一种半导体低温热开关的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及低温热开关领域，具体是一种半导体低温热开关。
【背景技术】
[0002]在低温技术中，经常需要被冷对象可以从4K、20K或77Κ等低温到室温的连续温控。要将被冷对象冷却到低温时，就需要冷源与被冷对象有很好地热连接，实现热开关的“开”的状态。但要将被冷对象温度升高时，又需要将冷源与被冷对象热隔断，即实现热开关“关”的状态，这样既不影响冷源的温度，又可以以较少的加热功率将被冷对象升到所需的温度。当采用液氦、液氢或者液氮等作为冷源时，热开关“关”时，可以显著减少低温液体的消耗。若冷源采用低温制冷机的冷头时，可不必调节冷头温度或停机复温，减少了低温制冷机的操作及耗时。作为低温应用下的热开关应具有很高的可靠性和较短的响应时间。
[0003]目前，常用的低温热开关，主要有机械式、气体间隙式、超导式、形状记忆合金式、热管式等低温热开关。机械式热开关需要外界驱动力，因而可靠性不高；气体间隙式热开关，需要在两个导热片之间充气和抽气来实现，抽气时间直接关系到热开关的响应时间，同时装置本身复杂；超导式热开关成本较高；形状记忆合金式热开关，结构要求严格对称，对加工精度要求很高；热管式热开关通常响应时间很长。
[0004]半导体制冷技术是基于半导体的珀尔贴效应，利用两种不同金属所构成的闭合回路存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。珀尔贴效应是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变。随着半导体技术的发展，半导体制冷技术如今已日臻成熟，已被应用在众多的领域。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种半导体低温热开关，通过输入电流的方向，来实现热开关的开、关状态。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种半导体低温热开关，其特征在于:包括半导体制冷片，半导体制冷片两侧表面分别连接有热沉，其中一侧热沉作为冷端热沉与冷源接触或连接，另一侧热沉作为热端热沉与被冷对象接触或连接，所述半导体制冷片上还连接有导线，导线从半导体制冷片未连接热沉的侧面引出，通过半导体制冷片实现热通道的开和关的状态。
[0007]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:每侧热沉与半导体制冷片对应侧表面之间通过导热系数小或热桥经特殊处理的螺栓固定连接，也可以采用传热小的其他方式固定连接。
[0008]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:所述的半导体制冷片的表面与对应的热沉之间分别涂有利于导热的低温胶，或压有铟片，或者压有低温下导热优良的其他材料。
[0009]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:所述的半导体制冷片可以为单级制冷片，也可以采用多级半导体制冷片或多个单级制冷片叠加形式。
[0010]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉由低温下导热好的金属或合金材料制成，优选紫铜材料。
[0011]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉可以根据对应的冷源和被冷对象的形状，做成相应匹配的形状。
[0012]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉可分别对应与冷源、被冷对象连接为一体。
[0013]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉上除了与半导体制冷片接触的位置，以及用于与冷源和被冷对象连接的位置外，其他位置上还可以添加绝热材料、或者贴防辐射材料、或者镂空，从而在热开关的关的状态减少热传递。
[0014]所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:每侧热沉上还分别可布有温度测量点。
[0015]本发明的工作原理是:低温热开关在“开”的状态时，半导体制冷片3的热端热沉2与冷源接触，冷端热沉4与被冷对象相连，通电后冷源的冷量通过热开关源源不断到达被冷对象。由于珀尔贴效应，被冷对象可以获得比冷源的更低的温度，被冷对象的温度可以通过改变半导体制冷片的电压或电流来调节。当热开关需要“关”时，只需切断电源，待两个热沉温度相同时，通相反方向的电流，半导体制冷片的冷、热端则自动互换。在半导体制冷片相连的热沉4则由冷端变为热端，在其加热下原来的被冷对象的温度将高于冷源的温度，冷源向被冷对象的热传递通道被切断。半导体制冷片所消耗的电能，与热沉2从冷源吸收的热量一起，从温度较低的冷源传递给温度较高的被冷对象，因而半导体制冷片也充当了加热(复温)装置的作用。
[0016]本发明的优点为:结构简单，安全可靠，操作方便，成本低廉，响应及时，可实现自动化控制。热开关开时，热传递效率高，并且被冷对象可获得比冷源更低的温度；热开关关时，还能充当加热(复温)装置的角色。
【附图说明】
