度为2. 5mm，厚度为0? 5mm;p型和n型电偶臂对称设置，截面选择为大弧度梯形结构，上底 为1. 5mm，下底为2. 5mm，高度为1mm，弧度半径为1mm;从侧视图sideview来看，顶部金属 板、底部金属板、P型和n型电偶臂的宽度均为2mm;
[0027] (5)倒置弧度梯形结构G5,标出顶部金属板长度为4. 5mm，厚度0? 5mm;-侧底端 金属板(对应P型）的长度为2. 5mm，厚度0? 5mm;另一侧底端金属板(对应n型）的长度为 1. 5mm，厚度为0. 5mm;p型电偶臂的横截面为大弧度梯形结构，上底(与顶端金属板接触连 接）为1. 5mm，下底（与长度为2. 5mm的底端金属板接触连接）为2. 5mm，高度为1mm，弧度半 径为1mm;n型电偶臂的横截面为大弧度梯形结构，上底(与长度为2. 5mm的底端金属板接触 连接）为1. 5_，下底(与顶端金属板接触连接）为2. 5_，高度为1_，弧度半径为1mm;从侧 视图sideview来看，顶部金属板、底部金属板、p型和n型电偶臂的宽度均为2mm;
[0028] (6)边框为三段线的梯形结构G6,其结构尺寸参数与大弧度梯形结构G4基本一 致，区别在于，将P型电偶臂、n型电偶臂的弧形斜面依据所在同心圆的圆弧值均匀分为三 段（即在圆弧上点上的两个划分点），自梯形的上底到下底连接圆弧上的两个划分点，将弧 形斜面近似为由三段线组成的斜面；
[0029] (7)边框为三段线的倒置梯形结构G7,其结构尺寸参数与G6,区别在于，将一侧n 型电偶臂的设置方向颠倒，即将梯形的上底向下，与底端金属板接触连接，下底向上，与顶 端金属板连接接触。
[0030] 在进行试验时，温差发电器选用的热电材料为Bi2Te3，通过热压烧结（一种压制成 形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺方法，是将粉末装在压模内，在专门的热压机中加 压同时把粉末加热到熔点以下，在高温下单向或双向施压成形的过程)进行制备电偶臂，为 便于脱模，热压烧结的模具采用高密度石墨模具，改变模具的结构可以制备不同形状的电 偶臂。
[0031] 在进行试验时，采用热导率较高，电绝缘较好的A1203陶磁作为基板，采用筛网印 刷和高温烧结的方法，在陶瓷片上形成局部金属化区域，然后在金属化区域上形成铜导流 片，再将经切割和预处理后的热电电偶臂按设计排布并焊接在挂有焊锡的两片陶瓷板间， 若干电偶臂对在电学上是串联模式。为了防止铜原子向热电材料内部扩散，电偶臂与铜导 流片之间要加上阻挡层，该阻挡层为为适当厚度的镍层，镍阻挡层可以来用化学电镀的方 式形成，其位置可以直接与铜导流片和热电材料接触。为了保证接头处具有尽可能小的接 触电阻和接触热阻，各焊接表面要事先进行化学清洗，在焊接时需选择适当的焊接温度和 时间。在结合附图1和2说明参数的情况下，根据上述的顶端金属板、底端金属板的参数选 取的相应材料进行相同参数的设置。
[0032] 对于不同结构的温差发电器，均在同一工况下进行测试，工况为热源、冷源温度分 别为127°C和27°C，热源与温差发电器热端的对流换热系数为60WmlT1，冷源与冷端的换 热系数为50Wml-1，工作电流为0. 01A。
[0033] 在同一工况下，各种结构的电偶臂对的赛贝克电势和欧姆电势的分布云图见图3 和图4。而图5给出了本发明的新型形状的温差发电器的"电压一电流"曲线。
[0034] 由图3- 5的分析可知，梯形结构G2比原结构G1的赛贝克电势提升了 17. 8%，通 过继续改变截面面积，把梯形截面G2逐渐向弧面梯形G3变化，可发现，赛贝克电势会继续 提升。弧面的弧度也会对性能有影响，继续增大弧面的弧度G4,会得到更大的赛贝克电势。 但是由图4,可以发现，相比传统结构，梯形截面和带弧度的的梯形截面形状，会增大电偶臂 的内阻，并且弧度越大，内阻越大。将P型或n型电偶臂倒置G5,会提升约10%的赛贝克电 动势。同时，倒置电偶臂可以减少电偶臂对所占的空间位置，更有效、合理的利用空间。
[0035] 为了降低加工难度，可以用三段线代替弧线，可以将弧度梯形结构G4和倒置弧度 梯形结构G5,改进为边框为三段线的梯形结构G6和边框为三段线的倒置梯形结构G7。
