包括保護(hù)性熱密封蓋和最優(yōu)化界面熱阻的熱電熱交換器組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有熱擴(kuò)散蓋的熱電熱交換器組件，所述熱擴(kuò)散蓋最優(yōu)化所述熱擴(kuò)散蓋與多個(gè)熱電裝置之間的界面熱阻，和其制造方法的實(shí)施方案。在一個(gè)實(shí)施方案中，熱電熱交換器組件包括電路板和附接到所述電路板的多個(gè)熱電裝置。例如，由于熱電裝置生產(chǎn)工藝中的容差，所述熱電裝置中的至少兩個(gè)的高度是不同的。所述熱電熱交換器還包括在所述熱電裝置上的熱擴(kuò)散蓋和所述熱電裝置與所述熱擴(kuò)散蓋之間的熱界面材料。所述熱擴(kuò)散蓋的定向(即，傾斜)使得所述熱界面材料的厚度，和進(jìn)而界面熱阻，對(duì)于所述熱電裝置最優(yōu)化。
【專利說明】包括保護(hù)性熱密封蓋和最優(yōu)化界面熱阻的熱電熱交換器組件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年5月7日提交的臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/643，622號(hào)和2012年5月7日提交的臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/643，625號(hào)的權(quán)益，這些臨時(shí)申請(qǐng)的公開內(nèi)容全文以引用的方式并入本文。
[0003]公開領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及熱電熱交換器。
[0005]背景
[0006]通常，薄膜熱電裝置與相當(dāng)?shù)恼w型熱電模塊相比要小得多且更脆。典型薄膜熱電裝置的面積約為140平方毫米(mm2)，而典型整體型熱電模塊的面積約為1，600mm2?？蓪⒈∧犭娧b置布置于散熱器之間以形成熱電熱交換器。熱電裝置與附接散熱器之間的熱界面材料的熱阻定義為I/kA，其中I是熱界面材料的厚度，k是熱界面材料的熱導(dǎo)率，且A是熱電裝置與散熱器之間的界面的面積。這意味著薄膜熱電裝置與散熱器之間的熱界面材料的熱阻相比于較大的整體型熱電模塊與相應(yīng)散熱器之間的熱界面材料的熱阻高約10倍。對(duì)于薄膜熱電裝置，且特定來說，薄膜熱電冷卻器，熱界面材料的較高熱阻導(dǎo)致較高熱側(cè)溫度且要求較低冷側(cè)溫度，這導(dǎo)致功耗較高和/或無(wú)法充分冷卻。
[0007]此外，由于其尺寸和材料組合，薄膜熱電裝置無(wú)法承受像整體型熱電模塊那樣的機(jī)械負(fù)荷。另外，薄膜熱電裝置無(wú)法承受不均勻機(jī)械負(fù)荷。然而，附接到薄膜熱電裝置兩側(cè)的散熱器相比于薄膜熱電裝置來說是很大的且常常約束在給定產(chǎn)品中。因此，難以在薄膜熱電裝置上施加均勻受控制的負(fù)荷。
[0008]因此，需要盡可能減小薄膜熱電裝置之間的熱界面材料的熱阻，同時(shí)也保護(hù)薄膜熱電裝置抵抗機(jī)械負(fù)荷的系統(tǒng)和方法。
發(fā)明概要
[0009]本發(fā)明公開了具有熱擴(kuò)散蓋的熱電熱交換器組件，所述熱擴(kuò)散蓋最優(yōu)化所述熱擴(kuò)散蓋與多個(gè)熱電裝置之間的界面熱阻，和其制造方法的實(shí)施方案。在一個(gè)實(shí)施方案中，熱電熱交換器組件包括電路板和附接到所述電路板的多個(gè)熱電裝置。例如，由于熱電裝置生產(chǎn)工藝中的容差，所述熱電裝置中的至少兩個(gè)的高度是不同的。所述熱電熱交換器還包括在所述熱電裝置上的熱擴(kuò)散蓋和所述熱電裝置與所述熱擴(kuò)散蓋之間的熱界面材料。所述熱擴(kuò)散蓋的定向(即傾斜)使得所述熱界面材料的厚度和界面熱阻對(duì)于所述熱電裝置最優(yōu)化，從而將所述熱電裝置與所述熱擴(kuò)散蓋之間的熱界面材料的界面熱阻最優(yōu)化。
[0010]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱擴(kuò)散蓋包括主體和相對(duì)于所述熱擴(kuò)散蓋的主體等高的多個(gè)基座，其從所述熱擴(kuò)散蓋的主體向所述熱電裝置延伸。每個(gè)所述基座與所述熱電裝置中的對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)齊。在這個(gè)實(shí)施方案中，所述熱界面材料在每個(gè)基座的表面與對(duì)應(yīng)熱電裝置的表面之間，且所述熱擴(kuò)散蓋的定向使得每個(gè)基座與對(duì)應(yīng)熱電裝置之間的熱界面材料的厚度最優(yōu)化。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱擴(kuò)散蓋還包括從所述熱擴(kuò)散蓋的主體圍繞所述熱擴(kuò)散蓋的周邊延伸的唇部。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述唇部相對(duì)于所述熱擴(kuò)散蓋主體的高度使得對(duì)于預(yù)定范圍內(nèi)的熱電裝置的任何高度組合，所述熱擴(kuò)散蓋的唇部與所述電路板之間維持預(yù)定最小間隙，其中所述預(yù)定最小間隙大于零。
[0011]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱電裝置附接到所述電路板的第一表面，且所述熱擴(kuò)散蓋在與所述電路板的第一表面相對(duì)的熱電裝置的表面上。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱電裝置附接到所述電路板的第一表面，且所述熱擴(kuò)散蓋在所述熱電裝置的表面上，通過穿過所述電路板的一個(gè)或多個(gè)孔在所述電路板的第二表面暴露。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱電裝置附接到所述電路板的第一表面，且所述熱擴(kuò)散蓋在與所述電路板的第一表面相對(duì)的所述熱電裝置的表面上。在這個(gè)實(shí)施方案中，所述熱電熱交換器組件還包括在所述熱電裝置的表面上的第二熱擴(kuò)散蓋，其通過穿過所述電路板的一個(gè)或多個(gè)孔在所述電路板的第二表面暴露。
[0013]在一個(gè)實(shí)施方案中，通過將多個(gè)熱電裝置附接到電路板制造熱電熱交換器組件。由于(例如)熱電裝置生產(chǎn)工藝中的容差，所述熱電裝置中的兩個(gè)或更多個(gè)具有不同高度。將熱界面材料施用到所述熱電裝置的表面和/或熱擴(kuò)散蓋。隨后將所述熱擴(kuò)散蓋放置在所述熱電裝置上，并對(duì)所述熱擴(kuò)散蓋施加球點(diǎn)力。因?yàn)樗銮螯c(diǎn)力，所述熱擴(kuò)散蓋以所述熱界面材料的厚度對(duì)于所述熱電裝置最優(yōu)化的定向來安置。
[0014]本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解本發(fā)明的范圍并在閱讀與附圖關(guān)聯(lián)的優(yōu)選實(shí)施方案的下列詳細(xì)描述后將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的其它方面。
[0015]附圖簡(jiǎn)述
[0016]并入本說明書且構(gòu)成其一部分的附圖圖示本發(fā)明的幾個(gè)方面，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0017]圖1圖示熱電制冷系統(tǒng)，其包括熱電熱交換器，所述熱電熱交換器本身包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的熱電熱交換器組件；
[0018]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖1的熱電熱交換器的更詳細(xì)圖示；
[0019]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖2的熱電熱交換器組件的分解視圖；
[0020]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖3的熱電熱交換器組件的折疊視圖；
[0021]圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖3和圖4的熱電熱交換器組件的橫截面；
