CN108387028A - 一种半导体制冷片流体直冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体制冷片流体直冷装置，包括半导体制冷片，半导体制冷片包括相对的一对陶瓷面，即第一陶瓷面和第二陶瓷面，冷端容器和热端容器，半导体制冷片置于冷端容器和热端容器之间，第一陶瓷面与冷端容器中的冷流体相接触；第二陶瓷面与热端容器中的热流体相接触使得热端容器中的热流体逐渐降温，冷端容器中的冷流体逐渐升温。本发明直接在制冷片的陶瓷表面利用流体本身进行热交换，没有中间的其它间接传导和转换过程，制冷效率更高，结构更加简单，也很好解决了当系统不工作时，热量穿透制冷片传导流失的问题。

Description

一种半导体制冷片流体直冷装置

技术领域

本发明涉及一种半导体技术领域，特别涉及一种半导体制冷片流体直冷装置。

背景技术

半导体制冷片具有轻便小巧，结构简单，无机械摩擦，无噪声，寿命长等特性。其表面的陶瓷片，具有化学稳定性好，耐腐蚀的特性，且具有较高的机械强度。半导体制冷片是一种热泵。其原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。利用半导体材料的这种帕尔贴(Peltier)效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。

半导体制冷片具有轻便小巧，结构简单，无机械摩擦，无噪声，寿命长等特性。其表面冷热两端的陶瓷片，具有化学稳定性好，耐腐蚀的特性，且具有较高的机械强度。但不利的是，冷热两端之间的热量也会通过半导体材料发生逆向穿透传递，并随着温差加大，逆向热传递效率逐渐升高。当冷热端达到一定温差，这正向和逆向热传递的量相等时，正逆向热传递相互抵消，最终达到一个平衡点，此时冷热端的温度就不会继续发生变化。即：随着冷热端温差的加大，电功率输入效率逐渐趋于零。为了冷端达到更低的温度，一般是采取在热端快速散热的方式持续降低热端的温度来实现；相反的，为了热端达到更高的温度，则是在冷端采取快速散冷的方式持续升高冷端的温度来实现。基于上述原因，采用半导体制冷片的制冷方案，提高其实际应用功效的关键点，就在于如何提高冷热端的散热效能，并同时降低方案实现的成本。

现有技术中半导体制冷片在制冷领域的应用通常是在冷热两端采用导热金属如铜和铝，吸收热量并设法快速高效地传导给气、液媒介实现散热、散冷。其冷、热量传导过程是：半导体冷、热端→导热金属→气、液流体。通常的，为了提高半导体冷、热端→导热金属的传导过程和效能，提高制造过程的效率并降低成本，会在两者之间使用导热管硅脂。这样冷、热量传导过程就是：半导体冷、热端→导热硅脂→导热金属→气、液流体。这种方案的组成结构成本较高，且中间导热过程复杂并间接。通常，半导体制冷片在制冷领域的应用采用了先通过如铜铝等金属传导，再间接与水或者空气交换热量以达到集冷/散热的目的，结构和中间导热过程复杂且间接。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体制冷片流体直冷装置，包括半导体制冷片，半导体制冷片包括一对陶瓷面，即第一陶瓷面和第二陶瓷面；

冷端容器和热端容器，半导体制冷片置于冷端容器和热端容器之间，第一陶瓷面与冷端容器中的冷流体相接触；第二陶瓷面与热端容器中的热流体相接触；

半导体制冷片通电，第一陶瓷面不断受到来自于冷端容器中具有一定速率和流量的冷流体的冲刷，或者第二陶瓷面不断受到来自于热端容器中具有一定速率和流量的热流体的冲刷，或者第一陶瓷面和第二陶瓷面同时不断受到来自于冷端容器中具有一定速率和流量的冷流体的冲刷以及来自于热端容器中具有一定速率和流量的热流体的冲刷，使得热端容器中的热流体逐渐降温，冷端容器中的冷流体逐渐升温。

