一種內電極為金屬管且外電極為金屬線的熱電轉換器件的製作方法

2023-10-06 04:32:59 2

一種內電極為金屬管且外電極為金屬線的熱電轉換器件的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種熱電轉換器件，包括內電極、外電極、以及二者之間設置的熱電轉換材料，其中內電極為金屬管，外電極為金屬線，其中，熱電轉換材料為Ce(FexZryPbz)13，其中：x的範圍為0.70～0.95；y的範圍為0.05～1-x；z的範圍為0.005～0.5。該器件解決了現有技術中熱電轉換技術轉換率低，實際應用效果差的問題，是一種熱電轉換效率高的熱電轉換器件。
【專利說明】一種內電極為金屬管且外電極為金屬線的熱電轉換器件
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種熱電轉換器件。
【背景技術】
[0002]熱電效應是在給物質加熱時，可以感應出電流來，電流強度隨著熱量的增加而增加的現象。在加熱時能感應出電流的物質叫熱電效應材料，也叫熱電轉換材料。用金屬材料作兩極，中間用熱電轉換材料將兩金屬材料連接起來，製作而成熱電轉換器件。
[0003]熱電轉換器件是單向導熱結構，是先把一個金屬電極加熱，然後再由加熱的金屬通過熱電轉換材料把熱量傳導給另一個金屬電極。由於單向導熱結構，使微小的熱粒子向電子轉化產生了連續循環的電流。由於單向導電結構，對熱電池中的熱電流起到了正向促進，反向阻止的作用。
[0004]熱電轉換器件可利用太陽能、熱電廠的餘熱、地熱等熱能轉換為電能，其轉換效率主要取決於熱電轉換材料以及兩極金屬材料的性能。另外，轉換效率也與兩金屬極和熱電轉換材料的接觸面積有關，所以在兩個金屬極與熱電轉換材料的接觸面上設置面積擴大裝置，主要設置在內電極上，從而擴大接觸面積，使熱電轉換達到最佳效果。必要時，熱電轉換器件還可以並聯或者串聯使用，如把若干組熱電池重疊在一起，使熱量得到更充分的轉換效果。
[0005]但是，現有技術種熱電轉換器件的轉換率較低，很難實際應用於工業生產中。因此尋找更合適的熱電轉換材料和兩極的金屬材料，提高熱電轉換器件的轉換率，是本領域亟需解決的問題。

【發明內容】

[0006]本發明為了解決現有技術中熱電轉換技術轉換率低，實際應用效果差的問題，提供了 一種熱電轉換效率高的熱電轉換器件。
[0007]本發明的內電極為金屬管且外電極為金屬線的熱電轉換器件，包括內電極、外電極、以及二者之間設置的熱電轉換材料，其中內電極為金屬管，外電極為金屬線，其中，
[0008]熱電轉換材料為Ce (FexZryPbz) 13，
[0009]其中:x的範圍為0.70?0.95 ；y的範圍為0.05?l_x ；z的範圍為0.005?0.5。
[0010]熱電轉換材料優選為CeFe11Zr1.5Pb0.5, CeFe11.5ZrPb0.5, CeFe10.8ZrL 7Pb0.3,CeFe11 5ZrL 2Pb0 3。
[0011]優選地，內電極和外電極為鐵或銅。
[0012]經過實驗測試，本發明的熱電轉換器件與現有技術中已知的熱電轉換材料，例如黃鐵礦製成的器件相比，熱電轉換效率明顯提高，在20?50°C之間提高12?18%，在50?100°C之間提高22?32%。本發明人驚喜的發現，採用Ce(FexZryPbz)13製成的熱電轉換器件的轉換效率相比本發明人的另一個在前發明以Ce為主要構成熱電轉換材料的熱電轉換器件還要高出2?3%。【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的熱電轉化器件的結構示意圖。
[0014]圖2為圖1沿橫向的截面圖。
