惡劣工況下電子器件主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專(zhuān)利涉及到電子器件主動(dòng)式熱電冷卻技術(shù)，例如激光器、LED和功率器件等對(duì)溫度較為敏感的器件；具體地，涉及一種在不同的工作環(huán)境下(尤其在惡劣工作下)基于熱電制冷的節(jié)能的惡劣工況下電子器件主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子工程的發(fā)展，散熱正成為一個(gè)越來(lái)越受到關(guān)注的問(wèn)題，隨著集成程度的提升所帶來(lái)的功率增大，器件的溫度升高也不可避免，結(jié)果造成了惡劣的環(huán)境。與此同時(shí)，對(duì)于一些光電子器件，精確的溫度控制至關(guān)重要，它必須在較低的溫度下工作，這對(duì)冷卻系統(tǒng)便提出了更高的要求。
[0003]電子器件在工作中產(chǎn)生的熱量會(huì)使其工作的可靠性下降，進(jìn)而會(huì)危害整個(gè)電子系統(tǒng)的可靠性，也會(huì)影響例如處理器的切換速度等。而對(duì)于一些特殊的光電子器件，其性能和使用壽命均受溫度的影響，因此，散熱良好對(duì)于電子器件的良好高效率的工作是至關(guān)重要的。以電腦的中央處理器為例，隨著越來(lái)越多的晶體三極管被嵌合進(jìn)一個(gè)小小的硅晶片上，芯片的溫度升高，這樣就在一個(gè)很小的區(qū)域上產(chǎn)生了很高的熱量，它們急需被有效且快速地轉(zhuǎn)移。另外，即便不是高溫下，僅是芯片溫度的快速變化就很有可能會(huì)導(dǎo)致芯片的壽命縮短，錯(cuò)誤甚至完全失效。關(guān)機(jī)時(shí)，芯片溫度的快速降低還會(huì)導(dǎo)致結(jié)露問(wèn)題，熱蒸汽在芯片冷端冷凝成水露，將會(huì)給電子器件帶來(lái)嚴(yán)重的損壞。更進(jìn)一步，芯片生產(chǎn)廠家為了節(jié)約成本和保持生產(chǎn)能力不愿意增大芯片的體型，這使得問(wèn)題更難以解決。
[0004]傳統(tǒng)的被動(dòng)式散熱技術(shù)，例如已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在電器冷卻中的翅片散熱，熱管散熱和水冷技術(shù)等，已經(jīng)不能滿(mǎn)足散熱需求，尤其是在極端環(huán)境下(很高的環(huán)境溫度)。被動(dòng)式散熱意味著它們將電子器件產(chǎn)生的熱量用被動(dòng)組件傳導(dǎo)走，但不是用主動(dòng)部件來(lái)主動(dòng)輸入冷量，運(yùn)出熱量，不能像主動(dòng)式那樣有效的傳熱和加速。而且被動(dòng)式散熱方法由于是被動(dòng)散熱，它不能控制溫度，也沒(méi)有應(yīng)用電子控件。例如半導(dǎo)體激光器，首先，其散熱面積和容積空間都很小，而高熱流密度的散熱裝置，均不便于集成冷卻，且它通常與其他元件集成，整個(gè)設(shè)備的釋放的熱量較高，設(shè)備內(nèi)部環(huán)境通常在20°C -70°C，而在高溫環(huán)境中被動(dòng)散熱裝置失去制冷功效。另外常規(guī)的壓縮式制冷器系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足脈沖激光器的及時(shí)啟停。其次，有研究結(jié)果表示半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)對(duì)溫度的敏感度為0.2-0.5nm/°C。如果蝶式激光器模塊中不采用熱電制冷散熱，當(dāng)環(huán)境溫度從25°C增加到85°C時(shí)，其發(fā)射能量減少46%。盡管人們?cè)谑褂闷渌岵牧仙献龀隽伺?，但是仍不能滿(mǎn)足冷卻電子器件的要求。
[0005]那么，擁有無(wú)噪音，靈活，可靠且由于是主動(dòng)冷卻而在小溫差下仍具備高效率導(dǎo)熱等優(yōu)點(diǎn)的熱電主動(dòng)冷卻方式就被認(rèn)為是很有潛力的電子器件冷卻方式。在環(huán)境溫度已經(jīng)很高的極端情況下，發(fā)熱電子器件與環(huán)境的溫差已經(jīng)很小，被動(dòng)式制冷方法均會(huì)失效，而使用半導(dǎo)體制冷片的熱電主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)仍舊能高效地工作。惡劣工況使得主動(dòng)式制冷方式的優(yōu)點(diǎn)凸現(xiàn)出來(lái)。
