CN105444462A - 半导体制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体制冷系统，其包括半导体制冷芯片、散热器和轴流风扇；所述散热器包括散热基板和连接于所述散热基板的若干个散热翅片；所述半导体制冷芯片贴附于所述散热基板上；所述轴流风扇设于所述散热器的若干个散热翅片上，并与所述散热基板平行设置；所述轴流风扇的轴线与所述半导体制冷芯片的中心线之间的距离D满足以下条件：(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5)，其中，LF为轴流风扇的直径，LT为半导体制冷芯片的长度，LF＞LT。本发明能有效地提高产冷量。

Description

半导体制冷系统
技术领域
本发明涉及半导体制冷领域，特别是涉及一种基于半导体制冷芯片的半导体制冷系统。
背景技术
半导体制冷芯片(TEC，ThermoelectricCooler)以其体积小、结构紧凑、制冷量控制方便等特点，在小型制冷如红酒冷藏柜、汽车用冷热两用箱、电子冰淇淋机等产品中得到了广泛的应用。
半导体制冷芯片主要是利用P-N型电偶对(leg)热电半导体材料的珀尔贴(Peltier)效应实现一端冷、一端热，在半导体制冷芯片两端形成温差，当TEC热端热量放出后，TEC冷端会产生一定的冷量，完成制冷。
对于半导体制冷芯片的产冷量Qc与TEC热端温度Th、冷端温度Tc的关系式为：Qc＝NαITc-K(Th-Tc)-0.5I2R，其中N-TEC的电偶对的数量；α-TEC热电材料赛贝克系数；K-TEC热导；I-工作电流；R-TEC内阻。由此式可以得到：当TEC结构参数、材料特性、工作特性及冷端温度特性(N、K、α、R、I、Tc)确定后(前述参数存在一定的关联性)，则TEC产冷量Qc与其热端温度Th密切相关，同样工况下Th越小，则产冷量Qc越大。因此，在TEC芯片及散热结构确定条件下，降低TEC热端温度Th是提升TEC制冷量及制冷转换效率的关键。
为了降低TEC热端温度Th，并兼顾性价比、结构、空间等因素，如图1和图2所示，现有的半导体制冷系统，通常包括半导体制冷芯片S1、散热器S2和轴流风扇S3，散热器S2包括散热基板S21和若干个散热翅片S22，若干个散热翅片S22连接于散热基板S21的同一侧；半导体制冷芯片S1贴附于散热基板S21上，散热基板S21的面积大于半导体制冷芯片S1；轴流风扇S3设于散热器S2的若干个散热翅片S22上，轴流风扇S3与散热基板S21平行设置，轴流风扇S3的轴线与半导体制冷芯片S1的中心线重合。
由于轴流风扇S3上位于中心的电机占有一定体积(垂直轴流风扇S3的轴线方向占有一定横截面积)，因此，沿轴流风扇S3的轴线方向，在轴流风扇S3沿轴线四周的风流对称时，轴流风扇S3会在吹出的近距离形成风流盲区S4。在现有的半导体制冷系统中，由于轴流风扇S3与散热基板S21平行设置、轴流风扇S3的轴线与半导体制冷芯片S1的中心线重合，故轴流风扇S3与散热基板S21之间形成的风流盲区S4，正对准散热基板S21上与半导体制冷芯片S1相贴合的部分；散热基板S21上与半导体制冷芯片S1相贴合的部分是散热基板S21的热量最集中、温度最高区域，由于该风流盲区S4的存在，导致该部分的换热系数减小，温度偏高，造成与该部分贴合的TEC热端热量无法高效传导(当然，热量通过散热基板S21进行了热量传递，散热基板S21起到了均温效果)，造成TEC热端温度Th还是比较高，TEC产冷量的提高比较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体制冷系统，能有效地提高产冷量。
上述技术问题通过以下方案解决：
一种半导体制冷系统，包括半导体制冷芯片、散热器和轴流风扇；所述散热器包括散热基板和连接于所述散热基板的若干个散热翅片；所述半导体制冷芯片贴附于所述散热基板上；所述轴流风扇设于所述散热器的若干个散热翅片上，并与所述散热基板平行设置；所述轴流风扇的轴线与所述半导体制冷芯片的中心线之间的距离D满足以下条件：(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5)，其中，LF为轴流风扇的直径，LT为半导体制冷芯片的长度，LF＞LT。
在其中一个实施例中，所述距离D满足以下条件：(LF-LT)/2≤D≤LF/2。
在其中一个实施例中，所述距离D＝LF/2。
