CN115151345B - 用于热循环器的使用空气管的热管理 - Google Patents

Abstract

热管理系统，其包含具有在两者之间有空间的至少两个电路板的电子电路板，并且还包含一个或多个空气管或导管。电子电路板和空气管配置为抽吸空气进入空间以方便对电子电路板的冷却，同时冷却与电子电路板连接的热泵的散热器。该系统可以进一步包含分隔件以将来自散热器的气流与经过电子电路板的气流分离，并且可以进一步包含一个或多个用于维持气流的隔离和控制、改善进气口和/或支持辅助部件的接口部件。

Description

用于热循环器的使用空气管的热管理

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年11月22日提交的授权为“用于热循环器的使用空气管的热管理”的美国临时专利申请第62/937,308号的优先权，并且其全部内容以参见的方式纳入本文并用于所有目的。

背景技术

1.技术领域

此发明涉及用于热循环系统的热管理，例如热泵和散热器组件。

2.现有技术说明

传统的热泵通常包含有电子电路板的控制单元，其带有在热泵的热循环期间产生大量热量的电气部件。这种系统通常利用独立的主动的冷却件，通常是电子风扇，用于冷却电子电路板。此外，由于电子设备可以充当热源，因此电路板通常位于远距离处并通过电线连接到热泵上。这种方法进一步增加了整个系统的尺寸、复杂性和需求。因此，有必要进一步简化此类热泵系统的热管理，以及降低其复杂性并最小化此类热循环系统和相关控制系统的占用尺寸。

发明内容

在一方面，本发明提供了一种热管理解决方案，其能够消散来自控制热泵的电子板组件的热量，在同一时间控制热泵的散热器的温度。

在一些具体实施例中，本发明包含一个或多个空气管或导管，它们通过产生负压从仪器的背部抽吸空气。在一些具体实施例中，本发明包含至少两个空气管或导管，在电子板组件的两侧各一个。然后，空气经过一个或多个空气管并流入电子板组件，从而为组件内部的部件提供冷却。上述方法在同一时间经过热循环仪热泵的散热器从仪器的前部抽吸空气。空气管或导管可以采取各种横截面形状(例如圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形、规则多边形、不规则多边形、或任何合适的形状、或形状组合)。虽然通常空气管或导管是直的，但可以理解的是，它们可以弯曲或可以沿着不同的路径延伸。空气管或导管可以由任何合适的材料制成，包含但不限于：聚合物(例如塑料)、金属(例如铝)、陶瓷或复合材料。在一些具体实施例中，可以将一个或多个管或导管添加到现存组件中。在其他具体实施例中，一个或多个管或导管可以集成在组件内，例如集成在仪器的底盘内。在一些具体实施例中，一个或多个管可以由导热材料(例如金属，比如铝)形成，以便提供与一个或多个管或导管热耦合的一些其他部分的散热。

在一些具体实施例中，电子板组件由至少两个电子印刷电路板(PCB)限定，其中一个包含在热循环运行期间充当热源的高功率电气部件。在PCB之间流动的空气消散来自这些热源的热量。这种系统的主要优点是，一个或多个风扇，通常是位于仪器背部的两个风扇，可用于产生经过散热器的层流，同时空气管在PCB之间抽吸空气，该空气消散来自电子板的热量。通过这种方法，不需要独立的冷却系统来消散来自电子部件的热量。

由于散热器的相对较高的阻抗，因此散热器和电子板组件之间应该维持适当的气流比。此外，由于热泵和热板组件之间的直接接触，热泵中的高电流产生的一些热量被传递到热板组件，最终消散到外部。因此，上述热解决方案可以有效地同时减少热泵和控制电路板组件产生的热量。在另一个方面，这种方法还可以通过减少热泵顶面PCB的高电流电路中产生的热量来最大程度地减少热泵样品块的不均匀性。本文描述的热解决方案的顺应性允许其即使在空间有限的应用中的使用。这种方法的另一个好处是，它允许将一个或多个冷却风扇安置在其他位置(例如，在仪器的背部、下部或侧部)，从而在仪器的前部留出其他辅助部件可利用的空间，例如LCD、电缆等。

在一些具体实施例中，热管理组件包含在电子板组件和散热器之间的一个或多个分隔板，以便将从散热器和电路板组件中流出的气流分开。这种方法有利地提供在来自散热器的升温空气和电子部件之间的隔离。由于这种系统的高效率，热管理组件的不同部件之间通常不需要密封件。

