(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電熱交換器部品であって、
回路基板と、
前記回路基板に取り付けられた複数の熱電デバイスであって、該複数の熱電デバイスのうちの２つ以上が、前記回路基板に対して異なる高さを有する、複数の熱電デバイスと、
前記複数の熱電デバイス上の熱拡散蓋と、
前記複数の熱電デバイスと前記熱拡散蓋との間の熱界面材料と、を備え、
前記熱拡散蓋は、前記熱界面材料の厚さ、ひいては熱界面抵抗が前記複数の熱電デバイスに対して最小化されるように傾斜して配向される、熱電熱交換器部品。
【請求項２】
前記複数の熱電デバイスは、前記回路基板の第１の表面に取り付けられ、かつ前記回路基板の前記第１の表面とは反対側の第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面とを含み、
前記複数の熱電デバイスのうちの前記２つ以上は、前記回路基板の前記第１の表面に対して異なる高さを有し、
前記熱拡散蓋は、前記回路基板の前記第１の表面とは反対側の前記複数の熱電デバイスの前記第１の表面上にあり、
前記熱界面材料は、前記複数の熱電デバイスの前記第１の表面と前記熱拡散蓋との間にある、請求項１に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項３】
前記回路基板を通る１つ以上の穴を通って前記回路基板の第２の表面に露出された前記複数の熱電デバイスの前記第２の表面上の第２の熱拡散蓋と、
前記複数の熱電デバイスと前記第２の熱拡散蓋との間の第２の熱界面材料と、をさらに備え、
前記第２の熱拡散蓋は、前記第２の熱界面材料の厚さ、ひいては熱界面抵抗が前記複数の熱電デバイスに対して最小化されるように傾斜して配向される、請求項２に記載の熱電熱交換器。
【請求項４】
前記熱拡散蓋は、
本体と、
前記本体から前記複数の熱電デバイスの前記第１の表面に向かって延在する等しい高さの複数の台座であって、前記複数の台座の各台座が、前記複数の熱電デバイスのうちの対応する１つと揃えられるようになっている、複数の台座と、を備え、
前記熱界面材料は、前記複数の台座の各台座の表面と、前記複数の熱電デバイスのうちの前記対応する１つの前記第１の表面との間にあり、前記熱拡散蓋の前記配向は、前記複数の台座の各台座と、前記複数の熱電デバイスのうちの前記対応する１つの前記第１の表面との間の前記熱界面材料の前記厚さが、前記複数の熱電デバイスに対して最小化されるような配向である、請求項２に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項５】
前記熱界面材料は、はんだおよび放熱グリースからなる群のうちの１つである、請求項４に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項６】
前記複数の台座の各台座は、前記台座の前記表面に対して外方に傾斜する辺部を持つ平行六面体である、請求項４に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項７】
前記複数の台座の各台座は、前記台座の前記表面に対して外方に傾斜する辺部を持つ錐台である、請求項４に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項８】
前記複数の台座の各台座の前記表面の面積が、前記複数の熱電デバイスのうちの前記対応する１つの前記表面の面積より１パーセント以上〜１０パーセント以下小さい範囲にある、請求項４に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項９】
前記熱拡散蓋は、前記熱拡散蓋の周辺に前記熱拡散蓋の前記本体から延在する縁をさらに備える、請求項４に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１０】
前記熱拡散蓋の前記本体に対する前記縁の高さは、所定の許容差範囲内の前記複数の熱電デバイスの高さの任意の組み合わせに対して、前記熱拡散蓋の前記縁と前記回路基板の前記第１の表面との間に少なくとも所定の最小間隙が維持されるような高さであり、前記少なくとも所定の最小間隙は、ゼロより大きい、請求項９に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１１】
前記熱拡散蓋の前記縁と前記熱拡散蓋の周辺の前記回路基板の前記第１の表面との間の前記少なくとも所定の最小間隙を充填する取り付け材料をさらに備える、請求項１０に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１２】
前記熱拡散蓋の前記縁および前記取り付け材料は、前記複数の熱電デバイスを保護するように前記熱拡散蓋に加えられた力を吸収する、請求項１１に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１３】
前記取り付け材料は、エポキシである、請求項１１に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１４】
前記熱拡散蓋の寸法に対応する寸法を持つ穴を有する断熱材プリフォームであって、前記熱拡散蓋が前記断熱材プリフォーム内の前記穴を通り抜けるように前記回路基板上に位置決めされる、断熱材プリフォームをさらに備える、請求項１１に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１５】
前記複数の熱電デバイスは、前記回路基板の第１の表面に取り付けられ、かつ前記回路基板の前記第１の表面とは反対側の第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面とを含み、
前記熱拡散蓋は、前記回路基板を通る１つ以上の穴を通って前記回路基板の第２の表面に露出された前記複数の熱電デバイスの前記第１の表面上にあり、
前記複数の熱電デバイスのうちの前記２つ以上は、前記回路基板の前記第２の表面に対して異なる高さを有し、
前記熱界面材料は、前記複数の熱電デバイスの前記表面と前記熱拡散蓋との間にある、請求項１に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１６】
前記熱拡散蓋は、
本体と、
前記本体から前記複数の熱電デバイスの前記第１の表面に向かって延在する等しい高さの複数の台座であって、前記複数の台座の各台座が、前記複数の熱電デバイスのうちの対応する１つと揃えられるようになっている、複数の台座と、を備え、
前記熱界面材料は、前記複数の台座の各台座と、前記複数の熱電デバイスのうちの前記対応する１つの前記第１の表面との間にあり、前記熱拡散蓋は、前記複数の台座の各台座と、前記複数の熱電デバイスのうちの前記対応する１つの前記第１の表面との間の前記熱界面材料の前記厚さ、ひいては熱界面抵抗が、前記複数の熱電デバイスに対して最小化されるように傾斜して配向される、請求項１５に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１７】
前記熱界面材料は、はんだおよび放熱グリースからなる群のうちの１つである、請求項１６に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１８】
前記複数の台座の各台座は、前記台座の表面に対して外方に傾斜する辺部を持つ平行六面体である、請求項１６に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項１９】
