专利名称：热电冷却系统及电子装置冷却方法
技术领域：
本发明涉及热电系统以及提供有效热电冷却(TEC)和精确控制冷却温度的方法。本发明非常适用于对分布反馈(DFB)式二极管激光器的输出波长实施快速及精确的控制。
背景技术：
热电冷却(TEC)装置通常基于热电(TE)热泵，例如，固态主动热泵(solid-stateactive heat pump),这种热泵使用电 能将热量从某一装置的第一区域抽吸并传送到第二区域。同其他冷却技术相比较，TEC系统总体上的特征在于改进的抽吸性能，例如在“热”区域与“冷”区域之间可获取较大的温度差异，以及单位面积内更高的冷却率。TEC系统(无移动零件，免维护)的固态性质及其改进的抽吸性能，使其非常适合于控制多种电子装置的工作温度，其正常的工作和/或操作特性取决于其温度条件。这些包括电子和基于固态的装置，以及光学和电光装置。同时，在保持稳定温度的特定激光系统中，对于稳定TEC系统所能使用的激光器的输出频率而言，这可能是至关重要的。图IA示意性地展示了通过表面S1 (例如，作为散热器120和/或热传导耦合材料160的表面)与有待冷却的电子装置110进行热对接的一个TEC系统130的典型配置，即热量应从该装置疏散。同样，TEC系统通过另一个表面与一个散热片结构140进行热对接，以便与环境进行有效的热交换。利用此类TEC装置实现从电子装置110 (例如发热装置)进行热疏散的目的，使其能够保持/控制装置110的工作温度TS。TEC装置抽吸热量的热比率dQP/dt (Qp为TEC抽吸的热量，t为时间)应大于或至少等于装置110的热生成率和从环境到装置110的热流动率(例如因其温度差异而引起)的总和dQs/dt (Qs为有待冷却的装置所产生的热量)。热电式热泵可达到的热抽吸速率dQp/dt，一般随着抽吸热量热泵表面S2的尺寸增加，并随着周围温度Te和有待冷却的装置110的温度Ts之间温度差异的增加而减少。在某些情况下，对于给定的环境温度以及装置110的工作温度而言，通过装置110表面S1的热通量(dQs/dt)/IS1I大于热电式热泵可能达到的最大热通量(dQs/dt)/ds (例如通过表面S2)。是，可利用具有较大的热抽吸表面S2的热电式热泵135以及用于将通过表面S1放出的热量扩散到这个较大的热抽吸表面S2上的散热器120，实现对装置110所产生热量的抽吸和疏散。在给定的环境条件下(环境温度TE)，利用一个单一的热电式热泵135从给定的表面S1所能疏散/抽吸的热通量的量值是有限的，因此在环境温度TE与有待冷却的装置的温度1之间所能达到的温差AT也是有限的。这主要源自以下原因随着温差AT的增加，在与热抽吸方向相反的方向上，在热区域与冷区域之间的自然热流增加，并且随着浓度比率(Sys1)的增加，以浓缩的热抽吸速率工作的散热器的效率(例如，从相对大的热电式热泵(表面S2)至有待从中抽吸热量的较小的装置(表面S1))也大幅下降。这种类型的TEC的冷侦仪第一区域)与热侧(第二区域)之间的典型温差AT被限制在约30° C至70° C之间。如果需要更大的AT，可使用所谓级联配置的这些热泵中的另一个热泵对TEC的一个热泵的热侧进行冷却。在这种TEC的双泵配置中，整个TEC可达到的AT大于一个单一热泵可能达到的AT (但不到两倍)。已知的级联TEC装置一般包括3或4个热泵。级联排列一般旨在为TEC的热侧和冷侧之间提供大的AT (例如,最大温差)。图IB示意性地展示了包括两个级联热泵(例如热电)的典型TEC装置130’的实例。在此，一个额外热泵135’(例如热电式热泵)以级联方式热耦合在热泵135和散热片140之间，以使热泵135’的冷侧132’(热量被传输的第一区域)热耦合(例如，通过散热器138)到热侧134 (热量从冷侧被传输到此)上，并且热泵的热侧134’与散热片140耦合。综述在技术上，要求热电冷却(TEC)系统能够快速准确地控制与其关联的装置的操作 温度。许多电子装置需要在其操作温度上进行准确的控制。这种电子装置可能为或可能包括光学装置(例如，利用光栅、倍频晶体、共振腔)，以及其他电子或电光装置，例如输出频率可能与装置的操作温度关联的激光器组件。在某些情况下，以一种充分独立于可变条件的方式对电子装置的操作温度进行快速准确地控制也是可取的，例如周围温度和/或可能影响装置的操作温度的其他外部条件。例如，通过对激光器操作温度的控制，可实现对DFB激光器的输出波长进行准确快速地控制，例如，通过影响装置的物理尺寸从而影响其光学属性。这种对DFB激光器输出的快速准确控制，对THz (THz)辐射的形成/发射可能尤为重要。THz发射系统一般利用了拥有轻微输出频率差异的两个(或更多)DFB激光器的光学混合技术。这种光学混合过程的输出福射频率为两个激光器所述的“拍频”(为DFB激光器的频率差)。由此，对至少其中一个DFB激光器的输出频率进行准确控制可实现对THz发射系统的THz频率输出的准确控制。同时，对至少一个DFB激光器的快速控制可提供对THz频率辐射宽频带(例如，在0. ITHz至4THz之间)的快速控制。快速准确控制THz辐射的放射，对于各种应用来说特别重要，如THz光谱和THz成像。本发明可用于THz成像应用(如光谱分辨的THz成像和三维(3D) THz成像)，以快速扫描宽频带THz光谱的多THz频率中的样品。THz频率之间的快速切换可为成像系统提供更好的性能和更快的结果。按常规，通过类似于图IA和IB中示例的方法，实现对电子或电光装置如DFB激光器(或其零件)的操作温度进行控制。一般情况下，DFB激光器(在图中表示为冷却装置110)的热通量密度高于TEC 130能够吸收的热通量密度，在这种情况下，使用散热器120以便在DFB激光器相对较小的放热表面S1和TEC 130较大的表面S2之间提供热耦合。