CN110931439A - 一种电子设备散热器 - Google Patents

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李前
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Abstract

一种电子设备散热器,热电制冷器将电子设备的发热芯片的热量传导给导热板,导热板将从热电制冷器传导而来的热量传导给半导体温差发电片,半导体温差发电片将热能转化成电能,半导体温差发电片产生的电能通过发电回路存储在储能锂电池中,储能锂电池中存储的电能通过用电回路供给到热电制冷器。本发明利用温差发电技术将热能转化为电能并将其存储,进而为热电制冷装置供电,实现能量循环利用,智能控制,节能高效,运行稳定,散热良好,无机械运动装置,适用于高集成度电子设备中大功率芯片的散热。

Description

一种电子设备散热器
技术领域
本发明涉及一种电子设备芯片的散热装置,尤其涉及一种利用热电冷却和温差制冷原理的散热器。
背景技术
在电子系统中,芯片是主要发热部件,随着电子元器件的封装越来越小,热流密度急剧增加,如何对电子元器件进行有效的热管理已经成为设计阶段的重要考虑范畴。过去多项研究表明,温度是电子元器件失效的主要原因。目前常见的散热方式主要有:强迫风冷、液冷。强迫风冷一般采用风扇进行冷却,通过对流换热带走器件表面热量,常用于一般电子设备的散热问题中,但不适用于密闭空间内电子设备的冷却,且风扇带来了噪音问题。液冷散热效率高于风冷,但复杂的管路及其密封问题难以应用于精密电子器件内部。热电转换技术是研究热能和电能直接转换的科学,根据所利用的原理可分为温差发电和热电制冷两大分支,其对应的理论原理分别是塞贝克效应和帕尔贴效应。温差发电能直接把热能转换成电能,具有清洁、高效稳定等优点,热电制冷能利用电能实现热量转移,已经在微电子领域取得一定进展。随着节能紧迫性和电子器件散热问题的严峻性,利用热电转换技术制成的制冷和发电系统在微电子领域必有广泛应用。
热电制冷器是一种以半导体材料为基础,可以用作小型热泵的电子元件。热电制冷器不需要一定的工质循环来实现能量转换,没有任何运动部件,虽然制冷量很小,但其灵活性强、简单方便,使用可靠,冷热切换容易,非常适合微型制冷领域。半导体温差发电是利用半导体的独特性质,将热直接转变成为电的一种发电机。半导体温差发电器工作在两个具有温度差的热源之间,半导体在高温热源处吸收热量,在低温热源处放出热量,获得热能,实现热能和电能之间的转换。尽管温差发电效率目前只有约5%~7%,但是对于微功耗的处理器、传感器等小型电器,利用周围环境的热通过热电转换实现自主供电是很好的节能解决方案。将热电制冷和温差发电结合起来,可以实现能量的循环利用。
中国专利号“CN103311196A”公布了一种基于热电制冷器的高密度集成微纳光电子芯片散热装置,该装置包括斯特林发电机、热电制冷器和电源模块,其优点在于:散热效果良好、工作效率高,但其在工作中依旧存在噪音部件,且能量不能存储利用,无法实现智能热管理。
中国专利号“CN102130076 A”公布了一种热电式计算机芯片散热器,其优点在于无机械传动,不产生噪音,克服了一般散热装置的缺点,但无外部电源,一般热电材料制成的温差发电器效率不高,难以向热电制冷器稳定供电,散热效果不佳。
中国专利号“CN108458619A”公布了一种温差发电驱动冷却流体的热电耦合散热器,其优点在于可以将热源产生的热能转化为电能驱动散热装置,实现了能量的循环利用,液相流体和气相流体结合散热,散热良好,但其结构复杂,存在风扇等运动部件,噪音较大,难以应用于高集成度的精密电子器件的散热。