进一步，冷端容器与第一陶瓷面接触的一部份形成相对封闭的第一室，第一室包括第一室进口以及第一室出口；冷端容器中的冷流体从第一室进口进入从第一室出口流出，循环流动。

更进一步，还包括：第一泵，设置于冷端容器外部；冷端容器设置有冷端容器进口；第一泵通过管道与冷端容器进口和第一室出口相连接；从第一室出口流出的流体被第一泵后送回冷端容器。

优选地，第一室进口正对着第一陶瓷面，使得从第一室进口泵出的流体以一定速率冲刷第一陶瓷面。

优选地，热端容器与第二陶瓷面接触的一部份形成相对封闭的第二室，第二室包括第二室进口以及第二室出口；热端容器中的热流体从第二室进口进入从第二室出口流出，循环流动。

进一步，还包括：第二泵，设置于热端容器外部；热端容器设置有热端容器进口；第二泵通过管道与热端容器进口和第二室出口相连接；从第二室出口流出的流体被第二泵后送回热端容器。

优选地，第二室进口正对着第二陶瓷面，使得从第二室进口泵出的流体以一定速率冲刷第二陶瓷面。

进一步，半导体制冷片断电时，冷流体和热流体的运动速率趋于零，形成隔离效应，可以减缓冷端容器和热端容器中流体的热量通过半导体制冷片进行交换。

优选地，流体为液体或气体。

优选地，冷端容器和热端容器是开放的或者封闭的。

本发明的流体直冷装置优点在于，直接在制冷片的陶瓷表面利用流体本身进行热交换，没有中间的其它间接传导和转换过程，制冷效率更高，结构更加简单。同时，也很好解决了当系统不工作时，热量穿透制冷片传导流失的问题。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的流体直冷装置的结构示意图；

图2为本发明的另一个较佳实施例的流体直冷装置的结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个较佳实施例，举例证明本发明可以实施，可以向本领域中的技术人员完整介绍本发明，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，其保护范围并非仅限于文中提到的实施例，本文的附图和说明本质上是举例说明而不是限制本发明。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。

实施例一

如图1所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种半导体制冷片流体直冷装置，包括半导体制冷片c，半导体制冷片c包括一对陶瓷面，即第一陶瓷面c1和第二陶瓷面c2，包括冷端容器a和热端容器b，半导体制冷片置于冷端容器a和热端容器b之间，第一陶瓷面c1与冷端容器a中的冷流体相接触；第二陶瓷面c2与热端容器b中的热流体相接触；半导体制冷片c通电，第一陶瓷面c1和第二陶瓷面c2同时不断受到来自于冷端容器a中具有一定速率和流量的冷流体的冲刷以及来自于热端容器b中具有一定速率和流量的热流体的冲刷，使得热端容器b中的热流体逐渐降温，冷端容器a中的冷流体逐渐升温。

当流体具有一定的流量和速率，直接冲刷到制冷片c的陶瓷面c1、c2上，可以快速交换并转移热量。

冷端容器a与第一陶瓷面接触c1的一部份形成相对封闭的第一室d，第一室d包括第一室进口f以及第一室出口j1；冷端容器a中的冷流体从第一室进口f进入从第一室出口流出j1，循环流动。还包括：第一泵j，设置于冷端容器a外部；冷端容器a设置有冷端容器进口j2；第一泵j通过管道与冷端容器进口j2和第一室出口f相连接；从第一室出口f流出的流体被第一泵j送回冷端容器a。第一室进口f正对着第一陶瓷面c1，使得从第一室进口f泵出的流体以一定速率冲刷第一陶瓷面c1。