[0017]图1为本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]参见图1所示，一种半导体低温热开关，包括半导体制冷片3，半导体制冷片3两侧表面分别连接有热沉2、4，其中一侧热沉2作为冷端热沉与冷源接触或连接，另一侧热沉4作为热端热沉与被冷对象接触或连接，半导体制冷片3上还连接有导线1，导线1从半导体制冷片3未连接热沉的侧面引出，通过半导体制冷片3实现热通道的开和关的状态。
[0019]每侧热沉2、4与半导体制冷片3对应侧表面之间通过导热系数小或热桥经特殊处理的螺栓固定连接，也可以采用传热小的其他方式固定连接。
[0020]半导体制冷片3的表面与对应的热沉之间分别涂有利于导热的低温胶，或压有铟片，或者压有低温下导热优良的其他材料。
[0021]半导体制冷片3可以为单级制冷片，也可以采用多级半导体制冷片或多个单级制冷片叠加形式。
[0022]两热沉2、4由低温下导热好的金属或合金材料制成，优选紫铜材料。
[0023]两热沉2、4可以根据对应的冷源和被冷对象的形状，做成相应匹配的形状。
[0024]两热沉2、4可分别对应与冷源、被冷对象连接为一体。
[0025]两热沉2、4上除了与半导体制冷片3接触的位置，以及用于与冷源和被冷对象连接的位置外，其他位置上还可以添加绝热材料、或者贴防辐射材料、或者镂空，从而在热开关的关的状态减少热传递。
[0026]每侧热沉上还分别可布有温度测量点。
[0027]本发明的工作方式如下:低温热开关在“开”的状态时，热沉2与冷源接触，热沉4与被冷对象相连，半导体制冷片3通电后冷源的冷量通过热开关源源不断到达被冷对象。由于珀尔贴效应，被冷对象可以获得比冷源的更低的温度，被冷对象获得的温度可以通过改变半导体制冷片的电压或电流来调节。
[0028]当热开关需要“关”时，只需切断电源，待两个热沉温度相同时，通相反方向的电流，半导体制冷片的冷、热端则自动互换。在半导体制冷片相连的热沉4的加热下，原来的“被冷对象”的温度将高于冷源的温度，冷源向被冷对象的热传递通道被切断。半导体制冷片3所消耗的电能，与热沉2从冷源吸收的热量一起，从温度较低的冷源传递给温度较高的“被冷对象”，因而半导体制冷片也充当了加热(复温)装置的作用。
[0029]尽管上文对本发明的【具体实施方式】通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和权利要求所记载的范围。
【主权项】
1.一种半导体低温热开关，其特征在于:包括半导体制冷片，半导体制冷片两侧表面分别连接有热沉，其中一侧热沉作为冷端热沉与冷源接触或连接，另一侧热沉作为热端热沉与被冷对象接触或连接，所述半导体制冷片上还连接有导线，导线从半导体制冷片未连接热沉的侧面引出，通过半导体制冷片实现热通道的开和关的状态。2.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:每侧热沉与半导体制冷片对应侧表面之间通过导热系数小或热桥经特殊处理的螺栓固定连接，也可以采用传热小的其他方式固定连接。3.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:所述的半导体制冷片的表面与对应的热沉之间分别涂有利于导热的低温胶，或压有铟片，或者压有低温下导热优良的其他材料。4.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:所述的半导体制冷片可以为单级制冷片，也可以采用多级半导体制冷片或多个单级制冷片叠加形式。5.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉由低温下导热好的金属或合金材料制成，优选紫铜材料。6.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉可以根据对应的冷源和被冷对象的形状，做成相应匹配的形状。7.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉可分别对应与冷源、被冷对象连接为一体。8.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:两热沉上除了与半导体制冷片接触的位置，以及用于与冷源和被冷对象连接的位置外，其他位置上还可以添加绝热材料、或者贴防辐射材料、或者镂空，从而在热开关的关的状态减少热传递。9.根据权利要求1所述的一种半导体低温热开关，其特征在于:每侧热沉上还分别可布有温度测量点。
【专利摘要】本发明公开了一种利用半导体制冷片来控制低温下热量的传递方向通和断的半导体低温热开关，包括分别与冷源、被冷对象相连的两个热沉；两个热沉之间固定了一个与其热接触良好的半导体制冷片。本发明基于半导体的珀尔贴效应，通过改变半导体制冷片的电流方向，来实现热开关的“开”“关”功能。该低温热开关结构简单，操作方便，响应及时。热开关“开”时，热传递效率高，并且被冷对象可获得比冷源更低的温度；热开关“关”时，还能充当加热（复温）装置的角色。
【IPC分类】H01H37/72
【公开号】CN105428153
【申请号】CN201510810101
【发明人】冯汉升, 朱志刚, 庄明
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月19日