CN115307336B - 超低温半导体制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明为超低温半导体制冷装置，解决半导体制冷装置单纯靠增加制冷堆制的半导体制冷片层数无法达到更低制冷温度的问题，第1风道内的制冷堆散热器的底板通过第1孔与制冷堆盒内的制冷堆的最下面的半导体制冷片的热端基板连接，制冷堆散热器的翅片位于第1风道内，第2风道（与第1风道连接并相通，第2风道的入口有第1入口风扇，第2风道内有冷端散热器，冷端散热器的底板通过第2、3风道管壁与第3风道内的热端散热器的底板传热连接，热端散热器的翅片位于第3风道内，第3风道的入口上有第2入口风扇强制给热端散热器送风带走热端散热器的热量对第2风道的冷端散热器降温。

Description

超低温半导体制冷装置

技术领域

本发明与半导体制冷装置有关。

背景技术

半导体制冷堆的冷端基板与上导流条连接，热端基板与左、右导流条连接，左、右导流条分别通过P、N元件与上导流条连接，热端基板的两端通过导线分别与电源的正、负极连接，半导体制冷是利用半导体的热电效应，当给半导体通以一定电流时接点附近产生电子空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端，另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。一对半导体热电元件所产生的温差和冷量都很小，实用的半导体制冷器是由很多对热电元件经并联、串联组合而成，也称制冷堆或者热电堆。单级热电堆可得到大约60℃的温差，即冷端温度可达-10～-20℃。增加热电堆级数即可使两端的温差加大。

在传统实际使用中，为了达到某些需要极低温度如-80°温度，单纯的增加半导体制冷片级数会导致热端散热面积很大，一般热/冷面比大于2，会因为由于面积太大使多级制冷中相对较大面积的传热件有更高的温度无法完全与温度更低端的元件完全绝热、以及相互之间工艺上不能很好与制冷片接触，无法将热面的热量快速带走、最终达不到设计效果，即使达到设计效果，制冷器的体积也很到、能源消耗很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种在半导体制冷片级数相同的情况下，制冷效果显著提升的串级制冷的超低温半导体制冷装置。

本发明是这样实现的：

超低温半导体制冷装置，制冷堆23是单极半导体制冷片构成的单级制冷堆或多个单极制半导体冷片重叠构成的多级制冷堆，单极半导体制冷片上面是冷面-冷端基板30，下面是热面-热端基板，多级制冷堆是位于上面的单极半导体制冷片的热端基板与位于下面的单极半导体制冷片的冷端基板连接，最底层的单极半导体制冷片的热端基板与制冷堆散热器21的底板紧密贴合，通过制冷堆散热器带走制冷堆热面的热量，通过降低制冷堆最下面的半导体制冷片的热端基板的热量降低最上面的半导体制冷片的冷端基板的温度，制冷堆散热器21、冷端散热器19、热端散热器２０为铜或铝制的与底板成夹角并列于底板上的若干翅片构成，制冷堆的最上端的冷端基板30与被制冷件紧密接触，第1风道内的制冷堆散热器２１的底板通过第1风道壁的第1孔与制冷堆盒2内的制冷堆２３的最下面的半导体制冷片的热端基板连接，制冷堆散热器２１的翅片位于第1风道18内，第2风道７与第1风道１８连接并相通，第2风道的入口有第1入口风扇，第2风道内有冷端散热器１９，冷端散热器１９的底板通过第2、3风道管壁与第3风道１７内的热端散热器２０的底板传热连接，热端散热器２０的翅片位于第3风道１７内，第3风道１７的入口上有第2入口风扇强制给热端散热器２０送风带走热端散热器的热量对第2风道的冷端散热器降温。

冷端散热器１９的翅片与制冷堆散热器２１的翅片对应连接形成通道，

制冷堆盒２与制冷堆支架板5连接， 制冷堆支架板5的第1孔与制冷堆盒2连接，制冷堆支架板的第1孔的下面与第1风道18连接，第1风道内的制冷堆散热器２１的底板通过第1孔与制冷堆盒内的制冷堆２３的最下面的热端基板连接，制冷堆接口板将制冷堆散热器21和制冷堆盒2通过螺杆连接起来，制冷堆盒2上有盖1，第2风道７固定在第1风道１８上，第2风道的入口有第1入口风扇，第2风道内有冷端散热器１９，冷端散热器１９的底板与制冷堆散热器２１的底板成夹角，第1风道的轴线与第2风道的轴线成夹角，第2风道出的冷风进入第1风道对制冷堆散热器降温，第2风道的轴线与第3风道17的轴线成夹角，第3风道１７内的热端散热器２０的底板与冷端散热器的底板通过制冷片28连接，热端散热器２０底板上的翅片与冷端散热器１９底板上的翅片成夹角并对应连接，热端散热器２０对第2风道内的冷端散热器１９降温，第2风道的一侧有接口板１５，接口板15有第2孔，接口板１５的第2孔嵌有制冷片，制冷片的冷面与冷端散热器１９的底板贴合，热面与热端散热器２０底板贴合，接口板１５与底板通过螺杆组２２连接，

