CN205694034U - 电子设备用自发热式电散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电子设备用自发热式电散热器，包括热管、热管蒸发端基板、热管冷凝端基板和风扇，热管安装于热管蒸发端基板和热管冷凝端基板之间，热管蒸发端基板和热管冷凝端基板均安装有散热翅片，热管蒸发端基板上的散热翅片与热管冷凝端基板上的散热翅片呈交错布置，热管蒸发端基板连接有温差发电片，温差发电片通过热延伸块与电子设备连接，热管冷凝端基板上镶嵌有制冷片，制冷片电连接有控制器，控制器分别与温差发电片和风扇电连接。本实用新型能有效加快散热量和降低制冷片冷端温度，同时制冷片能有效避免热桥现象，提高散热效果，安装方便且散热效果显著。

Description

电子设备用自发热式电散热器

技术领域

本实用新型属于电子设备技术领域，涉及一种电子器件用散热装置，具体地说，涉及一种能够自发驱动并准确降温的电散热器。

背景技术

随着封装电子技术的快速发展，各种电子器件产品(例如：CPU、LED、传感器等)呈现出小型化、集成一体化的发展趋势，致使电子器件的热流密度越来越大。电子器件正常工作的可靠性对温度十分敏感，研究表明，超过55％的电子器件损坏都是由于温度变化引起的，同时，电子器件材料每升高10℃，电子器件的可靠性就降低2％。由此可见，电子器件对工作温度的要求十分严格。由于人们对电子器件商品的需求越来越大，高热流器件的发展增加了电子器件因温度过高而损耗的概率，进一步导致电子器件产品不能有效工作。目前，电子器件广泛应用于汽车、航天、军事等各个领域，因此，必须考虑电子器件的热设计方面要求以保障电子器件的正常工作。

国内外的电子器件散热器多为风冷散热器和水冷散热器，也有一些将制冷片与水冷、风冷有机结合的散热装置，具有很好的散热效果。但是，上述电子器件散热器为主动式散热方式，需要外界能量驱动，且向外界排出大量的热量，既造成热量的二次浪费，又可能产生热污染。此外，由于散热能力有限，对于一些热流密度过大的电子器件无法满足散热要求。

自发热式散热技术是利用电子器件本身的热能转换成电能，电能驱动撒热装置工作，具有反应快、节能环保以及温控效果能力强的优点。自发热式电散热器技术将温差发电片和电子器件发热源相连接，在温差发电片的两端形成温差，发电片从热端吸收热量后发电储存或者再供给散热装置。利用这种技术对电子器件散热时，由于能量来源于电子器件本身，一方面带走高温电子器件的热能而实现降温，另一方面从能量的角度来看，热能转换为电能，减小了因热量释放到大气中的热污染，对节能减排事业起到了积极的推动作用。

现有的自发热式散热器，由于温差发电片和电子器件直接接触将热能转换为电能，会形成热桥现象降低发电效率，且散热时仅采用热管或者翅片，在散热过程需要消耗外在的能量，散热效果不显著。

授权公告号为CN 203014716 U的中国实用新型专利公开了一种高热流密度器件废热发电装置，包括高热流密度发热器件1、均热板2、温差发电模块3、热管散热器4和蓄电池5,其 中高热流密度发热器件1设置在均热板2的下面且和均热板2紧密接触；所述温差发电模块3安装在均热板2的上部；所述热管散热器4的蒸发端与温差发电模块3紧密相连，热管散热器4冷凝端设置在环境中，并且采用肋片方式强化换热。该专利设计有温差发电模块，通过均热板与高热流密度发热器件连接，将热能转化为电能进行存储，存储后的电能可再利用，流过半导体温差发电模块3的废热通过热管散热器4的蒸发端、冷凝端后排到空气中实现废热排放的功能。该专利中采用的热管散热器为一系列的单个平行热管所组合而成，热管结构形式为毛细热管、重力热管、脉动热管，在热管的冷凝端装有强化换热肋片，虽然能够实现散热的功能，但其散热效果并不显著。

因此，考虑设计一种既能保证不需要外在能量、又能增大散热能力的自发热式散热器，实现对高热流电子设备的散热。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有电子设备散热装置存在的散热效果差、造成二次浪费等上述问题，提供了一种电子设备用自发热式电散热器。利用电子设备的热量发电，给制冷片和风扇供电，既能保证不需要外在能量，又能增大撒热能力，散热效果好，减少了二次浪费。

