CN108667348A - 堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器 - Google Patents

堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器 Download PDF

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CN108667348A CN201810471016.9A CN201810471016A CN108667348A CN 108667348 A CN108667348 A CN 108667348A CN 201810471016 A CN201810471016 A CN 201810471016A CN 108667348 A CN108667348 A CN 108667348A
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柯志甫
甘育麟
方培森
蔡吴缺
单鸣雷
高远
白建波
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Abstract

本发明公开了一种堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，包括：半导体温差发电单元、电能收集存储单元、辅助电源、判断放电单元、流体流速调节单元和冷却流体散热单元，利用电能收集存储单元存储半导体温差发电单元产生的电能，与辅助电源同时供电，持续稳定供电；采用液相流体与气相流体相结合的散热方式，散热器与半导体温差发电单元贴合，散热翅片贴合在散热器上，提高热源热量的传导速度，达到更好的散热效果；半导体温差发电单元与冷却流体散热单元形成垂直堆叠结构，二者通过流体管道级联连接，适用于发热器件处于宽敞空间的场合；实现低成本散热，解决半导体发电不稳定、不连续导致的供电不连续的技术问题。

Description

堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器
技术领域
本发明属于半导体温差发电的散热装置领域，具体涉及一种堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器。
背景技术
工业全球化带来了环境和能源危机，人们开始寻求绿色环保的能源技术，全人类逐渐建立了高效利用电能的节能减排理念。来自生产和生活环节产生的大量余热已经成为一个潜在电能宝库。根据电能贬值原理，电能品质较低的热能无法自发转化为高品质电能，因而余热很难有效地利用而直接释放。随着半导体及其相关材料技术的深入研究，人们开始关注半导体温差发电技术在余热、废热回收利用的价值。
传统的功率电子器件散热器一般采用热传导性能较好的材料然后借助热辐射、自然对流等方式进行散热，但是这种方式散热效率低，一旦热源的散热功率增大，便不能满足热源的散热需求，或者采用风扇强制性带走热量，这种散热方式较于前者散热效率有所提升，但需要消耗大量电能，成本高，节能减排效果较差。在专利CN201510203633.7中，将半导体材料的冷端与大功率电子器件的热端相连，半导体材料的热端与液冷散热装置相连，但是需要给制冷片提供电能，导致成本增加。在专利CN201410016216.7中，采用半导体温差发电技术，获得的电能用来驱动风扇对投影仪进行散热，但未解决半导体发电存在不稳定、不连续以及导致的供电不连续的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够将热源的热能转化为电能，实现更好散热效果的低能耗散热装置，提出一种堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，实现低成本散热，解决半导体发电不稳定、不连续导致的供电不连续的技术问题。
本发明采用如下技术方案，一种堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，包括半导体温差发电单元、电能收集存储单元、辅助电源、判断放电单元、流体流速调节单元和冷却流体散热单元，其中，
半导体温差发电单元，用于将热源的热能转化为电能，将电能传递到电能收集存储单元；
