热泵系统的制作方法

本发明涉及热泵。本发明特别地涉及热电热泵，尤其是热电制冷器。

背景技术：

热泵(尤其是固态热泵)的问题在于，在使用期间的热膨胀和收缩会损坏制造所述泵的材料。该问题通常随尺寸而加剧，因此这限制了热泵的尺寸及其有益性。例如，热电制冷器(tec)可包括在薄的陶瓷板之间的半导体叠层或等价的热抽吸元件的叠层。该陶瓷材料具有内部热膨胀的倾向，这会导致陶瓷破裂，这决定了生产热电制冷器(tec)所使用的陶瓷层的面积的最大尺寸。对于多层热电制冷器(tec)，该最大尺寸通常在45mmx45mm的范围。

对于陶瓷层尺寸的限制制约了以下半导体柱的数量，所述半导体柱可在层与层之间被安装成阵列，且最终限制了热电制冷器装置的最大热抽吸能力。在单个热电制冷器装置的热抽吸能力不足的应用中，可使用包括多个热电制冷器装置的热抽吸结构。然而，被冷却的装置的热膨胀和收缩会破坏热抽吸结构。

例如，在被冷却的装置为图像传感器的情况下，可并联使用多个热电制冷器装置来使该图像传感器散热。然而，当图像传感器被冷却时，它由于热收缩效应而收缩，这可能引起热抽吸结构的机械破裂，导致了冷却性能的退化或完全失效。

对于以下应用：待冷却装置需要在真空中操作，解决这些问题是复杂的，因为无法使用气体和润滑剂。

需要提供一种热泵系统来缓解上述问题。

技术实现要素：

本发明的第一方面提供了热泵系统的支撑组件，所述支撑组件包括：

多个平台，用于支撑至少一个相应的热泵；和

至少一个相应的支撑结构，用于支撑相应的所述平台中的一个，

其中，所述平台中的至少一个相对于所述平台中的至少另一个是可移动的。

优选地，每个平台相对于至少一个毗邻的平台是可移动的。

该支撑组件通常包括基底，其中所述至少一个相应的支撑结构中的至少一个相对于所述基底支撑相应平台。可选地，所述至少一个相应的支撑结构相对于所述基底支撑相应平台。优选地，所述至少一个相应的支撑结构用于允许相应平台相对于所述基底移动。

可选地，所述至少一个相应的支撑结构中的至少一个相对于至少另一个所述平台支撑相应平台。

优选地，所述至少一个相应的支撑结构是柔性地弹性的，以允许相应平台移动。

所述平台可以并排地放置，以形成复合平台。该复合平台可具有实质上平面的正面，其由所述平台的相应的正面组成。

每个平台与每个毗邻的平台在静止状态是邻接的或隔开的。

在优选的实施例中，所述至少一个相应的支撑结构保持所述相应平台在第一方向上与基底隔开，且用于允许相应平台在与所述第一方向垂直的至少另一个方向上移动。

通常，所述至少一个相应的支撑结构保持所述相应平台在第一方向上与基底隔开，且用于允许相应平台在与所述第一方向实质上平行的至少一个方向上移动。

在典型的实施例中，所述平台并非相互连接，但在可选择的实施例中，一个或多个平台可以(优选地以允许相对移动的方式)被连接至一个或多个毗邻的平台。

在优选实施例中，所述至少一个相应的支撑结构具有第一端和第二端，以及在该第一端和第二端之间的主体，所述主体优选地为柔性地弹性的。所述第一端可以连接至基底，且所述第二端可被连接至相应平台。或者，所述第一端可连接至相应平台，且所述第二端连接至另一个所述平台。

所述主体可成形为在第一端和第二端之间限定至少一个曲线部分。例如该主体可成形为在第一端和第二端之间限定一个或多个环。或者，该主体可在第一端和第二端之间包括波纹部分，或可以为直线。

