CN103413007A - 一种半导体制冷模块优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种半导体制冷模块优化设计方法主要包括以下步骤：a、优化TEC芯片，获得TEC芯片最优合理参数；b、根据TEC芯片最优合理参数优化TCU模块制冷组件参数，获得TCU模块制冷组件的最优化合理结构参数；c、根据TCU模块制冷组件最优化合理参数优化TCU模块水冷循环组件，获得TCU模块最优化合理结构参数。本发明的优化设计方法可以不受数学解析能力的限制，从而具有更大的适应性和求解能力；与实验研究相比，该方法无需制造出实体模型，分析过程经济、迅速，并且具有更大的自由度和灵活性，可以突破实验上物质条件的限制而获得更多更细致的结果。

Description

一种半导体制冷模块优化设计方法

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，具体涉及一种半导体制冷模块（TCU模块）的设计，特别涉及一种半导体制冷模块的优化设计方法。 

背景技术

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，绝大多数的物理变化和化学变化反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位。特别是在冶金、化工、建材、食品、机械和石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。温度控制***的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对***要求更为先进的控制技术和控制理论。 

近年来电力电子集成技术的迅速发展，使得电力电子装置设计和维护难度显著降低，极大地推广了电力电子装置的应用范围。由此带来的因电力电子设备的小型化和集成化对其散热装置的紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率及不需要维修等性能需求提出了新的课题。为了适应上述需求，在对传统的冷却方式不断改进的同时，一些新型高效的冷却方式不断涌现。而在面临如何使装置的功能越来越完善而体积越来越小的问题时，除装置的材料、工艺以及电路本身的挑战外，装置内部产生的高热流密度更是受到了人们的普遍关注，甚至有人认为传热问题成为电力电子集成技术继续进步的瓶颈。 

制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。由于温度范围不同，所采用的降温方式，使用的工质、机器设备以及依据的具体原理有很大差别。 

传统的制冷方式主要包括风冷翅片散热及水冷散热等，但都存在效率较低并且不能将温度降至室温以下等问题。并且风冷散热的风扇存在转动噪声和寿命限制等严重缺陷；普通水冷散热在密闭状态下容易发生结垢、变质等，都会影响实际的散热效果。 

与目前大多数传统散热制冷方式比较，利用半导体制冷模块进行散热具有以下优势：1、能够满足高热流密度的特殊情况，可以把温度降至室温以下；2、使用闭环温控电路，温控精度可达±0.1℃；3、无运动部件，失效率低；4、寿命＞20万h；5、工作时无噪声。可用于光刻机等高精度温控装置的温度控制中。 

图1所示为一种现有的常规半导体制冷模块结构示意图，图2为图1的半导体制冷模块的***结构图。主要包括多段蛇形主流道1，在主流道1的两侧是对称分布的多段蛇形副 流道2、翘片盖板3及TEC芯片组5等部件，在主流道和副流道上均设有进/出水口4。其中TEC芯片组5为半导体制冷的核心部件，能够根据帕尔贴效应对多段蛇形主流道制冷。 

需要被制冷的工作液体通过主流道的进水口流入，并经过多段蛇形主流道后经出水口流出，在流入流出的过程中，TEC芯片组启动，对主流道中的工作液体制冷。工作液体中的热量最终经过TEC芯片组后被副流道中的工作液体带走。 

但是，在现有的半导体制冷模块设计中，通常采用的方法是：1、处于理论研究的计算；2、制造实体模型进行精确计算和试验。但是这种方法存在以下缺陷：对于理论研究来说，普通的计算只适用于线性和简单的几何外形问题，且大大受限于数学解析能力的高低和求解能力，无法得到精确计算结果；对于实验研究来说，虽然可以得到精确的计算结果，但前提是需要制造出实体模型，耗费较高、耗时较长，并且灵活性较差。 

