惡劣工況下電子器件主動式熱電冷卻系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及到電子器件主動式熱電冷卻技術(shù)，例如激光器、LED和功率器件等對溫度較為敏感的器件；具體地，涉及一種在不同的工作環(huán)境下(尤其在惡劣工作下)基于熱電制冷的節(jié)能的惡劣工況下電子器件主動式熱電冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子工程的發(fā)展，散熱正成為一個越來越受到關(guān)注的問題，隨著集成程度的提升所帶來的功率增大，器件的溫度升高也不可避免，結(jié)果造成了惡劣的環(huán)境。與此同時，對于一些光電子器件，精確的溫度控制至關(guān)重要，它必須在較低的溫度下工作，這對冷卻系統(tǒng)便提出了更高的要求。
[0003]電子器件在工作中產(chǎn)生的熱量會使其工作的可靠性下降，進而會危害整個電子系統(tǒng)的可靠性，也會影響例如處理器的切換速度等。而對于一些特殊的光電子器件，其性能和使用壽命均受溫度的影響，因此，散熱良好對于電子器件的良好高效率的工作是至關(guān)重要的。以電腦的中央處理器為例，隨著越來越多的晶體三極管被嵌合進一個小小的硅晶片上，芯片的溫度升高，這樣就在一個很小的區(qū)域上產(chǎn)生了很高的熱量，它們急需被有效且快速地轉(zhuǎn)移。另外，即便不是高溫下，僅是芯片溫度的快速變化就很有可能會導(dǎo)致芯片的壽命縮短，錯誤甚至完全失效。關(guān)機時，芯片溫度的快速降低還會導(dǎo)致結(jié)露問題，熱蒸汽在芯片冷端冷凝成水露，將會給電子器件帶來嚴重的損壞。更進一步，芯片生產(chǎn)廠家為了節(jié)約成本和保持生產(chǎn)能力不愿意增大芯片的體型，這使得問題更難以解決。
[0004]傳統(tǒng)的被動式散熱技術(shù)，例如已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在電器冷卻中的翅片散熱，熱管散熱和水冷技術(shù)等，已經(jīng)不能滿足散熱需求，尤其是在極端環(huán)境下(很高的環(huán)境溫度)。被動式散熱意味著它們將電子器件產(chǎn)生的熱量用被動組件傳導(dǎo)走，但不是用主動部件來主動輸入冷量，運出熱量，不能像主動式那樣有效的傳熱和加速。而且被動式散熱方法由于是被動散熱，它不能控制溫度，也沒有應(yīng)用電子控件。例如半導(dǎo)體激光器，首先，其散熱面積和容積空間都很小，而高熱流密度的散熱裝置，均不便于集成冷卻，且它通常與其他元件集成，整個設(shè)備的釋放的熱量較高，設(shè)備內(nèi)部環(huán)境通常在20°C -70°C，而在高溫環(huán)境中被動散熱裝置失去制冷功效。另外常規(guī)的壓縮式制冷器系統(tǒng)無法滿足脈沖激光器的及時啟停。其次，有研究結(jié)果表示半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長對溫度的敏感度為0.2-0.5nm/°C。如果蝶式激光器模塊中不采用熱電制冷散熱，當(dāng)環(huán)境溫度從25°C增加到85°C時，其發(fā)射能量減少46%。盡管人們在使用其他散熱材料上做出了努力，但是仍不能滿足冷卻電子器件的要求。
[0005]那么，擁有無噪音，靈活，可靠且由于是主動冷卻而在小溫差下仍具備高效率導(dǎo)熱等優(yōu)點的熱電主動冷卻方式就被認為是很有潛力的電子器件冷卻方式。在環(huán)境溫度已經(jīng)很高的極端情況下，發(fā)熱電子器件與環(huán)境的溫差已經(jīng)很小，被動式制冷方法均會失效，而使用半導(dǎo)體制冷片的熱電主動式冷卻系統(tǒng)仍舊能高效地工作。惡劣工況使得主動式制冷方式的優(yōu)點凸現(xiàn)出來。
