專利名稱：裝有熱電器件的超絕熱板及安裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電器件，更詳細(xì)地說是裝有熱電器件的超絕熱板。
熱電器件的基本原理和操作已發(fā)展多年?，F(xiàn)代的熱電器件典型地包括利用帕爾帖效應(yīng)來操作的熱電偶矩陣。熱電器件實質(zhì)上是小熱泵，它同機械熱泵、冰箱或任何其他用于傳導(dǎo)熱量的器械一樣，遵循熱力學(xué)定律。與更傳統(tǒng)的機械/液體加熱和冷卻器件比較，其主要差別在于，熱電器件是靠固態(tài)電子器件(熱電偶)來工作的。
當(dāng)向具有熱電偶矩陣的熱電器件提供直流(DC)電源以后，熱電偶的冷側(cè)吸收熱量，熱量傳過熱電偶并在熱電偶的熱側(cè)消失。在熱電器件的熱側(cè)最好裝配上散熱器(有對稱作“熱穴”)以幫助熱電偶向毗連環(huán)境中散熱。同樣，在熱電器件的冷側(cè)最好裝配上散熱器(有時稱作“冷穴”)以幫助熱電偶從毗連環(huán)境中吸熱。有時熱電器件稱作熱電冷卻器；但是，由于它們是一種熱源，熱電器件既可作冷卻器也可作加熱器使用。
有許多類型的容器和封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計成保持某一選定的溫度范圍。這類容器和封閉結(jié)構(gòu)的例子包括，冰箱、野餐冰箱、敏感電子設(shè)備柜和器官移植容器，但也不僅限于此。眾所周知的是，在冰箱及便攜式冷凍器中使用了靠直流電系統(tǒng)操作的熱電器件來保持所需之操作溫度。在發(fā)明名稱為“溫控野餐冰箱”的美國專利US4726193中展示了一例具熱電冷卻器的容器?？繜犭娖骷僮鞯谋涞睦涌梢娪诎l(fā)明名稱為“熱電冰箱”的美國專利US2837899；發(fā)明名稱為“熱電冰箱”的美國專利US3177670；及發(fā)明名稱為“冰箱—組裝布置”的美國專利US3280573。在發(fā)明名稱為“真空中具除氣多孔結(jié)構(gòu)之熱電半導(dǎo)體及使用P型和N型熱電半導(dǎo)體之熱電板”的美國專利US5168339中，公布了一個電冷凍控制板。
典型的傳統(tǒng)冰箱包括一個絕熱的封閉體并且具有一個基于氟代烴(氟里昂FREONR)或其他種類烴類蒸氣壓縮循環(huán)的中央制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)通常具有比實際熱負(fù)荷高的制冷能力，這就導(dǎo)致制冷系統(tǒng)在二元工作周期中間歇地工作—不是處于接通就是在斷開狀態(tài)。這個二元工作周期導(dǎo)致了溫度的變化，因為當(dāng)壓縮機關(guān)閉時冰箱升溫而在壓縮機工作中溫度下降。因此，典型冰箱中的溫度并不穩(wěn)定，而是在上限和下限中循環(huán)著的。
現(xiàn)在可得到的制冷系統(tǒng)常常包括一個空氣/蒸發(fā)器界面，它要求相對較高的空氣流動速度以得到最佳的制冷效率并防止在蒸發(fā)器上形成霜或冰。這個空氣流速通常要大于制冷冰箱內(nèi)表面所要求之空氣速度，這就進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)的效率降低。
蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)常常使用CFC(含氯氟烴)例如氟里昂FRE-ONR來作為工作液體。CFC對環(huán)境的負(fù)面影響是眾所周知的，而且已有國家和國際法規(guī)要求禁止使用此類CFC。其他氟代烴例如HCFC和HFC對于在冰箱系統(tǒng)中使用來說有其自身的局限性和問題。
按照本發(fā)明，過去用在這類冰箱中保持設(shè)定溫度之熱電冰箱所固有的缺點和問題得到了大幅度的降低或消除。本發(fā)明提供了一個既對環(huán)境無害又節(jié)能的高效、無氟代烴的制冷系統(tǒng)。