由于能够获得的有效热扩散只能达到有限的热扩散/集中比率(S2A1),尤其是与散热器元件的尺寸以及其特有的、绝对的热容量相关时，对散热器元件的利用稍微受到限制。在两个表面之间(例如S2和S1)提供充分均匀热扩散的散热器，一般拥有相当高的热质量和较高的导热系数。可替代地，或额外地，使用了级联的TEC装置(如图IB中的130’)，以便提供来自装置110的较高的热抽吸容量/速率(例如通过表面S1的较大热通量的抽吸)，允许进一步增加周围温度Te与装置110工作温度Ts之间的温差(Te-Ts)(例如，在给定的周围温度Te下，进一步降低装置110的稳态工作温度)。应注意的是，当前发明所述的不同温度与TEC装置的特定区域或附近测量的温度相关。公开了三个这样的温度测量，即温度Ts (与被冷却的装置有关或表现出被冷却的装置)、周围温度1 (与环境温度有关或表现出环境温度)和接口温度T1 (下面专门描述)。应理解的是，根据本发明，表现出这些温度的测量应该利用直接或间接测量的各种技术获得。同时，那些温度被考虑/测量的区域通常可由热接口区域构成，比如温度梯度可能存在的散热片或散热器。在这种情况下，可以考虑在所述热接口的特定点/区域对应的温度，或者温度测量可为穿越界面的温度的特定函数(例如平均值)。更具体而言，周围温度TE可与环境温度或TEC装置的任何区域/点的温度有关，比如散热片的任何区域，通过其TEC被热耦合以与环境进行热交换(例如损耗)。同时，装置温度Ts可与被冷却的本身的装置温度有关，或者可与位于有待冷却的装置和TEC系统热泵之间的热接口(例如，在散热器上)的任何点/区域的温度有关。同样，当涉及到TEC特定元件之间的界面(如两个级联热泵之间的界面)温度时，可能考虑表现出所述界面的任何特定 的、单独或多个点的温度的测量。另外，应该理解的是，可直接测量这些温度(或一般表示这些温度的数据)，例如利用温度计，或者间接地，例如通过分析其输出(例如，分析其输出频率/波长)获取装置温度的指示。回到
图1B，利用散热器120通过装置的表面S1增加抽吸热通量，级联的TEC 130’或两者通常与被冷却的装置110的有效热容量(热质量)的增加有关。这是因为装置110的温度变动与散热器120的温度变化有关。在图IB所示的级联TEC 130’的情况下，装置110的温度变动可与附加元件的温度变化有关，如热泵135和散热器138，一般具有与装置110自身有关的有效热质量。TEC装置/系统一般用来将元件冷却至特定恒温，而不是用来快速改变温度。因此，一般级联TEC装置/系统并非用来增加冷却系统的速度(及时改变温度)。在用于增加来自有待冷却的装置的抽吸热通量时，一个常规方法的主要困难与装置HO响应速度的降低有关。这是因装置110 —起被冷却的有效热质量的增加而引起的。因此，根据传统方法，系统的热响应时间(也就是温度变化的时标，例如在短时间内改变DFB激光器和支撑材料的温度的能力)受到限制。这是因为，配置已知的热泵(例如热电泵)时，比如通过给定尺寸的表面以提供热抽吸速率的增加(增加抽吸热通量以减小温度变化的时标)，通常兼有被冷却的有效热质量的增加(例如，由于散热片的存在而引起的)。这种情况下，被冷却的总热质量与装置110本身的热质量有关，并且与一些元件的有效热质量有关，比如散热器和TEC130/130’。因此，最小热响应时间由系统的有效热质量(通常收到较大影响，举例来说，因散热器的存在)和可获得的抽吸热通量之间的精调确定。本发明的发明人已经认识到通过提高热泵的热源温度(即从中抽吸热量并且与有待冷却的装置进行热耦合的泵的一个侧面/接口)以及降低泵的热排放温度(即从中耗散热量的泵的一个侧面/接口)实质上提高了热电式热泵的热抽吸速率。因此，通过维持此类条件中的任何一个，由于泵的热排放的相对低温和泵的热源的相对高温，热抽吸速率可以在实质上提高。优选地，在泵的热排放和热源之间维持一个负的温差。对热泵的热排放进行冷却，能够为附接到该泵的热源上的装置提供较高的冷却速率。同样地，对泵热源的加热，能够为附加到热排放上的装置提供较高的加热速率。
本发明的发明人理解，可以通过以一种级联适当地安排至少两个热抽吸总成(SP每个总成是由一个单一的热泵或多个热泵形成的，例如，以级联安排)获得高热抽吸效率/热抽吸速率(能够提供快速冷却)。这种至少两个热抽吸总成的安排，使得第一抽吸总成(称为“第一泵”)的热源与有待冷却的装置相关联，并且被配置成用于从中抽吸热量；第二个抽吸总成(称为“第二个泵”)的热源与第一个泵的热排放进行热耦合(即，为能够进行热交换而设置)并运行以维持所述第一泵的热排放与热源之间的低温差，或优选地，维持两者之间的负温差。另一个影响响应时间的参数为最大温差(A T=TE-TS),其可在TEC的热侧和冷侧之间获得(热源和热排放)。该限制的发生，是由于TEC系统内出现了从热侧至冷侧的自然热流。自然热流随着温差增加，然而TEC系统的热抽吸速率则或多或少地独立于该温差。因此，这里存在一个温度点，净热流在此变为零并且TEC系统不再有效。最大温差A T—般在30° C和70° C之间。一般来说，较低的为热泵的热排放与其热源相关的温度，较高的为TEC系统的热抽吸速率。对于热排放和热源之间的负温差AT (名义上的“冷”侧比“热”侧更热)，由于 热抽吸和相同方向出现的自然热流，热抽吸甚至(比正温差AT)更高。因此，根据本发明，该第二热泵被配置和运行用于获取第一泵的热排放和热源之间的较低/负温差。例如，其实现可通过配置第二热泵，以大于第一热泵的热源侧热供应(由正在冷却的装置)速率的热抽吸速率从第一泵的热排放进行热抽吸。由此，可以提供一个控制单元，该控制单元被配成成可运行性地控制第二热泵的热抽吸速率，以提供预期的第一泵的热排放和热源之间的温差(即在特定范围内)，或者可替代地，维持一个第一泵的热排放的特定固定温度(或者特定的固定范围)，相对于第一泵热源的平均温度，该温度比较低。