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TWI663903B - 熱電致冷模組與包含熱電致冷模組的散熱裝置 - Google Patents

熱電致冷模組與包含熱電致冷模組的散熱裝置 Download PDF

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TWI663903B
TWI663903B TW104144535A TW104144535A TWI663903B TW I663903 B TWI663903 B TW I663903B TW 104144535 A TW104144535 A TW 104144535A TW 104144535 A TW104144535 A TW 104144535A TW I663903 B TWI663903 B TW I663903B
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heat exchange
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陳正隆
吳清吉
廖廷倫
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微星科技股份有限公司
大陸商恩斯邁電子（深圳）有限公司
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Abstract

一種熱電致冷模組，包含一基座、複數個熱交換件與一致冷晶片。基座包含一殼體及一蓋體。殼體具有一入口與一出口。蓋體覆蓋殼體並與殼體共同形成一容置空間。入口與出口連通容置空間以供一導熱流體進出容置空間。致冷晶片熱接觸於基座的蓋體，用以對蓋體進行熱交換。複數個熱交換件設置並熱接觸於蓋體，且自蓋體朝容置空間內延伸。熱交換件用以與容置空間內的導熱流體進行熱交換。

Description

熱電致冷模組與包含熱電致冷模組的散熱裝置
本發明係關於一種熱電致冷模組與包含熱電致冷模組的散熱裝置，特別是一種具複數個突出於蓋體的熱交換件的熱電致冷模組。
隨著電子產業的發展，電子晶片的尺寸不斷縮小，電子晶片的運算能力也不斷提升。然而，伴隨電子晶片尺寸縮小與運算能力提升，電子晶片運算時產生的熱量也大幅提高。為了維持電子裝置中電子晶片運算時的穩定性，人們對散熱裝置的要求也逐漸提高。
目前大部分利用熱電致冷模組進行降溫的散熱裝置中，通常透過導熱流體於產生熱量的電子晶片與熱電致冷晶片之間進行熱交換以達到對電子晶片進行降溫的目的。然而，目前之熱電致冷模組的降溫能力受到熱電致冷晶片與導熱流體之間的熱交換效率之限制而無法有效提升。如此一來，必須使用具有更高功率的致冷晶片進行降溫，造成散熱裝置消耗的能量提高。因此，如何提升熱電致冷晶片與導熱流體之間的熱交換效率以避免能量的浪費成為業界亟欲解決之問題。
本發明係關於一種熱電致冷模組與包含熱電致冷模組的散熱裝置，藉以提升熱電致冷晶片與導熱流體之間的熱交換效率以避免能量的浪費。
本發明之一種熱電致冷模組，包含一基座、複數個熱交換件與一致冷晶片。基座包含一殼體及一蓋體。殼體具有一入口與一出 口。蓋體覆蓋殼體並與殼體共同形成一容置空間。入口與出口連通容置空間，且入口與該出口用以供一導熱流體進出容置空間。致冷晶片熱接觸於基座的蓋體，且致冷晶片用以對蓋體進行熱交換。複數個熱交換件設置並熱接觸於蓋體，且自蓋體朝容置空間內延伸。熱交換件用以與容置空間內的導熱流體進行熱交換。
本發明之一種散熱裝置，包含前述之熱電致冷模組、一熱交換座、一第一導管與一第二導管。熱交換座與一熱源熱接觸。熱交換座具有一熱交換空間，且熱交換空間用以使導熱流體透過熱交換座而與熱源進行熱交換。第一導管連接熱電致冷模組中基座的入口與熱交換空間。第二導管連接熱電致冷模組中基座的出口與熱交換空間。
