發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì),發(fā)動(dòng)機(jī),余熱,發(fā)電,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) Design of system for waste thermal of generator 姓 名 汪軍輝 學(xué) 號(hào) 3043120021 分 院 機(jī)電與能源分院 專業(yè)班級(jí) 04 機(jī)械電子（1）班 指導(dǎo)教師 宋瑞銀（博士） 完成時(shí)間 2008 年 05 月 20 日 寧波理工學(xué)院 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 、、 題目： 發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、、 分院 機(jī)電與能源分院 學(xué)生姓名 汪軍輝 專業(yè)班級(jí) 04 機(jī)電（1）班 學(xué)號(hào) 3043120021 發(fā)放日期 2007 年 12 月 、、 指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的進(jìn)度安排及任務(wù)要求： 1、 主要任務(wù)與目標(biāo): 2、 主要內(nèi)容與基本要求: 3、 計(jì)劃進(jìn)度: 4、 主要參考文獻(xiàn): 起訖日期： 2007 年 01 月 15 日 至 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽名） 職稱 2007 年 01 月 15 日 、、 分院審核意見(jiàn) 3 負(fù)責(zé)人（簽名） 年 月 日 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作記錄卡 姓 名： 日 期 寫(xiě) 作 環(huán) 節(jié) 主 要 工 作 內(nèi) 容 指導(dǎo)教師簽字 選 題 （選題） 開(kāi)題報(bào)告 （搜集資料） 搜集資料 （開(kāi)題報(bào)告） 初 稿 （總體方案設(shè)計(jì)分析） 二 稿 （設(shè)計(jì)計(jì)算和工作圖） 定 稿 （說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)） 5 注：設(shè)計(jì)類工作記錄卡寫(xiě)作環(huán)節(jié)一欄按括號(hào)內(nèi)要求填寫(xiě) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作指導(dǎo)卡 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 計(jì)劃進(jìn)程表 日 期 工 作 內(nèi) 容 完 成 情 況 指 導(dǎo) 教 師 檢 查 答 疑 記 錄 日 期 檢 查 答 疑 內(nèi) 容 指導(dǎo)教師簽字 學(xué) 生 請(qǐng) 假 記 錄 日 期 請(qǐng) 假 原 因 指導(dǎo)教師簽字 I 中文摘要 隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展，為MEMS 提供電能的微小型功率 器件（POWER MEMS）逐步得到了廣泛的研制。微小型熱電電源是其中得到 發(fā) 展的研究課題。 本文提出了發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，它是在發(fā)電器兩端施加強(qiáng)制溫 差并利用熱電效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件，它包括冷源、熱源和微小型 熱電發(fā)電器三險(xiǎn)要部件，具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、無(wú)污染、安靜無(wú)噪聲和無(wú)可 動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。 本文結(jié)合熱電堆式熱電發(fā)電器的理論模型，考慮到湯姆孫效應(yīng)的影響，建 立了發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)的模型。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞1：設(shè)計(jì); 關(guān)鍵詞2：分析; 關(guān)鍵詞3：結(jié)構(gòu); 關(guān)鍵詞4：尺寸; 關(guān)鍵詞5：組合 II Abstract The widely use of MEMS prompted the extensive research of Power MEMS．Micro (small) thermoelectric generation device is one of the research programs for Power MEMS. In the paper, the design of system for waste thermal of generator was put forward, and the theory of which is put temperature in difference actively to two sides of the micro (small) thermoelectric generator. The device includes mainly three parts such as heat source, sink source and micro (small) thermoelectric generator etc, which has merits of quiet, long life-span for use, no pollution and having no movable components etc. Combined with perfect model of common thermoelectric generator, generator were built up based on such factors as the effect of Thomson effect ，then the design of system for waste thermal of generator were optimized. Key word: 1. design 2. analyze 3. configuration 4. size 5. Combination III 目 錄 中文摘要 英文摘要 第 1 章 緒 論 .....................................................1 1.1 課題研究的背景 ................................................1 1.2 課題研究的意義 ................................................2 1.3 國(guó)內(nèi)外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 ......................................2 第 2 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設(shè)計(jì) .................................4 2.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理 ............................................4 2.1.1 余熱發(fā)電器的原理 ..........................................4 2.1.2 塞貝克效應(yīng) ................................................4 2.1.3 帕爾帖效應(yīng) ................................................5 2.1.4 湯姆遜效應(yīng) ................................................6 2.2 余熱發(fā)電器的理論模型 ..........................................7 2.