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(jī)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(jī)箱內(nèi)板卡的熱耗越來越大，不同板卡間熱耗差異增大，對(duì)機(jī)箱的冷卻設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)箱的冷卻問題。通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種一體化高效冷卻機(jī)箱，并對(duì)機(jī)箱的冷卻效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該一體化高效冷卻機(jī)箱滿足結(jié)構(gòu)和冷卻需求，為未來的電子設(shè)備機(jī)箱冷卻設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

電子設(shè)備機(jī)箱；一體化設(shè)計(jì)；熱電制冷；高熱流密度

引 言

地面雷達(dá)中使用了大量發(fā)熱量為300 W～600 W左右的電子設(shè)備機(jī)箱，此類機(jī)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(diǎn)，需要設(shè)計(jì)師特別關(guān)注。以前，由于雷達(dá)器件集成度不高，此類機(jī)箱一般放置于有空調(diào)環(huán)境的機(jī)房?jī)?nèi)，機(jī)箱所處環(huán)境較好，機(jī)箱內(nèi)部的局部熱流密度較高的問題不突出，通常強(qiáng)迫風(fēng)冷或液冷即可滿足散熱要求。

隨著對(duì)雷達(dá)機(jī)動(dòng)性能的要求越來越高，此類機(jī)箱的集成度也越來越高，熱流密度進(jìn)一步提高，而且設(shè)備機(jī)箱通常會(huì)被集成到陣面等無環(huán)境控制的惡劣位置。同時(shí)，隨著雷達(dá)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(dá)到55 ℃。此時(shí)，傳統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷和常規(guī)液冷的方式往往達(dá)不到冷卻的要求，需要增加主動(dòng)降溫冷卻的方式進(jìn)行冷卻。

原來采用的壓縮機(jī)主動(dòng)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(jī)箱內(nèi)部，不能對(duì)重要元件進(jìn)行針對(duì)性的冷卻[2]，而且雷達(dá)的大功率發(fā)射電子設(shè)備會(huì)對(duì)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(jī)箱的冷卻，需要采用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性更高的主動(dòng)制冷方式。

熱電制冷是一種利用了半導(dǎo)體珀?duì)柼?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(gè)較低的直流電壓，熱量會(huì)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(jī)制冷相比，熱電制冷有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[3]：1)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，集成度高，排布靈活；2)系統(tǒng)運(yùn)行無運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)滿足高低溫環(huán)境的要求；4)啟動(dòng)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。現(xiàn)在，隨著雷達(dá)總體技術(shù)的發(fā)展，需求發(fā)生變化，對(duì)于總熱耗不足1 kW的機(jī)箱而言，電源的需求不大，熱電制冷能效比低的缺點(diǎn)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(jī)箱。通過仿真手段來完成機(jī)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其性能及其工程可行性。

1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)冷卻一體化設(shè)計(jì)

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

圖2 設(shè)計(jì)原理圖

根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖，設(shè)計(jì)機(jī)箱樣機(jī)的三維模型，如3圖所示。

圖3 原理樣機(jī)三維模型

機(jī)箱設(shè)計(jì)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(jī)箱機(jī)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(jī)箱傳熱途徑的前提下，最大化的合理利用機(jī)箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，半導(dǎo)體的數(shù)量和位置可針對(duì)機(jī)箱內(nèi)部發(fā)熱源的位置進(jìn)行針對(duì)性的靈活排布，對(duì)于局部熱耗較高的點(diǎn)，可多排布制冷片，以達(dá)到較好的制冷效果。

2)通過強(qiáng)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(qiáng)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(jī)箱結(jié)構(gòu)冷卻一體化設(shè)計(jì)的需求。

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

與傳統(tǒng)的機(jī)箱相比，該機(jī)箱具有以下特點(diǎn)：

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

2)機(jī)箱處于相對(duì)封閉狀態(tài)，對(duì)溫度、電磁干擾等環(huán)境適應(yīng)性好；

3)對(duì)局部熱源采取靈活的、有針對(duì)性的、快速冷卻，達(dá)到較好的冷卻效果；

4)機(jī)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(jī)箱樣機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

機(jī)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(jī)箱采用常溫強(qiáng)迫風(fēng)冷和常規(guī)液冷方式時(shí)，在要求最高環(huán)境溫度為55 ℃時(shí)，使用強(qiáng)迫風(fēng)冷熱源殼溫可達(dá)到95 ℃，常規(guī)液冷熱源殼溫可達(dá)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(jìn)行冷卻。

