专利名称：改进的热电冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热电冷却器，最好被设计用于安置在离心机上。尤其是，该冷却器的类型是属于那种有不传导层支架的热电冷却器，并经过改进有一装置用于冷却柔性的罐体，还提供有散热装置，更有效地排出热能。
魏德迈等人的美国专利4，512，758，公开了用一不传导层抓紧多个热电单元的优点。不传导层及相连的热电单元，在离心罐的底部为一侧和一热能分散的散热装置为另一侧之间，被夹紧。借助于将离心罐牢固地压在散热装置上，可有效的热传导，因此，很容易实现从真空的离心罐排除热量。具体的结构，要求离心机内的离心罐足够厚，以便能保持平整，并与散热装置保持坚固的传热啮合。特别的是，离心罐从其上边往下地受推压。离心罐的底部和圆周壁是压在热电冷却器的上面。罐底的平整，配合罐底凹入的阻力，确保有效的热传递至附着的热电冷却器。
不利的是，这种坚固的罐体有较慢的热效应。罐体保留足够的热量，致使受到其影响，在将转筒冷却至所要求的离心温度时，有可感觉到的滞后。这滞后是由于罐体的热量以及将热量穿过罐体输送所要求的温度梯度两个原因所造成的。
然而，当较轻的罐体被采用和最初安装时，罐底壁的柔性会出现。这样，罐体其自身底部不再被用来保证，在热电冷却器为一方，散热装置为一方，它们之间有紧密的接触。
更关键的是，热电冷却器的效率，取决于从热电冷却器热量的排放。这热排放，包括了罐体吸收的热量，以及在热电冷却器由珀尔帖效应产生的热量。一般的散热装置被发现，并非是用于这种排放作用的最好装置。结果，冷却作用是那样不受欢迎的慢。
具有不传导层装置的类型的热电冷却的设计，其设计得到改进。柔性的罐体的构造，从热电冷却器热量分散的改进，都被提供。为了改善热效应，被冷却的真空罐体，提供了高纯度铝的薄壁，结果是，壁面的变形，特别是底部壁面的变形，在其装配过程中会出现。好几个散热装置安置在罐体的壁面上，在安装点处，形成了一致的和局部牢固的罐体侧壁。至少一个热电冷却器在第一侧面连接至罐体的散热装置，用于接受从罐体来的热能。一第二排热的散热装置，被连接至各个热电冷却器，用于从罐体和热电冷却器，散发热能。弹簧推压的连接装置，使相应的散热装置相互推近，并紧密地夹紧在它们之间的热电冷却器。散热装置，在安装期间，在冷却器的分界处，有力地促使尺寸变化一致。排热散热装置，和安放在铝模内的铜芯整体地铸造，而铝围绕铜芯浇铸。铜芯最好镀金，以防此氧化，并和铝形成导热合金。可以在小的温度梯度下，使热量传递，产成高效率的冷却作用。
本发明的目的，是使厚度减薄的罐体，具有改进的热效应，被采用于离心机，成为可能。依照本发明这一点，好多个散热装置被固定在罐体的柔性壁上，最好是在罐的下侧，形成在罐体上一致的和局部地紧固的传热表面。热电冷却器都连接至罐体。第二排热散热装置在另一侧接触热电冷却器。借助于使用弹簧推压的连接装置，有利地将各个散热装置相互向前夹紧，热电冷却器维持在紧密传导啮合，以使真空罐迅速冷却。
本设计的优点是，它允许轻易地安装热电冷却器，与其配合的是柔性的罐体。
本发明的另一点，它公开了改进的排热散热装置。具体地说，散热装置模具提供有干净的铜嵌块。之后，铝水倒入模具内。结果得到在铝制散热装置内整体地连接的铜芯，可使铜芯和可铸造的铝合金之间的热传递提高至3倍。
已注意到，由铜和铝制取散热装置的能力，是很不理想的。尤其是，铜和铝的共晶合金在铝冷却期间，会腐蚀铜嵌块。已发现到，合成合金不会产生铜嵌块的可看见的腐蚀，而能使热传导。金镀层或等效的不氧化涂层，可用在铜上层，来防止热时铜的氧化。
本发明的另一目的是公开一理想的方式，将铜芯铸入铝散热装置内。要求厚度10至100百万分之一英寸。这金层产生不氧化的涂层，它扩散至铝内，产生一合金，形成良好的传热的治金连接。
这里提供了一种散热装置，它在四周大气的环境温度排热，有最小的热偏差。提供更有效的冷却作用。
本发明的其它目的、特性和优点，由随后的说明和附图中，看得更清楚。
附图中