前記複数の台座の各台座は、前記台座の表面に対して外方に傾斜する辺部を持つ錐台である、請求項１６に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２０】
前記複数の台座の各台座の表面の面積が、前記複数の熱電デバイスのうちの前記対応する１つの前記第１の表面の面積より１パーセント以上〜１０パーセント以下小さい範囲にある、請求項１６に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２１】
前記熱拡散蓋は、前記熱拡散蓋の周辺に前記熱拡散蓋の前記本体から延在する縁をさらに備える、請求項１６に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２２】
前記熱拡散蓋の前記本体に対する前記縁の高さは、所定の許容差範囲内の前記複数の熱電デバイスの高さの任意の組み合わせに対して、前記熱拡散蓋の前記縁と前記回路基板の前記第２の表面との間に少なくとも所定の最小間隙が維持されるような高さであり、前記少なくとも所定の最小間隙は、ゼロより大きい、請求項２１に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２３】
前記熱拡散蓋の前記縁と前記熱拡散蓋の周辺の前記回路基板の前記第２の表面との間の前記少なくとも所定の最小間隙を充填する取り付け材料をさらに備える、請求項２２に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２４】
前記熱拡散蓋の前記縁および前記取り付け材料は、前記複数の熱電デバイスを保護するように前記熱拡散蓋に加えられた力を吸収する、請求項２３に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２５】
前記取り付け材料は、エポキシである、請求項２３に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２６】
前記熱拡散蓋の寸法に対応する寸法を持つ穴を有する断熱材プリフォームであって、前記熱拡散蓋が前記断熱材プリフォーム内の前記穴を通り抜けるように前記回路基板上に位置決めされる、断熱材プリフォームをさらに備える、請求項２３に記載の熱電熱交換器部品。
【請求項２７】
熱電熱交換器部品を製造する方法であって、
複数の熱電デバイスを回路基板に取り付けることであって、前記複数の熱電デバイスのうちの２つ以上が、前記回路基板に対して異なる高さを有する、取り付けることと、
前記複数の熱電デバイスおよび熱拡散蓋からなる群のうちの少なくとも１つに熱界面材料を塗布することと、
前記複数の熱電デバイス上に前記熱拡散蓋を位置決めすることと、
ボールポイントを介して加えられるボールポイント力の下で、前記熱界面材料の厚さが前記複数の熱電デバイスに対して最小化されるように傾斜して配向することで前記熱拡散蓋が安定するように、前記熱拡散蓋に前記ボールポイント力を加えることと、を含む、方法。
【請求項２８】
前記ボールポイント力が前記熱拡散蓋にさらに加えられる間、前記熱拡散蓋の縁と前記回路基板との間の間隙を取り付け材料で充填し、それによって前記熱拡散蓋を前記回路基板に取り付けることをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記熱拡散蓋は、本体と、前記本体から前記複数の熱電デバイスの表面に向かって延在する等しい高さの複数の台座であって、前記複数の台座の各台座が、前記複数の熱電デバイスのうちの対応する１つと揃えられるようになっている、複数の台座とを備え、
前記熱界面材料を塗布することは、前記複数の熱電デバイスおよび前記熱拡散蓋の前記複数の台座からなる群のうちの少なくとも１つに前記熱界面材料を塗布することを含み、
前記熱拡散蓋を位置決めすることは、前記熱拡散蓋の前記複数の台座の各台座が前記複数の熱電デバイスのうちの対応する１つと揃えられるように、前記熱拡散蓋を位置決めすることを含み、
前記ボールポイント力を加えることは、前記複数の台座の各台座と前記複数の熱電デバイスのうちの前記対応する１つとの間の前記熱界面材料の厚さが前記複数の熱電デバイスに対して最小化されるように傾斜して配向することで前記熱拡散蓋が安定するように、前記熱拡散蓋に前記ボールポイント力を加えることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記熱拡散蓋は、前記熱拡散蓋の周辺に前記熱拡散蓋の前記本体から延在する縁をさらに備え、前記熱拡散蓋の前記本体に対する前記縁の高さは、所定の許容差範囲内の前記複数の熱電デバイスの高さの任意の組み合わせに対して、前記熱拡散蓋の前記縁と前記回路基板との間に少なくとも所定の最小間隙が維持されるような高さであり、前記所定の最小間隙は、ゼロより大きい、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許
本出願は、２０１２年５月７日に出願された特許仮出願番号第６１／６４３，６２２号、２０１２年５月７日に出願された特許仮出願番号第６１／６４３，６２５号の利益を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、熱電熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００３】
薄膜熱電デバイスは、典型的に、匹敵するバルク型熱電モジュールよりはるかに小さく、かつより脆弱である。典型的な薄膜熱電デバイスの面積は、約１４０平方ミリメートル（ｍｍ2）であるが、典型的なバルク型熱電デバイスモジュールの面積は、約１，６００ｍｍ2である。薄膜熱電デバイスは、ヒートシンク間に配設されて、熱電熱交換器を形成することができる。熱電デバイスと取り付けられたヒートシンクとの間の熱界面材料の熱抵抗は、Ｉ／ｋＡとして定義され、式中、Ｉは、熱界面材料の厚さであり、ｋは、熱界面材料の熱伝導率であり、Ａは、熱電デバイスとヒートシンクとの間の界面の面積である。これは、薄膜熱電デバイスとヒートシンクとの間の熱界面材料の熱抵抗がより大きいバルク型熱電モジュールと対応するヒートシンクとの間の熱界面材料の熱抵抗より約１０倍大きいことを意味する。薄膜熱電デバイスおよび特に薄膜熱電冷却器には、熱界面材料のより高い熱抵抗がより高い高温側温度をもたらし、より低い低温側温度を必要とし、これは、より高い電力消費および／または適切に冷却することができないことにつながる。
【０００４】
加えて、それらの寸法および材料が設定されたとすると、薄膜熱電デバイスは、バルク型熱電モジュールと同程度の機械的荷重に耐えることができない。さらに、薄膜熱電デバイスは、不均等な機械的荷重に耐えることができない。しかしながら、薄膜熱電デバイスの両面に取り付けられたヒートシンクは、薄膜熱電デバイスと比較してかなり大きい傾向にあり、所定の製品において制約されることが多い。したがって、薄膜熱電デバイスに均等な制御された荷重を確保することが難しい。
【０００５】
したがって、機械的荷重から薄膜熱電デバイスも保護しながら、薄膜熱電デバイス間の熱界面材料の熱抵抗を最小化するためのシステムおよび方法の必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００６】
熱拡散蓋を有し、この熱拡散蓋が熱拡散蓋と複数の熱電デバイスとの間の熱界面抵抗を最適化する熱電熱交換器部品、ならびにその製造方法の実施形態が開示される。一実施形態では、熱電熱交換器部品は、回路基板と、この回路基板に取り付けられた複数の熱電デバイスとを含む。熱電デバイスのうちの少なくとも２つの高さは、例えば、熱電デバイスのための製造プロセスにおける許容差により異なる。熱電熱交換器はまた、熱電デバイス上の熱拡散蓋と、熱電デバイスと熱拡散蓋との間の熱界面材料とを含む。熱拡散蓋の配向（すなわち、傾斜）は、熱界面材料の厚さ、ひいては熱界面抵抗が熱電デバイスに対して最適化されるような配向であり、これは同様に、熱電デバイスと熱拡散蓋との間の熱界面材料の熱界面抵抗を最適化する。
