CN220911720U - 制冷装置及制冷设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制冷装置及制冷设备，涉及制冷技术领域，包括箱体和半导体制冷模块，箱体的内部形成有制冷腔室，箱体的外部设有外壳，所述外壳的导热系数为15w/(m.k)以上；半导体制冷模块包括半导体制冷芯片和热管散热器，半导体制冷芯片具有冷端和热端，半导体制冷芯片的冷端用于为制冷腔室供冷，热管散热器包括蒸发段和冷凝段，热管散热器的蒸发段与半导体制冷芯片的热端接触，热管散热器的冷凝段与外壳接触。利用半导体制冷芯片与热管散热器的耦合系统替代导热铝块，利用热管散热器高导热性、高等温性的优点，提升散热效率，同时利用外壳散热提升散热效果，可以以自然对流的方式散热并满足散热要求，从而可以省去风扇。

Description

制冷装置及制冷设备

技术领域

本实用新型涉及制冷技术领域，特别涉及制冷装置及制冷设备。

背景技术

相关技术中，半导体制冷模组的热端散热装置主要是导热铝块，半导体芯片与散热铝块平面紧密贴合(一般中间会涂抹导热硅脂)，散热铝块另一端有散热肋片，加大散热面积。该方案具有加工简单的优点，缺点是重量大、热量分布不均、散热效率不优。另外，半导体制冷模组的热端散热主要是风冷散热，若置放在低温环境中进行深冷复叠，则会有风扇结霜结冰、运转不良等可靠性问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种制冷装置，能够提升散热效率，减小重量和体积，降低进行深冷复叠时出现结霜结冰、运转不良等问题的可能性。

本实用新型还提出一种具有上述制冷装置的制冷设备。

根据本实用新型的第一方面实施例的制冷装置，包括箱体和半导体制冷模块，所述箱体的内部形成有制冷腔室，所述箱体的外部设有外壳，所述外壳的导热系数为15w/(m.k)以上；所述半导体制冷模块包括半导体制冷芯片和热管散热器，所述半导体制冷芯片具有冷端和热端，所述半导体制冷芯片的冷端用于为所述制冷腔室供冷，所述热管散热器包括蒸发段和冷凝段，所述热管散热器的蒸发段与所述半导体制冷芯片的热端接触，所述热管散热器的冷凝段与所述外壳接触。

根据本实用新型实施例的制冷装置，至少具有如下有益效果：利用半导体制冷芯片与热管散热器的耦合系统替代导热铝块，利用热管散热器高导热性、高等温性的优点，提升散热效率，同时利用外壳散热提升散热效果，可以以自然对流的方式散热并满足散热要求，从而可以省去风扇，进行深冷复叠时，避免出现风扇结霜结冰、运转不良等问题。

根据本实用新型的一些实施例，所述热管散热器的蒸发段与所述半导体制冷芯片的热端之间涂覆导热硅脂。

根据本实用新型的一些实施例，所述热管散热器的蒸发段与所述半导体制冷芯片的热端采用焊接的方式连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述热管散热器的冷凝段与所述外壳之间涂覆导热硅脂。

根据本实用新型的一些实施例，所述热管散热器的冷凝段与所述外壳通过平面贴附的方式接触或嵌入的方式接触。

根据本实用新型的一些实施例，所述制冷装置还包括散热模块，所述半导体制冷芯片的冷端连接所述散热模块，所述散热模块连接所述制冷腔室的侧壁。

根据本实用新型的一些实施例，所述箱体、所述散热模块和所述热管散热器通过连接件固定连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述箱体设置有围绕所述制冷腔室的保温层，所述半导体制冷模块位于所述保温层中。

根据本实用新型的一些实施例，所述热管散热器还包括绝热段，所述蒸发段的相对两侧均连接有所述绝热段，所述冷凝段连接于所述绝热段远离所述蒸发段的一端，所述蒸发段、所述绝热段和所述冷凝段沿所述制冷腔室的外周环绕设置。

根据本实用新型的第二方面实施例的制冷设备，包括：制冷主体和本实用新型的第一方面实施例的制冷装置，所述制冷主体的内部能够形成-20℃以下的温度；所述制冷装置放置于所述制冷主体的内部。

根据本实用新型实施例的制冷设备，至少具有如下有益效果：在低温工作场景下，制冷装置放置于制冷主体的内部，能够实现深冷功能，半导体制冷芯片的热端不需要与制冷主体硬连接，也不需要风扇等强制对流散热方式，既可以方便快速分离，又不存在结霜、结冰等可靠性问题。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：