[0015]圖3為圖1沿縱向的截面圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明，但應該理解，實施例僅用於說明本發明的技術方案，不用於限制其保護範圍。
[0017]本發明的熱電轉換器件，包括內電極1、外電極2、以及二者之間設置的熱電轉換材料3，其中內電極I為金屬線，外電極2為金屬線，如圖1、2、3所示。
[0018]該熱電轉換器件的製造方法是:用一根金屬管作為一個發射極1，發射極I外加熱電轉換材料3，然後用金屬線纏繞在熱電轉換材料3表面構成加熱極2，在加熱極2和發射極I上用連接線6接出接頭，就組成了單式管線式熱電池。
[0019]該熱電轉換器件加強了散熱，並促進熱量單向流動，對熱電轉換具有一定的提高作用，也是從外向裡加熱的方式，適合各種普通的熱電轉換。
[0020]本發明的內電極也稱為發射極，其接收來自熱電轉換材料的電子。外電極也稱為加熱極，其溫度變化後，向熱電轉換材料輸送電子，從而將熱電轉換材料加熱。由於單向導電結構，熱電器件中的熱電 流起到正向促進、反向阻止的作用。
[0021]其中，內電極1、外電極2為金屬材料。優選為鐵或銅，也可以是鋁或銀。例如內電極I選金屬鐵，外電極2選金屬銅。
[0022]熱電轉換材料3 為 Ce (FexZryPbz) 13
[0023]其中:x的範圍為0.70~0.95 ；y的範圍為0.05~l_x ；z的範圍為0.005~0.5。
[0024]熱電轉換材料優選為CeFe11Zr1.5Pb0.5, CeFe11.5ZrPb0.5, CeFe10.8ZrL 7Pb0.3,CeFe11 5ZrL 2Pb0 3。
[0025]熱電轉換材料3還可以是Ce (FexHfyPtz) 13
[0026]其中:x的範圍為0.85~0.90 ；y的範圍為0.03~l_x ；z的範圍為0.005~0.45。
[0027]熱電轉換材料優選為CeFe11Zr1 55Pb0 45, CeFe115Zr115Pb0 45, CeFe10 75Zr18Pb0 35,CeFe10 S^r1 85Pb0.35。
[0028]所述的熱電轉換材料3的製造工藝包括如下步驟:
[0029]a)使Ce、Fe、Zr和Pb四種化學元素在固相和/或液相中以對應於其金屬基材料的化學計量比反應，形成Ce (FexZryPbz) 13反應物；
[0030]b)將上述反應物壓製成固體；
[0031]c)將上述固體燒結和/或熱處理，
[0032]d)將來自步驟c)的燒結和/或熱處理的固體以至少lOOK/s的冷卻速率驟冷。
[0033]在本方法的步驟(a)中，
[0034]在固相或液相中以對應於熱電轉換材料的化學計量比將存在於後者熱電轉換材料中的元素和/或合金轉化。
[0035]優選通過將元素和/或合金在密閉容器中或在擠出機中組合加熱，或通過在球磨機中固相反應而進行步驟a)中的反應。特別優選進行固相反應，其尤其在球磨機中進行。這種反應原則上是已知的；參見以上引用的文獻。通常，將存在於後者熱電轉換材料中的各元素的粉末或者兩種或更多種各元素的合金的粉末以粉狀形式以合適的重量比混合。如果需要的話，還可將混合物研磨以得到微晶粉末混合物。優選將該粉末混合物在球磨機中加熱，這導致進一步粉碎以及良好混合，並導致粉末混合物中的固相反應。或者，將各元素作這粉末以所選擇的化學計量比混合，然後熔融。
[0036]在密閉容器中組合加熱使得固定揮發性元素並控制化學計量比。具體而言，在使用磷的情況下在開放系統中這將容易蒸發。
[0037]在在本方法的步驟(b)中，
