基于熱電制冷技術(shù)的一體化高效冷卻機箱

梅 源，方曉鵬，束 瑛

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于熱電制冷技術(shù)的一體化高效冷卻機箱

梅 源，方曉鵬，束 瑛

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

隨著器件集成度的不斷提高，電子設(shè)備機箱內(nèi)板卡的熱耗越來越大，不同板卡間熱耗差異增大，對機箱的冷卻設(shè)計提出了更高的要求。傳統(tǒng)的冷卻方式(如：常規(guī)風(fēng)冷，常規(guī)液冷等)不能滿足機箱新的冷卻需求；若采用空調(diào)風(fēng)冷則需要增大設(shè)備體積，不滿足結(jié)構(gòu)緊湊的要求。文中提出了利用熱電制冷技術(shù)來解決此類機箱的冷卻問題。通過仿真優(yōu)化設(shè)計了一種一體化高效冷卻機箱，并對機箱的冷卻效果進行了實驗驗證。結(jié)果表明：該一體化高效冷卻機箱滿足結(jié)構(gòu)和冷卻需求，為未來的電子設(shè)備機箱冷卻設(shè)計提供了一種新的思路。

電子設(shè)備機箱；一體化設(shè)計；熱電制冷；高熱流密度

引 言

地面雷達中使用了大量發(fā)熱量為300 W～600 W左右的電子設(shè)備機箱，此類機箱通常具有內(nèi)部發(fā)熱不均勻，局部發(fā)熱密度較高的特點，需要設(shè)計師特別關(guān)注。以前，由于雷達器件集成度不高，此類機箱一般放置于有空調(diào)環(huán)境的機房內(nèi)，機箱所處環(huán)境較好，機箱內(nèi)部的局部熱流密度較高的問題不突出，通常強迫風(fēng)冷或液冷即可滿足散熱要求。

隨著對雷達機動性能的要求越來越高，此類機箱的集成度也越來越高，熱流密度進一步提高，而且設(shè)備機箱通常會被集成到陣面等無環(huán)境控制的惡劣位置。同時，隨著雷達布置地區(qū)越來越廣泛，環(huán)境適應(yīng)性的要求更高，最高工作溫度可達到55 ℃。此時，傳統(tǒng)的強迫風(fēng)冷和常規(guī)液冷的方式往往達不到冷卻的要求，需要增加主動降溫冷卻的方式進行冷卻。

原來采用的壓縮機主動制冷的方式需要增加的設(shè)備量多，體積大，重量大[1]，外部冷卻不能深入機箱內(nèi)部，不能對重要元件進行針對性的冷卻[2]，而且雷達的大功率發(fā)射電子設(shè)備會對空調(diào)產(chǎn)生電磁干擾，空調(diào)的可靠性受到影響。因此，空調(diào)壓縮式制冷的方式不適合于此類機箱的冷卻，需要采用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性更高的主動制冷方式。

熱電制冷是一種利用了半導(dǎo)體珀爾帖效應(yīng)產(chǎn)生類似小型熱泵作用的制冷方式。制冷片外形如圖1所示。

圖1 制冷片

在熱電制冷器的兩端加載一個較低的直流電壓，熱量會從熱電制冷片的低溫端傳到高溫端，產(chǎn)生和空調(diào)一樣的制冷效果。與空調(diào)壓縮機制冷相比，熱電制冷有其獨特的優(yōu)點[3]：1)結(jié)構(gòu)相對簡單，集成度高，排布靈活；2)系統(tǒng)運行無運動、轉(zhuǎn)動部件，噪聲小，電磁干擾影響小，可靠性高；3)可正向制冷，反向加熱，能同時滿足高低溫環(huán)境的要求；4)啟動快，控制靈活。

但是該制冷方式也存在需要直流供電，轉(zhuǎn)換效率低的問題[4]，因此，基于熱電制冷技術(shù)的冷卻方式在裝備工程中應(yīng)用較少?，F(xiàn)在，隨著雷達總體技術(shù)的發(fā)展，需求發(fā)生變化，對于總熱耗不足1 kW的機箱而言，電源的需求不大，熱電制冷能效比低的缺點可以被克服。

本文將基于熱電制冷技術(shù)，研究一種既能夠滿足散熱要求，又能夠滿足結(jié)構(gòu)緊湊要求的冷卻結(jié)構(gòu)一體化機箱。通過仿真手段來完成機箱優(yōu)化設(shè)計，并通過實驗來驗證其性能及其工程可行性。

