(57)【要約】熱電ヒートポンプカスケード、及び、その製造方法が、本明細書に開示される。いくつかの実施形態では、熱電ヒートポンプカスケードは、第１の段の回路基板に取り付けられた、第１の段の複数の熱電デバイスと、熱電デバイスと熱電デバイス上の熱拡散蓋との間の第１の段の熱界面材料とを含む。熱電ヒートポンプカスケード構成要素は、第２の段の回路基板に取り付けられた第２の段の複数の熱電デバイスであって、第２の段の複数の熱電デバイスが、第１の段の複数の熱電デバイスより大きいヒートポンプ容量を有する、第２の段の複数の熱電デバイスと、第２の段の複数の熱電デバイスと、第１の段の複数の熱電デバイスとの間の第２の段の熱界面材料とをも含む。このようにして、熱電デバイスの保護を可能にしつつ、より大きい温度差を達成することができ、設計を簡略化し、製品の信頼性を向上させる。
2020511792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の段の回路基板と、
前記第１の段の回路基板に取り付けられた、第１の段の複数の熱電デバイスと、
前記第１の段の複数の熱電デバイス上の第１の段の熱拡散蓋と、
前記第１の段の複数の熱電デバイスと前記第１の段の熱拡散蓋との間の第１の段の熱界面材料と、
第２の段の回路基板と、
前記第２の段の回路基板に取り付けられた、第２の段の複数の熱電デバイスであって、前記第２の段の複数の熱電デバイスが、前記第１の段の複数の熱電デバイスより大きいヒートポンプ能力を有する、前記第２の段の複数の熱電デバイスと、
前記第２の段の複数の熱電デバイスと、前記第１の段の複数の熱電デバイスとの間の、第２の段の熱界面材料とを備えた、熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項２】
前記第２の段の複数の熱電デバイス上に第２の段の熱拡散蓋をさらに備え、
前記第２の段の熱界面材料が、前記第２の段の熱拡散蓋と、第１の段の複数の熱電デバイスとの間にある、請求項１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項３】
前記第１の段の複数の熱電デバイスが、前記第２の段の複数の熱電デバイスと同数の熱電デバイスを含み、
前記第２の段の複数の熱電デバイスの各熱電デバイスが、前記第１の段の複数の熱電デバイスのそれぞれの熱電デバイスより大きいヒートポンプ能力を有することから、前記第２の段の複数の熱電デバイスが、前記第１の段の複数の熱電デバイスより大きいヒートポンプ能力を有する、請求項１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項４】
前記第１の段の複数の熱電デバイスが、前記第２の段の複数の熱電デバイスより少ない熱電デバイスを含む、請求項１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項５】
前記第２の段の複数の熱電デバイスの各熱電デバイスが、前記第１の段の複数の熱電デバイスの各熱電デバイスと同じヒートポンプ能力を有する、請求項４に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項６】
前記第１の段の複数の熱電デバイスの２つ以上が、前記第１の段の回路基板に対して異なる高さであり、
前記第１の段の熱拡散蓋の向きが、前記第１の段の熱界面材料の厚さが前記第１の段の複数の熱電デバイスに関して最適化されるような向きである、請求項１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項７】
前記第２の段の複数の熱電デバイスの２つ以上が、前記第２の段の回路基板に対して異なる高さであり、
前記第２の段の熱拡散蓋の向きが、前記第２の段の熱界面材料の厚さが前記第２の段の複数の熱電デバイスに関して最適化されるような向きである、請求項２に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項８】
前記第１の段の熱界面材料が、はんだと熱グリースからなる群から選択される、請求項１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項９】
前記第１の段の熱拡散蓋が、前記第１の段の熱拡散蓋の本体から、前記第１の段の熱拡散蓋の外周周りに延びるリップをさらに備える、請求項１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１０】
前記第１の段の熱拡散蓋の前記本体に対する前記リップの高さが、予め規定された公差の範囲内の、前記第１の段の複数の熱電デバイスの高さの任意の組合せに関し、少なくとも予め規定された最小の隙間が前記第１の段の熱拡散蓋の前記リップと、前記第１の段の回路基板の第１の表面との間に維持されるような高さであり、前記予め規定された最小の隙間が、ゼロより大きい、請求項９に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１１】