在优选实施例中，所述至少一个相应的支撑结构包括管道。

通常，每个平台设置有所述相应的支撑结构中的至少两个。

在优选实施例中，该支撑组件构成了散热系统。所述散热系统可包括冷却剂循环系统，通过所述冷却剂循环系统，使用中从冷却剂源接收的冷却剂经由所述平台被送回至冷却剂槽，优选地穿过所述平台。在这种情况下，所述至少一个相应的支撑结构可包括管道(任选地为一对同心的管道)，且相对于相应平台形成所述冷却剂循环系统的一部分。

任选地，每个平台包括至少一个相应的冷却剂分配通道，所述至少一个相应的支撑结构与所述冷却剂分配通道连接，用于将所述冷却剂运送至所述至少一个冷却剂输送通道，且将所述冷却剂从所述冷却剂输送通道送回。所述至少一个相应的支撑结构可包括至少一个支撑结构，用于将所述冷却剂输送至相应平台的所述至少一个冷却剂分配通道，和至少一个支撑结构，用于将所述冷却剂从所述至少一个冷却剂分配通道送回。

通常，所述散热系统包括连接至所述冷却剂循环系统的冷却剂输送歧管和冷却剂送回歧管，以使得所述冷却剂在使用时从所述冷却剂源被所述冷却剂输送歧管接收，通过所述循环系统循环流通，且通过所述送回歧管被送回至所述冷却剂槽。合宜地，在所述基底上或基底中设置有所述冷却剂输送歧管和冷却剂送回歧管中的至少一个，优选为两个都提供。

通常，所述至少一个以下支撑结构连接至所述输送歧管：所述支撑结构用于将所述冷却剂输送至相应平台的所述至少一个冷却剂分配通道，且至少一个以下支撑结构连接至所述送回歧管：所述支撑结构用于将所述冷却剂从所述至少一个冷却剂分配通道中送回。

在优选实施例中，每个平台运载至少一个相应的热泵。通常，每个所述的至少一个相应的热泵连接至待冷却的共同对象。所述共同对象可包括单个物体，如单个图像传感器，或物体的组合，如图像传感器的嵌接件。

通常，所述共同对象包括电子元件，例如图像传感器、微处理器或其它的集成电路，或机械元件，例如容器或两个或多个这种元件的组合。

在优选实施例中，每个平台运载单个相应的热泵。

优选地，所述热泵包括热电式热泵，特别是热电制冷器。通常，所述热电制冷器具有热侧和冷侧，所述热侧导热地连接至相应平台的正面。每个热电制冷器相应的冷侧通常导热地连接至待冷却的物体。

本发明的第二方面提供一种热泵系统，其包括根据本发明第一方面的支撑组件，其中每个平台运载至少一个相应的热泵，优选地单个相应的热泵。

在典型的实施例中，所述热泵系统包括真空外壳，所述支撑组件和热泵被置于所述外壳之内，且保持在真空环境下。

本发明的第三方面提供图像传感器组件，其包括本发明第二方面的热泵系统，其中优选地，每个热电制冷器相应的冷侧导热地连接至图像传感器。

在考虑以下具体实施例的描述并参照附图时，本发明进一步有益的方面将对于本领域普通技术人员是显而易见的。

附图说明

现将通过例子和参照附图来描述本发明的实施例，其中：

图1为体现本发明的热泵系统的立体图，图中所述系统与图像传感器组装的形式；

图2为图1中的热泵系统和图像传感器组件的侧视图；

图3为体现本发明第二方面的支撑组件的立体图，所述支撑组件是图1中的热泵系统的一部分；

图4为图3中的支撑组件的侧视图；

图5为图3中的支撑组件底侧的平面图；

图6a至图6f分别为作为图3的支撑组件中一部分的支撑结构的替代实施例的侧视图和端视图；

图7a为适用于本发明实施例的热电制冷器的俯视图；和

图7b为该热电制冷器的侧视图。

具体实施方式

现参考附图中的图1和图2，其中显示了了体现本发明的一个方面的热泵系统(一般由10表示)。所述热泵系统10与图像传感器12组装在一起被显示。在使用中，热泵系统通过将热量从图像传感器12的下侧抽出来冷却该传感器12。

