專利名稱：用于熱電應(yīng)用的換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001
本發(fā)明一般涉及泡沫換熱器，更具體地，涉及一種使用
泡沫換熱器來增強(qiáng)熱電系統(tǒng)中傳熱的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
0002
使用換熱器來散出功率電子應(yīng)用中的熱量是公知的。換 熱器或熱沉通常是金屬散熱部件，其被設(shè)計(jì)為通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射 散掉來自功率電子元件特別是功率晶體管模塊的熱量。沒有換熱器的功
率電子元件的性能和可靠性將會(huì)降低。
0003
換熱器經(jīng)常被構(gòu)造成每單位體積擁有最大數(shù)目的翼片， 該翼片以垂直于被加熱表面的方向輻射。在特定需求的應(yīng)用下，換熱器 使用強(qiáng)制對(duì)流將熱量散出到經(jīng)由該換熱器的冷卻液，以增加該交換器的 熱量排放。用于排放熱量的更具效率的裝置使用了泡沫，更具體地是具 有更有效傳熱表面積的金屬泡沫。金屬泡沫最近被使用在功率電子應(yīng)用 中來散出熱量；然而，它們并未用于熱電系統(tǒng)。
0004
因此，存在對(duì)于泡沫換熱器的需求，該泡沫換熱器與熱 電元件一起使用以構(gòu)建用于多個(gè)加熱和冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)，以降低在這些 系統(tǒng)中的能耗并增加熱量泵送能力。

發(fā)明內(nèi)容
0005
本發(fā)明的 一 個(gè)目的在于提供使用泡沫換熱器的熱電加
熱和冷卻系統(tǒng)。
0006
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供使用金屬泡沫換熱器的 熱電力o熱和冷卻系統(tǒng)。
0007
本發(fā)明的另 一 個(gè)目的在于提供使用泡沫換熱器來散出 熱量的熱電加熱和冷卻系統(tǒng)。
0008
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供具有熱電元件的熱電加 熱和冷卻系統(tǒng)，其使用泡沫換熱器來降低熱電元件的能耗。
0009
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供具有熱電元件的熱電加熱和冷卻系統(tǒng)，其使用泡沫換熱器來增加熱電元件的熱量泵送能力。
0010
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種使用泡沫換熱器來
增強(qiáng)熱電元件傳熱的方法。
0011
一種用于增強(qiáng)熱電熱量泵送系統(tǒng)效率的系統(tǒng)，包括熱電
元件的陣列，其具有所述陣列的第 一表面處的溫度和所述陣列與所述第 一表面相對(duì)的第二表面處的溫度，并且還提供了被定位成鄰近第一表面 和第二表面之一的至少一個(gè)泡沫換熱器。流過所述至少一個(gè)泡沫換熱器 的流體降低了所述陣列第 一 表面處的溫度和所述陣列第二表面處的溫
度之間的差值，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的效率。
0012
提供了一種用于增強(qiáng)熱電系統(tǒng)效率的方法，該熱電系統(tǒng) 具有熱電陣列，該熱電陣列具有 一 系列電串聯(lián)排列的熱電耦的熱電陣 列。該方法提供了鄰近所述熱電陣列的第一表面的第一泡沫換熱器和 鄰近與第一表面相對(duì)的所述熱電陣列的第二表面的第二泡沫換熱器；產(chǎn) 生熱陣列第一表面處的溫度和所述陣列第二表面處的溫度，陣列第二表 面處的溫度不同于陣列第 一表面處的溫度；其中流過第 一泡沫換熱器和 第二泡沫換熱器的流體降低了第 一表面和第二表面之間的溫度差，從而 增強(qiáng)了熱電系統(tǒng)的效率。


0013
圖1圖解說明了本發(fā)明的具有泡沫換熱器的熱電系統(tǒng)；0014
圖2顯示了一個(gè)表，在該表中比較了用于本發(fā)明熱電系
