用于冷卻腔室和表面的增強的熱傳送系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于冷卻腔室和表面的増強的熱傳送系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求于2013年9月16日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/878，156以及于2014年7月21日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/027，071的權(quán)益。上述申請的公開內(nèi)容均在此以引用的方式各自整體并入本文。
[0003]本公開的
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本公開總體涉及用于去除并消散來自腔室和/或表面的熱量的冷卻系統(tǒng)，包括利用熱電冷卻元件的冷卻系統(tǒng)和致冷系統(tǒng)。
[0005]背景
[0006]致冷方法涉及從有待冷卻的腔室或表面移開熱量，并且在高于周圍介質(zhì)(例如，空氣)的溫度下排出所述熱量。基于蒸汽壓縮的冷卻系統(tǒng)具有高效能系數(shù)(COP)并且通常用于冷卻腔室和表面。常規(guī)基于蒸汽壓縮的致冷系統(tǒng)利用恒溫調(diào)節(jié)的工作循環(huán)控制。典型地此類系統(tǒng)的動力不足以滿足穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)需求兩者(如在降溫或恢復期間)，并且因此包括遠超穩(wěn)態(tài)操作期間所要求的散熱需求的過度冷卻能力。過度冷卻能力允許提高的降溫性能，但是由于常規(guī)蒸汽壓縮系統(tǒng)的控制、熱力學極限、以及產(chǎn)品性能需求的本質(zhì)，常規(guī)蒸汽壓縮系統(tǒng)效率達不到最優(yōu)。過度冷卻能力還在啟動期間需要巨大的電流浪涌并且要求更昂貴的電子部件。
[0007]基于蒸汽壓縮的致冷系統(tǒng)的次最優(yōu)效率涉及對精確地控制冷卻室內(nèi)的溫度的此類系統(tǒng)的需要。典型地，當冷卻室內(nèi)的溫度超過給定值時，基于蒸汽壓縮的致冷系統(tǒng)被啟動并且繼續(xù)運行直到冷卻室中的溫度低于規(guī)定值一在此時基于蒸汽壓縮的系統(tǒng)被關(guān)閉。此類控制方案典型地具有相對大的控制帶和相對大的內(nèi)部溫度分層，以試圖最小化能量消耗并且允許在變化的周圍條件下操作。這一控制方案是最常利用的，因為利用蒸汽壓縮循環(huán)很難實現(xiàn)節(jié)流或容量變化并且實現(xiàn)起來是昂貴的，并且節(jié)流或容量差異隨著容積效率下降而提供有限的功效。
[0008]基于蒸汽壓縮的系統(tǒng)還經(jīng)常使用基于含氯氟烴(CFC)的致冷劑，然而，基于CFC的致冷劑的使用造成環(huán)境威脅，因為此類化合物的排放可導致地球臭氧層的耗盡。
[0009]熱電冷卻系統(tǒng)表示相對于蒸汽壓縮系統(tǒng)的環(huán)境友好型替代方案，因為它們不要求基于CFC的致冷劑。熱電冷卻器(又稱熱電熱栗)響應于電流的施加而橫過其表面產(chǎn)生溫差。熱量可從有待冷卻的表面或腔室接受，并且可被傳送(例如，通過一系列傳送管)至排熱器以便消散到周圍介質(zhì)如空氣中。熱電冷卻系統(tǒng)可包括被動排熱子系統(tǒng)，如熱虹吸管或熱管，這免除了強制傳送加壓冷卻劑穿過排熱器的需要。至于所有致冷系統(tǒng)，橫過熱電熱栗的溫差越小，熱栗在傳送熱量上越有效。然而盡管熱電冷卻系統(tǒng)具有環(huán)境效益，但此類系統(tǒng)具有典型地小于蒸汽壓縮系統(tǒng)的一半的COP值。增強熱電冷卻系統(tǒng)的COP并且使得它們能夠在很寬的周圍溫度條件范圍內(nèi)使用對于促進此類系統(tǒng)的采用增加是有益的。
