CN1819162A - 晶片式散热模块及其散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种晶片式散热模块及其散热方法，用于降低中央微处理器在运作时的温度，本晶片式散热模块包含金属盖板、第一壳体、热电致冷器、散热元件、第二壳体、第一风扇及第二风扇，通过金属盖板将中央微处理器的热源集中隔绝，再由热电致冷器降低中央微处理器的温度，并将热传导至散热元件，由第一、第二风扇将热散出，利用驱动软件来控制热电致冷器的功率及第一、第二风扇的开关等散热的程序，使得中央微处理器及整体环境得到更佳的工作成效。

Description

晶片式散热模块及其散热方法

【技术领域】

本发明是关于一种晶片式散热模块及其散热方法，尤其是一种具有晶片式热电致冷器(Thermal electric cooler)的散热模块及其散热方法。

【背景技术】

科技越发达，在电子产品内部的元件上的演变是运算速度越来越快速，资料处理量越来越多，但相对的，中央微处理器也产生越来越多的热能，这些热能影响了中央微处理器的工作效率与品质，因此散热一直是研发电子产品过程中不可忽略的课题，近代科技在散热产品上的竞争不可不谓百家争鸣。

习知散热系统主要为一被动式的散热系统，使用导热是数良好的金属或金属合金作为一种热导体，通过在热导体上设置鳍片或是孔洞的方法增加热导体与空气或水等流体的接触面积，以提高热对流的效果，此种被动散热式的系统，在散热鳍片的数量、位置、角度，以及对流的流向上做各种不同的改变，以期求得更好的散热效果，或者是在导体的材质上尝试各种不同的合金比例、复合材料比例，以期取得更佳的导热是数，但是，因为热的传递方式有对流、传导与辐射，在中央微处理器内部，这三种热传递方式会互相干扰，因此使得散热效果打了折扣。

另外，亦有一种以热电致冷器(Thermal Electric Cooler)与发热中央微处理器接触，通过热电致冷器因电流传导效应在半导体晶片两侧产生吸热面与发热面的特性，将吸热面与发热中央微处理器接触，发热面则与散热片(heat sink)、冷却风扇(cooling fan)等接触，达到冷却中央微处理器温度的效果(如中国台湾专利第088203663号所揭示)，这种构造与方法，必须将热电致冷器通以电压电流，才能使半导体晶片的两侧产生温度差达到一面吸热，另一面发热的效果，但是，由于热电致冷器具有温度差的特性，因此发热面的散热元件散热不足时，会影响吸热面的温度，使得热能逆流至吸热面，此外，因温度升降速快，易有结露现象，亦使得热电致冷器使用在中央微处理器散热上具有相当大的改进空间。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种晶片式散热模块，通过金属盖板将中央微处理器完全覆盖，将热集中，避免中央微处理器与外界环境交叉热传递。

本发明的次要目的在于提供一种晶片式散热模块，通过具有内外二层壳壁所组成的壳体，避免与外界交叉热传递。

本发明之另一主要目的在于提供一种晶片式散热模块的散热方法，通过软件控制热电致冷器的功率及风扇的开关来达到最佳化的散热效果。

为了达到上述目的，本发明的晶片式散热模块由一金属盖板、一第一壳体、一热电致冷器(Thermal electric cooler)、一散热元件、一第二壳体、一第一风扇及一第二风扇所组成。

为了让中央微处理器所产生的热源能大部分都传导到热电致冷器，该金属盖板覆盖中央微处理器，并与中央微处理器及热电致冷器接触，该金属盖板具有将中央微处理器所产生的热予以集中的作用，该第一壳体包覆该热电致冷器，该第二壳体包覆该散热元件覆盖在该第一壳体上方，该第一风扇设置于第二壳体上方，该第二风扇设置于第二壳体侧壁上缘，该散热元件与该热电致冷器热接触，该第一壳体与第二壳体具有由内层壳壁与外层壳壁，该内层壳壁与外层壳壁形成气室，该气室具有空气以避免与外界交叉热传递。