【０００７】
一実施形態では、熱拡散蓋は、本体と、熱拡散蓋の本体から熱電デバイスに向かって延在する熱拡散蓋の本体に対する等しい高さの複数の台座とを含む。台座の各々は、熱電デバイスのうちの対応する１つと揃えられる。この実施形態では、熱界面材料は、各台座の表面と対応する熱電デバイスの表面との間にあり、熱拡散蓋の配向は、各台座と対応する熱電デバイスとの間の熱界面材料の厚さが最適化されるような配向である。一実施形態では、熱拡散蓋は、熱拡散蓋の周辺に熱拡散蓋の本体から延在する縁をさらに含む。一実施形態では、熱拡散蓋の本体に対する縁の高さは、所定の範囲内の熱電デバイスの高さの任意の組み合わせに対して、熱拡散蓋の縁と回路基板との間に少なくとも所定の最小間隙が維持されるような高さであり、所定の最小間隙は、ゼロより大きい。
【０００８】
一実施形態では、熱電デバイスは、回路基板の第１の表面に取り付けられ、熱拡散蓋は、回路基板の第１の表面とは反対側の熱電デバイスの表面上にある。別の実施形態では、熱電デバイスは、回路基板の第１の表面に取り付けられ、熱拡散蓋は、回路基板を通る１つ以上の穴を通って回路基板の第２の表面に露出された熱電デバイスの表面上にある。
【０００９】
別の実施形態では、熱電デバイスは、回路基板の第１の表面に取り付けられ、熱拡散蓋は、回路基板の第１の表面とは反対側の熱電デバイスの表面上にある。この実施形態では、熱電熱交換器部品は、回路基板を通る１つ以上の穴を通って回路基板の第２の表面に露出された熱電デバイスの表面上の第２の熱拡散蓋をさらに備える。
【００１０】
一実施形態では、熱電熱交換器部品は、複数の熱電デバイスを回路基板に取り付けることによって製造される。熱電デバイスのうちの２つ以上は、例えば、熱電デバイスの製造プロセスにおける許容差により異なる高さを有する。熱界面材料は、熱電デバイスおよび／または熱拡散蓋の表面に塗布される。熱拡散蓋は次に、熱電デバイス上に位置決めされ、ボールポイント力が熱拡散蓋に加えられる。ボールポイント力の結果として、熱拡散蓋は、熱界面材料の厚さが熱電デバイスに対して最適化される配向で安定する。
【００１１】
当業者であれば、本開示の範囲を理解し、添付図面と関連して以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読んだ後、そのさらなる態様を実現化するであろう。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付図面は、本開示のいくつかの態様を示し、その説明とともに、本開示の原理を説明することに役立つ。
【図１】熱電熱交換器を含み、それ自体が本開示の一実施形態による熱電熱交換器部品を含む、熱電冷却システムを示す。
【図２】本開示の一実施形態による図１の熱電熱交換器のより詳細な図解である。
【図３】本開示の一実施形態による図２の熱電熱交換器部品の分解図である。
【図４】本開示の一実施形態による図３の熱電熱交換器部品の折り畳まれた図である。
【図５】本開示の一実施形態による図３および４の熱電熱交換器部品の断面を示す。
【図６】本開示の一実施形態による図３〜５の熱電熱交換器部品を製造するためのプロセスを示すフローチャートである。
【図７】本開示の別の実施形態による熱電熱交換器を示す。
【図８】本開示のさらに別の実施形態による熱電熱交換器を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
後述の実施形態は、当業者が実施形態を実践することを可能にする必要な情報を表し、実施形態を実践する最良の形態を示す。添付図面に照らして以下の説明を読むことで、当業者であれば、本開示の概念を理解し、本明細書に具体的に対処されていないこれらの概念の用途を認識するであろう。これらの概念および用途は、本開示および添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが理解されるべきである。
【００２２】
第１の、第２のなどの用語が様々な要素を説明するために本明細書に使用され得るが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するためにのみ使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素が第２の要素と呼ばれてもよく、同様に、第２の要素が第１の要素と呼ばれてもよい。本明細書に使用されるとき、用語「および／または」は、関連付けられた列挙された項目のうちの１つ以上の任意およびすべての組み合わせを含む。
【００２３】
「下の」、「上の」、「上部」、「下部」、「水平な」、または「垂直な」等の相対的な用語は、図に示されるように、１つの要素、層、または領域と、別の要素、層、または領域との関係を説明するために本明細書に使用され得る。これらの用語および上述されるものは、図に示される配向に加えて、デバイスの異なる配向を包含することが意図されることを理解されよう。
【００２４】
本明細書に使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためであり、本開示を限定することを意図されない。本明細書に使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が特に明らかに示さない限り、同様に複数形を含むことが意図される。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、本明細書に使用されるとき、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／もしくはこれらの群の存在または追加を除外しないことがさらに理解されよう。
【００２５】
特に定義されない限り、本明細書に使用されるすべての用語（技術的および科学的用語を含む）は、本開示が属する当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に使用される用語は、本明細書および関連技術においてそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書にそのように明示的に定義されない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されないことがさらに理解されよう。
【００２６】
熱拡散蓋を有し、この熱拡散蓋が熱拡散蓋と複数の熱電デバイスとの間の熱界面抵抗を最適化する熱電熱交換器部品、ならびにその製造方法の実施形態が開示される。本明細書の考察の大部分が熱電冷却器（ＴＥＣ）を含む熱電熱交換器の実施形態に重点を置くが、本明細書に開示される概念は、例えば、回収熱から発電するために利用される熱電発電機（ＴＥＧ）等の他のタイプの熱電デバイスに同様に適用可能であることに留意されるべきである。
【００２７】
