外置極板式半導(dǎo)體熱電元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體熱電元件，具體涉及一種外置極板式半導(dǎo)體熱電元件，屬于能源利用的直接式熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換模塊主要由半導(dǎo)體熱電元件、冷卻端散熱器和風(fēng)扇組成；而半導(dǎo)體熱電元件由P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、極板和陶瓷板組成，其使用“三明治”夾心式結(jié)構(gòu)，最外層是二塊陶瓷板，二塊陶瓷板內(nèi)側(cè)布置有極板，中心的P型和N型半導(dǎo)體熱電臂與這些極板相連接(如圖1、2所示)。但是這種結(jié)構(gòu)存在極板與半導(dǎo)體焊接難度大、極板需要在陶瓷板上進(jìn)行固定，陶瓷板的熱阻以及夾心式結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳熱使半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換效率下降等缺點(diǎn)。
[0003]半導(dǎo)體熱電模塊的工作原理如下:當(dāng)熱電模塊的加熱端受到加熱形成熱端，冷卻端被冷卻形成冷端時(shí)，熱電元件的二端產(chǎn)生溫度差；由于半導(dǎo)體具有較顯著的塞貝克效應(yīng)，半導(dǎo)體與極板接觸的二端產(chǎn)生電壓。如果將負(fù)載與熱電元件形成閉合電路，在電路內(nèi)將形成電流，因而熱電元件將熱端吸收的熱能轉(zhuǎn)換成電能。
[0004]現(xiàn)有的半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換元件雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需工質(zhì)、噪音小、啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于傳統(tǒng)的熱力發(fā)電等熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程，其熱電轉(zhuǎn)換的效率很低，所以這種熱電轉(zhuǎn)換方式在絕大多數(shù)情況下沒(méi)有實(shí)用性，只能應(yīng)用于一些特殊的場(chǎng)合。其中，導(dǎo)致半導(dǎo)體熱電元件熱電轉(zhuǎn)換效率低的重要原因是元件內(nèi)部存在熱端向冷端的傳熱以及所用兩個(gè)陶瓷板的熱阻。因?yàn)榘雽?dǎo)體冷熱端溫差越大，其熱電轉(zhuǎn)換效率越高；但以上因素降低了冷熱端溫差，使得熱電轉(zhuǎn)換效率下降，所以減少熱端向冷端的傳熱以及降低陶瓷板熱阻是提高半導(dǎo)體冷熱端溫差，從而提高熱電轉(zhuǎn)換效率的重要手段。
[0005]半導(dǎo)體熱電元件熱端向冷端的傳熱可以通過(guò)以下途徑進(jìn)行:1)通過(guò)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的導(dǎo)熱，這種傳熱途徑是熱電模塊工作時(shí)的伴隨過(guò)程，是不可避免的。2)通過(guò)內(nèi)部空間的傳熱，這種途徑的傳熱可分為兩個(gè)方面，即內(nèi)部空間中空氣的自然對(duì)流傳熱和熱表面向冷表面的輻射傳熱，由于熱電元件工作時(shí)熱端和冷端的溫度差可能達(dá)到幾十度甚至數(shù)百度，因此熱端通過(guò)這種途徑向冷端的傳熱是很大的，通過(guò)技術(shù)手段可以減少通過(guò)這一途徑的傳熱量。
[0006]陶瓷板的熱阻為導(dǎo)熱熱阻，使得熱電元件的冷熱端工作溫度與熱源及冷源間存在溫差，使得熱電元件冷熱端溫差下降，降低了熱電轉(zhuǎn)換效率；該熱阻在現(xiàn)有熱電元件結(jié)構(gòu)中是不可避免的，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改革，可以減小該熱阻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有熱電元件熱電轉(zhuǎn)換效率低及半導(dǎo)體熱電臂與極板安裝焊接困難等缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種外置極板式半導(dǎo)體熱電元件，不但增加了半導(dǎo)體熱電元件的冷熱端溫差，提高了熱電轉(zhuǎn)換效率，而且還具有安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]外置極板式半導(dǎo)體熱電元件，包括極板、P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和保溫絕緣基底，所述保溫絕緣基底位于熱電元件的加熱端和冷卻端的中間，并填滿P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間的空隙；所述P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和極板固定在保溫絕緣基底上，其中極板位于保溫絕緣基底的外側(cè)。
