具有隔离传热机理的动态开关的热电冷却设备制造技术

利用热电元件动力学，并结合脉冲电源和与冷穴的选择性启动的热耦合，进行低温冷却的设备和方法。一种形式下，在对珀尔帖器件温度的动力特性敏感的传导状态之间相对同步地选择性接通或关断珀尔帧器件（１）的冷端和冷穴（４）之间的热通路的同时，利用电源的脉冲动态地启动珀尔帖器件（１）。通过隔离焦耳加热和传输自珀尔帖器件的传导热传递损耗，冷穴（４）和珀尔帖器件之间的热连接的转换耦合显著地提高了效率。优选实现利用ＭＥＭＳ完成选择性热开关，从而通过多个珀尔器件和ＭＥＭＳ开关的并行工作，增大了低温冷却能力。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冷却系统。更具体地说，本专利技术的目的在于通过选择性开关电源和选择性开关热耦合原理和结构的应用，获得高的相对热电冷却效率的系统。通常通过利用氟利昂类型致冷剂实现传热的基于气体／液体蒸气压缩的致冷循环完成低温冷却。这种致冷系统被广泛用于居室致冷，食物致冷和车辆致冷。低温冷却还经常和主要的电子系统，例如主计算机一起使用。虽然蒸气压缩致冷非常有效，但是它确实需要较大的移动硬件，至少包括压缩机，冷凝机，蒸发器及相关的致冷剂输送导管。由于复杂性和相关的高费用的结果，在小型的冷却应用，例如个人计算机中，蒸气压缩致冷未得到实质认可。至少十年来，众所周知随着温度的降低，CMOS逻辑电路可更快速地工作。例如，如果CMOS逻辑器件在-50℃工作，则和在室温下工作相比，性能提高50％。-196℃量级的液氮工作温度已显示出200％的性能提高。集成电路线路产生类似的好处，和在室温下工作的集成电路相比，在-50℃工作的集成电路的金属线阻降低二分之一。这种改进可与近来在集成电路中使用铜线来降低互连电阻，从而有效地增大可达到的工作频率的技术突破相匹敌。这样，集成电路逻辑器件，例如场效应晶体管，以及互连线路可显著改进集成电路性能，留下在尺寸日益减小，并且费用大大降低的环境内如何实现这种冷却的问题。热电冷却是已发现可在减小普遍使用的珀尔帖器件的尺寸方面得到某些应用的一种选择方案。珀尔帖器件热电冷却也非常可靠，因为冷却完全以固态方式进行。热电冷却的主要缺点是效率低，其中对于冷穴和环境之间的相当标准的温差，珀尔帖器件冷却系统效率通常仅在20％的范围之内。例如为了在0℃的低温下以1瓦的速率冷却，必须向珀尔帖冷却系统供给5瓦的动力。随着要传输的热量的增大，将散失到环境中的总能源托管(mandate)巨大的对流装置及高输出功率供电线路。于是，珀尔帖器件热电冷却一直未被认为是一种广泛适用的用于改进集成电路性能的技术。为了理解本专利技术是如何改进热电冷却效率的，必须理解为什么珀尔帖器件热电冷却效率低。珀尔帖器件由诸如碲化铋或碲化铅之类的半导体材料制成。虽然目前各大学正在评估新的材料，但是这些新材料尚未获得成功。和具有高导电率和导热率的一般金属相反，通常使用的珀尔帖材料表现出很高的导电率和相当低的导热率。操作中，珀尔帖器件把电子从温度T冷的冷穴迁移到温度T热的热穴，以响应穿过珀尔帖器件形成的电场。但是，存在影响珀尔帖器件效率的其它机制，这些机制降低了从冷穴到热穴的热能的净输送量。附图说明图1示意地表示了常规的珀尔帖热电元件(TE)1，它具有在负荷电流3的情况下，产生穿过TE1的电场的直流电源2。所需的传热是从温度T冷的冷穴到温度T热的热穴的传热。如图1的等式中所示，输送的净热能由三部分组成，第一部分代表珀尔帖效应(热电)贡献，第二部分确定负焦耳热效应，第三部分确定负导热效应。热电分量是塞贝克系数α，工作温度(T冷)和施加的电流的函数。焦耳热分量近似反映到达冷穴并转到热穴的焦耳热的一半。最后，归因于导热的负分量代表穿过珀尔帖器件，从热穴流到冷却的热，由珀尔帖器件的导热率限定。参见等式(1)。(1)q=αT冷I-1/2I2R-KΔT由于热传导的热电分量与电流成正比，而焦耳热与电流的平方成正比，导热分量正比于热穴与冷穴之间的温差，该等式清楚地反映了珀尔帖器件是如何快速地变得低效率的。等式(2)定义了珀尔帖器件的性能系数。该系数是低温下输送的净热能与珀尔帖器件中消耗的功率的比值。对于典型的碲化铋材料珀尔帖器件，该性能系数小于0．3。 注意等式(2)的分子代表珀尔帖器件的净冷却能力。等式(2)的分母代表外部电源2提供的总能量。前面描述了分子的各个部分。分母中的第一项是总焦耳热，而第二项是珀尔帖器件在把能量从T冷冷穴移到T热热穴时所做的热能输送功。基于这种关系，图1的构型中可能的最大性能系数由等式(3)给出。 如等式(4)中所示，参数γ可用塞贝克系数α，导电率σ和导热率λ来表示。 注意等式(3)中的第一个因子是卡诺效率，这是在两个温度穴井T冷和T热之间工作的任意热泵的可能的最大效率。第二个因子代表非理想热电冷却，它也可由优良指数ZT表征。注意当γ趋于∞时，ηmax趋于(T冷／ΔT)目前为止，一直难以研究出产生高ZT值的热电材料。用于热电冷却器的流行材料一直是碲化铋(Bi2Te3)和碲化铅(PbTe)。