热电冷却设备和操作该设备的方法技术

结合脉冲电力和多个选择性启动的热开关、利用热电元件动力学而用于低温冷却的设备和方法。在一种形式中，利用电力脉冲使珀尔贴装置动态地启动，而在装置冷侧与热侧之间的热通路响应于珀尔贴装置内的温度动力学被选择性切换传导状态。通过脱开否则影响净热传导的焦尔发热和导热传递损失，与珀尔贴装置的电和热动力学相对同步地切换热连接的耦合，显著提高了效率。最佳实例利用ＭＥＭＳ完成选择性的切换，由此提高了低温冷却能力。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请与1997年12月10日提出申请的、且转让给本申请受让人的共同待决美国专利申请No.08/988,621有关。本专利技术一般涉及冷却系统。更具体地说，本专利技术旨在通过选择性切换的电力和选择性切换的热偶原理和配置的应用实现高相对效率的热电冷却的系统。低温冷却常规通过基于使用氟利昂类型致冷剂以实现热传递的致冷循环的气/液蒸汽压缩来完成。这样的致冷系统广泛用于冷却人类住宅、食物、和车辆。低温冷却还经常用于诸如主计算机之类的主要电子系统。尽管蒸汽压缩冷却可能非常有效，但它的确需要显著的运动硬件，至少包括一个压缩机、一个冷凝器、一个蒸发器、及有关的冷却剂传送管道。由于复杂性和有关的高成本，蒸汽压缩冷却没有找到小型冷却应用中接收的材料，例如个人计算机中。CMOS逻辑电路随温度降低运行能显著加快的事实已经众所周知至少几十年了。例如，如果CMOS装置在-50℃下运行，则相对于室温性能提高百分之50。在-196℃范围内的液氮运行温度已经显示出了百分之200的性能改进。对于集成电路线路显示出增加的类似益处，其中对于-50℃下运行的集成电路与室温运行相比，金属线路电阻降低2倍。这种改进比得上在集成电路中使用铜线路以减小互连电阻并由此有效增大可达到的运行频率的最近技术突破。因而，集成电路逻辑装置，如场效应晶体管、以及互连线路的低温运行，能显著提高集成电路性能，留下了在愈来愈小的尺寸和显著紧缩成本的环境的限制下，如何实现这种冷却。热电冷却是一种可采用的方法，已经发现一些用途，给出紧凑尺寸的普遍使用的珀尔贴装置。因为冷却完全是固态，所以珀尔贴装置热电冷却也非常可靠。热冷却的主要不利方面在于效率低，其中珀尔贴装置冷却系统效率对于冷穴与环境之间的相对名义温度下降，通常仅在百分之20的范围内。例如，为了在0℃的低温下以一瓦特的速率冷却，珀尔贴冷却系统必须以5瓦特供电。随着要传递热能的增大，耗散到环境中的总功率必然导致大的对流装置和高输出功率的供电电路。因此，不认为珀尔贴装置热电冷却是一种对于提高集成电路性能可广泛应用的技术。为了理解本专利技术如何提高热电冷却效率，必须理解珀尔贴装置热电冷却为什么效率低。珀尔贴装置由诸如碲化铋或碲化铅之类的半导体材料制造。尽管现在在各大学中正在估计新材料，但还没有获得成果。与既具有高导电性又具有高导热性的通常金属相比，普通使用的珀尔贴材料呈现出非常高的导电性和较低的导热性。在运行中，珀尔贴装置响应跨过珀尔贴装置形成的电场，把电子从温度T冷下的冷穴传送到温度T热下的热穴。然而，有其他的机理影响珀尔贴装置的效率，这些机理降低热能从冷穴到热穴的净传送。附图说明图1示意地描绘一种带有DC电源2的常规珀尔贴型热电元件(TE)1,DC电源2在负载电流3时产生跨过TE1的电场。希望的热传递是从温度T冷下的冷穴4到温度T热下的热穴6。如在图1的公式中所示，传送的净热能由三个部分组成，第一个表示珀尔贴效应(热电)的作用，第二个定义负的焦尔发热效应，及第三个定义负的导电效应。热电分量由Seebeck系数、运行温度(T冷)和施加的电流组成。焦尔发热分量反映，大约一半焦尔发热到冷穴，而其余的到热穴。最后，可归因于热传导的负分量代表经珀尔贴装置从热穴到冷穴的热流动，如由珀尔贴装置的导热性所定义的那样。见公式(1)。(1)q=αT冷I-1/2I2R-KΔT由于热传递的热电分量与电流成正比的增大，而焦尔发热与电流平方成比例地增大，并且热传导与热穴到冷穴的温度差成正比，所以公式清楚地反映了珀尔贴装置如何迅速变成低效率的。公式(2)定义了对于珀尔贴装置的性能系数。该系数是在低温下传递的净热能与珀尔贴装置中消耗的功率的比值。