恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统技术方案

本发明专利技术提供了一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，热电模块组件的冷端与器件的发热处连接，被动式散热组件与热电模块组件的热端连接，温度控制组件包括温度传感器、微处理器和驱动电源，温度传感器放置于器件与热电模块组件的冷端之间，测试待冷却对象的温度，并将该温度传递给微处理器，微处理器根据设定温度和测试温度计算合适的驱动电源的驱动电压进而用于驱动热电模块组件。本发明专利技术使用热电模块对器件进行主动冷却，在恶劣的工作环境下能克服传统被动式散热的不足，满足器件散热的需要；采用了一种节能的温控策略，对器件进行单向冷却以及自冷却，使得器件在较低的温度下工作，同时避免了器件温度低于露点温度导致的结露问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及到电子器件主动式热电冷却技术，例如激光器、LED和功率器件等对温度较为敏感的器件；具体地，涉及一种在不同的工作环境下(尤其在恶劣工作下)基于热电制冷的节能的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统。
技术介绍
随着电子工程的发展，散热正成为一个越来越受到关注的问题，随着集成程度的提升所带来的功率增大，器件的温度升高也不可避免，结果造成了恶劣的环境。与此同时，对于一些光电子器件，精确的温度控制至关重要，它必须在较低的温度下工作，这对冷却系统便提出了更高的要求。电子器件在工作中产生的热量会使其工作的可靠性下降，进而会危害整个电子系统的可靠性，也会影响例如处理器的切换速度等。而对于一些特殊的光电子器件，其性能和使用寿命均受温度的影响，因此，散热良好对于电子器件的良好高效率的工作是至关重要的。以电脑的中央处理器为例，随着越来越多的晶体三极管被嵌合进一个小小的硅晶片上，芯片的温度升高，这样就在一个很小的区域上产生了很高的热量，它们急需被有效且快速地转移。另外，即便不是高温下，仅是芯片温度的快速变化就很有可能会导致芯片的寿命缩短，错误甚至完全失效。关机时，芯片温度的快速降低还会导致结露问题，热蒸汽在芯片冷端冷凝成水露，将会给电子器件带来严重的损坏。更进一步，芯片生产厂家为了节约成本和保持生产能力不愿意增大芯片的体型，这使得问题更难以解决。传统的被动式散热技术，例如已经被广泛应用在电器冷却中的翅片散热，热管散热和水冷技术等，已经不能满足散热需求，尤其是在极端环境下(很高的环境温度)。被动式散热意味着它们将电子器件产生的热量用被动组件传导走，但不是用主动部件来主动输入冷量，运出热量，不能像主动式那样有效的传热和加速。而且被动式散热方法由于是被动散热，它不能控制温度，也没有应用电子控件。例如半导体激光器，首先，其散热面积和容积空间都很小，而高热流密度的散热装置，均不便于集成冷却，且它通常与其他元件集成，整个设备的释放的热量较高，设备内部环境通常在20°C -70°C，而在高温环境中被动散热装置失去制冷功效。另外常规的压缩式制冷器系统无法满足脉冲激光器的及时启停。其次，有研究结果表示半导体激光器的发射波长对温度的敏感度为0.2-0.5nm/°C。如果蝶式激光器模块中不采用热电制冷散热，当环境温度从25°C增加到85°C时，其发射能量减少46%。尽管人们在使用其他散热材料上做出了努力，但是仍不能满足冷却电子器件的要求。那么，拥有无噪音，灵活，可靠且由于是主动冷却而在小温差下仍具备高效率导热等优点的热电主动冷却方式就被认为是很有潜力的电子器件冷却方式。在环境温度已经很高的极端情况下，发热电子器件与环境的温差已经很小，被动式制冷方法均会失效，而使用半导体制冷片的热电主动式冷却系统仍旧能高效地工作。恶劣工况使得主动式制冷方式的优点凸现出来。热电制冷是一种利用半导体热电片直接将电能变成热能的主动式制冷方式。热电片在通直流电后一端吸热变冷，一端放热，实际上热电片利用电能将热量从冷端运输到热端。而且热端的热量大于冷端吸收的热量，因其还包括输入的电能。在实际使用主动式热电制冷方式时，由于电子器件功率的变化仍然会出现温度的突然降低导致结露现象的产生。所以主动式冷却系统需要合适的控制单元。但是专利CN201420538970的激光器冷却装置采用液体冷却与热电制冷相结合的装置，却缺少对热电模块的控制系统，无疑是一大不足。而且，如果使用常规的温度控制系统，那么当电子器件温度低于所设定的温度时，冷却系统将对其加热，这显然是不合理的。