本發(fā)明涉及半導體制冷技術(shù)，尤其涉及一種半導體制冷組件及冰淇淋機。

背景技術(shù)：

半導體制冷芯片(tec，thermoelectriccooler)是利用珀爾貼(peltier)效應制成的一種制冷器件，其主要的結(jié)構(gòu)為半導體電偶對(也稱為p-n電偶對)，當向半導體電偶對加設(shè)一定的電壓之后，半導體電偶對的冷端和熱端會產(chǎn)生一定的溫差。當其熱端的熱量被散發(fā)出去后，其冷端會產(chǎn)生一定的冷量，實現(xiàn)制冷。由于半導體制冷芯片制成的制冷器件體積小、制冷效率高，已經(jīng)開始在冰淇淋機等小型家用電器中得到推廣和應用。

圖1為現(xiàn)有的一種半導體制冷組件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，現(xiàn)有的一種利用半導體制冷芯片制成的制冷組件包括冷端基板11、半導體電偶對12和熱端基板13，其中，半導體電偶對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。半導體電偶對12熱端的熱量經(jīng)過焊料先傳導至熱端基板13，再通過散熱基板16傳導至翅片17，通過翅片17與周圍的空氣進行熱交換，降半導體電偶對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進行傳導，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，嚴重影響了熱量的傳導速率。并且，翅片與周圍空氣進行熱交換的速率也非常低，也在很大程度上影響了半導體電偶對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行熱交換速度較慢的影響，現(xiàn)有的半導體制冷組件只適用于小功率制冷，而無法實現(xiàn)大功率制冷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種半導體制冷組件及冰淇淋機，用于提高半導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)明實施例提供一種半導體制冷組件，包括：半導體電偶對、與半導體電偶對冷端相連的冷端基板、與半導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體電偶對之間的導熱絕緣層；

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金屬導熱部，所述金屬導熱部伸入所述置液槽內(nèi)。

如上所述的半導體制冷組件，所述液體冷卻基體遠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隔板，至少一個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。

如上所述的半導體制冷組件，所述金屬導熱部的位置與所述液體流道對應。

如上所述的半導體制冷組件，所述金屬板的面積大于所述置液槽的開口面積。

如上所述的半導體制冷組件，所述金屬導熱部與冷卻液體接觸的表面上設(shè)有凹坑。

如上所述的半導體制冷組件，所述金屬導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)有進液口和出液口，所述進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；所述進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行散熱的冷卻風扇。

如上所述的半導體制冷組件，所述金屬基板為鋁基板。

本發(fā)明實施例還提供一種冰淇淋機，包括如上所述的半導體制冷組件。

本發(fā)明實施例采用的技術(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，也進一步迅速降低了半導體電偶對熱端的溫度，有利于實現(xiàn)大功率制冷。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的一種半導體制冷組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的半導體制冷組件的爆炸視圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的半導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)明實施例提供的半導體制冷組件的結(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)明實施例提供的半導體制冷組件中金屬板和金屬導熱部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例提供的半導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)明實施例提供的半導體制冷組件中金屬板和金屬導熱部的又一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明實施例提供的半導體制冷組件的又一結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記：

11-冷端基板；12-半導體電偶對；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-進液口；

25-出液口；26-冷卻管路；27-液體泵；

28-熱交換器；29-冷卻風扇；210-密封槽；

211-密封圈；31-凹坑；32-豁口；

131-金屬板；132-金屬導熱部。

具體實施方式

圖2為本發(fā)明實施例提供的半導體制冷組件的爆炸視圖，圖3為本發(fā)明實施例提供的半導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)明實施例提供的半導體制冷組件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為圖5中b-b截面的示意圖。本實施例提供一種半導體制冷組件，包括：半導體電偶對12、與半導體電偶對12冷端相連的冷端基板11、與半導體電偶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與半導體電偶對12之間的導熱絕緣層(圖中未示出)。具體的，將金屬基板18中朝向半導體電偶對12的表面稱為冷端面，背離半導體電偶對12的表面稱為熱端面。導熱絕緣層敷設(shè)在金屬基板18的冷端面。半導體電偶對12的熱端通過熱端電極15連接至導熱絕緣層上，另外，在熱端電極15與導熱絕緣層之間還設(shè)置有導電層，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，例如水或流動性好的液態(tài)化合物等，本實施例采用去離子水，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)有至少兩個金屬導熱部132，金屬導熱部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熱部132的結(jié)構(gòu)，圖2示出的金屬板131為透視圖，金屬導熱部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：

當換熱量q和為冷卻液體的溫度tw一定時，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，而為了保證導熱效果，金屬基板18的厚度也有限，因此，本實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，將上述公式進一步進行變換，得到：

即：將金屬基板18與冷卻液體之間換熱部分熱阻分解為兩部分：傳導熱阻rt和新的換熱部分熱阻其中，傳導熱阻rt包括金屬基板18與金屬板131、金屬板131與金屬導熱部132、以及金屬導熱部132與冷卻液體之間的傳導熱阻，h'為金屬基板18、金屬板131、金屬導熱部132與冷卻液體之間的換熱系數(shù)，a為金屬基板18、金屬板131、金屬導熱部132與冷卻液體之間的換熱面積。

本實施例中的金屬板131的材質(zhì)可以為鋁、銅、或其他導熱性能較好的金屬。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為焊料的導熱系數(shù)，r”t為金屬板131和金屬導熱部132的傳導熱阻。由于r”t遠小于則因此，只需要滿足即：就能夠提高金屬基板18與冷卻液體之間的換熱性能。例如：降低焊料層的厚度δ，提高焊料的導熱系數(shù)κ，增加金屬導熱部132的面積a'，提高換熱系數(shù)h'。

