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超薄熱電模塊建立熱電應(yīng)用新的性能范例

發(fā)布時(shí)間:2008/6/3 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):726

        

    

    

    固態(tài)冷卻和發(fā)電早已成為復(fù)雜的熱量管理和能量問(wèn)題的解決方案。為了解決這些熱能問(wèn)題,熱電模塊已經(jīng)使用幾十年了。熱電模塊的核心部件是熱電偶,一個(gè)熱電偶包括用一塊金屬板連接起來(lái)的兩個(gè)不同半導(dǎo)體(是指用p型和n型來(lái)描述兩種材料中不同的導(dǎo)電機(jī)制)。端點(diǎn)的電氣連接形成一個(gè)完整的導(dǎo)電回路,當(dāng)有電流流過(guò)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生熱電制冷(tec)現(xiàn)象,在這種情況下,熱電偶一端變冷另一端變熱,這就是所謂的“帕爾帖(peltier)”效應(yīng)。當(dāng)該熱電偶放入一個(gè)有溫度梯度(即頂部比底部熱)的環(huán)境中時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱電發(fā)電(teg)現(xiàn)象,在這種情況下,該裝置產(chǎn)生電流,將熱能轉(zhuǎn)換為電能,這就是所謂的塞貝克效應(yīng),如圖1所示。

    

    實(shí)際應(yīng)用中,從熱電材料梨晶(boule)上切割下來(lái)的大量p型、n型顆粒和熱電偶組合在一起(電氣上串聯(lián),熱學(xué)上并聯(lián))形成一個(gè)tec或teg。根據(jù)其尺寸和制作方法,傳統(tǒng)模塊被稱為“散裝”模塊。這種裝置很早并一直用于航空航天領(lǐng)域中的發(fā)電,以及儀表、通訊和其他大量專業(yè)應(yīng)用中的冷卻和溫度控制。

    

    薄膜熱電技術(shù)

    

    雖然熱電模塊具有固態(tài)的優(yōu)點(diǎn),但是也有諸多缺點(diǎn),比如普遍效率低、易損壞且體積大。傳統(tǒng)熱電模塊的大尺寸和離散特性嚴(yán)重制約了它們的實(shí)現(xiàn)。最近業(yè)界有大量開(kāi)發(fā)工作集中在薄膜熱電器件上。薄膜熱電材料可用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體沉積方法生長(zhǎng),并且可以使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體微加工技術(shù)來(lái)加工。最終的器件比傳統(tǒng)模塊小得多,并有希望直接集成到現(xiàn)代的制造方法中。圖2給出了薄膜tec和傳統(tǒng)散裝tec的比較。薄膜tec的長(zhǎng)和寬比傳統(tǒng)tec小6倍,高度小18倍。因此,薄膜tec的體積比傳統(tǒng)tec約小110倍。

    

    雖然比較薄膜和散裝熱電模塊的大小比較有意思,但是比較其性能顯得更為有用。描述一個(gè)熱電模塊性能最常用的方法就是它的負(fù)載線。在固定運(yùn)行電流和特定參考溫度下,將模塊頂部、底部之間能達(dá)到的溫度差δt,標(biāo)繪為能量q的函數(shù),這樣就產(chǎn)生了負(fù)載線,能量q是熱電模塊能從溫度梯度獲得的能量。圖3顯示了nextreme和散裝裝置的負(fù)載線,都是在參考溫度為25℃時(shí)測(cè)量的。在本例中,模塊的特征負(fù)載線顯示的是在其最大運(yùn)行電流(imax)時(shí)的情況。在imax條件下,q為零時(shí)的δt被稱為δtmax,δt為零時(shí)汲取的能量被稱為qmax。雖然δtmax和qmax都不是設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行條件,但是它們確定了設(shè)備的性能范圍(performance envelope)數(shù)據(jù),并且經(jīng)常被用來(lái)作為比較的依據(jù)。

    

    

