CN105188317A - 恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，热电模块组件的冷端与器件的发热处连接，被动式散热组件与热电模块组件的热端连接，温度控制组件包括温度传感器、微处理器和驱动电源，温度传感器放置于器件与热电模块组件的冷端之间，测试待冷却对象的温度，并将该温度传递给微处理器，微处理器根据设定温度和测试温度计算合适的驱动电源的驱动电压进而用于驱动热电模块组件。本发明使用热电模块对器件进行主动冷却，在恶劣的工作环境下能克服传统被动式散热的不足，满足器件散热的需要；采用了一种节能的温控策略，对器件进行单向冷却以及自冷却，使得器件在较低的温度下工作，同时避免了器件温度低于露点温度导致的结露问题。

Description

恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统

技术领域

本专利涉及到电子器件主动式热电冷却技术，例如激光器、LED和功率器件等对温度较为敏感的器件；具体地，涉及一种在不同的工作环境下(尤其在恶劣工作下)基于热电制冷的节能的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统。

背景技术

随着电子工程的发展，散热正成为一个越来越受到关注的问题，随着集成程度的提升所带来的功率增大，器件的温度升高也不可避免，结果造成了恶劣的环境。与此同时，对于一些光电子器件，精确的温度控制至关重要，它必须在较低的温度下工作，这对冷却系统便提出了更高的要求。

电子器件在工作中产生的热量会使其工作的可靠性下降，进而会危害整个电子系统的可靠性，也会影响例如处理器的切换速度等。而对于一些特殊的光电子器件，其性能和使用寿命均受温度的影响，因此，散热良好对于电子器件的良好高效率的工作是至关重要的。以电脑的中央处理器为例，随着越来越多的晶体三极管被嵌合进一个小小的硅晶片上，芯片的温度升高，这样就在一个很小的区域上产生了很高的热量，它们急需被有效且快速地转移。另外，即便不是高温下，仅是芯片温度的快速变化就很有可能会导致芯片的寿命缩短，错误甚至完全失效。关机时，芯片温度的快速降低还会导致结露问题，热蒸汽在芯片冷端冷凝成水露，将会给电子器件带来严重的损坏。更进一步，芯片生产厂家为了节约成本和保持生产能力不愿意增大芯片的体型，这使得问题更难以解决。

传统的被动式散热技术，例如已经被广泛应用在电器冷却中的翅片散热，热管散热和水冷技术等，已经不能满足散热需求，尤其是在极端环境下(很高的环境温度)。被动式散热意味着它们将电子器件产生的热量用被动组件传导走，但不是用主动部件来主动输入冷量，运出热量，不能像主动式那样有效的传热和加速。而且被动式散热方法由于是被动散热，它不能控制温度，也没有应用电子控件。例如半导体激光器，首先，其散热面积和容积空间都很小，而高热流密度的散热装置，均不便于集成冷却，且它通常与其他元件集成，整个设备的释放的热量较高，设备内部环境通常在20℃-70℃，而在高温环境中被动散热装置失去制冷功效。另外常规的压缩式制冷器系统无法满足脉冲激光器的及时启停。其次，有研究结果表示半导体激光器的发射波长对温度的敏感度为0.2-0.5nm/℃。如果蝶式激光器模块中不采用热电制冷散热，当环境温度从25℃增加到85℃时，其发射能量减少46％。尽管人们在使用其他散热材料上做出了努力，但是仍不能满足冷却电子器件的要求。

那么，拥有无噪音，灵活，可靠且由于是主动冷却而在小温差下仍具备高效率导热等优点的热电主动冷却方式就被认为是很有潜力的电子器件冷却方式。在环境温度已经很高的极端情况下，发热电子器件与环境的温差已经很小，被动式制冷方法均会失效，而使用半导体制冷片的热电主动式冷却系统仍旧能高效地工作。恶劣工况使得主动式制冷方式的优点凸现出来。

热电制冷是一种利用半导体热电片直接将电能变成热能的主动式制冷方式。热电片在通直流电后一端吸热变冷，一端放热，实际上热电片利用电能将热量从冷端运输到热端。而且热端的热量大于冷端吸收的热量，因其还包括输入的电能。