[0022]圖6是制造根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖3至圖5的熱電熱交換器組件的方法的流程圖；
[0023]圖7圖示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的熱電熱交換器；和
[0024]圖8圖示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的熱電熱交換器。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下文闡述的實(shí)施方案表示使本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)踐實(shí)施方案的必要信息且說明實(shí)踐實(shí)施方案的最佳模式。在鑒于附圖來閱讀以下描述后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本公開的概念并且認(rèn)識(shí)到本文中未具體提出的這些概念的應(yīng)用。應(yīng)了解這些概念和應(yīng)用屬于本公開和隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
[0026]將理解，雖然本文可以使用術(shù)語(yǔ)第一、第二等來描述各個(gè)元件，但這些元件不應(yīng)受這些術(shù)語(yǔ)限制。這些術(shù)語(yǔ)僅用于區(qū)分不同元件。例如，在不脫離本發(fā)明的范圍下，第一元件可命名為第二元件，且類似地，第二元件可命名為第一元件。如本文中所使用，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)列出項(xiàng)目中一個(gè)或多個(gè)的任何和所有組合。
[0027]相對(duì)性術(shù)語(yǔ)如“在...下方”或“在...上方”或“上”或“下”或“水平”或“垂直”
在本文中可用于描述圖中所圖示的一個(gè)元件、層或區(qū)域與另一個(gè)元件、層或區(qū)域的關(guān)系。將理解這些術(shù)語(yǔ)和上述內(nèi)容希望涵蓋除圖中所描繪定向以外的不同裝置定向。
[0028]本文所使用的術(shù)語(yǔ)旨在僅描述特定實(shí)施方案而不希望對(duì)本公開加以限制。如本文所使用，除非另外明確說明，否則單數(shù)形式“一”和“該”希望也包括復(fù)數(shù)形式。還將理解當(dāng)使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”指明存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。
[0029]除非另外定義，否則本文所使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所理解的相同含義。還將理解本文所使用的術(shù)語(yǔ)應(yīng)解釋為具有與它們?cè)诒菊f明書和相關(guān)領(lǐng)域中的含義一致的含義且除非另外明確定義，否則不按照理想化或過分正式的方式解釋。
[0030]本發(fā)明公開了具有熱擴(kuò)散蓋的熱電熱交換器組件，所述熱擴(kuò)散蓋最優(yōu)化所述熱擴(kuò)散蓋與多個(gè)熱電裝置之間的界面熱阻，和其制造方法的實(shí)施方案。應(yīng)注意雖然本文將大量論述集中于包括熱電冷卻器(TEC)的熱電熱交換器的實(shí)施方案，然而本文公開的概念同樣適用于其它類型的熱電裝置，如(例如)用于從回收熱發(fā)電的熱電發(fā)電機(jī)(TEG)。
[0031]雖然熱電熱交換器組件的實(shí)施方案可用于任何合適熱電系統(tǒng)，但圖1圖示熱電制冷系統(tǒng)10，其包括熱交換器12，所述熱交換器具有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)例示性實(shí)施方案的熱電熱交換器組件14。如圖所示，所述熱電制冷系統(tǒng)10包括熱交換器12、冷卻室16和控制冷卻室16內(nèi)的冷卻的控制器18。在這個(gè)實(shí)施方案中，所述熱交換器12包括熱側(cè)散熱器20、冷側(cè)散熱器22和布置在熱側(cè)散熱器20與冷側(cè)散熱器22之間的熱電熱交換器組件14。所述熱電熱交換器組件14包括多個(gè)薄膜熱電裝置，在熱電制冷系統(tǒng)10中，所述熱電裝置是薄膜TEC。每個(gè)TEC具有熱耦接到熱側(cè)散熱器20的熱側(cè)和熱耦接到冷側(cè)散熱器22的冷側(cè)。當(dāng)TEC中的一個(gè)或多個(gè)被控制器18啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)的TEC操作以冷卻冷側(cè)散熱器22并將熱排斥到熱側(cè)散熱器20從而促進(jìn)從冷卻室16抽取熱的熱傳遞。更具體來說，當(dāng)TEC中的一個(gè)或多個(gè)啟動(dòng)時(shí)，熱側(cè)散熱器20被加熱從而建立蒸發(fā)器且冷側(cè)散熱器22被冷卻從而建立冷凝器。
[0032]作為冷凝器，冷側(cè)散熱器22促進(jìn)經(jīng)由與冷側(cè)散熱器22耦接的接受回路24從冷卻室16進(jìn)行熱抽取。接受回路24熱耦接到界定冷卻室16的熱電制冷系統(tǒng)10的內(nèi)壁26。在一個(gè)實(shí)施方案中，接受回路24被整合到內(nèi)壁26中或直接整合到內(nèi)壁26的表面上。接受回路24是由任何類型的泵形成，所述泵允許工作流體，本文中稱為冷卻介質(zhì)(例如，二相冷卻劑)流過或通過接受回路24。由于接受回路24與內(nèi)壁26熱耦接，所以當(dāng)冷卻介質(zhì)流過接受回路24時(shí)，冷卻介質(zhì)從冷卻室16抽取熱。冷卻回路24可以由(例如)銅管、塑料管、不銹鋼管、鋁管或類似組件形成。
[0033]由冷側(cè)散熱器22和接受回路24形成的冷凝器根據(jù)任何合適熱交換技術(shù)操作。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，接受回路24根據(jù)熱虹吸管原理(S卩，作為熱虹吸管)操作，以使冷卻介質(zhì)從冷側(cè)散熱器22傳播通過接受回路24并返回到冷側(cè)散熱器22從而利用二相被動(dòng)式熱傳輸冷卻所述冷卻室16。特定來說，被動(dòng)式熱交換是通過接受回路24中的冷卻介質(zhì)與冷卻室16之間的自然對(duì)流發(fā)生。具體來說，冷卻介質(zhì)在冷側(cè)散熱器22內(nèi)冷凝。冷凝的冷卻介質(zhì)借助重力流過接受回路24。
[0034]在接受回路24內(nèi)，冷卻室16中的環(huán)境與接受回路24內(nèi)的冷凝冷卻介質(zhì)之間發(fā)生被動(dòng)式熱交換以使冷卻室16中的溫度下降且冷卻介質(zhì)的溫度升高且/或發(fā)生相變。當(dāng)冷卻介質(zhì)的溫度升高時(shí)，冷卻介質(zhì)的密度下降，如通過蒸發(fā)。因此，在一些實(shí)施方案中，當(dāng)冷卻所述冷卻室16時(shí)，接受回路24作為蒸發(fā)器工作。結(jié)果，蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)借助接受回路24中的浮力沿向上方向移向冷側(cè)散熱器22。蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)與冷側(cè)散熱器22熱接觸，此時(shí)冷卻介質(zhì)與冷側(cè)散熱器22之間發(fā)生熱交換。當(dāng)冷卻介質(zhì)與冷側(cè)散熱器22之間發(fā)生熱交換時(shí)，冷卻介質(zhì)冷凝并借助重力再次流過接受回路24以從冷卻室16抽取更多熱。
[0035]如上所述，熱交換器12包括布置在熱側(cè)散熱器20與冷側(cè)散熱器22之間的熱電熱交換器組件14。熱電熱交換器組件14中的TEC具有與熱側(cè)散熱器20熱耦接的熱側(cè)(即，在TEC操作期間熱的側(cè)面)和與冷側(cè)散熱器22熱耦接的冷側(cè)(即在TEC操作期間冷的側(cè)面)。熱電熱交換器組件14內(nèi)的TEC有效促進(jìn)冷側(cè)散熱器22與熱側(cè)散熱器20之間的熱傳遞。更具體來說，當(dāng)接受回路24中的冷卻介質(zhì)與冷側(cè)散熱器22之間發(fā)生熱傳遞時(shí)，活動(dòng)TEC在冷側(cè)散熱器22與熱側(cè)散熱器20之間傳遞熱。
