一种自动调节散热系统及方法

1.本发明涉及散热器设计技术领域，尤其是涉及一种自动调节散热器及方法。


背景技术：

2.目前，由传感器控制的自动控温设备已广泛的应用于各个领域。此类控温设备通常包括外壳、传感器、控制器、执行器、执行设备等。传感器粘贴在被控温设备上，将得到的温度传给控制器，控制器对执行器发出命令，执行器驱动执行设备工作。
3.树莓派等微型电脑由于需要兼顾性能与便携性两方面要求，体积小巧，芯片密集，因而容易出现热量不容易散出的问题，长时间的运行，温度升高会导致cpu降频。因此目前迫切需要一款能够对树莓派散热进行散热的设备，实现对树莓派的散热，且要满足便携性要求。
4.申请号为cn201810392478.1的专利公开了一种相变材料和液冷相结合的计算机中央处理器散热装置，基座下部内设有水泵层，中部内设有热通道层，热通道层与水泵层之间通过水泵口连通，水泵层内装有水泵扇，热通道层上面装有热通道板，热通道层上设有v形挡板、热通道层底座凹槽，v形挡板一侧设有冷却液出口、另一侧设有冷却液入口，热通道板由密集散热片、相变材料层、导热金属板构成，密集散热片通过相变材料层固定在导热金属板上，相变材料层中设有相变材料容纳空腔，热通道板通过热通道密封橡胶圈嵌入热通道层底座凹槽与热通道层密封连接。
5.该方案使用水冷散热系统进行散热，水冷散热存在无法实现温度的准确控制的缺点，且并没有采用控制器加以控制，水冷散热一旦通电就一直工作。采用水冷散热装置体积较大，还需要额外接入供水装置，无法满足树莓派等微型电脑对于便携性的要求。
6.现有用于对树莓派等微型电脑的调温设备存在如下技术问题：
7.1)现有的调温设备普遍采取二值式控温算法，其只设有两种状态开或者关，其工作过程为提前设定一个温度阈值，当传感器测量的温度超过这个设定的温度阈值时，控制器会控制执行器对执行设备进行工作，执行设备按照最大功率工作，一直到传感器温度降低到设定的温度阈值以下时，控制器会控制执行器对执行设备暂停工作。整个运行过程如上这样循环。只能等到高于设定的阈值温度时进行工作，低于设定的阈值温度时停止工作，无法实现准确的控温。且如果发热量只是刚刚超过阈值时，采用二值式控温算法会造成执行设备连续的开启和关闭，减少执行设备的使用寿命。
8.2)传统对树莓派等微型电脑调温设备，只使用单一传感器，只能测量一个点的温度，无法对整个设备的温度进行合理估计。这样由于采集的温度与实际的温度偏差较大，会导致最后的控温效果不够理想。
9.3)传统对树莓派等微型电脑调温设备，控温过程不够灵活。传统对树莓派的调温设备，程序多是提前设定好的，一旦程序设定好变无法再去干预调节过程，如果在某个使用环境中噪声不能过大，及用减少执行器的输出功率而降低噪声。在这种情况下，传统的树莓派调温设备只能再次更新控制器的程序达到需要降低噪声的效果。这样随着使用环境的不
同而不断更新控制器程序较为麻烦，不够灵活。


