CN102089895B - 堆叠热电模块 - Google Patents
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Abstract
一种装置，包括具有多个指状物的第一导热体和具有多个指状物的第二导热体。第一导热体和第二导热体被配置为使得第一导热体的指状物与第二导热体的指状物相互交叉。多个热电模块中的每个热电模块具有第一主表面和相对的第二主表面。每个热电模块的第一主表面与第一导热体的指状物之一热接触，第二主表面与第二导热体的指状物之一热接触。
Description
技术领域
本发明总体涉及热电模块。
背景技术
热电模块(TEM)是一类基于半导体的器件，可以用于例如对对象进行加热或冷却，或可以用于在被置于热源与热沉之间时产生功率。通常，在电学上串联并且在热学上并联地布置交替掺杂型半导体团块(pellet)。随着电流流经团块，TEM的一侧更冷，而另一侧更热。相反，在将TEM置于热梯度中时，TEM可以驱动电流通经负载。TEM可以用于对器件进行冷却或加热，或用于借助于反馈控制回路来维持操作温度。
发明内容
一个实施例是一种装置，包括具有多个指状物的第一导热体和具有多个指状物的第二导热体。第一导热体和第二导热体被配置为使得第一导热体的指状物与第二导热体的指状物相互交叉。多个热电模块中的每个热电模块具有第一主表面和相对的第二主表面。第一主表面与第一导热体的指状物之一热接触，第二主表面与第二导热体的指状物之一热接触。
另一实施例是一种方法，包括：提供具有多个指状物的第一导热体以及具有多个指状物的第二导热体。配置第一导热体和第二导热体，使得第一导热体的指状物与第二导热体的指状物相互交叉。多个热电模块中的每个热电模块具有第一主表面和相对的第二主表面。第一主表面被配置为与第一导热体的指状物之一热接触，第二主表面被配置为与第二导热体的指状物之一热接触。
另一实施例是一种系统，包括具有多个指状物的第一导热体，以及具有多个指状物的第二导热体。第一导热体和第二导热体被配置为使得第一导热体的指状物与第二导热体的指状物相互交叉。多个热电模块中的每个热电模块具有第一主表面和相对的第二主表面。第一主表面与第一导热体的指状物之一热接触，第二主表面与第二导热体的指状物之一热接触。控制器被配置为通过多个热电模块来控制第一导热体与第二导热体之间热传递的速率。
附图说明
通过结合附图而阅读以下详细描述，将理解各个实施例。各个特征可以不是按比例绘制的，为了论述清楚，可以任意地增大或减小各个特征的尺寸。为了便于应用图中的各个特征，将这些特征描述为“垂直的”或“水平的”。这样的描述并不限制这些特征相对于自然地平面或重力的方向。现在结合附图来参考以下描述，附图中：
图1A示出了包括垂直堆叠的热电模块的装置的示例实施例；
图1B示出了包括水平堆叠的热电模块的装置的示例实施例；
图2A-2C示出了具有多个指状物的两个导热体的定位；
图3示出了两个导热体中的工作流体和蒸汽的循环的示例，其中每个导热体包含蒸汽室并且热耦合至TEM；
图4示出了与两个指状物中的每个指状物热接触的TEM的分解图；
图5示出了TEM和四个指状物，所述TEM和四个指状物被配置为响应于热源产生的热来产生功率；
图6A-6C示出了其中热管和导热块形成导热体的指状物的示例实施例；以及
图7示出了示例方法。
具体实施方式
热电模块(TEM)典型地由在电学上串联且在热学上并联的多个n掺杂和p掺杂团块组成。当外部施加的电势导致电子和/或空穴流经团块时，维持团块两端的温度差。团块以交替的形式彼此电串联，使得TEM的一侧响应于电流流动而更冷，而另一侧更热。因此，TEM可以用作热泵。在当向TEM的团块两端强加热梯度时产生可以用于生产工作的电势的意义上，TEM的操作是可逆的。