[0010]概述
[0011]本公開的實施方案涉及能夠在增加的周圍溫度條件范圍內(nèi)實現(xiàn)更大的效率和/或使用率的熱傳送系統(tǒng)(包括熱電冷卻系統(tǒng))，比如可用于冷卻腔室和/或表面。
[0012]在根據(jù)本公開的某些實施方案中，至少一個強制對流單元與被動熱傳送系統(tǒng)一起利用(例如，使用熱虹吸管或熱管)以用于維持腔室或表面的設(shè)定點溫度或設(shè)定點溫度范圍，其中所述至少一個強制對流單元在高熱量負載(例如，瞬態(tài)條件)和/或高溫排出條件階段期間操作，但是在正常(例如，穩(wěn)態(tài))條件期間當被動熱傳送足以使得熱量從有待冷卻的表面或腔室接受和/或足以使得熱量被排出到周圍環(huán)境時不操作。所述至少一個強制對流單元被選擇性操作來相對于與熱傳送流體處于熱連通的至少一個熱交換器增強或促進對流熱傳送。至少一個強制對流單元可鄰近至少一個熱交換器被布置在熱傳送系統(tǒng)的接受側(cè)和/或排出側(cè)。控制器接收指示以下各項中的至少一個的溫度數(shù)據(jù):(i)包含熱傳送系統(tǒng)的周圍環(huán)境的溫度；以及(ii)有待冷卻的腔室或表面的溫度。一旦檢測到指示以下狀態(tài)中的至少一個的條件，控制器就啟動至少一個強制對流單元:腔室或表面的溫度超過包括設(shè)定點溫度或設(shè)定點溫度范圍的穩(wěn)態(tài)溫度范圍；和/或周圍環(huán)境的溫度超過周圍環(huán)境閾值溫度或周圍環(huán)境閾值溫度范圍。一旦檢測到指示以下狀態(tài)中的至少一個的條件，控制器就停用至少一個強制對流單元:腔室或表面的溫度在穩(wěn)態(tài)溫度范圍內(nèi)；和/或周圍環(huán)境的溫度低于周圍環(huán)境閾值溫度或周圍環(huán)境閾值溫度范圍。
[0013]在根據(jù)本公開的某些實施方案中，熱傳送設(shè)備包括多個排熱器，所述多個排熱器被布置成通過主要和交叉排出傳送管與多個熱交換器處于熱連通，所述多個熱交換器各自具有多個翅片并且各自聯(lián)接至至少一個不同的熱電熱栗。所有排熱器被布置成從每個熱電熱栗消散熱量，而不管熱電熱栗是否單獨操作或一起操作。與致力于分開熱交換器的排熱器(各自具有專用熱電冷卻器)相比，與多個排熱器相關(guān)聯(lián)的更大表面積增強了傳熱并且導致操作中的熱電熱栗處的更低溫度。提供了多個排出傳送管，所述排出傳送管包括:至少一個第一主排出傳送管，所述第一主排出傳送管被布置來將來自第一排熱交換器的熱量傳送至第一排熱器;至少一個第一交叉排出傳送管，所述第一交叉排出傳送管被布置來將來自第一排熱交換器的熱量傳送至第二排熱器;至少一個第二主排出傳送管，所述第二主排出傳送管被布置來將來自第二排熱交換器的熱量傳送至第二排熱器；以及至少一個第二交叉排出傳送管，所述第二交叉排出傳送管被布置來將來自第二排熱交換器的熱量傳送至第一排熱器。
[0014]在某些實施方案中，可結(jié)合本文所公開的任何方面或特征來形成另外的優(yōu)點。如本文所公開的任何不同特征和元件可與一個或多個其他公開的特征和元件結(jié)合，除非本文表明有相反的意思。
[0015]本領(lǐng)域的技術(shù)人員在結(jié)合附圖閱讀以下優(yōu)選實施方案的詳細描述之后，將理解本公開的范圍并且認識到本公開的另外方面。
[0016]附圖簡述
[0017]并入且形成本說明書一部分的附圖示出本公開的若干方面，并且連同描述內(nèi)容一起用來解釋本公開的原理。
[0018]圖1是示出了熱電冷卻器(TEC)的冷卻能力(Q)和冷卻效率(COP)作為供給TEC的輸入電流的函數(shù)的線圖。
