JP2017502527A

JP2017502527A - 包囲及びスペーサ（ｓａｓ）構造を備える熱電ヒートポンプ

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Publication number: JP2017502527A
Application number: JP2016550688A
Authority: JP
Inventors: ケイ−オーオルソン、マティアス; ヤダブ、アブヒシェク; ニューマン、デボン
Original assignee: フォノニックデバイセズ、インク
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: HRP20171205T1; SI3063798T1; DK3063798T3; HUE035836T2; PT3063798T; CN105874623A; KR102292432B1; LT3063798T; JP6494645B2; US9144180B2; CN105874623B; RS56195B1; US20150116943A1; CY1119278T1; EP3063798B1; KR20160077078A; ES2637481T3; EP3063798A1; PL3063798T3; WO2015066049A1

Abstract

ヒートポンプは、第１の開放側面及び第２の開放側面を定義する壁を備えるＳＡＳ構造を含む。ヒートポンプはまた、開口部を含むＳＡＳ構造内に封止された相互接続基板も含む。熱電モジュールは、開口部によって定義された位置で相互接続基板上に取り付けられている。ヒートポンプは、さらに、各熱電モジュールの第１側面と熱的に接触しているホット側ヒートスプレッダと、各熱電モジュールの第２側面と熱的に接触しているコールド側ヒートスプレッダとを含む。ホット側ヒートスプレッダの周囲は、ヒートポンプに印加される任意の圧縮力がＳＡＳ構造によって吸収されるように、第１開放部でＳＡＳ構造の壁に機械的に接触し、コールド側ヒートスプレッダの周囲は、第２開放部でＳＡＳ構造の壁に機械的に接触する。【選択図】図２Ｂ

Description

関連出願
本出願は、２０１３年１０月２８日出願の米国仮特許出願第６１／８９６，２８７号の利益を主張するものであって、ここに、その開示内容を全て本明細書に参照として組み込む。

本開示は、包囲及びスペーサ（ＳＡＳ）構造を備える熱電ヒートポンプに関する。

熱電モジュール（ＴＥＭ）は、しばしば壊れやすい材料から製造される。本明細書で使用する場合、熱電モジュールは多数の熱電装置を含む集積回路である。一例として、興味のある読者は、米国特許第８，２１６，８７１号の表題「薄膜熱電モジュールの製造方法」に向けられ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。これらのＴＥＭは、ＴＥＭに応力または力が印加された場合には機能しなくなる。また、多くのＴＥＭは、湿気またはその他の環境汚染物質にさらされると性能が劣化する。そのため、これらのＴＥＭは環境汚染物質からの保護を提供するためにポッティングされる。ポッティングは固体またはゼラチン状の化合物のような電子アセンブリに材料を添加するプロセスである。ポッティングは衝撃及び振動への抵抗力を提供するためにしばしば行われ、湿気及び腐食性物質を排除するために行われる。熱硬化プラスチックまたはシリコーンがしばしば使用される。しかし、ＴＥＭの表面に適用されるときには、ポッティングの材料はＴＥＭのホット側及びコールド側の間で熱短絡が起こる。この熱短絡は、ヒートポンプの効率を下げる熱寄生のうちの１つの種類である。

したがって、ＴＥＭが保護されているヒートポンプが必要とされている。さらに、熱寄生を低減するヒートポンプが必要である。

要約
本開示は、包囲及びスペーサ（ＳＡＳ）構造を備える熱電ヒートポンプに関する。一実施形態では、ヒートポンプはＳＡＳ構造を含む。ＳＡＳ構造は第１の開放側面及び第２の開放側面を定義する壁を含む。ヒートポンプはまた、ＳＡＳ構造内に封止された相互接続基板も含む。相互接続基板は、開口部は熱電モジュール（ＴＥＭ）が相互接続基板状に取り付けられている位置を定義する、相互接続基板の第１の表面から相互接続基板の第２の表面への開口部を含む。ＴＥＭは開口部によって定義された位置で相互接続基板上に取り付けられている。各熱電モジュールは第１の側面及び第２の側面を有する。ヒートポンプは、さらに、各熱電モジュールの第１の側面と熱的に接触しているホット側ヒートスプレッダと、各熱電モジュールの第２の側面と熱的に接触しているコールド側ヒートスプレッダとを含む。ホット側ヒートスプレッダの周囲は第１の開放側面でＳＡＳ構造の壁に機械的に接触し、コールド側ヒートスプレッダの周囲は第２の開放側面でＳＡＳ構造の壁に機械的に接触する。ヒートポンプに印加される圧縮力は、ＳＡＳ構造によって吸収され、そのため、ＴＥＭは圧縮力から保護される。

一実施形態では、ヒートポンプはまた、ホット側ヒートスプレッダの周囲がＳＡＳ構造の壁に機械的に接触し、コールド側ヒートスプレッダの周囲はＳＡＳ構造の壁に機械的に接触するところに配置された環境シールを含む。

一実施形態では、ヒートポンプに印加される、少なくとも予め定義された量の圧縮力に耐える十分な力を提供するが、ＳＡＳ構造の壁の厚さはホット側ヒートスプレッダとコールド側ヒートスプレッダとの間の熱短絡が緩和されるようなものである。一実施形態では、ＳＡＳ構造の高さは、ホット側ヒートスプレッダとコールド側ヒートスプレッダとの間の距離を定義し、この距離は、ホット側ヒートスプレッダとコールド側ヒートスプレッダとの間の熱短絡が緩和されるようなものである。

一実施形態では、ＴＥＭの第２の側面の組み合わされた領域は、相互接続基板の領域の５０パーセント超である。別の実施形態では、ＴＥＭの第２の側面の組み合わされた領域は、相互接続基板の領域の７５パーセント超である。