随着电流流经团块，Joule加热(I2R)使团块中功率耗散。耗散功率提高了团块的温度，并降低了泵浦效率。耗散功率还增加了要由TEM来去除的热。因此，通常，与较大的泵浦电流相比，在较小的泵浦电流下TEM的效率更高。然而，泵浦电流越小，热传送速率越低。这种权衡典型地引起设计妥协，尤其是对于特定系统设计需求。
可以通过增大TEM的面积从而减小通过每个团块的电流，和/或热隔离(例如，将团块的热侧和冷侧以更高的程度绝缘)来提高TEM的效率。Hodes等人的序列号为12/128,478的美国专利申请公开了一种装置，在该装置中使用例如蒸汽室之类的导热基板来横向地扩散来自热源的热，该专利申请的全部公开一并在此作为参考。横向导热基板允许使用更大的TEM，这可以减小通过TEM的每单位面积的热通量(单位热通量)，从而允许TEM以更高的效率来操作。然而，在冷却或温度控制应用中，或在例如来自汽车排气系统的废热回收应用中，这种方法可能需要使用更大的电路组件基板(例如，印刷电路板)面积。在这种情况下，为TEM提供更大的面积以实现更高的操作效率可能是极为昂贵和/或不可实现的。需要一种备选方法来降低通过TEM团块的电流密度，所述TEM团块在电路组件基板上占用较小的面积。
所描述的实施例得益于以下认识：可以堆叠TEM而在热学上并联地操作TEM，以在减小所需的电路组件基板面积的同时，降低通过TEM的单位热通量。因此，通过相对于基板垂直地而非水平地扩展TEM，增大了用于对来自例如热产生装置的热进行扩散的有效面积。如以下将进一步描述的，垂直组件使用导热体在热学上并联地配置TEM。
首先转向图1A，示出了示例装置100的横截面图。装置100包括热源110和热沉120。热源110与第一导热体130热接触。热沉120与第二导热体140热接触。如这里所使用的，第一元件与第二元件之间的热接触是指来自第一元件的热实质上流经第一元件和第二元件物理上所在的区域。
热源110可以是任何热源。在一些实施例中，热源110是被配置为在被供能时产生热的电子器件，例如，微处理器、功率放大器或高功率激光器。在其他实施例中，热源可以是废热源，例如，烟囱或汽车的催化转化器。装置100可以被配置为对热源110进行冷却，以维持热源110的温度或从废热中回收功率。如果维持温度，则可以使用包括例如有源反馈回路的控制器。在其他实施例中，热源110可以是无源器件，例如，不耗散热而是被装置100维持在所需的操作温度下的传感器。
导热体130包括例如指状物135a、135b、135c的指状物(统称指状物135)。导热体140还包括例如指状物145a、145b、145c的指状物(统称指状物145)。尽管导热体130、140各自都被示为具有三个指状物，然而可以想到具有更少或更多指状物的实施例。如所示的，导热体130、140可以具有相同数目个指状物，然而具有不相等数目个指状物的实施例也在本公开的范围之内。如以下更详细描述的，指状物135、145相互交叉。TEM 150a位于指状物135a、145a之间。类似地，如图所示，TEM 150b、150c、150d、150e位于所示的其余指状物135、145之间。(TEM 150a、150b、150c、150d、150e统称TEM 150)因此，相对于热沉120垂直地堆叠热沉150。空间180既不被TEM占用也不被导热体占用。
由导热体提供的导热路径与由TEM提供的热绝缘的组合产生了紧凑的空间填充组件。导热路径可以被选择为在预定的三维热电路中导热，以提供比组件的可能印迹(footprint)面积更大的TEM表面积来泵浦热或回收废热。对于冷却热源110的情况，这种配置有效地在导热体130的与热源110热接触的部分提供了单个蒸发器，以及在导热体140的与TEM 150热接触的部分提供多个冷凝器。对于向热源110传送热的情况，情况实质上相反，导热体140与热沉120热接触的部分起到单个蒸发器的作用，导热体130与TEM 150热接触的部分起到多个冷凝器的作用。