[0036]作為蒸發(fā)器，熱側(cè)散熱器20促進(jìn)熱經(jīng)由耦接到熱側(cè)散熱器20的排斥回路28排斥到冷卻室16外部的環(huán)境。排斥回路28熱耦接到熱電制冷系統(tǒng)10的外壁30或外層。外壁30通過(例如)適當(dāng)絕緣從接受回路24和內(nèi)壁26(和因此冷卻室16)熱隔離。在一個(gè)實(shí)施方案中，排斥回路28被整合到外壁30中或整合到外壁30的表面(例如，內(nèi)表面)上。排斥回路28由任何類型的泵形成，所述泵允許工作流體，本文稱為熱傳遞介質(zhì)(例如，二相冷卻劑)流過或通過排斥回路28。由于排斥回路28與外部環(huán)境熱耦接，所以當(dāng)熱傳遞介質(zhì)流過排斥回路28時(shí)熱傳遞介質(zhì)將熱排斥到外部環(huán)境。排斥回路28可由(例如)銅管、塑料管、不銹鋼管、鋁管或類似組件形成。
[0037]由熱側(cè)散熱器20和排斥回路28形成的蒸發(fā)器根據(jù)任何合適熱交換技術(shù)操作。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，排斥回路28根據(jù)熱虹吸管原理(即，作為熱虹吸管)操作以使熱傳遞介質(zhì)從熱側(cè)散熱器20傳播通過排斥回路28并返回到熱側(cè)散熱器20從而利用二相被動(dòng)式熱傳輸排斥熱。特定來說，被動(dòng)式熱交換是通過排斥回路28中的熱傳遞介質(zhì)與外部環(huán)境之間的自然對(duì)流發(fā)生。具體來說，所述熱傳遞介質(zhì)在熱側(cè)散熱器28內(nèi)蒸發(fā)。蒸發(fā)的熱傳遞介質(zhì)借助浮力流過排斥回路28。在排斥回路28內(nèi)，排斥回路28內(nèi)的蒸發(fā)熱傳遞介質(zhì)與外部環(huán)境之間發(fā)生熱交換以使排斥回路28內(nèi)的蒸發(fā)熱傳遞介質(zhì)的溫度下降，從而使熱傳遞介質(zhì)的密度增大，如通過冷凝。因此，在一些實(shí)施方案中，當(dāng)排斥熱時(shí)排斥回路28作為冷凝器工作。結(jié)果，冷凝的熱傳遞介質(zhì)借助重力通過排斥回路28傳播返回到熱側(cè)散熱器20。
[0038]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，熱交換器12與冷卻室16不直接熱接觸而是從冷卻室16熱隔離。類似地，熱交換器12與外壁30不直接熱接觸而是從外壁30熱隔離。因此，熱交換器12從熱電制冷系統(tǒng)10的冷卻室16和外壁30兩者熱隔離。重要的是，熱交換器12的絕熱和接受回路24與排斥回路28在根據(jù)熱虹吸管原理操作時(shí)的熱二極管作用防止當(dāng)停用TEC時(shí)熱反泄漏到冷卻室16中。
[0039]控制器18操作以控制熱電熱交換器組件14內(nèi)的TEC以維持冷卻室16內(nèi)的所需設(shè)置點(diǎn)溫度?？刂破?8操作以選擇性啟動(dòng)/停用TEC，選擇性控制TEC的輸入電流且/或選擇性控制TEC的工作周期以維持所需設(shè)置點(diǎn)溫度。另外，在一些實(shí)施方案中，使控制器18能夠分開或個(gè)別控制TEC中的一個(gè)或多個(gè)，且在一些實(shí)施方案中，TEC的兩個(gè)或更多個(gè)子集，其中每個(gè)子集包括一個(gè)或多個(gè)不同TEC。因此，作為實(shí)例，如果熱電熱交換器組件14中存在四個(gè)TEC，那么可使控制器18分開控制第一個(gè)別TEC、第二個(gè)別TEC和一組兩個(gè)TEC (即第一和第二個(gè)別TEC與一組兩個(gè)TEC)。通過這個(gè)方法，控制器18可(例如)按照要求規(guī)定在最高效率下選擇性個(gè)別啟動(dòng)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)TEC。
[0040]雖然對(duì)于理解本文公開和要求的概念并非必需，但關(guān)于熱電制冷系統(tǒng)10的更多信息，有興趣的讀者請(qǐng)參考2013年3月15日提交，標(biāo)題為THERMOELECTRIC REFRIGERAT1NSYSTEM CONTRO L SCHEME FOR HIGH EFFICIENCY PERFORMANCE 的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/836，525 號(hào)；2013 年 5 月 7 日提交，標(biāo)題為 THERMOE LECTRIC REFRIGERAT1N SYSTEMCONTROL SCHEME FOR HIGH EFFICIENCY PERFORMANCE 的美國(guó)專利申請(qǐng)第 13/888，791 號(hào)；2013年4 月 22 日提交，標(biāo)題為 SYSTEMS AND METHODS T O MITIGATE HEAT LEAK BACK IN ATHERMOELECTRIC RE FRIGERAT10N SYSTEM 的美國(guó)專利申請(qǐng)第 13/867，519 號(hào)；2013 年 4 月22 日提交，標(biāo)題為 CARTRIDGE FOR MULTIPLE THERM0EL ECTRIC MODULES 的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/867，567 號(hào)；2013 年 4 月 22 日提交，標(biāo)題為 PARALLEL THERMOELECTRIC HEAT EXCHA NGESYSTEMS的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/867，589號(hào)；2013年5月7日提交，標(biāo)題為THERMOELECTRICHEAT EXCHANGE SYSTEM C 0MPRISING CASCADED COLD SIDE HEAT SINKS 的美國(guó)專利申請(qǐng)第 13/888，799 號(hào)；2013 年 5 月 7 日提交，標(biāo)題為 PHYSICALLY SEPARATED HOT SIDE ANDCOLD SIDE HEAT SINKS IN A THERMOELECTRIC REFRIGERAT1N SYSTEM 的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/888，820 號(hào)；和 2013 年 5 月 7 日提交，標(biāo)題為 TW0-PHASE H EAT EXCHANGER MOUNTING 的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/888，833號(hào)，這些專利申請(qǐng)是以引用其全文的方式并入本文。
[0041]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖1的熱交換器12的更詳細(xì)圖示。如圖所示，熱交換器12包括在熱側(cè)散熱器20與冷側(cè)散熱器22之間的熱電熱交換器組件14。在這個(gè)實(shí)施方案中，熱電熱交換器組件14通過熱擴(kuò)散器32熱學(xué)且物理耦接到熱側(cè)散熱器20。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱擴(kuò)散器32可以是熱側(cè)散熱器20的一部分。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱擴(kuò)散器32從熱側(cè)散熱器20分離，在這種情況中所述熱擴(kuò)散器32經(jīng)由適當(dāng)熱界面材料(例如，熱膠、熱油脂等)熱學(xué)且物理耦接到熱側(cè)散熱器20。所述熱擴(kuò)散器32由具有高熱導(dǎo)率的材料(例如，銅或銅鋁)形成且操作以將熱電熱交換器組件14中的TEC的熱側(cè)(具有相對(duì)小表面積)上產(chǎn)生的熱分散到較大面積。
