CN101292125A - 用于热电应用的换热器 - Google Patents
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Abstract
提供了具有至少一个泡沫换热器(45)的、用于泵送热量的热电系统(10)，其增强了从系统(10)传出的传热，以提高该系统的总系统效率和性能。
Description
技术领域
【0001】本发明一般涉及泡沫换热器，更具体地，涉及一种使用泡沫换热器来增强热电系统中传热的设备和方法。
背景技术
【0002】使用换热器来散出功率电子应用中的热量是公知的。换热器或热沉通常是金属散热部件，其被设计为通过热传导、对流和辐射散掉来自功率电子元件特别是功率晶体管模块的热量。没有换热器的功率电子元件的性能和可靠性将会降低。
【0003】换热器经常被构造成每单位体积拥有最大数目的翼片，该翼片以垂直于被加热表面的方向辐射。在特定需求的应用下，换热器使用强制对流将热量散出到经由该换热器的冷却液，以增加该交换器的热量排放。用于排放热量的更具效率的装置使用了泡沫，更具体地是具有更有效传热表面积的金属泡沫。金属泡沫最近被使用在功率电子应用中来散出热量；然而，它们并未用于热电系统。
【0004】因此，存在对于泡沫换热器的需求，该泡沫换热器与热电元件一起使用以构建用于多个加热和冷却系统的系统，以降低在这些系统中的能耗并增加热量泵送能力。
发明内容
【0005】本发明的一个目的在于提供使用泡沫换热器的热电加热和冷却系统。
【0006】本发明的再一个目的在于提供使用金属泡沫换热器的热电加热和冷却系统。
【0007】本发明的另一个目的在于提供使用泡沫换热器来散出热量的热电加热和冷却系统。
【0008】本发明的再一个目的在于提供具有热电元件的热电加热和冷却系统，其使用泡沫换热器来降低热电元件的能耗。
【0009】本发明的另一个目的在于提供具有热电元件的热电加热和冷却系统，其使用泡沫换热器来增加热电元件的热量泵送能力。
【0010】本发明的再一个目的在于提供一种使用泡沫换热器来增强热电元件传热的方法。
【0011】一种用于增强热电热量泵送系统效率的系统，包括热电元件的阵列，其具有所述阵列的第一表面处的温度和所述阵列与所述第一表面相对的第二表面处的温度，并且还提供了被定位成邻近第一表面和第二表面之一的至少一个泡沫换热器。流过所述至少一个泡沫换热器的流体降低了所述阵列第一表面处的温度和所述阵列第二表面处的温度之间的差值，从而增强了系统的效率。
【0012】提供了一种用于增强热电系统效率的方法，该热电系统具有热电阵列，该热电阵列具有一系列电串联排列的热电耦的热电阵列。该方法提供了：邻近所述热电阵列的第一表面的第一泡沫换热器和邻近与第一表面相对的所述热电阵列的第二表面的第二泡沫换热器；产生热阵列第一表面处的温度和所述阵列第二表面处的温度，阵列第二表面处的温度不同于阵列第一表面处的温度；其中流过第一泡沫换热器和第二泡沫换热器的流体降低了第一表面和第二表面之间的温度差，从而增强了热电系统的效率。
附图说明
【0013】图1图解说明了本发明的具有泡沫换热器的热电系统；
【0014】图2显示了一个表，在该表中比较了用于本发明热电系统的不同泡沫的传热系数以及相比于传统换热器的重量节约。
【0015】图3图解说明了用在加热模式中并使用本发明中泡沫换热器的热电系统。
【0016】图4图解说明了一曲线，其示出了在换热器的传热系数增高时热电系统增高的性能系数。
【0017】图5图解说明了示于图3的本发明的泡沫换热器；以及
【0018】图6图解说明了根据本发明中换热器的第二实施例的泡沫换热器。
具体实施方式
【0019】参考图1，示出了带有热电元件15的热电系统10。热电元件15由电串联排列的PN对或PN耦20组成。电连接器25提供了在相邻PN耦20之间的以及到电源(未示出)的连接。衬底30和35是陶瓷衬底，提供了系统10的绝缘。衬底30和35机械地将系统10支撑在一起并且使PN耦20电绝缘。衬底30具有与泡沫换热器45相接触的表面40。类似地，衬底35具有与泡沫换热器55相接触的表面50。风扇60和65被用来使流体分别穿过换热器45和55。尽管风扇60和65被示为使空气分别穿过换热器45和55，但用于移动其他类型流体的其他类型的机构也可被使用。表面40和50分别对于换热器45和55可以是完整的，并形成了连接热电阵列的表面30和35的基座。