影響熱電制冷機(jī)箱冷卻性能的因素主要有2點(diǎn)：

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(huì)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(gè)制冷片冷端制冷效果，因此，熱端的散熱是整個(gè)機(jī)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(kuò)熱能力、風(fēng)冷翅片的形式、風(fēng)道設(shè)計(jì)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(kuò)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(qiáng)換熱效果。

2)制冷片冷端傳導(dǎo)。

通過增強(qiáng)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(qiáng)制冷效果。

根據(jù)機(jī)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(qiáng)局部冷卻效果。此外，冷熱端之間的隔熱層厚度對(duì)制冷片的制冷效果也有影響[5]。

圖4 制冷片排布

3 機(jī)箱冷卻性能仿真

由于制冷片熱端的散熱和冷端傳導(dǎo)對(duì)機(jī)箱的冷卻設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此，在設(shè)計(jì)初期，對(duì)制冷片的熱端散熱和冷端傳導(dǎo)進(jìn)行仿真優(yōu)化。

本文研究的機(jī)箱熱耗為305 W，綜合考慮風(fēng)機(jī)熱耗、設(shè)計(jì)裕度等其他因素的影響，機(jī)箱的設(shè)計(jì)散熱量為330 W，按環(huán)境溫度55 ℃進(jìn)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(jī)及鋁型材翅片對(duì)熱電制冷片熱端進(jìn)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(duì)冷端傳熱進(jìn)行仿真。機(jī)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(duì)基板厚度、散熱翅片形式及制冷片的排布進(jìn)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(kuò)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(jī)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(jì)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(shí)，機(jī)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(jī)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(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)一體化機(jī)箱的實(shí)際散熱效果進(jìn)行驗(yàn)證，依據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，研制了機(jī)箱樣機(jī)實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮風(fēng)冷冷板、風(fēng)機(jī)一體設(shè)計(jì)，使得機(jī)箱的外觀結(jié)構(gòu)與制冷功能融合。機(jī)箱的外觀圖如圖6所示。

圖6 機(jī)箱外觀

對(duì)機(jī)箱的冷卻性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)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(yàn)原理圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)原理圖

測(cè)試點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 測(cè)試點(diǎn)位置圖

試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度24.7 ℃，試驗(yàn)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(cè)試點(diǎn)溫度見表2。

表2 機(jī)箱樣機(jī)測(cè)試值

將測(cè)試溫度等效到環(huán)境55 ℃時(shí)的溫度，各測(cè)試點(diǎn)均能滿足試驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)差異性在5%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于熱電制冷的一體化機(jī)箱設(shè)計(jì)能夠滿足機(jī)箱的冷卻要求，且仿真計(jì)算能夠作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

5 設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前的設(shè)計(jì)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(jìn)的余地。因此在不改動(dòng)外形結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)目前的機(jī)箱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以提高機(jī)箱的散熱能力。

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

增強(qiáng)熱端導(dǎo)熱板擴(kuò)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(kuò)熱板)；在鋁板中埋熱管。綜合考慮材質(zhì)對(duì)機(jī)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(jī)箱空調(diào)系統(tǒng)[6]，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

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(jìn)行相同條件下的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 增加熱管測(cè)試值

將2次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知：板卡的殼溫下降了2 ℃～3 ℃，機(jī)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(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，通過使用擴(kuò)熱能力更好的導(dǎo)熱板可以進(jìn)一步提高機(jī)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(jī)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(jì)出了一種結(jié)構(gòu)和冷卻一體化的高效冷卻機(jī)箱。通過仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試表明：該一體化機(jī)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(jī)箱的冷卻需求；通過強(qiáng)化熱電制冷片熱端的散熱效果，可以進(jìn)一步提升機(jī)箱的散熱性能。針對(duì)機(jī)箱總熱耗在1 kW以內(nèi)，單板熱耗較高的電子設(shè)備機(jī)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(jì)要求?；跓犭娭评浼夹g(shù)的一體化高效冷卻機(jī)箱，為未來雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)箱的冷卻設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2016, 29(3): 123-124, 126.

[2] 美國(guó)EXAIR公司. 美國(guó)EXAIR機(jī)箱冷卻與常用冷卻方式的對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究[J]. 流體機(jī)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(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào), 2016,16(5): 54-58.

梅源(1977-)，女，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)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