CN107454813A - 一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置及其控温方法 - Google Patents

一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置及其控温方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置及其控温方法，该方案包括有扩热板、热界面材料、TEC制冷片、相变蓄冷器和外围冷却设备；相变蓄冷器的下表面通过热界面材料与外围冷却设备连接；相变蓄冷器的上表面通过热界面材料与TEC制冷片的下表面连接；TEC制冷片的上表面通过热界面材料与扩热板的下表面连接；扩热板的上表面通过热界面材料与待散热电子器件连接。该方案利用固壁热传导实现电子器件工作期间大功率废热的实时提取，无泵驱流体回路，体积规模小；规避了泵驱机构引入的振动、EMC问题；无闭式流体回路引发的安全性可靠性降低问题；通过改变TEC制冷片布置方式实现分区温控，可适用同一设备不同热负载的不同温控要求。

Description

一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置及其控温方法
技术领域
本发明涉及的是相变制冷领域，尤其是一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置及其控温方法。
背景技术
伴随激光器、雷达、能源等大功率电子器件/设备性能的提升，其应用环境也广泛扩展，越来越多的机动平台，包括飞机、汽车、轮船等对此类大功率设备提出了配装需求。在这些独立性强、使用灵活度高、应用环境较为苛刻的运行平台，设备体积、重量、机电热接口受到十分严格的限制，精密控温冷却技术成为制约设备使用性能提升的关键因素之一。
控温精度要求高、热负荷小的电子器件多采用半导体热电制冷技术(TEC)，利用P型半导体元件和N型半导体元件连接成热电偶，利用直流电源通过时产生的温差和热量转移，实现制冷。该技术结构简单，无需制冷剂，无污染，启动快，控制灵活，在失重和超重状态下均可工作。但该技术制冷效率低，功耗高，制冷能力随环境温度与制冷片冷端温差增大而减小，不适用于环境温度变化范围大、体积功耗限制严格的环境。
控温精度要求高、热负荷大的电子器件，目前较多采用压缩机蒸发循环和液体冷却技术以同时满足电子器件的温度控制和热排散要求。蒸气压缩制冷在应对高热流密度电子芯片和功率原件的散热问题上具有极大的潜力和应用前景。该技术制冷量依赖于压缩机系统冷量，不适用于瞬时大功率放热设备，同时，高温环境下压缩机能耗比降低，功耗增加，不适用于能耗限制严格的应用条件。
在边界及能耗限制严格的应用条件下，针对间歇式工作模式的大功率电子器件，目前多采用蓄冷复合泵驱液体冷却技术实现控温及热排散。
美国Rini公司采用相变蓄冷技术替代实时冷却热管理技术方案，将激光短时工作产生的废热暂时储存在蓄冷装置中，在激光系统长时间待机期间再将废热排除出去。该技术利用间歇期实现废热缓慢排散，降低了工作期对实时热排散的要求，适用于瞬时大功率放热设备应用。但该技术取热环节依赖泵驱式流体回路，工程应用过程中面临体积规模大，安全性、可靠性差及执行机构电磁兼容、振动等问题，伴随电子器件/设备功率成倍增加，其工程化应用受到限制。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置及其控温方法，该方案利用固壁热传导实现电子器件工作期间大功率废热的实时提取，无泵驱流体回路，体积规模小；规避了泵驱机构引入的振动、EMC问题；无闭式流体回路引发的安全性可靠性降低问题；控温冷却装置与热源一体化设计，易于工程放大；通过TEC制冷片实现精密温控，控温精度高；通过改变TEC制冷片数量和相变材料总量，可适用不同热负荷的电子器件；通过改变TEC制冷片布置方式实现分区温控，可适用同一设备不同热负载的不同温控要求。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置，包括有扩热板、热界面材料、TEC制冷片、相变蓄冷器和外围冷却设备；相变蓄冷器的下表面通过热界面材料与外围冷却设备连接；相变蓄冷器的上表面通过热界面材料与TEC制冷片的下表面连接；TEC制冷片的上表面通过热界面材料与扩热板的下表面连接；扩热板的上表面通过热界面材料与待散热电子器件连接。
作为本方案的优选：相变蓄冷器内填充相变材料；相变材料通过外围冷却设备导热实现相变材料的固液态转变。
作为本方案的优选：外围冷却设备为风冷或液冷散热装置。
作为本方案的优选：TEC制冷片的数量为多片，各TEC制冷片之间的空隙处填充有保温隔热材料。
一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置的控温方法，包括有一下步骤：
a、首次启动前，启动外围制冷设备，对相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相降温凝固为固相；
