CN110546773A - 使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件 - Google Patents

使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件 Download PDF

Info

Publication number
CN110546773A
CN110546773A CN201880021675.0A CN201880021675A CN110546773A CN 110546773 A CN110546773 A CN 110546773A CN 201880021675 A CN201880021675 A CN 201880021675A CN 110546773 A CN110546773 A CN 110546773A
Authority
CN
China
Prior art keywords
stage
thermoelectric
thermoelectric devices
heat sink
heat pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201880021675.0A
Other languages
English (en)
Inventor
布赖恩·J·威廉姆斯
戴文·纽曼
阿布舍克·阿达夫
杰森·D·里德
凯文·S·施奈德
杰西·W·爱德华兹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Nick
Original Assignee
Phoenix Nick
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Nick filed Critical Phoenix Nick
Publication of CN110546773A publication Critical patent/CN110546773A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • H10N19/101—Multiple thermocouples connected in a cascade arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/38—Cooling arrangements using the Peltier effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/182—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components associated with components mounted in the printed circuit board, e.g. insert mounted components [IMC]
    • H05K1/184—Components including terminals inserted in holes through the printed circuit board and connected to printed contacts on the walls of the holes or at the edges thereof or protruding over or into the holes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10219—Thermoelectric component

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本文中公开一种热电热泵级联件及其制造方法。在一些实施方案中，一种热电热泵级联件包括：第一级多个热电装置，所述第一级多个热电装置附接到第一级电路板；以及第一级热界面材料，所述第一级热界面材料介于所述热电装置与在所述热电装置上方的所述散热盖之间。所述热电热泵级联部件还包括第二级多个热电装置，所述第二级多个热电装置附接到第二级电路板，其中所述第二级多个热电装置具有大于所述第一级多个热电装置的泵热能力；以及第二级热界面材料，所述第二级热界面材料介于所述第二级多个热电装置与所述第一级多个热电装置之间。以此方式，能够实现较大温差，同时允许保护所述热电装置、简化设计并且改进产品的可靠性。

Description

使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件
相关申请
