CN204361077U - 一种新型多级半导体致冷器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型多级半导体致冷器件，包括上下层基板和热电组件，上层基板包括多块上分板，下层基板包括多块与上分板一一对应的下分板，热电组件划分为若干热电单元，各热电单元的热流方向间隔反向设置，本实用新型将整块上下层基板切割成多块物理隔断的上下分板，同时将热电组件划分为若干单元，在上下层基板表面形成多个温区，将传统多级致冷器存在于厚度方向的温度梯度转变为存在于基板表面水平方向的温度梯度，构成具有传统单级致冷器件较低厚度的高温差多级致冷器，满足在特写狭窄空间内的高温差和低厚度的冷却使用要求。

Description

一种新型多级半导体致冷器件

技术领域

本实用新型涉及到一种半导体致冷器件，尤其涉及到一种能解决特定狭窄空间内高温差要求的新型多级半导体致冷器件。

背景技术

常规半导体致冷器件一般由上基板、导电元件和下基板组成，其工作原理是帕尔帖效应，典型结构如图1所示，其中1为上层基板瓷片，2为下层基板，3为N型半导体材料和P型半导体材料，4为导流片，致冷器件在通以图示电流以后，由于半导体材料中载流子的定向运动而产生吸放热现象，分别使上下层基板表面产生致冷和致热效应，致冷面可以根据不同的使用领域对不同的元器件进行冷却，使用时仅需将待冷却的器件贴合于致冷器件表面即可。

半导体致冷器件按其级数多少可分为单级致冷器和多级致冷器，一般都被应用于军事，工业，医疗等方面，如车载冰箱、试剂保存、环境控温等等，由于导电元件本身的特性所限定，传统单级致冷器件所能达到的温差有一定局限性，为满足用户对高温差应用的要求，多级致冷器件应运而生，大大提高了温差，如公开号为CN201503164U、名称为多级致冷致热器的中国实用新型专利，就涉及到一种多级致冷致热器，由多个单级致冷致热器件串联而成，具有功率大、温差高、致冷致热效果好的特点，满足了高温差的要求，但多级致冷器因为逐级堆叠而使器件的高度不断增高，对于特定的较小空间内使用容易受到限制，而降低产品高度的主要手段也往往是采用相对较薄的基板或减少半导体元件的高度，显然在一定程度上增加了制造难度和加工成本，致冷致热效果也不是十分显著。

实用新型内容

本实用新型主要解决常规多级半导体致冷器件在特定空间内使用容易受到高度限制、制造难度和成本较高的技术问题；提供了一种能解决特定狭窄空间内高温差要求的新型多级半导体致冷器件。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型主要是采用下述技术方案：

本实用新型的一种新型多级半导体致冷器件，包括上层基板、下层基板和位于上下层基板之间的热电组件，所述热电组件由若干P型—N型半导体电偶对与导流片组成，所述电偶对串联形成单回路工作电路，其特征在于：所述上层基板包括多块相互嵌合的上分板，各上分板之间嵌设有隔热材料，下层基板包括多块相互嵌合且与上分板一一对应的下分板，各下分板之间嵌设有隔热材料，其中至少一块下分板面积大于其对应的上分板面积，所述热电组件划分为若干热电单元，各热电单元的分布区域与相应的上下分板对应，各热电单元的热流方向间隔反向设置，上分板和下分板的外侧表面均覆有导热材料，多块上分板构成多温区表面的上层基板，多块下分板构成多温区表面的下层基板，具有多温区表面的上下层基板与相应热电单元构成多级半导体致冷器件，将整块上下层基板切割形成多块物理隔断的上下分板，同时将热电组件根据切割后的上下分板尺寸划分为若干单元，并使各热电单元的热流方向相异，在上下层基板表面形成多个温区，将传统多级致冷器存在于厚度方向的温度梯度转变为存在于基板表面水平方向的温度梯度，构成具有传统单级致冷器件较低厚度的高温差多级致冷器，满足在特写狭窄空间内的高温差和低厚度的冷却使用要求，该多级致冷器件既可制成单点式多级致冷器件，也可制成多点式多级致冷器件，满足部分待冷却物品多部位多区域的冷却要求。

作为优选，所述导热材料为铜片，在基板表面烧结具有良好导热性能的铜片，减少基板表面的温度梯度，也可以粘贴或覆盖铜片或其他具有良好导热性能的材料。

作为优选，所述上分板呈方形或L形或圆形或环形或星形或扇形，所述下分板呈方形或L形或圆形或环形或星形或扇形，上下基板可以根据待冷却物品的形状及特定空间位置进行切割，以形成不同形状的致冷区域，致冷区域可以是一个，也可以是多个或多个组合，来满足使用要求。

