CN105444461A - 一种热电制冷器以及提高热电制冷器制冷效率的方法 - 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

一种热电制冷器以及提高热电制冷器制冷效率的方法
技术领域
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
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。
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
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以及提高热电制冷器制冷效率的方法，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。
具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：
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。
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***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。
其中，所用的电致发光体为P-N型LED。
其中，半导体热臂由常用热电材料制成，PbTe、ZnSb、AgSbTe2、GeTe、CeS属于常用的热电材料。
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。
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0.1～3V，第二直流电源电压为5V～10V。
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。
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热能力(普通导热绝缘陶瓷片的热导率为30～200W/(m.K))。
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。
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。
在上述基础上，本发明相应公开了一种提高热电制冷器制冷效率的方法，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
图1为本发明的热电制冷器线路结构示意图。
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
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硅脂连接。
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。
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。
本发明的热电制冷器，第一直流电源7为LED电致发光发生***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***提供能源，从而在电势差的作用下驱动电子定向运动。
其中，所用的半导体热臂采用热电材料制成，PbTe、ZnSb、AgSbTe2、GeTe、CeS属于常用的热电材料。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。
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。
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 (6)

1.一种热电制冷器，其特征在于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，该放热端电极通过导热硅脂连接向外散热的金属热沉。
2.根据权利要求1的热电制冷器，其特征在于所述电致发光体为P-N型LED。
3.根据权利要求1的热电制冷器，其特征在于所述半导体热臂由热电材料制成，可选用PbTe、ZnSb、AgSbTe2、GeTe、CeS中的一种。
4.根据权利要求1的热电制冷器，其特征在于第一直流电源电压为0.1～3V，第二直流电源电压为5V～10V。
5.根据权利要求1的热电制冷器，其特征在于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。
6.一种提高热电制冷器制冷效率的方法，其特征在于利用电致发光体降低半导体热臂中声子的回流量。
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