CN101835369A - 热-电制冷液体冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热-电制冷液体冷却装置，属于制冷设备。本发明微型槽道制冷交换器两侧对称设有热-电制冷片、散热器，微型槽道制冷交换器和微型槽道冷却板分别安装于中空基板顶部和底部，微型槽道制冷交换器上设液体进口及液体出口，液体进口与液体出口由软管连接，软管上设有水泵；微型槽道制冷交换器两侧壁对称设有微型槽道，微型槽道冷却板上并列设置有多个微型槽道，微型槽道间设有上流道分隔板及下流道分隔板，微型槽道制冷交换器上的微型槽道与微型槽道冷却板上的微型槽道相连通。本发明可用于微电子，动力电子设备的超低温散热冷却，结合高级的水冷技术与热-电制冷，热容量大，冷却速度快，可任意调节冷却温度，实现低于环境温度冷却。

Description

热-电制冷液体冷却装置

技术领域：

本发明涉及一种热-电制冷液体冷却装置，用于微电子芯片、电子元器件，动力电子设备、计算机、激光装置、LED、军事装备的超低温散热冷却，属于制冷设备。

技术背景

微电子技术的发展，使得用户在追求提高运算速度的同时减小装置的体积成为可能。这一发展趋势，使芯片单位面积的晶体管和电路的密度越来越高，导致芯片上总热负荷和热流密度大幅度的增加。如何有效导出热量，控制芯核温度已是制约芯片发展的一个关键因素，也是设备稳定和可靠性能的关键，因为电子设备、计算机、网络服务器及通信器材等性能下降甚至破坏的主要原因是由高温导致。所以，在热负荷增加的同时，要求降低芯片的操作温度，使得芯片散热控制极限温度越来越难。据预测，在未来的几年内，芯片产生的热流密度可能到达100W/cm²。无论是在航空航天、军事、计算机等微电子设备，还是消费品领域，解决散热问题已是设计工程师面临的一个大问题。

从目前的市场状况可以看出，基于微电子芯片和电力电子的芯片的电子装置发展日新月异，对高级电子冷却装置的需求也大幅增加，到2006年为止，Intel CPU的产量超过2亿个，AMD的产量约为Intel的15％，即3000万个。依次类推，全世界微机(包括台式机，服务器和工作站以及移动电脑)的年产销量超过25000万台，在每台计算机中，不仅CPU需要散热，硬盘，芯片组，显示/图形卡和VRD都需散热。

发明内容

本发明解决技术问题是：解决散热设备、元器件的低温冷却问题，实现设备低于环境温度的热控制，提高设备的可靠性、运算速度和使用寿命，能够实现芯片超频技术，电子/激光装置温度的准确控制的热电制冷液体冷却装置。

技术解决方案：本发明微型槽道制冷交换器两侧分别依次对称设有热电制冷模片、散热器，微型槽道制冷交换器垂直固定安装于中空基板的顶部，微型槽道冷却板固定安装于中空基板的底部；微型槽道制冷交换器两侧壁上对称设有微型槽道，微型槽道为正弦波型曲线凹槽，在对称设置的微型槽道一侧设有液体流入孔，另一侧设有液体流出孔，微型槽道制冷交换器上设有液体进口及液体出口，液体进口与微型槽道连通，液体出口通过软管与液体进口连接，软管上设有液体驱动装置；微型槽道冷却板上并列设置有多个微型槽道，微型槽道间设有上流道分隔板及下流道分隔板，上流道分隔板与微型槽道制冷交换器顶板固定连接，下流道分隔板与微型槽道制冷交换器底板固定连接；液体流入孔上端口与微型槽道连通，下端口与微型槽道连通，形成液体循环通道，微型槽道与液体流出孔相连通，液体流出孔与液体出口相连通，形成液体循环通道。

微型槽道制冷交换器两侧壁内表面上对称设有微型槽道，微型槽道的上、下两端交错铣去槽道间隔壁，然后用上档板和下挡板封闭，形成两侧壁具有微型槽道的、首尾相连的液体通道。