一実施形態では、ヒートポンプもまた、ホット側ヒートスプレッダとコールド側ヒートスプレッダとの間の絶縁体を含み、ＳＡＳ構造に封止される。一実施形態では、絶縁体が予備成形される。別の実施形態では、絶縁体が注入される。

一実施形態では、ホット側ヒートスプレッダ及びコールド側ヒートスプレッダはそれぞれ、機械的ファスナによってＳＡＳ構造に取り付けられる。一実施形態では、機械的ファスナはねじ、ボルト及びリベットからなる群から選択される。別の実施形態では、ホット側ヒートスプレッダ及びコールド側ヒートスプレッダはそれぞれ、化学的ファスナによってＳＡＳ構造に取り付けられる。一実施形態では、化学的ファスナは接着剤、エポキシ及びアクリル接着剤からなる群から選択される。

一実施形態では、ホット側ヒートスプレッダ及びコールド側ヒートスプレッダのうち少なくとも１つは、スナップファスナまたはスナップ特徴によってＳＡＳ構造に取り付けられる。一実施形態では、スナップファスナは、ホット側ヒートスプレッダ及びコールド側ヒートスプレッダのうち少なくとも１つが張力により、ＳＡＳ構造に取り付けられるのを可能にするＳＡＳ構造の周囲の周りのリップ部を含む。

一実施形態では、ホット側ヒートスプレッダは、スナップファスナまたはスナップ特徴によってＳＡＳ構造に取り付けられる。一実施形態では、スナップ特徴は、ホット側ヒートスプレッダが張力により、ＳＡＳ構造に取り付けられるのを可能にするＳＡＳ構造の第１の開放側面の周囲の周りのリップ部を含む。一実施形態では、ＳＡＳ構造の第２の開放側面は、コールド側ヒートスプレッダよりも小さくコールド側ヒートスプレッダはＳＡＳ構造の第２の開放側面でＳＡＳ構造内にある。一実施形態では、ＳＡＳ構造は、ＳＡＳ構造の第２の開放側面がＳＡＳ構造の第１の開放側面よりも小さくなるように、テーパー状である。

一実施形態では、ヒートポンプはまた、相互接続基板に電気的に取り付けられ、ＳＡＳ構造を通って露出される１つ以上の電線を含む。一実施形態では、ヒートポンプはまた、ＳＡＳ構造を通って露出される１つ以上の電線を保護するためのキャップを含む。別の実施形態では、相互接続基板はまた、ＳＡＳ構造を通って露出される１つ以上の電気コネクタを含む。

当業者は、添付図面と関連して好ましい実施形態の以下の詳細な記載を読了後、本開示の範囲を理解し、その追加的な態様を認識するであろう。

本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付図面は、本開示のいくつかの実施態様を示しており、説明とともに本開示の原理を説明する役割をする。

本開示の一実施形態による、コールド側ヒートスプレッダとホット側ヒートスプレッダとの間に配置された多数の熱電モジュール（ＴＥＭ）を含む冷却室及びヒートポンプを有する熱電冷却システムを示す。本開示の一実施形態による、予備成形された絶縁体を備えるヒートポンプを示す。本開示の一実施形態による、予備成形された絶縁体を備えるヒートポンプを示す。本開示の一実施形態による、予備成形された絶縁体を備えるヒートポンプを示す。本開示の別の実施形態による、機械的ファスナを使用するヒートポンプを示す。本開示の別の実施形態による、機械的ファスナを使用するヒートポンプを示す。本開示の別の実施形態による、機械的ファスナを使用するヒートポンプを示す。本開示の別の実施形態による、張力によってホット側ヒートスプレッダが所定の位置に保持されるヒートポンプを示す。本開示の別の実施形態による、張力によってホット側ヒートスプレッダが所定の位置に保持されるヒートポンプを示す。本開示の別の実施形態による、張力によってホット側ヒートスプレッダが所定の位置に保持されるヒートポンプを示す。

以下に記載する実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にする必要な情報を表し、実施形態を実行する最良の方法を示す。添付図面の観点から以下の記載を読むと、当業者は本開示の概念を理解し、特に本明細書で述べられていないこれらの概念の用途を認識するであろう。これらの概念及び用途は本開示及び添付の特許請求の範囲内であると理解すべきである。

第１、第２などの用語は、様々な要素を記載するために本明細書で使用され得るが、これらの要素はこれらの用語によって制限されるべきではないと理解されるであろう。これらの用語は１つの要素を別の要素と区別するためのみに使用される。例えば、本開示の範囲を逸脱することなく、第１の要素は第２の要素と称され得る。また、同様に、第２の要素は第１の要素と称され得る。本発明で使用する場合、「及び／または」という用語は、１つ以上の関連する列挙された項目の任意及びすべての組み合わせを含む。

「下方」若しくは「上方」または「上部」若しくは「下部」または「水平」若しくは「垂直」のような相対的な語句は、図面に示されたように、ある要素、層または領域に対する別の要素、層または領域との関係を記載するために本明細書で使用され得る。これらの用語及び上記の記載は、図面に示された方向に加えて、装置の異なる方向を含むことを目的としていると理解されるであろう。

ここで使用される用語は、特定の実施形態のみを記載する目的であり、本開示を限定することを意図するものではない。本発明で使用する場合、単数形「ａ」，「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、内容が明らかに違うことを示さない限り、複数形も含むことを意図する。本明細書で使用される場合、「備える」、「備えている」、「含む」及び／または「含んでいる」という用語は、記載された特徴、整数、工程、運用、要素、及び／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、工程、運用、要素、構成要素及び／またはそれらの群の存在または追加を排除しないこともさらに理解されよう。

