CN101573569B - 热电制冷装置 - Google Patents

Abstract

一种热电制冷装置(20)，其包括具有上表面(1a)和下表面(1b)的热电器件(1)和用于容纳与热电器件(1)的上表面(1a)直接热接触的传热液体(8)的密封腔室(22)，该腔室(22)被构造成允许传热液体(8)从热电器件(2)的上表面(1a)对流(21)至腔室上表面(12)，腔室上表面包括散热区，用于从下表面(1b)经散热区将热传送至外界环境，其中，热电器件(1)至少部分被包封材料(2)包封，包封材料在上表面(1a)和下表面(1b)之间的热电器件周边(7)的周围提供流体密封。

Description

热电制冷装置

技术领域

本发明涉及热电(或帕尔贴)器件在热电制冷装置中的应用，并且涉及制造这类热电制冷装置的方法。

背景技术

热电器件在现有技术中是众所周知的。这类器件也被称为帕尔贴器件，是固态电热泵，当施加电压时，其将热从器件的一侧传到另一侧。帕尔贴器件大多被用于冷却，尽管它们在逆向工作时也可以被用于加热。将器件与DC电压相连将造成一侧变冷而另一侧变热。这类器件的效率至少部分依赖于如何良好地从热侧除热。

热电器件通常被组装形成低成本的冷却装置，其众所周知的缺点是效率低和需要使用风扇。在工程上，最常见的配置呈热电堆块的形式，它包括由固态导体材料构成且与热电器件的冷侧相连的扩散板、与热电器件的热侧耦合的金属翅片型固体散热器、和将热从散热器中散走的风扇。

人们已经发现，此技术的限制条件是可通过散热器有效传递并散发至周围空气中的“废热”的量。更先进的热电堆块已经利用传热液体从热电器件中转移热，然后利用液-气换热器将蓄热散发至周围环境。在提到液体冷却的场合中，需要泵将传热液体泵送至换热器的散热区。

对于液体冷却方案，目前已知两种不同的技术。第一种技术采用空心且一般是铝的换热器，其接触热电器件表面。在此构造中，热经过换热器的接触表面被传递并且随后被传给传热液体。第二种流体冷却环路采用相似的换热器，但省掉接触面，使得传热液体能直接接触热电器件表面。从热方面讲，后者方法优胜，但在技术上更困难，因为难以形成有效的密封。

通常，热电制冷器件可以用O形圈或密封垫圈密封来防泄漏。然而，为了保证有效的密封，所需的接触压力可能超过该器件的机械强度并可能造成破损。此外，在市场上可买到的热电器件在其几乎整个表面区域内都是有效的。一般在热电器件边缘的周围不到2毫米的地方是不需要冷却的。如果垫圈失调以至热电器件的小区域未被冷却，则很有可能发生热失控和故障。为此缘故，直接接触型换热器是相对不常用的，尽管仍能在市场上买到它们。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题中的一个或多个问题。

按照第一方案，本发明提供一种热电制冷装置，其包括：具有上表面和下表面的热电器件；用于容纳与热电器件的上表面直接热接触的传热液体的密封腔室，该腔室被构造成允许传热液体从热电器件的上表面对流至包括散热区的腔室的上表面，以便将热从下表面经散热区传送至外界环境，其中，热电器件至少部分被包封材料包封，包封材料在上表面和下表面之间的热电器件周边的周围提供流体密封。

按照第二方案，本发明提供一种制造热电制冷装置的方法，该方法包括以下步骤：提供具有上表面和下表面的热电器件；将热电器件安置在模具中，模具具有分别靠近热电器件的上表面和下表面的上部和下部，并且在模具的上部和下部之间界定出围绕热电器件周边的体积；在所述体积中填充液态的包封材料；固化包封材料；使模具的上部和下部分开，以便取出包封好的热电器件；其中，热电器件至少部分被包封材料包封，包封材料在所述上表面和下表面之间的热电器件周边的周围提供流体密封。

本文所述的技术优势是想要通过显著改善废热散失方法以及帮助从热电制冷装置中省掉所有活动零件如风扇或泵来改善热电制冷的运行和效率。

本发明存在至少三个有利的方面。第一，允许传热液体直接接触热电制冷器件的上表面。第二，在无需泵的情况下，能够实现从热电制冷器件的上表面至散热区的传热液体的传质。第三方面涉及热电制冷装置的散热区被构造成无需风扇就能起到将热散发至周围环境的作用。总体来说或单独而言，这三个优势实现了，在不需要像风扇或泵这样的活动零件的情况下，热电制冷器件能够更有效地运行。

