專利名稱：改進(jìn)的熱電冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電冷卻器，最好被設(shè)計(jì)用于安置在離心機(jī)上。尤其是，該冷卻器的類型是屬于那種有不傳導(dǎo)層支架的熱電冷卻器，并經(jīng)過改進(jìn)有一裝置用于冷卻柔性的罐體，還提供有散熱裝置，更有效地排出熱能。
魏德邁等人的美國(guó)專利4，512，758，公開了用一不傳導(dǎo)層抓緊多個(gè)熱電單元的優(yōu)點(diǎn)。不傳導(dǎo)層及相連的熱電單元，在離心罐的底部為一側(cè)和一熱能分散的散熱裝置為另一側(cè)之間，被夾緊。借助于將離心罐牢固地壓在散熱裝置上，可有效的熱傳導(dǎo)，因此，很容易實(shí)現(xiàn)從真空的離心罐排除熱量。具體的結(jié)構(gòu)，要求離心機(jī)內(nèi)的離心罐足夠厚，以便能保持平整，并與散熱裝置保持堅(jiān)固的傳熱嚙合。特別的是，離心罐從其上邊往下地受推壓。離心罐的底部和圓周壁是壓在熱電冷卻器的上面。罐底的平整，配合罐底凹入的阻力，確保有效的熱傳遞至附著的熱電冷卻器。
不利的是，這種堅(jiān)固的罐體有較慢的熱效應(yīng)。罐體保留足夠的熱量，致使受到其影響，在將轉(zhuǎn)筒冷卻至所要求的離心溫度時(shí)，有可感覺到的滯后。這滯后是由于罐體的熱量以及將熱量穿過罐體輸送所要求的溫度梯度兩個(gè)原因所造成的。
然而，當(dāng)較輕的罐體被采用和最初安裝時(shí)，罐底壁的柔性會(huì)出現(xiàn)。這樣，罐體其自身底部不再被用來保證，在熱電冷卻器為一方，散熱裝置為一方，它們之間有緊密的接觸。
更關(guān)鍵的是，熱電冷卻器的效率，取決于從熱電冷卻器熱量的排放。這熱排放，包括了罐體吸收的熱量，以及在熱電冷卻器由珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生的熱量。一般的散熱裝置被發(fā)現(xiàn)，并非是用于這種排放作用的最好裝置。結(jié)果，冷卻作用是那樣不受歡迎的慢。
具有不傳導(dǎo)層裝置的類型的熱電冷卻的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)得到改進(jìn)。柔性的罐體的構(gòu)造，從熱電冷卻器熱量分散的改進(jìn)，都被提供。為了改善熱效應(yīng)，被冷卻的真空罐體，提供了高純度鋁的薄壁，結(jié)果是，壁面的變形，特別是底部壁面的變形，在其裝配過程中會(huì)出現(xiàn)。好幾個(gè)散熱裝置安置在罐體的壁面上，在安裝點(diǎn)處，形成了一致的和局部牢固的罐體側(cè)壁。至少一個(gè)熱電冷卻器在第一側(cè)面連接至罐體的散熱裝置，用于接受從罐體來的熱能。一第二排熱的散熱裝置，被連接至各個(gè)熱電冷卻器，用于從罐體和熱電冷卻器，散發(fā)熱能。彈簧推壓的連接裝置，使相應(yīng)的散熱裝置相互推近，并緊密地夾緊在它們之間的熱電冷卻器。散熱裝置，在安裝期間，在冷卻器的分界處，有力地促使尺寸變化一致。排熱散熱裝置，和安放在鋁模內(nèi)的銅芯整體地鑄造，而鋁圍繞銅芯澆鑄。銅芯最好鍍金，以防此氧化，并和鋁形成導(dǎo)熱合金?？梢栽谛〉臏囟忍荻认拢篃崃總鬟f，產(chǎn)成高效率的冷卻作用。
本發(fā)明的目的，是使厚度減薄的罐體，具有改進(jìn)的熱效應(yīng)，被采用于離心機(jī)，成為可能。依照本發(fā)明這一點(diǎn)，好多個(gè)散熱裝置被固定在罐體的柔性壁上，最好是在罐的下側(cè)，形成在罐體上一致的和局部地緊固的傳熱表面。熱電冷卻器都連接至罐體。第二排熱散熱裝置在另一側(cè)接觸熱電冷卻器。借助于使用彈簧推壓的連接裝置，有利地將各個(gè)散熱裝置相互向前夾緊，熱電冷卻器維持在緊密傳導(dǎo)嚙合，以使真空罐迅速冷卻。
本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，它允許輕易地安裝熱電冷卻器，與其配合的是柔性的罐體。