本發(fā)明提供了一個超絕熱板以安裝在例如冰箱的容器或封閉結(jié)構(gòu)中，超絕熱板包括一個具有熱電器件及兩個相連的散熱器(有時稱作熱穴和冷穴)的熱電組件。熱電器件和熱散熱器最好設(shè)置在超絕熱板的一側(cè)。冷散熱器最好設(shè)置在超絕熱板的相對一側(cè)。冷通道安裝在超絕緣板內(nèi)，位于超絕緣板一側(cè)的熱電器件及所連的熱散熱器與位于超絕緣板相對另一側(cè)的冷散熱器之間。在超絕熱板中可以設(shè)置一個或多個支柱以用來將熱散熱器、冷散熱器及相連熱電器件安裝到超絕熱板的外表面上，并且將冷通道配置在二者之間。
本發(fā)明的一個顯著的技術(shù)上的優(yōu)點包括超絕熱板及其所附熱電組件可用來為多種類型的容器、盒子及其他種類的封閉結(jié)構(gòu)提供制冷。
本發(fā)明的又一個顯著的技術(shù)上的優(yōu)點包括，它消除或大幅度減小了在封閉結(jié)構(gòu)上安裝制冷系統(tǒng)并從封閉結(jié)構(gòu)中吸熱所要求的大量開口。如有要求，在超絕熱板中可以設(shè)置一個冷通道從而允許熱量經(jīng)過超絕熱板傳導(dǎo)而無需在超絕熱板中設(shè)置任何開口。
參照附圖及下面的說明可對本發(fā)明及其優(yōu)點得到一個更完全的理解，附圖中

圖1為一個按照本發(fā)明一個方面的裝有具熱電組件的超絕熱板的冰箱或封閉結(jié)構(gòu)的軸測透視圖；圖2為圖1中超絕熱板的示意圖，其中熱電組件部分已剖去；以及圖3為沿圖2中線3—3之放大的剖面圖，部分已剖去。
參照圖1至圖3可很好地理解本發(fā)明之各實施例及其優(yōu)點。各圖中的類似的標(biāo)號用于不同圖中的相同或相應(yīng)部分。
如圖1所示，冰箱或封閉結(jié)構(gòu)20包括超絕熱板30，其上裝有熱電組件50。為便于圖示，具熱電組件50的超絕熱板30如圖所示裝在冰箱20的頂部22中。如有要求，具熱電組件50之超絕熱板30也可安裝在冰箱20的側(cè)面，背面，冰箱的門或底部?？梢愿淖兂^熱板30及其相連的熱電組件50的位置以對應(yīng)冰箱20的具體用途提供最佳的性能。超絕熱板30及熱電阻件50也可用于多種類型之封閉容器，如電子設(shè)備柜、藥品柜、器官移植容器等。本發(fā)明中之具熱電組件的超絕熱板也不僅限于冰箱或冷凍箱中使用。
在本專利申請中，“超絕熱板”一詞一般用來指具有大于20左右(R20/英寸、R20/2.54cm)的R值/英寸(R值/2.54cm)(熱能傳導(dǎo)阻值)的絕熱材料?！癛”值常用來量度絕熱性能，式中R值是一熱阻值，且R值愈高，絕熱性能愈好。R值/英寸(R值/2.54cm)用來比較不同絕熱材料的熱性能。例如，纖維玻璃的R值/英寸(R值2.5cm)約為3.2hr—ft2—°F/BTU(0.56m2k/w)，而苯乙烯泡沫的R值/英寸(R值/2.54cm)約為5hr—ft2—°F/BTU(.088m2k/w)。
多種類型的超絕熱板都可滿意地用于本發(fā)明。這種具高R值的超絕熱板的例子可見于發(fā)明名稱為“制造高R超絕緣熱板之方法”的美國專利US5090981和發(fā)明名稱為“高R超絕熱板”的美國專利US5094899。在尚未批準(zhǔn)的于1992年12月23日申請的美國專利申請系列號07/993883中提出了一優(yōu)選超絕熱板。所有上述這些專利都在本申請中引入以作為涉及本申請的各種用途時的參考。這類超絕熱板可以從位于俄亥俄州多倫多市的歐文斯—考寧纖維玻璃公司(Owens—Coming Fiberglass Corp)得到。歐文斯—考寧公司用于這些超絕熱板的商標(biāo)為“AURA”。超絕熱板可用于制造冰箱20的側(cè)壁、底壁、箱門組件、及/或頂壁或部分箱頂。
由圖1和圖2示出的超絕熱板30的形狀一般為方形。但是，具有長方形、橢圓形、圓形或任何幾何形狀的超絕熱板都可以令人滿意地用于本發(fā)明。超絕熱板30最好包括具有第一壁34和第二壁36的密封套32。密封套32在壁34和36之間可以裝備多種類型的填充料或絕熱物38和支撐結(jié)構(gòu)40。密封套32通常在壁34和36的邊緣密封以使密封套32內(nèi)保持真空。對于某些用途來講，超絕熱板30的密封套32可抽成10-4Torr至10Torr的真空。密封套32最好由不透氣材料制成。