熱電熱交換器部品の実施形態は、任意の好適な熱電システムに利用され得るが、図１は、本開示の例示的な一実施形態による熱電熱交換器部品１４を有する熱交換器１２を含む熱電冷却システム１０を示す。図示されるように、熱電冷却システム１０は、熱交換器１２と、冷却チャンバ１６と、冷却チャンバ１６内の冷却を制御するコントローラ１８とを含む。この実施形態では、熱交換器１２は、高温側ヒートシンク２０と、低温側ヒートシンク２２と、高温側ヒートシンク２０と低温側ヒートシンク２２との間に配設された熱電熱交換器部品１４とを含む。熱電熱交換器部品１４は、複数の薄膜熱電デバイスを含み、これは、熱電冷却システム１０では、薄膜ＴＥＣである。ＴＥＣの各々は、高温側ヒートシンク２０に熱的に結合される高温側と、低温側ヒートシンク２２に熱的に結合される低温側とを有する。ＴＥＣのうちの１つ以上がコントローラ１８によって作動されると、作動されたＴＥＣ（複数可）は、低温側ヒートシンク２２を冷却し、かつ高温側ヒートシンク２０に排熱するように動作し、それによって冷却チャンバ１６から熱を除去するように伝熱を促進する。より具体的には、ＴＥＣのうちの１つ以上が作動されると、高温側ヒートシンク２０は加熱され、それによってエバポレータを作り出し、低温側ヒートシンク２２は冷却され、それによってコンデンサを作り出す。
【００２８】
コンデンサとして機能を果たすと、低温側ヒートシンク２２は、低温側ヒートシンク２２と結合される受容ループ２４を介して冷却チャンバ１６からの熱除去を促進する。受容ループ２４は、冷却チャンバ１６を画定する熱電冷却システム１０の内壁２６に熱的に結合される。一実施形態では、受容ループ２４は、内壁２６に組み込まれるか、または内壁２６の表面に直接組み込まれるかのいずれかである。本明細書で冷却媒体と称される作動流体（例えば、二相冷却剤）が受容ループ２４を流れるか、または通過することを可能にする任意のタイプの配管によって、受容ループ２４が形成される。受容ループ２４と内壁２６との熱的結合により、冷却媒体は、冷却媒体が受容ループ２４を流れるとき、冷却チャンバ１６から熱を除去する。受容ループ２４は、例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス鋼管、アルミニウム管などから形成されてもよい。
【００２９】
低温側ヒートシンク２２および受容ループ２４によって形成されたコンデンサは、任意の好適な熱交換技術によって動作する。好ましい一実施形態では、受容ループ２４は、冷却媒体が低温側ヒートシンク２２から受容ループ２４を通って低温側ヒートシンク２２に戻り、それによって二相のパッシブ熱輸送を用いて冷却チャンバ１６を冷却するように、熱サイフォン原理に従って動作する（すなわち、熱サイフォンとして機能を果たす）。特に、受容ループ２４内の冷却媒体と冷却チャンバ１６との間の自然対流によってパッシブ熱交換が生じる。具体的には、冷却媒体は、低温側ヒートシンク２２の内側で凝縮される。凝縮された冷却媒体は、重力によって受容ループ２４を流れる。
【００３０】
受容ループ２４内では、冷却チャンバ１６内の温度が低下し、冷却媒体の温度が上昇し、および／または相転移を受けるように、冷却チャンバ１６内の環境と受容ループ２４内の凝縮された冷却媒体との間でパッシブ熱交換が生じる。冷却媒体の温度が上昇すると、蒸発等によって冷却媒体の密度が減少する。したがって、いくつかの実施形態では、受容ループ２４は、冷却チャンバ１６を冷却するとき、エバポレータとして機能する。結果として、蒸発された冷却媒体は、低温側ヒートシンク２２に向かう受容ループ２４内の浮力によって上方方向に移動する。蒸発された冷却媒体は、低温側ヒートシンク２２と熱的接触し、そこで冷却媒体と低温側ヒートシンク２２との間で熱交換が生じる。冷却媒体と低温側ヒートシンク２２との間で熱交換が生じると、冷却媒体は凝縮し、冷却チャンバ１６からさらなる熱を除去するために重力によって受容ループ２４を再び流れる。
【００３１】
上述されるように、熱交換器１２は、高温側ヒートシンク２０と低温側ヒートシンク２２との間に配設された熱電熱交換器部品１４を含む。熱電熱交換器部品１４内のＴＥＣは、高温側ヒートシンク２０と熱的に結合される高温側（すなわち、ＴＥＣの動作中に高温である側）と、低温側ヒートシンク２２と熱的に結合される低温側（すなわち、ＴＥＣの動作中に低温である側）とを有する。熱電熱交換器部品１４内のＴＥＣは、低温側ヒートシンク２２と高温側ヒートシンク２０との間の伝熱を効果的に促進する。より具体的には、受容ループ２４内の冷却媒体と低温側ヒートシンク２２との間で伝熱が生じると、アクティブなＴＥＣは、低温側ヒートシンク２２と高温側ヒートシンク２０との間で熱を伝達する。
【００３２】
エバポレータとして機能を果たすと、高温側ヒートシンク２０は、高温側ヒートシンク２０に結合された排出ループ２８によって冷却チャンバ１６の外部の環境への熱の排出を促進する。排出ループ２８は、熱電冷却システム１０の外壁３０または外板に熱的に結合される。外壁３０は、例えば、適切な絶縁体によって受容ループ２４内および内壁２６（ひいては冷却チャンバ１６）から熱的に絶縁される。一実施形態では、排出ループ２８は、外壁３０に組み込まれるか、または外壁３０の表面（例えば、内面）に組み込まれる。本明細書で伝熱媒体と称される作動流体（例えば、二相冷却剤）が排出ループ２８を流れるか、または通過することを可能にする任意のタイプの配管によって、排出ループ２８が形成される。排出ループ２８と外的環境との熱的結合により、伝熱媒体は、伝熱媒体が排出ループ２８を流れるとき、外的環境へ熱を排出する。排出ループ２８は、例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス鋼管、アルミニウム管などから形成されてもよい。
【００３３】
高温側ヒートシンク２０および排出ループ２０によって形成されたエバポレータは、任意の好適な熱交換技術によって動作する。好ましい一実施形態では、排出ループ２８は、伝熱媒体が高温側ヒートシンク２０から排出ループ２８を通って高温側ヒートシンク２０に戻り、それによって二相のパッシブ熱輸送を用いて熱を排出するように、熱サイフォン原理に従って動作する（すなわち、熱サイフォンとして機能を果たす）。特に、排出ループ２８内の伝熱媒体と外的環境との間の自然対流によってパッシブ熱交換が生じる。具体的には、伝熱媒体は、高温側ヒートシンク２８の内側で蒸発される。蒸発された伝熱媒体は、浮力によって排出ループ２８を流れる。排出ループ２８内では、排出ループ２８の内側の蒸発された伝熱媒体と外的環境との間でパッシブ熱交換が生じて、凝縮などによって伝熱媒体の密度が増加するように、排出ループ２８の内側で蒸発された伝熱媒体の温度が低下するようになる。したがって、いくつかの実施形態では、排出ループ２８は、熱を排出するとき、コンデンサとして機能する。結果として、凝縮された伝熱媒体は、重力によって排出ループ２８を通って高温側ヒートシンク２０に戻る。
【００３４】
好ましい一実施形態では、熱交換器１２は、冷却チャンバ１６と直接熱的接触せず、代わりに冷却チャンバ１６から熱的に絶縁される。同様に、熱交換器１２は、外壁３０と直接熱的接触せず、代わりに外壁３０から熱的に絶縁される。したがって、熱交換器１２は、熱電冷却システム１０の冷却チャンバ１６および外壁３０の両方から熱的に絶縁される。重要なことに、熱交換器１２の絶縁と、熱サイフォン原理によって動作するときの受容ループ２４および排出ループ２８の熱ダイオード効果とが、ＴＥＣが動作停止されるとき、冷却チャンバ１６への熱漏洩還流を防ぐ。
【００３５】
コントローラ１８は、冷却チャンバ１６内の所望の設定点温度を維持するために熱電熱交換器部品１４内のＴＥＣを制御するように動作する。コントローラ１８は、ＴＥＣを選択的に作動／動作停止し、ＴＥＣの入力電流を選択的に制御し、および／または所望の設定点温度を維持するためにＴＥＣのデューティサイクルを選択的に制御するように動作する。さらに、いくつかの実施形態では、コントローラ１８は、各サブセットが１つ以上の異なるＴＥＣを含む場合、１つ以上のＴＥＣのサブセット、および、いくつかの実施形態では２つ以上のＴＥＣのサブセットを別々にまたは独立して制御することを可能にされる。したがって、一例として、熱電熱交換器部品１４内に４つのＴＥＣがある場合、コントローラ１８は、第１の個々のＴＥＣ、第２の個々のＴＥＣ、および２つのＴＥＣの群（すなわち、第１および第２の個々のＴＥＣならびに２つのＴＥＣの群）を別々に制御することを可能にされてもよい。この方法によって、コントローラ１８は、例えば、必要性が決定づけるように、独立して、最大化された効率で、１つ、２つ、３つ、または４つのＴＥＣを選択的に作動することができる。