附图说明

现在将结合实例并参考附图对本发明进行描述，其中：

图1是表示热电制冷装置的一部分的剖面示意图；

图2是表示一个示范性热电制冷装置的剖面示意图；

图3是表示另一个示范性热电制冷装置的剖面示意图；

图4是表示又一个示范性热电制冷装置的剖面示意图。

具体实施方式

与本发明的多个方面相关的各不同特征可被用于使传热液体能够安全可靠地接触热电器件表面，并且也促进传热液体对流运动到热量可消散至周围环境的区域，而无需使用循环泵或冷却风扇，由此一来，省掉了需要定期维修和运行功率的零部件。

一个特征涉及热电制冷器件(也被称为帕尔贴器件)的包封方法。该技术允许帕尔贴器件被安全夹紧或粘接，以形成热电制冷装置的一部分。这种做法避免对帕尔贴器件施加不适当的机械应力，允许传热液体直接接触通常由陶瓷板构成的帕尔贴器件的上表面。在传热液体可能与制造帕尔贴器件所用的材料不相容的情况下，可以在帕尔贴器件的上表面和/或下表面上使用由包封材料构成的薄阻隔层。

包封技术也可结合由不渗透材料构成的壁状“烟囱”，其从帕尔贴器件的周边起向上延伸。烟囱允许将热电制冷装置的、包括传热液体和散热区的热的上部与包括帕尔贴器件的下表面和待冷却的组成部分或体积的冷的下部隔开。通过允许在热区和冷区之间即在容纳传热液体的密封腔室和热电器件的下表面之间限定出的空间内设置隔层，此特征明显改善了热电制冷器件的制冷效率。

第二特征是包括分流件，分流件促成并加强在只以热对流作为驱动机制的情况下的传热液体的传质。分流件占据了密封腔室中的一定体积，因而减少了传热液体的需用量，这可以减轻重量和降低成本。

第三特征涉及一种不用风扇就能将积蓄在传热液体中的热散发至周围环境的方法。在第一种情况下，这通过由铝或等同材料制成的薄片所构成的简单组件来完成，薄片以类似六角手风琴的形式被折叠或褶皱，从而具有用于自然对流至周围环境所必需的表面积。但发明人认识到，可以有很多种方法来提供散热面，这些方法包括也涵盖在本发明范围内的铸造和压制技术。可以使用多种不同的方法将这样的散热结构结合入单元的主体中，以形成密封腔室，例如将结构铸入导热的环氧树脂中。在制造过程中，已包封起来的热电器件可以通过螺栓或甚至简单地用胶被固定到位，随后在由此形成的密封腔室中填充适当的传热液体。

发明人已建成并测试了本文所述的示范性热电制冷装置。在这些测试中，热电器件显示出与在市场上可买到的高品质风扇冷却式热电器件相似的(即使不是更好)性能，但功率消耗减少了超过30％且没有活动零件。省掉活动零件的主要好处在于系统可靠性明显提高和获得绝对安静的运行。此外，以上技术优势可以从很小的热电系统(像会被用于计算机芯片)一直扩展至会要求使用风扇冷却式液-气换热器和泵系统的超大型热电系统。

在图1至图4中示出了多个特定的示范性实施例。图1表示已包封好的热电器件1的横截面图。在这种情况下，热电器件1被铸入包封材料，其形成包封结构2。为此所用的示例性材料是环氧树脂或聚氨酯树脂，通常由双组份液态混合物的化学反应形成，反应引起聚合和固化。被包封的热电器件1于是配备有适于连接至外壳3的结构2，外壳3和结构2共同界定出密封腔室8，在该腔室中可填充传热液体。包封结构2与外壳3的连接可以通过一个或多个螺栓4和垫圈或O形密封圈5和/或通过粘合剂或胶6来实现。

通过图1所示的布置形式，可以围绕热电器件1的边缘7通过包封结构2不透气地密封热电器件1，这提供了一个区域，在该区域中，包封结构2可以通过螺栓或胶被紧固在大型结构体即外壳3上，而不会对热电器件施加不适当的应力。

发明人已经发现，施加于热电器件的周边7的阻隔材料能防止包封材料进入热电器件内部并防止性能减退。阻隔材料可以存在于可在市场上买到的被密封的热电器件中需要一定程度的防水性的位置上。

为了组装包括热电器件1和包封结构2的单元，可以采用成型法如反应注射成型法。或者，可以采用其它方法如传统的注塑成型。制造一个具有至少两个部分的模具，模具的上部限定出包封结构的上表面，下部限定出下表面。热电器件1定位在模具中并且模具的这两个部分在热电器件1的任一侧被合模，其中上部靠近或接触热电器件1的下表面1b并且下部靠近或接触热电器件1的下表面。连接到热电器件1的任何线穿过模具中的开口。模具被夹紧在一起，通过浇口将双组份树脂的预混液态混合物注入模具。合适的示例性树脂为双组份聚氨基甲酸酯。一旦树脂至少部分凝固，则可以开模并取出包封结构2和热电器件1。一旦固化结束，单元1、2就可以与热电制冷装置的其它组成部分组装在一起。