[0042]按照類似方式，在這個(gè)實(shí)施方案中，所述熱電熱交換器組件14通過熱擴(kuò)散器34熱學(xué)且物理耦接到冷側(cè)散熱器22。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱擴(kuò)散器34可以是冷側(cè)散熱器22的一部分。在另一個(gè)實(shí)施方案中，熱擴(kuò)散器34從冷側(cè)散熱器22分離，在這種情況中，熱擴(kuò)散器34經(jīng)由適當(dāng)熱界面材料(例如，熱膠、熱油脂等)熱學(xué)且物理耦接到冷側(cè)散熱器22。所述熱擴(kuò)散器34由具有高熱導(dǎo)率的材料(例如，銅或銅鋁)形成且操作以將熱電熱交換器組件14中的TEC的冷側(cè)(具有相對(duì)小表面積)上產(chǎn)生的熱，或更具體在這種情況中是冷，分散到較大面積。應(yīng)注意至少在一些實(shí)現(xiàn)方式中熱擴(kuò)散器32和熱擴(kuò)散器34任選存在。更具體來說，如下文所述，熱電熱交換器組件14包括熱擴(kuò)散蓋，其提供熱擴(kuò)散功能，在這種情況中，可以不需要熱擴(kuò)散器32和熱擴(kuò)散器34。
[0043]圖3更詳細(xì)圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的熱電熱交換器組件14。如圖所示，熱電熱交換器組件14包括電路板36 (例如，印刷電路板)。所述電路板36包括延伸穿過電路板36，即從電路板36的第一表面延伸到電路板36的第二表面的孔38。TEC 40電學(xué)且物理附接到電路板36的孔38上，以使，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，關(guān)鍵側(cè)(在這種情況中是TEC40的熱側(cè))背離電路板36且較不關(guān)鍵側(cè)(在這種情況中是TEC 40的冷側(cè))通過孔38在電路板36的第二表面暴露。如下文所述，孔38支持與TEC 40的冷側(cè)直接熱接觸。
[0044]在這個(gè)特定實(shí)施方案中，電路板36包括將TEC 40串聯(lián)電連接的導(dǎo)電跡線42以及支持外部電路系統(tǒng)向TEC 40提供電流從而啟動(dòng)TEC 40的電接觸44。注意雖然在這個(gè)實(shí)例中存在串聯(lián)連接的四個(gè)TEC 40，但熱電熱交換器組件14不受此限制。所述熱電熱交換器組件14可以包括按照任何所需方法連接的兩個(gè)或更多個(gè)TEC 40中的任意數(shù)目個(gè)TEC。例如，可以串聯(lián)連接所有TEC 40。作為另一實(shí)例，可以并聯(lián)連接TEC 40的兩個(gè)或更多個(gè)子集(例如，含I個(gè)TEC 40的集與含I個(gè)TEC 40的另一個(gè)集和含2個(gè)TEC 40的集并聯(lián))。
[0045]所述熱電熱交換器組件14還包括在TEC 40的冷側(cè)上的熱擴(kuò)散蓋46。所述熱擴(kuò)散蓋46由具有高熱導(dǎo)率的材料(例如銅或銅鋁)形成。所述熱擴(kuò)散蓋46足夠小以確保與冷側(cè)散熱器22(或熱擴(kuò)散器34)(圖1和圖2)平面接觸，但足夠大以在可忽略的溫度降下將熱從TEC 40冷側(cè)的小表面積擴(kuò)散到大得多的熱界面面積。所述熱擴(kuò)散蓋46包括主體48、基座50和唇部52?；?0從熱擴(kuò)散蓋46的主體48向TEC 40的冷側(cè)延伸。在制造期間，在將TEC 40附接到電路板36后，將熱擴(kuò)散蓋46放置于TEC 40的冷側(cè)上以使基座50與經(jīng)由孔38暴露的TEC 40的冷側(cè)對(duì)齊。隨后將熱擴(kuò)散蓋46的基座50經(jīng)由熱界面材料熱耦接到相應(yīng)TEC 40的冷側(cè)。所述熱界面材料是任何合適熱界面材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱界面材料是熱油脂。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱界面材料是具有高熱導(dǎo)率的焊料。
[0046]熱擴(kuò)散蓋46的基座50被制造成相對(duì)于熱擴(kuò)散蓋46的主體48具有相同的高度并機(jī)械加工成具有平整表面?；?0可采取任何合適形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)基座50為平行六面體。在另一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)基座50為截頭錐體?；?0的邊緣垂直或傾斜。可使用傾斜邊緣以允許熱界面材料沿基座50的壁流動(dòng)而不流向TEC 40。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，基座50的邊緣以45度的角傾斜。在基座50與TEC 40的冷側(cè)之間的界面處，每個(gè)基座50的表面積優(yōu)選稍小于(例如，小I至10百分比)經(jīng)由相應(yīng)孔38暴露的相應(yīng)TEC 40的冷側(cè)的表面積。換句話說，每個(gè)基座50在與相應(yīng)TEC 40的界面處的尺寸稍小于相應(yīng)TEC 40的表面的尺寸?；?0的稍小表面積確保過量熱界面材料匯集于相應(yīng)TEC40的基座50上而不是邊緣(即，支柱)。
[0047]熱擴(kuò)散蓋46的唇部52圍繞熱擴(kuò)散蓋46的周邊延伸。唇部52從熱擴(kuò)散蓋46的主體48向電路板36延伸。如下文詳細(xì)論述，TEC 40相對(duì)于電路板36的第二表面(在這個(gè)實(shí)例中是底表面)的高度可由于(例如)TEC 40和/或熱電熱交換器組件14的生產(chǎn)或制造工藝中的容差而變化。例如，TEC 40相對(duì)于電路板36的第二表面的高度可變化0.1至3毫米(mm)。熱擴(kuò)散蓋46的唇部52具有確保唇部52與電路板36之間維持至少預(yù)定最小間隙的高度。如下所述，唇部52與電路板36之間的間隙是用環(huán)氧樹脂或類似附接材料填充從而將熱擴(kuò)散蓋46機(jī)械附接到電路板36。
[0048]在這個(gè)實(shí)施方案中，所述熱電熱交換器組件14還包括放置于電路板36的第二表面(在這個(gè)實(shí)例中是底表面)上的絕緣預(yù)制體54。所述絕緣預(yù)制體54由合適熱絕緣材料(如例如塑料)形成。絕緣預(yù)制體54包括孔56，其具有對(duì)應(yīng)于熱擴(kuò)散蓋46的尺寸，以使當(dāng)將絕緣預(yù)制體54放置于電路板36的第二表面上時(shí)，所述熱擴(kuò)散蓋46穿過孔56且絕緣預(yù)制體54與電路板36的第二表面直接接觸。
[0049]按照類似方式，所述熱電熱交換器組件14還包括在TEC 40的熱側(cè)上的熱擴(kuò)散蓋58。所述熱擴(kuò)散蓋58由具有高熱導(dǎo)率的材料(例如銅或銅鋁)形成。所述熱擴(kuò)散蓋58足夠小以確保與熱側(cè)散熱器20(或熱擴(kuò)散器32)(圖1和圖2)平面接觸，但足夠大以在可忽略的溫度降下將熱從TEC 40熱側(cè)的小表面積擴(kuò)散到大得多的熱界面面積。所述熱擴(kuò)散蓋58包括主體60、基座62和唇部64。基座62從熱擴(kuò)散蓋58的主體60向TEC 40的熱側(cè)延伸。在制造期間，在將TEC 40附接到電路板36后，將熱擴(kuò)散蓋58放置于TEC 40的熱側(cè)上以使基座62與TEC 40的熱側(cè)對(duì)齊。隨后將熱擴(kuò)散蓋58的基座62經(jīng)由熱界面材料熱耦接到相應(yīng)TEC 40的熱側(cè)。所述熱界面材料是任何合適熱界面材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱界面材料是熱油脂。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述熱界面材料是具有高熱導(dǎo)率的焊料。
[0050]熱擴(kuò)散蓋58的基座62被制造成相對(duì)于熱擴(kuò)散蓋58的主體60具有相同高度并機(jī)械加工成具有平整表面?；?2可采取任何合適形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)基座62為平行六面體。在另一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)基座62為截頭錐體。基座62的邊緣垂直或傾斜?？墒褂脙A斜邊緣以允許熱界面材料沿基座50的壁流動(dòng)而不流向TEC 40。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，基座62的邊緣以45度的角傾斜。在基座62與TEC 40的熱側(cè)之間的界面處，每個(gè)基座62的表面積優(yōu)選稍小于(例如小I至10百分比)相應(yīng)TEC 40的熱側(cè)的表面積。換句話說，每個(gè)基座62在與相應(yīng)TEC 40的界面處的尺寸稍小于相應(yīng)TEC40的表面的尺寸?；?2的稍小表面積確保過量熱界面材料匯集于相應(yīng)TEC 40的基座62上而不是邊緣(即，支柱)。
