CN114710926A - 一种热电-液冷组合散热方法及散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电‑液冷组合散热方法及散热装置，装置包括离散热源、热电制冷片和液冷冷板，根据热电制冷片的热端制热量Q_H和电子设备确定液冷冷板入口的独立参数、冷却液热属性参数和冷板外框的尺寸；确定离散热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；给模型施加边界条件，建立热电‑液冷组合散热器的多物理场耦合模型；计算热电‑液冷组合散热器的温度分布，判断是否满足要求。本发明解决了高功率电子设备散热问题和热电制冷器制冷量与制冷效率低的问题。本发明增强了TEC热端散热，提高了TEC的制冷量与制冷效率；降低了热源表面温度，且消除由于离散热源带来的局部热点问题，提高了电子设备工作的可靠性；增强了热源温度的可调控性。

Description

一种热电-液冷组合散热方法及散热装置

技术领域

本发明属于电子设备领域，具体涉及基于热电-液冷组合散热的电子设备散热装置。本发明可用于指导具有高功率和离散热源电子设备的散热设计。

背景技术

现如今，随着电子通讯设备及信息产业的飞速发展，电子元器件的轻量化、小体积、高功耗和高集成特性成为产品发展的主要趋势。对高性能芯片而言，表面热流密度约为20～50W/cm²，局部最高处热流密度甚至可达100W/cm²，对特定用途的半导体芯片甚至高达1000W/cm²。电子元器件这种发展趋势必将导致散热更困难。设备大量的热积聚不但会造成产品性能大幅度降低，产品体验感差，更严重时，甚至会造成设备无法工作、烧毁和爆炸等，给用户带来严重的财产损失和人生安全问题。因此，对高热流密度电子设备进行高效的散热，是保证电子设备正常工作的基础，也是提高其可靠性的重要途径。

常见的散热方式是自然风冷与强迫风冷，但当温升为50℃时，自然风冷与强迫风冷适用的热流密度仅有0.05W/cm²和0.5W/cm²，散热强度远远达不到如今的散热要求。而微通道液冷散热、喷雾和射流冷却等新型液冷技术，一方面，加工工艺要求高，成本无法控制；另一方面，与传统方式相比，理论不成熟，技术可靠性差。热管散热技术所适用温度范围有限，必须与其他散热方式结合以散出热量，多用于功率不高的电子元器件散热。其他，诸如离子风、磁致冷、热声制冷和相变材料(PCM)散热等新式散热技术因技术发展不成熟、成本高、制冷效率低和会产生具有污染的废液等因素不能得到广泛应用。而热电制冷因具有绿色清洁、无噪声，能够通过控制工作电流或电压较精确的控制制冷温度等优势引起重视。但TEC的制冷量和制冷效率低成为该技术发展的最大瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，结合TEC与液冷散热的优势，提供一种能够高效散热、控温灵活且能够消除离散热源局部热点的模块级电子设备热电-液冷组合散热方法及散热装置。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明一方面，提供了一种热电-液冷组合散热方法，包含以下步骤：

步骤1，根据热电制冷片的热端制热量Q_H和电子设备尺寸大小，确定液冷冷板入口的独立参数、冷却液热属性参数和冷板外框的尺寸；

步骤2，根据选用的热电制冷片和确定的液冷冷板三维几何模型建立热电-液冷组合散热器的三维几何模型，并确定离散热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；

步骤3，根据在Comsol中建立的热电-液冷组合散热器的几何模型，忽略模型的次要影响因素，给模型施加边界条件，建立热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型；

步骤4，根据热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型，分别改变液冷冷板的入口流速以及热电制冷片的工作电流，使用Comsol分析计算热电-液冷组合散热器的温度分布；

步骤5，根据热电制冷片冷端表面的温度分布，判断是否满足要求，若满足，则得到热电-液冷组合散热器设计方案；否则改变热电制冷片工作电流与液冷冷板入口流速，重复步骤3～5，直至满足要求。

作为优选，所述步骤1中，液冷冷板入口独立参数包括入口速度v，冷却液热属性参数包括热导率κ、定压比热容C_p和密度ρ；冷板外框尺寸包括长L₁′、宽W′和高H₁′。

作为优选，所述步骤2中，建立的热电-液冷组合散热器的三维几何模型的器件之间使用含银导热硅脂连接，确定离散热源的几何中心位置、发热面积和功率密度。

作为优选，所述步骤3中，忽略模型的次要影响因素，包括热对流、热辐射的影响、汤姆逊效应的影响和接触电阻与接触热阻影响。

作为优选，根据实际情况施加边界条件，模型的边界条件如下：流道入口、流道出口、TEC电流输入端、TEC电流输出端和其余各面。

作为优选，根据实际设计情况，建立热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型的控制方程包括：连续性方程、动量方程、流体的能量方程、TEC的能量方程、其他固体域能量方程和电场势能方程。

