CN1509516A - 具有增强的电池寿命和冷却的便携电子器件 - Google Patents

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Abstract

在电子器件(100)中电池寿命和冷却得到了改善。热电模块(106)和相位变化材料模块(108)放置在电子器件中接近热源(102，104)的位置。热电模块(106)和相位变化材料模块(108)将电子器件上要冷却的表面隔离。热电模块响应热电模块上相反表面处的温差而产生电流。相位变化材料模块增强或限制热电模块所受的温差。热电模块所产生的电流用于为电子器件的电池(100)充电。

Description

具有增强的电池寿命和冷却的便携电子器件
技术领域
本发明一般涉及便携电子器件，尤其涉及具有可充电电池的便携电子器件。
背景技术
便携电子器件已成为现今社会的常用物品。这些电子器件包括音频娱乐装置、计算机、个人数字助理、无线电话和许多其它器件。由于这些器件的便携特性，需要使用电池为电子元件提供电能。当然，因为在充电前电池的可用时间有限，所以增强与便携电子器件有关的电池的寿命极其重要。特别地，电池寿命对于象无线电话这样的复杂通信器件来说非常重要。
已经提出了许多种增强便携电子器件电池寿命的解决方法。常规地，这些方法寻求减少电子器件所用的电能。在一些情况下，根据器件的功能减少功耗。例如，一些电子器件的电路在“备用”模式下会关机，这时某些功能是不需要的。另外一些情况下，将电子元件设计成降低功耗的方式，例如，通过使用CMOS技术和其它低功耗技术。不幸的是，这些技术本身并不能消除对额外的低功耗以增强电池寿命的需要。事实上，对功能需求的增长速度与低功耗技术的发展一样快。
便携电子器件散发热量。当其功能增加时使得便携器件的电子电路增加，所释放出的热量也趋于增加。便携电子器件中的散热经常使用户感到不适。例如，一些无线电话所散发的热量足够使用户在使用电话时导致耳部不舒服。对用户来说这显然是不希望的。此外，特别是在小型电子器件中的散热可能导致超过所希望的器件工作温度。
因此，存在对具有增强的电池寿命和改善的冷却的便携电子器件的需要。
附图说明
图1是原理图，示出具有增强的电池寿命和冷却的电子器件的优选实施例的侧视图；
图2是原理图，示出可替换的具有增强的电池寿命和冷却的电子器件的优选实施例的侧视图；
图3是原理图，示出另一可替换的具有增强的电池寿命和冷却的电子器件的优选实施例的侧视图。
具体实施方式
总的来说，根据本发明的电子器件包括冷却器件。冷却器件与电子器件内已有的热源，例如安装有散热电子元件的印制电路板连接。冷却器件包括热电模块和相位变化材料模块。
在优选实施例中，热电模块的一个表面放置在器件外罩的外表面附近而热电模块的相反一侧与相位变化材料模块相邻放置。相位变化材料模块放置在热源附近。热电模块将热量转换成电量，其作为热电模块的两个表面之间的温度差分的函数(function)。相位变化材料存储热量，将电子器件的温度限制在稍高于相位变化材料的熔化温度的那个点上。而且，相位变化材料在热源产生热量时和热源冷却后的一段时间内保持通过热电模块的温度差异。
在可选实施例中，热电模块的一个表面放置在热源附近而热电模块的相反一侧放置在相位变化材料模块附近。相位变化材料模块放置在电子器件的外表面附近。如上所述热电模块将热量转换成电量，其为热电模块的两个表面之间的温度差的函数。一方面，相位变化材料吸收热量以限制电子器件的表面温度，另一方面，增强通过热电模块的温度差异。
优选地，热电模块与电子器件中的电池相连，这样热电模块产生的电流被用作给电池充电。在电池与热电模块之间接入一个二极管，当热电模块不提供充电电流时可用以阻止电池放电。另外地，在热电模块和电池之间连接一个整流器，利用正负温差，在电子器件处于工作和不工作时都可为电池充电。
图1为原理图，示出具有增强的电池寿命和冷却的电子器件100。优选地，电子器件100是无线电话，寻呼机，个人数字助理，计算机或其它便携电子器件。
电子器件100包括印制电路板(PCB)102，其部分侧视图在图1中示出。印制电路板102包括电子元件104，它以本领域技术人员熟知的方式执行电子器件100的功能。电子元件104在正常工作时散热。因此，作为电子器件100正常工作的结果，印制电路板102和电子元件104在电子器件100的内部提供自然的热源。
热电模块106紧邻印制电路板102安装。热电模块106也安装在相位变化材料(PCM)模块108的相邻位置。热电模块106将热量转换叫电量。特别地，第一表面114和相反的第二表面116之间的温度差异导致热电模块106外罩内所包含的P型材料118和N型材料120的冷热结点有电流产生。P型电极122与P型材料118相连并为热电模块106提供外部连接。N型电极124与N型材料120连接并为热电模块106提供外部连接。