b、在电子器件工作阶段，停止外围制冷设备，电子器件产生的废热经过扩热板匀化，废热传导至相变蓄冷器内由相变材料吸收，相变材料吸热由固相变为液相；TEC制冷片加电工作，实时调节电功率实现电子器件的控制温度要求；
c、在电子器件工作间歇期，开启外围制冷设备，通过外围制冷设备将相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相凝固为固相，废热通过外围制冷设备排散至外部大气中。
作为本方案的优选：相变材料的相变潜热大于等于100kJ/kg。
作为本方案的优选：相变材料固液相变温度低于电子器件的控制温度。
作为本方案的优选：述步骤a中，相变蓄冷器内填充有强化传热材料；所述强化传热材料的导热系数为20w/m﹒K～300W/m﹒K。
作为本方案的优选：相变材料的加注量根据公式计算，其中Q为单次蓄冷量，ΔH为相变材料相变潜热。
作为本方案的优选：外围冷却设备制冷量根据公式计算：其中，Wl为热负荷；tw为电子器件工作时间；tp：电子器件工作间歇时间。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该方案利用固壁热传导实现电子器件工作期间大功率废热的实时提取，无泵驱流体回路，体积规模小；规避了泵驱机构引入的振动、EMC问题；无闭式流体回路引发的安全性可靠性降低问题；控温冷却装置与热源一体化设计，易于工程放大；通过TEC制冷片实现精密温控，控温精度高；通过改变TEC制冷片数量和相变材料总量，可适用不同热负荷的电子器件；通过改变TEC制冷片布置方式实现分区温控，可适用同一设备不同热负载的不同温控要求。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图。
图2为本发明另一种实施例的结构示意图。
图3为本发明另一种实施例的结构示意图。
图中，1为电子器件，2为TEC制冷片，3为保温隔热材料，4为扩热板，5为热界面材料，6为相变蓄冷器，7为外围冷却设备，8为散热冷板，9为热排散回路。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
选择热源为6个陶瓷加热片，单个陶瓷加热片热负荷85W，共计510W，外观尺寸30mm×30mm。扩热板采用平板热管，外观尺寸300mm×125mm。TEC制冷片选用9500-241-100B制冷片，6片，TEC制冷片电路采用串联的方式连接。陶瓷加热片通过导热胶与扩热板连接，扩热板通过导热胶与TEC制冷片连接，TEC制冷片通过导热胶与相变蓄冷器连接，导热胶导热系数5w/m﹒K；相变蓄冷器强化传热材料采用泡沫石墨，相变材料采用正十六烷，相变点为18℃，相变潜热200kJ/kg，相变材料填充量350g；外围冷却设备采用风冷式冷水机组，制冷量1000W，外围冷却设备与相变蓄冷器通过热排散回路连接，散热冷板位于相变蓄冷器底部，散热冷板与相变蓄冷器间涂导热胶，导热胶导热系数5W/m﹒K。
首次启动前，启动外围冷却设备，设定冷却温度为5℃，将相变蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于16℃时，相变结束，关闭外围冷却设备。TEC制冷片加电，设定控制温度22℃；陶瓷加热片一次性瞬时加载热负荷510W，根据陶瓷加热片与扩热板接触热界面的温度变化，实时调节TEC制冷片电功率；废热通过热传导转移至相变蓄冷器内，相变材料吸热由固相融化为液相，相变材料温度高于20℃时，相变结束。工作总时长112s，工作阶段陶瓷加热片与扩热板接触热界面的温度21.8℃～22.3℃。
经本实施例操作，热源连续工作时间112s，TEC功耗100W，TEC制冷片热界面温度控制范围21.8℃～22.3℃，控温精度优于±0.5℃。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于扩热板采用铝合金基板，外观尺寸300mm×125mm。
首次启动前，启动外围冷却设备，设定冷却温度为5℃，将相变蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于16℃时，相变结束，关闭外围冷却设备。TEC制冷片加电，设定控制温度22℃；陶瓷加热片一次性瞬时加载热负荷510W，根据陶瓷加热片与扩热板接触热界面的温度变化，实时调节TEC制冷片电功率；废热通过热传导转移至相变蓄冷器内，相变材料吸热由固相融化为液相，相变材料温度高于20℃时，相变结束。工作总时长108s，工作阶段陶瓷加热片与扩热板接触热界面的温度21.6℃～22.4℃。
经本实施例操作，热源连续工作时间108s，TEC功耗100W，热界面温度控制范围21.6℃～22.5℃，控温精度优于±0.5℃。
实施例3
选择热源为电加热管热源，加热负荷500W，电加热管外观尺寸Φ8mm×140mm，加热负荷500W；扩热板采用平板热管，外观尺寸200mm×125mm；电加热管热源通过导热硅脂与铝合金扩热壳体连接，铝合金扩热壳体通过导热硅脂与扩热板连接，扩热板通过导热硅脂与TEC制冷片连接，TEC制冷片通过导热硅脂与相变蓄冷器连接，导热硅脂导热系数3W/m﹒K；铝合金扩热壳体外观尺寸150mm(L)×80mm(W)×32mm(H)，铝合金扩热壳体通过导热硅脂与扩热板连接，导热胶导热系数3W/m﹒K。相变蓄冷器强化传热材料采用泡沫石墨，相变材料采用正十六烷，相变点为18℃，相变潜热200kJ/kg，相变材料填充量400g；外围冷却设备采用风冷式冷水机组，制冷量1000W，外围冷却设备与相变蓄冷器通过热排散回路连接，散热冷板位于相变蓄冷器底部，散热冷板与相变蓄冷器间涂导热硅脂，导热硅脂导热系数3W/m﹒K。
