CN203687441U - 半导体制冷器及半导体制冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种半导体制冷器及半导体制冷装置。该半导体制冷器包括：第一基板、第二基板，以及设置在第一基板和第二基板之间的至少两个半导体电偶；还包括：设置在第一基板和第二基板之间的侧墙，侧墙围绕在至少两个半导体电偶外围；所述侧墙包括固定连接在所述第一基板和第二基板之间的胶粘层，以及位于第一基板和第二基板之间的、且固定连接于胶粘层内侧的增强层，增强层的导热系数低于胶粘层。本实用新型的半导体制冷器，避免了外界潮湿空气等进入到半导体电偶周围产生原电池效应；而且，还可以减少由侧墙引起的第一基板与第二基板间热量损失，有效改善侧墙漏热现象，改善了半导体制冷器的制冷或制热效果，并有利于延长使用寿命。

Description

半导体制冷器及半导体制冷装置

技术领域

本实用新型涉及半导体制冷技术，尤其涉及一种半导体制冷器及半导体制冷装置。

背景技术

半导体制冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的、可以产生制冷、或制热作用的芯片。

图1为现有技术中的一种半导体制冷器的结构示意图；图2为图1中A-A向剖视图；如图1和图2所示，现有技术中的半导体制冷器包括相对设置的第一基板11、第二基板12，以及设置在第一基板11和第二基板12之间的多个按序排列的半导体电偶13，其中，多个半导体电偶13中一部分为N型半导体电偶131、另一部分为P型半导体电偶132，多个半导体电偶13排列呈多行，每行中各N型半导体电偶与P型半导体电偶间隔设置并通过导电金属片14串接。第一基板11或第二基板12中的一个上可形成有两个电极引线，例如当第一基板11上设置电极引线、并通过该电极引线连接到一直流电源上时，直流电则通过串联的半导体电偶13，使热量由半导体电偶13朝第一基板11所在一侧传递，即第一基板11所在一侧形成温度较高的热端，第二基板12所在一侧形成温度较低的冷端；其中为了减少冷端冷量损失，通常电极引线固接在热端。

一般而言，半导体制冷器的尺寸较小，第一基板11和第二基板12之间的留有一定的空气间隙，一般在0.5～2.5mm范围内；这个间隙暴露于基板的周围环境中，制冷器工作时，外界环境中的空气会直接进入第一基板11和第二基板12留有的间隙、环境湿度一定时，制冷器冷端会吸附潮湿空气形成水气，与半导体电偶13产生原电池效应，直接影响半导体制冷器的工作性能和使用寿命。

为避免外界潮湿空气进入到半导体制冷器内影响保证半导体制冷器的可靠工作，现有技术中的一种解决方案是将第一基板11和第二基板12周围胶粘密封胶形成密封胶层，通过该密封胶层将整个半导体制冷器中的电偶与外界空气隔离，以提高使用寿命。但是，由于密封胶层的导热系数较高，会使热端的部分热量由密封胶层传递到冷端，即导致“漏热”现象，严重影响冷端的制冷效果或热端的制热效果；而为保证密封胶的流动性、凝固时间等工艺参数要求及成本因素，通常采用的密封胶为704硅胶材料，其导热系数相对较高；另外，为保证密封胶层的胶粘、密封可靠性，密封胶层的密封厚度W1也必须达到要求的数值，从而导致现有技术中很难达到在保证半导体制冷器的使用寿命的同时改善制冷（或制热）效果。

实用新型内容

针对现有技术中的上述缺陷，本实用新型提供一种半导体制冷器及半导体制冷装置，实现对第一基板和第二基板内部的半导体电偶与外界的有效隔离防护，同时减小了对制冷或制热效果的影响，提高工作可靠性及使用寿命。