简要地转向图2A和2B，示出了导热体210和导热体220相对于彼此的两个配置的透视图。出于说明的目的，每个导热体210、220包括三个指状物。在图2A中，指状物完全不交迭。在这种情况下，导热体210的指状物集合与导热体220的指状物集合脱离。在图2B中，导热体210、220被配置为使得指状物至少部分地交迭。在这种情况下，指状物被描述为相互交叉的。典型地，如图2B所示，导热体将被配置为使交迭最大化，从而使用于使热从一个导热体流到另一导热体的可用面积最大化。图2C示出了交迭相对较小的实施例的平面图。尽管交迭较小，然而导热体210的指状物和导热体220的指状物也被看作是相互交叉的。作为本文所使用的术语，任何非零交迭都在“相互交叉”的含义的范围之内。注意，交迭的程度具有两个自由度。
返回图1A，热流经TEM 150导致从热源110到热沉120的净热流160。由于来自热源110的至少一些热流经每个TEM 150a-150e，来自热源110的热在上面流动的有效面积大于TEM 150a-150e中任何一个TEM的面积，提高了TEM的效率。在一些实施例中，TEM 150各自都被配置为将来自导热体130的热传递至导热体140。在其他实施例中，TEM 150各自都被配置为将来自导热体140的热传递至导热体130。例如，可以希望对热源110加热以维持设定的温度。在以下进一步描述的其他实施例中，TEM 150被配置为响应于来自热源110的热来产生功率。
导热体130、140可以由一般认为导热的任何材料来形成，典型地大约200W/m-k或更大的材料。导热体可以包括层，所述层被设计为相对于导热体130、140的表面在一个或多个方向上提高导热率。示例材料包括：诸如铝、铜、银和金之类的金属；诸如Al/SiC之类的复合物；诸如氧化铍(beryllia)之类的陶瓷；以及诸如金刚石薄膜和热解石墨(pyrolitic graphite)之类的基于碳的热导体。在一些情况下，导热率是大约400W/m-k或更大。在以下进一步描述的实施例中，导热体130、140可以包括蒸汽室或热管，在这种情况下，有效导热率在至少一些方向上可以是大约5000W/m-k或更大。导热体130、140可以由相同或不同材料形成，可以具有相同或不同的导热率特性，并且可以具有相同或不同几何结构的指状物135、145。
图1B示出了示例装置170，该示例装置170包括相对于热沉120水平堆叠的TEM 150a、150b。在所示的情况下，导热体130仅具有一个指状物，导热体140具有两个指状物。可以通过增加导热体130上和/或导热体140上的指状物的数目来水平地扩展堆叠。在一些情况下，导热体130和TEM 150a、150b是平面的。在其他情况下，指状物145a、145b是围绕指状物135a的单个环形结构的一部分。在这种情况下，TEM150a、150b可以物理地脱离或者可以使围绕指状物135a的环形TEM的一部分。在Hodes等人的序列号为11/618,056的美国专利申请中公开了环形TEM的细节，该专利申请的全部公开一并在此作为参考。可以通过增大TEM 150a、150b的尺寸来垂直地扩展堆叠。
在装置100和装置170中，如果需要的话，任何TEM都可以被可选地替换成热绝缘材料。例如，可能需要设计通过一个或多个TEM 150的特定热通量值。此外，可以可选地将绝缘置于空隙空间(例如，空间180)中，以提高导热体130、140的热隔离。绝缘材料的示例包括扩展多孔聚苯乙烯和气凝胶。
转向图3，示出了示例装置300的示例，示例装置300包括两个导热体330、340。导热体330、340各自都具有例如两个指状物，并且分别包含蒸汽室360、365。导热体330、340的指状物是相互交叉的。热源110与导热体320热接触，热沉120与导热体340热接触。TEM 350a、350b、350c(统称TEM 350)位于导热体330与导热体340之间。在该所示实施例中，TEM 350被配置为从导热体330向导热体340泵浦热。因此，每个TEM 350的与导热体330相接触的表面比与导热体340相接触的表面更冷。划分出部分380以供稍后讨论。