发明内容

本发明为了解决现有的半导体制冷模块设计方法前期理论计算因数学解析求解能力的限制不能达到精确结果，通过设计制造模型测试纠正耗时耗费且灵活性差等缺点，提出了一种软件实现的半导体制冷模块优化设计方法。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 

a、优化TEC芯片，获得TEC芯片最优合理参数； 

b、根据TEC芯片最优合理参数优化TCU模块制冷组件参数，获得TCU模块制冷组件的最优化合理结构参数； 

c、根据TCU模块制冷组件最优化合理参数优化TCU模块水冷循环组件，获得TCU模块最优化合理结构参数。 

进一步的，所述步骤a具体包括以下步骤： 

a1、获取TEC芯片外部及内部几何尺寸； 

a2、构建TEC芯片的三维模型； 

a3、对TEC芯片的三维模型进行有限元网格划分； 

a4、分析TEC芯片的有限元模型电-热耦合场并获取仿真数据； 

a5、对比仿真数据与预设结果，判断是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TEC芯片参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤a2。 

进一步的，所述步骤b具体包括以下步骤： 

b1、根据TEC芯片最优合理参数获取TCU模块制冷组件参数； 

b2、建立TCU模块制冷组件的三维模型； 

b3、整合并简化TCU模块制冷组件的TEC芯片组； 

b4、对TCU模块制冷组件的三维模型进行有限元网格划分； 

b5、分析TCU模块制冷组件的网格模型并进行热仿真，获取仿真数据； 

b6、对比仿真数据与预设结果，判断是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块制冷组件参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤b2。 

进一步的，所述步骤c具体包括以下步骤： 

c1、根据TCU模块制冷组件的最优合理参数获取TCU模块水冷循环组件的参数； 

c2、建立TCU模块水冷循环组件的三维模型； 

c3、整合并合并TCU模块制冷组件和TCU模块水冷循环组件的三维模型，获得TCU模块的三维模型； 

c4、对TCU模块的三维模型进行有限元网格划分； 

c5、分析TCU模块的三维模型的热-流耦合场，并获取仿真数据； 

c6、判断仿真数据与预设结果是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤c2。 

在上述步骤c得到的TCU最优化合理参数的基础上，为进一步优化TCU模块的边界条件，在步骤c后还进一步包括以下步骤： 

变换TCU模块的热-流体仿真中不同的边界参数，获取最优边界条件。 

进一步的，所述方法还包括以下步骤： 

校核TCU模块连接部位的强度，以有限元分析方式分析其应力应变，获得TCU模块稳定性最优解。 

本发明的有益效果：本发明的优化设计方法主要先针对单个半导体制冷芯片（TEC）进行建模仿真，找到最优、最符合实际情况的电热参数值；然后针对散热要求将半导体制冷芯片整合——“模块化”，即设计成符合要求的半导体制冷模块（TCU模块制冷组件）；通过对最优的半导体制冷模块（TCU模块制冷组件）继续进行热仿真分析，设计出最优的冷却循环水路（TCU模块水冷循环组件）；针对冷却循环水路结合半导体制冷芯片组，进行热流体耦合分析，以验证温控方法及水路设计的可行性，同时继续进行优化，得到最优设计。本方法与理论研究相比可以更多的面向非线性和外形结合复杂的问题，由于采用离散的数值方法和模拟试验方法，可以不受数学解析能力的限制，从而具有更大的适应性和求解能力；与实验研究相比，该方法无需制造出实体模型，分析过程经济、迅速，并且具有更大的自由度和灵活性，可以突破实验上物质条件的限制而获得更多更细致的结果。 

附图说明

图1为现有的半导体制冷模块结构示意图； 

图2为图1所示制冷模块的***结构图； 

图3为TEC芯片优化设计流程图； 

图4为TCU模块制冷单元优化设计流程图； 

图5为TCU水循环单元优化设计流程图； 

图6为本发明一实施例的制冷模块优化设计流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。 

本实施例的半导体制冷模块优化设计方法涉及的半导体制冷模块结构如图1和图2所示，主要包括多段蛇形主流道1，在主流道1的两侧是对称分布的多段蛇形副流道2、翘片盖板3及TEC芯片组5等部件，在主流道和副流道上均设有进/出水口4。其中TEC芯片组5为半导体制冷的核心部件，能够根据帕尔贴效应对多段蛇形主流道制冷。 

