CN112254371A - 多级梯度热电制冷片热控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多级梯度热电制冷片热控装置，旨在提供一种控温精准、散热效率高效的热控装置。包括：本发明通过下述技术方案实现：基于热电制冷技术，热电制冷片通过底部相连的热电制冷片冷端，与嵌入填充隔热材料层中线阵间隔分布的至少两个发热源芯片接触，印制板紧密贴合在发热源芯片下方填充隔热材料的空隙中，从而形成印制板通过线阵间隔发热源芯片接触，热量进入热电制冷片多级串联制冷片热控上升热电制冷片热端，向多个水平方向传导热量，沿着热量传递模块的热量传递模块两侧平面传输方向散走，汇聚导入两侧散热肋条热量散失到环境中的热电制冷热控装置。本发明提高了模块级电子设备的可靠性，散热效率非常高效。

Description

多级梯度热电制冷片热控装置

技术领域

本发明涉及一种模块级电子设备热电制冷热控装置，尤其是采用多级梯度热电制冷半导体芯片的热控装置。

背景技术

电子设备模块化是提高电子设备通用性、可靠性和可维修性,并降低成本的有效途径。目前ASAAC标准模块、VITA标准模块已在航空、航天和工业领域广泛使用。但是随着电子设备应用领域的扩展，模块的发热量越来越大、其电子设备集成度越来越高、模块的温度环境适应性要求越来越严苛。尤其是其体积和重量很小，根据尺寸和制冷需求排列不同的单元形式的制冷片，其尺寸最小可以达到5mm×5mm×2mm的方形或者直径为4mm的环形。热传输途径上的热阻依次有器件内热阻e；器件表面与制冷器冷表面间接触热阻ed、制冷器热表面与散热器底面间接触热阻和散热器底部到环境间的热阻。器件通过该传输途径需要散发的热量为P，这也是制冷器稳定工作时的制冷量。在电子设备冷却中，通常期望的制冷***恰恰要求体积小巧、工作安静。热电制冷片目前能够覆盖大部分芯片级电子设备，而且能够降温到环境温度以下，并实现温度精确控制。即使得模块级电子设备能够运行在比它许用温度更高的环境温度中。例如对于许用壳温一般为100℃的FPGA这种器件，其采用单级制冷片集成以后，PFGA壳温控制在95℃时，如果制冷片能够实现50℃温差制冷，则集成以后的FPGA就能工作在＜95+50℃环境，相当于将FPGA的温度环境适应性性能提高了50℃。

随着电子元器件体积的不断缩小以及速度和性能的不断提高，芯片的能耗和热流密度也越来越大。过高的温度将使元器件承受过量的热膨胀应力,导致其结构被破坏而失效，据统计，超过55％的电子设备失效是与电子设备过热有关的。随着温度的升高，电子元器件的失效率呈指数增加，在不同程度上降低了电子设备的可靠性。

传统的ASAAC标准模块、VITA标准模块、VPX模块等大多传导散热的方式，即采用模块结构件1安装散热肋条4将有发热源芯片2的印制板3固定在模块结构件1的中，通过如图5所示传导散热方式。发热源芯片2的热量通过模块结构件1安装散热肋条4，沿着散热通道的热量传输方向5传输路径传递给机架，由机架将热量最终带走，热量的传递依赖于温差。由于传统的标准模块热量传递中温度最高的为芯片2，温度大小顺序为芯片2＞模块结构件1＞4安装散热肋条。当芯片2的热耗越高，芯片2与安装散热肋条4的温差就越大，而机架所能提供的冷源温度一般都是恒定的，这就造成随着模块热耗的增加，传统模块的使用范围越来越窄，很多情况下必须采用穿通液冷的方式，穿通液冷增加了液冷流道，导致模块结构件1结构复杂，漏液等导致模块失效的风险急剧增加。为了适应航空航天领域模块化电子设备的温度环境适应性要求，模块级电子设备大都要通过穿通液冷、芯片降额等技术来实现。热电制冷片目前能够覆盖大部分芯片级电子设备，而且能够降温到环境温度以下，并实现温度精确控制。即使得模块级电子设备能够运行在比它许用温度更高的环境温度中。热电制冷将能够解决一些大功率器件及恶劣环境下的电子设备的冷却问题。相比其他冷却方式，热电制冷具有没有运动部件，体积和重量很小，可以降温到环境温度以下，同一器件可以满足升温和降温的要求，温度能够实现精确控制，可靠性高(200000h以上)，电子静音，重力无影响，能够在150-200℃高温环境中工作。尤其是其体积和重量很小，制冷片可以根据尺寸和制冷需求排列不同的单元形式。目前国产的制冷片包含四个单元的PN结构，其尺寸最小可以达到5mm×5mm×2mm的方形或者直径为4mm的环形，这种尺寸形式基本能够覆盖大部分的芯片级电子设备。