本申请要求在2017年3月10日提交的临时专利申请序号62/469,992和在2017年3月16日提交的临时专利申请序号62/472,311的权益，所述临时专利申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及热电装置及其制造。
背景技术
热电装置是固态半导体装置，视特定应用而定，固态半导体装置能够是热电冷却器(TECs)或热电产生器(TEGs)。TECs是利用佩尔捷效应将热从装置的一侧传递到另一侧，由此在装置的冷侧上形成冷却效应的固态半导体装置。因为热传递的方向由施加的电压的极性确定，所以热电装置通常能够用作温度控制器。类似地，TEGs是利用泽贝克效应将热(即，从装置的一侧到另一侧的温差)直接转换成电能的固态半导体装置。热电装置包括至少一个N型腿和至少一个P型腿。N型腿和P型腿由热电材料(即，具有足够强的热电性质的半导体材料)形成。为了实现热电冷却，将电流施加到热电装置。N型腿和P型腿中的电流转移的方向平行于热电装置中的热传递的方向。因此，冷却在热电装置的顶部表面处发生，并且热在热电装置的底部表面处释放。
使用热电装置的热电系统与非热电系统相比是有利的，这是因为热电系统缺少移动机械部分，具有长寿命，并且能够具有小尺寸和挠性形状。然而，仍然需要具有增加的性能和更长寿命的热电装置。
发明内容
本文中公开一种热电热泵级联件及其制造方法。在一些实施方案中，热电热泵级联部件包括：第一级多个热电装置，所述第一级多个热电装置附接到第一级电路板；以及第一级热界面材料，所述第一级热界面材料介于所述第一级多个热电装置与在所述第一级多个热电装置上方的第一级散热盖之间。所述热电热泵级联部件还包括：第二级多个热电装置，所述第二级多个热电装置附接到第二级电路板，其中所述第二级多个热电装置具有大于所述第一级多个热电装置的泵热能力；以及第二级热界面材料，所述第二级热界面材料介于所述第二级多个热电装置与所述第一级多个热电装置之间。以此方式，能够实现较大温差，同时在热泵内使用模块方法考虑到对热电装置的保护，简化设计以减轻制造公差层叠挑战，并且极大地改进产品的可靠性。
在一些实施方案中，所述热电热泵级联部件还包括第二级散热盖，所述第二级散热盖在所述第二级多个热电装置上方，并且所述第二级热界面材料介于所述第二级散热盖与所述第一级多个热电装置之间。
在一些实施方案中，所述第一级多个热电装置含有数目与所述第二级多个热电装置相同的热电装置，并且所述第二级多个热电装置具有大于所述第一级多个热电装置的泵热能力，这是因为所述第二级多个热电装置中的每个热电装置具有大于所述第一级多个热电装置中的相应热电装置的泵热能力。
在一些实施方案中，所述第一级多个热电装置含有少于所述第二级多个热电装置的热电装置。在一些实施方案中，所述第二级多个热电装置中的每个热电装置具有与所述第一级多个热电装置中的每个热电装置相同的泵热能力。
在一些实施方案中，所述第一级多个热电装置中的两个或更多个热电装置相对于所述第一级电路板具有不同高度，并且所述第一级散热盖的定向使得所述第一级热界面材料的厚度对于所述第一级多个热电装置是最优的。
在一些实施方案中，所述第二级多个热电装置中的两个或更多个热电装置相对于所述第二级电路板具有不同高度，并且所述第二级散热盖的定向使得所述第二级热界面材料的厚度对于所述第二级多个热电装置是最优的。
在一些实施方案中，所述第一级热界面材料是焊料或散热膏。
在一些实施方案中，所述第一级散热盖还包括唇缘，所述唇缘围绕所述第一级散热盖的外围从所述第一级散热盖的本体延伸。
在一些实施方案中，所述唇缘相对于所述第一级散热盖的所述本体的高度使得，对于在预定义公差范围内的所述第一级多个热电装置的高度的任何组合，在所述第一级散热盖的所述唇缘与所述第一级电路板的第一表面之间维持至少一预定义最小间隙，其中所述预定义最小间隙大于零。
在一些实施方案中，所述热电热泵级联部件还包括附着材料，所述附着材料围绕所述第一级散热盖的所述外围填充所述第一级散热盖的所述唇缘与所述第一级电路板的所述第一表面之间的所述至少所述预定义最小间隙。
在一些实施方案中，所述第一级散热盖的所述唇缘和所述附着材料吸收施加到所述第一级散热盖的力，以便保护所述第一级多个热电装置。在一些实施方案中，所述附着材料是环氧物或树脂。
在一些实施方案中，所述第二级散热盖还包括唇缘，所述唇缘围绕所述第二级散热盖的外围从所述第二级散热盖的本体延伸。
在一些实施方案中，所述唇缘相对于所述第二级散热盖的所述本体的高度使得，对于在预定义公差范围内的所述第二级多个热电装置的高度的任何组合，在所述第二级散热盖的所述唇缘与所述第二级电路板的第一表面之间维持至少一预定义最小间隙，其中所述预定义最小间隙大于零。
在一些实施方案中，所述热电热泵级联部件还包括附着材料，所述附着材料围绕所述第二级散热盖的所述外围填充所述第二级散热盖的所述唇缘与所述第二级电路板的所述第一表面之间的所述至少所述预定义最小间隙。
在一些实施方案中，所述第二级散热盖的所述唇缘和所述附着材料吸收施加到所述第二级散热盖的力，以便保护所述第二级多个热电装置。在一些实施方案中，所述附着材料是环氧物或树脂。