在实际使用主动式热电制冷方式时，由于电子器件功率的变化仍然会出现温度的突然降低导致结露现象的产生。所以主动式冷却系统需要合适的控制单元。但是专利CN201420538970的激光器冷却装置采用液体冷却与热电制冷相结合的装置，却缺少对热电模块的控制系统，无疑是一大不足。而且，如果使用常规的温度控制系统，那么当电子器件温度低于所设定的温度时，冷却系统将对其加热，这显然是不合理的。美国专利：US6567262B2开发出针对CPU冷却的热电制冷系统，该专利采用启动控制的方法将CPU芯片维持在恒定的温度，该专利在较低的环境温度下对芯片进行加热的方法显然不可取。专利CN201510015856的控制系统也有同样的问题。专利CN201210232782.2为生物电泳仪散热的装置也同样使用的常规的控制系统。

另一个问题是，对于热电片热端所产生的大量热量，需要使用传统的被动式散热方式来解决，这要求其维持合适的热电片热端温度，最优地配合好主动式热电冷却系统，提高其性能。专利CN201410141231将热电片嵌入电路板中，但是却没有热端的散热装置，是一大缺陷，热电模块将不能高效地工作。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，改进现有冷却系统的不足，能够满足在恶劣工况下对电子器件进行有效的散热的要求，而且可以实现有效、稳定而节能地控制温度。

为实现上述目的，本发明是通过以下的技术方案实现的。

一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，包括：热电模块组件、温度控制组件以及被动式散热组件；其中：

所述热电模块组件的冷端与待冷却对象的发热处连接，所述被动式散热组件与热电模块组件的热端连接，所述温度控制组件与热电模块组件连接并为热电模块组件提供电力。

优选地，所述热电模块组件的冷端与待冷却对象之间和/或热电模块组件的热端与被动式散热组件之间填充有热界面材料。

优选地，所述温度控制组件包括：微处理器、驱动电源和温度传感器；其中：

所述温度传感器设置于待冷却对象与热电模块组件的冷端之间，用于测试待冷却对象的温度；

所述微处理器与温度传感器连接，用于将温度传感器的测试温度与微处理器的预先设定温度进行比较：

若测试温度高于设定温度，则微处理器控制驱动电源对热电模块组件进行最大制冷量冷却；

若测试温度低于设定温度，则微处理器计算出驱动电源的PID驱动信号，所述驱动电源接收PID驱动信号，并输出合适直流电压至热电模块组件，控制所述热电模块组件工作。

优选地，所述测试温度低于设定温度时，驱动电源不工作，微处理器通过PID驱动信号将热电模块组件短路，利用热电模块组件对待冷却对象进行自冷却。

优选地，所述被动式散热组件采用如下任一种或任多种被动式散热方式：

-翅片风冷散热方式；

-水冷散热方式；

-热管散热方式。

优选地，所述热电模块组件包括至少一个热电制冷片，多个热电制冷片之间并联或串联连接，保证每一个热电制冷片输入相同的电压或电流。

优选地，所述热电制冷片采用碲化铋热电制冷片。

本发明提供的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，所述热电模块组件的冷端与待冷却对象(电子器件)的发热处连接，所述被动式散热组件与所述热电模块组件的热端连接，为其散热；所述温度控制组件包括温度传感器、微处理器和驱动电源，所述温度传感器放置于待冷却对象与热电模块组件的冷端之间，用于测试待冷却对象的温度，并将该温度传递给微处理器，所述微处理器根据设定温度和测试温度计算合适的驱动电源的驱动电压进而用于驱动热电模块组件。

本发明提供的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，根据电子器件的发热功率不同，可以根据使用需要自由搭配热电模块组件和被动式散热组件。对于发热功率较大的电子器件(待冷却对象)，宜采用较大的G因子与换热强度较大的被动式散热组件(如水冷换热器)搭配；对于发热功率较小的电子器件，宜采用较小的G因子与换热强度较小的被动式散热组件搭配。其中，G＝A/L，A为热电模块的热电堆横截面积，L为热电模块的热电堆高度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用主动式冷却方式，在恶劣工况即电子器件发热量大，其与环境温度温差较小时，能够克服被动式散热的不足，仍可以有效地散热，维持器件的低温。

