CN107479151A - 一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，包括光模块热端基板、光模块导热垫、相变热管、冷端基板、导热垫、半导体制冷片、冷热端间隔柱、热端散热器、绝热衬套、内外紧固螺钉、隔离柱、单板；光模块热端基板设置于光模块鼠笼上部，中间夹以光模块导热垫，相变热管设置于光模块热端基板与冷端基板之间；冷端基板下方布置有半导体制冷片，其冷端和热端均贴合以导热垫，热端散热器开有固定孔；内紧固螺固定热端散热器与冷端基板；外紧固螺钉将所述模组固定于隔离柱后固定于单板。本发明解决了多合一光模块在纵向高度不足且发热量大需要控制到环境温度之下的温控难题，实现对多合一光模块的高效温度控制。
Description
技术领域
本发明涉及制冷设备技术领域，特别涉及一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组。
背景技术
随着通讯行业的迅猛发展，通讯设备的集成程度和组装密度不断提高，在提供强大使用功能的同时，也导致了设备功耗和发热量的急剧增加。而在所有元器件中，光模块的温度规格相对较低，通常工业级光模块要求壳温限制在65℃以内，实际环境温度高达70℃，空间的紧缩、可插拔性要求和低温度规格为光模块的散热带来了挑战，甚至成为整个产品发展的瓶颈。
传统方式采用自然对流散热，即在光模块鼠笼上部布置一个型材散热器，光模块鼠笼顶部开窗，散热器底部凸台与光模块直接接触，通过辐射及自然对流散发热量。但这种方式已经越来越无法满足通讯行业的发展要求，光模块的集成度越来越高，发热量越来越大，控温要求越来越低，传统的自然对流已经无法将光模块的温度降至环境温度之下，4G及5G的推出对光模块散热提出了更高的要求。
多合一光模块热管半导体控温模组的推出解决了空间及发热量问题，采用半导体主动制冷技术，可以将光模块的温度降低至环境温度以下，热管技术的引入解决了纵向空间不足的难题，通过相变热管技术可以将光模块的温度及时传导至横向面进行集中散热。
发明内容
本发明提供一种多合一光模块使用热管及半导体制冷技术进行控温的方案，解决了传统使用被动散热无法将光模块温度控制到环境温度之下及纵向高度不足无法进行散热的弊端，本发明采用相变热管技术先将光模块产生的热量先快速传导至横向端，然后再采用半导体制冷技术进行集中主动冷却，从而实现对光模块的温度控制。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
发明内容：一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，包括光模块热端基板、光模块导热垫、相变热管、冷端基板、导热垫、半导体制冷片、冷热端间隔柱、热端散热器、绝热衬套、内紧固螺钉、外紧固螺钉、隔离柱、单板；所述光模块热端基板设置于光模块鼠笼上部，所述光模块导热垫设置于光模块热端基板与光模块鼠笼之间，所述相变热管设置于光模块热端基板与冷端基板之间；
所述冷端基板位于光模块鼠笼一侧，冷端基板下方布置有若干半导体制冷片，每个半导体制冷片连接一个端子，所述半导体制冷片上下分别有冷端和热端，冷端和热端均贴合以导热垫、上下分别与冷端基板和热端散热器紧密接触，热端散热器开有固定孔；
所述冷热端间隔柱设置于冷端基板与热端散热器之间，所述绝热衬套设置于固定孔内，所述内紧固螺钉套接绝热衬套、穿过固定孔，并固定热端散热器与冷端基板；
所述单板位于热端散热器下侧，隔离柱设置于热端散热器与单板之间，外紧固螺钉将所述热管半导体控温模组固定于隔离柱上，隔离柱固定于单板。
作为优选，所述相变热管呈扁平状，所述光模块热端基板和冷端基板上表面开有凹槽，所述相变热管以锡焊或者胶粘的方式埋入所述凹槽内，并设置于光模块热端基板与冷端基板之间，所述光模块热端基板和冷端基板采用ADC12压铸或者AL6063-T5机加工而成，表面采用化学镀镍处理。相变热管通过相变的原理将热端基板的热量快速传导至冷端基板，从而实现光模块产生的热量传输快速被传导，从而降低光模块的温度，其加工方法限定保证其热传输效果。