在一些实施方案中，一种制造热电热泵级联部件的方法包括将第一级多个热电装置附接到第一级电路板，以及在所述第一级多个热电装置与第一级散热盖之间施加第一级热界面材料。所述方法还包括将第二级多个热电装置附接到第二级电路板，以及在所述第一级多个热电装置与所述第二级多个热电装置之间施加第二级热界面材料。
在一些实施方案中，所述制造方法还包括在所述第二级多个热电装置上方附接第二级散热盖，并且施加所述第二级热界面材料包括在所述第二级散热盖与所述第一级多个热电装置之间施加所述第二级热界面材料。
所属领域的技术人员将在结合随附图式阅读优选实施方案的以下详细描述之后了解本公开的范围并且认识到本公开的额外方面。
附图说明
并入本说明书中并且形成本说明书的一部分的随附图式图示本公开的几个方面，并且与描述一起用于解释本公开的原理。
图1图示根据本公开的一些实施方案的热电制冷系统，所述热电制冷系统具有：冷却室；热交换器，所述热交换器包括至少一个热电模块(TEM)，所述至少一个热电模块设置在冷侧散热件与热侧散热件之间；以及控制器，所述控制器控制TEM；
图2图示热电部件(TEC)的侧视图；
图3图示热电热交换器模块的侧视图；
图4图示根据本公开的一些实施方案的使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件；
图5图示根据本公开的一些实施方案的在两个级中使用相同类型的热电模块的热电热泵级联件；
图6图示根据本公开的一些实施方案的在三个级中使用相同类型的热电模块的热电热泵级联件；
图7图示根据本公开的一些实施方案的在两个级中的每个级中使用不同类型的热电模块的热电热泵级联件；以及
图8图示根据本公开的一些实施方案的用于制造图4的使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件的过程。
具体实施方式
下文陈述的实施方案表示使所属领域的技术人员能够实践所述实施方案的必要信息，并且说明实践所述实施方案的最佳模式。在阅读根据随附图式的以下描述后，所属领域的技术人员将理解本公开的概念并且将认识本文中未特定解释的这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用在本公开和随附权利要求的范围内。
将理解，尽管在本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。举例来说，在不背离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文中所使用，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个中的任一者和全部组合。
在本文中可以使用例如“在……下方”或“在……之上”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相对术语来描述如诸图中所图示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。将理解，这些术语和上文讨论的术语意图涵盖除了诸图中所描绘的定向以外的装置的不同定向。
本文中所使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不是意图作为对本公开的限制。如本文中所使用，单数形式“一”和“所述”意图也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括”在于本文中使用时规定一定特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群的存在或添加。
除非另外规定，否则本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的意义与本公开所属的领域的普通技术人员通常所理解的意义相同。还将理解，本文中所使用的术语应被解译为具有与所述术语在本说明书和相关领域的背景中的意义一致的意义，而不是从理想化或过于正式的意义上解译，除非本文中明确地如此规定。
图1图示根据本公开的一些实施方案的热电制冷系统10，所述热电制冷系统具有：冷却室12；热交换器14，所述热交换器包括至少一个热电模块(TEM)22(在本文中单数被称为TEM 22或复数被称为TEMs 22)，所述至少一个热电模块设置在冷侧散热件20与热侧散热件18之间；以及控制器16，所述控制器控制TEM 22。当TEM 22用于提供冷却时，TEM 22有时可以被称为热电冷却器(TEC)22。
TEMs 22优选为薄膜装置。当TEMs 22中的一个或多个由控制器16启动时，启动的TEMs 22操作以加热热侧散热件18并且冷却冷侧散热件20，由此促进热传递以从冷却室12提取热量。更特别地，根据本公开的一些实施方案，当TEMs 22中的一个或多个被启动时，热侧散热件18受热而由此创建蒸发器，并且冷侧散热件20冷却而由此创建冷凝器。
