CN109817801A - 一种特殊结构的柔性半导体制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特殊结构的柔性半导体制冷装置，包括半导体晶粒、用于作为工作区域的加热制冷的导线作为柔性冷热面、承载半导体晶粒的板芯，板芯可以是柔性或刚性，平面或曲面。板芯上固定半导体晶粒，半导体晶粒通过导线串联，导线包括热面导线、冷面导线和电源导线，热面导线位于板芯一侧，冷面导线位于板芯另一侧，首尾两个半导体晶粒通过电源导线与电源连接。该装置相较于传统热电半导体制冷片，它创造性的对传统结构进行了根本性修改，从而实现一种全新的热电制冷装置，其工作区域由柔性导线构成，可在一定范围内任意变形,所以可直接贴合于需加热或冷却的目标。通电后，达到使目标降温或升温的目的，可以方便的运用到更多的场景。

Description

一种特殊结构的柔性半导体制冷装置

技术领域

本发明属于热电半导体制冷领域，具体涉及一种柔性冷热端的热电半导体制冷装置。

背景技术

问世近半个世纪的传统半导体技术的特点是陶瓷封装，呈片状外观结构。通过两片陶瓷板以三明治形式安装热电半导体晶粒于其间，通电后使之冷却或加热，其外表坚硬但易碎。产品面积一般不会大于100毫米见方，单片使用起来只能用于平面的安装，应用场景具有局限性。

发明内容

区别于传统的半导体制冷片，本发明目的在于提供一种特殊结构的柔性半导体制冷装置。

一种特殊结构的柔性半导体制冷装置，其组成部分包括半导体晶粒，用于作为工作区域的加热制冷的导线,还包括承载半导体晶粒的板芯，该板芯可以是柔性或者刚性的，多个所述半导体晶粒两端通过多个导线首尾依次串联连接，所述导线还包括电源导线，首尾两个所述半导体晶粒通过电源导线与电源接头连接。

进一步的，还包括用于承载半导体晶粒的板芯，所述半导体晶粒固定安装在所述板芯上，所述导线还包括热面导线和冷面导线，所述热面导线位于所述板芯一侧，所述冷面导线位于所述板芯另一侧。

进一步的，所述半导体晶粒嵌入所述板芯，所述板芯上设置与所述半导体晶粒适配的第一穿孔，所述热面导线与所述半导体晶粒一端连接，所述冷面导线与所述半导体晶粒另一端连接。

进一步的，所述半导体晶粒固定安装在所述板芯表面，所述板芯上设置用于导线穿过的第二穿孔,所述热面导线与所述半导体晶粒一端连接，所述冷面导线与所述半导体晶粒另一端通过第二穿孔连接，所述第二穿孔个数与所述半导体晶粒个数相同，所述第二穿孔与所述半导体晶粒对应设置，该穿孔用于冷或热面导线穿过板芯与对侧晶粒连接。

进一步的，所述半导体晶粒的个数不少于2个,即一对。

本发明的有益效果为：该特殊结构的柔性半导体制冷装置，由于其工作区域是由柔性的导线构成,可以在一定范围内任意变形。用其柔性导线作为加热或制冷的来源,该导线可以直接贴合于需要加热或者冷却的目标,而且可以根据其表面形状而变形。通电后，达到使目标降温或者升温的目的，使用起来更加方便。可容易并广泛地应用于冷热床垫,汽车座椅、儿童座椅，家用座椅，沙发，特种行业冷热防护服，冷热头盔，医疗护理等众多领域，可运用到的场景更多。

