专利名称：复合半导体温差致冷器的制作方法
技术领域：
本发明是一种半导体与良导热体复合起来作为元件形成的温差电器件为冷源的致冷装置。
目前，在世界上民用高效率制冷产品均以压缩机通过制冷工质(压缩蒸发式)作为其冷源，由于制冷工质氟里昂生产和使用中避不可免的逸漏已严重破坏了保护人类生存的臭氧原，引起各国的极大重视，如何替代压缩机，去除制冷工质便成为制冷产品中亟待解决的技术课题。
现有的半导体温差制冷技术未能达到替代压缩机，去除制冷工质的水平，主要原因在于如下因素在结构优化上未得到很好的解决1.半导体(碲化铋为主要成份)PN电对元件的电子流载热量大小，在材料一定的情况下，载热量大小与元件截面积呈递增关系;2.半导体PN电对元件的电子流载热传输速度，该速度与元件长度呈递减关系;3.半导体PN电对元件热端面与冷端面的温差大小，该温差大小与元件长度呈递增关系;4.上百对或数百对半导体PN电对串联起来形成的温差电器件的热密度的分布的状况，该分布与PN元件之间的间距，PN电对之间的间距及PN元件热端面冷端面之间的间距有关，一般说来，越能满足元件之间、电对之间、冷热端面之间的绝热间距，对电器件热密度分布越有利;5.与温差电器件热端热密度分布相适应的散热器吸收的热量的排放速度。即这五个因素之间相互制约，具体地讲，在增大因素1时，在保证有上百对或数百对PN电对和PN元件，PN电对之间的距离的前提下，势必导致温差电器件两端面面积的增大，两端面积增大时，对温差电器件分别与吸热器与散热器(都是良导热、电体)连接时则需大面积的绝缘导热层，防止PN电对之间短路，现有的半导体温差电器件绝缘导热材料通常采用整体刚体性的金属化的高致密度的氧化铝陶瓷片(0.6-0.7mm厚)，在保证平整度＊不大于正负0.01mm的条件下，面积最大只能做到25cm2，若满足因素4中PN元件及上百对PN电对之间的间距的合理实现，那么，绝缘导热层的面积至少要在25cm2基础上扩大30倍，这对制造是不可能的，因此制约了因素1的增加和因素4合理化的实现，在加快因素2时，则需减少PN元件的长度，这样又造成对因素3和因素4两端面合理间距的实现的制约;反之，增大因素3时，又造成对因素2的制约，结果造成因素1-4的相互迁就，一直没有优化出可以广泛应用的半导体温差电器件合理结构，在通上直流电时，整个温差电器件热分布不合理，即不仅电器件两端面温差不大，而且在电器件内部存在相当程度的热交换，再加之现采用的风冷散热器是既不能与温差电器件热端热密度分布相适应又不能达到热量排放速度的要求，或者顾此失彼，进一步加深因素1-4之间的制约，最终结果是温差电器件在实际使用时温差降低，产冷量降低，远远未能达到其理论制冷效率(80%)，其目前最高效率与压缩蒸发式制冷效率相比差距甚远，同时受环境温度的制约，在环境温度超过＊注因同时用该陶瓷片把上百对串联起来的半导体PN电对夹在中间起固定作用使之能成为一个定型的整体。
25℃时，基本上丧失致冷能力，造成电能的浪费，半导体温差致冷采用水循环冷却散热脱离不开水源，除造成水源的浪费外，不能形成易于移动和携带的独立产品。上述说明，目前半导体温差致冷技术水平无法与压缩蒸发式制冷相比拟，因而未能广泛应用在致冷产品中。
鉴于现有技术解决制(致)冷产品存在不足。本发明提出一种优化最合理的，可以广泛应用的复合半导体温差电器件结构，采用金属焊接一体化的风冷散热器，能够在环境温度10℃至35℃范围内使上述五个因素之间相互增益，并能接近半导体温差致冷效率理论值的并以此为冷源形成独立的致冷器，达到节约电能，避免水源浪费，替代压缩蒸发式制冷产品的冷源的目的。
