热电与微通道循环换热系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种热电与微通道循环换热系统，该换热系统将热电换热器和微通道换热器有机地集成一体，包括控制驱动部分、执行换热部分和电源。控制驱动部分主要由数个温度传感器、主动控制器和两个功率驱动器组成；执行换热部分主要由两个微通道换热器、被控温元器件、热电换热器、风冷散热器和微型水泵组成。所述主动控制器对系统进行控制，可在外界环境温度为－４０℃～５２℃；－２８℃～２℃和被控温元器件在４０℃～８０℃高温环境，散热部件在较低温环境２２℃下，有效控制被控温元器件的工作用温度为１０℃～６０℃，热电换热器耗电量最小。本实用新型专利技术具有体积小，换热效率高，可靠性高，同时具有冷热源，适用于极恶劣温度环境中电子信息装置和高密度组装信息器件换热。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及热交换
，尤其是涉及一种热电与微通道循环换热系统，适用于严酷高低温环境中电子信息装备的温度控制。
技术介绍
随着电子信息装备的微小型化，元器件的组装密度和芯片的封装集成密度愈来愈高，尽管功率不断降低，但体积的缩小使得传热的热流密度越来越大，导致系统局部温升越来越大，制约了电子系统工作可靠性的提高。将被控温元器件如计算机CPU芯片、有源相控阵雷达天线的固态发射源的散热、芯片高密度组装的电子系统以及高效能激光器等的温度控制在正常范围内一直是工程技术界追求的目标，传统的换热技术有风冷散热、水冷散热、热管散热等。风冷散热器成本低散热效果明显，但由于有风道、体积大，不适满足高密度组装的或有屏蔽密封的热控制对象的换热，当环境温度高于或低于元器件温度时，对被控温元器件没有控温能力。水冷散热器比之风冷散热的散热效果好、噪声低，但同样是体积大，不适用于高密度组装被控温对象。热管散热器具有热传导效果好、不耗电、重量轻的优点，但因其导热能力取决于毛细效应，一般长度只有10-20cm，不适合冷热源间导热路径较长应用条件。近期出现的热电换热器、微通道换热器与传统的换热技术相比，具有众多优点。譬如热电换热器具有热响应迅速、可靠性高、体积小、无噪音的优点，并且可通过调整电流方向控制温度的升降，可适用于某些需要精确控制温度或使用环境比较恶劣的场合，其最主要的缺点是性能系数低，耗电量大，使热电换热器的应用受到限制。20世纪80年代，美国学者Tuckerman和Pease报道了一种微通道换热结构Tuckermann D.B.，Pease R.F.，“Optimized convective cooling usingmicromachined structure”，Journal of Electro-Chamical Society，1982，129(3)，98C，该结构采用高导热系数的材料(如硅)制作而成，其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传导至通道内，然后被强迫对流的液体(如水)所带走，其换热性能超过传统换热手段所能达到的水平。近年来，中科院上海光学精密研究所研制了一种微通道冷却热沉，可应用于半导体激光器件及其列阵器件、大规模集成电路的散热。微通道结构具有换热能力强，适应了高热流密度被控温元器件封装的需要，是一种能将电子元器件或芯片中的热量带走的高效换热技术，且具有结构与制造工艺简单的优点。其局限性在于仅通过微通道换热器自身，尚不能解决较高温度环境下的换热问题，必须通过外加冷源来实现其高效的换热性能。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种热电与微通道循环换热系统，使其具有高效换热能力，能满足电子信息产品在严酷环境温度条件下的换热需要。为解决上述技术问题，本技术的技术方案包括控制驱动部分、执行换热部分和电源，所述控制驱动部分主要由多个温度传感器、主动控制器、两个功率驱动器组成；所述执行换热部分主要由两个微通道换热器、被控温元器件、热电换热器、风冷散热器和微型水泵组成；所述主动控制器通过上述功率驱动器分别和被控温元器件、热电换热器电连接。所述微通道换热器一个与被控温元器件固定为一体，另一个微通道换热器和风冷散热器分别固定在热电换热器的两个工作面上；所述连通管从微型水泵引出，依次连通上述两微通道换热器，再连接到微型水泵，形成换热循环系统，在控制驱动部分控制下完成系统的换热。本技术的主动控制器主要包括数据采集器、处理器、控制信号输出器和人机接口，所述数据采集器、处理器和控制信号输出器依次连接，处理器与人机接口双向连接；所述数据采集器主要由多个温度-电压变换器、模拟开关、运算放大器和A/D模数变换器组成并顺序连接；将温度传感器采集变换的温度电阻值转换成电压检测信号，经放大、A/D模数变换后，送给处理器。