发明内容
本发明提供一种电子设备散热器,利用温差发电技术将热能转化为电能并将其存储,进而为热电制冷装置供电,实现能量循环利用,智能控制,节能高效,运行稳定,散热良好,无机械运动装置,适用于高集成度电子设备中大功率芯片的散热。
为了达到上述目的,本发明提供一种电子设备散热器,包含:
热电制冷器,其吸热端贴合电子设备的发热芯片,放热端贴合导热板,用于将电子设备的发热芯片的热量传导给导热板;
导热板,其贴合热电制冷器的放热端,用于将从热电制冷器传导而来的热量传导给半导体温差发电片;
半导体温差发电片,其接触导热板,用于将热能转化成电能;
储能锂电池,其串联半导体温差发电片,与半导体温差发电片组成发电回路,所述的储能锂电池还串联热电制冷器,与热电制冷器组成用电回路;
所述的发电回路与用电回路并联,半导体温差发电片产生的电能通过发电回路存储在储能锂电池中,储能锂电池中存储的电能通过用电回路供给到热电制冷器。
所述的储能锂电池中包含储能电容。
所述的电子设备散热器还包含:散热肋片,其接触半导体温差发电片。
所述的导热板中设置多个扁平热管,用于减小热电制冷器和半导体温差发电片之间的传热热阻。
所述的发电回路中还串联稳压模块,用于稳定储能锂电池的电压。
所述的用电回路中还串联控制模块,用于控制储能锂电池的电能输出,从而调节热电制冷器的制冷量。
所述的电子设备散热器还包含:温度传感器,其设置在电子设备的发热芯片上,并连接控制模块,所述的温度传感器用于采集电子设备的发热芯片的温度,并将采集的温度发送给控制模块。
本发明原理简单,利用温差发电技术将热能转化为电能并将其存储,进而为热电制冷装置供电,实现能量循环利用。本发明智能控制,节能高效,运行稳定,散热良好,无机械运动装置,适用于高集成度电子设备中大功率芯片的散热。
附图说明
图1是本发明提供的一种电子设备散热器的结构示意图。
图2是热电制冷器的结构示意图。
图3是针状散热肋片的结构示意图。
图4是扁平热管的截面示意图。
具体实施方式
以下根据图1~图4,具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示,本发明提供一种电子设备散热器,包含:热电制冷器5,导热板4,半导体温差发电片3,储能锂电池1,散热肋片2,稳压模块7,控制模块8和温度传感器10。
热电制冷器5安装在芯片11和导热板4之间,半导体温差发电片3安装在导热板4和散热肋片2之间,并通过导线依次串联锂电池1和稳压模块7。锂电池1中包含储能电容6,与热电制冷器5、控制模块8及温度传感器10串联,温度传感器10贴在芯片11上端,将温度传送给控制模块8。热电制冷器电路与半导体温差发电片电路并联。
如图2所示,热电制冷器5采用夹层结构,中间同时使用P型和N型碲化铋材料,多对这样的单体重复排列,安装在两片陶瓷基板之间。热电制冷器5的吸热端贴合热源,放热端贴合导热板4,中间涂导热硅脂以减少接触热阻。
半导体温差发电片3采用新型高效的Bi-Te系温差发电片,尺寸为30mm×30mm×7.5mm。
稳压模块6串联在半导体温差发电片3和储能锂电池1之间,半导体温差发电片3两端的温差难以固定,温差的波动会导致电压的不稳定,通过稳压模块6处理,对储能锂电池1进行充电管理,稳压模块6用于稳定由于温差波动造成的不稳定电压,高效储能。
储能锂电池1中包含储热电容6,为热电制冷器5供电,控制模块8通过温度传感器10实时监测芯片11的温度,智能控制储能锂电池1的电能输出,从而调节热电制冷器5的制冷量,控制芯片11的表面温度,实现智能温控。
如图3所示,散热肋片2置于半导体温差发电片3上端,为增大散热面积,通过仿真计算,采用直径1.5mm,长度10mm,间距3.5mm的细长针状散热结构。
