CN1991277A - 高效低耗热电组件 - Google Patents

Abstract

一种高效低耗热电组件，其P型半导体热电元件、N型半导体热电元件为薄片型，断面积与厚度的比值大于3，上、下导流件为薄铜板、导流件面积为半导体热电元件断面积的4倍以上，绝电导热层采用绝电导热膜或绝电导热胶，取代传统技术陶瓷板。本发明半导体材料消耗大大减少，而热效率提高2倍以上，制造工艺对工件平整度的要求大大降低，芯片安装方便，装配工效提高100倍以上，而且绝电导热膜和导热胶导热效率高。上述技术特征使本发明的高效低耗热电组件成本大幅下降，仅为原有技术的20％，而技术性能极大提高。

Description

高效低耗热电组件

技术领域

本发明涉及制冷制热技术领域，具体涉及一种应用热电制冷原理的高效低耗热电组件。

背景技术

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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决原有半导体制冷芯片制冷制热效率低、成本高、生产制造工艺难度大、难以实际应用的问题，而提供一种降低原材料成本和生产制造成本、极大提高制冷制热效率和传导热效率、生产装备工艺简便、高效的高效低耗热电组件。

本发明采用的技术方案是：这种高效低耗热电组件由P型半导体热电元件、N型半导体热电元件、上导流件、下导流件、上绝电导热层、下绝电导热层和填充于上、下绝电导热层之间剩余空间的弹性绝电绝热材料组成，P、N型半导体热电元件的两端与导流件一面紧密接触、连接固定，而导流件另一面与绝电导热层紧密接触、连接固定，本发明的P型半导体热电元件、N型半导体热电元件为薄片型，断面积与厚度的比值大于3，上导流件、下导流件为薄铜板，导流件面积为半导体热电元件断面积的4倍以上，绝电导热层为绝电导热膜或绝电导热胶。

本发明在热电组件内将原有技术P、N型半导体热电元件的矩形改为薄片型，这种改变节约了P、N型半导体材料，降低了成本，更重要的是降低了内阻，加大了电流，提高了制冷或制热的效率，这种薄片型P、N型半导体热电元件的热效率是原有技术矩形P、N型半导体热电元件的两倍以上；与此同时，本发明的上、下导流件采用较大面积的普通铜板，彻底改变了原有技术导流件为槽钢型铜构件，本发明的薄铜片式导流件与半导体热电元件的接触面增大，传热面积和传热效率大大提高，原有技术导流件的槽钢型铜构件在安装制造工艺中与半导体热电元件难以对齐，安装工艺难度大，稍有偏差，大大影响与半导体热电元件的接触面积，降低传热效率，本发明的薄铜片式导流件由于其面积为半导体热电元件断面积的4倍以上，因而在装配过程中，即使有偏差，仍然能够保证与半导体热电元件断面的100％接触、传热导电，所以极大地降低了装配工艺难度，提高了生产效率。特别是本发明的绝电导热层采用绝电导热胶或绝电导热膜取代原有技术陶瓷板绝电导热层，保证了绝电导热层与导流件的任意良好接触，保证了良好的传热效果。而原有技术的陶瓷板作绝电导热板，即使陶瓷板与导流铜构件加工平整度再高，也难以全面的任意的精密接触，接触不良使传热效率低，热量损失大，影响整个芯片的效率和技术性能。因此，本发明的上述技术特征不是简单的尺寸形状变化和材料替换，而是这种改变具有意想不到的技术效果。因为半导体制冷技术多年以来难以进入人们的日常生活和生产，就是由于半导体制冷制热芯片组件效率低、成本高，因此任何微小的变化，只要能提高半导体制冷制热效率、降低成本，就是重大的发明和实质性进步。攻克了效率低、成本高这两点使半导体制冷制热技术多年来人们一直无法攻克的技术难关，所以，本发明的技术特征解决了多年来人们期望解决的问题，具有创造性。

原理分析：

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)，制冷量、消耗功率及制冷系数分别为：

Q＝αTcI-RI²-2K*ΔT

$Q=\mathrm{\αTcI}-\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\γ}}{I}^2-2\mathrm{\λ\γ}*\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

$N=\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\γ}}{I}^2+\mathrm{\αI}*\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{Q}{N}---\left(3\right)$

式中：Q——制冷量(mw)

      Tc——冷端温度(K)

      Th——热端温度(K)

      α——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)

      ΔT＝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

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。

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？其原因如下：

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。

从(1)、(2)、(3)式可得出，本发明的高效低耗热电组件制冷、制热系数为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{\mathrm{\α\γTcI}-\mathrm{\ρ}{I}^2-2\mathrm{\λ}{\mathrm{\γ}}^2*\mathrm{\ΔT}}{2\mathrm{\ρ}{I}^2+\mathrm{\α\λI}*\mathrm{\ΔT}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{\mathrm{\α\γThI}+\mathrm{\ρ}{I}^2-2\mathrm{\λ}{\mathrm{\γ}}^2*\mathrm{\ΔT}}{2\mathrm{\ρ}{I}^2+\mathrm{\α\γI}*\mathrm{\ΔT}}---\left(6\right)$

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ΔT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ΔT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0，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。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图；

图2为本发明平面示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2中A局部放大图。

具体实施方式

参见附图，本发明的高效低耗热电组件由P型半导体热电元件1、N型半导体热电元件2、上导流件3、下导流件4、上绝电导热层5、下绝电导热层6和填充于上、下绝电导热层之间剩余空间的弹性绝电绝热材料组成，P、N型半导体热电元件的两端与导流件一面紧密接触、连接固定，而导流件另一面与绝电导热层紧密接触、连接固定，本发明的P型半导体热电元件1、N型半导体热电元件2为薄片型，断面积与厚度的比值大于3，而传统的半导体热电元件其比值小于2，本发明的上、下导流件为普通薄铜板，不是传统导流件的槽钢型，本发明的导流件传热面积大，为半导体热电元件断面积的4倍以上，传统技术多为2倍以下，本发明的上、下绝电导热层5、6为绝电导热膜或绝电导热胶，取代传统技术的陶瓷板。这种绝电导热膜和绝电导热胶可采用郴州海川电器产品有限公司生产的DRJ系列导热胶和DRJ系列导热膜；上述填充于上、下绝电导热层之间剩余空间的弹性绝电绝热材料可采用发泡剂保温材料。

本发明的半导体热电元件由原来1.4×1.4×1.4mm或2×2×2mm的立方体改为现在2×2×0.6mm薄片，热效率是原来的两倍以上，节约了半导体材料，导流件铜片加宽，装配工效提高100倍以上，特别是采用绝电导热膜或绝电导热胶，对工件的平整度要求大大降低，芯片安装方便容易，而结合面配合更好，导热效率极大提高，本发明使整个热电组件的成本大幅度下降，其成本仅为原来的20％。

Claims (1)

1、一种高效低耗热电组件，由P型半导体热电元件、N型半导体热电元件、上导流件、下导流件、上绝电导热层、下绝电导热层和填充于上、下绝电导热层之间剩余空间的弹性绝电绝热材料组成，P、N型半导体热电元件的两端与导流件一面紧密接触、连接固定，而导流件另一面与绝电导热层紧密接触、连接固定，其特征在于：P型半导体热电元件、N型半导体热电元件为薄片型，断面积与厚度的比值大于3，上导流件、下导流件为薄铜板，导流件面积为半导体热电元件断面积的4倍以上，绝电导热层为绝电导热膜或绝电导热胶。

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