一种温控冷却系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术涉及一种温控冷却系统及其使用方法，属于电子器件温控冷却技术领域，包括第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块、第二TEC半导体制冷器和释热模块，第一TEC半导体制冷器的冷面与发热器件连接，其热面与各向异性导热模块连接，储能模块与各向异性导热模块连接，第二TEC半导体制冷器的冷面与各向异性导热模块连接，释热模块与第二TEC半导体制冷器的热面连接，本发明专利技术有机结合了两级TEC半导体制冷器、多相变点高密度储能模块和各向异性导热模块的优势，可适用于多种负载不同温控要求发热器件的精准冷却温控，相对于传动泵驱液冷却系统，体积规模大幅降低，控温效率大幅提高，同时其无运动部件，可靠性高，平台适用性强。适用性强。适用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种温控冷却系统及其使用方法


[0001]本专利技术属于电子器件温控冷却
，具体地说涉及一种温控冷却系统及其使用方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的飞速发展，激光系统、雷达、能源等大功率电子器件/设备在性能要求方面不断提升，使其温控冷却难度不断增加，同时，对上述设备及其温控冷却系统在飞机、汽车、轮船等机动平台的体积、重量、功耗以及环境适应性等提出了更加苛刻的要求。
[0003]目前，激光系统最常用的冷却方式是蒸汽压缩循环复合单相液冷技术、半导体制冷复合风冷技术、蒸汽压缩循环直接冷却技术以及储能复合泵驱液体冷却技。蒸汽压缩循环复合单相液冷技术路线应对高热流密度电子芯片和功率元件的散热问题，具有极大的潜力和应用前景，但其系统复杂、运动部件多，系统紧凑化程度较低。半导体复合风冷技术路线能实现激光系统的紧凑化设计，但该技术制冷效率低，功耗高，不适用于环境温度变化范围大、体积功耗限制严格的环境。压缩机直接蒸发冷却技术的紧凑度极高，但在各发热器件的精密温控和表面温度均匀性方面还需改进。在边界及能耗限制严格的应用条件下，针对间歇式工作模式的大功率电子器件，多采用储能复合泵驱液体冷却技术实现控温及热排散，该技术将发热器件短时工作产生的废热暂时储存在储能装置中，在间歇期间再将废热排出，有效降低系统规模，但其依托于单相液冷的实时模式在工程化应用存在较多的可靠性、电磁兼容、振动以及安全性问题。综上所述，温控冷却系统的紧凑化设计成为制约电子设备性能提升及应用扩展的关键因素之一。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种温控冷却系统及其使用方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种温控冷却系统，包括：
[0007]第一TEC半导体制冷器，其冷面与发热器件连接，其热面与各向异性导热模块连接；
[0008]储能模块，其与各向异性导热模块连接，且所述储能模块与第一TEC半导体制冷器位于各向异性导热模块的不同侧；
[0009]第二TEC半导体制冷器，其冷面与各向异性导热模块连接，其热面与释热模块连接；
[0010]所述发热器件在工作阶段产生废热经第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块传递至储能模块，在恢复阶段，废热通过各向异形导热模块、第二TEC半导体制冷器传递至释热模块。
[0011]进一步，所述各向异性导热模块的厚度≯5mm，其面内导热系数≮1000W/mK，厚度
方向导热系数≮100W/mK。
[0012]优选的，所述各向异性导热模块采用板状结构。
[0013]进一步，所述储能模块内部封装有复合相变材料，所述复合相变材料的储能密度≮100kJ/L，导热系数≮100W/m
·
K，封装界面热阻≯10
‑4K
·
m2/W，储能量≮W
l
×
t
w
，其中t
w
为发热器件工作时间，W
l
为包括发热器件和第一TEC半导体制冷器在内的总热负荷。
[0014]进一步，所述储能模块对应多个第一TEC半导体制冷器设置，根据不同的控温需求，所述储能模块内部选择不同相变点的复合相变材料分区布置，实现分区冷却温控。
[0015]进一步，复合相变材料相变温度低于发热器件温控目标温度。
[0016]进一步，第一TEC半导体制冷器的冷面工作温度在复合相变材料相变温度
±
5℃范围内。
[0017]进一步，第二TEC半导体制冷器的冷面工作温度低于复合相变材料相变温度。
[0018]进一步，所述释热模块外接冷源。
[0019]进一步，所述释热模块至少设有1个。
[0020]进一步，所述第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块、第二TEC半导体制冷器和释热模块均包覆于保温材料内部，进行保温隔热处理。
