液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置的製作方法
2023-08-07 11:51:46
專利名稱：液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫差發電裝置，特別涉及一種利用液態金屬冷卻的級聯式半導體
溫差發電裝置。
背景技術：
當前，由於能源短缺，低品位能源如工廠餘熱、汽車尾氣餘熱等，以及可再生能源 如太陽能、風能等的利用，受到了前所未有的重視。然而，此方面還存在諸多技術障礙制約 其推向大規模實際應用，其中最關鍵的環節之一是必須發展效率高、經濟、自給自足的能源 產生體系。 受餘熱作用或太陽能的照射，物體會在受熱面和背熱面之間產生對應的溫度梯 度；如能高效地利用這部分免費的溫度梯度來產生電力，則是十分有意義的事。此方面，半 導體熱電元件是一種很有前景的電力產生裝置，這類技術相對成熟，結構簡單輕便，事實上 很早就發揮了作用，並一直延續至今。然而，溫差發電技術卻長期被忽視，原因主要是效率 較低、產率不高等。通常，半導體熱電元件兩側不易維持特定的溫度梯度，也就是說，即使受 到很高熱流的作用，若半導體熱電片兩側不採取合理的散熱，很難達到理想的發電溫度水 平和溫度差。針對這一問題，傳統的空氣冷卻或液體冷卻在實現這一目標時顯得不是很方 便。 為此，本發明提供一種利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置。 一方面 通過增加半導體熱電片的級數來儘可能充分吸收外界熱量並提升熱電裝置總體的溫差，另 一方面則通過引入高效的液體金屬冷卻來確保這一穩定溫差，由此實現高效率的低品位熱 能發電。
發明內容
本發明目的在於提供一種利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置；由於 其電能來自溫差電池產生的電能，因而該發電裝置屬於一種自維持型溫差發電裝置。
本發明的技術方案如下 本發明提供的液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其由級聯式半導體溫 差發電模塊66和液體金屬散熱器組成； 所述級聯式半導體溫差發電模塊66為由1到100級半導體溫差發電片串聯或並 聯組成的半導體溫差發電模塊；
所述液體金屬散熱裝置包括 —個直接與所述級聯式半導體溫差發電模塊66低溫端表面相接觸的導熱平片1 ;
—個電磁泵和一個肋片式散熱器； 所述導熱平片1內設有第一中空流道，該第一中空流道兩端埠分別安裝第一連 接管道3; 所述電磁泵包括
4
-泵體13 ;所述泵體13內部設有一對第二中空流道；每一所述第二中空流道的兩 端分別為中空流道入口和中空流道出口 ；每一所述第二中空流道的一相對的壁面上分別嵌 裝有片狀電極片11 ;所述一對第二中空流道內的片狀電極11的正負極方向相反；
分別嵌裝於所述泵體13上表面和表面上的片狀磁體10 ;所述片狀磁體10覆蓋所 述一對第二中空流道； 所述片狀磁體10大平面與所述片狀電極11大平面相互垂直； 所述片狀電極片11的電極引線9由設於所述第二中空流道壁面上的小孔引出，並
與外置的電池6相連； 所述肋片式散熱器包括 —個散熱基片2和安裝於所述散熱基片2上下表面上的散熱肋片5 ; 所述散熱基片2內部設有第三中空流道，所述第三中空流道的兩端埠分別安裝
第二連接管道33 ; 所述導熱平片1的第一空心流道通過第一連通管道3與所述電磁泵的泵體13內 的第二空心流道入口相連通；所述電磁泵的泵體13內的第二空心流道出口通過第二連通 管道33與所述肋片式散熱器的散熱基片2內的第三空心流道相連通；所述相連通的第一空 心流道、第二空心流道和第三空心流道內裝有循環流動的液體金屬8。 所述肋片式散熱器的肋片上方、下方或上下方設置有風扇7，所述風扇7為1-10
枚；所述風扇7與電池6電連接。 所述電池6為半導體溫差電池或光電池。 所述電池6數目為1到IO個，其中一部分電池輸出端與所述風扇的輸入端相連。
所述的片狀電極11為銅、石墨或不鏽鋼材質的電極片，所述片狀磁體10為 0. 01 3特斯拉磁強的永磁體片。 所述電池6厚度為10nm-10cm，長度及寬度均為lcm-lm之間。
