CN205002439U

CN205002439U - 温差电制冷集成系统

Info

Publication number: CN205002439U
Application number: CN201520723803.XU
Authority: CN
Inventors: 高俊岭
Original assignee: GUANGDONG FUXIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG FUXIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2025-09-16

Abstract

本实用新型涉及一种温差电制冷集成系统，其包括冷端基板、P-N电偶对和散热器；所述散热器设有散热基板和散热翅片，所述散热基板的一侧与所述散热翅片相连接，所述散热基板的另一侧覆盖有导热绝缘层；所述P-N电偶对的一端通过第一电极与所述导热绝缘层连接，所述P-N电偶对的另一端通过第二电极与所述冷端基板连接；所述散热基板的面积大于所述冷端基板的面积。本实用新型温差电制冷集成系统有利于热端的热量传递，可有效提高制冷量及转换效率。

Description

温差电制冷集成系统

技术领域

本实用新型涉及半导体制冷领域，特别是涉及一种温差电制冷集成系统。

背景技术

温差电制冷又称热电制冷或半导体制冷，温差电制冷技术的核心制冷部件为半导体制冷芯片10(TEC，ThermoelectricCooler)。如图1所示，半导体制冷芯片10(TEC)通常包括热端基板11、冷端基板12以及设于热端基板11与冷端基板12之间的P-N型电偶对13(leg)，P-N型电偶对13的一端通过第一电极14与热端基板11连接，P-N型电偶对13的另一端通过第二电极15与冷端基板12连接。半导体制冷芯片10主要是利用P-N型电偶对13(leg)的热电半导体材料的珀尔贴(Peltier)效应实现一端冷、一端热，在半导体制冷芯片10的两端形成温差，当TEC热端热量放出后，TEC冷端会产生一定的冷量，完成制冷。

假设半导体制冷芯片10的产冷(或吸热)量为Q_c；电输入功率为P_i；产热量为Q_h0；制冷因数(或制冷效率)为ε，则有：Q_h0＝Q_c+P_i＝(1+1/ε)Q_c。通常半导体的制冷因数在0.2～0.8，以ε＝0.2为例，Q_h0＝6Q_c，因此，半导体制冷芯片10的热端散热量Q_h0远大于冷端产冷量Q_c。而半导体制冷芯片10为温差制冷，冷端制冷温度及产冷量与热端温差密切相关，热端的散热越好，冷端的产冷量越多、制冷效率越高。因此，半导体制冷芯片10的制冷性能除半导体材料性能外，核心问题在于TEC热端的散热。

根据热电理论，热电半导体材料的珀尔贴效应为结界效应，即TEC热端的热量产生在P-N型电偶对13与第一电极14的结界处，由于第一电极14采用铜且相对较薄(通常为0.2～0.3mm)，其热阻相对较小，因此，第一电极14的温度近似视为与结界温度相等。由此可以推断，TEC热端的散热主要是如何降低TEC热端的第一电极14温度T_hj。

以现有温差制冷集成系统为例，如图2所示，现有温差制冷集成系统包括半导体制冷芯片10和散热器167，散热器167可以为翅片式铝型材散热器或靠气-液相变传热的热管式散热器(图2以包括相互连接的散热基板16和散热翅片17的翅片式散热器为例)，半导体制冷芯片10的热端基板11与散热基板16间一般采用面-面贴合技术，为增强导热性能，在两个面-面间会填充些导热硅脂或利用钎焊技术将上述两个贴合面进行接合。因此，在现有温差制冷集成系统中，主要是结合半导体制冷芯片10的热端基板11和散热器167来实现降低TEC热端的第一电极14温度T_hj。但是，半导体制冷芯片10的热端基板11要求具有绝缘性，因此，热端基板11通常采用陶瓷基板。由于陶瓷基板的传导热阻较大，不利于导热、散热，导致第一电极14温度T_hj的温度高，影响了现有温差制冷集成系统的制冷效果。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种温差电制冷集成系统，其有利于热端的热量传递，可有效提高制冷量及转换效率。