根据本实用新型一实施例，提供了一种电子设备用自发热式电散热器，包括热管、热管蒸发端基板、热管冷凝端基板和风扇，热管安装于热管蒸发端基板和热管冷凝端基板之间，热管蒸发端基板连接有温差发电片，温差发电片通过热延伸块与电子设备连接，热管冷凝端基板上连接有制冷片，制冷片与热管冷凝端基板连接的一端称为制冷片冷端，制冷片的另一端称为制冷片热端，热管蒸发端基板与制冷片热端均安装有散热翅片，热管蒸发端基板上的散热翅片与制冷片热端上的散热翅片呈交错布置；制冷片电连接有控制器，控制器分别与温差发电片和风扇电连接。当电子设备温度过高时，热量由热延伸块传递给温差发电片的一端，使温差发电片的两端形成温差，产生电能，电能传输给控制器，由控制器给制冷片和风扇供电，制冷片加快热量在热管中的传递，风扇产生气流带走散热翅片中的热量，保证了热量能够迅速被带走。散热翅片呈交错布置，有效扩大了换热面积，增强换热效果。

进一步的，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，所述热管设置有1个或多个，热管设置有多个时，多个热管并排布置，相邻热管对应的散热翅片呈交错布置，便于散热。

进一步的，为了便于热管及控制器的连接，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，所述的电散热器还设有用于连接热管以及用于固定控制器的连接板。

作为优选，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，热管设置为U形管，热管 的弯管部分镶嵌在连接板上。

作为优选，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，控制器固定在连接板的底部。

进一步的，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，控制器连接有热电偶线，热电偶线安装于热延伸块和电子设备之间。当电子设备温度过高超过限定温度时，热电偶线会将温度信息传递至控制器，控制器根据温度信息开始工作，从而进行温度控制。

作为优选，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，风扇固定于热延伸块和热管冷凝端基板上。

作为优选，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，所述散热器还设有隔热板，热管蒸发端基板和热管冷凝端基板安装于隔热板上，避免散热。

本实用新型上述实施例提供的电子设备用自发热式电散热器，结构简单紧凑，布局合理，体积小。与现有电散热器相比，本实用新型提供的电子设备用自发热式电散热器，利用电子设备本身的热量，通过热延伸块传递给温差发电片的一端，使温差发电片的两端形成温差，产生电能，并通过控制器给制冷片和风扇供电，热管和散热翅片在散热过程中不需要外在的能量，能够自发热式散热，节能环保；在有限的空间内交错布置翅片，散热面积扩大2倍以上，并对制冷片的结构性能进行优化，能有效加快散热量和降低制冷片冷端温度，同时制冷片能有效避免热桥现象，提高散热效果，安装方便且散热效果显著。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例一电子设备用自发热式电散热器的结构示意图。

图2为本实用新型图1的A-A剖视图。

图3为本实用新型具体实施例一电子设备用自发热式电散热器的俯视图。

图4为本实用新型具体实施例二电子设备用自发热式电散热器的结构示意图。

图5为本实用新型具体实施例电子设备用自发热式电散热器在不同制冷片热端的传热性能参数U_hA_h条件下制冷片冷端制冷量Q_C随电流I变化趋势图。

图6为本实用新型具体实施例电子设备用自发热式电散热器在不同制冷片热端的传热性能参数U_hA_h条件下热管冷凝端表面温度T_hc随电流I变化趋势图。

图7为本实用新型具体实施例电子设备用自发热式电散热器在不同热管冷凝端基板厚度L条件下制冷片冷端制冷量Q_C随热管冷凝端基板面积厚度比f变化趋势图。

图8为本实用新型具体实施例电子设备用自发热式电散热器在不同热管冷凝端基板厚度 L条件下热管冷凝端表面温度T_hc随热管冷凝端基板面积厚度比f变化趋势图。

图9为本实用新型具体实施例电子设备用自发热式电散热器在不同热管冷凝端基板面积长度比f条件下热管冷凝端表面温度T_hc随制冷片热端的传热性能参数U_hA_h变化趋势图。

图10为本实用新型具体实施例电子设备用自发热式电散热器在不同热管冷凝端基板面积长度比f条件下制冷片冷端制冷量Q_C随制冷片热端的传热性能参数U_hA_h变化趋势图。

1、热管，2、热管蒸发端基板，3、热管冷凝端基板，4、风扇，5、散热翅片，6、温差发电片，7、热延伸块，8、制冷片，9、控制器,10、连接板，11、螺丝孔，12、隔热板，13、热电偶线。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式：

