专利名称：一种多级半导体复叠制冷元件及制冷热电堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制冷元件及其组合而成的制冷热电堆，特别涉及 一种多级半导体复叠制冷元件及其组合而成的制冷热电堆。
背景技术：
半导体制冷元件(如半导体制冷片)具有结构简单、紧凑并能快速降温 等特点，广泛应用于商业、电子、医疗、军事和航空航天等领域的制冷器件中。通常单级半导体制冷元件可以产生的最大制冷温差在7crc左右。半导体 制冷的主要缺点是它的制冷性能系数低，这主要是由于目前的热电材料的优 值系数本身不大所造成的。在采用单级电偶制冷的半导体制冷元件中，随着 制冷温度(冷端温度)的降低，制冷性能系数会显著降低。因此，在目前缺 少更好的热电材料情况下，通过改进半导体制冷元件的结构设计来提高半导 体制冷性能系数也就成为这一技术领域中重要的研究发展方向之一。研究表 明，在一般单级半导体制冷元件应用的制冷温度范围内，如果釆用多级半导 体制冷元件则可以提高半导体制冷性能系数，特别是在较低的制冷温度时， 改善情况更为显著。为获得更大的制冷温差， 一般用串联、并联及串并联的 方法组成多级制冷元件。由于半导体制冷元件散热量远大于制冷量，目前多 级半导体制冷元件的结构型式多采用宝塔式，每一级中的制冷电偶臂长度相 同，而高温级的制冷电偶数目要比低温级大得多或电偶臂的截面积更大。然 而，在这种宝塔式结构中，当电路连接采用串联型时，级与级之间需要一层电绝缘导热层，增加了附加传热热阻；虽然可采用并联型电路连接，级与级之间无需电绝缘导热层，但宝塔式结构的本身也会造成较大的漏热损失。总 而言之，宝塔式多级半导体制冷元件的制冷性能实质性提高会受到一定程度的限制。 发明内容针对现有宝塔式结构的多级半导体制冷元件所存在的上述缺陷或不足， 本发明的目的在于提供一种基于非等长电偶臂的多级半导体复叠制冷元件。 为提高半导体制冷元件的制冷性能，本发明的另一目的是提供用该多级半导 体复叠制冷元件组成的一种制冷热电堆。本发明实现上述目的的技术解决方案是一种多级半导体复叠制冷元件，由第一级至第N级制冷电偶叠合而成， 每一级制冷电偶由P型半导体和n型半导体成对组成，第一级制冷电偶上部 冷端设置有连接片连接冷端导热板，第N级制冷电偶下部热端设置有热端连 接片连接热端导热板，其特征在于，所述每一级制冷电偶的截面相同，而电偶臂的长度由第一级至第N级逐级减小；各级制冷电偶叠面之间设置有电偶连接片，使制冷电偶级与级之间并联电连接和串联热连接。以上方案中，所述第N级的N为2-8，最好为2-4。所述的连接片为铜片 或银片。一种用上述多级半导体复叠制冷元件组成的制冷热电堆，其特征在于， 包括多个冷端导热板和热端导热板分别水平连成一体的多级半导体复叠制冷 元件，各复叠制冷元件的制冷电偶之间由热端连接片串联连接后通过导线连 接直流电源。本发明的多级半导体复叠制冷元件及其构成的制冷热电堆整体结构型式 相对简单，制造成本增加不多，相比于常规宝塔型的多级制冷元件，由于在 制冷电偶中采用了非等长电偶臂多级复叠结构方式，级与级之间无电绝缘层， 减少了级间附加传热热阻以及漏热损失，因此能有效提高多级制冷元件及热 电堆的制冷性能。同时，制冷电偶中级与级之间为并联电路连接，而各复叠 制冷元件之间为串联电路连接，整个热电堆只需一对电缆线接头，因此从未来的应用上看，本发明多级半导体复叠制冷元件及制冷热电堆使用非常方便。 具有明显的优势。
图1是本发明多级半导体复叠制冷元件的结构示意图。图2是图1半导体复叠制冷元件组成一种热电堆的结构示意图。 图l、图2中1、 n型半导体；2、冷端导热板；3、 p型半导体；4、电 偶臂；5、电偶连接片；6、热端连接片；7、热端导热板；8、导线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，多级半导体复叠制冷元件由第1级至第N级制冷电偶复叠 而成，N可以根据制冷温度要求选定在2至8，每一级制冷电偶由p型半导体 3和n型半导体1成对组成，相邻两级之间的制冷电偶截面相同，热联接和 电联接都是通过相同的电偶连接片(铜片或银片)5实现；第1级制冷电偶 上部冷端的P型和n型半导体3、 1与电偶连接片5串联地焊接在一起，其电 偶臂4设置一定长度hl;与第1级制冷电偶冷端连接的连接片5连接有电绝 缘的冷端导热板2。