CN110243104B - 一种分段式结构的半导体制冷片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体制冷技术领域，并具体公开了一种分段式结构的半导体制冷片，包括多个半导体制冷片单元，每个所述半导体制冷片单元均包括上下设置的冷端基板和热端基板，所述冷端基板的下表面设置有冷端导电铜，所述热端基板的上表面设置有两个热端导电铜片，所述冷端导电铜片与其中一个所述热端导电铜片之间设置有P型热电臂，所述冷端导电铜片与另一个所述热端导电铜片之间设置有N型热电臂。本发明将不同物料比的半导体热电材料组合成热电单元，使每个分段内的半导体热电材料的热电优值在沿热电臂长度方向上的不同温度区内，以实现不同性质的半导体材料分段都在最佳状态下工作，进而使得整个热电制冷单元的制冷性能得到提升，同时降低成本。

Description

一种分段式结构的半导体制冷片
技术领域
本发明涉及半导体制冷技术领域，更具体地，涉及一种分段式结构的半导体制冷片。
背景技术
社会生产力的高速发展伴随着不断增加的能源消耗量，不可再生能源的过度开采与消耗在造成能源短缺问题的同时也引发了一系列的环境问题，能源短缺的困境与生活环境的恶化使人们开始转变旧有的能源消费观念并加强环境保护意识。高效清洁、环境友好型的能源利用方式正在取代低效污染的能源耗费方式，逐渐成为新的发展趋势。由于传统压缩式制冷技术使用的含氟制冷剂会对臭氧层造成破坏性空洞，人们开始把目光投向节能环保的制冷技术。而半导体制冷技术是其中最环保、清洁无污染的制冷技术之一。
半导体制冷因其结构紧凑、易于集成、无任何机械运动部件、噪音低、无磨损、寿命长，具有高度的可靠性，控制精度高，制冷迅速等优点在电子器件冷却等方面有着不可代替的作用。然而，尽管半导体热电制冷技术有以上诸多优点，但是受半导体制冷器材料性能的局限，半导体制冷器不能产生足够大的制冷量，这成为了半导体制冷器进行大规模应用的主要阻碍，目前半导体制冷器只能应用在装置体积小，且对制冷量需求量较小的场合。制冷量不足仍是需要攻克的技术难题之一。
研究者发现经典的碲化铋半导体制冷器材料的物性参数具有温度相关性，因而由半导体制冷器材料物性参数决定的热电优值(ZT)也具有温度相关性。热电臂的热电优值因其组成材料的物性参数的单一性决定了最佳热电优值只存在于某个固定温度区间内。在此温度区间内，热电优值达到最大值，热电器件可以在最有效率的状态下工作。热电器件不论是热电制冷器还是热电发电器，在工作时都会在冷热两端维持稳定的温差，在沿热电臂方向上存在温度梯度。
有研究者针对此现象做了进一步研究，并提出将热电臂分段化，在各个不同温度区间的区域填充具有相应温度特性的热电材料组成分段式结构的热电器件，其目的是使每种热电材料都在对应的温度区间内工作，从而提高热电器件整体的效率。而现有技术中，主要关注其内部各分段的物性参数排布，或只研究了分段数目单一因素的影响，缺少对分段数目与其它外部因素交互影响的整体性研究。因此，本领域亟待提出热电臂分段化的半导体制冷片，以实现使用较少的高性能材料和较多低性能材料来提高半导体制冷片的性能，同时降低制造成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分段式结构的半导体制冷片，其将不同物料比的半导体热电材料组合成分段式结构的热电臂，使每个分段内的半导体热电材料的热电优值与该分段工作时的温度相匹配，以实现在各自对应的温度区间内，不同性质的半导体材料分段都在最佳状态下工作，以此方式使的整个热电制冷单元的制冷效率得到提升，同时降低成本。
为实现上述目的，本发明提出了一种分段式结构的半导体制冷片，包括多个半导体制冷片单元，每个所述半导体制冷片单元均包括：冷端基板、设于所述冷端基板下方的冷端导电铜片、热端基板、设于所述热端基板上的两个热端导电铜片、夹持在所述冷端导电铜片与其中一个所述热端导电铜片之间的P型热电臂以及夹持在所述冷端导电铜片与另一个所述热端导电铜片之间的N型热电臂，其中：
