维普资讯 http://www.cqvip.com 《现代电子技术》２０Ｏ２年第８期总第１３９期 收稿日期：２００２—０５—２８ 新类型ＣＰＵ散热器的物理原理 Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｉｕｍ ａｂｏｕｔ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ＣＰＵ Ｃｏｏｌｅｒ 姚荣辉 （西安电子科技大学李存志 西安７１００７１） ＹＡＯ Ｒｏｎｇｈｕｉ，ＬＩ Ｃｕｎｚｈｉ （Ｘｉｄｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ，７１００７１，Ｃｈｉｎａ） 摘 要：介绍两种散热器——半导体致冷散热器及量子管道致冷散热器的物理原理。 关键词：帕尔帖效应；制冷芯片；最大制冷系数 所有的电子电器产品需要电力才能运作，在运作 的同时其消耗的电力当中一部分转为动能，而另一部 分就会转为热能，也就是所谓的“废热”。过高的废热 会影响电子电器产品的正常运作，但是废热的产生却 又是无法避免的。对于高精密的中央处理器（ＣＰＵ）而 言，更为敏感。随着ＣＰＵ频率的升高，传统的风冷方式 已经到了极限，新型的ＣＰＵ散热器必须亦必然诞生。 １半导体致冷——帕尔帖效应（Ｐｅｌｔｉｅｒ Ｅｆｆｅｃｔ） １９３４年法国人帕尔帖发现：当电流流经２个不同 导体材料的性能达到国际水平，６Ｏ年代末至８Ｏ年代初 是我国半导体制冷器技术发展的一个台阶。在此期间， 一方面研究半导体制冷材料的高优值系数，另一方面 拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量 的人力与物力，获得了半导体制冷器。因而才有了现在 的半导体制冷器的生产及其二次产品的开发和应用。 这里谈到的半导体制冷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的发热功率小 于３Ｏ ｗ，而制冷器的功率则大于５Ｏ ｗ，如果散热良好， 它完全可能使ＣＰＵ工作在接近０。Ｃ甚至０ Ｃ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： １２ Ｖ，额定电流为５ Ａ，最大温差可达６Ｏ ｌＣ，外型尺 寸为４ ｃｍ×４ ｃｍ×０．４ ｃｍ，重约２５ ｇ。它的工作特点 是一面制冷而一面发热。 导体形成的接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸 热由电流的大小来决定。 Ｑ—ａＴＩ 式中：Ｑ为放热或吸热功率；ｎ为温差电动势率； 丁为冷接点温度；Ｉ为工作电流。 帕尔帖效应制冷也叫温差制冷，它是建立在帕尔 帖效应的原理基础上。早在１９世纪初期帕尔帖就发现 铋一锑组成的热电偶，其效应很显著。塞贝克也收集 了少量的半导体材料，都因温差电动势数值太小，无 实用价值。因此，帕尔帖效应发现后的一百多年里，这 个效应一直无法得到应用。 接通直流电源后，电子由负极（一）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Ｎ—Ｐ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。 直到本世纪５Ｏ年代，苏联科学院半导体研究所约 飞院士对半导体进行了大量研究，于１９５４年前发表了 研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效 果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今 还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的 理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究，到６Ｏ年 代半导体制冷材料的优值系数已达到相当水平，才得到 大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷器件。 我国半导体制冷技术始于５Ｏ年代末６Ｏ年代初。在 国际上也是比较早的研究单位之一。６Ｏ年代中期，半 如图１是一个制冷器的典型结构，由许多Ｎ型和 Ｐ型半导体之颗粒互相排列而成，而Ｎ—Ｐ之间以一般 的导体相连接而形成一完整线路，通常是铜、铝或其 他金属导体，最后用２片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。 ２量子管道制冷 当两种不同的导体接触时，一种导体作为冷端释 放电子，另一导体作为作为热端接受电子，这也是一 ２１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 单片机在人工气候箱智能控制器中的应用 个热量的传递过程，接触面上积累了大量电子，阻碍 效应发挥到了极限。 