【0020】在图1中，泡沫换热器45和55紧邻衬底30和35放置，以使来自热电元件15的表面70和75的传热最大化。泡沫换热器45和55分别提供了来自表面70和75的增强的传热面积。
【0021】泡沫换热器45和55由诸如铝、铜或石墨的高传导材料制成。由这些材料制成的交换器不仅是高传导的，并且由于它们被制成泡沫，因此具有很高的孔隙率和表面积，进一步增强了它们的传热能力。用于热电应用的传统换热器具有翼片，以散出热量。与泡沫换热器相比较，带有翼片的换热器具有非常有限的表面积。此外，与本发明的泡沫换热器45和55相比，传统的换热器相对更重。当同时使用微小和巨大的加热和冷却热电系统时，降低换热器重量和/或体积并增加换热器的传热能力是需要重点关注的。
【0022】参考图2中的表1，示出了传统热沉相比于具有不同孔隙率的三种泡沫换热器的传热系数、最大温度以及重量节省。与具有孔隙率10PPI(每英寸的孔)的泡沫A相比，泡沫A的传热系数超过了传统热沉传热系数的87倍以上。通过将泡沫换热器的孔隙率增加一倍至20PPI，泡沫B的传热系数增加到传统热沉传热系数的130倍。通过将泡沫换热器的孔隙率再增加一倍至40PPI，泡沫C的传热系数增加到传统热沉传热系数的188倍。不仅在传热能力上有巨大的增加，并且泡沫换热器的重量节省也是重大的。使用这些交换器的巨大重量节省降低了热电制冷或加热系统的总重。此外，通过降低系统的最高温度，跨过热电阵列的总温度差也被极大降低。热电系统的性能系数(COP)被定义为加热或冷却能力除以所消耗的功率。COP与跨过阵列的最高温度差成反比。
【0023】参考图3，显示了具有热电系统90的本发明的第一实施例，该热电系统90使用配置为加热模式的泡沫换热器95和100。来自电源105的直流电压跨过热电元件120施加，并且电流110沿所示方向流动。热电元件120的对115(P和N对)吸收来自表面125的热量，并将热量释放到位于部件120相对的表面130。热能被吸收处的表面125变冷，而热能被释放处的相对的表面130变热。被称为珀耳帖效应的“热量泵送”现象在热电制冷或加热中经常被使用。在该实施例中，风扇135使空气穿过吸收热量的换热器100，然后换热器100被冷却。风扇140使空气穿过换热器95，以将来自被加热表面130的热量传走。用在这一配置中的电源105可以是电池、燃料电池或其他类似的提供电流的部件。通过反转直流电源105的极性，热电系统90可被从加热模式转换为冷却模式。
【0024】与传统热沉相比，泡沫换热器95和100分别提供了跨过表面130和125的巨大的传热能力，以增加系统90的效率。由于具有高传热系数的泡沫换热器95和100，因此获得了热电元件120的相对表面之间的较低的温度差。该较低的温度差消耗较少的能量从而提升了整个系统90的性能。因此，整个系统，不论其被配置为加热系统或冷却系统，都具有非常高的性能。
【0025】图4显示了使用泡沫换热器的典型热电系统的系统性能和传热系数之间的关系。性能系数被定义为加热或冷却能力除以系统所消耗的功率。
【0026】参考图5，示出了第二配置的泡沫换热器系统150。泡沫换热器系统150具有热电阵列155，该热电阵列155具有一系列电串联排列的热耦160。热电部件阵列155具有表面165和170。系统150被排列为具有单独的、从表面170排出热量的泡沫换热器175。基于应用，第二泡沫换热器可能并不需要。或者基于应用可在泡沫换热器的位置上使用传统的换热器，并且该传统的换热器邻近表面165摆放。摆放泡沫换热器的不同配置可被用来使传热最大化，并且摆放泡沫换热器的不同配置是基于应用的。类似地，单独的系统可包括多个热电阵列，每个热电阵列都具有一个或多个泡沫换热器。
【0027】在图6中示出了第三实施例泡沫换热器系统180。系统180被排列得与图5的系统相似，除了换热器是组合泡沫和翼片换热器185外。系统80具有热电元件195的阵列190。单元195具有表面200和205。在图5的实施例中，可能不需要第二泡沫换热器。或者基于应用可在泡沫换热器的位置上使用传统的换热器。此外，摆放泡沫换热器的不同配置可被用来使传热最大化，并且摆放泡沫换热器的不同配置是基于应用的。