本發明之另一種散熱裝置，包含前述之熱電致冷模組、一熱交換座、一氣冷模組、一第一導管、一第二導管與一第三導管。熱交換座與一熱源熱接觸。熱交換座具有一熱交換空間，且熱交換空間用以使導熱流體透過熱交換座與熱源進行熱交換。氣冷模組包含一散熱器與一散熱風扇。散熱器具有一散熱空間，且該散熱風扇設置於散熱器以增加流經散熱器的氣流。第一導管連接熱電致冷模組中基座的入口與散熱空間。第二導管連接熱電致冷模組中基座的出口與熱交換空間。第三導管連接熱交換空間與散熱空間。
根據上述本發明所揭露之熱電致冷模組，致冷晶片透過設置於蓋體並自蓋體朝容置空間內延伸的複數個熱交換件與導熱流體進行熱交換。如此一來，致冷晶片與導熱流體之間進行熱交換的面積提升，進而使得致冷晶片與導熱流體之間的熱交換效率提升，解決了散熱裝置能量浪費的問題。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1‧‧‧熱電致冷模組
2、3‧‧‧散熱裝置
10‧‧‧基座
11‧‧‧殼體
111‧‧‧底板
112‧‧‧第一側板
113‧‧‧第二側板
114‧‧‧第三側板
115‧‧‧第四側板
116‧‧‧容置空間
117‧‧‧入口
118‧‧‧出口
12‧‧‧蓋體
121‧‧‧頂面
122‧‧‧底面
20‧‧‧致冷晶片
21‧‧‧冷端
22‧‧‧熱端
30‧‧‧熱交換件
410‧‧‧導熱板
411‧‧‧第一表面
412‧‧‧第二表面
420‧‧‧散熱鰭片
430‧‧‧熱管
440‧‧‧風扇
50‧‧‧熱交換座
51‧‧‧熱交換空間
61‧‧‧第一導管
62‧‧‧第二導管
63‧‧‧第三導管
70‧‧‧氣冷模組
71‧‧‧散熱器
711‧‧‧散熱空間
72‧‧‧散熱風扇
80‧‧‧溫度感測器
90‧‧‧溫度控制模組
H‧‧‧熱源
圖1係為本發明一實施例之熱電致冷模組的立體透視圖。
圖2係為圖1之熱電致冷模組一部分部件的立體分解圖。
圖3係為圖1之熱電致冷模組另一部份部件的立體分解圖。
圖4係為本發明一實施例之散熱裝置的使用狀態示意圖。
圖5係為圖4之散熱裝置的溫度控制模組與溫度偵測模組示意圖。
圖6係為本發明另一實施例之散熱裝置的使用狀態示意圖。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
首先說明本發明一實施例之熱電致冷模組，請參照圖1至圖3。圖1係為本發明一實施例之熱電致冷模組的立體透視圖。圖2係為圖1之熱電致冷模組一部分部件的立體分解圖。圖3係為圖1之熱電致冷模組另一部份部件的立體分解圖。本發明一實施例之熱電致冷模組1包含一基座10、一致冷晶片20、複數個熱交換件30、一導熱板410、一散熱鰭片420、三熱管430與一風扇440。
基座10包含一殼體11與一蓋體12。殼體11包含一底板111、一第一側板112、一第二側板113、一第三側板114、一第四側板115。蓋體12具有相對的一頂面121與一底面122。第一側板112、第二側板113、第三側板114與第四側板115豎立於底板111的周緣。第一側板112與第二側板113彼此相對向，第三側板114與第四側板115彼此相對向，且第三側板114與第四側板115位於第一側板112與第二 側板113之間。殼體11的底板111、第一側板112、第二側板113、第三側板114、第四側板115與蓋體12共同環繞形成一容置空間116，且蓋體12的底面122為蓋體12朝向容置空間116的表面。殼體11具有一入口117與一出口118。入口117位於第一側板112，出口118位於第二側板113。導熱流體經由入口117流入容置空間116後，再經由出口118離開容置空間116。出口118於第一側板112的正交投影與入口117相錯位。基座10的材質可為具有高熱傳導係數的金屬或是合金，例如鋁、鋁合金、銅或銅合金。
