本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制冷技術(shù),尤其涉及一種半導(dǎo)體制冷組件及冰淇淋機(jī)。
背景技術(shù):
半導(dǎo)體制冷芯片(tec,thermoelectriccooler)是利用珀?duì)栙N(peltier)效應(yīng)制成的一種制冷器件,其主要的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體電偶對(也稱為p-n電偶對),當(dāng)向半導(dǎo)體電偶對加設(shè)一定的電壓之后,半導(dǎo)體電偶對的冷端和熱端會(huì)產(chǎn)生一定的溫差。當(dāng)其熱端的熱量被散發(fā)出去后,其冷端會(huì)產(chǎn)生一定的冷量,實(shí)現(xiàn)制冷。由于半導(dǎo)體制冷芯片制成的制冷器件體積小、制冷效率高,已經(jīng)開始在冰淇淋機(jī)等小型家用電器中得到推廣和應(yīng)用。
圖1為現(xiàn)有的一種半導(dǎo)體制冷組件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示,現(xiàn)有的一種利用半導(dǎo)體制冷芯片制成的制冷組件包括冷端基板11、半導(dǎo)體電偶對12和熱端基板13,其中,半導(dǎo)體電偶對12的冷端通過冷端電極14與冷端基板11連接,半導(dǎo)體電偶對12的熱端通過熱端電極15與熱端基板13的一側(cè)表面連接,具體通過焊接的方式進(jìn)行連接。熱端基板13的另一側(cè)表面焊接有散熱結(jié)構(gòu),該散熱結(jié)構(gòu)包括散熱基板16和翅片17,其中,散熱基板16焊接在熱端基板13上。半導(dǎo)體電偶對12熱端的熱量經(jīng)過焊料先傳導(dǎo)至熱端基板13,再通過散熱基板16傳導(dǎo)至翅片17,通過翅片17與周圍的空氣進(jìn)行熱交換,降半導(dǎo)體電偶對12熱端的熱量。
上述制冷組件中,由于熱端基板13與散熱基板16是通過焊接的方式固定的,半導(dǎo)體電偶對12熱端的熱量依次經(jīng)過熱端基板13、焊料和散熱基板16進(jìn)行傳導(dǎo),除去熱端基板13和散熱基板16自身所具有的熱阻之外,二者之間的焊料也存在較大的熱阻,嚴(yán)重影響了熱量的傳導(dǎo)速率。并且,翅片與周圍空氣進(jìn)行熱交換的速率也非常低,也在很大程度上影響了半導(dǎo)體電偶對12熱端熱量的散發(fā)。因此,受焊料具有較大熱阻和翅片與空氣進(jìn)行熱交換速度較慢的影響,現(xiàn)有的半導(dǎo)體制冷組件只適用于小功率制冷,而無法實(shí)現(xiàn)大功率制冷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體制冷組件及冰淇淋機(jī),用于提高半導(dǎo)體電偶對熱端的散熱速率,能夠?qū)崿F(xiàn)大功率制冷。
本發(fā)明實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體制冷組件,包括:半導(dǎo)體電偶對、與半導(dǎo)體電偶對冷端相連的冷端基板、與半導(dǎo)體電偶對熱端相連的熱端基板、以及液體冷卻器件;其中,所述熱端基板包括金屬基板、以及連接在金屬基板與半導(dǎo)體電偶對之間的導(dǎo)熱絕緣層;
液體冷卻器件包括:與金屬基板相連的液體冷卻基體,所述液體冷卻基體與金屬基板相連的安裝面上開設(shè)置液槽,所述置液槽與金屬基板之間設(shè)有流動(dòng)的冷卻液體;
所述金屬基板與液體冷卻基體相連的熱端面上設(shè)有金屬板,所述金屬板沿與所述熱端面平行的方向延伸;所述金屬板上設(shè)有沿垂直于熱端面方向延伸的至少兩個(gè)金屬導(dǎo)熱部,所述金屬導(dǎo)熱部伸入所述置液槽內(nèi)。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述液體冷卻基體遠(yuǎn)離金屬基板的底壁內(nèi)表面設(shè)有抵頂在所述底壁內(nèi)表面和金屬基板之間的至少一個(gè)隔板,至少一個(gè)隔板將置液槽劃分為蛇形的液體流道,所述冷卻液體在所述液體流道內(nèi)流動(dòng)。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述金屬導(dǎo)熱部的位置與所述液體流道對應(yīng)。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述金屬板的面積大于所述置液槽的開口面積。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述金屬導(dǎo)熱部與冷卻液體接觸的表面上設(shè)有凹坑。