[0006]熱電制冷是一種利用半導(dǎo)體熱電片直接將電能變成熱能的主動(dòng)式制冷方式。熱電片在通直流電后一端吸熱變冷，一端放熱，實(shí)際上熱電片利用電能將熱量從冷端運(yùn)輸?shù)綗岫恕６覠岫说臒崃看笥诶涠宋盏臒崃?，因其還包括輸入的電能。
[0007]在實(shí)際使用主動(dòng)式熱電制冷方式時(shí)，由于電子器件功率的變化仍然會(huì)出現(xiàn)溫度的突然降低導(dǎo)致結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。所以主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)需要合適的控制單元。但是專(zhuān)利CN201420538970的激光器冷卻裝置采用液體冷卻與熱電制冷相結(jié)合的裝置，卻缺少對(duì)熱電模塊的控制系統(tǒng)，無(wú)疑是一大不足。而且，如果使用常規(guī)的溫度控制系統(tǒng)，那么當(dāng)電子器件溫度低于所設(shè)定的溫度時(shí)，冷卻系統(tǒng)將對(duì)其加熱，這顯然是不合理的。美國(guó)專(zhuān)利:US6567262B2開(kāi)發(fā)出針對(duì)CPU冷卻的熱電制冷系統(tǒng)，該專(zhuān)利采用啟動(dòng)控制的方法將CPU芯片維持在恒定的溫度，該專(zhuān)利在較低的環(huán)境溫度下對(duì)芯片進(jìn)行加熱的方法顯然不可取。專(zhuān)利CN201510015856的控制系統(tǒng)也有同樣的問(wèn)題。專(zhuān)利CN201210232782.2為生物電泳儀散熱的裝置也同樣使用的常規(guī)的控制系統(tǒng)。
[0008]另一個(gè)問(wèn)題是，對(duì)于熱電片熱端所產(chǎn)生的大量熱量，需要使用傳統(tǒng)的被動(dòng)式散熱方式來(lái)解決，這要求其維持合適的熱電片熱端溫度，最優(yōu)地配合好主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)，提高其性能。專(zhuān)利CN201410141231將熱電片嵌入電路板中，但是卻沒(méi)有熱端的散熱裝置，是一大缺陷，熱電模塊將不能高效地工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種惡劣工況下電子器件主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)，改進(jìn)現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的不足，能夠滿(mǎn)足在惡劣工況下對(duì)電子器件進(jìn)行有效的散熱的要求，而且可以實(shí)現(xiàn)有效、穩(wěn)定而節(jié)能地控制溫度。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0011 ] 一種惡劣工況下電子器件主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)，包括:熱電模塊組件、溫度控制組件以及被動(dòng)式散熱組件；其中:
[0012]所述熱電模塊組件的冷端與待冷卻對(duì)象的發(fā)熱處連接，所述被動(dòng)式散熱組件與熱電模塊組件的熱端連接，所述溫度控制組件與熱電模塊組件連接并為熱電模塊組件提供電力。
[0013]優(yōu)選地，所述熱電模塊組件的冷端與待冷卻對(duì)象之間和/或熱電模塊組件的熱端與被動(dòng)式散熱組件之間填充有熱界面材料。
[0014]優(yōu)選地，所述溫度控制組件包括:微處理器、驅(qū)動(dòng)電源和溫度傳感器；其中:
[0015]所述溫度傳感器設(shè)置于待冷卻對(duì)象與熱電模塊組件的冷端之間，用于測(cè)試待冷卻對(duì)象的溫度；
[0016]所述微處理器與溫度傳感器連接，用于將溫度傳感器的測(cè)試溫度與微處理器的預(yù)先設(shè)定溫度進(jìn)行比較:
[0017]若測(cè)試溫度高于設(shè)定溫度，則微處理器控制驅(qū)動(dòng)電源對(duì)熱電模塊組件進(jìn)行最大制冷量冷卻；
[0018]若測(cè)試溫度低于設(shè)定溫度，則微處理器計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電源的PID驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電源接收PID驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輸出合適直流電壓至熱電模塊組件，控制所述熱電模塊組件工作。
