基于半導(dǎo)體制冷片的筆記本電腦、投影儀散熱研究.doc

物理演示實(shí)驗(yàn)結(jié)課論文姓名：謝鵬指導(dǎo)老師：劉文娟基于半導(dǎo)體制冷片的筆記本電腦、投影儀散熱研究謝鵬(中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院過程裝備與控制工程)摘要：針對目前筆記本電腦、投影儀采用常規(guī)風(fēng)冷散熱法效率低，噪音大，機(jī)箱無法密封易造成塵土進(jìn)入的問題，研究了把半導(dǎo)體制冷片用于筆記本電腦、投影儀散熱的一種實(shí)用方法。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷片；筆記本電腦散熱；投影儀散熱；防塵；磁性液體材料密封；1 引言隨著集成電路制造技術(shù)及工藝的不斷提高，近年來，筆記本電腦、投影儀朝著微型化方向迅猛發(fā)展。但在筆記本電腦、投影儀性能不斷提高的同時(shí)也伴隨著發(fā)熱量不斷增大，防塵防水技術(shù)落后等問題，這些現(xiàn)象引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。過熱，進(jìn)水，塵土堆積等原因引起筆記本電腦、投影儀損壞占很大比例。照這樣發(fā)展下去，將嚴(yán)重影響筆記本電腦、投影儀的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，進(jìn)而阻礙筆記本電腦、投影儀技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。目前普遍采用風(fēng)冷法對筆記本電腦、投影儀進(jìn)行散熱，它是在CPU芯片和投影儀燈上安裝帶有軸流風(fēng)扇的散熱器，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)強(qiáng)迫空氣對流帶走熱量。這種散熱方式具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的優(yōu)勢。但散熱能力有限，最多只能排出CPU和投影儀發(fā)熱量的60，而且無法防止粉塵進(jìn)入，需要定期清理粉塵。隨著性能更強(qiáng)大的CPU、投影儀燈不斷推出，這種CPU、投影儀散熱方式已經(jīng)接近極限能力。為使CPU、投影儀發(fā)揮最佳性能并保證其可靠性，研究實(shí)用高效的筆記本電腦CPU、投影儀冷卻方法成為科技工作者十分重要而緊迫的任務(wù)。鑒于以上原因，本文研究了利用半導(dǎo)體制冷器來提高筆記本電腦CPU、投影儀散熱能力的一種實(shí)用方法。2半導(dǎo)體制冷片2.1制冷原理半導(dǎo)體制冷，又稱電子制冷、溫差電制冷、熱電制冷或珀?duì)柼评涞?，它是利用塞貝克效?yīng)的逆效應(yīng)珀?duì)柼?yīng)達(dá)到制冷目的。原理是熱量轉(zhuǎn)移，當(dāng)接通直流電時(shí)，半導(dǎo)體的冷面溫度迅速降低，而熱面溫度迅速上升，從而利用冷面的相對低溫達(dá)到降低溫度的目的。 半導(dǎo)體制冷原理圖2.2半導(dǎo)體制冷片優(yōu)點(diǎn) 其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、工作環(huán)境要求低、無制冷工質(zhì)、無振動(dòng)、無污染、啟動(dòng)快、控制靈活、組裝簡單、壽命長、可靠性高、便于維修。缺點(diǎn)是：制冷效率低、容易因冷面溫度過低使CPU、投影儀電路板結(jié)露而導(dǎo)致短路故障。2.3安裝圖解半導(dǎo)體制冷片安裝圖2.4使用方法 按照半導(dǎo)體制冷片的安裝要求，除了使用導(dǎo)熱塊外，應(yīng)先將半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)熱塊、散熱器及風(fēng)扇預(yù)先制成部件；其中導(dǎo)熱塊與散熱器之間放置半導(dǎo)體制冷片并用四個(gè)尼龍螺絲固定。（其各個(gè)表面均需涂抹導(dǎo)熱硅脂。）然后才能將組件安放到CPU上。由于CPU的功耗一般在1520W左右，因此半導(dǎo)體制冷片不需加上全功率運(yùn)行。（全功率運(yùn)行時(shí)半導(dǎo)體制冷片吸熱過度，易引起CPU凝露。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在其上加5V電壓時(shí)功耗大約16W；偏小。