所述图像传感器12可以是任意常规的类型。例如，所述图像传感器12可以是包括行间ccd图像传感器和电子倍增ccd传感器的电荷耦合装置(ccd)图像传感器、有源像素传感器、cmos图像传感器、系统化cmos(scmos)传感器、红外成像传感器或其它电子图像传感器。图像传感器12通常为成像装置的一部分，所述成像装置如相机或显微镜(未示出)。应理解，本发明不限于用于图像传感器，也可用于其它需要冷却的物体，特别地在环境温度以下的冷却，或相对大量的冷却，如需要主动冷却而不是被动冷却的冷却数量。例如，体现本发明的热泵系统和/或支撑组件可被用于结构体(如样品或试样的容器)，机械或电子元件或装置(如生物芯片、微处理器或其它集成电路)。有益地，单个结构体或物体由支撑组件支撑，所述支撑组件具有多个可以相对彼此移动的平台，在下文中有更详细的描述。单个结构体/物体可包括单个物品，如一个图像传感器，或可包括多个物品的组合，如(通常刚性地或实质上刚性地)连接在一起的多个图像传感器。

热泵系统10包括多个热泵14。在优选实施例中，所述热泵14为固态的热泵，通常为热电式热泵。热电式热泵也被称为热电模组(tems)或在执行冷却功能的应用中被称为热电制冷器(tecs)。在列举的实施例中，所述热泵14为tec(也被称为帕耳帖制冷器)。在可选的实施例中(未列出)，所述热泵14可为其它固态的热泵。

图7a和图7b示出了tec14的示例性实施例，其被用于列举的所述系统10的实施例。所述tec14包括热抽吸元件18的叠层16，每一层都设置在平板20之间。通常，每个热抽吸元件18包括p型半导体材料(如p-掺杂半导体碲化物颗粒)或n型半导体材料(如n-掺杂半导体碲化物颗粒)。每一层的热抽吸元件18配置为导热上彼此并联且电串联。每一层电连接至毗邻层。提供电端子22以用于通常借助电引线24将电力供应至所述热抽吸元件。所述平板20由导热且电绝缘材料制成，该材料通常为陶瓷材料。指定tec14的对立的面26、28为“热侧”26和“冷侧”28。当直流电流(dc)流过tec14时，热抽吸元件18的作用为将热量从冷侧28带至热侧，使得冷侧变得更冷而热侧变得更热。应理解，tec14可为任何其它适合的形式，如任何其它常规的tec，且不必需要具有多于一层的热抽吸元件。如图7a和图7b所示的tec14具有6层，仅用于举例；更普遍地，tec14可具有一层或多层。

再次参考图1和图2，tec14的冷侧28导热地连接至图像传感器12，通常连接至其背面。图像传感器12可通过任意适当的装置被安装在(通常为固定在)tec14上，所述装置可包括热传导层(未示出)，其包括：例如垫、粘合剂和/或焊料。通常，所述图像传感器12包括连接销(未示出)，其可通过任意适当的连接器(未示出)连接至设置在基底34上的对应的连接销(未示出)，所述连接器如电线或带状电缆，以将图像传感器12连接至电子系统(未示出)。

每个tec14的热侧26导热地连接至散热系统30。每个tec14可通过任意适当的工具被安装在(通常为固定在)散热系统30相应的表面，例如通过热传导层(未示出)，该热传导层包括：例如垫、粘合剂和/或焊料。在使用中，tec14将热量从图像传感器12转移至散热系统30，因此冷却图像传感器12。散热系统30处理从图像传感器12转移的热量，将在下文更详细地描述。

散热系统30被并入用于tec14的支撑组件32中。所述支撑组件32包括基底34和多个平台36。每个平台36通过一个或多个相应的支撑结构38连接至基底34。通常，至少在静止状态，平台36被并排地设置，通常地以二维阵列的形式，且优选地大致上彼此共面。平台36一起形成了复合平面，用于支撑tec14。至少在静止状态时，毗邻的平台36可彼此邻接，但它们也可以选择性地被分隔开。优选的布置为：平台36相应的正面37大致上彼此共面，因此提供具有大致上水平的表面的复合平台，在所述表面上安装有tec14。通常，每个平台36的形状上大致为长方体，或至少在纵向横截面上为矩形(如大致为正方形)，这有助于将它们布置成复合平台。在可选的实施例中，所述平台可为任意其他的规则或不规则形状。