热端容器b与第二陶瓷面c2接触的一部份形成相对封闭的第二室e，第二室e包括第二室进口g以及第二室出口k1；热端容器b中的热流体从第二室进口g进入从第二室出口k1流出，循环流动。还包括：第二泵k，设置于热端容器b外部；热端容器b设置有热端容器进口k2；第二泵k通过管道与热端容器进口k2和第二室出口k1相连接；从第二室出口k1流出的流体被第二泵k送回热端容器b。第二室进口g正对着第二陶瓷面c2，使得从第二室进口g泵出的流体以一定速率冲刷第二陶瓷面c2。

上述过程中，半导体制冷片c连接正负极电源，同时第一泵j和第二泵k通电运转。

在冷端容器a的第一室d中，流体被第一泵j不断吸出，在第一室d内形成一个负压，流体经由第一室进口f处吸入，流体获得一定的流量和流动速率，形成流体柱h，不断冲刷制冷片c的冷端陶瓷面c1，在陶瓷表面c1直接完成热交换，热量转移到陶瓷表面c1并通过制冷片c移走热量，第一泵j吸出的较冷流体回流到冷端容器a中，不断循环此过程，使容器a中的流体逐渐降温。相对应的，在第二室e中，流体被第二泵k不断吸出，在第二室e内形成一个负压，流体经由第二室进口g处吸入，流体获得一定的流量和流动速率，形成流体柱i，不断冲刷制冷片c的热端陶瓷面c2，在陶瓷表面c2直接完成热交换，制冷片c带来的热量从陶瓷表面c2转移到流体，泵k吸出的较热流体回流到热端容b器中，不断循环此过程，使容器b中的流体逐渐升温。

当半导体制冷片c断电时，第一泵j、第二泵k受控停止工作且制冷片c断电停止工作，冷流体和热流体的运动速率趋于零，形成隔离效应，可以减缓冷端容器a和热端容器b中流体的热量通过半导体制冷片c进行交换。

实施例二

如图2所示，本发明的第二个较佳实施例提供了一种半导体制冷片流体直冷装置，包括半导体制冷片c，半导体制冷片c包括一对陶瓷面，即第一陶瓷面c1和第二陶瓷面c2，包括冷端容器a和热端容器b，半导体制冷片置于冷端容器a和热端容器b之间，第一陶瓷面c1与冷端容器a中的冷流体相接触；第二陶瓷面c2与热端容器b中的热流体相接触；半导体制冷片c通电，第一陶瓷面c1和第二陶瓷面c2同时不断受到来自于冷端容器a中具有一定速率和流量的冷流体的冲刷以及来自于热端容器b中具有一定速率和流量的热流体的冲刷，使得热端容器b中的热流体逐渐降温，冷端容器a中的冷流体逐渐升温。

当流体具有一定的流量和速率，直接冲刷到制冷片c的陶瓷面c1、c2上，可以快速交换并转移热量。

冷端容器a与第一陶瓷面接触c1的一部份形成相对封闭的第一室d，第一室d包括第一室进口f以及第一室出口j1；冷端容器a中的冷流体从第一室进口f进入从第一室出口流出j1，循环流动。还包括：第一泵j，设置于冷端容器a外部；冷端容器a设置有冷端容器进口j2；第一泵j通过管道与冷端容器进口j2和第一室出口f相连接；从第一室出口f流出的流体被第一泵j送回冷端容器a。第一室进口f正对着第一陶瓷面c1，使得从第一室进口f泵出的流体以一定速率冲刷第一陶瓷面c1。

热端容器b为一封闭的空间。

上述过程中，半导体制冷片c连接正负极电源，同时第一泵j和第二泵k通电运转。

在冷端容器a的第一室d中，流体被第一泵j不断吸出，在第一室d内形成一个负压，流体经由第一室进口f处吸入，流体获得一定的流量和流动速率，形成流体柱h，不断冲刷制冷片c的冷端陶瓷面c1，在陶瓷表面c1直接完成热交换，热量转移到陶瓷表面c1并通过制冷片c移走热量，在陶瓷表面c2直接完成热交换，制冷片c带来的热量从陶瓷表面c2转移到流体，不断循环此过程，使容器b中的流体逐渐升温。