图1为本实用新型实施例的制冷装置的剖视图；

图2为图1示出的热管散热器的示意图；

图3为图1示出的A处放大视图；

图4为图2示出的热管散热器的俯视图。

附图标记：

101、制冷腔室；102、内胆；103、保温层；104、外壳；105、半导体制冷芯片；106、热管散热器；107、散热模块；108、螺栓；

201、蒸发段；202、绝热段；203、冷凝段；

301、冷端；302、热端。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

相关技术中，一些便携式的低温储藏装置，可以用于保存食物或其他物品，以便在户外或旅行时使用。该类低温储藏装置具有温度控制系统，可以在一定范围内调节温度。这使得用户可以根据需要将温度设定在适当的范围内，确保食物或其他物品保持新鲜和完好。该类低温储藏装置通常设计得轻巧，易于携带。有些甚至可以放在背包或手提包中，方便用户带出户外。因此，要求制冷系统的体积和重量也尽可能小，一般选择半导体制冷模组作为制冷主体。

半导体制冷是一种利用半导体材料的热电效应制冷的技术，也被称为电子制冷或温差电制冷。它通过直接和反向的霍尔效应将电能转化为热能和冷能，并使半导体产生温差电动势，从而实现冷却。半导体制冷的优点包括体积小、无噪声、无污染、无机械部件、快速响应和高效可靠等。它被广泛应用于热电制冷、光电散热、半导体激光等领域，例如在电子器件中，半导体制冷可以有效地解决微处理器、激光器、LED等高温元件的热问题，提高设备的效率和寿命。

半导体制冷模组的半导体制冷片本身要消耗相当多的功率(转换成热)，制冷功率100W的半导体制冷片功率往往在100W以上，也就是说热端需要交换200W以上的热功率。这会导致热端的散热压力增大。

相关技术中，半导体制冷模组的热端散热装置主要是导热铝块，导热铝块的散热原理主要是利用铝的导热性。当热量从物体传导到铝块时，铝块中的分子会迅速吸收热量并快速将热量传递到铝块的各个部分。由于铝的导热性能非常好，所以热量能够快速分散到铝块的较大面积上，从而降低了铝块局部的温度，起到了散热的作用。同时，铝的导热性能也与它的热容有关。虽然铝的热容比铜小，但它在吸收热量后也能快速地释放出来，使得铝块在散热过程中更具有响应速度和效率。需要注意的是，与散热器上的散热片类似，导热铝块也需要配合风扇等辅助散热设备使用，以增强其散热效果。总之，导热铝块的散热原理主要是通过其良好的导热性能，将热量快速传递到较大面积上，并借助风扇等辅助散热设备来增强散热效果。同时，由于铝块的传热速度快，热量容易集中在铝块的一部分区域，导致热分布不均匀，影响散热效果。虽然铝价较铜价低，但与铁、钢相比仍然较高，导致铝质散热器的成本也相对较高，不利于在一些成本敏感的场合使用。并且铝块的重量也大，为了保证散热效果，需要的体积也大。

本实用新型的实施例提出一种制冷装置，制冷装置利用半导体制冷芯片制冷，并且利用半导体制冷芯片与热管散热器的耦合系统替代导热铝块，利用热管散热器高导热性、高等温性的优点，提升散热效率，解决散热铝块体积大、重量大、热量分布不均、散热效率不优的问题。

参照图1所示，可以理解的是，本实用新型的实施例制冷装置包括箱体和半导体制冷模块，在箱体的内部设置有制冷腔室101，制冷腔室101用于保存食物或其他物品。半导体制冷模块用于为制冷腔室101提供冷量，使得制冷腔室101保持稳定的低温环境，用于延长食物或其他物品的保存时间。

可以理解的是，箱体包括内胆102、保温层103和外壳104，内胆102限定出制冷腔室101，保温层103布置在内胆102的外周，起到隔热的作用，减少热量传递，帮助制冷腔室101保持低温环境。外壳104包裹在保温层103的外层，外壳104结实、耐用，能够保护制冷装置，延长制冷装置的使用寿命。其中，外壳104的导热系数为15w/(m.k)以上，外壳104有利于散热，可以快速将内部的热量散逸到外界，提高制冷效率。外壳104的导热性能良好，可以有效保证冰箱的冷藏和冷冻效果。外壳104可以是金属材质，例如材质为铝板或镀锌钢板等，金属材质的外壳104可以屏蔽辐射，保护消费者免受电磁辐射的危害。金属材质的外壳104的体积小，可以节约空间，方便移动和存放。金属材质的外壳104的成本较低，可以降低整体制造成本，提高市场竞争力。外壳104还可以是非金属材质，例如材质为石墨烯铝箔/铜箔。

