CN2727963Y - 热电与微通道循环换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种热电与微通道循环换热系统，该换热系统将热电换热器和微通道换热器有机地集成一体，包括控制驱动部分、执行换热部分和电源。控制驱动部分主要由数个温度传感器、主动控制器和两个功率驱动器组成；执行换热部分主要由两个微通道换热器、被控温元器件、热电换热器、风冷散热器和微型水泵组成。所述主动控制器对系统进行控制，可在外界环境温度为－40℃～52℃；－28℃～2℃和被控温元器件在40℃～80℃高温环境，散热部件在较低温环境22℃下，有效控制被控温元器件的工作用温度为10℃～60℃，热电换热器耗电量最小。本实用新型具有体积小，换热效率高，可靠性高，同时具有冷热源，适用于极恶劣温度环境中电子信息装置和高密度组装信息器件换热。

Description

热电与微通道循环换热系统

技术领域

本实用新型涉及热交换技术领域，尤其是涉及一种热电与微通道循环换热系统，适用于严酷高低温环境中电子信息装备的温度控制。

背景技术

随着电子信息装备的微小型化，元器件的组装密度和芯片的封装集成密度愈来愈高，尽管功率不断降低，但体积的缩小使得传热的热流密度越来越大，导致系统局部温升越来越大，制约了电子系统工作可靠性的提高。

将被控温元器件如计算机CPU芯片、有源相控阵雷达天线的固态发射源的散热、芯片高密度组装的电子系统以及高效能激光器等的温度控制在正常范围内一直是工程技术界追求的目标，传统的换热技术有风冷散热、水冷散热、热管散热等。风冷散热器成本低散热效果明显，但由于有风道、体积大，不适满足高密度组装的或有屏蔽密封的热控制对象的换热，当环境温度高于或低于元器件温度时，对被控温元器件没有控温能力。水冷散热器比之风冷散热的散热效果好、噪声低，但同样是体积大，不适用于高密度组装被控温对象。热管散热器具有热传导效果好、不耗电、重量轻的优点，但因其导热能力取决于毛细效应，一般长度只有10-20cm，不适合冷热源间导热路径较长应用条件。近期出现的热电换热器、微通道换热器与传统的换热技术相比，具有众多优点。譬如热电换热器具有热响应迅速、可靠性高、体积小、无噪音的优点，并且可通过调整电流方向控制温度的升降，可适用于某些需要精确控制温度或使用环境比较恶劣的场合，其最主要的缺点是性能系数低，耗电量大，使热电换热器的应用受到限制。

20世纪80年代，美国学者Tuckerman和Pease报道了一种微通道换热结构【Tuckermann D.B.，Pease R.F.，“Optimized convective cooling usingmicromachined structure”，Journal of Electro-Chamical Society，1982，129(3)，98C】，该结构采用高导热系数的材料(如硅)制作而成，其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传导至通道内，然后被强迫对流的液体(如水)所带走，其换热性能超过传统换热手段所能达到的水平。近年来，中科院上海光学精密研究所研制了一种微通道冷却热沉，可应用于半导体激光器件及其列阵器件、大规模集成电路的散热。

微通道结构具有换热能力强，适应了高热流密度被控温元器件封装的需要，是一种能将电子元器件或芯片中的热量带走的高效换热技术，且具有结构与制造工艺简单的优点。其局限性在于：仅通过微通道换热器自身，尚不能解决较高温度环境下的换热问题，必须通过外加冷源来实现其高效的换热性能。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种热电与微通道循环换热系统，使其具有高效换热能力，能满足电子信息产品在严酷环境温度条件下的换热需要。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案包括控制驱动部分、执行换热部分和电源，所述控制驱动部分主要由多个温度传感器、主动控制器、两个功率驱动器组成；所述执行换热部分主要由两个微通道换热器、被控温元器件、热电换热器、风冷散热器和微型水泵组成；所述主动控制器通过上述功率驱动器分别和被控温元器件、热电换热器电连接。所述微通道换热器一个与被控温元器件固定为一体，另一个微通道换热器和风冷散热器分别固定在热电换热器的两个工作面上；所述连通管从微型水泵引出，依次连通上述两微通道换热器，再连接到微型水泵，形成换热循环系统，在控制驱动部分控制下完成系统的换热。