前記第１の段の熱拡散蓋の前記リップと、前記第１の段の熱拡散蓋の前記外周周りの、前記第１の段の回路基板の前記第１の表面との間の、前記少なくとも予め規定された最小の隙間を充填する、取付け材料をさらに備える、請求項１０に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１２】
前記第１の段の熱拡散蓋の前記リップ及び前記取付け材料が、前記第１の段の熱拡散蓋に印加された力を吸収し、それにより、前記第１の段の複数の熱電デバイスを保護するようになっている、請求項１１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１３】
前記取付け材料が、エポキシ及び樹脂からなる群から選択される、請求項１１に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１４】
前記第２の段の熱拡散蓋が、前記第２の段の熱拡散蓋の本体から、前記第２の段の熱拡散蓋の外周周りに延びるリップをさらに備える、請求項２に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１５】
前記第２の段の熱拡散蓋の前記本体に対する前記リップの高さが、予め規定された公差の範囲の、前記第２の段の複数の熱電デバイスの高さの任意の組合せに関し、少なくとも予め規定された最小の隙間が、前記第２の段の熱拡散蓋の前記リップと、前記第２の段の回路基板の第１の表面との間に維持されるような高さであり、前記予め規定された最小の隙間が、ゼロより大きい、請求項１４に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１６】
前記第２の段の熱拡散蓋の前記リップと、前記複数の前記第２の段の熱拡散蓋の前記外周周りの、前記第２段の回路基板の前記第１の表面との間の、前記少なくとも予め規定された最小の隙間を充填する、取付け材料をさらに含む、請求項１５に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１７】
前記第２の段の熱拡散蓋の前記リップ及び前記取付け材料が、前記第２の段の熱拡散蓋に印加された力を吸収し、それにより、前記第２の段の複数の熱電デバイスを保護するようになっている、請求項１６に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１８】
前記取付け材料が、エポキシ及び樹脂からなる群から選択される、請求項１６に記載の熱電ヒートポンプカスケード構成要素。
【請求項１９】
第１の段の複数の熱電デバイスを第１の段の回路基板に取り付けることと、
前記第１の段の複数の熱電デバイスと、第１の段の熱拡散蓋との間に、第１の段の熱界面材料を適用することと、
第２の段の複数の熱電デバイスを第２の段の回路基板に取り付けることと、
前記第１の段の複数の熱電デバイスと、前記第２の段の複数の熱電デバイスとの間に、第２の段の熱界面材料を適用することとを含む、熱電ヒートポンプカスケード構成要素の製造方法。
【請求項２０】
前記第２の段の複数の熱電デバイス上に第２の段の熱拡散蓋を取り付けることをさらに含み、
前記第２の段の熱界面材料を適用することが、前記第２の段の熱拡散蓋と前記第１の段の複数の熱電デバイスとの間に、前記第２の段の熱界面材料を適用することを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
[技術分野]
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年３月１０日に出願された、仮特許出願第６２／４６９，９９２号、及び、２０１７年３月１６日に出願された仮特許出願第６２／４７２，３１１号の利益を主張する。これらの開示は、本明細書により、参照することにより、その全体が、本明細書に組み込まれる。
開示の分野
本開示は、熱電デバイス及びその製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電デバイスは、特定の用途に応じて熱電クーラー（ＴＥＣ）または熱電発電機（ＴＥＧ）となり得る、ソリッドステートの半導体デバイスである。ＴＥＣは、ペルチェ効果を利用して、デバイスの一方側から他方側へ熱を伝導し、それによりデバイスの低温側で冷却効果を生じる、ソリッドステートの半導体デバイスである。熱伝導の方向は印加される電圧の極性によって決定されることから、熱電デバイスは、一般的に温度コントローラとして使用することができる。同様に、ＴＥＧは、ゼーベック効果を利用して、熱（すなわち、デバイスの一方側から他方側への温度差）を電気エネルギに直接変換する、ソリッドステートの半導体デバイスである。熱電デバイスは、少なくとも１つのＮタイプのレッグと、少なくとも１つのＰタイプのレッグとを含む。Ｎタイプのレッグ及びＰタイプのレッグは、熱電材料（すなわち、十分に強力な熱電特性を有する半導体材料）で形成されている。熱電冷却を生じさせるために、電流が、熱電デバイスに印加される。Ｎタイプのレッグ及びＰタイプのレッグにおける電流の移動方向は、熱電デバイス内での熱の移動方向に対応する。結果として、熱電デバイスの頂部表面において冷却が生じ、熱電デバイスの底部表面において熱が放出される。
