CN103206805B - 半导体制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体制冷装置，包括：半导体制冷片，具有热效应面和冷效应面；隔热结构，将所述半导体制冷片的所述热效应面和冷效应面隔离；金属片，所述金属片的上表面与所述半导体制冷片的冷效应面紧密贴合，所属金属片的下表面与待冷却液体相接触；一组热管，第一端与所述半导体制冷片的热效应面贴合，第二端延伸出隔热结构外；一组散热翅片，安装在所述热管的第二端。本发明半导体制冷装置，将所述半导体制冷片的所述热效应面和冷效应面完全隔离，通过热管将处于封闭状态下的热端的热能传递出来，通过外部的散热片进行散热，大大提高了半导体制冷装置的制冷效率，同时制成的盖式结构，方便使用在任何一端开口的器皿上。
Description
技术领域
本发明涉及制冷领域，特别是涉及一种半导体制冷装置。
背景技术
目前除了常用的压缩式制冷机和逐步被推广的吸收式制冷机以及蒸汽喷射式制冷机外，半导体制冷片的使用也越来越广泛。半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。但是半导体制冷片因其体积限制，它的热效应面和冷效应面比较接近，在工作时容易产生相互之间的热交换，从而影响制冷效率。另外，其冷效应面的制冷效率还取决热效应面的散热效率。即，热效应面的热传导速度、散热效果越好，冷效应面的制冷效果就越好。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种半导体制冷装置，制冷效率高。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种半导体制冷装置，包括：
半导体制冷片，具有热效应面和冷效应面；
隔热结构，将所述半导体制冷片的所述热效应面和冷效应面热隔离，所述冷效应面与所述隔热结构的底面同平面，所述热效应面被所述隔热结构包裹其中；
金属片，所述金属片的上表面与所述半导体制冷片的冷效应面紧密贴合，所述金属片的下表面与待冷却液体相接触；
一组热管，第一端与所述半导体制冷片的热效应面贴合，第二端延伸出隔热结构外；
一组散热翅片，安装在所述热管的第二端。
在本发明一个较佳实施例中，所述隔热结构，包括隔热层，所述隔热层包括依次复合的下隔热板、隔热材料和加强板，所述隔热层上有一阶梯状通孔，所述通孔的内腔表面有填充材料，所述半导体制冷片安置在所述通孔的下端，并将所述通孔的下端封闭，所述冷效应面朝外并与所述下隔热板的下表面在同一平面上，所述热管的第一端与所述半导体制冷片的热效应面贴合，第二端延伸出通孔外。
在本发明一个较佳实施例中，所述半导体制冷装置包括盖板，所述盖板将所述通孔的上端封闭，并固定在所述隔热结构上，所述盖板和所述加强板的连接处用导热胶连接。
在本发明一个较佳实施例中，所述热管和所述半导体制冷片的热效应面通过金属块固定，所述半导体制冷片的热效应面与所述下隔热板的上表面在同一平面上，所述热管呈L形，所述热管的第一端镶嵌在所述金属块中，热管的第一端的下表面被制成平面，镶嵌于金属块的下表面处于同一平面，与热效应面贴合，所述金属块的下表面与所述半导体制冷片的热效应面以及所述下隔热板的上表面相贴合。
在本发明一个较佳实施例中，所述金属块的下表面涂覆有平面导热材料层。
在本发明一个较佳实施例中，所述金属片的表面积大于所述半导体制冷片的冷效应面的表面积。
在本发明一个较佳实施例中，所述金属片的上表面涂覆有平面导热材料层。
在本发明一个较佳实施例中，所述平面导热材料层为厚度<0.02mm的石墨片或石墨烯。
在本发明一个较佳实施例中，所述金属块为铜块或铝块。
在本发明一个较佳实施例中，所述下隔热板为玻璃纤维板，所述隔热材料为发泡PVC材料，所述加强板和所述盖板为铝片，所述填充材料为酚醛，所述金属片为铜板或铝板。
本发明的有益效果是：本发明半导体制冷装置，将所述半导体制冷片的所述热效应面和冷效应面完全隔离；通过在热效应面和冷效应面覆盖很薄的高平面导热材料层，在纵向的导热损失很小的情况下，增大了金属片/金属块的平面均温速度和热传导面积；通过热管将处于封闭状态下的热端的热能快速传递出来，通过外部大面积的加强板表面和散热片表面进行散热，大大提高了半导体制冷装置的制冷效率，同时制成的盖式结构，方便使用在任何一端开口的器皿上。所有热传导体的硬面间的粘接均使用极薄的高导热胶，保证硬面间热接触贴合的可靠性、抗震动性和低热阻性。所有在导热体与绝缘体间均用发泡技术完全充满了热阻更高、耐高温性更好的酚醛材料，保证热移动的单向引导。
附图说明
图1是本发明半导体制冷装置一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种半导体制冷装置，包括：半导体制冷片10、隔热结构、金属片30、一组热管40、一组散热翅片50、金属块60和平面导热材料70。
所述半导体制冷片10，具有热效应面11和冷效应面12。
