CN101470449B - 散热控制***及其散热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散热控制***及其散热控制方法，应用于对一发热元件的冷却控制，其主要通过一热电模块与该发热元件相互接触，并通过一控制模块感测该发热元件温度，从而当该发热元件动作使温度升高至预设的温度上限值时，发出信号令该热电模块冷却该发热元件，相对若该发热元件温度低至预设的温度下限值时，令该热电模块将该发热元件动作所产生的热转换成电能储存，由此，可相对提高发热元件的能源使用效率及散热效率，以延长该发热元件的使用寿命。

Description

散热控制***及其散热控制方法

技术领域

本发明涉及一种散热控制***及其散热控制方法，更详而言之，涉及一种应用于发热元件冷却的散热控制***及其散热控制方法。

背景技术

按一般发光二极管(Light Emitting Diode)的发光机制主要是仰赖半导体P-N接口上电子电洞的结合，通过发光材料激发出光能，然而，并非每对电子电洞的结合皆能让电能完全转换成光能，且以目前发光元件的光电转换效率来看，大约仅有四成可转换成有用的光源，换言之约有六成的电能将变成无法利用的热能释放出来。

由于半导体材料(如：陶瓷材料)普遍具有极佳的保温效果(散热不易)，造成上述的热能将容易累积在内部难以导出，且过度的热量累积将会造成P-N接口材料崩坏，进而致使整体工作效能降低甚至丧失，因此一般半导体主动元件皆需要采用有效的散热设计。

依据不同元件的尺寸和操作功率，需要不同能力的散热模块，如现今常用的气冷式散热模块的结构，其主要是由一导热片、一散热鳍片及一风扇所构成，通过该热导片将热源收集于一载板并传导分散至该散热鳍片，再由该散热鳍片将热源传导至空气中，接续通过该风扇将散热鳍片上所散逸的热空气排出，但是气冷式散热模块仍有相当的缺陷，例如：导热元件使用一段时间后会达到热平衡，且热源(如：发光层)与冷源(冷空气)往往会因机构配置设计而需间隔一段距离，使得热累积的问题仍难以根除，另外风扇若过小，则带动冷空气与散逸热空气的循环效果较差，而若风扇过大，虽或可得到较佳的循环效果，但相对亦会带来高耗电、容积占用及噪音等问题。

基于上述的缺陷，有不同的技术被提出并尝试发展，例如：微导管水冷技术、焦耳-汤森(Joule-Thomson)元件致冷技术、半导体致冷技术等。其中微导管水冷技术及焦耳-汤森元件致冷技术由于目前仍在实验认证阶段且制程困难价昂，故短时间内难以普遍使用而不具备市场经济价值。而半导体致冷技术主要包括有热电致冷、热离子场发射(Field Emission)致冷、标准电子穿隧(Standard Electronics Tunneling)致冷，其中后两者虽效能强大，但亦仍在实验发展阶段而尚未达到实用经济价值，故在此不予以赘述。

在热电致冷技术中的致冷原理主要是依据珀尔帖效应(PeltierEffect)与席贝克效应(Seeback Effect)分别从不同角度解释电流产生温差或是温差产生电流的物理现象，即利用一冷导板及一热导板相互进行热交换，以达到散热的效果，由于热电装置具有体积小、寿命长、无噪音、无须使用冷媒(无环保公害)、可倒立或侧立使用(无方向限制)、极低的维护成本等优点，故目前广为业界所普遍采用，但是其造价依然较气冷式散热模块高，且能源转换效率低(约40～50％)。

所以，如何提供一种利用热电致冷技术，且可同时提高能源使用效率及散热效率，以相对延长发热元件使用寿命的散热控制***及其散热控制方法，实为目前此产业界中亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的一目的在于提供一种可提高能源使用效率的散热控制***及其散热控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种可提高散热效率的散热控制***及其散热控制方法。

本发明的又一目的在于提供一种可增加发热元件使用寿命的散热控制***及其散热控制方法。

本发明的再一目的在于提供一种利用热电装置的致冷原理，同时达到良好散热效能及低耗能目的，以及减少风扇使用以降低噪音及散热模块损坏的散热控制***及其散热控制方法。

为达到上述目的及其它目的，本发明所提供的散热控制***，应用于发热元件的冷却控制，该散热控制***包括；一热电模块，与该发热元件相互接触，用以冷却该发热元件的温度，及将该发热元件的热转换为电能；一电源模块，与该发热元件以及该热电模块电性连接，用以分别供给该发热元件及该热电模块动作所需电能；以及一控制模块，与该发热元件、该热电模块以及该电源模块电性连接，用以感测该发热元件的温度，以对所感测的温度与预设的温度值进行比较程序，从而于该发热元件动作温度高于预设温度值时，令该热电模块冷却该发热元件，相对于该发热元件动作温度低于预设温度值时，令该热电模块将该发热元件动作所产生的热转换成电能。该预设的温度值包含一温度上限值及一温度下限值；该热电模块例如为致冷芯片。