本發(fā)明的另一點(diǎn)，它公開了改進(jìn)的排熱散熱裝置。具體地說，散熱裝置模具提供有干凈的銅嵌塊。之后，鋁水倒入模具內(nèi)。結(jié)果得到在鋁制散熱裝置內(nèi)整體地連接的銅芯，可使銅芯和可鑄造的鋁合金之間的熱傳遞提高至3倍。
已注意到，由銅和鋁制取散熱裝置的能力，是很不理想的。尤其是，銅和鋁的共晶合金在鋁冷卻期間，會(huì)腐蝕銅嵌塊。已發(fā)現(xiàn)到，合成合金不會(huì)產(chǎn)生銅嵌塊的可看見的腐蝕，而能使熱傳導(dǎo)。金鍍層或等效的不氧化涂層，可用在銅上層，來防止熱時(shí)銅的氧化。
本發(fā)明的另一目的是公開一理想的方式，將銅芯鑄入鋁散熱裝置內(nèi)。要求厚度10至100百萬(wàn)分之一英寸。這金層產(chǎn)生不氧化的涂層，它擴(kuò)散至鋁內(nèi)，產(chǎn)生一合金，形成良好的傳熱的治金連接。
這里提供了一種散熱裝置，它在四周大氣的環(huán)境溫度排熱，有最小的熱偏差。提供更有效的冷卻作用。
本發(fā)明的其它目的、特性和優(yōu)點(diǎn)，由隨后的說明和附圖中，看得更清楚。
附圖中

圖1A是熱電效應(yīng)冷卻的罐體的側(cè)視正面圖，描繪了柔性罐，附加的罐散熱裝置，熱電冷卻器和排熱散熱裝置，以彈簧加壓夾緊在其中間；圖1B是接近夾緊部位圖1A的放大視圖；圖2是采用了與本發(fā)明直接相關(guān)的魏德邁等人的4，512，758號(hào)專利的原理的不傳導(dǎo)片和熱電冷卻器的平面圖；圖3是在圖1中描述的冷卻器的平面圖，顯示了熱電冷卻器的安裝；圖4描繪了銅鋁鑄制的排熱散熱裝置，用于熱連接至熱電冷卻器處。
參閱圖1，描述罐體C有一真空密封的上蓋T，以虛線表示，轉(zhuǎn)筒R放在罐體C內(nèi)。此后，真空泵V(簡(jiǎn)圖顯示)，抽出罐體C內(nèi)部的空氣。當(dāng)達(dá)到一真空度時(shí)，轉(zhuǎn)筒R旋轉(zhuǎn)，使其含有的樣品(圖中未顯示)在強(qiáng)重力場(chǎng)下受離心作用。
許多種樣品，在離心發(fā)生之前，溫度必須精確地控制。這樣，在罐體C的底部安裝了設(shè)備。假設(shè)，轉(zhuǎn)筒的適當(dāng)溫度(也是樣品所需要的)，是在轉(zhuǎn)筒以每分鐘100，000轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度下得到的。產(chǎn)生的重力場(chǎng)是地球重力場(chǎng)的250，000至500，000倍。借助于樣品成分的穩(wěn)定的沉積作用，實(shí)現(xiàn)了在增強(qiáng)重力場(chǎng)下樣品的分類。
樣品在轉(zhuǎn)筒R內(nèi)的分類，必須在精確的溫度控制下進(jìn)行。例如在一生物樣品，這溫度是0℃。在離心旋轉(zhuǎn)之前，這些樣品必須處于精確的溫度。無論那種情況，罐體C的冷卻都是被要求的。由于其小的尺寸和重量，運(yùn)用珀?duì)柼?yīng)的熱電冷卻裝置被采用。
罐體C典型地由純的和非合金鋁制作。與魏德邁等人美國(guó)專利4，512，758號(hào)所描述的罐體相比較，本發(fā)明罐體的壁厚減小了2／3。在魏德邁文獻(xiàn)中所描述的罐體壁厚為0.187英寸。這里，罐體C的壁厚為0.065英寸。
這樣的壁厚有利于傳熱效應(yīng)的改進(jìn)。罐體C的熱容量和在冷卻轉(zhuǎn)筒R由罐體C所產(chǎn)生的熱梯度都減小。
然而，當(dāng)罐體C的厚度減薄了時(shí)，罐體的圓形底壁18被折曲。這種折曲，在安裝底壁18時(shí)會(huì)發(fā)生。
加重這一點(diǎn)，熱電冷卻器K要求，在罐體散熱裝置20和排熱散熱裝置22之間，有高的導(dǎo)熱性。特別是，在熱電冷卻器K和排熱散熱裝置22之間的分界面24，限定了關(guān)鍵的大熱流排放連接。
觀察罐體散熱裝置20和熱電冷卻器K之間的分界面21，熱流將僅僅是，從罐體C內(nèi)部和轉(zhuǎn)筒R抽取的熱量。
然后，觀察熱電冷卻器K和排熱散熱裝置22之間的分界面24，熱流將是所有從罐體C抽取的熱量，加上所有熱電冷卻器K內(nèi)由珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生的熱量。