2、本发明使用热电制冷片制冷，无噪音，灵活而且可靠性高。

3、本发明融合最大制冷量冷却和PID温控创造性地提供了一种温度控制系统，可以有效的对器件进行散热，提高器件的性能，能够避免由于电子器件运行功率变化导致的结露现象；而且其系统为单向降温，克服了传统控制系统在设定温度高于电子器件温度时对其加热的不合理现象；本系统提出自冷却效应，即在设定温度大于器件温度时，将热电模块自动短路，利用器件对模块产生的塞贝克电压对器件进一步冷却。

4、本发明热电模块热端的被动散热方式可以有多种，形式比较灵活多变，能适应多种不同环境。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明电子器件主动式热电冷却系统的示意图；

图2为温度控制组件的策略图；

图3为三种不同的冷却系统在电子器件散热量变化时，电子器件的温度变化。

图中：1为热电模块组件，2为电子器件，3为被动式散热组件，4为温度控制组件。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，包括热电模块组件、温度控制组件以及为热电模块组件的热端散热的被动式散热组件。其中：所述热电模块组件(制冷片)的冷端与电子器件(待冷却对象)的发热处连接，为电子器件散热，能够实现对电子器件的主动冷却。所述热电模块组件的冷端紧靠电子器件的发热处，即冷却对象；所述热电模块组件与所述温度控制组件在一个回路中；所述温度控制组件为特制的，能通过控制电量影响热电模块组件的制冷片的功率以有效控制电子器件的温度且为其单向降温；所述温度控制组件包括温度传感器、微处理器和驱动电源；所述被动式散热组件紧靠在热电模块组件(制冷片)的热端为其降温。所述被动式散热组件可以是翅片风冷、热管散热和/或水冷系统等多种不同的冷却方式。

进一步地，对于发热功率较大的电子器件，宜采用较大的G因子(G＝A/L，A为热电模块的热电堆的横截面积，L为热电模块的热电堆的高度)与换热强度较大的被动式散热组件(如水冷换热器)搭配。对于发热功率较小的元器件，宜采用较小的G因子与换热强度较小的被动式散热组件搭配。

进一步地，所述被动式散热组件可以选择水冷换热器，但不限于水冷换热器。

下文结合附图对本实施例进行详细说明。

恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，主要由热电模块组件及其冷却系统(被动式散热组件)与温度控制组件组成。

如图1所示，热电模块组件及其冷却系统，主要由热电制冷片、热界面材料和与热电制冷片热端连接的被动式散热组件组成。

冷却对象被直接紧紧连接在热电模块组件的冷端，热界面材料(如导热硅胶等)置于两者间以减少其中的接触热阻。热电模块组件的热端，以同样的方式与被动式散热组件的换热装置良好接触。如果被动式散热组件采用水冷，那么换热装置可以是水冷块，冷却介质可以为去离子水。沿水流动方向连接着换热器、水箱和水泵，再回到水冷块，构成完整的水冷系统。如果被动式散热组件选择翅片散热，那么换热装置可以是一个满足要求的翅片，以及与其配合的风扇。只要是能够满足保持合适热电模块组件热端温度的被动式散热方式均可运用于此。在热电模块组件里，其热电制冷片，当电流从N型半导体流向P型半导体，一定的热量在冷端会被吸收；当电流从P型半导体流向N型半导体，根据珀尔帖效应，一定的热量在热端被释放。热电制冷片是电流换能型片件，其散热量的大小与流经的电流大小有关。因此，我们可以通过控制合适的电流或电压来调整其散热量，达到对器件温度的控制的目的。

应用于热电模块组件的温度控制组件，如图2所示。所述的温度控制组件主要由温度传感器，微处理器和驱动电源组成。温度传感器被放置于冷却对象和热电模块的冷端之间来获得电子器件的温度。合适的设定温度被输入于微处理器中。如果设定温度大于电子器件的实际温度，驱动电源停止工作，将热电模块自动短路，这样可以利用由于器件加热热电模块而产生的塞贝克电压对器件进行自冷却。如果设定温度低于器件测试温度，且两者差值大于某定值ΔT，那么微处理器发出驱动信号控制驱动电源满负荷运行，此时该驱动电源的输出电压为该系统中热电模块的最佳电压。最佳电压为在固定的散热量下，能使热电模块冷端温度最低时的电压。如果两者差值小于ΔT，微处理器输出合适的PID信号，使驱动电源作用合适的驱动电压于热电模块，控制其运行。建议设置ΔT为5℃。

