CN113675326A - 一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置 - Google Patents

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苗壮
刘琳
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Abstract

本发明提供一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，涉及半导体热电装置技术领域。本发明包括嵌入式冷却水箱以及热电模块。其中热电模块包含一对矩形热电臂、铜导电片以及氧化铝绝缘层。嵌入式冷却水箱分为三个部分，上部为吸热区，采用氧化铝绝缘层直接接触热源方式，可降低热源处热量散失，提高热电模块热端吸热量；中部为换热区，采用倾斜式臂面结构，通过增大换冷区域面积，进一步提高冷却效率；下部为水冷区,通过冷却水对热电模块冷端进行水冷散热，提高热电模块两端温度梯度。

Description

一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置
技术领域
本发明涉及半导体热电装置技术领域，尤其涉及一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置。
背景技术
热电转换技术基于塞贝克效应可直接将热转换为电，因其内部无机械运动部件，与传统发电技术相比具有更高稳定性、更低制造成本以及更长使用寿命。此外，热电模块具有体积小、无污染、无噪音等特点，使其被广泛应用于工业余废热回收领域。
传统热电模块在使用过程中会将冷端进行空冷或者配置冷却系统，使模块内产生温度差进行发电。但是空冷状态下，模块冷热两端温度差不大，输出功率较小。而通过在模块冷端配置冷却系统，又会产生较大的使用成本。
发明内容
针对现有技术的不足，提供一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置。
本发明所采取的技术方案是，一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，包括嵌入式冷却水箱以及热电模块；
所述热电模块包括矩形热电臂、铜导电片以及氧化铝绝缘层，所述氧化铝绝缘层为双层结构，其两侧内层均匀对称分布并固定连接铜导电片，所述矩形热电臂通过铜导电片连接两侧氧化铝绝缘层；所述矩形热电臂包括P型热电比和N型热电臂，二者呈交叉式排列。
所述嵌入式冷却水箱为长方体结构，水箱外围采用绝热材料，外围内壁设置嵌入槽与氧化铝绝缘层固定连接，将水箱内部按照结构分为上层，中层和下层，其中水箱上层为吸热区安装热电模块，通过热电模块与外部热源直接接触吸收热量；水箱中层为换热区，内表面为倾斜式臂面，倾斜角度θ为：30°≤θ≤90°，换热区控制热电模块内部温度，提高热电模块工作性能；水箱下层为水冷区，水冷区采用紫铜换热板，紫铜换热板与热电模块的冷端直接接触，通过内部冷却水保持模块冷端温度恒定。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明的一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，其体积较小，可以应用于多种环境条件，嵌入式冷却水箱内部设计矩形嵌入槽，可以使热电模块与水箱结合后具有更高稳定性，无需外加冷却系统便可使热电模块在工作状态下具有较高温度差。相较于传统热电模块，配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置具有更低使用成本以及更高发电性能；配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置具有更高结构稳定性。冷却水箱采用嵌入式结构，将热电模块配置在水箱嵌入槽内。当使用该热电装置时，水箱会通过臂面与热电模块进行换热，由于水箱为对称式设计，因此模块内部各部分受热均匀，不会因受热影响出现应力集中现象。
附图说明
图1为本发明热电模块结构示意图；
其中1-氧化铝绝缘板；2-铜导电片；3-P型热电臂；4-N型热电臂；5-热电臂间距；
图2为本发明热电模块结构尺寸示意图；
图3为本发明实施例中不同倾斜面角度的嵌入式冷却水箱结构示意图；
其中图(a)-倾斜角度为90°，图(b)-倾斜角度为60°；
其中6-吸热区，7-换热区，8-水冷区；
图4为本发明实施例中配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置结构尺寸示意图；
