CN113747774A - 一种温控冷却系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温控冷却系统及其使用方法，属于电子器件温控冷却技术领域，包括第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块、第二TEC半导体制冷器和释热模块，第一TEC半导体制冷器的冷面与发热器件连接，其热面与各向异性导热模块连接，储能模块与各向异性导热模块连接，第二TEC半导体制冷器的冷面与各向异性导热模块连接，释热模块与第二TEC半导体制冷器的热面连接，本发明有机结合了两级TEC半导体制冷器、多相变点高密度储能模块和各向异性导热模块的优势，可适用于多种负载不同温控要求发热器件的精准冷却温控，相对于传动泵驱液冷却系统，体积规模大幅降低，控温效率大幅提高，同时其无运动部件，可靠性高，平台适用性强。

Description

一种温控冷却系统及其使用方法

技术领域

本发明属于电子器件温控冷却技术领域，具体地说涉及一种温控冷却系统及其使用方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，激光系统、雷达、能源等大功率电子器件/设备在性能要求方面不断提升，使其温控冷却难度不断增加，同时，对上述设备及其温控冷却系统在飞机、汽车、轮船等机动平台的体积、重量、功耗以及环境适应性等提出了更加苛刻的要求。

目前，激光系统最常用的冷却方式是蒸汽压缩循环复合单相液冷技术、半导体制冷复合风冷技术、蒸汽压缩循环直接冷却技术以及储能复合泵驱液体冷却技。蒸汽压缩循环复合单相液冷技术路线应对高热流密度电子芯片和功率元件的散热问题，具有极大的潜力和应用前景，但其系统复杂、运动部件多，系统紧凑化程度较低。半导体复合风冷技术路线能实现激光系统的紧凑化设计，但该技术制冷效率低，功耗高，不适用于环境温度变化范围大、体积功耗限制严格的环境。压缩机直接蒸发冷却技术的紧凑度极高，但在各发热器件的精密温控和表面温度均匀性方面还需改进。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，多采用储能复合泵驱液体冷却技术实现控温及热排散，该技术将发热器件短时工作产生的废热暂时储存在储能装置中，在间歇期间再将废热排出，有效降低系统规模，但其依托于单相液冷的实时模式在工程化应用存在较多的可靠性、电磁兼容、振动以及安全性问题。综上所述，温控冷却系统的紧凑化设计成为制约电子设备性能提升及应用扩展的关键因素之一。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种温控冷却系统及其使用方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种温控冷却系统，包括：

第一TEC半导体制冷器，其冷面与发热器件连接，其热面与各向异性导热模块连接；

储能模块，其与各向异性导热模块连接，且所述储能模块与第一TEC半导体制冷器位于各向异性导热模块的不同侧；

第二TEC半导体制冷器，其冷面与各向异性导热模块连接，其热面与释热模块连接；

所述发热器件在工作阶段产生废热经第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块传递至储能模块，在恢复阶段，废热通过各向异形导热模块、第二TEC半导体制冷器传递至释热模块。

进一步，所述各向异性导热模块的厚度≯5mm，其面内导热系数≮1000W/mK，厚度方向导热系数≮100W/mK。

优选的，所述各向异性导热模块采用板状结构。

进一步，所述储能模块内部封装有复合相变材料，所述复合相变材料的储能密度≮100kJ/L，导热系数≮100W/m·K，封装界面热阻≯10^-4K·m²/W，储能量≮W_l×t_w，其中t_w为发热器件工作时间，W_l为包括发热器件和第一TEC半导体制冷器在内的总热负荷。

进一步，所述储能模块对应多个第一TEC半导体制冷器设置，根据不同的控温需求，所述储能模块内部选择不同相变点的复合相变材料分区布置，实现分区冷却温控。

进一步，复合相变材料相变温度低于发热器件温控目标温度。

进一步，第一TEC半导体制冷器的冷面工作温度在复合相变材料相变温度±5℃范围内。

进一步，第二TEC半导体制冷器的冷面工作温度低于复合相变材料相变温度。

进一步，所述释热模块外接冷源。

进一步，所述释热模块至少设有1个。

进一步，所述第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块、第二TEC半导体制冷器和释热模块均包覆于保温材料内部，进行保温隔热处理。

