一种基于非均匀掺杂半导体的气体换热器的制作方法

文档序号:14686098发布日期:2018-06-14 23:12

本发明涉及热能与电能转换技术领域,尤其是指一种基于非均匀掺杂半导体的气体换热器。



背景技术:

现有技术中,空调或冰箱等环境调温装置,采用压缩机原理,或采用直接冷媒流动热交换原理,或基于均质半导体的温差发电装置。所述热电转换装置在制冷过程中都需要解决热能从低温区至高温区搬移的问题,因而都需要外部能量注入,需要使用电能或热能,需要消耗更多的能量,以维持低温。因此,没有外部能量,不可能完成制冷或制热任务。

正因为空调设备需要消耗能源,运行成本是比较高,甚至太阳能空调等新型空调设备,其前期投入和后期维护成本也较高,限制空调设备的长时间使用,比如只在盛夏时期使用,或只在极寒时期使用等。

以制冷为例,空气热能需要被移走,而现有空调装置仅仅对其进行转移,将其释放到其它环境或媒质中,需要多付出一部分能量,而没有把空气热能转化为可以使用的电能,是一个纯粹的消耗能源过程,不利于节能环保。事实上较热的空气本身就蕴含有热能量,如果能够方便、较高效率地将其热能量转化为电能,则既可以实现降温,还可以同时发电。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种基于非均匀掺杂半导体的气体换热器,以节约能源,且较为环保。

为达成上述目的,本发明的解决方案为:

一种基于非均匀掺杂半导体的气体换热器,包括至少一换热片,该换热片包括至少一层热电转换基本装置,该热电转换基本装置包括绝缘导热介质层及半导体电臂,半导体电臂位于绝缘导热介质层之间,半导体电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段,形成不均匀的半导体属性分布;热电转换基本装置与外部电路形成电连接,而至少其中一绝缘导热介质层与目标换热气体接触。

进一步,半导体电臂整个为P型或整个为N型或者一部位为P型,另外部位为N型;同一个换热器中包含单独一种或多种半导体类型的电臂;所有或至少部分半导体电臂的整段或部分段沿宏观电流方向实施杂质浓度单调连续增大或单调连续减小的半导体掺杂处理。

进一步,按照试图制冷的工作电流矢量正方向,对于需要实施非均匀掺杂的P型半导体电臂整根或部分段实施从一端到另一端从P-到P+的杂质浓度单调连续递增掺杂;N型半导体电臂沿试图制冷的工作电流矢量正方向方向实施从N+到N-的杂质浓度单调连续递减掺杂;同时包含P型和N型两种属性的半导体电臂,沿试图制冷的工作电流矢量正方向实施从N到P过渡变化的单调连续掺杂。

进一步,同一层热电转换基本装置设置单独一个或相互电连接的多个半导体电臂,每一个或至少部分个半导体电臂中部设置为至少一段故意非均匀掺杂段,形成不均匀的半导体属性分布,两端设置为均匀掺杂段,作为相互实现电连接的区域,多个半导体电臂之间形成串联或并联,或部分串联,另外部分并联的电连接。

进一步,换热片的热电转换基本装置设置为多层层叠的结构,相邻层热电转换基本装置的绝缘导热介质相互接触或共用,之间形成串联关系的热连接;任意一层热电转换基本装置内部设置多个半导体电臂时,多个半导体电臂之间进行电连接,电连接采用其它类型半导体或导体作为过渡连接物体时,所述连接物体与更远离目标空气方向的绝缘导热介质相接触,形成热连接,以促使制冷过程中该部位释放的热能量朝更深层热电转换装置流动;不同层热电转换基本装置之间也进行电连接。

进一步,气体流经换热片与热电转换基本装置的半导体电臂与之进行热交换;按照试图制冷的方向通以电流时,部分热能量被半导体电臂吸收,转换为电能输出,气体的温度降低,起到制冷的效果;热电转换基本装置通以反向电流条件时半导体电臂放热,加热流经的气体促使其升温;控制电流的大小,可以调整控制制冷或制热功率的大小,电流越大,制冷、制热的功率也越大,反之则越小。