別段に定義されていない限り、本願において使用される（技術的用語及び科学的用語を含む）全ての用語は、本開示が属する分野の当業者に共通に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で使用される用語は本明細書及び関連する技術と関連する内容に一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想化され、または過度に形式的な意味に解釈されないことをさらに理解されよう。

本開示は、包囲及びスペーサ（ＳＡＳ）構造を備える熱電ヒートポンプに関する。熱電ヒートポンプは任意の好適な種類のシステムで利用され得るが、いくつかの実施形態では、熱電ヒートポンプは熱電冷却システムにおいて利用される。しかしながら、本明細書で開示された概念は、これらに限定されない。この点において、図１は、本開示の一実施形態による、例示的な熱電冷却システム１００を示す。図示されているように、熱電冷却システム１００は、冷却室１０２、熱交換器１０４及び冷却室１０２内の冷却を制御する制御装置１０６を含む。熱交換器１０４は、多数の熱電モジュール（ＴＥＭ）を含む、ホット側ヒートシンク１０８、コールド側ヒートシンク１１０、及びヒートポンプ１１２を含み、各ＴＥＭはコールド側ヒートシンク１１０に熱的に連結されたコールド側を有し、ホット側ヒートシンク１０８に熱的に連結されたホット側を有する。本発明で使用する場合、ＴＥＭは多数の熱電装置を含む集積回路である。いくつかの実施態様においては、熱電装置は薄膜装置であり得る。１つ以上のＴＥＭが制御装置１０６によって作動されるとき、作動されたＴＥＭ（単数または複数）は、ホット側ヒートシンク１０８を加熱し、コールド側ヒートシンク１１０を冷却するよう作動し、それによって熱伝達を促進し、冷却室１０２から熱を抽出する。より具体的には、１つ以上のＴＥＭが作動されるとき、ホット側ヒートシンク１０８が熱せられ、それによってエバポレータを作り、コールド側ヒートシンク１１０は冷却され、それによってコンデンサを作る。

コンデンサとして作動すると、コールド側ヒートシンク１１０は、コールド側ヒートシンク１１０に連結された受入ループ１１４を介して、冷却室１０２から熱抽出を促進する。受入ループ１１４は、冷媒（例えば、２段階の冷却材）が受入ループ１１４を流れまたは通過するのを可能にする、任意の種類の配管によって形成される。冷媒は、冷媒が受入ループ１１４の中を流れる際に、冷却室１０２から熱を抽出する。受入ループ１１４は、例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス鋼管、アルミニウム管等により形成され得る。

コールド側ヒートシンク１１０によって形成されるコンデンサ及び受入ループ１１４は、任意の好適な熱交換技術により作動する。一好適実施形態では、受入ループ１１４は、冷媒がコールド側ヒートシンク１１０から受入ループ１１４を通ってコールド側ヒートシンク１１０に戻り、それによって２つの段階、すなわち、受動的な熱伝達を使用して冷却室１０２を冷却するように、熱サイフォン原理によって作動（すなわち、熱サイフォンとして作動）する。特に、受動的な熱交換は、受入ループ１１４内の冷媒と冷却室１０２との間の自然対流を通じて起こる。一実施形態では、冷媒が冷却室１０２と熱的に接触するとき、冷媒は液状である。具体的には、受動的な熱交換は、冷却室１０２内の温度が下がり、冷媒の温度が上昇及び／または段階が変化するように、冷却室１０２内の環境と受入ループ１１４内の冷媒との間で起こる。冷媒の温度が上昇すると、蒸発などによって冷媒の密度が下がる。その結果、受入ループ１１４中で冷媒は浮力により、熱交換器１０４に向かって、具体的にはコールド側ヒートシンク１１０に向かって上方に移動する。冷媒はコールド側ヒートシンク１１０と熱的に接触し、冷媒とコールド側ヒートシンク１１０との間で熱交換が起こる。冷媒とコールド側ヒートシンク１１０との間で熱交換が起こるとき、冷媒は凝縮し、冷却室１０２から追加の熱を抽出するために重力によって、再び受入ループ１１４を通って流れる。このように、いくつかの実施形態では、受入ループ１１４は、冷却室１０２を冷却するときにエバポレータとして機能する。

上記のように、熱交換器１０４は、ホット側ヒートシンク１０８とコールド側ヒートシンク１１０との間に配置されたヒートポンプ１１２を含む。ヒートポンプ１１２内のＴＥＭは、ホット側ヒートシンク１０８に熱的に連結されたホット側（すなわち、ＴＥＭの作動の間高温である側）、及び、コールド側ヒートシンク１１０に熱的に連結されたコールド側（すなわち、ＴＥＣの作動の間低温である側）を有する。ヒートポンプ１１２内のＴＥＭは、コールド側ヒートシンク１１０とホット側ヒートシンク１０８との間の熱伝達を効果的に促進する。より具体的には、熱伝達が受入ループ１１４内の冷媒とコールド側ヒートシンク１１０との間で起こるとき、作動中のＴＥＭは、コールド側ヒートシンク１１０とホット側ヒートシンク１０８との間の熱を伝達する。