本实用新型提供一种半导体制冷器，包括：第一基板、第二基板，以及设置在所述第一基板和第二基板之间的至少两个半导体电偶；还包括：设置在所述第一基板和第二基板之间的侧墙，所述侧墙围绕在所述至少两个半导体电偶外围；所述侧墙包括固定连接在所述第一基板和第二基板之间的胶粘层，以及位于所述第一基板和第二基板之间的、且固定连接于所述胶粘层内侧的增强层，所述增强层的导热系数低于所述胶粘层。

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述增强层为压设在所述第一基板和第二基板之间的弹性层。

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述增强层的宽度大于所述胶粘层。

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述增强层的宽度是所述胶粘层的宽度的5～10倍

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述增强层为乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA层，所述胶粘层为密封胶层。

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述第一基板与第二基板为相对设置的、尺寸相同的矩形板，所述侧墙呈矩形框；所述侧墙内侧为矩形框状的增强层、外侧为矩形框状的胶粘层。

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述增强层为由四个增强段围成的矩形框。

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述胶粘层外侧与所述第一基板和第二基板的外缘平齐。

如上所述的半导体制冷器，优选地，所述第一基板或所述第二基板上还连接有一对电极引线，所述电极引线依次穿过所述增强层和胶粘层、延伸至所述侧墙外侧。

本实用新型还提供一种半导体制冷装置，包括：内部形成有容置空腔的箱体，还包括：固定设置在所述箱体上的、如上所述的半导体制冷器。

本实用新型提供的半导体制冷器及半导体制冷装置，通过设置由增强层和胶粘层的侧墙，可以将所有半导体电偶密封在由第一基板、第二基板及侧墙围成的密封空腔内，避免了外界潮湿空气等进入到半导体电偶周围引发原电池效应；而且，还可以减少由侧墙引起的第一基板和第二基板间的热量损失，有效改善漏热现象，改善了半导体制冷器的制冷或制热效果，并有利于延长使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中的一种半导体制冷器的结构示意图；

图2为图1中A-A向剖视图；

图3为本实用新型半导体制冷器一实施例的剖面结构示意图；

图4为本实用新型半导体制冷器另一实施例的立体图；

图5为图4中B-B向剖视图；

图6为图5中Ⅰ处放大图。

具体实施方式

实施例一

图3为本实用新型半导体制冷器一实施例的剖面结构示意图；请参照图3，本实施例提供一种半导体制冷器，包括：第一基板11、第二基板12，以及设置在第一基板11和第二基板12之间的至少两个半导体电偶13；还包括：设置在第一基板11和第二基板12之间的侧墙2，侧墙2围绕在上述至少两个半导体电偶13外围；侧墙2可以包括固定连接在第一基板11和第二基板12之间的胶粘层21，以及位于第一基板11和第二基板12之间的、且固定连接于胶粘层内侧的增强层22，增强层22的导热系数低于胶粘层21。

具体地，第一基板11和第二基板12可以均为平面状的陶瓷板；第一基板11和第二基板12可以平行设置、且相距一定距离，多个半导体电偶13可以按序排列在第一基板11和第二基板12之间的间隙中，例如，半导体电偶13之间可以采用电串联、热并联方式。其中，半导体电偶13总数可以为2K个，包括K个N型半导体电偶和K个P型半导体电偶；多个半导体电偶13按序排列在第一基板11和第二基板12之间即指，2K个半导体电偶13可以按本领域常用的任何形式进行排列，例如，2K个半导体电偶13可按矩阵排列，且每行中包括相同数量的N型半导体电偶和P型半导体电偶，且在该行中N型半导体电偶和P型半导体电偶间隔设置；进一步地，相邻的N型半导体电偶和P型半导体电偶的顶端或底端分别通过导电金属片15串联（例如铜片），以在对半导体电偶施加直流电压时，利用半导体材料珀尔帖效应在半导体电偶13两端分别形成冷、热端，由于电偶间采用热并联方式，从而使第一基板11所在一侧形成温度较低的冷端基板、第二基板12所在一侧形成温度较低的热端基板，或者第一基板11所在一侧形成温度较高的热端基板、第二基板12所在一侧形成温度较低的冷端基板。其中冷端、热端是相对而言，即热端温度高于冷端温度。