进一步,换热片设置为相互平行的多片,任意两相邻平行的换热片的中心间距与其它相邻平行的换热片平均间距的误差≦100%。换热片之间的距离优选为均等。

进一步,换热片设置为相互交叉的多片,交叉的多片换热片形成网格。

进一步,换热片的表面设置为平面,或设置为曲面。

进一步,还包括骨架,换热片安装在骨架上。

进一步,调整换热片的非均匀掺杂半导体在电流方向,单位长度内平均掺杂浓度变化率的高低,也可以控制调整其制冷或制热的功率大小。

采用上述方案后,本发明热电转换基本装置包括绝缘导热介质层及半导体电臂,半导体电臂位于绝缘导热介质层之间,半导体电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段,形成不均匀的半导体属性分布,以故意非均匀掺杂段作为吸热部位,吸入热功率进行热电转换。

气体流经热电转换基本装置的半导体电臂与之进行热交换,部分热能量被半导体电臂吸收,转换为电能输出,气体的温度降低;热电转换基本装置通以反向电流条件时半导体电臂放热,加热流经的气体促使其升温。因此,本发明可以节约能源,且较为环保。

附图说明

图1a为本发明气体换热器基本结构示意图;

图1b为本发明气体换热器另一基本结构示意图;

图2a为本发明换热片安装于骨架结构示意图;

图2b为本发明换热片安装于骨架另一结构示意图;

图3为本发明热电转换基本装置的结构示意图;

图3a为本发明半导体电臂结构示意图;

图4为本发明多层热电转换基本装置结构示意图;

图4a为本发明多层热电转换基本装置各层热连接的示意图;

图5为本发明另一多层热电转换基本装置结构示意图;

图5a为本发明多层热电转换基本装置各层热连接的示意图;

图6为本发明另一多层热电转换基本装置各层热连接的示意图。

标号说明

换热片10热电转换基本装置1

绝缘导热介质层11半导体电臂12

故意非均匀掺杂段121均匀掺杂段122

连接物体13骨架2。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。

参阅图1a至图6所示,本发明揭示的一种基于非均匀掺杂半导体的气体换热器,包括至少一换热片10,该换热片10包括至少一层热电转换基本装置1,该热电转换基本装置1包括绝缘导热介质层11及半导体电臂12,半导体电臂12位于绝缘导热介质层11之间,如图3所示,半导体电臂12至少设置一段故意非均匀掺杂段,形成不均匀的半导体属性分布,如图3a所示。热电转换基本装置1与外部电路形成电连接,而至少其中一绝缘导热介质层11与气体接触。

当换热片电路与外部连通为回路之后,以故意非均匀掺杂段作为吸热部位,吸入空气的热功率进行热电转换。气体流经热电转换基本装置1的半导体电臂12与之进行热交换,部分热能量被半导体电臂12吸收,转换为电能输出,气体的温度降低,起到制冷的效果;热电转换基本装置1通以反向电流条件时半导体电臂12放热,加热流经的气体促使其升温,起到制热的作用。以制冷为例,在此过程中可以不需要外部电源,单独依靠换热片进行热电转换即可,不仅可以制冷,还可以同时发电。本发明可以节约能源,且较为环保。

半导体电臂12实施故意非均匀掺杂为杂质浓度单调连续增大或单调连续减小的半导体掺杂处理。具体为:P型半导体电臂12实施沿正电流矢量方向从一端到另一端按照从P-到P+的浓度单调连续递增掺杂;N型半导体电臂12沿正电流矢量方向实施从N+到N-的浓度单调连续递减掺杂;同时包含P型和N型两种属性的半导体电臂12,沿正电流矢量方向实施从N到P过渡变化的单独连续掺杂;实施单调连续变化掺杂的半导体电臂的两个端部分别为半导体属性最强或最弱部位。