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計(jì)算 ........................................7 2.3.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計(jì)算 ................................7 2.3.2 單個(gè)電偶臂的功率計(jì)算和效率計(jì)算 ............................9 2.3.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計(jì)算 .......................11 第 3 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .........................................13 3.1 熱電發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析 ...........................................13 3.2.1 美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究的方案 ...............................13 3.2.2 美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究的方案 ...............................15 3.2.3 熱電堆式熱電發(fā)電器 .......................................16 3.2 余熱電發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì) .......................................17 3.2.1 通氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................18 3.2.2 通水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................20 3.2.3 余熱發(fā)電器的設(shè)計(jì) .........................................22 3.2.4 余熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 .....................................26 3.2.5 余熱發(fā)電器的工藝設(shè)計(jì) .....................................28 3.3 余熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計(jì) .................................30 3.4 余熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配 .................................32 3.5 余熱發(fā)電器模塊之間的連接部件 .................................32 第 4 章 總 結(jié) ...................................................34 參考文獻(xiàn) ...........................................................35 附錄 ...............................................................36 致謝 ...............................................................37 1 第 1 章 緒 論 1.1 課題研究的背景 我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)繼 續(xù)保持了快速發(fā)展的勢(shì)頭，取得了有目共睹的偉大成就，也遭遇前所未曾有過(guò) 的資源約束和環(huán)境制約。針對(duì)這些情況，中央適時(shí)地提出了建設(shè)資源節(jié)約型、 環(huán)境友好性社會(huì)等一系列新的觀念和決策。 節(jié)約型社會(huì)目的是通過(guò)“ 加快建設(shè) 資源節(jié)約型社會(huì)，推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。解決全面建設(shè)小康社會(huì)面臨的資源約束 和環(huán)境壓力問(wèn)題。保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速協(xié)調(diào)健康發(fā)展(國(guó)辦發(fā)(2004330 號(hào)文件)， 強(qiáng)調(diào)在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的同等重要性，要求經(jīng)濟(jì)效率和環(huán)境保 護(hù)并駕齊驅(qū)。要求人類發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)，追求以節(jié)約資源、能源和減少污染為前 提的生念經(jīng)濟(jì)效率，要求人類在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)凋統(tǒng)一。目前， 建沒(méi)節(jié)約型社會(huì)多從節(jié)能技術(shù)、綠色技術(shù)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等方面展開(kāi)，這有利于節(jié) 約型社會(huì)建設(shè)的深入發(fā)展。在現(xiàn)在這個(gè)飛速發(fā)展的社會(huì)中交通無(wú)疑是很重要的 一塊，而汽車、飛機(jī)、船舶等交通運(yùn)輸工具又是不可或缺的，而發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車、 飛機(jī)、船舶等交通運(yùn)輸工具的核心部件，其應(yīng)用范圍非常廣泛。隨著人類社會(huì) 的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量急速增加。以汽車為例，2005 年汽車保有量達(dá) 3300 萬(wàn) 臺(tái)，預(yù)計(jì) 2010 年將超過(guò) 7000 萬(wàn)臺(tái)。與之相對(duì)應(yīng)的是發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的劇增和廢熱 的大量排放。調(diào)查研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒所發(fā)出的能量只有 34％～38％（柴油機(jī)）或 25％～28％（汽油機(jī)）被有效利用。其它的能量被排 放到發(fā)動(dòng)機(jī)體外，僅由排氣帶走的熱量就占進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料所產(chǎn)生熱量的 30％～45％。這一方面造成了較大的能源浪費(fèi)，另一方面使周邊環(huán)境溫度升高， 帶來(lái)了城市的熱島效應(yīng)等不良影響。