【０００３】
熱電デバイスを使用する熱電システムが、非熱電システムに比べて有利である。その理由は、熱電システムには移動する機械部品がなく、耐用年数が長く、また、小型で柔軟な形状とすることができるためである。しかし、性能が向上し、耐用年数が延びた熱電デバイスに関する要求が依然として存在する。
【発明の概要】
【０００４】
熱電ヒートポンプカスケード、及び、その製造方法が、本明細書に開示される。いくつかの実施形態では、熱電ヒートポンプカスケード構成要素は、第１の段の回路基板に取り付けられた第１の段の複数の熱電デバイスと、第１の段の複数の熱電デバイスと、この第１の段の複数の熱電デバイス上の第１の段の熱拡散蓋との間の、第１の段の熱界面材料とを含む。熱電ヒートポンプカスケード構成要素は、第２の段の回路基板に取り付けられた第２の段の複数の熱電デバイスであって、第２の段の複数の熱電デバイスが、第１の段の複数の熱電デバイスより大きいヒートポンプ容量を有する、第２の段の複数の熱電デバイスと、第２の段の複数の熱電デバイスと第１の段の複数の熱電デバイスとの間の第２の段の熱界面材料とをも含む。このようにして、より大きい温度差を達成することができ、一方、ヒートポンプ内部のモジュール式のアプローチを使用することにより、熱電デバイスの保護が可能になり、設計が簡略化されて製造公差が積み重なる課題を軽減し、また、製品の信頼性を大きく向上させる。
【０００５】
いくつかの実施形態では、熱電ヒートポンプカスケード構成要素は、第２の段の複数の熱電デバイス上の第２の段の熱拡散蓋をも含み、第２の段の熱界面材料が、第２の段の熱拡散蓋と、第１の段の複数の熱電デバイスとの間にある。
【０００６】
いくつかの実施形態では、第１の段の複数の熱電デバイスは、第２の段の複数の熱電デバイスと同数の熱電デバイスを含んでおり、第２の段の複数の熱電デバイスの各熱電デバイスが、第１の段の複数の熱電デバイスのそれぞれの熱電デバイスより大きいヒートポンプ能力を有することから、第２の段の複数の熱電デバイスは、第１の段の複数の熱電デバイスより大きいヒートポンプ能力を有する。
【０００７】
いくつかの実施形態では、第１の段の複数の熱電デバイスは、第２の段の複数の熱電デバイスより少ない熱電デバイスを含む。いくつかの実施形態では、第２の段の複数の熱電デバイスの各熱電デバイスは、第１の段の複数の熱電デバイスの各熱電デバイスと同じヒートポンプ能力を有する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、第１の段の複数の熱電デバイスの２つ以上が、第１の段の回路基板に対して異なる高さであり、第１の段の熱拡散蓋の向きが、第１の段の熱界面材料の厚さが、第１の段の複数の熱電デバイスに関して最適化されるような向きである。
【０００９】
いくつかの実施形態では、第２の段の複数の熱電デバイスの２つ以上が、第２の段の回路基板に対して異なる高さであり、第２の段の熱拡散蓋の向きが、第２の段の熱界面材料の厚さが、第２の段の複数の熱電デバイスに関して最適化されるような向きである。
【００１０】
いくつかの実施形態では、第１の段の熱界面材料は、はんだまたは熱グリースである。
いくつかの実施形態では、第１の段の熱拡散蓋は、第１の段の熱拡散蓋の本体から、第１の段の熱拡散蓋の外周周りに延びるリップをも含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、第１の段の熱拡散蓋の本体に対するリップの高さが、予め規定された公差の範囲内にある、第１の段の複数の熱電デバイスの高さの任意の組合せに関し、少なくとも予め規定された最小の隙間が、第１の段の熱拡散蓋のリップと第１の段の回路基板の第１の表面との間に維持されるような高さであり、予め規定された最小の隙間は、ゼロより大きい。
【００１２】
いくつかの実施形態では、熱電ヒートポンプカスケード構成要素は、第１の段の熱拡散蓋のリップと、第１の段の熱拡散蓋の外周周りの第１の段の回路基板の第１の表面との間の、予め規定された最小の隙間を少なくとも充填する、取付け材料をも含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、第１の段の熱拡散蓋のリップ及び取付け材料は、第１の段の熱拡散蓋に印加された力を吸収し、それにより、第１の段の複数の熱電デバイスを保護するようになっている。いくつかの実施形態では、取付け材料は、エポキシまたは樹脂である。
【００１４】
いくつかの実施形態では、第２の段の熱拡散蓋は、第２の段の熱拡散蓋の本体から、第２の段の熱拡散蓋の外周周りに延びるリップをも含む。
いくつかの実施形態では、第２の段の熱拡散蓋の本体に対するリップの高さが、予め規定された公差の範囲内にある、第２の段の複数の熱電デバイスの高さの任意の組合せに関し、少なくとも予め規定された最小の隙間が、第２の段の熱拡散蓋のリップと、第２の段の回路基板の第１の表面との間に維持されるような高さであり、予め規定された最小の隙間は、ゼロより大きい。
【００１５】