以下对本发明的描述主要集中在冷却系统上，即配置用来冷却装置(有时这里也指被冷却的装置)的系统。但是应该理解的是，本发明的原理同样能够用于加热装置，或以较大的热抽吸(冷却/加热)速率同时实现对装置的冷却或加热。如上所述，冷却Te热泵的热排放和/或加热其热源可提供较大的热抽吸速率。加热功能的实现，是通过以与下述用于冷却装置类似的方法运行第一和第二热泵，但是热抽吸方向与冷却要求的方向相反。根据本发明，利用包括至少第一和第二双向(可逆式)热泵的级联TEC系统，实现对装置的较强冷却或较强加热，第一和第二热泵以级联方式设置，使得第一热泵位于装置和第二泵中间。应注意的是，为简单起见，第一热泵的区域(通常，装置与其连接)，装置附着其上，且装置冷却时从该区域进行热抽吸，该等区域被称作第一泵的热源，传输热量所朝向的区域被称作热排放。但是，在装置加热时，当第一和第二热泵的运行被互换，相同的区域实际上相应地起到热排放和热源的功能。根据本发明的TEC系统，可对电子装置进行冷却及加热，能够有利地用在DFB激光系统中，该系统的输出波长取决于激光器的温度。使用可对激光器以较大的热抽吸速率进行冷却和加热的TEC系统，能够允许在相对宽的光谱范围内对激光器进行快速调整。运行第一泵以便通过对有待冷却的装置进行热抽吸以控制其温度。本发明可精确调整并快速改变从有待冷却的装置获得的温度。可根据本发明，通过下述至少一条实现
(I)如上所述，通过维持第一热泵的热排放和热源之间的负温差，提高可实现的热抽吸速率；(2)减少有待冷却的装置的“有效热容量”(有效热质量)，该“有效热容量”由热能量的测量定义，该热能量需要被抽吸(例如通过第一泵)，以便以特定温度间隔降低有待冷却的装置的温度。有待冷却的装置的有效热容量与装置本身的热容量有关，并且特定有效热容量与热抽吸总成(如热电式热泵，散热器/散热片)一些元件的热容量有关，并且与当有待冷却的装置的温度发生变化时这些元件的温度变化有关。为此，在有待冷却的装置的温度发生变化时，这些元件的温度也明显变化，最小化这些元件的热容量，和/或最小化这种元件的数量，能够减少有待冷却的装置的有效热容量，从而进一步减少与装置的温度变化有关的特有时标(减少系统的热响应时间)。如上所述，其实现是根据本发明，通过将TEC系统配置为具有至少两个热抽吸总成(即每个由一个或多个热泵排列组成)，以级联方式设置。第一热抽吸总成，通过其用于从有待冷却的装置抽吸热量的热源，与有待冷却的装置热连接，并且在其热排放处，与第二抽 吸总成的热源热连接。优选地，为了最小化有待冷却的装置的有效热容量，将第一抽吸总成(包括位于所述热接口(第一泵的热源)和有待冷却的装置之间的所有元件)配置为具有最小的热容量，该第二抽吸总成(可能具有任意热容量)被配置成可运行性地维持基本恒温的热接口(第一泵的热排放和第二泵的热源)，而无需考虑有待冷却的装置所获得的温度或温度变化(微调)。该排列能够减小有待冷却的装置的有效热质量，并进一步减少热响应时间。这是因为，热抽吸总成的温度随着装置温度的变化而直接变化，其仅有的元件为第一抽吸总成的元件，其配置使其具有最小的热质量。应注意的是，根据本发明，第二抽吸总成可以通过控制单元来运行，以维持第一和第二热抽吸总成之间的热接口。可通过将热接口维持在基本恒温，或将热接口的温度维持在基本恒温间隔，与第一抽吸总成的任意一个热源的温度和/或第二热抽吸总成热排放的周围温度有关。这种安排使得该控制单元能够以与热接口温度条件有关的相对确定性来运行第一抽吸总成(其对装置进行冷却)，热量被第一泵抽吸到该热接口，从而进一步准确调节有待冷却的装置的温度。可选择地，第二抽吸总成可由控制单元操作，以可获得的最低温度维持第一和第二热抽吸总成之间的热接口，以便允许装置温度的快速变化。可通过连续操作第二热抽吸总成实现，而不管所述接口的温度。另外，在这种情况下，可避免在接口使用温度计，和/或使用控制单元控制第二热抽吸总成的操作。根据上述事项，一般地，利用热电式热泵作为第一抽吸总成，以提供大约50-1OOmff/mm2的基本热抽吸密度和相对低的热质量，从而提供第一热泵的热抽吸速率和热质量之间相对高的比率，使得系统具有较快的热响应时间。优选地，第一热泵总成利用了基于薄膜技术(如来自德国MiCTopelt公司)的热电式热泵装置。这种装置提供了改进的热泵抽吸密度，例如，约300-1000mW/mm2，并且通过利用这种装置，热抽吸速率和热质量之间的比率进一步提闻，冷却系统的热响应时间和特有冷却时标进一步减少，使得有待冷却的装置的温度变化速度提高。应注意的是，根据本发明，控制单元利用至少一个传感器(例如，温度传感器/温度计)，显示有待冷却的装置的温度(和/或第一抽吸总成的热源温度)。传感器没有必要为温度计，但是可基于表示温度的其他参数。例如，如果被冷却的装置为DFB激光器，对激光器输出波长的测量应提供其温度显示。为了清楚显示，这里使用术语“温度传感器”以表示适合显示被测量/确定的相应温度的任何传感器。控制单元一般根据该温度传感器(例如温度计)的读数，并根据有待冷却的装置的预期温度，操作第一抽吸总成。控制单元通常可利用至少一个附加温度传感器(例如温度计)以测量第一和第二热抽吸总成之间的热接口的温度，并且根据所述附加温度计的读数操作第二抽吸总成，以便控制接口的预期温度。应理解的是，第一和第二抽吸总成之间的接口，可被定义为一个区域，该区域的温度由所述的附加温度传感器测量，并且通过操作第二热抽吸总成保持该区域的温度。在很多情况下，散热器或其他热耦合装置适合第一和第二热抽吸总成之间的热接口。一般来说，散热器拥有基本的热质量，如上所述，热质量可削弱或减少TEC系统的热响应时间。因此，为避免本发明TEC系统的热响应时间随之减少，在第一和第二抽吸总成之间的热接口处测量温度(由所述温度计)，并由第二抽吸总成保持，优选地，该热接口位于第一抽吸总成的散热器和热抽吸之间。