[0010]所述保溫絕緣基底上設(shè)有安裝所述P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的安裝孔。
[0011]進(jìn)一步地，所述保溫絕緣基底的材料為硬質(zhì)聚氨酯泡沫。
[0012]所述冷卻端側(cè)的極板上有電絕緣涂層，所述加熱端側(cè)的極板上沒(méi)有電絕緣涂層。
[0013]進(jìn)一步地，所述電絕緣涂層的材料為氧化鋁陶瓷。
[0014]所述冷卻端安裝有散熱器。
[0015]本發(fā)明保留了熱電元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需工質(zhì)、噪音小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)熱電元件的“三明治”夾心式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了徹底改革，將保溫絕緣基底材料放在熱電元件的中間，將極板置于最外側(cè)，這種結(jié)構(gòu)可使得熱電元件的組裝更為方便，并且消除了兩塊陶瓷板的熱阻和內(nèi)部傳熱，可使得熱電轉(zhuǎn)換效率得到提高；具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016]I)無(wú)絕緣陶瓷板，消除了陶瓷板的導(dǎo)熱熱阻，增大了元件的冷熱端溫差，提高熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0017]2)保溫絕緣基底位于熱電元件加熱端和冷卻端中間，可以消除加熱端向冷卻端的對(duì)流傳熱和輻射傳熱，可增大加熱端和冷卻端的溫差，提高熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0018]3)保溫絕緣基底上開(kāi)設(shè)有半導(dǎo)體的熱電臂定位安裝孔，可方便半導(dǎo)體熱電臂的定位和安裝，及半導(dǎo)體與極板的焊接，提高熱電元件的生產(chǎn)效率。
[0019]4)極板位于熱電元件的外側(cè)，可以直接與熱源和冷源進(jìn)行熱量交換，從而提高熱電元件工作溫差，提高熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0020]5)熱電元件冷卻端的極板具有電絕緣涂層，從而冷卻端散熱器可以與極板直接接觸安裝，增強(qiáng)冷卻端的散熱；加熱端極板沒(méi)有涂層，有利于極板從熱源吸收熱量。
[0021]6)電絕緣涂層使用的氧化鋁陶瓷是很好的電絕緣材料，同時(shí)還具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可使涂層的熱阻很小，有利于極板向散熱器的傳熱。
[0022]總之，本發(fā)明具有熱電轉(zhuǎn)換效率高、安裝制造方便、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，可改變目前由于熱電元件制造安裝困難和熱電轉(zhuǎn)換效率低而導(dǎo)致的應(yīng)用領(lǐng)域受限的局面。我國(guó)是世界上最大的熱電元件生產(chǎn)國(guó)，本發(fā)明提出的新型結(jié)構(gòu)熱電元件可擴(kuò)大熱電元件的應(yīng)用范圍，提高熱電元件的銷量，具有良好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是現(xiàn)有半導(dǎo)體熱電模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是現(xiàn)有半導(dǎo)體熱電元件的結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0025]圖3是本發(fā)明外置極板式半導(dǎo)體熱電元件的結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0026]圖4是本發(fā)明外置極板式半導(dǎo)體熱電元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5是本發(fā)明的冷卻端極板及電絕緣涂層的示意圖；
[0028]其中，1-半導(dǎo)體熱電元件，2-風(fēng)扇，3-冷卻端散熱器，4-陶瓷板，5-極板，5a-冷卻端極板、5b-加熱端極板，6-P型半導(dǎo)體，7-N型半導(dǎo)體，8-加熱端，9-空氣，10-保溫絕緣基底，11電絕緣涂層，12-導(dǎo)線。
【具體實(shí)施方式】