致冷晶片20設置於蓋體12的頂面121。致冷晶片20具有一冷端21及一熱端22，冷端21與蓋體12的頂面121熱接觸。如此一來，當致冷晶片20通電進行運作時，冷端21與蓋體12進行熱交換使蓋體12的溫度下降。於本實施例中，致冷晶片20的數量為一片，但不以此為限。於本發明其他實施例中，致冷晶片的數量可以為二片以上。
複數個熱交換件30設置並熱接觸於蓋體12的底面122，並且由蓋體12的底面122往容置空間116內延伸。熱交換件30的材質可為具有高熱傳導係數的金屬或是合金，例如鋁、鋁合金、銅或銅合金。於本發明一實施例中，複數個熱交換件30為圓柱，但不以此為限。於本發明其他實施例中，複數個熱交換件可以為不同形狀的凸柱、具有穿孔的板體或是鰭片。於本發明一實施例中，複數個熱交換件30與蓋體12為一體成型，但不以此為限。於本發明其他實施例中，複數個熱交換件可以透過銲接或雷射接合的方式固定於蓋體。
當致冷晶片20運作時，致冷晶片20的冷端21透過蓋體12與複數個熱交換件30對容置空間116內流動的導熱流體進行熱交換，藉此降低導熱流體的溫度。於本發明一實施例中，導熱流體流過複數個熱交換件30與蓋體12的底面122，使得導熱流體進行熱交換的面積較習用的無熱交換件的熱電致冷模組增加，進而提高熱電致冷模組1 與導熱流體之間進行熱交換的效率。再者，導熱流體於容置空間116內流動時，受到複數個熱交換件30的干擾而改變流動方向，使得導熱流體由入口117流動至出口118的路徑增長。導熱流體於容置空間116內流動的路徑增長連帶使得導熱流體與複數個熱交換件30進行熱交換的時間增長，亦可提高熱電致冷模組1與導熱流體之間進行熱交換的效率。如此一來，熱電致冷模組1對導熱流體進行降溫時所需消耗的能量得以降低。
此外，殼體11上彼此相錯位的入口117與出口118可增加導熱流體於容置空間116內停留並與複數個熱交換件30進行熱交換的時間，亦可有效提升熱電致冷模組1與導熱流體之間進行熱交換的效率。藉此，同樣可達到降低熱電致冷模組1對導熱流體進行降溫時消耗的能量的功效。
於本實施例中，致冷晶片20透過蓋體12與複數個熱交換件30將導熱流體的溫度降低至室溫以下，且整個熱電致冷模組1消耗之功率低於傳統熱電致冷模組消耗之功率。於本發明其他實施例中，致冷晶片亦可透過蓋體與複數個熱交換件將導熱流體的溫度降低至室溫與熱源之溫度之間，且整個熱電致冷模組消耗之功率亦低於傳統熱電致冷模組消耗之功率。
導熱板410設置於蓋體12的頂面121，使得致冷晶片20被夾設於蓋體12與導熱板410之間。導熱板410具有相對的一第一表面411與一第二表面412。第一表面411與致冷晶片20的熱端22熱接觸。導熱板410的材質可為具有高熱傳導係數的金屬或是合金，例如鋁、鋁合金、銅或銅合金。散熱鰭片420透過三熱管430與導熱板的第二表面412熱接觸。如此一來，致冷晶片20運作時產生的熱量可依序經由熱端22、導熱板410與熱管430傳遞至散熱鰭片420以進行散熱。風扇440設置於散熱鰭片420。當風扇440運轉時，可帶動氣流通過散熱 鰭片420，藉此提升散熱鰭片420的散熱效果。
接下來介紹本發明一實施例的散熱裝置2，請參照圖4與圖5。圖4係為本發明一實施例之散熱裝置的使用狀態示意圖。圖5係為圖4之散熱裝置的溫度控制模組與溫度偵測模組示意圖。
本發明一實施例的散熱裝置2包含前述之熱電致冷模組1、一熱交換座50、一第一導管61、一第二導管62、一溫度感測器80與一溫度控制模組90。
熱交換座50與一熱源H熱接觸。熱交換座50具有一熱交換空間51。當導熱流體通過熱交換座50的熱交換空間51時，導熱流體透過熱交換座50與熱源H進行熱交換。