1 機箱結(jié)構(gòu)冷卻一體化設(shè)計

利用半導(dǎo)體熱電制冷原理，本文針對雷達等電子設(shè)備中常見的熱耗為300 W ～600 W的機箱，設(shè)計了一種冷卻結(jié)構(gòu)一體化排布的機箱樣機。通過分析典型電子設(shè)備機箱的熱耗分布，設(shè)計了冷卻機箱樣機，設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2 設(shè)計原理圖

根據(jù)設(shè)計原理圖，設(shè)計機箱樣機的三維模型，如3圖所示。

圖3 原理樣機三維模型

機箱設(shè)計原理如下：

1)熱電制冷片通過傳導(dǎo)方式將熱源熱耗帶至機箱機體，由制冷片冷端將熱量帶走。將制冷片的冷端貼在發(fā)熱器件的合適位置，在盡量減少機箱傳熱途徑的前提下，最大化的合理利用機箱結(jié)構(gòu)特點，半導(dǎo)體的數(shù)量和位置可針對機箱內(nèi)部發(fā)熱源的位置進行針對性的靈活排布，對于局部熱耗較高的點，可多排布制冷片，以達到較好的制冷效果。

2)通過強迫風(fēng)冷或液冷的方式將制冷片熱端的熱量帶走。由于液冷方式還需要有額外的液冷源，因此，本文采用的是強迫風(fēng)冷方式將熱端熱量帶走，風(fēng)冷方式設(shè)備量小，可完全滿足機箱結(jié)構(gòu)冷卻一體化設(shè)計的需求。

3)設(shè)備要求在環(huán)境溫度-40 ℃～55 ℃時，機箱內(nèi)部溫度可被控制到-20 ℃～45 ℃以內(nèi)以保證機箱內(nèi)部器件能夠正常工作。因此，當(dāng)機箱內(nèi)部溫度大于20 ℃時，熱電制冷片工作在制冷模式，制冷片冷端與機箱內(nèi)部熱交換，冷卻發(fā)熱器件；機箱內(nèi)部溫度小于等于-20 ℃時，控制電流方向反轉(zhuǎn)，制冷片轉(zhuǎn)為加熱模式，熱端與機箱內(nèi)部熱交換預(yù)熱器件，如此設(shè)計，可保證機箱能夠在各環(huán)境溫度下正常工作，提高機箱的環(huán)境適應(yīng)性。

與傳統(tǒng)的機箱相比，該機箱具有以下特點：

1)結(jié)構(gòu)冷卻一體化設(shè)計，機箱結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀；

2)機箱處于相對封閉狀態(tài)，對溫度、電磁干擾等環(huán)境適應(yīng)性好；

3)對局部熱源采取靈活的、有針對性的、快速冷卻，達到較好的冷卻效果；

4)機箱需提供直流電源、必要的控制和傳感器件，保證制冷片的正常工作。

2 機箱樣機設(shè)計要點

機箱內(nèi)部的熱耗及溫度要求見表1。

表1 器件熱耗及溫度要求

機箱采用常溫強迫風(fēng)冷和常規(guī)液冷方式時，在要求最高環(huán)境溫度為55 ℃時，使用強迫風(fēng)冷熱源殼溫可達到95 ℃，常規(guī)液冷熱源殼溫可達到85 ℃。可見常規(guī)的冷卻方式不能直接滿足器件的溫度要求，因此，需要采用能夠制冷的方式進行冷卻。

影響熱電制冷機箱冷卻性能的因素主要有2點：

1)制冷片熱端的散熱效果

熱電制冷片的能效比較低，如果不能有效地帶走熱端的熱量，會導(dǎo)致熱電制冷片熱端熱耗較高，制冷片冷端溫度抬升，繼而影響整個制冷片冷端制冷效果，因此，熱端的散熱是整個機箱冷卻能夠滿足要求的關(guān)鍵。

影響熱端散熱效果的主要因素包括：熱電制冷片的排布、導(dǎo)熱板的散熱面積和擴熱能力、風(fēng)冷翅片的形式、風(fēng)道設(shè)計以及風(fēng)量大小。通過優(yōu)化制冷片的排布、增大導(dǎo)熱板的面積和擴熱能力、優(yōu)化風(fēng)冷翅片形式或優(yōu)化風(fēng)道、增大風(fēng)量等措施都可以增強換熱效果。