能够降温到环境温度以下，即使得模块级电子设备能够运行在比它许用温度更高的环境温度中。对于例如FPGA这种器件，其许用壳温一般为100℃，采用单级制冷片集成以后，PFGA壳温控制在95℃时，如果制冷片能够实现50℃温差制冷，则集成以后的FPGA就能工作在＜95+50℃环境，相当于将FPGA的温度环境适应性性能提高了50℃。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种结构紧凑，传热热阻及漏热损失小，控温精准、散热效率高效的模块级电子设备热电制冷热控装置。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种多级梯度热电制冷片热控装置，包括：覆盖在热量传递模块7内侧两端的模块结构件1，嵌入在填充隔热材料层10下陷槽中的热电制冷片11，依次向上间隔层叠在热电制冷片11上并与两端模块结构件1横向垂直相连的多级温度梯度热电制冷片，其特征在于：基于热电制冷技术，热电制冷片11通过底部相连的热电制冷片冷端8，与嵌入填充隔热材料层10中线阵间隔分布的至少两个发热源芯片2接触，印制板3紧密贴合在发热源芯片2下方填充隔热材料10的空隙中，从而形成印制板3通过线阵间隔发热源芯片2接触，热量进入热电制冷片11多级串联制冷片热控上升热电制冷片热端9，向多个水平方向传导热量，沿着热量传递模块7的热量传递模块两侧平面传输方向5散走，汇聚导入两侧散热肋条4热量散失到环境中的热电制冷热控装置。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

结构紧凑。本发明采用覆盖在热量传递模块7内侧两端的模块结构件1，嵌入在填充隔热材料层10下陷槽中的热电制冷片11，依次向上间隔层叠在热电制冷片11上并与两端模块结构件1横向垂直相连的多级温度梯度热电制冷片集成在一起，供电布线方便，无运动部件，结构简单紧凑。根据实际需要可以在模块结构件中集成至少一片热电制冷片11，在模块结构件1与印制板3之间填充隔热材料层10，保证了热量主要从热量传输方向5散入什么模块左右两侧的安装肋条散热面4，最终由安装肋条散热面4将热量传递给机架。还可以将热电制冷片进行多级串联，可以将模块级电子设备应用于环境温度远大于模块级电子设备许用温度的场景中。如采用三级梯度制冷，理想状态下，每一级梯度能够实现能够覆盖主要热源40℃的制冷温差，则三级可实现120℃的制冷温差，假设模块级电子设备内部电子设备许用温度为100℃，采用三级梯度制冷后，就能使模块运行在＜100℃+120℃的环境中。