实施例一：参见图1，一种电子设备用自发热式电散热器，包括热管1、热管蒸发端基板2、热管冷凝端基板3和风扇4，热管1安装于热管蒸发端基板2和热管冷凝端基板3之间，热管蒸发端基板2和热管冷凝端基板3均安装有散热翅片5，热管蒸发端基板2上的散热翅片与热管冷凝端基板3上的散热翅片呈交错布置，热管蒸发端基板2连接有温差发电片6，温差发电片6通过热延伸块7与电子设备连接，热管冷凝端基板3上镶嵌有制冷片8，制冷片8电连接有控制器9，控制器9分别与温差发电片6和风扇4电连接。当电子设备温度过高时，热量由热延伸块传递给温差发电片的一端，使温差发电片的两端形成温差，产生电能，电能传输给控制器，由控制器给制冷片和风扇供电，制冷片加快热量在热管中的传递，风扇产生气流带走散热翅片中的热量，保证了热量能够迅速被带走。散热翅片呈交错布置，有效扩大了换热面积，增强换热效果。

在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，参见图2，所述热管1设置有三个，三个热管并排布置，相邻热管对应的散热翅片呈交错布置，便于散热。

进一步的，为了便于热管及控制器的连接，参见图1，在根据本实用新型上述实施例提供的电散热器中，所述的电散热器还设有用于连接热管1以及用于固定控制器9的连接板10。

在本实施例提供的电散热器中，参见图1，热管1设置为U形管，热管1的弯管部分镶嵌在连接板10上。

在本实施例提供的电散热器中，参见图1和图2，控制器9固定在连接板10的底部。

在本实施例提供的电散热器中，参见图1和图2，热延伸块7和热管冷凝端基板3上设有螺丝孔11，风扇4通过螺丝孔11固定于热延伸块7和热管冷凝端基板3上。

在本实施例提供的电散热器中，参见图1所述电散热器还设有隔热板12，热管蒸发端基板2和热管冷凝端基板3安装于隔热板12上，避免散热。

本实施例提供的电子设备用自发热式电散热器，其工作原理如下：

电子设备发热后，热量通过热延伸块传递到温差发电片的一端，使温差发电片两端形成温差，能够产生电能并输出至控制器，控制器一端通过电线连接到制冷片，对其供电以加快热量在热管中的传递，制冷片的冷端吸收来自热管冷凝端基板的能量，并将其输送至散热翅片；控制器的另一端与风扇连接，使风扇产生气流带走交错的散热翅片中的热量，保证热量能够迅速被带走。

实施例二：与具体实施例一不同的是，在本实施例提供的一种电子设备用自发热式电散热器中，参见图4，控制器9连接有热电偶线，热电偶线安装于热延伸块和电子设备之间。当电子设备温度过高超过限定温度时，热电偶线会将温度信息传递至控制器，控制器根据温度信息开始工作，从而进行温度控制。

其工作原理同实施例一，但在本实施例中，控制器不仅能够将温差发电片产生的电能分别稳定给制冷片和风扇供电，保证制冷片和风扇的正常工作，同时控制器还可以智能控制电子设备的表面温度，通过安装在电子设备和热延伸块之间的热电偶线将电子设备的表面温度反馈至到控制器，温度达到上限温度，控制器开始工作，降低电子设备的表面温度。

本实用新型上述电子设备用自发热式电散热器，还可以进行优化设计，其优化设计的步骤为：在电子设备表面固定温度或固定散热量的条件下，通过优化公式(1)-(8)优化制冷片热端的传热性能参数UA、热管冷凝端基板面积厚度比f、风扇进口流量V，所述热管冷凝端基板面积厚度比f定义为A_e/L_e，其中，A_e表示热管冷凝端基板的表面积，L_e表示热管冷凝端基板厚度，所述优化公式(1)-(8)的表达式如下：

$COP=\frac{{\mathrm{K\ϵQ}}_C}{S^2{I}^2{T}_{hc}-\frac{1}{2}{\mathrm{SI}}^{3}R-SI\[SI(1-{\mathrm{\σ}}_{TE})(\frac{1}{M_{hc}{C}_{hc}}+R_c)+1\]Q_C+{\mathrm{KI}}^{2}R}---\left(2\right)$

T_hs＝Qc(R_hp+R_ex+2R_int)+T_hc (4)

$R_c=(\frac{L_e}{K_e{A}_e}+R_{\mathrm{int}})(1-{\mathrm{\σ}}_{ex})=(\frac{1}{K_{e}f}+R_{\mathrm{int}})(1-{\mathrm{\σ}}_{ex})---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_h=1-\exp (-\frac{U_h{A}_h}{C_h})---\left(7\right)$

