一种高性能半导体热电元件的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高性能半导体热电元件，包括P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片、绝缘陶瓷板和导线。其中，在上下两块绝缘陶瓷板中间填充有绝热密封材料，绝热密封材料充满P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片及两块绝缘陶瓷板之间的间隙。本实用新型提出的这种高性能半导体热电元件既保留了热电元件结构简单，无需工质，噪音小，启动迅速的优点。通过在半导体热电元件内部填充绝热密封材料，提高了元件的热电转换效率，克服了现有半导体热电元件效率低的问题，可极大的提高半导体热电元件的实际应用潜力，具有热电转换效率高，密封可靠，结构强度高的优点。
【专利说明】一种高性能半导体热电元件
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高性能半导体热电元件，属于能源利用的直接式热电转换【技术领域】。
【背景技术】
[0002]如图1所示，现有的半导体热电元件主要由P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片、绝缘陶瓷板、侧面有机硅密封胶(图中未画出)和导线组成。
[0003]现有半导体热电元件的工作原理是:当热电元件的一面受热形成热端时，半导体与铜片接触的二端产生温度差。由于半导体具有显著的塞贝克效应，半导体与铜片接触的二端产生电压。如果将负载接入导线，与热电元件形成闭合电路，在电路内将形成电流，因而热电元件将热端吸收的热能直接转换成电能。
[0004]半导体热电元件还可以实现制冷功能，其工作原理是:将直流电接入热电元件的导线，当电流流过半导体与铜片的接触处时，由于半导体的帕尔贴效应，它与铜片接触的一端温度升高，成为热端，另一端温度降低，成为冷端。冷端可用于降低温度的制冷过程，这时的热电元件通常称为半导体制冷器。
[0005]半导体热电元件虽然具有结构简单，无需工质，噪音小、启动迅速等优点，但相对于传统的热力发电或蒸汽压缩制冷等热电转换过程，半导体热电转换的效率很低。这种热电转换方式在绝大多数情况下没有实用性，只能应用于一些特殊的场合。
[0006]导致半导体热电元件热电转换效率低的一个重要原因是热端通过元件内部向冷端的传热过程。该传热过程对于热电转换过程降低了冷热端温差，使得热电转换效率下降；对于制冷过程，向冷端的传热直接导致冷端可以对外输出的冷量变小，从而制冷系数下降。因此，减少热端向冷端的传热是提高热电转换效率的重要方法。
[0007]热端向冷端的传热可以通过二种途径:1.通过半导体热电臂的导热。这种传热途径早就被认识到，并受到很多研究。通过热电臂的导热是热电元件工作时的伴随过程，是不可避免的。2.通过内部空间的传热。这种传热可分为二个方面，即内部空间中空气的自然对流传热和热表面向冷表面的福射传热。由于热电兀件工作时热端和冷端的温度差可达几十度甚至上百度，因此热端通过这种途径向冷端的传热量是很大的，通过技术手段可以减少这一途径的传热量。
[0008]现有的半导体热电元件没有对上述的第2种传热途径进行控制，是造成热电转换效率低的主要原因之一。
[0009]为了防止外界异物(如灰尘等)进入热电元件内部，造成电路短路，特别是对于半导体制冷器，还需要防止空气中的水蒸汽在冷端凝结的危害。为此现有的半导体热电元件在侧面使用有机硅胶进行密封。但是在热电元件冷热端巨大的温差作用下，经过长时间的反复工作，有机硅胶的密封存在失效的可能。因此有必要寻找对热电元件进行更可靠的密封方法。
[0010]为了有利于热电元件与外界进行高效传热，需要在绝缘陶瓷板上安装传热元件，如散热器。为了消除散热器与绝缘陶瓷板间的接触热阻，需要对二者的接触面施加极大的压力，这一压力也被施加于陶瓷绝缘板和半导体热电臂上。在热电元件内部存在大量空间的情况下，会形成受力面受力不均的情况，可能对绝缘陶瓷板和热电臂形成机械破坏。因此需要对热电元件受力面的受力状态进行改善，以提高受力面的机械安全性。
