一種高性能半導體熱電元件的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種高性能半導體熱電元件，包括P型半導體熱電臂、N型半導體熱電臂、銅片、絕緣陶瓷板和導線。其中，在上下兩塊絕緣陶瓷板中間填充有絕熱密封材料，絕熱密封材料充滿P型半導體熱電臂、N型半導體熱電臂、銅片及兩塊絕緣陶瓷板之間的間隙。本實用新型提出的這種高性能半導體熱電元件既保留了熱電元件結(jié)構(gòu)簡單，無需工質(zhì)，噪音小，啟動迅速的優(yōu)點。通過在半導體熱電元件內(nèi)部填充絕熱密封材料，提高了元件的熱電轉(zhuǎn)換效率，克服了現(xiàn)有半導體熱電元件效率低的問題，可極大的提高半導體熱電元件的實際應用潛力，具有熱電轉(zhuǎn)換效率高，密封可靠，結(jié)構(gòu)強度高的優(yōu)點。
【專利說明】一種高性能半導體熱電元件
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種高性能半導體熱電元件，屬于能源利用的直接式熱電轉(zhuǎn)換【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖1所示，現(xiàn)有的半導體熱電元件主要由P型半導體熱電臂、N型半導體熱電臂、銅片、絕緣陶瓷板、側(cè)面有機硅密封膠(圖中未畫出)和導線組成。
[0003]現(xiàn)有半導體熱電元件的工作原理是:當熱電元件的一面受熱形成熱端時，半導體與銅片接觸的二端產(chǎn)生溫度差。由于半導體具有顯著的塞貝克效應，半導體與銅片接觸的二端產(chǎn)生電壓。如果將負載接入導線，與熱電元件形成閉合電路，在電路內(nèi)將形成電流，因而熱電元件將熱端吸收的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能。
[0004]半導體熱電元件還可以實現(xiàn)制冷功能，其工作原理是:將直流電接入熱電元件的導線，當電流流過半導體與銅片的接觸處時，由于半導體的帕爾貼效應，它與銅片接觸的一端溫度升高，成為熱端，另一端溫度降低，成為冷端。冷端可用于降低溫度的制冷過程，這時的熱電元件通常稱為半導體制冷器。
[0005]半導體熱電元件雖然具有結(jié)構(gòu)簡單，無需工質(zhì)，噪音小、啟動迅速等優(yōu)點，但相對于傳統(tǒng)的熱力發(fā)電或蒸汽壓縮制冷等熱電轉(zhuǎn)換過程，半導體熱電轉(zhuǎn)換的效率很低。這種熱電轉(zhuǎn)換方式在絕大多數(shù)情況下沒有實用性，只能應用于一些特殊的場合。
[0006]導致半導體熱電元件熱電轉(zhuǎn)換效率低的一個重要原因是熱端通過元件內(nèi)部向冷端的傳熱過程。該傳熱過程對于熱電轉(zhuǎn)換過程降低了冷熱端溫差，使得熱電轉(zhuǎn)換效率下降；對于制冷過程，向冷端的傳熱直接導致冷端可以對外輸出的冷量變小，從而制冷系數(shù)下降。因此，減少熱端向冷端的傳熱是提高熱電轉(zhuǎn)換效率的重要方法。
[0007]熱端向冷端的傳熱可以通過二種途徑:1.通過半導體熱電臂的導熱。這種傳熱途徑早就被認識到，并受到很多研究。通過熱電臂的導熱是熱電元件工作時的伴隨過程，是不可避免的。2.通過內(nèi)部空間的傳熱。這種傳熱可分為二個方面，即內(nèi)部空間中空氣的自然對流傳熱和熱表面向冷表面的福射傳熱。由于熱電兀件工作時熱端和冷端的溫度差可達幾十度甚至上百度，因此熱端通過這種途徑向冷端的傳熱量是很大的，通過技術(shù)手段可以減少這一途徑的傳熱量。
[0008]現(xiàn)有的半導體熱電元件沒有對上述的第2種傳熱途徑進行控制，是造成熱電轉(zhuǎn)換效率低的主要原因之一。
[0009]為了防止外界異物(如灰塵等)進入熱電元件內(nèi)部，造成電路短路，特別是對于半導體制冷器，還需要防止空氣中的水蒸汽在冷端凝結(jié)的危害。為此現(xiàn)有的半導體熱電元件在側(cè)面使用有機硅膠進行密封。但是在熱電元件冷熱端巨大的溫差作用下，經(jīng)過長時間的反復工作，有機硅膠的密封存在失效的可能。因此有必要尋找對熱電元件進行更可靠的密封方法。
