CN111148407A - 一种基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置 - Google Patents

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CN111148407A CN202010018296.5A CN202010018296A CN111148407A CN 111148407 A CN111148407 A CN 111148407A CN 202010018296 A CN202010018296 A CN 202010018296A CN 111148407 A CN111148407 A CN 111148407A
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徐太栋
李骜
张德俊
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724th Research Institute of CSIC
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Abstract

本发明涉及电子设备温度控制领域的一种基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置，其中包括：装置外壳、电子氟化液、热电制冷片、散热器、安全阀等；主要技术特点是装置使用时将被冷却电子器件放入装置内的电子氟化液中，电子器件产生的热量由电子氟化液发生相变成为气态带走，生成的氟化物气体在装置顶部的热电制冷片冷端冷凝，释放出的热量由热电制冷片输运至装置外部的热电制冷片热端，由散热器耗散至环境大气。本发明主要应用于复杂外形的板级高热流密度器件散热，具有散热效率与安全性高、控温性好的优点。

Description

一种基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置
技术领域
本发明属于电子设备温度控制技术领域。
背景技术
随着电子设备集成度日益增高，电子器件的热流密度大、结构紧凑成为了当前电子设备散热的主要需求。尤其是对于复杂外形的板级电子器件，如果通过表面完全贴合的冷板或散热器进行散热，设计与加工成本高，且对于集成度特别高的电子器件(如相控阵雷达瓦片式组件)，能够用于输送冷却介质的空间极其有限，难以通过设计冷板的方式进行有效散热。因此采用电子氟化液等不导电的相变冷却介质为复杂外形电子器件进行浸没冷却散热成为解决方案之一。
为了解决高热流密度、复杂外形、结构紧凑的板级电子器件散热，热电制冷具有制冷量易于控制、体积紧凑、无噪声的优点。但是，其冷端在空气中易于发生水分冷凝，存在造成电子器件短路烧毁的风险。专利《一种基于热电制冷原理的芯片散热器》(CN104779229A)提出了一种基于热电制冷的器件级散热解决方法，该解决方法中热电制冷片与发热电子器件直接接触，且暴露于空气中，容易存在冷凝、烧毁器件的风险；专利《一种服务器冷却浸没式液冷组合装置》(CN108966603A)提出了一种将元器件浸没在电子氟化液中进行冷却的方法，该解决方法是采用外置液冷源提供冷却介质对气态氟化物进行冷凝，液冷源供液控温精度相对热电制冷较低，且设备量较大。
发明内容
为满足高热流密度、复杂外形、结构紧凑的板级电子器件散热需求，实现板级电子器件的有效散热，本发明提出了一种基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置。
本发明的一种基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置，由装置外壳、电子氟化液、热电制冷片、散热器与安全阀等组成。
图1中，1是热电制冷片热端，2是安全阀，3是装置外壳，4是散热器，5是热电制冷片冷端，6是电子氟化液，7是被冷却器件。装置在进行工作时，装置外壳3内部充注有沸点范围30～50℃的电子氟化液6，要求电子氟化液6能够浸没被冷却器件7，电子氟化液6在被冷却器件7表面发生相变并气化，将热量带离被冷却器件7表面，然后气化后的电子氟化物在热电制冷片冷端5表面发生冷凝，热量经热电制冷片冷端5通过帕尔贴效应到达热电制冷片热端1，最终经热传导与空气对流，由散热器4的表面耗散至环境大气。装置外壳3采用铝合金材料或不锈钢材料设计加工，装置外壳3要求安装完成后能够实现气密，耐受内部压力能够达到0.4MPa，装置外壳3外部安装安全阀2，排气压力0.2MPa。
本发明的优点是，热电制冷片对电子器件的冷却是在密闭容器内非直接接触的，避免了热电制冷片冷端在空气中发生水分冷凝造成电子器件烧毁的风险，设备安全性高；采用热电制冷片对氟化物蒸汽进行冷凝，冷凝温度易于控制，被冷却器件控温性好，不需要额外的液冷源提供冷却介质，设备量小；基于本发明方案进行了散热试验，被冷却器件表面积1cm2，发热量10W，当电子氟化液沸点为32℃时，且环境温度为25℃时，实测达到热平衡后被冷却器件表面温度为50℃，表明本发明装置有效解决的热流密度能够达到10W/cm2，散热效率较高。
附图说明
图1是自然冷却方式下的冷却装置原理图。
图2是强迫风冷方式下的冷却装置原理图。
图中：1是热电制冷片热端，2是安全阀，3是装置外壳，4是散热器，5是热电制冷片冷端，6是电子氟化液，7是被冷却器件，8是轴流风机。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例1：如图1所示，装置外壳3内部充注有沸点范围30～50℃的电子氟化液6，要求电子氟化液6能够浸没被冷却器件7，电子氟化液6在被冷却器件7表面发生相变并气化，将热量带离被冷却器件7表面，然后气化后的电子氟化物在热电制冷片冷端5表面发生冷凝，热量经热电制冷片冷端5通过帕尔贴效应到达热电制冷片热端1，最终经热传导与空气对流，由散热器4的表面耗散至环境大气。装置外壳3采用铝合金材料或不锈钢材料设计加工，装置外壳3要求安装完成后能够实现气密，耐受内部压力能够达到0.4MPa，装置外壳3外部安装安全阀2，排气压力0.2MPa。
被冷却器件表面积1cm2，发热量10W，当电子氟化液沸点为32℃时，且环境温度为25℃时，实测达到热平衡后被冷却器件表面温度为50℃，表明本发明装置有效解决的热流密度能够达到10W/cm2，散热效率较高。
实施例2：见图2，在实施例1的基础上，将热电制冷片热端1的散热器4上设计轴流风机8，提高***向环境大气输送总散热量的能力，通过添加轴流风机8的设计，能够在自然冷却的基础上，将总有效散热量提高2～3倍。
实施例3：在实施例2的基础上，将散热器4的材质由实体金属合金改为泡沫铝或泡沫镁，进一步提高***向环境大气输送总散热量的能力，实测当泡沫金属的开孔孔隙率为50％时，相比同尺寸实体金属合金可将散热器4的综合热扩散系数提升53％。

Claims (3)

1.一种基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置，其特征在于：包括装置外壳、电子氟化液、热电制冷片、散热器、安全阀；其中电子氟化液充注于装置外壳内部，被冷却电子器件浸没于电子氟化液中，热电制冷片安装于装置外壳顶部，并且保证冷端位于装置内部，热端位于装置外部，散热器在装置外部紧贴热电制冷片的热端，其中装置内受热气化的电子氟化物采用热电制冷片的冷端实现冷凝，热量经热电制冷片热端的散热器耗散至环境大气中。
2.根据权利要求1所述的基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置，其特征在于：采用热电制冷片为浸没式冷却产生的氟化物蒸汽进行冷凝，板级电子器件与热电制冷片冷端不直接接触，热量由密闭容器内电子氟化液的相变行为进行传递。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的基于热电制冷片的电子氟化液冷却装置，其特征在于：热电制冷片热端散热器可以使用但不限于实体散热器，也可以采用泡沫铜或泡沫铝。
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CN112188808A (zh) * 2020-10-12 2021-01-05 大连理工大学 一种基于热电制冷的两相浸没式液冷机箱

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