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述金屬導(dǎo)熱部朝向液體冷卻基體的底壁的端部上設(shè)有豁口。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述液體冷卻基體上與所述底壁相鄰的一側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)液口和出液口,所述進(jìn)液口和出液口分別與所述液體流道的始端和末端的位置對應(yīng);所述進(jìn)液口和出液口還與外部的冷卻管路連通形成冷卻回路,所述冷卻回路上設(shè)有液體泵。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述冷卻回路上還設(shè)有熱交換器,所述熱交換器內(nèi)設(shè)有與所述冷卻管路連通的液體通道;
所述液體冷卻器件還包括用于對所述熱交換器進(jìn)行散熱的冷卻風(fēng)扇。
如上所述的半導(dǎo)體制冷組件,所述金屬基板為鋁基板。
本發(fā)明實(shí)施例還提供一種冰淇淋機(jī),包括如上所述的半導(dǎo)體制冷組件。
本發(fā)明實(shí)施例采用的技術(shù)方案通過采用液體冷卻基體與金屬基板的熱端面相連,且在熱端面上設(shè)置金屬板,并在金屬板上設(shè)置金屬導(dǎo)熱部,以使液體冷卻基體與金屬基板之間的冷卻液體能夠與金屬導(dǎo)熱部和金屬板直接接觸,在一定程度上提高了換熱面積,增大換熱量,使得冷卻液體能夠迅速吸收金屬基板的熱量,降低金屬基板的溫度,也進(jìn)一步迅速降低了半導(dǎo)體電偶對熱端的溫度,有利于實(shí)現(xiàn)大功率制冷。
附圖說明
圖1為現(xiàn)有的一種半導(dǎo)體制冷組件的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件的爆炸視圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板的透視圖;
圖4為圖3中a-a截面的示意圖;
圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6為圖5中b-b截面的示意圖;
圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板和金屬導(dǎo)熱部的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖9為圖8中的c-c截面的示意圖;
圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板和金屬導(dǎo)熱部的又一結(jié)構(gòu)示意圖;
圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件的又一結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記:
11-冷端基板;12-半導(dǎo)體電偶對;13-熱端基板;
14-冷端電極;15-熱端電極;16-散熱基板;
17-翅片;18-金屬基板;21-液體冷卻基體;
22-置液槽;23-隔板;24-進(jìn)液口;
25-出液口;26-冷卻管路;27-液體泵;
28-熱交換器;29-冷卻風(fēng)扇;210-密封槽;
211-密封圈;31-凹坑;32-豁口;
131-金屬板;132-金屬導(dǎo)熱部。
具體實(shí)施方式
圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件的爆炸視圖,圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板的透視圖,圖4為圖3中a-a截面的示意圖,圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件的結(jié)構(gòu)示意圖,圖6為圖5中b-b截面的示意圖。本實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體制冷組件,包括:半導(dǎo)體電偶對12、與半導(dǎo)體電偶對12冷端相連的冷端基板11、與半導(dǎo)體電偶12對熱端相連的熱端基板、以及液體冷卻器件。
其中,半導(dǎo)體電偶對(也稱為p-n電偶對)12的冷端通過冷端電極14連接至冷端基板11上,例如可焊接在冷端基板11上。冷端基板11可以為al2o3陶瓷基板或鋁基板,其面積為70mm×50mm。半導(dǎo)體電偶對12的熱端通過熱端電極15連接至熱端基板上,例如通過焊接的方式連接至熱端基板上。