[0051]熱擴(kuò)散蓋58的唇部64圍繞熱擴(kuò)散蓋58的周邊延伸。唇部64從熱擴(kuò)散蓋58的主體60向電路板36延伸。如下文詳細(xì)論述，TEC 40相對(duì)于電路板36的第一表面(在這個(gè)實(shí)例中是頂表面)的高度可由于(例如)TEC 40和/或熱電熱交換器組件14的生產(chǎn)、制造工藝中的容差而變化。例如，TEC 40相對(duì)于電路板36的第一表面的高度可變化0.1至0.3mm。熱擴(kuò)散蓋58的唇部64具有確保唇部64與電路板36之間維持至少預(yù)定最小間隙的高度。如下所述，唇部64與電路板36之間的間隙是用環(huán)氧樹脂或類似附接材料填充從而將熱擴(kuò)散蓋58機(jī)械附接到電路板36。
[0052]在這個(gè)實(shí)施方案中，熱電熱交換器組件14還包括放置于電路板36的第一表面(在這個(gè)實(shí)例中是頂表面)上的絕緣預(yù)制體66。所述絕緣預(yù)制體66由合適熱絕緣材料(如例如塑料)形成。絕緣預(yù)制體66包括孔68，其具有對(duì)應(yīng)于熱擴(kuò)散蓋58的尺寸，以使當(dāng)將絕緣預(yù)制體66放置于電路板36的第一表面上時(shí)，所述熱擴(kuò)散蓋58穿過孔68且絕緣預(yù)制體66與電路板36的第一表面直接接觸。絕緣預(yù)制體54和絕緣預(yù)制體66操作以減少熱側(cè)散熱器20與冷側(cè)散熱器22之間的熱短路和熱泄漏。此外，絕緣預(yù)制體54和絕緣預(yù)制體66呈相對(duì)脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，其改善了熱電熱交換器組件14的堅(jiān)固性。最后，當(dāng)需要再加工或檢修時(shí)可輕易移除絕緣預(yù)制體54和絕緣預(yù)制體66。圖4圖示圖3的熱電熱交換器組件14的折疊視圖。
[0053]雖然不受任何特定優(yōu)點(diǎn)限制，但熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，當(dāng)(例如)將熱電熱交換器組件14附接到熱側(cè)散熱器20和冷側(cè)散熱器22時(shí)，用環(huán)氧樹脂或類似附接材料組合的熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58保護(hù)TEC 40抵抗機(jī)械力。此外，在組裝熱交換器12期間當(dāng)將熱側(cè)散熱器20與冷側(cè)散熱器22螺栓連接在一起時(shí)，可以將大量的力施加于熱電熱交換器組件14。這樣的力一般可壓碎TEC 40。然而，在熱電熱交換器組件14中，力被熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58及熱擴(kuò)散蓋46的唇部52和熱擴(kuò)散蓋58的唇部64與電路板36之間的環(huán)氧樹脂或其它附接材料吸收。按照這個(gè)方式，TEC40受到保護(hù)。
[0054]此外，如下文詳細(xì)論述，熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58支持將熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58與TEC 40之間的界面處的界面熱阻最優(yōu)化。更具體來說，如圖5所示，TEC 40中的兩個(gè)或更多個(gè)的高度可以變化。利用常規(guī)技術(shù)將TEC 40附接到熱側(cè)散熱器20和/或冷側(cè)散熱器22會(huì)導(dǎo)致較矮TEC 40具有未最優(yōu)化的界面熱阻，因?yàn)槟切┹^矮TEC40與相應(yīng)散熱器20、散熱器22之間可存在較大量熱界面材料。相對(duì)地，熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58的結(jié)構(gòu)支持調(diào)整熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58的定向(即，傾斜)以最優(yōu)化熱界面材料(TM) 70、熱界面材料72的厚度，和從而最優(yōu)化基座50、基座62與TEC 40的相應(yīng)表面之間的界面熱阻。
[0055]在這個(gè)實(shí)例中，TEC I具有相對(duì)于電路板36的第一表面的高度00，其比TEC 2相對(duì)于電路板36的第一表面的高度(h2)小。如下文詳細(xì)論述，當(dāng)將熱擴(kuò)散蓋58放置于TEC40上時(shí)，將球點(diǎn)力(即，通過球點(diǎn)施加的力)施加于熱擴(kuò)散蓋58的中心。結(jié)果，熱擴(kuò)散蓋58以最優(yōu)化每個(gè)基座62與相應(yīng)TEC 40之間的熱界面材料72的厚度的定向來安置。
[0056]熱擴(kuò)散蓋58的唇部64的高度(hu)使得對(duì)于TEC 40相對(duì)于電路板36的第一表面的高度來說，在具有預(yù)定容差范圍的高度的任何可能組合(匕與^)下，唇部64與電路板36之間的間隙(G1)大于預(yù)定最小間隙。所述預(yù)定最小間隙為非零值。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，所述預(yù)定最小間隙是環(huán)氧樹脂74填充間隙(G1)同時(shí)維持熱擴(kuò)散蓋58與TEC 40之間的預(yù)定量壓力或力所需的最小間隙。具體來說，唇部64的高度(hu)大于TEC 40相對(duì)于電路板36的第一表面的的最小可能高度加上基座62的高度，加上熱界面材料72的預(yù)定最小高度，加上作為熱擴(kuò)散蓋58的最大可能角(其是TEC 40的最小可能高度和最大可能高度的函數(shù))和唇部64與最近基座62之間的距離的函數(shù)的一些額外值。在這個(gè)實(shí)施方案中，通過調(diào)整熱擴(kuò)散蓋58的定向，盡可能減小熱界面材料72的厚度，從而盡可能減小每個(gè)TEC40的界面熱阻。
[0057]按照類似方式，TEC I具有相對(duì)于電路板36的第二表面的高度(h/ )，其比TEC 2相對(duì)于電路板36的第二表面的高度OV )大。如下文詳細(xì)論述，當(dāng)將熱擴(kuò)散蓋46放置于TEC 40上時(shí)，將球點(diǎn)力(即，通過球點(diǎn)施加的力)施加于熱擴(kuò)散蓋46的中心。結(jié)果，熱擴(kuò)散蓋46以最優(yōu)化每個(gè)基座50與相應(yīng)TEC 40之間的熱界面材料70的厚度的定向來安置。
[0058]熱擴(kuò)散蓋46的唇部52的高度0^2)使得對(duì)于TEC 40相對(duì)于電路板36的第二表面的高度來說，在具有預(yù)定容差范圍的高度的任何可能組合(h/與h2’ )下，唇部52與電路板36之間的間隙(G2)大于預(yù)定最小間隙。所述預(yù)定最小間隙為非零值。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，所述預(yù)定最小間隙是環(huán)氧樹脂76填充間隙(G2)同時(shí)維持熱擴(kuò)散蓋46與TEC 40之間的預(yù)定量壓力或力所需的最小間隙。具體來說，唇部52的高度QiL2)大于TEC 40相對(duì)于電路板36的第二表面的的最小可能高度加上基座50的高度，加上熱界面材料70的預(yù)定最小高度，加上作為熱擴(kuò)散蓋46的最大可能角(其是TEC 40的最小可能高度和最大可能高度的函數(shù))和唇部52與最近基座50之間的距離的函數(shù)的一些額外值。在這個(gè)實(shí)施方案中，通過調(diào)整熱擴(kuò)散蓋46的定向，盡可能減小熱界面材料70的厚度，從而盡可能減小每個(gè)TEC40的界面熱阻。