所述P型热电臂包括材料物性比不相同的P型冷端热电臂段和P型热端热电臂段，所述P型冷端热电臂段设置于靠近所述冷端导电铜片的一侧，所述P型热端热电臂段设置于靠近所述热端导电铜片的一侧，且所述P型冷端热电臂段和P型热端热电臂段的材料物性比不同；所述N型热电臂包括材料物性比不相同的N型冷端热电臂段和N型热端热电臂段，所述N型冷端热电臂段设置于靠近所述冷端导电铜片的一侧，所述N型热端热电臂段设置于靠近所述热端导电铜片的一侧，且所述P型冷端热电臂段、P型热端热电臂段、N型冷端热电臂段和N型热端热电臂段的材料热电优值在各自工作时的温度区间范围内。
进一步的，所述P型冷端热电臂段和P型热端热电臂段采用气相沉积的方法一体生成；所述N型冷端热电臂段和N型热端热电臂段采用气相沉积的方法一体生成。
进一步的，所述P型冷端热电臂段的长度大于所述P型热端热电臂段的长度；所述N型冷端热电臂段的长度大于所述N型热端热电臂段的长度。
进一步的，所述P型冷端热电臂段的长度与所述P型热端热电臂段的长度比为1:1～9:1，进一步的，所述P型冷端热电臂段的长度与所述P型热端热电臂段的长度比为7:3～9:1，优选的，所述P型冷端热电臂段的长度与所述P型热端热电臂段的长度比为4:1；
所述N型冷端热电臂段的长度与所述N型热端热电臂段的长度比为1:1～9:1；所述N型冷端热电臂段的长度与所述N型热端热电臂段的长度比为7:3～9:1，优选的，所述N型冷端热电臂段的长度与所述N型热端热电臂段的长度比为4:1。
进一步的，所述P型热端热电臂段的导热系数为所述P型冷端热电臂段的导热系数的5～8倍，所述N型热端热电臂段的导热系数为所述N型冷端热电臂段的导热系数的5～8倍。
进一步的，所述P型热端热电臂段的导热系数为所述P型冷端热电臂段的导热系数的6倍，所述N型热端热电臂段的导热系数为所述N型冷端热电臂段的导热系数的6倍。
进一步的，所述P型冷端热电臂段与所述P型热端热电臂段的塞贝克系数相同；所述N型冷端热电臂段与所述N型热端热电臂段的塞贝克系数相同。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将不同物料比的半导体热电材料组合成热电臂段，使每个分段内的半导体热电材料的热电优值与该分段工作时的温度范围相匹配，即P型冷端热电臂段、P型热端热电臂段、N型冷端热电臂段和N型热端热电臂段的热电优值都在各自工作时的温度区间范围内，以实现在各自对应的温度区间内，不同性质的半导体材料分段都在最佳状态下工作，进而使整个热电制冷单元的制冷效率得到提升，同时降低成本。
2.本发明半导体制冷片的结构均可在现阶段市面上成熟应用的半导体制冷片基础上实现，对热电臂材料无特殊要求，所述半导体制冷片包括多个半导体制冷片单元，每个所述半导体制冷片单元的热电臂采用分段结构，其中，电臂采用两段式的分段效果最佳，即P型半导体与N型半导体热电臂均分为两段，包括P型冷端热电臂段和P型热端热电臂段，N型冷端热电臂段和N型热端热电臂段。进一步的，所述P型冷端热电臂段的长度大于所述P型热端热电臂段的长度；所述N型冷端热电臂段的长度大于所述N型热端热电臂段的长度。
3.本发明所述P型冷端热电臂段和P型热端热电臂段采用气相沉积的方法一体生成；所述N型冷端热电臂段和N型热端热电臂段采用气相沉积的方法一体生成，使得分段形成一个整体。
