[发明专利]热电冷却系统及电子装置冷却方法

说明书

发明领域

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。

发明背景

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-state active 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1A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dQ_P/dt（Q_P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dQ_S/dt（Q_S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dQ_P/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T_E和有待冷却的装置110的温度T_S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（dQ_S/dt）/|S₁|大于热电式热泵可能达到的最大热通量（dQ_S/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T_E），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T_S之间所能达到的温差ΔT也是有限的。这主要源自以下原因：随着温差ΔT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（S₂/S₁）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的冷侧（第一区域）与热侧（第二区域）之间的典型温差ΔT被限制在约30°C至70°C之间。如果需要更大的ΔT，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ΔT大于一个单一热泵可能达到的ΔT（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ΔT（例如，最大温差）。

图1B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