作为优选，判断设计是否满足要求的步骤如下：

(5a)根据所求得得热电制冷片冷端温度分布，提取冷端温度分布数据；

(5b)根据热电制冷片冷端温度分布数据，计算热电制冷片冷端表面均温，热电制冷片冷端表面均温；

(5c)根据计算所得热电制冷片冷端均温，判断设计是否满足要求。

作为优选，热电-液冷组合散热器的散热设计是否满足要求的判断准则为热电制冷片最大的冷端表面均温小于等于热电制冷片冷端所允许的最大温度。

本发明另一方面，提供了一种所述方法采用的热电-液冷组合散热装置，包括离散热源、热电制冷片和液冷冷板，离散热源的下表面贴附于热电制冷片的冷端，热电制冷片的热端在液冷冷板上；

热电制冷片包括在上下陶瓷基板之间分布的P型电臂和N型电臂构成的若干个热点单元组成的阵列；

液冷冷板包括冷板外框和流道；液冷冷板流道内通入循环介质，离散热源将热量传至热电制冷片热端，通过热电制冷片冷端散热，热量由液冷冷板传导至流道中，并通过流道中的循环介质带走散入环境中，对离散热源表面降温。

作为优选，在上下陶瓷基板之间分布垂直平行分布的P型电臂和N型电臂，相邻平行分布的P型电臂和N型电臂通过铜片分别上下连接构成阵列。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1.热电制冷片(TEC)热端散热效果间接决定了TEC的制冷性能，本发明通过将热电制冷与液冷散热技术相结合，增强了TEC热端散热，提高了TEC的制冷量与制冷效率。

2.将TEC与液冷散热相结合用于高功率电子设备散热，通过组合型散热装置通过改变冷板入口流速增强TEC热端散热，极大的提高了TEC的制冷性能。

3.通过将离散热源与TEC冷端相连，大大降低了热源表面温度，且消除由于离散热源带来的局部热点问题，提高了电子设备工作的可靠性；

4.通过离散热源与TEC冷端相连，不仅提高了热源的散热效果，而且增强温度的均匀性，消除了局部热点。

5.通过协调控制TEC工作电流与冷板流体流速，在热源功率增大时，依然能够保证热源表面温度在许可范围内，增强了热源温度的可调控性。使得热源温度能够准确保持在安全范围，增强了温度调控的灵敏性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是液冷冷板部分流道形状图；

图3是热电制冷片的结构示意图；

图4是热电-液冷组合散热设计方法流程图；

图5是本发明仿真实验的温度云图；

图6是本发明装置的TEC制冷量曲线；

图7是本发明装置的TEC制冷效率曲线；

图8是本发明装置不同工作电流下的离散热源表面均温曲线；

图9是本发明装置冷板不同入口流速下的离散热源表面均温曲线。

图中：1、离散热源；2、热电制冷片；3、液冷冷板；4、流道；5、P型电臂；6、N型电臂；7、铜片；8、陶瓷基板；9、冷板外框。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1，对本发明热电-液冷组合散热装置结构进一步详细说明。

本发明的热电-液冷组合散热装置包括离散热源1、热电制冷片2和液冷冷板3，离散热源1的下表面贴附于热电制冷片2的冷端，热电制冷片2的热端在液冷冷板3上。

参照图1和2，对本发明离散热源1、热电制冷片2和液冷冷板3的结构作进一步详细说明。

参照图1，对本发明实施例中的离散热源1进一步详细说明。

本发明的实施例中离散热源1包括三个尺寸功率相同的离散热源，离散热源1的长×宽×高为10mm×10mm×1.3mm，离散热源间的间距为10mm，离散热源1的总发热功率均为20W。

下面结合图2对本发明的实施例中液冷冷板3做进一步的描述。

本发明的实施例中液冷冷板3包括铝制外框9和圆柱形流道4，铝制外框9的长×宽×高为：80mm×16mm×20mm，根据铝制外框9的尺寸，流道4的长度与铝制外框9的长度相等，流道4直径为6mm，循环工质为水。