    圖1:基于帕爾帖效應(yīng)用作tec(左)和基于賽貝克效應(yīng)用作teg(右)的pn結(jié)原理圖。

    

    

    圖2:散裝tec與nextreme tec的形狀和大小比較。

    

    

    圖3:散裝tec和薄膜tec各自的負(fù)載線。

    

    薄膜材料:熱電性能的新典范

    

    乍一看,圖3所示的性能比較本身就很有意思—薄膜tec汲取的能量是散裝器件的4倍,盡管它最高只有60%的溫差。然而,如果我們將尺寸差異考慮進(jìn)去,薄膜tec的內(nèi)在性能著實(shí)令人驚訝。薄膜tec在一張紙的厚度上能有最大40℃的溫差(δtmax)!在一塊紙屑的面積上它能最大汲取約16瓦(qmax)的能量。這里沒(méi)有顯示散裝和薄膜器件各自的響應(yīng)時(shí)間。然而,散裝器件的熱響應(yīng)時(shí)間以秒計(jì),而薄膜tec的響應(yīng)時(shí)間由于其尺寸小而以毫秒來(lái)計(jì)。

    

    圖4顯示了實(shí)測(cè)的散裝和薄膜tec的負(fù)載線,這里再次計(jì)算以說(shuō)明其尺寸性能差異。在這種情況下,δt除以獲得該溫差的厚度,q除以獲得該熱量的面積。換句話說(shuō),縱軸代表了該裝置在其厚度上能夠控制的溫度梯度,橫軸表示該裝置在該區(qū)域上產(chǎn)生的功率密度。表1總結(jié)了散裝和薄膜tec的完整對(duì)比。

    

    

    表1:傳統(tǒng)tec和薄膜tec的室溫性能比較。

    

    圖4中的對(duì)比描述了由薄膜tec提供的一種新的運(yùn)行機(jī)制。在冷卻模式下,薄膜熱電裝置提供了空前的能量密度汲取能力(q/面積)和非凡的溫度梯度(δt/h)。同樣,在發(fā)電模式下這些裝置也達(dá)到了無(wú)以倫比的性能特征。

    

    

        

    

    

    固態(tài)冷卻和發(fā)電早已成為復(fù)雜的熱量管理和能量問(wèn)題的解決方案。為了解決這些熱能問(wèn)題,熱電模塊已經(jīng)使用幾十年了。熱電模塊的核心部件是熱電偶,一個(gè)熱電偶包括用一塊金屬板連接起來(lái)的兩個(gè)不同半導(dǎo)體(是指用p型和n型來(lái)描述兩種材料中不同的導(dǎo)電機(jī)制)。端點(diǎn)的電氣連接形成一個(gè)完整的導(dǎo)電回路,當(dāng)有電流流過(guò)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生熱電制冷(tec)現(xiàn)象,在這種情況下,熱電偶一端變冷另一端變熱,這就是所謂的“帕爾帖(peltier)”效應(yīng)。當(dāng)該熱電偶放入一個(gè)有溫度梯度(即頂部比底部熱)的環(huán)境中時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱電發(fā)電(teg)現(xiàn)象,在這種情況下,該裝置產(chǎn)生電流,將熱能轉(zhuǎn)換為電能,這就是所謂的塞貝克效應(yīng),如圖1所示。

    

    實(shí)際應(yīng)用中,從熱電材料梨晶(boule)上切割下來(lái)的大量p型、n型顆粒和熱電偶組合在一起(電氣上串聯(lián),熱學(xué)上并聯(lián))形成一個(gè)tec或teg。根據(jù)其尺寸和制作方法,傳統(tǒng)模塊被稱為“散裝”模塊。這種裝置很早并一直用于航空航天領(lǐng)域中的發(fā)電,以及儀表、通訊和其他大量專業(yè)應(yīng)用中的冷卻和溫度控制。

    

    薄膜熱電技術(shù)

    

