[發(fā)明專利]一種基于交變磁場驅(qū)動(dòng)的熱電制冷器

有效

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• 申請日: 2014-04-15
• 公開（公告）號(hào): CN103954070A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王贊;王珂;王炯
• 申請（專利權(quán)）人: 河南工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): F25B21/02
• 分類號(hào): F25B21/02
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11385
• 代理人: 董芙蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于交變磁場驅(qū)動(dòng)的熱電制冷器。

背景技術(shù)

在低維熱電材料研究領(lǐng)域，通常從改變幾何結(jié)構(gòu)或組態(tài)出發(fā)，提高其熱電轉(zhuǎn)換效率。采用交變磁場作為電子驅(qū)動(dòng)，由于霍爾效應(yīng)，洛倫磁力使電子徑向動(dòng)能增大，導(dǎo)致由核材料進(jìn)入殼材料的電子數(shù)量增加，直至實(shí)現(xiàn)平衡。改變磁場方向，電子獲反向加速，建立新的逆向平衡。同時(shí)，由于異質(zhì)材料電子能帶結(jié)構(gòu)不同，界面處雙向透射率存在差異，從而可通過控制交變磁場的強(qiáng)度與頻率來調(diào)節(jié)其電導(dǎo)率。同時(shí)磁場與聲子無直接作用，對(duì)熱導(dǎo)率影響較小，因而可在熱導(dǎo)率基本不變的前提下增大電導(dǎo)率及Seebeck系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)核殼半導(dǎo)體納米線熱電轉(zhuǎn)換效率的提高。

技術(shù)原理：圖1(a)所示為研究對(duì)象的示意圖，核殼納米線兩端存在溫度梯度與電勢差，施加磁場電子在洛倫磁力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，堆積分布在納米線徑向表面，形成自建電場，直到電場力與洛倫磁力達(dá)到平衡為止。由于異質(zhì)材料能帶結(jié)構(gòu)不同，故電子在界面處透射率大小不同，如圖1(b)所示由核材料進(jìn)入殼材料的電子數(shù)遠(yuǎn)大于由殼材料進(jìn)入核材料的電子數(shù)目。

圖2顯示了熱電材料軸向電子運(yùn)動(dòng)示意圖，一部分電子在洛倫磁力的作用下增加動(dòng)能，穿越勢壘或異質(zhì)界面。雖然電子的偏轉(zhuǎn)有利于核殼納米線整體電子遷移率的增加，但是洛倫磁力的影響是短暫的，很快將被自建電場的電場力所平衡。因此必須使磁場快速換向，打破平衡，才能維持電子由核材料進(jìn)入殼材料的狀態(tài)，故而需要研究自建電場平衡時(shí)間與磁場頻率、強(qiáng)度的關(guān)系，如何設(shè)置及調(diào)控交變磁場發(fā)生器這是該發(fā)明關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及一種基于交變磁場驅(qū)動(dòng)的熱電制冷器，它由九部分組成，分別是直流電源、導(dǎo)線、熱沉、導(dǎo)熱絕緣陶瓷、熱端金屬電極、半導(dǎo)體熱臂、勵(lì)磁繞阻、冷端電極、交變磁場發(fā)生系統(tǒng)。其中，所述直流電源通過所述導(dǎo)線連接熱端金屬電極，絕緣陶瓷位于熱沉和熱端金屬電極之間，半導(dǎo)體熱臂連接熱端金屬電極和冷端電極，所述勵(lì)磁繞阻纏繞在半導(dǎo)體熱臂周圍。

本發(fā)明提出了采用交變磁場對(duì)熱電材料中的電子加速及裁剪，從而達(dá)到提高傳輸熱能的效果，以促進(jìn)了傳統(tǒng)熱電制冷器的熱電換能效率。尤其是對(duì)于微型熱電制冷器，高熱流密度的發(fā)熱點(diǎn)對(duì)制冷要求較高，采用本發(fā)明提出的方法可有效提高復(fù)合低維材料中熱載流子的透射及輸運(yùn)。

附圖說明

通過參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更加易于清楚，在附圖中：

圖1(a)為霍爾效應(yīng)下核殼納米線示意圖；圖1(b)為霍爾效應(yīng)下電子界面透射示意圖；

圖2為霍爾效應(yīng)下核殼納米線電子輸運(yùn)示意圖(軸截面)；

圖3為交變磁場驅(qū)動(dòng)的熱電制冷器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為交變磁場驅(qū)動(dòng)的熱電制冷器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；

圖5為交變磁場發(fā)生器電路原理圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。

在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

參考附圖3-5，本發(fā)明的技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)：一種基于交變磁場驅(qū)動(dòng)的熱電制冷器，它由九部分組成，分別是直流電源、導(dǎo)線、熱沉、導(dǎo)熱絕緣陶瓷、熱端電極、半導(dǎo)體熱臂、勵(lì)磁繞阻、冷端電極、交變磁場發(fā)生系統(tǒng)。

電源：交變磁場驅(qū)動(dòng)的熱電制冷器需要兩個(gè)電源。一個(gè)是直流電源(5V～10V)，為熱電制冷器工作提供能源，驅(qū)動(dòng)電子定向運(yùn)動(dòng)。一個(gè)是交流電源，為交變磁場發(fā)生系統(tǒng)提供動(dòng)力，激勵(lì)鐵氧體線圈可產(chǎn)生頻率、場強(qiáng)均可獨(dú)立調(diào)節(jié)的交變磁場(1～10KHz)。

導(dǎo)線：可采用普通銅質(zhì)或鋁質(zhì)導(dǎo)線(直徑0.1～0.25mm)。

導(dǎo)熱絕緣陶瓷片：熱端金屬電極通過導(dǎo)熱硅膠與導(dǎo)熱絕緣陶瓷片連接，熱沉與導(dǎo)熱絕緣陶瓷片同樣通過導(dǎo)熱硅膠連接，從而隔離了金屬熱沉與金屬電極的接觸，有效地阻礙了漏電發(fā)生，如附圖3所示。普通導(dǎo)熱絕緣陶瓷片的熱導(dǎo)率為30～200W／(m.K)。

熱沉：具有較大的體表比，散熱能力強(qiáng)，可采用鋁、銅、鋁碳化硅等材料。