[发明专利]热电制冷、制热器

说明书

本发明为一种新型的热电制冷、制热器，它可作为一种冷源或热源，还可作为温差发电的热电堆。在作为冷源或热源使用的时候，可以开发出空调器、电冰箱、电烤箱之类的产品；作为温差发电使用时，是一种很好的直流电源。

塞贝克效应是温差发电的理论基础，帕尔帖效应是热电制冷、制热的理论基础。这两种效应互为逆效应，存在着内在联系，即同一支热电偶，如果塞贝克效应显著，反过来帕尔帖效应也显著。这两种效应都离不开由最基本的热电元件组成的热电偶。目前优值系数最高的热电元件当数P型半导体材料和N型半导体材料，即组成热电偶两个电偶臂的热电元件一个由P型半导体材料构成，另一个由N型半导体材料构成。所以热电制冷、制热习惯上又称为半导体制冷、制热。由于单个热电偶的制冷、制热量很小，人们把多个热电偶用串、并联的方式连接起来，组成“热电堆”，以期获得较大的温差电动势或较大的制冷、制热量。在日常生活中，制热是较为容易的，而制冷要困难得多，所以人们更为关注制冷技术。

与传统的采用压缩机、以氟利昂或溴化锂为制冷剂的制冷方法比较，热电制冷具有较多的优点：无需压缩机、制冷剂，无机械运动，无噪声，结构简单；只需改变直流供电电流的方向，便能方便地实现制冷、制热转换；调节直流供电电压的大小，便能方便地调节制冷、制热量等等。但也存在着制冷效率偏低、能耗高的缺点。特别是热电偶通过直流电时，在其一个结点上吸热，成为冷端，而在另一个结点上放热，成为热端。即吸热放热是同时存在的。若要求制冷，则必须将热端产生的热量采取措施散发出去，才能维持制冷。通常采用循环水冷却方法，要有冷却水管道和泵，这加大了制冷器的体积和制造成本，限制了热电制冷的应用。

本发明的目的就是要解决热电制冷、制热冷热分离的问题，提高热电制冷、制热的效率。

本发明采用“电荷积累-释放”的办法，也就是发明人所称的“加速原理”：在需要制冷的时候，使得热电堆的产热量很小，与产冷量相比可以忽略；在需要制热的时候，使得热电堆的产冷量很小，与产热量相比可以忽略；在作为温差发电的时候，使输出的温差电动势大增。还可以将两个热电堆配合起来使用，其中一个热电堆用于制冷或制热，另一个热电堆利用前一个热电堆产生的温差进行发电，供小型的直流风扇使用，将冷气或热气吹出来，调节小范围空间的温度。

这样，就解决了热电制冷技术中热电堆产生的热量难于排除的难题。余热产生的温差转化为电能，更能吸收余热，增大产冷量，提高制冷系数，也降低了电能消耗。作为温差发电用的热电堆还能根据温差的大小自动改变输出电动势的大小，自动调节负载风扇的转速，一举多得。尤其是节省了一套散热装置，大大降低了成本，使空调器大面积进入工薪家庭成为可能。

什么是“电荷积累、释放”亦即发明人称的“加速原理”呢？这要从温差电动势说起。任何两种不同的金属材料作电偶臂构成热电偶，在其两个结点存在温差的情况下都能产生温差电动势，只不过用金属材料制成的热电偶产生的温差电动势很小，仅用于温度测量。用一对P型、N型半导体材料构成热电偶，同样大小的温差，产生的温差电动势大得多，这样才具备了热电制冷、制热、温差发电的实用价值。各国科学家都在努力寻求能产生更大温差电动势，优值系数更大的热电材料，但从六十年代至今并无多大进展。从微观的角度来看，温差电动势(又称为塞贝克电动势)E是由体积电动势(又称为汤姆逊电动势)E_V和接触电动势(又称为帕尔帖电动势)E_C两部分迭加而成。

先说体积电动势E_V，对于N型半导体材料，在其两端具有一定的温度差△T，设冷端温度为T_C，热端温度为T_C+△T，参见图1。热端的温度高激发出更多的多数载流子即电子，使热端的电子浓度增大，由于浓度差电子向冷端扩散，这样冷端带负电而热端带正电，并在N型材料的内部建立起一个静电场，该电场的方向由热端指向冷端，并将阻止电子无止境地向冷端扩散，而有助子电子从冷端向热端漂移。达到动态平衡时，热端和冷端之间产生一个电位差，方向由热端指向冷端。体积电动热E_VN与这个电位差大小相等方向相反，其方向由冷端指向热端。

对于P型半导休材料，其热端空穴浓度高，由于浓度差空穴扩散到冷端，使冷端带正电热端带负电，达到动态平衡时，体积电动势E_VP的方向由热端指向冷端。参见图2，不论N型材料还是P型材料，在有温差的情况下，其端面都有正负电荷的积累。