PCM模块108是相位变化材料的容器。在一段时间内，PCM材料几乎等温地吸收热量。因此，在电子器件100的工作期间，PCM模块108趋于维持热模块106的第二表面116上的温度几乎为恒温。
充电电池110提供给电子器件100以为电子器件100内的电子元件104供电。电池110与热电模块106相连以接收热电模块106产生的电量。特别地，N型电极124与电池110的负极相连，而P型电极122通过二极管112与电池110的正极相连。二极管112阻止电流从电池反向泄漏。电池110可以是电池充电、调节和保持系统的一部分，在此，为简单起见不包含其细节。在使用充电系统的地方，来自热电模块106的充电电流流入电池充电系统，以本领域技术人员熟知的方式为充电电池110使用。
工作时，印制电路板102和元件104在电子器件100的正常工作期间提供热源。该热源集中在热电模块106的第一表面114处。PCM模块108与热电模块106的第二表面116相邻。PCM模块108帮助热电模块106的第二表面116维持在比热电模块106的第一表面114的温度较低的温度。由于第一表面114和第二表面116的温度差异，P型材料118和N型材料120之间产生电流并经置于P型材料118和N型材料120之间的电极126传递。分别与P型材料和N型材料相连的电极122和124与电池110操作地相连，在电子器件100工作时的一段时间里对电池110进行充电。除了保持表面116处的温度，PCM模块108还保持电子器件100的外表面上的冷却。
优选地，PCM模块108具有一个由金属片或其它可弯曲的金属材料制成的壳体。优选地，在PCM模块108的壳体内部形成固体/液体PCM和例如蜂窝或泡沫的增热物。优选地，热电模块106通过可在低温下连接的超声波焊接或压接使其依附于PCM模块108上。
优选的相位变化材料是铟银焊料，其组份是49的Bi(铋)，21的In(铟)，18的Pb(铅)和12的Sn(锡)。铟银焊料136的热电特性在下面的表1中给出。用于某些厚度下PCM的铟银焊料136的熔化时间在下表2中给出。优选的PCM材料可选为有机烷烃(organicparaffin)。
表1
    热电特性
    Tm(deg-C)     58
    K(W/m-K)     10
    密度     9001
    比热，固体(J/kg-K)     323
    比热，液体(J/kg-K)     721
    平均比热(J/kg-K)     522
    熔化潜热(J/kg)     28900
    热扩散率     2.12833E-06
表2
    PCM厚度(m)     熔化时间(分钟)*
    3.00E-03     8.391238056
    5.00E-03     13.98539676
    6.25E-03     17.48174595
    1.00E-02     27.97079352
*假设无热损失且为理想的热连接
优选的相位变化材料的熔点被选择为与被冷却的器件可承受的温度一样高。通常，相位材料熔点低于器件最大工作温度。
优选的热电模块可从新泽西州，特伦顿的Melcor获得。优选的热电模块由个多p-n Bi2Te3热电偶组成。每个热电偶具有一个P型和一个N型元件。该元件是具有方形截面的拉长铁锭的形状，垂直安装在两个导热铝盘130之间，如图1的原理性所示。铝盘130用于散热(heat sink)并为器件提供机械完整性。电极模式较好地由两个铝盘的内表面所限制，以便将热电偶串联起来使热电模块的输出最大。优选热电模块从由0.2厘米长和0.1厘米宽的热电偶254组成的Melcor中选出。优选的热电模块为3厘米宽、6厘米长、0.4厘米高。另外，可以使用任何合适的热电模块。
优选的热电模块106通过例如粘接、焊接或通过用和螺纹紧固件提供夹紧压力的加压接触面来与热源附着在一起。优选地，热电模块106连接到电子器件100中最热的热源附近。例如，在电子器件100是无线电话的情况下，热电模块应放置在该与无线电话中的主控振荡器或功率放大器邻近的位置。
图2示出具有增强的电池寿命和冷却的电子器件200的可替换的优选实施例。电子器件200包括参考图1所介绍的PCM模块108和热电模块106。电子器件200还包括整流器202，其可对来自热电模块106的正或负电流进行整流以用于为电池110充电。任何合适的整流器例如，全波整流器就足够了。整流器202可选方案包括二极管和开关，其中，可选择地，开关允许电流基于器件是否打开而流通。工作时，由于热源(PCB102和元件104)和与PCM模块108相邻的表面之间的温差，电子器件200经热电模块106向电池110提供充电电流。这与电子器件100提供的充电类似。更优越地，当电子器件200关闭时，由于标称温差的出现，电子器件200还向电池110提供充电电流。更特别地，如果热电模块106的第一表面114比热电模块106的第二表面116更冷时，当温度梯度处于相反方向时，可产生与已产生的电流极性相反的电流。在电流已被整流器202整流之后，整流器使用这个相反极性的电流为电池110充电。