[0010]為了有利于熱電元件與外界進行高效傳熱，需要在絕緣陶瓷板上安裝傳熱元件，如散熱器。為了消除散熱器與絕緣陶瓷板間的接觸熱阻，需要對二者的接觸面施加極大的壓力，這一壓力也被施加于陶瓷絕緣板和半導體熱電臂上。在熱電元件內(nèi)部存在大量空間的情況下，會形成受力面受力不均的情況，可能對絕緣陶瓷板和熱電臂形成機械破壞。因此需要對熱電元件受力面的受力狀態(tài)進行改善，以提高受力面的機械安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了克服現(xiàn)有半導體熱電元件熱電轉(zhuǎn)換效率低，消除有機硅膠密封失效造成電路短路的可能，以及提高熱電元件受力面的機械安全性，本實用新型提供一種高性能半導體熱電元件，目的是通過在半導體熱電元件內(nèi)部空間填充絕熱密封材料，消除元件內(nèi)部的自然對流傳熱和輻射傳熱，提高熱電轉(zhuǎn)換效率。絕熱密封材料同時還為半導體熱電元件提供可靠的一體化密封，并使受力面形成均勻的受力狀態(tài)，提高機械安全性。
[0012]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0013]一種高性能半導體熱電元件，包括P型半導體熱電臂、N型半導體熱電臂、銅片、絕緣陶瓷板和導線，在兩塊絕緣陶瓷板之間，填充有絕熱密封材料，絕熱密封材料充滿P型半導體熱電臂、N型半導體熱電臂、銅片及絕緣陶瓷板之間的空間。
[0014]進一步地，所述絕熱密封材料為硬泡聚氨酯。
[0015]這種高性能半導體熱電元件的工作原理為:當熱電元件用于將熱端吸收的熱能轉(zhuǎn)換成電能時，元件兩端由于吸熱產(chǎn)生溫度差，半導體熱電臂在溫度差作用下，由于賽貝克效應而在熱端和冷端間形成電壓，從而將熱能轉(zhuǎn)變成電能。元件內(nèi)填充的絕熱密封材料阻止熱端通過自然對流和熱輻射向冷端傳熱，提高了熱端和冷端的溫差，因而可以顯著提高元件的熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0016]當元件用于將電能轉(zhuǎn)變成熱能時，由導線接入直流電，電流流過半導體熱電臂時，由于帕爾貼效應而使熱電臂一端溫度升高，另一端溫度下降，溫度低的一端可以用于制冷。元件內(nèi)安裝的絕熱密封材料減少了熱端向冷端的傳熱，從而冷端可以對外輸出更多的冷量，制冷系數(shù)增加。
[0017]本實用新型的高性能半導體熱電元件由于在元件內(nèi)部填充了絕熱密封材料，相比于現(xiàn)有半導體熱電元件，具有以下優(yōu)點:
[0018]1.采用硬泡聚氨酯作為絕熱密封材料，由于硬泡聚氨酯的熱導率最高僅為
0.022ff/(m.K)，因此填充的硬泡聚氨酯不僅消除了熱端向冷端的自然對流傳熱和輻射傳熱，而且通過硬泡聚氨酯的導熱量也非常小，這些都可以顯著提高元件的熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0019]2.采用高壓無氣噴涂發(fā)泡技術(shù)制造硬泡聚氨酯，通過這種技術(shù)在熱電元件內(nèi)部填充的硬泡聚氨酯具有閉孔率高(大于95%)，含水率小(小于1%)的特點，從而保證形成的硬泡聚氨酯具有極低的熱導率。由于向表面噴涂的液體物料具有極高的流動性和滲透性，因而形成的硬泡聚氨酯與表面產(chǎn)生牢固的粘結(jié)，粘結(jié)強度超過硬泡聚氨酯本身的撕裂強度。因此，硬泡聚氨酯與元件內(nèi)部表面連成一體，對元件內(nèi)部形成一體化密封，使得內(nèi)部電路與外界徹底隔絕。這種密封方式不僅可以提高熱電元件密封的可靠性，還可以省去熱電元件制造過程中粘涂密封膠的工藝過程。
[0020]3.硬泡聚氨酯的抗壓強度在600kPa以上，半導體熱電元件內(nèi)部填充了這種高抗壓強度的絕熱密封材料后，使得絕緣陶瓷板的受力成為均勻受力狀態(tài)，并且減輕了對半導體熱電臂的壓力，從而提高半導體熱電元件的機械安全性。
[0021]4.本實用新型提出的這種高性能半導體熱電元件既保留了熱電元件結(jié)構(gòu)簡單，無需工質(zhì)，噪音小，啟動迅速的優(yōu)點，通過在元件內(nèi)部填充硬泡聚氨酯，提高了元件的熱電轉(zhuǎn)換效率，克服了現(xiàn)有半導體熱電元件效率低的問題，可極大的提高半導體熱電元件的實際應用潛力。同時還提高了熱電元件的密封可靠性，增強了受力部件的機械安全性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是現(xiàn)有半導體熱電元件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本實用新型一種高性能半導體熱電元件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是圖2的A-A向剖面圖。