美国专利:US6567262B2开发出针对CPU冷却的热电制冷系统，该专利采用启动控制的方法将CPU芯片维持在恒定的温度，该专利在较低的环境温度下对芯片进行加热的方法显然不可取。专利CN201510015856的控制系统也有同样的问题。专利CN201210232782.2为生物电泳仪散热的装置也同样使用的常规的控制系统。另一个问题是，对于热电片热端所产生的大量热量，需要使用传统的被动式散热方式来解决，这要求其维持合适的热电片热端温度，最优地配合好主动式热电冷却系统，提高其性能。专利CN201410141231将热电片嵌入电路板中，但是却没有热端的散热装置，是一大缺陷，热电模块将不能高效地工作。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，改进现有冷却系统的不足，能够满足在恶劣工况下对电子器件进行有效的散热的要求，而且可以实现有效、稳定而节能地控制温度。为实现上述目的，本专利技术是通过以下的技术方案实现的。 一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，包括:热电模块组件、温度控制组件以及被动式散热组件；其中:所述热电模块组件的冷端与待冷却对象的发热处连接，所述被动式散热组件与热电模块组件的热端连接，所述温度控制组件与热电模块组件连接并为热电模块组件提供电力。优选地，所述热电模块组件的冷端与待冷却对象之间和/或热电模块组件的热端与被动式散热组件之间填充有热界面材料。优选地，所述温度控制组件包括:微处理器、驱动电源和温度传感器；其中:所述温度传感器设置于待冷却对象与热电模块组件的冷端之间，用于测试待冷却对象的温度；所述微处理器与温度传感器连接，用于将温度传感器的测试温度与微处理器的预先设定温度进行比较:若测试温度高于设定温度，则微处理器控制驱动电源对热电模块组件进行最大制冷量冷却；若测试温度低于设定温度，则微处理器计算出驱动电源的PID驱动信号，所述驱动电源接收PID驱动信号，并输出合适直流电压至热电模块组件，控制所述热电模块组件工作。优选地，所述测试温度低于设定温度时，驱动电源不工作，微处理器通过PID驱动信号将热电模块组件短路，利用热电模块组件对待冷却对象进行自冷却。优选地，所述被动式散热组件采用如下任一种或任多种被动式散热方式:-翅片风冷散热方式；-水冷散热方式；-热管散热方式。优选地，所述热电模块组件包括至少一个热电制冷片，多个热电制冷片之间并联或串联连接，保证每一个热电制冷片输入相同的电压或电流。优选地，所述热电制冷片采用碲化铋热电制冷片。本专利技术提供的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，所述热电模块组件的冷端与待冷却对象(电子器件)的发热处连接，所述被动式散热组件与所述热电模块组件的热端连接，为其散热；所述温度控制组件包括温度传感器、微处理器和驱动电源，所述温度传感器放置于待冷却对象与热电模块组件的冷端之间，用于测试待冷却对象的温度，并将该温度传递给微处理器，所述微处理器根据设定温度和测试温度计算合适的驱动电源的驱动电压进而用于驱动热电模块组件。本专利技术提供的恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，根据电子器件的发热功率不同，可以根据使用需要自由搭配热电模块组件和被动式散热组件。对于发热功率较大的电子器件(待冷却对象)，宜采用较大的G因子与换热强度较大的被动式散热组件(如水冷换热器)搭配；对于发热功率较小的电子器件，宜采用较小的G因子与换热强度较小的被动式散热组件搭配。其中，G = A/L，A为热电模块的热电堆横截面积，L为热电模块的热电堆高度。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:1、本专利技术米用主动式冷却方式，在恶劣工况即电子器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种恶劣工况下电子器件主动式热电冷却系统，其特征在于，包括：热电模块组件、温度控制组件以及被动式散热组件；其中：所述热电模块组件的冷端与待冷却对象的发热处连接，所述被动式散热组件与热电模块组件的热端连接，所述温度控制组件与热电模块组件连接并为热电模块组件提供电力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：代彦军，张布衣，胡浩茫，葛天舒，曹成喜，刘小平，李军，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31