具有适用于从流体管道获取能量或者消散来自该流体管道的热的集成热电模块的柔性组件.pdf

一种组件，该组件包括一个或多个热电模块、柔顺的热界面材料以及传热器。所述柔顺的热界面材料构造成大致贴靠流体管道的外表面并与之密切热接触。所述传热器大致布置在所述柔顺的热界面材料与所述一个或多个热电模块之间并与它们热藕合。所述传热器的柔性可比所述一个或多个热电模块的柔性大。所述传热器的导热率也可比所述柔顺的热界面材料的导热率大。所述组件可至少部分围绕所述流体管道的外表面的一部分周向卷绕，其中所述柔顺的热界面材料与所述流体管道的外表面部密切热接触。

1、  一种组件，当该组件至少部分围绕流体管道的外表面的至少一部分周向卷绕时，该组件适用于接收从所述流体管道传递的热，该组件包括：
一个或多个热电模块；
柔顺的热界面材料，其构造成大致贴靠流体管道的外表面并与之密切热接触；以及
传热器，其大致布置在所述柔顺的热界面材料与所述一个或多个热电模块之间并与它们热藕合，该传热器的柔性比所述一个或多个热电模块的柔性大，所述传热器的导热率比所述柔顺的热界面材料的导热率大；
由此，所述组件具有足够柔性，以至少部分围绕所述流体管道的外表面的一部分周向卷绕，其中所述柔顺的热界面材料基本贴靠所述流体管道的外表面部并与之密切热接触，以由此经由柔顺的热界面材料和所述传热器形成从所述流体管道到所述一个或多个热电模块的导热热通路。

2、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述组件包括第一基本平坦构造和第二构造，在该第二构造中，所述组件沿一个方向折曲，以使所述柔顺的热界面材料形成与所述流体管道的外表面的凸出弯曲部的曲率大致对应的大致凹入的曲率。

3、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述一个或多个热电模块包括一个或多个热电发电器，该一个或多个热电发电器能够操作成从所述流体管道传递的热获取电力。

4、  根据权利要求3所述的组件，其中，所述一个或多个热电模块包括一个或多个热电冷却器，该一个或多个热电冷却器能操作成通过消散从所述流体管道传递的热来冷却所述流体管道。

5、  根据权利要求4所述的组件，该组件还包括一个或多个散热器，其中，各散热器与所述一个或多个热电冷却器中的对应的一个热电冷却器的热侧热连接，其中，所述一个或多个散热器能操作成向环境散热。

6、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述一个或多个热电模块包括一个或多个热电冷却器，该一个或多个热电冷却器能操作成通过消散从所述流体管道传递的热来冷却所述流体管道。

7、  根据权利要求6所述的组件，该组件还包括一个或多个散热器，其中，各散热器与所述一个或多个热电冷却器中的对应的一个热电冷却器的热侧热连接，其中，所述一个或多个散热器能操作成向环境散热。

8、  根据权利要求7所述的组件，其中，所述一个或多个散热器包括一个或多个向外延伸的用于向环境散热的翅片。

9、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述一个或多个热电模块包括与所述传热器热藕合的两个或更多个间隔开的热电模块。

10、  根据权利要求9所述的组件，其中，所述两个或更多个热电模块间隔开，使得当所述组件围绕具有圆形横截面的筒形流体管道卷绕时，所述两个或更多个热电模块大致均匀布置，并沿所述筒形流体管道的外表面彼此基本等距离地间隔开。

11、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述传热器包括铜编织层。

12、  根据权利要求1所述的组件，该组件还包括与所述一个或多个热电模块相邻布置的绝缘体，用于帮助保护所述一个或多个热电模块免受环境的影响。

13、  根据权利要求12所述的组件，该组件还包括大致布置在绝缘体上的弹性膜覆盖件，用于帮助将所述绝缘体大致保持在所述覆盖件与所述传热器之间。

14、  根据权利要求1所述的组件，该组件还包括紧固装置，用于将所述组件的自由端彼此可移除地附接，以由此帮助保持所述组件围绕所述流体管道的外表面的相对位置。

15、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述热界面材料比所述传热器更柔顺。

16、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述热界面材料包括柔顺或适形的材料，该柔顺或适形的材料包括以下至少一种或多种：
适形的填隙材料；
适形的相变材料；
导热垫；
导热油脂；
导热油灰；
分配到所述传热器上的点胶成形材料；
通过手持分配器分配到传热器上的材料；
丝网印制到所述传热器上的材料；或者
上述这些材料的组合。