いくつかの実施形態では、熱電ヒートポンプカスケード構成要素は、第２の段の熱拡散蓋のリップと、複数の第２の段の熱拡散蓋の外周周りの第２段の回路基板の第１の表面との間の、予め規定された最小の隙間を少なくとも充填する、取付け材料をも含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、第２の段の熱拡散蓋のリップ及び取付け材料は、第２の段の熱拡散蓋に印加された力を吸収し、それにより、第２の段の複数の熱電デバイスを保護するようになっている。いくつかの実施形態では、取付け材料は、エポキシまたは樹脂である。
【００１７】
いくつかの実施形態では、熱電ヒートポンプカスケード構成要素の製造方法は、第１の段の複数の熱電デバイスを第１の段の回路基板に取り付けることと、第１の段の複数の熱電デバイスと第１の段の熱拡散蓋との間に、第１の段の熱界面材料を適用することとを含む。本方法は、第２の段の複数の熱電デバイスを第２の段の回路基板に取り付けることと、第１の段の複数の熱電デバイスと第２の段の複数の熱電デバイスとの間に、第２の段の熱界面材料を適用することも含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、本製造方法は、第２の段の複数の熱電デバイス上に第２の段の熱拡散蓋を取り付けることをも含み、第２の段の熱界面材料を添付することが、第２の段の熱拡散蓋と第１の段の複数の熱電デバイスとの間に、第２の段の熱界面材料を適用することを含む。
【００１９】
当業者は、添付図面に関連付けて、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、本開示の範囲を理解し、本開示のさらなる態様を認識するであろう。
本明細書に組み込まれるとともに、本明細書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、また、記載とともに、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本開示のいくつかの実施形態に係る、冷却チャンバと、低温側ヒートシンクと高温側ヒートシンクとの間に配置された少なくとも１つの熱電モジュール（ＴＥＭ）を含む熱交換器と、ＴＥＭを制御するコントローラとを有する電熱冷却システムの図である。
【図２】熱電構成要素（ＴＥＣ）の側面図である。
【図３】熱電熱交換モジュールの側面図である。
【図４】本開示のいくつかの実施形態に係る、熱電モジュールを有する複数プリントされた回路基板を使用した、熱電ヒートポンプカスケードを示す図である。
【図５】本開示のいくつかの実施形態に係る、２つの段で同じタイプの熱電モジュールを使用した熱電ヒートポンプカスケードを示す図である。
【図６】本開示のいくつかの実施形態に係る、３つの段で同じタイプの熱電モジュールを使用した熱電ヒートポンプカスケードを示す図である。
【図７】本開示のいくつかの実施形態に係る、２つの段の各々で異なるタイプの熱電モジュールを使用した熱電ヒートポンプカスケードを示す図である。
【図８】本開示のいくつかの実施形態に係る、図４の熱電モジュールを有する複数プリントされた回路基板を使用した、熱電ヒートポンプカスケードの製造のためのプロセスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に説明される実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にするのに必要な情報を示すとともに、実施形態を実施する最良の形態を示す。添付図面に照らして以下の詳細な説明を読むことで、当業者は、本開示の概念を理解し、本明細書で特に述べられていないそれら概念の適用例を認識するであろう。これらの概念及び適用例は、本開示及び添付図面の範囲内にあることを理解されたい。
【００２２】
第１、第２などの用語が本明細書において、様々な要素を記載するために使用される場合があるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるものではないことを理解されたい。これらの用語は、もっぱら、１つの要素を別のものから区別するために使用される。たとえば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素は、第２の要素と称することができ、また、同様に、第２の要素は、第１の要素と称することができる。本明細書で使用される場合、「及び／または」という用語は、関連する列挙された項目の１つまたは複数の、いずれかまたはすべての組合せを含む。
【００２３】
「〜の下」、または「〜の上」、または「上の」、または「下の」、または「水平の」、または「垂直の」などの相対語は、本明細書において、図に示す１つの要素、層、または領域の、別の要素、層、または領域に対する関係を記載するために使用され得る。これらの用語及び上述の用語は、図に示す向きに加え、デバイスの異なる向きを包含することが意図されていることを理解されたい。
【００２４】
