CN108650862B - 一种基于半导体制冷技术的快速散热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于半导体制冷技术的快速散热方法，其包括：导热元件、隔热垫和散热外壁；功率芯片和散热外壁相对设置，二者之间设置隔热垫；隔热垫上设置导热元件，导热元件的吸热端通过第一导热垫与功率芯片贴合，导热元件的散热端通过第二导热垫与散热外壁贴合；导热元件工作时，由吸热端向散热端单向传递热量。本发明提供的基于半导体制冷技术的快速散热方法，能够控制散热速度，在功率芯片突然产生大量热量时，可以有效散热，降低功率芯片处的温度，隔热垫防止热量回流保证设备运行，提高设备寿命。当设备为散热较差的密闭空间时，也能保证功率芯片区域的温度较低。且设备结构更紧凑，设计、改造方便。

Description

一种基于半导体制冷技术的快速散热方法及装置

技术领域

本发明涉及电气元件散热领域，尤其是一种基于半导体制冷技术的快速散热装置。

本发明还提供一种基于半导体制冷技术的快速散热方法。

背景技术

电机驱动器在工作过程中，尤其在快速启动、大负载情况下，电机驱动器需要瞬间或持续输出大电流，其功率芯片和电源芯片等器件会持续产生大量热量，这些热量必须及时有效的散出，如果热量堆积会影响电机驱动器的稳定性，以及烧毁内部电子元器件，故散热结构及方式是影响电机驱动器性能的关键技术之一。传统的电机驱动器散热措施为安装大型散热片，加装风扇、水冷等设备。

在微型机器人、轻量化机械臂为代表的众多行业中，由于安装空间有限，故要求电机驱动器体积小巧，故散热方式的选择是限制电机驱动器体积的关键因素。

一般公知的电机驱动器散热结构，主要是采用电机驱动器壳体为金属材料，内部大功率驱动电路板为环氧树脂类电路板，通过在该驱动电路板两侧粘贴导热硅脂或导热硅胶垫，贴到驱动器金属壳体上下表面，进行热量传递，解决驱动板的散热问题。但是其导热速度慢，当一些场合需要驱动器提供瞬间大电流时会瞬间产生大量热量，但瞬间产生的热量无法快速散发，其散热方式和速度与平时一样。

半导体制冷的原理是帕尔帖效应，当有电流通过不同的导体组成的回路时，自身由于通电会产生焦耳热，同时在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。制冷片有一个特性，在开始启动的前3分钟能快速制冷，如果一旦散热面无法将热量快速散开，那么制冷效果将打折扣。

由于半导体制冷时是强制制冷，其吸热端温度可能会下降至很低，因此吸热端会产生水汽、结露，造成电路板短路、腐蚀等后果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种快速控制工作区域温度的基于半导体制冷技术的快速散热方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种基于半导体制冷技术的快速散热方法，其用于功率芯片的散热，包括：导热元件、隔热垫和散热外壁；功率芯片和散热外壁相对设置，二者之间设置隔热垫；所述隔热垫上设置导热元件，所述导热元件的吸热端通过第一导热垫与功率芯片贴合，所述导热元件的散热端通过第二导热垫与散热外壁贴合；所述导热元件工作时，由吸热端向散热端单向传递热量。

