一种基于交变磁场驱动的热电制冷器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，它由九部分组成，分别是直流电源、导线、热沉、导热绝缘陶瓷、热端电极、半导体热臂、励磁绕阻、冷端电极、交变磁场发生系统。其中，所述直流电源通过所述导线连接热端金属电极，绝缘陶瓷位于热沉和热端金属电极之间，半导体热臂连接热端金属电极和冷端电极，所述励磁绕阻缠绕在半导体热臂周围。本发明提出了采用交变磁场对热电材料中的电子加速及裁剪，从而达到提高传输热能的效果，以促进了传统热电制冷器的热电换能效率。尤其是对于微型热电制冷器，高热流密度的发热点对制冷要求较高，采用本发明提出的方法可有效提高复合低维材料中热载流子的透射及输运。
【专利说明】一种基于交变磁场驱动的热电制冷器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于交变磁场驱动的热电制冷器。
【背景技术】
[0002]在低维热电材料研究领域，通常从改变几何结构或组态出发，提高其热电转换效率。采用交变磁场作为电子驱动，由于霍尔效应，洛伦磁力使电子径向动能增大，导致由核材料进入壳材料的电子数量增加，直至实现平衡。改变磁场方向，电子获反向加速，建立新的逆向平衡。同时，由于异质材料电子能带结构不同，界面处双向透射率存在差异，从而可通过控制交变磁场的强度与频率来调节其电导率。同时磁场与声子无直接作用，对热导率影响较小，因而可在热导率基本不变的前提下增大电导率及Seebeck系数，以实现核壳半导体纳米线热电转换效率的提高。
[0003]技术原理:图1(a)所示为研究对象的示意图，核壳纳米线两端存在温度梯度与电势差，施加磁场电子在洛伦磁力作用下发生偏转，堆积分布在纳米线径向表面，形成自建电场，直到电场力与洛伦磁力达到平衡为止。由于异质材料能带结构不同，故电子在界面处透射率大小不同，如图1(b)所示由核材料进入壳材料的电子数远大于由壳材料进入核材料的电子数目。
[0004]图2显示了热电材料轴向电子运动示意图，一部分电子在洛伦磁力的作用下增加动能，穿越势垒或异质界面。虽然电子的偏转有利于核壳纳米线整体电子迁移率的增加，但是洛伦磁力的影响是短暂的，很快将被自建电场的电场力所平衡。因此必须使磁场快速换向，打破平衡，才能维持电子由核材料进入壳材料的状态，故而需要研究自建电场平衡时间与磁场频率、强度的关系，如何设置及调控交变磁场发生器这是该发明关键技术之一。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，它由九部分组成，分别是直流电源、导线、热沉、导热绝缘陶瓷、热端金属电极、半导体热臂、励磁绕阻、冷端电极、交变磁场发生系统。其中，所述直流电源通过所述导线连接热端金属电极，绝缘陶瓷位于热沉和热端金属电极之间，半导体热臂连接热端金属电极和冷端电极，所述励磁绕阻缠绕在半导体热臂周围。
[0006]本发明提出了采用交变磁场对热电材料中的电子加速及裁剪，从而达到提高传输热能的效果，以促进了传统热电制冷器的热电换能效率。尤其是对于微型热电制冷器，高热流密度的发热点对制冷要求较高，采用本发明提出的方法可有效提高复合低维材料中热载流子的透射及输运。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中:[0008]图1(a)为霍尔效应下核壳纳米线示意图；图1(b)为霍尔效应下电子界面透射示意图；
[0009]图2为霍尔效应下核壳纳米线电子输运示意图(轴截面)；
[0010]图3为交变磁场驱动的热电制冷器结构示意图；
[0011]图4为交变磁场驱动的热电制冷器结构示意图(俯视图)；
[0012]图5为交变磁场发生器电路原理图。
【具体实施方式】
[0013]在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
[0014]在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
[0015]参考附图3-5，本发明的技术方案的实现:一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，它由九部分组成，分别是直流电源、导线、热沉、导热绝缘陶瓷、热端电极、半导体热臂、励磁绕阻、冷端电极、交变磁场发生系统。
[0016]电源:交变磁场驱动的热电制冷器需要两个电源。一个是直流电源(5V?10V)，为热电制冷器工作提供能源，驱动电子定向运动。一个是交流电源，为交变磁场发生系统提供动力，激励铁氧体线圈可产生频率、场强均可独立调节的交变磁场(I?10KHZ)。