[0019]優(yōu)選地，所述測(cè)試溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源不工作，微處理器通過(guò)PID驅(qū)動(dòng)信號(hào)將熱電模塊組件短路，利用熱電模塊組件對(duì)待冷卻對(duì)象進(jìn)行自冷卻。
[0020]優(yōu)選地，所述被動(dòng)式散熱組件采用如下任一種或任多種被動(dòng)式散熱方式:
[0021]-翅片風(fēng)冷散熱方式；
[0022]-水冷散熱方式；
[0023]-熱管散熱方式。
[0024]優(yōu)選地，所述熱電模塊組件包括至少一個(gè)熱電制冷片，多個(gè)熱電制冷片之間并聯(lián)或串聯(lián)連接，保證每一個(gè)熱電制冷片輸入相同的電壓或電流。
[0025]優(yōu)選地，所述熱電制冷片采用碲化鉍熱電制冷片。
[0026]本發(fā)明提供的惡劣工況下電子器件主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)，所述熱電模塊組件的冷端與待冷卻對(duì)象(電子器件)的發(fā)熱處連接，所述被動(dòng)式散熱組件與所述熱電模塊組件的熱端連接，為其散熱；所述溫度控制組件包括溫度傳感器、微處理器和驅(qū)動(dòng)電源，所述溫度傳感器放置于待冷卻對(duì)象與熱電模塊組件的冷端之間，用于測(cè)試待冷卻對(duì)象的溫度，并將該溫度傳遞給微處理器，所述微處理器根據(jù)設(shè)定溫度和測(cè)試溫度計(jì)算合適的驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)而用于驅(qū)動(dòng)熱電模塊組件。
[0027]本發(fā)明提供的惡劣工況下電子器件主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)，根據(jù)電子器件的發(fā)熱功率不同，可以根據(jù)使用需要自由搭配熱電模塊組件和被動(dòng)式散熱組件。對(duì)于發(fā)熱功率較大的電子器件(待冷卻對(duì)象)，宜采用較大的G因子與換熱強(qiáng)度較大的被動(dòng)式散熱組件(如水冷換熱器)搭配；對(duì)于發(fā)熱功率較小的電子器件，宜采用較小的G因子與換熱強(qiáng)度較小的被動(dòng)式散熱組件搭配。其中，G = A/L，A為熱電模塊的熱電堆橫截面積，L為熱電模塊的熱電堆高度。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明米用主動(dòng)式冷卻方式，在惡劣工況即電子器件發(fā)熱量大，其與環(huán)境溫度溫差較小時(shí)，能夠克服被動(dòng)式散熱的不足，仍可以有效地散熱，維持器件的低溫。
[0030]2、本發(fā)明使用熱電制冷片制冷，無(wú)噪音，靈活而且可靠性高。
[0031]3、本發(fā)明融合最大制冷量冷卻和PID溫控創(chuàng)造性地提供了一種溫度控制系統(tǒng)，可以有效的對(duì)器件進(jìn)行散熱，提高器件的性能，能夠避免由于電子器件運(yùn)行功率變化導(dǎo)致的結(jié)露現(xiàn)象；而且其系統(tǒng)為單向降溫，克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在設(shè)定溫度高于電子器件溫度時(shí)對(duì)其加熱的不合理現(xiàn)象；本系統(tǒng)提出自冷卻效應(yīng)，即在設(shè)定溫度大于器件溫度時(shí)，將熱電模塊自動(dòng)短路，利用器件對(duì)模塊產(chǎn)生的塞貝克電壓對(duì)器件進(jìn)一步冷卻。
[0032]4、本發(fā)明熱電模塊熱端的被動(dòng)散熱方式可以有多種，形式比較靈活多變，能適應(yīng)多種不同環(huán)境。
【附圖說(shuō)明】
[0033]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0034]圖1為本發(fā)明電子器件主動(dòng)式熱電冷卻系統(tǒng)的示意圖；
[0035]圖2為溫度控制組件的策略圖；
[0036]圖3為三種不同的冷卻系統(tǒng)在電子器件散熱量變化時(shí)，電子器件的溫度變化。
[0037]圖中:I為熱電模塊組件，2為電子器件，3為被動(dòng)式散熱組件，4為溫度控制組件。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通