一种非常规热电单元制造技术

本发明专利技术提供了一种非常规热电单元，包括切割之后的P/N型热电臂，其特征在于，所述P/N型热电臂之间形成热电臂间距，热电臂上端为冷端，下端为热端；所述P/N型热电臂内部形成圆锥切割体，其底面在所述热端上，切割高度小于所述热电臂高度，所述切割体内填充金属材料。与常规热电单元相比，在采用相同质量与体积的热电材料的情况下，本发明专利技术所提出的非常规热电单元表现出更高的制冷量Qc，更低的功耗，更优的制冷系数，更宽的电流适用范围。

An unconventional thermoelectric unit

The invention provides an unconventional thermoelectric unit, including the P/N type thermoelectric arm after cutting, which is characterized by the formation of a thermoelectric arm between the P/N type thermoelectric arm, the upper end of the thermoelectric arm as the cold end and the lower end of the thermoelectric arm, and the internal formation of a conical cutting body inside the P/N type thermoelectric arm, whose bottom is on the hot end, and the cutting height is small. At the height of the thermoelectric arm, the cutting body is filled with metal material. Compared with the conventional thermoelectric unit, the unconventional thermoelectric unit presented by the present invention shows a higher cooling capacity of Qc, lower power consumption, better cooling coefficient, and wider current application in the case of the same mass and volume of thermoelectric materials.

