CN205542899U - 半导体制冷组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种半导体制冷组件，包括：半导体电偶对、与半导体电偶对冷端相连的冷端基板、与半导体电偶对热端相连的热端基板、以及液体冷却器件；其中，所述热端基板包括金属基板、以及连接在金属基板与半导体电偶对之间的导热绝缘层；所述液体冷却器件包括：与金属基板相连的液体冷却基体，所述液体冷却基体与金属基板相连的安装面上开设置液槽，所述置液槽与金属基板之间设有流动的冷却液体。本实用新型提供的半导体制冷组件能够提高半导体电偶对热端的散热速率，能够实现大功率制冷。

Description

半导体制冷组件

技术领域

本实用新型涉及半导体制冷技术，尤其涉及一种半导体制冷组件。

背景技术

半导体制冷芯片(TEC，Thermoelectric Cooler)是利用珀尔贴(Peltier)效应制成的一种制冷器件，其主要的结构为半导体电偶对(也称为P-N电偶对)，当向半导体电偶对加设一定的电压之后，半导体电偶对的冷端和热端会产生一定的温差。当其热端的热量被散发出去后，其冷端会产生一定的冷量，实现制冷。

图1为现有的一种半导体制冷组件的结构示意图。如图1所示，现有的一种利用半导体制冷芯片制成的制冷组件包括冷端基板11、半导体电偶对12和热端基板13，其中，半导体电偶对12的冷端通过冷端电极14与冷端基板11连接，半导体电偶对12的热端通过热端电极15与热端基板13的一侧表面连接，具体通过焊接的方式进行连接。热端基板13的另一侧表面焊接有散热结构，该散热结构包括散热基板16和翅片17，其中，散热基板16焊接在热端基板13上。半导体电偶对12热端的热量经过焊料先传导至热端基板13，再通过散热基板16传导至翅片17，通过翅片17与周围的空气进行热交换，降半导体电偶对12热端的热量。

上述制冷组件中，由于热端基板13与散热基板16是通过焊接的方式固定的，半导体电偶对12热端的热量依次经过热端基板13、焊料和散热基板16进行传导，除去热端基板13和散热基板16自身所具有的热阻之外，二者之间的焊料也存在较大的热阻，严重影响了热量的传导速率。并且，翅片与周围空气进行热交换的速率也非常低，也在很大程度上影响了半导体电偶对12热端热量的散发。因此，受焊料具有较大热阻和翅片与空气进行热交换速度较慢的影响，现有的半导体制冷组件只适用于小功率制冷，而无法实现大功率制冷。

实用新型内容

本实用新型提供一种半导体制冷组件，用于提高半导体电偶对热端的散热速率，能够实现大功率制冷。

本实用新型提供一种半导体制冷组件，包括：半导体电偶对、与半导体电偶对冷端相连的冷端基板、与半导体电偶对热端相连的热端基板、以及液体冷却器件；其中，所述热端基板包括金属基板、以及连接在金属基板与半导体电偶对之间的导热绝缘层；

所述液体冷却器件包括：与金属基板相连的液体冷却基体，所述液体冷却基体与金属基板相连的安装面上开设置液槽，所述置液槽与金属基板之间设有流动的冷却液体。

如上所述的半导体制冷组件，所述液体冷却基体远离金属基板的底壁内表面设有抵顶在所述底壁内表面和金属基板之间的至少一个隔板，至少一个隔板将置液槽划分为蛇形的液体流道，所述冷却液体在所述液体流道内流动。

如上所述的半导体制冷组件，所述金属基板朝向所述液体冷却基体的表面上设有凹坑，所述凹坑的数量为至少两个，至少两个凹坑与液体流道的位置对应。

如上所述的半导体制冷组件，所述液体冷却基体上与所述底壁相邻的一侧壁上设有进液口和出液口，所述进液口和出液口分别与所述液体流道的始端和末端的位置对应；所述进液口和出液口还与外部的冷却管路连通形成冷却回路，所述冷却回路上设有液体泵。

如上所述的半导体制冷组件，所述冷却回路上还设有热交换器，所述热交换器内设有与所述冷却管路连通的液体通道。

如上所述的半导体制冷组件，所述液体冷却器件还包括用于对所述热交换器进行散热的冷却风扇。

如上所述的半导体制冷组件，所述金属基板为铝基板。

如上所述的半导体制冷组件，所述金属基板朝向所述液体冷却基体的表面上设有相互隔开的至少两个金属片，所述金属片与液体流道的位置对应，且每个金属片沿与其对应的液体流道的长度方向延伸。