例如，在‘478应用中描述了蒸汽室的操作，并在此对于TEM 350被配置为从导热体330向导热体340泵浦热的情况，使用导热体330作为示例概括了蒸汽室的操作。蒸汽室360包括吸液芯(wick)362，吸液芯362对本来空心的腔室的一个或多个内表面加衬里，除了任何所需支撑结构以外。用诸如酒精或水之类的工作流体使吸液芯362变湿当室的外表面与热源相接触时，接触区域附近的工作流体蒸发到蒸汽室360中，并被传递至远离加热区域的地方。状态变化将蒸发的热带到远离加热区域的地方。然后蒸汽可以凝结在室的较冷区域中的吸液芯上。状态变化释放了较冷区域中凝结的热。以这种方式，有效的横向导热率(例如，平行于加衬里的内表面)可以是固态金属热导体的导热率的10X-100X。5000-20000W/m-k范围内的导热率是可能的。
来自热源110的热流到导热体330。接近热源110的吸液芯362中的工作流体蒸发并进入蒸汽室360的开放容积。蒸汽通过蒸汽室360扩散到蒸汽室360的接近TEM 350a、350b、350c的部分。由于每个TEM 350a、350b、350c的与导热体330相接触的表面相对于与导热体340相接触的表面而言较冷，所以蒸汽凝结在接近TEM 350a、350b、350c的吸液芯362上。TEM 350a、350b、350c将凝结的热泵浦到导热体340。
在导热体340中，TEM 350a、350b、350c传递的热导致吸液芯370中的工作流体蒸发。蒸汽通过室365扩散并凝结在接近热沉120的吸液芯370上。例如可以用空气或液体来冷却热沉120，以从导热体330去除凝结的热。热沉120可以具有比TEM 350大的印迹面积。导热体340和热沉120可以被配置为提供如所需大小的面积来耗散热，如由系统设计中的可用面积来限制的。
转向图4，为了清楚起见，更详细地以分解图的形式示出了装置300的部分380。出于论述的目的还示出了TEM 350b的结构特征。本领域技术人员熟知TEM结构。以下描述是说明性的，而并不旨在将TEM限于任何具体配置。TEM 350b包括通过导体430以串联形式连接的n型团块410和p型团块420。绝缘层440将导体430与导热体330的指状物432和导热体340的指状物434隔离，并且可以起到基板的作用，提供了机械支撑。TEM的任何已有的或未来开发的材料和组装技术都在本公开的范围之内。
由于暖侧和冷侧热膨胀的差异，可以将TEM的尺寸限制为最大，例如，大约每侧5cm。在本文描述的示例实施例中，当设计需要TEM的尺寸大于对于所采用的TEM的类型而言的可允许最大值时，可以使用尺寸小于可应用最大值的多个TEM。在这样的实施例中，多个TEM中的每个TEM都与例如导热体330和导热体340热接触。
TEM 350b被配置为使得电流I产生热梯度382，例如，使TEM 350b的上主表面450冷却，而使相对的下主表面460变暖。主表面是在TEM350b操作时热传递经过的表面。N型团块410和p型团块420具有相对低的导热率，例如，10-20W/m-k。因此，TEM 350b起到热绝缘体的作用，通过该热绝缘体，可以由电流I来调节热通量。
在示例实施例中，导热体330、340之一或两者与TEM 350b配对，以形成单个集成结构。换言之，导热体330例如起到团块410、420和导体430的基板的作用。在这样的实施例中，可以由例如薄聚合物层来提供导体430与蒸气室的电隔离。在Hodes等人的序列号为12/128,478的美国专利申请中提供了与蒸气室和TEM的集成有关的其他细节，该专利申请的全部内容一并在此作为参考。
在装置300中，例如，将上主表面450布置为与指状物432的下表面470热接触。类似地，将下主表面460布置为与指状物434的上表面480热接触。可选地，可以在TEM 350b与指状物432、434之间使用诸如热脂之类的热导辅助。