了这一过程的继续。如果两个导体距离是纳米级的， 那么电子就可根据量子力学的隧道效应穿越势垒，回 到冷端继续这一过程。冷端越来越冷，热端越来越热， 这是量子管道制冷的原理，用这种方法可以制成高效 Ｐｅｒｃｅｎｔ ｃ 的制冷芯片－－ＣＯＯ１ ｃｈｉｐ。 Ｐ （ 直流电源 图１制冷器的典型结构 日前，Ｂｏｅｉｎｇ公司完成了对Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ制冷技术 的评测工作，结果表明，它比目前传统的珀耳帖效应 囊 制冷技术更有效。运用量子力学原理的Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ将成 麓 为最新一代的制冷技术，它更轻、更有效。Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ 囊 技术采用的是真空二极管架构，利用电子将热量通过 真空二极管传出。它可以把热量从芯片上抽出，从而 囊 起到散热制冷的效果。此技术采用的是固体散热法，既 没有电机带来的噪音，又不像弗利昂液体带来的污染。 图２ ｃｏｏｌ ｃｈｉｐ的工作不意图 由于Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ非常小巧、轻便、有效，它的应用 范围将更加广泛，ＰＣ制冷只是它显示自己皮毛工夫 的地方。Ｂｏｅｉｎｇ公司表示Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ可以被广泛的应 用到飞机、导弹、火箭发动机、卫星运行等高技术领 域，它的成本却相当低廉。 图３是量子管道散热器（ｃｏｏｌ ｃｈｉｐ）的最大制冷系 数（ｃａｒｎｏｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ），与帕尔帖（ｐｅｌｔｉｅｒ）效应制冷 器以及压缩式制冷器（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ）的最 大制冷系数的比较。传统散热器散热效果如图４所示。 量子管道散热器散热效果如图５所示。 由于热源和冷端采用了缝隙架构，所以回路带出 的热量（灰箭头）将被消除，这也使Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ的散热 ２２ Ｃａｒｎｏｃ Ｅｍｃｉｅｎｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ） 图３制冷系数对比图 嚣 ＨＯｔ Ｓｉｄｅ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｌｌｏｗ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ Ｈｅａｔ（ｒｅｄ ａｒｒｏｗｓ）ｔｏ ｆｌｏ，ａ ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｔｏ ｍｉｇｒａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 图４传统散热器散热效果 Ｈｏｔ Ｓｌｄｅ 藜 鬻 Ｃｏｌｄ Ｓｌｄｅ Ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ａ ｇａｐ ｔｈｅ ｒｅｔｕｒｎ ｐａｔｈ ｆｏｒ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｈｅａｔ（ｒｅｄ ａｒｒｏ￣ｓ）ｉｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ｍａｋｉｎｇ Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐｓ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｅｉｌｑｃｉｅｎｔ 图５ 量子管道散热器散热效果 １ ｉｎ。（１ ｉｎ。一６４５．１６ ＹＩ］Ｉｌｌ：）大小的Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ装置 已经足够供１台冰箱使用了，２ ｉｎ。大小的Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ可 以等同于１台为起居室散热的空调，５ ｉｎ。大小的产品 就可以制冷整个房子了，大家想想用它制冷电脑又如 何呢？ ３ 结 论 这两种散热器有体积小的优点，是未来散热器发 展的方向，但是要将热端（Ｈ（）Ｔ ＳＩＤＥ）的热量带走， 还需另外使用机械散热的方式，否则热端的温度太高， 维普资讯 http://www.cqvip.com 《现代电子技术》２００２年第８期总第１３９期 收稿日期：２００２—０６—２８ 单片机在人工气候箱智能控制器中的应用 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＣＰ ｉｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｂｏｘ 任克强 张健超。 