如上所述的半导体制冷组件，所述金属基板朝向所述液体冷却基体的表面上设有相互隔开的凸出于该表面上的至少两个金属肋条，所述金属肋条与液体流道的位置对应。

如上所述的半导体制冷组件，所述液体冷却基体的安装面上还设有密封槽，所述密封槽内设有密封圈，用于密封所述液体冷却基体与金属基板之间的间隙。

本实施例采用的技术方案通过采用液体冷却基体与金属基板的热端表面相连，且在液体冷却基体与金属基板之间设有流动的冷却液体，该流动的冷却液体直接与金属基板接触，能够迅速吸收金属基板的热量，降低金属基板的温度，也进一步迅速降低了半导体电偶对热端的温度。

与现有技术中热端基板与散热基板焊接的方式相比，本实施例所提供的技术方案中流动的冷却液体直接与金属基板接触，可迅速对金属基板进行散热，一方面金属基板的热端不存在任何如现有技术中焊料或散热基板自身所具有的热阻，另一方面流动的冷却液体的热容量较大，可大量快速吸收热量，进而能够快速地降低半导体电偶对热端的温度，有利于实现大功率制冷。

附图说明

图1为现有的一种半导体制冷组件的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件的爆炸视图；

图3为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件的结构示意图；

图4为图3中A-A截面的剖视图；

图5为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件的又一结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件中金属基板的结构示意图；

图7为图6中B-B截面的剖视图；

图8为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件中金属基板的又一结构示意图；

图9为图8中C-C截面的剖视图；

图10为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件中金属基板的另一结构示意图；

图11为图10中D-D截面的剖视图。

附图标记：

11-冷端基板； 12-半导体电偶对； 13-热端基板；

14-冷端电极； 15-热端电极； 16-散热基板；

17-翅片； 18-金属基板； 21-液体冷却基体；

22-置液槽； 23-隔板； 24-进液口；

25-出液口； 26-冷却管路； 27-液体泵；

28-热交换器； 29-冷却风扇； 210-密封槽；

211-密封圈； 31-凹坑； 32-凹槽；

33-金属肋条。

具体实施方式

图2为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件的爆炸视图，图3为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件的结构示意图，图4为图3中A-A截面的剖视图。本实施例提供一种半导体制冷组件，包括：半导体电偶对12、与半导体电偶对12冷端相连的冷端基板11、与半导体电偶12对热端相连的热端基板、以及液体冷却器件。

其中，半导体电偶对(也称为P-N电偶对)12的冷端通过冷端电极14连接至冷端基板11上，例如可焊接在冷端基板11上。冷端基板11可以为Al₂O₃陶瓷基板或铝基板，其面积为70mm×50mm。半导体电偶对12的热端通过热端电极15连接至热端基板上，例如通过焊接的方式连接至热端基板上。

热端基板包括金属基板18以及连接在金属基板18与半导体电偶对12之间的导热绝缘层(图中未示出)。具体的，将金属基板18中朝向半导体电偶对12的表面称为冷端表面，背离半导体电偶对12的表面称为热端表面。导热绝缘层敷设在金属基板18的冷端表面。半导体电偶对12的热端通过热端电极15连接至导热绝缘层上，另外，在热端电极15与导热绝缘层之间还设置有导电层，例如采用铜制成。

液体冷却器件包括：与金属基板18热端表面相连的液体冷却基体21，该液体冷却基体21朝向金属基板18的表面称为安装面，该安装面与金属基板18相连，且该安装面上开设置液槽22，置液槽22与金属基板18之间设有流动的冷却液体，则冷却液体可以与金属基板18的热端表面直接接触。冷却液体可以为现有技术中常用的冷却剂，例如水或流动性好的液态化合物等，本实施例采用去离子水，其比热较大，且不具有任何金属离子，避免对金属基板18产生腐蚀。

本实施例采用的技术方案通过采用液体冷却基体与金属基板的热端表面相连，且在液体冷却基体与金属基板之间设有流动的冷却液体，该流动的冷却液体直接与金属基板接触，能够迅速吸收金属基板的热量，降低金属基板的温度，也进一步迅速降低了半导体电偶对热端的温度。