[0006]熱電制冷是一種利用半導(dǎo)體熱電片直接將電能變成熱能的主動式制冷方式。熱電片在通直流電后一端吸熱變冷，一端放熱，實際上熱電片利用電能將熱量從冷端運輸?shù)綗岫?。而且熱端的熱量大于冷端吸收的熱量，因其還包括輸入的電能。
[0007]在實際使用主動式熱電制冷方式時，由于電子器件功率的變化仍然會出現(xiàn)溫度的突然降低導(dǎo)致結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。所以主動式冷卻系統(tǒng)需要合適的控制單元。但是專利CN201420538970的激光器冷卻裝置采用液體冷卻與熱電制冷相結(jié)合的裝置，卻缺少對熱電模塊的控制系統(tǒng)，無疑是一大不足。而且，如果使用常規(guī)的溫度控制系統(tǒng)，那么當(dāng)電子器件溫度低于所設(shè)定的溫度時，冷卻系統(tǒng)將對其加熱，這顯然是不合理的。美國專利:US6567262B2開發(fā)出針對CPU冷卻的熱電制冷系統(tǒng)，該專利采用啟動控制的方法將CPU芯片維持在恒定的溫度，該專利在較低的環(huán)境溫度下對芯片進行加熱的方法顯然不可取。專利CN201510015856的控制系統(tǒng)也有同樣的問題。專利CN201210232782.2為生物電泳儀散熱的裝置也同樣使用的常規(guī)的控制系統(tǒng)。
[0008]另一個問題是，對于熱電片熱端所產(chǎn)生的大量熱量，需要使用傳統(tǒng)的被動式散熱方式來解決，這要求其維持合適的熱電片熱端溫度，最優(yōu)地配合好主動式熱電冷卻系統(tǒng)，提高其性能。專利CN201410141231將熱電片嵌入電路板中，但是卻沒有熱端的散熱裝置，是一大缺陷，熱電模塊將不能高效地工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種惡劣工況下電子器件主動式熱電冷卻系統(tǒng)，改進現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的不足，能夠滿足在惡劣工況下對電子器件進行有效的散熱的要求，而且可以實現(xiàn)有效、穩(wěn)定而節(jié)能地控制溫度。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0011 ] 一種惡劣工況下電子器件主動式熱電冷卻系統(tǒng)，包括:熱電模塊組件、溫度控制組件以及被動式散熱組件；其中:
[0012]所述熱電模塊組件的冷端與待冷卻對象的發(fā)熱處連接，所述被動式散熱組件與熱電模塊組件的熱端連接，所述溫度控制組件與熱電模塊組件連接并為熱電模塊組件提供電力。
[0013]優(yōu)選地，所述熱電模塊組件的冷端與待冷卻對象之間和/或熱電模塊組件的熱端與被動式散熱組件之間填充有熱界面材料。
[0014]優(yōu)選地，所述溫度控制組件包括:微處理器、驅(qū)動電源和溫度傳感器；其中:
[0015]所述溫度傳感器設(shè)置于待冷卻對象與熱電模塊組件的冷端之間，用于測試待冷卻對象的溫度；
[0016]所述微處理器與溫度傳感器連接，用于將溫度傳感器的測試溫度與微處理器的預(yù)先設(shè)定溫度進行比較:
[0017]若測試溫度高于設(shè)定溫度，則微處理器控制驅(qū)動電源對熱電模塊組件進行最大制冷量冷卻；
[0018]若測試溫度低于設(shè)定溫度，則微處理器計算出驅(qū)動電源的PID驅(qū)動信號，所述驅(qū)動電源接收PID驅(qū)動信號，并輸出合適直流電壓至熱電模塊組件，控制所述熱電模塊組件工作。