进一步，所述释热模块为翅片式风冷散热器、水冷冷却器或其它冷却器。

进一步，所述第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块和第二TEC半导体制冷器之间均采用高导热焊接方式连接，界面热阻≯10^-4K·m²/W。

另，本发明还提供一种温控冷却系统的使用方法，包括如下步骤：

准备阶段：第二TEC半导体制冷器通过各向异性导热模块的热传导实现对储能模块的冷却降温，直至复合相变材料凝固，废热通过释热模块排出，同时，第一TEC半导体制冷器通过正向通电制冷和反向通电加热的闭环控制，保证发热器件的温度维持在要求范围内；

工作阶段：发热器件的废热传递给第一TEC半导体制冷器，第一TEC半导体制冷器通过闭环控制保证发热器件的温度维持在要求范围内，废热通过第一TEC半导体制冷器热面传递给各向异性导热模块，各向异性导热模块将废热扩散降低热流密度后传递给储能模块，促使复合相变材料吸热融化；

恢复阶段：与准备阶段过程相同。

进一步，根据发热器件的发热功率、控温需求和分布，选择第一TEC半导体制冷器的数量、规格和布局，第一TEC半导体制冷器的总制冷量应大于发热器件的发热功率。

进一步，根据系统总储能量、状态恢复时间以及总体结构设计需求，设计第二TEC半导体制冷器的数量、规格和布局，且所述第二TEC半导体制冷器的制冷量

其中，W_l为包括发热器件和第一TEC半导体制冷器在内的总热负荷，t_w为发热器件工作时间，t_p为发热器件工作间歇时间。

本发明的有益效果是：

1、借助第一TEC半导体制冷器和第二TEC半导体制冷器，结合了两级TEC半导体制冷器、多相变点高密度储能模块和各向异性导热模块的优势，可适用于多种负载不同温控要求发热器件的精准冷却温控，相对于传动泵驱液冷却系统，体积规模大幅降低，控温效率大幅提高。

2、利用各向异性导热模块的面内高导热特性实现储能模块向第二TEC半导体制冷器快速传热，同时，可以有效降低储能模块工作时承受的热流密度，提升系统的散热性能和可连续工作时长，降低储能模块厚度。

3、结构设计灵活，有利于系统小型化设计，具有能效比高、体积小、重量轻、适用于多种机动平台、可扩展性良好的特点。

4、无主动运动结构，可靠性高，有利于提升发热器件尤其是激光器的光学稳定性。

5、根据不同的控温需求，储能模块内部选择不同相变点的复合相变材料分区布置，实现分区冷却温控，适用于多温区离散发热器件的散热需求。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的整体结构示意图；

图2是本发明另一种实施方式的整体结构示意图。

附图中：1-保温材料、2-储能模块、3-各向异性导热模块、4-第一TEC半导体制冷器、5-发热器件、6-第二TEC半导体制冷器、7-释热模块、8-冷源。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种温控冷却系统，包括第一TEC半导体制冷器4、各向异性导热模块3、储能模块2、第二TEC半导体制冷器6和释热模块7。

具体的，第一TEC半导体制冷器4的冷面与发热器件5连接，其热面与各向异性导热模块3连接，也就是说，第一TEC半导体制冷器4起到冷却作用。

所述储能模块2与各向异性导热模块3连接，且所述储能模块2与第一TEC半导体制冷器4位于各向异性导热模块3的不同侧。进一步地，所述各向异性导热模块3的厚度≯5mm，其面内导热系数≮1000W/mK，厚度方向导热系数≮100W/mK。优选的，所述各向异性导热模块3采用板状结构。

所述储能模块2内部封装有复合相变材料，复合相变材料相变温度低于发热器件5温控目标温度。所述复合相变材料的储能密度≮100kJ/L，导热系数≮100W/m·K，封装界面热阻≯10^-4K·m²/W，储能量≮W_l×t_w，其中t_w为发热器件5工作时间，W_l为包括发热器件5和第一TEC半导体制冷器4在内的总热负荷。

