專利名稱：熱-電制冷液體冷卻裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱-電制冷液體冷卻裝置，用于微電子芯片、電子元器件，動力電 子設備、計算機、激光裝置、LED、軍事裝備的超低溫散熱冷卻，屬于制冷設備。
背景技術：
微電子技術的發(fā)展，使得用戶在追求提高運算速度的同時減小裝置的體積成為可 能。這一發(fā)展趨勢，使芯片單位面積的晶體管和電路的密度越來越高，導致芯片上總熱負荷 和熱流密度大幅度的增加。如何有效導出熱量，控制芯核溫度已是制約芯片發(fā)展的一個關 鍵因素，也是設備穩(wěn)定和可靠性能的關鍵，因為電子設備、計算機、網(wǎng)絡服務器及通信器材 等性能下降甚至破壞的主要原因是由高溫導致。所以，在熱負荷增加的同時，要求降低芯片 的操作溫度，使得芯片散熱控制極限溫度越來越難。據(jù)預測，在未來的幾年內(nèi)，芯片產(chǎn)生的 熱流密度可能到達lOOW/cm2。無論是在航空航天、軍事、計算機等微電子設備，還是消費品 領域，解決散熱問題已是設計工程師面臨的一個大問題。從目前的市場狀況可以看出，基于微電子芯片和電力電子的芯片的電子裝置發(fā)展 日新月異，對高級電子冷卻裝置的需求也大幅增加，到2006年為止，Intel CPU的產(chǎn)量超過 2億個，AMD的產(chǎn)量約為Intel的15%，即3000萬個。依次類推，全世界微機(包括臺式機， 服務器和工作站以及移動電腦)的年產(chǎn)銷量超過25000萬臺，在每臺計算機中，不僅CPU需 要散熱，硬盤，芯片組，顯示/圖形卡和VRD都需散熱。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決技術問題是解決散熱設備、元器件的低溫冷卻問題，實現(xiàn)設備低于環(huán) 境溫度的熱控制，提高設備的可靠性、運算速度和使用壽命，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片超頻技術，電子/ 激光裝置溫度的準確控制的熱電制冷液體冷卻裝置。技術解決方案本發(fā)明微型槽道制冷交換器兩側(cè)分別依次對稱設有熱電制冷模 片、散熱器，微型槽道制冷交換器垂直固定安裝于中空基板的頂部，微型槽道冷卻板固定安 裝于中空基板的底部；微型槽道制冷交換器兩側(cè)壁上對稱設有微型槽道，微型槽道為正弦 波型曲線凹槽，在對稱設置的微型槽道一側(cè)設有液體流入孔，另一側(cè)設有液體流出孔，微型 槽道制冷交換器上設有液體進口及液體出口，液體進口與微型槽道連通，液體出口通過軟 管與液體進口連接，軟管上設有液體驅(qū)動裝置；微型槽道冷卻板上并列設置有多個微型槽 道，微型槽道間設有上流道分隔板及下流道分隔板，上流道分隔板與微型槽道制冷交換器 頂板固定連接，下流道分隔板與微型槽道制冷交換器底板固定連接；液體流入孔上端口與 微型槽道連通，下端口與微型槽道連通，形成液體循環(huán)通道，微型槽道與液體流出孔相連 通，液體流出孔與液體出口相連通，形成液體循環(huán)通道。微型槽道制冷交換器兩側(cè)壁內(nèi)表面上對稱設有微型槽道，微型槽道的上、下兩端 交錯銑去槽道間隔壁，然后用上檔板和下?lián)醢宸忾]，形成兩側(cè)壁具有微型槽道的、首尾相連 的液體通道。
微型槽道內(nèi)設有表面強化傳熱翅片。微型槽道制冷交換器兩側(cè)壁上的熱交換面形成H型換熱槽道。
液體驅(qū)動裝置為微型水泵或壓電流體驅(qū)動裝置等。本發(fā)明為了保證微型槽道冷卻板在密閉狀態(tài)下工作，微型槽道冷卻板和基板之間 設有密封圈。本發(fā)明為了使微型槽道制冷交換器達到更好的制冷狀態(tài)，基板上固定安裝有風扇 罩，風扇罩上設有風扇，基板上的微型槽道制冷交換器，熱-電制冷片、散熱器置于風扇罩內(nèi)。本發(fā)明微型槽道制冷交換器內(nèi)靠近液體出口處設有能夠使液體膨脹和收縮液體 緩沖區(qū)。