CN205261973U

CN205261973U - 半导体制冷系统

Info

Publication number: CN205261973U
Application number: CN201521105981.2U
Authority: CN
Inventors: 高俊岭; 孔小凤
Original assignee: GUANGDONG FUXIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG FUXIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2025-12-24

Abstract

本实用新型涉及一种半导体制冷系统，其包括半导体制冷芯片、散热器和轴流风扇；所述散热器包括散热基板和连接于所述散热基板的若干个散热翅片；所述半导体制冷芯片贴附于所述散热基板上；所述轴流风扇设于所述散热器的若干个散热翅片上，并与所述散热基板平行设置；所述轴流风扇的轴线与所述半导体制冷芯片的中心线之间的距离D满足以下条件：(L_F-L_T)/2≤D≤(L_F/2+L_T/5)，其中，L_F为轴流风扇的直径，L_T为半导体制冷芯片的长度，L_F＞L_T。本实用新型能有效地提高产冷量。

Description

半导体制冷系统

技术领域

本实用新型涉及半导体制冷领域，特别是涉及一种基于半导体制冷芯片的半导体制冷系统。

背景技术

半导体制冷芯片(TEC，ThermoelectricCooler)以其体积小、结构紧凑、制冷量控制方便等特点，在小型制冷如红酒冷藏柜、汽车用冷热两用箱、电子冰淇淋机等产品中得到了广泛的应用。

半导体制冷芯片主要是利用P-N型电偶对(leg)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。

对于半导体制冷芯片的产冷量Q_c与TEC热端温度T_h、冷端温度Tc的关系式为：Q_c＝NαIT_c-K(T_h-T_c)-0.5I²R，其中N-TEC的电偶对的数量；α-TEC热电材料赛贝克系数；K-TEC热导；I-工作电流；R-TEC内阻。由此式可以得到：当TEC结构参数、材料特性、工作特性及冷端温度特性(N、K、α、R、I、Tc)确定后(前述参数存在一定的关联性)，则TEC产冷量Qc与其热端温度T_h密切相关，同样工况下T_h越小，则产冷量Qc越大。因此，在TEC芯片及散热结构确定条件下，降低TEC热端温度T_h是提升TEC制冷量及制冷转换效率的关键。

为了降低TEC热端温度T_h，并兼顾性价比、结构、空间等因素，如图1和图2所示，现有的半导体制冷系统，通常包括半导体制冷芯片S1、散热器S2和轴流风扇S3，散热器S2包括散热基板S21和若干个散热翅片S22，若干个散热翅片S22连接于散热基板S21的同一侧；半导体制冷芯片S1贴附于散热基板S21上，散热基板S21的面积大于半导体制冷芯片S1；轴流风扇S3设于散热器S2的若干个散热翅片S22上，轴流风扇S3与散热基板S21平行设置，轴流风扇S3的轴线与半导体制冷芯片S1的中心线重合。

由于轴流风扇S3上位于中心的电机占有一定体积(垂直轴流风扇S3的轴线方向占有一定横截面积)，因此，沿轴流风扇S3的轴线方向，在轴流风扇S3沿轴线四周的风流对称时，轴流风扇S3会在吹出的近距离形成风流盲区S4。在现有的半导体制冷系统中，由于轴流风扇S3与散热基板S21平行设置、轴流风扇S3的轴线与半导体制冷芯片S1的中心线重合，故轴流风扇S3与散热基板S21之间形成的风流盲区S4，正对准散热基板S21上与半导体制冷芯片S1相贴合的部分；散热基板S21上与半导体制冷芯片S1相贴合的部分是散热基板S21的热量最集中、温度最高区域，由于该风流盲区S4的存在，导致该部分的换热系数减小，温度偏高，造成与该部分贴合的TEC热端热量无法高效传导(当然，热量通过散热基板S21进行了热量传递，散热基板S21起到了均温效果)，造成TEC热端温度T_h还是比较高，TEC产冷量的提高比较少。