参照图3，对本发明实施例中的热电制冷片2进一步详细说明。

本发明中的实施例中热电制冷片2包括P型电臂5、N型电臂6、铜片7和陶瓷基板8，在上下陶瓷基板8之间分布有垂直平行分布的P型电臂5和N型电臂6，相邻平行分布的P型电臂5和N型电臂6通过铜片7分别上下连接构成阵列，各P型电臂5、N型电臂6与铜片7组成一个热点单元，上下的陶瓷基板8将有限个热电单元保护固定住。P型电臂5与N型半导体6的尺寸相同，长×宽×高为：1mm×1mm×1.5mm，铜片7的长×宽×高为：1mm×2.8mm×0.25mm，陶瓷基板8的长×宽×高为：60mm×12mm×0.75mm。

下面结合图4对本发明实施例中热电-液冷组合散热设计方法做进一步描述。

步骤1，根据热电制冷片的热端制热量和电子设备尺寸大小，确定液冷冷板入口的独立参数、冷却液热属性参数和冷板外框的尺寸。

液冷冷板3入口独立参数包括入口速度v，冷却液热属性参数包括热导率κ、定压比热容C_p和密度ρ。冷板外框尺寸包括长L₁′、宽W′和高H₁′。

步骤2，根据所选得的热电制冷片和确定液冷冷板的三维几何模型建立起热电-液冷组合散热器的三维几何模型，确定离散热源的几何中心位置、发热面积和功率密度。

使用含银导热硅脂连接，建立起的热电-液冷组合散热器的模型。确定离散热源1的几何中心位置、发热面积和功率密度，其中发热面积取离散热源1与热电制冷片2的接触面积，一般为离散热源1的底面积，功率密度为离散热源1的功率与接触面积的比值，其计算公式如下：

其中，Γ为热源功率密度，S为离散热源与TEC冷端的接触面积。

步骤3，根据在Comsol中建立的热电-液冷组合散热器的几何模型，忽略模型的次要影响因素，给模型施加边界条件，建立热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型。

建立的热电-液冷组合散热器多物理场耦合模型步骤包括：

(3a)忽略模型的次要影响因素，包括热对流、热辐射的影响，汤姆逊效应的影响和接触电阻与接触热阻的影响。

(3b)根据实际情况施加边界条件，模型的边界条件如下：

流道入口：

流道出口：

P_out＝0

TEC电流输入端：

I_in＝I_C0

TEC电流输出端:

V＝0

其余各面：

上式中，v＝u₀为流体流速，T_in为液冷冷板入口温度，P_out为冷板出口压力，I_in为热电制冷片的工作电流，I_C0为热电制冷片的工作电流值，V为工作电压，

为流体流速的法向矢量；κ_s为固体域的导热系数，▽为哈密顿算子，J为电流密度。

(3c)根据实际设计情况，建立模型的控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

流体的能量方程：

TEC的能量方程：

其他固体域能量方程：

电场势能方程：

▽·J_e＝▽(σ(▽V))

式中，

为流体密度，v为流体流速，T为温度，E为场强，μ为流体动力粘度，c_p为恒压热容，κ_f为流体域的导热系数，κ_t为TEC的导热系数，J为电流密度，J_e为单位电流密度，σ为热电材料的电导率。

步骤4，根据热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型，分别改变液冷冷板的入口流速以及热电制冷片的工作电流，使用Comsol分析计算热电-液冷组合散热器的温度分布。

计算热电制冷片2冷端表面均温和热电-液冷组合散热器温度分布的步骤如下：

保证热电制冷片2工作电流与离散热源1功率密度确定，改变液冷冷板3的流体流速，得到热电制冷片2冷端表面均温和热电-液冷组合散热器温度分布的变化情况。

保证液冷冷板3的流体流速与离散热源1功率密度确定，改变热电制冷片2的工作电流，得到热电制冷片2冷端表面均温和热电-液冷组合散热器温度分布的变化情况。

步骤5，根据热电制冷片冷端表面的温度分布，判断是否满足要求。

判断设计是否满足要求的步骤如下：

(5a)根据所求得得热电制冷片2冷端温度分布，提取冷端温度分布数据；

(5b)根据热电制冷片2冷端温度分布数据，计算热电制冷片2冷端表面均温，热电制冷片2冷端表面均温的计算公式如下所示：

其中，

为平均温度，T_i为结点温度，N为结点总数；

(5c)根据计算所得热电制冷片2冷端表面均温，判断设计是否满足要求，

若热电制冷片冷端表面的温度分布满足要求，则得到热电-液冷组合散热器设计方案；否则改变热电制冷片工作电流与液冷冷板入口流速，重复步骤3～5，直至完成满足设计要求的热电-液冷组合散热装置。

热电-液冷组合散热装置的散热设计是否满足要求的判断准则如下：

式中，

表示热电制冷片最大的冷端表面均温，[T_up]表示热电制冷片所允许的最大温度。

下面结合本发明仿真实验对本发明效果作进一步说明：

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i5 5930k CPU，主频为3.5GHz，内存8GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和Comsol Multiphysics。