本实用新型的主动控制器主要包括数据采集器、处理器、控制信号输出器和人机接口，所述数据采集器、处理器和控制信号输出器依次连接，处理器与人机接口双向连接；所述数据采集器主要由多个温度-电压变换器、模拟开关、运算放大器和A/D模数变换器组成并顺序连接；将温度传感器采集变换的温度电阻值转换成电压检测信号，经放大、A/D模数变换后，送给处理器。所述控制信号输出器包括两个输出通道，即“D/A-1——运算放大器”构成的微型水泵通道和“D/A-2——运算放大器”构成的热电换热器通道，上述两个通道分别与两个功率驱动器相连；所述的人机接口包括键盘和液晶显示器，键盘主要向处理器输入系统的设定参数，液晶显示器实时显示系统运行的工作信息。所述处理器对数据采集器输入的温度信号进行处理，生成的控制电压数字信号，经D/A-2数模转换，运算放大器放大、功率放大器放大成执行电压，驱动热电换热器工作。

从上述技术方案可以看出，本实用新型在同一换热系统内将热电换热技术和微通道换热技术有机地集合起来，实现了两者优势迭加、扬长补短，与现有技术相比，具有体积小、换热效率高、可靠性高的优点及制冷和加热的双向功能，可在恶劣的环境温度下，使被控温元器件的温度控制在10℃～60℃范围内，而热电换热器耗电量最小。由于本实用新型具有上述特点，可在以下领域得到广泛应用：

1.本实用新型的微通道和微流体非常接近被控温元器件，形成热阻很小的传热途径，因而传热效率很高，使用微通道换热器及连通管实现微流体循环，可用于冷热源间的长距离热传输和高低温温差较大、冷热部位相距较远的电子信息装备(譬如太空环境下)；加之体积非常小；很适合有屏蔽密封要求而不易通过的长距离传导换热的场合；

2.本实用新型的换热系统体积小，可靠性高，换热效率高，能满足高密度组装部件的换热；可安装在产品关键部位如，多芯片高密度组装，计算机CPU芯片，有源相控阵雷达天线的固态发射源，高效能激光器，磁盘存储器、打印头、喷墨头、热转印头等部位进行局部热控制；

3.本实用新型控制热电换热器的电流方向可实现升温或降温，调整电流方向可使工作部位的局部温度低于或高于环境高温，具有很强的热环境适应性。特别适用于特别严酷环境(极高、极低温度)下电子信息装备中关键元器件的温度控制。

