CN115164445A - 一种半导体热电制冷器结构及强化换热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体热电制冷器结构及强化换热方法，涉及半导体热电制冷技术领域，包括：冷端换热板、热端换热板、冷端电极换热器、热端电极换热器、P/N型粒子、冷端换热流体、热端换热流体；本发明在冷端电极换热器与冷端换热板及热端电极换热器与热端换热板间的空腔中充注换热流体，采用换热流体的蒸发与冷凝实现热电制冷器冷热端的强化换热，有效降低了半导体热电制冷器冷端与热端电极与绝缘基板的传热热阻，解决了热电制冷器电极及绝缘基板热阻对制冷器制冷性能与可靠性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及半导体热电制冷技术领域，具体涉及一种半导体热电制冷器结构及强化换热方法，特别满足高功率密度电子器件的冷却及小型制冷应用场合要求。
背景技术
半导体热电制冷是利用热电材料珀尔贴效应的制冷方式，因其无运动部件、无噪声及可靠性高等技术优势，在电子器件冷却及其他高精度温度控制领域得到日益广泛的应用。
半导体热电制冷器通常包括相对设置的冷端与热端基板，在两个基板之间具有依次间隔串联的P型半导体热电粒子和N型半导体热电粒子，在对半导体粒子通电后可进行制冷或制热；半导体热电制冷器的制冷或制热性能除与所述的P型与N型热电粒子的材料热电性能有关外，还受其封装结构与工艺限制，特别是冷热端电极与基板的热阻与电阻，在热电材料性能及冷热端工作环境一定条件下，热电制冷器冷热端电极及基板的热阻会增大热电制冷器冷热端工作温差，导致热电制冷器制冷性能衰减、可靠性降低，甚至影响其使用寿命。
在工程设计中，高性能热电制冷器基板材料通常为绝缘的氮化铝或氧化铝陶瓷，但陶瓷绝缘基板与半导体粒子电极间为固体导热方式传热，因受陶瓷基板材料导热性能的影响，半导体热电制冷器的冷热端与其二次侧换热介质或热源/热汇间较大的传热温差，影响半导体热电制冷器的性能，致使其制冷性能衰减，可靠性降低。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前在热电材料性能及冷热端工作环境一定条件下，热电制冷器冷热端电极及基板的热阻会增大热电制冷器冷热端工作温差，导致热电制冷器制冷性能衰减、可靠性降低，甚至影响其使用寿命的问题，提供了一种半导体热电制冷器结构及强化换热方法，通过冷热端电极与换热一体化结构及相变工质浸没换热强化冷热端换热，降低冷热端传热热阻，以解决半导体热电制冷器冷热端电极及基板传热热阻对制冷器制冷性能的影响，达到减小半导体热电制冷器工作温差，提高热电制冷器的制冷性能的目的，从而解决了上述问题。
本发明的技术方案如下：
一种半导体热电制冷器结构，包括：
作为低温冷端换热的冷端换热板和作为高温热端换热的热端换热板，所述冷端换热板和热端换热板相对设置；
作为冷端吸热的冷端电极换热器，所述冷端电极换热器通过冷端电极换热器定位格栅固定在冷端换热板的内侧；
作为热端冷却的热端电极换热器，所述热端电极换热器通过热端电极换热器定位格栅固定在热端换热板的内侧；
P/N型粒子，所述P/N型粒子位于热端电极换热器与冷端电极换热器之间；
作为低温冷端换热的冷端换热流体，所述冷端换热流体置于冷端换热板与冷端电极换热器之间；
作为高温热端换热的热端换热流体，所述热端换热流体置于热端换热板与热端电极换热器之间。
进一步地，所述冷端电极换热器和热端电极换热器均为一侧表面平滑、另一侧表面为用于强化换热的带翅片或肋条的金属电极；
所述的P/N型粒子焊接于冷端电极换热器与热端电极换热器之间。