本发明晶片式散热模块的散热方法，是主动地以软件控制散热模块的散热效果，通过设定数个状态，该数个状态具有其对应的条件，符合状态条件就会启动对应的运作设定，该运作设定的参数包含控制热电致冷器的输入功率，及控制第一风扇与第二风扇的启动与停止等，改变热电致冷器的输入功率可以得到不同的温度差，第一风扇与第二风扇的启动与停止可以得到不同的对流程度，藉此以控制各种不同的状态条件下的散热效果，为使本发明构造与技术特征能让熟悉此项技术者更加明了，特以实施例配合图式详加说明如后。

【附图说明】

图1是本发明较佳实施例的立体分解图。

图2是本发明较佳实施例的立体组合图。

图3是本发明较佳实施例的部分立体组合图。

图4是本发明较佳实施例的另一立体组合图。

图5为本发明较佳实施例组散热方法的逻辑图。

【实施方式】

请参阅图1至图4，是本发明较佳实施例晶片式散热模块的立体图，实施例中的晶片式散热模块，是用于将一中央微处理器3(CPU)所产生的热散去。

本实施例中的晶片式散热模块主要包含一金属盖板11、一第一壳体12、一热电致冷器13(Thermal electric cooler)、一散热鳍片21、一第二外壳22、一第一风扇23及一第二风扇24所组成。

为了让中央微处理器3所产生的热源能大部分都传导到热电致冷器13，该金属盖11覆盖中央微处理器3，并与中央微处理器3及热电致冷器13接触，该金属盖板11具有将中央微处理器3所产生的热予以集中的作用，该第一壳体12由内外二层壳壁121、122组成，该内层壳壁122与外层壳壁121形成气室123，该气室123具有空气以避免与外界交叉热传递，第一壳体12中央形成一容置空间124贯通上下表面；该热电致冷器13置于该容置空间124上方与金属盖板11热接触。

该第一壳体12为一中空构造，在第一壳体12的容置空间124的下方设一对应金属板11的槽穴以容置该金属盖11，并且整个第一壳体12固定于机板上，将中央微处理器3与金属盖板11整个罩住，以控制中央微处理器3的热往垂直方向传导，提升整个散热效率。

当第一壳体12中央微处理器3与金属盖板11整个罩住时，通过第一壳体12的内层壳壁122与外层壳壁121形成气室123将热电致冷器13包覆于其中；此外，本实施例中在第一壳体12上方，设有一隔板14覆盖于该第一壳体12上方；该隔板14设有一开口141，开口141对应该热电致冷器13的大小，使热电致冷器13可以通过该开口141凸出于该第一壳体12上表面。电热致冷器13上端由该开口141凸出于该第一壳体12上表面。

一第二壳体22与第一壳体12连接，该第二壳体22由内外二层壳壁221、222组成，该内层壳壁222与外层壳壁221形成气室222，该气室223具有空气以避免热传导至外界，第二壳体22中央具有一上下贯穿的通道224，该通道224内可容置该散热鳍片21，以便将电热致冷器13所导出的热进一步降温，该散热鳍片21下端与该热电致冷器13接触。该通道224在第二壳体22上缘形成第一风口225，该第二壳体其中一侧壁上方连接一导管226，导管226有一第二风口227，该第一风口225用以容置安装第一风扇23，该第二风口227用以容置安装第二风扇24；其中，第一风扇23是用以将将散热鳍片21所导散的热加速排出，而第二风扇24则是将冷空气导入，通过空气的对流作用，以增加散热速度。

在本实施例中，该散热鳍片21是一种具有鳍片的散热片(heat sink)，具有高导热是数，为一良好的散热元件，此外，散热元件亦可以是其他具有良好散热功能的热导体，如热导管(heat pipe)等，均为本发明等效之变化。

藉此，当中央微处理器3因运算而产生的热能通过金属盖板11而传导至热电致冷器13，而热电致冷器13内设有一由电流控制的晶片，具有一吸热面131与一散热面132，能一面吸热与一面散热，其中该吸热面131与金属盖板11接触，该散热面132与散热鳍片21接触，热能因热电转换而移至散热面132，再传导至散热鳍片21，冷空气吸入通道224内，第一风扇23则将热空气排出通道224，以加速空气循环，达到使中央微处理器3冷却的效果。