所述的液體金屬為鎵、鈉、鉀、水銀、鎵銦錫合金或鈉鉀合金。 所述肋片式散熱器的散熱基片2為不鏽鋼、金剛石、銅、塑料、有機玻璃或聚合物 材質的基片。 所述第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道的縱截面形狀均為矩形、正方 形、三角形或多邊形，其長度為i毫米-ioo釐米。 迄今，國內外尚無通過液體金屬冷卻實現半導體溫差發電的嘗試，而多級半導體
溫差發電的引入也增大了電能輸出，該裝置在許多工業領域有重要應用價值。 本發明充分利用了級聯溫差發電模塊無運動部件的特點及液體金屬的高效散熱
的優勢，突破了傳統溫差發電器產電量低、熱管理系統複雜等不利，由此可確保實現高效的
低品位熱能的利用。以往，溫差發電器低溫端採用傳統散熱方式很難達到所需的工作溫度，
本發明引入的液體金屬強化冷卻可以靈活地實現所需的散熱強度。 本發明所提供的液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置的工作原理是這樣 實現的，採用溫差電池或光電池為電磁泵工作提供電力，繼而通過電磁泵驅動中空流道內 的液體金屬流動，從而持續不斷地將級聯式半導體溫差發電模塊的冷端熱量迅速傳輸走； 散熱器的電能來源於餘熱或太陽能，因而使得該發電裝置是一種自維持型裝置；本發明中 由於工作流體是液體金屬，功耗低，因而易於採用電磁驅動，這種驅動流體流動時對供電的要求是採用小電壓、大電流，而這恰恰為溫差電池或光電池提供了一個極好的用武之地；由 於溫差電池或光電池、電磁泵部件等的體積可作得很小，因此冷卻裝置的結構相當緊湊，不 會佔據本發明液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置較多的空間，可根據不同發電模 塊的散熱需求製做成各種微型或稍大一些尺寸的散熱器。
當然，本發明中，若在液體金屬內添加磁性顆粒材料形成磁流體，還可藉助磁流體
易於通過溫差驅動的特性來實現自維持運行，此時只需設計好液體金屬流道的受熱面即
可，即使造成的流體速度不高，但由於是金屬流體，其熱量傳輸能力也是很顯著的。 總之，本發明沒有機械運動部件，相對其它發電方式而言，這種發電裝置顯得相當
簡便、可靠，這使得本發明提供的溫差發電模塊具備優良的工作性能。 本發明的關鍵之處在於充分結合了級聯溫差發電及引入超強的液體金屬冷卻熱 管理方式，從而使得可方便地實現級聯式半導體溫差發電模塊的最佳工作溫度及冷熱端溫 差；本發明的發電裝置所需能源全部來自低品位熱能，因而是一種自維持、自適應型高效發 電裝置。這種集成方式， 一改傳統溫差發電技術中熱源主要來自燃燒，而低溫端很難被冷卻 到工作溫度的不利，從而可使低品位熱能發電成為比較現實的技術。
附圖1為本發明的液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置的結構示意圖；
附圖2為圖1的橫截面示意圖； 附圖3為導熱平片或肋片式散熱器內流道的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例進一步描述本發明專利 附圖1為本發明的液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置的結構示意圖；附 圖2為圖1的橫截面示意圖；附圖3為導熱平片或肋片式散熱器內流道的結構示意圖；由圖 可知，本發明的液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其由級聯式半導體溫差發電 模塊66和液體金屬散熱器組成； 所述級聯式半導體溫差發電模塊66為由1到100級半導體溫差發電片串聯或並 聯組成的半導體溫差發電模塊；
所述液體金屬散熱裝置包括 —個直接與所述級聯式半導體溫差發電模塊66低溫端表面相接觸的導熱平片1 ;
—個電磁泵和一個肋片式散熱器； 所述導熱平片1內設有第一中空流道，該第一中空流道兩端埠分別安裝第一連 接管道3; 所述電磁泵包括 —泵體13 ;所述泵體13內部設有一對第二中空流道；每一所述第二中空流道的兩 端分別為中空流道入口和中空流道出口 ；每一所述第二中空流道的一相對的壁面上分別嵌 裝有片狀電極片11 ;所述一對第二中空流道內的片狀電極11的正負極方向相反；
分別嵌裝於所述泵體13上表面和表面上的片狀磁體10 ;所述片狀磁體10覆蓋所 述一對第二中空流道；
所述片狀磁體10大平面與所述片狀電極11大平面相互垂直； 所述片狀電極片11的電極引線9由設於所述第二中空流道壁面上的小孔引出，並
