[发明专利]复合半导体温差致冷器

说明书

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。