多个半导体电偶13的高度确定了第一基板11和第二基板12之间的间距，在该间距内由顶至底依次排布导电金属片15、半导体电偶13和导电金属片（含焊接材料）15，且每个导电金属片15分别与相邻两个半导体电偶13的同一端焊接固定。在第一基板11和第二基板12之间、且在所有半导体电偶13周围设置侧墙2，侧墙2可以由内、外套嵌在一起的增强层22和胶粘层21组成，并且，胶粘层21的顶端和底端可以分别与第一基板11和第二基板12固定连接，增强层22的顶端与第一基板11、底端与第二基板12之间则可以采用仅接触而不固定连接的形式，而仅通过增强层22外侧面与胶粘层21内侧面之间固定连接而实现侧墙2的固定。

具体地，第一基板11和第二基板12的大小可以相同也可以不同，半导体电偶13始终设置在第一基板11和第二基板12相对部分围成的间隙中；侧墙2则需保证外圈包围所有半导体电偶13，即，使第一基板11、第二基板12和侧墙2共同围成一个封闭的空间，半导体电偶13则位于该封闭的空间中。例如，当第一基板11小于第二基板12、且第一基板11沿垂向的投影完全落在第二基板12上、且第一基板11位于第二基板上方时，可以使侧墙2对应于第一基板11的周围边缘处，即可使侧墙2的顶端与第一基板11的底面边缘固定连接、侧墙2的底端与第二基板12的顶面固定连接，或者，也可以使侧墙2的顶端侧面与第一基板11的边缘侧面固定连接、底端与第二基板12的顶面固定连接。当然，侧墙2相对与第一基板11和第二基板12的位置并不仅限于此，仅需要保证将半导体电偶完全包围在内即可。

本实施例提供的半导体制冷器，可以用于任何需要制冷或制热的装置上。当用于冷藏柜、酒柜等制冷装置时，可以将半导体制冷器的冷端朝向制冷装置的箱体内，并可以通过换热装置进一步增强热交换，提高对箱体内部的制冷效果；反之，当本实施例的半导体制冷器用于保温箱等制热装置时，可以将该半导体制冷器的热端朝向箱体内，并通过换热装置进一步增强热交换，保证将箱体内温度控制在预设温度以上，实现保温目的。

上述侧墙中的增强层22的导热系数应小于胶粘层21，例如，增强层22可以采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（ethylene-vinyl acetate copo，EVA）海绵、聚酯泡沫制成，同时，胶粘层21则可以采用具有良好胶粘、密封能力的密封胶，如704常温硫化硅橡胶，即胶粘层21即为密封胶层；另外，增强层22的宽度可以大于胶粘层21，优选地，增强层22的宽度可以是胶粘层21的宽度的5～10倍。其中，宽度是指在平行于第一基板11或第二基板12的平面内、有侧墙内侧指向外侧的方向。

下面将对本实施例提供的半导体制冷器与现有技术中的半导体制冷器的制冷效果进行比较。即对现有技术一、现有技术二和本实施例提供的三种不同结构的半导体制冷器的制冷量进行比较，其中，在这三种结构中，均包括第一基板11、第二基板12及n个半导体电偶13，其中每个半导体电偶均为横截面为正方形的棱柱体，且相邻的N型半导体电偶和P型半导体电偶之间通过导电金属片15焊接连接。区别仅在于，在现有技术一提供的半导体制冷器中，第一基板和第二基板之间的间隙完全暴露；在现有技术二提供的半导体制冷器中，通过宽度为W₁的密封胶层密封住第一基板和第二基板之间半导体电偶外围间隙；本实施例提供的半导体制冷器中，在第一基板和第二基板之间设置由增强层和胶粘层组成的、但外形尺寸等与现有技术二的密封胶层完全相同的侧墙2。