室温下，这些材料的ZT值约为0．3。各大学的最近研究表明在碲化铅量子阱和多晶格中，ZT值接近1是可能的。但是，即使使用这些材料，热电冷却也不能和机械蒸气压缩冷却系统竞争。珀尔帖器件的另一限制是低于可获得的环境温度的有限温度偏移。该限制起因于温度跨距受效率约束的事实，效率是一个随着温差的增大而快速降低的参数。可能的最大温差Tmax由等式(5)给出。(5)ΔTmax=ZT2冷对于ZT值约为0．3的碲化铋来说，在300°K，Tmax为45°K。这样，对于限制常规的热电元件在低温冷却应用方面的使用的效率和温度差，存在若干非常基本的制约。通过对电源和分别使热电元件和电源以及冷穴相连的导热通路的动态调制的应用，本专利技术克服了常规热电元件冷却的基本制约。本专利技术的一方面涉及如权利要求1中主张的热电冷却设备。本专利技术的另一方面涉及如权利要求16中主张的热电冷却设备的操作方法。就本专利技术的一种特殊形式而论，掺杂(complementing impurity)型热电元件被电串联，并由开关电压的脉冲供给动力。热电元件与一侧的各个电隔离的热穴热耦合，并自它们的相应冷端的公用连接与热开关热耦合，该热开关选择性地建立到达冷穴的热通路。电开关和热开关的选择性、但是同步的操作以超过这种热电元件的静态操作的效率提供从冷穴开始，通过热开关，通过该对热电元件，到达相应热穴的热能输送。瞬态原理的应用使得能够相对地把热电热传递机理和热传导及焦耳加热机理隔离开。性能系数预计接近卡诺效率。下面将参考附图，说明本专利技术的实施例，其中图1示意地描绘了常规的静操作珀尔帖器件冷却系统。图2示意地描绘了本专利技术的单开关，单热电元件实施例。图3示意地描绘了本专利技术的单热开关，双热电元件实施例。图4示意地描绘了图3中实施例的电源和热能输送的相关时间曲线5示意地描绘了图3中的单热开关构型的闭环实现。图6示意地描绘了微机电系统(MEMS)器件。图7是MEMS器件阵列和珀尔帖热电元件的示意横截面图。图8示意描绘了在可用于低温冷却集成电路和电子组件情况下的热电冷却器。图9示意描绘了本专利技术用于食物冷藏系统的扩展应用。图10示意描绘了当被应用于各种住宅和运输工具时，本专利技术的潜在应用和好处。图11示意描绘了把小型的热电冷却器应用于局部冷却集电路芯片的选定部分的情况。本专利技术的概念性基础包括导热率和导电率之间相关性的分离，迄今，导热率和导电率之间的相关性限制了温差以及常规的热电元件传热的效率。数学上来说，目标是通过热电开关的应用，以便在使焦耳热和传导传热降至最小时，动态地使热电传热达到最大，有效地分离图1中说明的影响净热传递关系的部分。通过使在热电元件两端之间施加的脉冲电压和热电元件的冷端与冷穴之间的开关热导率耦合同步，热电元件瞬态效应被用于增大效率。在一个优选实施例中，通过利用微机电系统(MEMS)热开关，实现热导率的转换，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电冷却设备，包括： 第一标称温度的第一热穴； 第二标称温度的第二热穴，第二温度相对大于第一标称温度； 热电元件； 选择性开关热电元件与第一热穴的热耦合的第一装置； 连接热电元件和第二热穴的第二装置；及 启动热电元件的装置。

【技术特征摘要】
US 1997-12-10 08/988,6211．一种热电冷却设备，包括第一标称温度的第一热穴；第二标称温度的第二热穴，第二温度相对大于第一标称温度；热电元件；选择性开关热电元件与第一热穴的热耦合的第一装置；连接热电元件和第二热穴的第二装置；及启动热电元件的装置。2．按照权利要求1所述的设备，其中所述第二装置包含所述热电元件和第二热穴之间的持续热耦合。3．按照权利要求1所述的设备，其中所述启动装置包含选择性地开关热电元件两端之间的电压的装置。4．按照权利要求3所述的设备，其中第二热穴由第一和第二电分离部分组成。5．按照权利要求4所述的设备，其中第一和第二电分离部分通过选择性开关电压的装置与电源耦接。6．按照权利要求3-5所述的设备，其中选择性开关电压的装置的工作周期(duty cycle)类似于选择性开关热耦合的装置的工作周期。7．按照权利要求1-6所述的设备，其中选择性开关热耦合的装置是微机电系统(MEMS)器件。8．按照权利要求2所述的设备，还包括第二标称温度的第三热穴，第三热穴与第二热穴电隔离；与第三热穴热耦合的第二热电元件；其中选择性开关热耦合的所述装置包含选择性开关提及的第一热电元件及第二热电元件和第一热穴的热耦合的装置；所述启动装置包含选择性开关提及的第一热电元件和第二热电元件间的电压的装置。9．按照权利要求3-6或8所述的设备，其中选择性开关热耦合的装置和选择性开关电压的装置可功能同步地工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤塔姆施亚马林杜高沙尔，
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]