[0059]在圖5的實(shí)施方案中，基座50和基座62的尺寸稍小于TEC 40的相應(yīng)表面在基座50和基座62與TEC 40的相應(yīng)表面之間的界面處的尺寸。因此，當(dāng)將球點(diǎn)力施加于熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58時(shí)，過量熱界面材料70和熱界面材料72沿基座50和基座62的邊緣移動(dòng)并從而避免TEC 40的支柱熱短路。還應(yīng)指出施加于熱擴(kuò)散蓋46的任何力被唇部52、環(huán)氧樹脂76和電路板36吸收，從而保護(hù)了 TEC40。類似地，施加于熱擴(kuò)散蓋58的任何力被唇部64、環(huán)氧樹脂74和電路板36吸收，從而保護(hù)了 TEC 40。按照這種方式，相比于不具有熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58的相當(dāng)熱交換器組件，可將顯著更大的均勻和不均勻力施加于熱電熱交換器組件14而不破壞TEC 40。
[0060]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制造圖3、圖4和圖5的熱電熱交換器組件14的方法的流程圖。如圖所示，首先將TEC 40附接到電路板36 (步驟1000)。如上所述，將TEC 40附接到電路板36，覆蓋電路板36中的孔38，以使TEC 40的底表面(優(yōu)選是TEC 40的較不關(guān)鍵側(cè)或冷側(cè))經(jīng)由孔38暴露。利用任何合適導(dǎo)電材料(如例如焊料)將TEC 40附接到電路板36。此外，將熱界面材料70、熱界面材料72施用到熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58的基座50、基座62和/或TEC 40的適當(dāng)表面(步驟1002)。例如，可以將熱油脂或熱膠絲網(wǎng)印刷在基座50、基座62的表面上。在一個(gè)實(shí)施方案中，TEC 40的最關(guān)鍵側(cè)(對(duì)于TEC 40來說是TEC 40的熱側(cè))的熱界面材料72是焊料，且TEC 40的較不關(guān)鍵側(cè)(對(duì)于TEC 40來說是冷側(cè))的熱界面材料70是較順從的熱界面材料(例如，熱油脂)。這可以緩解從熱到冷的熱循環(huán)期間來自熱膨脹系數(shù)(CTE)的應(yīng)力(通常見于TEC 40的開/關(guān)循環(huán)期間)。
[0061]然后，將熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58放置于TEC 40上以使基座50、基座62與相應(yīng)TEC 40對(duì)齊(步驟1004)。隨后將球點(diǎn)力施加于熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58的中心以使熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58以最優(yōu)化每個(gè)TEC 40的界面熱阻的定向或傾斜來安置(步驟1006)。更具體來說，通過將球點(diǎn)力施加于熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58的中心，球點(diǎn)力被均勻分布于熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58。結(jié)果，熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58以盡可能減小每個(gè)TEC 40的熱界面材料70、熱界面材料72的厚度的定向來安置。按照這種方式，使所有TEC 40上的界面熱阻最優(yōu)化?？蓪?duì)于特定應(yīng)用最優(yōu)化球點(diǎn)力的大小。更具體來說，球點(diǎn)力的大小可加以選擇以獲得熱界面材料70、熱界面材料72的所需最小厚度，同時(shí)不破壞TEC 40?這種最優(yōu)球點(diǎn)力將視TEC 40的尺寸、用于TEC 40的材料、熱界面材料70、熱界面材料72的所需最小厚度和用于熱界面材料70、熱界面材料72的材料等參數(shù)變化。
[0062]最后，在仍然向熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58施加球點(diǎn)力時(shí)，用環(huán)氧樹脂74、環(huán)氧樹脂76或類似附接材料填充熱擴(kuò)散蓋46的唇部52、熱擴(kuò)散蓋58的唇部64與電路板36的相應(yīng)表面之間的間隙(步驟1008)。環(huán)氧樹脂74、環(huán)氧樹脂76將熱擴(kuò)散蓋46、熱擴(kuò)散蓋58附接到電路板36。注意可對(duì)熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58中的每個(gè)分別實(shí)施步驟1002至步驟1008，或可以對(duì)熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58兩者同時(shí)實(shí)施步驟1002至步驟1008中的一些或所有步驟。在圖6的方法完成后，如果需要，在組裝熱交換器12前或期間如圖3和圖4所示將絕緣預(yù)制體54和絕緣預(yù)制體66直接放置于電路板36的相應(yīng)表面上。注意雖然本文論述集中于具有熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58兩者的熱電熱交換器組件14的實(shí)施方案，然而所述熱電熱交換器組件14可以包括熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58中的僅一個(gè)。然而，使用熱擴(kuò)散蓋46和熱擴(kuò)散蓋58兩者時(shí)提供了完全囊封的密封結(jié)構(gòu)。
[0063]到此為止，論述集中于包括熱電熱交換器組件14的熱交換器12的實(shí)施方案。圖7圖示降低界面熱阻的熱交換器78的另一個(gè)實(shí)施方案。在這個(gè)實(shí)施方案中，熱交換器78包括冷側(cè)散熱器80、熱側(cè)散熱器82和布置于冷側(cè)散熱器80與熱側(cè)散熱器82之間的大量TEC84。如圖所示，TEC 84由于(例如)TEC 84生產(chǎn)工藝中的容差而具有可變高度。TEC 84的熱側(cè)經(jīng)由熱界面材料86熱學(xué)且機(jī)械耦接到熱側(cè)散熱器82，且TEC 84的冷側(cè)經(jīng)由熱界面材料88熱學(xué)且機(jī)械耦接到冷側(cè)散熱器80。TEC 84的熱側(cè)消散被TEC 84的冷側(cè)排斥的熱和由TEC84本身產(chǎn)生的熱(即，由于TEC 84的能量消耗而產(chǎn)生的熱)。因此，將TEC 84的熱側(cè)稱為TEC 84的關(guān)鍵側(cè)。注意，然而對(duì)于熱電裝置的其它應(yīng)用來說，關(guān)鍵側(cè)可以是熱電裝置的冷側(cè)。
[0064]在這個(gè)實(shí)施方案中，TEC 84的熱側(cè)(即，TEC 84的關(guān)鍵側(cè))附接到熱側(cè)散熱器82以使在每個(gè)TEC 84與熱側(cè)散熱器82之間獲得熱界面材料86的最小厚度。按照這種方式，將每個(gè)個(gè)別TEC 84與熱側(cè)散熱器82之間的界面熱阻降至最低。所述熱界面材料86可以是任何合適熱界面材料，如(例如)熱油脂或熱膠、焊料、導(dǎo)熱墊或類似材料。另外，熱側(cè)散熱器82 (或TEC 84與熱側(cè)散熱器82之間的熱擴(kuò)散器)可以包括將TEC 84固定于原位的特征件。在一個(gè)實(shí)施方案中，在TEC 84附接到熱側(cè)散熱器82期間暴露TEC 84的冷側(cè)，并因此可向每個(gè)TEC 84單獨(dú)施加力，導(dǎo)致TEC 84的熱側(cè)與熱側(cè)散熱器82之間具有一致最小粘結(jié)層或熱界面材料厚度，所述厚度僅取決于熱側(cè)散熱器82的表面的平整度、TEC 84的熱側(cè)的平整度和熱界面材料86的材料性質(zhì)。
[0065]在冷側(cè)(即，較不關(guān)鍵側(cè))上，熱界面材料88的粘結(jié)層或厚度是所有上述參數(shù)以及TEC 84的厚度差的函數(shù)。因此，如圖所示，對(duì)于較矮TEC 84來說，熱界面材料88的厚度將大于較高TEC 84。在一個(gè)實(shí)施方案中，熱界面材料88具有比熱界面材料86高的熱導(dǎo)率以使較大厚度的熱界面材料88相對(duì)于至少一些TEC 84至少部分偏離。
