CN2381023Y - 热电冷却器 - Google Patents

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维亚切斯拉夫·季霍诺维奇·卡麦斯基
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Abstract

一种热电冷却器,它包括相互隔离叠置的冷却和放热热交换板,夹在所述热交换板之间一组热电偶,每个所述电偶包括n-型和p-型半导体柱层,该半导体柱层通过导电转换总线互连,该导电转换总线通过一个热接触接合面以转换总线接触表面与所述热交换板连接,热接触接合面由一种10至70微米(um)厚的高导热弹性粘接材料制成。与每个转换总线接触的所述热接触接合面的表面面积不小于其接触表面的面积。在冷却器的另一个实施例中,至少其中一块热交换板,最好是冷却热交换板由高导热弹性粘接材料制成,并直接与转换总线连接。

Description

热电冷却器
本实用新型涉及热电装置并可用于热电冷却器中,该热电冷却器适合用在无线电电子学、医学领域,和主要在多次重复热循环(热-冷过程)的条件下进行操作的设备。
一种已有技术的热电冷却器(参见作者的俄罗斯联邦证书#6470,IPC H01 L35/28,1998年4月16出版,发明公报#4),包括冷却和放热热交换板以及夹在其中间的热电偶,每个所述热电偶包括n-和p-型半导体柱层,这些半导体柱层通过与热交换板连接的转换总线(switching bus)相互连接。在表现为一层弹性粘接化合物的热接触接合面的帮助下,转换总线与至少其中一块所述板,最好是冷却板连接。该化合物厚20至50微米(um),且由一种基于硅氧烷的物质例如硅橡胶制成。
公知的冷却器的缺点是适用的热接触接合面材料范围较窄,仅限于低导热弹性粘接材料。特别是当所述材料比较厚时,经过这种材料的热流导致假温降,因此热接触接合面的最大厚度应不超过50微米(um)。所述材料的较大的厚度导致在没有任何强度性能实际改进的前提下在该层上发生不合理的较高的假温降。当热接触接合面厚度小于50微米(um)时,这带来大量高消耗的工艺操作,从而导致冷却器成本较高。而且,这种薄层热接触接合面释放机械应力,只不过很小。
本实用新型的一个主要和基本的目的是获得较高操作可靠性的热电冷却器和简单的制造工艺技术。
为实现上述目的,提供一种热电冷却器,它包括相互隔离叠置的冷却和放热热交换板,夹在所述热交换板之间的一组热电偶,每个所述电偶包括n-型和p-型半导体柱层,该半导体柱层通过导电转换总线互连,该导电转换总线通过一个热接触接合面以其接触表面与所述热交换板连接,根据本实用新型,热接触接合面由一种10至70微米(um)厚的高导热弹性粘接材料制成,与每个转换总线接触的所述热接触接合面的表面面积不小于转换总线的接触表面的面积。热接触接合面表现为或者是分离的或者是整体层,通过所述每个分离部分热交换板与各转换总线互连。最好热接触接合面可由具有高电阻的材料制成。至少一块热交换板可由铝或其合金制成,且可具有表现为6至30微米(um)厚的氧化膜的涂层。
为实现上述目的,至少冷却热交换板由一种高导热电绝缘弹性粘接材料制成。在这种特定的情况下,所述板直接与转换总线连接。所述板的最佳厚度在30至100微米(um)。而且,所述板可具有突起,该突起夹在热电偶之间,并与相邻的转换总线的侧表面连接,每个突起的最佳深度在0.1至0.7毫米(mm)之间。
下面参考附图详细描述本实用新型的一些典型实施例。
图1是热电冷却器一个示意性的侧视图;
图2表示与其中一个热交换板连接的热电偶;
图3表示包括分离部分的热接触接合面的一个实施例;
图4表示包括一个整体层的热接触接合面的实施例;
图5表示在其表面上有一个氧化膜的热交换板;
图6表示直接与转换总线连接的热交换板的冷却器的一片断;
图7表示具有夹在热电偶之间的突起的热交换板。
热电冷却器包括一个冷却热交换板1和一个放热热交换板2(图1),该冷却热交换板1和放热热交换板2表现为例如一块板布置在另一块板上且相互平行的矩形板。热电偶3夹在热交换板1和2之间,每个所述热电偶3包括一个n型半导体柱层4和一个p型半导体柱层,该n型半导体柱层由例如基于铋、硒和碲的合金制成,该p型半导体柱层由例如基于铋、锑和碲的合金制成。半导体柱层4和5通过转换总线6互连,该转换总线6由低电阻材料例如铜或铝制成并借助一种热接触接合面7与柱层4和5连接。热交换板1或2通过热接触接合面8与至少其中一个所述转换总线连接,该热接触接合面8由一种弹性粘接导热材料制成。最好热接触接合面8用来将转换总线6与冷却热交换板1连接在一起,该冷却热交换板1布置在待冷却的物体上。这是由于,正是在位于冷却热交换板1上的热接触接合面8内,在热循环期间容易发生最大温度变化及由此产生的最大热机械应力。同时,在热循环期间,位于热交换板2上的热接触接合面7在较小温度梯度下工作,因为专门的热交换器通常用来从中抽热,例如用来使热交换板2温度相对稳定的散热器,风扇,排风机,或液体热交换器(未表示)。
