[发明专利]一种基于双电源的串并联内耦式半导体制冷模块

说明书

技术领域

本发明属于半导体制冷技术领域，具体涉及一种用于半导体制冷器的基于双电源的串并联内耦式半导体制冷模块。

背景技术

半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它是利用特种半导体p型和n型材料构成的制冷电偶在施加直流电时所具有的显著珀尔帖热电效应来实现制冷的一种制冷方式。半导体制冷具有结构简单、紧凑、制冷迅速、操作简单、容易实现高精度的温度控制等优点，在工业、电子、医疗、军事和航空航天等领域有着广泛的应用。然而，半导体制冷的主要缺点是它的制冷效率低，这主要是由于目前使用的半导体材料的优值系数本身不大所造成的，在很大程度上限制了半导体制冷的推广和应用。因此，在目前缺少更好的半导体材料情况下，通过改进半导体制冷模块的结构设计来提高半导体制冷性能也就成为这一技术领域中重要的发展方向之一。

目前，在半导体制冷器中广泛使用的是单级半导体制冷模块，它一般是由许多单级制冷电偶通过电路串联而成，并配置单个直流电源供电工作。这种连接方式的单级半导体制冷模块，当施加电流改变时，分别存在着最大制冷量工况和最佳效率工况。为获得大的制冷量，往往就要牺牲效率，这一直是现有常规单级半导体制冷模块在实际应用中的技术难点。针对这一问题，本发明技术旨在提供一种可行解决方案，即一种串并联内耦式半导体制冷模块，通过采用双电源供电方式，以及对一组制冷电偶在内部将电偶臂分成两级，并在电路上采取串联与并联耦合方式连接，在传热上串并联连接，构成一种新的内耦式半导体制冷模块。该半导体制冷模块能有效地解决现有常规单级半导体制冷模块所存在的不能同时获得较大制冷量与效率的矛盾问题。同时，它既可以适用于较小制冷温差的要求（即现有常规单级半导体制冷模块的应用范围），也可以满足较大制冷温差的要求。因此，这一技术方案将会促进半导体制冷在未来将得到很好的发展和更广泛的应用，而且也会带来更好的经济效益和社会效益。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于双电源的串并联内耦式半导体制冷模块，有效地解决现有常规单级半导体制冷模块所存在的不能同时获得较大制冷量与效率的矛盾问题；同时，它既可以适用于较小制冷温差的要求，也可以满足较大制冷温差的要求。

为达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案是：

一种基于双电源的串并联内耦式半导体制冷模块，由一组同样的串并联内耦式制冷电偶单元构成，在第一个串并联内耦式制冷电偶单元中：第一级p型电臂侧连接片105、第一级p型电臂106、第二级p型电臂侧连接片107、第二级p型电臂108、热端连接片109、第二级n型电臂110、第二级n型电臂侧连接片111、第一级n型电臂112以及第一级n型电臂侧连接片113依次连接；第二个串并联内耦式制冷电偶单元中的两级p型和n型电偶臂构成及连接方式与第一个的相同，它又通过第二级n型电臂侧连接片111和第一级n型电臂侧连接片113与第一个串并联内耦式制冷电偶单元相连接；后续的各个制冷电偶单元以同样的方式依次连接；冷端陶瓷板103与所有串并联内耦式制冷电偶单元中的第一级电臂侧连接片相连接；热端陶瓷板104与所有串并联内耦式制冷电偶单元中的热端连接片相连接；第二级电源101的正极和第一个串并联内耦式制冷电偶单元的第二级p型电臂侧连接片107相连接，第二级电源101的负极和最后一个串并联内耦式制冷电偶单元的第二级n型电臂侧连接片相连接；第一级电源102的正极与第一个串并联内耦式制冷电偶单元的第一级p型电臂侧连接片105相连，第一级电源102的负极与最后一个串并联内耦式制冷电偶单元的第一级n型电臂侧连接片相连接。通过以上连接方式，构成了所提出的基于双电源的串并联内耦式半导体制冷模块。

在本发明制冷模块中，每一个制冷电偶单元内被分成两级，每一级由一对方形p型和n型电偶臂构成；两级之间通过金属连接片实现热传递；每个制冷电偶的连接电路为串并联混合电路，并由两个直流电源供电；再由一组同样的两级制冷电偶单元，通过在电路上采取串联方式、在传热上采取并联方式将它们连接起来，并在其冷端和热端分别配置导热陶瓷板，从而构成一种基于双电源的串并联内耦式半导体制冷模块。通过采用双电源供电方式，该半导体制冷模块能有效地解决现有常规单级半导体制冷模块所存在的不能同时获得较大制冷量与效率的矛盾问题。同时，它既可以适用于较小制冷温差的要求（即现有常规单级半导体制冷模块的应用范围），也可以满足较大制冷温差的要求。因此，这一技术方案将会促进半导体制冷在未来将得到很好的发展和更广泛的应用，而且也会带来更好的经济效益和社会效益。