在其中一个实施例中，所述距离D满足以下条件：LF/2≤D＜1/2(LF+LT)。
在其中一个实施例中，所述半导体制冷芯片沿垂直厚度方向的横截面为正方形。
在其中一个实施例中，所述散热基板沿垂直厚度方向的横截面为正方形，所述散热基板的长度与轴流风扇的直径相等。
本设计人经理论分析和实验，发现轴流风扇的轴线与半导体制冷芯片的中心线的距离D在一定范围内逐渐增大，会使得半导体制冷系统的等效换热性能出现增大和减小变化过程。经设计和实验验证，本发明半导体制冷系统将距离D设置在以下范围内：(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5)，其中LF＞LT，能明显地提高了半导体制冷系统的等效换热性能，从而有效地提高了产冷量。
附图说明
图1为背景技术中现有的半导体制冷系统的分解结构示意图；
图2为背景技术中现有的半导体制冷系统的剖视结构示意图；
图3为本发明的半导体制冷系统的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
如图3所示，一种半导体制冷系统，包括半导体制冷芯片11、散热器12和轴流风扇13；散热器12包括散热基板121和连接于散热基板121的若干个散热翅片122；半导体制冷芯片11贴附于散热基板121上；轴流风扇13设于散热器12的若干个散热翅片122上，并与散热基板121平行设置；轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线之间的距离D满足以下条件：1/2(LF-LT)≤D≤1/2(LF+LT)，其中，LF为轴流风扇13的直径，LT为半导体制冷芯片11的长度，LF＞LT。
上述半导体制冷系统的效果分析如下：
散热器12的换热理论：换热量Q＝AλΔT，A-散热器12的有效换热面积，λ-散热器12表面平均换热系数(W/m2K)，ΔT-散热器12温度与环温的温度差。在温差不变的前提下，提高散热器12与周围环境的换热量Q，唯有提升散热器12的有效换热面积A及表面换热系数λ。
在现有的半导体制冷系统中，记散热器的有效换热面积为A0，散热器表面平均换热系数为λ0。
由于轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线偏离，会使得与半导体制冷芯片11贴合的散热器12中心区域风流盲区相应减小，而且会导致轴流风扇S3沿轴线四周的风流对称逐渐失衡而逐渐削弱风流盲区，则对应轴流风扇13的换热风道阻力减小，而散热器12与半导体制冷芯片11贴合区域对应的散热翅片122表面积等效系数最大，对散热器12的有效换热面积影响最大。因此，随着距离D的增大，从表象看散热器12的换热面积一直在减小，但实际上有效换热面积A相对有效换热面积为A0会有增大和减小变化过程；同时，由于轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线偏移，在一定范围内，轴流风扇13到散热器12的风流阻力减小，加快了空气流动速度，故表面换热系数λ会增大变化。因此，随着距离D的增大，参数Aλ的乘积值相对于初始乘积值A0λ0会有增大和减小变化过程，半导体制冷系统的等效换热性能会有增大和减小变化过程。
经设计和实验验证，轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线之间的距离D满足特定设计条件时，明显地提高了半导体制冷系统的等效换热性能。特定设计条件为：(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5)，其中，LF为轴流风扇13的直径，LT为半导体制冷芯片11的长度，LF＞LT。
其中，距离D在以下范围内：(LF-LT)/2≤D≤LF/2，半导体制冷系统的等效换热性能尤为突出。鉴于生产成本、方便性和等效换热性能，距离D＝LF/2。
在其中一个实施例中，半导体制冷芯片11沿垂直厚度方向的横截面为正方形。散热基板121沿垂直厚度方向的横截面为正方形，散热基板121的长度与轴流风扇13的直径相等。从成本、性能、占用空间等多角度综合考虑，上述半导体制冷芯片11、散热基板121的形状为较佳选择。
实施例二
在此，以五种不同结构A0-A4的半导体制冷系统作为测试。这六种半导体制冷系统具有相同以下部件：
1、轴流风扇13：尺寸为120*120*25(长度*宽度*厚度，单位：mm)，即LF＝120mm，额定工作电压18V，最大风量为89CFM，最大风压2.5mmH2O；
