專利名稱：臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用熱電半導(dǎo)體材料制冷或發(fā)電的裝置，具體地說(shuō)是一種臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆。
背景技術(shù)：
眾所周知，由N型熱電半導(dǎo)體材料和P型熱電半導(dǎo)體材料組成的一對(duì)熱電偶，當(dāng)熱電偶通入直流電后，因直流電通入的方向不同，將在電偶接觸面上產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?Peltier)效應(yīng)。如果把N型熱電半導(dǎo)體材料和P型熱電半導(dǎo)體材料交替連接在一起，就會(huì)在一個(gè)電偶接觸面上產(chǎn)生吸熱即形成工作端(該工作端在利用珀?duì)柼?yīng)制冷時(shí)被稱為冷端)，在另一個(gè)相鄰的電偶接觸面上產(chǎn)生放熱即形成散熱端(該散熱端在利用珀?duì)柼?yīng)制冷時(shí)被稱為熱端)，上述工作端和散熱端在電偶接觸面上的分布由流過(guò)N型熱電半導(dǎo)體材料和P型熱電半導(dǎo)體材料的電流的方向決定；相反地，當(dāng)一對(duì)溫差熱電偶的兩個(gè)接頭處于不同溫度時(shí)，熱電偶兩端會(huì)產(chǎn)生一定電動(dòng)勢(shì)，這種利用半導(dǎo)體材料將熱能(即內(nèi)能)轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象為塞貝克Geebeck)效應(yīng)，此時(shí)熱電偶的兩端為工作端 (該工作端在利用塞貝克效應(yīng)發(fā)電時(shí)被稱為熱端)和散熱端。目前，利用珀?duì)柼?yīng)制造的半導(dǎo)體制冷器(TEC Thermoelectric Cooler)和利用塞貝克效應(yīng)制造的溫差電堆已得到廣泛應(yīng)用。相比其它的制冷設(shè)備如壓縮機(jī)制冷設(shè)備，半導(dǎo)體制冷器具有如下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)1) 半導(dǎo)體制冷器不需要制冷劑，不會(huì)污染環(huán)境，環(huán)保；2)由于無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件，半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、并且無(wú)噪聲、無(wú)磨損、可靠性高；3)半導(dǎo)體制冷器可通過(guò)改變工作電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)制冷速度和制冷溫度，控制靈活(制冷速率快和控制精度高)；4)半導(dǎo)體制冷器可以在各種極端條件下工作包括真空、失重和高加速度等。對(duì)于上述提及的半導(dǎo)體制冷器，它的制冷能力和制冷效率主要受三個(gè)物理現(xiàn)象制約1)由電流通入兩種不同的熱電半導(dǎo)體構(gòu)成的回路引起的珀?duì)柼?yīng)；2)由回路中的電阻引起的焦耳熱生成；3)由冷熱兩端的溫差引起的熱量傳導(dǎo)。根據(jù)上述三個(gè)制約因素，對(duì)于任何一種半導(dǎo)體制冷器都存在一個(gè)制冷電流的臨界值。由于由珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生的吸熱或放熱的量是與電流強(qiáng)度的一次方成正比，而由電流產(chǎn)生焦耳熱是與電流強(qiáng)度的平方成正比，所以當(dāng)電流強(qiáng)度大于1時(shí)，焦耳熱的生成的速度要大于珀?duì)柼?yīng)傳遞熱量的速度。當(dāng)幾何尺寸和材料一定的情況下，制冷電流存在一個(gè)臨界值。當(dāng)制冷電流大于這個(gè)臨界值時(shí)， 從散熱端回流的熱量與生成的焦耳熱之和大于珀?duì)柼?yīng)傳遞熱量，使得制冷器失去制冷作用。從而使得該制冷器存在著最大的制冷量或最大的制冷能流密度，限制了半導(dǎo)體制冷器在大制冷容量和高制冷熱流密度方面的應(yīng)用，這也是立式制冷堆的最主要的弱點(diǎn)。為了增加制冷器的制冷溫差，常規(guī)的方法是采用多極制冷堆來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前所有的多極制冷堆都是沿?zé)醾鬏數(shù)姆较驘岽?lián)或立式疊加(如圖1所示)而成。從圖1中可以看到，多極致冷片是由多個(gè)制冷堆疊加而成，上一級(jí)的散熱端與下一級(jí)的工作端相接，最上層制冷堆的制冷量和制冷面積均最小，下面各層制冷堆的制冷量和制冷面積均依次增加。這樣的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的明顯缺點(diǎn)，就是制冷效率較低，制冷量也很小。主要的原因是下一級(jí)制冷堆疊的除了要承接上一級(jí)制冷堆疊的制冷量，同時(shí)還要承接上一級(jí)自己發(fā)出的熱量。這是立式制冷堆的第二個(gè)弱點(diǎn)。另外，這種多極致冷堆為了達(dá)到較好的制冷效果，均需要將N型熱電半導(dǎo)體和 P型熱電半導(dǎo)體做成較粗的棒狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)需要很多的半導(dǎo)體材料。另外，利用塞貝克效應(yīng)制造的傳統(tǒng)的溫差電堆，也是采用立式結(jié)構(gòu)。當(dāng)熱源溫度和環(huán)境溫度一定時(shí)，從熱源到環(huán)境的總溫差就是一定的。根據(jù)賽貝克效應(yīng)發(fā)電的量是與溫差成正比。所以對(duì)于立式結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于多級(jí)立式結(jié)構(gòu)是熱串聯(lián)的，當(dāng)其它參數(shù)不變的情況下，一級(jí)與多級(jí)在發(fā)電量和效率來(lái)說(shuō)是沒(méi)有區(qū)別的。在發(fā)電應(yīng)用中，立式結(jié)構(gòu)還存在另一個(gè)缺陷。