换句话说，位于第一和第二热抽吸总成之间 、作为散热器并具有基本热容量的这种热耦合元件，一般被视作第二热抽吸总成的一部分，并且接口的温度在该热耦合元件和第一抽吸总成之间的区域测量。从而，保持较低的第一抽吸总成的热质量和有待冷却的装置的有效热质量(例如，同时与第一抽吸总成的热质量有关)，而不管这种热耦合元件的热质量。因此，根据本发明的一个广泛方面，提供了一种用于对装置进行冷却热电冷却(TEC)系统，，该TEC系统包括至少第一和第二热抽吸总成，每个热抽吸总成具有一个从中抽吸热量的热源以及一个耗散所抽吸的热量的排热件，所述至少第一和第二热抽吸总成是以一种级联关系安排的，这种级联关系在该第二热抽吸总成的热源与该第一热抽吸总成的排热件之间具有至少一个热接口，该第一热抽吸总成的热源被热耦合到与一个电子装置上，通过从该电子装置疏散热量对其进行冷却，以及至少与所述第二热抽吸总成相关联的一个控制单元，该控制单元被配置成可运行性执行至少以下一项(i)运行所述第二热抽吸总成，以提供预期的温度条件，使得所述第一热抽吸总成的热排放温度如预期一样低，或者低于所述第一热抽吸总成的热源的温度一个特定值；以及(i i )操作所述第二热抽吸总成以维持所述热接口的预定温度。第二热抽吸总成可包括一个或多个热电式热泵。同样，第一热抽吸总成可包括一个或多个热电式热泵，例如基于薄膜技术。第一和/或第二热抽吸总成可包括多个热泵，这些热泵是以一种级联方式安排的。在本发明的某些实施方案中，控制单元被配置并且可进行操作，以操作第二热抽吸总成，提供低于第一热抽吸总成热源温度的第一热抽吸总成的热排放温度。在本发明的某些实施方案中，控制单元被配置并且可进行操作，以操作第二热抽吸总成，维持热接口的预定温度。预定温度可为一个特定的恒温值；或为一个对应值，对应于热接口和周围温度/有待冷却的装置温度中的某个温度之间的基本恒定温差。在本发明的某些实施方案中，控制单元被配置并且可进行操作，可控制地操作第一热抽吸总成，以便控制装置的温度。控制单元可以被配置成可运行性的，用于运行第二热抽吸总成以维持热接口的基本恒温,并用于生成运行方案,指定热抽吸速率和对应的持续时间,第一热抽吸总成根据指定的热抽吸速率和对应的持续时间进行操作，以便准确调整所述装置的温度。可基于以下参数中的至少一项产生运行方案该装置的当前温度和预期温度、所述装置的有效热质量、所述热接口的温度以及所述装置的导热性。根据本发明的其他广泛方面，提供了一种热电(TE)系统，用于控制THz辐射源的运行，该THz福射源包括第一激光器和第二激光器,TE系统包括上述用于控制第一激光器的温度条件的TEC系统；以及包括两个热抽吸总成的附加TEC系统，每个热抽吸总成具有一个热源和一个热排放，热量从热源抽吸，抽吸的热量通过热排放耗散，附加TEC系统的热抽吸总成以级联关系设置，一个热抽吸总成的热源和另一个热抽吸总成的热排放之间有至少一个热接口，所述一个热抽吸总成的热源与第二激光器热耦合，通过向热源传输热量对其进行加热。可使用同样的控制单元来运行附加TEC系统以执行以下操作运行其第二热抽吸总成，以提供预期的温度条件，使得附加TEC系统的所述第一热抽吸总成的热排放温度如 预期一般高，或高于所述第一热抽吸总成的热源温度一特定数值。根据本发明的另一方面，这里提供了一个热电冷却(TEC)系统，用于冷却电子装置，TEC系统包括至少第一和第二热抽吸总成，每个热抽吸总成具有一个热源和一个热排放，热量从热源抽吸，抽吸的热量通过热排放耗散，所述至少第一和第二热抽吸总线以级联关系设置，第二热抽吸总成的热源和第一热抽吸总成的热排放之间至少有一个热接口，第一热抽吸总成的热源与电子装置热耦合，通过疏散电子装置的热量对其进行冷却，与第一热抽吸总成相比，所述第二热抽吸总成拥有较大的热抽吸速率，使得在TEC系统运行时，在第一热抽吸总成的热排放和热源之间获得负温差。本发明的另一个方面提供了一种控制系统，用于控制对电子装置的热电冷却，所述控制系统可连接至一个或多个温度传感器，以及一个级联的TEC系统，该系统包括第一和第二热抽吸总成，第一热抽吸总成通过其热源与装置热耦合，并且通过第二热抽吸总成的热源和第一热抽吸总成的热排放之间的热接口逐次与第二热抽吸总成耦合，配置该控制单元并使其可进行操作，用于选择性地进行至少下列其中一项操作，以对电子装置的温度进行快速准确地调节。-从这些温度传感器中的至少一个获取数据，该数据表明有待冷却的装置的温度；分析所述数据，并控制第一热抽吸总成的运行，以便使所述装置保持一个预定的温度，所述预定温度条件包括至少以下一项一个基本上恒定的温度值，一个预期的低温值；-从这些温度传感器中的至少一个获取数据，该数据表明有待冷却的装置的温度；分析所述数据，并控制第一热抽吸总成的运行，以便使所述装置保持预期的温度。根据本发明一个更广泛的方面，提供了一种激光器系统，具有至少一个第一激光源；以及配置的一个热电(TE)系统，可进行操作，用于根据预定温度扫描方案冷却和/或加热所述至少第一激光源，从而提供激光系统频率输出的快速扫描。附图简要说明为了理解本发明并观察其实际运行，现在仅通过非限制性实例，并参考附图，对一些实施方案进行说明，在附图中图IA和图IB示出了常规的TEC系统的两个实例；
图2A展示了本发明的一个TEC系统的一个实例的框图；图2B展示了根据本发明一个实施方案的方法流程图；图3以图的形式对常规TEC系统和本发明的TEC系统的温度轮廓线进行了比较；并且图4A至图4C示出了本发明的、用于冷却一个DFB激光装置的TEC系统的一个具体实例，其中，图4A为这个TEC系统的框图，图4B为整个系统的立体说明图，而图4C更加具体地示出了该系统的这些元件的组装。实施方案的详细说明图IA和图IB举例说明根据常规方法配置的TEC系统。图IA为使用单热泵的TEC系统，图IB为使用两个级联热泵的TEC系统。