本发明的另一个目的是提供维持稳定性或最大程度地减少热板组件的温度波动，以便最大程度地减少在升温环境中板的故障。

本发明的另一个技术优点是热板能直接与热泵联接，从而减少或消除了任何可能阻碍气流的电缆布线。这种方法还允许将包含热泵、热板、风扇和空气管或导管的组件构建为模块。将此组件作为模块提供对于制造和维护都很方便，因为模块可以去除以维修或更换。

在一个方面，本文中描述的热管理组件提供热管理而无需任何罩或封壳。该组件可以通过至少两个夹在一起并直接与热循环系统的热泵接合的PCB实现。

在另一个方面，热管理系统的部件不是像在某些传统系统中常常看到的那样按顺序冷却，而是同时或同步地冷却热泵和电子板组件。

在此外的另一个方面，热管理设备提供热管理而无需移动样品。例如，该组件提供热管理而无需施加任何离心力，就像在某些传统系统中发现的那样。因为热泵和电子板组件可以同时或同步地冷却，因此在热循环过程中没有理由移动样品。

在一些具体实施例中，冷却系统是相对平坦的，这与设计用于测试管件的冷却系统形成对比，并且与具有附加的外部冷却部件的某些传统系统相比，其允许减小尺寸。

本发明的各个方面可以通过参考下图进一步理解。

附图简要说明

专利或申请文件包含至少一张彩色附图。通过专利局的要求并且通过支付必要的费用来提供带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。

图1根据一些具体实施例描绘了用于控制热泵中散热器的电子板组件，该组件可与热管理组件一起使用。

图2描绘了图1的电子板组件在热循环期间的热仿真。

图3A到图3B描绘了一种热泵设置，在其中图1的电子板组件直接与热泵连接，并且电子板组件相对两侧的成对空气管配置为经由该管冷却。

图4描绘了如图3A到图3B中的配置用于电子板组件的冷却的空气管的详细视图。

图5A到图5C描绘了根据一些具体实施例的热管理组件测试设置。

图6描绘了图5A到图5C中的该设置的初始热测试。

图7示出了根据一些具体实施例的在壳体内的具有热管理模块和分析模块的系统的侧视图。

图8到图9示出了根据一些具体实施例的用于与图7中的系统一起使用的由3D打印形成的接口部件。

图10示出了根据一些具体实施例的具有热管理模块和分析模块的系统。

图11示出了根据一些具体实施例的具有接口部件的热管理系统的视图。

图12A到图12B示出了没有接口部件的图11中的该设置的热循环测试数据。

图13A到13B示出了有接口部件的图11中的该设置的热循环测试数据。

具体说明

在一个方面，本发明提供了一种热管理组件，该组件消散来自电子板控制组件的热量，并且同时地或同步地控制用于热循环的热泵的散热器的温度。适合于在这样的组件中使用的电子板组件的示例示出于图1中。电子板组件10配置有热控制器和用于控制热循环的驱动板。电子板组件10包含两个PCB11、12，两者之间有空间13。至少一个PCB 11包含高功率电气部件14。如可在图2所见的那样，其示出了在热循环运行期间电子板组件10的热仿真，高功率部件14可以在运行中产生显著的热量，使得需要对电子板组件冷却。在此具体实施例中，电子板组件配置为直接与热泵组件连接，使得无需多余的布线。

图3示出了热管理组件，其包含直接连接到具有散热器的热泵组件20的电子板组件10。该组件还包含成对空气管30，在电子电路板组件10的每一侧各一个。该热泵可以是2019年1月14日提交的美国临时申请第62/792,345号中描述的热泵，其通过引用并入本文用于所有目的，或者它可以是各种其它热泵。该组件还可以包含一个或多个分隔件40，其将来自散热器的气流和经过电子板组件10的气流分开。两种气流都可由公共气流源的实现，例如风扇或一组风扇。气流源可以根据在不同位置或表面(例如散热器，样品保持件表面等)的一个或多个温度传感器输出信号来控制。

当PCB之间的空间内产生负压时，该对空气管30从仪器背部抽吸空气。然后，空气经过两个空气管并流入电子板组件的PCB之间的空间，从而在从组件的后部退出之前冷却内部的部件，如图3A中的箭头所示。组件同时也经过热循环仪热泵的散热器从仪器前部抽吸空气，如图3A中的箭头所示。如可在图3A到图3B中所见的那样，该对空气管30中的每个管包含安置于热泵附近的出口32和安置于离热泵最远的组件后部的入口31。如可在图3B的详细视图中所见的那样，出口32面向内部以便引导经过空气管抽吸的冷却空气进入PCB之间的空间。示例性空气管或导管30的详细视图如图4所示(可见指示冷却运行期间气流的箭头)。

