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Yb_(0.3)Co_4Sb_(12)/Mo-Cu热电元件的界面结构与界面电阻

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无机材料学报 2015年第3期30卷 256-260页

作者：唐云山柏胜强任都迪廖锦城张澜庭陈立东上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 中国科学院上海硅酸盐研究所能源材料研究中心上海200050

通过放电等离子烧结(SPS)实现阻挡层Ti-Al、过渡焊接层Ni与热电臂Yb0.3Co4Sb12的一体化烧结,使用Ag-Cu-Zn共晶合金完成热电元件Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al/Ni与Mo-Cu电极的钎焊连接。扫描电镜(SEM)显示出Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al/Ni/Ag-Cu-Zn/Mo-Cu接头中各界面结合良好,无裂纹,成分分析发现Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al界面存在Al Co、TiCo Sb及Ti Sb2等金属间化合物(IMC)。500℃下等温时效30 d后,Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al界面处的金属间化合物厚度无明显变化;Ag-Cu-Zn/Ni界面处Cu、Zn扩散趋于稳定,Cu-Zn扩散层厚度达到约40μm。界面接触电阻测试结果表明,等温时效前后Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al/Ni/Ag-Cu-Zn/Mo-Cu元件的界面接触电阻率均低于10μΩ·cm2。

关键词：热电元件放电等离子烧结钎焊接触电阻率

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热电元件性能测试系统的电路设计

仪表技术与传感器 2006年第12期 52-55页

作者：居滋培濮钰麒于林丽孟丽霞林燕凌王斌上海理工大学电气工程学院 200031

由于材料不稳定，热电元件须由测试系统完成性能筛选。介绍的热电元件测试系统用0．01mm的激光小光斑，在4耐的元件表面进行400个点的扫描，将元件电信号输入计算机进行性能分析。该测试系统的第一个关键技术是：设计一个每步行程为0．0... 详细信息

由于材料不稳定，热电元件须由测试系统完成性能筛选。介绍的热电元件测试系统用0．01mm的激光小光斑，在4耐的元件表面进行400个点的扫描，将元件电信号输入计算机进行性能分析。该测试系统的第一个关键技术是：设计一个每步行程为0．005mm，扫描点距为0．1mm的二维扫描平台小住移精密控制电路。另一方面，元件输出信号极为微弱，只有1-100μVpp，必须有高增益的放大电路，将输出信号放大到后端AZD电路所能接受的范围（0～10V）内，并避免干扰造成信号失真，这是系统的另一关键技术。就上述2个技术问题作详细介绍和分析，成功地解决了上述问题，并经实际使用取得很好的效果。

关键词：热电元件测试系统电路设计

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倾斜结构热电元件的多物理场耦合研究

南京航空航天大学学报 2018年第4期50卷 494-500页

作者：许鹏飞唐豪南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为了提高热电元件的工作性能,在材料用量不变的前提下,提出了新型倾斜结构的热电元件。以常规的垂直型热电元件为参考,采用数值模拟的方法,通过控制热端温度、电流和冷热端温差等参量,对倾斜结构热电元件进行了多物理场耦合研究,重点讨... 详细信息

为了提高热电元件的工作性能,在材料用量不变的前提下,提出了新型倾斜结构的热电元件。以常规的垂直型热电元件为参考,采用数值模拟的方法,通过控制热端温度、电流和冷热端温差等参量,对倾斜结构热电元件进行了多物理场耦合研究,重点讨论了倾斜角度对元件制冷性能的影响。结果表明:倾斜角度越大,热电元件冷端温度越低;在小功率条件下,制冷量和制冷系数随倾斜角度的增大而增大;最佳倾角范围是15°~30°;倾斜结构存在场强突变现象;倾斜结构更适用于微小型低功耗热电制冷设备。

