CN101222836A - 直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直传－帕尔帖效应制冷混合式散热装置，用于解决发热量大电子器件的散热问题，其装置包括用于紧贴于电子器件上表面的集热片；该集热片的上表面，装有一帕尔帖效应制冷片，帕尔帖效应制冷片的面积小于集热片上表面的面积，且使低温端表面与集热片的上表面紧贴；所述帕尔帖效应制冷片的高温端表面上，紧贴有第一热量传导板，该第一热量传导板上表面，安装有第一散热器和第一散热风扇；在集热片上表面、除去被帕尔帖效应制冷片覆盖部分以外的剩余部分，紧贴有第二热量传导板，该第二热量传导板上表面，安装有第二散热器和第二散热风扇。本发明具有散热效果好、可靠性高等优点。

Description

直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法及装置

技术领域

本发明涉及用于发热电子器件的散热技术，特别是涉及采用直传式散热与帕尔帖效应制冷散热相结合的散热方法和装置。

背景技术

现有技术用于大功率电子器件的散热方法和装置，一般以直传式占多数。现有技术的直传式散热装置，以用于计算机CPU的散热装置为例，其结构如图1所示，包括与CPU芯片1’表面紧贴的散热器2’，该散热器一般由金属铜或铝制成，设有多个散热叶片(鳍片)，以增大散热面积，所述散热器上安装有散热风扇3’。工作时，热量从CPU芯片1’表面，经过与其接触良好的传热表面，把热量传递到散热器2’，以散热风扇3’向各个散热鳍片吹风，带走散热器上的热量，实现冷却降温。该直传式散热装置结构简单、价格低廉，但存在的不足是：散热能力不强，在环境温度比较高的时候，散热风扇的吹风温度也较高，与散热器之间的温差不大，带走散热器上的热量有限，散热效果就比较差；而且在需要耗散热量比较大时，其所需要的散热器体积也较大，不能满足计算机小型化的需要。

现有技术也有采用帕尔帖效应制冷器来解决计算机CPU的散热问题，以弥补直传式散热装置散热能力差的不足。帕尔帖效应制冷器是利用半导体热电偶致冷的原理，能够以电致冷而实现大的温差(市售的产品有60度左右的温差)，从而加强散热效果。现有技术采用帕尔帖效应制冷器的散热装置的结构如图2所示，在CPU芯片1’表面紧贴有集热片4’，该集热片4’上表面与散热器2’之间设有帕尔帖效应制冷器5’，该帕尔帖效应制冷器5’的低温端与集热片4’上表面接触、高温端与散热器2’接触。工作时，帕尔帖效应制冷器5’的高、低温两端形成大的温差，低温端将集热片4’和CPU芯片1’冷却，高温端的热量经散热器2’和散热风扇3’散发出去。这种散热装置虽具有散热能力强的优点，但也有不足之处：一.帕尔帖效应制冷器5’周围存在结霜的隐患，当CPU工作于低负载或者休息状态时，此时没有多少热量产生，如果帕尔帖效应制冷器5’继续工作，制冷器的低温端温度将大幅下降而低至摄氏零度甚至零度以下，空气中的水分将由于低温在制冷器的低温端凝结成霜，而霜融化又产生水，容易将CPU芯片损坏；二.热阻比较大；热阻较大是因为半导体制冷器的低温、高温两个端面都是陶瓷材料，陶瓷与半导体材料本身的特性，热传导性能比金属差很多；热阻大在工作中产生的问题是：如果需要冷却的发热器件产生的热量超过一定限度，来不及通过帕尔帖效应制冷器的低温端传递到高温端，再传递到金属散热片(散热器)上耗散掉，此时热量就会积聚在制冷器的低温端与需要冷却的发热器件(如CPU)之间，导致器件严重过热，这种情况可能恶化至器件失效甚至烧毁。因此，帕尔帖效应制冷器散热器的可靠性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提出一种直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法及装置，采用该散热方法和装置兼具现有技术直传式散热装置和帕尔帖效应制冷散热装置的优点，散热能力强、效果好且可靠性高。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

