CN102901265B - 一种半导体制冷的吸附式装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体制冷的吸附式装置。本发明包括制冷机构和待降温密室，制冷机构包括半导体制冷片、第一密封圈、密封塞、连接线、圆环；半导体制冷片有镶嵌结构，第一密封圈的部分镶嵌在半导体制冷片上；圆环通过焊接固定在半导体制冷片侧面，并通过连接线与密封塞连接；第一密封圈上开有一个通气孔，密封塞插入通气孔内，并与第一密封圈紧密配合；待降温密室包括光滑平板、空腔、绝热层；空腔是绝热层与光滑平板共同包围形成的；空腔通过光滑平板与外界产生热交换。本发明半导体制冷片不必与待制冷平面紧密贴合，降低了贴合技术的操作难度，且吸气、进气方便，吸附力可控性强。

Description

一种半导体制冷的吸附式装置

技术领域

本发明属于半导体制冷或制热领域，具体涉及一种半导体制冷的吸附式装置。

背景技术

传统空调制冷技术包括：蒸汽压缩式循环、吸收式制冷循环两种技术。蒸汽压缩式空调系统具有较高的制冷系数和较强的制冷、制热能力，但这种系统所使用的制冷剂CFCs，对臭氧层有活多或少的破坏，且运行时噪音很大，体积大，窗式空调尤为明显。吸收式空调系统的COP值中等，具有废热再利用及再生热的优点，但这种系统体积较大。以上技术都适用于功率要求大、空间大等场合，相对而言，半导体制冷技术可以用于微小结构的制冷、无噪声、空间小的情况。因此，半导体制冷技术具有特殊的用途。

半导体制冷片的工作原理主要为珀尔帖效应。珀尔帖效应揭示了一种电路系统的自然现象，即，二种不同金属组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象。半导体制冷片利用P-N结具有较强的吸热和放热现象，产生一种局部制冷技术。半导体制冷片具有潜在的巨大应用价值，能够对电路结构等微结构进行降温，起到一个微型空调的作用。

半导体制冷技术的实施是通过半导体制冷片的冷端与待降温物体的一个平面贴合，将该物体的热量通过两个紧密贴合的平面带走，从而降低物体的温度。为了贴合两个平面，需要一些粘结剂等媒介进行固定，增加了设计的复杂性、不可控性。若贴合平面有一定的曲率，则增加了贴合难度。事实上，在一些应用中，没必要用粘结剂将半导体制冷片的冷端与待降温物体贴合，甚至，不希望两个表面贴合。因此，在很多应用中，人们期待新型的半导体制冷装置来克服这些弊端、减少技术实施上的困难。

这里，公布一种半导体制冷的吸附式装置，它避免了上述问题，具有很好的实用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种半导体制冷的吸附式装置。一种不用满足传统半导体制冷片必须与制冷平面贴合的要求，就可以制冷（制热）的装置。

本发明包括制冷机构和待降温密室，具体包括半导体制冷片、空气腔、第一密封圈、光滑平板、空腔、绝热层、密封塞、连接线、圆环。

制冷机构包括半导体制冷片、第一密封圈、密封塞、连接线、圆环；半导体制冷片有镶嵌结构，第一密封圈的部分镶嵌在半导体制冷片上；圆环通过焊接固定在半导体制冷片侧面，并通过连接线与密封塞连接；第一密封圈上开有一个通气孔，密封塞插入通气孔内，并与第一密封圈紧密配合，防止漏气。

待降温密室包括光滑平板、空腔、绝热层；空腔是绝热层与光滑平板共同包围形成的空腔；光滑平板起到热传导的作用，空腔通过光滑平板与外界产生热交换。

所述的绝热层的横截面为U型。

制冷机构作用于待降温密室的过程如下：

将密封塞从第一密封圈的通气孔中拔出后，将整个制冷机构置于待制冷密室的光滑平板上面，形成空气腔。对半导体制冷片上表面施加微小的压力，产生弹性变形，使空气腔少量气体排出腔外。此时，将密封塞塞入第一密封圈的通气孔中，防止空气腔外的气体进入腔内。这样，空气腔内压强P1小于大气压强P0，产生压强差，从而将制冷机构贴附于待制冷密室的光滑平板上。空气腔内压强P1不受密室内压强P2影响。当半导体制冷片工作时，空气腔内的热量被半导体制冷片吸走，空气腔内温度T1降低。同时，半导体制冷片热端的热量消散于大气中，在局域范围内，导致大气温度T0升高。当空气腔内温度T1持续下降，最终降低到小于空腔内的温度T2的时候，空腔内的热量将通过具有一定导热功能的光滑平板传递到空气腔内，导致空腔温度T2的降低。因此，制冷机构能够降低密室的温度。