熱污染首當(dāng)其沖的受害者是水生物，由于 水溫升高使水中溶解氧減少，水體處于缺氧狀態(tài)，同時(shí)又使水生生物代謝率增 高而需要更多的氧，造成一些水生生物在熱效力作用下發(fā)育受阻或死亡，從而 影響環(huán)境和生態(tài)平衡。此外，河水水溫上升給一些致病微生物造成一個(gè)人工溫 床，使它們得以滋生、泛濫，引起疾病流行，危害人類健康。隨著人口和耗能 量的增長(zhǎng)，城市排入大氣的熱量日益增多。按照熱力學(xué)定律，人類使用的全部 2 能量終將轉(zhuǎn)化為熱，傳入大氣，逸向太空。這樣，使地面反射太陽(yáng)熱能的反射 率增高，吸收太陽(yáng)輻射熱減少，沿地面空氣的熱減少，上升氣流減弱，阻礙云 雨形成，造成局部地區(qū)干旱，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，地球大氣中 的二氧化碳不斷增加，氣候變暖，冰川積雪融化，使海水水位上升，一些原本 十分炎熱的城市，變得更熱。造成熱污染最根本的原因是能源未能被最有效、 最合理地利用。在其它工程機(jī)械、船舶、飛機(jī)運(yùn)輸工具中，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)能量的利 用效率也存在同樣的效率低、能源浪費(fèi)等問(wèn)題?，F(xiàn)代化國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源 有著密切的關(guān)系，在正常的情況下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源之間存在著正相關(guān)，也就 是說(shuō)，能源消費(fèi)量越大，國(guó)民生產(chǎn)總值也越高。反之，能源不足就會(huì)影響國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甚至?xí)斐删薮蟮膿p失。據(jù)分析，由于能源不足所引起的國(guó)民經(jīng) 濟(jì)損失，約為能源本身價(jià)值的 20 到 60 倍。由此可見(jiàn)，不論哪個(gè)國(guó)家哪一個(gè)時(shí) 期，若要加快發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)，就必須保證能源消費(fèi)量的相應(yīng)增長(zhǎng)。目前，我國(guó) 正處于改革開(kāi)放的前期階段，要盡快發(fā)展社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)，除了其他的必要 條件外，還必須重視能源這一重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，能源是我國(guó)更好地進(jìn)行 社發(fā)濟(jì)的關(guān)鍵。一方面要增加能源的采集，另一方面還要注重提高能源的利用 率。 1.2 課題研究的意義 節(jié)能與環(huán)保是21 世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。中國(guó)正處在持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵階 段, 開(kāi)發(fā)新能源和充分利用低品位能源、廢能源具有重大意義。同時(shí), 通過(guò)節(jié) 能可以節(jié)約大量燃料, 對(duì)于降低我國(guó)在二氧化碳, 二氧化硫和氮氧化物的排放 都具有直接的影響。我國(guó)在各種工業(yè)過(guò)程中存在大量的熱能浪費(fèi)現(xiàn)象, 發(fā)展各 種環(huán)境友好的節(jié)能技術(shù), 是十分重要的。 本課題的意義在于：一方面不僅提高了對(duì)能源的利用率，節(jié)約了能源，另 外一方面也減少了對(duì)大自然的熱污染，保護(hù)了環(huán)境。 1.3 國(guó)內(nèi)外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 目前在微小型熱電發(fā)電器的研究方面，國(guó)外對(duì)微型熱電發(fā)電機(jī)研究比較完 善的有Princeton 大學(xué)、南加州大學(xué)和Michigan 大學(xué)。美國(guó)USC 空氣動(dòng)力實(shí) 3 驗(yàn)室于2000 年推出微型熱電發(fā)電機(jī)（MicroFire），德國(guó)Dresden 科技大學(xué)， 利用銅箔作為介質(zhì)研發(fā)了一種微型熱電發(fā)電器，其面積為16*30mm^2,輸出電 壓達(dá)到250mV。美國(guó)和日本是目前國(guó)際上對(duì)熱電材料與工程研究投入最多的國(guó) 家。美國(guó)的研究主要側(cè)重于軍事、航天、理論和高科技方面日本的研究側(cè)重 于廢熱利用，同時(shí)相應(yīng)地著力于耐高溫的陶瓷溫差電材料的研究在大尺寸的 范圍，熱電發(fā)電裝置已經(jīng)取得實(shí)際的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：熱電現(xiàn)象本身是 可逆的, 溫差發(fā)電和半導(dǎo)體致冷是熱電現(xiàn)象的兩個(gè)方面, 互相可逆?？赏?個(gè)PN 結(jié), 若施加溫差則可用來(lái)發(fā)電,若對(duì)其通電, 則可用于在一端致冷。國(guó) 內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體致冷現(xiàn)象和應(yīng)用研究具有一定水平, 目前已有商品器件和設(shè)備出 售, 但對(duì)溫差發(fā)電,則幾乎是一片空白. 這主要是因?yàn)槲覈?guó)在軍事高技術(shù)研究 能力方面相對(duì)落后, 未能刺激起足夠的需求. 隨著國(guó)際學(xué)術(shù)交流的廣泛開(kāi)展, 國(guó)內(nèi)不少學(xué)者到國(guó)外接觸了相關(guān)技術(shù), 相信我國(guó)在這一領(lǐng)域相對(duì)落后的面貌 將逐漸改觀. 4 第 2 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設(shè)計(jì) 2.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理 2.1.1 余熱發(fā)電器的原理 余熱發(fā)電器主要是利用熱電材料的熱電效應(yīng)產(chǎn)生電流而工作的。熱電效應(yīng) 是電流引起的可逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱，它包括塞貝克(Seebeck) 效應(yīng)，帕爾帖(Peltier)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。這三個(gè)效應(yīng)通過(guò)開(kāi)爾文 (Kelvin)關(guān)系式聯(lián)系在一起。這三個(gè)效應(yīng)奠定了熱力學(xué)熱電理論發(fā)展的基礎(chǔ)。 熱電效應(yīng)還伴隨產(chǎn)生了其它效應(yīng)：焦耳熱效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)。下面分別介紹熱 電發(fā)電器的基本理論。 圖 2－1 熱電轉(zhuǎn)換工作原理 2.1.2 塞貝克效應(yīng) 1821 年法國(guó)物理學(xué)家T.J.Seebeck 在考察 Bi-Cu 與Bi-Te 回路的電磁效 應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了熱電流、他的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)由兩種不同導(dǎo)體材科構(gòu)成的閉合回路的 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中有熱電流產(chǎn)生，這就是Seebeck 效應(yīng)如圖所示 5 圖 2-2 賽貝克效應(yīng)圖 不同導(dǎo)體材料,a.b 兩端節(jié)點(diǎn)存在溫差⊿T 時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生Seebeck 電勢(shì)⊿V， 定義Seebeck 電勢(shì)率αab=V/T,當(dāng)⊿T→0 時(shí),寫(xiě)成: αab = dV/Dt （2－1） αab 稱為塞貝克系數(shù),其符號(hào)取決于組成熱電偶的材料本身及節(jié)點(diǎn) 的溫度/一般規(guī)定在低溫是a 到b,其值為正,他的大小取決于兩節(jié)點(diǎn)的溫度和金 屬導(dǎo)體的材料性質(zhì)。 