参考图2A，其图解显示根据本发明一个实施方案的热电冷却(TEC)系统330。TEC系统330与构成有待冷却的装置的电子装置310相关联(热耦合)。根据该实施方案，TEC系统330包括与一个控制单元350相关联的第一热抽吸总成331和第二热抽吸总成331’ (BP可通过有线或无线信号传输连接到控制单元)。每个热抽吸总成331和331’拥有一个热源(对应地为332和332’)，热抽吸总成从该热源抽吸热量，并且每个热抽吸总成拥有一个热排放(对应地为334和334’)，抽吸的热量传送至热排放且/或由热抽吸总成耗散。热抽吸总成331和331’彼此之间以级联关系设置，使得第二热抽吸总成331’能够运行，以便从第一热抽吸总成331的热排放334抽吸热量。为此，通过优选地具有高导热率的热接口 333，第二热抽吸总成331’的热源332’与第一热抽吸总成331的热排放334热连接(耦合)。根据本发明，热排放总成331和331’中的每一个都包括一个或多个热泵，能够以任何合适的方式(例如级联)设置。热抽吸总成也可包括各种热传输和热耗散元件/机械装置，比如散热器、热耗散器(散热片)和导热元件，这些元件连接并热耦合于热抽吸总成的各种元件之间。在图2A的实施方案中，第一热抽吸总成331包括一个单独的热电式热泵335，该热电式热泵被配置成用于将热量从其小平面335A之一抽吸/传输到泵335的另一小小平面335B。热泵335的小平面335A，其从本身抽吸热量，作为总成335的热源332。可替代地，如图所示，小平面335A选择性地与散热器/集热器338耦合，其另一侧作为总成331的热源332。在这个实施方案中，第二热抽吸总成331’也包括一个单一的热泵335’(例如热电式热泵)，该热泵被配置成用于将热量从其小平面335’ A之一抽吸/传输到另一个小平面335’B。同样，热泵335’的小平面335’A (从中抽吸热量)，可能本身用作总成335’的热源332’，或者，如图所例举的，它可以选择性地热耦合到作为总成335’的热源332’的一个散热器/集热器338’上。同样，热泵335’的小平面335’A，可通过其本身作为总成331’的热排放334’，或者，其可与作为热排放334’的散热片339’耦合。配置控制单元350，并根据有待冷却的装置310的温度，也可选择性地根据整个TEC系统的温度分布，控制热抽吸总成331和331’的操作。由此，控制单元350 —般与一个或多个传感器(S1, Ss)相关联(可连接)(也称为温度传感器，例如，温度计)，经过配置的传感器分别提供表示装置310的温度T1和Ts的数据以及表示接口 333的数据。控制单元350被配置用来控制每个热抽吸总成331和331’的热抽吸速率，为装置310的温度提供预期温度精确度和/或预期温度变化速率。为此，以两种模式中的一个或两个操作控制单元，以分别维持下列至少一种条件它可以将接口 333的温度维持在一个固定值，基本独立于环境和/或装置310的瞬时温度(周围温度)，从而允许对装置的温度进行准确控制。应理解的是，控制单元350可作为单独的单元执行，以控制TEC的运行，或利用多个控制器/处理器(未示出)执行，可独立运行，或非独立地分开运行。例如，在使用两个控制器的情况下，第一控制器可与第一热抽吸总成331的运行相关联，以控制装置310的温度，第二控制器可与第二热抽吸总成331’的运行相关联，以控制接口 333的温度。被冷却的装置310可以是任何装置，例如电子装置，比如激光器，例如DFB激光器。如上所示，本发明能够有利地用于THz辐射系统。这种系统可利用一对具有稍微不同的运行波长的激光器，以造成THz范围的拍频脉冲。在这种系统中，运行温度和至少一个或两个激光器的运行波长的微调对于定义辐射频率来说是非常重要的，并且，对于许多应用，系统快速调节的能力也是一项重要属性。在这种系统中，所发明的冷却系统可以为由两部分组 成的系统，该两个部分分别与两个激光器相关联。其中一个零件被配置并可作为冷却器运行，如上所述，该冷却器被配置为用于冷却与其相关联的激光器，而另一个零件将被进行类 似的配置，并且可作为加热器运行，即，以相反的方法配置，以执行对相应激光器的加热。以交替方式加热、冷却对应的激光器，可实现输出THz频率在所需范围内的切换。相同的控制单元能够被适当地用于运行TEC系统的冷却器和加热器零件。现在转向图2B，该图显示了本发明的方法流程图300(可由控制单元实现)，用于控制有待冷却的装置的温度。为清楚起见，以及不失去普遍性，当提到本发明的TEC系统时，使用图2A中的参考号。该方法的步骤301至304是与控制单元的运行相关联的，旨在调整并控制接口 333的温度。如上所述，接口 333的低温能够快速改变装置310的温度，而接口333的准确调整能够对装置310的温度进行精细控制。接口的目标温度取决于TEC系统的预期运行模式。一般地，通过适当地控制第二热抽吸总成331’的运行，操作控制单元350，以维持下列一个或多个模式(条件)。(i)在第一个运行模式中，接口 333的目标温度被定义为低温，优选地为第二抽吸总成331’的适当操作可实现的最低温度，使得装置310的温度变化具有最高速率。这种目标温度的值可能不是特殊指定的。该控制单元可操作第二热抽吸总成331’，以将接口 333的温度维持在较低的数值，优选地低于装置310运行时的平均温度(标称温度)。这允许第一热抽吸总成331达到较高的热抽吸速率，从而允许装置310的温度的快速变化。(ii)在第二个运行模式中，接口 333的目标温度被定义为特定的固定温度(优选地，低于装置310的标称温度)，独立于系统/环境的其他变量，从而允许对装置的温度进行准确和精细的调整。(iii)在第三个运行模式中，接口 333的目标温度被定义为来自参考温度(可能为装置310的温度，或者在以下步骤302中选择性地监测到的环境温度)的特定温度间隔。