加8V電壓時(shí)功耗大約30W；要另加電源。）接通直流電源后，電子由負(fù)極(-)出發(fā)，首先經(jīng)過 P 型半導(dǎo)體，在此吸收熱量，到了 N 型半導(dǎo)體，又將熱量放出， 每經(jīng)過一個(gè)NP 模組，就有熱量由一邊被送到另外一邊，造成溫差，從而形成冷熱端。下圖是一個(gè)致冷器的典型結(jié)構(gòu)，由許多 N 型和 P 型半極體之顆?；ハ嗯帕卸?， 而 N P 之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最后用兩片陶瓷片像漢堡包一樣夾起來。 半導(dǎo)體制冷器給我們帶來散熱新概念，使CPU的溫度進(jìn)一步得到控制。隨著夏日的來臨，環(huán)境氣溫的升高，超頻愛好者都想進(jìn)一步改善CPU的散熱條件 半導(dǎo)體制冷器在通電的情況下，兩端極板會(huì)產(chǎn)生一定的溫差，人們正是利用它的冷凝面為CPU提供一個(gè)低溫環(huán)境。制冷倒是效果非常明顯，使用在CPU上綽綽有余。大家知道CPU工作時(shí)溫度越低越好。很多文章都談到CPU散熱是否良好是超頻能否成功的一個(gè)關(guān)鍵因素。一般通過用大風(fēng)扇、涂導(dǎo)熱硅脂等來改善CPU的散熱條件，但這些方法都不可能使CPU的溫度低于室溫。這里談到的半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn)，采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來制冷，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，效率較高。一般CPU的發(fā)熱功率大的在60W間，而制冷器的功率則大于60W，如果散熱良好，它完全可能使CPU工作在接近0甚至0以下。半導(dǎo)體制冷器的用途很多，可用于制作便攜冷藏/保溫箱、冷熱飲水機(jī)等。也用于電子器件的散熱。目前制冷器所采用的半導(dǎo)體材料最主要為碲化鉍，加入不純物經(jīng)過特殊處理而成N型或P型半導(dǎo)體溫差元件。以市面常見的TEC1-12605為例，其額定電壓為：12v，額定電流為5A，最大溫差可達(dá)60攝氏度，外型尺寸為4X4X0.Cm，重約25克。它的工作特點(diǎn)是一面制冷而一面發(fā)熱。接通直流電源后，電子由負(fù)極(-)出發(fā)，首先經(jīng)過P型半導(dǎo)體，在此吸收熱量，到了N型半導(dǎo)體，又將熱量放出，每經(jīng)過一個(gè)NP模組，就有熱量由一邊被送到另外一邊，造成溫差，從而形成冷熱端。制冷片的安裝及使用很簡單。在安裝前，最好準(zhǔn)備一點(diǎn)導(dǎo)熱硅脂，然后，找一節(jié)干電池，接在制冷器兩根引線上，就可感到一端明顯發(fā)涼而另一端發(fā)熱，記住引線的極性并確定好制冷器的冷、熱端。如果想得到更大的制泠量,建議采用二級制冷方式,即用兩片疊起來用,上面一塊的冷面吸收下面一塊的發(fā)熱,實(shí)驗(yàn)證明二級制冷比單級效果好得多,如果有條件可以選三級的,當(dāng)然要有大功率電源支持。正式安裝時(shí)，在制冷器兩端均勻涂上導(dǎo)熱硅脂，在CPU與散熱器之間插入制冷片，請注意先試好的冷熱面方向，冷面貼著CPU，熱面與強(qiáng)力的(功率越高越好)散熱片接觸。然后想法固定好三者。要注意風(fēng)扇的卡子不能太短，否則會(huì)很難固定。固定好后，就可以給制冷片和風(fēng)扇接上電源了(一定要注意極性)，如果你機(jī)箱電源功率小于230W，我勸你別接到機(jī)箱電源上，否則有可能因電源功率不足，造成電腦無法正常工作。推薦使用外接的12V左右的電壓，在此電壓下制冷片的制冷量和冷熱面溫差都比較合適。2.5注意事項(xiàng)、注意熱端的散熱。半導(dǎo)體制冷的熱面溫度不應(yīng)超過60，否則就有損壞的可能。若在額定的工作電壓（12V）下，一般的散熱風(fēng)扇根本無法為制冷片提供足夠的散熱能力，容易造成制冷片過熱損壞。同時(shí)千萬不要在無散熱器的情況下為致冷器長時(shí)間通電，否則會(huì)造成致冷器內(nèi)部過熱而燒毀。2、電腦電源功率問題。制冷片的功耗可能高達(dá)70W，這樣大的負(fù)載無疑有可能會(huì)讓質(zhì)量不好的計(jì)算機(jī)電源發(fā)生問題.