專(zhuān)利名稱(chēng)：具有增強(qiáng)的電池壽命和冷卻的便攜電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及便攜電子器件，尤其涉及具有可充電電池的便攜電子器件。
背景技術(shù)：
便攜電子器件已成為現(xiàn)今社會(huì)的常用物品。這些電子器件包括音頻娛樂(lè)裝置、計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、無(wú)線(xiàn)電話(huà)和許多其它器件。由于這些器件的便攜特性，需要使用電池為電子元件提供電能。當(dāng)然，因?yàn)樵诔潆娗半姵氐目捎脮r(shí)間有限，所以增強(qiáng)與便攜電子器件有關(guān)的電池的壽命極其重要。特別地，電池壽命對(duì)于象無(wú)線(xiàn)電話(huà)這樣的復(fù)雜通信器件來(lái)說(shuō)非常重要。
已經(jīng)提出了許多種增強(qiáng)便攜電子器件電池壽命的解決方法。常規(guī)地，這些方法尋求減少電子器件所用的電能。在一些情況下，根據(jù)器件的功能減少功耗。例如，一些電子器件的電路在“備用”模式下會(huì)關(guān)機(jī)，這時(shí)某些功能是不需要的。另外一些情況下，將電子元件設(shè)計(jì)成降低功耗的方式，例如，通過(guò)使用CMOS技術(shù)和其它低功耗技術(shù)。不幸的是，這些技術(shù)本身并不能消除對(duì)額外的低功耗以增強(qiáng)電池壽命的需要。事實(shí)上，對(duì)功能需求的增長(zhǎng)速度與低功耗技術(shù)的發(fā)展一樣快。
便攜電子器件散發(fā)熱量。當(dāng)其功能增加時(shí)使得便攜器件的電子電路增加，所釋放出的熱量也趨于增加。便攜電子器件中的散熱經(jīng)常使用戶(hù)感到不適。例如，一些無(wú)線(xiàn)電話(huà)所散發(fā)的熱量足夠使用戶(hù)在使用電話(huà)時(shí)導(dǎo)致耳部不舒服。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)這顯然是不希望的。此外，特別是在小型電子器件中的散熱可能導(dǎo)致超過(guò)所希望的器件工作溫度。
因此，存在對(duì)具有增強(qiáng)的電池壽命和改善的冷卻的便攜電子器件的需要。


圖1是原理圖，示出具有增強(qiáng)的電池壽命和冷卻的電子器件的優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖；圖2是原理圖，示出可替換的具有增強(qiáng)的電池壽命和冷卻的電子器件的優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖；圖3是原理圖，示出另一可替換的具有增強(qiáng)的電池壽命和冷卻的電子器件的優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的電子器件包括冷卻器件。冷卻器件與電子器件內(nèi)已有的熱源，例如安裝有散熱電子元件的印制電路板連接。冷卻器件包括熱電模塊和相位變化材料模塊。
在優(yōu)選實(shí)施例中，熱電模塊的一個(gè)表面放置在器件外罩的外表面附近而熱電模塊的相反一側(cè)與相位變化材料模塊相鄰放置。相位變化材料模塊放置在熱源附近。熱電模塊將熱量轉(zhuǎn)換成電量，其作為熱電模塊的兩個(gè)表面之間的溫度差分的函數(shù)(function)。相位變化材料存儲(chǔ)熱量，將電子器件的溫度限制在稍高于相位變化材料的熔化溫度的那個(gè)點(diǎn)上。而且，相位變化材料在熱源產(chǎn)生熱量時(shí)和熱源冷卻后的一段時(shí)間內(nèi)保持通過(guò)熱電模塊的溫度差異。
在可選實(shí)施例中，熱電模塊的一個(gè)表面放置在熱源附近而熱電模塊的相反一側(cè)放置在相位變化材料模塊附近。相位變化材料模塊放置在電子器件的外表面附近。如上所述熱電模塊將熱量轉(zhuǎn)換成電量，其為熱電模塊的兩個(gè)表面之間的溫度差的函數(shù)。一方面，相位變化材料吸收熱量以限制電子器件的表面溫度，另一方面，增強(qiáng)通過(guò)熱電模塊的溫度差異。