舉例來說，穿過分界面21(在和罐體連接的散熱裝置20和熱電冷卻器K之間)的熱流是3瓦特的功率，這同時(shí)穿過分界面24(在熱電冷卻器K和排熱散熱裝置22之間)的熱流是30瓦特或數(shù)量更大。由于這加大的熱流，在用于有效冷卻被公開的冷卻器設(shè)計(jì)中，熱交換分界面24是關(guān)鍵的平面。
已經(jīng)總的討論了本發(fā)明的設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，特定的被公開的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在開始介紹。
參閱圖1A和1B的30，也在圖2中顯示的不傳導(dǎo)層30，已在魏德邁等人的美國(guó)專利4，512，758號(hào)中介紹過。這里，不傳導(dǎo)屋30是印刷線路板形式，它用作雙重目的，夾緊熱電冷卻器K和提供導(dǎo)線的連接點(diǎn)。
熱電冷卻器的各側(cè)邊37，提供有連接溝槽。這些溝槽抓持于線路板37。為了提供均勻的夾緊力分布于熱電裝置K，提供有次要的開口44C和44D。
這里，需要彈簧加壓螺釘穿過不傳導(dǎo)層30。在熱電冷卻器K的各側(cè)，提供有開孔38、39。
已詳盡地介紹了不傳導(dǎo)層30，現(xiàn)可把注意力集中用在罐體C的底壁18，以及罐體散熱裝置20的連接。
尤其是，罐體散熱裝置20包括有平行的機(jī)加工面19。這些散熱裝置，在圖3中描述的，都是圓形的，并和罐體的底部壁18緊密配合。在面19，散熱裝置緊固地連接至罐體的壁面18。最好地，這樣的連接，是由夾緊和用導(dǎo)熱膠膠接散熱裝置，致使圓盤的表面都成平面地鋪放。粘接膠的厚度可以變動(dòng)。
因此，各散熱裝置20在底部壁18，和相應(yīng)罐體形成堅(jiān)固區(qū)域。當(dāng)散熱裝置20移動(dòng)時(shí)，使底部壁18接近連接的散熱裝置而移動(dòng)。散熱裝置20的厚度是這樣選擇的，它是基于夾緊時(shí)，散熱裝置20的可看得出的變形不會(huì)出現(xiàn)。這樣，當(dāng)彈簧夾緊力分布作用在熱電冷卻器K時(shí)，在熱電冷卻器上的壓力是均勻的。
如圖3中顯示，各導(dǎo)線40、42，串聯(lián)冷卻器K。
讀者應(yīng)記得，靠下的排熱散熱裝置22在分界面24，限定了本發(fā)明關(guān)鍵的因素。這關(guān)鍵性的因素，可由圖4中描繪的模具和制作方法中，得到最清楚的理解。
參閱圖4，顯示銅芯50插入一模具52。模具52，按散熱裝置22的形狀和尺寸，限定一陰模腔，并還限定了排熱翼片54。這里，圖解地描繪了限定的漏斗57，用于接受鋁料60。典型的鋁料是一種合金，它可被鑄造，從而限定一有效的熱傳導(dǎo)體。
銅芯50被插入模具52的內(nèi)部。它被定位以其表面51接近排熱散熱裝置22的分界面24。重要的是，銅芯50插入時(shí)是清潔的。另一方面，導(dǎo)入的鋁料在銅芯50和導(dǎo)入鋁料之間的分界處，會(huì)造成有氣體逸出。這種氣體逸出，在導(dǎo)熱分界面處形成氣孔，導(dǎo)致熱傳遞失效。
已知銅和鋁形成一種合金。這種合金是一種共晶體。已知，它的形成造成可觀的銅腐蝕。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合成的合金非常薄，與所希有的熱傳遞不會(huì)有明顯的抵觸。特別地是，合金分界面53是最后才立生的(為了清楚顯示，圖中分界面53是放大的)。
已發(fā)現(xiàn)到，最好地是銅芯50鍍上金，鍍金厚度是10至100百萬(wàn)分之一英寸。這鍍層，在鑄造之前施加，防止氧化和在鋁材內(nèi)擴(kuò)散形成合金。這合金形成改進(jìn)的傳熱的冶金連接。
值得欣嘗的是，銅芯50被精密地機(jī)加工，隨后放入散熱裝置22內(nèi)。然而，這里敘述的鑄造工藝大大地減少了精密的機(jī)加工量，因此，減少了產(chǎn)生合金的生本。
已介紹完靠下的散熱裝置的構(gòu)造，現(xiàn)在介紹成對(duì)彈簧夾緊各個(gè)熱電冷卻器K。
