基于热电制冷的液冷源系统设计

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随着微电子技术的发展，芯片的集成度越来越高，其热流密度也快速上升，目前已达 50～100W/era ，传统的自然冷却或强制风冷方式已不能满足电子器件的散热要求 。温度每升高lO℃，半导体器件的寿命将降低-半。因此，为了提高电子器件的可靠性、延长使用寿命，通倡电子器件安装在-块冷板上，冷板内流过-定温度和流量的冷却液，由冷却液将电子器件产生的热量带走。本文介绍为冷板提供冷却液的小型液冷源的设计。

2 液冷源的组成和工作原理液冷源主要 由水泵、板翅式换热器、换热风收稿日期： 2013-03-l1机、水箱、热电制冷片、流量计、温度传感器和控制箱等组成，结构如图 1所示。

图1 液冷源组成结构示意其工作原理为：水泵将冷却液以-定流量、压力输送至冷板，在冷板中冷却液吸收电子设备产生的热量而升温，电子设备得到冷却；升温后的冷却液回流至液冷源的板翅式换热器中进行二次热2013年第4l卷第5期 流 体 机 械 77交换，交换出来热空气由换热风机抽出，使冷却液温度降低〉温后的冷却液回流至水泵，再由水泵输送到冷板中进行换热，如此循环。液冷源中设有热电制冷片，当液冷源工作在低温环境时，先开启水泵、使热电制冷片工作于制热模式，对冷却液进行预热；当液冷源工作在高温环境时，热电制冷片工作在制冷模式，对冷却液进行降温制冷。

3 热电制冷/制热原理[热电制冷的理论基础是半导体温差电效应的帕尔帖效应，当-块 N型半导体材料和-块 P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由 N型元件流向 P型元件的接触点吸收热量，成为冷端。由 P型元件流向 N型元件的接触点释放热量，成为热端，基本结构原理如图2所示。实际应用的热电制冷片可以由多个基本热电偶通过串联和并联组成的热电堆来实现所需的温度和冷量，借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持-定的温度，而把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是热电制冷片的制冷原理。改变流过热电偶对的电流方向，则冷端和热端交换，热电堆工作在制热模式，这就是热电制冷片的制热原理。

热端图2 热电制冷原理示意没冷端温度为 ，热端温度为 ，冷热端温差为△T： - ，冷端从外界吸取的热量(即制冷量)为 Q ，热端向外放出的热量(即散热量)为Q ，热电偶输入功率为P，电路中电流为，。假设PN型半导体材料侧面绝热，并忽略汤姆逊热及接触电阻的影响，温差电动势 ( V/K)、电导率 、热导率K、汤姆逊系数与温度无关 ，则根据热力学分析和珀尔帖效应，制冷器从热端散出的热量 Q应等于从冷端吸人的热量 Q 和外界输入的电功率P之和。制冷量Q 计算式为：Q。 - 1 2R- 4 液冷源的结构设计4.1 换热组件的设计根据液冷源体积孝重量轻的要求，我们对液冷源的结构进行了系统的分析和研究，将换热风扇、换热器、水箱和热电制冷片设计成-个整体构成换热器组件，结构如图3所示。

换热 风扇图3 换热器组件结构换热器选用铝制板翅式换热器，这种换热器是目前国内最先进的换热设备，它具有体积孝重量轻、换热效率高、坚固耐用、适应性强等优点，广泛应用于航空、化工、供热通风与空气调节(HVAC)等领域；水箱采用铸铝式箱体，在水箱的侧面安装热电制冷片，实现对水箱内的冷却液预热或制冷降温的功能。本设计将换热器与水箱设计为-体，进-步减少了液冷源的体积和重量。

4.2 水泵液冷源最重要的部件是水泵，通过水泵把冷却液输送至冷板，与其进行热交换，冷却液带出的热量通过板翅式换热器和换热风机散发到空气中。对水泵的要求是扬程高、单位时间内流量大、平均无故障工作时间长。如果水泵可靠性低或性能不稳定，则液冷源的优势就体现不出来。经过对性能基本满足要求的各类水泵进行比较研究我们选用了磁力驱动齿轮泵。该类水泵采用磁力驱动，具有脉动孝寿命长、无泄漏的优点。此外，这类水泵还具有体积孝重量轻的特点。

