CN111780456A - 一种基于温差发电的半导体制冷散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，用于对热源进行散热，装置包括温差发电系统、半导体制冷系统及热管散热系统，温差发电系统及半导体制冷系统均与热源相连，热管散热系统与半导体制冷系统相连。与现有技术相比，本发明将温差发电技术与半导体制冷技术相结合，有效利用热源与环境温差发电，通过微控制器的整流、稳压后存储在锂电池中，替代外接电源为半导体发电片提供工作电压，节能环保。

Description

一种基于温差发电的半导体制冷散热装置
技术领域
本发明属于半导体制冷技术领域，涉及一种基于温差发电的半导体制冷散热装置。
背景技术
随着我国电子技术发展的脚步越来越快，各种电子产品已经逐渐进入人们的生活中，电子产品成为生活和工作不可缺少的一部分，同时也促进人们的生活，提高了生活质量。但是同时也显现一些问题，最显著的问题就是电子产品运行中产生的废热。随着电子产品持续使用时间的增加，温度也会随之升高，严重影响了电子产品的使用性能和寿命。
目前常用的电子设备散热技术主要有自然对流散热、强制风冷散热、液体冷却、热管、微槽道冷却、集成热路、热电制冷等，但是随着微电子技术的快速发展，电子产品不断朝高密度封装与多功能化方向发展，常用的散热技术具有一定的局限性。为适应电子技术发展的需要，温差发电技术与半导体制冷技术得到很好发展。
公开号为CN110425766A(一种半导体制冷系统)的中国发明专利，解决了现有技术热交换效率低的问题，增大了导冷块与金属铝内胆贴合的面积，但是未能充分利用温差，并且散热器翅片单一，制冷效果不明显。
公开号为CN109974331A(一种半导体制冷装置)的中国发明专利，解决了现有技术换热效率和制冷效率低的问题，而且噪音得到良好的控制，将风机设置在散热单元的散热鳍片中间，提高制冷装置的空间利用率，利于小型化设计，但是散热鳍片散热方式单一，不能达到最好的制冷效果。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，该装置能有效利用热源与环境温差发电，替代外接电源为半导体制冷片提供工作电压，节能环保，并且解决了目前半导体制冷片需要连接外部电源的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，用于对热源进行散热，所述的装置包括温差发电系统、半导体制冷系统及热管散热系统，所述的温差发电系统及半导体制冷系统均与热源相连，所述的热管散热系统与半导体制冷系统相连。
进一步地，所述的温差发电系统包括设置在热源上的温差发电元件、锂电池及微控制器，所述的微控制器分别与温差发电元件、锂电池电连接。
进一步地，所述的锂电池及微控制器均设置在热管散热系统上。
进一步地，所述的半导体制冷系统包括至少一个设置在热源上的半导体制冷片，所述的微控制器与半导体制冷片电连接。
进一步地，所述的热管散热系统包括设置在半导体制冷片上的蒸汽室以及设置在蒸汽室上的热管。
进一步地，所述的热管上设有翅片。
进一步地，所述的锂电池及微控制器均设置在蒸汽室的外壁上。
进一步地，沿半导体制冷片至热管方向，所述的蒸汽室的直径逐渐增大。
进一步地，所述的半导体制冷片与热源之间、半导体制冷片与蒸汽室之间均设有导热硅脂。
进一步地，所述的热管的内壁上设有多孔铜粉烧结层。
本发明提供了一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，温差发电元件紧贴热源，当冷热两端有温差存在时，温差发电元件产生的直流电，通过微控制器的整流、稳压后存储在锂电池中，以便为半导体制冷片提供工作电压。半导体制冷片的冷端紧贴热源，热端与蒸汽室连接，中间涂导热硅脂增强导热效果。蒸汽室一端面积大、另一端面积小，增强热交换效率。热管呈阵列状焊接在蒸汽室上，阵列的冷端在空间上与蒸汽室的热端相连，同时翅片叠加在热管上，增强散热效果。
具体而言，本发明装置的各部件中：
温差发电元件紧贴热源，当冷热两端有温差存在时，温差发电元件产生的直流电，通过微控制器的整流、稳压后存储在锂电池中，以便为半导体制冷片提供工作电压。温差发电元件可选为温差电偶，当冷热两端有温差产生时，P型半导体材料热端空穴的热运动高于冷端，则空穴从高温端向低温端扩散，形成电势差；N型半导体材料热端电子的热运动高于冷端，则电子从高温端向低温端扩散，形成电势差。在构成的回路中，当复合半导体材料两端有温差存在时，便产生电动势形成电流。
微控制器安装在蒸汽室一侧，内部设有整流电路、电容、稳压充电电路等，与温差发电元件、锂电池和半导体制冷片电连接。
锂电池安装在蒸汽室另一侧，主要作用为存储温差发电元件发出的电能，为半导体制冷片提供工作电压。锂电池的单位为毫安时(mAh)，当锂电池容量为1000mA，输出电流为1mA，则可输出电流1000h。锂电池优选100AH容量。
半导体制冷片的冷端紧贴热源，热端与蒸汽室连接，中间涂导热硅脂增强导热效果。半导体制冷片也称为热电半导体制冷组件，因为制冷片分两面，一面吸热称为热面，另一面散热称为冷面，且制冷片只是起到导热作用，是一种热传递的工具，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。半导体制冷片可应用在一些空间受限制、可靠性要求高、无制冷剂污染的场合。