【００３６】
本明細書に開示され、特許請求される概念を理解するのに不可欠ではないが、熱電冷却システム１０に関する詳細については、興味のある読者は、２０１３年５月１５日に出願されたＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＳＣＨＥＭＥ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥと題される米国出願第１３／８３６，５２５号、２０１３年５月７日に出願されたＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＳＣＨＥＭＥ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥと題される米国特許出願第１３／８８８，７９１号、２０１３年４月２２日に出願されたＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＴＯ  ＭＩＴＩＧＡＴＥ  ＨＥＡＴ  ＬＥＡＫ  ＢＡＣＫ  ＩＮ  Ａ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭと題される米国特許出願第１３／８６７，５１９号、２０１３年４月２２日に出願されたＣＡＲＴＲＩＤＧＥ  ＦＯＲ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＯＤＵＬＥＳと題される米国特許出願第１３／８６７，５６７号、２０１３年４月２２日に出願されたＰＡＲＡＬＬＥＬ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＨＥＡＴ  ＥＸＣＨＡＮＧＥ  ＳＹＳＴＥＭＳと題される米国特許出願第１３／８６７，５８９号、２０１３年５月７日に出願されたＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＨＥＡＴ  ＥＸＣＨＡＮＧＥ  ＳＹＳＴＥＭ  ＣＯＭＰＲＩＳＩＮＧ  ＣＡＳＣＡＤＥＤ  ＣＯＬＤ  ＳＩＤＥ  ＨＥＡＴ  ＳＩＮＫＳと題される米国特許出願第１３／８８８，７９９号、２０１３年５月７日に出願されたＰＨＹＳＩＣＡＬＬＹ  ＳＥＰＡＲＡＴＥＤ  ＨＯＴ  ＳＩＤＥ  ＡＮＤ  ＣＯＬＤ  ＳＩＤＥ  ＨＥＡＴ  ＳＩＮＫＳ  ＩＮ  Ａ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭと題される米国特許出願第１３／８８８，８２０号、ならびに２０１３年５月７日に出願されたＴＷＯ−ＰＨＡＳＥ  ＨＥＡＴ  ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ  ＭＯＵＮＴＩＮＧと題される米国特許出願第１３／８８８，８３３号を対象にし、これらのすべては、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３７】
図２は、本開示の一実施形態による図１の熱交換器１２のより詳細な図解である。図示されるように、熱交換器１２は、高温側ヒートシンク２０と低温側ヒートシンク２２との間に熱電熱交換器部品１４を含む。この実施形態では、熱電熱交換器部品１４は、ヒートスプレッダ３２によって高温側ヒートシンク２０に熱的かつ物理的に結合される。一実施形態では、ヒートスプレッダ３２は、高温側ヒートシンク２０の一部であってもよい。別の実施形態では、ヒートスプレッダ３２は、ヒートスプレッダ３２が適切な熱界面材料（例えば、放熱ペースト、放熱グリース等）を介して高温側ヒートシンク２０に熱的かつ物理的に結合される場合、高温側ヒートシンク２０とは別個である。ヒートスプレッダ３２は、高い熱伝導率を有する材料（例えば、銅または銅アルミニウム）から形成され、比較的小さい表面積を有する熱電熱交換器部品１４内のＴＥＣの高温側で生じた熱をより大きい面積に分散させるように動作する。
【００３８】
同様に、この実施形態では、熱電熱交換器部品１４は、ヒートスプレッダ３４によって低温側ヒートシンク２２に熱的かつ物理的に結合される。一実施形態では、ヒートスプレッダ３４は、低温側ヒートシンク２２の一部であってもよい。別の実施形態では、ヒートスプレッダ３４は、ヒートスプレッダ３４が適切な熱界面材料（例えば、放熱ペースト、放熱グリース等）を介して低温側ヒートシンク２２に熱的かつ物理的に結合される場合、低温側ヒートシンク２２とは別個である。ヒートスプレッダ３４は、高い熱伝導率を有する材料（例えば、銅または銅アルミニウム）から形成され、比較的小さい表面積を有する熱電熱交換器部品１４内のＴＥＣの低温側で生じた熱、またはこの場合、より具体的には低温をより大きい面積に分散させるように動作する。ヒートスプレッダ３２および３４は、少なくともいくつかの実装形態では任意であることに留意されるべきである。より具体的には、後述されるように、熱電熱交換器部品１４は、ヒートスプレッダ３２および３４が必要とされ得ない場合、熱拡散機能を提供する熱拡散蓋を含む。
【００３９】
図３は、本開示の一実施形態による熱電熱交換器部品１４をより詳細に示す。図示されるように、熱電熱交換器部品１４は、回路基板３６（例えば、プリント回路基板）を含む。回路基板３６は、回路基板３６を通って、すなわち、回路基板３６の第１の表面から回路基板３６の第２の表面に延在する穴３８を含む。ＴＥＣ４０は、穴３８上の回路基板３６に電気的かつ物理的に取り付けられて、好ましい一実施形態では、この場合、ＴＥＣ４０の高温側である臨界側が回路基板３６に背を向け、この場合、ＴＥＣ４０の低温側である臨界ではない側が穴３８を通って回路基板３６の第２の表面に露出されるようになる。上述されるように、穴３８は、ＴＥＣ４０の低温側との直接の熱的接触を可能にする。
【００４０】
この特定の実施形態では、回路基板３６は、ＴＥＣ４０を直列に電気的に接続する導電性トレース４２と、外部回路がＴＥＣ４０に電流を提供し、それによってＴＥＣ４０を作動することを可能にする電気接点４４とを含む。この例では、直列に接続された４つのＴＥＣ４０があるが、熱電熱交換器部品１４は、それに限定されないことに留意されよう。熱電熱交換器部品１４は、任意の所望の様式で接続された任意の数の２つ以上のＴＥＣ４０を含んでもよい。例えば、ＴＥＣ４０のすべては、直列に接続されてもよい。別の例として、ＴＥＣ４０の２つ以上のサブセットは、並列に（例えば、１つのＴＥＣ４０の組が１つのＴＥＣ４０の組の別の組および２つのＴＥＣ４０の組と並列である）接続されてもよい。
【００４１】
熱電熱交換器部品１４はまた、ＴＥＣ４０の低温側上に熱拡散蓋４６を含む。熱拡散蓋４６は、高い熱伝導率を有する材料（複数可）（例えば、銅または銅アルミニウム）から形成される。熱拡散蓋４６は、低温側ヒートシンク２２（またはヒートスプレッダ３４）（図１および２）との平面接触を確実にするのに十分に小さいが、ＴＥＣ４０の低温側の小さい表面積からわずかな温度降下を有するはるかにより大きい熱界面面積に熱を拡散するのに十分に大きい。熱拡散蓋４６は、本体４８と、台座５０と、縁５２とを含む。台座５０は、熱拡散蓋４６の本体４８からＴＥＣ４０の低温側に向かって延在する。製造中、ＴＥＣ４０が回路基板３６に取り付けられた後、熱拡散蓋４６は、台座５０が穴３８を通って露出されたＴＥＣ４０の低温側と揃えられるように、ＴＥＣ４０の低温側上に位置決めされる。熱拡散蓋４６の台座５０は次に、熱界面材料を介して対応するＴＥＣ４０の低温側に熱的に結合される。熱界面材料は、任意の好適な熱界面材料である。一実施形態では、熱界面材料は、放熱グリースである。別の実施形態では、熱界面材料は、高い熱伝導率を有する、はんだである。
