CN1293458A - 高效电子制冷芯片 - Google Patents

Abstract

一种高效电子制冷芯片,参见附图,由P型半导体元件2,N型半导体元件3,上、下传热导电槽钢型铜块4、5,上、下绝电导热板1、6和充填满于上、下绝电导热板之间除铜块和P、N半导体元件所占空间之外的所有剩余空间当中的有满弹性的绝热绝电材料7等组成。具有;制冷迅速,体积小,安装、使用方便;制冷制热控制方便;制冷效率高、制冷量大;生产成本低等优点。可广泛用于民用的空调、冰箱、热水器等产品中。

Description

高效电子制冷芯片

本发明涉及一种高效电子制冷芯片，特别是涉及一种应用热电制冷原理所构成的高效电子制冷芯片。

现有的半导体制冷芯片原理来源热电制冷原理，热电制冷又称温差电制冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有制冷功能，故称热电制冷。由于以Bi、Te等为代表的半导体材料有较强的热电能量转换特性，它的应用才真正使热电制冷实用化，为此又称半导体制冷。温差电制冷名称的由来，是由于人们在发现了材料的温差电动势之后再发现其反效应，即具有制冷功能的珀尔贴效应，与温差发电比对应，把后者称为温差电制冷。

珀尔贴效应：当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象，这是法国人珀尔帖最早发现的，1834年首次发表于法国《物理和化学年鉴》上，因此这个现象称为珀尔帖效应。

本世纪50～60年代以后，半导体材料在各个技术领域得到了广泛应用，热电效应的效率得到了提高，从而使热电制冷、制热逐步进入工程领域。但是，由于耗电量高、制冷量小和效率仍低的因素影响，半导体制冷仅用于宇宙航行器、核潜艇等特殊行业。因此，制冷专家们普遍认为，半导体材料特性上不突破，效率不提高，则无法推广应用于商业、民用及日常生活。我国的半导体制冷技术水平已达到世界先进水平。

半导体制冷芯片具有四大优点：一是无机械转动，制冷迅速；二是体积小，制冷量可从几毫瓦级到几千瓦级变化，安装、使用方便；三是制冷制热方向、制冷制热量、温度等控制方便；四是是无任何环境污染的纯绿色产品。但是，它还存在着致命的缺点，一是制冷效率低，二是生产成本较高。

本发明的目的旨在提供一种技术先进、结构简单、具有半导体制冷芯片具有的一切优点，同时克服半导体制冷芯片具有的制冷效率低、生产成本较高的缺点的高效电子制冷芯片，以实现全面推广应用于商业、民用及日常生活。

本发明的技术解决方案是：这种高效电子制冷芯片由P型半导体元件，N型半导体元件，上、下传热导电铜块，上、下绝电导热板和充填满于上、下绝电导热板之间除铜块和P、N半导体元件所占空间之外的所有剩余空间当中的有满弹性的绝热绝电材料等组成。P、N半导体元件与上、下传热导电铜块相互连接并固定在上、下绝电导热板上。这样由数对P、N半导体热电偶在传热方面并联，而在导电方面串联就构成了高效制冷芯片。

