CN217763976U - 一种半导体直冷机用液冷式热交换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体热电制冷技术领域，具体涉及一种半导体直冷机用液冷式热交换器，包括：上壳体和下壳体；中间换热模组，所述中间换热模组位于上壳体和下壳体之间；一对整体散热块，一对所述整体散热块对称布置在所述中间换热模组的两侧位置处，且一对所述整体散热块与所述中间换热模组焊接成一个整体，形成三个独立的带换热腔的整体结构，换热腔内注入有冷却液；至少两个半导体芯片，所述半导体芯片对称安装在整体散热块与中间换热模组之间的位置处。本实用新型的有益效果是：整体式热交换器与中间换热模组通过焊接成型工艺制作，减少安装工序，装配更加简便；且没有接触密封面，消除了泄露的风险，提高了设备的可靠性，降低了售后维修工作。

Description

一种半导体直冷机用液冷式热交换器

技术领域

本实用新型涉及半导体热电制冷技术领域，具体涉及一种半导体直冷机用液冷式热交换器。

背景技术

现有半导体制冷机的热交换器主要有风冷和液冷式两种，小功率制冷机一般使用风冷，大功率制冷机使用液冷。

现有小功率半导体热交换器风冷式的，主要结构为一块或两块半导体芯片，芯片两面采用散热片加风扇形式，主要运用在小功率制冷装置上；

请参阅图1，现有大功率半导体热交换器液冷式，主要为上壳体111、下壳体115和中间框架1113组合式成三明治结构；其分别有进出冷却液管口。现有大功率半导体热交换器液冷式，在上壳体1111、中间框架3之间和下壳体115、中间框架113之间都安装若干片半导体芯片114，并与上壳体111、下壳体115、中间框架113形成三个换热腔；半导体芯片114正反两面都与金属散热块112贴合，金属散热块112的翅片深入到所在的上壳体111、下壳体115、中间框架113的换热腔内。通电工作时，半导体芯片114的会将一面的热量转移至另一面，即在半导体芯片114的两面分别产生的冷量和热量，并且通过金属散热块112传递到壳体换热腔内，在腔内与液体实现热量交换。

通过上述现有技术可以看出存在如下缺点：

1、零部件多，安装工序复杂，密封接触面多，工艺控制困难，容易存在安装不到位，造成液体泄露、导热不良等缺陷；

2、半导体芯片与散热块之间的接触贴合度直接影响热量传递效果，多组散热块需要同时保证贴合度，对零件表面平整度、粗糙度要求高，同时壳体之间螺栓预紧力需要一致；

3、热交换器散热由多个小散热块组成，每个小散热块都是精加工件，生产效率低，制造成本高；

4、多个散热块在换热腔内，使得冷却液在散热块内形成多处边界层分离效应，造成压力损失，降低换热效率。

实用新型内容

针对问题，本实用新型提供了

一种半导体直冷机用液冷式热交换器，包括：

上壳体和下壳体；

中间换热模组，所述中间换热模组位于上壳体和下壳体之间；

一对整体散热块，一对所述整体散热块对称布置在所述中间换热模组的两侧位置处，且一对所述整体散热块与所述中间换热模组焊接成一个整体，形成三个独立的带换热腔的整体结构，换热腔内注入有冷却液；