传热热阻及漏热损失小。本发明基于热电制冷技术，热电制冷片11通过底部相连的热电制冷片冷端8，与嵌入填充隔热材料层10中线阵间隔分布的至少两个发热源芯片2接触，印制板3紧密贴合在发热源芯片2下方填充隔热材料10的空隙中，级与级之间无电绝缘层，大大减少了级间附加传热热阻以及漏热损失，得益于冷凝的效率更高的热量传递模块7热量可以向多个水平方向传导，而且它与热源以及散热介质的接触面积更大，能够使表面温度更加均匀。由于VC均热板和能与发热源直接接触无需基板，还可进一步降低热阻，实现芯片下的水平方向上完美的散热等温性。因此能有效提高多级制冷元件及热电堆的制冷性能。减少了传热热阻及漏热损失。这种将热电制冷装置与模块结构件集成一体，在模块内部形成一个微型的封闭环境，能够在模块内部实现一个适宜电子设备工作的温度环境。

控温精准，散热效率高效。本发明采用热量进入热电制冷片11多级串联制冷片热控上升热电制冷片热端9，向多个水平方向传导热量，沿着热量传递模块7的均热板碳纤VC板盒体两侧平面传输方向5散走，汇聚导入两侧散热肋条4热量散失到环境中的热电制冷热控装置，利用均热板VC真空腔体内液体高温蒸发吸热、低温液化放热的原理，大幅提升散热能力，实现了出色的温度控制。在相应芯片对于的结构位置上安装热电制冷装置就可以芯片的精准控温，实现高效导热特性，同时提高了模块的温度环境适应性。这种采用类似于空调制冷***原理，当热电制冷片6通电制冷以后，热电制冷片热端9的温度就会比热电制冷片的冷端8温度高(一般有40-50摄氏度温差)，这样的大温差借助于量传递模块7的碳纤均热板VC热管或者多层复合石墨烯散热膜、使得热量能够从热电制冷片热端9向散热肋条4传递的热量密度更高，整个装置中温度高低排序就可实现散热性能得到大幅度提升，热电制冷片热端9温度＞热量传递模块7高导热材料的温度＞散热肋条4温度＞芯片2温度＞热电制冷片冷端8温度。最终使得发热源芯片2与印制板3处于较低的温度中，提高了模块级电子设备的可靠性，散热效率非常高效。

附图说明

图1是本发明多级梯度热电制冷片热控装置纵剖视构造示意图；

图2是图1第一实施例单级梯度热电制冷热控装置的纵剖面构造示意图；

图3是图1第二实施例双级梯度离散式热控方式热电制冷热控装置的纵剖面构造示意图；

图4是图1第三实施例集中式热控方式热电制冷热控装置的纵剖面构造示意图；

图5是传统传导散热方式热量传递模块的纵剖面构造示意图。

图中：1为热电制冷模块，2为发热源芯片，3为印制板，4为安装散热肋条，5为热量传输方向，6热电制冷片，7热量传递模块，8为热电制冷片冷端，9为热电制冷片热端，10为隔热材料，11为第一级热电制冷片，12为第二级热电制冷片，13为第三级热电制冷片，14第四级热电制冷片。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种多级梯度热电制冷片热控装置，包括：覆盖在热量传递模块7内侧两端的模块结构件1，嵌入在填充隔热材料层10下陷槽中的热电制冷片11，依次向上间隔层叠在热电制冷片11上并与两端模块结构件1横向垂直相连的多级温度梯度热电制冷片。基于热电制冷技术，热电制冷片11通过底部相连的热电制冷片冷端8，与嵌入填充隔热材料层10中线阵间隔分布的至少两个发热源芯片2接触，印制板3紧密贴合在发热源芯片2下方填充隔热材料10的空隙中，从而形成印制板3通过线阵间隔发热源芯片2接触，热量进入热电制冷片11多级串联制冷片热控上升热电制冷片热端9，向多个水平方向传导热量，沿着热量传递模块7的热量传递模块两侧平面传输方向5散走，汇聚导入两侧散热肋条4进行线性传导热量，散失到环境中的热电制冷热控装置。

热电制冷片冷端8与发热源芯片2紧密贴合。多级串联制冷片热控包括：与热电制冷片冷端8紧密贴合的第一级热电制冷片11，依次向上紧密贴合第二级制冷片12、第三级制冷片13和与热电制冷片热端9紧密贴合第四级制冷片14，从而形成了制冷片多级串联的，层叠在热电制冷片冷端8与热电制冷片热端9之间的多级温度梯度热电制冷片的复叠结构。