本明細書に使用される用語は、特定の実施形態を記載することのみを目的として使用されるものであり、本開示を限定することが意図されるものではない。本明細書に使用される場合、単数の形態「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が別様に明確に示していない限り、複数の形態も含むことが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合、述べられた特徴、完全体、ステップ、操作、要素、及び／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／またはそれらの集合の存在または追加を除外しないことを、さらに理解されたい。
【００２５】
別様に規定されていない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本開示が属する分野の当業者によって一般的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、本明細書の文脈及び関連技術におけるその用語の意味に合う意味を有するものと解釈されるものとし、完全なものとされるか、過度に形式的な意味では解釈されることは、本明細書においてそのように明確に規定されていない限りはないことをさらに理解されたい。
【００２６】
図１は、本開示のいくつかの実施形態に係る、冷却チャンバ１２と、低温側ヒートシンク２０と高温側ヒートシンク１８との間に配置された、少なくとも１つの熱電モジュール（ＴＥＭ）２２（本明細書では、単一のＴＥＭ２２として、または、複数のＴＥＭ２２として参照される）を含む熱交換器１４と、ＴＥＭ２２を制御するコントローラ１６とを有する熱電冷却システム１０の図である。ＴＥＭ２２が冷却のために使用される場合、ＴＥＭ２２は、時には、熱電クーラー（ＴＥＣ）２２と称される場合がある。
【００２７】
ＴＥＭ２２は、好ましくは薄いフィルムのデバイスである。１つまたは複数のＴＥＭ２２がコントローラ１６によって作動される場合、作動されるＴＥＭ２２は、高温側ヒートシンク１８を加熱するとともに、低温側ヒートシンク２０を冷却するように作動し、それにより、冷却チャンバ１２から熱を抽出するように、熱伝導を促す。より具体的には、本開示のいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数のＴＥＭ２２が作動する場合、高温側ヒートシンク１８は加熱され、それにより、蒸発器を形成し、低温側ヒートシンク２０は冷却され、それにより、凝縮器を形成する。
【００２８】
凝縮器としで作動して、低温側ヒートシンク２０は、低温側ヒートシンク２０に結合された受領ループ２４を介して、冷却チャンバ１２からの熱の抽出を促進する。受領ループ２４は、熱電冷却システム１０の内壁２６に熱的に結合されている。内壁２６は、冷却チャンバ１２を規定している。一実施形態では、受領ループ２４は、内壁２６に組み込まれているか、内壁２６の表面上に直接組み込まれている。受領ループ２４は、冷却媒体（たとえば、２相冷却液）が受領ループ２４を通って流れるか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形成されている。受領ループ２４と内壁２６との熱的な結合に起因して、冷却媒体は、冷却媒体が受領ループ２４を通って流れる際に、冷却チャンバ１２から熱を抽出する。受領ループ２４は、たとえば、銅のチューブ、プラスチックのチューブ、ステンレス鋼のチューブ、アルミニウムのチューブなどで形成され得る。
【００２９】
蒸発器としで作動して、高温側ヒートシンク１８は、高温側ヒートシンク１８に結合された排出ループ２８を介して、冷却チャンバ１２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、または外層に熱的に結合されている。
【００３０】
冷却チャンバ１２から熱を除去するための熱的プロセスまたは機械的プロセスは、さらには論じられない。さらに、図１に示す熱電冷却システム１０は、ＴＥＭ２２の使用及び制御の特定の実施形態に過ぎないことに留意されたい。本明細書に論じられるすべての実施形態は、熱電冷却システム１０、及び、ＴＥＭ２２の任意の他の用途に適用されるものとして理解されるものとする。
【００３１】
引き続き、図１に示す例示的実施形態において、コントローラ１６は、冷却チャンバ１２内の所望の温度設定点を維持するために、ＴＥＭ２２を制御するように動作する。概して、コントローラ１６は、所望の温度設定点を維持するために、ＴＥＭ２２を選択的に作動／停止するように、ＴＥＭ２２に提供される電力量を選択的に制御するように、及び／または、ＴＥＭ２２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、好ましい実施形態では、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２のサブセットの１つまたは複数、及び、いくつかの実施形態では、ＴＥＭ２２の２つ以上のサブセットを、別々に、または個別に制御することが可能にされており、ここで、各サブセットは、１つまたは複数の異なるＴＥＭ２２を含む。したがって、一実施例として、４つのＴＥＭ２２が存在する場合、コントローラ１６は、第１の個別のＴＥＭ２２、第２の個別のＴＥＭ２２、及び、２つのＴＥＭ２２の集合を別々に制御することを可能にされ得る。この方法により、コントローラ１６は、たとえば、必要性によって決定されるように、１つ、２つ、３つ、または４つのＴＥＭ２２を個別に、最大の効率で、選択的に作動させることができる。