多種材料可作為絕熱料或填充料38。美國專利US5090981和5094899提出以使用礦物纖維板和填充在纖維板間隙中的顆粒物質(zhì)來實現(xiàn)填充料38和支撐結(jié)構(gòu)40的功能。一個發(fā)明名稱為“密實的真空絕熱”的美國專利US5157983提出使用球狀玻璃或瓷珠作為填充料38并使用連續(xù)金屬片作為支撐結(jié)構(gòu)40。一個發(fā)明名稱為“真空絕熱板及制造真空絕熱板之方法”的美國專利US5252408提出使用碳顆粒、活性碳黑、硅膠或其他適當(dāng)混合的的壓制塊來實現(xiàn)填充料38和支撐結(jié)構(gòu)40的功能。一個發(fā)明名稱為“絕緣冰柜真空絕熱系統(tǒng)”的美國專利US5082335提出使用具有填充了微孔填充絕緣材料之多個密封室的真空絕熱板。上述各個專利都結(jié)合作為本申請的參考文件。
參照圖3，在超絕熱板30組件中，塊狀物80是位于密封套32中壁34和36之間。塊狀物80最好由具高熱傳導(dǎo)性的金屬如銅制成。塊狀物80超起著熱短路的作用以允許熱能在超絕熱板30中的傳導(dǎo)，下文對此還會作具體描述。塊狀物80亦可稱為“冷通道”(cold finger)。
多個柱或支柱82可用來安裝熱電組件50并最好配置于密封套32中在壁34和36間。在每個柱82的每端上都設(shè)有螺紋孔84以提供安裝熱電組件50到超絕熱板30上去的一種方法。最好在各個柱82的末端與壁34和36的相毗連的部分之間安裝上真空密封(圖中未示出)，以有助于在超絕熱板30中形成所要求的真空。
對某些用途來說，最好在分別與壁34和36相毗連的墊片92和94之間安裝超絕熱板30。熱片92和94可由玻璃纖維增強塑料或其他合適材料制成以為毗連的超絕熱板30提供尺寸穩(wěn)定性和強度。對于由圖1、圖2示出的本發(fā)明之實施例來說，壁34和墊片94代表冰箱之外表面，壁36和墊片92代表冰箱之內(nèi)表面。
熱電組件50包括在其相對兩側(cè)配置有第一散熱器60和第二散熱器70的熱電器件52。熱電器件52最好包括在導(dǎo)熱板56和58之間配置的許多熱電偶或熱電偶元件54。對某些用途來說，導(dǎo)熱板56和58可由陶瓷及/或所要求之復(fù)合材料制成。熱電元件54可選用例如碲化鉍之材料以提供具有所要求之熱電特性的P—N結(jié)矩陣，從而使熱電器件52起到熱泵的作用。
熱電元件54的連接最好是串聯(lián)且在導(dǎo)熱上并聯(lián)。導(dǎo)線或電源線24(圖1)用來提供電能，如來自12V直流電源(圖中未示出)之電能。電源可為電池、直流發(fā)電機、交/直流變流器、或者其他任何合適的直流電源。當(dāng)直流電提供給熱電器件52以后，熱為導(dǎo)熱板58所代表之冷側(cè)吸收、并經(jīng)過熱電元件或熱電偶54、且在導(dǎo)熱板56之熱側(cè)消失。
在熱板56上裝上第一散熱器60，可以大大提高熱電器件52的效率。冷通道80配置在超絕熱板30中以便把散熱器70及冷板58進(jìn)行熱傳導(dǎo)上的連接。為將第一散熱器60和熱電器件52安裝到超絕熱板30的壁34上，可使用多種粘接技術(shù)和安裝方法。同樣，為將第二散熱器70安裝到超絕熱板30的壁36上，也可采用多種粘接技術(shù)和安裝方法。對某些用途來說，為將熱電組件50安裝至超絕熱板30上，可使用可導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂化合物和粘合劑。對其他用途來說，為將熱電組件50安裝到超絕熱板30上，可以使用熱脂或銦箔。
散熱器60和70圖中所示為由合適材料如鋁或銅模壓成一個整體的翅片式熱交換器。散熱器60和70可由具有所要求之導(dǎo)熱性和強度特性的其它類型材料制成。此外，其他熱交換器的設(shè)計如刺狀翅片，帶槽的翅片或翅片焊接式散熱器可以用來代替圖1和3中所示之整體模壓散熱器60和70。
如圖2和3所示，本發(fā)明之一個實施例包括，通過將多個螺釘86分別與各自的柱82相嚙合，以將熱電組件50安裝到超絕熱板30上。柱82最好由對熱傳導(dǎo)具較高熱阻的材料制成。各個柱82的各端最好分別與壁34和36的毗連部分相粘接。要求上述這種粘接是為了實現(xiàn)密封(圖中未示出)以在密封套32中保持真空。為了更好地圖示本發(fā)明，在圖2中略去了散熱器60。