附图说明

图1是本发明实施例1中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部结构示意图一。

图2是本发明实施例1中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部结构示意图二。

图3是本发明的特殊结构的柔性半导体制冷装置的工作结构示意图。

图4是本发明实施例2中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部结构示意图一。

图5是本发明实施例2中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部放大图。

图6是本发明实施例2中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部剖视示意图。

图7是本发明实施例3中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部结构示意图。

图中：1-热面导线；2-冷面导线；3-半导体晶粒；4-板芯。

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阐述。

实施例1

如图1-3所示，图1是本发明实施例1中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部结构示意图一，图2是本发明实施例1中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部结构示意图二，图3是本发明的特殊结构的柔性半导体制冷装置的工作结构示意图。这一种特殊结构的柔性半导体制冷装置，包括半导体晶粒 3。该半导体晶粒是由传统的热电材料所切割而成的热电半导体晶粒，以每两个半导体晶粒为基本单元，有N型和P型，由为碲化铋为主要成分组成的热电半导体元素，形状为长方体小颗粒，通常成对出现。且每两个半导体晶粒之间通过冷面导线1和热面导线2实现电路的连通，通过半导体晶粒电路的连通构成制冷装置的热面和冷面。特殊结构的柔性半导体制冷装置还包括用于承载半导体晶粒的板芯4，板芯为承载半导体晶粒的柔性或刚性片状载体。其中设置有第一穿孔，用来安置半导体晶粒，其材料材质有绝缘，低导热率且能耐高温的属性。多个半导体晶粒固定安装在板芯上，每个相邻的两个半导体晶粒通过软质的导线连通。具体的，板芯上首尾两端的半导体晶粒通过两根电源导线与电源接头连接，实现特殊结构的柔性半导体制冷装置与外部的电源连通。除了首尾两端的半导体晶粒外,中间的半导体晶粒均通过冷面导线1和热面导线2实现串联连通。半导体晶粒是个小六面体，其中底面和顶面为焊接面，导线包括热面导线1、冷面导线2和电源导线。其中导线由既导热又导电的材质构成，热面导线的一端与位于特殊结构的柔性半导体制冷装置首端的半导体晶粒的前端固定连接，热面导线的另一端与位于特殊结构的柔性半导体制冷装置首端的半导体晶粒的相邻的半导体晶粒的前端固定连接。位于特殊结构的柔性半导体制冷装置首端的半导体晶粒的相邻的半导体晶粒的后端与冷面导线的一端固定相同连接，冷面导线的另一端与另一个相邻半导体晶粒的后端固定连接。通过多根热面导线1和多根冷面导线2以及两根电源导线使得晶粒与外部的电源实现电路的连通，通过热面导线1和冷面导线2替代传统的铜板实现晶粒之间电路的连通。同时利用冷热导线代替传统的半导体制冷技术里的陶瓷板来实现冷热功能。且利用导线的柔性和板芯材质的可柔性，使得该特殊结构的柔性半导体制冷装置有更广泛的应用场景。热面导线形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的热端，接通电源后的热面导线可以实现制热的效果，而设置在半导体晶粒后端的冷面导线形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的冷面，热面导线将冷面导线端的热量吸收并且释放热量，实现热面制热放热，而冷面制冷的效果。且将热面导线设置在板芯的一侧，将冷面导线设置在板芯的另一侧，从而实现板芯一面制热另一面制冷的功能。具体的工作原理为帕尔帖效应。半导体晶粒分为一个P型半导体颗粒和一个N型半导体颗粒，每一个P型和N型构成一对，当接入外部的电源后，在每对连接处产生大量的吸热和放热现象。且利用该装置的柔性冷热面，以及可柔性的板芯，使得特殊结构的柔性半导体制冷装置可以应用于更多的非规则工作面的场合，方便使用者的使用。其完全不同于市面的现有的半导体制冷装置大多硬质陶瓷的结构，不具备柔性特点，从而导致其使用场景存在局限性。

在本实例中，半导体晶粒同过第一穿孔贯穿设置在板芯中，在板芯上设置与每一个半导体晶粒大小紧密配合的第一穿孔。通过设置第一穿孔使得，热面导线全部与半导体晶粒的前端固定连接，且使得热面导线全部位于板芯的一侧，从而使得热面导线形成板芯的热面，冷面导线全部与半导体晶粒的后端固定连接。且使得冷面导线全部位于板芯的另一侧，从而使得冷面导线形成板芯的冷面。第一穿孔的设置使得热面导线和冷面导线可以分别设置在板芯的两侧，从而实现板芯一面的导线制冷，另一面的导线制热，且利用导线质地较软的特性，使得物体只需要与热面导线或是冷面导线接触，即可实现升温或者降温的功能，方便使用者的使用。

板芯上的半导体晶粒可以设置为多排的结构，其中排数最少设置为一排，当排数为一排时，应至少设置2个半导体晶粒，即至少一对晶粒。2个半导体晶粒和一根热面导线或冷面导线，和两根电源导线实现电路的连通，形成板芯的热面或冷面。根据需要降温和升温的物体的尺寸和功率不同，板芯上的半导体晶粒具体可以设置为多排，每一排上设置多个半导体晶粒，从而增加制冷或加热的功率。