对于典型的碲化铋材料的珀尔贴装置，性能系数小于0.3。 注意公式(2)的分子表示珀尔贴装置的净冷却能力。公式(2)的分母表示由外部电源2提供的总能量。以前描述了分子的各部分。分母中的第一项是总焦尔发热，而第二项是在把能量从T冷穴运动到T热穴时由珀尔贴装置所作的热能传递功。根据这种关系，图1结构中可能的最大性能系数由公式(3)给出。 参数γ能用塞贝克系数α、导电率σ和导热率λ的项表示，如公式中所描述的那样。注意在公式(3)中的第一个因子是卡诺效率，这对于在两个温度穴T冷与T热之间运行的任何热泵来说是可能的最大效率。第二个因子表示非理想热电冷却，还能由一个指标值ZT特征化。注意当γ→∞时，ηmax→(T冷/ΔT)。至今，开发一种产生大ZT值的热电材料仍是非常困难的。用于热电冷却器的普遍材料还是碲化铋(Bi2Te3)和碲化铅(PbTe)。这些材料在室温下具有约0.3的ZT值。在大学的最近工作已经表明，在碲化铅量子井和多晶格中ZT值接近1可能是可能的。然而，即使用这些材料，热电冷却与机械蒸汽压缩冷却系统也无法相比。珀尔贴装置冷却的另一种限制是可达到的低于室温的有限温度偏差。这种限制产生于温度跨度受效率限制的事实，当温差增大时效率参数迅速降低。可能的最大温度差ΔTmax由公式(5)给出。(5) ΔTmax=1/2ZT2冷对于具有约0.3的ZT的碲化铋，在300°K下ΔTmax是45°K。因而，有多个对效率和温差的最基本限制，限制常规热电冷却元件用于低温冷却用途。本专利技术通过对把热电元件连接到电源和冷穴上的电力和导热通路分别使用多路开关动态调制，克服了常规热电元件冷却的基本限制。在一种形式中，本专利技术涉及一种热电冷却设备，该设备包括一个第一名义温度的第一热穴；一个第二名义温度的第二热穴，第二温度与第一温度相比较大；一个热电元件，定位成耦合到第一和第二热穴上；第一装置，用来选择性地切换热电元件与第一热穴之间的热耦合；第二装置，用来选择性地切换热电元件与第二热穴之间的热耦合；及用来选择性地启动跨过热电元件的电压的装置。在另一种形式中，本专利技术涉及一种可在室温下运行的热电冷却设备，该设备包括一个第一热穴装置，用来在室温以上的温度下耗散热能；一个第二热穴装置，用来在室温以下的温度下吸收热能；一个热电元件，定位成耦合到第一热穴上和第二热穴上，以便在其之间传递热能；第一装置，用来选择性地切换耦合在热电元件与第一热穴之间的热传导；第二装置，用来选择性地切换耦合在热电元件与第二热穴之间的热传导；及用来与用来选择性切换的第二装置相对同步地选择性地启动热电元件的装置。在又一种形式中，本专利技术涉及一种操作一个热电冷却设备的方法，该设备带有一个第一热穴，可在第一名义温度下运行；一个第二热穴，可在第二名义温度下运行，第二名义温度与第一名义温度相比较大；和一个热电元件，定位成耦合到第一和第二热穴上；该方法包括步骤选择性地切换热电元件与第一热穴之间的热能传递；选择性地切换热电元件与第二热穴之间的热能传递；及选择性地启动跨过热电元件的电压。在又一种形式中，本专利技术涉及一种操作一个热电冷却设备的方法，该设备带有一个第一热穴，用来在室温以上的温度下耗散热能；一个第二热穴，用来在室温以下的温度下吸收热能；和一个热电元件，定位成耦合在第一与第二热穴之间，以便在其之间传递热能；该方法包括步骤选择性地切换耦合在热电元件与第一热穴之间的热传导；选择性地切换耦合在热电元件与第二热穴之间的热传导；及与选择性切换步骤相对功能同步地选择性地启动热电元件。在本专利技术的一种具体化形式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电冷却设备，包括： 一个第一名义温度的第一热穴； 一个第二名义温度的第二热穴，第二温度与第一温度相比较大； 一个热电元件，定位成耦合到第一和第二热穴上； 第一装置，用来选择性地切换热电元件与第一热穴之间的热耦合； 第二装置，用来选择性地切换热电元件与第二热穴之间的热耦合；及 用来选择性地启动跨过热电元件的电压的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：乌塔姆什亚马林杜高沙尔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]