    雖然熱電模塊具有固態(tài)的優(yōu)點(diǎn),但是也有諸多缺點(diǎn),比如普遍效率低、易損壞且體積大。傳統(tǒng)熱電模塊的大尺寸和離散特性嚴(yán)重制約了它們的實(shí)現(xiàn)。最近業(yè)界有大量開(kāi)發(fā)工作集中在薄膜熱電器件上。薄膜熱電材料可用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體沉積方法生長(zhǎng),并且可以使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體微加工技術(shù)來(lái)加工。最終的器件比傳統(tǒng)模塊小得多,并有希望直接集成到現(xiàn)代的制造方法中。圖2給出了薄膜tec和傳統(tǒng)散裝tec的比較。薄膜tec的長(zhǎng)和寬比傳統(tǒng)tec小6倍,高度小18倍。因此,薄膜tec的體積比傳統(tǒng)tec約小110倍。

    

    雖然比較薄膜和散裝熱電模塊的大小比較有意思,但是比較其性能顯得更為有用。描述一個(gè)熱電模塊性能最常用的方法就是它的負(fù)載線。在固定運(yùn)行電流和特定參考溫度下,將模塊頂部、底部之間能達(dá)到的溫度差δt,標(biāo)繪為能量q的函數(shù),這樣就產(chǎn)生了負(fù)載線,能量q是熱電模塊能從溫度梯度獲得的能量。圖3顯示了nextreme和散裝裝置的負(fù)載線,都是在參考溫度為25℃時(shí)測(cè)量的。在本例中,模塊的特征負(fù)載線顯示的是在其最大運(yùn)行電流(imax)時(shí)的情況。在imax條件下,q為零時(shí)的δt被稱為δtmax,δt為零時(shí)汲取的能量被稱為qmax。雖然δtmax和qmax都不是設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行條件,但是它們確定了設(shè)備的性能范圍(performance envelope)數(shù)據(jù),并且經(jīng)常被用來(lái)作為比較的依據(jù)。

    

    

    圖1:基于帕爾帖效應(yīng)用作tec(左)和基于賽貝克效應(yīng)用作teg(右)的pn結(jié)原理圖。

    

    

    圖2:散裝tec與nextreme tec的形狀和大小比較。

    

    

    圖3:散裝tec和薄膜tec各自的負(fù)載線。

    

    薄膜材料:熱電性能的新典范

    

    乍一看,圖3所示的性能比較本身就很有意思—薄膜tec汲取的能量是散裝器件的4倍,盡管它最高只有60%的溫差。然而,如果我們將尺寸差異考慮進(jìn)去,薄膜tec的內(nèi)在性能著實(shí)令人驚訝。薄膜tec在一張紙的厚度上能有最大40℃的溫差(δtmax)!在一塊紙屑的面積上它能最大汲取約16瓦(qmax)的能量。這里沒(méi)有顯示散裝和薄膜器件各自的響應(yīng)時(shí)間。然而,散裝器件的熱響應(yīng)時(shí)間以秒計(jì),而薄膜tec的響應(yīng)時(shí)間由于其尺寸小而以毫秒來(lái)計(jì)。

    

    圖4顯示了實(shí)測(cè)的散裝和薄膜tec的負(fù)載線,這里再次計(jì)算以說(shuō)明其尺寸性能差異。在這種情況下,δt除以獲得該溫差的厚度,q除以獲得該熱量的面積。換句話說(shuō),縱軸代表了該裝置在其厚度上能夠控制的溫度梯度,橫軸表示該裝置在該區(qū)域上產(chǎn)生的功率密度。表1總結(jié)了散裝和薄膜tec的完整對(duì)比。

    

    

    表1:傳統(tǒng)tec和薄膜tec的室溫性能比較。

    

    圖4中的對(duì)比描述了由薄膜tec提供的一種新的運(yùn)行機(jī)制。在冷卻模式下,薄膜熱電裝置提供了空前的能量密度汲取能力(q/面積)和非凡的溫度梯度(δt/h)。同樣,在發(fā)電模式下這些裝置也達(dá)到了無(wú)以倫比的性能特征。

    

    

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