板芯的厚度应接近于半导体晶粒的长度，且热面导线和冷面导线的端部弯曲，有利于增大接触面积。

该装置采用直流电串联连通，当电流方向改变时，装置的制冷面和制热面的位置将互相替换。

实施例2

如图4-6所示，图4是本发明的中特殊结构的柔性半导体制冷装置的结构示意图一，图5是本发明实施例2中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部放大图，图6是本发明实施例2中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部剖视示意图。这一种特殊结构的柔性半导体制冷装置，包括半导体晶粒3。该半导体晶粒是由传统的热电材料所切割而成的热电半导体晶粒，以每两个半导体晶粒为基本单元，有N型和P型，由为碲化铋为主要成分组成的热电半导体元素，形状为长方体小颗粒，通常成对出现。且每两个半导体晶粒之间通过冷面导线1和热面导线2实现电路的连通，通过半导体晶粒电路的连通构成制冷装置的热面和冷面。特殊结构的柔性半导体制冷装置还包括用于承载半导体晶粒的板芯4，板芯为承载半导体晶粒的柔性或刚性片状载体，用来装贴半导体晶粒，其材料材质有绝缘，低导热率且能耐高温的属性。同时板芯设置有用于穿过导线的第一穿孔，多个半导体晶粒固定安装在板芯表面上，每个相邻的两个半导体晶粒通过软质的导线连通。具体的，板芯上首尾两端的半导体晶粒通过两根电源导线与电源接头连接，实现特殊结构的柔性半导体制冷装置与外部的电源连通，除了首尾两端的半导体晶粒外中间的半导体晶粒均通过冷面导线1 和热面导线2实现串联连通。半导体晶粒是个小六面体，其中地面和顶面为焊接面，导线包括热面导线1、冷面导线2和电源导线。其中导线由既导热又导电的材质构成，热面导线的一端与位于特殊结构的柔性半导体制冷装置首端的半导体晶粒的前端固定连接，热面导线的另一端与位于特殊结构的柔性半导体制冷装置首端的半导体晶粒的相邻的半导体晶粒的前端固定连接。板芯另外一侧,由冷面导线的两端分别与相邻半导体晶粒的后端固定连接，通过多根热面导线1和多根冷面导线2以及两根电源导线使得晶粒与外部的电源实现电路的连通。通过热面导线1和冷面导线2替代传统的铜板实现晶粒之间电路的连通，同时利用冷热导线代替传统的半导体制冷技术里的陶瓷板来实现冷热功能。且利用导线的柔性和板芯材质的可柔性，使得该特殊结构的柔性半导体制冷装置有更广泛的应用场景。热面导线形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的热端，接通电源后的热面导线可以实现制热的效果。而设置在半导体晶粒后端的冷面导线形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的冷面，热面导线将冷面导线端的热量吸收并且释放热量，实现热面制热放热，而冷面制冷的效果，且将热面导线设置在板芯的一侧，将冷面导线设置在板芯的另一侧，从而实现板芯一面制热另一面制冷的功能。具体的工作原理为帕尔帖效应。半导体晶粒分为一个P型半导体颗粒和一个N型半导体颗粒，每一个P型和N型构成一对，当接入外部的电源后，在每对连接处产生大量的吸热和放热现象。且利用该装置的柔性冷热面，以及可柔性的板芯，使得特殊结构的柔性半导体制冷装置可以应用于更多的非规则工作面的场合，方便使用者的使用。其完全不同于市面的现有的半导体制冷装置大多硬质陶瓷的结构，不具备柔性特点，从而导致其使用场景存在局限性。