エバポレータとして作動し、ホット側ヒートシンク１０８に連結されたリジェクトループ１１６によりホット側ヒートシンク１０８は冷却室１０２の外部環境の遮熱を促進する。リジェクトループ１１６は熱電冷却システム１００の外壁１１８または外皮に熱的に連結されている。外壁１１８は、冷却室１０２の外部環境に直接、熱的に接触する。一実施形態では、リジェクトループ１１６は外壁１１８に一体化されるか、外壁１１８の表面上に組み込まれる。リジェクトループ１１６は、伝熱媒体（例えば、２段階の冷却材）がリジェクトループ１１６を通って流れ、または通過することを可能にする、任意の種類の配管で形成されている。リジェクトループ１１６及び外部環境の熱的連結により、伝熱媒体は、伝熱媒体がリジェクトループ１１６を通って流れる際に外部環境への熱を拒絶する。リジェクトループ１１６は、例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス鋼管、アルミニウム管等により形成され得る。

ホット側ヒートシンク１０８によって形成されるエバポレータ及びリジェクトループ１１６は、任意の好適な熱交換技術により作動する。１つのこの好ましい実施例では、リジェクトループ１１６は、伝熱媒体が、ホット側ヒートシンク１０８からリジェクトループ１１６を通ってホット側ヒートシンク１０８に戻って移動するよう、熱サイフォン原理により作動（すなわち、熱サイフォンとして作動）し、それによって２つの段階、受動的な熱移動を使用して遮熱する。特に、ホット側ヒートシンク１０８は、コールド側ヒートシンク１１０から受け入れた熱をリジェクトループ１１６内の伝熱媒体に伝達する。一旦、熱が伝熱媒体に伝達されると、熱が冷却室１０２の外部環境に排出されるように、伝熱媒体は段階を変更し、リジェクトループ１１６を通って移動し、外壁１１８と熱的に接触するようになる。リジェクトループ１１６内の伝熱媒体は外壁１１８と直接熱的に接触するとき、受動的な熱交換がリジェクトループ１１６内の伝熱媒体と外部環境との間で起こる。よく知られているように、受動的な熱交換は、伝熱媒体が重力の力により熱交換器１０４へと移動して戻るように、リジェクトループ１１６内で伝熱媒体の凝縮を生じる。このように、冷却室１０２の外部環境に排熱するときにリジェクトループ１１６は、コンデンサとして機能する。

ヒートポンプ１１２とホット側ヒートシンク１０８とコールド側ヒートシンク１１０との間の耐熱性が低減したときに、熱電冷却システム１００の効率は上昇する。この耐熱性を低減するための１つの方法は、ヒートポンプ１１２とホット側ヒートシンク１０８とコールド側ヒートシンク１１０との間を密着させることである。ＴＥＭは、しばしば壊れやすい材料から製造されるため、保護されないままであれば、ヒートポンプ１１２に含まれるＴＥＭは、応力または力がＴＥＭに印加された場合、故障する可能性がある。また、環境バリアなしのままの場合、湿気またはその他の環境汚染物質にさらされると、ＴＥＭの性能が損なわれ得る。ＴＥＭを環境汚染物質から保護する従来の技術はポッティングである。ポッティングは固体またはゼラチン状の化合物のような電子アセンブリに材料を添加するプロセスである。ポッティングは衝撃及び振動へのいくらかの抵抗力を提供し、湿気及び腐食性物質を排除するためにしばしば行われる。熱硬化プラスチックまたはシリコーンがしばしば使用される。しかし、ＴＥＭの表面に適用されるときには、ポッティングの材料はＴＥＭのホット側及びコールド側の間で熱短絡が起こす。この熱短絡は、ヒートポンプ１１２の効率を下げる熱寄生の種類の１つである。本発明で使用する場合、熱寄生はヒートポンプの効率を下げる任意のものであり、特に、ヒートポンプのホット側とコールド側との間の温度差を下げるものである。

後述するように、環境汚染物質からＴＥＭを保護するのと同様に、ヒートポンプ１１２は機械的な力、特に圧縮力の双方からＴＥＭを保護するように設計されている。加えて、ヒートポンプ１１２はホット側とコールド側との間の熱短絡を最小限にするか、少なくとも低減するよう設計されている。

この点において、図２Ａは、一実施形態による、包囲及びスペーサ（ＳＡＳ）構造１２２を備えた熱電ヒートポンプ１２０を示す。いくつかの実施形態では、この熱電ヒートポンプ１２０は、熱電ヒートポンプ１１２のように、熱電冷却システム１００において利用され得る。図２Ａはまた、熱電ヒートポンプ１２０の上面を形成するホット側ヒートスプレッダ１２４及びキャップ１２６とＳＡＳ構造１２２との間の開口部１２８を通って露出される１つ以上の電線（図示せず）を保護する任意のキャップ１２６を示す。

図２Ｂは、同じ熱電ヒートポンプ１２０の分解図を示す。図示されているように熱電ヒートポンプ１２０は、熱電ヒートポンプ１２０の底面を形成するコールド側ヒートスプレッダ１３０を含む。ホット側ヒートスプレッダ１２４は、ホット側ヒートスプレッダ１２４の周囲がＳＡＳ構造１２２の上面１３４（すなわち、壁の最上部）に機械的に接触するように、ＳＡＳ構造１２２の第１の開放側面１３２に嵌合する。コールド側ヒートスプレッダ１３０は、コールド側ヒートスプレッダ１３０の周囲がＳＡＳ構造１２２の底面１３８（すなわち、壁の底部）に機械的に接触するように、ＳＡＳ構造１２２の第２の開放側面１３６に嵌合する。予備成形された絶縁体１４０はホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間にあり、ＳＡＳ構造１２２内に封止される。具体的には、本実施例では、予備成形された絶縁体１４０は、コールド側ヒートスプレッダ１３０と相互接続基板１４２との間にある。相互接続基板１４２はＳＡＳ構造内１２２に封止されている。相互接続基板１４２は、相互接続基板１４２を通る１つ以上の開口部１４４を含む（すなわち、相互接続基板１４２の第１の表面から相互接続基板１４２の第２の表面）。１つ以上の開口部１４４は、ＴＥＭ１４６（１）からＴＥＭ１４６（４）（以下、ＴＥＭ１４６と称する）があり、したがって、相互接続基板１４２に取り付けられる位置を定義する。