[0019]圖2示出包括布置在互連板上的多個TEC的熱電盤盒，所述熱電盤盒使得能夠選擇性控制TEC的不同子集。
[0020]圖3是熱電致冷系統(tǒng)的透視示意圖，所述熱電致冷系統(tǒng)包括:冷卻室;熱交換器，所述熱交換器包括盤盒(如圖2的盤盒)，所述盤盒包括設(shè)置在冷側(cè)散熱器與熱側(cè)散熱器之間的多個TEC;以及控制器，所述控制器控制TEC以維持冷卻室內(nèi)的設(shè)定點溫度。
[0021]圖4是根據(jù)本公開的一個實施方案的熱傳送系統(tǒng)的至少一部分的透視圖，所述熱傳送系統(tǒng)包括可選擇性操作的強制對流單元，所述強制對流單元被布置來增強與包含流體的環(huán)處于熱連通的熱交換器的冷卻。
[0022]圖5是根據(jù)本公開的一個實施方案的熱傳送系統(tǒng)的至少一部分的透視圖，所述熱傳送系統(tǒng)包括可選擇性操作的強制對流單元，所述強制對流單元被布置來增強與熱交換器處于熱連通的包含流體的翅式散熱器的冷卻。
[0023]圖6是根據(jù)本公開的一個實施方案的熱電冷卻或致冷系統(tǒng)的俯視平面示意圖，所述熱電冷卻或致冷系統(tǒng)包括:冷卻室;第一強制對流單元，所述第一強制對流單元被布置來增強熱量至冷卻室內(nèi)的冷側(cè)散熱器的傳送;合并TEC的熱電熱交換組件；以及第二強制對流單元，所述第二強制對流單元用來增強熱量從熱側(cè)散熱器的消散。
[0024]圖7是示出根據(jù)本公開的一個實施方案的熱電冷卻或致冷系統(tǒng)(如圖6的系統(tǒng))的電源、傳感器、控件、以及用戶界面部件之間的互連的示意圖。
[0025]圖8是示出圖7中所描繪的熱電冷卻系統(tǒng)的控制器的操作模式的示意圖。
[0026]圖9是示出了熱電冷卻系統(tǒng)在風扇協(xié)助模式下(具有強制對流)和在被動模式下(沒有強制對流)操作所處的條件的水平條形圖。
[0027]圖10是適合用于同熱電冷卻或致冷系統(tǒng)的第一TEC和第二 TEC—起使用的第一熱傳送裝置和第二熱傳送裝置的前正視圖，所述第一熱傳送裝置和第二熱傳送裝置各自包括散熱器、熱交換襯墊和熱傳送管道，從而為比較包括連接的散熱器的熱傳送設(shè)備和根據(jù)圖11-12的交叉熱交換管道提供基礎(chǔ)。
[0028]圖11是根據(jù)本公開的一個實施方案的適合用于同熱電冷卻或致冷系統(tǒng)的第一TEC和第二TEC(或熱電熱栗)一起使用的熱傳送設(shè)備的前正視圖，所述熱傳送設(shè)備包括具有交叉熱交換管道和熱交換襯墊的連接的第一散熱器和第二散熱器。
[0029]圖12是圖11的熱傳送設(shè)備的透視圖。
[0030]圖13是根據(jù)本公開的一個實施方案的并且適合同圖15-16中所描繪的熱電致冷單元一起使用的熱接受設(shè)備的流體管道和熱交換襯墊的透視圖。
[0031]圖14是示出了圖13的熱接受設(shè)備的熱交換塊的內(nèi)部元件的透視圖。
[0032]圖15是根據(jù)本公開的一個實施方案的熱電致冷單元、具有交叉熱交換管道的第一和第二熱側(cè)散熱器、冷卻風扇、以及被布置來套在散熱器和冷卻風扇上的蓋子的透視組裝視圖。
[0033]圖16是圖15中所描繪的組裝的熱電致冷單元的透視圖。
[0034]詳述
[0035]下文闡明的實施方案代表使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`實施方案的必需信息，并且示出實踐實施方案的最佳模式。在根據(jù)附圖來閱讀以下描述之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本公開的概念，并且將認識到在本文中未具體提出的這些概念的應用。應理解，這些概念和應用屬于本公開和隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