2.1.3 帕爾帖效應(yīng) 1834 年,法國(guó)物理學(xué)家C.A.Peltier 觀察到當(dāng)電流通過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的節(jié)點(diǎn) 時(shí)，在節(jié)點(diǎn)附近有溫度變化：當(dāng)電流從某一方向流經(jīng)回路的節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)變 冷，而當(dāng)電流反向的時(shí)候，結(jié)點(diǎn)溫度會(huì)變熱。Lenz 于1838 年給出Peltier 效 應(yīng)的本質(zhì)特征。Peltier 效應(yīng)顯示出熱電致冷的可能性。 Peltier 效應(yīng)表明，流經(jīng)兩種不同的導(dǎo)體組成的回路的結(jié)點(diǎn)的微小電流會(huì)產(chǎn)生 可逆的熱效應(yīng)，在時(shí)間dt 內(nèi)其熱量dQp 的大小與流過(guò)的電流I 成正比： dQp=πabIdt=πabq （2-2） 比例系數(shù)π ab 稱為Peltier 系數(shù)，也叫Peltier 電勢(shì)，q 是傳輸?shù)碾姾?。?dāng)電 流由a 到b, πab 為正，dQ>0,吸熱：反之則放熱。πab 的大小與節(jié)點(diǎn)溫度及 熱電偶組成材料有關(guān)。Peltier 效應(yīng)產(chǎn)生的原因是位于節(jié)點(diǎn)兩邊材料中載流子濃 6 度與Fermi 能級(jí)不一樣，當(dāng)電流通過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，為了維持能量和電荷守恒必須與 環(huán)境交換能量。 2.1.4 湯姆遜效應(yīng) 1854 年，Thomson 發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)單一導(dǎo)體，且該導(dǎo)體中存在溫度 梯度，就會(huì)有可逆的熱效應(yīng)產(chǎn)生，稱為T(mén)homson 效應(yīng)，產(chǎn)生的熱為T(mén)homson 熱。 Thomson 熱與通過(guò)的電流，經(jīng)歷的時(shí)間成正比，假定溫度梯度較?。? dQT =τ IdT / dx （2－3） 比例系數(shù)τ為湯姆遜（Thomson）系數(shù)。符號(hào)規(guī)則與Peltier 效應(yīng)相同，當(dāng)電流 流向熱端，dT>0 ，τ>0， dQ>0，吸熱。 三個(gè)熱電系數(shù)可以通過(guò)開(kāi)爾文（Kelvin）關(guān)系式聯(lián)系起來(lái)： T 為絕對(duì)溫度。從上兩項(xiàng)關(guān)系式可導(dǎo)出單一材料的Seekeck 系數(shù)和Thomson系 數(shù)的關(guān)系： 從該關(guān)系式看出，如果知道Thomson 系數(shù)，就可以通過(guò)積分得到的單一材料 的Seebeck 系數(shù)。 可見(jiàn)，熱電效應(yīng)是熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)之間的一種可逆的交叉耦合效應(yīng)。根據(jù)電導(dǎo)， 熱導(dǎo)的通常定義，可把這種熱—電偶合效應(yīng)表示為： 矩陣表示形式為： 7 式中， ，分別是電流，熵流和熱流密度， ，以及 T 分別為電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度差、電導(dǎo)率、 Seebeck 系數(shù)、熱導(dǎo)率和溫度。式(2—6a)表明了材料存在溫度差，則可以產(chǎn)生電流；反 之，式(2—6b)顯示了電流可以在材料中產(chǎn)生熱流。 2.2 余熱發(fā)電器的理論模型 描述熱電發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)換性能的參數(shù)主要包括輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率。對(duì) 微小型熱電發(fā)電機(jī)而言，還有質(zhì)量（體積）比功率（或稱為輸出能量密度）等 性能指標(biāo)。對(duì)普通尺寸熱電發(fā)電器，一般按照?qǐng)D2－2 這種一對(duì)P、N 電偶臂簡(jiǎn) 化模型進(jìn)行分析計(jì)算。理想模型主要包括導(dǎo)熱覆蓋基板、導(dǎo)流層和電偶臂三部 分。當(dāng)電偶臂兩端存在溫差時(shí)，P、N 結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克 （Seebeck）效應(yīng)，故而在回路中產(chǎn)生電流。 圖 2－3 熱發(fā)電器單對(duì)電偶臂理想結(jié)構(gòu) 2.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計(jì)算 2.3.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計(jì)算 圖2－2為理論的一對(duì)PN 電偶臂熱電發(fā)電器結(jié)構(gòu)。一對(duì)PN 電偶臂熱電發(fā)電 器主要包括電絕緣導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流銅片和焊料層。導(dǎo)熱覆蓋片為高導(dǎo)熱率 的絕緣片，冷熱端的材料、尺寸一樣，則可以得到三者的熱導(dǎo)率分別為： K c1 = K c2= K c3 = λ?? 1?? ??1?? ??1 λ?? 2?? ??2?? ??2 λ?? 3?? ??3?? ??3 （2－8） 8 容易推得總的熱導(dǎo)率為： Kａ = ????1 ????2 ????3????1????2 + ????1????3 + ????2????3 （2－9） 式中： λc 1 －導(dǎo)熱覆蓋基板有效熱導(dǎo)率； λc2 －導(dǎo)流片的有效熱導(dǎo)率； λc3－電偶臂有效熱導(dǎo)率； l c1－導(dǎo)熱覆蓋基板厚度； l c2－導(dǎo)流片厚度； lc3－電偶臂厚度； A c1－導(dǎo)熱覆蓋基板的面積； A c2－導(dǎo)流片的面積； A c3－電偶臂面積； K c1－導(dǎo)熱覆蓋基板導(dǎo)熱率； K c2－導(dǎo)流層導(dǎo)熱率； K c3－電偶臂導(dǎo)熱率。 導(dǎo)熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導(dǎo)率λc 1（20 W/m. ℃～30 W/m.℃），這里設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)依次遞增 λc 1 = 5 W/m.℃ （存在接觸間隙） 導(dǎo)熱覆蓋基板厚度?。簂 c1 = 1 mm 導(dǎo)熱覆蓋基板的面積?。篈 c1= 100mm*100mm 導(dǎo)流片的材料是銅, 有效熱導(dǎo)率λc 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學(xué)》趙鎮(zhèn)南 高等教育出版社 P492 附錄 3） 導(dǎo)流片厚度取：l c2= 1 mm 導(dǎo)流片面積取: A c 2= 21mm*1mm 電偶臂材料是 Bi2Se3，有效熱導(dǎo)率λc 3 = 140 W/m. ℃ 電偶臂厚度取：l c3= 16.4 mm 電偶臂面積取: A c 3= 3mm*3mm 所以： 9 K c1 = = 50 W/℃ K c2 = =8.421 W/℃ λ?? 1?? ??1?? ??1 λ?? 2?? ??2?? ??2 K c3 = = 0.077 W/℃ λ?? 3?? ??3?? ??3 Kａ = =0.076 W/℃ ????1 ????2 ????3????1????2 + ????1????3 + ????2????3 傅立葉效應(yīng) Qk= (Th-Tc) = K T ?????? 