对应上述散热控制***，本发明复提供一种散热控制方法，应用于一发热元件的冷却控制，该散热控制方法包括：预设一温度值，并将该发热元件与一热电模块相互接触，且感测该发热元件的温度；于该发热元件动作温度高于所预设的温度值时，令该热电模块冷却该发热元件；以及于该发热元件动作温度低于所预设的温度值时，令该热电模块将该发热元件动作所产生的热转换成电能。

该散热控制方法进一步包括以下步骤：在步骤1，预设一温度上限值与一温度下限值，并将该热电模块与该发热元件相互接触，再进至步骤2；在步骤2，感测该发热元件的温度，并将该发热元件动作产生的热转换成电能，再进至步骤3；在步骤3，判断该发热元件的动作温度是否到达温度上限值，若是，令该热电模块开始冷却该发热元件，并进至步骤4，若否，则回到步骤2；以及在步骤4判断该发热元件的动作温度是否降低至温度下限值，若是，令该热电模块停止冷却该发热元件，并回到步骤2，若否，则继续冷却该发热元件。

因此，本发明提供一种散热控制***及其散热控制方法，其主要是通过一热电模块与发热元件相互接触，并以一控制模块感测该发热元件温度，通过与所预设的温度值对感测的发热元件温度进行比较程序，从而当该发热元件动作温度升高至预设温度值时，令该热电模块相应地开始冷却该发热元件，相对当该发热元件温度低于预设温度值时，令该热电模块将该发热元件动作产生的热转换成电能储存，而未进行冷却工作，相比于现有技术而言，本申请可相对提高发热元件的能源使用效率及散热效率，以相对延长该发热元件的使用寿命，从而达到上述所有目的。再者，由于本发明中可使发热元件的操作温度在未超过默认值的安全范围时，使热电模块采取温差发电模式，将热转换成可用的电力并储存起来，待发热元件的操作温度达成默认值的警戒温度时，即驱动该热电模块进行降温，以保障发热元件能维持在一定的操作温度，更能使废热回收利用，另外，亦可减少风扇使用、降低噪音等兼具环保节能目的。

附图说明

图1是显示本发明散热控制***的基本架构方块示意图；

图2是显示本发明散热控制***于发热元件的温度大于温度上限值的热流方向示意图；

图3是显示本发明散热控制***于发热元件的温度小于温度下限值的热、电流方向示意图；以及

图4是显示本发明散热控制方法的动作流程图。

主要元件符号说明：

10    发热元件

20    热电模块

30    电源模块

31    供电单元

32    储能单元

40    控制模块

S1～S5步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但并非以任何观点限制本发明的范畴。

参阅图1，为本发明散热控制***试举一较佳实施例的基本架构方块示意图。如图所示，本发明应用于对一发热元件10进行冷却控制，本实施例的散热控制***主要包括：一热电模块20、一电源模块30及一控制模块40。

该发热元件10则可为发光二极管(Light Emitting Diode)模块、大型电子展示面板(Large Electronic Display Panel)、微处理器(Microprocessor)等电子元件，但不以此为限。

该热电模块与该发热元件10的热源相互接触，用以冷却该发热元件的温度，该热电模块20可为一热电致冷芯片(Thermolelectric CoolingModule)，但不以此为限，即任何具有热电致冷(Thermoelectric CoolingEffect)及温差发电(Thermoelectric Power Generating Effect)效应的元件或模块皆可，在实际运用中，本发明的热电模块20至少具有一冷导板(cold plate)及一热导板(hot plate)(图未示)，其中该冷导板紧贴接触该发热元件的热源表面，该热导板则相对设于冷导板的另端与冷空气接触，但该热导板与冷导板的设置对应关系并不限于垂直或水平相对，即任何使该热导板直接朝向冷空气界面的位置或角度皆可。

该电源模块30包括一供电单元31及一储能单元32，其中该供电单元31分别电性连接该发热元件10、该热电模块20以及该控制模块40，用以供给该发电元件10、该热电模块20及控制模块40电能，该储能单元32则用以电性连接该热电模块20，用以储存自该热电模块20所产生的电能。

