熱電材料表面的切割殘肩或未完全剝落的毛刺，有利于后續(xù)的焊接工作。
[0015]如果熱電材料為層狀組織，為了避免層間解離，則加大刀距，形成平臺，從而避免應力集中。
[0016]如果熱電材料本身比較軟，容易發(fā)生塑性形變，在開槽切割后尖端會變圓，導致不易對叉，則進行第二次切割，利用較小的加工量形成尖銳的鋸齒尖端。
[0017]和現有技術相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點:
[0018]1、本發(fā)明所采用的周期性的表面開槽結構主要優(yōu)勢在于兩點。第一，提高了焊接層的接觸面積，從而降低了總的連接層電阻。例如焊接層電阻率為P (ΩΠ12)，平面接觸面結為S (m2)，則普通焊接的連接層電阻為P/S(m2)，采用本發(fā)明結構的連接層電阻為P/Sine1-S(Hi2)0第二，減少了未揮發(fā)助焊劑的影響。在兩種材料面對面焊接時，焊料中的助焊劑熔化后可能不能完全揮發(fā)，特別是更靠近接觸面中部的焊料更不易揮發(fā)，其在高溫碳化后就會留在材料內部，形成高電阻的缺陷。本發(fā)明由于助焊劑的密度遠遠低于焊料金屬，因此在熔化后將浮在金屬液體上面。對于平面接觸而言，助焊劑和焊料金屬形成了串聯(lián)電阻，大大提高了焊接層的電阻；而對于本發(fā)明的表面結構，助焊劑集中在鋸齒的頂端，和焊料金屬形成了并聯(lián)，對焊接層的電阻影響不大。進一步地，如果鋸齒的頂端足夠尖銳，將引入毛細滲流作用，促進中間部分的液態(tài)助焊劑向外表面流動(沿垂直紙面方向)，從而加速助焊劑的揮發(fā)速度，進一步降低電阻。
[0019]2、本發(fā)明所涉及的表面結構通過精密機械加工的方法來獲得，采用高速滑片的方法在熱電材料表面切割，刀的尖端采用特殊磨削成型的V型刀口，刀片的厚度等于或略小于開槽的寬度，切割時每刀之間的刀距等于或大于開槽的寬度。采用其它的工藝，例如濕法腐蝕、熱電材料模具鑄造等等，也可以加工出以上結構。但從成本和生產率的角度上考慮，精密切割法是一種比較優(yōu)選的實現方法。
【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明所涉及的多級聯(lián)熱電臂及其焊接面放大圖。
[0021]圖2本發(fā)明所涉及的熱電