CN112188808A - 一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子元器件散热技术领域，提供了一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱。利用氟化液在CPU等电子元器件表面的汽化来带走电池在工作过程中所产生的热量，最终通过热电制冷系统将该热量传递给外界环境，使得CPU等电子元器件处于适宜的工作温度范围内。相比于传统的冷却方式，具有以下优点：充分利用氟化液的相变来吸收电池在工作所产生的热量，无接触热阻、取热能力强、散热效率高；填充的玻璃珠占据了绝大部分间隙空间，使得氟化液的用量降到了最低，极大的降低了冷却的成本；采用热电制冷片对氟化液蒸汽进行冷凝，冷凝温度易于控制，无制冷剂污染。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件散热技术领域，具体涉及一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱。
背景技术
随着微电子技术的不断进步与发展，电子芯片逐渐小型化，集成度越来越高。高集成度使芯片的功耗越来越大，据统计，一些电子器件表面的热流密度已超过1×106W/m2；而电子器件需要一个可靠的工作温度，有研究表明，如果电子器件的工作温度升高10℃，其可靠性则会下降一半；温度越高，电子器件越容易失效，如果芯片温度从75℃增加10℃，其故障率也将增加一倍。对于硅芯元件，温度如果超过170℃，器件也将彻底损坏。大部分情况，电子器件的接点温度最高不能超过85℃。这对传统的风冷、液冷等被动式散热技术提出了严峻的挑战。
如今，一些微处理器芯片包含的晶体管数目已超过10亿个。如此多的晶体管集成在一起，将产生极大的热流量。因此，电脑CPU的散热问题已成为目前电脑产业和市场的焦点，我们知道，电脑CPU温度需在设计范围内才能保证电脑稳定运行，如果CPU的工作温度超过其临界温度，电脑会就出现死机等问题。目前，台式机CPU主流的散热方式是风扇加铝翅片散热，但这种散热方式已逐渐不能满足CPU的散热要求。
鉴于上述传统冷却方式存在的不足，本发明提供了一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱。利用氟化液在电子元器件表面的汽化来带走电池在工作过程中所产生的热量，最终通过热电制冷系统将该热量传递给外界环境，使得电子元器件始终处于适宜的工作温度范围内，保证了电脑的稳定运行。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供了一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，利用氟化液在电子元器件表面的汽化来带走电池在工作过程中所产生的热量，最终通过热电制冷系统将该热量传递给外界环境，使得电子元器件处于适宜的工作温度范围内，保证了电脑的稳定运行。
本发明的技术方案：
一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，该基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱包括：主箱体1、液冷箱2、电子元器件3、氟化液4、引线管5、玻璃珠6、下翅片7、热电制冷片8、上翅片9、风扇10；液冷箱2、电子元器件3、氟化液4、引线管5、玻璃珠6、下翅片7、热电制冷片8、上翅片9、风扇10 均位于主箱体内部。其中液冷箱内装有氟化液4，安装电子元器件3的主板安装于液冷箱2的底部；玻璃珠6填充在电子元器件3与液冷箱2之间的间隙中；引线管5安装在液冷箱2侧面；下翅片7置于液冷箱2上部，通过压紧垫片的方式实现与液冷箱2之间的密封；热电制冷片8位于下翅片7与上翅片9之间，通过导热界面材料与两者紧密接触；风扇10安装于上翅片9上端。
当电子元器件开始工作时，温度逐渐升高，电子元器件所产生的热量被填充的氟化液4带走，当氟化液4没有达到沸点时氟化液4利用显热吸收电子元器件所产生的热量；当电子元器件表面温度升高到氟化液4沸点以上时，氟化液4开始沸腾，沸腾产生的氟化液4蒸汽在下翅片7表面凝结，凝结所放出的热量经由热电制冷片8传至上翅片9，最终在风扇10的作用下传递给外界环境。
所述的液冷箱2位于主箱体1内部，其体积小于主箱体1的体积，其内部承载的元器件只有主板以及主板上的电子元器件3。
所述的电子元器件3部分或全部的浸没在氟化液4中。
所述的氟化液4为绝缘阻燃液体且在1标准大气压下沸点为0～80度。
所述的引线管5安装在液冷箱2侧面，其一端管口位于液冷箱2内部氟化液4液面以下，一端位于液冷箱2外部，用于将主板上的线束引致液冷箱2外部。
所述的玻璃珠6直径较小，为毫米量级，且其填充高度应等于或低于氟化液4液面高度。
所述的下翅片7表面具有超疏水涂层，超疏水涂层为接触角大于150度的特氟龙涂层。
