CN112880454A - 一种换热结构及半导体换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热结构及半导体换热装置，属于半导体制冷技术领域。所述换热结构包括换热本体和设于所述换热本体内部的换热流道，所述换热流道内置肋片，所述肋片设置于所述换热流道内以沿流动方向将所述换热流道分割为至少两个子流道；所述肋片的侧壁上开设换热通孔，以连通两相邻的所述子流道。本发明所提供的换热结构通过开孔肋片的设置，使得相邻两个子流道内的流体能够产生扰动，破坏原始流体的层流传热，使流体做不规则运动形成湍流，流体提前由层流区向湍流区过渡，强化了过渡区和湍流区流体的传热，提高了换热效率。

Description

一种换热结构及半导体换热装置

技术领域

本发明涉及半导体制冷技术领域，尤其涉及一种换热结构及半导体换热装置。

背景技术

半导体制冷技术正逐渐风靡，其原理是根据特殊半导体材料的帕尔贴效应：当直流电通过两个不同半导体材料串联而成的电偶时，能够在电偶的两端分别吸收热量和放出热量，实现制冷目的。由于半导体制冷的方式只受到电流大小的控制，因此在一定的制冷功率范围内，可以通过调节电流大小来满足制冷需求。半导体制冷元件的体积小，重量轻，正被广泛应用到集成电路生产设备的温度控制模块中，其中最重要的便是半导体换热装置。

现有的半导换热装置由于体积大、结构复杂，不易于生产制造和装配的同时，换热效率还低，亟待改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换热结构，能够提高换热效率。

本发明的另一个目的在于提供一种半导体换热装置，保证换热效率的同时，简化换热装置结构，以便于生产制造和装配。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一种换热结构，包括换热本体和设于所述换热本体内部的换热流道，所述换热流道内置肋片，所述肋片设置于所述换热流道内以沿流动方向将所述换热流道分割为至少两个子流道；所述肋片的侧壁上开设换热通孔，以连通两相邻的所述子流道。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述换热流道呈回型布置或S型布置。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述肋片包括若干直肋片和设于两个相邻所述直肋片之间的弯肋片，所述换热通孔开设于所述直肋片上。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述直肋片上沿流动方向均匀分布有多个所述换热通孔。

作为换热结构一种优选的技术方案，所述肋片至少设置两个，两个相邻的所述肋片上的换热通孔在与流动方向相垂直的方向上呈交错分布。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述换热通孔的形状为矩形、菱形、三角形或圆形。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述换热本体的内壁上还设有多个沿流动方向依次排布的微型槽。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述微型槽的截面形状为矩形、菱形、三角形或者半圆形。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述换热流道内设置一个肋片，且所述肋片位于所述换热流道的中间位置。

作为上述换热结构一种优选的技术方案，所述换热结构为板状体，所述板状体上设有分别与所述换热流道首尾两端相连通的进液口和出液口，流体经由所述进液口进入所述换热流道内完成换热并由所述出液口流出。

一种半导体换热装置，包括依次叠放的第一散热板、第一半导体制冷片、导冷板、第二半导体制冷片和第二散热板；所述第一散热板、所述第二散热板和所述导冷板均采用上述任一方案所述的换热结构。

作为上述半导体换热装置的一种优选的技术方案，所述第一散热板、所述第二散热板和所述导冷板均采用3D打印一体成型。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本发明所提供的换热结构通过开孔肋片的设置，使得相邻两个子流道内的流体能够产生扰动，破坏原始流体的层流传热，使流体做不规则运动形成湍流，流体提前由层流区向湍流区过渡，强化了过渡区和湍流区流体的传热，提高了换热效率。

2)本发明所提供的换热装置由依次设置的第一散热板、第一半导体制冷片、导冷板、第二半导体制冷片和第二散热板组成，结构简单、便于生产制造和装配；其中，散热板和导冷板均采用本发明所提供的换热结构，有利于导冷板将热量快速地传递至散热板上，并由散热板将热量及时传递至外界，保证导冷板内流体换热过程的持续进行，也保证了换热装置整体较高的换热效率。

附图说明

图1为本发明实施例中一种换热结构的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中一种换热结构的侧视图；