在所描述的实施例中，有4个平台36，它们被布置成2x2的矩阵。在可选的实施例中，可有适合该应用的多于或少于4个的平台。通常，为每个tec14提供相应平台36，也就是每个平台有一个tec14。或者，多于一个的tec14可被安装在同一个平台36上，也就是每个平台有多于一个的tec14。

示出的基底34包括平板，但也可为任意其他的适当的形式，该适当的形式包括用于支撑平台的一个或多个结构。通常，所述基底34具有正面40，其被放置为大致上平行于复合平台，通常大致上平行于平台36的正面37。

因此在优选实施例中，平台36在基底34上通过支撑结构38被支撑，支撑结构38保持平台36使其与基底34在纵向上隔开，该纵向也就是在优选实施例中垂直于基底的正面40的方向。

平台36至少在一个或多个横向(垂直于纵向)方向上能够相对于彼此移动(且因此也能相对于基底34移动)，该横向方向也就是在优选实施例中实质上平行于基底34的正面40的方向。为此，优选地，平台36并没有相互连接。或者，平台36可通过任意连接装置彼此连接，所述装置如一个或多个弹性连接器或接头，其允许在平台36之间进行相对移动。在任意情况下，优选地所述平台相对于彼此可自由地移动。应理解，上述复合平台在静止状态时关联的特征将不适用于当一个或多个平台已相对于彼此移动的情况。

在可选的实施例中(未示出)，所述平台，或至少它们其中的一些，可被定位于与基底邻近，且相对于基底被一个或多个支撑结构支撑。在优选实施例中，包括示出的实施例，每个平台通过一个或多个相应的支撑结构被基底支撑。或者，平台中的一个或多个可通过一个或多个相应的支撑结构被基底支撑，其它的平台被由基底支撑的平台中的一个或多个所支撑，或者相互支撑，只要其它平台的至少一个被由基底支撑的平台中的一个或多个所支撑。在这些实施例中，所述由基底支撑的平台可通过支撑结构38中的一个或多个直接连接至基底。每个其它的平台可连接至其它平台中的一个或多个，通过连接器或其它连接方法方便地连接至一个或多个毗邻的平台，这些连接方法中的至少一个且任选地全部都允许相应平台之间能相对移动。因此，跨平台的连接优选地包括了可弯曲有弹性的连接器，如在此描述的支撑结构38。或者，在一些平台之间的连接，和/或在平台中的一个或多个与基底之间的连接，可以是刚性的。在任意情况下，至少一个平台相对于至少一个其他平台且相对于基底是可移动的，然而通常有多个平台相对于彼此且相对于基底是可移动的。通常，平台之间的移动是沿一个或多个横向方向上进行，如朝向彼此或背离彼此移动。在典型的实施例中，所述横向的方向实质上平行于图像传感器或其它被支撑的物体的主平面。可选地或附加地，该平台可沿纵向移动，如朝向或背离图像传感器或其它被支撑的物体移动。

如下文中更详细的描述，平台36形成散热系统30的一部分。为此，优选地，平台36由热传导材料(通常为金属，如铜)形成。所述支撑结构38可以是刚性的或半刚性的，且可以由任意方便的材料(如金属、塑料或复合材料)制成。通常，所述支撑结构38是充分柔性曲的且有弹性的，以有利于上述平台36的移动。此外，支撑结构38可以是充分柔性的且有弹性的，以允许相应平台36朝向和背离基底34移动，也就是在示出例子中的纵向方向上。