在本实例中，半导体晶粒具体的可以以这样的方式装贴在板芯的表面，即半导体晶粒以侧面装贴在板芯表面,其晶粒焊接前后端面分别垂直于板芯平面。在板芯上设置第二穿孔，第二穿孔与导线的截面直径适配，以导线可以穿过第二穿孔为准。第二穿孔具体可以设置在半导体晶粒的附近，便于使得另一侧的冷面或热面导线穿过而与晶粒的端部焊接。第二穿孔的个数与半导体晶粒的个数相同，与半导体晶粒前端面连接的热面导线设置在板芯朝向半导体晶粒一侧，与半导体晶粒后端连接的冷面导线穿过两个第二穿孔与相邻的半导体晶粒的后端连通。通过设置第二穿孔使得冷面导线进入到板芯远离半导体晶粒的一端，使得板芯远离半导体晶粒一端的面形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的冷面，从而实现板芯一面制冷，另一面制热。或者是与半导体晶粒后端连接的热面导线穿过两个第二穿孔与相邻的半导体晶粒的后端连通，通过设置第二穿孔使得热面导线进入到板芯远离半导体晶粒的一端，使得板芯远离半导体晶粒一端的面形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的热面，从而实现板芯一面制冷，另一面制热。且利用导线质地较软的特性，使得物体只需要与热面导线或是冷面导线接触，即可实现升温或者降温的功能，方便使用者的使用。

板芯上的半导体晶粒可以设置为多排的结构，其中排数最少设置为一排，当排数为一排时，应至少设置2个半导体晶粒。即至少一对晶粒，2个半导体晶粒和一根热面导线或冷面导线，和两根电源导线实现电路的连通，形成板芯的热面或冷面。根据需要降温和升温的物体的尺寸和功率不同，板芯上的半导体晶粒具体可以设置为多排，每一排上设置多个半导体晶粒，从而增加制冷或加热的功率。

板芯的厚度应接近于半导体晶粒的长度，且热面导线和冷面导线的端部弯曲，有利于增大接触面积。

该装置采用直流电串联连通，当电流方向改变时，装置的制冷面和制热面的位置将互相替换。

实施例3

如图7所示，图7是本发明实施例3中特殊结构的柔性半导体制冷装置的局部结构示意图。这一种特殊结构的柔性半导体制冷装置，包括半导体晶粒3。该半导体晶粒是由传统的热电材料所切割而成的热电半导体晶粒。以每两个半导体晶粒为基本单元，有N型和P型，由为碲化铋为主要成分组成的热电半导体元素，形状为长方体小颗粒，通常成对出现。且每两个半导体晶粒之间通过冷面导线1和热面导线2实现电路的连通，通过半导体晶粒电路的连通构成制冷装置的热面和冷面，特殊结构的柔性半导体制冷装置还包括用于承载半导体晶粒的板芯4，板芯为承载半导体晶粒的柔性或刚性片状载体，用来装贴半导体晶粒，其材料材质有绝缘，低导热率且能耐高温的属性。同时板芯设置有用于穿过导线的第一穿孔，多个半导体晶粒固定安装在板芯表面上，每个相邻的两个半导体晶粒通过软质的导线连通。具体的，板芯上首尾两端的半导体晶粒通过两根电源导线与电源接头连接，实现特殊结构的柔性半导体制冷装置与外部的电源连通，除了首尾两端的半导体晶粒外中间的半导体晶粒均通过冷面导线1和热面导线2实现串联连通。半导体晶粒是个小六面体，其中地面和顶面为焊接面。导线包括热面导线1、冷面导线2和电源导线。其中导线由既导热又导电的材质构成，热面导线的一端与位于特殊结构的柔性半导体制冷装置首端的半导体晶粒的前端固定连接，热面导线的另一端与位于特殊结构的柔性半导体制冷装置首端的半导体晶粒的相邻的半导体晶粒的前端固定连接。板芯另外一侧,由冷面导线的两端分别与相邻半导体晶粒的后端固定连接，通过多根热面导线1和多根冷面导线2以及两根电源导线使得晶粒与外部的电源实现电路的连通。通过热面导线1和冷面导线2替代传统的铜板实现晶粒之间电路的连通，同时利用冷热导线代替传统的半导体制冷技术里的陶瓷板来实现冷热功能。且利用导线的柔性和板芯材质的可柔性，使得该特殊结构的柔性半导体制冷装置有更广泛的应用场景。热面导线形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的热端。接通电源后的热面导线可以实现制热的效果，而设置在半导体晶粒后端的冷面导线形成特殊结构的柔性半导体制冷装置的冷面，热面导线将冷面导线端的热量吸收并且释放热量，实现热面制热放热，而冷面制冷的效果。且将热面导线设置在板芯的一侧，将冷面导线设置在板芯的另一侧，从而实现板芯一面制热另一面制冷的功能。具体的工作原理为帕尔帖效应。半导体晶粒分为一个P型半导体颗粒和一个N型半导体颗粒，每一个P型和N型构成一对，当接入外部的电源后，在每对连接处产生大量的吸热和放热现象。且利用该装置的柔性冷热面，以及可柔性的板芯，使得特殊结构的柔性半导体制冷装置可以应用于更多的非规则工作面的场合，方便使用者的使用，其完全不同于市面的现有的半导体制冷装置大多硬质陶瓷的结构，不具备柔性特点，从而导致其使用场景存在局限性。

