[发明专利]一种基于半导体晶片的传热装置及采用该装置的设备

说明书

本发明提供一种基于半导体晶片的传热装置及采用该装置的设备。该装置包括半导体晶片及两个导热板；导热板上均开设有流体通道；或者；还包括两个导流柱，导流柱设于导热板，各导流柱上均开设有所述流体通道；两个所述流体通道分别通过的存在温差且流动方向相逆的两股流体；其中，所述半导体晶片的第一端面与第二端面之间的能够实现热量传递；或者，半导体晶片的第一端与第二端之间的能够实现温差发电。本发明提供的传热装置能够高效率制冷和制热，还能够实现温差来发电，可以替代笨重的压缩机，实现具有较强经济性价值的半导体制冷制热空调，还有半导体冰箱及半导体冷库，半导体温差发电等，从而达到节能降成本目的。

技术领域

本发明涉及热电转换装置技术领域，尤其涉及一种基于半导体晶片的传热装置、采用该装置的设备。

背景技术

当前热电材料性能不理想是导致半导体温差发电效率低的主要原因之一而衡量热电材料的主要性能参数是热电材料的无量纲优值ZT：

式中的α为塞贝克系数；σ为导电率；λ为热导率；T为绝对温度。热电材料无量纲优值ZT越高，其热电性能就越好，热电转换效率也越高。通过上式我们知道塞贝克系数和电导率越高，热导率越低，材料的热电性能也就越好，而实际并非这样。导热和导电都是热电材料内部载流子运动的结果，导电率与导热率呈正相关关系。材料的这一性质决定了其高导电率与低热导率不可兼得，因此寻找优良热电材料非常困难。传统的热电材料ZT值仅1左右，如果将热电材料ZT值提高到3左右，温差发电效率将与传统发电方式相媲美了。

塞贝克效应效率：将此式进行简化，当η达到最大值时，只有输出电动势，而电流趋近为零。经化简可得：

式中：T＝0.5(T_H+T_c)为热电材料工作的平均温度。为热电材料品质系数(单位为1/K)，在式中出现Z与T的乘积，可见平均工作温度也很重要，人们常用ZT值来分析热电材料性能。从卡诺循环效率来看，它后面乘一个分式，这个分式被称为热电材料系数，其中分子分母都有分子减一个数，分母加一个数，总之得到的是小于1的系数，这说明在相同高低温热源温度下，塞贝克效应的热变功率转换的效率低于正向卡诺循环。研究发现，如果ZT增大，这个分式也趋向增大，塞贝克效应的效率也会增加。通常金属材料的ZT值都很小，过去研究得到的一些合金半导体的ZT值也最多达到1.2，热电效率都不高，只是卡诺循环的10％以下。人们正在采用纳米技术提高材料的Z值，当ZT值达到2～3时，其效率值在经济上是可以接受的，最新研究显示，有人能够制造出ZT值达到3.5的新型合金半导体材料。随着半导体性能系数进一步提高，开发系列的制冷制热器件及半导体温差发电会具有实际意义，关键是如何巧妙地把热量及冷量快速传递给半导体冷热侧以实现高效率的温差发电，或快速地把半导体热侧的热量及冷侧的冷量及时带走来提高半导体制冷效率，若对这一新材料成果进行其下游产品开发，并加以科学应用，那么人类势必会产生能源使用上的革命。

半导体制冷晶片是由多个电偶堆串联与并联所组成的，一对电偶消耗的电功率为：N0＝UI＝I²R+I(αP－αN)ΔT

一对电偶的制冷系数定义为：

为了产生大的制冷效应，温差电动势要相当高，它是所选电偶材料的函数，该电动势是随温度变化的塞贝克电压。电阻率要低，否则电阻产生的焦耳热可能会超过其制冷效应。要温差制冷节点之间有一个大的温差，导热系数要低，否则热会反馈到冷则，另外我们可以采取及时把冷量或者热量带走也将会提高制冷效率或制热效率。通常把这三点综合起来的因素就合成了优质系数Z值，这个值是衡量热电器件材料性能关键指标。