请参阅第5图，本发明晶片式散热模块的一种较佳散热方法是主动地以软件控制散热模块的散热效果，首先以中央微处理器3的运转温度区分出数个状态，如第5图所示，第一状态41设定对应的温度是中央微处理器的运转温度小于15℃(temp＜15℃)，第二状态42设定对应的温度大于等于15℃且小于25℃(15℃≤temp＜25℃)，第三状态43设定对应的温度是大于等于25℃且小于36℃(25℃≤temp＜36℃)，第四状态44设定对应的温度是大于等于36℃且小于41℃(36℃≤temp＜41℃)，第五状态45设定对应的温度是大于41℃且小于69.9℃或等于69.9℃(41℃≤temp≤69.9℃)，第六状态46设定对应的温度是大于70℃(70℃＜temp)，该等状态具有其对应的温度条件，符合状态对应的温度条件就会启动事先设定的运作设定，该运作的设定包含控制热电致冷器的输入功率，及控制第一风扇与第二风扇的启动与停止等，改变热电致冷器的输入功率可以得到对应的温度差，第一风扇与第二风扇的启动与停止可以得到不同的对流程度，藉此以控制各种不同状态条件下的散热效果。

本散热方法中，第一状态41的运作设定包含热电致冷器13停止，第一风扇23、第二风扇24停止；第二状态42的运作设定包含进入准备程序；第三状态43的运作设定包含热电致冷器13以小功率运转(实施例中设定为一半功率)，第一风扇23启动，第二风扇24停止；第四状态44的运作设定则包含热电致冷器13以大功率运转(实施例中设定为全功率)，第一风扇23启动，第二风扇24停止；第五状态45的运作设定包含热电致冷器13以大功率运转(实施例中设定为全功率)，第一风扇23及第二风扇24启动，第六状态46的运作设定则包含热电致冷器13以全功率运转，第一风扇23及第二风扇24启动。

为了要达到主动以软件控制热电致冷器13、第一风扇23及第二风扇24的在对应的状态下正确的运作，本实施例是在金属盖板11与中央微处理器3之间设置一温度感应装置(未图示)，该温度感应装置可以直接侦测中央微处理器运转的温度，并将侦测到的温度值回传给控制软件，控制软件将通过逻辑判断来界定该温度所对应的状态。

其中，状态三43、状态四44与状态五45可以设定为一个运转回圈51，当中央微处理器3的温度由对应状态五45的设定温度(在本实施例中，其对应的温度是大于等于41℃且小于69.9℃或等于69.9℃)区间掉落降低时，控制软件将由状态五45跳至状态三43的运转状态，缘此，状态三43、状态四44与状态五可以成为一个降低噪音的运转回圈51，且具有节省电力、快速降低噪音的效果。

相对于上述状态三、状态四及状态五的运转回圈51，状态一41与状态二42之间、状态二42与状态三43之间、状态五45与状态六46之间的关是则为一种具有可逆性的关是，亦即两个状态可以互为顺序切换。

本发明同时具备提醒警示的效果，可以在任何一个状态，经由软件控制在电脑视窗上显示相关的资讯，让使用者得知所需要的资料，如系统状态、中央微处理器运转温度等等。

在本实施例中，可以在状态一41设有一低温警示系统，在状态六46设有高温警示系统，让使用者可以得知当时的系统状态资讯。

由于本发明散热模块将各个状态区分成有限状态的系统(finite statemachine)，可以通过建立以事件(Event)导向的逻辑流(logic flow)，可以使用如stateflow等软件达到上述主动控制散热模块的操作，达到散热较佳化的控制。

本实施例所揭示的结构与实施方式是为了方便说明本发明，并非用以限制本发明的保护范围。

【主要元件符号说明】

11-金属盖板          12-第一壳体

121，221-外层壳壁    122，222-内层壳壁

123，223-气室        124-容置空间

13-热电致冷器        131-吸热面

132-散热面           14-隔板

141-开口             21-散热鳍片

22-第二壳体          224-通道

225-第一风口         226-导管

227-第二风           23-第一风扇

24-第二风扇          3-中央微处理器

41-状态一            42-状态二

43-状态三            44-状态四

45-状态五            46-状态六

51-运转回圈

Claims (10)

1.一种晶片式散热模块，设置于电路板上的中央微处理器上，包括一金属盖板、一第一壳体、一热电致冷器、一散热元件、一第二壳体、一第一风扇及一第二风扇，其特征在于：该金属盖板覆盖该中央微处理器，并与该中央微处理器热接触，该第一壳体包覆该热电致冷器，该第二壳体包覆该散热元件覆盖在该第一壳体上方，该第一风扇设置于第二壳体上方，该第二风扇设置于第二壳体侧壁上缘，该热电致冷器与该金属盖板热接触，该散热元件与该热电致冷器热接触。