转向图5，示出了示例装置500，在示例装置500中，TEM 510a、510b、510c(统称TEM 510)被配置为响应于热源520输出的热来产生功率。为了清楚起见省略了指状物530a、530b的一部分。尽管在该示例实施例中使用了三个TEM，然而可以使用更多的TEM，这些TEM具有例如可用的垂直高度以及导热体的有限导热率，其中指状物530a、530b是导热体的一部分。由于来自热源520的热在三个TEM 510之间分布，所以每个TEM 510a、510b、510c以比使用更少TEM(例如，一个TEM)的情况下的热通量低的热通量来操作。以类似于用更低的热通量来提高TEM的冷却效率相类似的方式，被配置为产生功率的TEM510还以更低的热通量更高效地操作。因此，与使用更少TEM的情况相比，来自热源520的功率的更大一部分被转换成电功率。此外，当降低热通量时，相对多的热被转换成有用形式，例如，电功率形式，而不是通过TEM来泵浦。
由于在功率产生实施例中通过每个TEM 510a、510b、510c的热通量较低，所以相对于较高通量的情况，TEM两侧之间的温度差减小。因此，与使用具有较高热通量的单个TEM来产生功率的情况相比，例如由装置500来冷却的电部件可以工作在更低的温度下。换言之，对于来自电部件的通过若干TEM的相同总热通量，装置500借助于更多团块上的热通量来允许电部件工作在更低温度下。这方面可以允许，利用由电部件耗散的热的比本来可能的情况更大一部分来产生电功率，而没有由于高温操作而缩短部件寿命的风险。这方面与热功率回收的技术的目前状况相反，其中，典型地由于TEM的热绝缘特性，使得可以从电部件回收的相对较少的一部分废热。
TEM 510可以在电学上与例如负载R串联，以产生I2R瓦特的功率。如上所述，热源520可以是较热排气装置的电部件或管道。排出的功率可以用于任何所需的目的。以本文中不同实施例中描述的方式来配置TEM 510使得可以将可用废热的更大一部分转换成有用功率。在其他实施例中(未示出)，TEM 510在电学上并联。在这样的实施例中，以比所示串联配置更高的电流和更低的电压来提供回收功率。
图6A示出了示例实施例，在该示例实施例中导热体600包括多个热管610a、610b、610c(统称热管610)。将热管610插入导热块620a、620b、620c中。在本示例中使用三个热管610，但是可以根据总体系统需求的需要以及例如热管610和导热块620的机械强度的限制来使用任意数目个热管610。
工作流体和蒸汽在每个热管610a、610b、610c中独立地循环。本实施例的这方面提供了一种装置，该装置用于定制来自TEM的与导热块620热接触的不同区域的热流。例如，管道610b可以被配置为以比热管610a、610c高的速率来传递热，以从远离TEM边缘的TEM内部区域去除热。热管610b可以例如具有与热管610a、610c不同的直径。
图6B示出了导热体650的示例实施例。在该实施例中，通过支撑构件665加入了导热块660a、660b、660c(统称导热块660)。支撑构件665可以用于机械地支撑导热体650。支撑构件665可以与导热块660材料相同或不同。在实施例中，支撑构件665和导热块660具有例如200W/m-k或更高导热率的材料的单片结构。
图6C示出了装置670，装置670包括热源110、两个导热体600、五个TEM675以及热沉120。期望装置670与上述装置100以类似方式操作。
最后转向图7，示出了方法700的流程图。在步骤710，提供第一导热体和第二导热体。一个导热体被配置为具有至少一个指状物，另一个导热体被配置为具有多个指状物。在步骤720，相对于彼此配置第一导热体和第二导热体，使得将一个导热体的指状物与另一个导热体的指状物相互交叉。在步骤730，配置多个TEM，使得每个TEM的第一主表面与第一导热体热接触，而相对的第二主表面与第二导热体热接触。