本實施例采用的技術(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，也進一步迅速降低了半導體電偶對熱端的溫度，有利于實現(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之間的至少一個隔板23，至少一個隔板23將置液槽22劃分為蛇形的液體流道或多個支流道，冷卻液體在液體流道內(nèi)流動。金屬導熱部132的位置與液體流道對應。例如圖2中液體流道被分割為多個長條狀的通道，相鄰通道的端部通過彎曲狀的通道相連。每一個長條狀的通道與一個、兩個或大于兩個金屬導熱部132位置對應，以使該金屬導熱部132能夠與流經(jīng)此通道內(nèi)的冷卻液體接觸進行換熱。金屬導熱部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和金屬導熱部132接觸，而不會接觸到焊料，并且也不會增大焊料的熱阻。

另外，將金屬板131整體焊接至金屬基板18上，使得每個金屬導熱部132在與流動的冷卻液體接觸時受到的應力都能夠分散至整個金屬板131上，能夠避免金屬導熱部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)流動可沿設(shè)定的方向流動，則冷卻液體在流動過程中，與金屬導熱部132和金屬板131的各個部分均可以充分接觸，以充分吸收金屬基板18的熱量，進一步提高冷卻液體的吸熱量。

除了本實施例提供的上述方案之外，還可以對半導體制冷組件進行改進：

圖7為本發(fā)明實施例提供的半導體制冷組件中金屬板和金屬導熱部的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，冷卻液體從金屬導熱部132的兩側(cè)流過。在金屬導熱部132上開設(shè)豁口32，每個金屬導熱部132上開設(shè)的豁口32的數(shù)量可以為至少兩個。開設(shè)豁口32能夠改變冷卻液體在液體流道內(nèi)流動的狀態(tài)，例如產(chǎn)生湍流等，增大了冷卻液體與金屬導熱部132的換熱系數(shù)，能夠提高換熱效果。

還可以在金屬導熱部132與冷卻液體接觸的表面上設(shè)置凹坑31，相當于增大了金屬導熱部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)明實施例提供的半導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。上述金屬導熱部132還可以采用如圖8和圖9所示的結(jié)構(gòu)，一個金屬導熱部132被分割為多段。冷卻液體從金屬導熱部的兩側(cè)流過。冷卻液體在液體流道內(nèi)流動時受金屬導熱部132的擾動可產(chǎn)生湍流等，增大了冷卻液體與金屬導熱部132的換熱系數(shù)，能夠提高換熱效果。

圖10為本發(fā)明實施例提供的半導體制冷組件中金屬板和金屬導熱部的又一結(jié)構(gòu)示意圖。或者，還可以將金屬導熱部132設(shè)置為至少兩個針狀的結(jié)構(gòu)，如圖10所示，金屬導熱部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。冷卻液體從金屬導熱部的周圍流過。冷卻液體在液體流道內(nèi)流動時受金屬導熱部132的擾動可產(chǎn)生湍流等，增大了冷卻液體與金屬導熱部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)計其他的結(jié)構(gòu)，本實施例不再一一列舉。

進一步的，對于冷卻液體在液體流道內(nèi)流動的實現(xiàn)方式，也可以有多種實現(xiàn)方式，本實施例提供一種具體的方式：

圖11為本發(fā)明實施例提供的半導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)有進液口24和出液口25，進液口24和出液口25分別與液體流道的始端和末端的位置對應。并且，進液口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。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，冷卻液體的流動速度越快，散熱效果越好。

進一步的，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)置有多個散熱孔。當冷卻液體流經(jīng)液體冷卻基體21內(nèi)的液體流道時，吸收金屬基板18的熱量；當冷卻液體流經(jīng)冷卻管路26和熱交換器28內(nèi)的液體通道時，與外部空氣進行熱交換，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)半導體電偶對12所需的換熱量來設(shè)定。

為了加強熱交換，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進行散熱的冷卻風扇29，冷卻風扇29的出風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周圍的空氣流動為目的，提高冷卻液體與周圍空氣進行熱交換的速度。冷卻風扇29的大小可與散熱器的水排面積相匹配，其風量、風壓參數(shù)的選擇可根據(jù)半導體電偶對12所需的換熱量和水排散熱器的散熱量來進行設(shè)定。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實施例還提供一種實現(xiàn)方式，能夠進一步提高半導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行連接。在鋁基板朝向半導體電偶對12的冷端面上敷設(shè)導熱絕緣層，導熱絕緣層可以采用化學及物理方法在鋁基板的表面涂覆而成或采用化學處理而得到的一層非常薄的金屬導熱且絕緣的材料。并且，導熱絕緣層通過化學等手段與熱端電極15接合。因此，熱端電極15與導熱絕緣層之間的熱阻、以及鋁基板自身的熱阻相對較小，能夠提高熱傳導效率。

則半導體電偶對12在熱端電極15上產(chǎn)生的熱量可以經(jīng)過較小熱阻的導熱絕緣層直接傳導至鋁基板，利用鋁基板良好的導熱、均溫性能，使熱量迅速傳導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散效率，有利于實現(xiàn)大功率制冷。

本實施例還提供一種冰淇淋機，采用上述任一種實施方式所提供的半導體制冷組件，能夠快速降低半導體電偶對熱端的溫度，有利于實現(xiàn)大功率制冷。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。