与现有技术中热端基板与散热基板焊接的方式相比，本实施例所提供的技术方案中流动的冷却液体直接与金属基板接触，可迅速对金属基板进行散热，一方面金属基板的热端不存在任何如现有技术中焊料或散热基板自身所具有的热阻，另一方面流动的冷却液体的热容量较大，可大量快速吸收热量，进而能够快速地降低半导体电偶对热端的温度，有利于实现大功率制冷。

并且，现有技术中，由于散热基板与热端基板的贴合方式属于面-面贴合，因此，当散热基板或热端基板发生机械变形，即便是微小变形也会导致二者之间的接触热阻增大，进而降低了热传导效率。而本实施例提供的上述方案中，冷却液体与金属基板的热端表面接触进行换热，该表面为平面，则相当于液体与平面接触换热，则金属基板表面的微小形变不会增大接触热阻，也就不会影响换热效率，有效克服了现有技术中面-面贴合而造成接触热阻增大的问题，进一步具备了实现大功率制冷的能力。

本领域技术人员可以理解的，在金属基板18与液体冷却基体21之间需采用一定的密封手段，确保冷却液体不会从金属基板18与液体冷却基体21的连接缝隙中撒漏。例如采用密封胶粘合、设置密封圈或密封垫等方式。本实施例中，如图2所示，在液体冷却基体21的安装面上设置密封槽210，密封槽210位于置液槽22的边缘，密封槽210内设置密封圈211，用于密封液体冷却基体21和金属基板18之间的间隙。

对于上述液体冷却基体的结构，可以有多种实现方式，例如可采用如下的方式：

如图2和图4所示，在液体冷却基体21远离金属基板18的底壁内表面设有抵顶在底壁内表面和金属基板18之间的至少一个隔板23，至少一个隔板23将置液槽22划分为蛇形的液体流道，冷却液体在蛇形的液体流道内流动。

具体的，冷却液体在蛇形的液体流道内流动可沿设定的方向流动，则冷却液体在流动过程中，与金属基板18的各个部分均可以充分接触，以充分吸收金属基板18的热量，进一步提高冷却液体的吸热量。

进一步的，对于冷却液体在液体流道内流动的实现方式，也可以有多种实现方式，本实施例提供一种具体的方式：

图5为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件的又一结构示意图。如图2、3、5所示，在液体冷却基体21上与底壁相邻的一侧壁上设有进液口24和出液口25，进液口24和出液口25分别与液体流道的始端和末端的位置对应。并且，进液口24和出液口25还与外部的冷却管路26连通形成冷却回路，冷却回路上设有液体泵27，液体泵27可采用直流供电或交流供电。则在液体泵27的作用下，冷却液体可以在冷却管路26和液体流道内循环流动。液体泵27可采用离心泵或潜水泵，其流量为(1-5)L/min，其流量越大，冷却液体的流动速度越快，散热效果越好。

进一步的，还可以在冷却回路上设置热交换器28，热交换器28内设有与冷却管路26连通的液体通道，热交换器28上设置有多个散热孔。当冷却液体流经液体冷却基体21内的液体流道时，吸收金属基板18的热量；当冷却液体流经冷却管路26和热交换器28内的液体通道时，与外部空气进行热交换，将热量传递给外部空气。热交换器28具体可采用现有技术中常用的水排散热器，其散热面积可根据半导体电偶对12所需的换热量来设定。

为了加强热交换，还可以在热交换器28的散热孔处设置用于对热交换器28进行散热的冷却风扇29，冷却风扇29的出风方向可以朝向热交换器28，也可以背离热交换器28，以加快热交换器28周围的空气流动为目的，提高冷却液体与周围空气进行热交换的速度。冷却风扇29的大小可与散热器的水排面积相匹配，其风量、风压参数的选择可根据半导体电偶对12所需的换热量和水排散热器的散热量来进行设定。

由于金属基板18与冷却液体之间的换热量Q满足Q＝hAΔT，其中，h为换热系数，A为换热面积，ΔT为金属基板18与冷却液体之间的温差。因此，若需要提高换热量Q，可以从两方面着手，一是提高换热系数h，二是增大换热面积A。