其中，半导体制冷模块包括半导体制冷芯片105和热管散热器106，半导体制冷芯片105和热管散热器106位于保温层103内，有利于减小制冷装置的整体占用体积，结构更加紧凑。

半导体制冷片的基本工作原理为，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结形成的热电偶对中有电流通过时，两端之间会产生热量转移，热量会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷端301和热端302，该过程为正向热传递。由于半导体自身存在电阻，因此当电流经过半导体时也会产生热量，产生逆向热传递，此外，冷端301和热端302之间的热量也会通过空气和半导体自身进行逆向热传递。当冷端301和热端302达到一定温差，正逆向热传递相互抵消时，冷端301和热端302的温度就不会继续发生变化。通常，会采用对热端302进行散热的方式来降低热端302的温度，从而使冷端301达到更低的温度。半导体制冷片的优点包括体积小、重量轻、效率高和成本低廉等。

热管散热器106的主要结构包括导热块、散热翅片以及贯穿散热翅片并与导热块固定连接的多根热管，其中，导热块与半导体制冷片的热端302导热接触。热管散热器106主要由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成。吸液芯环绕在密封管的管壁上，浸有能挥发的饱和液体，这种液体可以是蒸馏水，也可以是氨、甲醇或丙酮等。

参照图2所示，可以理解的是，热管大致划分为蒸发段201、绝热段202和冷凝段203。当热管散热器106的蒸发段201吸收热源产生的热量时，液体工质在蒸发段201被热流加热蒸发，吸液芯中的液体沸腾化成蒸汽。这些带有热量的蒸汽就会从热管散热器106的蒸发段201向其冷却段移动，即蒸汽经过绝热段202流向冷凝段203，在冷凝段203蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热，当蒸汽把热量传给冷凝段203后，蒸汽就冷凝成液体。积聚在散热段吸液芯中的凝结液借助吸液芯的毛细力作用，返回到蒸发段201再吸热蒸发，如此重复上述循环过程不断地散热。热管散热器106具有散热效率高、结构紧凑、应用灵活、工作可靠性高的优点。

可以理解的是，热管散热器106内部工质采用低温热管，内部充注低温相变工质，例如工作温区在-40℃至-20℃，通过充注量的控制，可以拓展应用到常温温区使用。

参照图3所示，可以理解的是，半导体制冷芯片105的冷端301朝向制冷腔室101，以将冷量传递至制冷腔室101内，为制冷腔室101供冷。热管散热器106的蒸发段201与半导体制冷芯片105的热端302接触以帮助半导体制冷芯片105散热，热管散热器106的冷凝段203与外壳104接触，扩大散热面积，通过自然对流的方式进行散热，提高效率。

在制冷装置运行的过程中，半导体制冷模块启动，半导体制冷芯片105的冷端301形成低温区，半导体制冷芯片105的热端302形成高温区，冷端301将冷量传递给制冷腔室101，帮助降温，热端302通过热管散热器106将热量发散，维持半导体制冷芯片105的正常运转。而且，通过热管散热器106的冷凝段203与外壳104接触，将热量传递给箱体的外壳104，帮助散热，有助于提升散热效果，也有利于提升半导体制冷模块的制冷能力。

可以理解的是，热管散热器106的蒸发段201与半导体制冷芯片105的热端302之间涂覆导热硅脂。导热硅脂是一种高效散热产品，导热硅脂的主要成分是纳米氧化铝、硅微粉等导热填料，填充在半导体制冷芯片105的热端302和热管散热器106之间，可以充分润滑和保护接触表面，形成一个非常低的热阻接口，比半导体制冷芯片105的热端302和热管散热器106接触面中间的空气传导效率高的多。

应当理解的是，导热硅脂可以传递热量，因此导热硅脂与半导体制冷芯片105的热端302和热管散热器106为紧密接触，具有较大的导热面积，有利于传递热量。

可以理解的是，热管散热器106的蒸发段201与半导体制冷芯片105的热端302采用焊接的方式连接。热管散热器106与半导体制冷芯片105的热端302采用焊接的方式连接，可以带来多种好处。