微型槽道内设有表面强化传热翅片。

微型槽道制冷交换器两侧壁上的热交换面形成H型换热槽道。

液体驱动装置为微型水泵或压电流体驱动装置等。

本发明为了保证微型槽道冷却板在密闭状态下工作，微型槽道冷却板和基板之间设有密封圈。

本发明为了使微型槽道制冷交换器达到更好的制冷状态，基板上固定安装有风扇罩，风扇罩上设有风扇，基板上的微型槽道制冷交换器，热-电制冷片、散热器置于风扇罩内。

本发明微型槽道制冷交换器内靠近液体出口处设有能够使液体膨胀和收缩液体缓冲区。

本发明效果：本发明由于在微型槽道制冷交换器中心线的两侧壁热交换面形成H型换热槽道，形成首尾相连的液体通道，微型槽道制冷交换器尾端与微型槽道冷却板顺流连接，使得液体实现了从循环入口到循环液体出口的液体流通通道，可以任意调节控制电子元件的温度和导出热量，不仅仅可以运用在计算机领域，在互联网、通信、汽车等大量使用微处理器的场合也有大的市场。在高端服务器，工作站，游戏机，军事领域的电子装置，新型能量武器，激光制导装置，中际雷达等领域更需要散热能力强，可控制低于环境温度的高级冷却装置。

本发明可用于多种微电子，动力电子设备的超低温散热冷却。其中包括台式电脑，工作站和服务器等的CPU冷却，数据中心，家庭多媒体中心的散热冷却，太空站电子设备的热控制，机载雷达器件散热；功率放大器散热器，激光装置的精确温度控制等。该装置的最大优点就是，结合高级的水冷技术与热-电制冷，热容量大，冷却速度快，可任意调节冷却温度，实现低于环境温度冷却。

本发明的特点：

1.热电制冷-液体-空气混合冷却技术；

2.可实现低于环境温度的热控制(散热、冷却和精确温度控制)；

3.通过调节热电制冷模片的输入功率，可以任意调节控制电子元件的温度和导出热量；

4.本发明在微型槽道制冷交换器采用垂直设计的微米槽道热交换板与在微型槽道冷却板采用水平微米槽道冷却块的独特结合，体积紧凑，热交换效率高；热电制冷模片通过垂直微米槽道热交换板冷却通道内流体，被冷却的低温流体高速流过水平微米槽道冷却块，吸收热源(CPU，IGBT，CHIPSET等)的热量；

5.微型槽道冷却板为三流程水平微型槽道冷却技术设计，不仅提高流体在微型槽道内流速、强化对流传热系数的同时，而且增加流体的湍流，减小边界层厚度，冷却块堆热源的效率极高，显著降低了整个装置的热阻；