热接触接合面8由高导热弹性粘接材料制成,例如硅酮或丙烯酰基化合物,且高导热材料中填充有细小的分散填料。这种材料应具有良好的弹性(即破坏延伸率从70至200),高导热性(即导热系数从0.8至3.0W/mK),和良好的粘接性能(即相对于铝的粘接强度从10至20公斤/厘米2)。这种化合物,如单组分RTV型粘合剂,即“TOSHIBA SlLICONE”(日本)产TSE 3941化合物,或者“SHIN-ETSU  Co”(日本)产KE 3493化合物可满足上述要求。实验发现一层热接触接合面8的最佳层厚(δ1)在10至70微米(um)之间。当所述层厚小于10微米(um)时,在其整个表面上不可能得到转换总线6与热交换板1和2之间可靠的连接,且当所述层厚大于70微米(um)时,这导致了在热接触接合面8的强度性能没有任何改进的同时,在该层热接触接合面8上不合理的很高的假温度降低。
当转换总线6与热交换板2连接时(不使用热接触接合面),在板2上涂敷一种金属粘接层9。
热接触接合面8可表现为分离部分10,每个分离部分10将各个转换总线6与例如冷却热交换板1连接。每个部分10的表面11的面积应不小于所述转换总线的接触表面的面积,该表面11与每个转换总线6接触。每个单独的部分10利用适合的隔板(screen)并配合使用热接触接合面8的材料与热交换板2连接,直到在通常很低的固化温度下(t=18至150℃)固化好为止。因此,这可以节省制造热接触接合面8的材料,而且这种接合面的最小厚度导致冷却器整体成本降低。
如图4所示,如热接触接合面8可表现为能够连接位于热交换板2上的所有转换总线6的单个整体层12。热接触接合面12的这种结构布置有助于显著简化热交换板1和2的连接工艺,因为不使用隔板,这还有助于使推荐的冷却器的成本降低。
热交换板1或2最好由铝或其合金制成,例如AlMgSi 0.5或AlMgSi1,因为在这种情况下,由于所述材料便宜,使得冷却器的成本降低,再者板由高导热材料制造,从而获得所述板的良好的耐热循环效应性能。
通过使制造所述板的这种材料阳极氧化,一种氧化膜14沉积在由铝或其合金制成的热交换板13的表面上(图5)。实际上,在所述接合面的热阻值没有任何改变的情况下,由于热接触接合面7,膜14,和板13的电绝缘性能的改进,提供的氧化膜14增加了冷却器的操作可靠性。通过实验已经发现氧化膜14的最佳厚度δ2从6微米(um)至30微米(um)。当膜14厚度小于6微米(um)时,膜14不可能获得足够的电阻。当所述膜厚度大于30微米(um)时,膜14的电绝缘性能没有进一步的改进,而较厚的膜的制造成本增加。
根据本实用新型,在这里所推荐的热电冷却器的另一个实施例中,一个热交换板15(图6)由一种高导热电绝缘弹性粘接材料制成,例如TSE3941的化合物。在这种情况下,转换总线16直接与热交换板15连接在一起,且热接触接合面的材料用作热交换板,因此,冷却器的成本大大降低。通过实验已经发现热交换板15的最佳厚度在30微米(um)至100微米(um)之间。在其厚度小于30微米(um)的情况下,板15的机械强度不够高,而当板15厚度大于100微米(um)时,由于板15的温度梯度,容易发生损失。
为了获得冷却器的较高的操作可靠性,热交换板15应具有突起17(图7),该突起17夹在相邻转换总线16的侧表面之间并与其侧表面18和19连接,因此转换总线16可作为热交换板的加强部件,这样增加了其机械强度。通过在制造热交换板15的过程中沉积一加厚层的未固化的热接触材料,然后迫使所述未固化的材料经过相邻的转换总线16的侧表面之间的缝隙,并将这种受压材料与所述表面18和19连接,并同时将板15与转换总线16的热接触表面连接,从而形成突起17。突起17的最佳深度δ3在0.1至0.7毫米(mm)之间,该深度对应于普遍使用的转换总线16的厚度。当突起17的深度小于0.1毫米(mm)时,热交换板15的机械强度增加但不明显。特别是在相邻转换总线16的侧表面之间的缝隙较小的情况下,并不希望突起17的深度超过0.7毫米(mm),因为阻碍了这种深度热接触材料的挤压。
当操作这里推荐的热电冷却器时,其冷却热交换板1(图1)以其外表面与待冷却的物体(未表示)连接,而一个散热器(未表示)通常与相对的热交换板2的外表面连接。一个直流电源(未表示)与冷却器的端部转换总线6连接,因此使直流电经过半导体柱层4和5。由于珀耳帖(PeItier)效应,在柱层4,5与布置在板1上的转换总线6的密封处吸收热能,然后使待冷却物体适当地逐渐降低到要求温度。同时在柱层4,5与布置在板2上的转换总线6的密封处释放热量,然后从其外表面排走。在冷却过程中,在接触热电交界处和热接触接合面7内热机械应力易升高,这些应力由热接触接合面8的弹性材料补偿。一旦达到要求的温度条件,物体在此条件下保持一段要求的时间,然后断开直流电源。结果,冷却器的冷却热交换板1和热接触接合面8受到加热,且在冷却器的配合单元内产生的热机械应力再次由热接触接合面8的弹性材料补偿。在多次重复热循环过程中,这里推荐的冷却器可以利用弹性粘接材料来将转换总线6与热交换板1连接,在完成每次热循环后完全恢复热接触接合面8的开始形状,这也增加了冷却器的操作可靠性。
在多次重复热循环条件下,对于操作可靠性,推荐的冷却器优于以前公知的热电冷却器。这样,当公知和推荐的冷却器进行传导比较测试时,在此期间冷却器上的温度梯度是50度,公知的冷却器经受低至600次热循环(热-冷)。此后发现其性能(例如内电阻,假温降等)超出所要求的限度。另一方面,当在相同的条件下测试时,推荐的冷却器经受超过4000次热循环,且其性能保持在允许范围内。而且,推荐的冷却器具有更佳的经受冲击和振动荷载的性能,这是由于热接触接合面的材料具有的弹性所决定。另外,特别是在使用由高导热电绝缘弹性粘接材料制成热交换板并直接与转换总线连接的情况下,我们设法使推荐的热电冷却器的成本降低10%以上。这是因为当转换总线与热交换板连接时简化了制造推荐的热电冷却器的操作。

