CN102214785A - 卧式多级热并联热电转换堆 - Google Patents

Abstract

一种卧式多级热并联热电转换堆，包括多个由N型热电半导体、P型热电半导体及金属片组成的热电转换单元和位于相邻热电转换单元之间的导热电绝缘层，所述相邻两个热电转换单元的工作端通过导热电绝缘层相互叠层连接。本发明进行制冷工作时，热电转换堆可以在形成高制冷量时获得较高的制冷效率，另外，本发明中片状结构的热电半导体能减小热回流。本发明进行发电工作时，同极相互堆积的温差电堆，能在有限的换热面的情况下，最大限度的进行热电转换。同时，上述片状结构的热电半导体的热流出较小，在温差相同的情况下相对传统的温差电堆能产生更多的电能。

Description

卧式多级热并联热电转换堆

技术领域

本发明涉及一种利用热电半导体材料制冷或发电的装置，具体地说是一种卧式多级热并联热电转换堆。

背景技术

众所周知，由N型热电半导体材料和P型热电半导体材料组成的一对热电偶，当热电偶通入直流电后，因直流电通入的方向不同，将在电偶接触面上产生吸热或放热现象，这种现象称为珀尔帖(Peltier)效应。如果把N型热电半导体材料和P型热电半导体材料交替连接在一起，就会在一个电偶接触面上产生吸热即形成工作端(该工作端在利用珀尔帖效应制冷时被称为冷端)，在另一个相邻的电偶接触面上产生放热即形成散热端(该散热端在利用珀尔帖效应制冷时被称为热端)，上述工作端和散热端在电偶接触面上的分布由流过N型热电半导体材料和P型热电半导体材料的电流的方向决定；相反地，当一对温差热电偶的两个接头处于不同温度时，热电偶两端会产生一定电动势，这种利用半导体材料将热能(即内能)转化为电能的现象为塞贝克(Seebeck)效应，此时热电偶的两端为工作端(该工作端在利用塞贝克效应发电时被称为热端)和散热端。

目前，利用珀尔帖效应制造的半导体制冷器(TEC Thermoelectric Cooler)和利用塞贝克效应制造的温差电堆已得到广泛应用。

相比其它的制冷设备如压缩机制冷设备，半导体制冷器具有如下独特的优势：1)半导体制冷器不需要制冷剂，不会污染环境，环保；2)由于无机械传动部件，半导体制冷器的结构相对简单、并且无噪声、无磨损、可靠性高；3)半导体制冷器可通过改变工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度，控制灵活(制冷速率快和控制精度高)；4)半导体制冷器可以在各种极端条件下工作包括真空、失重和高加速度等。

对于上述提及的半导体制冷器，它的制冷能力和制冷效率主要受三个物理现象制约：1)由电流通入两种不同的热电半导体构成的回路引起的珀尔帖效应；2)由回路中的电阻引起的焦耳热生成；3)由冷热两端的温差引起的热量传导。根据上述三个制约因素，对于任何一种半导体制冷器都存在一个制冷电流的临界值。由于由珀尔帖效应产生的吸热或放热的量是与电流强度的一次方成正比，而由电流产生焦耳热是与电流强度的平方成正比，所以当电流强度大于1时，焦耳热的生成的速度要大于珀尔帖效应传递热量的速度。当几何尺寸和材料一定的情况下，制冷电流存在一个临界值。当制冷电流大于这个临界值时，从散热端回流的热量与生成的焦耳热之和大于珀尔帖效应传递热量，使得制冷器失去制冷作用。从而使得该制冷器存在着最大的制冷量或最大的制冷能流密度，限制了半导体制冷器在大制冷容量和高制冷热流密度方面的应用，这也是立式制冷堆的最主要的弱点。为了增加制冷器的制冷温差，常规的方法是采用多极制冷堆来实现。目前所有的多极制冷堆都是沿热传输的方向热串联或立式叠加(如图1所示)而成。从图1中可以看到，多极致冷片是由多个制冷堆叠加而成，上一级的散热端与下一级的工作端相接，最上层制冷堆的制冷量和制冷面积均最小，下面各层制冷堆的制冷量和制冷面积均依次增加。这样的结构带来的明显缺点，就是制冷效率较低，制冷量也很小。主要的原因是下一级制冷堆叠的除了要承接上一级制冷堆叠的制冷量，同时还要承接上一级自己发出的热量。这是立式制冷堆的第二个弱点。另外，这种多极致冷堆为了达到较好的制冷效果，均需要将N型热电半导体和P型热电半导体做成较粗的棒状结构，这种结构需要很多的半导体材料。

