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發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計說明書—畢業(yè)設計(參考版)

2024-11-27 16:37本頁面
  

【正文】 [16] 宋瑞銀 , 李偉 , 楊燦軍 , 劉宜勝 ,中國機械工程 2020年 20期 微型熱電發(fā)電器的性能測試分析 [17] 趙鎮(zhèn)南 《傳熱學》 高等教育出版社 P492 附錄 3 [18] 鐘廣學 . 半導體制冷器件及其應用 . 北京:科學出版社 . [19] 王為 ,張建中等 . 由一維納米線陣列結(jié)構(gòu)溫差熱電材料構(gòu)制的微溫差電池 [P]. 北京:知識產(chǎn)權出版社 ,2020. 公開號 CN 1352468A. [20] 高敏 , 張景韶 , D. M. Rove. 溫差電轉(zhuǎn)換及其應用 , 北京 : 兵器工業(yè)出版社 1996( 8) . 46 [21] 張華俊 , 陳浩 , 王俊 . 半導體熱電堆電臂尺寸之研究 ,太陽能學報 ,2020( 4) . [22] 錢劍鋒 . 熱電式微電源設計及性能研究 . 碩士學位論文 .2020(1) . [23] 張大成 . 基于硅深刻蝕工藝的硅微模具制造技術 .微型機電系統(tǒng)研究論文集 . 北京 : 清華大學出版社 , 2020. [24] 清華大學工程物理系技術物理研究所 , 美國能源部投資開發(fā)更小 同 位 素 微 型電池技術 . 2020. [25] 高敏 . 空間探測用半導體溫差發(fā)電系統(tǒng) . 中國空間科學技術 . ( 6) . [26] 王華軍 , 韓剛 . 半導體熱電發(fā)電技術 [J], 太陽能 , 2020( 6) : 17- 19. [27] 王宏 . 微電子機械系統(tǒng) (MEMS) 的發(fā)展研究 . 微處理機 .2020,3(3): 47. [28] 朱鍵 . MEMS 技 術 的 發(fā) 展 與 應 用 . 半 導 體 技 術 , 2020,28(1):2932. 47 。這次設計不僅增強我個人的自信,也培養(yǎng)了與他人的團結(jié)和作精 神。一些結(jié)構(gòu)、尺寸方面還有 些地方有待樓偉同學的優(yōu)化。由于在該設計中沒有多少壓力的要求,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。 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買的不銹鋼編織軟管,購買的單位為: 上海滬旋旋轉(zhuǎn)接頭廠 ,該單位供應的 RL 型金屬 軟管,內(nèi)管是通水管道 電偶臂 導熱肋板 通氣管 道道 緊定框架 電絕緣導熱層、導流層 42 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)在在我的設計中選用的材質(zhì)是 : 銅芯鋅帽 、 不繡 剛絲 外套。具體的安裝手段以及自加工的螺絲螺母的詳細請看附錄上的 圖紙。 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,保證整個機構(gòu)能正常的工作。整個工藝主要包括涂膠、曝光顯影、光刻、鑄模以及鍵合封裝等工藝,主要反應了硅模和電偶臂的制作工藝。經(jīng)過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。再次待硅模冷卻,熱電材料固化。然后將 P 型熱電材料注入到硅模一面的方形槽 中。這就制成了我們需要的硅模。翻轉(zhuǎn)硅片,在另外一面涂上光刻膠,重復曝光顯影、光刻、清洗等工作,在另一面形成方形槽陣列。經(jīng)過曝光顯影,光刻膠在硅片表面形成方孔陣列,然后通過深度光刻,使硅片形成方孔陣列,該方孔陣列不是通孔而是一個方形槽陣列。然后放在涂膠機上 涂一層光刻膠 PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)。選擇拋光硅片,其厚度為 ~,尺寸為 8” 。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,再去除原有的硅模,留下熱電電偶臂。具體流程圖如圖 3- 21。 37 余 熱發(fā)電器的工藝設計 熱電發(fā)電器電偶臂的截面尺寸一般在 1mm2 及以上,顆粒尺寸相對較大,熱電材料的切割相對比較容易。這樣,熱電發(fā)電器的制作就完成。在高溫爐中靜置一段時間后,將發(fā)電器取出,用電阻儀初步測試引線兩端的電阻,如電阻不是無窮大(一般在 1~ 10 歐姆的范圍),說明焊合正常。等導電膠凝固后,將發(fā)電器置于高溫恒溫爐中靜置 10 小時以上, 讓焊料充分和電偶臂導流層充分焊合。然后再用焊料將導出引線與導流層出口粘接在一起。采用專門定制的模具,見圖 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。然后在方形槽內(nèi)注入高溫導電銀膠,從而形成需要的焊料層。