設(shè)：熱端溫度啟始為800℃ 冷端溫度為20℃ 所以：Qk總= K ａ T總 = 0.076 W/℃ * 780℃ =10.184 W Qk1= K c1 T1 = Qk2= K c2 T2 = Qk3= K c3 T3 = Qk總 = 10.184W 所以： T1 = 0.2 ℃ T2 =1.2 ℃ T3 = 132.3 ℃ ? ? 2.3.2 單個(gè)電偶臂的功率計(jì)算和效率計(jì)算 按照牛頓熱力學(xué)定律，熱電發(fā)電器電偶臂兩端存在溫差時(shí)，產(chǎn)生熱流。電 偶臂從熱源吸收的熱量為帕爾特?zé)帷⒔苟鸁岷蛡鲗?dǎo)熱三部分之和，即： 式中： η －發(fā)電效率； P －輸出到負(fù)載上的電能； I －回路中產(chǎn)生的電流； Q h －熱端的熱流； Q l －低溫?zé)嵩磸牡蜏囟宋盏臒崃鳎?R L －負(fù)載電阻； R －電偶臂的內(nèi)阻； αNP －塞貝克（Seebeck ）系數(shù)； 10 K －熱傳導(dǎo)系數(shù)； T1 ′ －熱源溫度； T2 ′－冷源溫度。 由電流回路，消除未知量電流I ，可以得到發(fā)電器的輸出功率P 為： （2－12） 由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率為: 上述公式中，內(nèi)阻R 為P 、N 半導(dǎo)體電偶臂的電阻，其計(jì)算公式為: （2－14） 式中： ρN －N 型電偶臂電導(dǎo)率； L N －N 型電偶臂臂長(zhǎng)；A N －N 型 電偶臂截面積； ρP －P 型電偶臂電導(dǎo)率；L P －P 型電偶臂臂長(zhǎng)； P －P 型電 偶臂截面積。 ρN ＝ ρP＝5 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出 L /A ＝ 0.55mm αNP= － 200（ μv/℃） R＝0.00275 Ω T1 ′＝800℃－0.2℃ －1.2℃＝798.6℃ T2 ′＝798.6℃－132.3℃＝666.3 ℃ T1 ′－ T2 ′＝132.3℃ 當(dāng) R L＝R 時(shí)，功率最大 所以： 11 2.3.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計(jì)算 熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為 3mm×3mm，高度為 16.4mm，電偶臂對(duì)數(shù) 199 對(duì)。 選擇開(kāi)始水溫為：20 ℃ 水的流量為：q1 ＝ v1*s 末溫為 25℃ 選擇尾氣溫度為：800℃ 尾氣的流速為：v2＝3 m/s 末溫為100℃ 水的比熱C1＝4200 j/kg*℃ 尾氣的比熱 C2=1003 j/kg*℃ 水的密度 ρ1＝1000kg/ 尾氣的密度 ρ1＝1.29kg/ ?? 3 ??3 假設(shè)：忽略熱的損耗，則 Q水＝Q氣 Q= C*M* ＝C*ρ*V* =C*ρ*v*s*t* 設(shè)： S 水道 ＝ S 氣道 t1 ＝ t2 則 C1*ρ1*q1* 1＝C2*ρ 2*v 2* 2 ?? 1=C2*??2*v 2*2 C1*??1*1 =1.28??/?? 現(xiàn)在假設(shè)有三個(gè)模塊組成余熱發(fā)電系統(tǒng) P= =152.8W∴ 3×4×199×0.064?? = C M C ρ V =C ρ v s（通氣管道截面??熱 × × = × × × × × × 積） t×× 選擇尾氣溫度為：800℃ 末溫為100℃ 尾氣的比熱 C2= 1003 j/kg*℃ 尾氣的密度 ρ 1＝1.29 kg/ ??3 尾氣的流速為：v2＝1 m/s t= = = 0.104 s ???? 3×0.104 ??1 ??/?? s（通氣管道截面積）= 0.1 0.1 = 0.01 = 700 ℃× ??2 = C M C ρ V =C ρ v s t∴ ??熱 × × = × × × × × ××× 2825.8 W= 12 =∴ ??=????熱 152.8 ??2825.8 ??=0.054×100%=5.4% 13 第 3 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 熱電發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析 歸納起來(lái)在目前研究和應(yīng)用比較普遍和成功的結(jié)構(gòu)上，熱電發(fā)電器主要有 微卷式，熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器等等幾種結(jié)構(gòu)。我們?cè)谶@里選擇3種來(lái)進(jìn)行說(shuō) 明講解，再進(jìn)行性能和優(yōu)、缺點(diǎn)比較從而選出我們所需要的發(fā)生器類型來(lái)進(jìn)行 研究分析和優(yōu)化。 3.2.1 美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究的方案 圖 3-1 SWISS ROLL 在此裝置中，雙盤(pán)旋的管道是燃?xì)饣瘜W(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，所以稱為SWISS ROLL，我們也稱為微卷式電熱發(fā)生器，他的尺寸大小大約為 12.5mm*12.5mm*5mm，材料為氧化鋁陶瓷，通過(guò)Daestro 微加工方法實(shí)現(xiàn)三維實(shí) 物，管道寬度為0.075mm,燃料和空氣由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通過(guò)兩 個(gè)電極點(diǎn)燃，引發(fā)燃料的持續(xù)燃燒．燃料燃燒后的廢氣通過(guò)管道排出。普林斯 頓大學(xué)研究了包括氫、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料進(jìn)行持續(xù) 催化燃燒需要一定的初始溫度（300oC 以上）才能持續(xù)燃燒，需要通過(guò)其他熱 源進(jìn)行預(yù)熱，其中氫氣可在室溫下開(kāi)始催化反應(yīng)．研究還表明在300oC 以上時(shí)， 氫氣和空氣的混合氣可以在較大范圍的比例下反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量從2瓦到12 14 瓦，經(jīng)過(guò)熱電轉(zhuǎn)換，能點(diǎn)燃100 毫瓦的燈泡。 與此相類似的還有南加州大學(xué)的方案，他們運(yùn)用的也是Swills Roll 的結(jié) 構(gòu)，是名叫Micro-fire 的微型電源系統(tǒng)，他是用電化學(xué)微機(jī)械加工技術(shù) （EFAB）將微燃機(jī)。微熱發(fā)電機(jī)和熱交換器集成在一個(gè)微器件中。他們?cè)O(shè)計(jì)了 微型和中型的兩種方案，如下圖 圖 3-2 Swiss Roll 的2 維和3 維的結(jié)構(gòu)模型 這就是這種Swiss Roll 的2 維和3 維的結(jié)構(gòu)模型。研究人員通過(guò)控制氣體燃 料的流入來(lái)改變火焰燃燒溫度，采用熱電偶測(cè)定發(fā)電器不同位置的溫度，并通 過(guò)氣相色譜儀分析燃燒后的氣體成分來(lái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)電器中，微型和中 型燃燒器的管徑分別問(wèn)0.13mm 和3mm,分別研究了低速流動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間停留、低 溫，高速流動(dòng)、短時(shí)間停留、高溫兩種情況，獲得了詳細(xì)的無(wú)焰燃燒可持續(xù)進(jìn) 行的溫度范圍，以及在結(jié)構(gòu)中的溫度分布仿真。