CN105276894A - 带有固态风扇的半导体制冷模块和包括该模块的冷藏箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有固态风扇的半导体制冷模块，包括半导体制冷片和散热组件，所述半导体制冷片的热端面和冷端面分别安装有所述散热组件，至少一组散热组件采用固态风扇；本发明还公开了一种包括上述半导体制冷模块的冷藏箱；本发明的固态风扇是基于电晕放电原理，没有机械运动部件，避免了机械风扇所带来的振动和噪音，同时固态风扇工作电流小功耗低，能够直接利用散热翅片板作为集电极，大大减小了散热系统整体体积与重量；并且其风速可以通过改变施加在放电极上的电压、放电极与极板间距以及放电极之间的间距实现，具有结构更加紧凑、轻巧，运行过程无振动、无噪音，效率更高，风速易于控制，可以根据需要以更大的自由度进行设计、优化等突出优点。

Description

带有固态风扇的半导体制冷模块和包括该模块的冷藏箱

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别涉及带有固态风扇的半导体制冷模块和包括该模块的冷藏箱。

背景技术

为了减小制冷过程中机械泵、阀门等结构所带来的振动和噪音，对无阀门和机械泵的制冷装置进行了越来越多的研究。氨水扩散吸收式冷藏箱是一种三元工质的吸收式制冷机，其利用液体蒸发实现连续不断的制冷。氨水扩散吸收式制冷机采用氨作为制冷剂，水作为吸收剂，辅助惰性气体作为扩散剂，它利用扩散剂扩散到制冷剂内降低制冷剂的分压力实现压缩式制冷机中的节流元件的作用，使得整个系统不需要设置阀门，同时利用热虹吸原理使制冷系统能循环运行，不需要设置机械泵，系统无压缩机，减小了运行时的噪音和振动。氨水扩散吸收式冰冷藏箱的制冷工质不存在对臭氧层的破坏和温室效应的问题，这些都使得氨水扩散吸收式冰箱应用广泛。

公告号为CN102168900A的中国专利文献公开了一种采用燃气或电加热的100～300升的扩散吸收冷冻箱，通过盛物箱安装整块散冷板增加散冷效果提高效率，同时改用直线型蒸发器便于加工和提高效率。使得整个系统适用于大容量的冷冻箱，结构简单，成本降低，效率提高。但是由于氨水扩散吸收冷藏箱内设置了蒸发器、冷凝器、发生器以及吸收器使得箱体体积大，重量大，且制冷效率仍较低，因此，需要对制冷系统进行优化设计以提高性能和使换热设备更紧凑，同时冷凝器对制冷系统的性能影响较大，采用强制对流风扇来对冷凝器加强冷却能大大提高制冷系统的制冷速度和效率，但是强制对流风扇也会使得氨水扩散吸收冰箱会产生振动和噪音。

为了解决上述问题，有研究者提出了半导体制冷技术，又称热电制冷，是利用热电效应来实现制冷的技术，与传统制冷方法不同，其既不需要制冷剂也没有复杂的机械设备和管路系统，只需要通上直流电便可以实现制冷。公告号为CN2674370Y的中国专利文献提出了一种采用半导体制冷技术的高效冷藏箱，由于其利用半导体材料实现制冷，外形尺寸可以做的很小，系统的重量大大减轻，降低摩擦和噪音，能较精确的对温度进行控制和调节，不存在制冷剂泄露而引起的环境问题。但是半导体制冷的冷热端还是需要机械风扇强化换热来使其能正常高效的运行，机械风扇会带来振动和噪音的问题，为提高效率并降低噪音，该冷藏箱在制冷片热端采用冷媒进行冷却而不是传统的机械风扇，通过冷媒对带走热端的热量使制冷片稳定高效运行。但是采用冷媒冷却带来很多其他问题，由于冷媒的输送和循环需要泵，泵会产生噪音同时也消耗功率增加了能耗，且系统需要冷媒循环管路使得结构变得复杂。

为此，公告号为CN2229638Y公开了一种新型的半导体冷藏箱，包括箱体、箱门、贮藏室、贮水箱、水泵、致冷器件、散热机构、电源及温控电路，所述的冷藏箱的侧部均匀地安装有不止一套贮冷、吸热导热及散热机构，贮冷器与吸热导热块之间夹装有半导体致冷组件。上述的半导体冷藏箱采用水作为冷媒进行换热，设置了水泵，整体结构复杂，并且水泵还会产生噪音、振动以及消耗功率增加耗能。