提出一种直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法，用于解决发热量大但工作温度不能过高的电子器件的散热问题，包括如下步骤：

A.设计一集热片，使该集热片的下表面紧贴于所述发热电子器件的外表面；

B.在所述集热片上表面、对准所述发热电子器件的位置，放置一帕尔帖效应制冷片，使所述帕尔帖效应制冷片的低温端表面与集热片上表面紧贴，且所述集热片上表面的面积大于帕尔帖效应制冷片的面积；

C.在所述帕尔帖效应制冷片的高温端表面，紧贴有第一热量传导板，再在该第一热量传导板上表面安装第一散热器和第一散热风扇；这样形成第一散热通道，即自发热电子器件→集热片→帕尔帖效应制冷片→第一热量传导板→第一散热器→第一散热风扇；

D.在所述集热片上表面，除去被所述帕尔帖效应制冷片覆盖部分以外的剩余部分，紧贴有第二热量传导板，再在该第二热量传导板上安装第二散热器和第二散热风扇，这样形成第二散热通道，即自发热电子器件→集热片→第二热量传导板→第二散热器→第二散热风扇。

本发明解决所述技术问题还要通过采用以下技术方案来进一步实现：

设计、使用一种直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置，用于解决发热量大但工作温度不能过高的电子器件的散热问题，包括用于紧贴于所述发热的电子器件上表面的集热片；该集热片的上表面，装有一帕尔帖效应制冷片，帕尔帖效应制冷片的面积小于集热片上表面的面积，且使该帕尔帖效应制冷片的低温端表面与集热片的上表面紧贴；所述帕尔帖效应制冷片的高温端表面上，紧贴有第一热量传导板，该第一热量传导板上表面，安装有第一散热器和第一散热风扇；在所述集热片上表面、除去被所述帕尔帖效应制冷片覆盖部分以外的剩余部分，紧贴有第二热量传导板，该第二热量传导板上表面，安装有第二散热器和第二散热风扇。

本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法及装置，所述第一热量传导板呈横置“凸”字形，其较窄部分将所述帕尔帖效应制冷片完全覆盖，其较宽部分上表面安装第一散热器和第一散热风扇；所述第二热量传导板呈横置“凹”字形，所述帕尔帖效应制冷片和第一热量传导板的较窄部分恰好嵌入所述第二热量传导板的凹口内。

所述第二热量传导板的厚度等于第一热量传导板的厚度加上帕尔帖效应制冷片的厚度。

工作时，电子器件发出的热量，通过两条散热通道同时向外传递与耗散：一.经第一散热通道散热，热量从电子器件的表面，经过集热片，传递到帕尔帖效应制冷片的低温端，再经过帕尔帖效应制冷片的“热泵”作用传递到第一热量传导条，再传递到第一散热器，最后由第一散热风扇吹风冷却；二.经第二散热通道散热，热量从电子器件的表面，经过集热片，传递到第二热量传导板，再传递到第二散热器，最后由第二散热风扇吹风冷却。

所述两条散热通道，如果分开来看，就分别是现有技术的直传式散热装置和帕尔帖效应制冷散热装置，其独立工作的原理和方式与现有技术相同，也不是本发明的关键所在，此处不再赘述。

本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法及装置，其核心关键所在是，将现有技术直传式散热装置和帕尔帖效应制冷散热装置采用独特的方式结合起来，形成一个完整的、能相互协调、优势互补的散热系统；本散热装置内部之间能相互实施温度控制与热量补偿，而且其控制与补偿是由本发明散热装置的材料与结构本身的特性而自动地实现的，无需象现有技术的需要采用额外的温度传感器与控制电路。