在充当冷凝器时，冷侧散热件20促进经由冷侧散热件20耦合的接受回路24的从冷却室12的热量提取。接受回路24热耦合到热电制冷系统10的内壁26。内壁26限定冷却室12。在一个实施方案中，接受回路24被集成到内壁26中，或者直接集成到内壁26的表面上。接受回路24由任何类型的管路形成，所述管路允许冷却介质(例如，两相冷却剂)流过或通过接受回路24。由于接受回路24与内壁26的热耦合，当冷却介质流过接受回路24时，冷却介质从冷却室12提取热量。接受回路24可以由例如铜管、塑料管、不锈钢管、铝管或类似物形成。
在充当蒸发器时，热侧散热件18促进经由耦合到热侧散热件18的排斥回路28的到冷却室12外的环境的排热。排斥回路28热耦合到热电制冷系统10的外壁30或外部皮肤。
未进一步讨论用于从冷却室12去除热的热与机械过程。此外，应当注意，图1所示的热电制冷系统10只是TEM 22的使用和控制的特定实施方案。本文中讨论的全部实施方案应当理解为适用于热电制冷系统10以及TEM 22的任何其他用途。
继续在图1中图示的示例实施方案，控制器16操作以控制TEMs22，以便维持冷却室12内的期望的设定点温度。一般地，控制器16操作以选择性地启动/撤销启动TEMs 22，选择性地控制提供到TEMs22的电力的量，和/或选择性地控制TEMs 22的工作比以维持期望的设定点温度。此外，在优选实施方案中，控制器16有能力分开地或独立地控制TEMs 22的一个或多个并且在一些实施方案中两个或更多个子集，其中每个子集包括一个或多个不同的TEMs 22。因此，作为一实例，如果存在四个TEMs 22，控制器16可能有能力分开地控制第一单独TEM 22、第二单独TEM 22和两个TEMs 22的群。通过这个方法，控制器16能够根据需求以最大效率例如选择性地独立启动一个、两个、三个或四个TEMs 22。
应当注意，热电制冷系统10只是示例实现方式，并且本文中公开的系统和方法也能够适用于热电装置的其他用途。
在图2中示出例如TEM 22的一般热电装置。热电装置由两个头部32和一系列焊接到每个头部的腿部34构成，所述两个头部通常被称为冷头部32-1和热头部32-2。在一些实施方案中，头部32由陶瓷制成。当操作热电装置时，热从冷头部32-1移动到热头部32-2，从而在头部32之间形成温差。这一温差导致每个头部的热膨胀和收缩。
需要用于将薄膜热电装置之间的热界面材料的热阻最小化，同时也保护薄膜热电装置不受机械负荷影响的系统和方法。
美国专利8,893,513号详述用保护性散热盖包裹电路板上的多个热电装置的方法和最优界面热阻，所述美国专利的公开内容特此以全文引用的方式并入本文中。尽管所述方法对各种应用来说有利，但是设计需要多个界面和部件。
图3图示例如图1所示的热交换器14的热电热交换器模块的侧视图。散热盖46和58能够使散热盖46和58与TECs 40之间的界面处的界面热阻达到最优。更特别地，如图3所图示，TECs 40中的两个或更多个的高度可以改变。使用常规技术将TECs 40附接到热侧和/或冷侧散热件18和20会导致较短TECs 40的小于最优的界面热阻，这是因为在那些较短TECs40与对应的散热件18、20之间将存在较大量的热界面材料。相比而言，散热盖46和58的结构使散热盖46和58的定向(即，倾角)能够被调整，以优化基座50、62与TECs 40的对应表面之间的热界面材料(TIM)70、72的厚度，并且因此优化界面热阻。
在这个实例中，TEC 1具有相对于电路板36的第一表面的高度(h1)，所述高度(h1)小于TEC 2相对于电路板36的第一表面的高度(h2)。如下文更详细地讨论，当散热盖58定位在TECs 40上方时，球点力(即，经由球点施加的力)施加到散热盖58的中心。因此，散热盖58以优化基座62中的每一个与对应TEC 40之间的热界面材料72的厚度的定向安置。
散热盖58的唇缘64的高度(hL1)使得，对于具有关于TECs 40相对于电路板36的第一表面的高度的预定义公差范围的高度(h1和h2)的任何可能组合，唇缘64与电路板36之间的间隙(G1)大于预定义最小间隙。所述预定义最小间隙是非零值。在一个特定实施方案中，所述预定义最小间隙是在维持散热盖58与TECs 40之间的预定义量的压力或力的同时环氧物和/或树脂74填充间隙(G1)所需的最小间隙。确切地说，唇缘64的高度(hL1)大于TECs 40相对于电路板36的第一表面的最小可能高度，加上基座62的高度，加上热界面材料72的预定义最小高度，加上某个附加值，所述附加值是散热盖58的最大可能角度(最大可能角度是TECs 40的最小和最大可能高度的函数)和唇缘64与最接近基座62之间的距离的函数。在这个实施方案中，通过调整散热盖58的定向，热界面材料72的厚度且因此界面热阻对于TEC40中的每一个减到最小。