在各個壁34和36上都制有多個孔88，以對應(yīng)相連的柱82及其螺紋孔84的位置?？?8和螺紋孔84相互配合以便使用螺釘86將熱電組件50安裝到超絕熱板30上。螺釘86可分別插入壁34和36中的孔88中，以將散熱器60和熱電器件52安裝到超絕熱板30的一側(cè)上，而將第二散熱器70安裝到超絕熱板30的另一側(cè)上，而使冷通道80夾在其中。
當(dāng)直流電提供給熱電器件52后，熱能將自冰箱20之內(nèi)表面經(jīng)散熱器70和冷通道80流動到熱傳導(dǎo)板58。在熱導(dǎo)板58上的熱能由熱電元件54傳導(dǎo)至熱導(dǎo)柱56，并由散熱器60散失或擴(kuò)散至冰箱20的外表面。如有要求，通風(fēng)裝置如裝有螺旋漿片及/或葉輪(圖中示示出)的電動機(圖中未示出)可配置在與散熱器60及/或散熱器70相毗連的地方，以幫助疏通空氣以及將熱能經(jīng)熱電組件50自冰箱20內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到冰箱20外表面。發(fā)明名稱為“溫控野餐冰箱”的美國專利US4726193展示了與熱電器件配合使用通風(fēng)裝置的一些例子，為了本申請的目的將其結(jié)合作參考文獻(xiàn)。
也可以使用多種類型的粘接、焊接工藝及/或用夾子作為螺釘86和柱82的代用品，將熱電組件50安裝到超絕熱板30的外表面上。將熱電組件50安裝到超絕熱板30上的基本要求是，確保熱電阻件52的熱傳導(dǎo)板58和冷通道80被安裝在壁34的相對兩側(cè)并相互毗連。同樣，散熱器70和冷通道80最好配置在壁36的相對兩側(cè)并相互毗連。只要在熱電器件52、冷通道80和散熱器60及70間實現(xiàn)了上述關(guān)系，可以成功地采用多種類型之安裝工藝。
盡管已詳盡地描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，應(yīng)該理解的是，可以實現(xiàn)多種改變、替代和代用而不背離以下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一個超絕熱板，上面裝有熱電組件以控制封閉結(jié)構(gòu)之中的溫度，包括一超絕熱板，它的一部分由一個具有第一壁和第二壁的密封套形成；一個熱電器件，其一側(cè)裝有第一散熱器且其另一側(cè)與密封套第一壁之外表面相接觸；一第二散熱器，它與第二壁之外表面相接觸；及一冷通道，它夾在第一壁與第二壁之間安裝在密封套中，用來從第二散熱器向熱電器件傳導(dǎo)熱能。
2.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其特征在于還包括多個支柱，它們由對熱傳導(dǎo)呈較高熱阻的材料制成，夾在第一壁與第二壁之間裝配在密封套中；及多個螺釘，它們分別穿過散熱器出去延伸且與相連支柱中之螺紋孔相嚙合，是將第一散熱器和第二散熱器安裝到超絕緣板上用的。
3.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其特征在于還包括一個填充有絕熱材料的真空板，絕熱材料是從礦物纖維板、玻璃珠、及微孔填充材料中選出的材料。
4.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其特征在于所述的封閉結(jié)構(gòu)還包括一個冰箱。
5.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其持征在于所述的封閉結(jié)構(gòu)包括一個頂端裝有超絕緣板的冰箱。
6.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其特征在于它的熱能傳導(dǎo)阻值，R值/英寸(2.54cm)應(yīng)大于20，即R20/英寸或R20/2.54cm。
