基于半导体制冷片的笔记本电脑、投影仪散热研究.doc

物理演示实验结课论文姓名：谢鹏指导老师：刘文娟基于半导体制冷片的笔记本电脑、投影仪散热研究谢鹏(中国石油大学（华东）机电工程学院过程装备与控制工程)摘要：针对目前笔记本电脑、投影仪采用常规风冷散热法效率低，噪音大，机箱无法密封易造成尘土进入的问题，研究了把半导体制冷片用于笔记本电脑、投影仪散热的一种实用方法。关键词：半导体制冷片；笔记本电脑散热；投影仪散热；防尘；磁性液体材料密封；1 引言随着集成电路制造技术及工艺的不断提高，近年来，笔记本电脑、投影仪朝着微型化方向迅猛发展。但在笔记本电脑、投影仪性能不断提高的同时也伴随着发热量不断增大，防尘防水技术落后等问题，这些现象引起了业界的广泛关注。过热，进水，尘土堆积等原因引起笔记本电脑、投影仪损坏占很大比例。照这样发展下去，将严重影响笔记本电脑、投影仪的稳定性、可靠性和使用寿命，进而阻碍笔记本电脑、投影仪技术的发展进程。目前普遍采用风冷法对笔记本电脑、投影仪进行散热，它是在CPU芯片和投影仪灯上安装带有轴流风扇的散热器，风扇旋转强迫空气对流带走热量。这种散热方式具有结构简单、价格低廉的优势。但散热能力有限，最多只能排出CPU和投影仪发热量的60，而且无法防止粉尘进入，需要定期清理粉尘。随着性能更强大的CPU、投影仪灯不断推出，这种CPU、投影仪散热方式已经接近极限能力。为使CPU、投影仪发挥最佳性能并保证其可靠性，研究实用高效的笔记本电脑CPU、投影仪冷却方法成为科技工作者十分重要而紧迫的任务。鉴于以上原因，本文研究了利用半导体制冷器来提高笔记本电脑CPU、投影仪散热能力的一种实用方法。2半导体制冷片2.1制冷原理半导体制冷，又称电子制冷、温差电制冷、热电制冷或珀尔帖制冷等，它是利用塞贝克效应的逆效应珀尔帖效应达到制冷目的。原理是热量转移，当接通直流电时，半导体的冷面温度迅速降低，而热面温度迅速上升，从而利用冷面的相对低温达到降低温度的目的。 半导体制冷原理图2.2半导体制冷片优点 其优点是：结构简单、体积小、重量轻、工作环境要求低、无制冷工质、无振动、无污染、启动快、控制灵活、组装简单、寿命长、可靠性高、便于维修。缺点是：制冷效率低、容易因冷面温度过低使CPU、投影仪电路板结露而导致短路故障。2.3安装图解半导体制冷片安装图2.4使用方法 按照半导体制冷片的安装要求，除了使用导热块外，应先将半导体制冷片、导热块、散热器及风扇预先制成部件；其中导热块与散热器之间放置半导体制冷片并用四个尼龙螺丝固定。（其各个表面均需涂抹导热硅脂。）然后才能将组件安放到CPU上。由于CPU的功耗一般在1520W左右，因此半导体制冷片不需加上全功率运行。（全功率运行时半导体制冷片吸热过度，易引起CPU凝露。根据经验在其上加5V电压时功耗大约16W；偏小。加8V电压时功耗大约30W；要另加电源。）接通直流电源后，电子由负极(-)出发，首先经过 P 型半导体，在此吸收热量，到了 N 型半导体，又将热量放出， 每经过一个NP 模组，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。下图是一个致冷器的典型结构，由许多 N 型和 P 型半极体之颗粒互相排列而成， 而 N P 之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后用两片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。 半导体制冷器给我们带来散热新概念，使CPU的温度进一步得到控制。随着夏日的来临，环境气温的升高，超频爱好者都想进一步改善CPU的散热条件 半导体制冷器在通电的情况下，两端极板会产生一定的温差，人们正是利用它的冷凝面为CPU提供一个低温环境。制冷倒是效果非常明显，使用在CPU上绰绰有余。大家知道CPU工作时温度越低越好。很多文章都谈到CPU散热是否良好是超频能否成功的一个关键因素。一般通过用大风扇、涂导热硅脂等来改善CPU的散热条件，但这些方法都不可能使CPU的温度低于室温。这里谈到的半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。一般CPU的发热功率大的在60W间，而制冷器的功率则大于60W，如果散热良好，它完全可能使CPU工作在接近0甚至0以下。半导体制冷器的用途很多，可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮水机等。也用于电子器件的散热。目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件。以市面常见的TEC1-12605为例，其额定电压为：12v，额定电流为5A，最大温差可达60摄氏度，外型尺寸为4X4X0.Cm，重约25克。