此外，所述储能模块2还可对应多个第一TEC半导体制冷器4设置，此时，第一TEC半导体制冷器4与发热器件5一一对应，或者，第一TEC半导体制冷器4对应发热器件5的不同温区，根据不同发热器件5或温区的控温需求，所述储能模块2内部选择不同相变点的复合相变材料分区布置，实现分区冷却温控。

所述第二TEC半导体制冷器6的冷面与各向异性导热模块3连接，其热面与释热模块7连接。工作阶段，所述发热器件5产生的废热经第一TEC半导体制冷器4、各向异性导热模块3传递至储能模块2，恢复阶段，废热通过各向异形导热模块3、第二TEC半导体制冷器6传递至释热模块7。也就是说，第二TEC半导体制冷器6起到散热作用。

根据发热器件5的发热功率、控温需求和分布，选择第一TEC半导体制冷器4的数量、规格和布局，第一TEC半导体制冷器4的总制冷量应大于发热器件5的发热功率。根据系统总储能量、状态恢复时间以及总体结构设计需求，设计第二TEC半导体制冷器6的数量、规格和布局。具体的，第一TEC半导体制冷器4的冷面工作温度在复合相变材料相变温度±5℃范围内，第二TEC半导体制冷器6的冷面工作温度低于复合相变材料相变温度。结构设计灵活，有利于系统小型化设计，具有能效比高、体积小、重量轻、适用于多种机动平台、可扩展性良好的特点。

所述释热模块7外接冷源8，优选的，所述释热模块7为翅片式风冷散热器、水冷冷却器或其它冷却器。

所述第一TEC半导体制冷器4、各向异性导热模块3、储能模块2、第二TEC半导体制冷器6和释热模块7均包覆于保温材料1内部，进行保温隔热处理。同时，所述第一TEC半导体制冷器4、各向异性导热模块3、储能模块2和第二TEC半导体制冷器6之间均采用高导热焊接方式连接，界面热阻≯10^-4K·m²/W。

另，本发明还提供一种温控冷却系统的使用方法，包括如下步骤：

准备阶段：第二TEC半导体制冷器6通过各向异性导热模块3的热传导实现对储能模块2的冷却降温，直至复合相变材料凝固，即废热通过各向异形导热模块3、第二TEC半导体制冷器6传递至释热模块7，并通过释热模块7排出，同时，第一TEC半导体制冷器4通过正向通电制冷和反向通电加热的闭环控制，保证发热器件5的温度维持在要求范围内。

工作阶段：发热器件5的废热传递给第一TEC半导体制冷器4，第一TEC半导体制冷器4通过闭环控制保证发热器件5的温度维持在要求范围内，废热通过第一TEC半导体制冷器4热面传递给各向异性导热模块3，各向异性导热模块3将废热扩散降低热流密度后传递给储能模块2，促使复合相变材料吸热融化。

恢复阶段：与准备阶段过程相同。

优选的，所述第二TEC半导体制冷器6的制冷量

其中，W_l为包括发热器件5和第一TEC半导体制冷器4在内的总热负荷，t_w为发热器件5工作时间，t_p为发热器件5工作间歇时间。

也就是说，采用两级TEC半导体制冷结合多相变点高密度储能模块，实现发热器件5的冷却温控，利用各向异性导热模块3的面内高导热特性实现储能模块2向第二TEC半导体制冷器6快速传热，同时，可以有效降低储能模块2工作时承受的热流密度，提升系统的散热性能和可连续工作时长，降低储能模块2厚度。整个系统无主动运动结构，可靠性高，有利于提升发热器件5尤其是激光器的光学稳定性。

实施例二：

如图1所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

发热器件5为某光纤激光器含5个LD，发热量40W，界面温控要求30℃±0.5，盘绕光纤发热量70W，界面温控要求≯35℃，总废热量270W，考虑一定的TEC效率，总废热按370W设计。

LD热界面采用9500-241-100B型TEC制冷器(即第一TEC半导体制冷器4)实现精密温控和废热排散，盘绕光纤控温要求较低直接贴在各向异性导热模块3上，各向异性导热模块3选用某固态均温板，厚度方向导热系数100W/m﹒K，面内等效导热系统约1000W/m﹒K，储能模块2采用基于正十八烷的复合相变材料，相变点为27℃，复合相变潜热110kJ/kg，复合导热系数100W/m﹒K，充注量360g。散热端仍选用1片9500-241-100B型制冷器(即第二TEC半导体制冷器6)，制冷器热面贴合一翅片式风冷散热器(即释热模块7)，翅片厚度0.15mm，高度30mm，外形尺寸180mm*60mm*40mm，散热量40W，冷源采用不超过70℃的环控风。