这种组件的主要优点是一个或多个风扇可以位于其他地方(例如，在组件的背部)以产生经过散热器的层流并产生负压，以便一个或多个空气管提供经过电子板组件的冷却空气。图5A到图5C示出了这种组件的一个例子，其中示出了位于组件底部的两个风扇。图6示出了图5A到图5C所示组件的热循环测试。

通过这种方法，不需要独立的冷却系统来消散来自电子部件的热量。风扇的速度可以通过感应散热器的温度来控制。风扇可以通过各种方式进行控制，例如，通过PWM信号、改变电压或任何合适的方法。风扇的速度也可以基于电子板组件的驱动板的关键部件的温度来影响(例如，调整或修改)。在另一方面，风扇的速度可以基于可在一个或多个空气管内测量的输入空气的温度进一步影响。

由于散热器的相对较高的阻抗，因此散热器和电子板组件之间维持着适当的气流比。此外，由于热泵和热板组件之间的直接接触，热泵中的高电流产生的一些热量被传递到热板组件，其最终将消散到外部。因此，热解决方案可以有效地同时减少热泵和板组件产生的热量，并且通过减少热泵顶面的PCB的高电流中产生的热量，也可以最大限度地减少热泵样品块的不均匀性。本文描述的热解决方案的顺应性允许其即使在空间有限的应用中的使用。

在一些具体实施例中，热管理组件包含在电子板组件和散热器之间的分隔件，以便将从散热器和电路板组件流出的气流分开。该部件在提供来自散热器的升温空气与电子部件之间的隔离的方面特别有利。由于这种系统的高效率，热解决方案的不同部件之间不需要密封件。该系统的另一个优点是提供维持热板组件的稳定性或最大程度地减少温度波动，以便最大程度地减少在升温环境中板的故障。

此外，这种解决方案的另一个好处是，它允许在各种其他位置(例如在仪器的背部)具有冷却风扇，从而为LCD、电缆等其他部件留出前部的空间。这一方面可以通过参考图7进一步理解，其示出了测试系统100的侧视图，该系统包含热循环组件1(其包含电子板组件10和热泵20)和分析模块2，它们都被包围在外壳蒙皮3内。如可通过参考图10进一步理解的那样，分析模块2在内部携带样品并被转移到系统前部的热泵20上以利于样品的热循环，然后撤回到系统的后部以利于样品的去除。

如可在图7中所见的那样，在热循环组件1的铸件和外蒙皮3之间存在空隙A。在一些具体实施例中，例如在空隙A内，可以包含一个或多个接口部件，以维持气流经过风扇并进入上述流道，同时支持一个或多个辅助部件，例如电缆或LCD屏幕。

图8到图9示出了接口部件，其可以通过3D打印或任何合适的方法形成。接口部件51在侧部提供通风口以维持足够的空气供应，并提供中间分隔件以维持来自散热器的气流与电子板组件之间的分离。接口部件52装配到部件51中并在前表面以及用于支持LCD显示器53的中央方形区域提供一些通风口，例如，如图11所示(去除外壳体3地示出)。

图11所示的系统的热循环测试在图12A到图12B以及图13A到图13B中说明。图12A到图12B示出了没有上述接口部的热循环试验，而图13A到图13B示出了在安装接口部的情况下运行的图11的系统的热循环试验。因此，无论是否有接口部提供的阻挡通风口，冷却系统都能以有效的方法运行良好。

该系统的另一个技术优点是热板直接与热泵结合，从而消除了任何可能阻碍气流的电缆布线。这一方面还允许将热泵、热板、风扇和空气管的整个组件构建为一个模块，该模块可以方便制造和维护，例如，如图7和图10所示的模块2，可以很容易地拆卸以维修或更换。

虽然前面的描述描述了各种替代方案，但其它替代方案对于本领域技术人员来说将是显而易见的并且在本发明的范围内。

在所附权利要求中，术语“一”或“一个”旨在表示“一个或多个”。术语“包括”及其变型，例如“包括了”和“包括有”，当在步骤或元件的叙述之前时，旨在表示其它步骤或元件的添加是可选的且不排除在外。在本说明书中引用的所有专利、专利申请以及其它已公开的参考材料以参见的方式、以它们的全文纳入本文。本文引用的任何参考材料与本说明书的明确教导之间的任何差异都旨在以有利于本说明书中的教导的方式解决。这包含词或短语的本领域理解定义与本说明书中明确提供的相同词或短语的定义之间的任何差异。

Claims (27)

1.热管理组件，所述热管理组件包括：

电子板组件，所述电子板组件配置成用于控制与其电气连接的热泵的热循环，其中所述电子板组件包括在其间有空间的至少两个电路板，其中至少一个所述电路板包括一个或多个高功率部件；

