采用八面体结构热电臂的倾斜式半导体热电模块的制作方法

本发明涉及一种半导体热电模块，具体为一种采用八面体结构热电臂的倾斜式半导体热电模块。

背景技术：

目前π型热电模块是最常见的模块形式，但在一些特殊结构的热电发电系统中，如双螺旋结构、倾斜多层板状结构等，采用倾斜式热电模块可以使整个系统具有更高的机械稳定性、结构适应性以及更好的传热特性。

传统的倾斜平行六面结构热电臂在热量传递过程中由于其倾斜的特性，使热流密度分布不均匀，且产生的电流在热电臂传递的过程中由于传输路径差异较大，电流密度分布不均匀。多面体元件产生的电压和电流明显高于平行四边形元件产生的电压和电流，且使热流密度和电流分布更加均匀。

技术实现要素：

针对现有技术中倾斜平行六面结构热电臂的半导体热电模块中热流密度和电流分布不均匀等不足，本发明要解决的问题是提供一种可将热流密度和电流均匀化和提高热电性能的采用八面体结构热电臂的倾斜式半导体热电模块。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种采用八面体结构热电臂的倾斜式半导体热电模块，包括两个八面体结构的半导体热电臂、铜导电片以及绝缘层，其中两个八面体结构的半导体热电臂平行或对称以并联方式设置于两铜导电片之间，绝缘层设于两个两铜导电片外侧。

两个八面体结构的半导体热电臂由倾斜平行六面体热电臂去除长对角线两端的角部区域得到，去除部分添加铜导电片。

去除长对角线两端的角部区域为：对角线两端的角部区域截面与水平面之间的去除角度一致，得到一系列的倾斜八面体热电模块。

去除角度α为：0°＜α≤116.5°

去除角度α＝67.5°。

铜导电片在平板上具有凸出的峰角，峰角部分形状与两个八面体结构的半导体热电臂去除角部区域后的形状契合。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明倾斜多面体结构热电臂可以应用于特殊结构热电发电系统的模块中，例如双螺旋结构、倾斜多层板型结构等；这种倾斜结构可以使整个系统具有更高的机械稳定性、结构适应性以及更好的传热特性。

2.本发明相比于传统的倾斜平行六面体结构热电臂，倾斜多面体热电臂由于将六面体结构中产生较低电流密度的区域切除，其内部具有更均匀的电流分布，降低了内阻以及热量的扩散速率，在同等条件下具有更好的热电性能，同时又降低了热电材料的使用。

附图说明

图1为现有技术中的倾斜平行六面体热电臂结构示意图；

图2a为发明中倾斜八面体热电臂平行类结构示意图；

图2b为本发明中倾斜八面体热电臂对称类结构示意图；

图3为本发明中倾斜八面体热电臂结构和尺寸示意图(mm)；

图4a为现有技术中的倾斜平行六面体电热块结构示意图；

图4b为本发明中横截面角度为50°的倾斜平行六面体电热块结构示意图；

图4c为本发明中横截面角度为67.5°的倾斜平行六面体电热块结构示意图；

图4d为本发明中横截面角度为80°的倾斜平行六面体电热块结构示意图；

图5a为本发明中多个倾斜式热电模块串联组成的平行类热电系统结构示意图；

图5b为本发明中多个倾斜式热电模块串联组成的对称类热电系统结构示意图。

其中，1为绝缘层，2为半导体热电臂，3为铜导电片，4为间隔，5为倾斜平行六面体模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

通过对热电模块中热电臂内部电流分布的分析，证明了八面体结构热电臂比普通平行六面体热电臂具有更好的热电性能，因此基于以上两点，本发明提出了采用八面体结构热电模块。

本发明一种采用八面体结构热电臂的倾斜式半导体热电模块，包括两个八面体结构的半导体热电臂2、铜导电片3以及绝缘层1，其中两个八面体结构的半导体热电臂2平行或对称以并联方式设置于两铜导电片3之间，绝缘层4设于两个两铜导电片3外侧。