得到的仿真結(jié)果如圖3-3所示。 15 圖 3-3 Swiss Roll溫度分布仿真 實(shí)驗(yàn)研究還表明，三維的Swiss Roll 結(jié)構(gòu)能減少熱量的損失 3.2.2 美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究的方案 這是由德國(guó)斯圖加特大學(xué)研制的In-Plane 微型熱電發(fā)生器，如下圖 圖 3-4 In-Plane 微型熱電發(fā)生器 In-Plane 型微熱電發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)可以用 IC 的薄膜工藝，方便地形成半 導(dǎo)體電偶臂之間的金屬電連接導(dǎo)流層，因而與標(biāo)準(zhǔn)IC 工藝兼容。英國(guó)Cardiff 大學(xué)的熱電研究中心先后采用藍(lán)寶石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作為熱電 材料，制作了為心臟起搏器供電的微型熱電發(fā)電器件。其測(cè)試器件大小為： 5mm*10mm*0.45mm，為了測(cè)試的目的，內(nèi)含不同數(shù)量和尺寸的熱電臂。測(cè) 試結(jié)果表明，每個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為450μm, 100μm,0.4μm 的熱電偶在兩種薄 膜材料內(nèi)的塞貝克電壓都可以達(dá)到0.5mV/K 左右。使用熱導(dǎo)率較低的石英時(shí)， 由于襯底熱泄露大大降低，器件能量轉(zhuǎn)換效率可提高50 倍,德國(guó)斯圖加特大學(xué) 16 用晶體硅微加工技術(shù)，制造了橋結(jié)構(gòu)的In-Plane 型微熱電發(fā)電器件。 其測(cè)試 器件由硅材料構(gòu)成，P 型和N 型的熱電臂長(zhǎng)寬分別為500μm 和7μm，通過(guò)在 中間10μm 厚的硅薄膜上摻雜形成，摻雜深度為lμm，熱電偶連接的數(shù)量有 10 個(gè)。這種結(jié)構(gòu)用襯底的垂直側(cè)面提供溫差，因而襯底內(nèi)部與熱電臂平行的 熱流損失得到了降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，襯底垂直側(cè)面溫差為10K 時(shí),器件的熱電 功率達(dá)到1.5μm 。 3.2.3 熱電堆式熱電發(fā)電器 它是由美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的 Cross-Plane。如下圖 圖 3-5 Cross-Plane 這種器件的結(jié)構(gòu)和普通的Cross-Plane 型微熱電制冷器件是一樣，Cross- Plane 結(jié)構(gòu)微熱電制冷器件的原理和傳統(tǒng)的體熱電制冷器件非常類似，只是 襯底和熱電偶臂本體半導(dǎo)體材料換成了薄膜材料，由于在這種結(jié)構(gòu)的制冷器 中，熱流的方向與襯底表面垂直故有如此稱呼。兩層襯底為發(fā)電器的冷端和 熱端中間夾著連接在一起的熱電偶。其原理是：根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)發(fā)電器 熱端和冷端存在溫差時(shí)，會(huì)在回路中產(chǎn)生電流。他們擯棄了體技術(shù)，而采用 了厚膜Bi2Te3 合金材料，在保持熱電臂截面積與長(zhǎng)度之比不變的條件下，縮 小熱電臂，提高了熱電功率單位體積內(nèi)的密度。同時(shí)，一個(gè)微熱電發(fā)電器件 連接數(shù)萬(wàn)個(gè)熱電偶，以在低溫差下獲得伏特級(jí)的高電壓，此微熱電發(fā)電器件 的另一特點(diǎn)是，其制造工藝結(jié)合了電化學(xué)淀積和集成電路的刻蝕工藝。實(shí)際 的測(cè)試器件由2300 個(gè)熱電偶連成，熱電臂的長(zhǎng)度為50μm,直徑為6μm,在 17 8.5K 溫差下，可以以4.1V 的電壓提供22mw 的功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以上方 法完全可以用于MEMS 微系統(tǒng)，為其提供微型電源。目前，JPL 正在研究用P 型和N 型Bi2T3, 納米線代替厚膜合金，便用類似的方法實(shí)現(xiàn)更小尺寸的半導(dǎo) 體電偶臂。 JPL 的Cross-Plane 微熱電發(fā)生器件雖然能達(dá)到很高的功率密度值，但 是某些應(yīng)用場(chǎng)合卻需要更低的微瓦級(jí)功率，如小型傳感器和放大器線路的供 電。另外這種Cross-Plane 結(jié)構(gòu)固有的缺點(diǎn)就是，熱電偶臂之間的金屬導(dǎo)流 層不容易制造。 當(dāng)然發(fā)電器的結(jié)構(gòu)還有很多，如自停止多晶硅金屬結(jié)構(gòu)微熱電發(fā)電器等 等，但是就我們目前的選取的幾種經(jīng)過(guò)上述分析比較得出的結(jié)果是：微卷式 熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對(duì)熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難； 同時(shí)由于熱電材料沿溫度梯度方向線性串聯(lián)排列，每一部分熱電材料的溫差 事實(shí)上不大，使其產(chǎn)生的功率也受到了限制。薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工 技術(shù)方面來(lái)說(shuō)是比較成熟的，其體積尺寸也比較?。洚a(chǎn)生的功率普通較 低，一般只有微瓦級(jí)熱電堆的PN 結(jié)相對(duì)于溫度場(chǎng)是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一對(duì)PN 結(jié) 均有相同的溫差，故每一對(duì)PN結(jié)串聯(lián)后，產(chǎn)生的功率相對(duì)較大另外，其熱源 腔可以設(shè)計(jì)得相對(duì)較大，燃料的燃燒，溫控等相對(duì)容易，但其熱損失比微卷 式發(fā)電器要大。 我們?cè)谶@里選擇熱電堆式熱電發(fā)生器作為熱電電源的核心部件來(lái)設(shè)計(jì)。 3.2 余熱發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì) 熱電堆式微小型熱電發(fā)電器主要包括上下導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流片、焊料層、 PN 結(jié)電偶臂和輸出導(dǎo)線等部分。微小型熱電發(fā)電器的輸出功率和效率受到接 觸內(nèi)阻、湯姆孫效應(yīng)和溫度變化的影響以及導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流片和焊料層對(duì) 導(dǎo)熱系數(shù)的影響（該設(shè)計(jì)中由于體積較大，故可忽略焊料層對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影 響）。 熱電發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì)主要包括水流道、氣流道和熱電發(fā)電偶臂的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)。設(shè)計(jì)這個(gè)模塊的整體形狀要以熱量的最大利用為目標(biāo)。 我考慮過(guò)的形狀有：微卷式（SwissRoll）、熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器 。 18 微卷式（SwissRoll）熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對(duì)熱能的利用率比較高，但 其微加工比較困難所以沒(méi)有采用。