本实施例的一种半导体制冷模块优化设计方法，包括以下步骤： 

a、优化TEC（Thermo electric Cooler，半导体致冷器）芯片，获得TEC芯片最优合理参数；TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的制冷芯片。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理。这里的优化主要是针对单个的TEC芯片，从其尺寸等参数方面进行软件仿真优化，使其性能符合预定的要求。其中预定的要求通常来自于解决问题的需要，比如说需要控制的温度精度、温度调控范围及速度等工程需求。 

b、根据TEC芯片最优合理参数优化TCU模块制冷组件参数，获得TCU模块制冷组件的最优化合理结构参数；这里的TCU模块制冷组件即是指由优化后的TEC芯片组合而成的模块化制冷组件，这里优化TCU模块制冷组件参数的主要目的在于寻找一种由多个TEC芯片组合成一组TCU模块制冷组件的最佳组合形式。 

c、根据TCU模块制冷组件最优化合理参数优化TCU模块水冷循环组件，获得TCU模块最优化合理结构参数。此步骤具体过程是根据步骤b设计出的最优化的TCU模块水冷循环组件的参数性能优化TCU模块水冷循环组件，包括优化水道尺寸及形状等参数。目的在于设计出一种与最优化的TCU模块制冷组件最匹配的水冷循环组件。 

如图3所示，作为一种具体形式，上述步骤a具体包括以下步骤： 

a1、获取TEC芯片外部及内部几何尺寸； 

a2、构建TEC芯片的三维模型；根据步骤a1获得的TEC芯片的尺寸信息利用三维建模软件如Pro/E、Autocad进行模型建立和修改。 

a3、对TEC芯片的三维模型进行有限元网格划分；本步骤可以利用有限元软件ANSYS的电-热耦合模块和热-流耦合模块的多物理场进行耦合场分析。 

a4、分析TEC芯片的有限元模型电-热耦合场并获取仿真数据； 

a5、对比仿真数据与预设结果，判断是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TEC芯片参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤a2。其中预设结果主要是指面向工程问题（实际需要解决的问题）的条件需求。 

如图4所示，步骤b具体可以包括以下步骤： 

b1、根据TEC芯片最优合理参数获取TCU模块制冷组件参数；本步骤的目的在于根据步骤a优化出的TEC芯片最优化合理参数初步估算或计算由其组成的TCU模块制冷组件参数，该参数用于建立TCU模块制冷组件的三维模型。 

b2、建立TCU模块制冷组件的三维模型；根据步骤b1的参数利用三维建模软件如Pro/E、Autocad进行模型建立和修改。 

b3、整合并简化TCU模块制冷组件的TEC芯片组； 

b4、对TCU模块制冷组件的三维模型进行有限元网格划分；利用有限元软件比如ANSYS的电-热耦合模块和热-流耦合模块的多物理场进行耦合场分析。 

b5、分析TCU模块制冷组件的网格模型并进行热仿真，获取仿真数据； 

b6、对比仿真数据与预设结果，判断是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块制冷组件参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤b2。这里的预设结果含义与步骤a中涉及的含义相同。 