发明内容

本发明提供了一种带有固态风扇的半导体制冷模块，具有体积小、无噪音、无振动以及制冷效率高等优点。

一种带有固态风扇的半导体制冷模块，包括半导体制冷片和散热组件，所述半导体制冷片的热端面和冷端面分别安装有所述散热组件，至少一组散热组件采用固态风扇。

半导体制冷片是基于热电效应从而实现制冷效果，通过改变正负电压的流动方向，还可以使半导体制冷片的热端面和冷端面互换，应用在设备中实现冷热两用，且结构简单，体积小。为了提高半导体制冷的性能在其冷热端布置了散热组件。至少一组散热组件采用固态风扇是指可以两端面都使用固态风扇，也可以只有一端采用固态风扇，另一端采用其他结构的散热装置。

本发明半导体制冷片的冷热端散热组件均采用固态风扇散热装置。固态风扇是利用电晕放电产生的带电粒子在电场中流动带动周围空气流动，空气的流动形成宏观的风来实现对热端的散热和冷端的吸热。与传统机械风扇不同，固态风扇的效率和风量会受到结构参数如换热面、间距，以及供电电压和换热面的热通量的影响，同时散热面的热通量也会对半导体制冷片的效率产生影响，因此存在最优的参数来使得整个冷藏/冷冻箱能在最佳状态下运行，实现降低能耗提高制冷效率和速度。

为了方便制造和提高制冷效果，所述固态风扇包括供电电源以及相互配合产生电晕风的放电极和集电极，电极框架用于固定放电极，导线用于连接供电电源，通过将放电极固定于集电极上方或左右侧位置的不同实现不同流向的风来对半导体的冷热端面进行散热。优选的，所述固态风扇包括供电电源以及相互配合产生电晕风的集电极板和放电电极，所述集电极板包括与半导体制冷片的表面贴靠安装的基底以及若干固定在基底背向半导体制冷片一侧的翅片，翅片彼此基本平行地在纵向上延伸，相邻翅片之间形成沿纵向延伸的离子风通道，所述放电电极通过固定架安装分布在集电极板外周且放电端与离子风通道相对布置。

优选的，每一翅片由沿纵向间隔排布的翅片柱组成，相邻翅片的翅片柱一一对应使翅片柱之间的间隔形成在横向上延伸的离子风通道。如果此时各翅片柱等距设置则翅片柱阵列排布。由于采用针状翅片(翅片柱)，外部的环境空气能从四周进入通道，能更好的对半导体进行冷却，换热系数更高，使得针状翅片的换热性能更好。

优选的，所述放电电极为线状，位于离子风通道上方且与离子风通道平行。线状放电极设计、加工简单，同时可以减少需要布置的电极数目，易于固定，可以节约设计时间以及成本。上方是以基底为底面，远离基底的位置。

优选的，所述放电电极为针状。针状的放电电极由于曲率半径易于制作的更小，起晕电压可以更低，更易于实现电晕放电，同时针状电极能通过调整针的朝向更好的实现对产生的离子风气流流向的控制。

为了提高风量以及散热效果，优选的，所述翅片由沿纵向间隔排布的翅片柱组成，相邻翅片的间隔一一对应(即相邻翅片的翅片柱一一对应)，所有相对的间隔形成在横向上延伸的离子风通道，针状的放电电极布置在纵向和横向离子风通道的交叉位置的上方，即针状的放电电极布置于四周的翅片柱所形成的立方体的中心线上且针头朝向离子风通道。

优选的，每条离子风通道对应有多个放电电极，这些放电电极位于离子风通道上方、沿离子风通道长度方向分布且针头朝向离子风通道，所有放电电极位于集电极板的同一侧且针头朝向相同。放电电极位于离子风通道上方，电极布置可以覆盖到整个散热平面，产生的离子风将由通道上侧吹向所需散热平面，可以使各处风速均匀，能更好的实现对整个平板的散热。

优选的，所述放电电极位于离子风通道端部且针头朝向离子风通道。放电电极布置在离子风通道端部，不仅可以减少离子风装置的高度，同时还减弱了通道内相邻电极间所产生的离子风的干扰，可以使离子风风向能得到更好的控制。所有放电电极可以位于集电极板的同一侧，也可以是相对的两侧。

所述半导体致冷片可以采用单级热电堆或多级热电堆。单级热电堆所能达到的制冷温度较高，为了满足冷冻的需求，可以采用多级热电堆的形式。优选的，所述半导体致冷片采用多级热电堆。