4.本发明所述P型热端热电臂段的导热系数为所述P型冷端热电臂段的导热系数的5～8倍，所述N型热端热电臂段的导热系数为所述N型冷端热电臂段的导热系数的5～8倍，使得每个分段内的半导体热电材料的热电优值(ZT)工作在沿热电臂长度方向上的不同温度区内，整个热电制冷单元的制冷效率COP、最大制冷温差与制冷量得到提升。实施例中的方案，可使制冷量提升151.8％，制冷温差提升103.4％，和制冷系数提升71％。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一种分段式结构的半导体制冷片的结构示意图；
图2是本发明实施例1中，在总热电臂长度与整体热电优值(ZT)不变，冷、热端热电臂长度比为1的情况下，热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)对整体性能的影响；
图3是本发明实施例2中，在总热电臂长度与整体热电优值(ZT)不变，冷、热端热电臂长度比为1，热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)为1的情况下，热、冷端热电臂段电阻率比值(ρh/ρc)对整体性能的影响；
图4是本发明实施例2中，在总热电臂长度与整体热电优值(ZT)不变，冷、热端热电臂长度比为1，热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)为1的情况下，热、冷端热电臂段导热系数比值(λh/λc)对整体性能的影响；
图5是本发明实施例3中，在总热电臂长度不变，热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)为1，热、冷端热电臂段电阻率比值(ρh/ρc)和热、冷端热电臂段导热系数比值(λh/λc)为6的情况下，冷端热电臂长度对整体性能的影响。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-冷端基板；2-冷端导电铜片；3-热端基板；4-热端导电铜片；5-P型半导体热电臂；6-N型半导体热电臂；7-P型冷端热电臂段；8-P型热端热电臂段；9-N型冷端热电臂段；10-N型热端热电臂段。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种分段式结构的半导体制冷片，包括多个半导体制冷片单元，每个所述半导体制冷片单元均包括上下设置的冷端基板1和热端基板3，所述冷端基板1的下表面设置有冷端导电铜片2，所述热端基板3的上表面设置有两个热端导电铜片4，所述冷端导电铜片2与其中一个所述热端导电铜片4之间设置有P型热电臂，所述冷端导电铜片2与另一个所述热端导电铜片4之间设置有N型热电臂，其中：
所述P型热电臂包括P型冷端热电臂段7和P型热端热电臂段8，所述P型冷端热电臂段7设置于所述冷端导电铜片2的下表面，所述P型热端热电臂段8设置于所述热端导电铜片4的上表面，且所述P型冷端热电臂段7和P型热端热电臂段8的材料物性比不同；所述N型热电臂包括N型冷端热电臂段9和N型热端热电臂段10，所述N型冷端热电臂段9设置于所述冷端导电铜片2的下表面，所述N型热端热电臂段10设置于所述热端导电铜片4的上表面，且所述N型冷端热电臂段9和N型热端热电臂段10的材料物性比不同；且所述P型冷端热电臂段7、P型热端热电臂段8、N型冷端热电臂段9和N型热端热电臂段10的最佳热电优值在各自工作时的温度区间范围内。
作为本发明的优选方案，所述P型冷端热电臂段7和P型热端热电臂段8采用气相沉积的方法一体生成；所述N型冷端热电臂段9和N型热端热电臂段10采用气相沉积的方法一体生成。
作为本发明的优选方案，所述P型冷端热电臂段7的长度大于所述P型热端热电臂段8的长度；所述N型冷端热电臂段9的长度大于所述N型热端热电臂段10的长度。
作为本发明的优选方案，所述P型冷端热电臂段7的长度与所述P型热端热电臂段8的长度比为1:1～9:1，进一步的，所述P型冷端热电臂段7的长度与所述P型热端热电臂段8的长度比为7:3～9:1，进一步的，所述P型冷端热电臂段7的长度与所述P型热端热电臂段8的长度比为4:1；
