一种新型拓扑结构的温差热电器件
阅读说明：本技术 一种新型拓扑结构的温差热电器件 (Novel topological structure thermoelectric device ) 是由 徐菊 余典儒 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种新型拓扑结构的温差热电器件,包括：两个绝缘基板、热电对、焊层以及导流片和或导流柱；所述电热对固定在两个所述绝缘基板中间,所述导流片和或导流柱固定在所述绝缘基板上,所述焊层设置在所述热电对的两端,用于连接所述热电对和所述导流片和或导流柱。本发明能够使导流片和或导流柱越过绝缘基板直接与外部系统相接触,提高导热效率,提升热电制冷器件的性能。(The invention discloses a thermoelectric device with a novel topological structure, which comprises: the device comprises two insulating substrates, a thermoelectric pair, a welding layer, a flow deflector and/or a flow guide column; the electric heating pair is fixed between the two insulating substrates, the flow deflectors and/or the flow guide columns are fixed on the insulating substrates, and the welding layers are arranged at two ends of the thermoelectric pair and used for connecting the thermoelectric pair with the flow deflectors and/or the flow guide columns. The invention can lead the flow deflector and/or the flow guiding column to cross the insulating substrate and directly contact with an external system, thereby improving the heat conduction efficiency and the performance of the thermoelectric refrigerating device.)
本申请要求于2021年07月14日提交中国专利局、申请号为202110793132.4、发明名称为“一种新型拓扑结构的温差热电器件”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及热电发电和制冷技术领域，特别是涉及一种新型拓扑结构的温差热电器件。
背景技术
随着科学技术的发展，人类活动消耗了大量的化石燃料，引发了全球变暖、气候变化、臭氧层空洞、酸雨等严重的环境问题，因此迫切需要对替代能源、清洁能源的研究。热电器件是一种利用塞贝克效应和帕尔贴效应将电能和热能直接转换的换能器件，有热电发电器件和热电制冷器件两种。与传统的压缩机与发电机相比，热电器件不需要移动设备、结构紧凑、可靠性高、寿命长，并不断向着微型化发展，可以与微型芯片集成，在微型电子器件的热管理上及汽车余热利用等领域具有极大的应用前景。目前最常使用的热电制冷器件结构就是在将热电对的冷接头和热接头固定在不同的两个绝缘基板上，再将基板与热沉以及需要制冷的系统相连。但由于接触效应，这种多层结构的不同材料之间存在的接触电阻和接触热阻会极大影响器件的性能。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种新型拓扑结构的温差热电器件，用以提高热电器件的性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种新型拓扑结构的温差热电器件，包括：两个绝缘基板、热电对、焊层以及导流片和或导流柱；所述电热对固定在两个所述绝缘基板中间，所述导流片和或导流柱固定在所述绝缘基板上，所述焊层设置在所述热电对的两端，用于连接所述热电对和所述导流片和或导流柱。
可选地，两个绝缘基板上均设有通孔，所述导流片和或导流柱穿过所述通孔与所述焊层连接。
可选地，两个所述绝缘基板中只有一个绝缘基板设有通孔。
可选地，所述热电对包括p型热电粒子、n型热电粒子和金属电极层，所述金属电极层设置在p型热电粒子和n型热电粒子表面，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排列在两个所述绝缘基板之间。
可选地，所述绝缘基板的材料为陶瓷材料或塑料材料，所述陶瓷材料包括：AlN、Al2O3和Si3N4。
可选地，所述绝缘基板的厚度为10um～1mm。
可选地，所述导流片和或导流柱的材料为Cu、Mo或Al。
可选地，所述导流片的厚度为0.1um～1mm。
可选地，所述导流片和或导流柱上涂覆有绝缘导热层。
可选地，所述导流片和或导流柱的表面镀有Ni、Co、Pd、Au、Ag、Sn的一种或多种金属的薄膜材料。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了的一种新型拓扑结构的温差热电器件，包括：两个绝缘基板、热电对、焊层以及导流片和或导流柱；所述电热对固定在两个所述绝缘基板中间，所述导流片和或导流柱固定在所述绝缘基板上，所述焊层设置在所述热电对的两端，用于连接所述热电对和所述导流片和或导流柱。本发明能够使导流片和或导流柱越过绝缘基板直接与外部系统相接触，提高导热效率，提升热电制冷器件的性能。
说明书附图
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一新型拓扑结构的温差热电器件的结构示意图；
图2为本发明实施例二新型拓扑结构的温差热电器件的结构示意图；