2)制冷片冷端傳導(dǎo)。

通過增強冷端的傳熱效果，即優(yōu)化制冷片冷端與熱源之間的熱傳導(dǎo)路徑和減小接觸熱阻，可降低導(dǎo)熱板與冷端之間的溫差，從而降低板卡的溫度，增強制冷效果。

根據(jù)機箱內(nèi)部熱源的分布，制冷片的排布如圖4所示，在熱耗較大的熱源處多布置熱電制冷片，增強局部冷卻效果。此外，冷熱端之間的隔熱層厚度對制冷片的制冷效果也有影響[5]。

圖4 制冷片排布

3 機箱冷卻性能仿真

由于制冷片熱端的散熱和冷端傳導(dǎo)對機箱的冷卻設(shè)計至關(guān)重要，因此，在設(shè)計初期，對制冷片的熱端散熱和冷端傳導(dǎo)進行仿真優(yōu)化。

本文研究的機箱熱耗為305 W，綜合考慮風(fēng)機熱耗、設(shè)計裕度等其他因素的影響，機箱的設(shè)計散熱量為330 W，按環(huán)境溫度55 ℃進行仿真?？紤]熱電制冷片的數(shù)量和需要散熱的熱耗，根據(jù)制冷片的性能曲線可得制冷片的熱端的總熱耗為920 W。根據(jù)熱端熱耗選擇合適風(fēng)量的風(fēng)機及鋁型材翅片對熱電制冷片熱端進行散熱。由制冷片的性能曲線可知制冷片冷端溫度為35 ℃，以此為邊界條件對冷端傳熱進行仿真。機箱內(nèi)部所有材料采用重量輕、散熱能力較好的5A05鋁合金材料。

利用仿真手段，對基板厚度、散熱翅片形式及制冷片的排布進行多輪迭代優(yōu)化。結(jié)果表明：制冷片熱端的散熱主要由風(fēng)冷冷板的熱擴展能力以及冷板與制冷片之間的接觸熱阻決定；制冷片冷端的傳熱效果主要由接觸熱阻的大小決定。經(jīng)過了一系列優(yōu)化后，熱端散熱采用5 mm的基板，22 mm的鋸齒形散熱翅片。機箱內(nèi)發(fā)熱器件和傳熱壓板之間的接觸熱阻按涂覆導(dǎo)熱硅脂計算。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，此時，機箱內(nèi)45 W熱源處的殼溫為62.4 ℃，模擬電源90 W熱源處的殼溫為79.5 ℃。使用熱電制冷方式可以滿足機箱冷卻的要求。熱端散熱采用5 mm的基板，22 mm的鋸齒形散熱翅片可滿足散熱要求。

4 試驗驗證

為了對一體化機箱的實際散熱效果進行驗證，依據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，研制了機箱樣機實物進行實驗。在設(shè)計過程中，充分考慮風(fēng)冷冷板、風(fēng)機一體設(shè)計，使得機箱的外觀結(jié)構(gòu)與制冷功能融合。機箱的外觀圖如圖6所示。

圖6 機箱外觀

對機箱的冷卻性能進行實驗驗證，使用發(fā)熱熱阻替代板卡發(fā)熱芯片，選擇合適的直流電源和控制方式，通過調(diào)節(jié)電壓加載330 W熱源。熱源與壓板之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，并保證良好接觸。實驗測量機箱內(nèi)部溫度、熱端冷板溫度、冷端傳熱壓板溫度和環(huán)境溫度等值。試驗原理圖如圖7所示。

圖7 試驗原理圖

測試點布置如圖8所示。

圖8 測試點位置圖

試驗在常溫條件下進行，環(huán)境溫度24.7 ℃，試驗中，制冷片按照冷熱兩端溫差為20 ℃的要求調(diào)節(jié)電流和電壓，穩(wěn)定后，各測試點溫度見表2。

表2 機箱樣機測試值

將測試溫度等效到環(huán)境55 ℃時的溫度，各測試點均能滿足試驗要求。實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)差異性在5%以內(nèi)，實驗結(jié)果表明基于熱電制冷的一體化機箱設(shè)計能夠滿足機箱的冷卻要求，且仿真計算能夠作為工程設(shè)計的依據(jù)。

5 設(shè)計改進

根據(jù)仿真計算和實驗結(jié)果，目前的設(shè)計模式可以滿足冷卻和結(jié)構(gòu)一體化的要求，但是仍然有改進的余地。因此在不改動外形結(jié)構(gòu)的前提下，對目前的機箱設(shè)計進行優(yōu)化，以提高機箱的散熱能力。