该控制模块40是与该发热元件10、该热电模块20以及该供电单元31电性连接，用以感测该发热元件10的温度，并预设一温度值，较佳包含一温度上限值与一温度下限值，其中该控制模块40所预设的温度上限值小于会造成发热元件损坏的临界温度值(CriticalTemperature)，以将所感测的该发热元件10的温度分别与温度上限值及温度下限值进行比较程序，从而当该发热元件10动作使温度升高至该温度上限值时，令该供电单元31供给电能予该热电模块20，并使该热电模块20相应地冷却该发热元件10，使热量直接向环境冷空气移出(请参阅图2所示的粗线箭头流向)，通常移去热量是与所供给的电流成正比；相对地，当该发热元件10被该热电模块20冷却，使该发热元件10的温度降低至该温度下限值时，则令该供电单元31切断对该热电模块20的供电，使该热电模块20相应地停止冷却该发热元件10，此时该热电模块20利用温差产生电流的物理现象，将该发热元件10因动作所产生的热转换成电能，再通过该热电模块20与该电源模块30的储能单元32的电性连接，将电能储存于该储能单元32内(请参阅图3所示的粗线箭头流向)，由此让发热元件10所产生的“废热”亦可成为电能的来源，例如：若逢断电时，经储能单元32所独立储存的电能亦可当作紧急照明用；若在供电单元31供电正常且该储能单元32又达到充电饱和状态时，则可将电能收集转为其它用途；再者于该发热元件10起始动作时产生的热量亦可通过该热电模块20转换成电能，从而以相对提高能源使用效率，且使电源模块30耗电程度可有效控制。

另外该热电模块20中冷导板及热导板的温差复可通过该控制模块40加以监控，避免通过热电模块20电流大于容许值时而无法再提供致冷功效，同时亦可由该热电模块20中冷导板及热导板的温差计算所产生电流。

同时配合参阅图4，其是用以说明本发明散热控制方法的动作流程图，主要即预设一温度值，并将该发热元件与一热电模块相互接触，且感测该发热元件的温度；于该发热元件动作温度高于所预设的温度值时，令该热电模块冷却该发热元件；以及于该发热元件动作温度低于所预设的温度值时，令该热电模块将该发热元件动作所产生的热转换成电能。

如图所示，在步骤S1，在控制模块40中预设一温度上限值与一温度下限值，其中该温度上限值小于会造成发热元件10损坏的临界温度值(Critical Temperature)，并将热电模块20与该发热元件10相互接触，接着进至步骤S2。

在步骤S2，在该发热元件10开始动作生热时，由控制模块40感测该发热元件10的温度，并令该热电模块20将该发热元件10起始动作的温差转换成电能储存至储能单元32，接着进至步骤S3。

在步骤S3，通过一比较判断程序，判断该发热元件10的动作温度是否大于温度上限值，若是，进至步骤S4，若否，则重复步骤S2。

在步骤S4，当该发热元件10的动作温度大于温度上限值时，由该控制模块40发出一第一温度信号令该供电单元31驱动该热电模块20相应地开始冷却该发热元件10，接着进至步骤S5。

在步骤S5，是通过一比较判断程序，判断该发热元件10的动作温度是否小于温度下限值，若是，进至步骤S6，若否，则重复步骤S5。

在步骤S6，当该发热元件10温度降低至该温度下限值时，由该控制模块40感测一第二温度信号令该热电模块20相应地停止冷却该发热元件10，并令该发热元件10因动作所产生的热转换成电能储存于储能单元32，接着回到步骤S2。

由于该控制模块40与该热电模块20之间为回授控制，故可相对修正该控制模块40撷取第一温度信号与第二温度信号的频率响应，以确保该发热元件10的温度趋近于该温度上限值与温度下限值的区间内的安全操作温度，从而藉以达到良好的散热效率，另外由于热电模块20无须一直处于驱动状态，故可相对延长该热电模块20使用寿命。

综上所述，本发明提供一种散热控制***及其散热控制方法，其主要是通过一热电模块与发热元件相互接触，并以一控制模块感测该发热元件温度，通过与所预设的温度值对感测的发热元件温度进行比较程序，从而当该发热元件动作温度升高至预设温度值时，令该热电模块相应地开始冷却该发热元件，相对当该发热元件温度低于预设温度值时，令该热电模块将该发热元件动作产生的热转换成电能储存，而未进行冷却工作，相比于现有技术而言，本申请可相对提高发热元件的能源使用效率及散热效率，以相对延长该发热元件的使用寿命。

再者，由于本发明中可使发热元件的操作温度在未超过默认值的安全范围时，使热电模块采取温差发电模式，将热转换成可用的电力并储存起来，待发热元件的操作温度达成默认值的警戒温度时，即驱动该热电模块进行降温，以保障发热元件能维持在一定的操作温度，更能使废热回收利用，另外，亦可减少风扇使用、降低噪音等兼具环保节能目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应以权利要求书的范围为依据。

Claims (21)