进一步，所述的相变热管直径为3mm，厚度为0.8mm，宽度为4.3mm。相变热管的尺寸限定保证了其热传输效果。
作为优选，其特征在于，所述的半导体制冷片具有两片，外形尺寸为37x19.2mm，厚度为2±0.03mm，内含晶粒71对。半导体制冷片的尺寸、数量保证制冷功率以在合适时间实现制冷效果。
进一步，所述的导热垫厚度为0.5mm，总数为4片，两片布置于半导体制冷片与冷端基板之间，另两片布置于半导体制冷片与热端散热器之间。导热垫用来减少半导体制冷片与热端散热器及冷端基板之间的接触热阻，提高导热效率。
进一步，所述的冷热端间隔柱、绝热衬套为尼龙材质，总数分别为6个，冷热端间隔柱高度为2.6±0.05mm；所述内紧固螺钉，数量为6。冷热端间隔柱、绝热衬套尼龙材质隔热性能好，因为穿接于内部，故需要隔热，冷热端间隔柱、绝热衬套、内紧固螺钉6组设置对应，固定贯穿整体的端部和中间，固定紧密度高。
作为优选，所述的隔离柱具有内外双头螺纹，一端为外螺纹螺柱，通过外螺纹螺柱将隔离柱固定在单板上，另一端为内螺纹孔，外紧固螺钉数量为4，通过内螺纹口将所述热管半导体控温模组固定于隔离柱上。隔离柱用来实现整个模组的安装固定，内螺纹和外螺纹分别开设、连接的方式省空间，方便固定和保证固定的紧密性。
更进一步，所述的冷端基板厚度为2mm，底部开有6个φ4mm的圆形或方形凸台，高度为1.5mm，凸台中间攻以螺孔。冷端基板的厚度、开有的凸台和攻有的螺孔使其与热端散热器固定连接方便紧密，从而保证半导体制冷片两面的热量冷量传导。
作为优选，所述的热端散热器采用AL6063-T5锻造或者机加工而成，设方形或者圆形散热齿，翅片规格为1.5x1x5mm，基板厚度为2mm，表面采用黑色阳极或者本色阳极氧化处理。热端散热器的作用是将半导体制冷片吸收的热量及自身电功耗产生的热量散发至周围大气中。
作为优选，所述冷热端间隔柱上端扣合冷端基板的凸台，所述内紧固螺钉套接绝热衬套、穿过固定孔后，穿接于凸台中间的螺孔，从而将热端散热器与冷端基板固定。凸台、螺孔的设置方便内紧固螺钉固定热端散热器与冷端基板，从而保证半导体制冷片与两者紧密接触。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，结构层次清晰、传热效果极佳。半导体制冷片的尺寸、数量保证制冷功率以在合适时间实现制冷效果；相变热管通过相变的原理将光模块热端基板的热量快速传导至冷端基板，从而实现光模块产生的热量传输快速被传导，从而降低光模块的温度；冷热端间隔柱、绝热衬套、内紧固螺钉6组设置对应，固定贯穿整体的端部和中间，固定紧密度高，从而保证半导体制冷片两面的热量冷量传导；外紧固螺钉和隔离柱的外固定方便紧固。本发明解决了多合一光模块在纵向高度不足且发热量大需要控制到环境温度之下的温控难题，通过相变热管将热量首先快速传导至横向端，再通过半导体制冷技术进行主动冷却，从而实现对多合一光模块的温度控制。避免高温影响光模块的使用寿命，提升了光模块的可靠性、降低了故障率。
附图说明
图1是本发明实施例的拆卸细部结构示意图，图2是本发明实施例组装后的结构示意图。
图中：1-光模块热端基板，15-凹槽，2-相变热管，3-光模块导热垫，4-光模块鼠笼，5-冷端基板，51-导热垫，52-半导体制冷片，53-冷热端间隔柱，54-端子，55-绝热衬套，56-内紧固螺钉，57-凸台，6-热端散热器，61-固定孔，7-外紧固螺钉，8-隔离柱，9-单板。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例作简单的介绍。