进一步地，所述冷端换热板采用良好导热性能的金属材质制成；
所述冷端换热板的底板内表面设置有用于强化换热的冷端换热板换热肋条；
所述冷端换热板位于冷端电极换热器下侧。
进一步地，所述冷端换热板换热肋条顶部与所述冷端电极换热器端部留有间隙，所述冷端换热板换热肋条上设有使冷端换热流体均匀分布的连通孔；
或所述冷端换热板换热肋条与所述冷端电极换热器的金属电极交叉布置但互不接触。
进一步地，所述热端换热板采用良好导热性能的金属材质制成；
所述热端换热板的底板内表面设置有用于强化换热的热端换热板换热肋条；
所述热端换热板位于热端电极换热器上侧。
进一步地，所述热端换热板换热肋条下沿与所述热端电极换热器端部留有空隙；
或所述热端换热板换热肋条与所述热端电极换热器的金属电极交叉布置但互不接触。
进一步地，所述冷端换热板和热端换热板均通过环氧树脂填充层与热电制冷器进行整体灌封并形成一体化结构。
进一步地，所述冷端换热板与冷端电极换热器之间有冷端空腔，在冷端空腔内充注冷端换热流体；所述冷端换热板浸没于冷端换热流体中；
所述热端换热板与热端电极换热器之间有热端空腔，在热端空腔内充注热端换热流体；所述热端电极换热器浸没于热端换热流体中。
进一步地，所述冷端换热流体和热端换热流体为同种或异种类型的相变流体；
所述冷端换热流体和热端换热流体为电绝缘且无腐蚀性。
一种半导体热电制冷器强化换热方法，基于上述的一种半导体热电制冷器结构，包括：
半导体热电制冷器工作时，热端电极换热器放热，冷端电极换热器吸热；
热端换热流体吸收热端电极换热器放出的热量后汽化，吸热汽化后的热端换热流体在热端换热板的内表面冷凝为液态，然后回流至热端电极换热器，如此循环实现对热电制冷器热端的高效冷却；
冷端换热板吸收热量后使冷端换热流体汽化，汽化后的冷端换热流体上升至冷端电极换热器，并冷凝为液体，然后回流至冷端换热板，如此循环实现对热电制冷器冷端的高效换热。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
1、本发明冷端电极采用低肋换热器一体化结构，拓展冷端电极的传热面积，并与充注的冷端换热流体进行相变换热，采用冷凝换热方式可有效降低热电粒子冷端与绝缘基板的传热热阻。
2、本发明热端电极采用低肋换热器一体化结构，并浸没于热端换热流体中，采用蒸发换热方式强化热端的传热，可显著降低半导体热电制冷器热端的传热热阻，提高热电制冷器的性能与可靠性。
3、本发明在冷热电极换热器两侧的两个腔体内均构成蒸汽腔平板热管的形式，与传统的绝缘陶瓷片导热换热方式相比，有效改善冷热端换热板表面与冷热端电极间传热路径，蒸汽腔平板热管具有更高的导热系数及良好的均温性，具有温变响应时间短、启动快的特点，在温度控制精度高、冷却功率密度大的应用场合具有显著优势。
附图说明
图1为本发明提供的一种高效半导体热电制冷器实施例一的结构示意图；
图2为本发明提供的一种高效半导体热电制冷器实施例二的结构示意图；
图3为本发明提供的一种高效半导体热电制冷器冷热端电极换热器示意图；
图4a为实施例一中冷端换热板结构示意图；
图4b为实施例二中冷端换热板结构示意图；
图5a为实施例一中热端换热板结构示意图；
图5b为实施例二中热端换热板结构示意图；
图6为本发明提供的一种高效半导体热电制冷器冷端电极换热器定位格栅示意图；
图7为本发明提供的一种高效半导体热电制冷器热端电极换热器定位格栅示意图；
图8为本发明提供的一种高效半导体热电制冷器环氧树脂填充层示意图。