第一導管61連接熱電致冷模組1中基座10的入口117與熱交換空間51。第二導管62連接熱電致冷模組1中基座10的出口118與熱交換空間51。導熱流體於熱交換座50的熱交換空間51中吸收熱源H的熱量後，高溫的導熱流體經由第一導管61及入口117流入熱電致冷模組1的容置空間116中。高溫的導熱流體於容置空間116中與複數個熱交換件30進行熱交換後轉為低溫的導熱流體。低溫的導熱流體經由出口118離開容置空間116，並經由第二導管62流入熱交換座50的熱交換空間51中以完成導熱流體於散熱裝置2中的一個工作循環。
導熱流體於散熱裝置2中流動的動能是由一幫浦(未繪示)提供。幫浦可串接於熱電致冷模組1的基座10的入口117與熱交換座50的熱交換空間51之間，或是串接於熱電致冷模組1的基座10的出口118與熱交換座50的熱交換空間51之間。
溫度感測器80熱接觸熱源H以偵側熱源H之溫度。溫度控制模組90電性連接致冷晶片20與溫度感測器80，且溫度控制模組90根據溫度感測器80提供的熱源H之溫度調控輸入致冷晶片20的工作電壓。詳細來說，溫度控制模組90自溫度感測器80獲取熱源H的溫 度資訊後，溫度控制模組90判斷欲使熱源H溫度下降至預定溫度範圍時，致冷晶片20進行冷卻工作所需的工作電壓大小。接著，溫度控制模組90依據判斷之結果提供致冷晶片20所需的工作電壓。透過溫度控制模組90即時地根據熱源H的溫度調整提供致冷晶片20的工作電壓，散熱裝置2的能源利用效率得到提升，避免致冷晶片20消耗過多能源而造成能源的浪費。
於本發明一實施例中，散熱裝置2係應用於對電腦的中央處理器(未繪示)進行降溫。散熱裝置2的熱交換座50與中央處理器(未繪示)熱接觸。熱電致冷模組1設置於電腦機殼(未繪示)外部，並透過第一導管61與第二導管62使導熱流體於熱交換座50的熱交換空間51與基座10的容置空間116之間流動以進行熱交換。於本發明其他實施例中，散熱裝置2亦可以應用於顯示卡的繪圖晶片或伺服器等其他種類的電子設備。根據實驗結果，散熱裝置2使中央處理器的溫度降低1℃需消耗7至9瓦的能量，然而中央處理器的溫度每升高1℃，中央處理器欲維持相同的工作時脈所需額外消耗的能量高於13瓦。因此由實驗結果可知散熱裝置2與電子裝置搭配後有助於降低整體的總耗能。
接下來介紹本發明另一實施例的散熱裝置3，請參照圖6。圖6係為本發明另一實施例之散熱裝置的使用狀態示意圖。圖6中的散熱裝置3的結構相似於圖4與圖5中的散熱裝置2，因此以下僅針對相異處加以說明，相同之處在此便不再贅述。
散熱裝置3包含前述之熱電致冷模組1、一熱交換座50、一第一導管61、一第二導管62、一第三導管63、一氣冷模組70、一溫度感測器80與一溫度控制模組90。氣冷模組70包含一散熱器71與一散熱風扇72。散熱器71具有一散熱空間711。散熱風扇72設置於散熱器71以增加流經散熱器71的氣流，藉此增加散熱器71的散熱效果。
第一導管61連接熱電致冷模組1中基座10的入口117 與散熱器71的散熱空間711。第二導管62連接熱電致冷模組1中基座10的出口118與熱交換座50的熱交換空間51。第三導管63連接熱交換空間51與散熱空間711。導熱流體於熱交換座50的熱交換空間51中吸收熱源H的熱量後，高溫的導熱流體經由第三導管63流入散熱器71的散熱空間711中，並與散熱器71進行熱交換以完成初步降溫。接著，完成第一階段降溫的中溫的導熱流體由散熱空間711依序經由第一導管61及入口117流入熱電致冷模組1的容置空間116中。中溫的導熱流體於容置空間116中與複數個熱交換件30進行熱交換後轉為低溫的導熱流體。低溫的導熱流體經由出口118離開容置空間116，並經由第二導管62流入熱交換座50的熱交換空間51中以完成導熱流體於散熱裝置2中的一個工作循環。
導熱流體於散熱裝置2中流動的動能是由一幫浦(未繪示)提供。幫浦可串接於熱電致冷模組1的基座10的入口117與散熱器71的散熱空間711之間，串接於散熱器71的散熱空間711與熱交換座50的熱交換空間51之間，或是串接於熱電致冷模組1的基座10的出口118與熱交換座50的熱交換空間51之間。