因此，在上述技术方案的基础上，为了增大冷却液体与金属基板18之间的换热面积，以提高换热量，本实施例还对金属基板18的结构进行改进，如可采用下面的实现方式：

其一，图6为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件中金属基板的结构示意图，图7为图6中B-B截面的剖视图。如图6和图7所示，金属基板18朝向液体冷却基体21的表面上(图7中金属基板18的右侧表面，即金属基板18的热端表面)设置凹坑31，凹坑31凹陷于金属基板18的热端表面，相当于增大了金属基板18与冷却液体接触的换热面积。凹坑31的数量可以为至少两个，凹坑31布设在与液体流道对应的位置处，以使冷却液体在液体流道内流动的过程中，能够进入凹坑31内，与凹坑31的表面接触，与表面为平面的金属基板18相比，增大了冷却液体与金属基板18的接触面积，相当于增大了换热面积，有利于提高换热量。而且，在金属基板18的上述表面上设置凹坑31，相当于减小了金属基板18的厚度，减小了传导热阻，也能够提高换热效果。

凹坑31的数量、尺寸、形状均可以根据液体流道的数量、宽度和长度进行设定。

图8为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件中金属基板18的又一结构示意图，图9为图8中C-C截面的剖视图。如图8和图9所示，或者，可以在金属基板18朝向液体冷却基体21的热端表面上设置凹槽32，凹槽32的长度方向可以沿液体流道的方向延伸。凹槽32凹陷于金属基板18的热端表面，相当于增大了金属基板18与冷却液体接触的换热面积，也能够达到与上述凹坑31相似的散热效果。

其二，在金属基板18朝向液体冷却基体21的表面上设置至少两个金属片，至少两个金属片相互隔开，且金属片布设在与液体流道对应的位置处。则冷却液体不但能够与金属基板18的表面接触，还能够与金属片接触。由于金属片的导热能力较强，因此，金属基板18的热量能够通过金属片进一步快速地传递给冷却液体，提高了换热速度。金属片具体可采用导热能力较强的金属制成，例如铜、铝。金属片可以采用焊接或嵌入等方式设置在金属基板18的热端表面上。

该方案与本实施例所提供的上述方案相比，虽然冷却液体与金属基板18接触的面积减少了，但是由于金属片的导热能力非常好，金属片从金属基板18吸收热量的速度远远大于冷却液体从金属基板18吸收热量的速度，然后冷却液体再从金属片吸收热量，相当于提高了上述换热系数h，也就提高了换热量Q。

金属片的数量、尺寸、形状均可以根据液体流道的数量、宽度和长度进行设定。金属片可粘接、焊接或采用现有技术中常用的敷设金属的手段敷设于金属基板18与冷却液体接触的表面上。

其三，图10为本实用新型实施例提供的半导体制冷组件中金属基板18的另一结构示意图，图11为图10中D-D截面的剖视图。如图10和图11所示，在金属基板18朝向液体冷却基体21的热端表面上设置至少两个凸出于该表面上的金属肋条33(该金属肋条33的形状可参照现有技术中翅片的形状)，至少两个金属肋条33相互隔开，且金属肋条33布设在与液体流道对应的位置处。则冷却液体不但能够与金属基板18的表面接触，还能够与金属肋条33接触，而且金属肋条33高于金属基板18的表面的部分能够伸入液体流道内，增大与冷却液体的接触面积，相当于增大了上述换热面积A，并且还提高了换热系数h，有利于提高换热量Q。

由于金属肋条33的导热能力较强，因此，金属基板18的热量能够通过金属肋条33进一步快速地传递给冷却液体，提高了换热速度。金属肋条33具体可采用导热能力较强的金属制成，例如金、铜、铝。

该方案与本实施例所提供的上述方案相比，虽然冷却液体与金属基板18接触的面积减少了，但是由于金属肋条33的导热能力非常好，金属肋条33从金属基板18吸收热量的速度远远大于冷却液体从金属基板18吸收热量的速度，然后冷却液体再从金属肋条33吸收热量，相当于提高了冷却液体从金属基板18整体吸收热量的速度。

金属肋条33的数量、尺寸、形状均可以根据液体流道的数量、宽度和长度进行设定。金属肋条33可粘接、焊接或采用现有技术中常用的连接金属的手段设置于金属基板18与冷却液体接触的表面上。