附图标记：1-P/N型粒子，2-冷端电极换热器，3-冷端换热板，31-冷端换热板换热肋条，32-连通孔，33-第一凸台，34-第一灌封腔，4-热端电极换热器，5-热端换热板，51-热端换热板换热肋条，52-第二凸台，53-第二灌封腔，6-冷端电极换热器定位格栅，7-热端电极换热器定位格栅，8-冷端换热流体，9-冷端空腔，10-热端换热流体，11-热端空腔，12-环氧树脂填充层。
具体实施方式
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
在热电材料性能及冷热端工作环境一定条件下，热电制冷器冷热端电极及基板的热阻会增大热电制冷器冷热端工作温差，导致热电制冷器制冷性能衰减、可靠性降低，甚至影响其使用寿命；而在工程设计中，高性能热电制冷器基板材料通常为绝缘的氮化铝或氧化铝陶瓷，但陶瓷绝缘基板与半导体粒子电极间为固体导热方式传热，因受陶瓷基板材料导热性能的影响，半导体热电制冷器的冷热端与其二次侧换热介质或热源/热汇间较大的传热温差，影响半导体热电制冷器的性能，致使其制冷性能衰减，可靠性降低。
本实施例针对于上述问题，提出了一种半导体热电制冷器结构及强化换热方法，通过冷热端电极与换热一体化结构及相变工质浸没换热强化冷热端换热，降低冷热端传热热阻，以解决半导体热电制冷器冷热端电极及基板传热热阻对制冷器制冷性能的影响，达到减小半导体热电制冷器工作温差，提高热电制冷器的制冷性能的目的。
请参阅图1、图3、图4a、图5a、图6、图7、图8，一种半导体热电制冷器结构，利用蒸汽腔平板热管的高导热性、良好均温性以及温变响应快等特点进行半导体热电制冷器的强化散热，具体包括如下结构：
作为低温冷端换热的冷端换热板3和作为高温热端换热的热端换热板5，所述冷端换热板3和热端换热板5相对设置；
作为冷端吸热的冷端电极换热器2，所述冷端电极换热器2通过冷端电极换热器定位格栅6固定在冷端换热板3的内侧；优选地，所述冷端电极换热器2通过冷端电极换热器定位格栅6焊接固定在冷端换热板3的内侧；
作为热端冷却的热端电极换热器4，所述热端电极换热器4通过热端电极换热器定位格栅7固定在热端换热板5的内侧；优选地，所述热端电极换热器4通过热端电极换热器定位格栅7焊接固定在热端换热板5的内侧；
P/N型粒子1，所述P/N型粒子1位于热端电极换热器4与冷端电极换热器2之间；
作为低温冷端换热的冷端换热流体8，所述冷端换热流体8置于冷端换热板3与冷端电极换热器2之间；
作为高温热端换热的热端换热流体10，所述热端换热流体10置于热端换热板5与热端电极换热器4之间。
在本实施例中，具体的，所述冷端电极换热器2和热端电极换热器4均为一侧表面平滑、另一侧表面为用于强化换热的带翅片或肋条的金属电极；
所述的P/N型粒子1焊接于冷端电极换热器2与热端电极换热器4之间。
在本实施例中，具体的，所述冷端换热板3采用良好导热性能的金属材质制成；优选地，所述金属材质包括铜、铝等；
所述冷端换热板3的底板内表面设置有用于强化换热的冷端换热板换热肋条31；
所述冷端换热板3位于冷端电极换热器2下侧。
在本实施例中，具体的，所述冷端换热板换热肋条31顶部与所述冷端电极换热器2端部留有间隙，所述冷端换热板换热肋条31上设有使冷端换热流体8均匀分布的连通孔32。
其中，具体的，所述冷端换热板3包括：冷端换热板换热肋条31、使冷端换热流体8均匀分布的连通孔32、通过与冷端电极换热器定位格栅6配合使冷端换热板3与固化后的热电制冷器冷端进行装配的第一凸台33以及进行一体化灌封的第一灌封腔34。
冷端换热板换热肋条31顶部与所述冷端电极换热器2端部留有间隙，实现冷端电极换热器2的电绝缘及充注冷端换热流体8；
在本实施例中，具体的，所述热端换热板5采用良好导热性能的金属材质制成；优选地，所述金属材质包括铜、铝等；
所述热端换热板5的底板内表面设置有用于强化换热的热端换热板换热肋条51；