图3为图2中A-A面的剖视图；

图4为本发明实施例中一种换热结构的内部结构示意图；

图5为本发明实施例一种换热结构的正视图；

图6为图5中B-B面的剖视图；

图7为本发明实施例中一种半导体换热装置的结构示意图。

附图标记：

100-第一散热板；200-第一半导体制冷片；300-导冷板；400-第二半导体制冷片；500-第二散热板；

10-换热本体；20-换热流道；30-肋片；

11-进液口；12-出液口；13-微型槽；21-第一子流道；22-第二子流道；31-换热通孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明实施例中一种换热结构的立体结构示意图；图2为本发明实施例中一种换热结构的侧视图；图3为图2中A-A面的剖视图；图4为本发明实施例中一种换热结构的内部结构示意图；图5为本发明实施例一种换热结构的正视图；图6为图5中B-B面的剖视图。参考图1-3，本实施例在于公开一种换热结构，具体包括换热本体10和设于换热本体10内部的换热流道20，本实施例中，换热流道20呈回型布置；换热本体10上还设有分别与换热流道20首尾两端相连通的进液口11和出液口12，流体经由进液口11进入换热流道20内完成换热并由出液口12流出；进一步地，换热流道20内置肋片30，肋片30设置于换热流道20内以沿流动方向将换热流道20分割为至少两个子流道，流体能够通过各子流道由进液口11流至出液口12，完成换热；进一步，参考图4-6，肋片30的侧壁上开设换热通孔31，以连通两相邻的子流道。本实施例所提供的换热结构通过开孔肋片30的设置，使得两相邻子流道之间的流体能够产生扰动，破坏原始流体的层流传热，使流体做不规则运动形成湍流，流体提前由层流区向湍流区过渡，强化了过渡区和湍流区流体的传热，提高了换热效率。进一步，本实施例中，换热流道20采用回型布置，使得流体由进液口11绕某一螺旋方向流至中间后，再由中间沿与前述螺旋方向相反的方向流动至出液口12，前续流体与后续流体之间能够在整个换热结构的内部空间交错流动但互不干涉，如此设置能够实现流体在整个换热结构内部均匀换热，提高散热的均匀性。当然，在一些其他的实施例中，换热流道20也可采用S型布置，此时进液口11和出液口12分别设于S型布置的换热流道20的首尾两端。由于肋片30是沿流动方向对换热流道20进行分隔，因而肋片30也随形于换热流道20，相应地呈回型布置或S型布置。

本实施例中，可选换热流道20内设置一个肋片30，一个肋片30将换热流道20分隔成了两个子流道，分别为第一子流道21和第二子流道22。当然在一些其他的实施例中，可以在换热流道20内设置两个或者更多肋片30，以将换热流道20分隔呈三个或者更多子流道，进一步提高换热流道20中流体的扰动效果。进一步地，当换热流道20中仅设置一个肋片30时，优选肋片30位于换热流道20的中间位置，即第一子流道21和第二子流道22的通道宽度相同，流体流经二者的流量相同，有利于两个子流道内的流体产生均匀扰动，保证最佳的换热效果。对于换热流道20中设置多个肋片30而言，可通过占空比进行肋片30数量和尺寸的限定，占空比为各子流道流道本体的横截面面积的总和a与换热流道20整体的横截面面积A的比值，即a/A，其中，A为各子流道流道本体的横截面面积、肋片30的横截面面积和换热流道20侧壁的横截面面积的总和；通过数值模拟分析，当占空比达到60％时，该换热结构的换热效果可达到最佳。

换热结构的换热流道20和肋片30均是回型布置或S型布置，因此换热流道20包括若干直流道和设于两个相邻直流道之间弯流道，流体在弯流道处完成流动方向的转换；进一步地，肋片30插设于换热流道20内，并随形于换热流道20的形状结构，因此肋片30也包括为若干直肋片和设于两个相邻直肋片之间的弯肋片。本实施例中，优选将肋片30上的换热通孔31开设于直肋片上，以避免在弯肋片上开孔，弯肋片上开孔会影响流体在换热流道20转弯处的流速和流动的均匀性，进而流体在此处无法正常导流，容易形成死区，进而影响换热效率。进一步地，为了提高直流道上流体的扰动效果，可使直肋片上沿流动方向均匀分布有多个换热通孔31，实现两个相邻子流道之间流体的充分扰动。

进一步地，对于设置至少两个肋片30的换热结构来说，两个相邻肋片30上的换热通孔31可以在与流动方向相垂直的方向上相互重叠，也可以在与流动方向相垂直的方向上呈交错分布；其中优选后者，将两相邻的肋片30上的换热通孔31设计成交错分布，能够使每个子流道的边界层相互分离，形成流体的二次流动，进一步增强换热效率。