ホット側ヒートスプレッダ１２４の周囲は、ＳＡＳ構造１２２の第１の開放側面１３２で、ＳＡＳ構造１２２の上面１３４（すなわち、壁の最上部）に機械的に接触する。同様に、上述のように、コールド側ヒートスプレッダ１３０の周囲は、ＳＡＳ構造１２２の第２の開放側面１３６で、ＳＡＳ構造１２２の底面１３８に機械的に接触する。そのため、熱電ヒートポンプ１２０に印加される任意の圧縮力はＳＡＳ構造１２２により吸収される。いくつかの実施形態によると、これは、熱電ヒートポンプ１２０に著しい力を印加されることも可能にしつつ、ＳＡＳ構造１２２内に含まれる相互接続基板１４２及びＴＥＭ１４６を保護することが可能である。これらの圧縮力は、ヒートポンプ１２０を取り付ける際に望ましい場合がある。例えば、図１の熱電冷却システム１００においては、圧縮力は、ヒートポンプ１１２とホット側ヒートシンク１０８とコールド側ヒートシンク１１０との間の熱的に接触を改善する際に望ましい場合がある。本実施形態では、接着剤、エポキシまたはアクリル接着剤のような化学的ファスナは、ホット側ヒートスプレッダ１２４及びコールド側ヒートスプレッダ１３０をＳＡＳ構造１２２に取り付けるために使用される。これは単に要素を取り付ける１つの可能な方法であり、その他のものは、その他の実施形態に関連して下記に開示されるであろう。

また、環境バリアは、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０がＳＡＳ構造１２２に機械的に接触するところに形成され得る。この環境バリアはガスケット、溶接または任意のその他の適切な封止剤で製造され得る。ＴＥＭ１４６の代わりにＳＡＳ構造１２２に環境バリアを作ることは、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の熱短絡を直接低減する。環境バリアがＴＥＭ１４６に近く、またはＴＥＭ１４６上に作られる場合、ＴＥＭ１４６をシリコーン、エポキシまたは任意のその他の好適な材料でポッティングすることにより一般的に行われるが、熱はホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間に環境バリアを作るために使用される材料を通って流れ得る。ＴＥＭ１４６からさらに離れて環境バリアを移動すると、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０の間の熱短絡を減少し、その結果、ヒートポンプ１２０の熱寄生を低減する。また、ＳＡＳ構造１２２の壁の厚さは、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間に流れることができる熱の量に直接影響する。ＳＡＳ構造１２２の壁の厚さを減少することで、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の熱を伝達するための材料はより少なくなる。このため、ＳＡＳ構造１２２の壁の厚さは、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の熱の移動をも低減しつつ、構造強度の所望の量を提供するために最適化され得る（例えば、少なくとも予め定義された圧縮力の量に対して保護する）。

予備成形された絶縁体１４０は、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の耐熱性を提供する。作動においては、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の温度差が大きくなるであろう。予備成形された絶縁体１４０のような、ある種の絶縁体がない場合には、ホット側ヒートスプレッダ１２４からの熱のいくらかは、例えば対流によりコールド側ヒートスプレッダ１３０に消散するであろう。これは、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の熱の流れを減少することにより、熱電ヒートポンプ１２０の熱寄生を再度減少する。図２Ｂに示されるように、予備成形された絶縁体１４０は、コールド側ヒートスプレッダ１３０が予備成形された絶縁体１４０を通って延び、ＴＥＭ１４６に熱的に接触することを可能にする、１つ以上の開口部１４８を含む。この構成は図２に示されているが、この開示はそれに限定されない。

ＴＥＭ１４６の組み合わされた領域は、ＴＥＭ１４６の側面によって作動して加熱または冷却するため、ヒートポンプ１２０の「作動」領域であると考えられる。相互接続基板１４２の残部は、作動して加熱または冷却しないため、ヒートポンプ１２０の「作動中でない」領域であると考えられる。ヒートポンプ１２０中の作動しない領域が増えるにつれて、この作動しない領域で熱が失われやすくなり、ヒートポンプ１２０をより非効率的にする。ヒートポンプ１２０のこの熱寄生を最小にするため、ヒートポンプ１２０の作動しない領域の量が減少する。一実施形態では、ＴＥＭ１４６の組み合わされた領域は、相互接続基板１４２の領域の５０パーセントよりも大きい。すなわち、作動しない領域よりも作動領域が多く、そのためヒートポンプ１２０の熱寄生を減少する。別の実施形態では、ＴＥＭ１４６の組み合わされた領域は、相互接続基板１４２の領域の７５パーセントよりも大きい。すなわち、作動領域は、作動しない領域の３倍を超え、そのためヒートポンプ１２０の熱寄生を減少する。

ＴＥＭ１４６に電力を与えるため、この実施形態は電線（図示せず）が相互接続基板１４２に接続されることを可能にする。キャップ１２６はＴＥＭ１４６を電源に接続するために使用される電線用のストレインリリーフを提供する。本実施形態では、キャップ１２６はまた、環境シールの一部でもある。