图3示出具有增强的电池寿命和冷却的电子器件300的另一个可选的优选实施例。电子器件300与电子器件100类似，并包括带有电子元件104的印制电路板102、PCM模块108和热电模块106。但是，热源、PCM模块108和热电模块106之间的空间关系与前述不同。具体而言，PCM模块108与热源，也就是PCB102和电子元件104相邻放置。热电模块106的一个表面与PCM模块108相邻而相反的那面靠近电子器件300的外表面。热电模块106与二极管112和可充电电流110连接，其配置关系与图1中所示类似。
印制电路板102和元件104在电子器件300的正常工作期间提供热源。这个热源集中在最靠近PCB102的PCM模块108的表面。PCM模块108从热源吸收并存储热量，并使PCM模块108相对于热源的一面的温度保持在稍低于PCM模块材料的熔点之下。这个温度大约是与PCM模块108相邻的热模块106的表面温度。热电模块106的相反一面靠近电子器件300的外表面，该外表面暴露在环境温度之下。因此，热电模块106的相反表面之间的温差引起热电模块106产生充电电流。有利的是，当电子器件300关闭时，尽管热源冷却，PCM模块108仍将其温度维持一定的时间。其结果是，热电模块106相反表面的温差，因而充电电流也会在电子器件300关闭后维持一段时间。注意，在工作和关闭期间，充电电流具有相同的极性工作。
有利的是，本发明在电子器件工作期间，甚至在一些空闲时间里为电池充电。这实质上增强了电池寿命。由电子器件的散热为电池充电。尽管电子器件中有散热，器件的表面通过热电模块和相位变化材料的传递而冷却。使用者接触面经过相当多的相位变化材料模块的热容和热源与使用者接触面之间的一系列热阻来保持接触凉爽。
因此，尽管对本发明作了描述，应当明白，对相同的内容可以由不同的变化。这些不同的变化不应当看作是背离本发明的精神和范围，并且所有这些修改应包括在权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种用电子器件，其包括：
电子电路；
热电模块，靠近电子电路放置；和
与所述热电模块相连的相位变化材料。
2.如权利要求1所述的电子器件，进一步包括：
与热电模块相连的电池。
3.如权利要求1所述的电子器件，进一步包括：
与热电模块相连的整流器；和
与整流器相连的电池。
4.如权利要求1所述的电子器件，进一步包括：
与热电模块相连的二极管；和
与二极管相连的电池。
5.如权利要求1所述的电子器件，进一步包括：
热源，用于在电子器件在正常工作期间对热电模块的一个表面加热。
6.如权利要求5所述电子器件，其中所述热源包括：
印制电路板和至少一个电子元件。
7.如权利要求1所述的电子器件，其中所述相位变化材料具有由可弯曲金属材料制成的外壳。
8.如权利要求1所述的电子器件，其中所述相位变化材料具有低于电子器件最大工作温度的熔点。
9.如权利要求1所述的电子器件，其中所述热电模块包括至少一个具有带有平行四边形截面形状为拉长的锭块的Bi2Te3热偶。
10.如权利要求1所述的电子器件，进一步包括：
器件外罩，用于容纳电子电路、热电模块、和相位变化材料。
11.如权利要求10所述电子器件，其中所述相位变化材料比热电模块更接近器件外罩的外表面。
12.如权利要求11所述的电子器件，其中所述热电模块附着于电子电路上。
13.如权利要求12所述电子器件，其中所述相位变化材料附着于热电模块上。
14.如权利要求10所述电子器件，其中所述热电模块比相位变化材料更接近器件外罩的外表面。
15.如权利要求14所述电子器件，其中所述相位变化材料附着于电子电路上。
16.如权利要求15所述电子器件，其中所述热电模块附着于相位变化材料上。
17.一种用于为电子器件中的电池进行充电的方法，所述方法包括步骤：
使电子器件工作以产生热量；
将来自电子器件的热量转化为电量；
在电子器件内部使用相位变化材料以控制转化为电量的热量数；
和
使用电流对电池进行充电。
18.如权利要求17的所述方法，其中在将电子器件所产生的热量转化为电量的步骤中使用所述热电模块。
19.如权利要求18的所述方法，进一步包括甚至在电子器件关闭时将热量转化为电量的步骤。
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