对于本发明两条散热通道在工作时，能根据电子器件的发热状况，及时互相协调、弥补对方的不足，并能形成热量的动态平衡，下面以CPU为例分三种情况予以说明：

一、CPU工作发出热量在正常范围，此时其产生的热量从两条通道向外传递与耗散，系统稳定工作，如前述。

二、CPU工作发出热量很小，或停工处于休眠状态而不发热，此时，帕尔帖效应制冷片如继续工作，则制冷片低温端温度将大幅下降，导致集热片的温度大幅下降而大大低于室温，这时，由于大温差出现，处于室温的第二散热器则将热量经过第二热量传导板，反向传递到集热片上，由于有热量的不间断反向补充，保证了集热片的温度不会下降得太低而至摄氏零度或以下，从而防止帕尔帖效应制冷片结霜；这样就有效地解决了现有技术单独使用帕尔帖效应制冷片散热的结霜问题；需要说明的是，此处，第二散热器经第二热量传导板向集热片和CPU传递和补偿热量，与正常工作散热流向相反，而且是自动实现的。

三、CPU工作发出热量很大，超过正常范围，此时，一方面，大量热量经由集热片传递到第二热量传导板，再传递到第二散热器，最后由其上的第二散热风扇吹风冷却耗散热量；另一方面，在帕尔帖效应制冷片这一端，也即第一散热通道的实际工作状态则转变为主要是在集热片上、位于制冷片下面的这一中央局部实现低温，这个局部低温正好覆盖CPU，从而实现对CPU冷却降温。应该指出的是，由于集热片周围部位的高温部热量将流向所述中央局部低温部，所以这个局部低温是动态平衡状态，尽管如此，它还是精确实现了关键部位所需要的良好的热平衡状态。这种精确实现局部低温的结构，是本发明独有的。

同现有技术相比较，本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法及装置的技术效果在于：1.采用两条散热通道相互结合和协同工作，在电子器件发热在正常范围内时，两条通道同时散热，加强散热效果；在电子器件发热量较小甚者处于休眠状态而不发热时，第二散热通道则自动进行热量反向传输，给第一散热通道的集热片和帕尔帖效应制冷片补充热量，有效地防止集热片和帕尔帖效应制冷片结霜，避免了电子器件因结霜融化而被损坏，提高了散热装置的可靠性；在电子器件发热量过多时，使两条散热通道的优势得到充分发挥，并充分利用金属热传导性好的性能，大量热量经由第二通道传递散发，而第一散热通道能通过帕尔帖效应制冷片形成温差使电子器件的温度保持在允许范围内，这样有效地解决了帕尔帖效应制冷片的热阻大导致热量积聚不易散发的问题；2.由于采用两条散热通道，在两者互补的同时，大大加强了散热能力，所以本发明散热装置的两个散热器的体积都可以做得很小，适合电器小型化的需要。

附图说明

图1是现有技术直传式散热装置的结构示意图；

图2是现有技术帕尔帖效应制冷散热装置的结构示意图；

图3是本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置的立体分解示意图；

图4是所述直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。

本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法及装置，可广泛用于各种发热量大的电子器件、集成电路模块和电源等，下面仅以用于计算机CPU芯片为例予以详细说明。

本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法，用于计算机CPU芯片散热，包括如下步骤：

A.设计一集热片6，使该集热片6的下表面紧贴于CPU芯片5的外表面；

B.在所述集热片6上表面、对准所述CPU芯片5的位置，放置一帕尔帖效应制冷片4，使所述帕尔帖效应制冷片4的低温端表面与集热片6上表面紧贴，且所述集热片6上表面的面积大于帕尔帖效应制冷片4的面积；

C.在所述帕尔帖效应制冷片4的高温端表面，紧贴有第一热量传导板3，再在该第一热量传导板3上表面安装第一散热器1和第一散热风扇2；这样形成第一散热通道，即自CPU芯片5→集热片6→帕尔帖效应制冷片4→第一热量传导板3→第一散热器1→第一散热风扇2；

D.在所述集热片6上表面，除去被所述帕尔帖效应制冷片4覆盖部分以外的剩余部分，紧贴有第二热量传导板7，再在该第二热量传导板7上安装第二散热器9和第二散热风扇8，这样形成第二散热通道，即自CPU芯片5→集热片6→第二热量传导板7→第二散热器9→第二散热风扇8。