作为优选，所述多级半导体致冷器件为单点式多级致冷器件，所述上层基板包括呈方形且设于上层基板中央的上内分板和呈回字形并嵌合所述上内分板的上外分板，所述下层基板包括呈方形且设于下层基板中央的下内分板和呈回字形并嵌合所述下内分板的下外分板，所述下内分板的面积大于所述上内分板的面积，上内分板的投影面完全落入下内分板的边界内，所述热电组件划分为三个热电单元，包括从内到外依次分布的第一热电单元、第二热电单元和第三热电单元，所述第一热电单元由对应上内分板区域的多个电偶对组成，所述第二热电单元由对应下内分板其余区域的多个电偶对组成，下内分板其余区域为下内分板减去上内分板在下内分板投影区域的剩余区域，所述第三热电单元由对应下外分板区域的多个电偶对组成，整块的上下基板分别切割成两块以形成三级致冷器，控制三个热电单元的热流方向变化，使第一级致冷器的致热面与第二级致冷器的致冷面融合以降低第一级致冷器的致热面温度，相对拉低了第一级致冷器的致冷面温度，同时，第二级致冷器的致热面又与第三级致冷器的致冷面融合以降低第二级致冷器的致热面温度，以此方式，通过降低第一级和第二级致冷器致热面的温度，在保持第三级致热面温度的情况下，就可以使第一级致冷器的致冷面温度达到更低的温度。

作为优选，所述多级半导体致冷器件为多点式多级致冷器件，所述上层基板包括呈方形且设于上层基板中央的至少二个上内分板和呈回字形并嵌合所述上内分板的上外分板，所述下层基板包括呈方形且设于下层基板中央的至少二个下内分板和呈回字形并嵌合所述下内分板的下外分板，所述下内分板的面积大于其对应的上内分板的面积，上内分板的投影面完全落入其对应的下内分板边界内，所述热电组件划分为若干热电单元，包括至少两个第一热电单元、至少两个第二热电单元和第三热电单元，其中第一热电单元和第二热电单元数量相等，所述第一热电单元由对应上内分板区域的多个电偶对组成，所述第二热电单元由对应下内分板其余区域的多个电偶对组成，下内分板其余区域为下内分板减去上内分板在下内分板投影区域的剩余区域，所述第三热电单元由对应下外分板区域的多个电偶对组成，上层基板和下层基板可以切割成多块分板，以构成具有多个致冷区域的多级半导体致冷器件，致冷区域可根据需要采用多种形状或组合，也可以布置于多个位置或区域。

作为优选，所述第一热电单元的热流方向为从上往下，第一热电单元与所述上内分板和下内分板部分区域构成第一级致冷器，所述下内分板部分区域为上内分板在下内分板上的投影区域，第一级致冷器的致冷面为上内分板的外侧表面，其致热面为下内分板部分区域的外侧表面，所述第二热电单元的热流方向为从下往上，第二热电单元与下内分板其余区域和上外分板部分区域构成第二级致冷器，所述下内分板其余区域为下内分板减去上内分板在下内分板上的投影区域的剩余区域，所述上外分板部分区域为下内分板在上外分板上的投影区域，第二级致冷器的致冷面为下内分板其余区域的外侧表面，其致热面为上外分板部分区域的外侧表面，所述第三热电单元的热流方向为从上往下，第三热电单元与上外分板其余区域和下外分板构成第三级致冷器，所述上外分板其余区域为上外分板减去下内分板在上外分板的投影区域的剩余区域，第三级致冷器的致冷面为上外分板其余区域的外侧表面，其致热面为下外分板的外侧表面，第一级致冷器的致冷面(即上内分板)吸收的热量通过第一热电单元传输至第一级致冷器的致热面(即下内分板上对应第一热电单元的区域)上放热，同时，由于第二热电单元的作用，第二级致冷器的致冷面(即下内分板上对应第一热电单元的区域)所吸收的热量可传输至第二级致冷器的致热面(即上外分板上对应第二热电单元的区域)并放热，最后，第三级致冷器的致冷面(即上外分板对应第三热电单元的区域)所吸收的热量通过第三热电单元传输至第三级致冷器的致热面(即下外分板)上，最后可通过贴合于下外分板上的导热装置扩散出去，完成整个热量的多级传输，其中，下内分板既作为第一级致冷器的致热面，也是第二级致冷器的致冷面，上外分板既作为第二级致冷器的致热面，也是第三级致冷器的致冷面，下内分板上的第一级致冷器的热面和第二级致冷器的冷面，由于下内分板上的导热材料如烧结铜片具有良好的导热作用，使下内分板表面具有较小的温度梯度，对应第一热电单元相对恒定的温差，降低了下内分板表面的温度，也就间接拉低了上内分板表面的温度，而对于上外分板来说，同样由于其上的导热材料如烧结铜片的良好导热作用，使上外分板表面也具有较小的温度梯度，降低了上外分板表面的温度，也就间接拉低了下内分板表面的温度，因此，在上下基板表面产生的梯级温度，使得第一级致冷器致冷面(即上内分板)与第三级致冷器致热面(下外分板)之间的温差达到较高的水平。