6.垂直微米槽道热交换板的流道设计中，考虑了-个较小的压力缓冲体积，用于系统的热膨胀缓冲和压力缓冲；

7.选择不同的制冷流体，确保在-40℃不冻结，正常工作。

附图说明

图1为本发明热电制冷液体冷却装置原理示意图；

图2为本发明热电制冷液体冷却装置主视图；

图3为本发明热电制冷液体冷却装置后视图；

图4为本发明热电制冷液体冷却装置俯视图；

图5为本发明热电制冷液体冷却装置仰视图；

图6为本发明热电制冷液体冷却装置侧视图；

图7为本发明热电制冷液体冷却器组装示意图；

图8为本发明未加风扇罩的热电制冷液体冷却器主视图；

图9为本发明未加风扇罩的热电制冷液体冷却器后视图；

图10为本发明未加风扇罩的热电制冷液体冷却器俯视图；

图11为本发明未加风扇罩的热电制冷液体冷却器仰视图；

图12为本发明未加风扇罩的热电制冷液体冷却器侧视图；

图13为本发明图9的A-A剖面图；

图14为本发明图9的B-B剖面图；

图15为本发明三流程微型槽道冷却块结构示意图；

图16为本发明图15的C-C剖面图。

具体实施方式

实施例1

本发明热电制冷-液体电子冷却器主要由七部分组成：空气循环用风扇1和风扇罩2；微型槽道制冷交换器7、热电制冷模片8、散热器9、中空基板6和微型槽道冷却板5。本发明风扇1由螺丝4固定安装在风扇罩2，风扇1上有电源线18，螺丝3通过中空基板6上的孔15将风扇罩2固定安装在中空基板6上，中空基板6顶部垂直固定安装有微型槽道制冷交换器7，微型槽道制冷交换器7两侧分别依次对称设有热电制冷模片8和散热器9，微型槽道制冷交换器7，热电制冷片模8、散热器9置于风扇罩2内；热电制冷模片8上设有电源线17，散热器9通过螺丝12、弹簧13、孔27将散热器9固定安装于微型槽道制冷交换器7上，散热器9采用高效散热器，散热器9的放置方向应使得散热器9上的翅片垂直于热电制冷模片8；中空基板6的底部设有微型槽道冷却板5，螺丝14穿过孔30将微型槽道冷却板5固定安装在中空基板6上，中空基板6与微型槽道制冷交换器7之间设有密封圈16；中空基板6通过固定螺丝、孔20将微型槽道冷却板5与主机板固定连接。微型槽道制冷交换器7中心线两侧的壁上对称设有微型槽道23，微型槽道23为正弦波型曲线凹槽，微型槽道23热交换面形成H型换热槽道，微型槽道23内设有表面强化传热翅片；在对称设置的微型槽道23一侧设有液体流入孔25，另一侧设有液体流出孔26，微型槽道制冷交换器7上设有液体进口21及液体出口22，液体进口21与微型槽道23连通，液体出口22通过软管11或金属管连接与液体进口21连接，软管11或金属管上设有水泵10或其它流体驱动装置，软管11上设有管箍19，液体流出口26上方靠近液体出口22处设有能够使液体膨胀和收缩液体缓冲区24；微型槽道冷却板5上并列设置有多个微型槽道28，微型槽道23通过液体流入孔25与微型槽道28连接，微型槽道28间设有上流道分隔板及下流道分隔板29，上流道分隔板与微型槽道制冷交换器7前端壁固定连接，下流道分隔板29与微型槽道制冷交换器7后端壁固定连接，从而形成从液体进口21、经过微型槽道23热交换面形成H型换热槽道后，进入液体流入孔25及由液体循环通道34、微型槽道28、液体流出口26、液体通道35到达液体出口22后进入软管11的一个液体流动循环通道。

本发明的基板6连接方式可用于INTEL CORE-DUO CPU X6700的超频热电制冷液体冷却器

计算机系统：ATX/BTX平台的电脑

风扇：120x38/32/25，1台

冷却器结构与材料：

微型槽道冷却板5采用200微米微型槽道冷却块，材料：Cu1100、AL6063

中央垂直微型槽道结构热交换板9：AL6063

基板6采用AL6063

散热能力：大于200Watts

热电制冷模片8：4片，45x45x3.0mm，Tmax＝69℃

冷却流体：Propylene glycol溶液、Ethylene glycol溶液

使用温度：-40℃-180℃

工作过程：本发明液体从液体进口21进入H型换热槽道，通过液体流入孔25及液体通道34进入到微型槽道28，通过微型槽道28及液体流出孔26进入微型槽道制冷交换器7内，通过液体通道35到达液体出口22，液体通过软管11上泵10使液体进行循环流动。当液体流入微型槽道28并且吸收来自热源的热量后，到达液体出口22实现了液体在微型槽道制冷交换器7的循环。