導流層陣列見圖 3- 18,圖左和圖右分別覆蓋基板導流層陣列圖形以及半導體電偶臂陣列結(jié)構(gòu)圖。其加工工藝如圖 3- 17。 圖 313 電絕緣導熱覆蓋片 31 圖 314 導流層 32 圖 315 電偶臂 33 電偶臂中的電流 流向如下圖所示: 圖 316 電偶臂中 電流的流向 余 熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 全套圖紙及更多設計請 聯(lián)系 : 360702501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)模化、集成化特點。 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 ,電偶臂對數(shù) 199對。當電偶臂兩端存在溫差時, P、 N 結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克( Seebeck)效應,故而在回路中產(chǎn)生電流。設計流道是以熱量的最大利用為目標的,所以我考慮 28 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,但其應用于實際當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際中制作方便,維修簡單,所以最后在我和老師的討論下決定設計方形熱電發(fā)電器模塊。由資料可知:薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工技術方面來說是比較成熟的,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,所以在設計中也沒有予以采用。 我考慮過的形狀有:微卷式( SwissRoll)、熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器 。 熱電 發(fā)電器模塊 的設計主要包括水流道、氣流道和熱電發(fā)電偶臂的結(jié)構(gòu)設計。 余 熱 發(fā)電器模塊 的設計 全套圖紙及更多設計請聯(lián)系 : 360702501 熱電堆式微小型熱電發(fā)電器主要包括上下導熱覆蓋片、導流片、焊料層、 PN 結(jié)電偶臂和輸出導線等部分。薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工技術方面來說是比較成熟的,其體積尺寸也比較?。洚a(chǎn)生的功率普通較低,一般只有微瓦級熱電堆的 PN 結(jié)相對于溫度場是并聯(lián)結(jié)構(gòu),每一對 PN 結(jié)均有相同的溫差,故每一對 PN結(jié)串聯(lián)后,產(chǎn)生的功率相對較大另外,其熱源腔可以設計得相對較大,燃料的燃燒,溫控等相對容易,但 27 其熱損失比微卷式發(fā)電器要大。另外這種 CrossPlane 結(jié)構(gòu)固有的缺點就是,熱電偶臂之間的金屬導流層不容易制造。目前, JPL 正在研究用 P 型和 N 型 Bi2T3, 納米線代替厚膜合金,便用類似的方法實現(xiàn)更小尺寸的半導體電偶臂。實際的測試器件由 2300 個熱電偶連成,熱電臂的長度為 50μm, 直徑為 6μm, 在 溫差下,可以以 的電壓提供 22mw 的功率。他們擯棄了體技術,而采用了厚膜Bi2Te3 合金材料,在保持熱電臂截面積與長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。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。 熱電堆式熱電發(fā)電器 它是由美國噴氣動力實驗室( JPL)研制的 CrossPlane。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 25 低。使用熱導率較低的石英時,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 ,德國斯圖加特大學用晶體硅微加工技術,制造了橋結(jié)構(gòu)的 InPlane 型微熱電發(fā)電器件。其測試器件大小為 : 5mm*10mm*,為了測試的目的,內(nèi)含不同數(shù)量和尺寸的熱電臂。 圖 33 Swiss Roll溫度分布仿真 實驗研究還表明,三維的 Swiss Roll 結(jié)構(gòu)能減少熱量的損失 美國普林斯頓大學研究的方案 這是由德 國斯圖加特大學研制的 InPlane 微型熱電發(fā)生器,如下圖 24 圖 34 InPlane 微型熱電發(fā)生器 InPlane 型微熱電發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)可以用 IC 的薄膜工藝,方便地形成半導體電偶臂之間的金屬電連接導流層
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