作为优选，所述上外分板的外侧表面还覆盖有隔热层，所述下内分板的外侧表面还覆盖有隔热层，将中间级的致冷致热面覆盖隔热层，可以防止上层基板各分板之间或下层基板各分板之间互相影响，提升各级致冷器件的最大温差和致冷效率。

作为优选，所述电偶对串联形成单回路工作电路，基板表面具有相对恒定的温度梯度，也可以采用多回路工作电路，使得基板表面具有可控的相对变化的温度梯度或多个不同温度的致冷区域，满足不同的使用要求。

本实用新型的有益效果是：将整块上下层基板切割形成多块物理隔断的上下分板，同时将热电组件根据切割后的上下分板尺寸划分为若干单元，并使各热电单元的热流方向相异，在上下层基板表面形成多个温区，将传统多级致冷器存在于厚度方向的温度梯度转变为存在于基板表面水平方向的温度梯度，构成具有传统单级致冷器件较低厚度的高温差多级致冷器，满足在特写狭窄空间内的高温差和低厚度的冷却使用要求，该多级致冷器件既可制成单点式多级致冷器件，也可制成多点式多级致冷器件，满足部分待冷却物品多部位多区域的冷却要求。

附图说明

图1是半导体致冷器件典型结构示意图。

图2是本实用新型的一种单点多级半导体致冷器件结构示意图。

图3是图2结构的爆炸示意图。

图4是图2结构的中间各分板区域划分示意图。

图5是本实用新型的一种多点多级半导体致冷器件结构示意图。

图6是图5结构的爆炸示意图。

图中1.上层基板，11.上内分板，12.上外分板，121.上外分板部分区域，122.上外分板其余区域，2.下层基板，21.下内分板，211.下内分板部分区域，212.下内分板其余区域，22.下外分板，3.热电组件，31.第一热电单元，32.第二热电单元，33.第三热电单元，4.导流片。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例1的一种新型多级半导体致冷器件，如图2所示，致冷器件为单点式多级致冷器件，包括上层基板1、下层基板2和位于上下层基板之间的热电组件3，热电组件由若干P型-N型半导体电偶对与导流片组成4，电偶对串联形成单回路工作电路，如图3和图4所示，上层基板包括呈方形且设于上层基板中央的上内分板11和呈回字形并嵌合上内分板的上外分板12，下层基板包括呈方形且设于下层基板中央的下内分板21和呈回字形并嵌合下内分板的下外分板22，下内分板的面积大于上内分板的面积，上内分板的投影面完全落入下内分板的边界内，上外分板和下内分板的外侧表面均烧结有具有良好导热性能的铜片，热电组件划分为三个热电单元，包括从内到外依次分布的第一热电单元31、第二热电单元32和第三热电单元33，第一热电单元由对应上内分板区域的多个电偶对组成，其热流方向设计为从上往下，第二热电单元由对应下内分板其余区域的多个电偶对组成，下内分板其余区域为下内分板减去上内分板在下内分板投影区域的剩余区域，其热流方向设计为从下往上，第三热电单元由对应下外分板区域的多个电偶对组成，其热流方向设计为从上往下，第一热电单元与上内分板和下内分板部分区域构成第一级致冷器，其中的下内分板部分区域211为上内分板在下内分板上的投影区域，第一级致冷器的致冷面为上内分板的外侧表面，其致热面为下内分板部分区域的外侧表面，第二热电单元与下内分板其余区域和上外分板部分区域构成第二级致冷器，其中的下内分板其余区域212为下内分板减去上内分板在下内分板上的投影区域的剩余区域，上外分板部分区域121为下内分板在上外分板上的投影区域，第二级致冷器的致冷面为下内分板其余区域的外侧表面，其致热面为上外分板部分区域的外侧表面，第三热电单元与上外分板其余区域和下外分板构成第三级致冷器，其中的上外分板其余区域122为上外分板减去下内分板在上外分板的投影区域的剩余区域，第三级致冷器的致冷面为上外分板其余区域的外侧表面，其致热面为下外分板的外侧表面，由于上外分板外侧表面和下内分板外侧表面的烧结铜片作用，在切割后的上层基板表面和下层基板表面均形成了两个具有相对恒定温度梯度的温区，构成具有单级厚度的单点式三级致冷器件。