如图1a所示,换热片10设置为相互平行的多片,换热片10之间的距离均等,促使被换热气体等量的从中流过,均等地进行热交换,气体热交换效果较好。换热片10表面所在平面方向被配置为与气体流动方向一致,确保气体可以顺利流动,不至于被明显阻碍。

如图1b所示,换热片10设置为相互交叉的多片,交叉的多片换热片10形成网格,网格空隙的截面积相等,增加换热片10与换热气体的接触面积,有助于提升热交换速度。换热片10表面所在平面方向被配置为与气体流动方向一致,确保气体可以顺利流动,不至于被明显阻碍。

如图2a及图2b所示,换热片10可以安装在骨架4上,每一片换热片10可以是一个独立的结构体,或者是多片换热片10同时属于一个结构体;换热片10可以直接由半导体热电转换基本装置1构成,或者将层状的半导体热电转换基本装置1配置在骨架4的表面形成;或者其中一部分换热片10仅仅由导热良好的材料构成,没有配置半导体热电转换基本装置1。

换热片10总体为较薄的片状结构,其表面可以是平面,也可以是曲面。设置为平面,与气体流动的方向一致;设置为曲面,可以改变出风的方向和位置,或者可以延长气体在换热器中运行的距离,增大热交换面积。

同一层热电转换基本装置1设置多个半导体电臂12,每一半导体电臂12中部设置为至少一段故意非均匀掺杂段121,形成不均匀的半导体属性分布,两端设置为均匀掺杂段122,半导体电臂12之间形成电连接,如图3及图3a所示。

如图4a至图5a所示,热电转换基本装置1设置为多层,相邻热电转换基本装置1之间形成串联关系的热连接;如果同一层热电转换基本装置1有多个的半导体电臂12,则各个半导体电臂12之间形成电连接。半导体电臂12之间通过连接导体13连接,如图4a、图5a及图6所示,当各半导体电臂12之间有其它类型的半导体或导体材质的连接物体13,比如金属材料时,该连接物体13与更远离目标热交换气体一侧的绝缘导热介质11进行热连接,比如接触或嵌入。同时,不同层热电转换基本装置1之间的半导体电臂12也形成电连接。

相邻层热电转换基本装置1之间可以共用一绝缘导热介质11,如图4所示,或者不共用,相邻绝缘导热介质11贴合接触,如图5所示,或者通过导热辅材间接接触;最靠近外侧被换热气体的层结构的最外侧表层作为换热的直接参与对象,在加温和降温过程中,其对外分别放热和吸热;与之相邻的更深一层,在加温和降温过程中,分别对上一层放热和吸热,以此规律逐层类推;在降温过程中,相互叠合的每一层的更靠近外部被换热气体一侧的导热介质都作为吸热的绝缘热源介质层,相反一侧作为放热的绝缘散热介质层。

所述电连接需满足在试图对热空气降温条件下,每一个半导体热电转换基本装置1中实施了故意单调非均匀掺杂段的电流矢量方向是从P-到P+,或从N+到N-,或从N到P;当从相反方向注入电流试图加热空气升温时,所有半导体电臂中实施了单独非均匀掺杂的区段的电流流经方向都是从P+到P-,或从N-到N+,或从P到N。确保所有热电转换基本装置1同时吸热或同时放热,提高运行效率。

制冷或制热过程中,热功率与换热片的电功率保持正相关的关系。换热片对应产生或消耗的电功率越大,意味着制冷功率和制热功率也越大。

因此,增大实际流经换热片的电流幅值,可以提升制冷、制热功率。另外,调整非均匀掺杂半导体在单位长度内的,平均杂质浓度变化率,可以调整其制冷过程中的开路输出电压,以及调整制热过程中放热所消耗的电压,也可以实现对热功率大小的调整。

以上所述仅为本发明的优选实施例,并非对本案设计的限制,凡依本案的设计关键所做的等同变化,均落入本案的保护范围。

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