附图说明

图1是本实用新型循环换热系统构成示意图

图2是本实用新型执行换热部分的俯视示意图

图3是本实用新型微通道换热器构造及装配示意图

图4是本实用新型温度传感器1安装位置示意图

图5是本实用新型温度传感器2、3安装位置示意图

图6是本实用新型主动控制器组成框图

图7是本实用新型数据采集组件组成框图

图8是本实用新型控制信号输出组件框图

图9是本实用新型功率驱动器电路图

图10是本实用新型处理器电压控制信号流框图

图11是在-40℃～52℃下被控温元器件的温度随环境温度变化曲线

图12是在-28℃～2℃下被控温元器件的温度随环境温度变化的曲线

图13是22℃，40℃～52℃下被控温元器件温度随环境温度变化的曲线

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构及工作过程进行详述。

如图1、图2所示，本实用新型包括控制驱动部分I、执行换热部分II和电源17构成。控制驱动部分I主要由温度传感器1、主动控制器2和功率驱动器3、4组成。执行换热部分II主要由被控温元器件5、微通道换热器6、热电换热器9、风冷散热器10和微型水泵7组成。主动控制器2通过功率驱动3、4分别和热电换热器9、微型水泵7电连接，并为其提供工作电压。温度传感器1一个用来检测被控温元器件5的温度；两个温度传感器用以检测热电换热器9冷、热端的温度；还有一个温度传感器用于检测外界环境的温度；图中的A、B、C、D分别为上述温度传感器的温度采集点。温度传感器将采集的温度数据送到主动控制器5进行处理，产生电压控制信号，经由功率驱动器3、4驱动热电换热器9和微型水泵7工作，实现对系统的换热控制。在上述图中，一个微通道换热器6与被控温元器件5紧密固定为一体。另一个微通道换热器6和风冷散热器10分别固定于热电换热器9的两个工作面上。为了减小接触热阻，在热电换热器9与微通道换热器6和与风冷散热器10的接触面均涂有导热硅脂。连通管8从微型水泵7引出，依次连通上述两微通道换热器，再连接到微型水泵7，形成换热循环系统。为提高系统运行可靠性以及安装尽可能减小体积，换热系统的微型水泵7选用德国KNF公司生产的NF60KPDC型薄膜泵，它采用5V～24V直流电供电，最大流量为400ml/min，提供最大泵压为100Kpa。调整泵的供电电压，可调节其换热介质水的流量，以改变连通管8和微通道中的水流速度。所述风冷散热器10用于强化热电换热器与外界环境换热，以减小其电量消耗，本实用新型选用轴流式风冷散热器，其散热性能较好。所述电源17为直流电源，可为换热泪盈眶系统提供±24V电压。

参见图2，在连通管8上连接有六个三通接头11，用作换热系统水温和水压的测试接口。其中，测量连通管8水压的三通接头为四个，通过测量水压可控制换热水介质的流速。测量水温的三通接头为两个，分别用于测量与热电换热器9相连接的微通道循环器6的出、回水温。连通管8采用隔热性能较好的软管，如塑料管或硅胶管，用以减小与外界环境的热交换量。

参见图3，本实用新型的两个微通道换热器6具有完全相同的材质、结构和尺寸。微通道换热器6的材料为硬铝合金，它由换热器基底12、一组微通道13、盖板14组成，换热器基底12和盖板14用树脂胶粘结成整体。具有密封性好、不怕水、强度高、耐高温的特点。在微通道换热器6的两侧边开设有换热水介质出/入口15，在每个出/入口15上各安装一个微通道接头16。在微通道接头16的中间开设有一园柱小孔，连通管8穿过此孔；所述出/入口15的一端与与微通道13连通，另一端经微通道接头16与连通管8连通。使微通道换热器6与连通管8形成水介质的封闭循环通道。

参见图4和图5，一个温度传感器1安装在被控温元器件5与微通道换热器6之间，用以测量被控温元器件5的温度；温度传感器分别固定在热电换热器13与微通道换热器12及与风冷散热器10之间，用以测量热电换热器冷、热端的温度。还有一个温度传感器置于换热系统外，用以测量外界环境温度。温度传感器1采用型号PT100铂热电阻，能满足本系统狭小空间的温度测量。

参见图6，主动控制器2主要由数据采集器、处理器、控制信号输出器、人机接口组成。所述数据采集器是主动控制器2的前端，与处理器、控制信号输出器依次连接。处理器与人机接口双向连接。

如图7所示，所述的数据采集器用于获取、转换控制所需的温度信息。其组成主要由温度-电压变换器、模拟开关、运算放大器和A/D模数变换器组成。为给温度测量预留足够的冗余量，设计了8路温度-电压变换器。由于温度传感器1采用的是PT100铂热电阻，为了检测的方便，由温度/电压变换器将铂热电阻表示温度的电阻值转换为电压信号。当所采集的温度信息经温度/电压变换器转换成电压信号后，通过模拟开关ADG508进行通道选择，再经由运算放大器放大、A/D模数变换，便得到对应通道温度的数字量，输送给处理器进行处理。为了提高数据采集的精度，运算放大器选用了高精度、低温漂型号为OP07的放大器，A/D选用了16位精度型号为AD574的模数转换器。