至少两个半导体芯片，所述半导体芯片对称安装在整体散热块与中间换热模组之间的位置处。

作为本实用新型的再进一步方案是：一对所述整体散热块通过螺栓分别与上壳体、下壳体连接。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述整体散热块上均布置有用于密封的第一O型密封圈。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述上壳体内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第一进口和第一出口。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述下壳体内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第三进口和第三出口。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述中间换热模组内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第二进口和第二出口。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述中间换热模组还包括第一散热模组外腔、整体散热块上和整体散热块下，其中，所述整体散热块上和整体散热块下对称布置在第一散热模组外腔的两侧，且所述整体散热块上和整体散热块下的结构相同。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述整体散热块上包括铝制散热块外板、铝制散热块翅片和两块铝制散热块基板，其中，所述铝制散热块翅片布置在所述铝制散热块外板上，铝制散热块基板对称安装在铝制散热块外板上。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述整体散热块包括第二散热模组外腔、翅片散热块、进出水口、固定螺栓以及第二O型密封圈，所述翅片散热块至少设置有两组，其均设置在所述第二散热模组外腔内部，所述第二O型密封圈通过固定螺栓将所述翅片散热块密封在所述第二散热模组外腔内部。

作为本实用新型的再进一步方案是：所述翅片散热块包括铜制散热块外板、铜制散热块基板和至少两组铜制散热块翅片，所述铜制散热块基板设置在所述铜制散热块外板上，且铜制散热块翅片固定在铜制散热块基板上。

本实用新型的有益效果是：

1、整体式热交换器与中间换热模组通过焊接成型工艺制作，减少安装工序，装配更加简便；且没有接触密封面，消除了泄露的风险，提高了设备的可靠性，降低了售后维修工作；

2、因接触密封面减消、安装配合工序减少，半导体芯片排布方式可以设计双排，结构更紧凑、布局更合理；

3、在半导体芯片数量相同的情况下，增加了整体散热块与冷却液的接触面积，整体散热块的表面温度相比独立的散热块更加均匀，同时减少了冷却液与整体散热块的边界损失效应，这提升了整体散热性能近三成；

4、第一散热模组外腔、第二散热模组外腔材质为6061铝，作为整个中间换热模组的框架，其结构紧凑，强度高，铝材便于加工且重量轻；整体散热块上、整体散热块下与换热模组外腔整体焊接成型，采用特种焊接铝钎焊成型，成型后没有密封面，严密无泄露，装配更加简便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其它的附图。

图1为本实用新型现有技术的结构示意图；

图2为本实用新型的立体结构示意图；

图3为本实用新型图2的剖视图。

图4为本实用新型中间换热模组的结构示意图；

图5为本实用新型中间换热模组的外观图；

图6为本实用新型整体散热块上的剖视图；

图7为本实用新型整体散热块的外观图；

图8为本实用新型整体散热块的剖视图；

图9为本实用新型翅片散热块的结构示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所述)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

请参阅图2和图3，一种半导体直冷机用液冷式热交换器，包括：

上壳体1和下壳体3；

中间换热模组2，所述中间换热模组位于上壳体1和下壳体3之间；

一对整体散热块5，一对所述整体散热块5对称布置在所述中间换热模组2的两侧位置处，且一对所述整体散热块5与所述中间换热模组2焊接成一个整体，减少安装工序，装配更加简便，形成三个独立的带换热腔的整体结构，换热腔内注入有冷却液；一对所述整体散热块5通过螺栓分别与上壳体1、下壳体3连接；

至少两个半导体芯片4，所述半导体芯片4对称安装在整体散热块5与中间换热模组2之间的位置处；半导体芯片4最多可以安装32块，但对数量不进行限制，整体结构可以根据实际情况来改变。

在本实用新型中，在通电工作时，半导体芯片4会将一面的热量转移至另一面，即在半导体芯片4的两面分别产生冷量和热量，并且通过整体散热块5传递到换热腔内，在换热腔内与冷却液实现热量交换。

在半导体芯片数量相同的情况下，增加了整体散热块5与冷却液的接触面积，整体散热块5的表面温度相比独立的散热块更加均匀，同时减少了冷却液与整体散热块5的边界损失效应，这提升了整体散热性能近三成。

本实用新型所提出的半导体直冷机用液冷式热交换器，结构尺寸小，制冷功率大，单组可达4000W；制热功率大，可达7000W；换热量达10000W/W。

在本实施例中，冷却液可以选取水，在要求不高的地方可以使用，其成本低廉；当然也可以选择其它类型的冷却液，其比热容更高，因此吸收热量的效果会更佳，但价格也会更为昂贵，具体选择可视实际情况来选择。

