CN115371287B - 一种高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组，包括制冷封装模组、热管散热装置、储冷板；所述储冷板固定安装在制冷封装模组的上部；所述热管散热装置连接制冷封装模组，用于为制冷封装模组的热端散热；所述制冷封装模组包括若干个热电制冷器、PCB板、框体、冷端导热铜块、热端导热铜块；若干个热电制冷器焊接固定在PCB板上；PCB板设于框体内；所述热电制冷器包括制冷颗粒层、上层覆铜陶瓷基板、下层覆铜陶瓷基板；所述制冷颗粒层包括若干个P型碲化铋半导体颗粒和若干个N型碲化铋半导体颗粒。本发明在客户限制体积和重量的场合条件下集成更多的热电制冷器。
Description
技术领域
本发明涉及热电制冷技术领域，更具体地，涉及一种高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组。
背景技术
随着热电制冷器技术的进步迭代，热电制冷器也在近几年越来越受到人们的重视，尤其随着这几年环保观念深入人心，国家政府“节能减排”的倡导，节能环保也是未来产业发展的大方向。
热电制冷器是借助电子（空穴）在运动中直接传送能量来实现制冷的，与传统压缩机制冷有以下几个优点：一、无需机械转动部分，因此无噪音、无振动，维修方便、可靠性高；二、无需制冷剂，不用担心制冷剂泄露造成污染及回收问题；三、制冷量与制冷速度可通过调节电流大小来控制，并可以改变电流方向实现制冷和制热功能的切换；四、体积小、质量轻，制冷量可以按需求设计，在便携式冷藏储物箱、医疗药品恒温储存及冷链运输中具有非常广阔的应用。而热电半导体制冷模组是集成多个热电制冷器而组成的。
目前市面上常见的热电半导体制冷模组采用的是用高温烧结覆铜基板制作的热电制冷器件，由于覆铜基板生产工艺制程自身存在精度和限制问题，导致常规热电半导体制冷器内部结构中的颗粒排列密度通常最高在每平方毫米0.5对的水平，器件整体尺寸通常都较大，采用多片制冷芯片加导线串并联连接制作的制冷模组结构比较笨重，在客户限制体积和重量的场合条件下制冷功率偏低下，实际应用中受到较大限制，通用性也不强。因此，亟需一种高功率密度的紧凑型热电制冷模组，通用性强，满足市场及实际应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组，在限制体积和重量的场合条件下集成更多的热电制冷器，做到高功率密度，通用性强，满足市场及实际应用的需求。
为达到上述目的，提供了一种高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组，包括制冷封装模组、热管散热装置、储冷板；所述储冷板固定安装在制冷封装模组的上部；所述热管散热装置连接制冷封装模组，用于为制冷封装模组的下部散热；
所述制冷封装模组包括若干个热电制冷器、PCB板、框体、冷端导热铜块、热端导热铜块；若干个热电制冷器安装在PCB板上；PCB板设于框体内；所述冷端导热铜块设于PCB板上部且固定安装在框体上；所述热端导热铜块设于PCB板下部且固定安装在框体上；
所述热电制冷器包括制冷颗粒层、上层覆铜陶瓷基板、下层覆铜陶瓷基板；所述制冷颗粒层包括若干个P型碲化铋半导体颗粒和若干个N型碲化铋半导体颗粒；所述P型碲化铋半导体颗粒和若干个N型碲化铋半导体颗粒保持相同间隔设置于上层覆铜陶瓷基板和下层覆铜陶瓷基板之间；所述上层覆铜陶瓷基板、下层覆铜陶瓷基板都包括绝缘陶瓷片和金属导体；所述金属导体固定安装于陶瓷片上；所述P型碲化铋半导体颗粒通过金属导体连接N型碲化铋半导体颗粒。
特别的，所述框体采用聚四氟乙烯塑料制成。
特别的，还包括导线端盖，所述导线端盖根据卡扣的方式固定在框体上，用于PCB板供电导线通过导线端盖连接PCB板。
特别的，所述PCB上设有若干个安装槽；所述安装槽用于固定安装热电制冷器。