與外置的電池6相連； 所述肋片式散熱器包括 —個散熱基片2和安裝於所述散熱基片2上下表面上的散熱肋片5 ; 所述散熱基片2內部設有第三中空流道，所述第三中空流道的兩端埠分別安裝
第二連接管道33 ; 所述導熱平片1的第一空心流道通過第一連通管道3與所述電磁泵的泵體13內的第二空心流道入口相連通；所述電磁泵的泵體13內的第二空心流道出口通過第二連通管道33與所述肋片式散熱器的散熱基片2內的第三空心流道相連通；所述相連通的第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道內裝有循環流動的液體金屬8。 所述肋片式散熱器的肋片上方、下方或上下方設置有風扇7，所述風扇7為1-10
枚；所述風扇7與電池6電連接。 所述電池6為半導體溫差電池或光電池。 所述電池6數目為1到IO個，其中一部分電池輸出端與所述風扇的輸入端相連。
所述的片狀電極11為銅、石墨或不鏽鋼材質的電極片，所述片狀磁體10為0. 01 3特斯拉磁強的永磁體片。所述電池6厚度為10nm-10cm，長度及寬度均為lcm-lm之間。
所述的液體金屬為鎵、鈉、鉀、水銀、鎵銦錫合金或鈉鉀合金。 所述肋片式散熱器的散熱基片2為不鏽鋼、金剛石、銅、塑料、有機玻璃或聚合物材質的基片。 所述第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道的縱截面形狀均為矩形、正方形、三角形或多邊形，其長度為i毫米-ioo釐米。 本發明為一種結合了低品位半導體熱能發電及引入液體金屬冷卻的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，所用的級聯式半導體溫差發電模塊66可從市場購買基本元件和材料後，按既定程序加工組裝(屬於已有技術)，該級聯式半導體溫差發電模塊的發電膜層中，可由1到100級半導體溫差發電片串聯或並聯組成的半導體溫差發電模塊； 導熱平片1與級聯式半導體溫差發電模塊66低溫端表面直接相接觸，導熱平片1的第一中空流道內的液體金屬8將級聯式半導體溫差發電模塊66低溫端表面產生的熱量帶到肋片式散熱器，之後再從其表面的肋片5上通過自然對流和輻射換熱方式散走；
肋片式散熱器的特點在於，用促使液體金屬8流動的電磁泵作驅動動力，電磁泵電能來自電池6 ;肋片式散熱器表面的肋片5形式可多樣化，肋片上端可設置風扇7以強化空氣對流；肋片式散熱器的散熱基片2由高導熱金屬如鋁、銅、金或銀等材料做成，所述第一連接管道3和第二連接管道33可由上述金屬或塑料等做成；液體金屬被封裝在第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道內，可實現穩定而可靠的循環流動；
製作電磁泵時，可在電磁泵泵體13內預先製作出一對第二中空流道(其橫截面形狀為矩形、正方形、三角形或圓形；為圓形時，其外徑可在10納米到10釐米，長度可在1毫米到100釐米，並在第二中空流道相對的兩壁上固定一對片狀電極ll，之後在第二中空流道兩側的壁面上鑽出半徑在0.01mm lmm的小孔，將一對片狀電極ll的引線12沿此兩孔分別穿入第二中空流道，之後密封該兩側小孔；再從市場上購置一對磁場強度在0. 01 2特斯拉範圍的片狀磁體IO，其厚度約0. 1 5mm，半徑在0. 1 5cm之間，將其沿垂直於片狀電極11大平面的方向布置在泵體13的上下表面(見圖2);於是，當片狀電極11接通光電池6時，其與片狀磁體10的聯合作用就會推動第二中空流道內的液體金屬流動，從而實現熱量輸運的功能； 如圖2所示，一對第二中空流道內的片狀電極11的正負極布置方向應相反，以便在通電時電磁驅動的力量是加和關係，而不是相互抵消；這樣的設置相當於在整個流道上的多對片狀電極11相當於增加了多個分布式驅動泵，因而液體金屬流體驅動力更強。本發明中的中空流道可通過機加工或其他成熟技術製作，之後與連通管道連接，但在一端留有開口，以便將熔化後的低熔點金屬或其合金(呈液體狀態)沿此開口注入管道和循環通路中，待整個流道內充好液體金屬後，將上述開口予以封裝，即形成內部循環通道為密閉的高效散熱機構，將其貼附於待散熱的熱離子發電模塊低溫端，即可實現熱量的高效傳輸。根據需要，連通管道可由金屬或塑料等製成，其長短可根據需要加以調整，整個散熱結構的尺寸可根據需要製作。所述的肋片散熱器中採用的流動工質即液體金屬除採用最常見的鎵外，也可採用其合金如比例在銦化鎵、鈉鉀，甚至是水銀等。 