关键词：热电元件倾斜多物理场微小型低功耗

基于热电元件的动力电池冷却/预热系统设计与性能研究

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基于热电元件的动力电池冷却/预热系统设计与性能研究

作者：刘朝阳江苏大学

学位级别：硕士

传统石化资源消耗所带来的能源危机和环境污染一直以来都是人类社会的热点话题,因此各国政府纷纷将新能源汽车列为重点发展的产业,以缓和这一问题。与传统内燃机车相比,纯电动汽车凭借其易于维护、环境友好、可靠性等优点逐渐得到了人... 详细信息

传统石化资源消耗所带来的能源危机和环境污染一直以来都是人类社会的热点话题,因此各国政府纷纷将新能源汽车列为重点发展的产业,以缓和这一问题。与传统内燃机车相比,纯电动汽车凭借其易于维护、环境友好、可靠性等优点逐渐得到了人们的认可。然而作为纯电动汽车的唯一动力来源,动力锂离子电池的性能事关车辆的续航里程和热安全,这一切都离不开对动力锂离子电池的热管理。近年来,热电制冷/制热单元凭借其无污染、无噪音、响应迅速等优点,逐渐被人们应用于电池热管理研究中。本文在电池组液冷的基础上结合热电制冷/制热元件,设计了一种基于热电元件的新型电池热管理系统,并结合所搭建的实验测试台架,对电池组在放电过程以及预热过程的热特性进行了分析。主要的研究内容和相关结论如下:(1)测量了单体磷酸铁锂电池在热电冷却系统中的热特性,并将其冷却效果与自然对流和液冷进行了比较,验证了热电冷却方案的可行性。结果表明,基于热电元件的冷却系统,响应迅速,对于降低电池的最大温升有显著效果,但也不可避免地带来较大的单体温差。(2)为了研究该热电冷却系统能否满足电池组散热需求,搭建并测试了磷酸铁锂电池模组的散热效果。评估了热电元件热端不同冷却液条件、电池充放电倍率及循环充放电等对电池组散热效果的影响,并发现,提高冷却液流速或降低冷却液温度,均可有效降低电池温度。此外,即使在高温循环充放电工况下,热电冷却系统同样可以将电池组温度保持在41℃以下。(3)通过调节各热电元件的工作电压(工作电流),分析了运行策略对热管理系统的影响。结果表明,在等值工况下,电池的冷却效果随着热电元件工作电压的增大,呈现先增大后减小的规律;差值工况下,电池组温差得到了有效控制;分段工况下,电池组最高温度波动较小,相比于30℃环境温度仅升高了1.2℃,且温差不超过5℃,可以同时满足电池组对温升及温差的需求。(4)利用直流电源,改变电池底部热电元件工作电流方向,可以实现热电元件制冷/制热的快速切换。我们发现,低温环境下,热电元件很难从环境中吸收热量,热电元件产生的热量反而散失给冷却液,此时热电元件给电池加热的热量均来自自身产生的焦耳热,且增大热电元件的工作电压可以显著缩短电池组预热时长。此外,通过添加电池盒顶部的热电制热系统,可以进一步加快电池的预热速度,同时减小电池组温差。当电池组底部热电元件工作电压为6V,电池组顶部热电加热系统中热电元件电压和电子风扇电压分别为9V和10V时,热电加热系统功耗和电池组预热效果均达到最佳状态,此时电池的温升速率达到0.64℃/min,热电预热系统的总功耗仅为86W。

关键词：电动汽车电池热管理系统热电元件电压调节液冷

方钴矿基热电元件的界面模型构建与应力仿真研究

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方钴矿基热电元件的界面模型构建与应力仿真研究

作者：邵笑中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

学位级别：硕士

热电转换技术利用泽贝克效应和佩尔捷效应实现电能热能的直接转换,具有体积小,无传动部件,寿命长,无污染等一系列优点,是一种有潜力的能量利用方式。热电效应的转换效率与热电材料的热电优值(Figure of merit,zT)密不可分。近年来,热电... 详细信息

