[发明专利]具有隔离传热机理的动态开关的热电冷却设备

说明书

本发明涉及冷却系统。更具体地说，本发明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。

为了理解本发明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。

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。