除上述三种方式之外，本领域技术人员还可以采用其他的方式对金属基板18进行改进，以提高换热效率。

在上述技术方案的基础上，本实施例还提供一种实现方式，能够进一步提高半导体制冷组件的换热效率。

将金属基板18设置为铝基板，铝基板的面积为80mm×90mm，厚度为1.3mm至1.7mm，优选为1.5mm。铝基板与液体冷却基体21之间可采用螺接的方式进行连接。在铝基板朝向半导体电偶对12的冷端表面上敷设导热绝缘层，导热绝缘层可以采用化学及物理方法在铝基板的表面涂覆而成或采用化学处理而得到的一层非常薄的金属导热且绝缘的材料。并且，导热绝缘层通过化学等手段与热端电极15接合。因此，热端电极15与导热绝缘层之间的热阻、以及铝基板自身的热阻相对较小，能够提高热传导效率。

则半导体电偶对12在金属基板18上产生的热量可以经过较小热阻的导热绝缘层直接传导至铝基板，利用铝基板良好的导热、均温性能，使热量迅速传导至铝基板朝向液体冷却基体21的热端表面，并被冷却液体吸收，能够成倍提高热量的扩散效率，有利于实现大功率制冷。

本实施例所提供的实现方式与现有技术相比，其各部分热阻的分布参见表一。

表一 本实施例提供的半导体制冷组件与现有技术中热阻的分布

其中，R11＝R21，R12＝R22，R13＝R23，R14＝R24，R15＝R25。

本实施例中采用铝基板作为金属基板18，且在金属基板18与半导体电偶对12之间设置导热绝缘层，导热绝缘层与热端电极15相连，R26+R27远小于R16。并且R28远小于R17+R18，因此，本实施例中，半导体电偶对12热端的全部热阻之和远远小于现有技术。降低了热阻，相当于提高了换热效率，有利于实现大功率制冷。

本实施例所提供的上述方案，在半导体电偶对12输入功率为120W时，其最大产冷量可达到60W-70W，能够实现大功率制冷。另外，通过增加半导体电偶对12中P-N点偶的对数和输入功率，匹配好液体冷却换热部分，还能够进一步增大制冷功率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种半导体制冷组件，其特征在于，包括：半导体电偶对、与半导体电偶对冷端相连的冷端基板、与半导体电偶对热端相连的热端基板、以及液体冷却器件；其中，所述热端基板包括金属基板、以及连接在金属基板与半导体电偶对之间的导热绝缘层；

所述液体冷却器件包括：与金属基板相连的液体冷却基体，所述液体冷却基体与金属基板相连的安装面上开设置液槽，所述置液槽与金属基板之间设有流动的冷却液体。

2.根据权利要求1所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述液体冷却基体远离金属基板的底壁内表面设有抵顶在所述底壁内表面和金属基板之间的至少一个隔板，至少一个隔板将置液槽划分为蛇形的液体流道，所述冷却液体在所述液体流道内流动。

3.根据权利要求2所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述金属基板朝向所述液体冷却基体的表面上设有凹坑，所述凹坑的数量为至少两个，至少两个凹坑与液体流道的位置对应。

4.根据权利要求3所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述液体冷却基体上与所述底壁相邻的一侧壁上设有进液口和出液口，所述进液口和出液口分别与所述液体流道的始端和末端的位置对应；所述进液口和出液口还与外部的冷却管路连通形成冷却回路，所述冷却回路上设有液体泵。

5.根据权利要求4所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述冷却回路上还设有热交换器，所述热交换器内设有与所述冷却管路连通的液体通道。

6.根据权利要求5所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述液体冷却器件还包括用于对所述热交换器进行散热的冷却风扇。

7.根据权利要求1-6任一项所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述金属基板为铝基板。

8.根据权利要求2所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述金属基板朝向所述液体冷却基体的表面上设有相互隔开的至少两个金属片，所述金属片与液体流道的位置对应，且每个金属片沿与其对应的液体流道的长度方向延伸。

9.根据权利要求2所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述金属基板朝向所述液体冷却基体的表面上设有相互隔开的凸出于该表面上的至少两个金属肋条，所述金属肋条与液体流道的位置对应。

10.根据权利要求1-6任一项所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述液体冷却基体的安装面上还设有密封槽，所述密封槽内设有密封圈，用于密封所述液体冷却基体与金属基板之间的间隙。