特别的，所述冷端导热铜块由纯铜精加工制成，所述冷端导热铜块与热电制冷器的接触面连接的方式为通过导热硅脂、相变导热衬垫或者焊接方法中的一种或多种结合。
特别的，所述热端导热铜块由纯铜精加工制成，所述热端导热铜块与热电制冷器的接触面连接的方式为通过导热硅脂、相变导热衬垫或者焊接方法中的一种或多种结合。
特别的，所述热管散热装置包括散热板、多根散热管、两台风扇和热管散热片；所述热管散热片为底部开口的盒体结构；所述散热板安装在制冷封装模组的下部；多根散热管分别设于散热板的两侧；所述散热管的一端连接散热板，另一端连接热管散热片；所述散热风扇安装在热管散热片上。
特别的，所述PCB板通过锁固螺钉将框体锁固为一体。
特别的，所述框体的上部预留有用于填充密封胶的凹槽；所述冷端导热铜块能够压实密封胶。
本发明的工作原理如下所示：
本发明的核心部件由热电制冷器构成。热电制冷器，也被称为帕尔贴制冷器，是以半导体材料（Bi2Te3）为基础，烧结铜导流片+陶瓷基板作为电路串联和主体机械结构支撑的微型热泵。通过在热电制冷器正负极接入一个直流电压，热量会从元件的一端流向另一端。如改变电流方向，热量转移方向也会跟着改变。由图3可以看出，热电制冷器一般N型和P型两种Bi2Te3材料组成。N型材料存在多余的自由电子，而P型材料自由电子不足。N型材料存在着多余的自由电子，P型材料的“空穴”就相当于载体，当载体移动时，热量也随之穿过热电元件。这种结构使得电流在N型和P型材料间交替流动时，热量从制冷器的一端转移到另一端。
本发明的热电制冷器由多对Bi2Te3颗粒组成，即若干个P型碲化铋半导体颗粒和若干个N型碲化铋半导体颗粒，这样可以有效的转移更多的热量。在半导体颗粒对数已经确认情况下，热电制冷器的传热量（Qc/W）与电流（Imax）大小成正比关系，因此可以通过调节电流大小（0~Imax）来获取相应的传热量以及来实现被冷却物体温度的精准控制。
本发明的有益效果如下所示：
本发明一种高功率密度的紧凑型热电制冷模组，采用制程精度更高的PCB电镀基板制作器件单元，器件内部颗粒排列密度更高，最高可以达到每平方毫米5对左右，相比上述传统制冷器件提高了10倍，同时在器件电气连接方面也舍弃常规采用导线互联的器件连接方式，改用厚铜PCB板搭配现有成熟的SMT表面贴装焊接模式，意味着在同等制冷模组制冷性能要求下新型制冷模组结构更加紧凑，主要芯片封装部分相比行业现有产品可以缩小到原有结构的九分之一左右，并具有制冷功率密度高、防尘防水密封等级高和安装快速便捷等优势。导热部件采用高导热的纯铜材料来制作，界面导热可使用导热硅脂、相变导热衬垫和焊膏焊接等方式来降低模组的界面热阻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的整体爆炸图；
图2为本发明实施例的热电制冷器的结构图；其中，（a）为热电制冷器的爆炸图；（b）为热电制冷器的正视、左视、俯视、仰视四面图；（c）为热电制冷器组装完成后的立体图。
图3为本发明实施例的工作原理图；
图4为本发明实施例的框体部分的结构图；其中，（a）为框体部分的结构图；（b）为（a）中A-A的截面图；（c）为（b）中圈框部分的放大图。
图5为本发明实施例举例的现有类似产品的结构图；其中，（a）为现有类似产品的正视、左视、俯视、仰视四面图；（b）为现有类似产品的立体图。
图中：1.上层覆铜陶瓷基板；2.制冷颗粒层；3.下层覆铜陶瓷基板；4.PCB板供电导线；5.导线端盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
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。
需要说明的是，术语“中心”、“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。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