电能收集存储单元，用于将电能通过储能后为冷却流体散热单元和流体流速调节单元提供工作电压；
辅助电源，用于电能收集存储单元发电不足时，为冷却流体散热单元和流体流速调节单元提供工作电压；
判断放电单元，与电能收集存储单元和辅助电源相连，用于选择电能的输出方式，当电能收集存储单元的输出电压小于辅助电源输出电压时，利用辅助电源供电；当电能收集存储单元的输出电压大于辅助电源输出电压时，利用电能收集存储单元供电；
流体流速调节单元，与判断放电单元相连，用于调整冷却流体散热单元的散热速度和电能消耗；
冷却流体散热单元，与流体流速调节单元相连，包括液相流体散热装置和气相流体散热装置，液相流体散热装置包括液相流体管道和散热器，散热器与半导体温差发电单元贴合，用于为半导体温差发电单元散热，气相流体散热装置包括散热翅片，散热翅片贴合在散热器上，用于为液相流体散热装置散热，液相流体管道分别设置在散热器和散热翅片中。
优选地，半导体温差发电单元采用夹层结构的热电效应发生装置，半导体温差发电单元的吸热端贴合热源，放热端贴合冷却流体散热单元。该结构很大程度增大了半导体温差发电两面的温差，从而提高发电效率。
优选地，液相流体散热装置包括散热器、液相流体管道、储液箱和液泵，位于储液箱中的冷却液由液泵输送到液相流体管道，由散热器中与半导体温差发电单元进行对流换热，吸收半导体温差发热单元的热量。
优选地，气相流体散热装置包括散热翅片和散热风扇，散热翅片贴合散热器上表面，散热风扇带动空气对散热翅片进行强制对流换热，对散热器进行散热。
优选地，电能收集存储单元包括充放电保护模块和储能模块，其中，
充放电保护模块用于对半导体温差发电单元得到的电压进行升压；
储能模块采用超级电容，与充放电保护模块相连，用于保持工作电压稳定。
优选地，流体流速调节单元包括温度检测器、微控制单元(Micro Control Unit，MCU)、液相散热驱动和气相散热驱动，温度检测器用于实时检测热源温度，并将温度数据传输给MCU，MCU根据温度数据输出占空比不同的PWM波形到散热驱动中，控制冷却流体散热单元散热速度，即通过控制PWM波形的占空比控制液冷却流体散热单元中电机的电压调节电机转速。
发明所达到的有益效果：本发明是一种堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，实现低成本散热，解决半导体发电不稳定、不连续导致的供电不连续的技术问题。本发明利用根据塞贝克效应、汤姆逊效应，半导体温差发电单元的两面产生温度差从而将热能转化成电能，并且热电能的转换过程会增强散热效果；采用储能电路能将产生的电能存储起来为其他部件供电，发电不足的时候采用外部辅助电源供电，达到供电持续稳定的效果，同时有效地利用了热能，节约了电能，节能减排效果较好；采用液相流体与气相流体相结合的散热方式，和单相流体散热相比，增强热源热量的传导，散热效果更佳。
附图说明
图1是本发明的系统整体功能框图；
图2是本发明的堆叠式结构示意图；
图3是本发明实施例中发热面的俯视图；
图4是本发明实施例中的散热器的整体图；
图5是本发明实施例中的散热器的左视图；
图6是本发明实施例中的散热器的主视图；
图7是本发明实施例中的散热翅片的整体图；
图8是本发明实施例中的散热翅片的俯视图；
图9是本发明实施例中的散热翅片的左视图；
图10是本发明实施例中的散热翅片的主视图；
图11是本发明实施例中的供电选择过程框图；
图12是本发明实施例中的电能收集存储单元电路图；
图13是本发明实施例中的辅助电源电路图；
图14是本发明实施例中的放电判断单元电路图；
图15是本发明实施例中Vs电源电路图；
图16是本发明实施例中的流体流速调节单元流程图；
图17是本发明的温度检测器电路图；
图18是本发明的PWM程序流程图；
图19是本发明的电机调控示意图；
图20是本发明的工作流程图。
附图标记：1-散热风扇，2-散热翅片，3-散热器，4-半导体温差发电片，5-热源，6-电能收集存储单元，7-判断放电单元，8-流体流速调节单元，9-温度检测器，10-储液箱，11-液泵。
具体实施方式
下面根据附图并结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
图1是本发明的系统整体功能框图，根据图1，设计出本发明的堆叠式结构示意图如图2所示。