本发明所涉及的领域的技术人员将意识到，在不脱离本发明的范围的前提下，可以对所描述的实施例作出其他和进一步的增加、删除、替换和修改。
Claims (10)
1.一种导热装置，包括：
第一导热体，具有至少一个指状物；
第二导热体，具有多个指状物，被配置为使得所述多个指状物中至少一第一指状物与第二指状物包含相同蒸汽室的一部分且所述第二导热体提供自所述第一指状物至所述第二指状物间蒸汽传递的路径，及进一步被配置为使得所述第一导热体的所述至少一个指状物与所述第二导热体的第一指状物与第二指状物相互交叉；以及
多个热电模块，位于所述第一导热体与所述第二导热体之间，每个热电模块具有完全位于其第一主表面和相对的第二主表面之间的至少一半导体团块，所述第一主表面中一者与所述第一导热体的所述至少一个指状物热接触，所述第二主表面中一者与所述第二导热体的所述第一指状物或第二指状物热接触。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：与所述第一导热体热接触的热源，以及与所述第二导热体热接触的热沉。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述热电模块被配置为响应于所述热源所产生的热来产生电功率。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热电模块被配置为在所述第一导热体与所述第二导热体之间传递热。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述相同蒸汽室是第二蒸汽室且所述第一导热体包含第一蒸汽室。
6.一种制造导热装置的方法，包括：
提供具有至少一个指状物的第一导热体；
提供具有多个指状物的第二导热体，被配置为使得所述多个指状物中至少一第一指状物与第二指状物包含相同蒸汽室的一部分且所述第二导热体提供自所述第一指状物至所述第二指状物间蒸汽传递的路径；
配置所述第一导热体和第二导热体，使得所述第一导热体的所述至少一个指状物与所述第二导热体的第一与第二指状物相互交叉；以及
定位所述第一导热体和所述第二导热体之间的多个热电模块，每个热电模块具有完全位于其第一主表面和相对的第二主表面之间的至少一半导体团块，且被定位使得所述第一主表面中一者与所述第一导热体的所述至少一个指状物热接触而所述第二主表面 中一者与所述第二导热体的所述第一指状物或第二指状物热接触。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述相同蒸汽室是第二蒸汽室且所述第一导热体包含第一蒸汽室。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：将热源布置为与所述第一导热体热接触，将热沉布置为与所述第二导热体热接触。
9.一种导热系统，包括：
第一导热体，具有至少一个指状物；
第二导热体，具有多个指状物，被配置为使得所述多个指状物中至少一第一指状物与第二指状物包含相同蒸汽室的一部分且所述第二导热体提供自所述第一指状物至所述第二指状物间蒸汽传递的路径，及进一步被配置为使得所述第一导热体的所述至少一个指状物与所述第二导热体的所述第一指状物与所述第二指状物相互交叉；
多个热电模块，位于所述第一导热体与所述第二导热体之间，每个热电模块具有完全位于其第一主表面和相对的第二主表面之间的至少一半导体团块，所述第一主表面中一者与所述第一导热体的所述至少一个指状物热接触，所述第二主表面中一者与所述第二导热体的所述第一指状物或第二指状物热接触；以及
控制器，被配置为通过所述多个热电模块来控制所述第一导热体与所述第二导热体之间热传递的速率。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一导热体和所述第二导热体中的至少一个包含热管。
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