另外，利用塞贝克效应制造的传统的温差电堆，也是采用立式结构。当热源温度和环境温度一定时，从热源到环境的总温差就是一定的。根据赛贝克效应发电的量是与温差成正比。所以对于立式结构来说，由于多级立式结构是热串联的，当其它参数不变的情况下，一级与多级在发电量和效率来说是没有区别的。在发电应用中，立式结构还存在另一个缺陷。立式结构为了达到较好的温差发电的效果，也是需要将N型热电半导体和P型热电半导体做成较粗的棒状结构，这种结构也需要很多的半导体材料。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足提供一种卧式多级热并联热电转换堆，该热电转换堆在利用珀尔帖效应作为半导体制冷器使用时，能在保持制冷效率不变的情况下通过增加热电转换堆的级数达到加大制冷温差或加大制冷量；该热电转换堆在利用塞贝克效应作为温差电堆使用时，能通过增加热电转换堆的级数达到增加发电量从而提高热电效率。

本发明是这样实现的：包括多个由N型热电半导体、P型热电半导体及金属片组成的热电转换单元和位于相邻热电转换单元之间的导热电绝缘层，其特征在于：所述相邻两个热电转换单元的工作端通过导热电绝缘层相互叠层连接。

所说N型热电半导体和P型热电半导体均为片状结构。

所说片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体为水平布置，每个热电转换单元的工作端和散热端位于同一水平面。

所说片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体为倾斜布置，每个热电转换单元的工作端所在水平面低于散热端所在水平面。

所说片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体为倾斜布置，每个热电转换单元的工作端所在水平面高于散热端所在水平面。

所说相邻两个热电转换单元的散热端之间通过导热电绝缘层相互叠层连接。

所说相邻两个热电转换单元的工作端的垂直投影相互重合。

所说片状结构的N型热电半导体的厚度范围为10埃～0.2厘米。

所说片状结构的P型热电半导体的厚度范围为10埃～0.2厘米。

所说倾斜设置的N型热电半导体和P型热电半导体的倾斜夹角为0～70度。

在本发明利用珀尔帖效应进行制冷工作时，所有热电转换单元的工作端(即此时的冷端)相互叠加在一起，形成工作端共同制冷的热电转换堆。该热电转换堆可以不通过增加电流强度，而是仅通过增加叠加的热电转换单元的层数达到所需的高制冷量或较大的制冷温差。这样就使得上述热电转换堆可以在形成高制冷量或较大的制冷温差时获得较高的制冷效率，很好地克服现有技术(多级立式叠加)的致命缺陷，现有的(立式)多极制冷堆只能通过增加层数来增加制冷温差，而不能增加制冷量。另外，本发明中片状结构的N型热电半导体和P型热电半导体能减小热回流，从而在同样制冷功率的情况下减少能源的消耗，进而提高效率。

在本发明利用塞贝克效应进行发电工作时，上述同极相互堆积的温差电堆，能在有限的换热面(散热面或发热面)的情况下，最大限度的进行热电转换。同时，上述片状结构的N型热电半导体和P型热电半导体的热流出较小，在温差相同的情况下相对传统的温差电堆能产生更多的电能。

附图说明

图1为现有(立式)多极制冷堆的结构示意图暨制冷原理图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明中相邻两个热电转换单元之间电并联的结构示意图。

图4为本发明中相邻两个热电转换单元之间电串联的结构示意图。

图5为本发明中多个热电转换单元之间串并联的结构示意图。

图6为本发明中热电转换单元的工作端和散热端位于同一水平面的示意图。

图7为本发明中热电转换单元的工作端所在水平面高于散热端所在水平面的示意图。

图8为本发明中热电转换单元的工作端所在水平面低于散热端所在水平面的示意图。

图9为本发明的单层结构示意图。

图中：1——导热电绝缘层、2——N型热电半导体、3————P型热电半导体、4——热电转换单元、5——第一金属片、6——第二金属片、7——第三金属片、8——工作端、9——散热端。

图1中Q_C表示从工作端净带走的热量，Q₁表示第一级(上级)所产生的焦耳热，Q₂表示第二级(下级)所产生的焦耳热。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

实施例：如图2所示包括多个由N型热电半导体2、P型热电半导体3及金属片组成的热电转换单元4和位于相邻热电转换单元4之间的导热电绝缘层1，相邻两个热电转换单元4的工作端8通过导热电绝缘层1相互叠层连接。每个热电转换单元4中，P型热电半导体3的一端连接第一金属片5，P型热电半导体3的另一端通过第二金属片6连接N型热电半导体2的一端，N型热电半导体2的另一端连接第三金属片7。相邻两个热电转换单元4之间的电连接根据具体需要可以为串联连接或并联连接(如图3～5所示)。上述导热电绝缘层1可以由陶瓷材料制成。