首先，焊接可以提供更可靠的连接方式，保证热管散热器106与半导体制冷芯片105的热端302紧密贴合，不易出现松动或脱落的情况，从而确保散热效果的稳定性。

其次，焊接的连接方式可以减少接触热阻，提高散热效率。通过焊接，热管散热器106与半导体制冷芯片105的热端302可以形成一体，减少热管散热器106与半导体制冷芯片105的热端302之间的空气间隙，从而减少热阻并提高散热性能。

此外，焊接的连接方式还具有体积小、成本低等优点。相较于其他固定方式(如螺丝、卡扣等)，焊接可以使整个连接位置体积更小，适用于空间有限的场合。同时，焊接的成本也相对较低，可以降低制冷装置的制造成本。

最后，焊接的连接方式还具有高可靠性等优点。由于焊接连接方式具有更高的气密性和稳固性，因此可以保证制冷装置的可靠性和稳定性，提高制冷装置的性能。

可以理解的是，热管散热器106的冷凝段203与外壳104之间涂覆导热硅脂，导热硅脂填充在热管散热器106的冷凝段203与外壳104之间，可以充分润滑和保护接触表面，形成一个非常低的热阻接口，提高热传导效率。

需要注意的是，热管散热器106的蒸发段201与半导体制冷芯片105的热端302之间还可以设置导热垫片，利用导热垫片将半导体制冷芯片105的热端302的一部分热量传递给热管散热器106的蒸发段201，利用热管散热器106的蒸发段201帮助散热，提升半导体制冷模块的制冷能力。

应当理解的是，导热垫片的作用是传递热量，因此导热垫片采用的是高性能导热材料，具有优秀的热传导率。并且，导热垫片与热管散热器106的蒸发段201与半导体制冷芯片105的热端302为紧密接触，具有较大的导热面积，有利于传递热量。在装配半导体制冷模块时，热管散热器106的蒸发段201与半导体制冷芯片105的热端302夹住导热垫片，利用柔性材料的特性，导热垫片可以产生部分变形，促使导热垫片贴合热管散热器106的蒸发段201与半导体制冷芯片105的热端302，减小间隙，有利于传递热量。

同理，热管散热器106的冷凝段203与外壳104之间也可以设置导热垫片，提高热传导效率。

可以理解的是，热管散热器106的冷凝段203与外壳104通过平面贴附的方式接触。例如，热管散热器106的冷凝段203设置有扁平管部，扁平管部具有平面，扁平管部的平面与外壳104的平面贴合，相比于圆形管部，扁平管部与外壳104的接触面积更大，可以使得热管散热器106的冷凝段203与外壳104紧密接触，提高热传导效率。

可以理解的是，热管散热器106的冷凝段203与外壳104还可以通过嵌入的方式接触。例如外壳104设有嵌入结构，如燕尾槽，热管散热器106的冷凝段203位于燕尾槽内，使热管散热器106的冷凝段203与外壳104之间形成稳定的连接关系。这种嵌入结构可以增加接触面积，提高散热效果。通过增加接触面积和减小接触热阻，可以使热量更快地从热管传递到外壳104，从而提高散热效率。采用嵌入结构可以使热管散热器106的冷凝段203和外壳104之间形成稳定的连接关系，避免因振动、冲击等因素导致松脱或损坏。

参照图1和图3所示，可以理解的是，制冷装置还包括散热模块107，半导体制冷芯片105的冷端301连接散热模块107，散热模块107连接制冷腔室101的侧壁，以将冷量传入制冷腔室101。散热模块107采用导热性能良好的材料，可以将半导体制冷芯片105产生的热量快速传递到制冷腔室101，提高热传导效率。

参照图1和图3所示，可以理解的是，箱体、散热模块107和热管散热器106通过螺栓108固定连接。具体地，内胆102和散热模块107设置有通孔，热管散热器106设置有螺纹孔，在装配时，螺栓108穿过内胆102和散热模块107的圆孔，再旋紧于热管散热器106的螺纹孔，在拧紧螺栓108的过程中，内胆102、散热模块107和热管散热器106逐渐实现紧密接触，并间形成稳定的连接关系。

此外，在装配的过程中，收紧螺栓108会对半导体制冷芯片105施加作用力，导热硅脂可以吸收一定的作用力，防止半导体制冷芯片105受力过度而损坏，有利于保护半导体制冷芯片105。