在优选实施例中，每个平台36被至少两个相应的支撑结构38支撑。

在典型的实施例中，为每个tec14提供相应平台36。在可选的实施例中，多于一个的tec14可被安装在平台的任意一个或多个上。

优选的支撑结构38具有连接至基底34的第一端和连接至相应平台36的第二端，以及在该第一端和第二端之间的主体。在优选实施例中，支撑结构38中的至少一个(优选地所有支撑结构38)的主体是直线的，或曲线的，或是两者的结合，且/或包括易于弯曲的部分。图6a至6f分别示出了合适的支撑结构38a至38f的例子，该支撑结构38a至38f的任意一个或多个可被用于支撑组件中或在体现本发明的热泵系统中。通常，给定的支撑组件的所有支撑结构38为同样的类型，然而它们也可以是不同的。尽管所述主体在第一端和第二端之间可以是直线的(未示出)，而优选地，支撑结构38的主体形状设置为在第一端和第二端之间限定有至少一个曲线部分。进一步优选地，所述支撑结构38的形状设置为在其第一端和第二端之间限定有一个或多个环。因此，所述曲线部分或每个曲线部分或成环部分位于基底34和平台36之间。所述曲线部分或每个曲线部分，且特别地所述环或每个环，可被实质上放置在平行于、倾斜于或垂直于所述复合平台的正面的平面中。图6d示出了在第一端和第二端之间的具有波纹部分的结构。

有益地，所列举的实施例，和其它类似的结构，提高了支撑结构弹性弯曲的能力，这有利于平台36的理想移动。在优选实施例中，所述支撑结构38形成了散热系统30的一部分，且为此每个支撑结构38(特别是其主体)都包括管道。在这些实施例中，优选地管道38由热传导材料(一般为金属，如铜)制成。

特别地，参考图4和图5，散热系统30进一步包括了冷却剂输送歧管42和冷却剂送回歧管44。每个歧管42、44可包括分别形成在基底34(如在图示的基底板中)或平台36中的一个或多个通道46、48，和/或可包括分别形成基底34或基底34的一部分或平台36的一个或多个管道。在图示的实施例中，输送歧管42包括成为基底34的一部分且定位于基底板下方的管道，而送回歧管44包括形成在平台中的通道。输送歧管42具有用于连接至冷却剂源(未示出)的入口50，所述冷却剂一般为水，但也可以根据需要采用任意其它合适的流体。送回歧管44具有用于连接至冷却剂的槽(未显示)的出口52。冷却剂源和冷却剂槽形成了冷却剂运输和送回系统(未示出)的一部分，所述系统通常包括一个或多个泵(未示出)和管道(未示出)，用于将冷却剂从冷却剂源输送到散热系统30，并将冷却剂从散热系统送回至冷却剂槽。在可选的实施例中，所述冷却剂可通过对流而不是抽吸的方式进行循环流通。冷却剂源和冷却剂槽可以普通的蓄水池(未示出)运作，也就是使得冷却剂再循环至散热系统30，或从散热系统30再循环。

所述输送歧管42具有相应的出口54，该出口54用于每个平台36的至少一个支撑结构38，相应的支撑结构38的第一端连接至相应的出口54，以使得冷却剂可从歧管42流入支撑结构38中。所述送回歧管44具有相应的入口56，该入口56用于每个平台36的至少一个其他的支撑结构38，相应的支撑结构38的第一端连接至相应的入口56，以使得冷却剂可从支撑结构38流入歧管44中。在优选实施例中，于每个平台36有至少一个用于将冷却剂输送至该平台的支撑结构38，和至少一个用于将冷却剂从平台36送回的其他支撑结构。在所示的实施例中，有两个用于将冷却剂输送至每个平台的支撑结构38和两个用于将冷却剂从平台36送回的其他的支撑结构。在可选的实施例中，可以有多于两个的用于将冷却剂输送至每个平台的支撑结构和多于两个的用于将冷却剂从平台送回的其他支撑结构。仍可选地，可设置一个或多个支撑结构以用于同时将冷却剂输送至相应平台，又将冷却剂从相应平台送回，这样的支撑结构被配置成，例如，内部隔开的，以提供至少一个输送通道和至少一个送回通道(未示出)。例如，每个平台可具有相应的支撑结构，所述支撑结构包括同心的管道，其中外部管道和内部管道的其中一个将冷却剂运至平台，而另一个将冷却剂从平台中送回。