【００４２】
熱拡散蓋４６の台座５０は、熱拡散蓋４６の本体４８に対して同じ高さを有するように製造され、平面を有するように機械加工される。台座５０は、任意の好適な形状を取ることができる。一実施形態では、台座５０の各々は、平行六面体である。別の実施形態では、台座５０の各々は、錐台である。台座５０の辺部は、垂直または傾斜のいずれかである。傾斜辺部は、熱界面材料がＴＥＣ４０に向かうのではなく、台座５０の壁に沿って流れることを可能にするために使用され得る。例えば、一実施形態では、台座５０の辺部は、４５度の角度で傾斜される。台座５０とＴＥＣ４０の低温側との間の界面では、台座５０の各々の表面積は、対応する穴３８を通って露出された対応するＴＥＣ４０の低温側の表面積よりわずかに小さい（例えば、１〜１０パーセント未満）ことが好ましい。換言すれば、対応するＴＥＣ４０との界面における台座５０の各々の寸法は、対応するＴＥＣ４０の表面のものよりわずかに小さい。台座５０のわずかにより小さい表面積は、過剰な熱界面材料が対応するＴＥＣ４０の辺部（すなわち、脚部）ではなく台座５０上で収集することを確実にする。
【００４３】
熱拡散蓋４６の縁５２は、熱拡散蓋４６の周辺に延在する。縁５２は、熱拡散蓋４６の本体４８から回路基板３６に向かって延在する。詳細に後述されるように、回路基板３６の第２の表面（この例では、底面である）に対するＴＥＣ４０の高さは、例えば、製造における許容差、または製造、ＴＥＣ４０およびもしくは熱電熱交換器部品１４のプロセスにより変動することができる。例えば、回路基板３６の第２の表面に対するＴＥＣ４０の高さは、０．１〜３ミリメートル（ｍｍ）変動してもよい。熱拡散蓋４６の縁５２は、少なくとも所定の最小間隙が縁５２と回路基板３６との間にとどまることを確実にする高さを有する。後述されるように、縁５２と回路基板３６との間の間隙は、エポキシまたは類似の取り付け材料で充填され、それによって熱拡散蓋４６を回路基板３６に機械的に取り付ける。
【００４４】
この実施形態では、熱電熱交換器部品１４はまた、回路基板３６の第２の表面（この例では、底面である）上に位置決めされる絶縁プリフォーム５４を含む。絶縁プリフォーム５４は、例えば、プラスチック材料等の好適な熱的絶縁材料から形成される。絶縁プリフォーム５４は、絶縁プリフォーム５４が回路基板３６の第２の表面上に位置決めされるとき、熱拡散蓋４６が穴５６を通り抜け、絶縁プリフォーム５４が回路基板３６の第２の表面と直接接触するように、熱拡散蓋４６のものに対応する寸法を有する穴５６を含む。
【００４５】
同様に、熱電熱交換器部品１４はまた、ＴＥＣ４０の高温側上に熱拡散蓋５８を含む。熱拡散蓋５８は、高い熱伝導率を有する材料（複数可）（例えば、銅または銅アルミニウム）から形成される。熱拡散蓋５８は、高温側ヒートシンク２０（またはヒートスプレッダ３２）（図１および２）との平面接触を確実にするのに十分に小さいが、ＴＥＣ４０の高温側の小さい表面積からわずかな温度降下を有するはるかにより大きい熱界面面積に熱を拡散するのに十分に大きい。熱拡散蓋５８は、本体６０と、台座６２と、縁６４とを含む。台座６２は、熱拡散蓋５８の本体６０からＴＥＣ４０の高温側に向かって延在する。製造中、ＴＥＣ４０が回路基板３６に取り付けられた後、熱拡散蓋５８は、台座６２がＴＥＣ４０の高温側と揃えられるように、ＴＥＣ４０の高温側上に位置決めされる。熱拡散蓋５８の台座６２は次に、熱界面材料を介して対応するＴＥＣ４０の高温側に熱的に結合される。熱界面材料は、任意の好適な熱界面材料である。一実施形態では、熱界面材料は、放熱グリースである。別の実施形態では、熱界面材料は、高い熱伝導率を有する、はんだである。
【００４６】
熱拡散蓋５８の台座６２は、熱拡散蓋５８の本体６０に対して同じ高さを有するように製造され、平面を有するように機械加工される。台座６２は、任意の好適な形状を取ることができる。一実施形態では、台座６２の各々は、平行六面体である。別の実施形態では、台座６２の各々は、錐台である。台座６２の辺部は、垂直または傾斜のいずれかである。傾斜辺部は、熱界面材料がＴＥＣ４０に向かうのではなく、台座５０の壁に沿って流れることを可能にするために使用され得る。例えば、一実施形態では、台座６２の辺部は、４５度の角度で傾斜される。台座６２とＴＥＣ４０の高温側との間の界面では、台座６２の各々の表面積は、対応するＴＥＣ４０の高温側の表面積よりわずかに小さい（例えば、１〜１０パーセント未満）ことが好ましい。換言すれば、対応するＴＥＣ４０との界面における台座６２の各々の寸法は、対応するＴＥＣ４０の表面のものよりわずかに小さい。台座６２のわずかにより小さい表面積は、過剰な熱界面材料が対応するＴＥＣ４０の辺部（すなわち、脚部）ではなく台座６２上で収集することを確実にする。
【００４７】
熱拡散蓋５８の縁６４は、熱拡散蓋５８の周辺に延在する。縁６４は、熱拡散蓋５８の本体６０から回路基板３６に向かって延在する。詳細に後述されるように、回路基板３６の第１の表面（この例では、上面である）に対するＴＥＣ４０の高さは、例えば、製造における許容差、または製造、ＴＥＣ４０および／もしくは熱電熱交換器部品１４のプロセスにより変動することができる。例えば、回路基板３６の第１の表面に対するＴＥＣ４０の高さは、０．１〜０．３ｍｍ変動してもよい。熱拡散蓋５８の縁６４は、少なくとも所定の最小間隙が縁６４と回路基板３６との間にとどまることを確実にする高さを有する。後述されるように、縁６４と回路基板３６との間の間隙は、エポキシまたは類似の取り付け材料で充填され、それによって熱拡散蓋５８を回路基板３６に機械的に取り付ける。
【００４８】
この実施形態では、熱電熱交換器部品１４はまた、回路基板３６の第１の表面（この例では、上面である）上に位置決めされる絶縁プリフォーム６６を含む。絶縁プリフォーム６６は、例えば、プラスチック材料等の好適な熱的絶縁材料から形成される。絶縁プリフォーム６６は、絶縁プリフォーム６６が回路基板３６の第１の表面上に位置決めされるとき、熱拡散蓋５８が穴６８を通り抜け、絶縁プリフォーム６６が回路基板３６の第１の表面と直接接触するように、熱拡散蓋５８のものに対応する寸法を有する穴６８を含む。絶縁プリフォーム５４および６６は、高温側ヒートシンク２０と低温側ヒートシンク２２との間の熱短絡および熱漏洩を減少させるように動作する。加えて、絶縁プリフォーム５４および６６は、熱電熱交換器部品１４の耐久性を改善する比較的隆起のある構造である。最後に、絶縁プリフォーム５４および６６は、ネットワークまたはサービスに対して必要に応じて容易に取り外し可能である。図３の熱電熱交換器部品１４の折り畳まれた図が図４に示される。
【００４９】
任意の特定の利点によって限定されないが、熱拡散蓋４６および５８は、いくつかの利点を提供する。最初に、エポキシまたは類似の取り付け材料と組み合わされた熱拡散蓋４６および５８は、例えば、熱電熱交換器部品１４が高温側ヒートシンク２０および低温側ヒートシンク２２に取り付けられるとき、機械的な力からＴＥＣ４０を保護する。加えて、熱交換器１２の組み立て中に高温側ヒートシンク２０および低温側ヒートシンク２２をともにボルトで留めるとき、熱電熱交換器部品１４に相当な力が加えられてもよい。このような力は、一般には、ＴＥＣ４０を粉砕する。しかしながら、熱電熱交換器部品１４では、この力は、熱拡散蓋４６および５８、熱拡散蓋４６および５８の縁５２および６４と回路基板３６との間のエポキシまたは他の取り付け材料によって吸収される。このように、ＴＥＣ４０は保護される。