第2级的p型和n型半导体3、 1与连接片5也串联地焊 接在一起并同时与第1级的电偶臂4也焊接在一起；第3级到第N级均采用 上述连接方式；第N级制冷电偶下部热端设置有两块热端连接片6分别连接 该制冷电偶的P型半导体3和n型半导体1，并与电绝缘的热端导热板7连 接。半导体材料采用目前商用的基于Bi2Te3的固熔体合金。电绝缘导热板2、 7采用表面金属化的氮化硼陶瓷板、氧化铍或氧化铝陶瓷板，厚度为0. 5-1. 0 ,。每级电偶臂4的长度自上而下是按一定规律逐级减小的，以保证相邻两 级之间的热平衡，即上一级的热端放出的热量全部被下一级的冷端所吸收。这是因为半导体制冷理论的基本公式表明在其它条件不变情况下， 一对半 导体制冷元件构成的热电偶的制冷量随着电偶臂长度的减小而增大；每级电 偶臂4长度按一定规律逐级减小是在保证相邻两级之间的热平衡以及电压平 衡条件下，按最佳制冷性能系数情况下设定，并对应地供给相应的工作电流 Ii (i=l、 2…、n)。一个具体的实施例是采用3级级半导体复叠制冷元件，其每级制冷电偶 电偶臂(n型或p型)截面积为X-6x6 mm2，第1级电偶臂4的长& hl为 4. 2mm，第2级电偶臂4的长度h2为2. 9 mm,第3级电偶臂4的长度h3为2. 0 mm，以等比例规律逐级减小。电绝缘导热板2、 7采用表面金属化的氧化铝陶 瓷板，厚度为l.O mm。所形成的半导体复叠制冷元件为方形。如图2所示， 一种制冷热电堆包括多个(如12个或16个)图l所示的 多级半导体复叠制冷元件，各复叠制冷元件最后一级制冷电偶的热端之间由 热端连接片6串联连接后通过导线8连接直流电源E。各复叠制冷元件经适 当组合连接构成正方形或长方形的热电堆，它们的冷端连接片5、热端连接 片6分别与电绝缘导热板2和电绝缘导热板7焊接水平连成一体，以固定住 热电堆。冷端导热板2上装上吸热器，热端导热板7下装上散热器，则可构 成实用的半导体制冷器件。
权利要求
1.一种多级半导体复叠制冷元件，由第一级至第N级制冷电偶叠合而成，每一级制冷电偶由p型半导体和n型半导体成对组成，第一级制冷电偶上部冷端设置有连接片连接冷端导热板，第N级制冷电偶下部热端设置有热端连接片连接热端导热板，其特征在于，所述每一级制冷电偶的截面相同，而电偶臂的长度由第一级至第N级逐级减小；各级制冷电偶叠面之间设置有电偶连接片，使制冷电偶级与级之间并联电连接和串联热连接。
2. 如权利要求1所述的多级半导体复叠制冷元件，其特征在于，所述第 N级的N为2-8，最好为2-4。
3. 如权利要求1或2所述的多级半导体复叠制冷元件，其特征在于，所 述的连接片为铜片或银片。
4. 一种用权利要求1所述多级半导体复叠制冷元件组成的制冷热电堆， 其特征在于，包括多个冷端导热板和热端导热板分别水平连成一体的多级半 导体复叠制冷元件，各复叠制冷元件的制冷电偶之间由热端连接片串联连接 后通过导线连接直流电源。
全文摘要
本发明公开了一种多级半导体复叠制冷元件及制冷热电堆，多级半导体复叠制冷元件由第一级至第N级制冷电偶复叠而成，每一级制冷电偶由p型半导体和n型半导体成对组成，第一级制冷电偶上部冷端设置有连接片连接冷端导热板，第N级制冷电偶下部热端设置有热端连接片连接热端导热板，其特征在于，所述每一级制冷电偶的截面相同，而电偶臂的长度由第一级至第N级逐级减小；各级制冷电偶叠面之间设置有连接片，使制冷电偶级与级之间并联电连接和串联热连接。由于在制冷电偶中采用了非等长电偶臂多级复叠结构方式，级与级之间无电绝缘层，减少了级间附加传热热阻以及漏热损失，因此能有效提高多级制冷元件及热电堆的制冷性能。
文档编号H01L35/32GK101246947SQ20081001757
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月29日 优先权日2008年2月29日
发明者鱼剑琳 申请人:西安交通大学