所述控制信号输出器包括两个输出通道，即“D/A-1——运算放大器”构成的微型水泵通道和“D/A-2——运算放大器”构成的热电换热器通道，上述两个通道分别与两个功率驱动器相连；所述的人机接口包括键盘和液晶显示器，键盘主要向处理器输入系统的设定参数，液晶显示器实时显示系统运行的工作信息。所述处理器对数据采集器输入的温度信号进行处理，生成的控制电压数字信号，经D/A-2数模转换，运算放大器放大、功率放大器放大成执行电压，驱动热电换热器工作。从上述技术方案可以看出，本技术在同一换热系统内将热电换热技术和微通道换热技术有机地集合起来，实现了两者优势迭加、扬长补短，与现有技术相比，具有体积小、换热效率高、可靠性高的优点及制冷和加热的双向功能，可在恶劣的环境温度下，使被控温元器件的温度控制在10℃～60℃范围内，而热电换热器耗电量最小。由于本技术具有上述特点，可在以下领域得到广泛应用1.本技术的微通道和微流体非常接近被控温元器件，形成热阻很小的传热途径，因而传热效率很高，使用微通道换热器及连通管实现微流体循环，可用于冷热源间的长距离热传输和高低温温差较大、冷热部位相距较远的电子信息装备(譬如太空环境下)；加之体积非常小；很适合有屏蔽密封要求而不易通过的长距离传导换热的场合；2.本技术的换热系统体积小，可靠性高，换热效率高，能满足高密度组装部件的换热；可安装在产品关键部位如，多芯片高密度组装，计算机CPU芯片，有源相控阵雷达天线的固态发射源，高效能激光器，磁盘存储器、打印头、喷墨头、热转印头等部位进行局部热控制；3.本技术控制热电换热器的电流方向可实现升温或降温，调整电流方向可使工作部位的局部温度低于或高于环境高温，具有很强的热环境适应性。特别适用于特别严酷环境(极高、极低温度)下电子信息装备中关键元器件的温度控制。附图说明图1是本技术循环换热系统构成示意图图2是本技术执行换热部分的俯视示意图图3是本技术微通道换热器构造及装配示意图图4是本技术温度传感器1安装位置示意图图5是本技术温度传感器2、3安装位置示意图图6是本技术主动控制器组成框图图7是本技术数据采集组件组成框图图8是本技术控制信号输出组件框图图9是本技术功率驱动器电路图图10是本技术处理器电压控制信号流框图图11是在-40℃～52℃下被控温元器件的温度随环境温度变化曲线图12是在-28℃～2℃下被控温元器件的温度随环境温度变化的曲线图13是22℃，40℃～52℃下被控温元器件温度随环境温度变化的曲线具体实施方式以下结合附图对本技术的结构及工作过程进行详述。如图1、图2所示，本技术包括控制驱动部分I、执行换热部分II和电源17构成。控制驱动部分I主要由温度传感器1、主动控制器2和功率驱动器3、4组成。执行换热部分II主要由被控温元器件5、微通道换热器6、热电换热器9、风冷散热器10和微型水泵7组成。主动控制器2通过功率驱动3、4分别和热电换热器9、微型水泵7电连接，并为其提供工作电压。温度传感器1一个用来检测被控温元器件5的温度；两个温度传感器用以检测热电换热器9冷、热端的温度；还有一个温度传感器用于检测外界环境的温度；图中的A、B、C、D分别为上述温度传感器的温度采集点。温度传感器将采集的温度数据送到主动控制器5进行处理，产生电压控制信号，经由功率驱动器3、4驱动热电换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电与微通道循环换热系统，包括控制驱动部分（Ⅰ）、执行换热部分（Ⅱ）和电源（１７），其特征在于控制驱动部分（Ⅰ）主要由温度传感器（１）、主动控制器（２）、功率驱动器（３）、（４）组成；执行换热部分（Ⅱ）主要由被控温元器件（５）、两个微通道换热器（６）、热电换热器（９）、风冷散热器（１０）和微型水泵（７）组成；所述主动控制器（２）通过功率驱动器（３）、（４）分别和微型水泵（７）、热电换热器（９）电连接并为其提供工作电压；所述一个微通道换热器（６）与被控温元器件（５）固定为一体，另一个微通道换热器（６）与风冷散热器（１０）分别固定在热电换热器（９）的两个工作面上；连通管（８）从微型水泵（７）引出，依次连通上述两微通道换热器（６），再连接到微型水泵（７），形成换热循环系统，在控制驱动部分（Ⅰ）的控制下完成系统的换热。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾建援，王卫东，王洪喜，张大兴，黄新波，刘焕玲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]