2.仿真内容及其结果分析：

本发明的实施例中离散热源1包括三个尺寸和功率密度相同的热源，离散热源1的长×宽×高为10mm×10mm×1.3mm，热源间的间距为10mm。热源1的发热功率均为10W。本发明中的实施例中热电制冷片2包括P型电臂5、N型电臂6，P型电臂5与N型电臂6之间通过铜片7连接，P型电臂5、N型电臂6与铜片7组成一个热点单元，上下的陶瓷基板8将有限个热电单元保护固定住。P型电臂5与N型半导体6的尺寸相同，长×宽×高为：1mm×1mm×1.5mm，铜片7的长×宽×高为：1mm×2.8mm×0.25mm，陶瓷基板8的长×宽×高为：60mm×12mm×0.75mm，TEC工作电流为3A。本发明的实施例中液冷冷板3包括冷板外框9和圆柱形流道4，冷板外框9的长×宽×高为：80mm×16mm×20mm，根据冷板外框9的尺寸，流道4的长度与冷板外框9的长度相等，流道4直径为6mm，循环工质为水。本发明实施例中液冷冷板入口流速为0.2m/s。

本发明热电-液冷组合散热装置建模完成后，为验证本发明热电-液冷组合散热装置的实际效果，使用Comsol Multiphysics进行有限元仿真分析，对三维几何模型划分四面体网格，局部交界面处及液冷冷板3流固接触处网格适当加密，进行网格独立性验证，选用稳态求解器，计算容差设置为0.001。得到本发明热电-液冷组合散热装置温度分布，如图5所示。本发明热电-液冷组合散热装置的TEC制冷量和制冷效率曲线，如图6和图7所示；本发明热电-液冷组合散热装置不同工作电流下的离散热源表面均温曲线，如图8所示，本发明装置冷板不同入口流速下的离散热源表面均温曲线如图8所示。

下面结合图5对本发明仿真后的装置温度分布做进一步描述。

图5为本发明实施在TEC工作电流为3A，冷板流速为0.2m/s，热源功率为30W时的装置温度分布图，图5中温度单位为K。图5可见系统整体最高温度集中在TEC上，热源表面均温约345.77K，且TEC冷端温度分布较均匀，不存在局部热点。说明发明中设计的热电-液冷组合散热装置具有较好的散热效果与消除局部热点的特性。

下面结合图6和图7对本发明仿真后的TEC制冷量和制冷效率曲线图做进一步描述。

图6为本发明实施例在0.5～6A工作电流的TEC制冷量与制冷效率图。图4横坐标表示工作电流，单位为A，纵坐标表示制冷量与制冷效率。如图6可见，当工作电流逐渐增大时，制冷量与制冷效率均先增大后减小，制冷量几乎都在35W以上，最高达到69.0332W，而制冷效率在理想状态下也有较大数值，说明适当的工作电流能够提高本发明装置中TEC的制冷性能。

图7为本发明实施例在0.1～0.3m/s液冷冷板流速的TEC制冷量与制冷效率图。图7横坐标表示液冷冷板流速，单位为m/s，纵坐标表示制冷量与制冷效率。如图7可见，随着液冷冷板入口流速的逐渐增大，TEC的制冷量与制冷效率均逐渐增大，但增速逐渐减小，说明合适的冷板流速能够提高本发明装置中TEC的制冷性能。

下面结合图8和图9对本发明仿真后的离散热源表面均温曲线进一步描述。

图8为本发明实施例在0.5～6A工作电流的离散热源表面均温图。图7的横坐标表示工作电流，单位为A，纵坐标表示离散热源表面均温，单位为K。图8可见，当工作电流逐渐增大时，制冷量与制冷效率均先减小后增大，当工作电流为3A时，热源表面均温最低可达310.11K，说明适当的工作电流能够增强本发明装置的散热效果，且控制工作电流的工作范围来控制热源温度保持在安全范围切实可行。

图9为本发明实施例在0.1～0.3m/s液冷冷板流速的离散热源表面均温图。图9的横坐标表示液冷冷板流速，单位为m/s，纵坐标表示离散热源表面均温，单位为K。如图9所示，热源表面均温随着液冷冷板流速的增大而逐渐减小，且降低的速率逐渐减小，说明当合适的冷板流速能够提高本发明装置的散热性能。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热电-液冷组合散热方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，根据热电制冷片的热端制热量Q_H和电子设备尺寸大小，确定液冷冷板入口的独立参数、冷却液热属性参数和冷板外框的尺寸；