被制冷件为冷阱管27，制冷堆的最上端的冷端基板30上贴冷阱管27，冷阱管上有加热器25，冷阱管通过固定座4与制冷堆盒的侧壁连接，

第1风道18与其出口构成L形，第1风道18与第2风道成L形连接。

制冷堆可以是分列的单极半导体制冷片叠加构成的多级制冷堆或是一体式多层半导体制冷片叠加构成的多级制冷堆。

冷堆盒２有盖１，盖１和制冷堆盒２为绝热材料制成。

制冷堆支架板5的第1孔的上面与制冷堆盒2上的制冷堆接口板3连接，制冷堆接口板3将制冷堆散热器和制冷堆支架板通过螺杆连接起来。

所述的夹角为90度。

本发明技术的特点在于在制冷堆能达到的一定温差的条件下采用降低热端温度的办法最终降低目标冷却温度，通过将两级或者两级以上的制冷器串联起来，当气流进入入口端风道再通过制冷器后气流温度降低，再通过目标制冷的散热器带走热量，从而降低目标制冷器的散热器的温度降低目标制冷端的温度。

本发明相对于背景技术中的半导体制冷装置的结构上的区别及其优点如下：

在制冷堆相对能达到的最大温差一定的条件下，通过降低制冷堆热端的温度来降低制冷端的实际温度，传统的制冷堆重叠层数不能无限制增加，受绝热等多种因素影响无法达到更低的温度，本发明采用串级制冷的方法突破了单纯增加制冷堆所拥有的半导体制冷级数而无法进一步增加冷热面温差从而获得更低的冷端温度技术瓶颈。

本发明与制冷堆重叠的单极半导体制冷片层数相同，但只有一个风道直接对制冷堆散热器21降温的传统的半导体制冷堆作降温对比实验，传统半导体制冷堆能达到的最低温度为－４０― ―４５°Ｃ左右，而本发明的超低温半导体制冷装置能达到低于－６０°Ｃ的制冷效果，这是十分关键的技术突破。

附图说明

图1为本发明的立体结构图。

图2为图1的仰视图。

图3为本发明的主视图。

图4为图3的左视图。

图5为图3的剖面图。

图6为制冷堆散热器立体结构图。

图7为制冷堆立体结构图。

图8为单极制冷堆结构图。

图9为冷端散热器、端散热器和接口板贴合结构图。

图10为冷端散热器、端散热器和接口板贴合剖视结构图。

图11为接口板结构图。

具体实施方式

实施例1

热脱附解吸仪的冷阱制冷装置。

超低温半导体制冷装置，制冷堆23是单极半导体制冷片构成的单级制冷堆或多个单极制半导体冷片重叠构成的多级制冷堆，单极半导体制冷片上面是冷面-冷端基板30，下面是热面-热端基板，多级制冷堆是位于上面的单极半导体制冷片的热端基板与位于下面的单极半导体制冷片的冷端基板连接，最底层的单极半导体制冷片的热端基板与制冷堆散热器21紧密贴合，通过制冷堆散热器21带走制冷堆热面的热量，通过降低制冷堆最下面的半导体制冷片的热端基板的热量降低最上面的半导体制冷片的冷端基板的温度，制冷堆散热器21、冷端散热器19、热端散热器２０为铜或铝制的垂直并列于底板上的若干翅片构成，第1风道内的制冷堆散热器２１的底板通过第1孔与制冷堆盒2内的制冷堆２３连接，制冷堆的最上端的冷端基板30与被制冷件紧密接触，制冷堆支架板5的第1孔与制冷堆盒2连接，制冷堆支架板的第1孔的下面与第1风道18连接，第1风道内的制冷堆散热器２１的底板通过第1孔与制冷堆盒内的制冷堆２３的最下面的热端基板连接，制冷堆接口板将制冷堆散热器21和制冷堆盒2通过螺杆连接起来，制冷堆盒2上有盖1，第2风道７固定在第1风道１８上，第2风道的入口有第1入口风扇，第2风道内有冷端散热器１９，冷端散热器１９的底板与制冷堆散热器２１的底板垂直，第1风道的轴线与第2风道的轴线垂直，第2风道出的冷风进入第1风道对制冷堆散热器降温，第2风道的轴线与第3风道17的轴线垂直，第3风道１７内的热端散热器２０的底板与冷端散热器的底板通过制冷片28连接，热端散热器２０底板上的翅片与冷端散热器１９底板上的翅片垂直并对应连接，热端散热器２０对第2风道内的冷端散热器１９降温，第2风道的一侧有接口板１５，接口板15有第2孔，接口板１５的第2孔嵌有制冷片，制冷片的冷面与冷端散热器１９的底板贴合，热面与热端散热器２０底板贴合，接口板１５与底板通过螺杆组２２连接，第2风道１７上的第2风扇强制给热端散热器２０送风带走热端散热器２０的热量持续通过制冷片对第2风道的冷端散热器１９降温。