当制冷结束后，可以对半导体制冷片施加微小的压力，降低大气压强P0与空气腔内压强P1的差值，然后，拔出密封塞，大气中的气体通过第一密封圈的通气孔进入空气腔中，从而分离制冷机构与待降温密室。

所述的第一密封圈由橡胶弹性材料制成。

所述的P0表示为大气压强，P1为空气腔内压强，P2为空腔内压强，T0为空气中温度，T1为空气腔内温度，T2为空腔的温度。

半导体制冷片由多层结构组成，具体包括散热片、第一导热板、第一电绝缘导热层、第一连接片、P型半导体、N型半导体、第二连接片、第二电绝缘导热层、第二导热板；电流源通过导线为半导体制冷片提供电力。

多个散热片固定在第一导热板上，与第一导热板充分接触，将第一导热板的热量带走。第一电绝缘导热层的上下两面分别与第一导热板的下表面和第一连接片的上表面相连接并充分接触，既起到绝缘的作用，又起到传热的作用。第一连接片下表面分别与P型半导体、N型半导体连接，P型半导体、N型半导体是串联电路，第一连接片起到导电与生热的作用。类似地，第二连接片分别与P型半导体、N型半导体连接，第二连接片起到导电与制冷的作用，第二电绝缘导热层的上下表面分别与第二连接片的下表面和第二导热板的上表面连接并充分接触，起到绝缘和导热的作用，第二导热板布置在最底层，起到吸收外界热量的作用。综上所述，半导体制冷片1在工作时，能给将第二导热板一端的热量吸收并传递到散热器一端，从而实现制冷效果。

本发明的有益效果如下：

（1）采用本发明装置，半导体制冷片不必与待制冷平面紧密贴合，降低了贴合技术的操作难度，例如，待制冷平面为微凸或微凹曲面的情况下，该吸附式装置仍可工作；

（2）本发明装置利用空气压差来产生较强的吸附力，不易脱落；

（3）本发明装置吸气、进气方便，吸附力可控性强；

（4）密封塞与吸附式装置链接，不易丢失。该装置具有广泛的用途，可以用于具有光滑表面的仪器或汽车制冷，充当微型空调的作用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明工作原理示意图；

图中，半导体制冷片1、空气腔2、第一密封圈3、光滑平板4、密室5、绝热层6、密封塞7、连接线8、圆环9、电流源10、导线11、散热片1-1、第一导热板1-2、第一电绝缘导热层1-3、第一连接片1-4、P型半导体1-5、N型半导体1-6、第二连接片1-7、第二电绝缘导热层1-8、第二导热板1-9。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明作进一步说明。

半导体制冷或制热技术具有可逆性，本发明仅的吸附式装置既可制冷，也可制热，下面就本发明制冷进行说明。

如图1所示，一种半导体制冷的吸附式装置，包括制冷机构和待降温密室，具体包括半导体制冷片1、空气腔2、第一密封圈3、光滑平板4、空腔5、绝热层6、密封塞7、连接线8、圆环9。

制冷机构包括半导体制冷片1、第一密封圈3、密封塞7、连接线8、圆环9；半导体制冷片1有镶嵌结构，第一密封圈3的部分镶嵌在半导体制冷片1上；圆环9通过焊接技术固定在半导体制冷片1侧面，并通过连接线8与密封塞7连接；第一密封圈3上开有一个通气孔，密封塞8插入通气孔内，并与第一密封圈3紧密配合，防止漏气。

所述的第一密封圈由橡胶弹性材料制成。

如图1中所示，P0表示为大气压强，P1为空气腔内压强，P2为密室内压强，T0为空气中温度，T1为空气腔内温度，T2为密室内的温度。

待降温密室包括光滑平板4、空腔5、绝热层6；空腔5是绝热层6与光滑平板4共同包围形成的空腔5；光滑平板4起到热传导的作用，空腔5通过光滑平板4与外界产生热交换。

所述的绝热层6的横截面为U型。

制冷机构作用于待降温密室的过程如下：

将密封塞7从第一密封圈3的通气孔中拔出后，将整个制冷机构置于待制冷密室的光滑平板4上面，形成空气腔2。对半导体制冷片1上表面施加微小的压力，产生弹性变形，使空气腔2少量气体排出腔外。此时，将密封塞7塞入第一密封圈3的通气孔中，防止空气腔2外的气体进入腔内。这样，空气腔内压强P1小于大气压强P0，产生压强差，从而将制冷机构贴附于待制冷密室的光滑平板4上。空气腔内压强P1不受密室内压强P2影响。当半导体制冷片1工作时，空气腔2内的热量被半导体制冷片1吸走，空气腔内温度T1降低。同时，半导体制冷片热端的热量消散于大气中，在局域范围内，导致大气温度T0升高。当空气腔内温度T1持续下降，最终降低到小于空腔5内的温度T2的时候，空腔5内的热量将通过具有一定导热功能的光滑平板传递到空气腔2内，导致空腔5温度T2的降低。因此，制冷机构能够降低密室的温度。