一、现有技术一提供的半导体制冷器的产冷量Q_c0为：

$Q_{c0}=n({\mathrm{\α}}_P-{\mathrm{\α}}_N){\mathrm{IT}}_c-n\frac{L_0^2}{H}({\mathrm{\κ}}_P+{\mathrm{\κ}}_N)(T_h-T_c)-0.5n{I}^2\frac{H}{L_0^2}(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_P}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_N})$

其中，H为第一基板和第二基板之间形成的间隙（即第一距离）；L₀为每个半导体电偶的横截面边长；α_P、α_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的塞贝克系数；k_P、k_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的导热率，σ_P、σ_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的电导率；T_c、T_h分别为半导体制冷器的冷端基板温度和热端基板温度；I为施加在该半导体制冷器上的工作电流。

二、现有技术二提供的半导体制冷器在现有技术一的结构基础上，在第一基板和第二基板之间填充704常温硫化硅橡胶形成的密封胶层，其中，该密封胶层的周长为L₁、宽度为W₁；则其对应的产冷量Q_c1为：

其中，H为第一基板和第二基板之间形成的间隙；L₀为半导体电偶13的横截面边长；α_P、α_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的塞贝克系数；k_P、k_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的导热率；σ_P、σ_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的电导率；T_c、T_h分别为半导体制冷器冷端基板温度和热端基板温度；I为工作电流；k₁为密封胶层的导热系数；Q_c0即为前述现有技术一的半导体制冷器的产冷量；

令

${\mathrm{\κ}}_1\frac{L_1{W}_1}{H}(T_h-T_c)=Q_{c1}^{\text{'}}$

则现有技术二的产冷量可以简化为：

$Q_{c1}=Q_{c0}-{\mathrm{\κ}}_1\frac{L_1{W}_1}{H}(T_h-T_c)=Q_{c0}-Q_{c1}^{\text{'}}$

由此可见，Q'_c1为通过密封胶层传导的热量（即漏热的热量）。

三、对本实施例提供的半导体制冷器而言，请参照图6，侧墙2的外形及尺寸可以与上述现有技术二的密封胶层一致，即侧墙2的周长为L₁，整体宽度仍为W₁、增强层22宽度为W₂，则产冷量Q_c2为：

$\begin{array}{c}{Q}_{c2}=n({\mathrm{\α}}_P-{\mathrm{\α}}_N){\mathrm{IT}}_c-n\frac{L_0^2}{H}({\mathrm{\κ}}_P+{\mathrm{\κ}}_N)(T_h-T_c)-0.5n{I}^2\frac{H}{L_0^2}(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_P}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_N})-[{\mathrm{\κ}}_1\frac{L_1(W_1-W_2)}{H}+{\mathrm{\κ}}_2\frac{L_1{W}_2}{H}](T_h-T_c)\\ =Q_{c0}-Q_{c1}^{\text{'}}+({\mathrm{\κ}}_1-{\mathrm{\κ}}_2)\frac{L_1{W}_2}{H}(T_h-T_c)=Q_{c1}+({\mathrm{\κ}}_1-{\mathrm{\κ}}_2)\frac{L_1{W}_2}{H}(T_h-T_c)\end{array}$

其中，H为第一基板和第二基板之间形成的间隙；L₀为半导体电偶的横截面边长；α_P、α_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的塞贝克系数；k_P、k_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的导热率，σ_P、σ_N分别为P型半导体电偶和N型半导体电偶的电导率；T_c、T_h分别为半导体制冷器的冷端基板温度和热端基板温度；I为工作电流；k₁和k₂分别为胶粘层和增强层的导热系数；Q_c0即为同样条件下现有技术一的半导体制冷器的产冷量；