本發明的電磁泵，其能量來源於電池6，當電磁泵工作時，可在中空流道內造成一定驅動力，於是，在其作用下，循環通道內的液體金屬即由導熱平片l流動到肋片式散熱器，並在那裡將熱量排放出去；液體金屬放出熱量後，再通過電磁泵的驅動回流到導熱平片l，繼續完成新的熱量輸運。 本發明中對於毫、微米級的微孔和中空流道可通過現有技術加工出；目前的技術已使得加工由多個水力學直徑在10nm到10 ii m3之間的微管道成為可能。這些中空流道可製作在矽、金屬或其它合適材料的薄片上。這些技術保證了本發明的實施。比如，製作肋片式散熱器的第三中空流道時，若所要求的中空流道尺寸較小(如在數十微米量級)，則需採用一些微/納米加工技術如LIGA技術、雷射打孔等在肋片式散熱器的散熱基片(可為金屬如鋁或半導體矽等)上按一定管道方式加工出。若中空流道較大(如毫米到釐米量級)，則採用常規方法如機加工或電加工即可作出。整個製造工藝並不複雜。 為達到較好的散熱效果，一般用作本發明的液體金屬或其合金應滿足如下要求無毒，對所接觸材料不起腐蝕及化學作用，在高溫下不發生化學反應；便於獲取；具有一定的熱穩定性；比熱、熱導率和熱擴散率要高，因而在傳遞一定的熱量時，可使流量小，傳熱迅速。工質應與結構材料相容，所選工質應不能造成對散熱器系統部件產生腐蝕和鏽化等影響使用壽命的不利因素，此外，工質還應具有較大的熔化潛熱和較小的粘性係數。
本發明具有很多優點，首先，首次結合了半導體級聯溫差發電及引入超強的液體金屬冷卻，從而將半導體溫差發電器高溫端提升到了其最佳工作高溫，且充分低利用了外界熱源的熱流，並在高、低溫兩端保持了合適的溫差，由此實現了高效率的電能輸出；本發明一改傳統溫差發電技術中熱能利用率低，而低溫端很難被冷卻到合適工作溫度的不利，且所提供的發電部件所有能源全部來自低品位熱能，因而整套結構是一種自維持、自適應型高效發電裝置。這種集成方式，使得半導體溫差發電成為比較現實的技術。整個散熱器內液體金屬的循環過程是封閉的，不會對環境造成影響，因而具有明顯的環保性；具有在節能、發展清潔能源乃至建立分布式發電等方面有重要意義。 本發明提供的液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，運行中除液體金屬及風扇外，無任何其他運動部件，因而較之現有的風能發電、太陽熱蒸汽能發電，整套裝置的結構更簡單，可靠性更高，維護方便，且噪音較低。 本發明可方便地實現高效的低品位熱能發電。以實施例1為例，使用本發明的
本發明的液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，只需將發電模塊置於熱源如工廠餘熱排除口 、汽車尾噴管等溫度較高的地方，即可實現電力輸出，從而滿足各方面的電力需求。當然，在無自然熱源的情況下，也可通過在半導體溫差發電模塊中心設置燃料如各種常規燃料(石油、天然氣、生物質等)提供熱源，即可連續地提供電能輸出。 一般有陽光的情況下，根據用戶使用當地的太陽能特點，調整好太陽能光電池及陽光聚焦器的相對位置；於是，隨著太陽能的作用，半導體溫差發電模塊的熱端溫度開始上升，同時冷端溫度也隨之升高；與此同時，溫差電池或光電池6開始輸出電能，當其輸出足夠大的電流，該電流輸送到電磁泵的片狀電極11上，即可驅動流道內的液體金屬8流動，由此，基於液體金屬8的流動，即可將半導體溫差發電模塊冷端產生的熱量由導熱平片1基底傳輸到肋片式散熱器並排走，從而使級聯式半導體溫差發電模塊66兩端維持在一個合適的工作溫度水平和溫差，於是整套裝置即可持續穩定地輸出電能。 最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。比如，這裡提供的溫差發電模塊形狀不必一定採用平板結構，也可採用圓柱結構，此時冷卻可從圓柱外表面實施，也可從圓柱中心通過液體金屬的流動實現，或按更多流道類型實現冷卻；當然，該發電模塊也不限於半導體溫差發電，其他類似溫差發電器件如鹼金屬溫差發電模塊甚至是不同溫差發電方式的組合，如半導體溫差發電與鹼金屬熱電池、太陽能光電池、熱離子發電模塊等的組合 可採用本發明實現。
權利要求