17、  根据权利要求1所述的组件，其中，所述热界面材料包括可回弹压缩的材料，用于压缩接触并基本贴合所述流体管道的外表面部。

18、  根据权利要求1所述的组件，该组件还包括一个或多个风扇，用于在所述组件的至少一部分上产生空气流，以由此改善从所述组件的热消散。

19、  根据权利要求1所述的组件，该组件还包括：
一个或多个散热器，其中，各散热器与所述一个或多个热电冷却器中的对应一个热电冷却器的热侧热连接，其中，所述一个或多个散热器能操作成用于消散热；并且
还包括膜覆盖件，该膜覆盖件相对于所述一个或多个风扇和所述一个或多个散热器布置，用于帮助引导大致位于所述风扇与所述散热器之间的气流，以由此改善从所述一个或多个散热器的热消散。

20、  一种组件，该组件适用于消散从流体管道传递的热，该组件包括：
一个或多个热电冷却器；
柔顺的热界面材料，其构造成大致贴靠流体管道的外表面并与之密切热接触；
传热器，其大致布置在所述柔顺的热界面材料与所述一个或多个热电模块之间并与它们热藕合，该传热器的柔性比所述一个或多个热电冷却器的柔性大，所述传热器的导热率比所述柔顺的热界面材料的导热率大；
一个或多个散热器，各散热器与所述一个或多个热电冷却器中的对应一个热电冷却器热藕合，所述一个或多个散热器能操作成用于向环境散热；
绝缘体，该绝缘体与所述一个或多个热电冷却器相邻布置，用于帮助保护所述一个或多个热电冷却器免受环境的影响；以及
弹性膜覆盖件，该弹性膜覆盖件大致布置在所述绝缘体上，用于帮助将所述绝缘体大致保持在该覆盖件与所述传热器之间；
由此，所述组件具有足够柔性，以从基本平坦的构造至少部分围绕所述流体管道的外表面的凸出弯曲部周向卷绕，其中所述柔顺的热界面材料基本贴靠所述流体管道的凸出弯曲部并与之密切热接触，以由此经由柔顺的热界面材料和所述传热器形成从所述流体管道到所述一个或多个热电冷却器的导热热通路。

21、  一种与从流体管道传递热相关的方法，该方法包括：
将组件安装在一流体管道的外表面上，所述组件包括：一个或多个热电模块；柔顺的热界面材料；以及传热器，该传热器大致布置在所述柔顺的热界面材料与所述一个或多个热电模块之间；
其中，安装所述组件的步骤包括围绕所述流体管道的外表面的至少一部分大致周向地绕卷绕该组件，使得所述柔顺的热界面材料基本贴靠所述流体管道的外表面部并与之密切热接触，以由此经由柔顺的热界面材料和所述传热器形成从所述流体管道到所述一个或多个热电模块的导热热通路。

22、  根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法包括通过消散传递到所述组件的热来冷却所述流体管道。

23、  根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法包括从传递到所述组件的热获取电力。

24、  根据权利要求21所述的方法，其中，安装所述组件的步骤包括从基本平坦的构造开始折曲所述组件，以使所述柔顺的热界面材料形成与所述流体管道的外表面的凸出弯曲部的曲率大致对应的大致凹入的曲率。