所述的热电制冷片8是采用多个标准热电制冷片(40*40mm)阵列而成。所述的下翅片7、热电制冷片8、上翅片9之间的接触面填充有导热性良好的界面材料，用于减小接触热阻。
所述的风扇10安装于上翅片9上部，用于对上翅片9进行强迫对流风冷散热。
本发明的有益成果：
1)充分利用氟化液的相变来吸收电池在工作所产生的热量，无接触热阻、取热能力强、散热效率高；
2)填充的玻璃珠占据了绝大部分间隙空间，使得氟化液的用量降到了最低，极大的降低了冷却的成本；
3)引线管的管口位于液面以下，使得主板上的线束可以简单地从液冷箱内引出且不破坏液冷箱内上方气相区的密闭性；
4)采用热电制冷片对氟化液蒸汽进行冷凝，冷凝温度易于控制，无制冷剂污染。
附图说明
图1为一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱示意图。
图中：1主箱体；2液冷箱；3电子元器件；4氟化液；5引线管；6玻璃珠；7 下翅片；8热电制冷片；9上翅片；10风扇。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明公开了一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，包括：主箱体1、液冷箱2、电子元器件3、氟化液4、引线管5、玻璃珠6、下翅片7、热电制冷片8、上翅片9、风扇10；其中液冷箱2、电子元器件3、氟化液4、引线管5、玻璃珠6、下翅片7、热电制冷片8、上翅片9、风扇10均位于主箱体1内部。其中液冷箱2内装有氟化液4，安装电子元器件3的主板置于液冷箱2的底部；玻璃珠6填充在电子元器件3与液冷箱2之间的间隙中；引线管5安装在液冷箱2侧面；下翅片7置于液冷箱2上部，通过压紧垫片的方式实现与液冷箱2 之间的密封；热电制冷片8位于下翅片7与上翅片9之间，通过导热界面材料与两者紧密接触；风扇10安装于上翅片7上端；当电子元器件开始工作时，温度逐渐升高，电子元器件所产生的热量被填充的氟化液4带走，当氟化液4没有达到沸点时氟化液4利用显热吸收电子元器件所产生的热量；当电子元器件表面温度升高到氟化液4沸点以上时，氟化液4开始沸腾，沸腾产生的氟化液4 蒸汽在下翅片7表面凝结，凝结所放出的热量经由热电制冷片8传至上翅片9，最终在风扇10的作用下传递给外界环境。
如图1所示为一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱示意图，可以看出，液冷箱2位于主箱体1内部，其体积小于主箱体1。在本示例中，液冷箱2所采用的材质为亚克力材质，液冷箱2是由厚度一致的亚克力板粘接而成。液冷箱2 内部承载的元器件只有主板以及主板上的电子元器件3，电源以及光驱等电子元件均位于液冷箱2的外部。
从图中可以看出电子元器件3全部的浸没在氟化液4中，所述的氟化液4 为绝缘阻燃液体且在1大气压下沸点为0～80℃的氟化液4，在本示例中使用的是3M公司生产的HFE-7100氟化液，其沸点为61℃，具有良好的介电特性以及优良的阻燃性。
所述的引线管5安装在液冷箱2侧面，在本示例中，为了更简单的实现引线管5与液冷箱体结合处的密封，引线管也采用亚克力材质，使用亚克力专用胶水粘接引线管5与液冷箱体结合处来实现结合处的密封。从图中可以看出，引线管5的一端管口位于液冷箱2内部氟化液4液面以下，一端位于液冷箱2 外部。主板上的线束可以通过引线管5引致液冷箱2外部，由于管口位于液冷箱2内部氟化液4液面以下，因此在引线的同时不会破坏液冷箱2内部上方气相区域的密闭性。
所述的玻璃珠6直径较小，为毫米量级，在本示例中，所采用的玻璃珠6 直径为3毫米。玻璃珠6填充在电子元器件3与液冷箱2之间的间隙空间内，其填充高度应等于或低于氟化液4液面高度。在本示例中，玻璃珠6的填充高度等于氟化液4液面高度，极大程度上减小了氟化液4的使用量，降低了机箱的成本。
如图所示，下翅片7安装于液冷箱2上部，下翅片7与液冷箱2之间是通过压紧垫片的方式实现密封的。所述的下翅片7表面具有超疏水涂层，在本示例中，超疏水涂层是通过在表面涂敷一层特氟龙涂层，待表面干燥后，测得接触角大于150度，因此氟化液4蒸汽在其表面的凝结方式为珠状凝结，大大的提高了凝结换热速率。
所述的热电制冷片8是采用多个标准热电制冷片(40*40mm)阵列而成。热电制冷片8位于上翅片9与下翅片7之间，热电制冷片8与上、下翅片之间的接触面填充有导热性良好的界面材料，用于减小接触热阻，在本示例中，所采用的界面材料为锡膏，由于锡膏具有优异的导热性以及良好的流动性，因此可以很大程度的减小两个接触面间的接触热阻。
所述的风扇10安装于上翅片9上部，用于对上翅片9进行强迫对流风冷散热。在本示例中，风扇10的进风口分布于主箱体1的侧面，风扇10的出风口位于主箱体1的顶端。