技术实现要素：

10.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自动调节散热器及其散热方法。
11.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
13.1)本发明采用的铝基一体化均温散热器采用真空腔散热技术，使得热量在二维平面上进行传导，导热效率更高，使得系统的散热效率更高。均温散热器的下半部分采用扁管折弯设计，在不阻碍接线的同时尽可能增大了与所需散热芯片的接触面积。上半部分采用漏斗形状设计，腔内还设有毛细管道，便于工质冷凝回流，增强了相变工质的散热效率。本发明的设计能够快速的截断热冲击，在较小的体积下具有优异的散热性能。
14.2)本发明提供的自动调节温度的散热方法，采用增量式pid温控的算法实现了对调温系统自动精确地控温，有效解决了传统调温系统采取的二值式控温算法不能实现精确控温且会减少执行设备寿命的问题。本发明采用的自动调温方法，减少了执行设备满负荷工作的时长，增加了执行设备的寿命，且如果发生故障时影响范围小、不会严重影响运行过程；在进行按键切换工作模式时，系统产生的冲击小，可实现无扰动切换。
15.3)本发明提供的自动调节温度的散热方法，采用多个温度传感器对不同发热源进行测温，对所得的各点温度进行加权求平均的算法，实现了对设备温度的合理估计。
16.4)本发明提供的自动调节温度的散热方法，加入按键调节的功能，有效的解决了一旦程序设定好便不能人工干预的问题，进而实现了通过按键选择控温模式的功能。
17.5)本发明采用将散热设备安装在外壳之内，上下壳体为整个系统提供了安装支架，又对树莓派4b主体进行了保护。减小了设备的体积，增加了设备的便携性。
附图说明
18.图1为本发明自动散热系统的结构分解示意图；
19.图2为本发明自动调节散热系统的俯视图；
20.图3为本发明自动调节散热系统a-a处的刨视图；
21.图4为本发明自动调节散热系统的主视图；
22.图5为本发明自动调节散热系统的上半壳的俯视图；
23.图6为本发明自动调节散热系统的上半壳的右视图；
24.图7为本发明自动调节散热系统的上半壳的主视图；
25.图8为本发明自动调节散热系统的上半壳的俯视图；
26.图9为本发明自动调节散热系统的上半壳的右视图；
27.图10为本发明自动调节散热系统的上半壳的主视图；
28.图11为本发明自动调节散热系统的下散热片的主视图；
29.图12为本发明自动调节散热系统的均温散热器的左视图；
30.图13为本发明自动调节散热系统的均温散热器b-b处的刨视图；
31.图14为本发明自动调节散热系统的均温散热器的立体图
32.图15为本发明自动调节散热系统的均温散热器上散热片放大图；
33.图16为本发明自动调节散热方法的程序流程图；
34.图中标号所示：
35.1、温度传感器，2、树莓派4b主体，3、均温散热器，4、侧出风扇，5、下散热片，6、下半壳，7、上半壳，8、控制主板。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
37.本实施主要采用对流主动散热加被动热传导散热，并且通过对机械结构和控制程序的合理设计，达到了良好的智能散热效果。
38.如图1-4所示，本发明提供一种自动调节散热系统，所述自动调节散热系统硬件包括一对ds18b20温度传感器1、树莓派4b主体2、铝基一体化均温散热器3、侧出风扇4、下散热片5、下半壳6、上半壳7、控制主板8。所述ds18b20温度传感器1采用to-92封装或其他贴片封装，使用导热硅脂黏贴在所述铝基一体化均温散热器3上；所述铝基一体化均温散热器3安装在所诉上半壳7凹槽内，采用导热硅胶黏贴；所述控制主板8安装在所述上半壳7的方形开口位置便于使用按键；所述侧出风扇4安装在所诉上半壳7风扇安装位，采用螺栓连接；所述下散热片5固定在下半壳6固定卡位；将所述两个ds18b20温度传感器1使用导线连接到所述控制主板8的接口位置。
39.上述部件安装完成后，所述铝基一体化均温散热器3与所述下散热片5，在与所述树莓派4b主体2接触的位置可以涂抹导热硅脂、相变导热硅脂或其他导热材料。
40.最后将安装完所有部件的所述上半壳7于所述下半壳6对照螺孔位置进行合拢，拧上螺栓，完成总装。
41.完成总装后整个散热系统由所述上半壳7与下半壳6包裹，成长方体，上下外壳为散热系统提供支架，也为所述树莓派4b主体2提供外壳保护。
42.如图5-7所示，所诉上半壳7根据所述树莓派4b主体2使用时可能需要的接口进行开孔设计，为安装散热设备进行凹槽设计。所诉上半壳7整体成长方形，投影面积与所述树莓派4b主体2的投影面积相近，并且螺孔位置保持一致，尽可能的保证设备安装后的便携性要求。
43.如图8-10所示，所述下半壳6根据需要安装的所述下散热片5进行开方形孔和卡扣设计，并且增加了脚垫，保障了安装后设备底部的空气流动。
44.如图11所示，所述下散热片5采用铝制材料，安装后为所述树莓派4b主体2背面进行热传导，被动散热。
45.所述下半壳6与上半壳7可采用聚乙烯、聚丙烯、abs、pa、聚苯乙烯等材料，使用注塑成型或3d打印成型。
46.如图11-15所示，所述铝基一体化均温散热器的下半部分，为防止阻碍所述树莓派4b主体2接线，所以下半部分体应尽可能的小。所述铝基一体化均温散热器3的下半部分采用扁管折弯设计，在不额外增加体积的情况下，尽可能增大了与所需散热芯片的接触面积。
所述铝基一体化均温散热器3的上半部分考虑到工质冷凝回流，采用漏斗形状设计。为加快冷凝在所述铝基一体化均温散热器3顶部增加了散热片。在本实施案例中所述铝基一体化均温散热器3采用散热片与导热腔一体设计。所述铝基一体化均温散热器3通过一次性抽真空、一次性充注液态相变工质及焊接封口即可完成腔体工质的填充，工艺较为简单。需要注意的是液态相变工质需要填充的体积，应该达到如图12中b-b剖面图中所示的阴影面积。