立式結(jié)構(gòu)為了達(dá)到較好的溫差發(fā)電的效果，也是需要將N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體做成較粗的棒狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也需要很多的半導(dǎo)體材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述不足提供一種臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，該熱電轉(zhuǎn)換堆在利用珀?duì)柼?yīng)作為半導(dǎo)體制冷器使用時(shí)，能在保持制冷效率不變的情況下通過(guò)增加熱電轉(zhuǎn)換堆的級(jí)數(shù)達(dá)到加大制冷溫差或加大制冷量；該熱電轉(zhuǎn)換堆在利用塞貝克效應(yīng)作為溫差電堆使用時(shí)，能通過(guò)增加熱電轉(zhuǎn)換堆的級(jí)數(shù)達(dá)到增加發(fā)電量從而提高熱電效率。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的包括多個(gè)由N型熱電半導(dǎo)體、P型熱電半導(dǎo)體及金屬片組成的熱電轉(zhuǎn)換單元和位于相鄰熱電轉(zhuǎn)換單元之間的導(dǎo)熱電絕緣層，其特征在于所述相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層相互疊層連接。所說(shuō)N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體均為片狀結(jié)構(gòu)。所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體為水平布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端和散熱端位于同一水平面。所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體為傾斜布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端所在水平面低于散熱端所在水平面。所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體為傾斜布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端所在水平面高于散熱端所在水平面。所說(shuō)相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的散熱端之間通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層相互疊層連接。所說(shuō)相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端的垂直投影相互重合。所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體的厚度范圍為10埃 0. 2厘米。所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體的厚度范圍為10埃 0. 2厘米。所說(shuō)傾斜設(shè)置的N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體的傾斜夾角為0 70度。在本發(fā)明利用珀?duì)柼?yīng)進(jìn)行制冷工作時(shí)，所有熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端(即此時(shí)的冷端)相互疊加在一起，形成工作端共同制冷的熱電轉(zhuǎn)換堆。該熱電轉(zhuǎn)換堆可以不通過(guò)增加電流強(qiáng)度，而是僅通過(guò)增加疊加的熱電轉(zhuǎn)換單元的層數(shù)達(dá)到所需的高制冷量或較大的制冷溫差。這樣就使得上述熱電轉(zhuǎn)換堆可以在形成高制冷量或較大的制冷溫差時(shí)獲得較高的制冷效率，很好地克服現(xiàn)有技術(shù)(多級(jí)立式疊加)的致命缺陷，現(xiàn)有的(立式)多極制冷堆只能通過(guò)增加層數(shù)來(lái)增加制冷溫差，而不能增加制冷量。另外，本發(fā)明中片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體能減小熱回流，從而在同樣制冷功率的情況下減少能源的消耗，進(jìn)而提高效率。
4
在本發(fā)明利用塞貝克效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電工作時(shí)，上述同極相互堆積的溫差電堆，能在有限的換熱面(散熱面或發(fā)熱面)的情況下，最大限度的進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。同時(shí)，上述片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體的熱流出較小，在溫差相同的情況下相對(duì)傳統(tǒng)的溫差電堆能產(chǎn)生更多的電能。


圖1為現(xiàn)有(立式)多極制冷堆的結(jié)構(gòu)示意圖暨制冷原理圖。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元之間電并聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明中相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元之間電串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明中多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元之間串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明中熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端和散熱端位于同一水平面的示意圖。圖7為本發(fā)明中熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端所在水平面高于散熱端所在水平面的示意圖。圖8為本發(fā)明中熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端所在水平面低于散熱端所在水平面的示意圖。圖9為本發(fā)明的單層結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1——導(dǎo)熱電絕緣層、2——N型熱電半導(dǎo)體、3-P型熱電半導(dǎo)體、
