[发明专利]外置极板式半导体热电元件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体热电元件，具体涉及一种外置极板式半导体热电元件，属于能源利用的直接式热电转换技术领域。

背景技术

现有的半导体热电转换模块主要由半导体热电元件、冷却端散热器和风扇组成；而半导体热电元件由P型半导体、N型半导体、极板和陶瓷板组成，其使用“三明治”夹心式结构，最外层是二块陶瓷板，二块陶瓷板内侧布置有极板，中心的P型和N型半导体热电臂与这些极板相连接(如图1、2所示)。但是这种结构存在极板与半导体焊接难度大、极板需要在陶瓷板上进行固定，陶瓷板的热阻以及夹心式结构内部的传热使半导体热电转换效率下降等缺点。

半导体热电模块的工作原理如下：当热电模块的加热端受到加热形成热端，冷却端被冷却形成冷端时，热电元件的二端产生温度差；由于半导体具有较显著的塞贝克效应，半导体与极板接触的二端产生电压。如果将负载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转换成电能。

现有的半导体热电转换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等热电转换过程，其热电转换的效率很低，所以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。其中，导致半导体热电元件热电转换效率低的重要原因是元件内部存在热端向冷端的传热以及所用两个陶瓷板的热阻。因为半导体冷热端温差越大，其热电转换效率越高；但以上因素降低了冷热端温差，使得热电转换效率下降，所以减少热端向冷端的传热以及降低陶瓷板热阻是提高半导体冷热端温差，从而提高热电转换效率的重要手段。

半导体热电元件热端向冷端的传热可以通过以下途径进行：1)通过P型半导体和N型半导体的导热，这种传热途径是热电模块工作时的伴随过程，是不可避免的。2)通过内部空间的传热，这种途径的传热可分为两个方面，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能达到几十度甚至数百度，因此热端通过这种途径向冷端的传热是很大的，通过技术手段可以减少通过这一途径的传热量。

陶瓷板的热阻为导热热阻，使得热电元件的冷热端工作温度与热源及冷源间存在温差，使得热电元件冷热端温差下降，降低了热电转换效率；该热阻在现有热电元件结构中是不可避免的，通过对现有结构进行改革，可以减小该热阻。

发明内容

为了克服现有热电元件热电转换效率低及半导体热电臂与极板安装焊接困难等缺点，本发明提供了一种外置极板式半导体热电元件，不但增加了半导体热电元件的冷热端温差，提高了热电转换效率，而且还具有安装方便的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

外置极板式半导体热电元件，包括极板、P型半导体、N型半导体和保温绝缘基底，所述保温绝缘基底位于热电元件的加热端和冷却端的中间，并填满P型半导体和N型半导体之间的空隙；所述P型半导体、N型半导体和极板固定在保温绝缘基底上，其中极板位于保温绝缘基底的外侧。

所述保温绝缘基底上设有安装所述P型半导体和N型半导体的安装孔。

进一步地，所述保温绝缘基底的材料为硬质聚氨酯泡沫。

所述冷却端侧的极板上有电绝缘涂层，所述加热端侧的极板上没有电绝缘涂层。

进一步地，所述电绝缘涂层的材料为氧化铝陶瓷。

所述冷却端安装有散热器。

本发明保留了热电元件结构简单、无需工质、噪音小的优点，对传统热电元件的“三明治”夹心式结构进行了彻底改革，将保温绝缘基底材料放在热电元件的中间，将极板置于最外侧，这种结构可使得热电元件的组装更为方便，并且消除了两块陶瓷板的热阻和内部传热，可使得热电转换效率得到提高；具体来说，本发明具有以下优点：

1)无绝缘陶瓷板，消除了陶瓷板的导热热阻，增大了元件的冷热端温差，提高热电转换效率。

2)保温绝缘基底位于热电元件加热端和冷却端中间，可以消除加热端向冷却端的对流传热和辐射传热，可增大加热端和冷却端的温差，提高热电转换效率。

3)保温绝缘基底上开设有半导体的热电臂定位安装孔，可方便半导体热电臂的定位和安装，及半导体与极板的焊接，提高热电元件的生产效率。

4)极板位于热电元件的外侧，可以直接与热源和冷源进行热量交换，从而提高热电元件工作温差，提高热电转换效率。

5)热电元件冷却端的极板具有电绝缘涂层，从而冷却端散热器可以与极板直接接触安装，增强冷却端的散热；加热端极板没有涂层，有利于极板从热源吸收热量。