一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，它由九部分組成，分別是直流電源、導(dǎo)線、熱沉、導(dǎo)熱絕緣陶瓷、熱端電極、半導(dǎo)體熱臂、勵磁繞阻、冷端電極、交變磁場發(fā)生系統(tǒng)。其中，所述直流電源通過所述導(dǎo)線連接熱端金屬電極，絕緣陶瓷位于熱沉和熱端金屬電極之間，半導(dǎo)體熱臂連接熱端金屬電極和冷端電極，所述勵磁繞阻纏繞在半導(dǎo)體熱臂周圍。本發(fā)明提出了采用交變磁場對熱電材料中的電子加速及裁剪，從而達到提高傳輸熱能的效果，以促進了傳統(tǒng)熱電制冷器的熱電換能效率。尤其是對于微型熱電制冷器，高熱流密度的發(fā)熱點對制冷要求較高，采用本發(fā)明提出的方法可有效提高復(fù)合低維材料中熱載流子的透射及輸運。
【專利說明】一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器。
【背景技術(shù)】
[0002]在低維熱電材料研究領(lǐng)域，通常從改變幾何結(jié)構(gòu)或組態(tài)出發(fā)，提高其熱電轉(zhuǎn)換效率。采用交變磁場作為電子驅(qū)動，由于霍爾效應(yīng)，洛倫磁力使電子徑向動能增大，導(dǎo)致由核材料進入殼材料的電子數(shù)量增加，直至實現(xiàn)平衡。改變磁場方向，電子獲反向加速，建立新的逆向平衡。同時，由于異質(zhì)材料電子能帶結(jié)構(gòu)不同，界面處雙向透射率存在差異，從而可通過控制交變磁場的強度與頻率來調(diào)節(jié)其電導(dǎo)率。同時磁場與聲子無直接作用，對熱導(dǎo)率影響較小，因而可在熱導(dǎo)率基本不變的前提下增大電導(dǎo)率及Seebeck系數(shù)，以實現(xiàn)核殼半導(dǎo)體納米線熱電轉(zhuǎn)換效率的提高。
[0003]技術(shù)原理:圖1(a)所示為研究對象的示意圖，核殼納米線兩端存在溫度梯度與電勢差，施加磁場電子在洛倫磁力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，堆積分布在納米線徑向表面，形成自建電場，直到電場力與洛倫磁力達到平衡為止。由于異質(zhì)材料能帶結(jié)構(gòu)不同，故電子在界面處透射率大小不同，如圖1(b)所示由核材料進入殼材料的電子數(shù)遠大于由殼材料進入核材料的電子數(shù)目。
[0004]圖2顯示了熱電材料軸向電子運動示意圖，一部分電子在洛倫磁力的作用下增加動能，穿越勢壘或異質(zhì)界面。雖然電子的偏轉(zhuǎn)有利于核殼納米線整體電子遷移率的增加，但是洛倫磁力的影響是短暫的，很快將被自建電場的電場力所平衡。因此必須使磁場快速換向，打破平衡，才能維持電子由核材料進入殼材料的狀態(tài)，故而需要研究自建電場平衡時間與磁場頻率、強度的關(guān)系，如何設(shè)置及調(diào)控交變磁場發(fā)生器這是該發(fā)明關(guān)鍵技術(shù)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，它由九部分組成，分別是直流電源、導(dǎo)線、熱沉、導(dǎo)熱絕緣陶瓷、熱端金屬電極、半導(dǎo)體熱臂、勵磁繞阻、冷端電極、交變磁場發(fā)生系統(tǒng)。其中，所述直流電源通過所述導(dǎo)線連接熱端金屬電極，絕緣陶瓷位于熱沉和熱端金屬電極之間，半導(dǎo)體熱臂連接熱端金屬電極和冷端電極，所述勵磁繞阻纏繞在半導(dǎo)體熱臂周圍。
[0006]本發(fā)明提出了采用交變磁場對熱電材料中的電子加速及裁剪，從而達到提高傳輸熱能的效果，以促進了傳統(tǒng)熱電制冷器的熱電換能效率。尤其是對于微型熱電制冷器，高熱流密度的發(fā)熱點對制冷要求較高，采用本發(fā)明提出的方法可有效提高復(fù)合低維材料中熱載流子的透射及輸運。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]通過參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的以上和其它方面及優(yōu)點將變得更加易于清楚，在附圖中:[0008]圖1(a)為霍爾效應(yīng)下核殼納米線示意圖；圖1(b)為霍爾效應(yīng)下電子界面透射示意圖；
[0009]圖2為霍爾效應(yīng)下核殼納米線電子輸運示意圖(軸截面)；
[0010]圖3為交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖4為交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；
[0012]圖5為交變磁場發(fā)生器電路原理圖。
【具體實施方式】
[0013]在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0014]在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例。
[0015]參考附圖3-5，本發(fā)明的技術(shù)方案的實現(xiàn):一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，它由九部分組成，分別是直流電源、導(dǎo)線、熱沉、導(dǎo)熱絕緣陶瓷、熱端電極、半導(dǎo)體熱臂、勵磁繞阻、冷端電極、交變磁場發(fā)生系統(tǒng)。