以下结合附图详细说明其工作原理

图1为高效电子制冷芯片结构图

图2为热电制冷原理图

图3为传统温关电动势测量装置图

图4为半导体制冷芯片结构图

图5为数控供电图

图中：

1-下端绝电导热板        2-P型半导体元件

3-N型半导体元件         4-上槽钢型铜块

5-下槽钢型铜块          6-上端绝电导热板

7-弹性绝热绝电材料      8-上电级

9-电热丝                10-铜康铜热电偶

11-被测元件             12-下电偶

13-下端绝电导热板       14-P型半导体元件

15-N型半导体元件        16-上平板型铜块

17-下平板型铜块         18-上端绝电导热板

19-参数设置器           20-冷端温度传感器

21-热端温度传感器       22-比较计算器

23-储存器               24-数模转换器

25-调压电源

参见图1、图2，高效电子制冷芯片由P型半导体元件2，N型半导体元件3，上、下传热导电槽钢型铜块4、5，上、下绝电导热板1、6和充填满于上、下绝电导热板之间除铜块和P、N半导体元件所占空间之外的所有剩余空间当中的有满弹性的绝热绝电材料7(图2中画出)等组成。P、N半导体元件2、3与上、下传热导电铜块4、5相互连接并固定在上、下绝电导热板6、1上。由图1可见，由数对P、N半导体热电偶在传热方面并联，而在导电方面串联就构成了高效电子制冷芯片。

图2为图1中的一对热电偶的剖面图，以下以此图分析制冷原理及工况。

根据珀尔贴效应、塞贝克效应、焦尔效应、富里叶效应和汤姆逊(开耳芬爵士)的温差电路热力学分析，在不考虑P、N半导体元件与周围环境进行能量转换的前提下(因P、N元件周围有绝热材料，可不考虑P、N半导体元件与周围环境进行能量转换)，得图2中制冷量、消耗功率及制冷系数分别为： $N=\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\γ}}{I}^2+\mathrm{\αI}*\mathrm{\ΔT}----------------\left(2\right)$ ${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{Q}{N}--------------------\left(3\right)$ 式中：Q-制冷量(mw)Tc-冷端温度(K)Th-热端温度(K)a-P、N半导体材料的温差电动势(mv／K)I-流过P、N半导体元件的电流(A)R-P、N半导体元件之平均电阻值(mΩ)K-P、N半导体元件之平均总导热(mw／K)△T=Th-Tc-热冷端温差(K)ρ-为P、N半导体材料的平均电阻率(mΩ．mm)γ-面积高度比(mm)， $\mathrm{\γ}=\frac{S}{h}$ S-为P、N半导体元件的截面积(mm²)h-为P、N半导体元件的高度(mm)λ-为P、N半导体材料平均导热系数(mw／mm．K)N-消耗功率(mw)ε₁-制冷系数

α、ρ、λ三个系数均与环境温度、材料性能有关，在常温下，常用的P、N半导体材料按传统测试方法测得：α=0．38～0．45(mv／K)，ρ=9～12(mΩ，mm)，λ=1．5～1．7(mw／mm．K)。

多年来实验得出，P、N半导体材料在常温下按传统的测量方法测量出的λ参数值较为精确，而α、ρ值是不精确的。经分析得出其原因是传统的测量方法存在着问题。

首先讨论α值，根据α的定义，即为塞贝克电动势，也称温差电动势，它由体积电动势和接触电动势两部分组成。体积电动势也称汤姆逊电动势，即当导体两端形成温差时，导体的导电机构价电子从高温端向低温端迁移而形成静电场，即形成体积电动势。接触电动势又称珀尔帖电动势，它由接触面两边的导体价电子密度不同和电子逸出电位不同而引起的，因此，电子从一种导体向另一种导体迁移，在接触面形成正负电荷的积累并建立起静电场，从而形成一定电位差，接触电动势与此电位差数值相同，方向相反，其大小与接触材料、温度有关，接触电动势在没电流流过时是无法测量的。事实上，许多的科学实验证明接触电动势还与通过接触处的电流大小、电流密度有关，与接触面的面积、周长等有关。可传统的测量方法是无法测量出此变化值的，故所测的温差电动势值是不真实的。传统的测量方法如图3所示。

参见图3，该测量装置由电热丝9、上电极8、被测元件11、下电极12、铜-康铜热电偶10等组成。测量方法：当上电极加热后，用毫伏表测量出元件上、下端之电位差V，再用热电元件测量出元件上、下端温差△T，即可得出值α，α=V／T。很显然，因元件中无电流通过只能测到体积电动势，没测出接触电动势，故测出的数值不是真正的α值。

