一種多級聯(lián)熱電器件及其制法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多級聯(lián)熱電器件及其制法，屬于熱電器件領域。
【背景技術】
[0002]熱電器件是指可以直接實現(xiàn)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)起來組成的熱電模塊。所述熱電模塊的整體結構如圖1所示。
[0003]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，熱電模塊的微型化技術因其獨特的應用背景受到了越來越廣泛的關注。美、德、日等國相繼開發(fā)了多種熱電模塊微型化的技術方案，并將其應用于便攜式電源、海底探測器、氣體傳感器和醫(yī)療器械等領域。最近的理論研究表明，在利用熱電技術進行工業(yè)余熱或汽車尾氣的溫差發(fā)電時，僅靠減小熱電模塊的特征尺寸就可以在不改變轉化效率和功率的前提下有效減少材料的使用量，從而降低成本和環(huán)境代價。因此適合于大規(guī)模生產(chǎn)的低成本微型熱電模塊制造技術將在未來顯現(xiàn)出廣闊的市場前景。
[0004]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(chǎn)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(xiàn)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。
[0005]Acta Materialia 87 (2015) 357 - 376揭示了一種目前工業(yè)界最常用的熱電模塊制造方法，其熱端的連接方式為焊接。在熱電材料上面制作金屬化層，然后再通過釬焊料和導電帶(電極材料)連接起來。電極材料和陶瓷板的連接方式可以是粘接，也可是直接金屬化鍵合。
[0006]Materials Science in Semiconductor Processing 13 (2010) 221 - 224揭不了一種適用于高溫發(fā)電的雙級聯(lián)熱電器件的制作方法。其中熱端和電極的連接方法與文獻I的報道相同，但是采用了熱膨脹系數(shù)和熱電材料相近的金屬合金作為電極。而兩種熱電材料的連接方式是直接用粉末疊在一起，一次燒結成型。
[0007]但是，以上的這些現(xiàn)有技術仍然存在著以下諸多缺點:
首先，熱電模塊內(nèi)部在高溫狀態(tài)下輻射傳熱一個非常重要的熱損失因素，現(xiàn)有的技術方案為了降低縱向的漏熱，往往會提高模塊的集成密度，即使得熱電臂之間的距離減小。但這樣橫向又存在輻射換熱的可能，對于多級聯(lián)熱電臂來說，橫向的輻射換熱可能會破壞設計的最優(yōu)溫度分布狀態(tài)。
[0008]其次，高溫熱電模塊在使用中最容易失效的部位就是高溫端熱電材料和電極的連接處。一般適用于低溫模塊的傳統(tǒng)焊接方法無法解決熱膨脹系數(shù)失配的問題，這樣在長時間使用后就容易發(fā)生斷裂。
[0009]并且，利用粉末疊一次燒結成型的方法制作多級聯(lián)的熱電模塊，其工藝難度較高，燒結的溫度區(qū)間非常窄。除此之外，一體燒結的溫度也很難同時滿足兩種不同溫區(qū)熱電材料的最佳燒結要求。還有就是傳統(tǒng)做法工藝繁瑣、造價昂貴。因為燒結工藝的挑戰(zhàn)，從而導致了產(chǎn)品經(jīng)濟效率低、良品率低和缺陷高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種多級聯(lián)熱電器件及其制法，改善產(chǎn)品結構的抗失配性能。
[0011]本發(fā)明的上述第一個目的，一種多級聯(lián)熱電器件，包括封裝套及設置在所述封裝套內(nèi)部的發(fā)電單元，所述發(fā)電單元的上下兩端設有導電布線及用于向發(fā)電單元機械加壓的陶瓷基板；所述發(fā)電單元由P型、N型交替排列的多級聯(lián)熱電臂組成、并通過導電布線串聯(lián)，兩種多級聯(lián)熱電臂均具有兩節(jié)以上適于各溫度工況的熱電柱且通過熱遮擋層依次聯(lián)接，兩種多級聯(lián)熱電臂的低溫端部與導電布線釬焊連接；兩種多級聯(lián)熱電臂的高溫端部通過柔性導電材料與導電布線機械配合，對應高溫端部的導電布線的連接處銑設有一個凹槽，并順次填設有鱗片石墨和石墨泡沫的環(huán)形墊，高溫端部裝入環(huán)形墊中并與鱗片石墨相接觸。
[0012]優(yōu)選地，所述熱遮擋層為焊片，所述焊片為可實現(xiàn)快速釬焊的預覆焊料型中溫焊片。
[0013]優(yōu)選地，所述焊片的橫截面積大于所述熱電柱的橫截面積，且相鄰兩個多級聯(lián)熱電臂中段所設的焊片互不接觸。
[0014]優(yōu)選地，所述石墨泡沫的環(huán)形墊夾固鱗片石墨于凹槽中并與凹槽過盈配合。
[0015]優(yōu)選地，兩種多級聯(lián)熱電臂的高溫端部與所述環(huán)形墊過盈配合。