本發(fā)明效果本發(fā)明由于在微型槽道制冷交換器中心線的兩側(cè)壁熱交換面形成H 型換熱槽道，形成首尾相連的液體通道，微型槽道制冷交換器尾端與微型槽道冷卻板順流 連接，使得液體實現(xiàn)了從循環(huán)入口到循環(huán)液體出口的液體流通通道，可以任意調(diào)節(jié)控制電 子元件的溫度和導出熱量，不僅僅可以運用在計算機領域，在互聯(lián)網(wǎng)、通信、汽車等大量使 用微處理器的場合也有大的市場。在高端服務器，工作站，游戲機，軍事領域的電子裝置，新 型能量武器，激光制導裝置，中際雷達等領域更需要散熱能力強，可控制低于環(huán)境溫度的高 級冷卻裝置。本發(fā)明可用于多種微電子，動力電子設備的超低溫散熱冷卻。其中包括臺式電腦， 工作站和服務器等的CPU冷卻，數(shù)據(jù)中心，家庭多媒體中心的散熱冷卻，太空站電子設備的 熱控制，機載雷達器件散熱；功率放大器散熱器，激光裝置的精確溫度控制等。該裝置的最 大優(yōu)點就是，結(jié)合高級的水冷技術與熱-電制冷，熱容量大，冷卻速度快，可任意調(diào)節(jié)冷卻 溫度，實現(xiàn)低于環(huán)境溫度冷卻。本發(fā)明的特點1.熱電制冷_液體_空氣混合冷卻技術；2.可實現(xiàn)低于環(huán)境溫度的熱控制(散熱、冷卻和精確溫度控制)；3.通過調(diào)節(jié)熱電制冷模片的輸入功率，可以任意調(diào)節(jié)控制電子元件的溫度和導出
熱量；4.本發(fā)明在微型槽道制冷交換器采用垂直設計的微米槽道熱交換板與在微型槽 道冷卻板采用水平微米槽道冷卻塊的獨特結(jié)合，體積緊湊，熱交換效率高；熱電制冷模片通 過垂直微米槽道熱交換板冷卻通道內(nèi)流體，被冷卻的低溫流體高速流過水平微米槽道冷卻 塊，吸收熱源(CPU, IGBT，CHIPSET等)的熱量；5.微型槽道冷卻板為三流程水平微型槽道冷卻技術設計，不僅提高流體在微型槽 道內(nèi)流速、強化對流傳熱系數(shù)的同時，而且增加流體的湍流，減小邊界層厚度，冷卻塊堆熱 源的效率極高，顯著降低了整個裝置的熱阻；6.垂直微米槽道熱交換板的流道設計中，考慮了-個較小的壓力緩沖體積，用于 系統(tǒng)的熱膨脹緩沖和壓力緩沖；7.選擇不同的制冷流體，確保在_40°C不凍結(jié)，正常工作。
圖1為本發(fā)明熱電制冷液體冷卻裝置原理示意圖2為本發(fā)明熱電制冷液體冷卻裝置主視圖；圖3為本發(fā)明熱電制冷液體冷卻裝置后視圖；圖4為本發(fā)明熱電制冷液體冷卻裝置俯視圖；圖5為本發(fā)明熱電制冷液體冷卻裝置仰視圖；圖6為本發(fā)明熱電制冷液體冷卻裝置側(cè)視圖；圖7為本發(fā)明熱電制冷液體冷卻器組裝示意圖；圖8為本發(fā)明未加風扇罩的熱電制冷液體冷卻器主視圖；圖9為本發(fā)明未加風扇罩的熱電制冷液體冷卻器后視圖；圖10為本發(fā)明未加風扇罩的熱電制冷液體冷卻器俯視圖；圖11為本發(fā)明未加風扇罩的熱電制冷液體冷卻器仰視圖；圖12為本發(fā)明未加風扇罩的熱電制冷液體冷卻器側(cè)視圖；圖13為本發(fā)明圖9的A-A剖面圖；圖14為本發(fā)明圖9的B-B剖面圖；圖15為本發(fā)明三流程微型槽道冷卻塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖16為本發(fā)明圖15的C-C剖面圖。
具體實施例方式實施例1本發(fā)明熱電制冷_液體電子冷卻器主要由七部分組成空氣循環(huán)用風扇1和風扇罩2 ；微型槽道制冷交換器7、熱電制冷模片8、散熱器9、中空基板6和微型槽道冷卻板5。 本發(fā)明風扇1由螺絲4固定安裝在風扇罩2，風扇1上有電源線18，螺絲3通過中空基板6 上的孔15將風扇罩2固定安裝在中空基板6上，中空基板6頂部垂直固定安裝有微型槽道 制冷交換器7，微型槽道制冷交換器7兩側(cè)分別依次對稱設有熱電制冷模片8和散熱器9， 微型槽道制冷交換器7，熱電制冷片模8、散熱器9置于風扇罩2內(nèi)；熱電制冷模片8上設有 電源線17，散熱器9通過螺絲12、彈簧13、孔27將散熱器9固定安裝于微型槽道制冷交換 器7上，散熱器9采用高效散熱器，散熱器9的放置方向應使得散熱器9上的翅片垂直于熱 電制冷模片8 ；中空基板6的底部設有微型槽道冷卻板5，螺絲14穿過孔30將微型槽道冷 卻板5固定安裝在中空基板6上，中空基板6與微型槽道制冷交換器7之間設有密封圈16 ； 中空基板6通過固定螺絲、孔20將微型槽道冷卻板5與主機板固定連接。