用于冷却腔室和表面的增强的热传送系统的制作方法
【专利说明】用于冷却腔室和表面的増强的热传送系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2013年9月16日提交的美国临时专利申请号61/878，156以及于2014年7月21日提交的美国临时专利申请号62/027，071的权益。上述申请的公开内容均在此以引用的方式各自整体并入本文。
[0003]本公开的
技术领域
[0004]本公开总体涉及用于去除并消散来自腔室和/或表面的热量的冷却系统，包括利用热电冷却元件的冷却系统和致冷系统。
[0005]背景
[0006]致冷方法涉及从有待冷却的腔室或表面移开热量，并且在高于周围介质(例如，空气)的温度下排出所述热量。基于蒸汽压缩的冷却系统具有高效能系数(COP)并且通常用于冷却腔室和表面。常规基于蒸汽压缩的致冷系统利用恒温调节的工作循环控制。典型地此类系统的动力不足以满足稳态和瞬态需求两者(如在降温或恢复期间)，并且因此包括远超稳态操作期间所要求的散热需求的过度冷却能力。过度冷却能力允许提高的降温性能，但是由于常规蒸汽压缩系统的控制、热力学极限、以及产品性能需求的本质，常规蒸汽压缩系统效率达不到最优。过度冷却能力还在启动期间需要巨大的电流浪涌并且要求更昂贵的电子部件。
[0007]基于蒸汽压缩的致冷系统的次最优效率涉及对精确地控制冷却室内的温度的此类系统的需要。典型地，当冷却室内的温度超过给定值时，基于蒸汽压缩的致冷系统被启动并且继续运行直到冷却室中的温度低于规定值一在此时基于蒸汽压缩的系统被关闭。此类控制方案典型地具有相对大的控制带和相对大的内部温度分层，以试图最小化能量消耗并且允许在变化的周围条件下操作。这一控制方案是最常利用的，因为利用蒸汽压缩循环很难实现节流或容量变化并且实现起来是昂贵的，并且节流或容量差异随着容积效率下降而提供有限的功效。
[0008]基于蒸汽压缩的系统还经常使用基于含氯氟烃(CFC)的致冷剂，然而，基于CFC的致冷剂的使用造成环境威胁，因为此类化合物的排放可导致地球臭氧层的耗尽。
[0009]热电冷却系统表示相对于蒸汽压缩系统的环境友好型替代方案，因为它们不要求基于CFC的致冷剂。热电冷却器(又称热电热栗)响应于电流的施加而横过其表面产生温差。热量可从有待冷却的表面或腔室接受，并且可被传送(例如，通过一系列传送管)至排热器以便消散到周围介质如空气中。热电冷却系统可包括被动排热子系统，如热虹吸管或热管，这免除了强制传送加压冷却剂穿过排热器的需要。至于所有致冷系统，横过热电热栗的温差越小，热栗在传送热量上越有效。然而尽管热电冷却系统具有环境效益，但此类系统具有典型地小于蒸汽压缩系统的一半的COP值。增强热电冷却系统的COP并且使得它们能够在很宽的周围温度条件范围内使用对于促进此类系统的采用增加是有益的。
[0010]概述
[0011]本公开的实施方案涉及能够在增加的周围温度条件范围内实现更大的效率和/或使用率的热传送系统(包括热电冷却系统)，比如可用于冷却腔室和/或表面。
[0012]在根据本公开的某些实施方案中，至少一个强制对流单元与被动热传送系统一起利用(例如，使用热虹吸管或热管)以用于维持腔室或表面的设定点温度或设定点温度范围，其中所述至少一个强制对流单元在高热量负载(例如，瞬态条件)和/或高温排出条件阶段期间操作，但是在正常(例如，稳态)条件期间当被动热传送足以使得热量从有待冷却的表面或腔室接受和/或足以使得热量被排出到周围环境时不操作。所述至少一个强制对流单元被选择性操作来相对于与热传送流体处于热连通的至少一个热交换器增强或促进对流热传送。至少一个强制对流单元可邻近至少一个热交换器被布置在热传送系统的接受侧和/或排出侧。控制器接收指示以下各项中的至少一个的温度数据:(i)包含热传送系统的周围环境的温度；以及(ii)有待冷却的腔室或表面的温度。一旦检测到指示以下状态中的至少一个的条件，控制器就启动至少一个强制对流单元:腔室或表面的温度超过包括设定点温度或设定点温度范围的稳态温度范围；和/或周围环境的温度超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。一旦检测到指示以下状态中的至少一个的条件，控制器就停用至少一个强制对流单元:腔室或表面的温度在稳态温度范围内；和/或周围环境的温度低于周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。