[0016]優(yōu)選地，所述多級聯(lián)熱電臂具有對應兩個溫度工況段的兩節(jié)熱電柱，且兩節(jié)熱電柱通過一片熱遮擋層中溫釬焊聯(lián)接。
[0017]優(yōu)選地，所述多級聯(lián)熱電臂具有對應三個溫度工況段的三節(jié)熱電柱，且三節(jié)熱電柱通過兩片熱遮擋層中溫釬焊聯(lián)接。
[0018]本發(fā)明的上述第二個目的，一種多級聯(lián)熱電器件的制法，所述多級聯(lián)熱電器件由封裝套、導電布線、陶瓷基板、P型和N型交替排列的多級聯(lián)熱電臂組成，兩種多級聯(lián)熱電臂均具有兩節(jié)以上適于各溫度工況的熱電柱且通過熱遮擋層依次聯(lián)接，其特征在于所述制法包括步驟:
1、將多級聯(lián)熱電臂的低溫端部與導電布線釬焊連接；
I1、采用中溫焊片預覆焊料制成熱遮擋層，并采用熱遮擋層釬焊的方式將多級聯(lián)熱電臂的各節(jié)熱電柱聯(lián)接；
II1、在導電布線對應多級聯(lián)熱電臂高溫端部的連接處銑設一個凹槽，而后在凹槽中填充鱗片石墨并加塞石墨泡沫的環(huán)形墊達到環(huán)形墊與凹槽過盈配合；
IV、將多級聯(lián)熱電臂的高溫端部裝入環(huán)形墊中過盈配合并與鱗片石墨(6)相接觸；
V，將陶瓷基板從頂、底兩側壓蓋于導電布線上保壓，而后封裝。
[0019]優(yōu)選地，所述多級聯(lián)熱電臂具有對應三個溫度工況段的三節(jié)熱電柱，且步驟I中先釬焊底側的導電布線與相對低溫工況段的熱電柱；步驟II自低溫工況段至高溫工況段依次通過熱遮擋層釬焊相對中溫工況段的熱電柱和相對高溫工況段的熱電柱。
[0020]本發(fā)明技術方案較之于現(xiàn)有技術的突出效果為:本裝置通過延長焊片的方式實現(xiàn)了對熱電模塊內(nèi)部的輻射遮擋，在基本不提高成本、不提高工藝難度的前提下明顯降低了輻射傳熱，同時也避免了對橫向熱電臂之間溫度分布的影響。
[0021]同時，本裝置采用機械接觸法進行電導，并通過柔性導電石墨實現(xiàn)定位和柔性固定。整個操作過程在常溫下完成，既能夠在不影響電接觸性能的前提下消除熱失配應力，又避免了高溫焊接對于材料的破壞。
[0022]本裝置中所使用的快速釬焊技術可以在較低的溫度下進行，可以分別在其最適合的溫度下燒結出兩種熱電材料，再焊接，從而避免了對材料性能的破壞。
[0023]除此之外，本裝置中所使用的導電石墨等原材料均為廉價的成熟工業(yè)產(chǎn)品，所使用的加工模具均可以通過塑料成型來獲得，從而極大地降低了加工企業(yè)的生產(chǎn)成本。
[0024]以下便結合實施例附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳述，以使本發(fā)明技術方案更易于理解、掌握。
【附圖說明】
[0025]圖1是現(xiàn)有技術中熱電模塊的結構示意圖。
[0026]圖2是本發(fā)明的整體結構示意圖。
[0027]圖3是本發(fā)明的局部結構示意圖。
[0028]圖4是熱電臂高溫段與低溫段間的焊接示意圖。
[0029]圖5是本發(fā)明中熱遮擋層的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明揭示了一種多級聯(lián)熱電器件。包括封裝套I及設置在封裝套I內(nèi)部的發(fā)電單元，發(fā)電單元的上下兩端設有導電布線2及用于向發(fā)電單元機械加壓的陶瓷基板3。由于本新型的多級聯(lián)熱電器件需要在高溫下使用，為了阻止熱電材料和電極材料的氧化、以及避免封裝套I內(nèi)部空氣對流導熱，造成旁路漏熱損失，所以需要對裝置進行真空封裝。為了實現(xiàn)這一目的，封裝套I應選擇鎳鉻基合金等抗氧化、高延展性金屬材料，以便將整個熱電模塊完全氣密封裝起來。
[0031]如圖2~3所示，發(fā)電單元由交替排列的P型多級聯(lián)熱電臂4及N型多級聯(lián)熱電臂5組成，P型多級聯(lián)熱電臂4、N型多級聯(lián)熱電臂5借助導電布線串聯(lián)起來對外輸出電功率。兩種多級聯(lián)熱電臂均具有兩節(jié)以上適于各溫度工況的熱電柱且通過熱遮擋層依次聯(lián)接。熱電柱應選用適用于不同溫度工況的熱電材料，具體而言，高溫段可采用碲化鉛基、銻化鈷基、half-heulser類、I丐鈦礦氧化物類等熱電材料，低溫段可采用碲化祕基、鋪化祕基等熱電材料。兩種多級聯(lián)熱電臂的低溫端部與導電布線釬焊連接。
[0032]P型多級聯(lián)熱電臂4的低溫段端部以及N型多級聯(lián)熱電臂5的低溫段端部均與導電布線2利用低溫釬焊料焊接。熱電臂的焊接利用常規(guī)的生產(chǎn)車間精度即可達到，從而降低了現(xiàn)有技術中所使用的電弧焊接的對設備生產(chǎn)線的規(guī)格要求。P型多級聯(lián)熱電臂4的高溫段端部以及N型多級聯(lián)熱電臂5的高溫段端部均通過柔性導電材料與導電布線2機械配合，但并不焊接。高溫段端部采用這種電氣連接方式的好處有兩點，第一，避免了以往加工工藝中剛性連接所導致的熱失配應力；第二，使得整個裝配過