統(tǒng)的不同泡沫的傳熱系數(shù)以及相比于傳統(tǒng)換熱器的重量節(jié)約。
0015
圖3圖解說明了用在加熱^^莫式中并使用本發(fā)明中泡沫
換熱器的熱電系統(tǒng)。
0016
圖4圖解說明了一曲線，其示出了在換熱器的傳熱系數(shù)
增高時(shí)熱電系統(tǒng)增高的性能系數(shù)。
0017
圖5圖解說明了示于圖3的本發(fā)明的泡沫換熱器；以及0018
圖6圖解說明了根據(jù)本發(fā)明中換熱器的第二實(shí)施例的
泡沫換熱器。
具體實(shí)施例方式
0019
參考圖1,示出了帶有熱電元件15的熱電系統(tǒng)10。熱電元件15由電串聯(lián)排列的PN對(duì)或PN耦20組成。電連接器25提供了 在相鄰PN耦20之間的以及到電源(未示出)的連接。襯底30和35是 陶瓷襯底，提供了系統(tǒng)10的絕緣。襯底30和35機(jī)械地將系統(tǒng)IO支撐 在一起并且使PN耦20電絕緣。襯底30具有與泡沫換熱器45相接觸的 表面40。類似地，襯底35具有與泡沫換熱器55相接觸的表面50。風(fēng) 扇60和65 ;故用來使流體分別穿過換熱器45和55。盡管風(fēng)扇60和65 被示為使空氣分別穿過換熱器45和55,但用于移動(dòng)其他類型流體的其 他類型的才幾構(gòu)也可^d吏用。表面40和50分別對(duì)于換熱器45和55可以 是完整的，并形成了連接熱電陣列的表面30和35的基座。
0020
在圖1中，泡沫換熱器45和55緊鄰襯底30和35放置， 以使來自熱電元件15的表面70和75的傳熱最大化。泡沫換熱器45和 55分別提供了來自表面70和75的增強(qiáng)的傳熱面積。
0021
泡沫換熱器45和55由諸如鋁、銅或石墨的高傳導(dǎo)材料 制成。由這些材料制成的交換器不僅是高傳導(dǎo)的，并且由于它們被制成 泡沫，因此具有^[艮高的孔隙率和表面積，進(jìn)一步增強(qiáng)了它們的傳熱能力。 用于熱電應(yīng)用的傳統(tǒng)換熱器具有翼片，以散出熱量。與泡沫換熱器相比 較，帶有翼片的換熱器具有非常有限的表面積。此外，與本發(fā)明的泡沫 換熱器45和55相比，傳統(tǒng)的換熱器相對(duì)更重。當(dāng)同時(shí)使用微小和巨大 的加熱和冷卻熱電系統(tǒng)時(shí)，降低換熱器重量和/或體積并增加換熱器的傳
熱能力是需要重點(diǎn)關(guān)注的。
0022
參考圖2中的表1，示出了傳統(tǒng)熱沉相比于具有不同孔 隙率的三種泡沫換熱器的傳熱系數(shù)、最大溫度以及重量節(jié)省。與具有孔 隙率10PPI (每英寸的孔)的泡沫A相比，泡沫A的傳熱系數(shù)超過了傳 統(tǒng)熱沉傳熱系數(shù)的87倍以上。通過將泡沫換熱器的孔隙率增加一倍至 20 PPI，泡沫B的傳熱系數(shù)增加到傳統(tǒng)熱沉傳熱系數(shù)的130倍。通過將 泡沫換熱器的孔隙率再增加一倍至40PPI，泡沫C的傳熱系數(shù)增加到傳 統(tǒng)熱沉傳熱系數(shù)的188倍。不僅在傳熱能力上有巨大的增加，并且泡沫 換熱器的重量節(jié)省也是重大的。使用這些交換器的巨大重量節(jié)省降低了 熱電制冷或加熱系統(tǒng)的總重。此外，通過降低系統(tǒng)的最高溫度，跨過熱 電陣列的總溫度差也被極大降低。熱電系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)被定義 為加熱或冷卻能力除以所消耗的功率。COP與跨過陣列的最高溫度差成 反比。0023
參考圖3，顯示了具有熱電系統(tǒng)90的本發(fā)明的笫一實(shí) 施例，該熱電系統(tǒng)90使用配置為加熱才莫式的泡沫換熱器95和100。來 自電源105的直流電壓3爭(zhēng)過熱電元件120施加，并且電流110沿所示方 向流動(dòng)。熱電元件120的對(duì)115 ( P和N對(duì))吸收來自表面125的熱量， 并將熱量釋放到位于部件120相對(duì)的表面130。熱能#:吸收處的表面125 變冷，而熱能被釋放處的相對(duì)的表面130變熱。被稱為珀耳帖效應(yīng)的"熱 量泵送"現(xiàn)象在熱電制冷或加熱中經(jīng)常被使用。在該實(shí)施例中，風(fēng)扇135 使空氣穿過吸收熱量的換熱器100,然后換熱器IOO被冷卻。風(fēng)扇140 使空氣穿過換熱器95,以將來自被加熱表面130的熱量傳走。用在這一 配置中的電源105可以是電池、燃料電池或其他類似的提供電流的部件。 通過反轉(zhuǎn)直流電源105的極性，熱電系統(tǒng)90可祐:從加熱才莫式轉(zhuǎn)換為冷 卻模式。