[0038]將步驟a)中得到的固體在燒結和/或熱處理之前壓制。這使材料密度提高，使得高密度熱電轉換材料存在於後者應用中。這尤其是有利的，因為存在磁場的體積可降低，這可相當大地節約成本。壓制為本身已知的，可用或不用壓制助劑進行。可使用任何適於壓制的模型。通過壓制，可得到所需三維結構的成型體。壓制之後可進行步驟c)的燒結和/或熱處理，其後進行步驟d)的驟冷。
[0039]在本方法的步驟(C)中，
[0040]固體的燒結和/或熱處理在步驟c)中進行，優選首先在700-1300°C的溫度下進行燒結，然後在500-750°C的溫度下進行熱處理。這些值尤其適用於成型體，而較低的燒結和熱處理溫度可用於粉末，例如，在500-700°C的溫度下進行。對於成型體/固體，燒結更優選在900-1200°C，尤其是1000-1100°C的溫度下進行。熱處理然後可例如在600-700°C下進行。
[0041 ] 燒結優選進行20-30小時，更優選25-30小時。熱處理優選進行50_70小時，更優選60-65小時。精確的時間可根據材料調整以適應實際要求。
[0042]燒結/熱處理導致顆粒邊界部分熔融，使得材料進一步密實。因此，步驟b)中的熔融和快速冷卻使步驟c)的持續期間相當大地降低。這還使得連續製備熱電轉換材料。
[0043]在本方法的步驟(d)中，
[0044]當在燒結和/或熱處理之後不將金屬基材料緩慢冷卻至環境溫度，而是以高冷卻速率驟冷時，熱滯後可顯著降低並可實現熱電效應。該冷卻速率為至少lOOK/s。冷卻速率優選為200-1300K/s，更優選的冷卻速率為300-1000K/s。
[0045]驟冷可通過任何合適的冷卻方法實現，例如通過用水或含水液體如冷卻水或冰/水混合物將固體驟冷。例如，可使固體落入冰冷卻的水中。也可用過冷的氣體如液氮將固體驟冷。其它驟冷方法為本領域技術人員已知的。
[0046]通過將熱電池加熱到不同溫度進行測量，就可以得到不同體積、不同面積在不同溫度下所產生的對應的電流強度值。本發明的熱電轉換器件可以把各種熱能轉化為電能。其敏感性好，空氣中的溫度變化都可以使熱電池產生電流變化，是一種普通熱量的收集轉化器，尤其在高溫加熱時可以得到很好的熱電轉換效果，而且可以長期反覆使用。經實驗證明，採用本發明的熱電轉換材料製成熱電轉換器件，與現有技術中已知的熱電轉換材料形成的熱電轉換器件相比，熱電轉換效率明顯提高，在10?50°C之間提高12?18%，在50?100°C之間提高22?32%。熱電池內部的溫度不能無限制的增加，本發明的熱電轉換電池的加熱溫度優選限於100攝氏度以內。由於熱電電池的結構不同，材料不同，對溫度的要求不同。
[0047]由此可見，本發明的材料是適於熱電轉換器件的一種新穎的熱電轉換材料，其室內溫度變化即可產生電流變化，尤其可顯著提高加熱溫度在50?100°C範圍內的熱電轉換效率。
【權利要求】
1.一種內外電極均為金屬線的熱電轉換器件，包括內電極、外電極、以及二者之間設置的熱電轉換材料，其特徵在於， 內電極為金屬管，外電極為金屬線， 熱電轉換材料為Ce (FexZryPbz)13, 其中:x的範圍為0.70~0.95 ；y的範圍為0.05~l_x ；z的範圍為0.005~0.5。
2.如權利要求1所述的器件，其特徵在於，所述熱電轉換材料優選為CeFe11ZiY5Pba5,CeFe11 gZrPbg 5, CeFe10 8ZrL 7Pb0 3? CeFe11.5ZrL2Pb0.3。
3.如權利要求1所述的`器件，其特徵在於，所述內電極和外電極為鐵或銅。
【文檔編號】H01L35/20GK103779492SQ201410037955
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】李春濤, 李申, 範小斌, 申峰 申請人:海安縣申菱電器製造有限公司