优选的，包括非金属电路板，用于设置所述功率芯片；所述非金属电路板与隔热垫组成包裹功率芯片的内腔。

优选的，包括金属电路板，用于设置所述功率芯片；所述金属电路板与散热外壁间包括隔热结构，所述隔热结构为隔热垫和/或侧壁。

进一步的，所述金属电路板为铝基铜箔电路板，铝基铜箔电路板的铜箔面设置功率芯片。

优选的，所述散热外壁外侧包括散热结构。

优选的，所述第一导热垫和第二导热垫分别为导热硅脂或导热胶垫，所述隔热垫为隔热硅胶或塑料泡沫，所述导热元件为半导体制冷片。

优选的，还包括温度传感器、控制器和报警器，所述温度传感器用于测量功率芯片的温度，所述控制器分别与导热元件、温度传感器和报警器数据连接。

本发明提供一种基于半导体制冷技术的快速散热方法，使用其包括如下步骤：S1，使用隔热垫隔绝散热外壁和功率芯片，功率芯片的热量通过导热元件传递给散热外壁向外界散热；

S2，开启导热元件，吸收功率芯片的热量并传递给散热外壁。

优选的，S2为，S2.1，设定期望温度值T_d，测量功率芯片的实时温度T_a，判定值

S2.2，包括第一界限a和第二界限b两个参考界限，b＞a；

当ΔT小于第一界限a时，导热元件处于启动，将功率芯片的热量吸收并传递给散热外壁；

当ΔT时大于第二界限b，需判定：

当T_a＞T_d时，且T_a在判定时间t内往复的上升、下降，则关闭导热元件并报警，调整期望温度值T_d或增加基于半导体制冷技术的快速散热装置的散热能力；

当T_a＞T_d时，且T_a在判定时间t内持续增加，则关闭导热元件并报警；

当T_a<T_d时，导热元件处于关闭。

进一步的，S2.2中，当持续时间内，ΔT<10％时，采用时间占空比的方法控制导热元件的工作状态，占空比为50～80％。

(三)有益效果

本发明提供一种基于半导体制冷技术的快速散热方法，能够控制散热速度，在功率芯片突然产生大量热量时，可以有效散热，降低功率芯片处的温度，隔热垫防止热量回流保证设备运行，提高设备寿命。当设备为散热较差的密闭空间时，也能保证功率芯片区域的温度较低。且设备结构更紧凑，设计、改造方便。

电路板本身构成内腔，可以简化设备整体结构，减小设备占用空间。内腔可以得到快速散热。

当电路板为金属电路板时，功率芯片的正反两面包括至少两个散热路径，常规时可以通过金属电路板散热，为了快速散热或者降温，保证功率芯片使用，启用半导体制冷片强制向金属外壁转移热量。

铝基电路板结构强度好，质量较轻，散热性优良。散热结构有助于散热外壁快速散热，防止散热外壁集聚存留过多的热量。

导热硅脂或导热胶垫能够良好的对功率芯片、半导体制冷片、散热外壁及金属电路板进行热连接，降低接触面热阻，同时能起到加强结构强度的作用，隔热硅胶或塑料泡沫质量较轻，隔热效果好，可加工性好，结构改造时便于更换更改。临时改造时可人工加工改造。

温度传感器检测实时工作温度，通过控制半导体制冷片工作方式及配合报警器，可以应对多种不同情况，使得装置整体的运行更稳定、能耗更低，能够避免意外事故。

本发明提供一种基于半导体制冷技术的快速散热方法，能够保证功率芯片所在区域的温度处于合适区间，瞬时热量上升时能快速吸收走功率芯片的热量，再由散热外壁向外界散热。

实际温度较低时，无需启动半导体制冷片。当实际温度上升到期望温度值附近的区间时，才启动半导体制冷片，并且配合温度传感器、控制器等，实现了智能控制，控制方便，节约能源，能应对各种突发情况。

控制占空比的方法进一步降低了能耗，且效果与全时开启相差无几。

附图说明

图1为一种基于半导体制冷技术的快速散热装置的结构示意图；

图2为一种基于半导体制冷技术的快速散热装置的主视图示意图；

图3为一种基于半导体制冷技术的快速散热方法与现有方法的散热效果对比图。

【附图标记说明】

1：上导热硅胶垫；2：半导体制冷片；3：隔热垫；4：下导热硅胶垫；5：功率芯片；6：铝基电路板；7：排针；8：侧壁；9：顶壁；10：制冷片电源线。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1、图2所示，铝基电路板6的铜箔面朝上，功率芯片5通过焊接的方式设置于铜箔面上，功率芯片5产生的热量可以通过铝基电路板6的铜箔-铝基电路板6的铝基板-外界这条通路排放散发。铝基电路板6通过侧壁8连接顶壁9，顶壁9为金属材质，即散热外壁。侧壁8为隔热材质，阻止顶壁9和铝基电路板6的热交换。当然侧壁8也可以是金属材质，可以帮助顶壁9散热。此时侧壁8和铝基电路板间设有一层小隔热垫。

铝基电路板6和顶壁9之间有一整张隔热垫3将二者正对的两面之间热隔离，相应的，功率芯片5与顶壁9之间也被隔热垫3隔开。隔热垫3，与侧壁8或者侧壁8使用的小隔热垫组成了隔热结构，防止了铝基电路板6和顶壁9之间的直接热交换。

图中隔热垫3开设一个竖向的通孔，通孔内匹配的安放半导体制冷片2，半导体制冷片2的制冷片电源线10连接到铝基电路板6上。半导体制冷片2通电时的吸热端通过下导热硅胶垫4与功率芯片5的上表面贴合，其通电时的散热端通过上导热硅胶垫1与散热外壁9贴合。

上导热硅胶垫1即第一导热垫，下导热硅胶垫4即第二导热垫，二者可以是软性的导热硅脂、粘性的导热胶垫或者其他类型的降低截面热阻的导热物质。隔热垫3可以是隔热硅胶、塑料泡沫等材质。

半导体制冷片2工作时，功率芯片5的热量经下导热硅胶垫4-半导体制冷片2-上导热硅胶垫1-顶壁9散发至外部空间，半导体制冷片2的传热方向时由吸热端单向的传递给散热端，隔热垫3也防止了顶壁9的热量回流至功率芯片5。除了半导体制冷片2，也可以选择其他类型的导热元件，工作时单向快速吸走功率芯片5的热量即可。