4——熱電轉(zhuǎn)換單元、5——第一金屬片、6——第二金屬片、7——第三金屬片、8——工作端、9——散熱端。圖1中％表示從工作端凈帶走的熱量，Q1表示第一級(jí)(上級(jí))所產(chǎn)生的焦耳熱， Q2表示第二級(jí)(下級(jí))所產(chǎn)生的焦耳熱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例如圖2所示包括多個(gè)由N型熱電半導(dǎo)體2、P型熱電半導(dǎo)體3及金屬片組成的熱電轉(zhuǎn)換單元4和位于相鄰熱電轉(zhuǎn)換單元4之間的導(dǎo)熱電絕緣層1，相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的工作端8通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層1相互疊層連接。每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4中，P型熱電半導(dǎo)體3的一端連接第一金屬片5，P型熱電半導(dǎo)體3的另一端通過(guò)第二金屬片6連接N 型熱電半導(dǎo)體2的一端，N型熱電半導(dǎo)體2的另一端連接第三金屬片7。相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4之間的電連接根據(jù)具體需要可以為串聯(lián)連接或并聯(lián)連接(如圖3 5所示)。上述導(dǎo)熱電絕緣層1可以由陶瓷材料制成。上述技術(shù)方案中，為了得到最好的制冷效果，相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的散熱端9 之間通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層1相互疊層連接；相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元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型熱電半導(dǎo)體2和P型熱電半導(dǎo)體3均為片狀結(jié)構(gòu)，減小了焦耳熱的產(chǎn)生，從而減少了能源的消耗。該片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體2的厚度范圍為10埃 0. 2厘米。該片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體的厚度范圍為10埃 0. 2厘米。上述技術(shù)方案中，如圖6 8所示，為了配合熱電轉(zhuǎn)換堆在多種場(chǎng)合的應(yīng)用，上述片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體可以為水平布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的工作端8和散熱端9位于同一水平面。同時(shí)，上述片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體也可以為傾斜布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的工作端8所在水平面低于散熱端9所在水平面。也可以每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的工作端8所在水平面高于散熱端9所在水平面。當(dāng)N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體傾斜設(shè)置時(shí)，它們的傾斜夾角最好為0度 70度。上述技術(shù)方案中，根據(jù)珀?duì)柼?yīng)，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4中的工作端8(即此時(shí)的冷端)和散熱端(即此時(shí)的熱端)均由流過(guò)該熱電轉(zhuǎn)換單元4的電流的方向所決定。上述技術(shù)方案中，當(dāng)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換堆利用珀?duì)柼?yīng)制冷時(shí)，除了相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的工作端8 (即此時(shí)的冷端)通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層1相互疊層連接外其它的各個(gè)部分包括散熱端9(即此時(shí)的熱端)均不需要重合；當(dāng)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換堆利用塞貝克效應(yīng)發(fā)電時(shí)，相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的工作端8 (即此時(shí)的熱端)通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層1相互疊層連接，相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元4的散熱端9通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層1相互疊層連接，其它的各個(gè)部分均不需要重合，這樣能進(jìn)一步加大發(fā)電量。下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)所具有的有益效果本發(fā)明的臥式熱電轉(zhuǎn)換堆可以通過(guò)增加電流強(qiáng)度來(lái)提高制冷量或制冷溫差，也可以通過(guò)增加疊加的層數(shù)來(lái)提高制冷量或制冷溫差。正是由于在保持電流不變的情況下，這項(xiàng)發(fā)明可以通過(guò)增加層數(shù)來(lái)達(dá)到提高制冷量或制冷溫差的功能，從而使在本發(fā)明在加大溫差或加大制冷量時(shí)獲得保持制冷效率不變的效果，很好地克服現(xiàn)有技術(shù)(單級(jí)立式或多級(jí)立式疊加)的致命缺陷。