所述热端换热板5位于热端电极换热器4上侧。
在本实施例中，具体的，所述热端换热板换热肋条51下沿与所述热端电极换热器4端部留有空隙。
其中，具体的，热端换热板5包括：热端换热板换热肋条51、通过与热端电极换热器定位格栅7配合使热端换热板5与固化后的热电制冷器热端进行装配的第二凸台52、用于一体化灌封的第二灌封腔53。
热端换热板换热肋条51下沿与所述热端电极换热器4端部留有空隙，用于热端电极换热器4电绝缘及充注热端换热流体10。
在本实施例中，具体的，所述冷端换热板3和热端换热板5均通过环氧树脂填充层12与热电制冷器进行整体灌封并形成一体化结构。
在本实施例中，具体的，所述冷端换热板3与冷端电极换热器2之间有冷端空腔9，在冷端空腔9内充注冷端换热流体8；所述冷端换热板3浸没于冷端换热流体8中；
所述热端换热板5与热端电极换热器4之间有热端空腔11，在热端空腔11内充注热端换热流体10；所述热端电极换热器4浸没于热端换热流体10中。
在本实施例中，具体的，所述冷端换热流体8和热端换热流体10为同种或异种类型的相变流体；
所述冷端换热流体和热端换热流体为电绝缘且无腐蚀性；优选地，所述冷端换热流体8和热端换热流体10均为氟化液。
本实施例基于上述一种半导体热电制冷器结构，提出了一种半导体热电制冷器强化换热方法，包括：
(a)热电制冷器热端强化冷却运行过程
当半导体热电制冷器工作时，热端电极换热器4放热，冷端电极换热器2吸热；
热端换热流体10吸收热端电极换热器4放出的热量后汽化，吸热汽化后的热端换热流体10上升至热端换热板5的内表面(即上升至热端空腔11上部)，并在热端换热板5的内表面冷凝为液态，然后再重力作用下回流至热端电极换热器4，如此循环实现对热电制冷器热端的高效冷却。
(b)热电制冷器冷端强化传热运行过程
冷端换热板3吸收热量后使冷端换热流体8汽化，汽化后的冷端换热流体8上升至冷端电极换热器2(即上升至冷端空腔9上部)，在冷端电极换热器2表面冷凝为液体，然后在重力的作用下回流至冷端换热板3，如此循环实现对热电制冷器冷端的高效换热。
与传统的陶瓷基板导热传热的方式相比，本发明在冷端电极换热器与冷端换热板及热端电极换热器与热端换热板间的空腔中充注相变换热流体，采用相变换热流体的蒸发与冷凝实现强化换热。
本发明提供的高效半导体热电制冷器通过电极与换热器一体化结构可有效降低冷端与热端传热热阻，减小热电制冷器冷热端的工作温差，解决了热电制冷器电极及绝缘基板热阻对制冷器制冷性能与可靠性的影响，特别适合于高功率密度电子器件的冷却及小型制冷应用场合。
实施例二
实施例二是对实施例一的进一步说明，相同的部件这里不再赘述，请参阅图2、图3、图4b、图5b、图6、图7、图8。
在本实施例中，所述冷端换热板3和热端换热板5均采用铜材质制成。
其中，冷端换热板3包括：冷端换热板换热肋条31、凸台以及进行一体化灌封的灌封腔；所述冷端换热板换热肋条31与所述冷端电极换热器2的金属电极交叉布置但互不接触，以强化换热并减小热电制冷器厚度。
其中，热端换热板5包括：热端换热板换热肋条51、凸台、用于一体化灌封的灌封腔组成；所述热端换热板换热肋条51与所述热端电极换热器4的金属电极交叉布置但互不接触，以强化换热并减小热电制冷器厚度。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，包括：
作为低温冷端换热的冷端换热板和作为高温热端换热的热端换热板，所述冷端换热板和热端换热板相对设置；
作为冷端吸热的冷端电极换热器，所述冷端电极换热器通过冷端电极换热器定位格栅固定在冷端换热板的内侧；