热电转换技术利用泽贝克效应和佩尔捷效应实现电能热能的直接转换,具有体积小,无传动部件,寿命长,无污染等一系列优点,是一种有潜力的能量利用方式。热电效应的转换效率与热电材料的热电优值(Figure of merit,zT)密不可分。近年来,热电领域受到了越来越多的关注,块体材料的zT值也已超过2,理论能量转换效率在400K的温差下可达20%。在块体热电材料中,填充方钴矿(skutterudites,SKD)是一种典型的中温段热电材料,具有原料成本低,环境友好,热电性能优异等优点。然而与材料性能的突飞猛进相比,热电器件设计和集成技术的发展相对落后,这严重限制了热电转换技术的大规模应用。热电器件的基本部件是热电单偶。热电单偶由一个n型单臂和一个p型单臂通过电极连接而成。在高温下,大多数热电材料都会与电极、焊料等发生化学反应,导致界面附近的热、电接触变差,进而导致器件性能衰减甚至失效。因此,需要在热电材料和电极之间引入阻挡层,在减缓扩散反应的同时不影响界面的连接。由于引入的阻挡层材料与相邻材料之间往往存在物理和化学性质上的差异,会产生新的问题。例如在升降温过程中或大温差条件下,由于材料热膨胀系数的不匹配,相邻层的形变量也不同,使得界面产生很大应力,进而导致界面产生微裂纹、界面结合强度下降、甚至断裂。一般地,人们常常通过加速老化、观察界面结合状况、测试界面接触电阻等静态的研究手段评价器件的服役特性,难以评估器件服役过程中的动态服役特性,虽然可以直接判断界面结合状态,但无法得到界面应力随老化时间的变化关系。本论文聚焦具有重要应用价值的方钴矿器件的服役稳定性与可靠性,通过对元件老化前后微观结构演变和力学性能的表征,建立包含微观结构的有限元模型,研究了界面成分和微观结构演变对界面力学性能的影响。主要研究成果如下:1.根据未老化的n型方钴矿/Nb(Zr,Ti,Mo)元件的界面结构,构建了无孔、无反应层的热电元件模型,计算了界面应力与阻挡层材料物理性质参数之间的关系,对不同扩散阻挡层材料进行了比较。结果表明,基于应力最小化的原则,具有与方钴矿材料相近的热膨胀系数、且杨氏模量较小的阻挡层材料易与方钴矿形成稳定的界面。2.基于n型方钴矿/Nb元件老化过程中界面成分与微结构的演化规律,构建了含有孔洞和两层扩散反应层的有限元模型,得到了各界面应力与老化程度的关系。计算表明,孔洞所在界面,即CoSb/NbSb界面具有最高的应力,且该应力值会随老化时间的增加不断变大。对老化元件的拉伸试验结果表明,断裂面位置位于CoSb/NbSb界面,且结合强度随老化时间和温度的增加显著降低,与计算结果吻合。该模型同样适用于Zr阻挡层,且获得了类似的结论。3.根据n型方钴矿/Ti-Al元件老化后的界面成分与微结构特点,构建了含孔洞的多层扩散反应层的有限元模型。计算结果显示,n-SKD/AlCo-TiCoSb界面,即孔洞所在界面应力最为集中,且该界面稳定性会随老化时间的增加不断变大。但是在孔洞数较少时,该界面应力增加较不明显。拉伸试验结果表明,断裂面位置与计算结果吻合,均为TiCoSb-AlCo/n-SKD界面,且600℃下25天内的老化对界面结合强度影响很小,部分验证了模型的准确性。

关键词：热电元件方钴矿基材料阻挡层有限元模型界面应力

基于微/纳尺度冷却扩展热电元件的制冷极限(英文)

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微纳电子技术 2006年第7期43卷 342-350页

作者：李腾刘静中国科学院理化技术研究所北京100080

提出一种借助于在热电冷却器热端引入微尺度冷却,以提高其制冷性能参数的新方法,并建立了相应的理论模型来刻画该过程,并在此基础上对各类有助于提高制冷性能的潜在途径进行了参数化研究。结果表明,热电臂中存在一个最佳冷却长度,可在... 详细信息