[0066]TEC與散熱器之間的熱界面材料的厚度優(yōu)選盡可能薄以盡可能減小界面熱阻?？赏ㄟ^確保散熱器相對(duì)于TEC不傾斜而至少部分實(shí)現(xiàn)TEC與散熱器之間的熱界面材料的厚度的最小化。在大得多的散熱器之間布置小TEC可帶來機(jī)械挑戰(zhàn)。通常，這需要精細(xì)且可能昂貴的機(jī)械結(jié)構(gòu)以確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的平行表面承受充足的力從而獲得最小熱界面材料厚度。
[0067]有鑒于此，圖8圖示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案盡可能減小TEC與相應(yīng)散熱器之間的界面熱阻的熱交換器90。在這個(gè)實(shí)施方案中，熱交換器90包括冷側(cè)散熱器92、熱側(cè)散熱器94和布置于冷側(cè)散熱器92與熱側(cè)散熱器94之間的TEC 96。熱交換器90還包括提供所需平整性和熱擴(kuò)散的分離基座98。注意在(例如)冷側(cè)散熱器92與熱側(cè)散熱器94之間的絕緣厚度大于TEC 96的厚度的應(yīng)用中需要基座98。如圖所示，TEC 96的熱側(cè)經(jīng)由熱界面材料100熱學(xué)且機(jī)械耦接到熱側(cè)散熱器94，TEC 96的冷側(cè)經(jīng)由熱界面材料102熱學(xué)且機(jī)械耦接到基座98，且基座98經(jīng)由熱界面材料104熱學(xué)且機(jī)械耦接到冷側(cè)散熱器92。熱界面材料100、熱界面材料102和熱界面材料104可以是任何合適熱界面材料。另外，熱界面材料100、熱界面材料102和熱界面材料104可以是相同熱界面材料，或熱界面材料100、熱界面材料102和熱界面材料104中的一些或所有可以是不同的熱界面材料。
[0068]因?yàn)樵赥EC 96的熱側(cè)排斥較多能量，所以基座98優(yōu)選如圖所示在TEC 96與冷側(cè)散熱器92之間。TEC 96的橫截面積較冷側(cè)散熱器92要更接近基座98的橫截面積，進(jìn)而使得更容易實(shí)現(xiàn)平行化(例如，基座98比組合的散熱器與基座更易于操作并因此可更容易、準(zhǔn)確且精確地放置以獲得所需平整性)?；?8可以使得與TEC 96熱接觸的基座98的表面比與冷側(cè)散熱器92熱接觸的基座98的表面小。因此，基座98與冷側(cè)散熱器92之間的熱界面由于其較大尺寸而具有較低界面熱阻。作為實(shí)例，基座98可以呈倒置截頭錐形(例如圓錐或棱錐)的形狀。另外，基座98可由任何合適高傳導(dǎo)性材料形成。例如，基座98可由銅形成，且冷側(cè)散熱器92可由鋁形成。結(jié)果，基座98由于形狀和材料的原因而存在熱擴(kuò)散?；?8和基座98與TEC 96和冷側(cè)散熱器92之間的界面可加以最優(yōu)化以改進(jìn)熱擴(kuò)散。在一個(gè)實(shí)施方案中，基座98在與TEC 96的界面處的尺寸與TEC 96的尺寸相同或大體相同，且基座98在與冷側(cè)散熱器92的界面處的尺寸較大。
[0069]本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到對(duì)本公開的優(yōu)選實(shí)施方案所作出的改進(jìn)和修改。所有這些改進(jìn)和修改被認(rèn)為屬于本文公開的概念和隨后權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種熱電熱交換器組件，其包括: 電路板； 多個(gè)熱電裝置，其附接到所述電路板，其中所述多個(gè)熱電裝置中的兩個(gè)或更多個(gè)具有相對(duì)于所述電路板的不同高度； 熱擴(kuò)散蓋，其在所述多個(gè)熱電裝置上；和 熱界面材料，其在所述多個(gè)熱電裝置與所述熱擴(kuò)散蓋之間； 其中所述熱擴(kuò)散蓋的定向使得所述熱界面材料的厚度對(duì)于所述多個(gè)熱電裝置最優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電熱交換器組件，其中: 所述多個(gè)熱電裝置附接到所述電路板的第一表面； 所述多個(gè)熱電裝置中的兩個(gè)或更多個(gè)具有相對(duì)于所述電路板的所述第一表面的不同高度； 所述熱擴(kuò)散蓋在與所述電路板的所述第一表面相對(duì)的所述多個(gè)熱電裝置的所述第一表面上；且 所述熱界面材料在所述多個(gè)熱電裝置的所述第一表面與所述熱擴(kuò)散蓋之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電熱交換器，其還包括: 第二熱擴(kuò)散蓋，其在通過穿過所述電路板的一個(gè)或多個(gè)孔在所述電路板的第二表面暴露的所述多個(gè)熱電裝置的第二表面上；和 第二熱界面材料，其在所述多個(gè)熱電裝置與所述第二熱擴(kuò)散蓋之間； 其中所述第二熱擴(kuò)散蓋的定向使得所述第二熱界面材料的厚度對(duì)于所述多個(gè)熱電裝置最優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱擴(kuò)散蓋包括: 主體-M 等高度的多個(gè)基座，其從所述主體向所述多個(gè)熱電裝置的所述第一表面延伸以使所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)齊； 其中所述熱界面材料在所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座的表面與所述多個(gè)熱電裝置中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)的所述第一表面之間，且所述熱擴(kuò)散蓋的所述定向使得所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)的所述第一表面之間的所述熱界面材料的厚度對(duì)于所述多個(gè)熱電裝置最優(yōu)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱界面材料是由下列各項(xiàng)所組成的群組中的一個(gè):焊料和熱油脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電熱交換器組件，其中所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座均是平行六面體，其具有相對(duì)于所述基座的所述表面向外傾斜的邊緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電熱交換器組件，其中所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座均是截頭錐體，其具有相對(duì)于所述基座的所述表面向外傾斜的邊緣。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電熱交換器組件，其中所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座的表面積在且在包括比所述多個(gè)熱電裝置中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)的表面積小I至10百分比的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱擴(kuò)散蓋還包括從所述熱擴(kuò)散蓋的所述主體圍繞所述熱擴(kuò)散蓋的周邊延伸的唇部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電熱交換器組件，其中所述唇部相對(duì)于所述熱擴(kuò)散蓋的所述主體的高度使得對(duì)于在預(yù)定容差范圍內(nèi)的所述多個(gè)熱電裝置的任何高度組合來說，所述熱擴(kuò)散蓋的所述唇部與所述電路板的所述第一表面之間維持至少預(yù)定最小間隙，其中所述至少預(yù)定最小間隙大于零。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電熱交換器組件，其還包括附接材料，所述附接材料填充在所述熱擴(kuò)散蓋的所述唇部與所述電路板的所述第一表面之間，圍繞所述熱擴(kuò)散蓋的所述周邊的所述至少預(yù)定最小間隙。