首次启动前，启动外围冷却设备，设定冷却温度为5℃，将相变蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于16℃时，相变结束，关闭外围冷却设备。TEC制冷片加电，设定控制温度22℃；电加热管一次性瞬时加载热负荷500W，根据铝合金扩热壳体与扩热板热界面的温度变化，实时调节TEC制冷片电功率；废热通过热传导转移至相变蓄冷器内，相变材料吸热由固相融化为液相，相变材料温度高于20℃时，相变结束。工作总时长125s，工作阶段陶瓷加热片与扩热板接触热界面的温度21.8℃～22.3℃。
经本实施例操作，热源连续工作时间125s，TEC功耗100W，热界面温度控制范围21.8℃～22.3℃，控温精度优于±0.5℃。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处一在于扩热板采用铝合金基板，外观尺寸200mm×125mm；不同之处二在于铝合金扩热壳体外观尺寸150mm(L)×30mm(W)×28mm(H)。
首次启动前，启动外围冷却设备，设定冷却温度为5℃，将相变蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于16℃时，相变结束，关闭外围冷却设备。TEC制冷片加电，设定控制温度20℃；电加热管一次性瞬时加载热负荷500W，根据铝合金扩热壳体底面的温度变化，实时调节TEC制冷片电功率；废热通过热传导转移至相变蓄冷器内，相变材料吸热由固相融化为液相，相变材料温度高于20℃时，相变结束。工作总时长120s，工作阶段陶瓷加热片与扩热板接触热界面的温度21.3℃～22.6℃。
经本实施例操作，热源连续工作时间120s，TEC功耗100W，热界面温度控制范围21.8℃～22.4℃，控温精度优于±1℃。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置，其特征是：包括有扩热板、热界面材料、TEC制冷片、相变蓄冷器和外围冷却设备；所述相变蓄冷器的下表面通过热界面材料与外围冷却设备连接；所述相变蓄冷器的上表面通过热界面材料与TEC制冷片的下表面连接；所述TEC制冷片的上表面通过热界面材料与扩热板的下表面连接；所述扩热板的上表面通过热界面材料与待散热电子器件连接。
2.根据权利要求1所述的一种控温冷却装置，其特征是：所述相变蓄冷器内填充相变材料；所述相变材料通过外围冷却设备导热实现相变材料的固液态转变。
3.根据权利要求1所述的一种控温冷却装置，其特征是：所述外围冷却设备为风冷或液冷散热装置。
4.根据权利要求1所述的一种控温冷却装置，其特征是：所述TEC制冷片的数量为多片，各TEC制冷片之间的空隙处填充有保温隔热材料。
5.一种热电制冷复合相变蓄冷的控温冷却装置的控温方法，其特征是：包括有一下步骤：
a、首次启动前，启动外围制冷设备，对相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相降温凝固为固相；
b、在电子器件工作阶段，停止外围制冷设备，电子器件产生的废热经过扩热板匀化，废热传导至相变蓄冷器内由相变材料吸收，相变材料吸热由固相变为液相；TEC制冷片加电工作，实时调节电功率实现电子器件的控制温度要求；
c、在电子器件工作间歇期，开启外围制冷设备，通过外围制冷设备将相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相凝固为固相，废热通过外围制冷设备排散至外部大气中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述相变材料的相变潜热大于等于100kJ/kg。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是：相变材料固液相变温度低于电子器件的控制温度。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤a中，相变蓄冷器内填充有强化传热材料；所述强化传热材料的导热系数为20w/m﹒K～300W/m﹒K。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述相变材料的加注量根据公式计算，其中Q为单次蓄冷量，ΔH为相变材料相变潜热。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述外围冷却设备制冷量根据公式计算：其中，Wl为热负荷；tw为电子器件工作时间；tp：电子器件工作间歇时间。
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