具体参考图4，每个平台36设置有一个或多个具有至少一个入口62和至少一个出口64的冷却剂分配通道60。特别地，每个分配通道60具有针对每个支撑结构38的相应的入口62，该入口62用于将冷却剂输送至平台36，和针对每个支撑结构38的相应的出口，该出口用于将冷却剂从平台36送回。在所示出的实施例中，每个平台36具有两个通道60(只有一个是可见的)，每个通道都有一个入口62和一个出口64。按照需求，可提供更多或更少的分配通道60。该通道60或每个通道60横向地延伸穿过平台36。按照需求，通道60可以是直线的或曲线的。通道60的配置，即通道60的位置、形状和/或尺寸，优选地被布置成延伸穿过平台的长度和宽度。通道可在平台36内形成，即在正面37之下(如图4所示)，或可由平台所携带的一个或多个管道(未示出)提供。

用于将冷却剂输送至平台36的相应支撑结构38或每个相应支撑结构38的第二端连接至相应通道60的相应入口62，使得冷却剂可从支撑结构38流入通道60中。用于将冷却剂从平台36送回的相应支撑结构38或每个相应支撑结构38的第二端连接至相应通道60的相应出口64，使得冷却剂可从通道60流入支撑结构38中。

因此，支撑结构38和通道60提供冷却剂循环系统，与平台36一起成为散热系统30的一部分，由此被歧管42从冷却剂源接收的冷却剂循环流通至平台36，并通过歧管44被送回至冷却剂槽。所述散热系统30通过传导(例如，从平台36和支撑结构38)或通过冷却剂循环系统的热交换行为处理从tec14转移的热量。

在可选的实施例(未示出)中，散热系统并非是冷却剂(流体)循环系统，而可以是其它的形式，如包括空气冷却散热器。在这些实施例中，每个支撑结构或这些支撑结构的至少一些可包括热管道，其一端连接至相应平台且另一端连接至散热器。因此在一些实施例中，所述散热器可以提供基底。

在使用过程中，当图像传感器12(和/或包括tec14的系统的其它部件自身)膨胀或收缩(这可能会或可能不会均匀地贯穿传感器12发生)，由此产生的力被加载至tec14上。因为平台36是可以相对彼此移动的，因此tec14也可相对彼此移动，以对图像传感器12施加的力作出反应，因此消除可能会破坏tec14的力。

在典型的实施例中，通过散热系统30将每个tec14的热侧26维持在环境温度，同时将冷侧28维持在低于环境温度的温度。例如，图像传感器在冷却至零摄氏度以下时趋向于最高效地运作。在一些应用中，将温度深度降低至零下90摄氏度至零下100摄氏度之间是有益的。

显而易见地，在优选实施例中，多个tec14与机械支撑组件一起使用，以适应系统部件的热膨胀或收缩，同时仍高效地将相对高的热负荷从tec的底层散除。此外，支撑组件以减小振动传递或其它非预期的副作用的方式支撑图像传感器。有益地，通过每个tec的底部(热侧)单独地安装在可移动平台上同时每个tec的顶部(冷侧)刚性地固定在图像传感器上，使得能适应各种部件的热收缩，因此特别地允许图像传感器在冷却时发生收缩和由此引起tec14向内移动。产生在tec的热侧的高热负荷可通过在(例如，铜)管道中使用液体冷却被有效散除，所述管道还起到弹性连接的作用，以适应机械结构的热运动。

本发明的实施例特别地但不排他地适用于被冷却的物体和热泵系统处于真空(也就是说，置于外壳内并保持在真空状态下)的应用，且此时无法使用其他技术(如润滑接头)。

据发现，本发明实施例可成功地深度冷却图像传感器，有效面积达到约61.4mmx61.4mm，然而先前类似的使用自带的热电冷却技术的深度冷却，其实现的针对图像传感器的有效面积仅能达到28mmx28mm。

进一步地，热电冷却的自己自足的本质避免了对笨重的冷却系统或液氮供应的需求。这降低了操作成本，并允许在远程位置处使用待冷却的相机而无需监视。

尽管本文已在热电冷却的背景下描述了本发明，但应理解本发明并不限制于此。在可选的实施例中，热泵系统可用于加热而非冷却物体。

本发明并不限制于本文描述的实施例，但在不脱离本发明的范围的情况下可对其进行修改或改善。