CN205261973U - 半导体制冷系统 - Google Patents
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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:(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5),其中,LF为轴流风扇的直径,LT为半导体制冷芯片的长度,LF>LT。本实用新型能有效地提高产冷量。
Description
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Qc与TEC热端温度Th、冷端温度Tc的关系式为:Qc=NαITc-K(Th-Tc)-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Th密切相关,同样工况下Th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Th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Th,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Th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:(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5),其中,LF为轴流风扇的直径,LT为半导体制冷芯片的长度,LF>LT。
在其中一个实施例中,所述距离D满足以下条件:(LF-LT)/2≤D≤LF/2。
在其中一个实施例中,所述距离D=LF/2。
在其中一个实施例中,所述距离D满足以下条件:LF/2≤D<1/2(LF+LT)。
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:(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5),其中LF>LT,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(LF-LT)≤D≤1/2(LF+LT),其中,LF为轴流风扇13的直径,LT为半导体制冷芯片11的长度,LF>LT。
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:(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5),其中,LF为轴流风扇13的直径,LT为半导体制冷芯片11的长度,LF>LT。
其中,距离D在以下范围内:(LF-LT)/2≤D≤LF/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=LF/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LF=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LT=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=(LF-LT)/2;
A2结构:(LF-LT)/2<D=50<LF/2;
A3结构:D=60=LF/2;
A4结构:D=70=LF/2+LT/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(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/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:
1、轴流风扇13:尺寸为120*120*25(长度*宽度*厚度,单位:mm),即LF=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40*40(长度*宽度,单位:mm),即LT=40mm,产热量90W,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:
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=(LF-LT)/2;
B2结构:(LF-LT)/2<D=50<LF/2;
B3结构:D=60=LF/2;
B4结构:D=68=(LF/2+LT/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
由上述测试数据可知,距离D在(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/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。
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 (5)
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:(LF-LT)/2≤D≤(LF/2+LT/5),其中,LF为轴流风扇的直径,LT为半导体制冷芯片的长度,LF>LT。
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:(LF-LT)/2≤D≤LF/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=LF/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。
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CN105444462A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-03-30 | 广东富信科技股份有限公司 | 半导体制冷系统 |
CN112566398A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-03-26 | 南京飞邀达电子商务有限公司 | 一种防风沙防水的电气箱装置 |
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- 2015-12-24 CN CN201521105981.2U patent/CN205261973U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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