【技术实现步骤摘要】
一种非常规热电单元
本专利技术涉及半导体制冷器结构领域，特别是涉及一种非常规热电单元。
技术介绍
由于能源与环境问题，近些年来各种可再生能源及新能源的研究成为热点，其中热电转换技术是通过半导体材料的热电效应实现热能与电能直接相互转换的技术，受到广泛关注。热电制冷器（TEC）由于其没有流体工质和压缩膨胀等运动部件，因而具有全固态、无震动、无噪声、可靠性高，对环境无污染的优点，在微电子领域、生物、航天航空探测、野外作业及制冷等领域具有广泛的应用前景。热电制冷器是由周期性重复的热电单元所组成。每个热电单元均包含一个N型半导体和一个P型半导体，由金属片连接。热电制冷器的制冷是基于帕尔贴效应来实现的。当热电单元通入电流后，电流由金属连接片先流入N型半导体，再经过P型半导体流出。当电流流经Ｎ型半导体时，Ｎ型半导体的载流子为电子，带负电荷，电子由上向下运动；当电流流经Ｐ型半导体时，Ｐ型半导体的载流子为空穴，带正电荷，载流子由上向下运动。因此，两种半导体内的载流子均为由上至下运动。在不同的材料中电荷载体处于不同的能级，在半导体上端，电子从Ｎ型半导体的低能级向Ｐ型半导体的高能级运动，从外界环境吸收热量，形成冷端；在半导体下端，电子从Ｐ型半导体的高能级向Ｎ型半导体的低能级运动，向外界释放热量，形成热端。虽然半导体制冷器有诸多优点，并得到的大量的应用，但其制冷效率低严重限制了它的发展，国内外先后通过发掘新型热电材料以及设计和优化新的TEC结构改善了半导体制冷器的制冷效率，本专利技术打破传统的热电臂设计理念，提出了一种新型非常规的热电臂形状，并将其应用到TEC热电单元中，通过与常规长方体状热电臂构成的热电单元进行对比，得到非常规热电单元相较于常规热电单元具有更高的制冷量、更高的制冷效率以及更宽的电流适用范围，显著的提高了TEC器件的制冷参量。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：一种非常规热电单元，包括切割之后的P/N型热电臂，其特征在于，所述P/N型热电臂之间形成热电臂间距，热电臂上端为冷端，下端为热端；所述P/N型热电臂内部形成圆锥切割体，其底面在所述热端上，切割高度小于所述热电臂高度，所述切割体内填充金属材料。优选地，所述冷端为整体结构，所述热端沿所述热电臂中间热点间距隔开；优选地，所述冷端和热端的厚度一直，并采用量相同材料；优选地，所述热端材料沿所述热电臂外侧向外延伸，延伸长度为所述热电臂间距的一半；优选地，所述金属填充材料为铜。区别于现有技术的情况，本专利技术的有益效果是：与常规热电单元相比，在采用相同质量与体积的热电材料的情况下，本专利技术所提出的非常规热电单元表现出更高的制冷量Qc，更低的功耗，更优的制冷系数，更宽的电流适用范围。在实际的运用中，更高的制冷量能够提高制冷器的制冷性能，而更高的制冷系数能搞提高半导体制冷器的制冷效率，更宽的工作电流范围提高了半导体制冷器承受能力，进而综合提高了半导体制冷器的应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例非常规热电单元的结构图。图2是本专利技术实施例常规热电单元和非常规热电单元制冷量随电流变化的曲线。图3是本专利技术实施例常规热电单元和非常规热电单元功耗随电流变化的曲线。图4是本专利技术实施例常规热电单元和非常规热电单元制冷系数（COP）随电流变化的曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示为本专利技术的非常规热电单元模型，所述P/N型热电臂1之间形成热电臂间距5，热电臂上端为冷端2，下端为热端3；所述P/N型热电臂内部形成圆锥切割体4，其底面在所述热端上，切割高度小于所述热电臂高度，所述切割体内填充金属材料，其中，L3为P、N型热电臂间距，L4为热电臂的正方形横截面边长，H3为连接金属片（铜）的厚度，H4为热电臂的高度，H5切除圆锥体的高度，D圆锥体底面的直径。电流从N型半导体流入，经过金属片，从P型半导体流出，这样在半导体的上端形成冷端进行吸热，在下端形成热端进行放热。而本专利技术所设计的非常规热电单元可选用任何热电材料，所述的热电臂结构是在常规长方体热电臂热端切除圆锥体后形成的非常规热电臂。在使用过程中，保证了两种热电臂所消耗热电材料量相同，从而消除材料因素的影响。被切除的部分通过金属铜片填充，由此增大了热电臂热端的散热面积，进而提高了整个热电臂的面长比，而热电臂面长比的提高将影响着热电单元内部的热传导效应以及焦耳热效应，进而影响整个热电单元的制冷参量，从而提高热电单元的制冷性能。以3组实验数据为例说明：图2是两种热电单元制冷量Qc随电流变化的曲线，从图中可以看出，在电流1A之前常规热电单元的制冷量略高于非常规热电单元，电流在1A之后，随着电流的增大，非常规热电单元的制冷量远大于常规热电单元，并且相较于常规热电单元，非常规热电单元有更大的电流适用范围。所以在整体上，非常规热电单元相较于常规热电单元有更高的制冷量，进而提高了制冷性能。图3是两种热电单元功耗随电流变化的曲线，可以看到在整个工作电流范围内，非常规热电单元的功耗要低于常规热电单元。图4是两种热电单元制冷系数COP随电流变化的曲线，从图中可以看出，在电流0.5A之前，常规热电单元的制冷系数略高于非常规热电单元，而电流大于0.5A之后，非常规热电单元相较于常规热电单元有了很大的提升，整体上，非常规热电单元的制冷系数要高于常规热电单元。从以上三图中可以分析得到，从整体上来看，相较于常规热电单元，非常规热电单元具有更大的制冷量、更低的功耗、更大的制冷系数以及更宽的工作电流。所以非常规热电单元具有更高的应用价值。以上所述仅为本专利技术的实施例，并非因此限制本专利技术的专利范围，凡是利用本专利技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
，均同理包括在本专利技术的专利保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非常规热电单元，包括切割之后的P/N型热电臂，其特征在于，所述P/N型热电臂之间形成热电臂间距，热电臂上端为冷端，下端为热端；所述P/N型热电臂内部形成圆锥切割体，其底面在所述热端上，切割高度小于所述热电臂高度，所述切割体内填充金属材料。

【技术特征摘要】
1.一种非常规热电单元，包括切割之后的P/N型热电臂，其特征在于，所述P/N型热电臂之间形成热电臂间距，热电臂上端为冷端，下端为热端；所述P/N型热电臂内部形成圆锥切割体，其底面在所述热端上，切割高度小于所述热电臂高度，所述切割体内填充金属材料。2.根据权利要求1所述的非常规热电单元，其特征在于：所述冷端为整体结构，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁乐，马素德，黄刚，冯云成，
申请(专利权)人：西华大学，四川智溢实业有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51