当制冷结束后，可以对半导体制冷片1施加微小的压力，降低大气压强P0与空气腔内压强P1的差值，然后，拔出密封塞7，大气中的气体通过第一密封圈3的通气孔进入空气腔2中，从而分离制冷机构与待降温密室。

如图2所示，半导体制冷片1由多层结构组成，具体包括散热片1-1、第一导热板1-2、第一电绝缘导热层1-3、第一连接片1-4、P型半导体1-5、N型半导体1-6、第二连接片1-7、第二电绝缘导热层1-8、第二导热板1-9；电流源10通过导线11为半导体制冷片提供电力。

多个散热片1-1固定在第一导热板1-2上，与第一导热板1-2充分接触，将第一导热板1-2的热量带走。第一电绝缘导热层1-3的上下两面分别与第一导热板1-2的下表面和第一连接片1-4的上表面相连接并充分接触，既起到绝缘的作用，又起到传热的作用。第一连接片1-4下表面分别与P型半导体1-5、N型半导体1-6连接，P型半导体1-5、N型半导体1-6是串联电路，第一连接片1-4起到导电与生热的作用。类似地，第二连接片1-7分别与P型半导体1-5、N型半导体1-6连接，第二连接片1-7起到导电与制冷的作用，第二电绝缘导热层1-8的上下表面分别与第二连接片1-7的下表面和第二导热板1-9的上表面连接并充分接触，起到绝缘和导热的作用，第二导热板1-9布置在最底层，起到吸收外界热量的作用。综上所述，半导体制冷片1在工作时，能给将第二导热板1-9一端的热量吸收并传递到散热器1-1一端，从而实现制冷效果。

半导体制冷片的工作过程如下：

半导体制冷片的工作原理主要为珀尔帖效应，在理论上，由二种不同金属组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象。以图2中所示的一个P-N结为例，电子由负极出发经过第二连接片1-7流向N型半导体，再流过第一连接片1-4，流向P型半导体，最终回到电源正极。由于在N型半导体中主要导电粒子为电子，而N半导体中电子的势能高于连接片中的电子的势能，所以当电子由第二连接片1-7流向N型半导体时必然要增加势能，这部分势能只能从第二连接片1-7获得，同时必然使第二连接片1-7的温度下降。相反，当电子由N型半导体流向第一连接片1-4时，电子的势能必然要降低，同时使第一连接片1-4的温度升高。而在P型半导体中主要导电粒子为空穴，且流动方向与电子的方相反，由电源的正极出发经过第二连接片1-7流向P型半导体，再经过第一连接片1-4流向N型半导体最终回到电源的负极。而P型半导体中空穴的势能比连接片中空穴的势能高，因此当空穴由第二连接片1-7流向P型半导体时必然会吸收能量，使第二连接片1-7的温度降低，同理当空穴由P型半导体流向第一连接片1-4时会使其温度升高。所以半导体制冷的本质是由势能的变化而引起的能量传递。

Claims (1)

1.一种半导体制冷的吸附式装置，包括制冷机构和待降温密室，具体包括半导体制冷片、空气腔、第一密封圈、光滑平板、空腔、绝热层、密封塞、连接线、圆环；其特征在于：

制冷机构包括半导体制冷片、第一密封圈、密封塞、连接线、圆环；半导体制冷片有镶嵌结构，第一密封圈的部分镶嵌在半导体制冷片上,第一密封圈的下部分设置在待降温密室的光滑平板上的，制冷机构和待降温密室是通过第一密封圈相连接；圆环通过焊接固定在半导体制冷片侧面，并通过连接线与密封塞连接；第一密封圈上开有一个通气孔，密封塞插入通气孔内，并与第一密封圈紧密配合；

待降温密室包括光滑平板、空腔、绝热层；空腔是绝热层与光滑平板共同包围形成的；空腔通过光滑平板与外界产生热交换；

所述的绝热层的横截面为U型；

所述的半导体制冷片由多层结构组成，具体包括散热片、第一导热板、第一电绝缘导热层、第一连接片、P型半导体、N型半导体、第二连接片、第二电绝缘导热层、第二导热板；电流源通过导线为半导体制冷片提供电力；

多个散热片固定在第一导热板上，与第一导热板充分接触；第一电绝缘导热层的上下表面分别与第一导热板的下表面和第一连接片的上表面相连接并充分接触，第一连接片下表面分别与P型半导体、N型半导体的一端相连接，P型半导体、N型半导体是串联电路，第二连接片分别与P型半导体、N型半导体的另一端相连接，第二电绝缘导热层的上下表面分别与第二连接片的下表面和第二导热板的上表面连接并充分接触，第二导热板布置在最底层。