本发明利用热电制冷模片8冷却流经微型槽道交换器7中流动的液体，被冷却的液体高速喷流与热源接触的另一微型槽道冷却板5吸收来自芯片/IGBT等电子元件散出的热量。温度升高后的冷却流体通过微型槽道制冷交换器7，把热量传递到热电制冷模片8的冷端，热流通过热电制冷模片8传输到附于与制冷模片8的热端相接处的散热器9散到周围的空气中，这样循环往复，实现对热源的温度控制和热量的导出。该装置的关键和特点是：实现了低于环境温度的高级液体冷却技术，可用于超高热流芯片(超频)的冷却，利用微米级槽道的液体冷却块，传热效率很高，热阻小，可以任意控制芯片的温度，从而提高芯片的运算速度、可靠性和使用寿命。

实施例2

本发明热电制冷-液体电子冷却器主要由七部分组成：空气循环用风扇1和风扇罩2；微型槽道制冷交换器7、热电制冷模片8、散热器9、中空基板6和微型槽道冷却板5。本发明风扇1由螺丝4固定安装在风扇罩2，风扇1上有电源线18，螺丝3通过中空基板6上的孔15将风扇罩2固定安装在中空基板6上，中空基板6顶部固定安装有微型槽道制冷交换器7，微型槽道制冷交换器7两侧分别依次对称设有热电制冷模片8和散热器9，微型槽道制冷交换器7，热电制冷片模8、散热器9置于风扇罩2内；热电制冷模片8上设有电源线17，散热器9通过螺丝12、弹簧13、孔27将散热器9固定安装于微型槽道制冷交换器7上，散热器9采用高效散热器，散热器9的放置方向应使得散热器9上的翅片垂直于热电制冷模片8；中空基板6的底部设有微型槽道冷却板5，螺丝14穿过孔30将微型槽道冷却板5固定安装在中空基板6上，中空基板6与微型槽道制冷交换器7之间设有密封圈16；中空基板6通过固定螺丝、孔20将微型槽道冷却板5与主机板固定连接。微型槽道制冷交换器7两侧壁上对称设有微型槽道23，微型槽道23的上、下两端交错铣去槽道间隔壁33，然后用上档板31和下挡板32封闭，形成两侧壁具有微型槽道、首尾相连的液体通道，微型槽道23热交换面形成H型换热槽道，微型槽道23内设有表面强化传热翅片；在对称设置的微型槽道23一侧设有液体流入孔25，另一侧设有液体流出孔26，微型槽道制冷交换器7上设有液体进口21及液体出口22，液体进口21与微型槽道23连通，液体出口22通过软管11或金属管连接与液体进口21连接，软管11或金属管上设有水泵10或其它流体驱动装置，软管11上设有管箍19，液体流出口26上方靠近液体出口22处设有能够使液体膨胀和收缩液体缓冲区24；微型槽道冷却板5上并列设置有多个微型槽道28，微型槽道23通过液体流入孔25与微型槽道28连接，微型槽道28间设有上流道分隔板及下流道分隔板29，上流道分隔板与微型槽道制冷交换器7前端壁固定连接，下流道分隔板29与微型槽道制冷交换器7后端壁固定连接，从而形成从液体进口21、经过微型槽道23热交换面形成H型换热槽道后，进入液体流入孔25及由液体循环通道34、微型槽道28、液体流出口26、液体通道35到达液体出口22后进入软管11形成一个液体流动循环通道。

工作过程：本发明液体从液体进口21进入H型换热槽道，通过液体通道34及液体流入口25流入到微型槽道28，通过微型槽道28及液体流出口26进入微型槽道制冷交换器7内，通过液体通道35到达液体出口22，液体通过软管11上泵10使液体进行循环流动。当液体流入微型槽道28并且吸收来自热源的热量后，到达液体出口22实现了液体在微型槽道制冷交换器7的循环。