两个八面体结构的半导体热电臂2如按两个热电臂的倾斜角度平行、并联设置于两铜导电片3之间(如图2a所示)，则为平行类结构；两个八面体结构的半导体热电臂2如按两个热电臂的倾斜角度对称、并联设置于两铜导电片3之间(如图2b所示)，则为对称类结构。

两个八面体结构的半导体热电臂2由传统的倾斜平行六面体热电臂5去除长对角线两端的角部区域得到，去除部分由铜导电片3添充。铜导电片3在平板上具有凸出的峰角，峰角部分形状与两个八面体结构的半导体热电臂2去除角部区域后的形状契合。本实施例将铜导电片3由传统的平板片状优化为具有峰角的结构，使其峰角部分恰好添充于半导体热电臂2去除的角部区域，以保证其完整性。

本实施例将普通的平行六面体热电臂5去掉沿长对角线方向的两个角，组成热电模块时用铜导电片3填充去掉的部分，详细尺寸如图3所示，其中热电模块的宽度为10mm，对称类倾斜八面体结构热电模块尺寸可类比得到。去除角度α为：0°＜α≤116.5°。

将传统的平行六面体结构热电模块(如图4a所示)和不同横截角度(即截面与水平面之间的角度)的倾斜八面体结构热电模块(如图4b～4d所示)之间做了对比，可以得到其相对于传统六面体结构热电模块的优越性。倾斜八面体结构的热电模块去掉了低电流密度区域，使得电流分布更加均匀，去除区域被铜导电片3取代，有了更宽和更短的电流路径，使得电荷更容易传递，增强其热电性能；通过改变横截角度(即截面与水平面之间的角度)可以得到一系列的倾斜八面体热电模块，将不同横截角度的八面体结构热电模块之间作对比，将它们放在同样的条件下进行分析，可得到最佳横截角度。

将横截角度为50°、67.5°和80°的倾斜八面体结构热电模块对比，横截角度为67.5°的倾斜八面体结构热电模块具有更短的电流路径、传热路径和热通量的均匀性，具有更好的热电性能。

如图5a、5b所示，将最佳的倾斜八面体结构热电模块串联得到相应的热电系统，两种热电模块串联得到的两种热电系统，上下端面为热电系统的冷热两端，端面之间存在温差。多个模块串联可以使单个热电臂形成的微弱电动势累积形成较大的电动势用以输出。当冷热两个端面存在温差时，热电模块会产生电动势，串联可以产生较大的电动势，更适合输出。两种热电模块串联得到了两种热电系统—平行类倾斜八面体结构热电系统和对称类倾斜八面体结构热电系统。

本发明可将倾斜八面体结构热电臂应用于特殊结构热电发电系统的模块中，例如双螺旋结构、倾斜多层板型结构等。这种倾斜结构可以使整个系统具有更高的机械稳定性、结构适应性以及更好的传热特性。

本发明相比于传统的倾斜平行六面体结构热电臂，倾斜八面体热电臂由于将六面体结构中产生较低电流密度的区域切除，其内部具有更均匀的电流分布，降低了内阻以及热量的扩散速率，在同等条件下具有更好的热电性能，同时又降低了热电材料的使用。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种采用八面体结构热电臂的倾斜式半导体热电模块，包括两个八面体结构的半导体热电臂、铜导电片以及绝缘层，其中两个八面体结构的半导体热电臂平行或对称以并联方式设置于两铜导电片之间，绝缘层设于两个两铜导电片外侧；两个八面体结构的半导体热电臂由倾斜平行六面体热电臂去除长对角线两端的角部区域得到，去除部分添加铜导电片。本发明倾斜多面体结构热电臂可以应用于特殊结构热电发电系统的模块中，例如双螺旋结构、倾斜多层板型结构等；这种倾斜结构可以使整个系统具有更高的机械稳定性、结构适应性以及更好的传热特性。

技术研发人员：孟祥宁;田月;卢百意;苗壮;朱苗勇
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2018.06.27
技术公布日：2018.12.07