以类似方式，TEC 1具有相对于电路板36的第二表面的高度(h1’)，所述高度(h1’)大于相对于电路板36的第二表面的TEC 2的高度(h2’)。如下文更详细地讨论，当散热盖46定位在TECs 40上方时，球点力(即，经由球点施加的力)施加到散热盖46的中心。因此，散热盖46以优化基座50中的每一个与对应TEC 40之间的热界面材料70的厚度的定向安置。
散热盖46的唇缘52的高度(hL2)使得，对于具有关于TECs 40相对于电路板36的第二表面的高度的预定义公差范围的的高度(h1’和h2’)的任何可能组合，唇缘52与电路板36之间的间隙(G2)大于预定义最小间隙。所述预定义最小间隙是非零值。在一个特定实施方案中，所述预定义最小间隙是在维持散热盖46与TECs 40之间的预定义量的压力或力的同时环氧物和/或树脂76填充间隙(G2)所需的最小间隙。确切地说，唇缘52的高度(hL2)大于TECs 40相对于电路板36的第二表面的最小可能高度，加上基座50的高度，加上热界面材料70的预定义最小高度，加上某个附加值，所述附加值是散热盖46的最大可能角度(最大可能角度是TECs 40的最小和最大可能高度的函数)和唇缘52与最接近基座50之间的距离的函数。在这个实施方案中，通过调整散热盖46的定向，热界面材料70的厚度且因此界面热阻对于TECs 40中的每一个减到最小。
在图3的实施方案中，在基座50和62与TECs 40的对应表面之间的界面处，基座50和62的尺寸略微小于TECs 40的对应表面的尺寸。因而，当向散热盖46和58施加球点力时，过量的热界面材料70和72沿着基座50和62的边缘移动，并且由此防止TECs 40的腿热短路。还应当指出，施加到散热盖46的任何力被唇缘52、环氧物和/或树脂76以及电路板36吸收，由此保护TEC 40。同样地，施加到散热盖58的任何力被唇缘64、环氧物和/或树脂74以及电路板36吸收，由此保护TECs 40。以此方式，与不具有散热盖46和58的对比热交换器部件相比，明显更均匀和不均匀的力能够施加到热电热交换器部件14而不损坏TECs 40。
美国专利8,893,513详述用保护性散热盖包裹电路板上的多个热电装置的方法和最优界面热阻。尽管所述方法对于各种应用是足够的，但是基于单级TEC模块的能力，设计在温度范围(DTmax)上受限制。
本文中公开热电热泵级联件和制造所述热电热泵级联件的方法。如图4所示，热电热泵级联部件78包括：第一级多个热电装置80-1，所述第一级多个热电装置附接到第一级电路板82-1；以及第一级热界面材料84-1，所述第一级热界面材料介于第一级多个热电装置80-1与在第一级多个热电装置80-1上方的第一级散热盖86-1之间。热电热泵级联部件78还包括：第二级多个热电装置80-2，所述第二级多个热电装置附接到第二级电路板82-2，其中第二级多个热电装置80-2具有大于第一级多个热电装置80-1的泵热能力；以及第二级热界面材料84-2，所述第二级热界面材料介于第二级多个热电装置80-2与第一级多个热电装置80-1之间。以下方式，能够实现较大温差，同时在热电热泵级联部件78内使用模块方法考虑到对热电装置(80-1和80-2)的保护，简化设计以减轻制造公差层叠挑战，并且极大地改进产品的可靠性。图4示出两级热电热泵级联部件78，但是视设计应用和要求而定，这种热电热泵级联部件可容易针对内部的更多电路板82缩放。
图4示出在第二级多个热电装置80-2上方的任选第二级散热盖86-2。当使用这种第二级散热盖时，第二级热界面材料84-2介于第二级散热盖86-2与第一级多个热电装置80-1之间。
图4还示出任选附着材料88，所述附着材料围绕第一级散热盖86-1的外围填充第一级散热盖86-1的唇缘与第一级电路板82-1的第一表面之间的所述至少所述间隙。在一些实施方案中，这种附着材料能够是环氧物或树脂。
在一些实施方案中，每个电路板82具有用于电力的某一类型的外部输入/输出。为了补偿需要由较低级提取的额外热量，不同级将具有不同数量的相同热电装置类型或相同数量的不同热电装置类型的热电装置以实现级联方法。
图5图示根据本公开的一些实施方案的在两个级中使用相同类型的热电装置80的热电热泵级联部件78。图5示出在没有来自图4的所有其他热泵材料的情况下的基本结构。通过使每个较低级具有比所述级的上一级多的热电装置80以便泵吸更多能量来实现级联方法。确切地说，第一级电路板82-1具有总共两个第一级热电装置80-1，而第二级电路板82-2具有总共三个第二级热电装置80-2。这准许所述第二级移除所述第一级移除的热量以及由所述第一级产生的额外热量。
如上文所讨论的，视设计应用和要求而定，这种热电热泵级联部件78可容易针对内部的更多电路板82缩放。图6图示根据本公开的一些实施方案的在三个级中使用相同类型的热电装置80的热电热泵级联部件78。类似于图5，第一级电路板82-1具有总共两个第一级热电装置80-1，而第二级电路板82-2具有总共三个第二级热电装置80-2。额外的第三级包括第三级电路板82-3，所述第三级电路板具有总共四个第三级热电装置80-3。这些数字仅用于说明。