【发明内容】
[0011]为了克服现有半导体热电元件热电转换效率低，消除有机硅胶密封失效造成电路短路的可能，以及提高热电元件受力面的机械安全性，本实用新型提供一种高性能半导体热电元件，目的是通过在半导体热电元件内部空间填充绝热密封材料，消除元件内部的自然对流传热和辐射传热，提高热电转换效率。绝热密封材料同时还为半导体热电元件提供可靠的一体化密封，并使受力面形成均匀的受力状态，提高机械安全性。
[0012]本实用新型采用的技术方案如下:
[0013]一种高性能半导体热电元件，包括P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片、绝缘陶瓷板和导线，在两块绝缘陶瓷板之间，填充有绝热密封材料，绝热密封材料充满P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片及绝缘陶瓷板之间的空间。
[0014]进一步地，所述绝热密封材料为硬泡聚氨酯。
[0015]这种高性能半导体热电元件的工作原理为:当热电元件用于将热端吸收的热能转换成电能时，元件两端由于吸热产生温度差，半导体热电臂在温度差作用下，由于赛贝克效应而在热端和冷端间形成电压，从而将热能转变成电能。元件内填充的绝热密封材料阻止热端通过自然对流和热辐射向冷端传热，提高了热端和冷端的温差，因而可以显著提高元件的热电转换效率。
[0016]当元件用于将电能转变成热能时，由导线接入直流电，电流流过半导体热电臂时，由于帕尔贴效应而使热电臂一端温度升高，另一端温度下降，温度低的一端可以用于制冷。元件内安装的绝热密封材料减少了热端向冷端的传热，从而冷端可以对外输出更多的冷量，制冷系数增加。
[0017]本实用新型的高性能半导体热电元件由于在元件内部填充了绝热密封材料，相比于现有半导体热电元件，具有以下优点:
[0018]1.采用硬泡聚氨酯作为绝热密封材料，由于硬泡聚氨酯的热导率最高仅为
0.022ff/(m.K)，因此填充的硬泡聚氨酯不仅消除了热端向冷端的自然对流传热和辐射传热，而且通过硬泡聚氨酯的导热量也非常小，这些都可以显著提高元件的热电转换效率。
[0019]2.采用高压无气喷涂发泡技术制造硬泡聚氨酯，通过这种技术在热电元件内部填充的硬泡聚氨酯具有闭孔率高(大于95%)，含水率小(小于1%)的特点，从而保证形成的硬泡聚氨酯具有极低的热导率。由于向表面喷涂的液体物料具有极高的流动性和渗透性，因而形成的硬泡聚氨酯与表面产生牢固的粘结，粘结强度超过硬泡聚氨酯本身的撕裂强度。因此，硬泡聚氨酯与元件内部表面连成一体，对元件内部形成一体化密封，使得内部电路与外界彻底隔绝。这种密封方式不仅可以提高热电元件密封的可靠性，还可以省去热电元件制造过程中粘涂密封胶的工艺过程。
[0020]3.硬泡聚氨酯的抗压强度在600kPa以上，半导体热电元件内部填充了这种高抗压强度的绝热密封材料后，使得绝缘陶瓷板的受力成为均匀受力状态，并且减轻了对半导体热电臂的压力，从而提高半导体热电元件的机械安全性。
[0021]4.本实用新型提出的这种高性能半导体热电元件既保留了热电元件结构简单，无需工质，噪音小，启动迅速的优点，通过在元件内部填充硬泡聚氨酯，提高了元件的热电转换效率，克服了现有半导体热电元件效率低的问题，可极大的提高半导体热电元件的实际应用潜力。同时还提高了热电元件的密封可靠性，增强了受力部件的机械安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是现有半导体热电元件结构示意图；
[0023]图2是本实用新型一种高性能半导体热电元件结构示意图；
[0024]图3是图2的A-A向剖面图。