7.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其特征在于還包括由不透氣材料制成的密封套以及在密封套中密封制成的真空。
8.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其特征在于還包括在密封套中密封而成的10-4Torr至104Torr的真空和礦物纖維板設(shè)置在第一壁和第二壁之間。
9.按照權(quán)利要求1之超絕熱板，其特征在于所述的熱電器件用環(huán)氧樹脂化合物安裝在第一壁上，所述的第二散熱器用環(huán)氧樹脂化合物安裝在第二壁上。
10.一種安裝在超絕熱板上用來控制一個封閉結(jié)構(gòu)之中的溫度的熱電組件，包括一超絕熱板，它的一部分由一個具第一壁和第二壁的密封套形成；一熱電器件，其一側(cè)安裝有第一散熱器且其另一側(cè)與密封套第一壁之外表面相接觸；一第二散熱器，它與第二壁之外表面相接觸；及一冷通道，它夾在第一壁與第二壁之間安裝在密封套中，用來從第二散熱器向熱電器件傳導(dǎo)熱能。
11.按照權(quán)利要求10之熱電組件，其特征在于還包括多個支柱，它們由不導(dǎo)熱材料制成，且夾在第一壁與第二壁之間、裝配在密封套中；以及多個螺釘，它們分別穿過散熱器延伸出去且與相連支柱中之螺紋孔相嚙合，用來將第一散熱器和第二散熱器安裝到超絕熱板上去。
12.按照權(quán)利要求10之熱電組件，其特征在于超絕熱板進(jìn)一步包括一個其中填充有絕熱材料的真空板；絕緣材料是從礦物纖維板、玻璃珠、及微孔填充材料中選出的材料。
13.按照權(quán)利要求10之熱電組件，其特征在于還包括與第一壁相鄰配置的第一墊片和與第二壁相鄰配置的第二墊片。
14.按照權(quán)利要求10之熱電組件，其特征在于，所述的封閉結(jié)構(gòu)還包括一個在其頂端裝有超絕熱板的冰箱。
15.按照權(quán)利要求10之熱電組件，其特征在于所述的超絕緣板具有熱能傳導(dǎo)組值，R值/英寸(2.54cm)大于20即R20/英寸或R/20/2.54cm。
16.按照權(quán)利要求10之熱電阻件，其特征在于還包括由不透氣材料制成的密封套以及在密封套中密封制成的真空。
17.按照權(quán)利要求10之熱電組件，其特征在于還包括在密封套中密封而成的10-4Torr至104Torr的真空和礦物纖維板設(shè)置在第一壁和第二壁之間的。
18.將熱電組件安裝到超絕熱板上去的方法，包括下述步驟用一個具有第一壁和第二壁的不透氣密封套制成超絕熱板；將一個冷通道裝在密封套中夾在第一壁與第二壁之間；在毗連冷通道的第一壁之外表面上安裝一個熱電器件，在熱電器件上面對冷通道安裝第一散熱器；及在毗連冷通道的第二壁上安裝第二散熱器。
19.按照權(quán)利要求18之方法，其特征在于還包括下述步驟在超絕熱板上第一壁與第二壁之間，安裝多個支柱；以及從第一散熱器和第二散熱器穿過多個螺釘以與相連系的支柱中的螺紋孔相嚙合，以將熱電組件裝在超絕熱板上。
20.按照權(quán)利要求18之方法，其特征在于還包括下述步驟在毗連冷通道的地方配置熱電組件并使第一壁充置在二者中間，且第一散熱器自熱電器件延伸出去并與冷通道相面對；及在毗連冷通道的地方安裝第二熱交換器并使第二壁設(shè)置在二者之間。
全文摘要
一種超絕熱板和熱電組件，用來將一個冰箱或其他類型的封閉結(jié)構(gòu)中的溫度保持在某一要求值。熱電組件包括一個具有熱散熱器和冷散熱器的熱電器件。超絕熱板最好設(shè)置在熱散熱器和冷散熱器之間。在超絕熱板中配置一個冷通道，以將熱量從冷散熱器傳導(dǎo)至熱散熱器，后者又將熱量傳導(dǎo)至熱散熱器。在超絕熱板中也可設(shè)置多個支柱，用來將熱電組件安裝在超絕熱板上。
文檔編號H01L35/00GK1122159SQ95190022
公開日1996年5月8日 申請日期1995年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月12日
發(fā)明者邁克爾·D·吉利, 蘭斯·克里斯庫洛, 拉爾夫·D·麥格拉斯, 巴里·J·阿奇 申請人:歐文斯-科爾寧格·費伯格拉斯公司, 馬洛工業(yè)有限公司