提出一种借助于在热电冷却器热端引入微尺度冷却,以提高其制冷性能参数的新方法,并建立了相应的理论模型来刻画该过程,并在此基础上对各类有助于提高制冷性能的潜在途径进行了参数化研究。结果表明,热电臂中存在一个最佳冷却长度,可在其冷热端实现最大的温度差。讨论了将该方法在低温环境及其他几类特殊场合的应用,并分析了加工该结构的相关问题。与通过改进材料来提高制冷性能的方法相比,该方法可在材料性能已趋极限时,提供一种新的物理途径用以强化热电冷却元件制冷性能。

关键词：芯片冷却传热彬纳尺度多级制冷器优化制冷极限热电元件

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新型结构热电元件的多物理场耦合研究

制冷与空调（四川） 2018年第6期32卷 567-573页

作者：许鹏飞唐豪南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为了改善热电元件的工作性能,提出了两种新型结构的热电元件,分别是半倾斜型和双倾斜型,倾斜角度57.99°。参考传统的垂直型热电元件,采用数值模拟的方法,通过控制电流、热端温度和冷热端温差等参量,对三种结构的热电元件进行了温度场... 详细信息

为了改善热电元件的工作性能,提出了两种新型结构的热电元件,分别是半倾斜型和双倾斜型,倾斜角度57.99°。参考传统的垂直型热电元件,采用数值模拟的方法,通过控制电流、热端温度和冷热端温差等参量,对三种结构的热电元件进行了温度场、电场耦合分析。结果显示:双倾斜型电热元件能够实现最低的冷端温度,且随着电流的增大,不同结构冷端温度的差值先增大后减小;在小功率条件下,双倾斜型电热元件制冷量最大;双倾斜结构能够达到最高的制冷系数,但在大功率条件下制冷系数却最低;倾角为钝角处存在场强突变现象;最大电流密度均出现在不与半导体接触的铜片区域中;双倾斜结构更适用于微小型低功耗热电设备。

关键词：热电元件倾斜温度场电场

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单臂热电元件的电性能测试方法比较研究

西华大学学报（自然科学版） 2011年第5期30卷 47-49页

作者：陈建文金应荣鲁云王琴贺毅王鹏飞西华大学材料科学与工程学院四川成都610039 千叶大学工学部

在模拟工况下研究了小功率单臂热电元件的电性能测试方法,分别采用改进恒流源法、伏安法和标准电阻法对N型Ca0.9Ce0.1MnO3单臂热电元件进行了测试分析。结果表明:当温差较小时,改进恒流源法能够精确测量热电元件的性能;伏安法适合较大... 详细信息

在模拟工况下研究了小功率单臂热电元件的电性能测试方法,分别采用改进恒流源法、伏安法和标准电阻法对N型Ca0.9Ce0.1MnO3单臂热电元件进行了测试分析。结果表明:当温差较小时,改进恒流源法能够精确测量热电元件的性能;伏安法适合较大输出功率的测试场合;标准电阻法的适用范围较广,几乎不受元件输出功率限制且具有较高的测试精度和测试效率,可用于商业测试。

关键词：热电元件性能测试内阻

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测定热电元件中交直流转换误差的绝对方法

中国检验检测 1980年第1期 48-51页

作者： B.D.Inglis 沙振舜

一、引言全世界的标准实验室现在几乎无例外地依靠热电元件(TF)和多元热电变换器(MJTC)提供交直流转换标准。Hermach,Widdis,Hermdch 和 Williams,以及Wilkins相当详细地研究了每种器件的转换误差。根据理论分析认为,一直到声频范围 MJ... 详细信息

一、引言全世界的标准实验室现在几乎无例外地依靠热电元件(TF)和多元热电变换器(MJTC)提供交直流转换标准。Hermach,Widdis,Hermdch 和 Williams,以及Wilkins相当详细地研究了每种器件的转换误差。根据理论分析认为,一直到声频范围 MJTC 有0.5×10的能量转换误差。

关键词： TE 电流热电元件交直流转换温差电系数加热器