[发明专利]卧式多级热并联热电转换堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用热电半导体材料制冷或发电的装置，具体地说是一种卧式多级热并联热电转换堆。

背景技术

众所周知，由N型热电半导体材料和P型热电半导体材料组成的一对热电偶，当热电偶通入直流电后，因直流电通入的方向不同，将在电偶接触面上产生吸热或放热现象，这种现象称为珀尔帖(Peltier)效应。如果把N型热电半导体材料和P型热电半导体材料交替连接在一起，就会在一个电偶接触面上产生吸热即形成工作端(该工作端在利用珀尔帖效应制冷时被称为冷端)，在另一个相邻的电偶接触面上产生放热即形成散热端(该散热端在利用珀尔帖效应制冷时被称为热端)，上述工作端和散热端在电偶接触面上的分布由流过N型热电半导体材料和P型热电半导体材料的电流的方向决定；相反地，当一对温差热电偶的两个接头处于不同温度时，热电偶两端会产生一定电动势，这种利用半导体材料将热能(即内能)转化为电能的现象为塞贝克(Seebeck)效应，此时热电偶的两端为工作端(该工作端在利用塞贝克效应发电时被称为热端)和散热端。

目前，利用珀尔帖效应制造的半导体制冷器(TEC Thermoelectric Cooler)和利用塞贝克效应制造的温差电堆已得到广泛应用。

相比其它的制冷设备如压缩机制冷设备，半导体制冷器具有如下独特的优势：1)半导体制冷器不需要制冷剂，不会污染环境，环保；2)由于无机械传动部件，半导体制冷器的结构相对简单、并且无噪声、无磨损、可靠性高；3)半导体制冷器可通过改变工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度，控制灵活(制冷速率快和控制精度高)；4)半导体制冷器可以在各种极端条件下工作包括真空、失重和高加速度等。

对于上述提及的半导体制冷器，它的制冷能力和制冷效率主要受三个物理现象制约：1)由电流通入两种不同的热电半导体构成的回路引起的珀尔帖效应；2)由回路中的电阻引起的焦耳热生成；3)由冷热两端的温差引起的热量传导。根据上述三个制约因素，对于任何一种半导体制冷器都存在一个制冷电流的临界值。由于由珀尔帖效应产生的吸热或放热的量是与电流强度的一次方成正比，而由电流产生焦耳热是与电流强度的平方成正比，所以当电流强度大于1时，焦耳热的生成的速度要大于珀尔帖效应传递热量的速度。当几何尺寸和材料一定的情况下，制冷电流存在一个临界值。当制冷电流大于这个临界值时，从散热端回流的热量与生成的焦耳热之和大于珀尔帖效应传递热量，使得制冷器失去制冷作用。从而使得该制冷器存在着最大的制冷量或最大的制冷能流密度，限制了半导体制冷器在大制冷容量和高制冷热流密度方面的应用，这也是立式制冷堆的最主要的弱点。为了增加制冷器的制冷温差，常规的方法是采用多极制冷堆来实现。目前所有的多极制冷堆都是沿热传输的方向热串联或立式叠加(如图1所示)而成。从图1中可以看到，多极致冷片是由多个制冷堆叠加而成，上一级的散热端与下一级的工作端相接，最上层制冷堆的制冷量和制冷面积均最小，下面各层制冷堆的制冷量和制冷面积均依次增加。这样的结构带来的明显缺点，就是制冷效率较低，制冷量也很小。主要的原因是下一级制冷堆叠的除了要承接上一级制冷堆叠的制冷量，同时还要承接上一级自己发出的热量。这是立式制冷堆的第二个弱点。另外，这种多极致冷堆为了达到较好的制冷效果，均需要将N型热电半导体和P型热电半导体做成较粗的棒状结构，这种结构需要很多的半导体材料。

另外，利用塞贝克效应制造的传统的温差电堆，也是采用立式结构。当热源温度和环境温度一定时，从热源到环境的总温差就是一定的。根据赛贝克效应发电的量是与温差成正比。所以对于立式结构来说，由于多级立式结构是热串联的，当其它参数不变的情况下，一级与多级在发电量和效率来说是没有区别的。在发电应用中，立式结构还存在另一个缺陷。立式结构为了达到较好的温差发电的效果，也是需要将N型热电半导体和P型热电半导体做成较粗的棒状结构，这种结构也需要很多的半导体材料。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足提供一种卧式多级热并联热电转换堆，该热电转换堆在利用珀尔帖效应作为半导体制冷器使用时，能在保持制冷效率不变的情况下通过增加热电转换堆的级数达到加大制冷温差或加大制冷量；该热电转换堆在利用塞贝克效应作为温差电堆使用时，能通过增加热电转换堆的级数达到增加发电量从而提高热电效率。

本发明是这样实现的：包括多个由N型热电半导体、P型热电半导体及金属片组成的热电转换单元和位于相邻热电转换单元之间的导热电绝缘层，其特征在于：所述相邻两个热电转换单元的工作端通过导热电绝缘层相互叠层连接。

所说N型热电半导体和P型热电半导体均为片状结构。