被制冷件为冷阱管27，制冷堆的最上端的冷端基板30上贴冷阱管27，冷阱管上有加热器25，冷阱管通过固定座4与制冷堆盒的侧壁连接，

第1风道18与其出口构成L形，第1风道18与第2风道成L形连接。

制冷堆可以是分列的单极半导体制冷片叠加构成的多级制冷堆或是一体式多层半导体制冷片叠加构成的多级制冷堆。

盖１和制冷堆盒２为绝热材料制成。

制冷堆支架板5的第1孔的上面与制冷堆盒2上的制冷堆接口板3连接，制冷堆接口板3将制冷堆散热器和制冷堆支架板通过螺杆连接起来。制冷堆支架板５可以与制冷堆接口板３合并为一体，就是只要一个零件也能实施全部技术。

制冷堆支架板5的第1孔的上面与制冷堆盒2上的制冷堆接口板3连接，制冷堆支架板5的第1孔的下面与第1风道18连接，第1风道18内的制冷堆散热器２１通过第1孔与制冷堆盒2内的制冷堆２３连接，制冷堆接口板３将制冷堆散热器２１和制冷堆支架板５通过螺杆连接起来，制冷堆盒上有盖1，第2风道７固定在第1风道１８上，两者相通。第2风道７的入口有第1入口风扇13、14，第2风道７内有冷端散热器１９，第2风道７流出的冷风进入第1风道１８对制冷堆散热器２１降温，第3风道１７内的热端散热器２０通过制冷片２８对第2风道７内有冷端散热器１９降温，第2风道７的的一侧有接口板１５，接口板１５有第2孔，接口板１５采用螺丝２２通过第1连接孔ａ１到ａ４孔连接第3风道１７内的热端散热器２０，通过第2连接孔ｂ１－ｂ４孔采用螺丝连接到第2风道７内的冷端散热器19，第2孔嵌入制冷片２８，第3连接孔ｃ１－ｃ４为接口板１５与第3风道１７的连接孔，第4连接孔ｄ１－ｄ４为接口板１５与第2风道７的连接孔，第2风道１７的入口有第2入口风扇9、10。

被制冷件为冷阱管27，制冷堆的冷端基板30上贴冷阱管27，冷阱管上有加热器25，冷阱管通过固定座4与制冷堆盒的侧壁连接。

图１中１是盖，２是绝热的制冷堆盒，３是制冷堆接口，５是制冷堆支架板，６是支架与外部设备的固定孔，７是入口风道，９和１０是串级制冷器热端风道１７的风扇，１８为成Ｌ型的风道。

如图２所示，当气流通过风扇１３和１４强制通过风道７进入后，经过串级制冷器上的冷端散热器１９（如图５）被制冷，进入Ｌ型风道１８带走制冷堆散热器２１的热量，从而使制冷堆２３的热端温度降低，２３冷端的温度就更低，达到降温的目的。制冷堆２３可以是一体式的，也可以是分列式的，制冷堆２３固定在制冷堆散热器２１上，制冷堆接口板３将制冷堆散热器２１和制冷堆支架板５通过螺杆连接起来，