令

$({\mathrm{\κ}}_1-{\mathrm{\κ}}_2)\frac{L_1{W}_1}{H}(T_h-T_c)=\mathrm{\ΔQ}$

则本实施例提供的半导体制冷器的产冷量可以简化为：

Q_c2=Q_c1+ΔQ

由上式可知，本实施例提供的半导体制冷器，其产冷量Q_c2与现有技术中第二种结构的半导体制冷器的产冷量Q_c1相比，反而增加了，且增加量为ΔQ。

由此可见，本实施例提供的半导体制冷器可以补偿因漏热现象引起的热量损失，有效保证其制冷或制热效果。

优选地，当胶粘层21的导热系数为增强层22的10倍，即κ₂=0.1κ₁，且增强层的宽度为胶粘层的10倍，即W₂=10(W₁-W₂)时，则本实施例提供的半导体制冷器的产冷量为：

$Q_{c2}=Q_{c0}-0.19Q_{c1}^{\text{'}}=Q_{c1}+0.81Q_{c1}^{\text{'}}=Q_{c1}+0.81{\mathrm{\κ}}_1\frac{L_1{W}_1}{H}(T_h-T_c)$

由上式可以确定，与现有技术二提供的单一密封胶层即胶粘层的半导体制冷器相比，本实施例提供的复合侧墙结构可以将漏热量减小81%。

本实施例提供的半导体制冷器在加工过程中，可以在将第一基板、第二基板和多个半导体电偶组装完成后，先在第一基板11和第二基板12之间设置缠绕多个半导体电偶13外的增强层22，然后再在第一基板11和第二基板12之间、且在该增强层22外涂布密封胶等形成胶粘层21，并保证了胶粘层21与第一基板11和第二基板12之间的密封连接。

本实施例提供的半导体制冷器，通过设置由增强层和胶粘层的侧墙，可以将所有半导体电偶密封在由第一基板、第二基板及侧墙围成的密封空腔内，避免了外界潮湿空气等进入到半导体电偶周围产生原电池效应；而且，还可以减少由侧墙引起的热量损失，有效改善漏热现象，改善了半导体制冷器的制冷或制热效果。

实施例二

图4为本实用新型半导体制冷器另一实施例的立体图；图5为图4中B-B向剖视图；图6为图5中Ⅰ处放大图；本实施例将以第一基板、第二基板为相同的矩形板为例，对本实用新型的技术方案进一步说明。

如图4-6所示，本实施例中，第一基板11与第二基板12为相对设置的、尺寸相同的矩形板，侧墙2呈矩形框；侧墙2内侧为矩形框状的增强层22、外侧为矩形框状的胶粘层21；第一基板11和第二基板12之间、且在增强层22内设置有偶数个按预设规律排列的半导体电偶13，其中，半导体电偶13的排布方式等具体结构与实施例一类似。增强层22的导热系数小于胶粘层；例如，增强层22可以为海面层，胶粘层21为由704胶形成的密封胶层；增强层22的宽度是胶粘层21的宽度的5～10倍，优选地，可以为10倍。

具体地，增强层22可以为压设在第一基板11和第二基板12之间的弹性层。例如，增强层22可以为橡胶或海绵等具有一定弹性的材质制成的，这样当半导体制冷器用于温度变化比较明显的外界环境中时，增强层22的弹性可以允许由第一基板11、第二基板12和侧墙3围成的密封空间产生一定变化，从而适应其内部空气的热胀冷缩变化，避免该密封空腔内部空气受热膨胀而引起侧墙与第一基板或第二基板的连接处受到损坏，保证了工作可靠性，提高了半导体制冷器的适应能力。

优选地，海绵或橡胶等弹性材料制成的增强层22的原始厚度可以稍大于第一基板11和第二基板12之间的间隙H，即增强层22和该间隙之间可以采用过盈配合，以保证结构强度，进一步提高密封性能。

进一步地，增强层22可以为一体成型的矩形框；也可以为由四个个增强段围成的矩形框，例如，当可以采用条状的海绵体作为所述增强段，将三个增强段接合成为一体形成“U”形，余下一个独立的增强段则可以设置在该“U”形的开口处，且电极引线贯穿该余下的、单独的增强段。优选地，胶粘层21外侧可以与第一基板11和第二基板12的外缘平齐。以方便制造工艺。