從理論分析和仿真計算來看，熱端散熱能力直接影響著熱電制冷的效率，對整個機箱系統(tǒng)的冷卻性能影響較大，若熱端的散熱能力增強，可顯著提高機箱的散熱能力。

增強熱端導(dǎo)熱板擴熱能力的方法有：更換換熱能力更好的材料(如，使用銅板作為擴熱板)；在鋁板中埋熱管。綜合考慮材質(zhì)對機箱重量、加工難易程度的影響，選擇使用在鋁板中埋熱管的方案，將熱管系統(tǒng)并入機箱空調(diào)系統(tǒng)[6]，進行對比實驗。

根據(jù)制冷片熱端排布布局，排布熱管，熱管排布圖如圖9所示。

圖9 熱管排布圖

重新安裝箱體進行相同條件下的測試，實驗結(jié)果見表3。

表3 增加熱管測試值

將2次實驗結(jié)果進行對比可知：板卡的殼溫下降了2 ℃～3 ℃，機箱的制冷能力得到了提高，預(yù)埋了熱管的傳熱板提高了熱端的換熱能力，試驗結(jié)果表明：該機箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的，通過使用擴熱能力更好的導(dǎo)熱板可以進一步提高機箱的散熱性能，滿足更高熱耗的冷卻需求。

6 結(jié)束語

為了解決電子設(shè)備機箱內(nèi)板卡熱耗大，不同板卡間熱耗差異大的散熱問題，本文基于熱電制冷技術(shù)，設(shè)計出了一種結(jié)構(gòu)和冷卻一體化的高效冷卻機箱。通過仿真分析和試驗測試表明：該一體化機箱的熱電制冷冷卻方式比傳統(tǒng)的冷卻方式(如：常規(guī)風(fēng)冷，常規(guī)液冷等)有更好的冷卻效果，能夠滿足機箱的冷卻需求；通過強化熱電制冷片熱端的散熱效果，可以進一步提升機箱的散熱性能。針對機箱總熱耗在1 kW以內(nèi)，單板熱耗較高的電子設(shè)備機箱，采用本文提出的一體化熱電制冷方式不僅可滿足冷卻要求，還可以滿足結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計要求。基于熱電制冷技術(shù)的一體化高效冷卻機箱，為未來雷達電子設(shè)備機箱的冷卻設(shè)計提供了新的思路，有著較好的應(yīng)用前景。

[1] 趙亮, 張豐華, 楊明明, 等. 熱電制冷器散熱性能實驗研究[J]. 機械研究與應(yīng)用, 2016, 29(3): 123-124, 126.

[2] 美國EXAIR公司. 美國EXAIR機箱冷卻與常用冷卻方式的對比[J]. 現(xiàn)代制造, 2008(22): 44-45.

[3] 薛娜, 歐陽新萍.一種微型熱電空調(diào)的研制[J]. REFRIGERATION, 2007, 26(1): 6-9.

[4] 張華俊, 劉勇, 陳林, 等. 風(fēng)冷熱電空調(diào)器的研制及實驗研究[J]. Fluid Machinery, 2003,31(S1): 272-274.

[5] 李宇, 劉勇, 陳林, 等. 風(fēng)冷熱電空調(diào)器的實驗研究[J]. 流體機械, 2003, 31(S1): 265-271.

[6] 陳波. 熱管冷卻式熱電制冷裝置研制與試驗研究[J]. 制冷與空調(diào), 2016,16(5): 54-58.

梅源(1977-)，女，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計工作。

Integrated High-efficient Cooling Chassis Based onThermoelectric Cooling

MEI Yuan，F(xiàn)ANG Xiao-peng，SHU Ying

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039, China)

In order to solve the problem of high density of sheet plate and high heat consumption of single plate, an efficient cooling is needed. Sometimes traditional passive cooling methods, i.g. wind cooling, liquid cooling, can not solve the problem lonely, but other active cooling methods like air conditioning are also nee-ded. To solve the problems air condition faced, such as heat imbalance, too high partial heat flux density in electronic equipment chassis, an integrated high efficient cooling chassis is designed using thermoelectric cooling technology. This design is proved to fesible by simulation and experiment. It provides an innovative design choice for the future chassis cooling.

electronic equipment chassis; integrated design; the thermoelectric refrigeration; high heat flux density

2017-03-09

TK124

A

1008-5300(2017)03-0048-05