如上文所讨论的，不同级也可以通过具有不同类型的热电装置80而具有较大的泵热能力。图7图示根据本公开的一些实施方案的在两个级中的每个级中使用不同类型的热电装置80的热电热泵级联部件78。如所示，第一级电路板82-1具有总共两个类型A的第一级热电装置80-1，而第二级电路板82-2也具有总共两个第二级热电装置80-2，但是这些热电装置是类型B的。在这个实施方案中，类型B热电装置80-2具有较大的泵热能力以移除所述第一级移除的热量以及由所述第一级产生的额外热量。
存在用于实现不同类型的热电装置80的许多不同设计技术(材料类型、几何形状)，但是关键是较低级必须能够比前面的级传递更多能量(Q)。另外说明的类型B(Q)必须大于类型A(Q)，使得除了在所要应用条件下需要经由整个系统传递的Q量之外，类型B热电装置还能够传递由类型A热电装置产生的能量。
图8图示根据本公开的一些实施方案的用于制造图4的热电热泵级联部件78的过程。首先，将第一级多个热电装置80-1附接到第一级电路板82-1(步骤100)。接下来，在第一级多个热电装置82-1与第一级散热盖86-1之间施加第一级热界面材料84-1(步骤102)。将第二级多个热电装置82-2附接到第二级电路板82-2(步骤104)。然后，在第一级多个热电装置80-1与第二级多个热电装置80-2之间施加第二级热界面材料84-2(步骤106)。
在一些实施方案中，所述过程任选地包括在第二级多个热电装置80-2上方附接第二级散热盖86-2。在这种情况下，在第二级散热盖86-2与第一级多个热电装置80-1之间施加第二级热界面材料84-2。
所属领域的技术人员将认识到对本公开的优选实施方案的改进和修改。所有这些改进和修改被视为在本文中公开的概念和随后的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种热电热泵级联部件，所述热电热泵级联部件包括：
第一级电路板；
第一级多个热电装置，所述第一级多个热电装置附接到所述第一级电路板；
第一级散热盖，所述第一级散热盖处于所述第一级多个热电装置上方；
第一级热界面材料，所述第一级热界面材料介于所述第一级多个热电装置与所述第一级散热盖之间；
第二级电路板；
第二级多个热电装置，所述第二级多个热电装置附接到所述第二级电路板，其中所述第二级多个热电装置具有大于所述第一级多个热电装置的泵热能力；以及
第二级热界面材料，所述第二级热界面材料介于所述第二级多个热电装置与所述第一级多个热电装置之间。
2.如权利要求1所述的热电热泵级联部件，所述热电热泵级联部件还包括：
第二级散热盖，所述第二级散热盖在所述第二级多个热电装置上方；并且
其中所述第二级热界面材料介于所述第二级散热盖与所述第一级多个热电装置之间。
3.如权利要求1所述的热电热泵级联部件，其中：
所述第一级多个热电装置含有数目与所述第二级多个热电装置相同的热电装置；并且
所述第二级多个热电装置具有大于所述第一级多个热电装置的泵热能力，这是因为所述第二级多个热电装置中的每个热电装置具有大于所述第一级多个热电装置中的相应热电装置的泵热能力。
4.如权利要求1所述的热电热泵级联部件，其中：
所述第一级多个热电装置含有少于所述第二级多个热电装置的热电装置。
5.如权利要求4所述的热电热泵级联部件，其中：
所述第二级多个热电装置中的每个热电装置具有与所述第一级多个热电装置中的每个热电装置相同的泵热能力。
6.如权利要求1所述的热电热泵级联部件，其中：
所述第一级多个热电装置中的两个或更多个热电装置相对于所述第一级电路板具有不同高度；并且
所述第一级散热盖的定向使得所述第一级热界面材料的厚度对于所述第一级多个热电装置是最优的。
7.如权利要求2所述的热电热泵级联部件，其中：
所述第二级多个热电装置中的两个或更多个热电装置相对于所述第二级电路板具有不同高度；并且
所述第二级散热盖的定向使得所述第二级热界面材料的厚度对于所述第二级多个热电装置是最优的。
8.如权利要求1所述的热电热泵级联部件，其中所述第一级热界面材料选自由焊料和散热膏组成的组。
9.如权利要求1所述的热电热泵级联部件，其中所述第一级散热盖还包括唇缘，所述唇缘围绕所述第一级散热盖的外围从所述第一级散热盖的本体延伸。
10.如权利要求9所述的热电热泵级联部件，其中所述唇缘相对于所述第一级散热盖的所述本体的高度使得对于在预定义公差范围内的所述第一级多个热电装置的高度的任何组合，在所述第一级散热盖的所述唇缘与所述第一级电路板的第一表面之间维持至少预定义最小间隙，其中所述预定义最小间隙大于零。
11.如权利要求10所述的热电热泵级联部件，所述热电热泵级联部件还包括附着材料，所述附着材料围绕所述第一级散热盖的所述外围填充所述第一级散热盖的所述唇缘与所述第一级电路板的所述第一表面之间的所述至少所述预定义最小间隙。
12.如权利要求11所述的热电热泵级联部件，其中所述第一级散热盖的所述唇缘和所述附着材料吸收施加到所述第一级散热盖的力，以便保护所述第一级多个热电装置。
13.如权利要求11所述的热电热泵级联部件，其中所述附着材料选自由环氧物和树脂组成的组。