Claims (9)

1.一种热电冷却器,它包括相互隔离叠置的冷却和放热热交换板(1,2),夹在所述热交换板(1,2)之间一组热电偶(3),每个所述电偶包括n-型和p-型半导体柱层(4,5),该半导体柱层通过导电转换总线(6)互连,该导电转换总线通过一个热接触接合面(8)以接触表面(11)与所述热交换板(1,2)连接,其特征在于,热接触接合面(8)由一种10至70微米(um)厚(δ1)的高导热弹性粘接材料制成,与每个转换总线(6)接触的所述热接触接合面的表面(11)的面积不小于转换总线(6)的接触表面的面积。
2.如权利要求1所述的冷却器,其特征在于热接触接合面(8)表现为分离部分(10),通过每个分离部分,热交换板(1)与各转换总线(6)互连。
3.如权利要求1所述的冷却器,其特征在于热接触接合面(12)表现为一整体层。
4.如权利要求1所述的冷却器,其特征在于热接触接合面(8,12)由具有高电阻的材料制成。
5.如权利要求1所述的冷却器,其特征在于至少一块热交换板(13)由铝或其合金制成,且至少其面对n-型和p-型半导体柱层(4,5)的表面具有一个涂层(14),该涂层为6至30微米(um)厚(δ2)的氧化膜。
6.一种热电冷却器,它包括相互隔离叠置的冷却和放热热交换板(1或15,2),夹在所述热交换板(1,2)之间一组热电偶(3),每个所述电偶包括n-型和p-型半导体柱层(4,5),该半导体柱层通过导电转换总线(16)互连,该导电转换总线与所述热交换板(1或15,2)连接,其特征在于,至少冷却热交换板(15)由一种高导热电绝缘弹性粘接材料制成,且所述板直接与转换总线连接。
7.如权利要求6所述的冷却器,其特征在于由一种高导热电绝缘弹性粘接材料制成的所述板(15)的厚度在30至100微米(um)。
8.如权利要求6所述的冷却器,其特征在于由一种高导热电绝缘弹性粘接材料制成的所述板具有突起(17),该突起夹在热电偶(3)之间,并与相邻的转换总线(16)的侧表面(18,19)连接。
9.如权利要求6所述的冷却器,其特征在于每个突起(17)的深度(δ3)在0.1至0.7毫米(mm)之间。
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