为进一步说明本实施例的优势，对于恶劣环境下(环境温度为40℃)不同的运行功率导致的不同的散热量，在应用三种不同的冷却系统下，我们研究了器件温度的变化，如图3所示。三种装置分别为传统水冷系统、无温度控制组件的热电冷却系统和有温度控制组件的热电冷却系统。两种热电冷却系统均采用水冷系统作为其热端的被动式散热系统。散热量被简化为阶跃的变化，取65W，48W，32W，16W四个依次降低的数值。每一次变化维持的时间约为30s。

首先，使用传统的水冷系统散热时，当散热量为65W时，器件的温度达到了60℃左右，这表明在恶劣工况下，被动式散热系统已经失效，不能满足器件一定工作温度的需求。而主动式冷却系统下的器件温度均仍能维持在40℃。

其次，值得注意的是，没有温度控制组件的热电冷却系统下的器件温度在过程中变化十分剧烈。最大的器件温度之差超过了20℃。这是因为整个过程中热电模块的电压都是固定的，设定电压适合高热产，当散热量降低时，就会造成器件的温度过低。进而，器件表面就会有热蒸汽冷凝，出现结露现象而损坏器件。另外可以看出，使用了结合了温度控制组件的热电冷却系统时，整个过程的器件温度变化是很小的，在散热量减小时，最大的温度之差为1.4℃。

这表明，使用有温度控制组件的热电冷却系统能有效地防止器件过冷结露与过热的产生，保证了对于温度敏感的电子器件在恶劣工况下的正常运作。

本实施例针对于温度较为敏感的电子器件(如半导体激光器，LED，功率器件等)在不同的工作环境下(尤其是恶劣工作下)提出一种基于热电制冷的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，包括热电模块组件、温度控制组件和被动式散热组件。所述的热电模块组件冷端与器件的发热处，即需要冷却对象连接，所述被动式散热组件与所述热电模块组件的热端连接，为其散热。温度控制组件包括温度传感器、微处理器和驱动电源，温度传感器放置于电子器件与热电模块组件的冷端之间，用于测试器件的温度，并将其传递给微处理器，微处理器根据设定温度和测试温度计算合适的驱动电源驱动电压驱动热电模块组件。本发明使用热电模块组件对电子器件进行主动冷却，在恶劣的工作环境下能克服传统被动式散热的不足，满足器件散热的需要；而且采用了一种节能的温控策略，能够对电子器件进行单向冷却以及自冷却，使得电子器件在较低的温度下工作，同时避免了电子器件温度低于露点温度导致的结露问题。本实施例是一种在恶劣工况下为电子器件散热的先进的冷却系统。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，包括：热电模块组件、温度控制组件以及被动式散热组件；其中：

所述热电模块组件的冷端与待冷却对象的发热处连接，所述被动式散热组件与热电模块组件的热端连接，所述温度控制组件与热电模块组件连接并为热电模块组件提供电力。

2.如权利要求1所述的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，所述热电模块组件的冷端与待冷却对象之间和/或热电模块组件的热端与被动式散热组件之间填充有热界面材料。

3.如权利要求1所述的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，所述温度控制组件包括：微处理器、驱动电源和温度传感器；其中：

所述温度传感器设置于待冷却对象与热电模块组件的冷端之间，用于测试待冷却对象的温度；

所述微处理器与温度传感器连接，用于将温度传感器的测试温度与微处理器的预先设定温度进行比较：

若测试温度高于设定温度，则微处理器控制驱动电源对热电模块组件进行最大制冷量冷却；

若测试温度低于设定温度，则微处理器计算出驱动电源的PID驱动信号，所述驱动电源接收PID驱动信号，并输出合适直流电压至热电模块组件，控制所述热电模块组件工作。

4.如权利要求3所述的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，所述测试温度低于设定温度时，驱动电源不工作，微处理器通过PID驱动信号将热电模块组件短路，利用热电模块组件对待冷却对象进行自冷却。

5.如权利要求1所述的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，所述被动式散热组件采用如下任一种或任多种被动式散热方式：

-翅片风冷散热方式；

-水冷散热方式；

-热管散热方式。

6.如权利要求1所述的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，所述热电模块组件包括至少一个热电制冷片，多个热电制冷片之间并联或串联连接，保证每一个热电制冷片输入相同的电压或电流。

7.如权利要求6所述的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，所述热电制冷片采用碲化铋热电制冷片。