胡生西 ＲＥＮ Ｋｅｑｉａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎｃｈａｏ ．ＨＵ Ｓｈｅｎｇｘｉ （１南方冶金学院信息工程学院 赣州 ３４１０００ ２赣州市自来水公司 赣州 ３４ｌＯＯＯ） （１ Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，３４１０００．Ｃｈｉｎａ； ２ Ｇａｎｚｈｏｕ Ｔａｐ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．３４１０００．Ｃｈｉｎａ） 摘 要：设计了一种基于ＡＴ８９Ｃ５２单片机的人工气候箱智能控制器，介绍了该系统主要硬件和软件的设计及实现 方法。 关键词：ＡＴ８９Ｃ５２单片机；人工气候箱；温度控制；湿度控制；照度控制 １概述 人工气候箱的主要技术指标为： 控温范围：有加湿时为２０～４５。Ｃ；无加湿时为１０ ～４５。Ｃ（无加湿又无光照时连续工作不超过１２０ ｈ，控 温下限可控制在４～１０。Ｃ范围内） 控湿范围：５０ ～９５ 湿度波动性允差：±１０ （当箱内温度２５。Ｃ，箱 内湿度８０ 以上时） 温度波动性允差：±１．５。Ｃ 温度均匀性允差：±２。Ｃ 用计算机辅助农业生产，模拟自然环境中与植物 生长有关的温度、湿度和光照等因素，创造局部人工 气候；以寻求各种农作物的最佳生长条件，探索植物 的生长、发育规律。将使农业获得高产，保证产品优 质，提高农业生产的经济效益。在计算机辅助农业生 产中，人工气候箱是农业科学研究的有效工具之一，它 是具有光照、加湿功能的高精度冷热恒温设备，为用 户提供了一个理想的人工气候实验环境。人工气候箱 不仅可用作植物的发芽、育苗、组织细胞、微生物的 培养；还可用作昆虫、小动物的饲养，水体分析的ＢＯＤ 温度越限报警：±４℃ 光照度：三级可调，全光照时≥３ ０００ ｌｘ 测定以及其它用途的人工气候试验。它的用途广泛，是 生物遗传工程、医学、农业、林业、环境科学、畜牧、 水产等生产及科研部门较理想的试验设备。 ２系统硬件设计 根据人工气候箱的控制要求，该控制器采用 ＡＴＭＥＩ 公司生产的片内带８ ｋＢ闪速存储器的高性 米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米来来 就要烧毁制冷元件。这不代表后两种散热器没有应用 意义，将冷端温度降至冰点，就是将ＣＰＵ温度降至冰 点，这是机械散热器无论如何做不到的。 参 考 文 献 １ ｈｔｔｐ：ｌｌｗｗｗ．ｃｏｏｌｃｈｉｐｓ．ｇｉ／ｓｌｉｄｅｓ／ｔｅｃｈ／ｆｒａｍｅＯ１．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐ ｜｜ ．ｃｏｏｌｃｈｉｐｓ．ｇｉ／ ｈｔｔｐ：／／ｂｉｚ．ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ／ｂｗ／Ｏ２Ｏ５ｌ４／ｌ４２ＯＯＯ ２．ｈｔｍｔ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｏｏｌｃｈｉｐｓ．ｇｉ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ａ－－ＶＳ— Ｐ．ｓｈｔｍｌ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｓｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ／ｃａｉｌｉａｏｘ／ｋｅｃｈｕａｎｇ— ｘｉｅｈｕｉ ｚｌｉＳ．ｈｔｍ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｂｏｕｔ ｔｗｏ ｋｉｎｄ ＣＰＵ ｃｏｏｌｅｒ，ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｏｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗｌｙ ｃｏｏｌ ｃｈｉｐ ｃｏｏｌｅｒ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｌｔｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ；ｃｏｏｌ ｃｈｉｐ；ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ 作者简介 姚荣辉 男，在职研究生，主要研究方向为贝纳姆彩色的成因。 李存志 男，副教授，主要研究方向为量子力学的虚粒子解释。 ２３