於散熱裝置3中，高溫的導熱流體經氣冷模組70進行初步降溫得到中溫的導熱流體，接著中溫的導熱流體再經熱電致冷模組1降溫得到低溫的導熱流體。因此，熱電致冷模組1所負擔的導熱流體溫度下降量降低，進而使得熱電致冷模組1的致冷晶片20進行冷卻工作所需的工作電壓下降。如此一來，散熱裝置3進行散熱所需消耗的能量下降。
根據實驗結果，散熱裝置3使中央處理器的溫度降低1℃需消耗3至5瓦的能量，然而中央處理器的溫度每升高1℃，中央處理器欲維持相同的工作時脈所需額外消耗的能量高於13瓦。因此由實驗結果可知散熱裝置3與電子裝置搭配後有助於降低整體的總耗能。
綜上所述，根據上述本發明所揭露之熱電致冷模組，致冷晶片透過設置於蓋體並自蓋體朝容置空間內延伸的複數個熱交換件與導熱流體進行熱交換。如此一來，致冷晶片與導熱流體之間進行熱交換的面積提升，進而使得致冷晶片與導熱流體之間的熱交換效率提升，解決了散熱裝置能量浪費的問題。再者，由熱電致冷模組與氣冷模組搭配構成的散熱裝置更進一步的減少降溫所需消耗的能量，使得散熱裝置的節能效果得到更進一步的提升。此外，本發明所揭露之熱電致冷模組可將導熱流體之溫度降低至室溫以下，且本發明所揭露之熱電致冷模組消耗的能量低於傳統熱電致冷模組所消耗的能量。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims (4)

  1. 一種散熱裝置，包含：一熱電致冷模組，包含：一基座，包含一殼體及一蓋體，該殼體具有一入口與一出口，該蓋體覆蓋該殼體並與該殼體共同形成一容置空間，該入口與該出口連通該容置空間，該入口與該出口用以供一導熱流體進出該容置空間；一致冷晶片，熱接觸於該基座的該蓋體，該致冷晶片用以對該蓋體進行熱交換；以及複數個熱交換件，設置並熱接觸於該蓋體，且自該蓋體朝該容置空間內延伸，該些熱交換件用以與該容置空間內的該導熱流體進行熱交換；一熱交換座，與一熱源熱接觸，該熱交換座具有一熱交換空間，該熱交換空間用以使該導熱流體透過該熱交換座而與該熱源進行熱交換；一第一導管，連接該熱電致冷模組中該基座的該入口與該熱交換空間；以及一第二導管，連接該熱電致冷模組中該基座的該出口與該熱交換空間。
  2. 如請求項1之散熱裝置，更包含一溫度感測器與一溫度控制模組，該溫度感測器熱接觸該熱源以偵側該熱源之溫度，該溫度控制模組電性連接該致冷晶片與該溫度感測器，該溫度控制模組根據該溫度感測器提供的該熱源之溫度調控輸入該致冷晶片的一工作電壓。
  3. 一種散熱裝置，包含：一熱電致冷模組，包含：一基座，包含一殼體及一蓋體，該殼體具有一入口與一出口，該蓋體覆蓋該殼體並與該殼體共同形成一容置空間，該入口與該出口連通該容置空間，該入口與該出口用以供一導熱流體進出該容置空間；一致冷晶片，熱接觸於該基座的該蓋體，該致冷晶片用以對該蓋體進行熱交換；以及複數個熱交換件，設置並熱接觸於該蓋體，且自該蓋體朝該容置空間內延伸，該些熱交換件用以與該容置空間內的該導熱流體進行熱交換；一熱交換座，與一熱源熱接觸，該熱交換座具有一熱交換空間，該熱交換空間用以使該導熱流體透過該熱交換座與該熱源進行熱交換；一氣冷模組，包含一散熱器與一散熱風扇，該散熱器具有一散熱空間，該散熱風扇設置於該散熱器以增加流經該散熱器的氣流；一第一導管，連接該熱電致冷模組中該基座的該入口與該散熱空間；一第二導管，連接該熱電致冷模組中該基座的該出口與該熱交換空間；以及一第三導管，連接該熱交換空間與該散熱空間。
  4. 如請求項3之散熱裝置，更包含一溫度感測器與一溫度控制模組，該溫度感測器熱接觸該熱源以偵側該熱源之溫度，該溫度控制模組電性連接該致冷晶片與該溫度感測器，該溫度控制模組根據該溫度感測器提供的該熱源之溫度調控輸入該致冷晶片的一工作電壓。
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