微型槽道制冷交 換器7中心線兩側(cè)的壁上對稱設有微型槽道23，微型槽道23為正弦波型曲線凹槽，微型槽 道23熱交換面形成H型換熱槽道，微型槽道23內(nèi)設有表面強化傳熱翅片；在對稱設置的微 型槽道23 —側(cè)設有液體流入孔25，另一側(cè)設有液體流出孔26，微型槽道制冷交換器7上設 有液體進口 21及液體出口 22，液體進口 21與微型槽道23連通，液體出口 22通過軟管11 或金屬管連接與液體進口 21連接，軟管11或金屬管上設有水泵10或其它流體驅(qū)動裝置， 軟管11上設有管箍19，液體流出口 26上方靠近液體出口 22處設有能夠使液體膨脹和收縮 液體緩沖區(qū)24 ；微型槽道冷卻板5上并列設置有多個微型槽道28，微型槽道23通過液體流 入孔25與微型槽道28連接，微型槽道28間設有上流道分隔板及下流道分隔板29，上流道 分隔板與微型槽道制冷交換器7前端壁固定連接，下流道分隔板29與微型槽道制冷交換器 7后端壁固定連接，從而形成從液體進口 21、經(jīng)過微型槽道23熱交換面形成H型換熱槽道后，進入液體流入孔25及由液體循環(huán)通道34、微型槽道28、液體流出口 26、液體通道35到 達液體出口 22后進入軟管11的一個液體流動循環(huán)通道。本發(fā)明的基板6連接方式可用于INTEL CORE-DUO CPU X6700的超頻熱電制冷液 體冷卻器計算機系統(tǒng)ATX/BTX平臺的電腦風扇120x38/32/25，1臺
冷卻器結(jié)構(gòu)與材料微型槽道冷卻板5采用200微米微型槽道冷卻塊，材料Cull00、AL6063中央垂直微型槽道結(jié)構(gòu)熱交換板9 :AL6063基板6 采用 AL6063散熱能力大于2OOWatts熱電制冷模片8 4 片，45x45x3. 0mm, Tmax = 69°C7令卻流體Propylene glycol 溶液、Ethylene glycol 溶液使用溫度-40°C-180°C工作過程本發(fā)明液體從液體進口 21進入H型換熱槽道，通過液體流入孔25及液 體通道34進入到微型槽道28，通過微型槽道28及液體流出孔26進入微型槽道制冷交換 器7內(nèi)，通過液體通道35到達液體出口 22，液體通過軟管11上泵10使液體進行循環(huán)流動。 當液體流入微型槽道28并且吸收來自熱源的熱量后，到達液體出口 22實現(xiàn)了液體在微型 槽道制冷交換器7的循環(huán)。本發(fā)明利用熱電制冷模片8冷卻流經(jīng)微型槽道交換器7中流動的液體，被冷卻的 液體高速噴流與熱源接觸的另一微型槽道冷卻板5吸收來自芯片/IGBT等電子元件散出的 熱量。溫度升高后的冷卻流體通過微型槽道制冷交換器7，把熱量傳遞到熱電制冷模片8 的冷端，熱流通過熱電制冷模片8傳輸?shù)礁接谂c制冷模片8的熱端相接處的散熱器9散到 周圍的空氣中，這樣循環(huán)往復，實現(xiàn)對熱源的溫度控制和熱量的導出。該裝置的關鍵和特點 是實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的高級液體冷卻技術，可用于超高熱流芯片(超頻)的冷卻，利用 微米級槽道的液體冷卻塊，傳熱效率很高，熱阻小，可以任意控制芯片的溫度，從而提高芯 片的運算速度、可靠性和使用壽命。實施例2本發(fā)明熱電制冷_液體電子冷卻器主要由七部分組成空氣循環(huán)用風扇1和風扇 罩2 ；微型槽道制冷交換器7、熱電制冷模片8、散熱器9、中空基板6和微型槽道冷卻板5。 本發(fā)明風扇1由螺絲4固定安裝在風扇罩2，風扇1上有電源線18，螺絲3通過中空基板6 上的孔15將風扇罩2固定安裝在中空基板6上，中空基板6頂部固定安裝有微型槽道制冷 交換器7，微型槽道制冷交換器7兩側(cè)分別依次對稱設有熱電制冷模片8和散熱器9，微型 槽道制冷交換器7，熱電制冷片模8、散熱器9置于風扇罩2內(nèi)；熱電制冷模片8上設有電源 線17，散熱器9通過螺絲12、彈簧13、孔27將散熱器9固定安裝于微型槽道制冷交換器7 上，散熱器9采用高效散熱器，散熱器9的放置方向應使得散熱器9上的翅片垂直于熱電制 冷模片8 ；中空基板6的底部設有微型槽道冷卻板5，螺絲14穿過孔30將微型槽道冷卻板 5固定安裝在中空基板6上，中空基板6與微型槽道制冷交換器7之間設有密封圈16 ；中空 基板6通過固定螺絲、孔20將微型槽道冷卻板5與主機板固定連接。