参见图8，控制信号输出器包括两个输出通道，基中一个通道是由“D/A-1—运算放大器”构成的微型水泵通道，另一个通道是由“D/A-2—运算放大器”构成的热电换热器通道。上述两个通道分别与功率驱动器4和3相连接。该控制信号输出器的主要功能是对处理器生成的控制信号进行数模变换和放大生成功率驱动器3、4的控制信号。本实用新型对微型水泵7的控制精度要求不太高，因此，D/A-1选用了12位D/A器件DAC0832，控制精度可达24/2¹²V(＜6mV)。在实际应用中，D/A-1输出为定值，使微型水泵7的执行电压也为定值，从而微通道13中水的流速为常值。由于热电换热器9的耗电量大，属于关键被控对象，D/A-2选用了16位D/A器件DAC811，用以提高对热电换热器9的执行电压的控制精度。

所述人机接口包括键盘和液晶显示。键盘用于输入系统设定参数，包括执行电压的计算式及相应参数、工况、微通道换热器6中水的流速等。键盘有十个数字键(0～9)、减号(“-”)、小数点(“.”)和四个热键(F1～F4)共计十六个按键。液晶显示用于显示系统工作信息，譬如环境温度、被控温元器件5的温度、热电换热器9冷、热端的温度和微通道13中水的流速。

功率驱动器3、4是控制驱动部分中重要组成部分，它为热电换热器9和微型水泵7送电。其电路如图9所示，选用型号为OPA541放大器作为功率放大器，外围只需少量元件就能满足输出要求(如：R6为10kΩ电阻，R7为50kΩ电位器，R8为0.1Ω/4W电阻)。OPA541实际上是一个大功率的运算放大器，在±10V～±40V的电源下工作，可以连续输出5A的电流。由于单路功率驱动器最大输出电流为5A，而热电换热器9的供电电流有可能超过5A，因此热电换热器的功率驱动需要由两路功率驱动电路并联驱动，使每路各分担一部分电流。

参见图10，处理器主要由芯片构成，所采用的芯片型号为8031，是主动控制器5的核心组件。其控制策略是：通过控制热电换热器9的执行电压，使被控元器件5的温度达到控制目标，且热电换热器9耗电量尽可能小。其控制方式是：处理器对数据采集器输入的环境温度信息进行处理，输出控制电压数字量Data，经控制信号输出器的D/A-2进行数模变换、运算放大器放大、再由功率放大器放大成热电换热器9的执行电压并驱动其工作。

本实用新型的工作过程是：接通电源17，系统开始运行。进行系统初始化，主要是模拟开关、键盘以及液晶显示等硬件接口的初始化；通过键盘设定并输入相关参数、工况、水的流速等值，处理器向根据微通道13中水的流速向D/A-1送值，产生控制微型水泵7的执行电压，微型水泵工作。通过键盘向处理器输入电压算法及控制参数，处理器按控制方式进行处理，最后输出热电换热器9的执行电压。液晶显示器实时显示系统工作信息。当换热系统所处的外界环境温度较高时，被控温元器件5需要制冷，处理器向热电换热器9施加正向执行电压，热电换热器9成为冷源，对与之相连接的微通道换热器6制冷，连通管8内换热水介质降温，进而通过微通道换热器6冷却与之相连接的被控温元器件5；反之当环境温度较低时，被控温元器件5需要加热，给热电换热器9通以反向的电流，热电换热器9又成为热源，经过上述循环通道，被控温元器件5亦被加热。从而现完成系统的换热。由于热电换热器9能根据电流方向的转换，成为系统的热源或冷源，本实用新型将其与微通道换热器6组合为一个系统，热电换热器9为微通道换热器6提供了冷源，使其能在较高的环境温度下，有效地发挥其高效率换热能力。