图3为本发明实施例三新型拓扑结构的温差热电器件的结构示意图；
图4为本发明新型拓扑结构的温差热电器件的绝缘基板通孔模型样式一；
图5为本发明新型拓扑结构的温差热电器件的绝缘基板通孔模型样式二；
图6为两对热电对构成的温差热电制冷器件示意图；
图7为导流柱截面积的边长与最大温差的关系曲线；
图8为导流柱截面积的边长与最优电流的关系曲线；
图9为导流柱截面积的边长与最大散热率的关系曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种新型拓扑结构的温差热电器件，用以提高热电制冷器件的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种新型拓扑结构的温差热电器件，包括：两个绝缘基板2、热电对、焊层3以及导流片和或导流柱1；所述电热对固定在两个所述绝缘基板2中间，所述导流片和或导流柱1固定在所述绝缘基板2上，所述焊层3设置在所述热电对的两端，用于连接所述热电对和所述导流片和或导流柱1。所述导流片和或导流柱1上涂覆有绝缘导热层6，起到绝缘与散热作用。且绝缘导热层还可能是涂覆在整个结构的外表面。
所述热电对包括p型热电粒子4、n型热电粒子5和金属电极层，所述金属电极层设置在p型热电粒子4和n型热电粒子5表面，所述p型热电粒子4和所述n型热电粒子5交替排列在两个所述绝缘基板之间，并通过冷端和热端不同的焊料固定在导流片和或导流柱1上。
绝缘基板2起到固定支承与散热的作用，所述绝缘基板2包括AlN、Al2O3、Si3N4等陶瓷或塑料或其他材料，厚度一般在10um-1mm之间。
所述导流片和或导流柱1包括Cu、Mo、Al等导电金属材料，表面可能镀有Ni、Co、Pd、Au、Ag、Sn的一种或多种金属的薄膜材料，厚度一般在0.1um-1mm之间。
所述焊层的材料为Cu、Ag、Sn、Sb、Bi、Au、Ni、Zn等焊料元素的一种或多种金属及有机添加剂混合的片状或者膏状材料。厚度为5um～0.5mm。
如图1所示，两个绝缘基板上均设有通孔，每个热电粒子可以对应一个或多个通孔，通孔的形状可以为圆形、方形或其他任意形状。所述导流片和或导流柱穿过所述通孔与所述焊层连接。如图2所示，两个所述绝缘基板中只有一个绝缘基板设有通孔。图1与图2两种结构大体相似，唯一区别在于图1所述新型热电制冷器件的导流片和或导流柱在两侧的绝缘基板通孔均穿过，而图2所述新型热电制冷器件的导流片和或导流柱仅在一侧的绝缘基板通孔穿过。如图3所示，穿过绝缘基板的为热电粒子。
如图4所示，每个热电粒子所接的绝缘基板上的通孔为单个，且截面为圆形。如图5所示，每个热电粒子所接的绝缘基板上的通孔有多个。
绝缘基板的导热系数一般在几十W/(m·K)左右(以Al2O3为例，为35W/(m·K))，与之相比，金属导流片和或导流柱的导热系数要大一个数量级(以Cu为例，为400W/(m·K))。热电制冷器件的热流方向一般与陶瓷基板所在的平面垂直，即与热电粒子、焊层及导流片和或导流柱的排列方向平行，因此在一路热流通道上，主要有热电粒子、焊层、导流片和或导流柱及绝缘基板的热阻，而如果将金属导流片和或导流柱穿过陶瓷基板，就可以减少绝缘基板的热阻，大大提高导热效率，提高制冷器件的性能系数。另外，由于导流片和或导流柱穿插在陶瓷基板的上下两侧，能够大大提高器件的机械性能，减少界面接触效应带来的器件可靠性问题，进一步提高器件的使用寿命。
实际应用时，要将p型和n型热电材料切割成薄片，将其两面使用磁控溅射、电子束蒸发、电镀等方法金属化，再切割成粒子，并使用导流片和或导流柱将p型和n型热电粒子通过简单的锡焊等焊接工艺在冷端和热端使用不同的焊料连接起来构成热电对。使用激光打孔等方法在绝缘基板上产生多个通孔，将导流片和或导流柱依次穿过通孔，将前述热电对连接起来，交替排列在绝缘基板上。再在绝缘基板外侧的导流片和或导流柱上涂覆一层很薄的有机复合绝缘导热材料，一方面能够保证外侧的导流片和或导流柱与外界系统的电气绝缘，另一方面由于有机复合材料很薄，热阻很小，对器件的热性能造成的影响忽略不计。根据不同的应用情况和对制冷量的要求，将热电对以不同的数量及拓扑结构连接起来使用，具有高度的灵活性。
本发明能够使涂覆了绝缘导热层的导流片和或导流柱越过绝缘基板直接与外部系统相接触，提高导热效率，提升热电制冷器件的性能与机械可靠性。
本发明能够减小热电粒子与基板上表面之间的热阻，提高导热效率，提升热电器件的性能与机械可靠性，有利于获得超微型高度的温差热电器件。下面以几个实例来说明本发明的拓扑结构对器件性能的影响。以两对热电对构成的温差热电制冷器件为例，如图6所示。
忽略器件的端子引线，图6中，下方称之为端子侧，上方称之为导流片侧。根据有通孔的基板数量以及穿透基板的不同侧，可将情况分为以下几种情况，如表1：
表1
穿透情况
冷热端情况
两侧穿
端子在热端
两侧穿
端子在冷端
导流片一侧穿
导流片在热端
导流片一侧穿
导流片在冷端
端子一侧穿
端子在热端
端子一侧穿
端子在冷端
以方形的导流柱穿过基板为例，通过仿真得到以上几种情况的温差制冷器件的最大温差、最优电流及最大散热率如表2：
表2
可以看到，当导流片侧从绝缘基板的一侧穿透出去，另一侧不穿时，器件的性能最大温差最大、最大散热率也最大。
改变导流柱截面积的边长，得到其对器件性能的影响。
如图7所示，可以看到，随着导流柱的边长变化，一侧穿透下的导流片侧从热端穿出和端子从冷端穿出两种情况变化很小，最大温差线性提升；剩余四种情况的最大温差在导流柱很小时变化率很大，之后变化放缓，当导流柱截面积边长与热电粒子边长相同时，两侧穿透下端子侧在冷端性能最好，一侧穿透下导流片侧在冷端性能最差。
如图8所示，随着导流柱的边长变化，一侧穿透下导流片侧在热端和端子侧在热端两种情况下器件的最优电流几乎不变，其他四种情况在导流柱很小时变化较大，随后随着导流柱截面边长变大后几乎不变。一侧穿透下导流片侧在冷端的最优电流明显小于其他五种情况。
如图9所示，随着导流柱的边长变化，一侧穿透下导流片在冷端时器件的最大散热率明显小于其他五种情况且几乎没发生变化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。