[0036] 表1不同结构下输出电压随电流的变化情况
【主权项】
1. 温差发电器的优化结构，其特征在于，包括由P型半导体材料电偶臂和η型半导体材 料电偶臂组成的η型电偶臂对结构，所述P型半导体材料电偶臂和η型半导体材料电偶臂 的截面为梯形。
2. 根据权利要求1所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述梯形选择正常梯 形，或者带有弧度的梯形，或者三段线结构的梯形。
3. 根据权利要求2所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述带有弧度的梯形 为两个斜边为圆弧的梯形。
4. 根据权利要求2所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述三段线结构的梯 形为梯形，将两个圆弧斜边近似为由三段斜面组成的斜面。
5. 根据权利要求1所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，ρ型半导体材料电偶臂 和η型半导体材料电偶臂选择轴对称设置，或者，ρ型半导体材料电偶臂和η型半导体材料 电偶臂选择反方向设置。
6. 根据权利要求1所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述ρ型和η型电偶臂 轴对称设置，截面选择梯形结构，上底为I. 5_，下底为2. 5_，高度为1_，宽度均为2mm ;截 面选择为带有弧度的梯形，上底为I. 5mm，下底为2. 5mm，高度为1mm，弧度半径为1 一2. 5mm, 宽度均为2mm。
7. 根据权利要求1所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述ρ型和η型电偶臂 选择反方向设置，P型电偶臂的横截面为带有弧度的梯形，上底为I. 5mm，下底为2. 5mm，高 度为1mm，弧度半径为1 一 2. 5mm ;n型电偶臂的横截面为带有弧度的梯形，上底为I. 5_，下 底为2. 5mm，高度为1mm，弧度半径为1 一2. 5mm ;p型和η型电偶臂的宽度均为2mm。
8. 根据权利要求1所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述ρ型和η型电偶臂 轴对称设置，截面选择三段线的梯形结构，P型电偶臂的横截面为带有弧度的梯形，上底为 I. 5mm，下底为2. 5mm，高度为Imm ;η型电偶臂的横截面为带有弧度的梯形，上底为I. 5mm，下 底为2. 5mm，高度为Imm ;p型和η型电偶臂的宽度均为2mm。
9. 根据权利要求1所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述ρ型和η型电偶 臂选择反方向设置，截面选择三段线的梯形结构，P型电偶臂的横截面为带有弧度的梯形， 上底为I. 5mm，下底为2. 5mm，高度为Imm ;η型电偶臂的横截面为带有弧度的梯形，上底为 I. 5mm,下底为2. 5mm,高度为Imm ;ρ型和η型电偶臂的宽度均为2mm。
10. 根据权利要求1一9之一所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述电偶臂 对结构采用串联形式、单极排列，组成温差发电器。
【专利摘要】本发明公开了温差发电器的优化结构，包括由p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂组成的π型电偶臂对结构，所述p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂的截面为梯形。本发明的技术方案结构简单，易于加工，可以显著改善温差发电器性能。通过结构的改善，可以在同等工况下，提升温差发电电动势。
【IPC分类】H02N11-00
【公开号】CN104578913
【申请号】CN201310481849
【发明人】于书海, 牛志强, 焦魁, 杜青, 尹燕
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月15日