热量传递模块7采用碳纤维和液冷均热板VC、导热系数热管、可固化导热凝胶、高导热铝合金框架和多层复合石墨烯散热膜共同组成的多层散热结构，多层散热结构为三明治结构，最外侧上下两端是上表面和下表面，上表面以及下表面紧贴的是冷凝层和导热层，最中间位置则是汽化层，热量通过下表面紧贴的导热层传输到汽化层，均温板碳纤VC汽化层的冷却液在吸热后快速蒸发，在遇到冷凝层后遇冷开始再度凝结成冷却液，经过毛细结构的管道回流再度回到最开始位置，周而复始提供出色的散热效果。均热板碳纤VC热量传递模块7中空密封，采用热管和碳纤VC混搭，辅以散热搭配石墨烯散热膜和铜箔散热片、并填充冷凝液且布满毛细结构的扁平片状导热管无缝结合导热凝胶元素组合为散热单元，通过以相变导热的方式，将热量迅速传递至模块结构件1，热量传递模块7左右两侧的安装散热肋条4，将热量导入机架中，实现了更佳的温升控制。

发热源芯片2运行时产生的热量传导至热电制冷片11，将热量迅速传递至多级温度梯度热电制冷复叠结构及其两端的模块结构件1，在真空超低压环境下，热量传递模块7的均热板VC真空腔体内充入液体，并抽真空烧结在内壁毛细结构层的蒸发端中空内腔冷凝液受热快速蒸发，迅速吸收热量并转化为蒸气，热蒸汽向高压区扩散到低压区冷凝端，蒸汽接触温度较低的内壁迅速凝结为液体并释放热能，凝结后的冷却液通过铜微状结构毛细管道回流入均热板底部蒸发源处回流，回流的冷却液通过蒸发器受热后再次气化并通过铜网微管吸热>导热>散热，如此反复作用循环，液体利用毛细管道作用流回蒸发端形成一个水气并存的双相循环***，循环***利用水蒸气的潜热性带走大量热能。

填充隔热材料层10采用隔热材料将除芯片2与模块结构件1接触面以外的部分全部包裹，发热源芯片2仅有与热电制冷模块1接触面能产生热量传递。

在图2所示实施例中，针对嵌入在填充隔热材料层10中的单个发热源芯片2，在热电制冷片冷端8上方设有与模块结构件1集成在一起的一片热电制冷片6，热电制冷片6紧密贴合在热电制冷片冷端8与热电制冷片热端之间，发热源芯片2紧密贴合在热电制冷片冷端8与印制板3之间，热电制冷片热端9嵌入在模块结构件1与热量传递模块7的均热板VC盒体内壁紧密贴合，热量从发热源芯片2通过热电制冷片冷端8传递至热电制冷片6在模块结构件1中散热传递到热量传递模块7，再通过热量传递模块7两侧安装的散热肋条4，传递至机架。

在图3所示的一个实施例中，为了实现多个离散分布的发热源芯片2的热控，相对应，多片热电制冷片6与模块结构件1集成在一起的，沿热量传递模块7的纵向方向间隔嵌入在模块结构件1中，多片离散分布在模块结构件1中的热电制冷片6，紧密贴合在热电制冷片热端9与热电制冷片冷端8之间，离散分布的发热源芯片2紧密贴合在热电制冷片冷端8下端面与嵌入在填充的隔热材料10中的印制板2之间，热量传递模块7、热管或者石墨烯片7紧密贴合，热量从离散分布的发热源芯片2传递到热电制冷片冷端8，再通过热电制冷片6传递至模块结构件1中，热量通过热量传递模块7，再通过热量传递模块7两侧安装的散热肋条4传递至机架。这种离散式热控方式能够对多个芯片进行温度控制，能够实现模块级电子设备中各发热源芯片2的精准控温。