一種液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其由級聯式半導體溫差發電模塊66和液體金屬散熱器組成；所述級聯式半導體溫差發電模塊66為由1到100級半導體溫差發電片串聯或並聯組成的半導體溫差發電模塊；所述液體金屬散熱裝置包括一個直接與所述級聯式半導體溫差發電模塊66低溫端表面相接觸的導熱平片1；一個電磁泵和一個肋片式散熱器；所述導熱平片1內設有第一中空流道，該第一中空流道兩端埠分別安裝第一連接管道3；所述電磁泵包括一泵體13；所述泵體13內部設有一對第二中空流道；每一所述第二中空流道的兩端分別為中空流道入口和中空流道出口；每一所述第二中空流道的一相對的壁面上分別嵌裝有片狀電極片11；所述一對第二中空流道內的片狀電極11的正負極方向相反；分別嵌裝於所述泵體13上表面和表面上的片狀磁體10；所述片狀磁體10覆蓋所述一對第二中空流道；所述片狀磁體10大平面與所述片狀電極11大平面相互垂直；所述片狀電極片11的電極引線9由設於所述第二中空流道壁面上的小孔引出，並與外置的電池6相連；所述肋片式散熱器包括一個散熱基片2和安裝於所述散熱基片2上下表面上的散熱肋片5；所述散熱基片2內部設有第三中空流道，所述第三中空流道的兩端埠分別安裝第二連接管道33；所述導熱平片1的第一空心流道通過第一連通管道3與所述電磁泵的泵體13內的第二空心流道入口相連通；所述電磁泵的泵體13內的第二空心流道出口通過第二連通管道33與所述肋片式散熱器的散熱基片2內的第三空心流道相連通；所述相連通的第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道內裝有循環流動的液體金屬8。
2. 按權利要求1所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在 於，所述肋片式散熱器的肋片上方、下方或上下方設置有風扇7，所述風扇7為1-10枚；所 述風扇7與電池6電連接。
3. 按權利要求1所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在 於，所述電池6為半導體溫差電池或光電池。
4. 按權利要求3所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在 於，所述電池6數目為l到IO個，其中一部分電池的輸出端與所述風扇的輸入端相連。
5. 按權利要求1所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在 於，所述的片狀電極11為銅、石墨或不鏽鋼材質的電極片，所述片狀磁體10為0. 01 3特 斯拉磁強的永磁體片。
6. 按權利要求4所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在 於，所述電池6厚度為10nm-10cm，長度及寬度均為lcm-lm之間。
7. 按權利要求1所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在於，所述的液體金屬為鎵、鈉、鉀、水銀、鎵銦錫合金或鈉鉀合金。
8. 按權利要求1所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在 於，所述肋片式散熱器的散熱基片2為不鏽鋼、金剛石、銅、塑料、有機玻璃或聚合物材質的基片。
9. 按權利要求1所述的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，其特徵在 於，所述第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道的縱截面形狀均為矩形、正方形、三 角形或多邊形，其長度為1毫米-ioo釐米。
全文摘要
本發明的利用液態金屬冷卻的級聯式半導體溫差發電裝置，包括級聯式半導體溫差發電模塊、位於模塊一側的液體金屬散熱器；液體金屬散熱器包括直接與發電模塊低溫端接觸的導熱平片；安裝在一電磁泵基底內槽道內的電磁泵；電磁泵由平放在電磁泵基底上下表面上的一對永磁片和安裝在電磁泵基底內的槽道相對的兩壁上的一對電極片組成，該對電極片平面與所述該對永磁片平面垂直；電極片引線與電池電連接，相連通的導熱平片內的空心流道，電磁泵基底內的槽道以及肋片式散熱器的散熱基底內的空心流道內裝有流動的液體金屬；本發電裝置是一種無運動部件的自維持、自適應型高效低品位熱發電裝置，結構簡單，可靠性高，維護方便，且噪音較低；節能並環保。
文檔編號H02N11/00GK101764547SQ20091011961
公開日2010年6月30日 申請日期2009年3月23日 優先權日2008年12月25日
發明者劉靜, 鄧月光 申請人:中國科學院理化技術研究所