一种堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，包括半导体温差发电单元、电能收集存储单元6、辅助电源、判断放电单元7、流体流速调节单元和冷却流体散热单元，其中，
半导体温差发电单元，用于将热源的热能转化为电能，将电能传递到电能收集存储单元6；
电能收集存储单元6，用于将电能通过储能后为冷却流体散热单元和流体流速调节单元提供工作电压；
辅助电源，用于电能收集存储单元6发电不足时，为冷却流体散热单元和流体流速调节单元提供工作电压；
判断放电单元7，与电能收集存储单元6和辅助电源相连，用于选择电能的输出方式，当电能收集存储单元6的输出电压小于辅助电源输出电压时，利用辅助电源供电；当电能收集存储单元6的输出电压大于辅助电源输出电压时，利用电能收集存储单元6供电；
流体流速调节单元8，与判断放电单元7相连，用于调整冷却流体散热单元的散热速度和电能消耗；
冷却流体散热单元，与流体流速调节单元相连，包括液相流体散热装置和气相流体散热装置，液相流体散热装置中设置液相流体管道和散热器3，散热器3与半导体温差发电单元贴合，用于为半导体温差发电单元散热，气相流体散热装置中设置散热翅片2，散热翅片2贴合在散热器3上，用于为液相流体散热装置散热，液相流体管道分别设置在散热器3和散热翅片2中。
作为一种较佳的实施例，半导体温差发电单元采用夹层结构的热电效应发生装置，即半导体温差发电片4，半导体温差发电单元的吸热端贴合热源5，放热端贴合冷却流体散热单元。
作为一种较佳的实施例，液相流体散热装置包括散热器3、液相流体管道、储液箱10和液泵11，位于储液箱10中的冷却液由液泵11输送到液相流体管道，由散热器3中与半导体温差发电单元进行对流换热，吸收半导体温差发热单元的热量。
作为一种较佳的实施例，气相流体散热装置包括散热翅片2和散热风扇1，散热翅片2贴合散热器3上表面，散热风扇1带动空气对散热翅片2进行强制对流换热，对散热器3进行散热。
图3是发热面的俯视图，图4是本发明的散热器3的整体图，图5是本发明的散热器3的左视图，图6是本发明的散热器3的主视图，图7是本发明的散热翅片2的整体图，图8是本发明的散热翅片2的俯视图，图9是本发明的散热翅片2的左视图，图10是本发明的散热翅片2的主视图。
散热过程包含三个原理：传导、对流和辐射。热通量分别为：
传导传热：
对流传热：Φ＝hS1ΔT (2)
辐射传热：Φ＝εS2KT4 (3)
式中，Φ为热通量，λ为导热率，A为导热面积，T为散热器的温度，x为传热路径长度，S1为散热面积，h为对流换热系数，ΔT为壁面温度与流体温度的差值，K为玻耳兹曼常数，S2为辐射表面积，ε为热发射系数。
根据散热原理，若要提高散热器3的散热效率，需要从提高对流换热系数、减小热阻、提高热发射系数等方面考虑。对于金属导体来说，为了增大散热效果，需要提高散热面积，在同样的体积下，增大散热面积会使导体的厚度变薄热阻变大，导致散热效果变差。由式2可知，热通量与对流换热系数、截面积及固体表面与流体的温度差的乘积成正比。由式3可知，物体表面颜色越深、越粗糙，辐射能力越强，散热效果越好。
由于市面上有各种各样规格的散热风扇，因此，针对需要散热的不同设备，本发明设计了散热器3和散热翅片2。本发明只是针对不同的散热器件设计不同的半导体温差发电片4的大小、散热器3和散热翅片2的机械尺寸。
发热单元(如计算机中央处理器、功率场效应管、功率三极管、大功率发光二级管等)的面积A＝a×b，其中a和b分别为发热单元的长度和宽度，半导体温差发电片4吸热端紧贴在发热面上，尺寸与发热面的大小相等，如果针对其他设备散热，如大功率的电路，半导体温差发电片4的大小可以与散热器3大小相等，散热器3紧贴半导体温差发电片4放热端，散热器3可以设计如图4，图5，图6，散热器3的长度、宽度和高度根据实际应用的空间而定，其尺寸大小可以与发热面的尺寸大小不相等，在条件允许下，尽量做大一些，液相流体管道的直径和两个液相流体管道之间的距离设计应该合宜，液相流体管道的直径比两个液相流体管道之间的距离小。散热翅片2设计如图7，图8，图9，图10。散热翅片2基板的长度、宽度和高度根据实际应用的空间而定，基板的长度、宽度的大小可以与散热器3的长度、宽度相等，也可以比散热器3的长度、宽度略大，受到电脑的大小或者其他设备的安装空间限制。为了增加散热效果，尽量在空间满足的条件下提高散热翅片2基板的长度、宽度和高度。散热翅片2基板的高度、翅片厚度和翅片间距按照如下思想设计，为了提高导热率和对流换热系数h，在条件允许的情况下将散热翅片2的高度设计的尽量高，此设计方案的优点是表面积最大化，便于空气对流，有利于散热；节省材料和成本。同时为提高热发射系数ε，散热翅片2和散热器3表面用耐热材料涂成黑色。