[0025]图中，1-P型半导体热电臂，2-N型半导体热电臂，3-铜片，4-绝缘陶瓷板，5_绝热密封材料，6-导线,7-热端,8-冷端。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0027]现有半导体热电元件具有结构简单，无需运行工质，噪音小，启动迅速的优点,但也存在热电转换效率低，有机硅胶存在密封失效的风险，以及绝缘陶瓷板受力不均匀、半导体热电臂承受巨大压力的缺点。
[0028]结合附图2和附图3，本实用新型一种高性能半导体热电元件主要包括P型半导体I (热电臂)、N型半导体2 (热电臂)、铜片3、绝缘陶瓷板4、绝热密封材料5和导线6。绝热密封材料5填充在两块绝缘陶瓷板4中间，填满P型半导体1、N型半导体2及铜片3之间的间隙。
[0029]当绝缘陶瓷板4 一端吸收热量时，半导体热电臂在温差作用下在导线6 二端产生电压，从而实现将热能转变成电能。或者当导线6接入直流电时，半导体热电臂二端形成温度差，温度低的冷端可以用于制冷过程。元件内填充的绝热密封材料消除了热端通过内部空间向冷端进行自然对流传热和辐射传热，对于热电转换过程增加了热端和冷端的温差，使得热电转换效率提高。对于制冷过程减少了热端向冷端的传热量，增加了冷端对外输出的制冷量，提高了制冷系数。
[0030]半导体热电元件内部填充绝热密封材料5后，由于绝热密封材料5与热电臂、铜片及绝缘陶瓷板紧密结合,对元件内部空间形成一体化密封。绝热材料5对热电元件内部电路的密封不仅安全可靠，而且可以省去现有半导体热电元件制造中在侧面粘涂有机硅密封胶的工艺过程。
[0031]本实用新型采用的绝热密封材料具有极高的抗压强度，当其填充满元件内部空间后，可对绝缘陶瓷板，热电臂等受力面进行有效的机械保护，增强了半导体热电元件的机械安全性。
[0032]实现本实用新型可以采用的一个具体方法如下:
[0033]1、将P型半导体1、N型半导体2、铜片3和导线6按电路规则进行焊接，形成预备件。
[0034]2、将两块绝缘陶瓷板固定于预备件的两端[0035]3、将四块档板固定于预备件的四个侧面。其中一块档板预留二个小孔，从而可以穿过二根导线。四块档板在适当的位置开一个适当大小的孔，作为向预备件内部喷入硬泡聚氨酯胶体料的喷口。
[0036]4、使用四支高压喷涂枪同时将硬泡聚氨酯黑白料胶体通过档板的四个小孔喷进预备件内部。硬泡聚氨酯采用高压无气喷涂发泡技术制造。
[0037]5.使用与档板相同材质的圆板填补档板上的小孔。
[0038]通过以上程序所描述的制作方法，内部具有绝热密封材料的高性能半导体热电元件即加工完成。对热电元件的一端输入热量，在导线两端即可产生电压。或者将直流电接入导线，在热电元件的一端即能产生低温。
[0039]具有绝热密封材料的高性能半导体热电元件的工作原理是:依赖于半导体较强的赛贝克效应和帕尔贴效应，热电元件可以将热能直接转换成电能，或将电能转换成热能对外输出。热电元件内部填充的绝热密封材料则阻止了元件热端7向冷端8的自然对流传热和辐射传热，可显著提高热电转换效率。
[0040]绝热密封材料与热电元件内部表面具有牢固的粘结，从而对内部电路形成一体化密封，是一种可靠的密封方式。具有极高抗压强度的绝热密封材料还可以使绝缘陶瓷板的受力更加均匀，减轻对热电臂的压力，提高受力元件的机械安全性。
【权利要求】
1.一种高性能半导体热电元件，包括P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片、绝缘陶瓷板和导线，其特征在于，在两块绝缘陶瓷板之间，填充有绝热密封材料，绝热密封材料充满P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片及两块绝缘陶瓷板之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的一种高性能半导体热电元件，其特征在于，所述绝热密封材料为硬泡聚氨酯。
【文档编号】H01L35/02GK203746912SQ201420107635
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】张百强, 张景, 周菲, 张奕 申请人:南京师范大学