1.一种散热控制***，用于发热元件的冷却控制，该散热控制***包括：

热电模块，与该发热元件相互接触，该热电模块具有热电致冷及温差发电效应，用以冷却该发热元件的温度，及将该发热元件的热转换为电能；

电源模块，与该发热元件以及该热电模块电性连接，用以供给该发热元件及该热电模块动作所需电能；以及

控制模块，与该发热元件、该热电模块以及该电源模块电性连接，用以感测该发热元件的温度，以对所感测的温度与预设的温度值进行比较程序，从而于该发热元件动作温度高于预设温度值时，令该热电模块冷却该发热元件，相对于该发热元件动作温度低于预设温度值时，令该热电模块将该发热元件动作所产生的热转换成电能。

2.根据权利要求1所述的散热控制***，其中，该预设温度值包含一温度上限值及一温度下限值。

3.根据权利要求1所述的散热控制***，其中，该温度上限值小于发热元件的临界温度值。

4.根据权利要求1所述的散热控制***，其中，该电源模块还包括：

供电单元，电性连接该发热元件、该热电模块以及该控制模块，用以供给电能；以及

储能单元，电性连接该热电模块，用以储存自热电模块所产生的电能。

5.根据权利要求1所述的散热控制***，其中，该控制模块对该热电模块的比较程序为回授比较。

6.根据权利要求1所述的散热控制***，其中，该热电模块为一热电致冷芯片模块。

7.根据权利要求1所述的散热控制***，其中，该发热元件选择为一发光二极管模块、大型电子展示面板、及微处理器。

8.根据权利要求1所述的散热控制***，其中，该热电模块至少具有一冷导板及一热导板，该冷导板接触该发热元件的热源表面，该热导板则相对设于冷导板的另端与冷空气接触。

9.根据权利要求8所述的散热控制***，其中，该热电模块中冷导板及热导板的温差还通过该控制模块加以监控。

10.一种散热控制方法，是以一热电模块冷却控制发热元件，该散热控制方法包括：

预设一温度值，并将该发热元件与一热电模块相互接触，该热电模块具有热电致冷及温差发电效应，且感测该发热元件的温度；

于该发热元件动作温度高于所预设的温度值时，令该热电模块冷却该发热元件；以及

于该发热元件动作温度低于所预设的温度值时，令该热电模块将该发热元件动作所产生的热转换成电能。

11.根据权利要求10所述的散热控制方法，其中，该预设温度值包含一温度上限值及一温度下限值。

12.根据权利要求11所述的散热控制方法，其中，该温度上限值小于发热元件的临界温度值。

13.根据权利要求10所述的散热控制方法，其中，该热电模块为致冷芯片模块。

14.根据权利要求10所述的散热控制方法，其中，该发热元件选择为发光二极管模块、大型电子展示面板、以及微处理器。

15.根据权利要求10所述的散热控制方法，其中，该发热元件及该热电模块连接至一电源模块，以供给该发热元件及该热电模块动作所需电能。

16.根据权利要求15所述的散热控制方法，其中，该发热元件、该热电模块及该电源模块连接至一控制模块，该控制模块用以感测该发热元件的温度，以对所感测的温度与预设的温度值进行比较程序，从而于该发热元件动作温度大于预设温度值时，令该电源模块供给电能予该热电模块冷却该发热元件，相对于该发热元件温度低于预设温度值时，令该热电模块将该发热元件动作所产生的热转换成电能储存至该电源模块内。

17.根据权利要求16所述的散热控制方法，其中，该控制模块对该热电模块的比较程序为回授比较。

18.根据权利要求16所述的散热控制方法，其中，该电源模块还包括：

供电单元，电性连接该发热元件、该热电模块以及该控制模块，用以供给电能；以及

储能单元，电性连接该热电模块，用以储存自热电模块所产生的电能。

19.根据权利要求16所述的散热控制方法，其中，该热电模块至少具有一冷导板及一热导板，该冷导板接触该发热元件的热源表面，该热导板则相对设于冷导板的另端与冷空气接触。

20.根据权利要求19所述的散热控制方法，其中，该热电模块中冷导板及热导板的温差还通过该控制模块加以监控。

21.根据权利要求10所述的散热控制方法，进一步包括以下步骤：

(1)预设一温度上限值与一温度下限值，并将该热电模块与该发热元件相互接触，再进至步骤(2)；

(2)感测该发热元件的温度，并将该发热元件动作产生的热转换成电能，再进至步骤(3)；

(3)判断该发热元件的动作温度是否到达温度上限值，若是，令该热电模块冷却该发热元件，并进至步骤(4)，若否，则回到步骤(2)；以及

(4)判断该发热元件的动作温度是否降低至温度下限值，若是，令该热电模块停止冷却该发热元件，并回到步骤(2)，若否，则继续冷却该发热元件。

Images