C_h＝cρV (8)

式中，Q_C表示制冷片冷端的制冷量，COP表示制冷片热端的散热效率，T_hc表示热管冷凝端基板表面温度，K、S、R分别表示制冷片的热导率、塞贝克系数、电阻，I表示制冷片的控制电流，U_hA_h表示制冷片热端的传热性能参数，C_h表示空气比热容参数，M_hc、C_hc分别表示热管冷凝端基板的质量以及热含量参数，ε、表示效率单元法的效率参数，σ_TE、σ_ex分别表示制冷片损失系数、制冷片热端损失系数，R_c表示制冷片冷端和热管冷凝端基板之间的热阻，T_in表示风扇进风口温度，T_hs代表电子设备表面的温度，R_hp代表热管热阻，R_ex代表热延伸块的热阻，R_int代表接触热阻，K_e表示热管冷凝端基板的导热系数，c、ρ、V分别表示空气的比热、密度、流量。

上述八个优化公式中，公式(1)-(4)表示制冷片冷端的制冷量Q_C和电子设备表面温度的优化公式，公式(5)-(8)表示公式(1)-(4)中参数的导出公式。

在固定表面温度T_hs限制下，可以通过公式(1)、(2)以及公式(4)-(7)求解最优制冷片冷端的制冷量Q_C、空气风量V、制冷片热端的传热性能参数U_hA_h。

在固定制冷片冷端的制冷量Q_C限制下，可以通过公式(2)-(7)求解最优电子设备表面温度T_hs、空气风量V、制冷片热端的传热性能参数U_hA_h。其中，公式(4)表明了电子设备表面温度T_hs和热管冷凝端基板表面温度T_hc成正向线性关系，因此T_hs和T_hc存在对应关系。

其优化流程如下：

设置制冷片冷端的制冷量Q_C、电子设备表面温度T_hs的初始值分别为Q₀、T₀，可任意选定，Q_st和T_st为需要的工况下允许的最大制冷量和最低电子设备表面温度。

假设给定制冷片冷端的制冷量Q_C限制，给定参数K、S、R、T_in，通过优化公式(2)、(3)、(4)画图，并确定参数I、f、U_hA_h对制冷片冷端制冷量Q_C的影响，给定任意制冷量Q₀，由图5、图7、图9得出在制冷片冷端制冷量Q_C条件下能满足的最优参数I、f、U_hA_h，由公式(2)、(3)、(4)计算COP、T_hc和T_hs，同时将参数K、S、R、T_in、T_hc代入公式(1)求解Q_C，将求解得到的Q_C和T_hs与需要的工况下允许的最大制冷量和最低电子器件表面温度Q_st和T_st进行对比，如果满足Q_C≥Q_st、T_hs≤T_st，即可输出得到的参数I、f、U_hA_h，最后通过得到的优化参数选取布置方式、进口空气的设置条件以及制冷片的运行条件，组装电散热器。

假设给定电子设备的表面温度T_hs限制，给定参数K、S、R、T_in，通过优化公式(2)、(3)、(4)画图，并确定参数I、f、U_hA_h对热管冷凝端基板表面温度T_hc的影响，给定任意表面温度T₀，由图6、图8、图10得出在制冷片冷端制冷量Q_C条件下能满足的最优参数I、f、U_hA_h，由公式(1)、(2)、(4)计算Q_C、COP和T_hs，同时由参数K、S、R、T_in、Q_C代入公式(3)求解T_hc,将求解得到的Q_C和T_hs与需要的工况下允许的最大制冷量和最低电子器件表面温度Q_st和T_st进行对比，如果满足Q_C≥Q_st、T_hs≤T_st，即可输出得到的得到的参数I、f、U_hA_h，最后通过得到的优化参数选取布置方式、进口空气的设置条件以及制冷片的运行条件，组装电散热器。

参见图5，在不同制冷片热端的传热性能参数U_hA_h条件下，制冷片冷端制冷量Q_C随电流I的增大呈先增大后减小的变化趋势。

参见图6，在不同制冷片热端的传热性能参数U_hA_h条件下，热管冷凝端表面温度T_hc随电流I的增大呈先减小后增大的变化趋势。

参见图7，在不同热管冷凝端基板厚度L条件下，制冷片冷端制冷量Q_C随热管冷凝端基板面积厚度比f的增大呈先增大后减小的变化趋势。

参见图8，在不同热管冷凝端基板厚度L条件下，热管冷凝端表面温度T_hc随热管冷凝端基板面积厚度比f的增大呈先减小后增大的变化趋势。

参见图9，在不同热管冷凝端基板面积厚度比f条件下，热管冷凝端表面温度T_hc随制冷 片热端的传热性能参数U_hA_h的增大呈先急剧减小至一定值后趋于平稳的变化趋势。