如图1~2，一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，包括光模块热端基板1、光模块导热垫3、相变热管2、冷端基板5、导热垫51、半导体制冷片52、冷热端间隔柱53、热端散热器6、绝热衬套55、内紧固螺钉56、外紧固螺钉7、隔离柱8、单板9；所述光模块热端基板1设置于光模块鼠笼4上部，所述光模块导热垫3贴合设置于光模块热端基板1与光模块鼠笼4之间，以降低光模块鼠笼4和光模块热端基板1之间的接触热阻，所述相变热管2呈扁平状，相变热管2直径为3mm，厚度为0.8mm，宽度为4.3mm，Qmax为7.5W，Qmax是相变热管2的最大功耗，所述光模块热端基板和冷端基板上表面开有凹槽15，所述相变热管2以锡焊或者胶粘的方式埋入所述凹槽15内，并设置于光模块热端基板1与冷端基板5之间，所述光模块热端基板1和冷端基板5采用ADC12压铸或者AL6063-T5机加工而成，表面采用化学镀镍处理；
所述冷端基板5位于光模块鼠笼4一侧，冷端基板5下方布置有两片半导体制冷片52，半导体制冷片52参数如下：
外形尺寸为37x19.2mm，厚度为2±0.03mm，内含晶粒71对，在热端Th=25℃时，Vmax为9.6V，Imax为6.8A，Qmax为34W，Th是热端热接点温度，Vmax是在该温度下的最大电压，Imax是最大电流，Qmax是最大制冷功率；
每个半导体制冷片52连接一个端子54，端子54为4pin，端子54连接电源并给半导体制冷片52通以直流电，所述半导体制冷片52上下分别有冷端和热端，冷端、热端贴合以导热垫51，所述的导热垫51厚度为0.5mm，总数为4片，其中两片置于半导体制冷片52与冷端基板5之间，另两片置于半导体制冷片52与热端散热器6之间，从而实现降低冷端基板5和热端散热器6的接触热阻；
所述的冷热端间隔柱53、绝热衬套55为尼龙材质，总数分别为6个，冷热端间隔柱53高度为2.6±0.05mm；所述内紧固螺钉56，规格为M2X8十字盘头螺钉，数量为6，所述的冷端基板5厚度为2mm，底部开有6个φ4mm的圆形或方形凸台57，高度为1.5mm，每个凸台57中间攻以螺孔（图中未显示）；
所述热端散热器6开有固定孔61，所述冷热端间隔柱53设置于冷端基板5与热端散热器6之间，所述绝热衬套55设置于固定孔61内，所述冷热端间隔柱53上端扣合冷端基板5的凸台57，而所述内紧固螺钉56套接绝热衬套55、穿过固定孔61后，穿接于凸台57中间的螺孔，从而将热端散热器6与冷端基板5固定；
所述单板9位于热端散热器6下侧，隔离柱8设置于热端散热器6与单板9之间，所述的隔离柱8具有内外双头螺纹，一端为外螺纹螺柱，外螺纹螺柱将隔离柱8固定在单板9上，另一端为内螺纹孔，所述外紧固螺钉为M3X5十字盘头螺钉，数量为4，外紧固螺钉7通过固定孔61连接于内螺纹孔，并将所述热管半导体控温模组固定于隔离柱8上。
再有，所述的热端散热器6规格如下：采用AL6063-T5锻造或者机加工而成，设方形或者圆形散热齿，翅片规格为1.5x1x5mm，其基板厚度为2mm，表面采用黑色阳极或者本色阳极氧化处理。
降温原理：冷端基板5底部与半导体制冷片52冷端紧密接触，所述的半导体制冷片52通电后，一侧制冷，另一侧发热，相变热管2传导过来的热量被半导体制冷片52冷端迅速吸收，从而导致相变热管2内部气态介质冷却冷凝成液态，受毛细作用力再流至光模块热端基板1侧继续吸收光模块的热量。半导体制冷片52热端与热端散热器6紧密接触，冷端吸收的热量通过P/N节传导至热端陶瓷片，***内部风扇抽吸环境空气吹至热端散热器6，从而将热量扩散至周围环境中，最终实现将光模块参数的热量扩散至周围空气从而实现对光模块的降温。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
Claims (10)
1.一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，包括光模块热端基板（1）、光模块导热垫（3）、相变热管（2）、冷端基板（5）、导热垫（51）、半导体制冷片（52）、冷热端间隔柱（53）、热端散热器（6）、绝热衬套（55）、内紧固螺钉（56）、外紧固螺钉（7）、隔离柱（8）、单板（9）；所述光模块热端基板（1）设置于光模块鼠笼（4）上部，所述光模块导热垫（3）设置于光模块热端基板（1）与光模块鼠笼（4）之间，所述相变热管（2）设置于光模块热端基板（1）与冷端基板（5）之间；