[0021]进一步，所述释热模块为翅片式风冷散热器、水冷冷却器或其它冷却器。
[0022]进一步，所述第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块、储能模块和第二TEC半导体制冷器之间均采用高导热焊接方式连接，界面热阻≯10
‑4K
·
m2/W。
[0023]另，本专利技术还提供一种温控冷却系统的使用方法，包括如下步骤：
[0024]准备阶段：第二TEC半导体制冷器通过各向异性导热模块的热传导实现对储能模块的冷却降温，直至复合相变材料凝固，废热通过释热模块排出，同时，第一TEC半导体制冷器通过正向通电制冷和反向通电加热的闭环控制，保证发热器件的温度维持在要求范围内；
[0025]工作阶段：发热器件的废热传递给第一TEC半导体制冷器，第一TEC半导体制冷器通过闭环控制保证发热器件的温度维持在要求范围内，废热通过第一TEC半导体制冷器热面传递给各向异性导热模块，各向异性导热模块将废热扩散降低热流密度后传递给储能模块，促使复合相变材料吸热融化；
[0026]恢复阶段：与准备阶段过程相同。
[0027]进一步，根据发热器件的发热功率、控温需求和分布，选择第一TEC半导体制冷器的数量、规格和布局，第一TEC半导体制冷器的总制冷量应大于发热器件的发热功率。
[0028]进一步，根据系统总储能量、状态恢复时间以及总体结构设计需求，设计第二TEC半导体制冷器的数量、规格和布局，且所述第二TEC半导体制冷器的制冷量其中，W
l
为包括发热器件和第一TEC半导体制冷器在内的总热负荷，t
w
为发热器件工作时间，t
p
为发热器件工作间歇时间。
[0029]本专利技术的有益效果是：
[0030]1、借助第一TEC半导体制冷器和第二TEC半导体制冷器，结合了两级TEC半导体制冷器、多相变点高密度储能模块和各向异性导热模块的优势，可适用于多种负载不同温控要求发热器件的精准冷却温控，相对于传动泵驱液冷却系统，体积规模大幅降低，控温效率
大幅提高。
[0031]2、利用各向异性导热模块的面内高导热特性实现储能模块向第二TEC半导体制冷器快速传热，同时，可以有效降低储能模块工作时承受的热流密度，提升系统的散热性能和可连续工作时长，降低储能模块厚度。
[0032]3、结构设计灵活，有利于系统小型化设计，具有能效比高、体积小、重量轻、适用于多种机动平台、可扩展性良好的特点。
[0033]4、无主动运动结构，可靠性高，有利于提升发热器件尤其是激光器的光学稳定性。
[0034]5、根据不同的控温需求，储能模块内部选择不同相变点的复合相变材料分区布置，实现分区冷却温控，适用于多温区离散发热器件的散热需求。
附图说明
[0035]图1是本专利技术一种实施方式的整体结构示意图；
[0036]图2是本专利技术另一种实施方式的整体结构示意图。
[0037]附图中：1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温控冷却系统，其特征在于，包括：第一TEC半导体制冷器，其冷面与发热器件连接，其热面与各向异性导热模块连接；储能模块，其与各向异性导热模块连接，且所述储能模块与第一TEC半导体制冷器位于各向异性导热模块的不同侧；第二TEC半导体制冷器，其冷面与各向异性导热模块连接，其热面与释热模块连接；所述发热器件在工作阶段产生废热经第一TEC半导体制冷器、各向异性导热模块传递至储能模块，在恢复阶段，废热通过各向异形导热模块、第二TEC半导体制冷器传递至释热模块。2.根据权利要求1所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述各向异性导热模块的厚度≯5mm，其面内导热系数≮1000W/mK，厚度方向导热系数≮100W/mK。3.根据权利要求1所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述储能模块内部封装有复合相变材料，所述复合相变材料的储能密度≮100kJ/L，导热系数≮100W/m
·
K，封装界面热阻≯10
‑4K
·
m2/W，储能量≮W
l
×
t
w
，其中t
w
为发热器件工作时间，W
l
为包括发热器件和第一TEC半导体制冷器在内的总热负荷。4.根据权利要求3所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述复合相变材料相变温度低于发热器件温控目标温度。5.根据权利要求4所述的一种温控冷却系统，其特征在于，所述第一TEC半导体制冷器的冷面工作温度在复合相变材料相变温度
±
5℃范围内，所述第二TEC半导体制冷器的冷面工作温...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋琳，姜淞元，刘军，王姣，肖壹天，袁晓蓉，张浩，柳丽卿，王永振，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院应用电子学研究所，
类型：发明
国别省市：