所述整体散热块5上均布置有用于密封的第一O型密封圈6，第一O型密封圈6将整体散热块5密封在上壳体1和下壳体3之间。

所述上壳体1内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第一进口1-1和第一出口1-2；所述下壳体3内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第三进口3-1和第三出口3-2；所述中间换热模组2内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第二进口2-4和第二出口2-5。

在本实用新型中，在上壳体1、下壳体3以及中间换热模组2上均设置有进口与出口，通过冷却液将冷量和热量带走，从而实现制冷和制热的效果；所述上壳体1、下壳体3的进出口分别接冷却液外接管道，工作时外部冷却水与所述半导体芯片4传导至散热板的热量或冷量实现热量交换，以维持半导体制冷芯片4工作的正常温度。

在本实用新型中，半导体制冷芯片4其主要为若干由PN结和陶瓷导热层组成的方形薄块，工作时一面实现制冷、另一面同时制热；且与中间换热模组2接触面为相同性能面同制冷或同制热。

请参阅图4和图5，所述中间换热模组2还包括第一散热模组外腔2-1、整体散热块上2-2和整体散热块下2-3，其中，所述整体散热块上2-2和整体散热块下2-3对称布置在第一散热模组外腔2-1的两侧，且所述整体散热块上2-2和整体散热块下2-3的结构相同。

第一散热模组外腔2-1材质为6061铝，作为整个中间换热模组2的框架，其结构紧凑，强度高，铝材便于加工且重量轻；整体散热块上2-2、整体散热块下2-3与换热模组外腔2-1整体焊接成型，采用特种焊接铝钎焊成型，成型后没有密封面，严密无泄露，装配更加简便。

请参阅图4、图5和图6，所述整体散热块上2-2包括铝制散热块外板2-2-1、铝制散热块翅片2-2-2和两块铝制散热块基板2-2-3，其中，所述铝制散热块翅片2-2-2布置在所述铝制散热块外板2-2-1上，铝制散热块基板2-2-3对称安装在铝制散热块外板2-2-1上。

铝制散热块外板2-2-1作为整个整体散热块上2-2的底板，起固定支撑架作用，通过与第一散热模组外腔2-1焊接固定；其表面直接与TE芯片热面贴合，将热源传导至铝制散热块基板2-2-3。铝制散热块基板2-2-3位于铝制散热块外板2-2-1和铝制散热块翅片2-2-2之间，主要在铝制散热块翅片2-2-2加工过程中吸收内应力，以保证铝制散热块翅片2-2-2在加工中不变形，散热块基板2-3将从铝制散热块外板2-2-1传导来的热量传导至铝制散热块翅片2-2-2。

铝制散热块翅片2-2-2使用铲齿工艺加工而成，按液体流向共双排八组翅片，双排、连续多线段翅片，铝制散热块翅片2-2-2密集，整体成型，铲齿工艺难度大。与现有的多组小翅片串联组装相比，装配简单，换热效率高，总体结构体积小，重量轻。

请参阅图7和图8，所述整体散热块5包括第二散热模组外腔5-1、翅片散热块5-2、进出水口5-3、固定螺栓5-4以及第二O型密封圈5-5，所述翅片散热块5-2至少设置有两组，其均设置在所述第二散热模组外腔5-1内部，所述第二O型密封圈5-5通过固定螺栓5-4将所述翅片散热块5-2密封在所述第二散热模组外腔5-1内部。

请参阅图7、图8和图9，所述翅片散热块5-2包括铜制散热块外板5-2-1、铜制散热块基板5-2-2和至少两组铜制散热块翅片5-2-3，所述铜制散热块基板5-2-2设置在所述铜制散热块外板5-2-1上，且铜制散热块翅片5-2-3固定在铜制散热块基板5-2-2上。