本发明还提供了一种冷藏箱，包括箱体和箱门，还包括上述的半导体制冷模块。

为了提高制冷效果，优选的，所述半导体制冷模块安装在箱体正对箱门的侧壁上或箱体的顶部。半导体制冷模块安装在顶部有利于冷气充满整个箱体，布置在正对箱门的侧壁使远离箱门，防止在箱门开启时冷气快速流失。

本发明的有益效果：

(1)采用固态风扇耦合半导体制冷片来替代现有的氨水扩散吸收式制冷结构，由于固态风扇耦合半导体制冷片采用半导体制冷技术，其利用半导体材料组成P-N结，通上直流电就能实现制冷，不需要使用制冷剂，与氨水扩散吸收式结构一样，克服了压缩式系统使用的制冷剂所造成的环境影响问题，同时半导体制冷由于采用的半导体材料可以小型化，使得整个半导体制冷部件体积小，同时重量轻，克服了氨水扩散吸收系统体积重量过大的缺点，同时还克服氨水扩散吸收式结构的振动和噪音以及效率低的问题；

(2)使用固态风扇替代机械风扇实现半导体致冷片冷热端散热，固态风扇装置采用离子风技术，利用电晕放电产生离子风，不需要机械旋转部件，使得整个半导体制冷系统无需运动部件从而没有噪声和振动，而且由于固态风扇所产生的电流很小，风扇消耗的功率相比机械风扇较小，能在较小的功耗下得到更好的换热效果，使得整个固态风扇耦合半导体制冷装置的能耗降低同时制冷效果增强，从而实现效率的提高；

(3)固态风扇的风速可以通过电压、放电电极与集电极板间距以及电极之间的间距同时调节，这些使得固态风扇相比机械风扇设计的自由度大大提高，同时风量的控制也更加容易；

(4)固态风扇减小了风扇占用的体积，易于整个半导体制冷装置的小型化。

附图说明

图1为实施例1的冷藏箱的结构示意图。

图2为实施例1的半导体制冷模块的结构示意图。

图3为实施例1的集电极板的立体结构示意图。

图4为实施例2的半导体制冷模块的结构示意图。

图5为实施例3的固态风扇的立体结构示意图。

图6为实施例4的集电极板的立体结构示意图。

图7为实施例4的固态风扇的立体结构示意图。

图8为实施例5的固态风扇的立体结构示意图。

图9为实施例6的固态风扇的立体结构示意图。

图10为实施例7的冷藏箱的结构示意图。

图11为实施例8的冷藏箱的结构示意图。

1、箱体，2、箱门，3、冷端散热器，4、热端散热器，5、半导体致冷片，6、导线，7、整流电源，8、围罩，9、线状的放电电极，10、电极框架，11、翅片，12、针状的放电电极，13、基底，14、平板状翅片，15、翅片柱，16、离子风通道。

具体实施方式

实施例1

如图1～3所示，本实施例的冷藏箱包括：箱体1、箱门2、安装在箱体1正对箱门2的侧壁上的半导体制冷模块，整流电源7以及围罩8。

半导体制冷模块包括：半导体制冷片5以及分别安装在半导体制冷片5的热端面和冷端面的冷端散热器3和热端散热器4，冷端散热器3和热端散热器4都采用固态风扇。整流电源7通过导线6对半导体制冷片5、冷端散热器3以及热端散热器4进行分别供电。本实施例的半导体制冷片5采用单级热电堆结构。

固态风扇包括配合产生电晕风的集电极板和线状的放电电极9，集电极板包括与半导体制冷片的表面贴靠安装的基底13以及若干固定在基底背向半导体制冷片5一侧的翅片11，本实施例采的翅片11采用平板状翅片14，平板状翅片14彼此基本平行地在纵向上延伸，相邻平板状翅片14之间形成沿纵向延伸的离子风通道16，线状的放电电极9位于离子风通道16上方且与离子风通道16平行。电极框架10用于固定线状的放电电极9的两端，亚克力板组装形成的电极框架10。

集电极板通过焊接固定在半导体制冷片5的冷端和热端，通过上述布置得到图中箭头所示的上侧流入左右侧流出的离子风来对半导体制冷片5的冷热端进行散热。

实施例2

如图4所示，本实施例除了放电电极的结构与实施例1不同以外，其余结构与实施例1相同，本实施例中的放电电极采用针状的放电电极12，针状的放电电极12位于离子风通道16上方、沿离子风通道16长度方向分布且针头朝向离子风通道16。针状的放电电极12为金属针或金属芒刺针。