熱端基板包括金屬基板18以及連接在金屬基板18與半導(dǎo)體電偶對12之間的導(dǎo)熱絕緣層(圖中未示出)。具體的,將金屬基板18中朝向半導(dǎo)體電偶對12的表面稱為冷端面,背離半導(dǎo)體電偶對12的表面稱為熱端面。導(dǎo)熱絕緣層敷設(shè)在金屬基板18的冷端面。半導(dǎo)體電偶對12的熱端通過熱端電極15連接至導(dǎo)熱絕緣層上,另外,在熱端電極15與導(dǎo)熱絕緣層之間還設(shè)置有導(dǎo)電層,例如采用銅制成。
液體冷卻器件包括:與金屬基板18的熱端面相連的液體冷卻基體21,該液體冷卻基體21朝向金屬基板18的表面為安裝面,該安裝面與金屬基板18相連,且安裝面上開設(shè)置液槽22,置液槽22與金屬基板18之間設(shè)有流動(dòng)的冷卻液體,則冷卻液體可以與金屬基板18的熱端面直接接觸。冷卻液體可以為現(xiàn)有技術(shù)中常用的冷卻劑,例如水或流動(dòng)性好的液態(tài)化合物等,本實(shí)施例采用去離子水,其比熱較大,且不具有任何金屬離子,避免對金屬基板18產(chǎn)生腐蝕。
在金屬基板18的熱端面上設(shè)有金屬板131,金屬板131平鋪在熱端面上,也即沿與熱端面平行的方向延伸。金屬板131上設(shè)有至少兩個(gè)金屬導(dǎo)熱部132,金屬導(dǎo)熱部132沿垂直于熱端面的方向延伸至伸入置液槽22內(nèi),與冷卻液體接觸。為了方便示意出金屬導(dǎo)熱部132的結(jié)構(gòu),圖2示出的金屬板131為透視圖,金屬導(dǎo)熱部132位于金屬板131的下方。
上述技術(shù)方案中,金屬基板18與冷卻液體之間的換熱量q可通過如下?lián)Q熱公式得到:
q=ha(th-tw),
其中,h為金屬基板18與冷卻液體之間的換熱系數(shù),a為金屬基板18與冷卻液體之間的換熱面積,th為金屬基板18熱端面的溫度,tw為冷卻液體的溫度。
由上述換熱公式可推出:
當(dāng)換熱量q和為冷卻液體的溫度tw一定時(shí),可采用提高金屬基板18與冷卻液體之間的換熱系數(shù)h及換熱面積a的方式來達(dá)到降低金屬基板18熱端面的溫度th的目的。由于金屬基板18本身的面積有限,而為了保證導(dǎo)熱效果,金屬基板18的厚度也有限,因此,本實(shí)施例采用上述在金屬基板18的熱端面設(shè)置金屬板131和金屬導(dǎo)熱部132的方案,能夠增大金屬基板18與冷卻液體的接觸面積,也就達(dá)到了提高換熱面積a及提高換熱系數(shù)h的目的。
具體的,將上述公式進(jìn)一步進(jìn)行變換,得到:
即:將金屬基板18與冷卻液體之間換熱部分熱阻
本實(shí)施例中的金屬板131的材質(zhì)可以為鋁、銅、或其他導(dǎo)熱性能較好的金屬。金屬板131與金屬基板18的連接方式可采用焊接的手段。則傳導(dǎo)熱阻rt可通過如下公式得到:
其中,δ為焊料的厚度,κ為焊料的導(dǎo)熱系數(shù),r”t為金屬板131和金屬導(dǎo)熱部132的傳導(dǎo)熱阻。由于r”t遠(yuǎn)小于
本實(shí)施例采用的技術(shù)方案通過采用液體冷卻基體與金屬基板的熱端面相連,且在熱端面上設(shè)置金屬板,并在金屬板上設(shè)置金屬導(dǎo)熱部,以使液體冷卻基體與金屬基板之間的冷卻液體能夠與金屬導(dǎo)熱部和金屬板直接接觸,在一定程度上提高了換熱面積,增大換熱量,使得冷卻液體能夠迅速吸收金屬基板的熱量,降低金屬基板的溫度,也進(jìn)一步迅速降低了半導(dǎo)體電偶對熱端的溫度,有利于實(shí)現(xiàn)大功率制冷。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的,在金屬基板18與液體冷卻基體21之間需采用一定的密封手段,確保冷卻液體不會(huì)從金屬基板18與液體冷卻基體21的連接縫隙中撒漏。例如采用密封膠粘合、設(shè)置密封圈或密封墊等方式。本實(shí)施例中,如圖2所示,在液體冷卻基體21的安裝面上設(shè)置密封槽210,密封槽210位于置液槽22的邊緣,密封槽210內(nèi)設(shè)置密封圈211,用于密封液體冷卻基體21和金屬基板18之間的間隙。
對于上述液體冷卻基體的結(jié)構(gòu),可以有多種實(shí)現(xiàn)方式,例如可采用如下的方式:
如圖2所示,在液體冷卻基體21遠(yuǎn)離金屬基板18的底壁內(nèi)表面設(shè)有抵頂在底壁內(nèi)表面和金屬基板18之間的至少一個(gè)隔板23,至少一個(gè)隔板23將置液槽22劃分為蛇形的液體流道或多個(gè)支流道,冷卻液體在液體流道內(nèi)流動(dòng)。金屬導(dǎo)熱部132的位置與液體流道對應(yīng)。例如圖2中液體流道被分割為多個(gè)長條狀的通道,相鄰?fù)ǖ赖亩瞬客ㄟ^彎曲狀的通道相連。每一個(gè)長條狀的通道與一個(gè)、兩個(gè)或大于兩個(gè)金屬導(dǎo)熱部132位置對應(yīng),以使該金屬導(dǎo)熱部132能夠與流經(jīng)此通道內(nèi)的冷卻液體接觸進(jìn)行換熱。金屬導(dǎo)熱部132的長度、高度可以根據(jù)長條狀通道的長度、深度來設(shè)定,盡可能增大與冷卻液體的接觸面積。
進(jìn)一步的,若金屬板131與金屬基板18采用焊接的方式連接,為了避免冷卻液體與焊料接觸產(chǎn)生腐蝕,可以將金屬板131的面積設(shè)置為大于置液槽22的開口面積,使得冷卻液體只能與金屬板131和金屬導(dǎo)熱部132接觸,而不會(huì)接觸到焊料,并且也不會(huì)增大焊料的熱阻。
另外,將金屬板131整體焊接至金屬基板18上,使得每個(gè)金屬導(dǎo)熱部132在與流動(dòng)的冷卻液體接觸時(shí)受到的應(yīng)力都能夠分散至整個(gè)金屬板131上,能夠避免金屬導(dǎo)熱部132因受力過大而發(fā)生變形。
冷卻液體在蛇形的液體流道內(nèi)流動(dòng)可沿設(shè)定的方向流動(dòng),則冷卻液體在流動(dòng)過程中,與金屬導(dǎo)熱部132和金屬板131的各個(gè)部分均可以充分接觸,以充分吸收金屬基板18的熱量,進(jìn)一步提高冷卻液體的吸熱量。
除了本實(shí)施例提供的上述方案之外,還可以對半導(dǎo)體制冷組件進(jìn)行改進(jìn):
圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板和金屬導(dǎo)熱部的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示,冷卻液體從金屬導(dǎo)熱部132的兩側(cè)流過。在金屬導(dǎo)熱部132上開設(shè)豁口32,每個(gè)金屬導(dǎo)熱部132上開設(shè)的豁口32的數(shù)量可以為至少兩個(gè)。開設(shè)豁口32能夠改變冷卻液體在液體流道內(nèi)流動(dòng)的狀態(tài),例如產(chǎn)生湍流等,增大了冷卻液體與金屬導(dǎo)熱部132的換熱系數(shù),能夠提高換熱效果。
還可以在金屬導(dǎo)熱部132與冷卻液體接觸的表面上設(shè)置凹坑31,相當(dāng)于增大了金屬導(dǎo)熱部132與冷卻液體接觸的面積,增大換熱面積,有利于提高換熱效率。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板的結(jié)構(gòu)示意圖,圖9為圖8中的c-c截面的示意圖。上述金屬導(dǎo)熱部132還可以采用如圖8和圖9所示的結(jié)構(gòu),一個(gè)金屬導(dǎo)熱部132被分割為多段。冷卻液體從金屬導(dǎo)熱部的兩側(cè)流過。冷卻液體在液體流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)受金屬導(dǎo)熱部132的擾動(dòng)可產(chǎn)生湍流等,增大了冷卻液體與金屬導(dǎo)熱部132的換熱系數(shù),能夠提高換熱效果。
圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件中金屬板和金屬導(dǎo)熱部的又一結(jié)構(gòu)示意圖。或者,還可以將金屬導(dǎo)熱部132設(shè)置為至少兩個(gè)針狀的結(jié)構(gòu),如圖10所示,金屬導(dǎo)熱部132的根部固定在金屬板131上,其尖端伸入置液槽22內(nèi)與冷卻液體接觸。冷卻液體從金屬導(dǎo)熱部的周圍流過。冷卻液體在液體流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)受金屬導(dǎo)熱部132的擾動(dòng)可產(chǎn)生湍流等,增大了冷卻液體與金屬導(dǎo)熱部132的換熱系數(shù),能夠提高換熱效果。
或者,上述針狀結(jié)構(gòu)也可以為柱狀結(jié)構(gòu)、不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)等。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以設(shè)計(jì)其他的結(jié)構(gòu),本實(shí)施例不再一一列舉。
進(jìn)一步的,對于冷卻液體在液體流道內(nèi)流動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式,也可以有多種實(shí)現(xiàn)方式,本實(shí)施例提供一種具體的方式:
圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體制冷組件的又一結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2和圖11所示,在液體冷卻基體21上與底壁相鄰的一側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)液口24和出液口25,進(jìn)液口24和出液口25分別與液體流道的始端和末端的位置對應(yīng)。并且,進(jìn)液口24和出液口25還與外部的冷卻管路26連通形成冷卻回路,冷卻回路上設(shè)有液體泵27,液體泵27可采用直流供電或交流供電。則在液體泵27的作用下,冷卻液體可以在冷卻管路26和液體流道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。液體泵27可采用離心泵或潛水泵,其流量為(1-5)l/min,其流量越大,冷卻液體的流動(dòng)速度越快,散熱效果越好。
進(jìn)一步的,還可以在冷卻回路上設(shè)置熱交換器28,熱交換器28內(nèi)設(shè)有與冷卻管路26連通的液體通道,熱交換器28上設(shè)置有多個(gè)散熱孔。當(dāng)冷卻液體流經(jīng)液體冷卻基體21內(nèi)的液體流道時(shí),吸收金屬基板18的熱量;當(dāng)冷卻液體流經(jīng)冷卻管路26和熱交換器28內(nèi)的液體通道時(shí),與外部空氣進(jìn)行熱交換,將熱量傳遞給外部空氣。熱交換器28具體可采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的水排散熱器,其散熱面積可根據(jù)半導(dǎo)體電偶對12所需的換熱量來設(shè)定。
為了加強(qiáng)熱交換,還可以在熱交換器28的散熱孔處設(shè)置用于對熱交換器28進(jìn)行散熱的冷卻風(fēng)扇29,冷卻風(fēng)扇29的出風(fēng)方向可以朝向熱交換器28,也可以背離熱交換器28,以加快熱交換器28周圍的空氣流動(dòng)為目的,提高冷卻液體與周圍空氣進(jìn)行熱交換的速度。冷卻風(fēng)扇29的大小可與散熱器的水排面積相匹配,其風(fēng)量、風(fēng)壓參數(shù)的選擇可根據(jù)半導(dǎo)體電偶對12所需的換熱量和水排散熱器的散熱量來進(jìn)行設(shè)定。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,本實(shí)施例還提供一種實(shí)現(xiàn)方式,能夠進(jìn)一步提高半導(dǎo)體制冷組件的換熱效率。
將金屬基板18設(shè)置為鋁基板,鋁基板的面積為80mm×90mm,厚度為1.3mm至1.7mm,優(yōu)選為1.5mm。鋁基板與液體冷卻基體21之間可采用螺接的方式進(jìn)行連接。在鋁基板朝向半導(dǎo)體電偶對12的冷端面上敷設(shè)導(dǎo)熱絕緣層,導(dǎo)熱絕緣層可以采用化學(xué)及物理方法在鋁基板的表面涂覆而成或采用化學(xué)處理而得到的一層非常薄的金屬導(dǎo)熱且絕緣的材料。并且,導(dǎo)熱絕緣層通過化學(xué)等手段與熱端電極15接合。因此,熱端電極15與導(dǎo)熱絕緣層之間的熱阻、以及鋁基板自身的熱阻相對較小,能夠提高熱傳導(dǎo)效率。
則半導(dǎo)體電偶對12在熱端電極15上產(chǎn)生的熱量可以經(jīng)過較小熱阻的導(dǎo)熱絕緣層直接傳導(dǎo)至鋁基板,利用鋁基板良好的導(dǎo)熱、均溫性能,使熱量迅速傳導(dǎo)至鋁基板朝向液體冷卻基體21的表面,并被冷卻液體吸收,能夠成倍提高熱量的擴(kuò)散效率,有利于實(shí)現(xiàn)大功率制冷。
本實(shí)施例還提供一種冰淇淋機(jī),采用上述任一種實(shí)施方式所提供的半導(dǎo)體制冷組件,能夠快速降低半導(dǎo)體電偶對熱端的溫度,有利于實(shí)現(xiàn)大功率制冷。
最后應(yīng)說明的是:以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案,而非對其限制;盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改,或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;而這些修改或者替換,并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。