为测量出准确的α值，我们利用高效电子制冷芯片的装置进行量。先测量出制冷芯片的总电阻R，尔后给制冷芯片加电制冷，形成一定温差，待稳定后同时测出电流I，电压V，冷、热两端温度Tc、Th，再用下式计算出α值：

式中：n-P、N半导体元件对数

在常温下，经多次用此测量方法对比测量得出，当P、N半导体元件断面为正方形，电流密度合适时，α值最大，一般在600～700uv／K，高出传统方法测量的60％以上。

然后讨论ρ值，传统ρ值的测量方法是给半导体元件送电流(一般为400mA左右)，再由产生的压降值通过欧姆定律算出电阻值，最后计算出电阻率ρ值。显然，这用于测一般材料电阻率的方法来测量半导体热电偶材料的电阻率是不科学的。当有电流通过时，即使没有温差，但半导体热电偶中的接触电动势将产生效应，阻止电流流动，使测量数值大于实际值，影响测量精度。经实验，用制冷片工作，测量出不同温差和电流、电压值，通过(3)式解方程式得出P、N半导体材料的电阻率比传统测量方法所测结果低10～15％。

综合以上分析得出，P、N半导体热电材料的实际温差电动势大于传统测量方法所测的数值，当根据半导体热电元件不同的型状、断面、环境温度给定合理的电流密度，可得到很高的温差电动势值；P、N半导体热电材料的实际电阻率低于传统测量方法所测的数值。这些可很大程度地提高制冷能力和制冷效率。

为何原来的半导体制冷芯片存在制冷效率低，生产成本较高这些致命的缺点呢?以下结合图4分析其原因。

参见图4，半导体制冷芯片由型P半导体元件14，N型半导体元件15，上、下传热导电平板钢型铜块16、17，和上、下绝电导热板18、13等组成。P、N半导体元件14、15与上、下传热导电铜块16、17相互连接并固定在上、下绝电导热板18、13上。同样是由数对P、N半导体热电偶在传热方面并联，而在导电方面串联就构成了半导体制冷芯片。

参见图1、图4，半导体制冷芯片与高效电子制冷芯片在结构上的区别如下：一是半导体制冷芯片的半导体元件高度较高，消耗半导体原材料多；而高效电子制冷芯片半导体元件高度较小，消耗半导体原材料少。二是半导体制冷芯片的冷热端间距较小(一般为2mm以内)，而高效电子制冷芯片冷热端间距较大(一般为6mm以上)。三是半导体制冷芯片的上、下绝电导热板之间除铜块和P、N半导体元件所占空间之外的所有剩余空间中只有空气，而高效电子制冷芯片的上、下绝电导热板之间除铜块和P、N半导体元件所占空间之外的所有剩余空间当中充填满了有满弹性的绝热绝电材料。

由于以上区别，半导体制冷芯片存在了存在制冷效率低，生产成本较高这些致命的缺点，理由如下：

1、半导体制冷芯片消耗半导体原材料多，生产成本高，而高效电子制冷芯片在产生同等制冷量的条件下，半导体原材料的消耗量仅为半导体制冷芯片消耗量的四分之一以下；

2、半导体制冷芯片的结构所致，存在着三种不利效应，使其制冷量及制冷效率大大降低。三种不利效应为：

1)空气分子布朗运动(热运动)的影响，因冷、热两端之间距一般在2mm以内，在这段短的距离中，空气分子的热运动事实上是接近在冷、热两端之间作振荡运动，在其运动中将热端热能带至冷端形成热能短路严重。

