CN105444461B - 一种热电制冷器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电制冷器,包括半导体热臂及其外缘的电致发光体,第一直流电源连接半导体热臂和电致发光体,实现发光制冷;第二直流电源提供驱动电流,电流通过放热端电极、半导体热臂、吸热端电极及放热端电极构成回路。半导体热臂的吸热端与吸热端金属电极连接,放热端与放热端金属电极连接,半导体热臂的放热端通过导热硅脂连接向外散热的金属热沉。本发明的热电制冷器通过使用电致发光吸收热电材料中的声子,能够有效减少热臂中声子的回流量,从而提高热电制冷器的制冷效率。

Description

一种热电制冷器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种热电制冷器,属于半导体制冷技术领域。
背景技术
[0002]半导体制冷由于无需传统制冷结构所需的压缩机等机械单元,在小型化的制冷 装置中得到了一定应用。半导体制冷利用了半导体材料的Peltier效应,当直流电通过两 种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,实现制 冷的目的。
[0003]与传统的制冷装置相比,半导体制冷装置存在的一个不足是热电转换率低,冷端 与热端的制冷温差较小,无法达到传统制冷装置的制冷效率。为了解决此问题,通常的设 计思路是改进半导体材料热臂的导热效率,这对研发成本和工作量带来了极大的压力。
发明内容
[0004] 有鉴于现有技术所存在的问题,本发明公开了一种热电制冷器,所公开的技术方 案是用电致发光吸收热电材料中的声子,有效减少热臂中声子的回流量,从而提高热电制 冷器的制冷效率。
[0005] 具体地说,本发明是通过如下技术方案实现的:
[0006] 一种热电制冷器,包括半导体热臂和其外缘的电致发光体,第一直流电源联通半 导体热臂和电致发光体;半导体热臂的吸热端连接冷端电极,该冷端电极接触待制冷目 标,半导体热臂的散热端连接联通第二直流电源的热端电极,该热端电极通过导热硅脂连 接向外散热的金属热沉。
[0007] 通过上述结构改进,第二直流电源为热电制冷器工作提供能源,驱动电子定向运 动;第一直流电源为电致发光发生系统提供动力,产生一个偏置电压,加速电子进入发光 层与空穴进行复合,产生光子,带走热量,实现制冷。
[0008] 其中,所用的电致发光体为P-N型LED。
[0009] 其中,半导体热臂由常用热电材料制成,?131^、21^13483价€;24£^6、〇03属于常用 的热电材料。
[0010]在进一步的改进中,使用至少两种半导体材料进行复合,电子与空穴能够在发光 层复合发光,吸收声子,减少回流量,实现热电效率的提高。
[0011]其中,第一直流电源和第二直流电源的电压可实现相关器件的工作即可,通常第 一直流电源电压为〇. 1〜3V,第二直流电源电压为5V〜10V。
[0012]为了提高散热效率,抑制漏电情况,热端电极通过导热硅脂与导热绝缘陶瓷片连 接,导热绝缘陶瓷片通过导热硅脂连接金属热沉。
[0013]在此结构下,陶瓷片能够良好的对电绝缘,同时又保持良好的散执能力(普通导 热绝缘陶瓷片的热导率为30〜200W/(m.K))。
[0014]在上述中,所用的金属热沉采用导热性能良好的金属材料制成的具有较大的体 表比的几何结构,如铝、铜等材料。
[0015]本发明的技术方案,利用电致发光制冷,通过电子在发射极吸收声子,然后在发 光层发生电子-空穴复合释放高能光子,再通过光导材料将热能以光子形式导出,实现吸 收的热量大于产生的热量的净制冷,提高了冷端与热端的制冷温差,从而改善热电换能效 率。
[0016]在上述基础上,本发明相应公开了一种提高热电制冷器,利用电致发光体降低半 导体热臂中声子的回流量。
附图说明
[0017]图1为本发明的热电制冷器线路结构示意图。
[0018]图2a、2b为本发明热电制冷器工作原理示意图。
具体实施方式
[0019]参考附图1,显示了本发明的热电制冷器的电路结构,包括半导体热臂1,半导体 热臂的两端分为吸热端和放热端;第二直流电源8提供驱动电流,通过放热端电极3连接、 半导体热臂1及吸热端电极2形成回路,吸热端电极2吸收热量成为吸热端,放热端电极3释 放热量形成放放热端;热沉5与放热端电极3连接将热量散发到外界空气中;为了实现良好 的电绝缘和热传导,在金属热沉和放热端电极之间设有绝缘陶瓷4进行隔离,放热端电极 与绝缘陶瓷通过散热性能良好的硅脂连接,绝缘陶瓷与金属热沉同样由散热性能良好的 娃脂连接。
[0020]在半导体热臂的外缘为电致发光体6,第一直流电源7电连接电致发光体和半导 体热臂,其工作电压为0.1〜3v;第二直流电源8连通半导体热臂的热端电极,其工作电压 为5〜10v〇
[0021]其中,直流电源连接所用的导线为铜质或铝质导线,以有效降低电力浪费。
[0022]本发明的热电制冷器,第一直流电源7为LED电致发光发生系统提供动力,产生一 个偏置电压,加速电子进入发光层与空穴进行复合,产生光子,带走热量,实现制冷;第二直 流电源8为整个系统提供能源,从而在电势差的作用下驱动电子定向运动。
[0023]其中,所用的半导体热臂采用热电材料制成, 常用的热电材料。为了进一步提高其效能,本发明的半导体热臂从上述半导体材料中选择 两种半导体材料复合而成,实现电子与空穴在发光层复合发光,吸收声子,减少回流量,提 高热电效率。
[0024]其中,该电致发光体为P-N型LED,在电作用下实现发光并吸收半导体热臂中的声 子,减少回流量,实现热电效率的提高。
[0025]如图2a、2b所示,显示了本发明装置的工作原理,图2a显示了半导体热臂的状态, 在其两端存在温度梯度,其核心层与外壳层由于连接了直流电源从而独立存在一定的电势 差,电子在电势差的驱动下与空穴在LED的发光层复合发光(即激子复合)释放高能光子, 再通过光导材料将热能以光子形式导出或转换为电能;参考图2b,显示了在半导体热臂的 热流从热端流向冷端的过程中,LED的发光层会产生吸热作用,降低热流从而减少声子回 流量,提高热电制冷器的整体制冷效率。

Claims (2)

1. 一种热电制冷器,其特征在于包括半导体热臂和其外缘连接的电致发光体,第一直 流电源联通半导体热臂和电致发光体,半导体热臂的吸热端连接吸热端电极,该吸热端电 极接触待制冷目标,半导体热臂的放热端连接第二直流电源的放热端电极,放热端电极通 过导热硅脂与导热绝缘陶瓷片连接,导热绝缘陶瓷片通过导热硅脂连接金属热沉,电致发 光体为P-N型LED,第一直流电源电压为0.1〜3V,第二直流电源电压为5V〜10V。
2. 根据权利要求1所述的一种热电制冷器,其特征是所述半导体热臂由热电材料制成 选用 PbTe、ZnSb、AgSbTe2、GeTe、CeS 中的一种。 ’
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