作为热端冷却的热端电极换热器，所述热端电极换热器通过热端电极换热器定位格栅固定在热端换热板的内侧；
P/N型粒子，所述P/N型粒子位于热端电极换热器与冷端电极换热器之间；
作为低温冷端换热的冷端换热流体，所述冷端换热流体置于冷端换热板与冷端电极换热器之间；
作为高温热端换热的热端换热流体，所述热端换热流体置于热端换热板与热端电极换热器之间。
2.根据权利要求1所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述冷端电极换热器和热端电极换热器均为一侧表面平滑、另一侧表面为用于强化换热的带翅片或肋条的金属电极；
所述的P/N型粒子焊接于冷端电极换热器与热端电极换热器之间。
3.根据权利要求1所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述冷端换热板采用良好导热性能的金属材质制成；
所述冷端换热板的底板内表面设置有用于强化换热的冷端换热板换热肋条；
所述冷端换热板位于冷端电极换热器下侧。
4.根据权利要求3所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述冷端换热板换热肋条顶部与所述冷端电极换热器端部留有间隙，所述冷端换热板换热肋条上设有使冷端换热流体均匀分布的连通孔；
或所述冷端换热板换热肋条与所述冷端电极换热器的金属电极交叉布置但互不接触。
5.根据权利要求1所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述热端换热板采用良好导热性能的金属材质制成；
所述热端换热板的底板内表面设置有用于强化换热的热端换热板换热肋条；
所述热端换热板位于热端电极换热器上侧。
6.根据权利要求5所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述热端换热板换热肋条下沿与所述热端电极换热器端部留有空隙；
或所述热端换热板换热肋条与所述热端电极换热器的金属电极交叉布置但互不接触。
7.根据权利要求1所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述冷端换热板和热端换热板均通过环氧树脂填充层与热电制冷器进行整体灌封并形成一体化结构。
8.根据权利要求1所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述冷端换热板与冷端电极换热器之间有冷端空腔，在冷端空腔内充注冷端换热流体；所述冷端换热板浸没于冷端换热流体中；
所述热端换热板与热端电极换热器之间有热端空腔，在热端空腔内充注热端换热流体；所述热端电极换热器浸没于热端换热流体中。
9.根据权利要求1或8所述的一种半导体热电制冷器结构，其特征在于，所述冷端换热流体和热端换热流体为同种或异种类型的相变流体；
所述冷端换热流体和热端换热流体为电绝缘且无腐蚀性。
10.一种半导体热电制冷器强化换热方法，其特征在于，基于权利要求1-9任意一项所述的一种半导体热电制冷器结构，包括：
半导体热电制冷器工作时，热端电极换热器放热，冷端电极换热器吸热；
热端换热流体吸收热端电极换热器放出的热量后汽化，吸热汽化后的热端换热流体在热端换热板的内表面冷凝为液态，然后回流至热端电极换热器，如此循环实现对热电制冷器热端的高效冷却；
冷端换热板吸收热量后使冷端换热流体汽化，汽化后的冷端换热流体上升至冷端电极换热器，并冷凝为液体，然后回流至冷端换热板，如此循环实现对热电制冷器冷端的高效换热。
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