实验表明，本实用新型在外界环境温度为-40℃～52℃条件下，能将被控温元器件5的温度控制在10℃-60℃范围，如图11的曲线所示。在外界环境温度为-28℃～2℃条件下能将被控温元器件5的温度控制在10℃左右，如图12的曲线所示。当被控温元器件温度5在40℃～80℃高温下，而散热部件在较低温环境，譬如室温22℃条件下，能将被控温元器件9的温度控制在≤60℃，如图13的曲线所示。

从上述曲线图中不难看出，在极其恶劣的高低温环境下，本实用新型能够有效地将被控温元器件的工作温度控制在设定的温度范围。因此，本实用新型可以应用于恶劣温度环境中工作的电子信息领域。

Claims (7)

1.一种热电与微通道循环换热系统，包括控制驱动部分(I)、执行换热部分(II)和电源(17)，其特征在于控制驱动部分(I)主要由温度传感器(1)、主动控制器(2)、功率驱动器(3)、(4)组成；执行换热部分(II)主要由被控温元器件(5)、两个微通道换热器(6)、热电换热器(9)、风冷散热器(10)和微型水泵(7)组成；所述主动控制器(2)通过功率驱动器(3)、(4)分别和微型水泵(7)、热电换热器(9)电连接并为其提供工作电压；所述一个微通道换热器(6)与被控温元器件(5)固定为一体，另一个微通道换热器(6)与风冷散热器(10)分别固定在热电换热器(9)的两个工作面上；连通管(8)从微型水泵(7)引出，依次连通上述两微通道换热器(6)，再连接到微型水泵(7)，形成换热循环系统，在控制驱动部分(I)的控制下完成系统的换热。

2.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于所述连通管(8)上连接有六个三通接头(11)，所述三通接头用作换热系统水温和水压的测试接口，其中，四个三通接头用于测量水压，两个三通接头用于测量水温；连通管(8)可采用隔热性能较好的软管，以减小与外界环境的热交换量。

3.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于所述微通道换热器(6)由换热器基底(12)、一组微通道(13)、盖板(14)组成，换热器基底(12)和盖板(14)用树脂胶粘结成整体；在微通道换热器(6)的两侧边开设有水介质出/入口(15)，在出/入口(15)上各安装一个微通道接头(16)，所述微通道接头中间有一园柱小孔，连通管(8)穿过此孔；所述出/入口(15)的一端与与微通道(13)连通，另一端经微通道接头(16)与连通管(8)连通。

4.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于温度传感器(1)设置有四个，其中，一个固定在被控温元器件(8)与微通道换热器(9)之间，用以测量被控温元器件的温度；两个温度传感器分别固定在热电换热器(9)与另一微通道换热器(6)及热电换热器(9)与风冷散热器(10)之间，用以测量热电换热器(9)冷、热端的温度，还有一个温度传感器用于采集外界环境温度。

5.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于主动控制器(2)主要由数据采集器、处理器、控制信号输出器和人机接口组成，所述的数据采集器、处理器、控制信号输出器依次连接，处理器与人机接口双向连接。

6.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于所述的数据采集器由温度-电压变换器、模拟开关、运算放大器和A/D模数变换器组成并顺序连接；主要将温度电阻值转换成电压信号，并进行放大、A/D模数变换后送给处理器，所述的处理器主要由芯片构成；主要对输入的温度信号进行处理，所述的控制信号输出器包括两个输出通道，一个是“D/A-1——运算放大器”构成的微型水泵通道，另一个是“D/A-2——运算放大器”构成的热电换热器通道，这两个通道分别与功率驱动器(7)、(6)相连接；所述的人机接口包括键盘和液晶显示器，键盘主要向处理器输入系统的设定参数，液晶显示器用于实时显示系统运行的工作信息。

7.根据权利要求1或6所述的循环换热系统，其特征在于所述处理器对数据采集器送来的温度数据进行处理，生成电压信号数字量Data，经D/A-2数模转换，运算放大器、功率放大器依次放大成热电换热器(9)的执行电压，控制系统进行换热。

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