[發(fā)明專利]一種非常規(guī)熱電單元

在審

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• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN107990589A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁樂;馬素德;黃剛;馮云成
• 申請（專利權(quán)）人: 西華大學(xué);四川智溢實(shí)業(yè)有限公司
• 主分類號: F25B21/02
• 分類號: F25B21/02
• 代理公司: 成都華風(fēng)專利事務(wù)所(普通合伙)51223
• 代理人: 徐豐,張巨箭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別是涉及一種非常規(guī)熱電單元。

背景技術(shù)

由于能源與環(huán)境問題，近些年來各種可再生能源及新能源的研究成為熱點(diǎn)，其中熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是通過半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，受到廣泛關(guān)注。熱電制冷器（TEC）由于其沒有流體工質(zhì)和壓縮膨脹等運(yùn)動部件，因而具有全固態(tài)、無震動、無噪聲、可靠性高，對環(huán)境無污染的優(yōu)點(diǎn)，在微電子領(lǐng)域、生物、航天航空探測、野外作業(yè)及制冷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

熱電制冷器是由周期性重復(fù)的熱電單元所組成。每個熱電單元均包含一個N型半導(dǎo)體和一個P型半導(dǎo)體，由金屬片連接。熱電制冷器的制冷是基于帕爾貼效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)熱電單元通入電流后，電流由金屬連接片先流入N型半導(dǎo)體，再經(jīng)過P型半導(dǎo)體流出。當(dāng)電流流經(jīng)Ｎ型半導(dǎo)體時，Ｎ型半導(dǎo)體的載流子為電子，帶負(fù)電荷，電子由上向下運(yùn)動；當(dāng)電流流經(jīng)Ｐ型半導(dǎo)體時，Ｐ型半導(dǎo)體的載流子為空穴，帶正電荷，載流子由上向下運(yùn)動。因此，兩種半導(dǎo)體內(nèi)的載流子均為由上至下運(yùn)動。在不同的材料中電荷載體處于不同的能級，在半導(dǎo)體上端，電子從Ｎ型半導(dǎo)體的低能級向Ｐ型半導(dǎo)體的高能級運(yùn)動，從外界環(huán)境吸收熱量，形成冷端；在半導(dǎo)體下端，電子從Ｐ型半導(dǎo)體的高能級向Ｎ型半導(dǎo)體的低能級運(yùn)動，向外界釋放熱量，形成熱端。

雖然半導(dǎo)體制冷器有諸多優(yōu)點(diǎn)，并得到的大量的應(yīng)用，但其制冷效率低嚴(yán)重限制了它的發(fā)展，國內(nèi)外先后通過發(fā)掘新型熱電材料以及設(shè)計(jì)和優(yōu)化新的TEC結(jié)構(gòu)改善了半導(dǎo)體制冷器的制冷效率，本發(fā)明打破傳統(tǒng)的熱電臂設(shè)計(jì)理念，提出了一種新型非常規(guī)的熱電臂形狀，并將其應(yīng)用到TEC熱電單元中，通過與常規(guī)長方體狀熱電臂構(gòu)成的熱電單元進(jìn)行對比，得到非常規(guī)熱電單元相較于常規(guī)熱電單元具有更高的制冷量、更高的制冷效率以及更寬的電流適用范圍，顯著的提高了TEC器件的制冷參量。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：一種非常規(guī)熱電單元，包括切割之后的P/N型熱電臂，其特征在于，所述P/N型熱電臂之間形成熱電臂間距，熱電臂上端為冷端，下端為熱端；所述P/N型熱電臂內(nèi)部形成圓錐切割體，其底面在所述熱端上，切割高度小于所述熱電臂高度，所述切割體內(nèi)填充金屬材料。

優(yōu)選地，所述冷端為整體結(jié)構(gòu)，所述熱端沿所述熱電臂中間熱點(diǎn)間距隔開；

優(yōu)選地，所述冷端和熱端的厚度一直，并采用量相同材料；

優(yōu)選地，所述熱端材料沿所述熱電臂外側(cè)向外延伸，延伸長度為所述熱電臂間距的一半；

優(yōu)選地，所述金屬填充材料為銅。

區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的有益效果是：與常規(guī)熱電單元相比，在采用相同質(zhì)量與體積的熱電材料的情況下，本發(fā)明所提出的非常規(guī)熱電單元表現(xiàn)出更高的制冷量Q_c，更低的功耗，更優(yōu)的制冷系數(shù)，更寬的電流適用范圍。在實(shí)際的運(yùn)用中，更高的制冷量能夠提高制冷器的制冷性能，而更高的制冷系數(shù)能搞提高半導(dǎo)體制冷器的制冷效率，更寬的工作電流范圍提高了半導(dǎo)體制冷器承受能力，進(jìn)而綜合提高了半導(dǎo)體制冷器的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例非常規(guī)熱電單元的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例常規(guī)熱電單元和非常規(guī)熱電單元制冷量隨電流變化的曲線。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例常規(guī)熱電單元和非常規(guī)熱電單元功耗隨電流變化的曲線。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例常規(guī)熱電單元和非常規(guī)熱電單元制冷系數(shù)（COP）隨電流變化的曲線。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。