微型槽道制冷交換器7兩側(cè)壁上對稱設有微型槽道23，微型槽道23的上、下兩端交錯銑去槽道間隔壁33，然后 用上檔板31和下?lián)醢?2封閉，形成兩側(cè)壁具有微型槽道、首尾相連的液體通道，微型槽道 23熱交換面形成H型換熱槽道，微型槽道23內(nèi)設有表面強化傳熱翅片；在對稱設置的微型 槽道23 —側(cè)設有液體流入孔25，另一側(cè)設有液體流出孔26，微型槽道制冷交換器7上設有 液體進口 21及液體出口 22，液體進口 21與微型槽道23連通，液體出口 22通過軟管11或 金屬管連接與液體進口 21連接，軟管11或金屬管上設有水泵10或其它流體驅(qū)動裝置，軟 管11上設有管箍19，液體流出口 26上方靠近液體出口 22處設有能夠使液體膨脹和收縮 液體緩沖區(qū)24 ；微型槽道冷卻板5上并列設置有多個微型槽道28，微型槽道23通過液體流 入孔25與微型槽道28連接，微型槽道28間設有上流道分隔板及下流道分隔板29，上流道 分隔板與微型槽道制冷交換器7前端壁固定連接，下流道分隔板29與微型槽道制冷交換器 7后端壁固定連接，從而形成從液體進口 21、經(jīng)過微型槽道23熱交換面形成H型換熱槽道 后，進入液體流入孔25及由液體循環(huán)通道34、微型槽道28、液體流出口 26、液體通道35到 達液體出口 22后進入軟管11形成一個液體流動循環(huán)通道。工作過程本發(fā)明液體從液體進口 21進入H型換熱槽道，通過液體通道34及液體 流入口 25流入到微型槽道28，通過微型槽道28及液體流出口 26進入微型槽道制冷交換 器7內(nèi)，通過液體通道35到達液體出口 22，液體通過軟管11上泵10使液體進行循環(huán)流動。 當液體流入微型槽道28并且吸收來自熱源的熱量后，到達液體出口 22實現(xiàn)了液體在微型 槽道制冷交換器7的循環(huán)。本發(fā)明的基板6連接方式可用于INTEL CORE-DUO CPU X6700 (芯片)的超頻熱電 制冷液體冷卻器計算機系統(tǒng)ATX/BTX平臺的電腦風扇120x38/32/25，1 臺冷卻器結(jié)構(gòu)與材料微型槽道冷卻板5采用100-200微米微型槽道冷卻塊，材料Cull00、AL6063垂直設置散熱器9 :AL6063、CullOO基板6采用AL6063或工程塑料散熱能力大于2OOWatts熱電制冷模片8 4 片，45x45x3. 0mm, Tmax = 69°C7令卻流體Propylene glycol 溶液、Ethylene glycol 溶液使用溫度-40°C-180°C本發(fā)明的熱電制冷-液體冷卻器，原理是利用熱電制冷模片8制冷冷卻流經(jīng)微型 槽道交換器7中流動的液體，被冷卻的液體高速噴流與熱源接觸的另一微型槽道冷卻板5， 吸收來自計算機芯片/IGBT等電子元件散出的熱量。溫度升高后的冷卻流體通過微型槽道 制冷交換器7，把熱量傳遞到熱電制冷模片8的冷端，熱流通過制熱電制冷模片8傳輸?shù)礁?于與制冷模片8的熱端接觸的散 熱器9散到周圍的空氣中，這樣循環(huán)往復，實現(xiàn)對熱源的溫 度控制和熱量的導出。該裝置的關鍵和特點是實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的高級液體冷卻技術， 可用于超高熱流芯片(超頻)的冷卻。利用微米級的液體冷卻板，傳熱效率很高，熱阻小， 可以任意控制芯片的溫度，從而提高芯片的運算速度、可靠性和使用壽命。
權(quán)利要求
