一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件的制作方法

本实用新型专利涉及一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件。

背景技术：

半导体制冷器件与发电器件利用帕尔贴(Peltier)效应及塞贝克 (Seebeck)效应实现制冷、制热及发电。传统的半导体制冷器件与发电器件，一般是采用边距为1.5～2mm的半导体粒子，将粒子与氧化铝陶瓷基板上的铜导流片钎焊焊接，之后再在陶瓷基板外侧设置散热器，使其实现制冷、制热及发电的应用化。此外，在上述单级半导体制冷器件的基础上，也可以将两层或多层的导流片及半导体粒子通过陶瓷基板叠加，构成传统的双级或多级半导体制冷器件。

传统的半导体制冷器件与发电器件存在较多的弊端：上述粒子一般采用区域熔炼方法或布里奇曼方法制备，粒子为取向性明显的单晶材料，其内部受较弱的范德华力影响，机械强度较低，加工及使用过程中容易产生破裂；其次，半导体制冷器件正常工作时，其输入电功率一般不超过120W，否则粒子发热严重容易导致器件内部的钎焊焊接点失效，限制了其在大功率工况及较高温度工况下的应用；另一方面，陶瓷基板的机械强度低，安装及使用过程中容易产生开裂，导致制冷器件与发电器件失效；同时，陶瓷基板一般为氧化铝基材料，导热系数仅有20～30W/(mK)，且陶瓷基板通过导热硅脂与散热器连接，大大增加了传热热阻，降低制冷器件与发电器件的散热效果，进而限制了制冷器件与发电器件的效率。对于传统双级或多级半导体制冷器件，随级数的增加，各级内半导体粒子的间距基本一致，其数量及所分布的面积逐渐减小，使其呈现金字塔形状，不利于各级间的均匀快速传热，其内部容易产生局部的热量累积，进而降低了双级或多级半导体制冷器件的制冷效率。

技术实现要素：

本专利的目的是克服现有技术的不足，而提供一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件。

针对上述目的，本实用新型专利采用以下技术方案：

一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件，其特征在于包括半导体粒子1、铜导流片2、铜导线3和导热绝缘涂层；半导体粒子1按一定规则排列，半导体粒子1两两之间通过铜导流片2串联连接，两端的铜导流片 2上分别设置有铜导线3，铜导流片2的外侧喷涂一层导热绝缘涂层。

如上所述的一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件，其特征在于所述半导体粒子1采用粉末冶金方法一步成型制备，截面为直径4～9mm的圆形或4～8mm×4～8mm的方形，高度根据半导体制冷器件与发电器件的温差要求而定，一般为0.6～3.0mm，为常规半导体热电材料、纳米材料或稀土掺杂热电材料。

如上所述的一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件，其特征在于所述半导体粒子1与铜导流片2之间、铜导流片2与铜导线3之间采用钎焊焊接。

如上所述的一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件，其特征在于所述半导体粒子1之间及外侧填充聚氨酯材料进行固定。

如上所述的一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件，其特征在于所述导热绝缘涂层为纳米氮化铝、氧化铝、氮化硼等材料。

如上所述的一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件，其特征在于所述半导体制冷器件包括单级、双级及多级形式，所述半导体发电器件为单级形式。

本实用新型专利的有益效果有：

1.本专利通过采用较高导热系数的导热绝缘涂层，去掉传统的低导热系数、低机械强度的氧化铝陶瓷基板，减小传热热阻，提高了制冷器件与发电器件的制冷、制热效率及发电效率，同时提高了器件的可靠性；

2.本专利采用粉末冶金方法一步成型制备大颗粒的半导体粒子，简化粒子切割加工工艺，提高材料的利用率及粒子的机械强度，进一步提高制冷器件与发电器件的可靠性；

3.本专利采用大颗粒的半导体粒子，大大增加了粒子的截面尺寸，降低单个半导体制冷器件的阻值，使其正常工作时所能承受的最大输入电功率也明显提高，有利于所述制冷器件在大功率工况下的应用；