14.如权利要求2所述的热电热泵级联部件，其中所述第二级散热盖还包括唇缘，所述唇缘围绕所述第二级散热盖的外围从所述第二级散热盖的本体延伸。
15.如权利要求14所述的热电热泵级联部件，其中所述唇缘相对于所述第二级散热盖的所述本体的高度使得对于在预定义公差范围内的所述第二级多个热电装置的高度的任何组合，在所述第二级散热盖的所述唇缘与所述第二级电路板的第一表面之间维持至少预定义最小间隙，其中所述预定义最小间隙大于零。
16.如权利要求15所述的热电热泵级联部件，所述热电热泵级联部件还包括附着材料，所述附着材料围绕所述第二级散热盖的所述外围填充所述第二级散热盖的所述唇缘与所述第二级电路板的所述第一表面之间的所述至少所述预定义最小间隙。
17.如权利要求16所述的热电热泵级联部件，其中所述第二级散热盖的所述唇缘和所述附着材料吸收施加到所述第二级散热盖的力，以便保护所述第二级多个热电装置。
18.如权利要求16所述的热电热泵级联部件，其中所述附着材料选自由环氧物和树脂组成的组。
19.一种制造热电热泵级联部件的方法，所述方法包括：
将第一级多个热电装置附接到第一级电路板；
在所述第一级多个热电装置与第一级散热盖之间施加第一级热界面材料；
将第二级多个热电装置附接到第二级电路板；以及
在所述第一级多个热电装置与所述第二级多个热电装置之间施加第二级热界面材料。
20.如权利要求19所述的方法，所述方法还包括：
在所述第二级多个热电装置上方附接第二级散热盖；并且
其中施加所述第二级热界面材料包括在所述第二级散热盖与所述第一级多个热电装置之间施加所述第二级热界面材料。
CN201880021675.0A 2017-03-10 2018-03-09 使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件 Pending CN110546773A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762469992P 2017-03-10 2017-03-10
US62/469,992 2017-03-10
US201762472311P 2017-03-16 2017-03-16
US62/472,311 2017-03-16
PCT/US2018/021801 WO2018165582A1 (en) 2017-03-10 2018-03-09 Thermoelectric heat pump cascade using multiple printed circuit boards with thermoelectric modules

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110546773A true CN110546773A (zh) 2019-12-06

Family

ID=61750558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880021675.0A Pending CN110546773A (zh) 2017-03-10 2018-03-09 使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20180261748A1 (zh)
EP (1) EP3577699A1 (zh)
JP (1) JP2020511792A (zh)
KR (1) KR20190120380A (zh)
CN (1) CN110546773A (zh)
WO (1) WO2018165582A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11152557B2 (en) 2019-02-20 2021-10-19 Gentherm Incorporated Thermoelectric module with integrated printed circuit board
DE102019207496A1 (de) * 2019-05-22 2020-11-26 Mahle International Gmbh Thermoelektrisches Modul
DE102019212434A1 (de) * 2019-08-20 2021-02-25 Robert Bosch Gmbh Thermoaktives Element
US11502021B2 (en) 2019-12-16 2022-11-15 B/E Aerospace, Inc. Flatpack thermoelectric air chiller with pre-cooling cycle

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10190071A (ja) * 1996-12-20 1998-07-21 Aisin Seiki Co Ltd 多段電子冷却装置