在本实例中，半导体晶粒具体可以以图7的方式装帖在板芯表面，即半导体晶粒以侧面装贴在板芯两个表面,其晶粒焊接前后端面分别垂直于板芯平面。在板芯上设置第二穿孔，每两个第二穿孔成对设置在相邻的半导体晶粒之间，第二穿孔与导线的截面直径适配，以导线可以穿过第二穿孔为准，第二穿孔的个数与半导体晶粒的个数相同。在板芯的左侧依次设置P型的半导体晶粒，在板芯的右侧依次设置N型的半导体晶粒，且每一个P型和N型的半导体晶粒成对设置。在每一对半导体晶粒之间设置冷面导线或热面导线，在位于板芯左侧的P型半导体晶粒的前端面连接的热面导线设置在板芯的左侧，与位于板芯左侧的P型半导体晶粒的后端面连接的冷面导线穿过第二穿孔与板芯右侧的半导体晶粒的上后端连通。通过设置第二穿孔使得冷面导线和热面导线可以穿过板芯与半导体晶粒连通，便于使得另一侧的冷面或热面导线穿过而与晶粒的端部焊接，从而实现板芯一面制冷另一面制热。且利用导线质地较软的特性，使得物体只需要与热面导线或是冷面导线接触，即可实现升温或者降温的功能，方便使用者的使用。

板芯上的半导体晶粒可以设置为多排的结构，其中排数最少设置为一排，当排数为一排时，应至少设置2个半导体晶粒，即至少一对晶粒。2个半导体晶粒和一根热面导线或冷面导线，和两根电源导线实现电路的连通，形成板芯的热面或冷面。根据需要降温和升温的物体的尺寸和功率不同，板芯上的半导体晶粒具体可以设置为多排，每一排上设置多个半导体晶粒，从而增加制冷或加热的功率。

板芯的厚度应接近于半导体晶粒的长度，且热面导线和冷面导线的端部弯曲，有利于增大接触面积。

该装置采用直流电串联连通，当电流方向改变时，装置的制冷面和制热面的位置将互相替换。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种特殊结构的柔性半导体制冷装置，其特征在于，其组成部分包括半导体晶粒、用于作为工作区域的加热制冷的导线，多个所述半导体晶粒两端通过多个导线首尾依次串联连接，所述导线包括电源导线，首尾两个所述半导体晶粒通过电源导线与电源接头连接。

2.如权利要求1所述的特殊结构的柔性半导体制冷装置，其特征在于，用于承载半导体晶粒的板芯，所述半导体晶粒固定安装在所述板芯上，所述导线还包括热面导线和冷面导线，所述热面导线位于所述板芯一侧，所述冷面导线位于所述板芯另一侧。

3.如权利要求2所述的特殊结构的柔性半导体制冷装置，其特征在于，所述半导体晶粒嵌入所述板芯，所述板芯上设置与所述半导体晶粒适配的第一穿孔，所述热面导线与所述半导体晶粒一端连接，所述冷面导线与所述半导体晶粒另一端连接。

4.如权利要求2所述的特殊结构的柔性半导体制冷装置，其特征在于，所述半导体晶粒固定安装在所述板芯表面，所述板芯上设置用于导线穿过的第二穿孔，所述热面导线与所述半导体晶粒一端连接，所述冷面导线与所述半导体晶粒另一端通过第二穿孔连接，所述第二穿孔个数与所述半导体晶粒个数相同，所述第二穿孔与所述半导体晶粒对应设置。

5.如权利要求1-4任一项所述的特殊结构的柔性半导体制冷装置，其特征在于，所述半导体晶粒的个数不少于2个,即一对。