[0036]將理解，盡管在本文中可能使用術(shù)語第一、第二等來描述各種元件，但這些元件不應受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語只用于區(qū)分一個元件與另一個元件。例如，在不脫離本公開的范圍的情況下，第一元件可稱為第二元件，并且類似地，第二元件可稱為第一元件。如本文所使用，術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)所列項目的任何和所有組合。
[0037]本文中所使用的術(shù)語僅僅是為了描述具體實施方案，并且不意圖限制本公開。除非上下文明確地指出，否則本文所用的單數(shù)形式“一個”、“一種”和“所述”意欲同樣包括復數(shù)形式。還將理解，術(shù)語“包括(comprises)”、“包括了 (comprising)，，、“包含(includes)”和/或“包含了(including)”在本文中使用時指定所陳述的特征、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除一個或多個其它特征、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在或添加。
[0038]除非另外限定，否則本文使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有如本公開所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員之一通常理解的相同含義。還將理解，本文所使用的術(shù)語應該被解釋為與它們在本說明書的上下文和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的相一致的意思，并且將不會被解釋為理想化或過分正式的意義，除非本文明確定義。
[0039]簡要討論冷卻能力和效率對比供應給TEC(還可叫做熱電熱栗)的輸入電流對于提供本公開的上下文和協(xié)助理解可能是有益的。圖1是示出了 TEC的冷卻能力(Q)和冷卻效率(由效能系數(shù)(COP)表示)對供應給TEC的輸入電流的線圖。隨著TEC的輸入電流(I)增加，TEC的冷卻能力也提高。冷卻能力(Q)曲線上表示被TEC移除的最多熱量的點指代Qmax。因此，當TEC在Qmax下操作時，TEC可能移除最大量的熱量。當給TEC提供相應的最大電流Imax時，TEC在Qmax下操作。圖1還示出了TEC的⑶P與輸入電流(I)的函數(shù)。對于冷卻應用來說，TEC的COP是所移除的熱量與提供給TEC的用來移除熱量的功量(能量)輸入的比率。TEC的COP被最大化時的熱量或容量(Q)指代為Qoipmax。當給TEC提供電流ICQPmax時，TEC在QCQPmax下操作。因此，當給TEC提供電流ICQPmax以使得TEC在QCQPmax下操作時，TEC的效率(或COP)被最大化。
[0040]如下文詳細討論，在優(yōu)選實施方案中，控制器被布置來控制TEC(例如，在一個或多個盤盒內(nèi))使得在穩(wěn)態(tài)操作期間，TEC中的一個或多個被啟動并且在QCQPmax下操作，并且剩余TEC被停用來最大化效率。被啟動的TEC的數(shù)量、并且相反地被停用的TEC的數(shù)量根據(jù)需要來規(guī)定。相反地，在瞬態(tài)條件如降溫或恢復期間，一個或多個(并且可能地所有)TEC根據(jù)所需性能概況來啟動并操作。所需性能概況的一個實例涉及在Qmax下啟動并操作所有當前TEC以最小化降溫或恢復時間。然而，另一個所需性能概況可替代性地在降溫或恢復時間與效率之間提供折衷，在這種情況下，例如，所有當前TEC被啟動并且在Qrapmax與Qmax之間的一點下操作。要認識到，TEC的控制并不限于前述說明性實例。
[0041 ] 在某些實