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半导体制冷系统，能有效地提高产冷量。

上述技术问题通过以下方案解决：

一种半导体制冷系统，包括半导体制冷芯片、散热器和轴流风扇；所述散热器包括散热基板和连接于所述散热基板的若干个散热翅片；所述半导体制冷芯片贴附于所述散热基板上；所述轴流风扇设于所述散热器的若干个散热翅片上，并与所述散热基板平行设置；所述轴流风扇的轴线与所述半导体制冷芯片的中心线之间的距离D满足以下条件：(L_F-L_T)/2≤D≤(L_F/2+L_T/5)，其中，L_F为轴流风扇的直径，L_T为半导体制冷芯片的长度，L_F＞L_T。

在其中一个实施例中，所述距离D满足以下条件：(L_F-L_T)/2≤D≤L_F/2。

在其中一个实施例中，所述距离D＝L_F/2。

在其中一个实施例中，所述距离D满足以下条件：L_F/2≤D＜1/2(L_F+L_T)。

在其中一个实施例中，所述半导体制冷芯片沿垂直厚度方向的横截面为正方形。

在其中一个实施例中，所述散热基板沿垂直厚度方向的横截面为正方形，所述散热基板的长度与轴流风扇的直径相等。

本设计人经理论分析和实验，发现轴流风扇的轴线与半导体制冷芯片的中心线的距离D在一定范围内逐渐增大，会使得半导体制冷系统的等效换热性能出现增大和减小变化过程。经设计和实验验证，本实用新型半导体制冷系统将距离D设置在以下范围内：(L_F-L_T)/2≤D≤(L_F/2+L_T/5)，其中L_F＞L_T，能明显地提高了半导体制冷系统的等效换热性能，从而有效地提高了产冷量。

附图说明

图1为背景技术中现有的半导体制冷系统的分解结构示意图；

图2为背景技术中现有的半导体制冷系统的剖视结构示意图；

图3为本实用新型的半导体制冷系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图3所示，一种半导体制冷系统，包括半导体制冷芯片11、散热器12和轴流风扇13；散热器12包括散热基板121和连接于散热基板121的若干个散热翅片122；半导体制冷芯片11贴附于散热基板121上；轴流风扇13设于散热器12的若干个散热翅片122上，并与散热基板121平行设置；轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线之间的距离D满足以下条件：1/2(L_F-L_T)≤D≤1/2(L_F+L_T)，其中，L_F为轴流风扇13的直径，L_T为半导体制冷芯片11的长度，L_F＞L_T。

上述半导体制冷系统的效果分析如下：

散热器12的换热理论：换热量Q＝AλΔT，A-散热器12的有效换热面积，λ-散热器12表面平均换热系数(W/m²K)，ΔT-散热器12温度与环温的温度差。在温差不变的前提下，提高散热器12与周围环境的换热量Q，唯有提升散热器12的有效换热面积A及表面换热系数λ。

在现有的半导体制冷系统中，记散热器的有效换热面积为A₀，散热器表面平均换热系数为λ₀。

由于轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线偏离，会使得与半导体制冷芯片11贴合的散热器12中心区域风流盲区相应减小，而且会导致轴流风扇S3沿轴线四周的风流对称逐渐失衡而逐渐削弱风流盲区，则对应轴流风扇13的换热风道阻力减小，而散热器12与半导体制冷芯片11贴合区域对应的散热翅片122表面积等效系数最大，对散热器12的有效换热面积影响最大。因此，随着距离D的增大，从表象看散热器12的换热面积一直在减小，但实际上有效换热面积A相对有效换热面积为A₀会有增大和减小变化过程；同时，由于轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线偏移，在一定范围内，轴流风扇13到散热器12的风流阻力减小，加快了空气流动速度，故表面换热系数λ会增大变化。因此，随着距离D的增大，参数Aλ的乘积值相对于初始乘积值A₀λ₀会有增大和减小变化过程，半导体制冷系统的等效换热性能会有增大和减小变化过程。

经设计和实验验证，轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线之间的距离D满足特定设计条件时，明显地提高了半导体制冷系统的等效换热性能。特定设计条件为：(L_F-L_T)/2≤D≤(L_F/2+L_T/5)，其中，L_F为轴流风扇13的直径，L_T为半导体制冷芯片11的长度，L_F＞L_T。