[0017]导线:可采用普通铜质或铝质导线(直径0.1?0.25mm)。
[0018]导热绝缘陶瓷片:热端金属电极通过导热硅胶与导热绝缘陶瓷片连接，热沉与导热绝缘陶瓷片同样通过导热硅胶连接，从而隔离了金属热沉与金属电极的接触，有效地阻碍了漏电发生，如附图3所示。普通导热绝缘陶瓷片的热导率为30?200W / (m.K)。
[0019]热沉:具有较大的体表比，散热能力强，可采用铝、铜、铝碳化硅等材料。
[0020]热臂:热电材料种类繁多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、GeTe、CeS及某些I1-V族。I1-VI族、V-VI族化合物和固溶体等。交变磁场驱动的热电制冷器与普通半导体材料不同，是由两种半导体复合而成，根据它们能带差异，由交变磁场引起电子穿越，实现热电效率的提闻。
[0021]冷端电极:热臂的另一端是吸热端，与之相连的金属电极为冷端电极。冷端电极与被制冷物体接触可起到吸热的作用，从实现制冷。
[0022]励磁绕阻:磁感应线圈可以产生比较强而又空间分布均匀的磁场，采用软磁铁氧体材料作为线圈铁芯，如附图4所示的环回形，线圈缠绕于环回形铁芯的一边，在另外一边开一小气隙，该气隙便是磁场产生区。
[0023]交变磁场发生系统:可单独实现频率、场强的调节。如附图5所示，220V交流电通过AC / DC整流，由Buck变换电路输出电压UDC，DC / AC采用全桥逆变电路，驱动信号由SVPWM输出，供给M57962L芯片来隔离驱动IGBT，滤波后输出正弦交流电，再通过变压隔离供给铁氧体线圈，产生交流磁场。
[0024]以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述热电制冷器由九部分组成，分别是直流电源、导线、热沉、导热绝缘陶瓷、热端金属电极、半导体热臂、励磁绕阻、冷端电极、交变磁场发生系统； 其中，所述直流电源通过所述导线连接热端金属电极，绝缘陶瓷位于热沉和热端金属电极之间，半导体热臂连接热端金属电极和冷端电极，所述励磁绕阻缠绕在半导体热臂周围。
2.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述电源为两个，一个是直流电源，为热电制冷器工作提供能源，驱动电子定向运动；另一个是交流电源，为交变磁场发生系统提供动力，激励铁氧体线圈可产生频率、场强均可独立调节的交变磁场。
3.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述导线可采用普通铜质或铝质导线。
4.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述热端金属电极通过导热硅胶与导热绝缘陶瓷片连接，热沉与导热绝缘陶瓷片同样通过导热硅胶连接。
5.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述热沉采用铝、铜、铝碳化硅等材料。
6.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述热臂采用热电材料，如 PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、GeTe、CeS 及 I1-V 族、I1-VI族、V- VI族化合物和固溶体等。
7.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述热臂的另一端是吸热端，与之相连的金属电极为冷端电极。
8.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述励磁绕阻的磁感应线圈采用软磁铁氧体材料作为线圈铁芯，为环回形，线圈缠绕于环回形铁芯的一边，在另外一边开一小气隙。
9.如权利要求1所述的一种基于交变磁场驱动的热电制冷器，其特征在于: 所述交变磁场发生系统可单独实现频率、场强的调节；220V交流电通过AC / DC整流，由Buck变换电路输出电压UDC，DC / AC采用全桥逆变电路，驱动信号由SVPWM输出，供给M57962L芯片来隔离驱动IGBT，滤波后输出正弦交流电，再通过变压隔离供给铁氧体线圈，产生交流磁场。
【文档编号】F25B21/02GK103954070SQ201410157328
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】王赞, 王珂, 王炯 申请人:河南工业大学