[0013]在根据本公开的某些实施方案中，热传送设备包括多个排热器，所述多个排热器被布置成通过主要和交叉排出传送管与多个热交换器处于热连通，所述多个热交换器各自具有多个翅片并且各自联接至至少一个不同的热电热栗。所有排热器被布置成从每个热电热栗消散热量，而不管热电热栗是否单独操作或一起操作。与致力于分开热交换器的排热器(各自具有专用热电冷却器)相比，与多个排热器相关联的更大表面积增强了传热并且导致操作中的热电热栗处的更低温度。提供了多个排出传送管，所述排出传送管包括:至少一个第一主排出传送管，所述第一主排出传送管被布置来将来自第一排热交换器的热量传送至第一排热器;至少一个第一交叉排出传送管，所述第一交叉排出传送管被布置来将来自第一排热交换器的热量传送至第二排热器;至少一个第二主排出传送管，所述第二主排出传送管被布置来将来自第二排热交换器的热量传送至第二排热器；以及至少一个第二交叉排出传送管，所述第二交叉排出传送管被布置来将来自第二排热交换器的热量传送至第一排热器。
[0014]在某些实施方案中，可结合本文所公开的任何方面或特征来形成另外的优点。如本文所公开的任何不同特征和元件可与一个或多个其他公开的特征和元件结合，除非本文表明有相反的意思。
[0015]本领域的技术人员在结合附图阅读以下优选实施方案的详细描述之后，将理解本公开的范围并且认识到本公开的另外方面。
[0016]附图简述
[0017]并入且形成本说明书一部分的附图示出本公开的若干方面，并且连同描述内容一起用来解释本公开的原理。
[0018]图1是示出了热电冷却器(TEC)的冷却能力(Q)和冷却效率(COP)作为供给TEC的输入电流的函数的线图。
[0019]图2示出包括布置在互连板上的多个TEC的热电盘盒，所述热电盘盒使得能够选择性控制TEC的不同子集。
[0020]图3是热电致冷系统的透视示意图，所述热电致冷系统包括:冷却室;热交换器，所述热交换器包括盘盒(如图2的盘盒)，所述盘盒包括设置在冷侧散热器与热侧散热器之间的多个TEC;以及控制器，所述控制器控制TEC以维持冷却室内的设定点温度。
[0021]图4是根据本公开的一个实施方案的热传送系统的至少一部分的透视图，所述热传送系统包括可选择性操作的强制对流单元，所述强制对流单元被布置来增强与包含流体的环处于热连通的热交换器的冷却。
[0022]图5是根据本公开的一个实施方案的热传送系统的至少一部分的透视图，所述热传送系统包括可选择性操作的强制对流单元，所述强制对流单元被布置来增强与热交换器处于热连通的包含流体的翅式散热器的冷却。
[0023]图6是根据本公开的一个实施方案的热电冷却或致冷系统的俯视平面示意图，所述热电冷却或致冷系统包括:冷却室;第一强制对流单元，所述第一强制对流单元被布置来增强热量至冷却室内的冷侧散热器的传送;合并TEC的热电热交换组件；以及第二强制对流单元，所述第二强制对流单元用来增强热量从热侧散热器的消散。
[0024]图7是示出根据本公开的一个实施方案的热电冷却或致冷系统(如图6的系统)的电源、传感器、控件、以及用户界面部件之间的互连的示意图。
[0025]图8是示出图7中所描绘的热电冷却系统的控制器的操作模式的示意图。
[0026]图9是示出了热电冷却系统在风扇协助模式下(具有强制对流)和在被动模式下(没有强制对流)操作所处的条件的水平条形图。
[0027]图10是适合用于同热电冷却或致冷系统的第一TEC和第二 TEC—起使用的第一热传送装置和第二热传送装置的前正视图，所述第一热传送装置和第二热传送装置各自包括散热器、热交换衬垫和热传送管道，从而为比较包括连接的散热器的热传送设备和根据图11-12的交叉热交换管道提供基础。
[0028]图11是根据本公开的一个实施方案的适合用于同热电冷却或致冷系统的第一TEC和第二TEC(或热电热栗)一起使用的热传送设备的前正视图，所述热传送设备包括具有交叉热交换管道和热交换衬垫的连接的第一散热器和第二散热器。
[0029]图12是图11的热传送设备的透视图。