当半导体制冷片c断电时，第一泵j受控停止工作且制冷片c断电停止工作，冷流体和热流体的运动速率趋于零，形成隔离效应，可以减缓冷端容器a和热端容器b中流体的热量通过半导体制冷片c进行交换。

本实施例中，流体为气体。

实施例三

本发明的第三个较佳实施例提供了一种半导体制冷片流体直冷装置，与上述实施例不同之处在于，冷端容器a和热端容器b都是开放的。

本发明的流体直冷装置优点在于，直接在制冷片的陶瓷表面利用流体本身进行热交换，没有中间的其它间接传导和转换过程，制冷效率更高，结构更加简单。同时，也很好解决了当系统不工作时，热量穿透制冷片传导流失的问题。

以上仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体制冷片流体直冷装置，其特征在于，包括半导体制冷片，所述半导体制冷片包括一对相对的陶瓷面，即第一陶瓷面和第二陶瓷面；

冷端容器，和热端容器，所述半导体制冷片置于冷端容器和热端容器之间，所述第一陶瓷面与所述冷端容器中的冷流体相接触；所述第二陶瓷面与所述热端容器中的热流体相接触；

所述半导体制冷片通电，所述第一陶瓷面不断受到来自于所述冷端容器中具有一定速率和流量的冷流体的冲刷，或者所述第二陶瓷面不断受到来自于所述热端容器中具有一定速率和流量的热流体的冲刷，或者所述第一陶瓷面和所述第二陶瓷面同时不断受到来自于所述冷端容器中具有一定速率和流量的冷流体的冲刷以及来自于所述热端容器中具有一定速率和流量的热流体的冲刷，使得所述热端容器中的热流体逐渐降温，所述冷端容器中的冷流体逐渐升温。

2.如权利要求1所述的流体直冷装置，其特征在于，所述冷端容器与所述第一陶瓷面接触的一部份形成相对封闭的第一室，所述第一室包括第一室进口以及第一室出口；所述冷端容器中的冷流体从所述第一室进口进入从所述第一室出口流出，循环流动。

3.如权利要求2所述的流体直冷装置，其特征在于，还包括：第一泵，设置于所述冷端容器外部；所述冷端容器设置有冷端容器进口；所述第一泵通过管道与所述冷端容器进口和第一室出口相连接；从所述第一室出口流出的流体被所述第一泵送回所述冷端容器。

4.如权利要求3所述的流体直冷装置，其特征在于，所述第一室进口正对着所述第一陶瓷面，使得从所述第一室进口泵出的流体以一定速率冲刷所述第一陶瓷面。

5.如权利要求1所述的流体直冷装置，其特征在于，所述热端容器与所述第二陶瓷面接触的一部份形成相对封闭的第二室，所述第二室包括第二室进口以及第二室出口；所述热端容器中的热流体从所述第二室进口进入从所述第二室出口流出，循环流动。

6.如权利要求5所述的流体直冷装置，其特征在于，还包括：第二泵，设置于所述热端容器外部；所述热端容器设置有热端容器进口；所述第二泵通过管道与所述热端容器进口和第二室出口相连接；从所述第二室出口流出的流体被所述第二泵后送回所述热端容器。

7.如权利要求6所述的流体直冷装置，其特征在于，所述第二室进口正对着所述第二陶瓷面，使得从所述第二室进口泵出的流体以一定速率冲刷所述第二陶瓷面。

8.如权利要求1所述的流体直冷装置，其特征在于，所述半导体制冷片断电时，所述冷流体和热流体的运动速率趋于零，形成隔离效应，可以减缓所述冷端容器和所述热端容器中流体的热量通过所述半导体制冷片进行交换。

9.如权利要求1-8中任一权利要求所述的流体直冷装置，其特征在于，所述流体为液体或气体。

10.如权利要求1所述的流体直冷装置，其特征在于，所述冷端容器和热端容器是开放的或者封闭的。