如图1，本发明实施例的一种高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组，包括制冷封装模组12、热管散热装置、储冷板14。储冷板14固定安装在制冷封装模组12的上部。热管散热装置连接制冷封装模组12，用于为制冷封装模组12的下部散热。
制冷封装模组12包括若干个热电制冷器7、PCB板8、框体9、冷端导热铜块6、热端导热铜块11。若干个热电制冷器7安装在PCB板8上；PCB板8设于框体9内。冷端导热铜块6设于PCB板8上部且固定安装在框体9上；热端导热铜块11设于PCB板8下部且固定安装在框体9上。
如图2所示，热电制冷器7包括制冷颗粒层2、上层覆铜陶瓷基板1、下层覆铜陶瓷基板3。制冷颗粒层2包括若干个P型碲化铋半导体颗粒20和若干个N型碲化铋半导体颗粒19。P型碲化铋半导体颗粒20和若干个N型碲化铋半导体颗粒19保持相同间隔设置于上层覆铜陶瓷基板1和下层覆铜陶瓷基板3之间。上层覆铜陶瓷基板1、下层覆铜陶瓷基板3都包括绝缘陶瓷片17和金属导体18。金属导体18固定安装于陶瓷片上。P型碲化铋半导体颗粒20通过金属导体18连接N型碲化铋半导体颗粒19。
框体9采用聚四氟乙烯塑料制成。PCB上设有若干个安装槽。安装槽用于固定安装热电制冷器7。冷端导热铜块6由纯铜精加工制成，冷端导热铜块6与热电制冷器7的接触面连接的方式为通过导热硅脂、相变导热衬垫或者焊接方法中的一种或多种结合。热端导热铜块11由纯铜精加工制成，热端导热铜块11与热电制冷器7的接触面连接的方式为通过导热硅脂、相变导热衬垫或者焊接方法中的一种或多种结合。热管散热装置包括散热板15、多根散热管、两台风扇16和热管散热片。热管散热片为底部开口的盒体结构。散热板15安装在制冷封装模组12的下部；多根散热管分别设于散热板15的两侧。散热管的一端连接散热板15，另一端连接热管散热片。风扇16安装在热管散热片上。PCB板8通过锁固螺钉10将框体9锁固为一体。
本发明实施例还包括导线端盖5，导线端盖5根据卡扣的方式固定在框体9上，用于PCB板8供电导线4通过导线端盖5连接PCB板8。
如图4所示，框体9的上部预留有用于填充密封胶的凹槽21。冷端导热铜块6能够压实密封胶。组装前在凹槽21内打上一圈密封胶，再将冷端铜板及其他部件组装，组装完成后冷端铜板压实密封胶，起到柔性缓冲和密封的效果，防止水汽灰尘的侵袭，有效的保证了制冷单元的可靠性。
如图3所示，本发明的工作原理如下所示：
本发明的核心部件由热电制冷器7构成。热电制冷器7，也被称为帕尔贴制冷器，是以半导体材料（Bi2Te3）为基础，烧结铜导流片+陶瓷基板作为电路串联和主体机械结构支撑的微型热泵。通过在热电制冷器7正负极接入一个直流电压，热量会从元件的一端流向另一端。如改变电流方向，热量转移方向也会跟着改变。由图3可以看出，热电制冷器7一般N型和P型两种Bi2Te3材料组成。N型材料存在多余的自由电子，而P型材料自由电子不足。N型材料存在着多余的自由电子，P型材料的“空穴”就相当于载体，当载体移动时，热量也随之穿过热电元件。这种结构使得电流在N型和P型材料间交替流动时，热量从制冷器的一端转移到另一端。
本发明的热电制冷器7由多对Bi2Te3颗粒组成，即若干个P型碲化铋半导体颗粒20和若干个N型碲化铋半导体颗粒19，这样可以有效的转移更多的热量。在半导体颗粒对数已经确认情况下，热电制冷器7的传热量（Qc/W）与电流（Imax）大小成正比关系，因此可以通过调节电流大小（0~Imax）来获取相应的传热量以及来实现被冷却物体温度的精准控制。