特別地是，并參閱有關(guān)的圖1A和1B，靠下的散熱裝置，在位于70處被鉆孔和攻螺絲。螺絲71，以其螺紋72適配和擰緊在螺紋孔70內(nèi)。
塑料插入件74，被插入上散熱裝置20的開孔76內(nèi)和下散熱裝置22的開孔78內(nèi)。該插入件74被緊固在罐體C的底部壁的開孔80內(nèi)。
彈簧圈85在壓力下，夾持在螺絲71的螺絲頭和插入件74的底部之間。
很容易理解，彈簧的作用是取得對(duì)熱電冷卻器的夾緊。特別地是，彈簧在受壓時(shí)，向上推著螺絲71。這種推動(dòng)，使散熱裝置22在分界面24，緊密地拉向熱電冷卻裝置K的下底面。熱電冷卻器K，在分界面21處向上推壓，與罐體散熱裝置20緊密地傳熱嚙合。高傳導(dǎo)的熱流線形成了。從罐體C的內(nèi)部至散熱裝置22有效的熱流，是可行的。
這樣可以看到，各個(gè)散熱裝置20按其最緊靠的接近，使罐體C的底部壁18，作為如同堅(jiān)固的和單一的組件。與這同時(shí)，在散熱裝置22的銅芯50，提供了改進(jìn)的熱傳導(dǎo)分界面24。這樣，在分界面24的熱電冷卻器，可與在散熱裝置22的外部環(huán)境溫度是5℃溫差的范圍內(nèi)進(jìn)行操作。
權(quán)利要求1.一種離心機(jī)，其內(nèi)含有被冷卻的罐體，上述罐體內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)筒用于旋轉(zhuǎn)，有蓋子密封冷卻的罐體，有裝置從上述罐體抽出空氣在上述冷卻罐體內(nèi)形成真空，還有連接至罐體壁部的冷卻裝置，在罐體抽真空和轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)期間保持罐體冷度，其特征是至少有一柔性壁提供于罐體上，至少有一散熱裝置布置在上述缸體的柔性壁，上述散熱裝置于第一側(cè)面，與上述罐體的柔性壁連接，在連接處形成均勻的和局部的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，還有平表面，用于在其第二側(cè)面，與一熱電冷卻器接觸，在至少一熱電冷卻器有一熱能接受側(cè)面，連接至上述罐體散熱裝置的第二側(cè)面，有排熱側(cè)面從上述罐體傳遞走熱能，第二排熱散熱裝置，在上述排熱側(cè)面，連接至上述熱電冷卻器，用于將從上述罐體來的熱能和從上述熱電冷卻器來的熱能散發(fā)掉，還有裝置用于推動(dòng)上述第二排熱散熱裝置，壓在上述熱電冷卻器，向著上述罐體散熱裝置，上述裝置包括有至少第一和第二彈簧加壓的連接件，其一端緊固在上述罐體散熱裝置，其另一端緊固在上述第二排熱散熱裝置，借此上述彈簧加壓連接件，夾緊上述熱電冷卻器，與上述罐體散熱裝置以及上述排熱散熱裝置緊密嚙合，排放熱能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)明，其特征是上述第二種排熱散熱裝置包含有一銅志，直接連接至上述熱電冷卻器的排熱側(cè)面，上述第二排熱散熱裝置還包含有鑄造的鋁主體，圍繞著上述銅芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)明，其特征是上述銅芯是鍍金的。
專利摘要離心機(jī)中具有不傳導(dǎo)層的熱電冷卻的設(shè)計(jì)。被冷卻的罐體是高純鋁柔性壁，裝配時(shí)出現(xiàn)變形。好幾個(gè)散熱裝置安置在壁上，在安裝處形成一致的和局部堅(jiān)固的壁面。熱電冷卻器在第一側(cè)面連接至罐體散熱裝置。而排熱散熱裝置連接各熱電冷卻器的第二側(cè)面。彈簧加壓連接件，使二排熱裝置夾緊熱電冷卻器。排熱散熱裝置和一銅蕊整體用鋁澆鑄鑄造。銅蕊最好鍍金，防止氧化，并和鋁形成導(dǎo)熱合金?？稍谛〉臏囟忍荻葌鬟f熱能，產(chǎn)生高效的冷卻作用。
文檔編號(hào)H01L23/36GK2031313SQ8820604
公開日1989年1月25日 申請(qǐng)日期1988年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月22日
發(fā)明者羅伯特·吉貝勒 申請(qǐng)人:貝克曼儀器有限公司