2)一般场合被视为二级效应的汤姆逊效应，在此表现明显，因冷、热两端间距小，温差梯度极大，使此效应影响加剧。

3)因温差梯度极大，幅射能的表现也加剧了。

以下分析高效电子制冷芯片的工况确定。

从(1)、(2)、(3)式可得出，高效电子制冷芯片的制冷、制热系数为：

式中ε₁、ε₂分别为制冷、制热系数。高效电子制冷芯片的γ是一定的，当确定了工况时，使用参数Tc(制冷时)、Th(制热时)也是一定的，现将式中的α、ρ、λ视为常数，则只有I各△T为变量了，即制冷、制热系数是随电流、温差的变化而变化的。变量△T的变化由环境决定，不能人为控制，可变量I是可人为控制的。换言之，可通过调节电流使制冷、制热系数处于最大值。由ε₁、ε₂分别对电流I求导并令其为O，可得最佳电流值为： $I_{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}=\frac{4\mathrm{\ρ\λ}+\sqrt{16{\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{\λ}}^2+2{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\ρ\λ}(\mathrm{Th}+\mathrm{Tc})}}{\mathrm{\α\ρ}(\mathrm{Th}+\mathrm{Tc})}\mathrm{\γ}*\mathrm{\ΔT}---\left(7\right)$

换言之，应根据使用情况，确定温差、电流范围，尔后以取得最大包含体积电动势、接触电动势在内的温差电动势为原则确定半导体热电元件断面和γ值，最后按(7)式计算设计动态电流供电，以确保最高效率工况。

以上工况参数的计算，是设定P、N半导体材料的α、ρ、λ三参数不变的情况下得出的，实际上α、ρ、λ均随温度、电流等参数变化而变化的。所以其计算只能作为产品设计中基本参数确定的参考取据，如确定γ、制冷量等。实际最高效率工况最好通过实测，测出不同温差和环境温度下的最佳电流电压值，并储存于储存器中，再利用计算机数控电路控制对电子制冷芯片的供电，这样方可真正确保最高效率工况。

图7给出了高效电子制冷芯片数控供电的框图。如图7所示，数控供电电路由参数设置器19，冷、热端温度传咸器20、21，比较计算器22，储存器23，数模转换器24和调压电源25等组成。调压电源功能是将市电AC变为所需的直流电以向电子制冷芯片供电，其要求是：转换效率高，电压平稳(因电子制冷芯片的制冷系数与电流电压关系极大)，电压波纹系数小于1％，改变G点的电位可改变输出的直流电压。整个电路工作原理如下：由冷、热端温度传咸器20、21采取温度数据与参数设置器19人为设置的数据一并送入比较计算器22，经比较计算后所得出温度Tc和温差△T两个数据再送入储存器23的地址线，此时，储存器将根据地址数据取出原已存好的与地址所对应的数据送至数模转换器，数模转换器将数据转化成对应的电压值供给调压电源的G点，使调压电源输出相对应的电压值供给电子制冷芯片使其工作于最高效率工况点。

Claims (4)

1、一种高效电子制冷芯片，由P型半导体元件，N型半导体元件，上、下传热导电槽钢型铜块，上、下绝电导热板和充填满于上、下绝电导热板之间除铜块和P、N半导体元件所占空间之外的所有剩余空间当中的有满弹性的绝热绝电材料等组成。P、N半导体元件与上、下传热导电铜块相互连接并固定在上、下绝电导热板。由数对P、N半导体热电偶在传热方面并联，而在导电方面串联就构成了高效电子制冷芯片。

2、根据权利要求1，其特征在于高效电子制冷芯片是由数对P、N半导体热电元件在传热方面并联，在导电方面串联，再安装上、下两块导热绝电板所构成，特别需指出的是，连接P、N半导体元件中使用的铜块是槽钢型，在电子制冷芯片内部的上、下导热绝电板之间，除被槽钢型铜块和P、N半导体元件所占有空间外的全部剩余空间内充满有弹性的绝热绝电材料。

3、根据权利要求2，其特征在于高效电子制冷芯片当中的P、N半导体元件，其断面和断面高度比是随使用情况而确定的，以取得最大温差电动势和降低元件高度为原则，以便提高制冷量和节约半导体材料，降低生产成本。

4、根据权利要求1，其特征在于高效电子制冷芯片须通过实测并储存在不同环境温度和温差下的最高制冷制热系数时的最佳电流电压值，并通过计算机数控技术给电子热泵控制供电，使其工作于最高效率工况。

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