其中，距离D在以下范围内：(L_F-L_T)/2≤D≤L_F/2，半导体制冷系统的等效换热性能尤为突出。鉴于生产成本、方便性和等效换热性能，距离D＝L_F/2。

在其中一个实施例中，半导体制冷芯片11沿垂直厚度方向的横截面为正方形。散热基板121沿垂直厚度方向的横截面为正方形，散热基板121的长度与轴流风扇13的直径相等。从成本、性能、占用空间等多角度综合考虑，上述半导体制冷芯片11、散热基板121的形状为较佳选择。

实施例二

在此，以五种不同结构A0-A4的半导体制冷系统作为测试。这六种半导体制冷系统具有相同以下部件：

1、轴流风扇13：尺寸为120*120*25(长度*宽度*厚度，单位：mm)，即L_F＝120mm，额定工作电压18V，最大风量为89CFM，最大风压2.5mmH₂O；

2、散热器12：散热基板121的尺寸为120*120*6(长度*宽度*厚度，单位：mm)，散热翅片122的高度25mm；散热翅片122的间距为3.8mm；

3、半导体制冷芯片11：面积50*50(长度*宽度，单位：mm)，即L_T＝50mm，产热量100W，贴附于散热基板121的中心。

结合图2和图3，这五种结构的半导体制冷系统的不同之处在于距离D的设置不同，具体如下：

A0结构：D＝0，即轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线重合；

A1结构：D＝35＝(L_F-L_T)/2；

A2结构：(L_F-L_T)/2＜D＝50＜L_F/2；

A3结构：D＝60＝L_F/2；

A4结构：D＝70＝L_F/2+L_T/5。

测试数据如表1。

表1不同结构的半导体制冷系统的测试数据

由上述测试数据可知，距离D在(L_F-L_T)/2≤D≤(L_F/2+L_T/5)时，散热基板与环境之间的散热梯度温差有明显变化，可见，半导体制冷系统的等效换热性能有了明显的提升。因此，半导体制冷系统能有效地提高产冷量。

实施例三

本实施例与实施例二不同的是，采用不同的半导体制冷芯片进行测试。

在此，以五种不同结构B0-B4的半导体制冷系统作为测试。这六种半导体制冷系统具有相同以下部件：

3、半导体制冷芯片11：面积40*40(长度*宽度，单位：mm)，即L_T＝40mm，产热量90W，贴附于散热基板121的中心。

B0结构：D＝0，即轴流风扇13的轴线与半导体制冷芯片11的中心线重合；

B1结构：D＝40＝(L_F-L_T)/2；

B2结构：(L_F-L_T)/2＜D＝50＜L_F/2；

B3结构：D＝60＝L_F/2；

B4结构：D＝68＝(L_F/2+L_T/5)。

测试数据如表2。

表2不同结构的半导体制冷系统的测试数据

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

1.一种半导体制冷系统，其特征在于，包括半导体制冷芯片、散热器和轴流风扇；所述散热器包括散热基板和连接于所述散热基板的若干个散热翅片；所述半导体制冷芯片贴附于所述散热基板上；所述轴流风扇设于所述散热器的若干个散热翅片上，并与所述散热基板平行设置；所述轴流风扇的轴线与所述半导体制冷芯片的中心线之间的距离D满足以下条件：(L_F-L_T)/2≤D≤(L_F/2+L_T/5)，其中，L_F为轴流风扇的直径，L_T为半导体制冷芯片的长度，L_F＞L_T。

2.根据权利要求1所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述距离D满足以下条件：(L_F-L_T)/2≤D≤L_F/2。

3.根据权利要求2所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述距离D＝L_F/2。

4.根据权利要求1所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述半导体制冷芯片沿垂直厚度方向的横截面为正方形。

5.根据权利要求1所述的半导体制冷系统，其特征在于，所述散热基板沿垂直厚度方向的横截面为正方形，所述散热基板的长度与轴流风扇的直径相等。