【0028】尽管已结合一个或多个示意性实施例描述了本公开，但本领域技术人员将会理解的是：各种变形可被使用，并且等价模块可被用于替换其中的单元，而这并不超出本公开的范围。此外，可使用更多的改进以使特定情况或材料适应于本发明公开的内容，而这并不超出本公开的范围。因此，本发明的公开并不被限定到作为实现本发明而预期的最佳模式所公开的特定实施例(一个或多个)，而是将包含落入到所附权利要求的范围之内的所有实施例。
Claims (15)
1.一种用于增强热电热量泵送系统效率的系统(10)，包括：
热电元件(15)的阵列，具有所述阵列的第一表面(70)处的温度和所述阵列与所述第一表面相对的第二表面(75)处的温度，以及
至少一个泡沫换热器(45)，被定位成邻近所述第一表面和所述第二表面之一，
其中流过所述至少一个泡沫换热器的流体降低了所述阵列的第一表面(70)处的温度和所述阵列的第二表面(75)处的温度之间的差值，从而增强了所述系统(10)的效率。
2.如权利要求1所述的系统(10)，进一步包括邻近所述阵列的第一表面(70)的泡沫换热器(45)和邻近所述阵列的第二表面(75)的泡沫换热器(55)。
3.如权利要求1所述的系统(10)，包括电流流过所述热电元件阵列，以产生所述阵列的第一表面(70)和所述阵列的第二表面(75)之间的温度差。
4.如权利要求3所述的系统(10)，其中位于所述阵列的第一表面(70)和所述阵列的第二表面(75)之一处的所述至少一个泡沫换热器(45)从所述阵列传走热量，从而降低了流过所述阵列的电流。
5.如权利要求2所述的系统，其中邻近所述阵列的第一表面(70)的所述泡沫换热器(45)和邻近所述阵列的第二表面(75)的泡沫换热器(55)都具有孔隙率，以增强穿过所述阵列的传热。
6.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述至少一个泡沫换热器(185)并入有用于热量散出的翼片。
7.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述至少一个泡沫换热器(45)由选自铝、石墨和铜构成的组中的材料制成。
8.一种用于增强热电热量泵送系统效率的系统(10)，如参照附图中的图1、3、5和6之一所描述的那样。
9.一种用于增强热电系统(10)效率的方法，包括：
提供热电阵列(15)，所述热电阵列具有一系列电串联排列的热电耦(20)；
提供邻近所述热电阵列的第一表面(70)的第一泡沫换热器(45)和邻近所述热电阵列的与所述第一表面相对的第二表面(75)的第二泡沫换热器(55)；
产生所述热阵列的第一表面(70)处的温度和所述阵列的第二表面(75)处的温度，其中所述阵列的第二表面处的温度不同于所述阵列的第一表面处的温度；
藉此，流过所述第一泡沫换热器(45)和所述第二泡沫换热器(55)的流体降低了所述第一表面(70)和所述第二表面(75)间的温度差，从而增强了所述热电系统(10)的效率。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述第一泡沫换热器(45)和所述第二泡沫换热器(55)都具有孔隙率，以增强传热能力。
11.如权利要求9所述的方法，其中随着所述第一表面(70)和所述第二表面(75)之间温度的降低，所述系统的性能系数提高。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述第一泡沫换热器(45)和所述第二泡沫换热器(55)的降低的孔隙率进一步增强了传入或传出所述第一表面(70)和所述第二表面(75)的传热。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一表面(70)和所述第二表面(75)间增强的传热减少了所需的流过所述阵列的电流。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述第一泡沫换热器和所述第二泡沫换热器中的至少一个(185)并入有翼片。
15.一种用于增强热电系统效率的方法，如结合图1、3、5和6之一所描述的那样。
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