2、散热器12：散热基板121的尺寸为120*120*6(长度*宽度*厚度，单位：mm)，散热翅片122的高度25mm；散热翅片122的间距为3.8mm；
3、半导体制冷芯片11：面积50*50(长度*宽度，单位：mm)，即LT＝50mm，产热量100W，贴附于散热基板121的中心。
结合图2和图3，这五种结构的半导体制冷系统的不同之处在于距离D的设置不同，具体如下：
A0结构：D＝0，即轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线重合；
A1结构：D＝35＝(LF-LT)/2；
A2结构：(LF-LT)/2＜D＝50＜LF/2；
A3结构：D＝60＝LF/2；
A4结构：D＝70＝LF/2+LT/5。
测试数据如表1。
表1不同结构的半导体制冷系统的测试数据
由上述测试数据可知，距离D在(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5)时，散热基板与环境之间的散热梯度温差有明显变化，可见，半导体制冷系统的等效换热性能有了明显的提升。因此，半导体制冷系统能有效地提高产冷量。
实施例三
本实施例与实施例二不同的是，采用不同的半导体制冷芯片进行测试。
在此，以五种不同结构B0-B4的半导体制冷系统作为测试。这六种半导体制冷系统具有相同以下部件：
1、轴流风扇13：尺寸为120*120*25(长度*宽度*厚度，单位：mm)，即LF＝120mm，额定工作电压18V，最大风量为89CFM，最大风压2.5mmH2O；
2、散热器12：散热基板121的尺寸为120*120*6(长度*宽度*厚度，单位：mm)，散热翅片122的高度25mm；散热翅片122的间距为3.8mm；
3、半导体制冷芯片11：面积40*40(长度*宽度，单位：mm)，即LT＝40mm，产热量90W，贴附于散热基板121的中心。
结合图2和图3，这五种结构的半导体制冷系统的不同之处在于距离D的设置不同，具体如下：
B0结构：D＝0，即轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线重合；
B1结构：D＝40＝(LF-LT)/2；
B2结构：(LF-LT)/2＜D＝50＜LF/2；
B3结构：D＝60＝LF/2；
B4结构：D＝68＝(LF/2+LT/5)。
测试数据如表2。
表2不同结构的半导体制冷系统的测试数据
由上述测试数据可知，距离D在(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5)时，散热基板与环境之间的散热梯度温差有明显变化，可见，半导体制冷系统的等效换热性能有了明显的提升。因此，半导体制冷系统能有效地提高产冷量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种半导体制冷系统，其特征在于，包括半导体制冷芯片、散热器和轴流风扇；所述散热器包括散热基板和连接于所述散热基板的若干个散热翅片；所述半导体制冷芯片贴附于所述散热基板上；所述轴流风扇设于所述散热器的若干个散热翅片上，并与所述散热基板平行设置；所述轴流风扇的轴线与所述半导体制冷芯片的中心线之间的距离D满足以下条件：(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5)，其中，LF为轴流风扇的直径，LT为半导体制冷芯片的长度，LF＞LT。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述距离D满足以下条件：(LF-LT)/2≤D≤LF/2。
3.根据权利要求2所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述距离D＝LF/2。
4.根据权利要求1所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述半导体制冷芯片沿垂直厚度方向的横截面为正方形。
5.根据权利要求1所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述散热基板沿垂直厚度方向的横截面为正方形，所述散热基板的长度与轴流风扇的直径相等。
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