图中顶壁9和铝基电路板6之间还设置了排针7，当铝基电路板6需要连接外电路或其他电路板时，可以使用。多个功率芯片5可以连接到同一个顶壁9。或者双面的铝基电路板，背靠背设置多个本实施例。

铝基电路板6作为设备外壁的一部分，与顶壁9、侧壁8一起构成了设备外部结构，比如微型机器人、轻量化机械臂的电机驱动器，其根据使用环境的不同，造型可以更改。顶壁9还可以包括散热结构，比如翅片，来加快顶壁9向外界散热的速度。

铝基电路板6侧壁8和隔热垫3构成了包裹功率芯片5的内腔，内腔的温度在半导体制冷片2的作用下能保证功率芯片5的正常工作。顶壁9可以临时存留突然增多的热量，再慢慢向环境中释放。

内腔可以是带有开口的，外界对流风可以吹扫功率芯片5，也可以是密闭的。

功率芯片5上设置有温度传感器。控制器可以设置在铝基电路板6上，也可以设置在远端，报警器优选的设置在远端。控制器分别与半导体制冷片2、温度传感器和报警器数据连接。

实施例2

电路板可以是环氧树脂类非金属电路板，非金属电路板和隔热垫组成包裹功率芯片5的内腔，此时功率芯片5的散热除了接触空气的散热外，主要通过半导体制冷片2向顶壁9散热。

实施例3

如实施例1，铝基电路板6的底面也贴合一个导热元件的吸热端。

实施例4

外壁9包括热隔离的内外两层，内外两层之间也设置一个导热元件，导热方向为内层向外层，隔热垫3设置在内层与功率元件5之间。

半导体制冷片2的散热端贴合外壁9的内层，外壁9的内层主要用于临时存储突然增大的热量，这些热量传递给外层后，再由外层散发至外部环境。

实施例5

如实施例1，功率芯片5焊接在铝基电路板6上，半导体制冷片2通过下导热硅胶垫4与功率芯片5的上表面贴合，制冷片电源线10也与铝基电路板6连接。铝基电路板6上设置保护层，保护层覆盖所有的电路部分，且露出半导体制冷片2的散热面。保护层的材料可以是防水防腐的树脂。

当内腔为密闭结构时，也可以将半导体制冷片2与隔热垫3的通孔密封连接，内腔内抽真空或填充惰性气体。

实施例6

使用实施例1，S1，使用隔热垫3隔绝散热顶壁9和功率芯片5，功率芯片5的热量通过半导体制冷片2传递给顶壁壁9向外界散热；

此时半导体制冷片2可以不工作，通过热传导散热。

S2，开启半导体制冷片2，吸收功率芯片5的热量并传递给顶壁9。

此时主要利用帕尔帖效应，快速吸收功率芯片5的热量并传递出去。

实施例7

如实施例6的方法，其中S2细化为：

S2.1，设定期望温度值T_d，测量功率芯片5的实时温度T_a，判定值

期望温度值的含义在于功率芯片5可以良好的工作，其具体取值根据工况和多次试验调整。

S2.2，当ΔT<10％时，半导体制冷片2处于启动，将功率芯片5的热量吸收并传递给顶壁9；

此时意味着功率芯片5的温度上升至期望温度值附近，因此需要散热，以防继续上升，

当ΔT＞25％时，需判定：

当T_a＞T_d时，且T_a在判定时间t内一会上升，一会下降，则关闭半导体制冷片2并报警，调整期望温度值T_d或增加基于半导体制冷技术的快速散热装置的散热能力；

一般0.5秒取一次温度值。可以大概估计为20秒即100个数分析就能做判断，本实施例实验功率为150W，功率小时间会变长，功率大时间会变短。如果是20W或400W可以分别取5秒或60秒。

此时可能是期望温度值T_d设定不合理，或者散热结构性能计算失误，需要改造，如隔热垫3再开通孔，加装半导体制冷片2，或者在顶壁9之外加风扇，或者采用多层半导体制冷片2逐级吸热等结构。在满足使用前提下，散热能力强则期望温度值T_d可以设置的低些，反之则较高。

当T_a＞T_d时，且T_a在判定时间t内持续增加，则关闭半导体制冷片2并启动报警器，检修隔热垫3；

此时可能是隔热垫3失效，大量热量倒灌需要检修。

当T_a<T_d时，半导体制冷片2处于关闭。

此时可能是因为刚启动，或者散热后功率芯片5的热量已经降低，此时不必要开启半导体制冷片2，以降低功耗。

以上的判定值ΔT的第一界限a和第二界限b是按百分比取值的，实际也可以固定值取值，比如第一界限a为8摄氏度或10摄氏度；第二界限b为25摄氏度或30摄氏度，二者的选取也可以试验调整。