4.本专利设置双级或多级半导体制冷器件的每一级半导体粒子分布的面积基本相似，有利于各级之间的均匀快速传热，解决局部热量累积的问题，改善双级或多级半导体制冷器件的制冷效率。

【附图说明】

图1是一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件的单级结构示意图。

图2是一种效率较高的半导体制冷器件的双级结构示意图。

符号说明：1—半导体粒子；2—铜导流片；3—铜导线；4—氧化铝陶瓷板。

【具体实施方式】

下面结合附图与实施例对本专利作详细说明：

实施例一：如图1所示，一种效率较高的半导体制冷器件与发电器件的单级结构，由一层两边相对的铜导流片2及之间的半导体粒子1构成单级半导体制冷器件与发电器件；半导体粒子1按规则排列，半导体粒子1 两两之间通过铜导流片2串联连接，铜导流片2的外侧喷涂一层导热绝缘涂层。

所述半导体粒子1与铜导流片2之间、铜导流片2与铜导线3之间采用锡钎焊焊接。

所述半导体粒子1采用机械合金化结合放电等离子体烧结这一粉末冶金工艺直接一步成型。

所述半导体粒子1为纳米掺杂碲化铋基材料，所述粒子为直径4mm的圆形，高度为1.5mm的圆柱体。

所述半导体粒子1之间及外侧填充聚氨酯材料进行固定。

所述导热绝缘涂层为纳米氮化铝材料。

本专利通过采用较高导热系数的导热绝缘涂层，去掉传统的低导热系数、低机械强度的氧化铝陶瓷基板，减小传热热阻，提高了制冷器件与发电器件的制冷、制热效率及发电效率，同时提高了制冷器件与发电器件的可靠性；采用粉末冶金方法制备大颗粒的半导体粒子，简化粒子切割加工工艺，提高材料的利用率及粒子的机械强度，进一步提高制冷器件与发电器件的可靠性；另外，采用大颗粒的半导体粒子，大大降低单个半导体制冷器件的阻值，使其正常工作时所能承受的最大输入电功率也大幅提高，有利于所述制冷器件在大功率工况下的应用。

实施例二：如图2所示，一种效率较高的半导体制冷器件的双级结构，将两层两边相对的铜导流片2及之间的半导体粒子1通过氧化铝陶瓷板4 叠加，构成双级半导体制冷器件；所述双级半导体制冷器件的半导体粒子 1按规则排列，半导体粒子1两两之间通过铜导流片2串联连接，铜导流片2的外侧喷涂一层导热绝缘涂层。

所述半导体粒子1与铜导流片2之间、铜导流片2与铜导线3之间采用锡钎焊焊接。

所述半导体粒子1采用机械合金化结合热压烧结这一粉末冶金工艺直接一步成型。

所述半导体粒子1为稀土掺杂碲化铋基材料，所述粒子为截面 6mm×6mm，高度为2.0mm的长方体。

所述半导体粒子1之间及外侧填充聚氨酯材料进行固定。

所述导热绝缘涂层为纳米氧化铝材料。

此外，更优的，调整所述双级半导体制冷器件的第二级内半导体粒子 1的间距以及铜导流片2的长度，以使两级内半导体粒子分布的面积基本相似。

本专利通过采用较高导热系数的导热绝缘涂层，去掉传统器件两端的低导热系数、低机械强度的氧化铝陶瓷基板，大大减小传热热阻，提高了制冷器件的制冷效率，并且提高了制冷器件的可靠性；采用粉末冶金方法一步成型制备大颗粒的半导体粒子，简化粒子切割加工工艺，提高粒子的机械强度，进一步提高制冷器件的可靠性；另外，采用大颗粒的半导体粒子，大大降低单个半导体制冷器件的阻值，使其正常工作时所能承受的最大输入电功率也大幅提高，有利于所述双级制冷器件在大功率工况下的应用；同时，设置双级半导体制冷器件的每一级半导体粒子分布的面积基本相似，有利于两级之间的均匀快速传热，不产生热量累积的问题，改善双级半导体制冷器件的制冷效率。

上述所述仅为本实用新型的其中两个实施例，并不限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原理上做任何修改、改进和替换等，均受本实用新型专利的保护。