所述隔热结构，将所述半导体制冷片10的所述热效应面11和冷效应面12隔离；包括隔热层，所述隔热层包括依次复合的下隔热板211、隔热材料212和加强板213，所述隔热层上有一阶梯状通孔（未标注），所述阶梯状通孔的内腔包括依次连接的阶梯面2131、2121、2122、2111、2112，所述阶梯面2121为隔热材料212的上表面的一部分，所述阶梯面2111为下隔热板211的上表面的一部分，所述阶梯面2122、2112表面有填充材料214，所述半导体制冷片10安置在所述通孔的下端，并将所述通孔的下端封闭，所述冷效应面12朝外并与所述下隔热板211的外平面在同一平面上。所述隔热层的下隔热板211、隔热材料212和加强板213三层通过胶水冷压复合，构成保温复合板材，所述盖板218将所述通孔的上端封闭，并通过螺栓216将盖板218固定在所述隔热结构上，所述螺栓216头位于所述盖板218上，所述螺栓216尾位于所述下隔热板211中，所述盖板218和所述加强板213的连接处用导热胶215连接。优选地，所述下隔热板211为玻璃纤维板，用于上下层隔热，同时强度较大，可固定螺栓；所述隔热材料212为发泡PVC材料；所述加强板213和所述盖板218为铝片，对隔热材料212起到加强的作用；所述填充材料214为酚醛，主要起到隔热的作用，在所述下隔热板211和所述半导体制冷片10也可以填充所述填充材料214用于密封和隔热。酚醛材料耐高温，可以填充所有空隙，防止热量向两边扩散，同时发泡PVC材料不耐高温，采用酚醛可以有效保护PVC材料不受半导体片热端影响。铜块上铝板通过螺栓与隔热材料212进行阶梯状连接，保证了散热装置与隔热结构间的固定。所述盖板218和所述加强板213的连接处用导热胶215连接，使得所述盖板218和所述加强板213通过导热胶连接为一个导热整体。由于所述盖板218与热管有贴合，故整个上表面的盖板218和所述加强板213连接成的导热整体成为了散热片的一部分，进一步扩大了散热面积。
所述隔热层的上下层和金属块均为硬质材料，发泡PVC也比较硬，通过螺栓紧固，结构非常可靠。
金属片30，所述金属片30的一面与所述半导体制冷片10的冷效应面12紧密贴合，所述金属片30的另一面与待冷却液体相接触。所述金属片30的表面积大于所述半导体制冷片10的冷效应面12的表面积。优选为导热效果较佳的铜板或铝板。所述金属片30可增大冷效应面的传导面，即增大与待冷却液体相接触。本实施例中，所述金属片30通过与隔热板211的粘接以及两端的螺栓35固定在所述下隔热板211上。
所述热管40，第一端41的底面涂覆有平面导热材料70，平面导热材料70与所述半导体制冷片10的热效应面11接触，第二端42延伸出隔热结构的通孔外。本实施例中，所述热管40、平面导热材料70和所述半导体制冷片10的热效应面11、金属块60间固定用导热胶粘接来完成。所述半导体制冷片10的热效应面11与所述下隔热板211的上表面在同一平面上，所述热管40镶嵌在所述金属块60中，所述金属块60的下表面与所述半导体制冷片10的热效应面11用导热胶粘接贴合，与所述下隔热板211的上表面用隔热胶粘接相贴合。所述金属块60优选为传热效果佳的铜块或铝块。这样可以将所述半导体制冷片10的热效应面11的热量传输至所述加强板213的外表面进行散热，进一步扩大了散热面积。由于金属块60的面积比热效应面11要大，且平面导热材料70均温性好，故金属块60的热传导效率要好很多。本实施例中，将所述热管40的第一端41延伸至所述下隔热板211的上表面，增大了热管40与金属块60下表面、平面导热材料70的接触面，所述热管40的第一端41的吸热性得到提升。同时，所述金属块60的上表面与所述盖板218的下表面导热胶粘接贴合，通过金属块60直接向所述盖板218传热。当然，所述金属块60的上表面也可以不与所述盖板218的下表面贴合，所述金属块60的上表面与所述盖板218的下表面之间的间隙通过酚醛填充材料填满，这样的结构，所述金属块60不直接和所述盖板218产生热传导，但避免了金属块和盖板因硬连接，而可能受振动造成的损坏，结构更加稳固。
所述散热翅片50，安装在所述热管40的第二端42，可通过附加风扇等对所述散热翅片50进行散热。
优选地，所述金属块60的下表面和所述金属片30的上表面涂覆有平面导热材料层70。所述平面导热材料层70为厚度<0.02mm的石墨片或石墨烯。石墨片或石墨烯横向的导热系数高达1500~5500，数倍于铜等金属材料。由于平面导热材料层70很薄，纵向导热性影响不大，所以很薄的材料可以起到很好的横/纵向导热效果。所述平面导热材料层70在横向的热传导的速率很快，而在纵向的热传导率稍差，因此在所述金属块60的下表面和所述金属片30的上表面涂覆有薄薄的一层平面导热材料层70，可以充分发挥平面导热材料层在横向的热传导的优越性，将所述半导体制冷片10的所述热效应面11和冷效应面12迅速横向传导出去，在透过金属片30或金属块60，按热向上、冷向下的纵向进行传导。半导体制冷片10的热效应面11产生的热可以被石墨层快速导到更大面积区域，然后通过热管和金属块进行散热，更大的面积可以布置更多热管，提高吸热能力，同时酚醛和隔热板的横向和下向防护，则可以使热量难以向隔热层和冷面扩散。同样，对冷效应面12，也是这样的。