下文描述的方法，可通过控制单元实现，根据以上模式，监测并控制接口的温度。在步骤301中，根据TEC系统预期的操作模式确定接口 333的目标温度。在可选步骤302中，监测特定的参考温度，当根据所述的特定参考温度确定接口的目标温度时，执行该步骤。在步骤303中，运行控制单元以监测第一热抽吸总成331和第二热抽吸总成331’之间的接口 333的温度TI。在步骤304中，接口 333的温度被保持在所述的目标温度附近(在特定的预定温度范围内)。经检测，温度TI以特定的预定阈值超过了(被维持的)目标温度值，控制单元操作第二热抽吸总成331’，以从所述接口 333中抽吸热量，从而降低并将其温度保持为所述的目标值。应注意的是，如果接口的目标温度被确定(在步骤301中)为最低可达到的温度，在这种情况下，可以不用执行步骤302至304。在这些情况下，可连续操作第二热抽吸总成，用于将连接文档降低到最低可能值(例如，未监测接口的温度)。根据操作装置310的预期温度，同时操作控制单元以控制有待冷却的装置310的温度。装置的温度一般通过第一热抽吸总成331的操作进行控制。在步骤305中，获得装置310的预期操作温度(例如，从外部数据源或用户界面获取)。监测装置310的温度(TS)(步骤306)。
对装置的温度Ts和接口 333的温度T1的测量(监测)，允许使用测量的温差(T1-Ts),并为第一热抽吸总成331的热抽吸速率提供准确估算，从而为装置温度Ts的变化提供改进的调节精度。选择性地，当装置310的温度的微调和精调如预期一样时，可确定一个运行方案，指定第一热抽吸总成的运行强度和持续时间(步骤307)。根据至少下列的一些参数确定这种运行方案装置310的监测温度(Ts)和预期温度之间的温差；装置的有效热容量；通过装置的热导性；接口 333的温度1\。用于运行第一热抽吸总成331的这种运行方案，能够为装置带来最佳(即，准确且快速)的温度变化，并使装置的过度冷却或冷却不足可能造成的校正和延迟最小化。最后，在步骤308中，根据装置310测量的温度Ts，以及选择性地，同时根据接口333的温度T1,以及根据运行计划，对第一抽吸总成331的运行进行控制，以允许快速和/或准确地维持/改变温度。返回图2A，为了使有待冷却的装置310获得快速温度变化，第一热抽吸总成331被配置为相对低的热容量和高抽吸速率，均低于第二热抽吸总成331’。例如，这可以通过利用一个薄膜TEC作为第一热抽吸总成331来实现。已知这种薄膜TEC为Micro-Peltier冷却器，其热抽吸速率约为600mW/mm2。可替代地，可通过配置热抽吸总成331和331’之间的接口 333实现相同的效果(定义为测量温度TI的区域)，以消除在第一热抽吸总成331中使用热耦合元件(与该接口相关联)，并且可选择地，在接口 333和装置310之间的区域之外，第二热抽吸总成331’包括这种热耦合元件，从而减少第一热抽吸总成331的热容量。在第一热抽吸总成331中，排除对热耦合元件的使用，比如散热器，可大幅度减少第一热抽吸总成331的热质量，并且相应地减少有待冷却的装置的热质量。应注意的是，被配置用来有效发散热通量的散热器，一般具有大量的热质量。根据常规方法，使用有效的散热器，以便有效地将热量从电子装置(例如DFB激光器)传输至TEC系统,或者在TEC系统的热抽吸总成之间传输热量。例如，一般的DFB激光芯片(例如，Imm长，P型安装的芯片，在200mA下运行)的热通量密度可高于常规TEC系统抽吸的热通量密度的10-50倍。但是，使用有效的散热器(能够在10-50倍大的区域发散热通量)，可减少与DFB激光器的温度变化相关的时标。这是因为，散热器一般增加有效的热质量，从而增加电子装置的有效热质量。但是，较高的热质量约束了快速转换系统温度的能力，并且增加了冷却电子装置的时标。由此，运行控制单元以稳定温度。本发明能够使用装置和第一热抽吸总成之间的较低热质量的热耦合。这是因为，第一热抽吸总成的热抽吸速率(每单位区域)和从电子装置抽吸的热通量密度得以提高(例如，由第一热抽吸总成的热排放和热源之间的低温差或优选地负温差引起的)。因此，除了从抽吸热通量的提升获得较低的冷却时标外，由于装置的有效热质量降低，系统的冷却时标进一步减少。应注意的是，根据级联TEC系统地常规方法，第一热泵用来以特定速率从有待冷却的装置抽吸热量，第二热泵以与所述特定速率同规则的热抽吸速率运行，使第一热泵的热排放热量获得更高的热耗散速度。相反地，根据本发明，由于第一热泵和第二热泵之间的接口提供了相对低的温度，可得到较快的冷却速率，例如，运行第二热泵以为第一热泵模拟低周围温度(第二热抽吸总成331’与第一热抽吸总成331相比，能够拥有十分高的热抽吸速率)。
现在参见图3，该图示意性地展示了(任意温度单位)两个级联的TEC系统的温度轮廓线(^和G1之间的比较，两个温度轮廓线分别根据常规技术和本发明进行配置。这些温度轮廓线表示级联系统三个区域中可获得的温度，即=(I)Ts-位于有待冷却的装置(图2A中的310)和第一抽吸总成331之间的接口 ；(2) T1-位于第一热抽吸总成331和第二热抽吸总成331’的接口 333 ;以及(3)TE-周围温度(例如，位于第二热抽吸总成和环境之间的接口)。为简单起见，两种情况下的温度轮廓线都符合一种条件，在该条件下有待冷却的装置不产生任何热量(不起作用)，从而使冷却操作仅冷却装置，并抵消由于温差造成的从环境到装置的自然热流。另外，考虑类似的周围温度和冷却速率。如图所示，根据本发明，温度T1可控制地维持为非常低的数值，优选地低于有待冷却的装置的温度(例如，低于Ts)，而根据传统技术，接口 333的温度T1在环境温度Te和装置温度Ts之间的范围内自然地获得。