優(yōu)選地，熱電模塊與電子器件中的電池相連，這樣熱電模塊產(chǎn)生的電流被用作給電池充電。在電池與熱電模塊之間接入一個(gè)二極管，當(dāng)熱電模塊不提供充電電流時(shí)可用以阻止電池放電。另外地，在熱電模塊和電池之間連接一個(gè)整流器，利用正負(fù)溫差，在電子器件處于工作和不工作時(shí)都可為電池充電。
圖1為原理圖，示出具有增強(qiáng)的電池壽命和冷卻的電子器件100。優(yōu)選地，電子器件100是無(wú)線(xiàn)電話(huà)，尋呼機(jī)，個(gè)人數(shù)字助理，計(jì)算機(jī)或其它便攜電子器件。
電子器件100包括印制電路板(PCB)102，其部分側(cè)視圖在圖1中示出。印制電路板102包括電子元件104，它以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式執(zhí)行電子器件100的功能。電子元件104在正常工作時(shí)散熱。因此，作為電子器件100正常工作的結(jié)果，印制電路板102和電子元件104在電子器件100的內(nèi)部提供自然的熱源。
熱電模塊106緊鄰印制電路板102安裝。熱電模塊106也安裝在相位變化材料(PCM)模塊108的相鄰位置。熱電模塊106將熱量轉(zhuǎn)換叫電量。特別地，第一表面114和相反的第二表面116之間的溫度差異導(dǎo)致熱電模塊106外罩內(nèi)所包含的P型材料118和N型材料120的冷熱結(jié)點(diǎn)有電流產(chǎn)生。P型電極122與P型材料118相連并為熱電模塊106提供外部連接。N型電極124與N型材料120連接并為熱電模塊106提供外部連接。
PCM模塊108是相位變化材料的容器。在一段時(shí)間內(nèi)，PCM材料幾乎等溫地吸收熱量。因此，在電子器件100的工作期間，PCM模塊108趨于維持熱模塊106的第二表面116上的溫度幾乎為恒溫。
充電電池110提供給電子器件100以為電子器件100內(nèi)的電子元件104供電。電池110與熱電模塊106相連以接收熱電模塊106產(chǎn)生的電量。特別地，N型電極124與電池110的負(fù)極相連，而P型電極122通過(guò)二極管112與電池110的正極相連。二極管112阻止電流從電池反向泄漏。電池110可以是電池充電、調(diào)節(jié)和保持系統(tǒng)的一部分，在此，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)不包含其細(xì)節(jié)。在使用充電系統(tǒng)的地方，來(lái)自熱電模塊106的充電電流流入電池充電系統(tǒng)，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式為充電電池110使用。
工作時(shí)，印制電路板102和元件104在電子器件100的正常工作期間提供熱源。該熱源集中在熱電模塊106的第一表面114處。PCM模塊108與熱電模塊106的第二表面116相鄰。PCM模塊108幫助熱電模塊106的第二表面116維持在比熱電模塊106的第一表面114的溫度較低的溫度。由于第一表面114和第二表面116的溫度差異，P型材料118和N型材料120之間產(chǎn)生電流并經(jīng)置于P型材料118和N型材料120之間的電極126傳遞。分別與P型材料和N型材料相連的電極122和124與電池110操作地相連，在電子器件100工作時(shí)的一段時(shí)間里對(duì)電池110進(jìn)行充電。除了保持表面116處的溫度，PCM模塊108還保持電子器件100的外表面上的冷卻。
優(yōu)選地，PCM模塊108具有一個(gè)由金屬片或其它可彎曲的金屬材料制成的殼體。優(yōu)選地，在PCM模塊108的殼體內(nèi)部形成固體/液體PCM和例如蜂窩或泡沫的增熱物。優(yōu)選地，熱電模塊106通過(guò)可在低溫下連接的超聲波焊接或壓接使其依附于PCM模塊108上。
優(yōu)選的相位變化材料是銦銀焊料，其組份是49的Bi(鉍)，21的In(銦)，18的Pb(鉛)和12的Sn(錫)。銦銀焊料136的熱電特性在下面的表1中給出。用于某些厚度下PCM的銦銀焊料136的熔化時(shí)間在下表2中給出。優(yōu)選的PCM材料可選為有機(jī)烷烴(organicparaffin)。
表1

表2

*假設(shè)無(wú)熱損失且為理想的熱連接優(yōu)選的相位變化材料的熔點(diǎn)被選擇為與被冷卻的器件可承受的溫度一樣高。通常，相位材料熔點(diǎn)低于器件最大工作溫度。