本发明的特点和内容是1.构成电对元件的PN是由复合材料构成的，即在两层半导体材料之间通过截面对截面的钎焊夹有金属良导热层，这样复合层叠的结果可在加长PN元件两端面间距数倍的情况下，热阻反而比单纯的半导体构成的PN元件小，由此能满足因素2和因素3的要求，同时也为满足因素4(端面之间的绝热间距)打下基础;2.上百对或数百对串联起来的复合半导体PN电对形成复合半导体温差电器件的热端面和冷端面分别与散热器和吸热器连接时，不是通过整体的绝缘导热层，而是仅在PN电对的热端面和冷端面上通过柔性绝缘导热脂膜实现的，脂膜只要达到覆盖一个PN电对所需面积即可，可比整体绝缘导热层面积缩小百倍以上，该脂膜以绝缘导热薄膜为基膜，在基膜上均匀布有孔道，在基膜两面均匀涂布导热脂，导热脂可通过孔道，可具有比金属化高密度的氧化铝陶瓷更好的绝缘导热效果，当上百或数百对PN电对串联起来形成温差电器件时，用该脂膜温差电器件两端面积不受绝缘导热层的制约，可充分满足因素1所需的截面积要求，同时也为满足因素4(PN元件之间，PN电对之间的绝热间距)提供充分的条件;3.上百或数百对复合半导体PN电对按所需形状串联起来后，除热端面和冷端面外，其余表面经过绝缘绝热材料固定成型并与外界空气隔绝，便形成与外界密封绝热的复合半导体温差电器件。由上述1.2.3.特点构成的复合半导体温差电器件，当通上所需的直流电流时，仅在器件两端面存在足够温差，其余各表面均不存在热交换，能够形成足够热密度和热传输速度的定向热流，是一种最合理的热密度分布的状态。此外，复合半导体温差电器件能制造成各种形态并为其热、冷端面分别与散热器、吸热器依所需压力进行连接构成复合半导体温差致冷器时，提供了易于完全吻合的组装条件。4.依复合半导体温差电器件热端面的形状，用2至4mm厚的紫铜板制成相应形状的散热母板，散热母板可以是一个，直接形成所需形状，可以是多个，通过拼合形成所需形状，用0.1至0.5厚的紫铜片制成所需高度和长度的散热翅片，散热翅片的底折面需长于散热母板，通过模具用钎焊的方式把散热翅片的底折面与散热母板的表面结合在一起，形成金属一体化的风冷散热器。散热翅片在散热母板上是依复合半导体温差电器件热端面的热密度分布和热量的排放速度要求排布的，也由此来决定散热翅片在散热母板上的数量、角度、间隔距离，当放射状排列时，散热翅片之间夹角在1至5度之间选择，当平行排列时，散热翅片之间的间隔距离在1至4mm之间选择。每隔10至20片散热翅片便留有一个允许过桥通过的连接道，以便散热器与其它部件的连接。由于散热母板不同，当母板为一个时，散热器可直接应用无需拼装，当散热母板多个时，散热器经过拼装达到所需形状后应用。
以下结合附图
和两个实施例，说明本发明具体结构及工作原理。
图(1)为复合半导体PN元件及PN电对连接的局部截面示意图。
图(2)为复合半导体PN元件及PN电对连接的局部立体示意图。
图(3)为复合半导体温差致冷器一型立体结构示意图。
图(4)为复合半导体温差致冷器二型立体结构示意图。
将良导热体紫铜材料〔1〕分别夹在半导体PN〔2〕元件中，通过截面钎焊形成复合半导体PN元件，可为圆柱体或长方体状，其长度能够达到有足够的绝热间距〔H〕，用两端为半圆中间为方形或长方形的紫铜片〔3〕通过截面钎焊将PN元件形成电对，PN元件、PN电对之间有足够绝热的间距〔S〕。在PN电对上覆盖着稍比〔3〕面积大的柔性绝缘导热脂膜〔4〕，其基膜〔5〕由导热性好的绝缘材料(例如未经烧结的电子陶瓷薄膜等)制成，基膜上均匀布有孔道〔6〕，在基膜两面均匀涂布导热脂〔7〕，导热脂可通过孔道。将100多或数百对复合半导体PN电对按所需形状串联起来后，除热端面〔8〕和冷端面〔9〕外，其余表面经过绝缘绝热材料(例如聚胺脂发泡)〔10〕固定成型并与外界空气隔绝，便形成密封绝热的复合半导体温差电器件〔11〕。
一型复合半导体温差电器件为圆形，与其相适应的散热母板〔12〕及散热器〔13〕也是图形，可由一个圆形或2个半园形或由两个以上等分扇形厚度为2至4mm的紫铜板〔14〕拼合成园形。0.1至0.5mm厚的紫铜片制的散热翅片〔15〕通过模具用钎焊的方式把散热翅片的底折面〔16〕与散热母板的外表面结合在一起，形成金属一体化的风冷散热器。放射状排布的散热翅片之间的夹角〔17〕在1至5度之间，致冷温度低的型号夹角小，以便增加散热翅片的数量，也就是在散热翅片规格一定时，增大了散热总面积。致冷温度高的型号夹角大，也就是相应地节省了散热翅片。过桥〔18〕每隔10至20片散热翅片的间隙中穿过。由于复合半导体温差电器件为圆形，相应的吸热器〔19〕也是圆形，吸热器镶嵌在由塑料制成的连接板〔20〕上，连接板上有连接螺栓〔21〕，将圆形或等分扇形散热器拼装并用其内表面与电器件热端面吻合，将吸热器外表面与电器件冷端面吻合，通过连接螺栓穿过过桥两端的孔，用螺母紧固到所需压力为至。这便构成一型复合半导体温差致冷器。一型致冷器的散热器上连有轴流风机。