所述冷端基板（5）位于光模块鼠笼（4）一侧，冷端基板（5）下方布置有若干半导体制冷片（52），每个半导体制冷片（52）以一个连接端子，所述半导体制冷片（52）上下分别有冷端和热端，冷端和热端均贴合以导热垫（51）、上下分别与冷端基板和热端散热器（6）紧密接触，热端散热器（6）开有固定孔（61）；
所述冷热端间隔柱（53）设置于冷端基板（5）与热端散热器（6）之间，所述绝热衬套（55）设置于固定孔（61）内，所述内紧固螺钉（56）套接绝热衬套（55）、穿过固定孔（61），并固定热端散热器（6）与冷端基板（5）；
所述单板（9）位于热端散热器（6）下侧，隔离柱（8）设置于热端散热器（6）与单板（9）之间，外紧固螺钉（7）将所述热管半导体控温模组固定于隔离柱（8）上，隔离柱（8）固定于单板（9）。
2.根据权利要求1所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述相变热管（2）呈扁平状，所述光模块热端基板（1）和冷端基板（5）上表面开有凹槽（15），所述相变热管（2）以锡焊或者胶粘的方式埋入所述凹槽（15）内，并设置于光模块热端基板（1）与冷端基板（5）之间，所述光模块热端基板（1）和冷端基板（5）采用ADC12压铸或者AL6063-T5机加工而成，表面采用化学镀镍处理。
3.根据权利要求2所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述的相变热管（2）直径为3mm，厚度为0.8mm，宽度为4.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述的半导体制冷片（52）具有两片，外形尺寸为37x19.2mm，厚度为2±0.03mm，内含晶粒71对。
5.根据权利要求4所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述的导热垫（51）厚度为0.5mm，总数为4片，两片布置于半导体制冷片（52）与冷端基板（5）之间，另两片布置于半导体制冷片（52）与热端散热器（6）之间。
6.根据权利要求4所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述的冷热端间隔柱（53）、绝热衬套（55）为尼龙材质，总数分别为6个，冷热端间隔柱（53）高度为2.6±0.05mm；所述内紧固螺钉（56），数量为6。
7.根据权利要求1所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述的隔离柱（8）具有内外双头螺纹，一端为外螺纹螺柱，通过外螺纹螺柱将隔离柱（8）固定在单板上（9），另一端为内螺纹孔，外紧固螺钉（7）数量为4，通过内螺纹口将所述热管半导体控温模组固定于隔离柱（8）上。
8.根据权利要求6所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述的冷端基板（5）厚度为2mm，底部开有6个φ4mm的圆形或方形凸台，高度为1.5mm，凸台中间攻以螺孔。
9.根据权利要求1所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述的热端散热器（6）采用AL6063-T5锻造或者机加工而成，设方形或者圆形散热齿，翅片规格为1.5x1x5mm，基板厚度为2mm，表面采用黑色阳极或者本色阳极氧化处理。
10.根据权利要求8所述的一种用于多合一光模块的热管半导体控温模组，其特征在于，所述冷热端间隔柱上端扣合冷端基板（5）的凸台，所述内紧固螺钉（56）套接绝热衬套（55）、穿过固定孔（61）后，穿接于凸台中间的螺孔，从而将热端散热器（6）与冷端基板（5）固定。
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