在图4所示的另一个实施例中，为了实现多个离散分布的发热源芯片2的热控，同时简化结构，将热电制冷片6设置为能够覆盖多个离散分布发热源芯片2的纵向热电制冷板芯片，纵向热电制冷板芯片沿热量传递模块7的纵向方向集成在模块结构件1中，并紧密贴合在热电制冷片热端9与热电制冷片冷端8模块之间，离散分布的发热源芯片2紧密贴合在热电制冷片冷端8下端面与嵌入在填充的隔热材料10中的印制板2之间，热量传递模块7、热管或者石墨烯片7紧密贴合，热量从离散分布的发热源芯片2传递到热电制冷片冷端8，再通过纵向热电制冷板芯片传递至模块结构件1中，热量通过热量传递模块7，再通过热量传递模块7两侧安装的散热肋条4传递至机架。这种集中式热控方式中，仅采用一块面积更大的热电制冷片6，实现模块中电子设备2发热源芯片2的控温。离散式热控方式能够对多个芯片进行温度控制，能够实现模块级电子设备中各发热源芯片2的精准控温。相比于离散式热控方式结构紧凑，一块热电制冷板能够使得热电制冷模块实现统形，供电布线方便。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种多级梯度热电制冷片热控装置，包括：覆盖在热量传递模块(7)内侧两端的模块结构件(1)，嵌入在填充隔热材料层(10)下陷槽中的热电制冷片(11)，依次向上间隔层叠在热电制冷片(11)上并与两端模块结构件(1)横向垂直相连的多级温度梯度热电制冷片，其特征在于：基于热电制冷技术，热电制冷片(11)通过底部相连的热电制冷片冷端(8)，与嵌入填充隔热材料层(10)中线阵间隔分布的至少两个发热源芯片(2)接触，印制板(3)紧密贴合在发热源芯片(2)下方填充隔热材料(10)的空隙中，从而形成印制板(3)通过线阵间隔发热源芯片(2)接触，热量进入热电制冷片(11)多级串联制冷片热控上升热电制冷片热端(9)，向多个水平方向传导热量，沿着热量传递模块(7)的热量传递模块两侧平面传输方向(5)散走，汇聚导入两侧散热肋条(4)热量散失到环境中的热电制冷热控装置。

2.如权利要求1所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：多级串联制冷片热控包括：与热电制冷片冷端(8)紧密贴合的第一级热电制冷片(11)，依次向上紧密贴合第二级制冷片(12)、第三级制冷片(13)和与热电制冷片热端(9)紧密贴合的第四级制冷片(14)，从而形成了制冷片多级串联的，层叠在热电制冷片冷端(8)与热电制冷片热端(9)之间的多级温度梯度热电制冷片的复叠结构。

3.如权利要求1所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：热量传递模块(7)采用碳纤维和液冷均热板VC、导热系数热管、可固化导热凝胶、高导热铝合金框架和多层复合石墨烯散热膜共同组成的多层散热结构。

4.如权利要求3所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：多层散热结构为三明治结构，最外侧上下两端是上表面和下表面，上表面以及下表面紧贴的是冷凝层和导热层，最中间位置则是汽化层，热量通过下表面紧贴的导热层传输到汽化层，均温板碳纤VC汽化层的冷却液在吸热后快速蒸发，在遇到冷凝层后遇冷开始再度凝结成冷却液，经过毛细结构的管道回流再度回到最开始位置，周而复始提供出色的散热效果。

5.如权利要求4所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：均热板碳纤VC热量传递模块(7)中空密封，采用热管和碳纤VC混搭，辅以散热搭配石墨烯散热膜和铜箔散热片、并填充冷凝液且布满毛细结构的扁平片状导热管，无缝结合导热凝胶元素组合为散热单元，通过以相变导热的方式，将热量迅速传递至模块结构件1，热量传递模块7左右两侧的安装散热肋条(4)，将热量导入机架中，实现了更佳的温升控制。