作为一种较佳的实施例，图11是本发明的供电选择过程框图。
电能收集存储单元6包括充放电保护模块和储能模块，储能模块和辅助电源同时作为供电系统，用于为流体流速调节单元中的微控制单元(MCU)、温度检测器9和冷却流体散热单元的电机提供稳定的工作电压，而判断放电单元7用于选择储能模块和辅助电源其中之一进行供电。
图12是本发明的电能收集存储单元6电路图。充放电保护模块采用升压式开关电源控制器(如LTC3119、LM2623-Q1、TPS61099、TPS61220、TPS61040等)的经典应用电路对半导体温差发电单元得到的电压进行升压，以TPS61040(U1)为例，VIN端连接半导体温差发电单元的正极，输入电压大小与串联的半导体温差发电片4的数量有关，输入电压范围为1.8V-6V，在设计电路时选用反馈电路的反馈电阻，使输出电压稳定在5V。
储能模块采用超级电容，用于保持工作电压稳定，Vo1为超级电容的输出电压。
图13是辅助电源电路图，采用的是离线式开关电源电路(如DK125、TOP201、TOP202典型应用电路)，本发明以TOP202(U2)为例阐述设计过程，其中U3是光耦，其输入输出参数为：输入电压(85V-220V),输出电压用Vo2表示，其值是5V。
图14是本发明的放电判断单元电路图，Vo1和Vo2通过电压比较器A1，当Vo1的电压大于Vo2的时候，开关管Q3导通，PMOS管Q1的栅极的电压是低电平，所以Q1导通，Vo1作为供电电压，当Vo2大于Vo1时，电压比较器输出低电平，开关管Q3断开，开关管Q4的栅极电压为Vs，此时开关管Q4导通，PMOS管Q2栅极电压为低电平，PMOS管Q2导通，Vo2作为供电电压。
作为一种较佳的实施例，图15是本发明Vs电源电路图。
作为一种较佳的实施例，图16是本发明的流体流速调节单元流程图，流体流速调节单元包括温度检测器9、微控制单元MCU、液相散热驱动和气相散热驱动，温度检测器9采用温度传感器，用于实时检测热源5温度，并将温度数据传输给微控制单元MCU，微控制单元MCU根据温度数据输出占空比不同的PWM到液相散热驱动和气相散热驱动，从而控制气相和液相的散热单元的散热速度，即通过控制PWM的占空比控制气相流体散热装置和液相流体散热装置中电机的电压来调节电机转速。
当热源5温度升高时，微控制单元MCU发送指令给散热驱动，散热驱动冷却流体散热单元工作加快。当热源5温度降低时，微控制单元MCU控制散热风扇1和液泵11的电机减慢转速，维持半导体温差发电单元两端温差，使其持续产生电能。
图17是本发明的温度检测器9电路图，温度检测器9采用PN结温度传感器，(实施例中以MMBT3904为例，图中用T1和T2表示)，将左边的三极管的基极b与集电极c短路，与发射极e组成一个PN结放置在需要散热的散热面和半导体温差发电片之间，用导线引出。采用对管的PN结获得线性函数。PN结在温度变化的时候，导通电流会发生变化，由基尔霍夫电流定律可知流过对面PN结的电流会改变，当左边的PN结电流为IF1时，另一个PN结的电流为IF2，由此获得PN结正向压降之差(VF1-VF2)与温度构成线性函数，VF1-VF2＝(kT/q)×ln(IF1/IF2)。其中VF1是在左边的PN结电流IF1工作下的正向压降，VF2是右边PN结的电流IF2下的正向压降，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，IF1+IF2＝ICS。ICS为恒流源，其电流大小用ICS表示，将图中R13上的电压通过电压跟随器传输到具有ADC模数转换功能的微控制单元MCU接口。
图18是本发明的PWM程序流程图，图19是本发明的电机调控示意图，当发热过高时，需要加快散热速度，因此需要加快流动流体的流速，流动的流速是由直流电机的转速决定。加大直流电机两端的电压可以加快电机的转速。本发明是通过控制PWM波形的占空比，从而控制直流电机的电压来控制电机转速，由MCU输出PWM波形通过如图所示的信号放大电路，再把放大的PWM波形输送到PMOS管上，从而控制其通断。电机电压公式为：V电机＝VCC×D，其中D为占空比，VCC为放电判断单元输出的供电电压，为了提高续流能力，在直流电机并联一个二极管。