同样，根据现有方法，无法控制两个级联的热泵之间接口的温度，与现有方法相反，本发明提供了对该温度的控制。该控制旨在并允许在第一热抽吸总成的两个侧边之间获得负温差AT，与第二热抽吸总成和有待冷却的装置耦合，易接受地，以及可选择地或额外地，应保证热抽吸总成331和331’之间连接(图2中的333)的稳定性，以对有待冷却的装置的温度进行准确控制。如上所述，本发明适合于以良好的准确度快速改变电子装置的温度，比如DFB激光器，从而使激光器的输出(波长/频率)能够准确快速地变化。图4A以框图形式显示了DFB激光器配置的一个特定但非限定的不例和本发明的TEC系统。图4B和4C以一种显而易见的方式显示整个DFB总成。为清楚起见，同时参考这些图，并且使用相同的参考号指定所显示的一般元件。在这些图中，本发明的TEC系统430作为成套DFB激光器410的子装置。TEC系统430包括一个控制单元450，一个包括单独薄膜热电式热泵435的第一热抽吸总成431，以及一个包括热电式热泵435’的第二热抽吸总成431’。薄膜热电式热泵435直接安装在成套的DFB激光器410上，或通过一个散热器420选择性地耦合在DFB激光器上，在激光器产生的热量到达热泵435之前，该散热器将热量发散。薄膜热电式热泵435的热抽吸速率约为600mW/mm2，并且能够在大约5° C至45° C的范围内，对DFB激光器进行扫描。由此，与已知的冷却技术相反，第一热抽吸总成431 (例如薄膜热泵435)以低于DFB激光器的标称操作温度运行，例如，大多数时间，以其热排放侧(温度保持在10° C左右)的温度T1和热源测(激光器运行时，在5° C至45° C之间变化)的温度Ts之间的负温差A T运行，从而实现较高的冷却速度/速率和较快的温度扫描，以及一致的输出频率扫描。第二热抽吸总成431’的热电式热泵435’与热泵435热连接，例如，其与第二热抽吸总成431’之间具有导热性连接/耦合，可选择性地通过利用散热片/散热器438或其他导热材料实现。通过控制单元450运行热泵435’，以将(例如散热片/散热器438的)该接口的温度稳定在约为10° C的恒温下。由此，运行第一热抽吸总成(薄膜热泵435)，以将DFB的温度控制(改变/扫描)为相对的 恒温，因此实现更准确的控制(与相对于可变温度的环境的扫描相比)。这种对激光器温度的精调和控制可用来将激光器稳定在恒温(输出恒定波长)状态，同时准确地改变激光器的温度和输出波长。应注意的是，可使用任何类型的热泵(优选为热电型，不一定基于薄膜)作为第一热抽吸总成的热泵。同时，第二热抽吸总成的热泵，一般具有比第一热抽吸总成大的抽吸速率，可为任何合适的类型，比如Te热泵(例如，薄膜型级联泵)、燃气型制冷器、空气冷却系统、水冷却系统等等。同时，第二热抽吸总成上可放置一个附加散热片，与热排放侧接触，可对这个附加散热片的温度进行进一步冷却或稳定，以产生更为准确快速的冷却速率。在许多情况下，使用热控激光器，比如DFB激光器，用于获取THz辐射。在这种情况下，使用两个具有稍微不同波长的DFB激光器光束的光学混合作用，产生THz辐射。通过改变至少一个激光器的输出波长(即改变其温度)，获得THz辐射的波长变化。但是，优选地，当加热一个DFB激光器时，通过冷却另一个激光器，两个激光器的输出波长以相反的方向发生改变。可根据本发明，通过将第二热抽吸总成431’的热排放侧保持在恒定的正温差AT，比如50° C，提高第二个激光器的加热速度。如上文所述，只要不脱离附加权利要求所定义的范围，本领域的技术人员可对本发明的实施方案进行各种修改和变更。
权利要求
1.一种用于对装置进行冷却的热电冷却(TEC)系统，该TEC系统包括 至少第一和第二热抽吸总成，每个热抽吸总成具有一个从中抽吸热量的热源以及一个耗散所抽吸的热量的排热件，所述至少第一和第二热抽吸总成是以一种级联关系安排的，这种级联关系在该第二热抽吸总成的热源与该第一热抽吸总成的排热件之间具有至少一个热接口，该第一热抽吸总成的热源被热耦合到与一个电子装置上，通过从该电子装置疏散热量对其进行冷却，以及 至少与所述第二热抽吸总成相关联的一个控制单元，该控制单元被配置成可运行性执行至少以下一项(i)运行所述第二热抽吸总成，以提供预期的温度条件，使得所述第一热抽吸总成的热排放温度如预期一样低，或者低于所述第一热抽吸总成的热源的温度一个特定值；以及(ii )运行所述第二热抽吸总成以维持所述热接口的预定温度。
2.如权利要求I所述的TEC系统，其中，所述第一和第二热抽吸总成中的至少一个包括一个或多个热电式热泵。
3.如权利要求I所述的TEC系统，其中，所述第一热抽吸总成包括至少一个基于薄膜技术的热电式热泵。
4.如权利要求I至3中任一项所述的TEC系统，其中，所述第一和第二热抽吸总成中的至少一个包括一个以上的热泵，这些热泵是以一种级联方式安排的。
5.如权利要求I至4中任一项所述的TEC系统，其中，该控制单元被配置成可运行性地运行所述的第二热抽吸总成，使所述第一热抽吸总成的热排放温度低于所述第一热抽吸总成的热源温度。
6.如权利要求I至4中任一项所述的TEC系统，其中，该控制单元被配置成可运行性地运行所述第二热抽吸总成，以使所述热接口保持预定温度，所述预定温度是一个特定的恒温值。
7.如权利要求I至4任一项所述的TEC系统，其中，该控制单元被配置成可运行性地运行所述第二热抽吸总成，以使所述热接口保持预定温度，所述预定温度是一个相对值，该相对值对应于该热接口与外界温度和有待冷却的装置的温度中的任何一个之间的基本上恒定的温差。
8.如权利要求I至6中任一项所述的TEC系统，其中，该控制单元被配置成可运行性地以可控制的方式运行所述第一热抽吸总成，以便控制所述装置的温度。