熱-電制冷液體冷卻裝置，包括熱電制冷模片(8)、散熱器(9)，其特征在于，微型槽道制冷交換器(7)兩側(cè)分別依次對稱設有熱電制冷模片(8)、散熱器(9)，微型槽道制冷交換器(7)垂直固定安裝于中空基板(6)的頂部，微型槽道冷卻板(5)固定安裝于中空基板(6)的底部；微型槽道制冷交換器(7)中心線兩側(cè)對稱設有微型槽道(23)，微型槽道(23)為正弦波型曲線凹槽，在對稱設置的微型槽道(23)一側(cè)設有液體流入孔(25)，另一側(cè)設有液體流出孔(26)，微型槽道制冷交換器(7)上設有液體進口(21)及液體出口(22)，液體進口(21)與微型槽道(23)連通，液體出口(22)通過軟管(11)與液體進口(21)連接，軟管(11)上設有液體驅(qū)動裝置(10)；微型槽道冷卻板(5)上并列設置有多個微型槽道(28)，微型槽道(28)間設有上流道分隔板及下流道分隔板(29)，上流道分隔板與微型槽道制冷交換器(7)頂板固定連接，下流道分隔板(29)與微型槽道制冷交換器(7)底板固定連接；液體流入孔(25)上端口與微型槽道(23)連通，下端口與微型槽道(28)連通，形成液體循環(huán)通道34，微型槽道(28)與液體流出孔(26)相連通，液體流出孔(26)與液體出口(22)相連通，形成液體循環(huán)通道35。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱_電制冷液體冷卻裝置，其特征在于，微型槽道制冷交換 器(7)中心線兩側(cè)對稱設有微型槽道(23)，微型槽道(23)的上、下兩端交錯銑去槽道間隔 壁(33)，然后用上檔板(31)和下?lián)醢?32)封閉，形成兩側(cè)壁具有微型槽道的、首尾相連的 液體通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱-電制冷液體冷卻裝置，其特征在于，微型槽道(23) 內(nèi)設有翅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱電制冷液體冷卻裝置，其特征在于，微型槽道制冷交換 器(7)內(nèi)靠近液體出口(22)處設有液體緩沖區(qū)(24)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱電制冷液體冷卻裝置，其特征在于，微型槽道制冷交換 器(7)兩側(cè)壁上的熱交換面形成H型換熱槽道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電制冷液體冷卻裝置，其特征在于，液體驅(qū)動裝置(10)為 微型水泵或壓電流體驅(qū)動裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電制冷液體冷卻裝置，其特征在于，微型槽道冷卻板(5)和 基板(6)之間設有密封圈(16)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電制冷液體冷卻裝置，其特征在于，基板(6)上固定安裝有 風扇罩(2)，風扇罩(2)上設有風扇(1)，微型槽道制冷交換器(7)，熱電制冷片(8)、散熱器 (9)置于風扇罩(2)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱-電制冷液體冷卻裝置，屬于制冷設備。本發(fā)明微型槽道制冷交換器兩側(cè)對稱設有熱-電制冷片、散熱器，微型槽道制冷交換器和微型槽道冷卻板分別安裝于中空基板頂部和底部，微型槽道制冷交換器上設液體進口及液體出口，液體進口與液體出口由軟管連接，軟管上設有水泵；微型槽道制冷交換器兩側(cè)壁對稱設有微型槽道，微型槽道冷卻板上并列設置有多個微型槽道，微型槽道間設有上流道分隔板及下流道分隔板，微型槽道制冷交換器上的微型槽道與微型槽道冷卻板上的微型槽道相連通。本發(fā)明可用于微電子，動力電子設備的超低溫散熱冷卻，結(jié)合高級的水冷技術與熱-電制冷，熱容量大，冷卻速度快，可任意調(diào)節(jié)冷卻溫度，實現(xiàn)低于環(huán)境溫度冷卻。
文檔編號H01L23/38GK101835369SQ201010175298
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者崔永亮, 王亞雄, 赫文秀, 郭貴寶 申請人:內(nèi)蒙古科技大學;包頭博特科技有限責任公司