二型复合半导体温差电器件为方形，与其相适应的散热母板〔12〕及散热器〔13〕也是方形，可由一个(或若干个)厚度为2至4mm的紫铜板直接(或经拼合)成形。0.1至0.5mm厚的紫铜片制的散热翅片〔15〕通过模具用钎焊的方式把散热翅片的底折面〔16〕与散热母板的外表面结合在一起，形成金属一体化的风冷散热器。平行排布的散热翅片之间的间距〔17〕1至4mm之间，随型号不同而不同。过桥〔18〕每隔20至30片散热翅片的间隙中穿过。由于复合半导体温差器件为方形，相应的吸热器〔19〕也是方形，吸热器镶嵌在由塑料制成的连接板〔20〕上，连接板上有连接螺栓〔21〕，将一个(或若干个)方形散热器(拼装)用其内表面与电器件热端面吻合，将吸热器外表面与电器件冷端面吻合，通过连接螺栓穿过过桥两端的孔，用螺母紧固到所需压力为至，这便构成二型复合半导体温差致冷器。二型致冷器有的型号装有风机，有的型号不装有风机。
根据电器件形状不同，还可制成其它各种型复合半导体温差致冷器。
当通上直流电流时，由于复合元件P中电流方向与热流方向相同，在元件N中电流方向与热流方向相反，便形成靠近散热器一端的PN电对吸收夹层良导热体中的热量经脂膜传输给散热器，靠近吸热器一端的PN电对经脂膜吸收了吸热器的热量并传输给夹层良导热体，这过程热阻极小，夹层良导热体便起到“热容传输”作用，结果导致了在复合半导体PN电对两端面产生温差。由于上百或数百对串联起来的复合半导体PN电对除两端面外其余皆处在密封绝热中，因此，只在电器件两端面存在温差，其它部位没有热交换，于是便形成吸热器从被致冷物中吸收热量→脂膜→传输给半导体PN电对冷端面→在载热电子流推动下→夹层良导热体的“热容传输”→再次通过载热电子流推动→复合半导体PN电对热端面→脂膜→最后传输给散热器→通过平行风(风机)进行热交换或通过与外界空气对流进行热交换，构成“电子热泵”式的致冷器。
在被致冷物逐渐降温的过程中，半导体PN电对中的电阻值逐渐变化，其电阻可以作为反馈信号进行自动控制，即随电阻值的大小调节供给的直流电流的大小，通过电流又可以调节致冷速度和致冷温度，最后平衡在选定的温度上，实现自动控制，可以大幅度降低能耗，提高电能转化率。
本发明由于能优化出一种最合理的复合半导体温差致冷电器件的结构，并用此为冷源所形成的致冷器具有耗电省，简单可靠，不怕倒置，易于搬运，适应环境的能力强，成本低，易实现自动控制，因此可以广泛作为冷饮机、电冰箱、制冰机、冰激凌机、空调机的机芯。另外，也可以根据特殊需要制造特殊的致冷机。
权利要求
1.本发明提出一种复合半导体温差电器件作为致冷器的冷源。构成复合半导体温差电器件的PN元件是在每两层半导体材料之间通过截面对截面的钎焊夹有金原良导热体层起热容传输作用。在复合半导体温差电器件的两端面上通过仅覆盖PN电对的柔性绝缘导热脂膜来实现与吸热器和散热器连接，脂膜布有孔道。复合半导体温差电器件除两端面外，其余表面经过绝缘绝热材料固定成形并与外界空气隔绝，是密封绝热的。由复合半导体温差电器件的形状决定散热器的形状，散热翅片的底折面通过钎焊与散热母板结合，是金属一体化散热器。
2.一型致冷器是圆形，散热翅片呈放射状排布，其夹角在1至5度之间。二型致冰器是方形，散热翅片呈平行排列，其间距为1至4mm。
全文摘要
复合半导体温差致冷器其特征是在每两层半导体材料之间通过截面对截面的钎焊夹有金属良导热体层起热容传输作用，当上百或数百对复合半导体PN电对串联起来通过绝缘绝热材料固定成型，通过绝缘导热脂膜实现与吸热器和散热器的吻合，并由此构成的致冷器可以取代中、小型压缩蒸发式制冷机。一型为圆形，二型为方形，也可以根据需要制成特殊型。
文档编号H01L35/26GK1051242SQ8910804
公开日1991年5月8日 申请日期1989年10月27日 优先权日1989年10月27日
发明者吴鸿平, 王颖儒 申请人:吴鸿平, 王颖儒