[0030]图13是根据本公开的一个实施方案的并且适合同图15-16中所描绘的热电致冷单元一起使用的热接受设备的流体管道和热交换衬垫的透视图。
[0031]图14是示出了图13的热接受设备的热交换块的内部元件的透视图。
[0032]图15是根据本公开的一个实施方案的热电致冷单元、具有交叉热交换管道的第一和第二热侧散热器、冷却风扇、以及被布置来套在散热器和冷却风扇上的盖子的透视组装视图。
[0033]图16是图15中所描绘的组装的热电致冷单元的透视图。
[0034]详述
[0035]下文阐明的实施方案代表使得本领域的技术人员能够实践实施方案的必需信息，并且示出实践实施方案的最佳模式。在根据附图来阅读以下描述之后，本领域的技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到在本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求书的范围内。
[0036]将理解，尽管在本文中可能使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语只用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
[0037]本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且不意图限制本公开。除非上下文明确地指出，否则本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”意欲同样包括复数形式。还将理解，术语“包括(comprises)”、“包括了 (comprising)，，、“包含(includes)”和/或“包含了(including)”在本文中使用时指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。
[0038]除非另外限定，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有如本公开所属领域的普通技术人员之一通常理解的相同含义。还将理解，本文所使用的术语应该被解释为与它们在本说明书的上下文和相关技术领域中的相一致的意思，并且将不会被解释为理想化或过分正式的意义，除非本文明确定义。
[0039]简要讨论冷却能力和效率对比供应给TEC(还可叫做热电热栗)的输入电流对于提供本公开的上下文和协助理解可能是有益的。图1是示出了 TEC的冷却能力(Q)和冷却效率(由效能系数(COP)表示)对供应给TEC的输入电流的线图。随着TEC的输入电流(I)增加，TEC的冷却能力也提高。冷却能力(Q)曲线上表示被TEC移除的最多热量的点指代Qmax。因此，当TEC在Qmax下操作时，TEC可能移除最大量的热量。当给TEC提供相应的最大电流Imax时，TEC在Qmax下操作。图1还示出了TEC的⑶P与输入电流(I)的函数。对于冷却应用来说，TEC的COP是所移除的热量与提供给TEC的用来移除热量的功量(能量)输入的比率。TEC的COP被最大化时的热量或容量(Q)指代为Qoipmax。当给TEC提供电流ICQPmax时，TEC在QCQPmax下操作。因此，当给TEC提供电流ICQPmax以使得TEC在QCQPmax下操作时，TEC的效率(或COP)被最大化。
[0040]如下文详细讨论，在优选实施方案中，控制器被布置来控制TEC(例如，在一个或多个盘盒内)使得在稳态操作期间，TEC中的一个或多个被启动并且在QCQPmax下操作，并且剩余TEC被停用来最大化效率。被启动的TEC的数量、并且相反地被停用的TEC的数量根据需要来规定。相反地，在瞬态条件如降温或恢复期间，一个或多个(并且可能地所有)TEC根据所需性能概况来启动并操作。所需性能概况的一个实例涉及在Qmax下启动并操作所有当前TEC以最小化降温或恢复时间。然而，另一个所需性能概况可替代性地在降温或恢复时间与效率之间提供折衷，在这种情况下，例如，所有当前TEC被启动并且在Qrapmax与Qmax之间的一点下操作。要认识到，TEC的控制并不限于前述说明性实例。
[0041 ] 在某些实