由資料可知：薄膜式熱電發(fā)電方案從微加 工技術(shù)方面來(lái)說(shuō)是比較成熟的，其體積尺寸也比較小，但其產(chǎn)生的功率普遍 較低，一般只有微瓦級(jí)，所以在設(shè)計(jì)中也沒(méi)有予以采用。而熱電堆的PN結(jié)相 對(duì)于溫度場(chǎng)是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一對(duì)PN 結(jié)均有相同的溫差，故每一對(duì)PN結(jié)串聯(lián)后， 產(chǎn)生的功率相對(duì)較大，最終選擇了熱電堆式熱電發(fā)電器作為熱電電源的核心 部件來(lái)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流道是以熱量的最大利用為目標(biāo)的，所以我考慮到了“雙 管形熱電發(fā)電器”和“方形熱電發(fā)電器”，雙管形熱電發(fā)電器的熱量利用率 雖然比方形熱電發(fā)電器要高，但其應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中制作方面要求較高而且維 修不方便，方形熱電發(fā)電器不但具有較高的熱利用率而且后期用于實(shí)際中制 作方便，維修簡(jiǎn)單，所以最后在我和老師的討論下決定設(shè)計(jì)方形熱電發(fā)電器 模塊。 下面我以簡(jiǎn)圖的形式來(lái)介紹一下方形熱電發(fā)電器電偶臂的具體組成： 圖 3-6 方形熱電發(fā)電器電偶臂 下面的是余熱發(fā)電器系統(tǒng)的水、氣流向簡(jiǎn)圖： 19 圖 3-7 發(fā)電器系統(tǒng)的水、氣流向簡(jiǎn)圖 3.2.1 通氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 位于發(fā)電器模塊中心的是一通氣管道，材料為導(dǎo)熱較好的銅，在管道的內(nèi) 部加了一井字形的材料為銅的導(dǎo)熱肋板，提高整個(gè)管道的導(dǎo)熱率，提高整體的 熱利用率。 圖 3－8 通氣管道 位于通氣管道外面的是連接通氣管道，其材料為鋁合金 （4.5％Cu，1.5%Mg，0.6%Mn）,其安裝方式是為底部四邊用 75％和 95％的鉛錫 20 合金焊接在通氣管道的四邊上。通氣管道的這種隆起設(shè)計(jì)是為了將尾氣分散導(dǎo) 入通氣管道，避免尾氣堵塞，也可以將尾氣中的余熱更好的被銅片吸收傳遞給 導(dǎo)熱層，提高熱利用率。 圖 3-9 通氣管道連接零件 3.2.2 通水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 位于通氣管道外面的是兩對(duì)尺寸不一但形狀一樣的通水管道，其材料為鋁 合金（4.5％Cu，1.5%Mg，0.6%Mn） ，該管道的元件有：2 個(gè)管道接頭、三塊鋁 合金板（兩塊小的規(guī)格為：182.8*20*2,還有一塊大的規(guī)格為：405.6*104*2） 。 管道的制作步驟為：管接頭用 75％和 95％的鉛錫合金焊接在打好孔的小 鋁合金板上，焊接時(shí)避免產(chǎn)生空隙，防止以后漏水的現(xiàn)象產(chǎn)生，然后將那塊大 的鋁合金按照?qǐng)D紙折好，用 75％和 95％的鉛錫合金焊接好，最后整體焊接，最 后水檢查看是否有漏水現(xiàn)象的產(chǎn)生，及時(shí)將漏水處的漏洞修補(bǔ)好，以備以后正 常使用。 21 圖 3－10 通水管道（1） 通水管道（2）的制作方式是一樣的，只是材料的規(guī)格不一樣的，總的一點(diǎn) 要求就是：焊接完畢后進(jìn)行水檢，查看何處漏水，及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，避免后期漏 水。 22 圖 3－11 通水管道（2） 3.2.3 余熱發(fā)電器的設(shè)計(jì) 發(fā)電電偶臂主要包括導(dǎo)熱覆蓋基板、導(dǎo)流層和電偶臂三部分。當(dāng)電偶臂兩 端存在溫差時(shí)，P 、N 結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，故 而在回路中產(chǎn)生電流。 圖 3－12 電偶臂的理論圖形 位于通氣管道和通水管道的中間是PN 電偶臂熱電發(fā)電器，一對(duì)PN 電偶臂 熱電發(fā)電器主要包括電絕緣導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流銅片和PN 電偶臂，導(dǎo)熱覆蓋層采 用95％的氧化鋁陶瓷，導(dǎo)流層為導(dǎo)銅片，焊料層為75％和95％的鉛錫合金以及 23 導(dǎo)電銀膠和耐高溫銀膠。電偶臂材料是 Bi2Se3，熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為 3mm×3mm，高度為16.4mm，電偶臂對(duì)數(shù)199對(duì)。由前面的理論分析知道，選用的 熱電材料賽貝克系數(shù)越高越好，同時(shí)，也希望該材料能耐高溫（溫差越大，熱 電材料的賽貝克電壓就越大） 。 圖 3-13 電絕緣導(dǎo)熱覆蓋片 24 圖 3-14 導(dǎo)流層 25 圖 3-15 電偶臂 電偶臂中的電流流向如下圖所示： 圖 3-16 電偶臂中電流的流向 26 3.2.4 余熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 普通熱電堆式熱電發(fā)電器主要包括氧化鋁陶瓷片制作加工，熱電材料的配 制、PN半導(dǎo)體材料的制作，熱電發(fā)電器的裝配等幾部分工藝，其制作工藝也呈 規(guī)?；?、集成化特點(diǎn)。 小型熱電電源的結(jié)構(gòu)包括陶瓷基板、銅導(dǎo)流層、焊料層、熱電偶電偶臂以 及引出導(dǎo)線等幾部分。其加工工藝如圖3－17。 下面來(lái)介紹熱電發(fā)電器制作工藝： （1） 陶瓷基板的選用與制作 陶瓷基板上的導(dǎo)流層則主要采取覆蓋鋁層工藝，也有部分廠家采用滲銅工 藝形成。導(dǎo)流層陣列見(jiàn)圖3－18，圖左和圖右分別覆蓋基板導(dǎo)流層陣列圖形以及 半導(dǎo)體電偶臂陣列結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)基板導(dǎo)流層陣列，這里用SU-8 膠制作出焊料層 掩模，見(jiàn)圖3－19，掩模的通孔和基板導(dǎo)流層重合并壓合緊固。然后在方形槽內(nèi) 注入高溫導(dǎo)電銀膠，從而形成需要的焊料層。 （2） 熱電材料的選用與電偶臂的制作 和普通熱電發(fā)電器熱電材料制作工藝一樣，將碲化鉍材料以及一些添加劑 按照一定比例配方，在920K 以上的高溫下融化，再進(jìn)行晶棒的拉制，切片，晶 粒的切割等工藝，從而得到我們所需要的PN 熱電電偶臂顆粒。采用專門(mén)定制的 模具，見(jiàn)圖3－20，將P 型電偶臂顆粒和N 型電偶臂顆粒間隔排列模具的方槽中。 27 圖 3－17 小型熱電發(fā)電器加工工藝框圖 圖 3－18 發(fā)電器覆蓋基板導(dǎo)流層結(jié)構(gòu) 28 圖 3－19 焊料層掩模 圖 3－20 小型電偶臂陣列模具 （3） 發(fā)電器的裝配與封裝 將P、N 型電偶臂顆粒依次間隔排列在專用模具中后，再將模具對(duì)準(zhǔn)氧化鋁 陶瓷下覆蓋基板，讓P、N 電偶臂對(duì)牢導(dǎo)流層，通過(guò)焊料層將電偶臂與覆蓋層粘 接在一起。然后再用焊料將導(dǎo)出引線與導(dǎo)流層出口粘接在一起。采取同樣方式 將上覆蓋基板與電偶臂顆粒粘接。等導(dǎo)電膠凝固后，將發(fā)電器置于高溫恒溫爐 中靜置10 小時(shí)以上，讓焊料充分和電偶臂導(dǎo)流層充分焊合。高溫爐溫度保持在 450K～550K 的范圍。在高溫爐中靜置一段時(shí)間后，將發(fā)電器取出，用電阻儀初 步測(cè)試引線兩端的電阻，如電阻不是無(wú)窮大（一般在1～10 歐姆的范圍），說(shuō) 明焊合正常。此時(shí)用高溫硅膠把發(fā)電器四周封合固化，以起到保護(hù)作用。這樣， 熱電發(fā)電器的制作就完成。該工藝與杭州建華半導(dǎo)體致冷器有限公合作，初步 試制獲得成功。 3.2.5 余熱發(fā)電器的工藝設(shè)計(jì) 熱電發(fā)電器電偶臂的截面尺寸一般在1mm2 及以上，顆粒尺寸相對(duì)較大， 熱電材料的切割相對(duì)比較容易。