2.如权利要求1所述的晶片式散热模块，其特征在于：该第一壳体与第二壳体分别具有内层壳壁与外层壳壁，该内层壳壁与外层壳壁间形成气室，该气室内具有空气。

3.如权利要求2所述的晶片式散热模块，其特征在于：该第一壳体中央形成一贯通上下表面的容置空间，该容置空间容置该热电致冷器。

4.如权利要求3所述的晶片式散热模块，其特征在于：该散热模块进一步包含一隔板，该隔板中央设有对应该热电致冷器大小的开口，该隔板置于该容置空间上方，使该热电致冷器通过该开口凸出于该第一壳体上表面。

5.如权利要求2所述的晶片式散热模块，其特征在于：该第二壳体中央具有一上下贯穿的容置该散热元件的通道，该通道在第二壳体上方形成第一风口，该第二壳体的一侧壁上方连接一导管，该导管设有一第二风口，该第一风口容置安装第一风扇，该第二风口容置安装第二风扇。

6.如权利要求5所述的晶片式散热模块，其特征在于：于该第一风扇与第二风扇中，其中一风扇是将空气排出该第二壳体，另一风扇是将空气吸入该第二壳体。

7.如权利要求1所述的晶片式散热模块，其特征在于：该散热元件为散热鳍片。

8.如权利要求1所述的晶片式散热模块，其特征在于：该散热元件为一散热管。

9.一种晶片式散热模块的散热方法，该晶片式散热模块具有一热电致冷器、一第一风扇及一第二风扇，用于降低中央微处理器的运转温度，其中，该热电致冷器具有一散热面与一吸热面，热电致冷器的输入功率会得到不同的散热面与吸热面温度差，该第一风扇将空气由散热模块排出至外界，该第二风扇将空气由外界吸入散热模块，其散热方法是以软件控制该热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇的启动停止，以达到较佳的散热效果，其特征在于：该散热方法包含下列步骤：

·以该中央微处理器的运转温度划分数个区间作为状态区分；

·设定各个状态所对应的热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇的开关状态；

·该各个状态中所对应的热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇开关状态的运作设定至少包含：

a.热电致冷器以小功率运转，第一风扇启动，第二风扇停止等运作设定的状态；

b.热电致冷器以大功率运转，第一风扇启动，第二风扇停止等运作设定的状态；

c.热电致冷器以大功率运转，第一风扇及第二风扇启动等运作设定的状态；

d.热电致冷器以全功率运转，第一风扇及第二风扇启动等运作设定的状态；

·由中央微处理器的运转温度判断对应所属的状态以控制热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇的开关状态。

10.一种晶片式散热模块的散热方法，该晶片式散热模块具有一热电致冷器、一第一风扇及一第二风扇，用于降低中央微处理器的运转温度，其中，该热电致冷器具有一散热面与一吸热面，热电致冷器的输入功率会得到不同的散热面与吸热面温度差，该第一风扇将空气由散热模块排出致外界，该第二风扇将空气由外界吸入散热模块，其散热方法是以软件控制该热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇启动停止，以达到较佳的散热效果，其特征在于：该散热方法包含下列步骤：

·以该中央微处理器的运转温度划分数个区间作为状态区分；

·设定各个状态所对应的热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇的开关状态；

·该各个状态中所对应的热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇开关状态的运作设定至少包含：

a.热电致冷器以小功率运转，第一风扇启动，第二风扇停止等运作设定的第一状态；

b.热电致冷器以大功率运转，第一风扇启动，第二风扇停止等运作设定的第二状态；

c.热电致冷器以大功率运转，第一风扇及第二风扇启动等运作设定的第三状态；

·由中央微处理器的运转温度判断对应所属的状态以控制热电致冷器的输入功率及第一风扇、第二风扇的开关状态；

·上述第一状态与第二状态与第三状态成为一个运转回圈，当中央微处理器的运转温度由第三状态所对应的温度区间降低到低于第三状态的温度区间时，运作设定将回到第一状态，并重新判断中央微处理器的运转温度对应所属的状态。

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