图20是本发明的工作流程图，通过按钮打开热源5电源之后，半导体温差发电单元开始产生电能，电能收集储存单元开始收集储存电能，当储能模块的输出电压高于辅助电源电压时，储能模块供电驱动冷却流体散热单元及流体流速调节单元8工作，否则由辅助电源供电驱动冷却流体散热单元及流体流速调节单元8工作，同时温度检测器9检测热源5温度是否过高，若温度过高，控制器MCU调节PWM占空比加快驱动冷却流体散热单元工作，如果温度下降，则降低PWM占空比，降低冷却流体流速，只要发热设备工作，温度检测器时刻检测热源温度，从而达到时刻控制电机的转速。直到发热设备停止工作，关闭电压，散热器停止运行。
本发明针对的散热对象繁多，根据装置的结构不同，可以为计算机中央处理器、功率电子器件或汽车发动机等散热。

Claims (6)

1.一种堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，其特征在于，包括：半导体温差发电单元、电能收集存储单元、辅助电源、判断放电单元、流体流速调节单元和冷却流体散热单元，其中，
半导体温差发电单元，用于将热源的热能转化为电能，将电能传递到电能收集存储单元；
电能收集存储单元，用于将电能通过储能后为冷却流体散热单元和流体流速调节单元提供工作电压；
辅助电源，用于电能收集存储单元发电不足时，为冷却流体散热单元和流体流速调节单元提供工作电压；
判断放电单元，与电能收集存储单元和辅助电源相连，用于选择电能的输出方式，当电能收集存储单元的输出电压小于辅助电源输出电压时，利用辅助电源供电；当电能收集存储单元的输出电压大于辅助电源输出电压时，利用电能收集存储单元供电；
流体流速调节单元，与判断放电单元相连，用于调整冷却流体散热单元的散热速度和电能消耗；
冷却流体散热单元，与流体流速调节单元相连，包括液相流体散热装置和气相流体散热装置，液相流体散热装置包括液相流体管道和散热器，散热器与半导体温差发电单元贴合，用于为半导体温差发电单元散热，气相流体散热装置包括散热翅片，散热翅片贴合在散热器上，用于为液相流体散热装置散热，液相流体管道分别设置在散热器和散热翅片中。
2.根据权利要求1所述的堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，其特征在于，半导体温差发电单元采用夹层结构的热电效应发生装置，半导体温差发电单元的吸热端贴合热源，放热端贴合冷却流体散热单元。
3.根据权利要求1所述的堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，其特征在于，液相流体散热装置包括散热器、液相流体管道、储液箱和液泵，位于储液箱中的冷却液由液泵输送到液相流体管道，在散热器中与半导体温差发电单元进行对流换热，吸收半导体温差发热单元的热量。
4.根据权利要求1所述的堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，其特征在于，气相流体散热装置包括散热翅片和散热风扇，散热翅片贴合散热器上表面，散热风扇带动空气对散热翅片进行强制对流换热，对散热器进行散热。
5.根据权利要求1所述的级联式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，其特征在于，电能收集存储单元包括充放电保护模块和储能模块，其中，
充放电保护模块用于对半导体温差发电单元得到的电压进行升压；
储能模块采用超级电容，与充放电保护模块相连，用于保持工作电压稳定。
6.根据权利要求1所述的堆叠式温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器，其特征在于，流体流速调节单元包括温度检测器、微控制单元MCU、液相散热驱动和气相散热驱动，温度检测器用于实时检测热源温度，并将温度数据传输给微控制单元MCU，微控制单元MCU根据温度数据输出占空比不同的PWM波形到液相散热驱动和气相散热驱动中，控制冷却流体散热单元散热速度。
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