[0025]圖中，1-P型半導體熱電臂，2-N型半導體熱電臂，3-銅片，4-絕緣陶瓷板，5_絕熱密封材料，6-導線,7-熱端,8-冷端。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0027]現(xiàn)有半導體熱電元件具有結(jié)構(gòu)簡單，無需運行工質(zhì)，噪音小，啟動迅速的優(yōu)點,但也存在熱電轉(zhuǎn)換效率低，有機硅膠存在密封失效的風險，以及絕緣陶瓷板受力不均勻、半導體熱電臂承受巨大壓力的缺點。
[0028]結(jié)合附圖2和附圖3，本實用新型一種高性能半導體熱電元件主要包括P型半導體I (熱電臂)、N型半導體2 (熱電臂)、銅片3、絕緣陶瓷板4、絕熱密封材料5和導線6。絕熱密封材料5填充在兩塊絕緣陶瓷板4中間，填滿P型半導體1、N型半導體2及銅片3之間的間隙。
[0029]當絕緣陶瓷板4 一端吸收熱量時，半導體熱電臂在溫差作用下在導線6 二端產(chǎn)生電壓，從而實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)變成電能?；蛘弋攲Ь€6接入直流電時，半導體熱電臂二端形成溫度差，溫度低的冷端可以用于制冷過程。元件內(nèi)填充的絕熱密封材料消除了熱端通過內(nèi)部空間向冷端進行自然對流傳熱和輻射傳熱，對于熱電轉(zhuǎn)換過程增加了熱端和冷端的溫差，使得熱電轉(zhuǎn)換效率提高。對于制冷過程減少了熱端向冷端的傳熱量，增加了冷端對外輸出的制冷量，提高了制冷系數(shù)。
[0030]半導體熱電元件內(nèi)部填充絕熱密封材料5后，由于絕熱密封材料5與熱電臂、銅片及絕緣陶瓷板緊密結(jié)合,對元件內(nèi)部空間形成一體化密封。絕熱材料5對熱電元件內(nèi)部電路的密封不僅安全可靠，而且可以省去現(xiàn)有半導體熱電元件制造中在側(cè)面粘涂有機硅密封膠的工藝過程。
[0031]本實用新型采用的絕熱密封材料具有極高的抗壓強度，當其填充滿元件內(nèi)部空間后，可對絕緣陶瓷板，熱電臂等受力面進行有效的機械保護，增強了半導體熱電元件的機械安全性。
[0032]實現(xiàn)本實用新型可以采用的一個具體方法如下:
[0033]1、將P型半導體1、N型半導體2、銅片3和導線6按電路規(guī)則進行焊接，形成預備件。
[0034]2、將兩塊絕緣陶瓷板固定于預備件的兩端[0035]3、將四塊檔板固定于預備件的四個側(cè)面。其中一塊檔板預留二個小孔，從而可以穿過二根導線。四塊檔板在適當?shù)奈恢瞄_一個適當大小的孔，作為向預備件內(nèi)部噴入硬泡聚氨酯膠體料的噴口。
[0036]4、使用四支高壓噴涂槍同時將硬泡聚氨酯黑白料膠體通過檔板的四個小孔噴進預備件內(nèi)部。硬泡聚氨酯采用高壓無氣噴涂發(fā)泡技術(shù)制造。
[0037]5.使用與檔板相同材質(zhì)的圓板填補檔板上的小孔。
[0038]通過以上程序所描述的制作方法，內(nèi)部具有絕熱密封材料的高性能半導體熱電元件即加工完成。對熱電元件的一端輸入熱量，在導線兩端即可產(chǎn)生電壓?；蛘邔⒅绷麟娊尤雽Ь€，在熱電元件的一端即能產(chǎn)生低溫。
[0039]具有絕熱密封材料的高性能半導體熱電元件的工作原理是:依賴于半導體較強的賽貝克效應和帕爾貼效應，熱電元件可以將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成熱能對外輸出。熱電元件內(nèi)部填充的絕熱密封材料則阻止了元件熱端7向冷端8的自然對流傳熱和輻射傳熱，可顯著提高熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0040]絕熱密封材料與熱電元件內(nèi)部表面具有牢固的粘結(jié)，從而對內(nèi)部電路形成一體化密封，是一種可靠的密封方式。具有極高抗壓強度的絕熱密封材料還可以使絕緣陶瓷板的受力更加均勻，減輕對熱電臂的壓力，提高受力元件的機械安全性。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能半導體熱電元件，包括P型半導體熱電臂、N型半導體熱電臂、銅片、絕緣陶瓷板和導線，其特征在于，在兩塊絕緣陶瓷板之間，填充有絕熱密封材料，絕熱密封材料充滿P型半導體熱電臂、N型半導體熱電臂、銅片及兩塊絕緣陶瓷板之間的間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能半導體熱電元件，其特征在于，所述絕熱密封材料為硬泡聚氨酯。
【文檔編號】H01L35/02GK203746912SQ201420107635
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】張百強, 張景, 周菲, 張奕 申請人:南京師范大學