上述步骤b1-b6可以单独作为步骤b的一种具体形式，也可以与上述步骤a的具体步骤a1-a5组合，形成优化方案。 

为了便于对本发明方案的理解，本实施例进一步公开一种步骤c的具体实现方式，如图5所示，包括步骤： 

c1、根据TCU模块制冷组件的最优合理参数获取TCU模块水冷循环组件的参数；本步骤的目的在于根据步骤b优化出的TCU模块制冷组件最优化合理参数初步估算或计算TCU模块水冷循环组件参数，该参数用于建立TCU模块水冷循环组件的三维模型。 

c2、建立TCU模块水冷循环组件的三维模型；根据步骤c1的参数利用三维建模软件如Pro/E、Autocad进行模型建立和修改。 

c3、整合并合并TCU模块制冷组件和TCU模块水冷循环组件的三维模型，获得TCU模块的三维模型；本步骤是将已经优化的TCU模块制冷组件模型和待优化的TCU水冷循环组件模型整合，用于通过仿真寻找最适合当前最优化的TCU模块制冷组件的水冷循环组件以及制冷组件和水冷循环组件的最佳组合形式。 

c4、对TCU模块的三维模型进行有限元网格划分；利用有限元软件比如ANSYS的电-热耦合模块和热-流耦合模块的多物理场进行耦合场分析。 

c5、分析TCU模块的三维模型的热-流耦合场，并获取仿真数据； 

c6、判断仿真数据与预设结果是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤c2。 

上述步骤c1-c6可以单独作为步骤c的一种具体形式，也可以与上述步骤a1-a5和/或b1-b6组合，形成优化方案，其中最优方案为流程如图6所示。 

在上述步骤c得到的TCU最优化合理参数的基础上，为了解决TCU模块的边界条件问题，在步骤c后还进一步包括以下步骤： 

变换TCU模块的热-流体仿真中不同的边界参数，获取最优边界条件。 

为了解决TCU模块连接部位的稳定性问题，所述方法还包括以下步骤： 

校核TCU模块连接部位的强度，以有限元分析方式分析其应力应变，获得TCU模块稳定性最优解。 

具体到本实施例中，TCU模块结构的中间部分（主流道）作为热交换的核心部分（也是仿真优化设计的核心部分）——设计得到的是一个4段的蛇形流道。该流道内流过热流体，并通过腔体外部紧贴的半导体芯片进行散热制冷，从而带走热量；在主流道的两端，设计出了对称的副流道——内部为12段的蛇形流道。副流道的功能是对半导体进行冷却散热，其内部流过冷却水，通过腔体传热带走半导体芯片产生的热量；作为传热介质，令半导体芯片置于主水道和两个副水道之间，进行腔体与腔体之间的热传递。 

另外，关于有限元方法，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个且按一定方式相互连结在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析方法。 

本实施例的方案在制冷模块的设计过程中，选取应用了半导体制冷技术，并进行了制冷模块的结构设计，同时运用电热耦合场分析、流体热力学有限元分析软件对制冷模块进行了电热耦合场分析、流体热力学仿真分析计算，讨论了不同功率、不同流速的循环水、不同的半导体制冷片安装方式和不同的翅片结构参数对制冷模块制冷性能的影响，进一步优化了制冷模块的相关参数，实现了较高热交换效率和大功率制冷的要求。然后，完成了 加热水箱和循环管路***的设计工作，在密封和防止热量损耗方面采取了一些重要措施，同时在加热水箱的设计和研究中重点考虑了混合温度不均匀循环水的能力，并在流体热力学仿真方面进行了一些分析和探索；在循环管路***设计过程中，重点完成了3个循环回路的设计工作，并且进行了泵压、管径的选型计算以及相关辅件的选型工作。 

最后，结合控制***的设计，完成试验样机的装配和调试工作实现项目温控精度±0.01℃、大功率制冷的需求和多通道全场温度测量和控制技术。 

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。 

Claims (10)

1.一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、优化TEC芯片，获得TEC芯片最优合理参数；

b、根据TEC芯片最优合理参数优化TCU模块制冷组件参数，获得TCU模块制冷组件的最优化合理结构参数；

c、根据TCU模块制冷组件最优化合理参数优化TCU模块水冷循环组件，获得TCU模块最优化合理结构参数。

2.根据权利要求1所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述步骤a具体包括以下步骤：

a1、获取TEC芯片外部及内部几何尺寸；

a2、构建TEC芯片的三维模型；

a3、对TEC芯片的三维模型进行有限元网格划分；

a4、分析TEC芯片的有限元模型电-热耦合场并获取仿真数据；

a5、对比仿真数据与预设结果，判断是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TEC芯片参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤a2。