上述技术方案中，为了得到最好的制冷效果，相邻两个热电转换单元4的散热端9之间通过导热电绝缘层1相互叠层连接；相邻两个热电转换单元4的工作端8的垂直投影最好相互重合，加大工作端8的重合度；上述N型热电半导体2和P型热电半导体3均为片状结构，减小了焦耳热的产生，从而减少了能源的消耗。该片状结构的N型热电半导体2的厚度范围为10埃～0.2厘米。该片状结构的P型热电半导体的厚度范围为10埃～0.2厘米。

上述技术方案中，如图6～8所示，为了配合热电转换堆在多种场合的应用，上述片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体可以为水平布置，每个热电转换单元4的工作端8和散热端9位于同一水平面。同时，上述片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体也可以为倾斜布置，每个热电转换单元4的工作端8所在水平面低于散热端9所在水平面。也可以每个热电转换单元4的工作端8所在水平面高于散热端9所在水平面。当N型热电半导体和P型热电半导体倾斜设置时，它们的倾斜夹角最好为0度～70度。

上述技术方案中，根据珀尔帖效应，每个热电转换单元4中的工作端8(即此时的冷端)和散热端(即此时的热端)均由流过该热电转换单元4的电流的方向所决定。

上述技术方案中，当本发明的热电转换堆利用珀尔帖效应制冷时，除了相邻两个热电转换单元4的工作端8(即此时的冷端)通过导热电绝缘层1相互叠层连接外其它的各个部分包括散热端9(即此时的热端)均不需要重合；当本发明的热电转换堆利用塞贝克效应发电时，相邻两个热电转换单元4的工作端8(即此时的热端)通过导热电绝缘层1相互叠层连接，相邻两个热电转换单元4的散热端9通过导热电绝缘层1相互叠层连接，其它的各个部分均不需要重合，这样能进一步加大发电量。

下面详细说明本发明相对于现有结构所具有的有益效果：

本发明的卧式热电转换堆可以通过增加电流强度来提高制冷量或制冷温差，也可以通过增加叠加的层数来提高制冷量或制冷温差。正是由于在保持电流不变的情况下，这项发明可以通过增加层数来达到提高制冷量或制冷温差的功能，从而使在本发明在加大温差或加大制冷量时获得保持制冷效率不变的效果，很好地克服现有技术(单级立式或多级立式叠加)的致命缺陷。

本发明的卧式热电转换堆相较现有的立式热电制冷堆，还具有另一个重要的优点是可以减少热电材料的使用从而大大降低产品的成本。在热电制冷堆中存在热回流(高温向低温的热传导)，立式结构要求热电材料有一定的高度，既不能太高(电阻会过大)也不能太低(热回流过大)，通常为1mm至6mm之间。同理，立式结构要求热电材料有一定的横截面积，通常为1mm²至25mm²之间。这使得热电材料耗材较多。而本发明的卧式制冷堆技术可以制成厚度仅为10埃～0.2厘米的薄膜而大大降低热电材料的消耗，从而有效地降低产品的成本。

在本发明的卧式多级热并联热电转换堆利用塞贝克效应进行发电工作时，由于本发明的热电转换堆采用卧式结构，它的多级结构为热并联的，所有热电转换单元的工作端8(即此时的热端)都与热源相连，热电转换单元的散热端9都与环境相接，所以每增加一级热电转换单元，它的发电量就增加一倍，从而提高了发电效率。

Claims (10)

1.一种卧式多级热并联热电转换堆，包括多个由N型热电半导体、P型热电半导体及金属片组成的热电转换单元和位于相邻热电转换单元之间的导热电绝缘层，其特征在于：所述相邻两个热电转换单元的工作端通过导热电绝缘层相互叠层连接。

2.按权利要求1所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说N型热电半导体和P型热电半导体均为片状结构。

3.按权利要求2所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体为水平布置，每个热电转换单元的工作端和散热端位于同一水平面。

4.按权利要求2所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体为倾斜布置，每个热电转换单元的工作端所在水平面低于散热端所在水平面。

5.按权利要求2所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说片状结构的N型热电半导体和片状结构的P型热电半导体为倾斜布置，每个热电转换单元的工作端所在水平面高于散热端所在水平面。

6.按权利要求1或2所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说相邻两个热电转换单元的散热端之间通过导热电绝缘层相互叠层连接。

7.按权利要求1或2所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说相邻两个热电转换单元的工作端的垂直投影相互重合。

8.按权利要求2-5任一项所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说片状结构的N型热电半导体的厚度范围为10埃～0.2厘米。

9.按权利要求2-5任一项所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说片状结构的P型热电半导体的厚度范围为10埃～0.2厘米。

10.按权利要求4或5所述卧式多级热并联热电转换堆，其特征在于：所说倾斜设置的N型热电半导体和P型热电半导体的倾斜夹角为0度～70度。

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