如图1所示，当电子元器件开始工作时，温度逐渐升高，电子元器件所产生的热量被填充的氟化液4带走，当氟化液4没有达到沸点时氟化液4利用显热吸收电子元器件所产生的热量。当电子元器件表面温度升高到氟化液4沸点以上时，氟化液4开始沸腾。由于下翅片7与热电制冷片8的冷端接触，温度较低，因此沸腾产生的氟化液4蒸汽在下翅片7表面凝结，凝结所放出的热量经由热电制冷片8的冷端传至热端，而后热量传至与热电制冷片8热端相接触的上翅片9，最终在风扇10的作用下，热量以强迫对流换热的形式传递给外界环境。
从图中可以看出，为了节省氟化液4的用量，本发明仅将产热较高的电子元器件3置于液冷箱2内，电源等其他一些产热量较小的电子元器件均位于液冷箱2外。主板上的线束通过引线管5引致液冷箱2外，与输入输出插口以及光驱相连，在实现局部浸没式液冷的同时也实现了外部插件的正常连接与使用。
综上所述，本发明提供了一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱。利用氟化液在电子元器件表面的汽化来带走电池在工作过程中所产生的热量，最终通过热电制冷系统将该热量传递给外界环境，使得电子元器件处于适宜的工作温度范围内。
以上所述的具体示例，对本公开的技术方案以及有益效果进行了详尽的阐述，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体示例而已，并不限制本发明。图中各元件的尺寸和形状不反应真实大小和比例，而仅表示本示例的内容。凡是在本公开的原则和精神上，所做的任何修改、改进以及等同替换等，均在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，该基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱包括主箱体(1)和设置于主箱体(1)内的液冷箱(2)、电子元器件(3)、氟化液(4)、引线管(5)、玻璃珠(6)、下翅片(7)、热电制冷片(8)、上翅片(9)和风扇(10)；其中液冷箱(2)内装有氟化液(4)，安装电子元器件(3)的主板置于液冷箱(2)底部；玻璃珠(6)填充在电子元器件(3)与液冷箱(2)之间的间隙中；引线管(5)安装在液冷箱(2)侧面；下翅片(7)置于液冷箱(2)上部，通过压紧垫片的方式实现与液冷箱(2)之间的密封；热电制冷片(8)位于下翅片(7)与上翅片(9)之间，通过导热界面材料与两者紧密接触；风扇(10)安装于上翅片(9)上端；
当电子元器件(3)开始工作时，温度逐渐升高，电子元器件(3)所产生的热量被填充的氟化液(4)带走，当氟化液(4)没有达到沸点时，氟化液(4)利用显热吸收电子元器件(3)所产生的热量；当电子元器件(3)表面温度升高到氟化液(4)沸点以上时，氟化液(4)开始沸腾，沸腾产生的氟化液(4)蒸汽在下翅片(7)表面凝结，凝结所放出的热量经由热电制冷片(8)传至上翅片(9)，最终在风扇(10)的作用下传递给外界环境。
2.根据权利要求1所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的电子元器件(3)全部的浸没在氟化液(4)中。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的引线管(5)安装在液冷箱(2)侧面，其一端管口位于液冷箱(2)内部氟化液(4)液面以下，另一端位于液冷箱(2)外部，用于将主板上的线束引致液冷箱(4)外部。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的玻璃珠(6)填充高度等于或低于氟化液(4)液面高度。
5.根据权利要求3所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的玻璃珠(6)填充高度等于或低于氟化液(4)液面高度。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的下翅片(7)表面具有超疏水涂层，超疏水涂层为接触角大于150度的特氟龙涂层。
7.根据权利要求3所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的下翅片(7)表面具有超疏水涂层，超疏水涂层为接触角大于150度的特氟龙涂层。
8.根据权利要求4所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的下翅片(7)表面具有超疏水涂层，超疏水涂层为接触角大于150度的特氟龙涂层。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的热电制冷片(8)是采用多个标准热电制冷片阵列而成。
10.根据权利要求6所述的一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱，其特征在于，所述的热电制冷片(8)是采用多个标准热电制冷片阵列而成。
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