使用时，将需要冷却的物品贴合于上内分板外侧表面的铜片上，在下外分板外侧表面的铜片上贴合散热装置，对热电组件通以电流，此时，热电组件中的半导体电偶对产生吸放热现象，在其两端产生一定的温差，其中的第一热电单元的热流方向从上往下，在上内分板外侧表面产生致冷效应，而在下内分板部分区域表面产生致热效应，两者之间产生相对恒定的温差，形成第一级致冷器，贴合在上内分板外侧表面的待冷却物品得到冷却，同时，第二热电单元的热流方向从下往上，使得下内分板其余区域的表面产生致冷效应，而上外分板部分区域的表面产生致热效应，两者之间产生相对恒定的温差，形成第二级致冷器，由于下内分板的一部分区域作为第一级的致热面，另一部分区域作为第二级的致冷面，因此，在下内分板外侧表面烧结铜片良好导热的中和作用下，整个下内分板的温度梯度大幅度减小，相应降低了下内分板的表面温度，间接拉低了上内分板外侧表面的温度，同时，第三热电单元的热流方向设计为从上往下，使得上外分板其余区域的外侧表面产生致冷效应，而下外分板的外侧表面产生致热效应，两者之间产生相对恒定的温差，形成第三级致冷器，由于上外分板的一部分区域作为第二级的致热面，另一部分区域又作为第三级的致冷面，因此，在上外分板外侧表面烧结铜片良好导热的中和作用下，整个上外分板的温度梯度大幅度减小，相对降低了上外分板的表面温度，间接降低了下内分板表面的温度，也进一步拉低了上内分板表面温度，使之达到最大温差。

在下外分板上设置散热装置如水冷散热器等，降低了热面的温度，提升了热量的扩散能力，可进一步降低上内分板表面的温度，获得更大的温差。

待冷却物品可置于上内分板外侧表面，此处是整个多级致冷器件的最低温区，可获得最好的致冷效果，同时，上外分板表面也可以贴合其他需要冷却的物品，可充分利用致冷效率，只是该表面的冷却温度不如上内分板表面低。

实施例2：本实施例2的一种新型多级半导体致冷器件，为多点式多级致冷器件，如图5和图6所示，包括上层基板、下层基板和位于上下层基板之间的热电组件，热电组件由若干P型-N型半导体电偶对与导流片组成，电偶对串联形成单回路工作电路，上层基板包括呈方形且设于上层基板中央的至少二个上内分板和呈回字形并嵌合上内分板的上外分板，下层基板包括呈方形且设于下层基板中央的至少二个下内分板和呈回字形并嵌合下内分板的下外分板，下内分板的面积大于其对应的上内分板的面积，上内分板的投影面完全落入其对应的下内分板边界内，热电组件划分为若干热电单元，包括至少两个第一热电单元、至少两个第二热电单元和第三热电单元，其中第一热电单元和第二热电单元数量相等，第二热电单元由对应下内分板其余区域的多个电偶对组成，其中下内分板其余区域为下内分板减去上内分板在下内分板投影区域的剩余区域，第三热电单元由对应下外分板的多个电偶对组成，通过设置多个致冷区域，可在上层基板表面形成多点冷却，配置灵活，满足不同的致冷要求，本实施例2的其它部分均与实施例1的相应部分类同，本文不再赘述。

同时，在上外分板表面和下内分板表面覆盖隔热层，可防止上下基板各分板之间的热传递，提高致冷致热效率。

在本实用新型的描述中，技术术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本实用新型的技术方案，以上说明并非对本实用新型作了限制，本实用新型也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、增添或替换，都应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型多级半导体致冷器件，包括上层基板(1)、下层基板(2)和位于上下层基板之间的热电组件(3)，所述热电组件由若干P型-N型半导体电偶对与导流片(4)组成，其特征在于：所述上层基板包括多块相互嵌合的上分板，各上分板之间嵌设有隔热材料，下层基板包括多块相互嵌合且与上分板一一对应的下分板，各下分板之间嵌设有隔热材料，其中至少一块下分板面积大于其对应的上分板面积，所述热电组件划分为若干热电单元，各热电单元的分布区域与相应的上下分板对应，各热电单元的热流方向间隔反向设置，上分板和下分板的外侧表面均覆有导热材料，多块上分板构成多温区表面的上层基板，多块下分板构成多温区表面的下层基板，具有多温区表面的上下层基板与相应热电单元构成多级半导体致冷器件。