图1A是热电效应冷却的罐体的侧视正面图，描绘了柔性罐，附加的罐散热装置，热电冷却器和排热散热装置，以弹簧加压夹紧在其中间；图1B是接近夹紧部位图1A的放大视图；图2是采用了与本发明直接相关的魏德迈等人的4，512，758号专利的原理的不传导片和热电冷却器的平面图；图3是在图1中描述的冷却器的平面图，显示了热电冷却器的安装；图4描绘了铜铝铸制的排热散热装置，用于热连接至热电冷却器处。
参阅图1，描述罐体C有一真空密封的上盖T，以虚线表示，转筒R放在罐体C内。此后，真空泵V(简图显示)，抽出罐体C内部的空气。当达到一真空度时，转筒R旋转，使其含有的样品(图中未显示)在强重力场下受离心作用。
许多种样品，在离心发生之前，温度必须精确地控制。这样，在罐体C的底部安装了设备。假设，转筒的适当温度(也是样品所需要的)，是在转筒以每分钟100，000转的旋转速度下得到的。产生的重力场是地球重力场的250，000至500，000倍。借助于样品成分的稳定的沉积作用，实现了在增强重力场下样品的分类。
样品在转筒R内的分类，必须在精确的温度控制下进行。例如在一生物样品，这温度是0℃。在离心旋转之前，这些样品必须处于精确的温度。无论那种情况，罐体C的冷却都是被要求的。由于其小的尺寸和重量，运用珀尔帖效应的热电冷却装置被采用。
罐体C典型地由纯的和非合金铝制作。与魏德迈等人美国专利4，512，758号所描述的罐体相比较，本发明罐体的壁厚减小了2／3。在魏德迈文献中所描述的罐体壁厚为0.187英寸。这里，罐体C的壁厚为0.065英寸。
这样的壁厚有利于传热效应的改进。罐体C的热容量和在冷却转筒R由罐体C所产生的热梯度都减小。
然而，当罐体C的厚度减薄了时，罐体的圆形底壁18被折曲。这种折曲，在安装底壁18时会发生。
加重这一点，热电冷却器K要求，在罐体散热装置20和排热散热装置22之间，有高的导热性。特别是，在热电冷却器K和排热散热装置22之间的分界面24，限定了关键的大热流排放连接。
观察罐体散热装置20和热电冷却器K之间的分界面21，热流将仅仅是，从罐体C内部和转筒R抽取的热量。
然后，观察热电冷却器K和排热散热装置22之间的分界面24，热流将是所有从罐体C抽取的热量，加上所有热电冷却器K内由珀尔帖效应产生的热量。
举例来说，穿过分界面21(在和罐体连接的散热装置20和热电冷却器K之间)的热流是3瓦特的功率，这同时穿过分界面24(在热电冷却器K和排热散热装置22之间)的热流是30瓦特或数量更大。由于这加大的热流，在用于有效冷却被公开的冷却器设计中，热交换分界面24是关键的平面。
已经总的讨论了本发明的设计的要点，特定的被公开的结构，现在开始介绍。
参阅图1A和1B的30，也在图2中显示的不传导层30，已在魏德迈等人的美国专利4，512，758号中介绍过。这里，不传导屋30是印刷线路板形式，它用作双重目的，夹紧热电冷却器K和提供导线的连接点。
热电冷却器的各侧边37，提供有连接沟槽。这些沟槽抓持于线路板37。为了提供均匀的夹紧力分布于热电装置K，提供有次要的开口44C和44D。
这里，需要弹簧加压螺钉穿过不传导层30。在热电冷却器K的各侧，提供有开孔38、39。
已详尽地介绍了不传导层30，现可把注意力集中用在罐体C的底壁18，以及罐体散热装置20的连接。
尤其是，罐体散热装置20包括有平行的机加工面19。这些散热装置，在图3中描述的，都是圆形的，并和罐体的底部壁18紧密配合。在面19，散热装置紧固地连接至罐体的壁面18。最好地，这样的连接，是由夹紧和用导热胶胶接散热装置，致使圆盘的表面都成平面地铺放。粘接胶的厚度可以变动。
因此，各散热装置20在底部壁18，和相应罐体形成坚固区域。当散热装置20移动时，使底部壁18接近连接的散热装置而移动。散热装置20的厚度是这样选择的，它是基于夹紧时，散热装置20的可看得出的变形不会出现。这样，当弹簧夹紧力分布作用在热电冷却器K时，在热电冷却器上的压力是均匀的。
如图3中显示，各导线40、42，串联冷却器K。
读者应记得，靠下的排热散热装置22在分界面24，限定了本发明关键的因素。这关键性的因素，可由图4中描绘的模具和制作方法中，得到最清楚的理解。
参阅图4，显示铜芯50插入一模具52。模具52，按散热装置22的形状和尺寸，限定一阴模腔，并还限定了排热翼片54。这里，图解地描绘了限定的漏斗57，用于接受铝料60。典型的铝料是一种合金，它可被铸造，从而限定一有效的热传导体。