同样，所述翅片50上也可以涂覆由石墨或石墨烯形成的平面导热材料层70，使得散热效率更高。
本发明所使用的材料的热阻系数由大到小的排列顺序为：填充材料酚醛、隔热层发泡PVC、隔热板PCB、金属、石墨（石墨烯）。
本发明所使用的不同厚度材料的强度由大到小的额排列顺序为：金属块、隔热板、加强板、金属片、隔热层、填充材料、石墨。
本发明半导体制冷装置，包括：半导体制冷片，具有热效应面和冷效应面；隔热结构，将所述半导体制冷片的所述热效应面和冷效应面以高隔热材料和结构进行热隔离。冷效应面与隔热结构底面同平面，热效应面被隔热结构包裹其中；金属片，所述金属片的上表面与所述半导体制冷片的冷效应面紧密贴合，并通过其间的横向高导热贴层，大大扩展了冷效应面的热接触面积。所属金属片的下表面与待冷却液体相接触；一组热管，第一端与所述半导体制冷片的热效应面贴合，第二端延伸出隔热结构外；金属块，所述金属块的底面与一端热管平层，并通过横向高导热贴层与热效应面紧密贴合，大大扩展了热效应面于热管、金属块的热接触面积；一组散热翅片，安装在所述热管的第二端的大面积散热翅片，提高散热效果。本发明半导体制冷装置，将所述半导体制冷片的所述热效应面和冷效应面进行有效完全隔离，通过热管将处于封闭状态下的热端的热能传递出来，通过外部的散热片进行散热。由于采用了高横向导热率的贴膜和高纵向导热率的金属片（块）复合结构，大大提高了半导体制冷片的冷热传导效率，同时制成的盖式结构，方便使用在任何一端开口的器皿上。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1. 一种半导体制冷装置，其特征在于，包括：
半导体制冷片，具有热效应面和冷效应面；
隔热结构，将所述半导体制冷片的所述热效应面和冷效应面热隔离，所述冷效应面与所述隔热结构的底面同平面，所述热效应面被所述隔热结构包裹其中；
金属片，所述金属片的上表面与所述半导体制冷片的冷效应面紧密贴合，所述金属片的下表面与待冷却液体相接触；
一组热管，第一端与所述半导体制冷片的热效应面贴合，第二端延伸出隔热结构外；
一组散热翅片，安装在所述热管的第二端，
所述隔热结构，包括隔热层，所述隔热层包括依次复合的下隔热板、隔热材料和加强板，所述隔热层上有一阶梯状通孔，所述通孔的内腔表面有填充材料，所述半导体制冷片安置在所述通孔的下端，并将所述通孔的下端封闭，所述冷效应面朝外并与所述下隔热板的下表面在同一平面上，所述热管的第一端与所述半导体制冷片的热效应面贴合，第二端延伸出通孔外。
2. 根据权利要求1所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述半导体制冷装置包括盖板，所述盖板将所述通孔的上端封闭，并固定在所述隔热结构上，所述盖板和所述加强板的连接处用导热胶连接。
3. 根据权利要求1所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述半导体制冷片的热效应面与所述下隔热板的上表面在同一平面上，所述热管呈L形，所述热管的第一端镶嵌在金属块中，热管的第一端的下表面被制成平面，镶嵌于金属块的下表面处于同一平面，与热效应面贴合，所述金属块的下表面与所述半导体制冷片的热效应面以及所述下隔热板的上表面相贴合。
4. 根据权利要求3所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述金属块的下表面涂覆有平面导热材料层。
5. 根据权利要求1所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述金属片的表面积大于所述半导体制冷片的冷效应面的表面积。
6. 根据权利要求5所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述金属片的上表面涂覆有平面导热材料层。
7. 根据权利要求4或6所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述平面导热材料层为厚度<0.02mm的石墨片或石墨烯。
8. 根据权利要求4所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述金属块为铜块或铝块。
9. 根据权利要求2所述的半导体制冷装置，其特征在于，所述下隔热板为玻璃纤维板，所述隔热材料为发泡PVC材料，所述加强板和所述盖板为铝片，所述填充材料为酚醛，所述金属片为铜板或铝板。
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