[發明專利]一種半導體熱電制冷器結構及強化換熱方法

有效

• 申請號: 202210830313.4
• 申請日: 2022-07-15
• 公開（公告）號: CN115164445B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 趙亮;熊長武;翁夏;胡家渝;馮剛英
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十研究所
• 主分類號: F25B21/02
• 分類號: F25B21/02;H10N10/13;H10N10/17
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 張洋

本發明公開了一種半導體熱電制冷器結構及強化換熱方法，涉及半導體熱電制冷技術領域，包括：冷端換熱板、熱端換熱板、冷端電極換熱器、熱端電極換熱器、P/N型粒子、冷端換熱流體、熱端換熱流體；本發明在冷端電極換熱器與冷端換熱板及熱端電極換熱器與熱端換熱板間的空腔中充注換熱流體，采用換熱流體的蒸發與冷凝實現熱電制冷器冷熱端的強化換熱，有效降低了半導體熱電制冷器冷端與熱端電極與絕緣基板的傳熱熱阻，解決了熱電制冷器電極及絕緣基板熱阻對制冷器制冷性能與可靠性的影響。

技術領域

本發明涉及半導體熱電制冷技術領域，具體涉及一種半導體熱電制冷器結構及強化換熱方法，特別滿足高功率密度電子器件的冷卻及小型制冷應用場合要求。

背景技術

半導體熱電制冷是利用熱電材料珀爾貼效應的制冷方式，因其無運動部件、無噪聲及可靠性高等技術優勢，在電子器件冷卻及其他高精度溫度控制領域得到日益廣泛的應用。

半導體熱電制冷器通常包括相對設置的冷端與熱端基板，在兩個基板之間具有依次間隔串聯的P型半導體熱電粒子和N型半導體熱電粒子，在對半導體粒子通電后可進行制冷或制熱；半導體熱電制冷器的制冷或制熱性能除與所述的P型與N型熱電粒子的材料熱電性能有關外，還受其封裝結構與工藝限制，特別是冷熱端電極與基板的熱阻與電阻，在熱電材料性能及冷熱端工作環境一定條件下，熱電制冷器冷熱端電極及基板的熱阻會增大熱電制冷器冷熱端工作溫差，導致熱電制冷器制冷性能衰減、可靠性降低，甚至影響其使用壽命。

在工程設計中，高性能熱電制冷器基板材料通常為絕緣的氮化鋁或氧化鋁陶瓷，但陶瓷絕緣基板與半導體粒子電極間為固體導熱方式傳熱，因受陶瓷基板材料導熱性能的影響，半導體熱電制冷器的冷熱端與其二次側換熱介質或熱源/熱匯間較大的傳熱溫差，影響半導體熱電制冷器的性能，致使其制冷性能衰減，可靠性降低。

發明內容

本發明的目的在于：針對目前在熱電材料性能及冷熱端工作環境一定條件下，熱電制冷器冷熱端電極及基板的熱阻會增大熱電制冷器冷熱端工作溫差，導致熱電制冷器制冷性能衰減、可靠性降低，甚至影響其使用壽命的問題，提供了一種半導體熱電制冷器結構及強化換熱方法，通過冷熱端電極與換熱一體化結構及相變工質浸沒換熱強化冷熱端換熱，降低冷熱端傳熱熱阻，以解決半導體熱電制冷器冷熱端電極及基板傳熱熱阻對制冷器制冷性能的影響，達到減小半導體熱電制冷器工作溫差，提高熱電制冷器的制冷性能的目的，從而解決了上述問題。

本發明的技術方案如下：

一種半導體熱電制冷器結構，包括：

作為低溫冷端換熱的冷端換熱板和作為高溫熱端換熱的熱端換熱板，所述冷端換熱板和熱端換熱板相對設置；

作為冷端吸熱的冷端電極換熱器，所述冷端電極換熱器通過冷端電極換熱器定位格柵固定在冷端換熱板的內側；

作為熱端冷卻的熱端電極換熱器，所述熱端電極換熱器通過熱端電極換熱器定位格柵固定在熱端換熱板的內側；

P/N型粒子，所述P/N型粒子位于熱端電極換熱器與冷端電極換熱器之間；

作為低溫冷端換熱的冷端換熱流體，所述冷端換熱流體置于冷端換熱板與冷端電極換熱器之間；

作為高溫熱端換熱的熱端換熱流體，所述熱端換熱流體置于熱端換熱板與熱端電極換熱器之間。

進一步地，所述冷端電極換熱器和熱端電極換熱器均為一側表面平滑、另一側表面為用于強化換熱的帶翅片或肋條的金屬電極；

所述的P/N型粒子焊接于冷端電極換熱器與熱端電極換熱器之間。

進一步地，所述冷端換熱板采用良好導熱性能的金屬材質制成；

所述冷端換熱板的底板內表面設置有用于強化換熱的冷端換熱板換熱肋條；

所述冷端換熱板位于冷端電極換熱器下側。