图2表示组装完成后的示范性热电制冷装置的横截面图。在此布置结构中，包含多个分流件11。安放有分流件11的密封腔室22充满传热液体8。传热液体例如是蒸馏水，优选含有添加剂如乙二醇，用于防腐和/或防冻。根据特定应用场合，可以选择许多其它的流体。在工作中，热电器件1升高与热电器件1上表面1a直接物理接触的液体的温度。这种加热导致传热液体8膨胀并且浓稠度变得相对较低。分流件11于是促成被加热的带浮力液体上升。用流动箭头21表示的这种向上流动促进表示热的传热液体8至密封腔室22的散热区12的内表层的循环对流图。

散热区12优选由薄片材制成，例如由厚度为0.2毫米至0.3毫米的铝片制成。散热至周围环境所需的表面面积可以通过以类似六角手风琴的方式折叠片材来提供。随后，散热区12被夹紧到、用螺栓或粘接固定到外壳3的其余部位上，例如使用胶6。

图2还示出了整个热电制冷装置20的功能元件。这些元件可以包括由包封材料9包围的温控体积10，由此形成一个与热电器件1的下表面1b热连通的绝热包封体积，从而经散热区12将来自体积10的热传送至外界环境。

用于将热从体积10传送至热电器件1的冷的下表面1b的其它组成部分可以包括金属的扩散板13，其可以由例如铝制成的固体金属件构成，尽管其它多种方法如热管或热虹吸管也可以采用。这些技术在现有技术中是众所周知的，用13表示的扩散板仅仅是举的一个例子。

图2所示的热电制冷装置的、从热电器件往上的某些元件，即至少热电器件1本身、包封结构2和密封腔室22，也可以通过将热电器件1下表面1b连接至其它物体用来冷却该物体。这样的可选物体例如可以包括集成电路块。

所示的扩散板13可任选地被热管或热虹吸管代替，热管或热虹吸管与热电器件的下表面1b热连通，并且被构造和布置成从绝热的体积10中获取热量。

图3表示被包封的热电单元1、2的烟囱形状如何使热电器件1的热的上表面1a与冷的下表面(部)1b、13分隔开。用箭头14表示的所需分隔程度取决于各应用场合，尽管已经发现介于30毫米至40毫米之间的烟囱高度能产生最佳的隔绝特性，而又不会不适当地阻碍密封腔室22内的对流机制。分隔程度可以方便地通过密封腔室22的上部至热电器件1上表面1a的竖直间距来定，例如如图3中的尺寸31所示。该尺寸决定了在热电器件1下表面1b和包封结构的周壁32之间可获得的空间33。空间33内最好填充绝热材料，例如刚性闭孔泡沫材料。刚性闭孔泡沫材料也可以包含限定出温控体积10的绝热的外壳9。

图4表示具有优选结构形式的散热区12。此散热区最好由金属片制成，尽管也可以采用塑料。在一个优选实施例中，散热区由薄片材构成，一般是厚度为0.2毫米至0.3毫米的铝片。将热量散发至周围环境所需的表面积可以通过使片材变形，例如通过按照类似六角手风琴的方式折叠片材来提供。这增大了传热液体和散热区12的内表面之间的界面面积，而没有增加传热液体和周围环境之间的传热路径。到周围环境的热传递效率由此得到提高。可以通过其它方式使散热区变形，以获得相同的效果。

发明人已经发现，在横越散热区12的每个翅片15或尖端之间的间距41对系统性能有重大影响。如果没有提供充足的表面面积，则外表面会超过最佳的工作温度。通过高密度的回旋或褶皱来增大表面面积，改善了向周围环境的散热。不过，存在临界密度，在临界密度下，对外界环境的周围空气的传热受到尖端之间的小间距的阻碍。人们已经发现，最佳间距41大约为10毫米至25毫米，优选为15毫米至25毫米，最好是10毫米至15毫米。

图4也表示用于给密封腔室22填充传热液体8的填充点17。传热液体优选填充满密封腔室22的整个内腔。可以通过构成散热区12的薄铝皮层的略微变形来适应因传热液体受热膨胀而导致的体积改变。对于需要进一步膨胀的应用场合，波纹管或可压缩构件如软囊可以被结合入密封腔室22中。