【００３２】
熱電冷却システム１０は例示的な実施態様に過ぎず、本明細書に開示のシステム及び方法は、熱電デバイスの他の用途にも適用可能であることに留意されたい。
ＴＥＭ２２などの一般的な熱電デバイスが、図２に示されている。熱電デバイスは、一般に低温ヘッダ３２−１及び高温ヘッダ３２−２と呼ばれる、２つのヘッダ３２と、各ヘッダにはんだ付けされている一連のレッグ３４とで構成されている。いくつかの実施形態では、ヘッダ３２は、セラミックで形成されている。熱電デバイスが作動する際、熱が、低温ヘッダ３２−１から高温ヘッダ３２−２に移動し、ヘッダ３２間に温度差を生じる。この温度差は、各ヘッダの熱膨張及び収縮を生じる。
【００３３】
薄いフィルムの熱電デバイス間の熱的界面材料の熱抵抗を最小にしつつ、薄いフィルムの熱電デバイスを機械的負荷から保護もするためのシステム及び方法に関する要求が存在する。
【００３４】
米国特許第８，８９３，５１３号は、保護のための熱拡散蓋、及び、最適な熱的界面抵抗で、回路基板上に複数の熱電デバイスを封止する方法を詳述している。この文献の開示は、本明細書により、その全体が、参照することにより、本明細書に組み込まれる。この方法は、様々な用途に有利であるが、設計により、複数の界面及び構成要素が必要とされている。
【００３５】
図３は、図１に示す熱交換器１４などの熱電熱交換モジュールの側面図である。熱拡散蓋４６及び５８により、熱拡散蓋４６及び５８と、ＴＥＣ４０との間の界面における熱的界面抵抗を最適にすることができる。より具体的には、図３に示すように、２つ以上のＴＥＣ４０の高さが変化する場合がある。ＴＥＣ４０を高温側ヒートシンク１８及び／または低温側ヒートシンク２０に取り付けるために従来技術を使用すると、短いＴＥＣ４０では、最適な熱的界面抵抗とはならない。その理由は、それらの短いＴＥＣ４０と、対応するヒートシンク１８、２０との間に、より多くの熱的界面材料が存在するためである。対照的に、熱拡散蓋４６及び５８の構造により、熱拡散蓋４６及び５８の向き（すなわち、傾斜）を調整して、台座５０、６２と、対応するＴＥＣ４０の表面との間の、熱界面材料（ＴＩＭ）７０、７２の厚さ、そしてひいては、熱的界面抵抗を最適にするようにできる。
【００３６】
この実施例では、ＴＥＣ１は、回路基板３６の第１の表面に対して、回路基板３６の第１の表面に対するＴＥＣ２の高さ（ｈ２）未満の高さ（ｈ１）を有する。以下に詳細に論じるように、熱拡散蓋５８がＴＥＣ４０上に配置されると、ボールポイントの力（すなわち、ボールポイントを介して印加される力）が、熱拡散蓋５８の中心に印加される。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の厚さを最適にする向きで配置される。
【００３７】
熱拡散蓋５８のリップ６４の高さ（ｈＬ１）は、回路基板３６の第１の表面に対するＴＥＣ４０の高さに関する、予め規定された公差の範囲の、高さ（ｈ１及びｈ２）の任意の可能性のある組合せに関し、リップ６４と回路基板３６との間の隙間（Ｇ１）が、予め規定された最小のギャップより大きいような高さである。予め規定された最小の隙間は、ゼロではない値である。１つの特定の実施形態では、予め規定された最小の隙間は、熱拡散蓋５８とＴＥＣ４０との間の、予め規定された量の圧力または力を維持しつつ、エポキシ及び／または樹脂７４が隙間（Ｇ１）を充填するために必要な最小の隙間である。具体的には、リップ６４の高さ（ｈＬ１）は、回路基板３６の第１の表面に対する、ＴＥＣ４０の、可能な最小の高さと、台座６２の高さと、熱界面材料７２の予め規定された最小の高さと、いくつかの追加の値との合計より大きい。このいくつかの追加の値は、（ＴＥＣ４０の可能な最小の高さ及び可能な最大の高さの関数である）熱拡散蓋５８の、可能な最大の角度と、リップ６４と、もっとも近い台座６２との間の距離との関数である。この実施形態では、熱拡散蓋５８の向きを調整することにより、ＴＥＣ４０の各々に関する、熱界面材料７２の厚さ、そしてひいては、熱的界面抵抗が、最小にされる。
【００３８】
同様の方式で、ＴＥＣ１は、回路基板３６の第２の表面に対して、回路基板３６の第２の表面に対するＴＥＣ２の高さ（ｈ２’）より大きい高さ（ｈ１’）を有する。以下に詳細に論じるように、熱拡散蓋４６がＴＥＣ４０上に配置されると、ボールポイントの力（すなわち、ボールポイントを介して印加される力）が、熱拡散蓋４６の中心に印加される。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の厚さを最適にする向きで配置される。
【００３９】