所述N型冷端热电臂段9的长度与所述N型热端热电臂段10的长度比为1:1～9:1，进一步的，所述N型冷端热电臂段9的长度与所述N型热端热电臂段10的长度比为7:3～9:1，进一步的，所述N型冷端热电臂段9的长度与所述N型热端热电臂段10的长度比为4:1。
作为本发明的优选方案，所述P型冷端热电臂段7的导热系数为所述P型热端热电臂段8的导热系数的5～8倍，所述N型冷端热电臂段9的导热系数为所述N型热端热电臂段10的导热系数的5～8倍。
作为本发明的优选方案，所述P型冷端热电臂段7的导热系数为所述P型热端热电臂段8的导热系数的6倍，所述N型冷端热电臂段9的导热系数为所述N型热端热电臂段10的导热系数的6倍。
作为本发明的优选方案，所述P型冷端热电臂段7与所述P型热端热电臂段8的塞贝克系数相同；所述N型冷端热电臂段9与所述N型热端热电臂段10的塞贝克系数相同。其中，所述P型冷端热电臂段和P型热端热电臂段采用气相沉积的方法一体生成；所述N型冷端热电臂段和N型热端热电臂段采用气相沉积的方法一体生成。
具体而言，本发明P型半导体与N型半导体热电臂都分为两段，包括冷端热电臂段和热端热电臂段。且冷端热电臂段和热端热电臂段均采用常规的半导体材料制成，如碲化铋及其合金等。P型热电臂和N型热电臂在原有的基底材料中掺杂了不同的物质，如P型热电臂掺锑元素，N型热电臂掺xi5元素，使其具有不同的半导体性质。该结构不改变现有半导体制冷片热电臂总长度，两段采用非对称长度，冷端热电臂段长度占总热电臂长度的70％-90％，剩余长度为热端热电臂段，占总热电臂长度的10％-30％。虽然冷热端热电臂进行分段，但并不是分开制造，而是采用气相沉积等方法直接将不同物性的半导体制冷片材料制成一个整体。
进一步地，所述热端热电臂段导热系数为冷端热电臂段导热系数的5-8倍，热端热电臂段电阻率为冷端热电臂段电阻率的5-8倍。冷、热端热电臂段的塞贝克系数相同。
本发明基于热电转换效应，进行半导体制冷，与传统半导体制冷片相比，将半导体热电臂分为两段，通过分别控制两段长度和物性参数，极大的提高了半导体制冷片的制冷量、制冷系数(COP)和制冷温差。
实施例1
本实施例在半导体制冷片TEC12706的基础上，将制冷单元中的热电臂分为两段。其中P型冷端热电臂段7与P型热端热电臂段8的长度比为1:1，N型冷端热电臂段9与N型热端热电臂段10的长度比为1:1。即每段长度均为0.75mm，其半导体材料均为碲化铋及其合金。
如图2所示，在整体热电优值(ZT)值不变的情况下，热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)对整体性能的影响，实验证明，热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)为1的时候,可达最大制冷系数(COP)。
实施例2
本实施例在整体热电优值(ZT)值不变，热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)为1的基础上，两段的导热系数和电阻率对整体制冷性能的影响，如图3和图4所示。实验证明，在热、冷端热电臂段电阻率比值(ρh/ρc)和热、冷端热电臂段导热系数比值(λh/λc)为6以上时即可达到较高的制冷性能，同时所需要的物性差距较小。
实施例3