参见图10，在不同热管冷凝端基板面积厚度比f条件下，制冷片冷端制冷量Q_C随制冷片热端的传热性能参数U_hA_h的增大呈先急剧增大至一定值后趋于平稳的变化趋势。

由图5、图7、图9可知，在给定一个最低电子设备表面温度T_hc时，其存在最优的电流使得制冷片冷端的制冷量Q_C达到最大。同时，随着热管冷凝端基板的面积厚度比f增大，制冷片冷端的制冷量Q_C先增大后减小，并且在热管冷凝端基板的面积厚度比f为0.44左右有较大的制冷片冷端的制冷量Q_C,热管冷凝端基板的面积厚度比f直接影响导热，当面积过大时，由于制冷片的表面积限制，热量不能有效导出，而过小时，制冷片的热端不能和热管冷凝端基板更好的接触，因此影响导热。而对制冷片热端的传热性能参数U_hA_h，只在50W/K以内，就已经出现最优值，继续增大制冷片热端的传热性能参数U_hA_h，对制冷片冷端的制冷量Q_C没有任何影响，这是由于装置本身结构和制冷片功耗的限制，导致散热方式已经不起作用，因此，使得制冷片冷端的制冷量Q_C达到最大值的制冷片热端的传热性能参数U_hA_h即是设置所需的热阻结构，根据交错网格扩大制冷片热端的传热性能参数U_hA_h。

由图6、图8、图10可知，在给定的制冷功耗一定时，其仍然存在最优电流使得电子设备表面温度T_hc最低。同时，随着热管冷凝端基板的面积厚度比f增大，其电子设备表面温度T_hc先减小后增大，并且在热管冷凝端基板的面积厚度比f为0.4左右有较低的热管冷凝端表面温度T_hc。对于有固定功耗要求的电子设备，其选择热管冷凝端基板尺寸应对其表面面积和厚度以及导热系数进行考虑。

根据图5至图10给出的参数制冷片的控制电流I、热管冷凝端基板的面积厚度比f、制冷片热端的传热性能参数U_hA_h对制冷片制冷量和热管冷凝端表面温度的影响。本实施例上述优化方法根据上述优化公式对包括制冷片运行电流以及散热翅片、风量进行优化，使本实用新型上述散热器能够达到最优的工作状况。

作为上述实施例的延伸，对该优化方法关于接触热阻R_int、热管热阻R_hp等基于该优化公式以内的优化方法均在该方法之内。

作为上述实施例的延伸，热管可以设置有1个、或两个、以及三个以上，具体根据电散 热器的体积大小设置热管的个数。

上述实施例用来解释本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：包括热管、热管蒸发端基板、热管冷凝端基板和风扇，热管安装于热管蒸发端基板和热管冷凝端基板之间，热管蒸发端基板连接有温差发电片，温差发电片通过热延伸块与电子设备连接，热管冷凝端基板上连接有制冷片，制冷片与热管冷凝端基板连接的一端称为制冷片冷端，制冷片的另一端称为制冷片热端，热管蒸发端基板与制冷片热端均安装有散热翅片，热管蒸发端基板上的散热翅片与制冷片热端上的散热翅片呈交错布置；制冷片电连接有控制器，控制器分别与温差发电片和风扇电连接。

2.如权利要求1所述的电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：所述热管设置有1个或多个，热管设置有多个时，多个热管并排布置，相邻热管对应的散热翅片呈交错布置。

3.如权利要求1或2任意一项所述的电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：所述的电散热器还设有用于连接热管以及用于固定控制器的连接板。

4.如权利要求3所述的电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：热管设置为U形管，热管的弯管部分镶嵌在连接板上。

5.如权利要求3所述的电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：控制器固定在连接板的底部。

6.如权利要求1所述的电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：控制器连接有热电偶线，热电偶线安装于热延伸块和电子设备之间。

7.如权利要求1所述的电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：风扇固定于热延伸块和热管冷凝端基板上。

8.如权利要求1所述的电子设备用自发热式电散热器，其特征在于：所述电散热器还设有隔热板，热管蒸发端基板和热管冷凝端基板安装于隔热板上。