優(yōu)選的熱電模塊可從新澤西州，特倫頓的Melcor獲得。優(yōu)選的熱電模塊由個(gè)多p-n Bi2Te3熱電偶組成。每個(gè)熱電偶具有一個(gè)P型和一個(gè)N型元件。該元件是具有方形截面的拉長(zhǎng)鐵錠的形狀，垂直安裝在兩個(gè)導(dǎo)熱鋁盤(pán)130之間，如圖1的原理性所示。鋁盤(pán)130用于散熱(heat sink)并為器件提供機(jī)械完整性。電極模式較好地由兩個(gè)鋁盤(pán)的內(nèi)表面所限制，以便將熱電偶串聯(lián)起來(lái)使熱電模塊的輸出最大。優(yōu)選熱電模塊從由0.2厘米長(zhǎng)和0.1厘米寬的熱電偶254組成的Melcor中選出。優(yōu)選的熱電模塊為3厘米寬、6厘米長(zhǎng)、0.4厘米高。另外，可以使用任何合適的熱電模塊。
優(yōu)選的熱電模塊106通過(guò)例如粘接、焊接或通過(guò)用和螺紋緊固件提供夾緊壓力的加壓接觸面來(lái)與熱源附著在一起。優(yōu)選地，熱電模塊106連接到電子器件100中最熱的熱源附近。例如，在電子器件100是無(wú)線(xiàn)電話(huà)的情況下，熱電模塊應(yīng)放置在該與無(wú)線(xiàn)電話(huà)中的主控振蕩器或功率放大器鄰近的位置。
圖2示出具有增強(qiáng)的電池壽命和冷卻的電子器件200的可替換的優(yōu)選實(shí)施例。電子器件200包括參考圖1所介紹的PCM模塊108和熱電模塊106。電子器件200還包括整流器202，其可對(duì)來(lái)自熱電模塊106的正或負(fù)電流進(jìn)行整流以用于為電池110充電。任何合適的整流器例如，全波整流器就足夠了。整流器202可選方案包括二極管和開(kāi)關(guān)，其中，可選擇地，開(kāi)關(guān)允許電流基于器件是否打開(kāi)而流通。工作時(shí)，由于熱源(PCB102和元件104)和與PCM模塊108相鄰的表面之間的溫差，電子器件200經(jīng)熱電模塊106向電池110提供充電電流。這與電子器件100提供的充電類(lèi)似。更優(yōu)越地，當(dāng)電子器件200關(guān)閉時(shí)，由于標(biāo)稱(chēng)溫差的出現(xiàn)，電子器件200還向電池110提供充電電流。更特別地，如果熱電模塊106的第一表面114比熱電模塊106的第二表面116更冷時(shí)，當(dāng)溫度梯度處于相反方向時(shí)，可產(chǎn)生與已產(chǎn)生的電流極性相反的電流。在電流已被整流器202整流之后，整流器使用這個(gè)相反極性的電流為電池110充電。
圖3示出具有增強(qiáng)的電池壽命和冷卻的電子器件300的另一個(gè)可選的優(yōu)選實(shí)施例。電子器件300與電子器件100類(lèi)似，并包括帶有電子元件104的印制電路板102、PCM模塊108和熱電模塊106。但是，熱源、PCM模塊108和熱電模塊106之間的空間關(guān)系與前述不同。具體而言，PCM模塊108與熱源，也就是PCB102和電子元件104相鄰放置。熱電模塊106的一個(gè)表面與PCM模塊108相鄰而相反的那面靠近電子器件300的外表面。熱電模塊106與二極管112和可充電電流110連接，其配置關(guān)系與圖1中所示類(lèi)似。
印制電路板102和元件104在電子器件300的正常工作期間提供熱源。這個(gè)熱源集中在最靠近PCB102的PCM模塊108的表面。PCM模塊108從熱源吸收并存儲(chǔ)熱量，并使PCM模塊108相對(duì)于熱源的一面的溫度保持在稍低于PCM模塊材料的熔點(diǎn)之下。這個(gè)溫度大約是與PCM模塊108相鄰的熱模塊106的表面溫度。熱電模塊106的相反一面靠近電子器件300的外表面，該外表面暴露在環(huán)境溫度之下。因此，熱電模塊106的相反表面之間的溫差引起熱電模塊106產(chǎn)生充電電流。有利的是，當(dāng)電子器件300關(guān)閉時(shí)，盡管熱源冷卻，PCM模塊108仍將其溫度維持一定的時(shí)間。其結(jié)果是，熱電模塊106相反表面的溫差，因而充電電流也會(huì)在電子器件300關(guān)閉后維持一段時(shí)間。注意，在工作和關(guān)閉期間，充電電流具有相同的極性工作。
有利的是，本發(fā)明在電子器件工作期間，甚至在一些空閑時(shí)間里為電池充電。這實(shí)質(zhì)上增強(qiáng)了電池壽命。由電子器件的散熱為電池充電。盡管電子器件中有散熱，器件的表面通過(guò)熱電模塊和相位變化材料的傳遞而冷卻。使用者接觸面經(jīng)過(guò)相當(dāng)多的相位變化材料模塊的熱容和熱源與使用者接觸面之間的一系列熱阻來(lái)保持接觸涼爽。