上述技术问题通过以下方案解决：

一种温差电制冷集成系统，其特征在于，包括冷端基板、P-N电偶对和散热器；所述散热器设有散热基板和散热翅片，所述散热基板的一侧与所述散热翅片相接合，所述散热基板的另一侧覆盖有导热绝缘层；所述P-N电偶对的一端通过第一电极与所述导热绝缘层接合，所述P-N电偶对的另一端通过第二电极与所述冷端基板接合；所述散热基板的面积大于所述冷端基板的面积。

在其中一个实施例中，所述散热基板的厚度H满足公式(I)：

H = \frac{Q_{h} L}{4 {kDΔT}_{1}}

公式(I)；

其中，Q_h为散热功率，L为热量沿传导方向传导的长度，k为散热基板的热导率，D为散热基板的横截面宽度，ΔT₁为热源到散热基板边界的温度梯度差。

在其中一个实施例中，所述散热基板为铝基板，所述散热基板的热导率为150～250W/mk。

在其中一个实施例中，所述散热翅片的总面积S满足公式(II)：

S = \frac{Q_{h}}{{hΔT}_{2}}

公式(II)；

其中，Q_h为散热功率，ΔT₂为散热翅片的平均温度与环境温度之差，h为散热翅片与环境的平均表面换热系数。

在其中一个实施例中，所述导热绝缘层的参数为：厚度为0.01～0.035mm，热导率大于30W/mk，耐压大于AC500V。

在其中一个实施例中，所述散热基板通过焊接层与所述散热翅片连接。

在其中一个实施例中，所述冷端基板与所述第二电极为粘合连接。

在其中一个实施例中，所述冷端基板为氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板。

在其中一个实施例中，所述散热基板与所述若干个散热翅片为一体成型。

在上述温差电制冷集成系统中，本设计人弃用了传统TEC的热端基板，通过设置导热绝缘层将第一电极连接在散热基板上，这样，通电的P-N电偶对在第一电极上产生的热量则可以经过较小热阻的导热绝缘层，直接传导至散热基板，利用散热基板良好的导热、均温性能，使热量沿着面积相对较大的散热基板迅速扩散至散热翅片，与空气进行换热，从而完成通电的P-N电偶对产生热量到空气的传导换热；另外，结合散热基板的面积大于冷端基板的面积，使得几倍于产冷量的热量能有效扩散。因此，本温差电制冷集成系统，有利于热端的热量传递，可有效提高制冷量及转换效率。

附图说明

图1为现有半导体制冷芯片的结构示意图；

图2为现有温差制冷集成系统的结构示意图；

图3为现有温差制冷集成系统的温度分布图；

图4为本实用新型温差制冷集成系统的原理示意图；

图5为本实用新型温差制冷集成系统的温度分布图；

图6为本实用新型温差制冷集成系统的一种具体结构示意图；

图7为图6沿A-A的剖视图；

图8为本实用新型温差制冷集成系统的另一种具体结构的剖视示意图。

具体实施方式

如图4所示，温差电制冷集成系统，包括冷端基板21、P-N电偶对22和散热器234；散热器234设有散热基板23和散热翅片24，散热基板23的一侧与散热翅片24相连接，散热基板23的另一侧覆盖有导热绝缘层25；P-N电偶对22的一端通过第一电极26与导热绝缘层25连接，P-N电偶对22的另一端通过第二电极27与冷端基板21连接；散热基板23的面积大于所述冷端基板21的面积。

在上述温差电制冷集成系统中，本设计人弃用了传统TEC的热端基板，通过设置导热绝缘层25将第一电极26连接在散热基板23上，这样，通电的P-N电偶对22在第一电极26上产生的热量则可以经过较小热阻的导热绝缘层25，直接传导至散热基板23，利用散热基板23良好的导热、均温性能，使热量沿着面积相对较大的散热基板23迅速扩散至散热翅片24，与空气进行换热，从而完成通电的P-N电偶对22产生热量到空气的传导换热；另外，结合散热基板23的面积大于冷端基板21的面积，使得几倍于产冷量的热量能有效扩散。因此，本温差电制冷集成系统，有利于热端的热量传递，可有效提高制冷量及转换效率。