熱拡散蓋４６のリップ５２の高さ（ｈＬ２）は、回路基板３６の第２の表面に対するＴＥＣ４０の高さに関する、予め規定された公差の範囲の、高さ（ｈ１’及びｈ２’）の任意の可能性のある組合せに関し、リップ５２と回路基板３６との間の隙間（Ｇ２）が、予め規定された最小のギャップより大きいような高さである。予め規定された最小の隙間は、ゼロではない値である。１つの特定の実施形態では、予め規定された最小の隙間は、熱拡散蓋４６とＴＥＣ４０との間の、予め規定された量の圧力または力を維持しつつ、エポキシ及び／または樹脂７６が隙間（Ｇ２）を充填するために必要な最小の隙間である。具体的には、リップ５２の高さ（ｈＬ２）は、回路基板３６の第２の表面に対する、ＴＥＣ４０の、可能な最小の高さと、台座５０の高さと、熱界面材料７０の予め規定された最小の高さと、いくつかの追加の値との合計より大きい。このいくつかの追加の値は、（ＴＥＣ４０の可能な最小の高さ及び可能な最大の高さの関数である）熱拡散蓋４６の、可能な最大の角度と、リップ５２と、もっとも近い台座５０との間の距離との関数である。この実施形態では、熱拡散蓋４６の向きを調整することにより、ＴＥＣ４０の各々に対する、熱界面材料７０の厚さ、そしてひいては、熱的界面抵抗が、最小にされる。
【００４０】
図３の実施形態では、台座５０及び６２の寸法は、台座５０及び６２と、対応するＴＥＣ４０の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である。したがって、ボールポイントの力を熱拡散蓋４６及び５８に印加する際、過剰の熱界面材料７０及び７２は、台座５０及び６２の縁部に沿って移動し、また、それにより、ＴＥＣ４０のレッグが熱的にショートすることが防止される。熱拡散蓋４６に印加されるあらゆる力が、リップ５２、エポキシ及び／または樹脂７６、ならびに回路基板３６によって吸収され、それにより、ＴＥＣ４０を保護することも留意されたい。同様に、熱拡散蓋５８に印加されるあらゆる力が、リップ６４、エポキシ及び／または樹脂７４、ならびに回路基板３６によって吸収され、それにより、ＴＥＣ４０を保護する。このようにして、かなりより大きい、均一である力、及び不均一な力を、熱拡散蓋４６及び５８を伴わない同等の熱交換器構成要素と比較して、ＴＥＣ４０に損傷を生じることなく、熱電熱交換器構成要素１４に印加することができる。
【００４１】
米国特許第８，８９３，５１３号は、保護のための熱拡散蓋、及び、最適な熱的界面抵抗で、回路基板上に複数の熱電デバイスを封止する方法を詳述している。本方法が、様々な用途には十分であるが、この設計は、単一段のＴＥＣモジュールの容量に基づき、温度範囲（ＤＴｍａｘ）が制限される。
【００４２】
熱電ヒートポンプカスケード、及びその製造方法が本明細書に開示される。図４に示すように、熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８は、第１の段の回路基板８２−１に取り付けられた第１の段の複数の熱電デバイス８０−１と、この第１の段の複数の熱電デバイス８０−１と、この第１の段の複数の熱電デバイス８０−１上の第１の段の熱拡散蓋８６−１との間の、第１の段の熱界面材料８４−１とを含む。熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８は、第２の段の回路基板８２−２に取り付けられた第２の段の複数の熱電デバイス８０−２であって、第２の段の複数の熱電デバイス８０−２が、第１の段の複数の熱電デバイス８０−１より大きいヒートポンプ容量を有する、第２の段の複数の熱電デバイス８０−２と、この第２の段の複数の熱電デバイス８０−２と、第１の段の複数の熱電デバイス８０−１との間の第２の段の熱界面材料８４−２も含む。このようにして、より大きい温度差を達成することができ、一方、熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８内部でモジュール式のアプローチを使用することにより、熱電デバイス（８０−１及び８０−２）の保護が可能になり、設計を簡略化して、製造公差が積み重なる課題を軽減し、また、製品の信頼性を大きく向上させる。図４は、２つの段の熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８を示しているが、この構成要素は、設計の用途及び必要に応じて、内部により多くの回路基板８２を有するように、容易に拡大することができる。
【００４３】
図４は、第２の段の複数の熱電デバイス８０−２の上方の、任意の第２の段の熱拡散蓋８６−２を示している。この第２の段の熱拡散蓋８６−２が使用される場合、第２の段の熱界面材料８４−２は、第２の段の熱拡散蓋８６−２と、第１の段の複数の熱電デバイス８０−１との間にある。
【００４４】
図４は、任意の取付け材料８８をも示している。この取付け材料８８は、第１の段の熱拡散蓋８６−１のリップと、第１の段の熱拡散蓋８６−１の外周周りの第１の段の回路基板８２−１の第１の表面との間の隙間を少なくとも充填している。いくつかの実施形態では、この取付け材料は、エポキシまたは樹脂とすることができる。
【００４５】
いくつかの実施形態では、各回路基板８２は、電力のための、いくつかのタイプの外部の入力／出力を有する。より低い段によって抽出する必要がある追加の熱を相殺するために、異なる段は、カスケードのアプローチを可能にするために、同じ熱電デバイスのタイプの、異なる数量、または、熱電デバイスの数量が同じである、異なる熱電デバイスのタイプを有することになる。