US6505468B2 (en) * 2000-03-21 2003-01-14 Research Triangle Institute Cascade cryogenic thermoelectric cooler for cryogenic and room temperature applications
JP4528576B2 (ja) * 2003-08-15 2010-08-18 株式会社東芝 熱流制御システム
TWI443882B (zh) * 2010-11-15 2014-07-01 Ind Tech Res Inst 熱電轉換組件及其製造方法
WO2013169774A2 (en) * 2012-05-07 2013-11-14 Phononic Devices, Inc. Thermoelectric heat exchanger component including protective heat spreading lid and optimal thermal interface resistance
US20130291555A1 (en) * 2012-05-07 2013-11-07 Phononic Devices, Inc. Thermoelectric refrigeration system control scheme for high efficiency performance
US20160079510A1 (en) * 2014-09-16 2016-03-17 Phononic Devices, Inc. Cascade thermoelectric module configurable for either common or separate power

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018165582A1 (en) 2018-09-13
US20180261748A1 (en) 2018-09-13
KR20190120380A (ko) 2019-10-23
JP2020511792A (ja) 2020-04-16
EP3577699A1 (en) 2019-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102023228B1 (ko) 보호용 열 확산 리드 및 최적 열 계면 저항을 포함하는 열전 열 교환기 컴포넌트
US20180123013A1 (en) Metal core thermoelectric device
CN110546773A (zh) 使用多个具有热电模块的印刷电路板的热电热泵级联件
EP3063798B1 (en) A thermoelectric heat pump with a surround and spacer (sas) structure
US9234682B2 (en) Two-phase heat exchanger mounting
US20120048515A1 (en) High Power Module Cooling System
EP1610077B1 (en) A method for cooling
EP1599081A2 (en) Thermal management system and method for electronic equipment mounted on coldplates
EP1947410A1 (en) Evaporative compact high intensity cooler
US10006720B2 (en) System for using active and passive cooling for high power thermal management
US20070044483A1 (en) Localized refrigerator apparatus for a thermal management device
US10741741B2 (en) Multi header for thermoelectric device
US20080283219A1 (en) Methods and apparatus for multiple temperature levels
EP3577697A2 (en) Solid-state switch architecture for multi-mode operation of a thermoelectric device and method of operating the same.

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20191206