导热板4内部装有多个扁平热管9,扁平热管9的截面如图4所示,可有效减小热电制冷器5和半导体温差发电片3之间的传热热阻,并维持半导体温差发电片3吸热端温度相对稳定。
本装置的工作过程为:芯片11工作发热,温度传感器10检测芯片11的上表面温度,将数据传送给控制模块8,到达一定温度时,控制模块8接通热电制冷器5和储能锂电池1的回路,热电制冷器5开始工作。电流通过电路,将热电制冷器5下端的热量带到上端,通过导热板4,将热量转移到半导体温差发电片3的下端,半导体温差发电片3的上端连接散热肋片2进行散热,当热量聚集,半导体温差发电片3的两端温差达到一定时,半导体温差发电片3自启动将热能转化成电能,储存在储能锂电池1中,用于给热电制冷器5供电。控制模块8通过温度传感器10的监测,调节电源输出的电能,进而调节热电制冷器5两端的制冷量,使芯片11的表面温度可以控制在最佳工作温度范围内,实现整个制冷系统的能量智能循环利用,节约能源。
热电制冷器将芯片产生的热量通过导热板转移到半导体温差发电片下表面,半导体温差发电片将热能转化成电能,通过稳压模块将能量高效储存到储能锂电池中。储能锂电池为热电制冷器供电,温度传感器连接在芯片上,将采集的芯片温度传送给控制模块,控制模块通过判定控制储能锂电池的电能输出,从而调节热电制冷器制冷量,实现制冷的智能调节。
本发明的有益效果在于:通过热电制冷器可以将热量从芯片表面转移到导热板,半导体温差发电片通过导热板和散热肋片的温差将热源的热能转化成电能,进而为热电制冷器供电,形成能量循环。通过储能锂电池中的储能电容和稳压模块,可将多余的热量进行存储。采用温度传感器和控制模块相结合的方式,监控芯片表面温度,控制电压的输出,智能调节热电制冷器的制冷量。本发明节约能源,智能控制,运行稳定,散热良好,无机械运动装置,适用于高集成度电子设备中大功率芯片的散热。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种电子设备散热器,其特征在于,包含:
热电制冷器,其吸热端贴合电子设备的发热芯片,放热端贴合导热板,用于将电子设备的发热芯片的热量传导给导热板;
导热板,其贴合热电制冷器的放热端,用于将从热电制冷器传导而来的热量传导给半导体温差发电片;
半导体温差发电片,其接触导热板,用于将热能转化成电能;
储能锂电池,其串联半导体温差发电片,与半导体温差发电片组成发电回路,所述的储能锂电池还串联热电制冷器,与热电制冷器组成用电回路;
所述的发电回路与用电回路并联,半导体温差发电片产生的电能通过发电回路存储在储能锂电池中,储能锂电池中存储的电能通过用电回路供给到热电制冷器。
2.如权利要求1所述的电子设备散热器,其特征在于,所述的储能锂电池中包含储能电容。
3.如权利要求1所述的电子设备散热器,其特征在于,所述的电子设备散热器还包含:散热肋片,其接触半导体温差发电片。
4.如权利要求1所述的电子设备散热器,其特征在于,所述的导热板中设置多个扁平热管,用于减小热电制冷器和半导体温差发电片之间的传热热阻。
5.如权利要求1所述的电子设备散热器,其特征在于,所述的发电回路中还串联稳压模块,用于稳定储能锂电池的电压。
6.如权利要求1所述的电子设备散热器,其特征在于,所述的用电回路中还串联控制模块,用于控制储能锂电池的电能输出,从而调节热电制冷器的制冷量。
7.如权利要求1所述的电子设备散热器,其特征在于,所述的电子设备散热器还包含:温度传感器,其设置在电子设备的发热芯片上,并连接控制模块,所述的温度传感器用于采集电子设备的发热芯片的温度,并将采集的温度发送给控制模块。
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