一个或多个气流源，所述一个或多个气流源控制在连接到所述电子板组件时的来自所述热泵的散热器的气流；以及

其中，在至少两个所述电路板之间的所述空间被充分包围以致通过所述一个或多个气流源的操作在所述空间内的负压抽吸空气进入所述空间中，从而在所述热泵的热循环期间在冷却所述电子板组件的同时冷却所述热泵的所述散热器。

2.如权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，还包括一个或多个空气管或导管，所述一个或多个空气管或导管在入口到出口之间延伸，其中所述出口安置于所述电子板组件的在电气连接到所述热泵时离所述热泵最近的前端的附近，所述入口安置于所述电子板组件的离所述热泵更远的后端的附近，其中，在所述空间内形成的负压从所述一个或多个空气管的所述出口抽吸空气进入所述空间。

3.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，所述一个或多个空气管或导管包括在所述电子板组件的每一侧各一个的成对空气管或导管。

4.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，所述一个或多个空气管或导管，空气管或导管每一个沿着在至少两个所述电路板之间限定的所述空间的一侧安置，从而在其间包围所述空间。

5.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，所述一个或多个空气管或导管中的每个具有矩形的横截面。

6.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，所述一个或多个空气管或导管每个具有各种横截面形状：圆形、椭圆形、三角形、或其任何组合。

7.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，所述一个或多个空气管或导管每个具有各种横截面形状：规则多边形，不规则多边形或其任何组合。

8.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，每个所述空气管或导管的所述出口安置于其侧以便引导空气流进入在至少两个所述电路板之间的所述空间。

9.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，所述一个或多个空气管或导管中的每个由导热材料制成，并且与另一部件热耦合以利于从中的额外的热量传递。

10.如权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，所述电子板组件配置成直接连接到热泵，使得所述电子板组件配置成控制所述热泵。

11.如权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，还包括：

分隔件，所述分隔件配置为将在与其连接时的来自所述热泵的所述散热器的气流和抽吸经过所述电子板组件的气流隔离。

12.如权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，所述电子板组件直接与所述热泵连接。

13.如权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，所述热管理组件作为模块提供。

14.如权利要求2所述的热管理组件，其特征在于，还包括：

外壳体；以及

接口部件，所述接口部件在所述外壳体和所述一个或多个空气管或导管的所述一个或多个入口之间。

15.如权利要求14所述的热管理组件，其特征在于，所述接口部件包括一个或多个具有中间分隔件的部件，所述中间分隔件将来自所述热泵的所述散热器的气流与抽吸经过所述电子板组件的空气隔离。

16.如权利要求14所述的热管理组件，其特征在于，所述接口部件容纳所述气流源，所述气流源包括至少两个风扇。

17.如权利要求14所述的热管理组件，其特征在于，所述接口部件支持在其上的用户显示屏。

18.如权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，还包括一个或多个空气管或导管，所述一个或多个空气管或导管的每一个在入口到出口之间延伸，其中所述出口安置于所述电子板组件的在电气连接到所述热泵时离所述热泵最近的前端的附近，所述入口安置于所述电子板组件的离所述热泵更远的后端的附近。

19.如权利要求18所述的热管理组件，其特征在于，所述一个或多个空气管包括在所述电子板组件的每一侧上的成对空气管或导管。

20.如权利要求18所述的热管理组件，其特征在于，每个所述管或导管的所述出口安置于其一侧以便引导空气流进入在至少两个所述电路板之间的所述空间。

21.热泵系统的热冷却方法，所述方法包括：

运行一个或多个风扇来控制来自散热器的气流，从而冷却所述散热器；

控制来自所述散热器的气流以便冷却所述散热器；以及

通过运行所述一个或多个风扇，抽吸空气进入控制热泵的运行的电子板组件的两个电路板之间的空间，其中所述两个电路板之间的空间充分地包围使得一个或多个风扇的运行在所述空间形成负压，从而在冷却所述散热器的同时冷却所述电子板组件。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，抽吸空气进入所述空间中包括通过运行所述一个或多个风扇而在所述空间内产生负压。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，

通过分隔件将来自所述散热器的空气流和抽吸通过所述电子板组件的空气隔离。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述空气通过一个或多个空气管或导管抽吸。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述一个或多个空气管或导管在所述电子板组件的一侧或两侧上包括成对的空气管或导管。

26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述一个或多个空气管包围在两个所述电路板之间的所述空间以便产生所述负压。

27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述一个或多个空气管在入口到出口之间延伸，其中所述出口安置于所述电子板组件在电气连接时的一端附近，所述入口安置于所述电子板组件的离所述热泵更远的相对端的附近，其中在所述空间中产生的负压将空气从所述一个或多个空气管的出口抽入所述空间。