导热硅脂涂抹在半导体制冷片与蒸汽室中间，主要作用为增强热导率。
蒸汽室(VC)安装在半导体制冷片上，主要作用为传递热量。蒸汽室又称为真空腔均热板，其真空腔底部的液体在吸收芯片热量后，蒸发扩散至真空腔内，将热量传导至另一端，随后冷凝为液体回到底部，利用相变导热。蒸汽室两端面积不同，增大热交换效率。
热管安装在蒸汽室上，依靠自身内部工作液体相变来实现传热。热管呈阵列状布设在蒸汽室上，阵列的冷端在空间上与蒸汽室的热端相连，同时翅片叠加在热管上，增强散热效果。热管的管芯烧结铜粉，多孔烧结层可以增强热管的蒸发过程和热性能。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明将温差发电技术与半导体制冷技术相结合，有效利用热源与环境温差发电，通过微控制器的整流、稳压后存储在锂电池中，替代外接电源为半导体发电片提供工作电压，节能环保；
2)本发明中的蒸汽室设计变截面形式，提高热交换效率；
3)本发明主要针对为大功率电力电子设备，热管呈阵列状焊接在蒸汽室上，阵列的冷端在空间上与蒸汽室的热端相连，同时翅片叠加在热管上，增强散热效果。
4)本发明热管的管芯烧结铜粉，多孔烧结层可以增强热管的蒸发过程和热性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图中标记说明：
1—温差发电元件、2—半导体制冷片、3—锂电池、4—蒸汽室、5—微控制器、6—热管、7—翅片、8—热源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1所示的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，用于对热源8进行散热，装置包括温差发电系统、半导体制冷系统及热管散热系统，温差发电系统及半导体制冷系统均与热源8相连，热管散热系统与半导体制冷系统相连。
其中，温差发电系统包括设置在热源8上的温差发电元件1、锂电池3及微控制器5，微控制器5分别与温差发电元件1、锂电池3电连接。锂电池3及微控制器5均设置在热管散热系统上。
半导体制冷系统包括至少一个设置在热源8上的半导体制冷片2，微控制器5与半导体制冷片2电连接。
热管散热系统包括设置在半导体制冷片2上的蒸汽室4以及设置在蒸汽室4上的热管6。热管6上设有翅片7。锂电池3及微控制器5均设置在蒸汽室4的外壁上。沿半导体制冷片2至热管6方向，蒸汽室4的直径逐渐增大。
半导体制冷片2与热源8之间、半导体制冷片2与蒸汽室4之间均设有导热硅脂。热管6的内壁上设有多孔铜粉烧结层。
本装置用于大功率电力电子设备散热，根据具体设备体积确定装置的具体尺寸，装置运用灵活，方便安装。
当用于电焊机中IGBT的散热时，传统电焊机的散热方式为翅片散热+风冷散热，存在接触热阻、散热效率低的问题。本装置可以结合风扇用于IGBT的散热，所需风扇功率小，噪声小。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，用于对热源(8)进行散热，其特征在于，所述的装置包括温差发电系统、半导体制冷系统及热管散热系统，所述的温差发电系统及半导体制冷系统均与热源(8)相连，所述的热管散热系统与半导体制冷系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的温差发电系统包括设置在热源(8)上的温差发电元件(1)、锂电池(3)及微控制器(5)，所述的微控制器(5)分别与温差发电元件(1)、锂电池(3)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的锂电池(3)及微控制器(5)均设置在热管散热系统上。
4.根据权利要求3所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的半导体制冷系统包括至少一个设置在热源(8)上的半导体制冷片(2)，所述的微控制器(5)与半导体制冷片(2)电连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的热管散热系统包括设置在半导体制冷片(2)上的蒸汽室(4)以及设置在蒸汽室(4)上的热管(6)。
6.根据权利要求5所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的热管(6)上设有翅片(7)。
7.根据权利要求5所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的锂电池(3)及微控制器(5)均设置在蒸汽室(4)的外壁上。
8.根据权利要求5所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，沿半导体制冷片(2)至热管(6)方向，所述的蒸汽室(4)的直径逐渐增大。
9.根据权利要求5所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的半导体制冷片(2)与热源(8)之间、半导体制冷片(2)与蒸汽室(4)之间均设有导热硅脂。
10.根据权利要求5所述的一种基于温差发电的半导体制冷散热装置，其特征在于，所述的热管(6)的内壁上设有多孔铜粉烧结层。
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