需要说明的是，箱体、散热模块107和热管散热器106还可以通过卡扣、销钉等连接件固定连接。

参照图2和图4所示，可以理解的是，绝热段202连接蒸发段201和冷凝段203，蒸发段201的相对两侧均连接有绝热段202，每个绝热段202远离蒸发段201的一端均连接有冷凝段203，蒸发段201和绝热段202位于制冷腔室101的顶面，冷凝段203位于制冷腔室101的侧面和底面，从而使得蒸发段201、绝热段202和冷凝段203沿制冷腔室101的外周环绕设置。从而可以增大冷凝段203与外壳104的接触面积，提高热传导效率。

本实用新型的另一些实施例提出一种制冷设备，包括制冷主体和本实用新型实施例的制冷装置，制冷主体的内部能够形成-20℃以下的温度，制冷装置放置于制冷主体的内部。

相关技术中的半导体制冷模组的热端302散热主要是风冷散热，若置放在低温环境中进行深冷复叠，则会有风扇结霜结冰、运转不良等可靠性问题。深冷复叠是指使用复叠式制冷系统来提供深冷能力的方法。

而本实施例的制冷装置，通过时利用外壳104与热管散热器106的冷凝段203接触散热，提升散热效果，可以以自然对流的方式散热并满足散热要求，从而可以省去风扇，进行深冷复叠时，避免出现风扇结霜结冰、运转不良等问题。

具体的，以制冷主体为低温柜为例进行说明。在低温工作场景下，低温柜内部温度-40℃，半导体制冷芯片105的热端302温度控制在-40℃至-30℃之间，半导体制冷芯片105的冷端301温度在-60℃以下。这样，半导体制冷芯片105的热端302的热量通过热管散热器106快速传导到热管散热器106的冷凝段203，通过直接贴合导热的方式传导到整个外壳104，从而进行自然对流散热。在常温工作场景下，环境温度0℃至35℃，半导体制冷芯片105的热端302温度控制在40℃以下，半导体制冷芯片105的冷端301温度在-5℃至0℃。这样，半导体制冷芯片105的热端302的热量通过热管散热器106快速传导到外壳104。以上两个场景均能实现半导体制冷芯片105的散热功能，保证半导体制冷芯片105正常制冷。

因此，在低温工作场景下，半导体制冷芯片105的热端302不需要与低温柜硬连接，也不需要风扇等强制对流散热方式，既可以方便快速分离，又不存在结霜、结冰等可靠性问题。

需要说明的是，制冷主体还可以是冰箱等设备，并且制冷主体的内部温度可以是-20℃、-30℃、-40℃、-50℃等。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.制冷装置，其特征在于，包括：

箱体，所述箱体的内部形成有制冷腔室，所述箱体的外部设有外壳，所述外壳的导热系数为15w/(m.k)以上；

半导体制冷模块，所述半导体制冷模块包括半导体制冷芯片和热管散热器，所述半导体制冷芯片具有冷端和热端，所述半导体制冷芯片的冷端用于为所述制冷腔室供冷，所述热管散热器包括蒸发段和冷凝段，所述热管散热器的蒸发段与所述半导体制冷芯片的热端接触，所述热管散热器的冷凝段与所述外壳接触。

2.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述热管散热器的蒸发段与所述半导体制冷芯片的热端之间涂覆导热硅脂。

3.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述热管散热器的蒸发段与所述半导体制冷芯片的热端采用焊接的方式连接。

4.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述热管散热器的冷凝段与所述外壳之间涂覆导热硅脂。

5.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述热管散热器的冷凝段与所述外壳通过平面贴附的方式接触或嵌入的方式接触。

6.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述制冷装置还包括散热模块，所述半导体制冷芯片的冷端连接所述散热模块，所述散热模块连接所述制冷腔室的侧壁。

7.根据权利要求6所述的制冷装置，其特征在于，所述箱体、所述散热模块和所述热管散热器通过连接件固定连接。

8.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述箱体设置有围绕所述制冷腔室的保温层，所述半导体制冷模块位于所述保温层中。

9.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述热管散热器还包括绝热段，所述蒸发段的相对两侧均连接有所述绝热段，所述冷凝段连接于所述绝热段远离所述蒸发段的一端，所述蒸发段、所述绝热段和所述冷凝段沿所述制冷腔室的外周环绕设置。

10.制冷设备，其特征在于，包括：

制冷主体，所述制冷主体的内部能够形成-20℃以下的温度；

权利要求1至9任一项所述的制冷装置，所述制冷装置放置于所述制冷主体的内部。