47.本实施方式中所述封闭腔体内为负压状态，由此，处于负压状态下的相变工质的沸点降低，从而有利于相变工质受热后的快速蒸发，及时进行散热。可以理解相变工质包括但不限于水、酒精。丙醇等。
48.所述铝基一体化均温散热器3上部分散热片有所述侧出风扇4提供流动空气，加强了所述铝基一体化均温散热器3的散热效果。需要注意的是，如图3所示，所述铝基一体化均温散热器3上散热片的高度与所述侧出风扇4的高度一致，所述侧出风扇4产生的气流可以流入所述铝基一体化均温散热器3的上散热片缝隙中。需要说明的是本案例中使用的侧出风扇型号为gdb5010，也可选用其他符合散热要求的侧出风扇。
49.所述控制主板含有稳压电源芯片，主控芯片，风扇电机驱动芯片，按键。本实施案例中对所述控制主板8采用10v直流供电，由lm7805稳压芯片将输入电压降压到5v，为控制器、温度传感器供电。本实施案例中选取的控制器是stc15w408as芯片，温度传感器是ds18b20，采用c语言编程。整个系统由控制器使用1-ware(采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的通信方式)单总线的通信协议采集双温度传感器ds18b20的数值，然后对两个温度值进行加权处理，再进行pid算法计算，得到pwm的大小，需要注意的是整个系统的控制器是通过pwm控制风扇电机转速。最后将pwm通过电路板上的导线传输给风扇电机驱动芯片。本实施案例中风扇电机驱动采用drv8833芯片。10v供电直接为驱动全桥芯片供电。
50.为实现自动控温的目的，本发明还为智能散热硬件系统提供了一套智能散热算法，所诉智能散热算法包括温度加权算法、pid(比例积分微分调解)自动控温算法、按键调解算法。
51.对采集的温度进行加权算法。加权算法通过对两个温度传感器的测量值进行加权求平均，进而可以估算出系统整体的温度，具体的计算公式如下：
[0052][0053]
temp是估算出的系统整体温度，temp1与temp2是两个温度传感器分别测量的温度，power1与power2是temp1与temp2分别对应的权重系数。通过对权重系数power1与power2的合理选择可以通过上算式估算出合理的系统整体温度temp。采用温度加权算法，可有效的去除错误的温度值，增强了控制温度的可靠性。
[0054]
进一步，系统的pid自动控温算法采取增量式pid算法。增量式pid算法具体的c语言程序如下：
[0055]
err[0]＝err[1]；
[0056]
err[1]＝err[2]；
[0057]
err[2]＝temp-temp_count；
[0058]
pwm＝(kp*(err[2]-err[1]) (ki*err[2] kd*(err[2]-2*err[1] err[0])))；
[0059]
数组err[0]、err[1]、err[2]作用是保存近三次的温度差值，其中err[2]的值是由(1)式中得到的估计温度值temp减去设定的理想温度值temp_count得到的。kp、ki、kd分别是比例系数、积分系数、微分系数。pwm(多种脉冲宽度调制)为计算出传递给驱动芯片的占空比。
[0060]
之所以采用增量式pid控温算法，是因为控制增量的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；故系统如果发生故障时影响范围小、不会严重影响运行过程；并且在进行按键切换工作模式时，系统产生的冲击小，可实现无扰动切换。整个系统的温度采集频率为每十毫秒采集一次，pid控制频率每隔五毫秒执行一次。
[0061]
如图16系统的运行程序流程图所示，控制系统有三种不同的工作方式，可以根据用户需要进行按键调节，对应的模式分别为：
[0062]
不考虑噪音情况下到达最大散热效果的强散热模式；
[0063]
不考虑噪声情况下的随温度变化进行调节的自动模式；
[0064]
需要低噪声的且随温度变化进行调节的安静模式；
[0065]
进一步地，控制系统开启后主板上控制器判断按键选择的工作模式，开机时默认自动模式，控制器采集两个温度传感器的温度，进行温度加权算法，再将温度加权算法计算后的值传送给pid自动控温算法，求得相应的pwm信号，最后将信号传送至驱动芯片。
[0066]
进一步地，当控制系统选中安静模式时，控制器采集两个温度传感器的温度，进行温度加权算法，再将温度加权算法计算后的值传送给pid自动控温算法，求得相应的pwm信号，对求出的pwm信号进行判断限幅，及当占空比值大于设定的安静模式阈值时，让pwm等于安静模式阈值。起到降低转速以减少噪音的目的。将限幅后的pwm信号传送至驱动芯片。
[0067]
进一步地，当控制系统选择的是强散热模式，则控制器直接输出99％的pwm信号，并将pwm信号传送至驱动芯片。按照最大的功率驱动散热风扇，达到最大散热效果。
[0068]
所述控制主板8上有两个按键p4与p5，按键p4是模式选择按键每次按下p4则选择下一个工作模式。按键p5是确定执行按键，当选择好需要的工作模式后，按下p5则选中当前选择好的工作模式，按照此工作模式进行工作。在进行模式选择时，不必进行关机操作，可实现热切换。具体操作流程如下：
[0069]
系统上电时默认选中自动模式，每次按下按键p4会选中下一个模式，顺序为自动模式、安静模式、强散热模式依次循环。当需要系统采取安静模式时，按下按键p4，系统会由初始的自动模式切换到安静模式，再按下按键p5，选中当前的安静模式进行工作。这时系统会按照安静模式的程序执行。
[0070]
当需要系统采取强散热模式时，默认初始模式是自动模式，按下按键p4切换到静音模式，再次按下切换到强散热模式，再按下按键p5，选中当前的强散热模式进行工作。这时系统会按照强散热模式的程序执行。
[0071]
当需要系统采取自动模式，当前是强散热模式时，按下按键p4切换到自动模式，再按下按键p5，选中当前的自动模式进行工作。这时系统会按照自动模式的程序执行。
[0072]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。