本發(fā)明的臥式熱電轉(zhuǎn)換堆相較現(xiàn)有的立式熱電制冷堆，還具有另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是可以減少熱電材料的使用從而大大降低產(chǎn)品的成本。在熱電制冷堆中存在熱回流(高溫向低溫的熱傳導(dǎo))，立式結(jié)構(gòu)要求熱電材料有一定的高度，既不能太高(電阻會(huì)過(guò)大)也不能太低(熱回流過(guò)大)，通常為Imm至6mm之間。同理，立式結(jié)構(gòu)要求熱電材料有一定的橫截面積，通常為Imm2至25mm2之間。這使得熱電材料耗材較多。而本發(fā)明的臥式制冷堆技術(shù)可以制成厚度僅為10埃 0. 2厘米的薄膜而大大降低熱電材料的消耗，從而有效地降低產(chǎn)品的成本。在本發(fā)明的臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆利用塞貝克效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電工作時(shí)，由于本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換堆采用臥式結(jié)構(gòu)，它的多級(jí)結(jié)構(gòu)為熱并聯(lián)的，所有熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端 8(即此時(shí)的熱端)都與熱源相連，熱電轉(zhuǎn)換單元的散熱端9都與環(huán)境相接，所以每增加一級(jí)熱電轉(zhuǎn)換單元，它的發(fā)電量就增加一倍，從而提高了發(fā)電效率。
權(quán)利要求
1.一種臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，包括多個(gè)由N型熱電半導(dǎo)體、P型熱電半導(dǎo)體及金屬片組成的熱電轉(zhuǎn)換單元和位于相鄰熱電轉(zhuǎn)換單元之間的導(dǎo)熱電絕緣層，其特征在于所述相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層相互疊層連接。
2.按權(quán)利要求1所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體均為片狀結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求2所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體為水平布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端和散熱端位于同一水平面。
4.按權(quán)利要求2所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體為傾斜布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端所在水平面低于散熱端所在水平面。
5.按權(quán)利要求2所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體和片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體為傾斜布置，每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端所在水平面高于散熱端所在水平面。
6.按權(quán)利要求1或2所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的散熱端之間通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層相互疊層連接。
7.按權(quán)利要求1或2所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端的垂直投影相互重合。
8.按權(quán)利要求2-5任一項(xiàng)所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的N型熱電半導(dǎo)體的厚度范圍為10埃 0. 2厘米。
9.按權(quán)利要求2-5任一項(xiàng)所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)片狀結(jié)構(gòu)的P型熱電半導(dǎo)體的厚度范圍為10埃 0. 2厘米。
10.按權(quán)利要求4或5所述臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，其特征在于所說(shuō)傾斜設(shè)置的 N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體的傾斜夾角為0度 70度。
全文摘要
一種臥式多級(jí)熱并聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換堆，包括多個(gè)由N型熱電半導(dǎo)體、P型熱電半導(dǎo)體及金屬片組成的熱電轉(zhuǎn)換單元和位于相鄰熱電轉(zhuǎn)換單元之間的導(dǎo)熱電絕緣層，所述相鄰兩個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元的工作端通過(guò)導(dǎo)熱電絕緣層相互疊層連接。本發(fā)明進(jìn)行制冷工作時(shí)，熱電轉(zhuǎn)換堆可以在形成高制冷量時(shí)獲得較高的制冷效率，另外，本發(fā)明中片狀結(jié)構(gòu)的熱電半導(dǎo)體能減小熱回流。本發(fā)明進(jìn)行發(fā)電工作時(shí)，同極相互堆積的溫差電堆，能在有限的換熱面的情況下，最大限度的進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。同時(shí)，上述片狀結(jié)構(gòu)的熱電半導(dǎo)體的熱流出較小，在溫差相同的情況下相對(duì)傳統(tǒng)的溫差電堆能產(chǎn)生更多的電能。
文檔編號(hào)H01L35/32GK102214785SQ20111013990
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者李華強(qiáng) 申請(qǐng)人:武漢華利泰復(fù)合半導(dǎo)體技術(shù)有限公司