所以請玩家使用時(shí)確認(rèn)一下機(jī)箱電源是否夠用,如果不能達(dá)到制冷片的電流就會(huì)影響制冷效果,所以電源也是制冷效果的關(guān)鍵.!3、注意機(jī)箱的散熱。很顯然，制冷片在降低CPU溫度的同時(shí)，其熱端的發(fā)熱也相當(dāng)大，可能導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)溫度升高，影響其他部件的工作。所以要注意機(jī)箱的散熱，不妨在機(jī)箱適當(dāng)位置再加一個(gè)散熱風(fēng)扇。3對筆記本電腦、投影儀進(jìn)行全密封的研制3.1磁性液體磁性液體旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封是一種非接觸式密封(即動(dòng)件和靜件沒有直接接觸)，其工作原理是：由環(huán)狀永磁體，導(dǎo)磁極靴和導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸構(gòu)成閉合磁路，利用永磁體中的磁能，在轉(zhuǎn)軸與極靴極齒頂端的齒形間隙中產(chǎn)生強(qiáng)弱相間的非均勻磁場，將磁性液體緊緊吸住，形成磁性液體“O”型密封環(huán)，把間隙堵死，從而達(dá)到密封的目的。磁性液體目前最廣泛的應(yīng)用是動(dòng)態(tài)密封，特別是用于封真空、封氣體或用于防塵等。例如x射線衍射儀的轉(zhuǎn)靶的真空密封、氣流分級系統(tǒng)的防塵泄漏等等。磁性液體密封適用領(lǐng)域：a.防塵密封：硬盤(hard disk)、氣流粉碎(分級)機(jī)等。b.真空密封：電子顯微鏡、電子衍射儀、CVD裝置、單晶爐、真空加熱爐等。c.氣體密封：可用于多種氣體密封的場合(如煤氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸部位)。其它應(yīng)用；直接替用：特別設(shè)計(jì)的密封連接器具有多種外形和尺寸，可以直接在多種系統(tǒng)中使用，替代原有裝置。特殊要求：a.對于特殊場合應(yīng)用，可提供特別設(shè)計(jì)。b.可按原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。c.可提供更大負(fù)載能力型號。d.可加水冷，滿足更高使用溫度。主要特點(diǎn)：a.無磨損，因?yàn)榇判砸后w具有液體的性質(zhì)，并且由于基液具有潤滑性，所以還可起潤滑作用。b.密封度好，用于真空時(shí)可以達(dá)10-5Pa，現(xiàn)我們正努力實(shí)現(xiàn)10-7Pa的目標(biāo)。c.無泄漏。磁性液體密封器件使用簡單，基本不改變原有機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們可以提供磁性液體的密封設(shè)計(jì)。3.2磁性液體在密封上的應(yīng)用由上可知，利用半導(dǎo)體制冷器對CPU芯片、投影儀進(jìn)行散熱。無疑是一種提高芯片、投影儀散熱能力的較好方法。但是半導(dǎo)體制冷器冷面溫度達(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)，與其緊密接觸的CPU芯片、投影儀電路板將會(huì)結(jié)露，從而產(chǎn)生短路危險(xiǎn)。這個(gè)問題制約了半導(dǎo)體制冷器在CPU芯片、投影儀散熱方面的推廣運(yùn)用。為確?？諝庵兴植辉贑PU芯片、投影儀電路板表面凝析出來，我們提出了對筆記本電腦、投影儀進(jìn)行全密封的方案。利用磁性液體材料填充在筆記本、投影儀外殼接縫等處，使筆記本電腦、投影儀工作時(shí)處于全密封狀態(tài)，杜絕了因有通風(fēng)口而造成的塵土、水進(jìn)入等問題，而且空氣中的水分無法進(jìn)入，能保證CPU、投影儀電路板等的干燥，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。4結(jié)語本文研究了把半導(dǎo)體制冷器用于CPU芯片、投影儀的散熱，提出的對筆記本電腦、投影儀進(jìn)行全密封的方案，用以防止結(jié)露，是一種實(shí)用有效的方法，對確保CPU、投影儀的安全運(yùn)行是非常有益的。方案除半導(dǎo)體制冷片的固有優(yōu)點(diǎn)外還具有如下顯著特點(diǎn)：(1)控制簡單、成