[实用新型]一种高性能半导体热电元件

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种高性能半导体热电元件，属于能源利用的直接式热电转换技术领域。

背景技术

如图1所示，现有的半导体热电元件主要由P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片、绝缘陶瓷板、侧面有机硅密封胶(图中未画出)和导线组成。

现有半导体热电元件的工作原理是：当热电元件的一面受热形成热端时，半导体与铜片接触的二端产生温度差。由于半导体具有显著的塞贝克效应，半导体与铜片接触的二端产生电压。如果将负载接入导线，与热电元件形成闭合电路，在电路内将形成电流，因而热电元件将热端吸收的热能直接转换成电能。

半导体热电元件还可以实现制冷功能，其工作原理是：将直流电接入热电元件的导线，当电流流过半导体与铜片的接触处时，由于半导体的帕尔贴效应，它与铜片接触的一端温度升高，成为热端，另一端温度降低，成为冷端。冷端可用于降低温度的制冷过程，这时的热电元件通常称为半导体制冷器。

半导体热电元件虽然具有结构简单，无需工质，噪音小、启动迅速等优点，但相对于传统的热力发电或蒸汽压缩制冷等热电转换过程，半导体热电转换的效率很低。这种热电转换方式在绝大多数情况下没有实用性，只能应用于一些特殊的场合。

导致半导体热电元件热电转换效率低的一个重要原因是热端通过元件内部向冷端的传热过程。该传热过程对于热电转换过程降低了冷热端温差，使得热电转换效率下降；对于制冷过程，向冷端的传热直接导致冷端可以对外输出的冷量变小，从而制冷系数下降。因此，减少热端向冷端的传热是提高热电转换效率的重要方法。

热端向冷端的传热可以通过二种途径：1.通过半导体热电臂的导热。这种传热途径早就被认识到，并受到很多研究。通过热电臂的导热是热电元件工作时的伴随过程，是不可避免的。2.通过内部空间的传热。这种传热可分为二个方面，即内部空间中空气的自然对流传热和热表面向冷表面的辐射传热。由于热电元件工作时热端和冷端的温度差可达几十度甚至上百度，因此热端通过这种途径向冷端的传热量是很大的，通过技术手段可以减少这一途径的传热量。

现有的半导体热电元件没有对上述的第2种传热途径进行控制，是造成热电转换效率低的主要原因之一。

为了防止外界异物（如灰尘等）进入热电元件内部，造成电路短路，特别是对于半导体制冷器，还需要防止空气中的水蒸汽在冷端凝结的危害。为此现有的半导体热电元件在侧面使用有机硅胶进行密封。但是在热电元件冷热端巨大的温差作用下，经过长时间的反复工作，有机硅胶的密封存在失效的可能。因此有必要寻找对热电元件进行更可靠的密封方法。

为了有利于热电元件与外界进行高效传热，需要在绝缘陶瓷板上安装传热元件，如散热器。为了消除散热器与绝缘陶瓷板间的接触热阻，需要对二者的接触面施加极大的压力，这一压力也被施加于陶瓷绝缘板和半导体热电臂上。在热电元件内部存在大量空间的情况下，会形成受力面受力不均的情况，可能对绝缘陶瓷板和热电臂形成机械破坏。因此需要对热电元件受力面的受力状态进行改善，以提高受力面的机械安全性。

发明内容

为了克服现有半导体热电元件热电转换效率低，消除有机硅胶密封失效造成电路短路的可能，以及提高热电元件受力面的机械安全性，本实用新型提供一种高性能半导体热电元件，目的是通过在半导体热电元件内部空间填充绝热密封材料，消除元件内部的自然对流传热和辐射传热，提高热电转换效率。绝热密封材料同时还为半导体热电元件提供可靠的一体化密封，并使受力面形成均匀的受力状态，提高机械安全性。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种高性能半导体热电元件，包括P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片、绝缘陶瓷板和导线，在两块绝缘陶瓷板之间，填充有绝热密封材料，绝热密封材料充满P型半导体热电臂、N型半导体热电臂、铜片及绝缘陶瓷板之间的空间。

进一步地，所述绝热密封材料为硬泡聚氨酯。

这种高性能半导体热电元件的工作原理为：当热电元件用于将热端吸收的热能转换成电能时，元件两端由于吸热产生温度差，半导体热电臂在温度差作用下，由于赛贝克效应而在热端和冷端间形成电压，从而将热能转变成电能。元件内填充的绝热密封材料阻止热端通过自然对流和热辐射向冷端传热，提高了热端和冷端的温差，因而可以显著提高元件的热电转换效率。

当元件用于将电能转变成热能时，由导线接入直流电，电流流过半导体热电臂时，由于帕尔贴效应而使热电臂一端温度升高，另一端温度下降，温度低的一端可以用于制冷。元件内安装的绝热密封材料减少了热端向冷端的传热，从而冷端可以对外输出更多的冷量，制冷系数增加。