図２Ｃはヒートポンプ１２０の側面概観切取図を示す。この図では、ＳＡＳ構造１２２は切取図のため２つの部品として示されている。予備成形された絶縁体１４０は、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０に分けられて示されている。これらの図に空隙が示されているが、これらは構成要素間の物理的空隙を必ずしも意味するとは限らない。ＳＡＳ構造１２２は、また、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の距離１５０を定義する。この定義された距離１５０は、ＳＡＳ構造１２２の高さと、ホット側ヒートスプレッダ１２４及びコールド側ヒートスプレッダ１３０がどのようにＳＡＳ構造１２２に機械的に接続されているかの両方を調整することによって、調整され得る。ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０間の定義された距離１５０は、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０との間の熱の移動をも低減しつつ、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０の１つまたは両方の耐熱性を低減するために、最適化され得る。一例として、定義された距離１５０が減少した場合、例えば対流によって、熱がホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０間をより容易に移動し得るため、それらの間の熱短絡は上昇する。これに反して、定義された距離１５０が増加した場合には、ホット側ヒートスプレッダ１２４とコールド側ヒートスプレッダ１３０の１つまたは両方の寸法をＴＥＭ１４６と熱的に接触を維持するために増加しなければならない。これはホット側ヒートスプレッダ１２４またはコールド側ヒートスプレッダ１３０の耐熱性を上げ、ヒートポンプ１２０の効率を減少する。

図３Ａ〜図３Ｃは、本開示の別の実施形態による、ヒートポンプ１５２を示す。いくつかの実施形態では、この熱電ヒートポンプ１５２は、熱電ヒートポンプ１１２として、熱電冷却システム１００において利用され得る。ヒートポンプ１５２は図２Ａ〜図２Ｃに示されたヒートポンプ１２０と共通する多くの特徴を共有する。そのため、ヒートポンプ１２０とは異なるヒートポンプ１５２の特徴に特に強調を置きつつも、いくつかの反復が避けられている。この点において、図３ＡはＳＡＳ構造１５４を備えたヒートポンプ１５２を示す。ヒートポンプ１５２はまた、ホット側ヒートスプレッダ１５６及びキャップ１５８を含む。ヒートポンプ１２０とは異なり、図３Ａは、ヒートポンプ１５２が機械的ファスナによって一緒に保持されていることを示す。一実施形態では、機械的ファスナはねじ、ボルト及びリベットからなる群から選択される。図３Ａはまた、電線１６０（１）及び電線１６０（２）を示す（以下、電線１６０と称する）。

図３Ｂは、分解図におけるヒートポンプ１５２の内部の構成要素を示す。本実施形態では、ボルト１６２（１）からボルト１６２（４）（以下、ボルト１６２と称する）及びワッシャ１６４（１）からワッシャ１６４（４）（以下、ワッシャ１６４と称する）は、ホット側ヒートスプレッダ１５６がＳＡＳ構造１５４を通って、ヒートポンプ１５２の底面でコールド側ヒートスプレッダ１６６に接続していることが示されている。ホット側ヒートスプレッダ１５６は、ホット側ヒートスプレッダ１５６の周囲がＳＡＳ構造１５４の上面１７０（すなわち、壁の最上部）に機械的に接触するように、ＳＡＳ構造１５４の第１の開放側面１６８に嵌合する。コールド側ヒートスプレッダ１６６は、コールド側ヒートスプレッダ１６６の周囲がＳＡＳ構造１５４の底面１７４（すなわち、壁の底面）に機械的に接触するように、ＳＡＳ構造１５４の第２の開放側面１７２に嵌合する。ヒートポンプ１５２もまた、ＴＥＭ１７８（１）からＴＥＭ１７８（４）（以下、ＴＥＭ１７８と称する）を備える相互接続基板１７６を含有する。本実施形態では、電線１６０は、ＴＥＭ１７８に電力を供給するために相互接続基板１７６に電気的に接続されている。電線１６０の２つのみが利便性のために示されているものの、本開示はこれらに限定されるものではない。本実施形態では、絶縁体が示されていない。予備成形された絶縁体が使用され得る。または発泡絶縁体のような注入された絶縁体が使用され得る。いくつかの実施形態では、注入された絶縁体は、ホット側ヒートスプレッダ１５６をコールド側ヒートスプレッダ１６６から絶縁することによって、ヒートポンプ１５２の熱寄生を低減する役割をする。また、注入された絶縁体は、ホット側ヒートスプレッダ１５６とコールド側ヒートスプレッダ１６６がＳＡＳ構造１５４に機械的に接触するところに環境バリアを作成する役割をする。

図３Ｃはヒートポンプ１５２の側面概観切取図を示す。この図では、ＳＡＳ構造１５４は切取図のため２つの部品として示されている。上述のように、ＳＡＳ構造１５４は、また、ホット側ヒートスプレッダ１５６とコールド側ヒートスプレッダ１６６との間の定義された距離１８０を提供する。この定義された距離１８０は、ＳＡＳ構造１５４の高さと、ホット側ヒートスプレッダ１５６及びコールド側ヒートスプレッダ１６６がどのようにＳＡＳ構造１５４に機械的に接続されているかを調整することによって、調整され得る。