铜芯50被插入模具52的内部。它被定位以其表面51接近排热散热装置22的分界面24。重要的是，铜芯50插入时是清洁的。另一方面，导入的铝料在铜芯50和导入铝料之间的分界处，会造成有气体逸出。这种气体逸出，在导热分界面处形成气孔，导致热传递失效。
已知铜和铝形成一种合金。这种合金是一种共晶体。已知，它的形成造成可观的铜腐蚀。
根据经验，发现合成的合金非常薄，与所希有的热传递不会有明显的抵触。特别地是，合金分界面53是最后才立生的(为了清楚显示，图中分界面53是放大的)。
已发现到，最好地是铜芯50镀上金，镀金厚度是10至100百万分之一英寸。这镀层，在铸造之前施加，防止氧化和在铝材内扩散形成合金。这合金形成改进的传热的冶金连接。
值得欣尝的是，铜芯50被精密地机加工，随后放入散热装置22内。然而，这里叙述的铸造工艺大大地减少了精密的机加工量，因此，减少了产生合金的生本。
已介绍完靠下的散热装置的构造，现在介绍成对弹簧夹紧各个热电冷却器K。
特别地是，并参阅有关的图1A和1B，靠下的散热装置，在位于70处被钻孔和攻螺丝。螺丝71，以其螺纹72适配和拧紧在螺纹孔70内。
塑料插入件74，被插入上散热装置20的开孔76内和下散热装置22的开孔78内。该插入件74被紧固在罐体C的底部壁的开孔80内。
弹簧圈85在压力下，夹持在螺丝71的螺丝头和插入件74的底部之间。
很容易理解，弹簧的作用是取得对热电冷却器的夹紧。特别地是，弹簧在受压时，向上推着螺丝71。这种推动，使散热装置22在分界面24，紧密地拉向热电冷却装置K的下底面。热电冷却器K，在分界面21处向上推压，与罐体散热装置20紧密地传热啮合。高传导的热流线形成了。从罐体C的内部至散热装置22有效的热流，是可行的。
这样可以看到，各个散热装置20按其最紧靠的接近，使罐体C的底部壁18，作为如同坚固的和单一的组件。与这同时，在散热装置22的铜芯50，提供了改进的热传导分界面24。这样，在分界面24的热电冷却器，可与在散热装置22的外部环境温度是5℃温差的范围内进行操作。
权利要求1.一种离心机，其内含有被冷却的罐体，上述罐体内安装有转筒用于旋转，有盖子密封冷却的罐体，有装置从上述罐体抽出空气在上述冷却罐体内形成真空，还有连接至罐体壁部的冷却装置，在罐体抽真空和转筒旋转期间保持罐体冷度，其特征是至少有一柔性壁提供于罐体上，至少有一散热装置布置在上述缸体的柔性壁，上述散热装置于第一侧面，与上述罐体的柔性壁连接，在连接处形成均匀的和局部的坚固结构，还有平表面，用于在其第二侧面，与一热电冷却器接触，在至少一热电冷却器有一热能接受侧面，连接至上述罐体散热装置的第二侧面，有排热侧面从上述罐体传递走热能，第二排热散热装置，在上述排热侧面，连接至上述热电冷却器，用于将从上述罐体来的热能和从上述热电冷却器来的热能散发掉，还有装置用于推动上述第二排热散热装置，压在上述热电冷却器，向着上述罐体散热装置，上述装置包括有至少第一和第二弹簧加压的连接件，其一端紧固在上述罐体散热装置，其另一端紧固在上述第二排热散热装置，借此上述弹簧加压连接件，夹紧上述热电冷却器，与上述罐体散热装置以及上述排热散热装置紧密啮合，排放热能。
2.根据权利要求1所述的发明，其特征是上述第二种排热散热装置包含有一铜志，直接连接至上述热电冷却器的排热侧面，上述第二排热散热装置还包含有铸造的铝主体，围绕着上述铜芯。
3.根据权利要求2所述的发明，其特征是上述铜芯是镀金的。
专利摘要离心机中具有不传导层的热电冷却的设计。被冷却的罐体是高纯铝柔性壁，装配时出现变形。好几个散热装置安置在壁上，在安装处形成一致的和局部坚固的壁面。热电冷却器在第一侧面连接至罐体散热装置。而排热散热装置连接各热电冷却器的第二侧面。弹簧加压连接件，使二排热装置夹紧热电冷却器。排热散热装置和一铜蕊整体用铝浇铸铸造。铜蕊最好镀金，防止氧化，并和铝形成导热合金。可在小的温度梯度传递热能，产生高效的冷却作用。
文档编号H01L23/36GK2031313SQ8820604
公开日1989年1月25日 申请日期1988年5月21日 优先权日1987年5月22日
发明者罗伯特·吉贝勒 申请人:贝克曼仪器有限公司