铜制散热块外板5-2-1作为整个散热块的底板，起固定支撑架作用，通过固定螺栓5-4与第二散热模组外腔5-1固定；其表面直接与TE芯片热面贴合，将热源传导至铜制散热块基板5-2-2。

铜制散热块基板5-2-2位于铜制散热块外板5-2-1和铜制散热块翅片5-2-3之间，主要在铜制散热块翅片5-2-3加工过程中吸收内应力，以保证铜制散热块翅片5-2-3在加工中不变形。铜制散热块基板5-2-2将从散热块外板传导来的热量传导至铜制散热块翅片5-2-3。

铜制散热块翅片5-2-3使用铲齿工艺加工而成，按液体流向共双排八组翅片，双排、连续多线段翅片，铜制散热块翅片5-2-3密集，整体成型，铲齿工艺难度大。与现有的多组小翅片串联组装相比，装配简单，散热效率高，总体结构体积小，密封面由多个面变成一个面，泄露风险大大降低。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，包括：

上壳体（1）和下壳体（3）；

中间换热模组（2），所述中间换热模组位于上壳体（1）和下壳体（3）之间；

一对整体散热块（5），一对所述整体散热块（5）对称布置在所述中间换热模组（2）的两侧位置处，且一对所述整体散热块（5）与所述中间换热模组（2）焊接成一个整体，形成三个独立的带换热腔的整体结构，换热腔内注入有冷却液；

至少两个半导体芯片（4），所述半导体芯片（4）对称安装在整体散热块（5）与中间换热模组（2）之间的位置处。

2.根据权利要求1所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，一对所述整体散热块（5）通过螺栓分别与上壳体（1）、下壳体（3）连接。

3.根据权利要求2所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述整体散热块（5）上均布置有用于密封的第一O型密封圈（6）。

4.根据权利要求1所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述上壳体（1）内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第一进口（1-1）和第一出口（1-2）。

5.根据权利要求1所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述下壳体（3）内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第三进口（3-1）和第三出口（3-2）。

6.根据权利要求1所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述中间换热模组（2）内开设有换热腔，且换热腔上开设有与外界相连通的第二进口（2-4）和第二出口（2-5）。

7.根据权利要求1或6所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述中间换热模组（2）还包括第一散热模组外腔（2-1）、整体散热块上（2-2）和整体散热块下（2-3），其中，所述整体散热块上（2-2）和整体散热块下（2-3）对称布置在第一散热模组外腔（2-1）的两侧，且所述整体散热块上（2-2）和整体散热块下（2-3）的结构相同。

8.根据权利要求7所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述整体散热块上（2-2）包括铝制散热块外板（2-2-1）、铝制散热块翅片（2-2-2）和两块铝制散热块基板（2-2-3），其中，所述铝制散热块翅片（2-2-2）布置在所述铝制散热块外板（2-2-1）上，铝制散热块基板（2-2-3）对称安装在铝制散热块外板（2-2-1）上。

9.根据权利要求1所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述整体散热块（5）包括第二散热模组外腔（5-1）、翅片散热块（5-2）、进出水口（5-3）、固定螺栓（5-4）以及第二O型密封圈（5-5），所述翅片散热块（5-2）至少设置有两组，其均设置在所述第二散热模组外腔（5-1）内部，所述第二O型密封圈（5-5）通过固定螺栓（5-4）将所述翅片散热块（5-2）密封在所述第二散热模组外腔（5-1）内部。

10.根据权利要求9所述的半导体直冷机用液冷式热交换器，其特征在于，所述翅片散热块（5-2）包括铜制散热块外板（5-2-1）、铜制散热块基板（5-2-2）和至少两组铜制散热块翅片（5-2-3），所述铜制散热块基板（5-2-2）设置在所述铜制散热块外板（5-2-1）上，且铜制散热块翅片（5-2-3）固定在铜制散热块基板（5-2-2）上。

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