所述第一热量传导板3横置呈“凸”字形，其较窄部分31将所述帕尔帖效应制冷片完全覆盖，其较宽部分32上表面安装第一散热器1和第一散热风扇2；所述第二热量传导板7呈横置“凹”字形，所述帕尔帖效应制冷片4和第一热量传导板的较窄部分31恰好嵌入所述第二热量传导板7的凹口71内。所述第二热量传导板7的厚度等于第一热量传导板3的厚度加上帕尔帖效应制冷片4的厚度。第一热量传导板3和第二热量传导板7采用这样的设计方式，使本发明散热装置结构紧凑，同时也有利于两条散热通道在工作时的相互协调性好。

本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置，用于计算机CPU芯片散热，如图3和图4所示，包括用于紧贴于所述CPU芯片5上表面的集热片6；该集热片6的上表面，装有一帕尔帖效应制冷片4，帕尔帖效应制冷片4的面积小于集热片6上表面的面积，且使该帕尔帖效应制冷片4的低温端表面与集热片6的上表面紧贴；所述帕尔帖效应制冷片4的高温端表面上，紧贴有第一热量传导板3，该第一热量传导板3呈横置“凸”字形，其较窄部分31将所述帕尔帖效应制冷片4正好完全覆盖，其较宽部分32上表面安装第一散热器1和第一散热风扇2；在所述集热片6上表面、除去被所述帕尔帖效应制冷片4覆盖部分以外的剩余部分，紧贴有第二热量传导板7，该第二热量传导板7上表面，安装有第二散热器9和第二散热风扇8；所述第二热量传导板7呈横置“凹”字形，所述帕尔帖效应制冷片4和第一热量传导板3的较窄部分31恰好嵌入所述第二热量传导板7的凹口71内。所述第二热量传导板7的厚度等于第一热量传导板3的厚度加上帕尔帖效应制冷片4的厚度。

本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置，如图4所示，图中左边为第一散热通道，单独工作时相当于现有技术的帕尔帖效应制冷散热装置；右边为第二散热通道，单独工作时相当于现有技术的直传式散热装置。

下面就CPU芯片发热量大小的三种情况，分别说明本发明直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置的散热过程。

第一种情况：所述CPU芯片5工作发出热量在正常范围，此时其产生的热量从两条通道向外传递与耗散，系统稳定工作，散热过程和原理如前述，也同现有技术，此处不再赘述。

第二种情况：所述CPU芯片5工作发出热量很小，或停工处于休眠状态而不发热，此时，帕尔帖效应制冷片4通电将继续工作，则制冷片4低温端温度将大幅下降，导致集热片6的温度大幅下降而大大低于室温或第二散热器9的温度，这时，由于大温差出现，处于室温的第二散热器9则将热量经过第二热量传导板7，反向传递到集热片6上，由于有热量的不间断反向补充，保证了集热片6的温度不会下降得太低而至摄氏零或以下，从而防止帕尔帖效应制冷片4结霜；这样就有效地解决了现有技术单独使用帕尔帖效应制冷片散热的结霜问题。需要说明的是，此处，第二散热器经第二热量传导板向集热片和CPU传递和补偿热量，与正常工作散热流向相反，而且是自动实现的。在此种情况下，第二散热通道实现的是热量反向传输，与其他两种情况不同。第二散热通道具备双向传输功能，是本发明能有效解决现有技术帕尔帖效应制冷片散热易结霜问题的关键。