S2.2中，当持续时间内，ΔT<10％时，说明功率芯片5持续工作散热，需要一直开启半导体制冷片2散热，此时可以采用时间占空比的方法控制半导体制冷片2的工作状态，占空比为50～80％。

参考图3，设定期望值40度，当不加装半导体制冷片2时，开启功率芯片5或者突然加大功率芯片5的使用强度后，温度传感器测得的温度从室温在10秒内上升到了90度，随着热量散发，稳定在85度左右，ΔT近100％；

当加装半导体制冷片2时，前五秒内功率芯片5所在的工作区温度会瞬间下降，维持一个较低的温度，随着吸热端和散热端达到最大温差，转移热量的功率稳定，温度传感器测得的温度也开始上升，最终稳定在55度左右，主要是因为顶壁9作为散热外壁，其积蓄的热量过多，向外界散热能力到达极限，因此工作区温度升到一个均衡值后不再变化，ΔT＞25％，且往复的上升下降波动；

当使用占空比方法控制半导体制冷片2后，如120秒内，通电75秒，断电45秒，占空比为62.5％，工作区初期温度稳步上升，当通电后，温度下降，然后断电后，温度又会上升。通过这种方法分配、协调顶壁9与工作区的热量分配，同时控制自身发出的工作热量，使工作区温度在40度附近波动，ΔT基本在10％内。

上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于半导体制冷技术的快速散热装置，其特征在于，其用于功率芯片(5)的散热，包括：导热元件(2)、隔热垫(3)和散热外壁(9)；

功率芯片(5)和散热外壁(9)相对设置，二者之间设置隔热垫(3)；

所述隔热垫(3)上设置导热元件(2)，所述导热元件(2)的吸热端通过第一导热垫(1)与功率芯片(5)贴合，所述导热元件(2)的散热端通过第二导热垫(4)与散热外壁(9)贴合；

所述导热元件(2)工作时，由吸热端向散热端单向传递热量。

2.如权利要求1所述的基于半导体制冷技术的快速散热装置，其特征在于：包括非金属电路板，用于设置所述功率芯片(5)；所述非金属电路板与隔热垫(3)组成包裹功率芯片(5)的内腔。

3.如权利要求1所述的基于半导体制冷技术的快速散热装置，其特征在于：包括金属电路板，用于设置所述功率芯片(5)；

所述金属电路板与散热外壁(9)间包括隔热结构，所述隔热结构为隔热垫(3)和/或侧壁(8)。

4.如权利要求3所述的基于半导体制冷技术的快速散热装置，其特征在于：所述金属电路板为铝基铜箔电路板，铝基铜箔电路板的铜箔面设置功率芯片(5)。

5.如权利要求1所述的基于半导体制冷技术的快速散热装置，其特征在于：所述散热外壁(9)外侧包括散热结构。

6.如权利要求1所述的基于半导体制冷技术的快速散热装置，其特征在于：所述第一导热垫(1)和第二导热垫(4)分别为导热硅脂或导热胶垫，所述隔热垫(3)为隔热硅胶或塑料泡沫，所述导热元件为半导体制冷片(2)。

7.如权利要求1所述的基于半导体制冷技术的快速散热装置，其特征在于：还包括温度传感器、控制器和报警器，所述温度传感器用于测量功率芯片(5)的温度，所述控制器分别与导热元件(2)、温度传感器和报警器数据连接。

8.一种基于半导体制冷技术的快速散热方法，其特征在于，使用其包括如下步骤：S1，使用隔热垫(3)隔绝散热外壁(9)和功率芯片(5)，功率芯片(5)的热量通过导热元件(2)传递给散热外壁(9)向外界散热；

S2，开启导热元件(2)，吸收功率芯片(5)的热量并传递给散热外壁(9)；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1，设定期望温度值T_d，测量功率芯片(5)的实时温度T_a，判定值

S2.2，包括第一界限a和第二界限b两个参考界限，b＞a；

当ΔT小于第一界限a时，导热元件(2)处于启动，将功率芯片(5)的热量吸收并传递给散热外壁(9)；

当ΔT大于第二界限b时，需判定：

当T_a＞T_d时，且T_a在判定时间t内往复的上升、下降，则关闭导热元件(2)并报警，调整期望温度值T_d或增加基于半导体制冷技术的快速散热装置的散热能力；

当T_a＞T_d时，且T_a在判定时间t内持续增加，则关闭导热元件(2)并报警；

当T_a＜T_d时，导热元件(2)处于关闭。

9.如权利要求8所述的半导体制冷技术的快速散热方法，其特征在于：S2.2中，当持续时间内，ΔT＜10％时，采用时间占空比的方法控制导热元件(2)的工作状态，占空比为50～80％。