[0016]電源:交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器需要兩個電源。一個是直流電源(5V?10V)，為熱電制冷器工作提供能源，驅(qū)動電子定向運動。一個是交流電源，為交變磁場發(fā)生系統(tǒng)提供動力，激勵鐵氧體線圈可產(chǎn)生頻率、場強均可獨立調(diào)節(jié)的交變磁場(I?10KHZ)。
[0017]導(dǎo)線:可采用普通銅質(zhì)或鋁質(zhì)導(dǎo)線(直徑0.1?0.25mm)。
[0018]導(dǎo)熱絕緣陶瓷片:熱端金屬電極通過導(dǎo)熱硅膠與導(dǎo)熱絕緣陶瓷片連接，熱沉與導(dǎo)熱絕緣陶瓷片同樣通過導(dǎo)熱硅膠連接，從而隔離了金屬熱沉與金屬電極的接觸，有效地阻礙了漏電發(fā)生，如附圖3所示。普通導(dǎo)熱絕緣陶瓷片的熱導(dǎo)率為30?200W / (m.K)。
[0019]熱沉:具有較大的體表比，散熱能力強，可采用鋁、銅、鋁碳化硅等材料。
[0020]熱臂:熱電材料種類繁多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、GeTe、CeS及某些I1-V族。I1-VI族、V-VI族化合物和固溶體等。交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器與普通半導(dǎo)體材料不同，是由兩種半導(dǎo)體復(fù)合而成，根據(jù)它們能帶差異，由交變磁場引起電子穿越，實現(xiàn)熱電效率的提聞。
[0021]冷端電極:熱臂的另一端是吸熱端，與之相連的金屬電極為冷端電極。冷端電極與被制冷物體接觸可起到吸熱的作用，從實現(xiàn)制冷。
[0022]勵磁繞阻:磁感應(yīng)線圈可以產(chǎn)生比較強而又空間分布均勻的磁場，采用軟磁鐵氧體材料作為線圈鐵芯，如附圖4所示的環(huán)回形，線圈纏繞于環(huán)回形鐵芯的一邊，在另外一邊開一小氣隙，該氣隙便是磁場產(chǎn)生區(qū)。
[0023]交變磁場發(fā)生系統(tǒng):可單獨實現(xiàn)頻率、場強的調(diào)節(jié)。如附圖5所示，220V交流電通過AC / DC整流，由Buck變換電路輸出電壓UDC，DC / AC采用全橋逆變電路，驅(qū)動信號由SVPWM輸出，供給M57962L芯片來隔離驅(qū)動IGBT，濾波后輸出正弦交流電，再通過變壓隔離供給鐵氧體線圈，產(chǎn)生交流磁場。
[0024]以上所述僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述熱電制冷器由九部分組成，分別是直流電源、導(dǎo)線、熱沉、導(dǎo)熱絕緣陶瓷、熱端金屬電極、半導(dǎo)體熱臂、勵磁繞阻、冷端電極、交變磁場發(fā)生系統(tǒng)； 其中，所述直流電源通過所述導(dǎo)線連接熱端金屬電極，絕緣陶瓷位于熱沉和熱端金屬電極之間，半導(dǎo)體熱臂連接熱端金屬電極和冷端電極，所述勵磁繞阻纏繞在半導(dǎo)體熱臂周圍。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述電源為兩個，一個是直流電源，為熱電制冷器工作提供能源，驅(qū)動電子定向運動；另一個是交流電源，為交變磁場發(fā)生系統(tǒng)提供動力，激勵鐵氧體線圈可產(chǎn)生頻率、場強均可獨立調(diào)節(jié)的交變磁場。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述導(dǎo)線可采用普通銅質(zhì)或鋁質(zhì)導(dǎo)線。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述熱端金屬電極通過導(dǎo)熱硅膠與導(dǎo)熱絕緣陶瓷片連接，熱沉與導(dǎo)熱絕緣陶瓷片同樣通過導(dǎo)熱硅膠連接。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述熱沉采用鋁、銅、鋁碳化硅等材料。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述熱臂采用熱電材料，如 PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、GeTe、CeS 及 I1-V 族、I1-VI族、V- VI族化合物和固溶體等。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述熱臂的另一端是吸熱端，與之相連的金屬電極為冷端電極。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述勵磁繞阻的磁感應(yīng)線圈采用軟磁鐵氧體材料作為線圈鐵芯，為環(huán)回形，線圈纏繞于環(huán)回形鐵芯的一邊，在另外一邊開一小氣隙。
9.如權(quán)利要求1所述的一種基于交變磁場驅(qū)動的熱電制冷器，其特征在于: 所述交變磁場發(fā)生系統(tǒng)可單獨實現(xiàn)頻率、場強的調(diào)節(jié)；220V交流電通過AC / DC整流，由Buck變換電路輸出電壓UDC，DC / AC采用全橋逆變電路，驅(qū)動信號由SVPWM輸出，供給M57962L芯片來隔離驅(qū)動IGBT，濾波后輸出正弦交流電，再通過變壓隔離供給鐵氧體線圈，產(chǎn)生交流磁場。
【文檔編號】F25B21/02GK103954070SQ201410157328
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】王贊, 王珂, 王炯 申請人:河南工業(yè)大學(xué)