図４Ａ〜図４Ｃは、本開示の別の実施形態による、ヒートポンプ１８２を示す。いくつかの実施形態では、この熱電ヒートポンプ１８２は、熱電ヒートポンプ１１２として、熱電冷却システム１００において利用され得る。ヒートポンプ１８２は図２Ａ〜図２Ｃに示されたヒートポンプ１２０及び図３Ａ〜図３Ｃに示されたヒートポンプ１５２と共通する多くの特徴を共有する。そのため、ヒートポンプ１２０及びヒートポンプ１５２とは異なるヒートポンプ１８２の特徴に特に強調を置きつつも、いくつかの反復が避けられている。この点において、図４ＡはＳＡＳ構造１８４を備えたヒートポンプ１８２を示す。ヒートポンプ１８２はまた、ホット側ヒートスプレッダ１８６を含む。ヒートポンプ１２０及びヒートポンプ１５２とは異なり、図４Ａは、ヒートポンプ１８２が、ヒートポンプ１８２を外部の電源１９０に接続するために、ＳＡＳ構造１８４を通って露出された電気コネクタ１８８を含むことを示す。また、本実施形態では、ＳＡＳ構造１８４は、ホット側ヒートスプレッダ１８６がＳＡＳ構造１８４の上開口部に嵌め込まれ、張力によって所定位置に保持されるのを可能にする、スナップファスナまたはスナップ特徴を含む。本実施例では、ホット側ヒートスプレッダ１８６はスナップ特徴によって取り付けられているが、追加的に、または代替的に、コールド側ヒート１９４は、ＳＡＳ構造１８４の底面開口部のように、類似のスナップ特徴によって取り付けられ得ることに留意されたい。

本実施例では、スナップ特徴は、上開口部のＳＡＳ構造１８４の周囲の周りの少なくとも１つのリップ１９２を含み、ホット側ヒートスプレッダ１８６がＳＡＳ構造１８４の上開口部に嵌め込まれ、次に張力によって所定位置に保持されるのを可能にする。いくつかの実施形態によると、リップ１９２は少なくとも部分的に可撓性がある。リップ１９２の可撓性は、ホット側ヒートスプレッダ１８６はＳＡＳ構造１８４の開口部に圧入されるとき、リップ１９２はＳＡＳ構造１８４の開口部に入ることを可能にするようなものである。リップ１９２は次に、リップ１９２の一部がホット側ヒートスプレッダ１８６の周囲に係合する元の位置に向かって曲がって戻り、それによってホット側ヒートスプレッダ１８６を張力によって所定位置に保持する。

図４Ｂは、分解図におけるヒートポンプ１８２の内部の構成要素を示す。本実施形態では、コールド側ヒートスプレッダ１９４は、ＳＡＳ構造１８４の底面に嵌合することによって、ヒートポンプ１８２の底面を形成する。ホット側ヒートスプレッダ１８６は、ホット側ヒートスプレッダ１８６の周囲がＳＡＳ構造１８４の上面１９８（すなわち、壁の最上部）に機械的に接触するように、ＳＡＳ構造１８４の第１の開放側面１９６に嵌合する。コールド側ヒートスプレッダ１９４は、コールド側ヒートスプレッダ１９４の周囲がＳＡＳ構造１８４の底面２０２（すなわち、壁の底面）に機械的に接触するように、ＳＡＳ構造１８４の第２の開放側面２００に嵌合する。いくつかの実施形態によると、コールド側ヒートスプレッダ１９４がＳＡＳ構造１８４に挿入されるときに、コールド側ヒートスプレッダ１９４は開口部を通って抜け落ちないように、ＳＡＳ構造１８４の第２の開口側面は、コールド側ヒートスプレッダ１９４よりも小さい。一実施形態では、これはさらに、ＳＡＳ構造１８４の第２の開放側面がＳＡＳ構造の第１の開放側面よりも小さくなるように、テーパー状のＳＡＳ構造１８４によって行われる。いくつかの実施形態によると、このテーパーは、コールド側ヒートスプレッダ１９４が意図するよりも僅かに大きいため、コールド側ヒートスプレッダ１９４の寸法公差がより緩やかであることが可能であり、コールド側ヒートスプレッダ１９４の周囲は、意図するよりもＳＡＳ構造１８４の底面から僅かに遠くＳＡＳ構造１８４に機械的に接触するだろう。また、コールド側ヒートスプレッダ１９４は意図するよりも僅かに小さい場合には、ＳＡＳ構造１８４の第２の開口側面は、依然、コールド側ヒートスプレッダ１９４よりも小さいことを想定すると、コールド側ヒートスプレッダ１９４の周囲は、意図するよりもＳＡＳ構造１８４の底面に僅かに近いＳＡＳ構造１８４に機械的に接触するだろう。

ヒートポンプ１８２もまた、ＴＥＭ２０６（１）からＴＥＭ２０６（４）（以下、ＴＥＭ２０６と称する）を備える相互接続基板２０４を含有する。本実施形態では、電気コネクタは、ＴＥＭ２０６に電力を供給するために相互接続基板２０４に電気的に接続されている。電気コネクタの１種類のみが利便性のために示されているものの、本開示はこれらに限定されるものではない。本実施形態では、絶縁体が示されていない。予備成形された絶縁体が使用され得る。または発泡絶縁体のような注入された絶縁体が使用され得る。いくつかの実施形態では、注入された絶縁体は、ホット側ヒートスプレッダ１８６をコールド側ヒートスプレッダ１９４から絶縁することによって、ヒートポンプ１８２の熱寄生を低減する役割をする。また、注入された絶縁体は、ホット側ヒートスプレッダ１８６とコールド側ヒートスプレッダ１９４がＳＡＳ構造１８４に機械的に接触するところに環境バリアを作成する役割をする。

図４Ｃはヒートポンプ１８２の側面概観切取図を示す。この図では、ＳＡＳ構造１８４は切取図のため２つの部品として示されている。前述したように、本実施形態では、ＳＡＳ構造１８４は、ＳＡＳ構造１８４の第２の開放側面がＳＡＳ構造１８４の第１の開放側面よりも小さくなるように、テーバー状である。また、図４Ｃは、張力で所定位置にホット側ヒートスプレッダ１８６を保持することが可能な２つのリップ１９２を示す。