图5为本发明实施例中配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置三维结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，包括嵌入式冷却水箱以及热电模块；
所述热电模块包括矩形热电臂、铜导电片以及氧化铝绝缘层，所述氧化铝绝缘层为双层结构，其两侧内层均匀对称分布并固定连接铜导电片，所述矩形热电臂通过铜导电片连接两侧氧化铝绝缘层；所述矩形热电臂包括P型热电比和N型热电臂，二者呈交叉式排列。
热电模块如图1所示，热电模块结构尺寸如图2，其中本实施例中氧化铝绝缘层长宽均为32mm，高度为1mm；热电臂是长宽为1mm，高度为2mm的长方体；铜导电片为长3mm、宽1mm、高0.1mm的长方体。热电模块结构尺寸较小，可以用于多种工作环境，便于安装，使用简单。
所述嵌入式冷却水箱为长方体结构，水箱外围采用绝热材料，外围内壁设置嵌入槽与氧化铝绝缘层固定连接，将水箱内部按照结构分为上层，中层和下层，其中水箱上层为吸热区安装热电模块，通过热电模块与外部热源直接接触吸收热量；水箱中层为换热区，内表面为倾斜式臂面，倾斜角度θ为：30°≤θ≤90°，换热区控制热电模块内部温度，提高热电模块工作性能；水箱下层为水冷区，水冷区采用传热性能较好的紫铜换热板，紫铜换热板与热电模块的冷端直接接触，通过内部冷却水保持模块冷端温度恒定。
本实施例中水箱整体为长方体结构，长宽均为36mm，高度为7.2mm，水箱壁厚0.5mm。由于水箱需要对热电模块冷端进行水冷散热，所以本实施例中将水箱深度设置为3mm，更多冷却水量可以有效降低热电模块冷端温度。冷却水箱对热电模块冷端起降温作用，因此，热电装置在受到热源影响时，冷却水应尽可能保持温度不变。所以，设计水箱壁厚为0.5mm，可以降低水箱内热量传输，减少外部热源对冷却水的影响。水箱内换冷区臂面倾斜角度范围为30°≤θ≤90°，图3所示为不同倾斜面角度的嵌入式冷却水箱结构示意图；通过对热电装置多组倾斜角度比较分析可知，最佳臂面倾斜角度θ＝60°。当臂面倾斜角θ＝60°时，水箱臂面与热电模块之间换热效率提升12.1％，这也使得模块冷端可以保持更低的温度。嵌入式冷却水箱采用对称式结构设计，因此，当热电模块受环境温度影响时，冷却水箱可以更有效分散热量，使模块内部温度分布更加均匀，有效减少由于局部温度过高产生的应力集中现象。
如图4，图5所示，本发明采用热电臂数量为16×16的热电模块，更多热电臂数量可以有效提高热电装置发电性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，其特征在于，包括嵌入式冷却水箱以及热电模块；
所述热电模块包括矩形热电臂、铜导电片以及氧化铝绝缘层，所述氧化铝绝缘层为双层结构，其两侧内层均匀对称分布并固定连接铜导电片，所述矩形热电臂通过铜导电片连接两侧氧化铝绝缘层；
所述嵌入式冷却水箱为长方体结构，水箱外围采用绝热材料，外围内壁设置嵌入槽与氧化铝绝缘层固定连接，将水箱内部按照结构分为上层，中层和下层，其中水箱上层为吸热区安装热电模块，水箱中层为换热区，内表面为倾斜式臂面，倾斜角度为θ，；水箱下层为水冷区，水冷区采用紫铜换热板，紫铜换热板与热电模块的冷端直接接触。
2.根据权利要求1所述的一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，其特征在于，所述矩形热电臂包括P型热电比和N型热电臂，二者呈交叉式排列。
3.根据权利要求1所述的一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，其特征在于，所述倾斜角度θ为：30°≤θ≤90°。
4.根据权利要求1所述的一种配置嵌入式冷却水箱的半导体热电装置，其特征在于，
所述水箱上层通过热电模块与外部热源直接接触吸收热量；
所述水箱中层控制热电模块内部温度，提高热电模块工作性能；
所述水箱下层通过内部冷却水保持模块冷端温度恒定。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103196947A (zh) * 2013-04-01 2013-07-10 上海理工大学 一种热电制冷片热电性能的测量装置及方法
CN106374162A (zh) * 2016-11-02 2017-02-01 上海工程技术大学 一种基于热电效应的电池模组热管理方法及装置
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Title
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