包封结构2界定出在密封腔室22中的体积的下部42a，而在周壁32的上延伸线43的上方界定出上部42b。下部42a的截面由周壁32的内表面44限定，并且与上部相比是缩小的。通过限定出在热电器件1下表面1b和包封结构2周壁32之间的空间，此特征有助于热电器件1的上、下表面的隔热。下部42a的截面可以向着在密封的腔室22内的空间的上部42b朝外逐渐缩小。这能有助于从热电器件1上表面1a起和至该上表面的对流过渡。关于其它的实施例，周壁32的例如由下部42a的高度界定的高度最好介于30毫米至40毫米之间。

密封腔室22和包封结构2或烟囱的替代布置形式可以包括这样的散热区12，该散热区定位在密封的腔室22的一个侧面上，假定在热电器件1的上表面1a和散热区12之间留有足以让传热液体的对流出现的竖直间距。要从计算机母板上的芯片传到外壳外面。作为替代或作为补充，热电器件1的取向可以偏离如图所示的水平取向，而是取而代之为，例如热电器件1的下表面1b竖直取向，以便能连接至待冷却物体的侧面。

其它实施例有意识地落在如后续权利要求书所限定的本发明范围内。

Claims (15)

1.一种热电制冷装置，包括：

热电器件，具有上表面和下表面；

密封腔室，用于容纳与所述热电器件的上表面直接热接触的传热液体，所述腔室被构造成允许所述传热液体从所述热电器件的上表面对流至包括散热区的所述腔室的上表面，以便将热从所述下表面经所述散热区传送至外界环境；

其中，所述热电器件至少部分被包封材料包封，所述包封材料在该热电器件的所述上表面和下表面之间的该热电器件周边的周围提供流体密封，一周壁从该热电器件的被密封的周边起向上延伸，所述周壁限定出所述密封腔室的下部，所述下部具有相对于所述密封腔室的上部减小的截面，所述周壁限定出在所述密封腔室和所述热电器件的下表面之间的空间。

2.根据权利要求1所述的热电制冷装置，其特征是，包括与所述热电器件的所述下表面热连通的物体，以便将热从所述物体经所述散热区传送至外界环境。

3.根据权利要求2所述的热电制冷装置，其特征是，所述物体包括集成电路块。

4.根据权利要求2所述的热电制冷装置，其特征是，所述物体包括绝热的封闭体积。

5.根据权利要求4所述的热电制冷装置，其特征是，该装置包括扩散板，所述扩散板被连接到所述热电器件的下表面且被构造成允许将热从所述体积传送至所述热电器件的下表面。

6.根据权利要求4所述的热电制冷装置，其特征是，该装置包括热管或热虹吸管，该热管或热虹吸管被连接到所述热电器件的下表面并且被构造成允许将热从所述体积传送至所述热电器件的下表面。

7.根据权利要求1所述的热电制冷装置，其特征是，所述周壁由包封材料构成。

8.根据权利要求1所述的热电制冷装置，其特征是，所述下部的截面向着所述密封腔室的上部逐渐缩小。

9.根据权利要求1所述的热电制冷装置，其特征是，所述空间至少部分用绝热材料填充。

10.根据权利要求1所述的热电制冷装置，其特征是，所述密封腔室的散热区包括具有横越所述腔室的上表面的连续的多个尖端的回旋。

11.根据权利要求1所述的热电制冷装置，其特征是，所述腔室的上表面由具有横越所述腔室的上表面的连续的多个尖端的且厚度基本一致的波纹金属板构成。

12.根据权利要求10或11所述的热电制冷装置，其特征是，横越所述散热区的连续的多个尖端按照10毫米至25毫米的距离相互间隔布置。

13.根据权利要求1所述的热电制冷装置，其特征是，所述密封腔室中填充有传热液体。

14.一种制造热电制冷装置的方法，该方法包括以下步骤：

提供具有上表面和下表面的热电器件；

将所述热电器件安置在模具中，所述模具具有分别靠近所述热电器件的上表面和下表面的上部和下部，并且在所述模具的所述上部和所述下部之间界定出围绕所述热电器件的周边的体积；

在所述体积中填充液态的包封材料；

固化所述包封材料；

将所述模具的所述上部和所述下部分开，以取出包封好的热电器件；和

形成密封腔室，该腔室用于容纳与所述热电器件的上表面直接热接触的传热液体，所述腔室被构造成允许所述传热液体从所述热电器件的上表面对流至包括散热区的所述腔室的上表面，以便将热经所述散热区从所述下表面传送至外界环境，

其中，所述热电器件至少部分被包封材料包封，所述包封材料在所述上表面和下表面之间的热电器件周边的周围提供流体密封，一周壁从该热电器件的被密封的周边起向上延伸，所述周壁限定出所述密封腔室的下部，所述下部具有相对于所述密封腔室的上部减小的截面，所述周壁限定出在所述密封腔室和所述热电器件的下表面之间的空间。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征是，所述模具的上部和下部分别与所述热电器件的各自的上表面和下表面接触。

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