它的工作特点是一面制冷而一面发热。接通直流电源后，电子由负极(-)出发，首先经过P型半导体，在此吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模组，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。制冷片的安装及使用很简单。在安装前，最好准备一点导热硅脂，然后，找一节干电池，接在制冷器两根引线上，就可感到一端明显发凉而另一端发热，记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。如果想得到更大的制泠量,建议采用二级制冷方式,即用两片叠起来用,上面一块的冷面吸收下面一块的发热,实验证明二级制冷比单级效果好得多,如果有条件可以选三级的,当然要有大功率电源支持。正式安装时，在制冷器两端均匀涂上导热硅脂，在CPU与散热器之间插入制冷片，请注意先试好的冷热面方向，冷面贴着CPU，热面与强力的(功率越高越好)散热片接触。然后想法固定好三者。要注意风扇的卡子不能太短，否则会很难固定。固定好后，就可以给制冷片和风扇接上电源了(一定要注意极性)，如果你机箱电源功率小于230W，我劝你别接到机箱电源上，否则有可能因电源功率不足，造成电脑无法正常工作。推荐使用外接的12V左右的电压，在此电压下制冷片的制冷量和冷热面温差都比较合适。2.5注意事项、注意热端的散热。半导体制冷的热面温度不应超过60，否则就有损坏的可能。若在额定的工作电压（12V）下，一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力，容易造成制冷片过热损坏。同时千万不要在无散热器的情况下为致冷器长时间通电，否则会造成致冷器内部过热而烧毁。2、电脑电源功率问题。制冷片的功耗可能高达70W，这样大的负载无疑有可能会让质量不好的计算机电源发生问题.所以请玩家使用时确认一下机箱电源是否够用,如果不能达到制冷片的电流就会影响制冷效果,所以电源也是制冷效果的关键.!3、注意机箱的散热。很显然，制冷片在降低CPU温度的同时，其热端的发热也相当大，可能导致机箱内温度升高，影响其他部件的工作。所以要注意机箱的散热，不妨在机箱适当位置再加一个散热风扇。3对笔记本电脑、投影仪进行全密封的研制3.1磁性液体磁性液体旋转轴动密封是一种非接触式密封(即动件和静件没有直接接触)，其工作原理是：由环状永磁体，导磁极靴和导磁转轴构成闭合磁路，利用永磁体中的磁能，在转轴与极靴极齿顶端的齿形间隙中产生强弱相间的非均匀磁场，将磁性液体紧紧吸住，形成磁性液体“O”型密封环，把间隙堵死，从而达到密封的目的。磁性液体目前最广泛的应用是动态密封，特别是用于封真空、封气体或用于防尘等。例如x射线衍射仪的转靶的真空密封、气流分级系统的防尘泄漏等等。磁性液体密封适用领域：a.防尘密封：硬盘(hard disk)、气流粉碎(分级)机等。b.真空密封：电子显微镜、电子衍射仪、CVD装置、单晶炉、真空加热炉等。c.气体密封：可用于多种气体密封的场合(如煤气风机转轴部位)。其它应用；直接替用：特别设计的密封连接器具有多种外形和尺寸，可以直接在多种系统中使用，替代原有装置。特殊要求：a.对于特殊场合应用，可提供特别设计。b.可按原系统结构进行改造设计。c.可提供更大负载能力型号。d.可加水冷，满足更高使用温度。主要特点：a.无磨损，因为磁性液体具有液体的性质，并且由于基液具有润滑性，所以还可起润滑作用。b.密封度好，用于真空时可以达10-5Pa，现我们正努力实现10-7Pa的目标。c.无泄漏。磁性液体密封器件使用简单，基本不改变原有机械结构，我们可以提供磁性液体的密封设计。3.2磁性液体在密封上的应用由上可知，利用半导体制冷器对CPU芯片、投影仪进行散热。无疑是一种提高芯片、投影仪散热能力的较好方法。但是半导体制冷器冷面温度达到露点温度时，与其紧密接触的CPU芯片、投影仪电路板将会结露，从而产生短路危险。这个问题制约了半导体制冷器在CPU芯片、投影仪散热方面的推广运用。为确保空气中所含水分不在CPU芯片、投影仪电路板表面凝析出来，我们提出了对笔记本电脑、投影仪进行全密封的方案。利用磁性液体材料填充在笔记本、投影仪外壳接缝等处，使笔记本电脑、投影仪工作时处于全密封状态，杜绝了因有通风口而造成的尘土、水进入等问题，而且空气中的水分无法进入，能保证CPU、投影仪电路板等的干燥，不会产生结露现象。4结语本文研究了把半导体制冷器用于CPU芯片、投影仪的散热，提出的对笔记本电脑、投影仪进行全密封的方案，用以防止结露，是一种实用有效的方法，对确保CPU、投影仪的安全运行是非常有益的。方案除半导体制冷片的固有优点外还具有如下显著特点：(1)控制简单、成