將PN 結(jié)電偶臂置于專用的模具中進(jìn)行陣列，一 般可采用手工方法，總的加工相對(duì)容易。具體流程圖如圖3－21。 現(xiàn)具體闡述如下： 在加工好帶導(dǎo)流層的陶瓷基板后，接下來(lái)就是電偶臂的制作。由于電偶臂 尺寸小，材料脆性較大，故這里采用了硅模工藝，即首先制作好一種帶方孔陣 列的硅模，然后注入熔融的熱電材料，和發(fā)電器覆蓋基板焊合后，再去除原有 29 的硅模，留下熱電電偶臂。 具體硅模工藝如下：根據(jù)設(shè)計(jì)的熱電發(fā)電器，制作出掩模膠片，用于光刻 膠曝光。選擇拋光硅片，其厚度為0.3mm~0.5mm，尺寸為8”。先清洗硅片，用 氫氟酸緩沖劑作為腐蝕液去除表面的二氧化硅。然后放在涂膠機(jī)上涂一層光刻 膠PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）。光刻膠厚度達(dá)到50 微米左右。經(jīng)過(guò)曝光顯影， 光刻膠在硅片表面形成方孔陣列，然后通過(guò)深度光刻，使硅片形成方孔陣列， 該方孔陣列不是通孔而是一個(gè)方形槽陣列。然后在去除掉硅片上的光刻膠。翻 轉(zhuǎn)硅片，在另外一面涂上光刻膠，重復(fù)曝光顯影、光刻、清洗等工作，在另一 面形成方形槽陣列。兩面的方形槽呈間隔排列。這就制成了我們需要的硅模。 在高溫爐中，分別將P 型和N 型半導(dǎo)體電偶臂材料置于石英容器中進(jìn)行高溫加 熱，直至熔化（熔化溫度在650℃左右）。然后將P 型熱電材料注入到硅模一面 的方形槽中。待硅模冷卻，P 型材料固化后，翻轉(zhuǎn)硅模，將N 型熱電材料注入 到硅模另外一面的方形槽中。再次待硅模冷卻，熱電材料固化。最后對(duì)硅模兩 面進(jìn)行研磨，直至露出熱電電偶臂，并根據(jù)需要的熱電電偶臂高度，確定研磨 量和研磨后硅模的厚度。經(jīng)過(guò)電偶臂與焊料層的鍵合、發(fā)電器的切割封裝后， 就得到需要的熱電發(fā)電器。 通過(guò)圖形表示。整個(gè)工藝主要包括涂膠、曝光顯影、光刻、鑄模以及鍵合 封裝等工藝，主要反應(yīng)了硅模和電偶臂的制作工藝。 30 圖 3－21 微型熱發(fā)電器制作工藝流程 3.3 余熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計(jì) 發(fā)電器模塊的固定框架的材料是：硬度較高的不銹鋼材料。固定框的形狀 是將內(nèi)部的元件包緊在一起，固定框的兩端用自加工的螺絲螺母加以固定，并 施加一定的鎖緊力，使得內(nèi)部的元件不能移動(dòng)，保證整個(gè)機(jī)構(gòu)能正常的工作。 頂端留下一定的間隙是為了將該發(fā)電機(jī)構(gòu)連接固定到車體上。具體的安裝手段 以及自加工的螺絲螺母的詳細(xì)請(qǐng)看附錄上的 圖紙。 31 圖 3-22 固定框架 32 3.4 余熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配 圖 3-23 余熱發(fā)電器模塊 裝配的主要要求是：確保每一個(gè)部分緊密的結(jié)合在一起，避免產(chǎn)生過(guò)多間隙 使得電阻增大。 3.5 余熱發(fā)電器模塊之間的連接部件 模塊之間的連接件采用外部購(gòu)買的不銹鋼編織軟管，購(gòu)買的單位為：上海 滬旋旋轉(zhuǎn)接頭廠，該單位供應(yīng)的 RL 型金屬軟管，內(nèi)管是 EPDM（三元乙丙橡膠） 的，耐高溫高壓，外表是不繡鋼絲編織而成，材質(zhì):銅芯銅帽 鋁絲/不銹鋼絲或 者是銅芯鋅帽 鋁絲/不繡剛絲，我現(xiàn)在在我的設(shè)計(jì)中選用的材質(zhì)是: 銅芯鋅帽、 不繡剛絲外套。在該公司購(gòu)買的金屬軟管的長(zhǎng)度可以根據(jù)自己的需求設(shè)定，在 這里軟管的長(zhǎng)度盡量可以選的短一點(diǎn)以節(jié)約空間，另外在汽車排放尾氣管道上 加工一定量的螺紋以連接該金屬軟管。由于在該設(shè)計(jì)中沒(méi)有多少壓力的要求， 所以可以在一定程度上降低金屬軟管的壓力要求，以減少軟管的成本。 通水管道 電偶臂 導(dǎo)熱肋板 通氣管道 道 緊定框架 電絕緣導(dǎo)熱 層、導(dǎo)流層 33 圖 3-24 金屬軟管選購(gòu)表 34 第 4 章 總 結(jié) 在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)始我首先了解了有關(guān)于熱電的一些基礎(chǔ) 理論和國(guó)內(nèi)外有關(guān)于這一領(lǐng)域的相關(guān)論文，認(rèn)識(shí)到了這一設(shè)計(jì)對(duì)以后能源的利 用有著很大的意義，同時(shí)也了解了熱電發(fā)電的原理和主要計(jì)算過(guò)程，在此基礎(chǔ) 上我開(kāi)始動(dòng)手設(shè)計(jì)我的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先是考慮如何將余熱利 用最大化，于是最開(kāi)始聯(lián)想到了美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究方案的形狀，但是意識(shí) 到后期制作和維修方面的問(wèn)題，所以沒(méi)有再想下去，于是第二種方案應(yīng)運(yùn)而生- -方形包圍余熱發(fā)電器，這種想法在后期的制作方面比較簡(jiǎn)單而且熱利用率也比 較好，不足的是比較笨重，難看，存在一點(diǎn)熱散失。一些結(jié)構(gòu)、尺寸方面還有 些地方有待樓偉同學(xué)的優(yōu)化。通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)使我有幸接觸到了很多新的 領(lǐng)域的知識(shí)，不僅開(kāi)闊了自己的眼界，而且也考驗(yàn)了我活用知識(shí)的能力。這次 設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)我個(gè)人的自信，也培養(yǎng)了與他人的團(tuán)結(jié)和作精神。 35 參考文獻(xiàn) [1] 童志義, 趙曉東. 國(guó)外MEMS 器件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 電子工業(yè)專用設(shè)備, 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MEMS 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用. 半導(dǎo)體技術(shù), 2003,28(1):29-32. 37 附錄 附錄 1：熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)零件圖 附錄 2：通水通氣結(jié)構(gòu)零件圖 附錄 3：固定框架結(jié)構(gòu)零件圖 附錄 4：方形余熱發(fā)電器的裝配圖 38 致謝 本人的學(xué)位論文是在博士生宋瑞銀老師的精心指導(dǎo)下完成的。宋瑞銀老師 知 識(shí)淵博，思維開(kāi)闊活躍，經(jīng)驗(yàn)豐富，治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，在我們做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間， 他 給我的不僅僅是學(xué)術(shù)上的知識(shí)，還有平常學(xué)習(xí)生活中無(wú)微不至的關(guān)懷和愛(ài)護(hù)。 課題的整個(gè)進(jìn)行過(guò)程中還得到宋瑞銀老師的全力指導(dǎo)。在老師的指導(dǎo)下使我 受益非淺，宋老師作為課題主要負(fù)責(zé)人之一，和藹可親，在指導(dǎo)工作時(shí)認(rèn)真細(xì) 致，善于對(duì)我的工作加以肯定和鼓勵(lì)，使我不時(shí)充滿信心。值此論文完成之際， 特向?qū)熤乱猿绺叩木匆夂蜕钌畹淖８? 此外,本論文在某些方面還存在欠缺,希望老師多多指導(dǎo),謝謝!! 汪軍輝 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院