在性能对比方面，本发明的热电制冷器7制冷功率Qcmax可达17.38W（Th=50℃），功率密度8.27W/cm²。如图5所示，现有类似产品为覆铜烧结基板做的制冷器件，仅能生产17对及31对半导体颗粒的热电制冷器。与现有类似产品中尺寸规格的热电制冷器7对比：Dim：15*15*3.3mm，Qcmax：10W（Th=50℃），功率密度4.44W/cm²，制冷功率密度在5瓦每平方厘米左右。从性能对比可以看出本发明的热电制冷器7有很大的优势，并且同行的设计半导体颗粒对数仅为17对和31对，本发明的半导体颗粒对数为72对。因为本发明的结构是采用光蚀刻技术做的电镀基板制造的制冷器件，粒子排列密度更加紧凑，制冷功率密度可以做到20瓦每平方厘米以上。另外器件供电的连接方式也改变了，由原来的导线焊接连接，改成了PCB电路板通过表面贴装技术，使得结构上更加紧凑，重量更轻，制冷功率密度更高。
本发明通过集成多枚高性能热电制冷器7，并通过导热铜块进行导热、导冷，使制冷模组获得相当可观的制冷量，并且可以根据需求功率来调节热电制冷器7的数量和电流，以达到期望的制冷功率以及控温效果。模组结构的设计与密封效果影响模组的主要因素。导热部件采用高导热的纯铜材料来制作，界面导热可使用导热硅脂、相变导热衬垫和焊膏焊接等方式来降低模组的界面热阻。可按密封效果，选用密封绝缘性能更好的密封胶来满足客户更严格的防尘防水等级要求。
本发明结构紧凑、体积小，可以作为通用制冷模组，应用在不同的产品上，如冷藏储物箱、车载冰箱及医疗药品保温箱，通用性强，安装方便。该发明可以根据热面功率设计合适的散热器，如图2中的散热器15，采用多根热管的散热器，在搭配两台风扇16，理论可以将热电制冷器7热端至环境温度的热阻控制在0.1 ~0.2℃/W，良好的热端散热有利于使冷端得到更低的制冷温度和制冷速度，并且也可以防止热电制冷器7温度过高烧坏失效，使制冷模组具有非常良好的可靠性。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组，其特征在于，包括制冷封装模组、热管散热装置、储冷板；所述储冷板固定安装在制冷封装模组的上部；所述热管散热装置连接制冷封装模组，用于为制冷封装模组的热端散热；
所述制冷封装模组包括若干个热电制冷器、PCB板、框体、冷端导热铜块、热端导热铜块；若干个热电制冷器焊接固定在PCB板上；PCB板设于框体内；所述冷端导热铜块设于PCB板上部且固定安装在框体上；所述热端导热铜块设于PCB板下部且固定安装在框体上；
所述热电制冷器包括制冷颗粒层、上层覆铜陶瓷基板、下层覆铜陶瓷基板；所述制冷颗粒层包括若干个P型碲化铋半导体颗粒和若干个N型碲化铋半导体颗粒；所述P型碲化铋半导体颗粒和若干个N型碲化铋半导体颗粒保持相同间隔设置于上层覆铜陶瓷基板和下层覆铜陶瓷基板之间；所述上层覆铜陶瓷基板、下层覆铜陶瓷基板都包括绝缘陶瓷片和金属导体；所述金属导体固定安装于陶瓷片上；所述P型碲化铋半导体颗粒通过金属导体连接N型碲化铋半导体颗粒；
所述框体采用聚四氟乙烯塑料制成；
还包括导线端盖，所述导线端盖根据卡扣的方式固定在框体上，用于PCB板供电，导线通过导线端盖连接PCB板；
所述冷端导热铜块由纯铜精加工制成，所述冷端导热铜块与热电制冷器的接触面连接的方式为通过导热硅脂、相变导热衬垫或者焊接方法中的一种或多种结合；
所述热端导热铜块由纯铜精加工制成，所述热端导热铜块与热电制冷器的接触面连接的方式为通过导热硅脂、相变导热衬垫或者焊接方法中的一种或多种结合；
所述热管散热装置包括散热板、多根散热管、两台风扇和热管散热片；所述热管散热片为底部开口的盒体结构；所述散热板安装在制冷封装模组的下部；多根散热管分别设于散热板的两侧；所述散热管的一端连接散热板，另一端连接热管散热片；所述风扇安装在热管散热片上；所述框体的上部预留有用于填充密封胶的凹槽；所述冷端导热铜块能够压实密封胶。
2.根据权利要求1所述的高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组，其特征在于，所述PCB上设有若干个安装槽；所述安装槽用于固定安装热电制冷器。
3.根据权利要求1所述的高制冷功率密度的紧凑型热电半导体制冷模组，其特征在于，所述PCB板通过锁固螺钉将框体锁固为一体。
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