【００４６】
図５は、本開示のいくつかの実施形態に係る、２つの段で同じタイプの熱電デバイス８０を使用した、熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８を示す図である。図５は、図４からの他のヒートポンプ材料すべてを示さず、基本的な構造を示している。カスケードの方法は、より多くのエネルギをポンピングするために、下の段の各々が、その上の段より多くの熱電デバイス８０を有することによって可能になる。具体的には、第１の段の回路基板８２−１は、合計で２つの第１の段の熱電デバイス８０−１を有し、一方、第２の段の回路基板８２−２は、合計で３つの第２の段の熱電デバイス８０−２を有する。このことは、第１の段が除去する熱を、第１の段によって生成される追加の熱とともに、第２の段が除去することを可能にする。
【００４７】
上述のように、この熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８は、設計の用途及び要請に応じて、内部のより多くの回路基板８２のために、容易に拡大することができる。図６は、本開示のいくつかの実施形態に係る、３つの段で同じタイプの熱電デバイス８０を使用した熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８を示す図である。図５と同様に、第１の段の回路基板８２−１は、合計で２つの第１の段の熱電デバイス８０−１を有し、一方、第２の段の回路基板８２−２は、合計で３つの第２の段の熱電デバイス８０−２を有する。追加の第３の段は、合計で４つの第３の段の熱電デバイス８０−３を有する、第３の段の回路基板８２−３を含む。これら数は、説明のためのものに過ぎない。
【００４８】
上述のように、異なる段は、異なるタイプの熱電デバイス８０とすることにより、より大きいヒートポンプ能力を有することもできる。図７は、本開示のいくつかの実施形態に係る、２つの段の各々で異なるタイプの熱電デバイス８０を使用した熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８を示す図である。図示のように、第１の段の回路基板８２−１は、合計で２つの、タイプＡの第１の段の熱電デバイス８０−１を有し、一方、第２の段の回路基板８２−２も、合計で２つの第２の段の熱電デバイス８０−２を有するが、これらはタイプＢである。この実施形態では、タイプＢの熱電デバイス８０−２は、第１の段が除去する熱を、第１の段によって生成される追加の熱とともに除去するように、より大きいヒートポンプ能力を有する。
【００４９】
異なるタイプの熱電デバイス８０（材料のタイプ、何学形状）を実現するための、多くの異なる設計技術が存在するが、重要なことは、より低い段が、その前の段よりも大きいエネルギ（Ｑ）を伝えることが可能でなければいけないことである。そうでなければ、論じられているタイプＢ（Ｑ）は、タイプＡ（Ｑ）をより大きくし、タイプＢの熱電デバイスが、所望の用途の条件下で、システム全体を通して伝えることが望まれているＱの量に加え、タイプＡの熱電デバイスによって生成されたエネルギを伝えることができるようにしなければならない。
【００５０】
図８は、本開示のいくつかの実施形態に係る、図４の熱電ヒートポンプカスケード構成要素７８の製造のためのプロセスを示す図である。最初に、第１の段の複数の熱電デバイス８０−１が、第１の段の回路基板８２−１に取り付けられる（ステップ１００）。次に、第１の段の熱界面材料８４−１が、第１の段の複数の熱電デバイス８０−１と、第１の段の熱拡散蓋８６−１との間に適用される（ステップ１０２）。第２の段の複数の熱電デバイス８０−２が、第２の段の回路基板８２−２に取り付けられる（ステップ１０４）。次いで、第２の段の熱界面材料８４−２が、第１の段の複数の熱電デバイス８０−１と、第２の段の複数の熱電デバイス８０−２との間に適用される（ステップ１０６）。
【００５１】
いくつかの実施形態では、本プロセスは、任意に、第２の段の複数の熱電デバイス８０−２の上方に、第２の段の熱拡散蓋８６−２を取り付けることを含む。この場合には、第２の段の熱界面材料８４−２は、第２の段の熱拡散蓋８６−２と、第１の段の複数の熱電デバイス８０−１との間に適用される。
【００５２】
当業者は、本開示の好ましい実施形態に対する改良及び変更を認識するであろう。そのような改良及び変更のすべては、本明細書に開示の概念、及び、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるものと見なされる。
【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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【国際調査報告】
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