因此，盡管對(duì)本發(fā)明作了描述，應(yīng)當(dāng)明白，對(duì)相同的內(nèi)容可以由不同的變化。這些不同的變化不應(yīng)當(dāng)看作是背離本發(fā)明的精神和范圍，并且所有這些修改應(yīng)包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用電子器件，其包括電子電路；熱電模塊，靠近電子電路放置；和與所述熱電模塊相連的相位變化材料。
2.如權(quán)利要求1所述的電子器件，進(jìn)一步包括與熱電模塊相連的電池。
3.如權(quán)利要求1所述的電子器件，進(jìn)一步包括與熱電模塊相連的整流器；和與整流器相連的電池。
4.如權(quán)利要求1所述的電子器件，進(jìn)一步包括與熱電模塊相連的二極管；和與二極管相連的電池。
5.如權(quán)利要求1所述的電子器件，進(jìn)一步包括熱源，用于在電子器件在正常工作期間對(duì)熱電模塊的一個(gè)表面加熱。
6.如權(quán)利要求5所述電子器件，其中所述熱源包括印制電路板和至少一個(gè)電子元件。
7.如權(quán)利要求1所述的電子器件，其中所述相位變化材料具有由可彎曲金屬材料制成的外殼。
8.如權(quán)利要求1所述的電子器件，其中所述相位變化材料具有低于電子器件最大工作溫度的熔點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的電子器件，其中所述熱電模塊包括至少一個(gè)具有帶有平行四邊形截面形狀為拉長(zhǎng)的錠塊的Bi2Te3熱偶。
10.如權(quán)利要求1所述的電子器件，進(jìn)一步包括器件外罩，用于容納電子電路、熱電模塊、和相位變化材料。
11.如權(quán)利要求10所述電子器件，其中所述相位變化材料比熱電模塊更接近器件外罩的外表面。
12.如權(quán)利要求11所述的電子器件，其中所述熱電模塊附著于電子電路上。
13.如權(quán)利要求12所述電子器件，其中所述相位變化材料附著于熱電模塊上。
14.如權(quán)利要求10所述電子器件，其中所述熱電模塊比相位變化材料更接近器件外罩的外表面。
15.如權(quán)利要求14所述電子器件，其中所述相位變化材料附著于電子電路上。
16.如權(quán)利要求15所述電子器件，其中所述熱電模塊附著于相位變化材料上。
17.一種用于為電子器件中的電池進(jìn)行充電的方法，所述方法包括步驟使電子器件工作以產(chǎn)生熱量；將來(lái)自電子器件的熱量轉(zhuǎn)化為電量；在電子器件內(nèi)部使用相位變化材料以控制轉(zhuǎn)化為電量的熱量數(shù)；和使用電流對(duì)電池進(jìn)行充電。
18.如權(quán)利要求17的所述方法，其中在將電子器件所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電量的步驟中使用所述熱電模塊。
19.如權(quán)利要求18的所述方法，進(jìn)一步包括甚至在電子器件關(guān)閉時(shí)將熱量轉(zhuǎn)化為電量的步驟。
全文摘要
在電子器件(100)中電池壽命和冷卻得到了改善。熱電模塊(106)和相位變化材料模塊(108)放置在電子器件中接近熱源(102，104)的位置。熱電模塊(106)和相位變化材料模塊(108)將電子器件上要冷卻的表面隔離。熱電模塊響應(yīng)熱電模塊上相反表面處的溫差而產(chǎn)生電流。相位變化材料模塊增強(qiáng)或限制熱電模塊所受的溫差。熱電模塊所產(chǎn)生的電流用于為電子器件的電池(100)充電。
文檔編號(hào)H01L23/427GK1509516SQ01814452
公開(kāi)日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2001年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月22日
發(fā)明者庫(kù)爾特·埃斯蒂斯, 德巴布拉塔·帕爾, 凱文·麥克頓, 伊里娜·什馬金, 丹尼爾·加蒙塔, 什馬金, 加蒙塔, 庫(kù)爾特 埃斯蒂斯, 拉塔 帕爾, 麥克頓 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司