【００５０】
加えて、詳細に後述されるように、熱拡散蓋４６および５８は、熱拡散蓋４６および５８とＴＥＣ４０との間の界面における熱界面抵抗が最適化されることを可能にする。より具体的には、図５に示されるように、ＴＥＣ４０のうちの２つ以上の高さは変動してもよい。従来の技術を用いて高温側ヒートシンク２０および／または低温側ヒートシンク２２にＴＥＣ４０を取り付けることは、これらのより低いＴＥＣ４０と対応するヒートシンク２０、２２との間のより多くの量の熱界面材料があるため、より低いＴＥＣ４０に対して最適に満たない熱界面抵抗をもたらす。それに対して、熱拡散蓋４６および５８の構造は、熱拡散蓋４６および５８の配向（すなわち、傾斜）が熱界面材料（ＴＩＭ）７０、７２の厚さ、ひいては台座５０、６２とＴＥＣ４０の対応する表面との間の熱界面抵抗を最適化するように調節されることを可能にする。
【００５１】
この例では、ＴＥＣ１は、回路基板３６の第１の表面に対するＴＥＣ２の高さ（ｈ2）未満である回路基板３６の第１の表面に対する高さ（ｈ1）を有する。詳細に後述されるように、熱拡散蓋５８がＴＥＣ４０上に位置決めされるとき、熱拡散蓋５８の中心にボールポイント力（すなわち、ボールポイントを介して加えられた力）が加えられる。結果として、熱拡散蓋５８は、台座６２の各々と対応するＴＥＣ４０との間の熱界面材料７２の厚さを最適化する配向で安定する。
【００５２】
熱拡散蓋５８の縁６４の高さ（ｈL1）は、回路基板３６の第１の表面に対してＴＥＣ４０の高さの所定の許容差範囲を有する高さ（ｈ1およびｈ2）の任意の可能な組み合わせに対して、縁６４と回路基板３６との間の間隙（Ｇ1）が所定の最小間隙を超えるような高さである。所定の最小間隙は、０ではない値である。特定の一実施形態では、所定の最小間隙は、熱拡散蓋５８とＴＥＣ４０との間の所定の量の圧力または力を維持しながら、間隙（Ｇ1）を充填するエポキシ７４に必要とされる最小間隙である。具体的には、縁６４の高さ（ｈL1）は、回路基板３６の第１の表面に対するＴＥＣ４０の最小許容高さに、台座６２の高さを加え、熱界面材料７２の所定の最小高さを加え、熱拡散蓋５８の（ＴＥＣ４０の最小許容高さおよび最大許容高さの関数である）最大許容角度ならびに縁６４と最も近い台座６２との間の距離の関数であるいくつかの追加の値を加えたものより大きい。この実施形態では、熱拡散蓋５８の配向を調節することによって、熱界面材料７２の厚さ、ひいては熱界面抵抗は、ＴＥＣ４０の各々に対して最小化される。
【００５３】
同様に、ＴＥＣ１は、回路基板３６の第２の表面に対するＴＥＣ２の高さ（ｈ2’）を超える回路基板３６の第２の表面に対する高さ（ｈ1’）を有する。詳細に後述されるように、熱拡散蓋４６がＴＥＣ４０上に位置決めされるとき、熱拡散蓋４６の中心にボールポイント力（すなわち、ボールポイントを介して加えられた力）が加えられる。結果として、熱拡散蓋４６は、台座５０の各々と対応するＴＥＣ４０との間の熱界面材料７０の厚さを最適化する配向で安定する。
【００５４】
熱拡散蓋４６の縁５２の高さ（ｈL2）は、回路基板３６の第２の表面に対してＴＥＣ４０の高さの所定の許容差範囲を有する高さ（ｈ1’およびｈ2’）の任意の可能な組み合わせに対して、縁５２と回路基板３６との間の間隙（Ｇ2）が所定の最小間隙を超えるような高さである。所定の最小間隙は、０ではない値である。特定の一実施形態では、所定の最小間隙は、熱拡散蓋４６とＴＥＣ４０との間の所定の量の圧力または力を維持しながら、間隙（Ｇ2）を充填するエポキシ７６に必要とされる最小間隙である。具体的には、縁５２の高さ（ｈL2）は、回路基板３６の第２の表面に対するＴＥＣ４０の最小許容高さに、台座５０の高さを加え、熱界面材料７０の所定の最小高さを加え、熱拡散蓋４６の（ＴＥＣ４０の最小許容高さおよび最大許容高さの関数である）最大許容角度ならびに縁５２と最も近い台座５０との間の距離の関数であるいくつかの追加の値を加えたものより大きい。この実施形態では、熱拡散蓋４６の配向を調節することによって、熱界面材料７０の厚さ、ひいては熱界面抵抗は、ＴＥＣ４０の各々に対して最小化される。
【００５５】
図５の実施形態では、台座５０および６２の寸法は、台座５０および６２とＴＥＣ４０の対応する表面との間の界面におけるＴＥＣ４０の対応する表面の寸法よりわずかに小さい。したがって、熱拡散蓋４６および５８にボールポイント力を加えると、過剰な熱界面材料７０および７２は、台座５０および６２の辺部に沿って移動し、それによってＴＥＣ４０の脚部を熱的に短絡することができないようにされる。熱拡散蓋４６に加えられるあらゆる力が縁５２、エポキシ７６、および回路基板３６によって吸収され、それによってこれは、ＴＥＣ４０を保護することも指摘されるべきである。同様に、熱拡散蓋５８に加えられるあらゆる力が、縁６４、エポキシ７４、および回路基板３６によって吸収され、それによってこれは、ＴＥＣ４０を保護する。このように、熱拡散蓋４６および５８を有しない匹敵する熱交換器部品と比較してＴＥＣ４０を損なうことなく、熱電熱交換器部品１４に有意により均等および不均等な力が加えられ得る。
【００５６】
図６は、本開示の一実施形態による図３、４、および５の熱電熱交換器部品１４を製造するためのプロセスを示すフローチャートである。図示されるように、ＴＥＣ４０は、回路基板３６に最初に取り付けられる（ステップ１０００）。上述されるように、ＴＥＣ４０は、ＴＥＣ４０の臨界ではなく、または低温側であることが好ましいＴＥＣ４０の底面が穴３８を通って露出されるように、回路基板３６内の穴３８上の回路基板３６に取り付けられる。ＴＥＣ４０は、例えば、はんだ等の任意の好適な導電性材料を用いて回路基板３６に取り付けられる。加えて、熱界面材料７０、７２は、熱拡散蓋４６、５８の台座５０、６２、および／またはＴＥＣ４０の適切な表面に塗布される（ステップ１００２）。例えば、放熱グリースまたは放熱ペーストは、台座５０、６２の表面上にスクリーン印刷されてもよい。一実施形態では、ＴＥＣ４０の場合にはＴＥＣ４０の高温側である、ＴＥＣ４０の最も臨界側の熱界面材料７２は、はんだ材料であり、ＴＥＣ４０の場合には低温側である、ＴＥＣ４０の臨界ではない側の熱界面材料７０は、より適合した熱界面材料（例えば、放熱グリース）である。これは、ＴＥＣ４０のオン／オフサイクル中に典型的に見られる高温から低温への熱サイクル中の熱膨張係数（ＣＴＥ）不一致からの応力を緩和する。
【００５７】
次に、熱拡散蓋４６、５８は、台座５０、６２が対応するＴＥＣ４０と揃えられるようにＴＥＣ４０上に位置決めされる（ステップ１００４）。次に、熱拡散蓋４６、５８がＴＥＣ４０の各々に対して熱界面抵抗を最適化する配向または傾斜に安定するように、熱拡散蓋４６、５８の中心にボールポイント力が加えられる（ステップ１００６）。より具体的には、熱拡散蓋４６、５８の中心にボールポイント力を加えることによって、ボールポイント力は、熱拡散蓋４６、５８にわたって均等に分散される。結果として、熱拡散蓋４６、５８は、可能な限り最良に、ＴＥＣ４０の各々に対する熱界面材料７０、７２の厚さを最小化する配向で安定する。このように、熱界面抵抗がＴＥＣ４０のすべてにわたって最適化される。ボールポイント力の大きさは、特定の用途に対して最適化され得る。より具体的には、ボールポイント力の大きさは、熱界面材料７０、７２の所望の最小厚さがＴＥＣ４０も損なわない間に達成されるように選択され得る。この最適なボールポイント力は、ＴＥＣ４０の寸法、ＴＥＣ４０に使用される材料（複数可）、熱界面材料７０、７２の所望の最小厚さ、および熱界面材料７０、７２に使用される材料等のパラメータによって異なる。
【００５８】