实施例3

如图5所示，本实施例除了放电电极的结构以外，其余结构与实施例2相同，本实施例中，针状的放电电极12位于离子风通道16端部且针头朝向离子风通道16，所有针状的放电电极12位于集电极板的同一侧且针头朝向相同。通过上述布置得到图中箭头所示金属翅片板一侧流入另一侧流出的离子风来对半导体制冷片的冷热端散热。

实施例4

如图6和7所示，本实施例除了集电极板的结构以外，其余结构与实施例1相同，本实施例中的翅片11为连续间隔排布的翅片柱13，在纵向和横向都形成离子风通道16，在纵向的离子风通道16上方设有线状的放电电极9，线状的放电电极9沿离子风通道纵向延伸至电极框架上进行固定。

实施例5

如图8所示，本实施例除了放电电极的结构以外，其余结构与实施例4相同，本实施例中的放电电极采用针状的放电电极12，针状的放电电极12位于纵向和横向离子风通道的交叉位置的上方、沿离子风通道16长度方向分布且针头朝向离子风通道16。针状的放电电极12为金属针或金属芒刺针。

实施例6

如图9所示，本实施例除了针状的放电电极的分布方式以外，其余结构与实施例3相同，本实施例中，针状的放电电极12位于离子风通道16端部且针头朝向离子风通道16，每条离子风通道16仅一端设有针状的放电电极12，相邻离子风通道16所对应的针状的放电电极12分别布置在集电极板两侧。上述结构使集电极板两侧都设有间隔布置的放电电极12，从而可以产生两个方向相反的离子风，散热效果更好。

实施例7

如图10所示，本实施例除了半导体制冷模块的安装位置以外，其余结构与实施例1、2、3、4、5或6相同，本实施例中的半导体制冷模块安装在箱体的顶部。

实施例8

如图11所示，本实施例除了半导体制冷片5的结构以外，其余结构与实施例1、2、3、4、5或6相同，本实施例中的半导体致冷片5采用两级热电堆结构。本实施例采用两级热电堆实现制冷，箱内可以到达更低的温度满足冷冻要求，若需要更低的温度可以进一步增加热电堆的级数以满足制冷温度的需求。

Claims (10)

1.一种带有固态风扇的半导体制冷模块，包括半导体制冷片和散热组件，所述半导体制冷片的热端面和冷端面分别安装有所述散热组件，其特征在于，至少一组散热组件采用固态风扇。

2.如权利要求1所述的带有固态风扇的半导体制冷模块，其特征在于，所述固态风扇包括供电电源以及相互配合产生电晕风的集电极板和放电电极，所述集电极板包括与半导体制冷片的表面贴靠安装的基底以及若干固定在基底背向半导体制冷片一侧的翅片，翅片彼此基本平行地在纵向上延伸，相邻翅片之间形成沿纵向延伸的离子风通道，所述放电电极通过固定架安装分布在集电极板外周且放电端与离子风通道相对布置。

3.如权利要求2所述的带有固态风扇的半导体制冷模块，其特征在于，每一翅片由沿纵向间隔排布的翅片柱组成，相邻翅片的翅片柱一一对应使翅片柱之间的间隔形成在横向上延伸的离子风通道。

4.如权利要求2或3所述的带有固态风扇的半导体制冷模块，其特征在于，所述放电电极为线状，位于离子风通道上方且与离子风通道平行。

5.如权利要求2或3所述的带有固态风扇的半导体制冷模块，其特征在于，所述放电电极为针状。

6.如权利要求5所述的带有固态风扇的半导体制冷模块，其特征在于，每条离子风通道对应有多个放电电极，这些放电电极位于离子风通道上方、沿离子风通道长度方向分布且针头朝向离子风通道。

7.如权利要求5所述的带有固态风扇的半导体制冷模块，其特征在于，所述放电电极位于离子风通道端部且针头朝向离子风通道，所有放电电极位于集电极板的同一侧且针头朝向相同。

8.如权利要求2或3所述的带有固态风扇的半导体制冷模块，其特征在于，所述半导体致冷片采用多级热电堆。

9.一种冷藏箱，包括箱体和箱门，其特征在于，还包括如权利要求1～8所述的半导体制冷模块。

10.如权利要求9所述的冷藏箱，其特征在于，所述半导体制冷模块安装在箱体正对箱门的侧壁上或箱体的顶部。