更进一步地，第一基板11或第二基板12上还可连接有一对电极引线17，电极引线17依次穿过增强层22和胶粘层21、延伸至侧墙2外侧。其中，电极引线17可以根据制冷或制热原理需要与第一基板11或第二基板12连接，以对该第一基板11或第二基板12上的半导体电偶13施加工作电流，促使热量转移、形成端和热端。

本实施例的半导体制冷器的其它功能和技术效果与前述实施例类似，此处不再赘述。

实施例三

本实施例提供一种半导体制冷装置，包括：内部形成有容置空腔的箱体，还包括：固定设置在所述箱体上的、如上任一实施例所述的半导体制冷器。其中，半导体制冷器可以固定安装在箱体的上部或侧墙，且在该箱体上还可以设置管板吸热板和管板散热器，以配合半导体制冷器工作；例如，该箱体内用于冷藏用途时，半导体制冷器的制冷端可位于箱体内、发热端则可位于箱体外，同时，管板吸热板设置在半导体制冷器的制冷端，以起吸热制冷的作用，管板散热器设置在半岛体制冷器的发热端，用于将制冷过程中的热量散发到箱体10外。

可以理解的是，本实施例提供的半导体制冷装置也可以用作保温用途，此时，只需将半导体制冷器的热端朝向箱体内、冷端朝向箱体外即可。

本实施例提供的半导体制装置，作为其核心工作部件的半导体制冷器中，通过设置由增强层和胶粘层的侧墙，可以将所有半导体电偶密封在由第一基板、第二基板及侧墙围成的密封空腔内，有效避免了外界潮湿空气等进入到半导体电偶周围，从而有效避免了因电偶产生原电池效应而导致的电偶热电性能下降，保证了可靠工作，延长了使用寿命；而且，还可以减少由侧墙引起的热量损失，有效改善漏热现象，改善了半导体制冷器的制冷或制热效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种半导体制冷器，包括：第一基板、第二基板，以及设置在所述第一基板和第二基板之间的至少两个半导体电偶；其特征在于，还包括：设置在所述第一基板和第二基板之间的侧墙，所述侧墙围绕在所述至少两个半导体电偶外围；所述侧墙包括固定连接在所述第一基板和第二基板之间的胶粘层，以及位于所述第一基板和第二基板之间的、且固定连接于所述胶粘层内侧的增强层，所述增强层的导热系数低于所述胶粘层。

2.根据权利要求1所述的半导体制冷器，其特征在于，所述增强层为压设在所述第一基板和第二基板之间的弹性层。

3.根据权利要求2所述的半导体制冷器，其特征在于，所述增强层的宽度大于所述胶粘层。

4.根据权利要求3所述的半导体制冷器，其特征在于，所述增强层的宽度是所述胶粘层的宽度的5～10倍

5.根据权利要求1-4任一所述的半导体制冷器，其特征在于，所述增强层为乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA层，所述胶粘层为密封胶层。

6.根据权利要求1-4任一所述的半导体制冷器，其特征在于，所述第一基板与第二基板为相对设置的、尺寸相同的矩形板，所述侧墙呈矩形框；所述侧墙内侧为矩形框状的增强层、外侧为矩形框状的胶粘层。

7.根据权利要求6所述的半导体制冷器，其特征在于，所述增强层为由四个增强段围成的矩形框。

8.根据权利要求7所述的半导体制冷器，其特征在于，所述胶粘层外侧与所述第一基板和第二基板的外缘平齐。

9.根据权利要求1-4任一所述的半导体制冷器，其特征在于，所述第一基板或所述第二基板上还连接有一对电极引线，所述电极引线依次穿过所述增强层和胶粘层、延伸至所述侧墙外侧。

10.一种半导体制冷装置，包括：内部形成有容置空腔的箱体，其特征在于，还包括：固定设置在所述箱体上的、如权利要求1-9任一所述的半导体制冷器。

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