2.根据权利要求1所述的一种新型多级半导体致冷器件，其特征在于：所述导热材料为烧结铜片。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型多级半导体致冷器件，其特征在于：所述上分板呈方形或L形或圆形或环形或星形或扇形，所述下分板呈方形或L形或圆形或环形或星形或扇形。

4.根据权利要求3所述的一种新型多级半导体致冷器件，其特征在于：所述多级半导体致冷器件为单点式多级致冷器件，所述上层基板(1)包括呈方形且设于上层基板中央的上内分板(11)和呈回字形并嵌合所述上内分板的上外分板(12)，所述下层基板(2)包括呈方形且设于下层基板中央的下内分板(21)和呈回字形并嵌合所述下内分板的下外分板(22)，所述下内分板的面积大于所述上内分板的面积，上内分板的投影面完全落入下内分板的边界内，所述热电组件(3)划分为三个热电单元，包括从内到外依次分布的第一热电单元(31)、第二热电单元(32)和第三热电单元(33)，所述第一热电单元由对应上内分板区域的多个电偶对组成，所述第二热电单元由对应下内分板其余区域的多个电偶对组成，所述下内分板其余区域为下内分板减去上内分板在下内分板投影区域的剩余区域，所述第三热电单元由对应下外分板区域的多个电偶对组成。

5.根据权利要求3所述的一种新型多级半导体致冷器件，其特征在于：所述多级半导体致冷器件为多点式多级致冷器件，所述上层基板(1)包括呈方形且设于上层基板中央的至少二个上内分板(11)和呈回字形并嵌合所述上内分板的上外分板(12)，所述下层基板(2)包括呈方形且设于下层基板中央的至少二个下内分板(21)和呈回字形并嵌合所述下内分板的下外分板(22)，所述下内分板的面积大于其对应的上内分板的面积，上内分板的投影面完全落入其对应的下内分板边界内，所述热电组件(3)划分为若干热电单元，包括至少两个第一热电单元(31)、至少两个第二热电单元(32)和第三热电单元(33)，其中第一热电单元和第二热电单元数量相等，所述第一热电单元由对应上内分板区域的多个电偶对组成，所述第二热电单元由对应下内分板其余区域的多个电偶对组成，下内分板其余区域为下内分板减去上内分板在下内分板投影区域的剩余区域，所述第三热电单元由对应下外分板区域的多个电偶对组成。

6.根据权利要求4或5所述的一种新型多级半导体致冷器件，其特征在于：所述第一热电单元(31)的热流方向为从上往下，第一热电单元与所述上内分板(11)和下内分板(21)部分区域构成第一级致冷器，所述下内分板部分区域(211)为上内分板在下内分板上的投影区域，第一级致冷器的致冷面为上内分板的外侧表面，其致热面为下内分板部分区域的外侧表面，所述第二热电单元(32)的热流方向为从下往上，第二热电单元与下内分板其余区域和上外分板(12)部分区域构成第二级致冷器，所述下内分板其余区域(212)为下内分板减去上内分板在下内分板上的投影区域的剩余区域，所述上外分板部分区域(121)为下内分板在上外分板上的投影区域，第二级致冷器的致冷面为下内分板其余区域的外侧表面，其致热面为上外分板部分区域的外侧表面，所述第三热电单元(33)的热流方向为从上往下，第三热电单元与上外分板其余区域和下外分板构成第三级致冷器，所述上外分板其余区域(122)为上外分板减去下内分板在上外分板的投影区域的剩余区域，第三级致冷器的致冷面为上外分板其余区域的外侧表面，其致热面为下外分板的外侧表面。

7.根据权利要求6所述的一种新型多级半导体致冷器件，其特征在于：所述上外分板(12)的外侧表面还覆盖有隔热层，所述下内分板(21)的外侧表面还覆盖有隔热层。

8.根据权利要求1所述的一种新型多级半导体致冷器件，其特征在于：所述电偶对串联形成单回路工作电路。