可选地，换热通孔31的形状可设为矩形、菱形、三角形或圆形，这里不做具体限制；本实施例中，图6示意的换热通孔31为菱形。

对于设有换热流道20的换热本体10来说，流体内的热量最终是通过换热本体10的侧壁传递至外界的，即换热本体10的侧壁为换热面。进一步地，参考图3和图4，换热本体10的内壁上还设有多个沿流动方向依次排布的微型槽13，微型槽13槽壁的存在能够增加整个换热面的内表面积，进而增加了流体与换热本体10的接触面积，有利于热量快速地传递；同时微型槽13在内壁上的开设还能够形成类似于肋条的结构，破坏流体的热边界层，发挥一定的肋化效应，进一步提高换热结构整体的换热效率。可选地，微型槽13的截面形状可为矩形、菱形、三角形或者半圆形，本实施例中图4示意的微型槽13的截面形状为半圆形。对于设置肋片30的换热流道20来说，流体的热量可以间接通过肋片30传递至换热面上，因此参考上述原理，本实施例中，肋片30侧壁上未设置换热通孔31的部分可选地设置为锯齿状或者波纹状结构，以增加肋片30的表面积，进而增加流体与肋片30的接触面积，促使肋片30传递更多的流体热量，有助于提高换热效果。

本实施例所提供的换热结构为板状体，换热流道20设于板状体的内部，换热结构的进液口11和出液口12均设于板状体的侧壁上。将换热结构设计为板状体能够便于回型换热通道的布置，并减小整个换热结构的占用空间，简化换热结构。

图7为本发明实施例中一种半导体换热装置的结构示意图；参考图7，本实施例还在于公开一种半导体换热装置，具体包括依次叠放的第一散热板100、第一半导体制冷片200、导冷板300、第二半导体制冷片400和第二散热板500；第一散热板100、第二散热板500和导冷板300均采用上述换热结构，以保证整个半导体换热装置的换热效率。进一步地，第一半导体制冷片200的两侧分别紧贴第一散热板100和导冷板300，第二半导体制冷片400的两侧分别紧贴第二散热板500和导冷板300，以使导冷板300的热量能够快速传递至散热板，提高导冷板300内流体的换热效率。本实施例所提供的换热装置由依次设置的第一散热板100、第一半导体制冷片200、导冷板300、第二半导体制冷片400和第二散热板500组成，结构简单、便于生产制造和装配；其中，散热板和导冷板300均采用本发明所提供的换热结构实现换热，有利于导冷板300将热量快速地传递至散热板上，并由散热板将热量及时传递至外界，保证导冷板300内流体换热过程的持续进行，也保证了换热装置整体较高的换热效率。

本实施例中，散热板及导冷板300可通过3D打印的方式一体成型，以增强整个结构的强度、耐压性和密封性；进一步具体地，3D打印时可采用不锈钢等材料，以提高整个换热装置的机械强度和耐腐蚀性，延长产品的使用寿命。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种换热结构，其特征在于，包括换热本体(10)和设于所述换热本体(10)内部的换热流道(20)，所述换热流道(20)内置肋片(30)，所述肋片(30)设置于所述换热流道(20)内以沿流动方向将所述换热流道(20)分割为至少两个子流道；所述肋片(30)的侧壁上开设换热通孔(31)，以连通两相邻的所述子流道。

2.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述换热流道(20)呈回型布置或者S型布置。

3.根据权利要求2所述的换热结构，其特征在于，所述肋片(30)包括若干直肋片和设于两个相邻所述直肋片之间的弯肋片，所述换热通孔(31)开设于所述直肋片上。

4.根据权利要求3所述的换热结构，其特征在于，所述直肋片上沿流动方向均匀分布有多个所述换热通孔(31)。

5.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述肋片(30)至少设置两个，两个相邻的所述肋片(30)上的换热通孔(31)在与流动方向相垂直的方向上呈交错分布。

6.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述换热通孔(31)的形状为矩形、菱形、三角形或圆形。

7.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述换热本体(10)的内壁上还设有多个沿流动方向依次排布的微型槽(13)。

8.根据权利要求7所述的换热结构，其特征在于，所述微型槽(13)的截面形状为矩形、菱形、三角形或者半圆形。

9.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述换热流道(20)内设置一个肋片(30)，且所述肋片(30)位于所述换热流道(20)的中间位置。

10.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述换热结构为板状体，所述板状体上设有分别与所述换热流道(20)首尾两端相连通的进液口(11)和出液口(12)，流体经由所述进液口(11)进入所述换热流道(20)内完成换热并由所述出液口(12)流出。

11.一种半导体换热装置，其特征在于，包括依次叠放的第一散热板(100)、第一半导体制冷片(200)、导冷板(300)、第二半导体制冷片(400)和第二散热板(500)；所述第一散热板(100)、所述第二散热板(500)和所述导冷板(300)均采用权利要求1-10任一项所述的换热结构。

12.根据权利要求11所述的半导体换热装置，其特征在于，所述第一散热板(100)、所述第二散热板(500)和所述导冷板(300)均采用3D打印一体成型。

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