図２Ａから図２Ｃ、図３Ａから図３Ｃ及び図４Ａから図４Ｃの実施形態は、いくつかの異なる特徴を示すことに留意すべきだが、異なる実施形態の特徴は、任意の好適な態様で組み合わされることができるという点に注意すべきである。例えば、図４Ａから図４Ｃのスナップファスナは、図２Ａから図２Ｃ及び図３Ａから図３Ｃの実施形態で利用され得る。同様に、図４Ａから図４Ｃのコネクタ１９０は、図２Ａから図２Ｃ及び図３Ａから図３Ｃの実施形態で利用され得る。

当業者は、本開示の好ましい実施形態に対する改善及び修正を認識するだろう。全てのこのような改善及び修正は、本明細書で開示された概念及びそれに続く特許請求の範囲内であると考えられている。

Claims

ヒートポンプであって、
第１の開放側面と第２の開放側面を定義する壁を備える包囲及びスペーサ（ＳＡＳ）構造と、
前記ＳＡＳ構造内に封止された相互接続基板であって、前記相互接続基板は、前記相互接続基板の第１の表面から前記相互接続基板の第２表面への１つ以上の開口部を備え、前記１つ以上の開口部は、複数の熱電モジュールが前記相互接続基板上に取り付けられる位置を定義し、
前記１つ以上の開口部によって定義された前記位置で、前記相互接続基板上に取り付けられた前記複数の熱電モジュールであって、前記複数の熱電モジュールの各熱電モジュールは第１側面と第２側面を有し、
前記複数の熱電モジュールのそれぞれの熱電モジュールの前記第１側面と熱的に接触するホット側ヒートスプレッダと、
前記複数の熱電モジュールのそれぞれの熱電モジュールの前記第２側面と熱的に接触するコールド側ヒートスプレッダと、を備え、
前記ホット側ヒートスプレッダの周囲は、前記ヒートポンプに印加される圧縮力が前記ＳＡＳ構造によって吸収されるように、前記第１開放部で前記ＳＡＳ構造の前記壁に機械的に接触し、前記コールド側ヒートスプレッダの周囲は、前記第２開放部で前記ＳＡＳ構造の前記壁に機械的に接触する、ヒートポンプ。
前記ホット側ヒートスプレッダの前記周囲が、前記ＳＡＳ構造の前記壁に機械的に接触し、前記コールド側ヒートスプレッダの前記周囲は前記ＳＡＳ構造の前記壁に機械的に接触するところに配置された、環境シールをさらに備える、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記ヒートポンプに印加される、少なくとも予め定義された量の圧縮力に耐える十分な力を提供するが、前記ＳＡＳ構造の前記壁の厚さは、前記ホット側ヒートスプレッダと前記コールド側ヒートスプレッダとの間の熱短絡が緩和されるようなものである、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記ＳＡＳ構造の高さは、前記ホット側ヒートスプレッダと前記コールド側ヒートスプレッダとの間の距離を定義し、前記ホット側ヒートスプレッダと前記コールド側ヒートの１つまたは両方の耐熱性を緩和するが、前記距離は前記ホット側ヒートスプレッダと前記コールド側ヒートスプレッダとの間の熱短絡が緩和されるようなものである、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記複数の熱電モジュールの前記第２側面の組み合わされた領域は、前記相互接続基板の前記領域の５０パーセント超である、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記複数の熱電モジュールの前記第２側面の前記組み合わされた領域は、前記相互接続基板の前記領域の７５パーセント超である、請求項５に記載のヒートポンプ。
前記ホット側ヒートスプレッダと前記コールド側ヒートスプレッダとの間の絶縁体をさらに備え、前記ＳＡＳ構造に封止される、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記絶縁体が予備成形される、請求項７に記載のヒートポンプ。
前記絶縁体が注入される、請求項７に記載のヒートポンプ。
前記ホット側ヒートスプレッダと前記コールド側ヒートスプレッダは、機械的ファスナによって前記ＳＡＳ構造に取り付けられている、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記機械的ファスナは、ねじ、ボルト及びリベットからなる群から選択される、請求項１０に記載のヒートポンプ。
前記ホット側ヒートスプレッダと前記コールド側ヒートスプレッダは、化学的ファスナによって前記ＳＡＳ構造に取り付けられている、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記化学的ファスナは接着剤、エポキシ及びアクリル接着剤からなる群から選択される、請求項１２に記載のヒートポンプ。
前記ホット側ヒートスプレッダ及び前記コールド側ヒートスプレッダのうち少なくとも１つは、スナップファスナによって前記ＳＡＳ構造に取り付けられる、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記スナップファスナは、前記ホット側ヒートスプレッダ及び前記コールド側ヒートスプレッダのうち、前記少なくとも１つが張力により、前記ＳＡＳ構造に取り付けられるのを可能にする前記ＳＡＳ構造の周囲の周りのリップ部を含む、請求項１４に記載のヒートポンプ。
前記ＳＡＳ構造の前記第２の開放側面は、前記コールド側ヒートスプレッダよりも小さく、前記コールド側ヒートスプレッダは前記ＳＡＳ構造の前記第２の開放側面で前記ＳＡＳ構造内にある、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記ＳＡＳ構造は、前記ＳＡＳ構造の前記第２の開放側面が、前記ＳＡＳ構造の前記第１の開放側面よりも小さくなるようにテーバー状である、請求項１６に記載のヒートポンプ。
前記相互接続基板に電気的に取り付けられ、前記ＳＡＳ構造を通って露出される１つ以上の電線をさらに備える、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記ＳＡＳ構造を通って露出される前記１つ以上の電線を保護するためのキャップをさらに備える、請求項１８に記載のヒートポンプ。
前記相互接続基板は、前記ＳＡＳ構造を通って露出される１つ以上の電気コネクタをさらに備える、請求項１に記載のヒートポンプ。