最後に、熱拡散蓋４６、５８にボールポイント力をさらに加えながら、熱拡散蓋４６、５８の縁５２、６４と回路基板３６の対応する表面との間の間隙は、エポキシ７４、７６または類似の取り付け材料で充填される（ステップ１００８）。エポキシ７４、７６は、熱拡散蓋４６、５８を回路基板３６に機械的に取り付ける。ステップ１００２〜１００８は、熱拡散蓋４６および５８の各々に対して別々に実施されてもよく、あるいは、ステップ１００２〜１００８のいくつかのまたはすべては、熱拡散蓋４６および５８の両方に対して同時に実施されてもよいことに留意されよう。図６のプロセスが完了した後、絶縁プリフォーム５４および６６は、所望される場合、熱交換器１２の組み立て前または組み立て中のいずれかで図３および４に示されるように、回路基板３６の対応する表面上に直接位置決めされる。本明細書の考察は、熱拡散蓋４６および５８の両方を有する熱電熱交換器部品１４の実施形態に重点を置くが、熱電熱交換器部品１４は、熱拡散蓋４６および５８のうちの１つのみを含み得ることに留意されよう。しかしながら、熱拡散蓋４６および５８の両方を使用することは、完全にカプセル化された密封構造を提供する。
【００５９】
ここまでは、熱電熱交換器部品１４を含む熱交換器１２の実施形態に考察は重点を置いた。図７は、熱界面抵抗を減少させる熱交換器７８の別の実施形態を示す。この実施形態では、熱交換器７８は、低温側ヒートシンク８０と、高温側ヒートシンク８２と、低温側ヒートシンク８０と高温側ヒートシンク８２との間に配設された、いくつかのＴＥＣ８４とを含む。図示されるように、ＴＥＣ８４は、例えば、ＴＥＣ８４の製造プロセスにおける許容差により様々な高さを有する。ＴＥＣ８４の高温側は、熱界面材料８６を介して高温側ヒートシンク８２に熱的かつ機械的に結合され、ＴＥＣ８４の低温側は、熱界面材料８８を介して低温側ヒートシンク８０に熱的かつ機械的に結合される。ＴＥＣ８４の高温側は、ＴＥＣ８４の低温側によって排出された熱およびＴＥＣ８４自体によって生じた熱（すなわち、ＴＥＣ８４の電力消費により生じた熱）の両方を放散する。したがって、ＴＥＣ８４の高温側は、ＴＥＣ８４の臨界側と称される。しかしながら、熱電デバイスの他の用途に対して、熱電デバイスの低温側は、臨界側であり得ることに留意されよう。
【００６０】
この実施形態では、ＴＥＣ８４の高温側（すなわち、ＴＥＣ８４の臨界側）は、熱界面材料８６の最小厚さが各個々のＴＥＣ８４と高温側ヒートシンク８２との間で達成されるように、高温側ヒートシンク８２に取り付けられる。このように、個々のＴＥＣ８４の各々と高温側ヒートシンク８２との間の熱界面抵抗は最小化される。熱界面材料８６は、例えば、放熱グリースもしくはペースト、はんだ、伝熱パッド等の任意の好適な熱界面材料であり得る。さらに、高温側ヒートシンク８２（あるいは、ＴＥＣ８４と高温側ヒートシンク８２との間のヒートスプレッダ（複数可））は、ＴＥＣ８４を適所に保持する特徴を含んでもよい。一実施形態では、ＴＥＣ８４の低温側は、ＴＥＣ８４を高温側ヒートシンク８２に取り付ける間に露出され、したがって、ＴＥＣ８４の各々に力が個々に加えられ、これは、高温側ヒートシンク８２の表面の平坦度、ＴＥＣ８４の高温側の平坦度、および熱界面材料８６の材料特性にのみ依存するＴＥＣ８４の高温側と高温側ヒートシンク８２との間に一貫した最小ボンドラインまたは熱界面材料の厚さをもたらす。
【００６１】
低温側（すなわち、臨界ではない側）では、熱界面材料８８のボンドラインまたは厚さは、前述のパラメータのすべてならびにＴＥＣ８４の高さ変動の関数である。したがって、熱界面材料８８の厚さは、図示されるように、より高いＴＥＣ８４に対してよりも、より低いＴＥＣ８４に対してより大きい。一実施形態では、熱界面材料８８は、ＴＥＣ８４のうちの少なくともいくつかに対して熱界面材料８８の厚さの増加を少なくとも部分的にオフセットするために熱界面材料８６より高い熱伝導率を有する。
【００６２】
ＴＥＣとヒートシンクとの間の熱界面材料の厚さは、熱界面抵抗を最小化するために可能な限り薄いことが好ましい。ＴＥＣとヒートシンクとの間の熱界面材料の厚さの最小化は、ヒートシンクがＴＥＣに対して傾斜されないことを確実にすることによって少なくとも一部達成され得る。はるかにより大きいヒートシンク間に配設された小さいＴＥＣにより、これは、機械的課題であり得る。典型的に、これは、最小の熱界面材料の厚さを達成する十分な力でこの構造にわたって平行な表面を確実にする精巧かつ潜在的に高価な機械的構造を必要とする。
【００６３】
この点において、図８は、本開示の別の実施形態によるＴＥＣと対応するヒートシンクとの間の熱界面抵抗を最小化する熱交換器９０を示す。この実施形態では、熱交換器９０は、低温側ヒートシンク９２と、高温側ヒートシンク９４と、低温側ヒートシンク９２と高温側ヒートシンク９４との間に配設されたＴＥＣ９６とを含む。熱交換器９０はまた、所望の平面性および熱拡散を提供する別個の台座９８を含む。台座９８は、例えば、低温側ヒートシンク９２と高温側ヒートシンク９４との間の絶縁体の厚さがＴＥＣ９６の厚さを超える用途で所望され得ることに留意されよう。図示されるように、ＴＥＣ９６の高温側は、熱界面材料１００を介して高温側ヒートシンク９４に熱的かつ機械的に結合され、ＴＥＣ９６の低温側は、熱界面材料１０２を介して台座９８に熱的かつ機械的に結合され、台座９８は、熱界面材料１０４を介して低温側ヒートシンク９２に熱的かつ機械的に結合される。熱界面材料１００、１０２、および１０４は、任意の好適な熱界面材料であってもよい。さらに、熱界面材料１００、１０２、および１０４は、同じ熱界面材料であってもよく、あるいは、熱界面材料１００、１０２、および１０４のいくつかのまたはすべては、異なる熱界面材料であってもよい。
【００６４】
より多くの電力がＴＥＣ９６の高温側で排出されるため、台座９８は、図示されるようにＴＥＣ９６と低温側ヒートシンク９２との間であることが好ましい。台座９８の断面積は、低温側ヒートシンク９２のものよりもＴＥＣ９６の断面積により近く、これは同様に、平行度を達成することをはるかにより容易にする（例えば、台座９８は、組み合わせられたヒートシンクおよび台座より扱うことがより容易であり、したがって、所望の平面性を達成するためにより容易、正確、かつ精密に配置され得る）。台座９８は、ＴＥＣ９６と熱的接触する台座９８の表面が低温側ヒートシンク９２と熱的接触する台座９８の表面より小さいような台座であり得る。次いで、そのより大きいサイズにより、より低い熱界面抵抗を有する台座９８と低温側ヒートシンク９２との間に熱界面が存在する。一例として、台座９８は、例えば、円錐または錐体などの逆さまの錐台の形状であってもよい。さらに、台座９８は、任意の好適な高伝導材料から形成され得る。例えば、台座９８は、銅から形成されてもよく、低温側ヒートシンク９２は、アルミニウムから形成されてもよい。結果として、その形状および材料により台座９８内に熱拡散が存在する。台座９８、台座９８とＴＥＣ９６との間の界面、および低温側ヒートシンク９２は、熱拡散を改善するために最適化され得る。一実施形態では、ＴＥＣ９６への界面における台座９８の寸法は、ＴＥＣ９６のものと同じまたは実質的に同じであり、低温側ヒートシンク９２への界面における台座９８の寸法はより大きい。
【００６５】
当業者であれば、本開示の好ましい実施形態に対する改善および修正を認識するであろう。すべてのこのような改善および修正は、本明細書に開示される概念および後述する特許請求の範囲の範囲内と見なされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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