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱擴(kuò)散蓋的所述唇部和所述附接材料吸收施加于所述熱擴(kuò)散蓋的力以保護(hù)所述多個(gè)熱電裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電熱交換器組件，其中所述附接材料是環(huán)氧樹脂。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電熱交換器組件，其還包括具有孔的熱絕緣預(yù)制體，所述孔具有對(duì)應(yīng)于所述熱擴(kuò)散蓋的尺寸的尺寸，所述熱絕緣預(yù)制體被放置于所述電路板上以使所述熱擴(kuò)散蓋穿過所述熱絕緣預(yù)制體中的所述孔。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電熱交換器組件，其中: 所述多個(gè)熱電裝置附接到所述電路板的第一表面； 所述熱擴(kuò)散蓋在通過穿過所述電路板的一個(gè)或多個(gè)孔在所述電路板的第二表面暴露的所述多個(gè)熱電裝置的表面上； 所述多個(gè)熱電裝置中的所述兩個(gè)或更多個(gè)具有相對(duì)于所述電路板的所述第二表面的不同高度；且 所述熱界面材料在所述多個(gè)熱電裝置的所述表面與所述熱擴(kuò)散蓋之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱擴(kuò)散蓋包括: 主體-M 等高度的多個(gè)基座，其從所述主體向所述多個(gè)熱電裝置的所述表面延伸以使所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)齊； 其中所述熱界面材料在所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)的表面之間，且所述熱擴(kuò)散蓋的所述定向使得所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)的所述表面之間的所述熱界面材料的厚度對(duì)于所述多個(gè)熱電裝置最優(yōu)化。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱界面材料是由下列各項(xiàng)所組成的群組中的一個(gè):焊料和熱油脂。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電熱交換器組件，其中所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座均是平行六面體，其具有相對(duì)于所述基座的表面向外傾斜的邊緣。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電熱交換器組件，其中所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座均是截頭錐體，其具有相對(duì)于所述基座的表面向外傾斜的邊緣。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電熱交換器組件，其中所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座的表面積在且在包括比所述多個(gè)熱電裝置中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)的表面積小I至10百分比的范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱擴(kuò)散蓋還包括從所述熱擴(kuò)散蓋的所述主體圍繞所述熱擴(kuò)散蓋的周邊延伸的唇部。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱電熱交換器組件，其中所述唇部相對(duì)于所述熱擴(kuò)散蓋的所述主體的高度使得對(duì)于在預(yù)定容差范圍內(nèi)的所述多個(gè)熱電裝置的任何高度組合來說，所述熱擴(kuò)散蓋的所述唇部與所述電路板的所述第二表面之間維持至少預(yù)定最小間隙，其中所述至少預(yù)定最小間隙大于零。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱電熱交換器組件，其還包括附接材料，所述附接材料填充在所述熱擴(kuò)散蓋的所述唇部與所述電路板的所述第二表面之間，圍繞所述熱擴(kuò)散蓋的所述周邊的所述至少預(yù)定最小間隙。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電熱交換器組件，其中所述熱擴(kuò)散蓋的所述唇部和所述附接材料吸收施加于所述熱擴(kuò)散蓋的力以保護(hù)所述多個(gè)熱電裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電熱交換器組件，其中所述附接材料是環(huán)氧樹脂。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電熱交換器組件，其還包括具有孔的熱絕緣預(yù)制體，所述孔具有對(duì)應(yīng)于所述熱擴(kuò)散蓋的尺寸的尺寸，所述熱絕緣預(yù)制體被放置于所述電路板上以使所述熱擴(kuò)散蓋穿過所述熱絕緣預(yù)制體中的所述孔。
27.—種制造熱電熱交換器組件的方法，其包括: 將多個(gè)熱電裝置附接到電路板，其中所述多個(gè)熱電裝置中的兩個(gè)或更多個(gè)具有相對(duì)于所述電路板的不同高度； 將熱界面材料施用于由下列各項(xiàng)所組成的群組中的至少一個(gè):所述多個(gè)熱電裝置和熱擴(kuò)散蓋； 將所述熱擴(kuò)散蓋放置在所述多個(gè)熱電裝置上；且 將球點(diǎn)力施加于所述熱擴(kuò)散蓋以使，在所述球點(diǎn)力下，所述熱擴(kuò)散蓋以所述熱界面材料的厚度對(duì)于所述多個(gè)熱電裝置最優(yōu)化的定向來安置。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其還包括，在仍然向所述熱擴(kuò)散蓋施加球點(diǎn)力時(shí)，用附接材料填充所述熱擴(kuò)散蓋的唇部與所述電路板之間的間隙從而將所述熱擴(kuò)散蓋附接到所述電路板。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述熱擴(kuò)散蓋包括主體和等高度的多個(gè)基座，所述基座從所述主體向所述多個(gè)熱電裝置的表面延伸以使所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)齊，且: 施用所述熱界面材料包括將所述熱界面材料施用到由下列各項(xiàng)所組成的群組中的至少一個(gè):所述多個(gè)熱電裝置和所述熱擴(kuò)散蓋的所述多個(gè)基座； 放置所述熱擴(kuò)散蓋包括放置所述熱擴(kuò)散蓋以使所述熱擴(kuò)散蓋的所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)齊；且 施加所述球點(diǎn)力包括將所述球點(diǎn)力施加于所述熱擴(kuò)散蓋以使所述熱擴(kuò)散蓋以所述多個(gè)基座中的每個(gè)基座與所述多個(gè)熱電裝置中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)之間的所述熱界面材料的厚度對(duì)于所述多個(gè)熱電裝置最優(yōu)化的定向來安置。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述熱擴(kuò)散蓋還包括從所述熱擴(kuò)散蓋的所述主體圍繞所述熱擴(kuò)散蓋的周邊延伸的唇部，且所述唇部相對(duì)于所述熱擴(kuò)散蓋的所述主體的高度使得對(duì)于在預(yù)定容差范圍內(nèi)的所述多個(gè)熱電裝置的任何高度組合來說，所述熱擴(kuò)散蓋的所述唇部與所述電路板之間維持至少預(yù)定最小間隙，其中所述預(yù)定最小間隙大于零。
【文檔編號(hào)】H05K1/02GK104509220SQ201380029824
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月7日
【發(fā)明者】S. 朱恩 M., J. 瑟里恩 R., 亞達(dá)夫 A., W. 愛德華茲 J. 申請(qǐng)人:弗諾尼克設(shè)備公司