为了提高散热效果，本设计人针对散热基板23的厚度H做以下设计：散热基板23的厚度H满足公式(I)：

H = \frac{Q_{h} L}{4 {kDΔT}_{1}}

公式(I)；

其中，Q_h为散热功率，L为热量沿传导方向传导的长度，k为散热基板23的热导率，D为散热基板23的横截面宽度，ΔT₁为热源到散热基板边界的温度梯度差。

散热基板23的厚度H满足上述公式(I)的要求，能够确保第一电极26的热量能够在散热基板23上进行有效的传导、均温，从而确保热量快速地传导至散热翅片24，达到良好的散热效果。

上述散热基板23的材质可以选用金属铝或金属铜，在本实用新型中，综合考虑成本及性能，散热基板23的材质优选为金属铝，且金属铝的热导率优选为150～250W/mk。

在本申请的温差电制冷集成系统中，主要通过散热翅片24与空气交换来实现最终的散热，因此，散热翅片的设计尤为重要。本设计人针对散热翅片24的总面积S做以下设计：散热翅片24的总面积S满足公式(II)：

S = \frac{Q_{h}}{{hΔT}_{2}}

公式(II)；

其中，Q_h为散热功率，ΔT₂为散热翅片24的平均温度与环境温度之差，h为散热翅片24与环境的平均表面换热系数。

散热翅片24的面积S满足上述公式(II)的要求，能够确保热量能够通过散热翅片24完成与周围环境空气间的热交换，达到良好的散热效果。

在本实用新型中，导热绝缘层25的参数优选为：厚度为0.01～0.035mm，热导率大于30W/mk，耐压大于AC500V。

导热绝缘层25的参数满足上述要求，能够使导热绝缘层25在导热性能和绝缘性能上达到最佳平衡，从而在满足绝缘性能的基础上达到最佳的导热效果。

上述温差电制冷集成系统与传统的温差电制冷集成系统的具体对比分析如下：

结合图1至3，在现有的温差电制冷集成系统中，TEC热端的第一电极14的温度T_hj到散热基板16的温度T_h的总热阻R_t主要由5部分热阻构成，R_t＝R_t1+R_t2+R_t3+R_t4+R_t5，其中，R_t1-第一电极14的传导热阻；R_t2-第一电极14与热端基板11的接触热阻；R_t3-热端基板11的热阻；R_t4-热端基板11与散热器167的接触热阻；R_t5-散热基板16的传导热阻。

在本申请的温差电制冷集成系统中，第一电极26的温度T_hj到散热基板23的温度T_h的总热阻R’_t仍由五部分热阻组成，R’_t＝R_t1+R’_t2+R’_t3+R’_t4+R_t5，其中，R_t1-第一电极26的传导热阻；R’_t2-第一电极26与导热绝缘层25的接触热阻；R’_t3-导热绝缘层25的传导热阻；R’_t4-导热绝缘层25与散热基板23的接触热阻；R_t5-散热基板23的传导热阻。

由本申请的温差电制冷集成系统的总热阻R’_t＝R_t1+R’_t2+R’_t3+R’_t4+R_t5与传统的温差电制冷集成系统的总热阻R_t＝R_t1+R_t2+R_t3+R_t4+R_t5对比可知，总热阻R_t与总热阻R’_t的差异主要集中在“R’_t2+R’_t3+R’_t4”与“R_t2+R_t3+R_t4”。假设第一电极26总面积为A；热端基板11、导热绝缘层25厚度分别为L₁和L₂，热端基板11、导热绝缘层25的热导率分别为k₁和k₂，则热端基板11的热阻R_t3、导热绝缘层25的热阻R’_t3分别为：R_t3＝L₁/(k₁A)和R’_t3＝L₂/(k₂A)。由于导热绝缘层25是采用化学及物理方法在散热基板23(金属材料，如铝、铜)表面涂覆或化学处理得到一层非常薄的金属导热且绝缘材料，而且，导热绝缘层25通过化学等手段实现与第一电极26间的接合，因此两个接触热阻值R’_t2和R’_t4相对较小；对于现有温差制冷集成系统中热端基板11与散热基板16采用面-面机械贴合的方案，则R’_t4＜＜R_t4；以传统的温差电制冷集成系统中作为热端基板11使用的Al₂O₃陶瓷的材质基本参数为例，L₁＝0.5～1.0mm，k₁＝17～25W/mk，导热绝缘层25的对应参数为L₂＝0.01～0.03mm，k₂＝25～30W/mk，据此可以得知R’_t3比R_t3小1到2个数量级，而且，在“R_t2+R_t3+R_t4”中，R_t3占主导地位。因此，R’_t＜＜R。