第三种情况：所述CPU芯片工作发出热量很大，超过正常范围，此时，一方面，大部分热量经由集热片6传递到第二热量传导板7，再传递到第二散热器9，最后由其上的第二散热风扇8吹风冷却耗散热量，即大部分热量由第二散热通道散发；另一方面，在帕尔帖效应制冷片4这一端，也即第一散热通道的实际工作状态则转变为主要是在集热片6上、位于制冷片4下面的这一中央局部实现低温，这个局部低温正好覆盖CPU芯片5，从而实现对CPU芯片5冷却降温。应该指出的是，由于集热片周围部位的高温部热量将流向所述中央局部低温部，所以这个局部低温是动态平衡状态，尽管如此，它还是精确实现了关键部位所需要的良好的热平衡状态。这种精确实现局部低温的结构，是本发明独有的。在此种情况下，由于第二散热通道基本由金属构成，热阻小，导热性好，在CPU芯片高负荷运行而发热量过高时，大部分热量由第二散热通道散发出去，解决了现有技术单独使用帕尔帖效应制冷片散热时、由于陶瓷片热阻大而产生热量积聚的问题，在大部分热量经由第二散热通道散发出去时，第一散热通道再发挥其实现大温差的散热优势，这样使两种散热方式的优势得到充分发挥。

Claims (6)

1.一种直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法，用于解决发热量大但工作温度不能过高的电子器件的散热问题，其特征在于，包括如下步骤：

A.设计一集热片，使该集热片的下表面紧贴于所述发热电子器件的外表面；

B.在所述集热片上表面、对准所述发热电子器件的位置，放置一帕尔帖效应制冷片，使所述帕尔帖效应制冷片的低温端表面与集热片上表面紧贴，且所述集热片上表面的面积大于帕尔帖效应制冷片的面积；

C.在所述帕尔帖效应制冷片的高温端表面，紧贴有第一热量传导板，再在该第一热量传导板上表面安装第一散热器和第一散热风扇；这样形成第一散热通道，即自发热电子器件→集热片→帕尔帖效应制冷片→第一热量传导板→第一散热器→第一散热风扇；

D.在所述集热片上表面，除去被所述帕尔帖效应制冷片覆盖部分以外的剩余部分，紧贴有第二热量传导板，再在该第二热量传导板上安装第二散热器和第二散热风扇，这样形成第二散热通道，即自发热电子器件→集热片→第二热量传导板→第二散热器→第二散热风扇。

2.如权利要求1所述的直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法，其特征在于：所述第一热量传导板呈横置“凸”字形，其较窄部分将所述帕尔帖效应制冷片完全覆盖，其较宽部分上表面安装第一散热器和第一散热风扇；所述第二热量传导板呈横置“凹”字形，所述帕尔帖效应制冷片和第一热量传导板的较窄部分恰好嵌入所述第二热量传导板的凹口内。

3.如权利要求2所述的直传-帕尔帖效应制冷混合式散热方法，其特征在于：所述第二热量传导板的厚度等于第一热量传导板的厚度加上帕尔帖效应制冷片的厚度。

4.一种直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置，用于解决发热量大但工作温度不能过高的电子器件的散热问题，其特征在于：包括用于紧贴于所述发热的电子器件上表面的集热片；该集热片的上表面，装有一帕尔帖效应制冷片，帕尔帖效应制冷片的面积小于集热片上表面的面积，且使该帕尔帖效应制冷片的低温端表面与集热片的上表面紧贴；所述帕尔帖效应制冷片的高温端表面上，紧贴有第一热量传导板，该第一热量传导板上表面，安装有第一散热器和第一散热风扇；在所述集热片上表面、除去被所述帕尔帖效应制冷片覆盖部分以外的剩余部分，紧贴有第二热量传导板，该第二热量传导板上表面，安装有第二散热器和第二散热风扇。

5.如权利要求4所述的直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置，其特征在于：所述第一热量传导板呈横置“凸”字形，其较窄部分将所述帕尔帖效应制冷片完全覆盖，其较宽部分上表面安装第一散热器和第一散热风扇；所述第二热量传导板呈横置“凹”字形，所述帕尔帖效应制冷片和第一热量传导板的较窄部分恰好嵌入所述第二热量传导板的凹口内。

6.如权利要求4所述的直传-帕尔帖效应制冷混合式散热装置，其特征在于：所述第二热量传导板的厚度等于第一热量传导板的厚度加上帕尔帖效应制冷片的厚度。

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