步骤2，根据选用的热电制冷片和确定的液冷冷板三维几何模型建立热电-液冷组合散热器的三维几何模型，并确定离散热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；

步骤3，根据在Comsol中建立的热电-液冷组合散热器的几何模型，忽略模型的次要影响因素，给模型施加边界条件，建立热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型；

步骤4，根据热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型，分别改变液冷冷板的入口流速以及热电制冷片的工作电流，使用Comsol分析计算热电-液冷组合散热器的温度分布；

步骤5，根据热电制冷片冷端表面的温度分布，判断是否满足要求，若满足，则得到热电-液冷组合散热器设计方案；否则改变热电制冷片工作电流与液冷冷板入口流速，重复步骤3～5，直至满足要求。

2.根据权利要求1所述的热电-液冷组合散热方法，其特征在于，所述步骤1中，液冷冷板入口独立参数包括入口速度v，冷却液热属性参数包括热导率κ、定压比热容C_p和密度ρ；冷板外框尺寸包括长L′₁、宽W′和高H′₁。

3.根据权利要求1所述的热电-液冷组合散热方法，其特征在于，所述步骤2中，建立的热电-液冷组合散热器的三维几何模型的器件之间使用含银导热硅脂连接，确定离散热源的几何中心位置、发热面积和功率密度，发热面积如下：

其中，Γ为离散热源功率密度，S为离散热源与TEC冷端的接触面积。

4.根据权利要求1所述的热电-液冷组合散热方法，其特征在于，所述步骤3中，忽略模型的次要影响因素，包括热对流、热辐射的影响、汤姆逊效应的影响和接触电阻与接触热阻影响。

5.根据权利要求1所述的热电-液冷组合散热方法，其特征在于，根据实际情况施加边界条件，模型的边界条件如下：

流道入口：

T_in＝293.15K

流道出口：

P_out＝0

TEC电流输入端：

I_in＝I_C0

TEC电流输出端:

V＝0

其余各面：

式中，v＝u₀为流体流速，T_in为液冷冷板入口温度，P_out为冷板出口压力，I_in为热电制冷片的工作电流，I_C0为热电制冷片的工作电流值，V为工作电压，

为流体流速的法向矢量；κ_s为固体域的导热系数，

为哈密顿算子，J为电流密度。

6.根据权利要求5所述的热电-液冷组合散热方法，其特征在于，根据实际设计情况，建立热电-液冷组合散热器的多物理场耦合模型的控制方程如下：连续性方程：

动量方程：

流体的能量方程：

TEC的能量方程：

其他固体域能量方程：

电场势能方程：

式中，

为流体密度，v为流体流速，T为温度，E为场强，μ为流体动力粘度，c_p为恒压热容，κ_f为流体域的导热系数，κ_t为TEC的导热系数，J为电流密度，J_e为单位电流密度，σ为热电材料的电导率。

7.根据权利要求1所述的热电-液冷组合散热方法，其特征在于，判断设计是否满足要求的步骤如下：

(5a)根据所求得得热电制冷片冷端温度分布，提取冷端温度分布数据；

(5b)根据热电制冷片冷端温度分布数据，计算热电制冷片冷端表面均温，热电制冷片冷端表面均温的计算公式如下所示：

其中，

为平均温度，T_i为结点温度，N为结点总数；

(5c)根据计算所得热电制冷片冷端均温，判断设计是否满足要求。

8.根据权利要求7所述的热电-液冷组合散热方法，其特征在于，热电-液冷组合散热器的散热设计是否满足要求的判断准则如下：

式中，

表示热电制冷片最大的冷端表面均温，[T_up]表示热电制冷片冷端所允许的最大温度。

9.一种权利要求1-8任一项所述方法采用的热电-液冷组合散热装置，其特征在于，包括离散热源、热电制冷片和液冷冷板，离散热源的下表面贴附于热电制冷片的冷端，热电制冷片的热端在液冷冷板上；

热电制冷片包括在上下陶瓷基板之间分布的P型电臂和N型电臂构成的若干个热点单元组成的阵列；

液冷冷板包括冷板外框和流道；液冷冷板流道内通入循环介质，离散热源将热量传至热电制冷片热端，通过热电制冷片冷端散热，热量由液冷冷板传导至流道中，并通过流道中的循环介质带走散入环境中，对离散热源表面降温。

10.根据权利要求9所述的热电-液冷组合散热装置，其特征在于，在上下陶瓷基板之间分布垂直平行分布的P型电臂和N型电臂，相邻平行分布的P型电臂和N型电臂通过铜片分别上下连接构成阵列。

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