3.根据权利要求1所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述步骤b具体包括以下步骤：

b1、根据TEC芯片最优合理参数获取TCU模块制冷组件参数；

b2、建立TCU模块制冷组件的三维模型；

b3、整合并简化TCU模块制冷组件的TEC芯片组；

b4、对TCU模块制冷组件的三维模型进行有限元网格划分；

b5、分析TCU模块制冷组件的网格模型并进行热仿真，获取仿真数据；

b6、对比仿真数据与预设结果，判断是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块制冷组件参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤b2。

4.根据权利要求2所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述步骤b具体包括以下步骤：

b1、根据TEC芯片最优合理参数获取TCU模块制冷组件参数；

b2、建立TCU模块制冷组件的三维模型；

b3、整合并简化TCU模块制冷组件的TEC芯片组；

b4、对TCU模块制冷组件的三维模型进行有限元网格划分；

b5、分析TCU模块制冷组件的网格模型并进行热仿真，获取仿真数据；

b6、对比仿真数据与预设结果，判断是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块制冷组件参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤b2。

5.根据权利要求1所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述步骤c具体包括以下步骤：

c1、根据TCU模块制冷组件的最优合理参数获取TCU模块水冷循环组件的参数；

c2、建立TCU模块水冷循环组件的三维模型；

c3、整合并合并TCU模块制冷组件和TCU模块水冷循环组件的三维模型，获得TCU模块的三维模型；

c4、对TCU模块的三维模型进行有限元网格划分；

c5、分析TCU模块的三维模型的热-流耦合场，并获取仿真数据；

c6、判断仿真数据与预设结果是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤c2。

6.根据权利要求2所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述步骤c具体包括以下步骤：

c1、根据TCU模块制冷组件的最优合理参数获取TCU模块水冷循环组件的参数；

c2、建立TCU模块水冷循环组件的三维模型；

c3、整合并合并TCU模块制冷组件和TCU模块水冷循环组件的三维模型，获得TCU模块的三维模型；

c4、对TCU模块的三维模型进行有限元网格划分；

c5、分析TCU模块的三维模型的热-流耦合场，并获取仿真数据；

c6、判断仿真数据与预设结果是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤c2。

7.根据权利要求3所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述步骤c具体包括以下步骤：

c1、根据TCU模块制冷组件的最优合理参数获取TCU模块水冷循环组件的参数；

c2、建立TCU模块水冷循环组件的三维模型；

c3、整合并合并TCU模块制冷组件和TCU模块水冷循环组件的三维模型，获得TCU模块的三维模型；

c4、对TCU模块的三维模型进行有限元网格划分；

c5、分析TCU模块的三维模型的热-流耦合场，并获取仿真数据；

c6、判断仿真数据与预设结果是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤c2。

8.根据权利要求4所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述步骤c具体包括以下步骤：

c1、根据TCU模块制冷组件的最优合理参数获取TCU模块水冷循环组件的参数；

c2、建立TCU模块水冷循环组件的三维模型；

c3、整合并合并TCU模块制冷组件和TCU模块水冷循环组件的三维模型，获得TCU模块的三维模型；

c4、对TCU模块的三维模型进行有限元网格划分；

c5、分析TCU模块的三维模型的热-流耦合场，并获取仿真数据；

c6、判断仿真数据与预设结果是否一致，若一致则记录本仿真数据对应的TCU模块参数为最优化合理参数，否则根据对比结果修改参数并返回步骤c2。

9.根据权利要求1-8之任一项权利要求所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括以下步骤：

变换TCU模块的热-流体仿真中不同的边界参数，获取最优边界条件。

10.根据权利要求9所述的一种半导体制冷模块优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括以下步骤：

校核TCU模块连接部位的强度，以有限元分析方式分析其应力应变，获得TCU模块稳定性最优解。

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