5 控制系统设计液冷源的控制系统由单片机、温度传感器、流热器-、 、，- 黼( O78 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013量传感器、风机与水泵的驱动接口电路、热电制冷片换向与驱动电路、显示拈和通讯拈等组成，其组成框图如图4所示。

24亟 蕾 堕 咽- 厂片机控制橱 器百 二 -厩 图4 液冷源控制系统不意控制系统的控制过程如下：(1)开机时，首先开启水泵，同时由温度传感器检测供液温度，若供液温度小于-20C，则由热电制冷片电流方向切换电路将其置于制热模式，对水箱内的冷却液预热，冷却液温度上升；当冷却液温度上升到 0C以上时，切断热电制冷片的供电，停止冷却液的加热。

(2)运行过程中，当冷却液温度大于53cC时，则将热电制冷片切换到制冷模式，在冷却液温度低于48℃时，停止热电制冷片的工作。5C的温度回差防止了热电制冷片的频繁启停，这样既能改善冷却液温度又节省了能源。

(3)运行过程中，当冷却液温度大于20℃时启动换热器风机，温度小于 0C时则关闭换热器风机 。

(4)运行过程中，当冷却液流量低于设定值或温度超过设定值时，控制系统报警指示。

此外，控制系统中的通讯拈使液冷源具有远程控制功能，便于远程监控。在被冷却设备热负荷较大时，可由多台液冷源组合以满足要求，地址设定拈使得这种组合和控制更加方便。

6 试验结果与分析6.1 低温试验在 -40℃的环境下对液冷源进行无热负载低温试验，冷却液温度和流量的变化如图5所示。

由图可见，当热电制冷片不工作，开机后流量较低，冷却液温度为-40C，不满足要求；当热电制冷片工作在制热模式，冷却液温度逐渐上升，流量也逐渐增大，最终温度稳定在0C左右，流量上升到要求值，满足设计要求。这是由于低温时冷却液的粘滞系数大，因而冷却液的流量较低，要使液冷源在低温下能正常工作，必须给液冷源预热加温。

言看咖4赠5- 20- 451.0 5.5 lO.O时问(min1图 5 低温试验6.2 高温试验在5O℃的环境下对液冷源进行高温试验，开机后，当热电制冷片不工作，随着热负载的投入，冷却液温度逐渐上升，最终稳定在57.5C左右，这虽然满足设计要求，但是与要求的上限值非常接近。再使热电制冷片工作于制冷模式，这时冷却液温度逐渐下降，最终稳定在48C左右。

无热电制冷片制冷时，如果环境温度上升或板翅式换热器老化、结垢而使换热效率变化时，供液温度有可能超过要求的上限。这势必在液冷源的设计时增大换热器、换热风机和水箱的裕量，液冷源的重量和体积将增大。在液冷源中设计热电制冷片的主要 目的是在低温环境下给冷却液预热。在此利用热电制冷片的可逆性，在高温环境下提供-定的冷量，这样大大减小了换热器、换热风机和水箱的裕量，减小了液冷源的重量和体积。

三 7O蛹嫣 35g赠 Ol 5.5 l0时间(min)图6 高温试验由图可见，热电制冷片明显地改善了液冷源高温环境下的适应性。

(下转第84页)FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013(2)提出-种基于 LCA法的机械制冷系统环境影响评价方法，将其应用于机械制冷系统的环境影响评价，将从整个生命周期对机械制冷系统进行全面评价，综合考虑资源、能源消耗以及污染物排放对环境的影响，推动产品向环境友好型方向发展，促进制冷空调行业可持续发展战略的实施 ：(3)由于机械制冷系统生命周期的复杂性和多样性，在对产品进行环境影响评价的过程中，如何合理简化系统边界、准确获取清单分析中的数据、合理分配各环境影响因素的权重以及提高评价方法的可操作性和经济陛将是后续工作的重点。