9.如权利要求I至7中任一项所述的TEC系统，其中，该控制单元被配置成可运行性地用于运行所述的第二热抽吸总成，使所述热接口保持基本恒温，并产生一个指定热抽吸速率以及对应的持续时间的运行计划，所述第一热抽吸总成是根据该运行计划运行的，以便准确地调整所述装置的温度。
10.如权利要求9所述的TEC系统，其中，所述运行计划是基于以下至少一项参数产生的该装置的当前温度和预期温度、所述装置的有效热质量、所述热接口的温度以及所述装置的导热性。
11.一个激光系统，该激光系统包括至少一个第一激光源和一个热电(TE)系统，所述TE系统被配置成可运行性地根据一个预定温度扫描计划，对所述至少第一激光源进行冷却和/或加热，从而为该激光系统的频率输出提供快速扫描。
12.如权利要求11所述的激光系统，其中，所述TE系统包括至少第一热电冷却(TEC)系统，该系统与所述至少第一激光源相关联，并包括至少第一和第二热抽吸总成，每个热抽吸总成具有一个从中抽吸热量的热源和耗散所抽吸的热量的一个排热件，所述至少第一和第二热抽吸总成是以一种级联方式安排的，这种级联方式在该第二热抽吸总成的热源与第一热抽吸总成的排热件之间具有至少一个热接口，该第一热抽吸总成的热源被热耦合到通过疏散热量对其进行冷却的该激光源上，所述温度扫描计划包括运行第二热抽吸总成，使所述第一热抽吸总成的热排放温度如预期一样低，或低于所述第一热抽吸总成的热源的温度一个特定值。
13.如权利要求11或12所述的激光系统，包括一个第二激光源，该TE系统包括一个第二 TEC系统，该第二 TEC系统包括两个热抽吸总成，每个热抽吸总成具有一个从中抽吸热量的热源和一个耗散所抽吸的热量的排热件，这些热抽吸总成是以一种级联关系安排的，这种级联关系在这些热抽吸总成之一的热源与另一个热抽吸总成的排热件之间具有至少一个热接口，所述这些热抽吸总成之一的热源被热耦合到该第二激光器上，该第二激光器是通过向其传输热量而进行加热的。
14.如权利要求11至13中任一项所述的激光系统，其中，所述激光系统被配置为一种分布反馈(DFB)式二极管激光系统，所述TE系统是可运行的，以在约5度至45度的范围内对DFB激光器进行扫描。
15.如权利要求11至14中任一项所述的激光系统，其中，该TEC系统的第二热抽吸总成具有一个实质上大于该第一热抽吸总成的热抽吸速率，使得所述TEC系统运行时，在该第一热抽吸总成的排热件与热源之间获得一个负的温差。
16.一种用于控制THz放射源的运行的热电(TE)系统，该THz放射源包括第一和第二激光器，该TE系统包括 如权利要求I所述的TEC系统，用于控制该第一激光器的温度条件；以及 包一个附加的TEC系统，该附加的TEC系统包括两个热抽吸总成的附加，每个热抽吸总成具有一个从中抽吸热量的热源和一个耗散所抽吸的热量的一个排热件，这些热抽吸总成是以一种级联关系安排的，这种级联关系在一个热抽吸总成的热源与另一个热抽吸总成的排热件之间具有至少一个热接口，所述这些热抽吸总成之一的热源被热耦合到该第二激光器上，该第二激光器是通过向其传输热量而进行加热的。
17.如权利要求16所述的TE系统，其中，所述控制系统被配置成用于运行所述的附加TEC系统，以执行以下项目运行该附加TEC系统的所述第二热抽吸总成，以提供预期的温度条件，使得该附加TEC系统的所述第一热抽吸总成的热排放温度如预期般高，或者高于所述第一热抽吸总成的热源温度一个特定值。
18.如权利要求16或17所述的TE系统，其中，该控制单元被配置成用于运行这两个TEC系统中的一个或二者，以在一个预期的频率范围内为该THz放射器的输出频率提供快速扫描。
19.如权利要求I至10中任一项所述的TEC系统，其中，所述第二热抽吸总成具有一个实质上大于该第一热抽吸总成的热抽吸速率，使得该TEC系统运行时，在该第一热抽吸总成的排热件与热源之间获得一个负的温差。
20.一个控制系统，用于控制一个电子装置的热电冷却，所述控制系统可连接到一个或多个温度传感器以及一个级联的TEC系统上，该级联的TEC系统包括第一和第二热抽吸总成，其中该第一热抽吸总成通过该第一热抽吸总成的一个热源与该装置进行热耦合，并且通过在该第二热抽吸总成的一个热源与该第一热抽吸总成的一个排热件之间的一个热接口，与该第二热抽吸总成串联地连接，该控制单元被配置成可运行性地用于选择性地执行以下至少一项，以便对该电子装置的温度实施基本上快速准确的调整 -从这些温度传感器中的至少一个获取数据，该数据表明有待冷却的装置的温度；分析所述数据，并控制第一热抽吸总成的运行，以便使所述装置保持一个预定的温度，所述预定温度条件包括至少以下一项一个基本上恒定的温度值，一个预期的低温值； -从这些温度传感器中的至少一个获取数据，该数据表明有待冷却的装置的温度；分析所述数据，并控制第一热抽吸总成的运行，以便使所述装置保持预期的温度。
全文摘要
在此提供了一种用于对装置进行冷却的热电冷却(TEC)系统，例如激光器。该TEC系统包括第一和第二热抽吸总成，以及至少与所述第二热抽吸总成相关联的一个控制单元。每个热抽吸总成具有一个从中抽吸热量的热源和一个耗散所收抽吸的热量的排热件。该至少第一和第二热抽吸总成是以一种级联关系安排的，这种级联关系在第二热抽吸总成的热源与第一热抽吸总成的热排放件之间具有至少一个热接口，该第一热抽吸总成的热源被热耦合到这个通过疏散热量对其进行冷却的电子装置上。该控制单元被配置成可运行性地执行以下至少一项(i)运行所述第二热抽吸总成，以提供预期的温度条件，使得所述第一热抽吸总成的热排放温度如预期一样低，或者低于所述第一热抽吸总成的热源的温度一个特定值；以及(ii)运行所述第二热抽吸总成以维持所述热接口的预定温度。
文档编号H01L35/00GK102859298SQ201180005182
公开日2013年1月2日 申请日期2011年1月5日 优先权日2010年1月6日
发明者约翰·康诺利, 约翰·鲁尔斯顿, 丹尼尔·曼德利克 申请人:诺瓦特安斯集团有限公司