准备阶段，第二TEC半导体制冷器6利用释热模块7和环控风进行制冷，保证储能模块2温度不超过25℃，确保复合相变材料为固态，5个LD下面的第一TEC半导体制冷器4闭环控制保证每个LD界面温度都在30℃±0.5℃。激光器工作阶段，LD和光纤废热向各向异性导热模块3传递，经均温板降低热流密度后传递给储能模块2，工作约110s后，复合相变材料全部吸热融化为液态，此时，LD界面温度均在30℃±0.5℃范围内，光纤界面最高温度约32℃。重新开展储能恢复流程，约15分钟后，储能模块2恢复到全部为固态的状态。

本实施例中，激光器连续工作时间11s，第一TEC半导体制冷器4功耗90W，LD热界面温度控制范围29.5℃～30.3℃，控温精度优于±0.5℃，包括激光器内的全系统总尺寸为300mm*200mm*80mm，在高温70℃下可正常使用，满足飞机等特殊平台的适装性需求。

实施例三：

如图2所示，本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：

第二TEC半导体制冷器6和释热模块7分布于储能模块2和发热器件5的两侧，同时，进行散热，提高效率。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种温控冷却系统，其特征在于，包括：

第一TEC半导体制冷器，其冷面与发热器件连接，其热面与各向异性导热模块连接；

储能模块，其与各向异性导热模块连接，且所述储能模块与第一TEC半导体制冷器位于各向异性导热模块的不同侧；

第二TEC半导体制冷器，其冷面与各向异性导热模块连接，其热面与释热模块连接；

所述发热器件在工作阶段产生废热经第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块传递至储能模块，在恢复阶段，废热通过各向异形导热模块、第二TEC半导体制冷器传递至释热模块。

2.根据权利要求1所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述各向异性导热模块的厚度≯5mm，其面内导热系数≮1000W/mK，厚度方向导热系数≮100W/mK。

3.根据权利要求1所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述储能模块内部封装有复合相变材料，所述复合相变材料的储能密度≮100kJ/L，导热系数≮100W/m·K，封装界面热阻≯10^-4K·m²/W，储能量≮W_l×t_w，其中t_w为发热器件工作时间，W_l为包括发热器件和第一TEC半导体制冷器在内的总热负荷。

4.根据权利要求3所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述复合相变材料相变温度低于发热器件温控目标温度。

5.根据权利要求4所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述第一TEC半导体制冷器的冷面工作温度在复合相变材料相变温度±5℃范围内，所述第二TEC半导体制冷器的冷面工作温度低于复合相变材料相变温度。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块、第二TEC半导体制冷器和释热模块均包覆于保温材料内部，进行保温隔热处理。

7.根据权利要求6所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块和第二TEC半导体制冷器之间均采用高导热焊接方式连接，界面热阻≯10^-4K·m²/W。

8.一种采用如权利要求7所述的温控冷却系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备阶段：第二TEC半导体制冷器通过各向异性导热模块的热传导实现对储能模块的冷却降温，直至储能模块内的复合相变材料凝固，废热通过释热模块排出，同时，第一TEC半导体制冷器通过正向通电制冷和反向通电加热的闭环控制，保证发热器件的温度维持在要求范围内；

工作阶段：发热器件的废热传递给第一TEC半导体制冷器，第一TEC半导体制冷器通过闭环控制保证发热器件的温度维持在要求范围内，废热通过第一TEC半导体制冷器热面传递给各向异性导热模块，各向异性导热模块将废热扩散降低热流密度后传递给储能模块，促使复合相变材料吸热融化；

恢复阶段：与准备阶段过程相同。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述

其中，W_l为包括发热器件和第一TEC半导体制冷器在内的总热负荷，t_w为发热器件工作时间，t_p为发热器件工作间歇时间。

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