6.如权利要求1所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：发热源芯片(2)运行时产生的热量传导至热电制冷片(11)，将热量迅速传递至多级温度梯度热电制冷复叠结构及其两端的模块结构件(1)，在真空超低压环境下，热量传递模块(7)的均热板VC真空腔体内充入液体，并抽真空烧结在内壁毛细结构层的蒸发端中空内腔冷凝液受热快速蒸发，迅速吸收热量并转化为蒸气，热蒸汽向高压区扩散到低压区冷凝端，蒸汽接触内壁迅速凝结为液体并释放热能，凝结后的冷却液通过铜微状结构毛细管道回流入均热板底部蒸发源处回流，回流的冷却液通过蒸发器受热后再次气化并通过铜网微管吸热>导热>散热，如此反复作用循环，液体利用毛细管道作用流回蒸发端形成一个水气并存的双相循环***，循环***利用水蒸气的潜热性带走大量热能。

7.如权利要求1所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：填充隔热材料层(10)采用隔热材料，将除芯片(2)与模块结构件(1)接触面以外的部分全部包裹，发热源芯片(2)仅有与热电制冷模块(1)接触面能产生热量传递。

8.如权利要求1所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：针对嵌入在填充隔热材料层(10)中的单个发热源芯片(2)，在热电制冷片冷端(8)上方设有与模块结构件(1)集成在一起的一片热电制冷片(6)，热电制冷片(6)紧密贴合在热电制冷片冷端(8)与热电制冷片热端之间，发热源芯片(2)紧密贴合在热电制冷片冷端(8)与印制板(3)之间，热电制冷片热端(9)嵌入在模块结构件(1)与热量传递模块(7)的均热板VC盒体内壁紧密贴合，热量从发热源芯片(2)通过热电制冷片冷端(8)传递至热电制冷片(6)在模块结构件(1)中散热传递到热量传递模块(7)，再通过热量传递模块(7)两侧安装的散热肋条(4)，传递至机架。

9.如权利要求1所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：为了实现多个离散分布的发热源芯片(2)的热控，相对应，多片热电制冷片(6)与模块结构件(1)集成在一起的，沿热量传递模块(7)的纵向方向间隔嵌入在模块结构件(1)中，多片离散分布在模块结构件(1)中的热电制冷片(6)，紧密贴合在热电制冷片热端(9)与热电制冷片冷端(8)之间，离散分布的发热源芯片(2)紧密贴合在热电制冷片冷端(8)下端面与嵌入在填充的隔热材料(10)中的印制板(2)之间，热量传递模块(7)、热管或者石墨烯片(7)紧密贴合，热量从离散分布的发热源芯片(2)传递到热电制冷片冷端(8)，再通过热电制冷片(6)传递至模块结构件(1)中，热量通过热量传递模块(7)，再通过热量传递模块(7)两侧安装的散热肋条(4)传递至机架。

10.如权利要求1所述的多级梯度热电制冷片热控装置，其特征在于：为了实现多个离散分布的发热源芯片(2)的热控，同时简化结构，将热电制冷片(6)设置为能够覆盖多个离散分布发热源芯片(2)的纵向热电制冷板芯片，纵向热电制冷板芯片沿热量传递模块(7)的纵向方向集成在模块结构件(1)中，并紧密贴合在热电制冷片热端(9)与热电制冷片冷端(8)模块之间，离散分布的发热源芯片(2)紧密贴合在热电制冷片冷端(8)下端面与嵌入在填充的隔热材料(10)中的印制板(2)之间，热量传递模块(7)、热管或者石墨烯片(7)紧密贴合，热量从离散分布的发热源芯片(2)传递到热电制冷片冷端(8)，再通过纵向热电制冷板芯片传递至模块结构件(1)中，热量通过热量传递模块(7)，再通过热量传递模块(7)两侧安装的散热肋条(4)传递至机架。

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