本发明的基板6连接方式可用于INTEL CORE-DUO CPU X6700(芯片)的超频热电制冷液体冷却器

计算机系统：ATX/BTX平台的电脑

风扇：120x38/32/25，1台

冷却器结构与材料：

微型槽道冷却板5采用100-200微米微型槽道冷却块，材料：Cu1100、AL6063

垂直设置散热器9：AL6063、Cu1100

基板6采用AL6063或工程塑料

散热能力：大于200Watts

热电制冷模片8：4片，45x45x3.0mm，Tmax＝69℃

冷却流体：Propylene glycol溶液、Ethylene glycol溶液

使用温度：-40℃-180℃

本发明的热电制冷-液体冷却器，原理是利用热电制冷模片8制冷冷却流经微型槽道交换器7中流动的液体，被冷却的液体高速喷流与热源接触的另一微型槽道冷却板5，吸收来自计算机芯片/IGBT等电子元件散出的热量。温度升高后的冷却流体通过微型槽道制冷交换器7，把热量传递到热电制冷模片8的冷端，热流通过制热电制冷模片8传输到附于与制冷模片8的热端接触的散热器9散到周围的空气中，这样循环往复，实现对热源的温度控制和热量的导出。该装置的关键和特点是：实现了低于环境温度的高级液体冷却技术，可用于超高热流芯片(超频)的冷却。利用微米级的液体冷却板，传热效率很高，热阻小，可以任意控制芯片的温度，从而提高芯片的运算速度、可靠性和使用寿命。

Claims (8)

1.热-电制冷液体冷却装置，包括：热电制冷模片(8)、散热器(9)，其特征在于，微型槽道制冷交换器(7)两侧分别依次对称设有热电制冷模片(8)、散热器(9)，微型槽道制冷交换器(7)垂直固定安装于中空基板(6)的顶部，微型槽道冷却板(5)固定安装于中空基板(6)的底部；微型槽道制冷交换器(7)中心线两侧对称设有微型槽道(23)，微型槽道(23)为正弦波型曲线凹槽，在对称设置的微型槽道(23)一侧设有液体流入孔(25)，另一侧设有液体流出孔(26)，微型槽道制冷交换器(7)上设有液体进口(21)及液体出口(22)，液体进口(21)与微型槽道(23)连通，液体出口(22)通过软管(11)与液体进口(21)连接，软管(11)上设有液体驱动装置(10)；微型槽道冷却板(5)上并列设置有多个微型槽道(28)，微型槽道(28)间设有上流道分隔板及下流道分隔板(29)，上流道分隔板与微型槽道制冷交换器(7)顶板固定连接，下流道分隔板(29)与微型槽道制冷交换器(7)底板固定连接；液体流入孔(25)上端口与微型槽道(23)连通，下端口与微型槽道(28)连通，形成液体循环通道34，微型槽道(28)与液体流出孔(26)相连通，液体流出孔(26)与液体出口(22)相连通，形成液体循环通道35。

2.根据权利要求1所述的热-电制冷液体冷却装置，其特征在于，微型槽道制冷交换器(7)中心线两侧对称设有微型槽道(23)，微型槽道(23)的上、下两端交错铣去槽道间隔壁(33)，然后用上档板(31)和下挡板(32)封闭，形成两侧壁具有微型槽道的、首尾相连的液体通道。

3.根据权利要求1或2所述的热-电制冷液体冷却装置，其特征在于，微型槽道(23)内设有翅片。

4.根据权利要求1或2所述的热电制冷液体冷却装置，其特征在于，微型槽道制冷交换器(7)内靠近液体出口(22)处设有液体缓冲区(24)。

5.根据权利要求1或2所述的热电制冷液体冷却装置，其特征在于，微型槽道制冷交换器(7)两侧壁上的热交换面形成H型换热槽道。

6.根据权利要求1所述的热电制冷液体冷却装置，其特征在于，液体驱动装置(10)为微型水泵或压电流体驱动装置。

7.根据权利要求1所述的热电制冷液体冷却装置，其特征在于，微型槽道冷却板(5)和基板(6)之间设有密封圈(16)。

8.根据权利要求1所述的热电制冷液体冷却装置，其特征在于，基板(6)上固定安装有风扇罩(2)，风扇罩(2)上设有风扇(1)，微型槽道制冷交换器(7)，热电制冷片(8)、散热器(9)置于风扇罩(2)内。

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