由上述分析可知，由于导热绝缘层25的传导热阻远小于热端基板11的传导热阻，且导热绝缘层25与散热基板23的接触热阻小于热端基板11与散热基板16的接触热阻，本申请的温差电制冷集成系统对于第一电极26热量到散热基板23的总热阻远低于现有的温差电制冷集成系统，便于通电的P-N电偶对22在第一电极26上产生的热量迅速传导至散热基板23上，从而大幅提升了温差电制冷集成系统的散热效果，冷端产冷量、制冷系数均得到提高。

在实际应用中，可以对本申请的温差电制冷集成系统做以下的附加设计。

冷端基板21与第二电极27的连接为粘合连接，其中，冷端基板21与第二电极27之间可以采用导热胶进行粘合连接。本方案中，冷端基板21与第二电极27之间采用粘合连接的连接结构，可以在生产过程中先将P-N电偶对22与第一电极26、第二电极27进行焊接连接后，冷却后再进行粘合冷端基板21与第二电极27，可以避免焊接的高温影响冷端基板21与第二电极27之间的连接，从而确保产品不受热膨胀而引起的形变以及确保冷量的良好输出。此外，冷端基板21粘属柔性连接，接较刚性连接的直接焊接法更容易吸收半导体制冷芯片10工作时内部产生的热应力，有助于提高半导体制冷芯片的工作可靠性及稳定性。

如图6和图7所示，在该附图显示的温差电制冷集成系统中，散热基板23的另一侧通过焊接层28与若干个散热翅片24连接。该方案通过焊接的方式将散热基板23和散热翅片24进行连接，可以利于散热翅片24的密集设置，从而可以实现根据散热效果的要求来安装足够的散热翅片24。

如图8所示，在该附图显示的温差电制冷集成系统中，散热基板23的另一侧依顺序设有导热绝缘层29、金属层30与焊接层28，焊接层28与若干个散热翅片24连接。金属层30与第一电极26的材质一致。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种温差电制冷集成系统，其特征在于，包括冷端基板、P-N电偶对和散热器；所述散热器设有散热基板和散热翅片，所述散热基板的一侧与所述散热翅片相连接，所述散热基板的另一侧覆盖有导热绝缘层；所述P-N电偶对的一端通过第一电极与所述导热绝缘层接合，所述P-N电偶对的另一端通过第二电极与所述冷端基板接合；所述散热基板的面积大于所述冷端基板的面积。

2.根据权利要求1所述的温差电制冷集成系统，其特征在于，所述散热基板的厚度H满足公式(I)：

H = \frac{Q_{h} L}{4 {kDΔT}_{1}}

公式(I)；

3.根据权利要求2所述的温差电制冷集成系统，其特征在于，所述散热基板为铝基板，所述散热基板的热导率为150～250W/mk。

4.根据权利要求1所述的温差电制冷集成系统，其特征在于，所述散热翅片的总面积S满足公式(II)：

S = \frac{Q_{h}}{{hΔT}_{2}}

公式(II)；

5.根据权利要求1所述的温差电制冷集成系统，其特征在于，所述导热绝缘层的参数为：厚度为0.01～0.035mm，热导率大于30W/mk，耐压大于AC500V。

6.根据权利要求1所述的温差电制冷集成系统，其特征在于，所述散热基板通过焊接层与所述散热翅片连接。

7.根据权利要求1所述的温差电制冷集成系统，其特征在于，所述冷端基板与所述第二电极为粘合连接。

8.根据权利要求1所述的温差电制冷集成系统，其特征在于，所述冷端基板为氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板。