0024
與傳統(tǒng)熱沉相比，泡沫換熱器95和100分別提供了跨 過表面30和125的巨大的傳熱能力，以增加系統(tǒng)90的效率。由于具 有高傳熱系數(shù)的泡沫換熱器95和100，因此獲得了熱電元件120的相對(duì) 表面之間的較低的溫度差。該較低的溫度差消耗較少的能量從而提升了 整個(gè)系統(tǒng)90的性能。因此，整個(gè)系統(tǒng)，不論其被配置為加熱系統(tǒng)或冷 卻系統(tǒng)，都具有非常高的性能。
0025
圖4顯示了使用泡沫換熱器的典型熱電系統(tǒng)的系統(tǒng)性 能和傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。性能系數(shù)被定義為加熱或冷卻能力除以系統(tǒng) 所消耗的功率。
0026
參考圖5，示出了第二配置的泡沫換熱器系統(tǒng)150。泡 沫換熱器系統(tǒng)150具有熱電陣列155,該熱電陣列155具有一系列電串 聯(lián)排列的熱耦160。熱電部件陣列155具有表面165和170。系統(tǒng)150 被排列為具有單獨(dú)的、從表面170排出熱量的泡沫換熱器175?；趹?yīng) 用，第二泡沫換熱器可能并不需要?；蛘呋趹?yīng)用可在泡沫換熱器的位 置上使用傳統(tǒng)的換熱器，并且該傳統(tǒng)的換熱器鄰近表面165擺放。擺放 泡沫換熱器的不同配置可被用來使傳熱最大化，并且擺放泡沫換熱器的 不同配置是基于應(yīng)用的。類似地，單獨(dú)的系統(tǒng)可包括多個(gè)熱電陣列，每 個(gè)熱電陣列都具有一個(gè)或多個(gè)泡沫換熱器。
0027
在圖6中示出了第三實(shí)施例泡沫換熱器系統(tǒng)180。系統(tǒng) 180被排列得與圖5的系統(tǒng)相似，除了換熱器是組合泡沫和翼片換熱器185外。系統(tǒng)80具有熱電元件195的陣列190。單元195具有表面200 和205。在圖5的實(shí)施例中，可能不需要第二泡沫換熱器?；蛘呋趹?yīng) 用可在泡沫換熱器的位置上使用傳統(tǒng)的換熱器。此外，擺放泡沫換熱器 的不同配置可被用來使傳熱最大化，并且擺放泡沫換熱器的不同配置是 基于應(yīng)用的。
0028
盡管已結(jié)合一個(gè)或多個(gè)示意性實(shí)施例描述了本公開，但 本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的是各種變形可被使用，并且等價(jià)模塊可被 用于替換其中的單元，而這并不超出本公開的范圍。此外，可使用更多 的改進(jìn)以使特定情況或材料適應(yīng)于本發(fā)明公開的內(nèi)容，而這并不超出本 公開的范圍。因此，本發(fā)明的公開并不被限定到作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而預(yù)期 的最佳模式所公開的特定實(shí)施例(一個(gè)或多個(gè))，而是將包含落入到所 附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1. 一種用于增強(qiáng)熱電熱量泵送系統(tǒng)效率的系統(tǒng)(10)，包括熱電元件(15)的陣列，具有所述陣列的第一表面(70)處的溫度和所述陣列與所述第一表面相對(duì)的第二表面(75)處的溫度，以及至少一個(gè)泡沫換熱器(45)，被定位成鄰近所述第一表面和所述第二表面之一，其中流過所述至少一個(gè)泡沫換熱器的流體降低了所述陣列的第一表面(70)處的溫度和所述陣列的第二表面(75)處的溫度之間的差值，從而增強(qiáng)了所述系統(tǒng)(10)的效率。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10),進(jìn)一步包括鄰近所述陣列的第 一表面(70)的泡沫換熱器(45)和鄰近所述陣列的第二表面(75)的 泡沫換熱器(55)。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，包括電流流過所述熱電元件陣 列，以產(chǎn)生所述陣列的第一表面(70)和所述陣列的第二表面(75)之 間的溫度差。
4. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)(10),其中位于所述陣列的第一表面 (70)和所述陣列的第二表面(75)之一處的所述至少一個(gè)泡沫換熱器 (45)從所述陣列傳走熱量，從而降低了流過所述陣列的電流。
5. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中鄰近所述陣列的第一表面(70) 的所述泡沫換熱器(45)和鄰近所述陣列的第二表面(75)的泡沫換熱 器(55)都具有孔隙率，以增強(qiáng)穿過所述陣列的傳熱。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10),其中所述至少一個(gè)泡沫換熱器 (185)并入有用于熱量散出的翼片。
7. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其中所述至少一個(gè)泡沫換熱器 (45)由選自鋁、石墨和銅構(gòu)成的組中的材料制成。
8. —種用于增強(qiáng)熱電熱量泵送系統(tǒng)效率的系統(tǒng)(10),如參照附圖 中的圖1、 3、 5和6之一所描述的那樣。
9. 一種用于增強(qiáng)熱電系統(tǒng)(10)效率的方法，包括 提供熱電陣列(15),所述熱電陣列具有一系列電串聯(lián)排列的熱電耦(20);提供鄰近所述熱電陣列的第一表面(70)的第一泡沫換熱器(45) 和鄰近所述熱電陣列的與所述第一表面相對(duì)的第二表面(75)的第二泡 沫換熱器(55);產(chǎn)生所述熱陣列的第 一 表面(7 0)處的溫度和所述陣列的第二表面 (75)處的溫度，其中所述陣列的第二表面處的溫度不同于所述陣列的第 一表面處的溫度；藉此，流過所述第一泡沫換熱器(45 )和所述第二泡沫換熱器(55 ) 的流體降低了所述第 一表面(70)和所述第二表面(75)間的溫度差，從而增 強(qiáng)了所述熱電系統(tǒng)(10)的效率。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一泡沫換熱器(45)和 所述第二泡沫換熱器(55)都具有孔隙率，以增強(qiáng)傳熱能力。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中隨著所述第一表面(70)和所述 第二表面(75)之間溫度的降低，所述系統(tǒng)的性能系數(shù)提高。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一泡沫換熱器(45)和 所述第二泡沫換熱器(55)的降低的孔隙率進(jìn)一步增強(qiáng)了傳入或傳出所 述第一表面(70)和所述第二表面(75)的傳熱。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一表面(70)和所述第二 表面(7 5 )間增強(qiáng)的傳熱減少了所需的流過所述陣列的電流。
14. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一泡沫換熱器和所述第 二泡沫換熱器中的至少一個(gè)(185)并入有翼片。
15. —種用于增強(qiáng)熱電系統(tǒng)效率的方法，如結(jié)合圖1、 3、 5和6之一所描述的那樣。
全文摘要
提供了具有至少一個(gè)泡沫換熱器(45)的、用于泵送熱量的熱電系統(tǒng)(10)，其增強(qiáng)了從系統(tǒng)(10)傳出的傳熱，以提高該系統(tǒng)的總系統(tǒng)效率和性能。
文檔編號(hào)F28F7/00GK101292125SQ200580051846
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者A·A·阿拉亞里, L·J·斯帕達(dá)奇尼, T·H·范德斯普爾特, 于笑梅 申請(qǐng)人:開利公司