[0019]優(yōu)選地，所述測試溫度低于設(shè)定溫度時，驅(qū)動電源不工作，微處理器通過PID驅(qū)動信號將熱電模塊組件短路，利用熱電模塊組件對待冷卻對象進行自冷卻。
[0020]優(yōu)選地，所述被動式散熱組件采用如下任一種或任多種被動式散熱方式:
[0021]-翅片風(fēng)冷散熱方式；
[0022]-水冷散熱方式；
[0023]-熱管散熱方式。
[0024]優(yōu)選地，所述熱電模塊組件包括至少一個熱電制冷片，多個熱電制冷片之間并聯(lián)或串聯(lián)連接，保證每一個熱電制冷片輸入相同的電壓或電流。
[0025]優(yōu)選地，所述熱電制冷片采用碲化鉍熱電制冷片。
[0026]本發(fā)明提供的惡劣工況下電子器件主動式熱電冷卻系統(tǒng)，所述熱電模塊組件的冷端與待冷卻對象(電子器件)的發(fā)熱處連接，所述被動式散熱組件與所述熱電模塊組件的熱端連接，為其散熱；所述溫度控制組件包括溫度傳感器、微處理器和驅(qū)動電源，所述溫度傳感器放置于待冷卻對象與熱電模塊組件的冷端之間，用于測試待冷卻對象的溫度，并將該溫度傳遞給微處理器，所述微處理器根據(jù)設(shè)定溫度和測試溫度計算合適的驅(qū)動電源的驅(qū)動電壓進而用于驅(qū)動熱電模塊組件。
[0027]本發(fā)明提供的惡劣工況下電子器件主動式熱電冷卻系統(tǒng)，根據(jù)電子器件的發(fā)熱功率不同，可以根據(jù)使用需要自由搭配熱電模塊組件和被動式散熱組件。對于發(fā)熱功率較大的電子器件(待冷卻對象)，宜采用較大的G因子與換熱強度較大的被動式散熱組件(如水冷換熱器)搭配；對于發(fā)熱功率較小的電子器件，宜采用較小的G因子與換熱強度較小的被動式散熱組件搭配。其中，G = A/L，A為熱電模塊的熱電堆橫截面積，L為熱電模塊的熱電堆高度。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明米用主動式冷卻方式，在惡劣工況即電子器件發(fā)熱量大，其與環(huán)境溫度溫差較小時，能夠克服被動式散熱的不足，仍可以有效地散熱，維持器件的低溫。
[0030]2、本發(fā)明使用熱電制冷片制冷，無噪音，靈活而且可靠性高。
[0031]3、本發(fā)明融合最大制冷量冷卻和PID溫控創(chuàng)造性地提供了一種溫度控制系統(tǒng)，可以有效的對器件進行散熱，提高器件的性能，能夠避免由于電子器件運行功率變化導(dǎo)致的結(jié)露現(xiàn)象；而且其系統(tǒng)為單向降溫，克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在設(shè)定溫度高于電子器件溫度時對其加熱的不合理現(xiàn)象；本系統(tǒng)提出自冷卻效應(yīng)，即在設(shè)定溫度大于器件溫度時，將熱電模塊自動短路，利用器件對模塊產(chǎn)生的塞貝克電壓對器件進一步冷卻。
[0032]4、本發(fā)明熱電模塊熱端的被動散熱方式可以有多種，形式比較靈活多變，能適應(yīng)多種不同環(huán)境。
【附圖說明】
[0033]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0034]圖1為本發(fā)明電子器件主動式熱電冷卻系統(tǒng)的示意圖；
[0035]圖2為溫度控制組件的策略圖；
[0036]圖3為三種不同的冷卻系統(tǒng)在電子器件散熱量變化時，電子器件的溫度變化。
[0037]圖中:I為熱電模塊組件，2為電子器件，3為被動式散熱組件，4為溫度控制組件。
【具體實施方式】
[0038]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通