本实施例在总热电臂长度不变的情况下，探究了在热、冷端热电臂段赛贝克系数比值(Sh/Sc)为1、热、冷端热电臂段电阻率(ρh/ρc)和热、冷端热电臂段导热系数比值(λh/λc)为6时，最佳冷端热电臂长度占总长度的比值变化对制冷性能的影响，如图5所示。实验证明，在Lc/L为0.8时，即所述P型冷端热电臂段(7)的长度与所述P型热端热电臂段(8)的长度比为4:1，所述N型冷端热电臂段(9)的长度与所述N型热端热电臂段(10)的长度比为4:1，整体制冷性能最佳。可使制冷量提升151.8％，制冷温差提升103.4％，和制冷系数提升71％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分段式结构的半导体制冷片，其特征在于，包括多个半导体制冷片单元，每个所述半导体制冷片单元均包括上下设置的冷端基板(1)和热端基板(3)，所述冷端基板(1)的下表面设置有冷端导电铜片(2)，所述热端基板(3)的上表面设置有两个热端导电铜片(4)，所述冷端导电铜片(2)与其中一个所述热端导电铜片(4)之间设置有P型热电臂，所述冷端导电铜片(2)与另一个所述热端导电铜片(4)之间设置有N型热电臂，其中：
所述P型热电臂包括P型冷端热电臂段(7)和P型热端热电臂段(8)，所述P型冷端热电臂段(7)设置于所述冷端导电铜片(2)的下表面，所述P型热端热电臂段(8)设置于所述热端导电铜片(4)的上表面，且所述P型冷端热电臂段(7)和P型热端热电臂段(8)的材料物性比不同；所述N型热电臂包括N型冷端热电臂段(9)和N型热端热电臂段(10)，所述N型冷端热电臂段(9)设置于所述冷端导电铜片(2)的下表面，所述N型热端热电臂段(10)设置于所述热端导电铜片(4)的上表面，且所述N型冷端热电臂段(9)和N型热端热电臂段(10)的材料物性比不同；且所述P型冷端热电臂段(7)、P型热端热电臂段(8)、N型冷端热电臂段(9)和N型热端热电臂段(10)的热电优值在各自工作时的温度区间范围内；
所述P型冷端热电臂段(7)和P型热端热电臂段(8)采用气相沉积的方法一体生成；所述N型冷端热电臂段(9)和N型热端热电臂段(10)采用气相沉积的方法一体生成。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷片，其特征在于，所述P型冷端热电臂段(7)的长度大于所述P型热端热电臂段(8)的长度；所述N型冷端热电臂段(9)的长度大于所述N型热端热电臂段(10)的长度。
3.根据权利要求2所述的半导体制冷片，其特征在于，所述P型冷端热电臂段(7)的长度与所述P型热端热电臂段(8)的长度比为1:1～9:1；所述N型冷端热电臂段(9)的长度与所述N型热端热电臂段(10)的长度比为1:1～9:1。
4.根据权利要求3所述的半导体制冷片，其特征在于，所述P型冷端热电臂段(7)的长度与所述P型热端热电臂段(8)的长度比为7:3～9:1；所述N型冷端热电臂段(9)的长度与所述N型热端热电臂段(10)的长度比为7:3～9:1。
5.根据权利要求4所述的半导体制冷片，其特征在于，所述P型冷端热电臂段(7)的长度与所述P型热端热电臂段(8)的长度比为4:1；所述N型冷端热电臂段(9)的长度与所述N型热端热电臂段(10)的长度比为4:1。
6.根据权利要求3所述的半导体制冷片，其特征在于，所述P型热端热电臂段(8)的导热系数为所述P型冷端热电臂段(7)的导热系数的5～8倍，所述N型热端热电臂段(10)的导热系数为所述N型冷端热电臂段(9)的导热系数的5～8倍。
7.根据权利要求1所述的半导体制冷片，其特征在于，所述P型热端热电臂段(8)的电阻率为所述P型冷端热电臂段(7)的电阻率的6倍，所述N型热端热电臂段(10)的电阻率为所述N型冷端热电臂段(9)的电阻率的6倍。
8.根据权利要求1-7任一项所述的半导体制冷片，其特征在于，所述P型热端热电臂段(8)与所述P型冷端热电臂段(7)的塞贝克系数相同；所述N型热端热电臂段(10)与所述N型冷端热电臂段(9)的塞贝克系数相同。
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