图９是串级制冷器内部连接图，２２是连接用的多个螺丝，图１０是图９的剖面图，图１１接口板１５采用螺丝２２通过ａ１到ａ４孔连接到串级制冷器的热端散热器２０，通过ｂ１－ｂ４孔通过螺丝连接到冷端散热器１９，中间方孔嵌入制冷片２８，ｃ１－ｃ４为接口板１５与风道１７的连接孔，ｄ１－ｄ４为接口板１５与风道７的连接孔，风道７固定在风道１８上，从风道７流出的冷风进入风道１８对制冷堆散热器２１降温。

此制冷方式可以是1级也可以串联多级，就是通过降低目标制冷堆散热器散热的入口冷气流温度更进一步降低冷阱的最终制冷温度。

Claims (9)

1.超低温半导体制冷装置，其特征在于，制冷堆（23）是单极半导体制冷片构成的单级制冷堆或多个单极制半导体冷片重叠构成的多级制冷堆，单极半导体制冷片上面是冷面-冷端基板（30），下面是热面-热端基板，多级制冷堆是位于上面的单极半导体制冷片的热端基板与位于下面的单极半导体制冷片的冷端基板连接，最底层的单极半导体制冷片的热端基板与制冷堆散热器（21）的底板紧密贴合，通过制冷堆散热器带走制冷堆热面的热量，通过降低制冷堆最下面的半导体制冷片的热端基板的热量降低最上面的半导体制冷片的冷端基板的温度，制冷堆散热器（21）、冷端散热器（19）、热端散热器（２０）为铜或铝制的与底板成夹角并列于底板上的若干翅片构成，制冷堆的最上端的冷端基板（30）与被制冷件紧密接触，第1风道内的制冷堆散热器（２1）的底板通过第1孔与制冷堆盒2内的制冷堆（２３）的最下面的半导体制冷片的热端基板连接，制冷堆散热器（２1）的翅片位于第1风道（18）内，第2风道（７）与第1风道（1８）连接并相通，第2风道的入口有第1入口风扇，第2风道内有冷端散热器（1９），冷端散热器（1９）的底板通过第2、3风道管壁与第3风道（1７）内的热端散热器（２０）的底板传热连接，热端散热器（２０）的翅片位于第3风道（1７）内，第3风道（1７）的入口上有第2入口风扇强制给热端散热器（２０）送风带走热端散热器的热量对第2风道(7)的冷端散热器（1９）降温。

2.根据权利要求1所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于，制冷堆盒(２)与制冷堆支架板（5）连接，制冷堆支架板的第1孔的下面与第1风道（18）连接，第1风道内的制冷堆散热器（２1）的底板通过第1孔与制冷堆盒内的制冷堆（２３）的最下面的热端基板连接，制冷堆支架板（5）将制冷堆散热器21和制冷堆盒（2）通过螺杆连接起来，制冷堆盒2上有盖（1），冷端散热器（1９）的底板与制冷堆散热器（２1）的底板成夹角，第1风道的轴线与第2风道的轴线成夹角，第2风道的轴线与第3风道（17）的轴线成夹角，第3风道（1７）内的热端散热器（２０）的底板与冷端散热器的底板通过制冷片（28）连接，热端散热器（２０）底板上的翅片与冷端散热器（1９）底板上的翅片成夹角并对应连接，第2风道的一侧有接口板（1５），接口板有第2孔，接口板的第2孔嵌有制冷片，制冷片的冷面与冷端散热器（1９）的底板贴合，热面与热端散热器（２０）底板贴合，接口板与底板通过螺杆组（２２）连接。

3.根据权利要求1或2所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于，被制冷件为冷阱管27，制冷堆的最上端的冷端基板30上贴冷阱管（27），冷阱管上有加热器（25），冷阱管通过固定座（4）与制冷堆盒的侧壁连接。

4.据权利要求1或2所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于第1风道（18）与其出口构成L形，第1风道（18）与第2风道成L形连接。

5.根据权利要求1或2所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于，制冷堆可以是分列的单极半导体制冷片叠加构成的多级制冷堆或是一体式多层半导体制冷片叠加构成的多级制冷堆。

6.根据权利要求1或2所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于，制冷堆盒(２)有盖（1），盖和制冷堆盒为绝热材料制成。

7.根据权利要求2所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于，制冷堆支架板(5)的第1孔的上面与制冷堆盒上的制冷堆接口板(3)连接，制冷堆接口板将制冷堆散热器和制冷堆支架板通过螺杆连接起来。

8.根据权利要求2所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于，所述的夹角为90度。

9.根据权利要求1或2所述的超低温半导体制冷装置，其特征在于，冷端散热器（1９）的翅片与制冷堆散热器（２1）的翅片对应连接形成通道。