25、  根据权利要求21所述的方法，其中，该方法还包括在安装所述组件之前，向安装者提供呈基本平坦构造的所述组件。

具有适用于从流体管道获取能量或者消散来自该流体管道的热的集成热电模块的柔性组件
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年6月29日提交的美国临时申请No.60/947,261以及2007年8月23日提交的美国专利申请No.11/844,027的优先权。上述申请的公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开大体涉及热电模块，更具体地涉及具有集成热电模块的柔性组件，该柔性组件具有足够柔性，以大致围绕流体管道的外表面周向卷绕，而用于从流体管道获取能量或冷却/消散来自流体管道的热。
背景技术
在这一部分中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
热电模块是一种能够作为热泵或作为电力发电机操作的较小固态设备。当热电模块用于发电时，热电模块也可被称作热电发电机(TEG)。当热电模块用作热泵时，热电模块利用珀尔帖效应(Peltier effect)来移动热，因此可被称作热电冷却器(TEC)。
作为一般背景，珀尔帖效应是指在电流穿过两种不同类型的导体的接合处时发生的温度变化。碲化铋可用作半导体材料而被大量地掺杂以造成电子过剩(n型)或不足(p型)。简单来说，TEC包括许多p-型和n-型对(偶)，p-型和n-型对(偶)以串联的方式电连接并夹设在两个陶瓷板之间。当连接到直流电源时，电流使得热从TEC的一侧移到另一侧。自然地，这形成了TEC的热侧和冷侧。通常的应用是将TEC的冷侧暴露于待冷却的对象或物质。
发明内容
根据各个方面，例示性实施方式提供具有集成热电模块的组件，该组件的柔性足以允许该组件围绕流体管道的外表面周向卷绕。在一个例示性实施方式中，组件包括一个或多个热电模块、柔顺的热界面材料以及传热器。所述柔顺的热界面材料构造成使得其可以基本贴靠所述流体管道的外表面并与之密切热接触。所述传热器大致布置在所述柔顺的热界面材料和所述一个或多个热电模块之间并与它们热藕合。所述传热器的柔性可比所述一个或多个热电模块的柔性大。所述传热器的导热率也可比所述柔顺的热界面材料导热率大。所述组件可具有足够柔性，以可至少部分围绕所述流体的外表面的一部分周向卷绕，其中所述柔顺热界面材料基本贴靠所述流体管道的外表面部并与之密切热接触。从而，可经由所述柔顺的热界面材料和所述传热器而形成从所述流体管道到所述一个或多个热电模块的导热热通路。
另一个例示性实施方式包括适用于消散从流体管道传递的热的组件。所述组件包括一个或多个热电冷却器、柔顺的热界面材料、传热器以及一个或多个散热器。所述柔顺的热界面材料构造成基本贴靠所述流体管道的外表面并与之密切热接触。所述传热器大致布置在所述柔顺的热界面材料和所述一个或多个热电冷却器之间并与它们热藕合。所述传热器的柔性可比所述一个或多个热电冷却器的柔性大。所述传热器的导热率也可比所述柔顺的热界面材料的导热率大。各散热器可热藕合到所述一个或多个热电冷却器中的对应一个冷却器。所述一个或多个散热器可操作成用于向环境散热。绝缘体可与所述一个或多个热电冷却器相邻布置，用于帮助保护所述一个或多个热电冷却器免受环境的影响。弹性膜覆盖件可大致布置在所述绝缘体上，用于帮助将所述绝缘体大致保持在所述覆盖件与所述传热器之间。所述组件可具有足够柔性，以从基本平坦的构造至少部分围绕所述流体管道的外表面的凸出弯曲部周向卷绕，其中所述柔顺热界面材料基本贴靠所述流体管道的凸出弯曲部，并与之密切热接触。从而，可经由所述柔顺的热界面材料和所述传热器形成从所述流体管道到所述一个或多个热电冷却器的导热热通路。
另一方面涉及一种方法，例如与从流体管道传递热相关的方法。在一个例示性实施方式中，一种方法大致包括将组件安装在一流体管道的外表面上。所述安装的组件可包括一个或多个热电模块、柔顺的热界面材料以及传热器，该传热器大致布置在所述柔顺的热界面材料与所述一个或多个热电模块之间。当安装所述组件时，所述组件可围绕所述流体管道的外表面的至少一部分大致周向卷绕，使得所述柔顺的热界面材料基本贴靠所述流体管道的外表面部，并与之密切热接触。从而，可经由柔顺的热界面材料和所述传热器形成从所述流体管道到所述一个或多个热电模块的导热热通路。
从本文所提供的描述将清楚另外的应用范围。应理解，所述描述和具体实施例仅旨在示意目的而不是要限制本公开的范围。
附图说明
这里描述的附图仅用于示意性目的而并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是具有集成热电冷却器的组件的例示性实施方式的剖视图，并且示出了该组件围绕关于管的外表面周向卷绕；
图2是图1中所示的组件的剖视图，该组件示出为非卷绕的平坦构造，在运送根据该例示性实施方式的组件时可利用该非卷绕的平坦构造；以及
图3是具有集成热电冷却器、两个风扇以及较薄的弹性膜的组件的例示性实施方式的侧视图，较薄的弹性膜围绕组件和管的外表面卷绕，以增强气流。
具体实施方式
下面的说明实质上仅是例示性的，并且决不旨在限制本公开、应用或使用。应理解，在所有附图中，对应的附图标记代表相同或对应的部件和特征。
根据发明人对此的认知，一些具有热电模块的现有组件较刚硬、大致平坦且为平面型的。对于这样的非柔性的、平坦的和平面型的构造，这些组件自身不特别适于从流体管道获取能量或者消散来自流体管道的热，所述流体管道具有凸起地弯曲的外表面，例如筒形管。
如本文所公开的那样，发明人对此已研制出具有集成热电模块的柔性组件的各种例示性实施方式，所述柔性组件具有足够柔性，以允许围绕流体管道(包括筒形管和筒)的外表面周向卷绕该组件。这种卷绕性能因此可使得组件用于从组件所卷绕的流体管道获取能量或者冷却/消散来自该流体管道的热。
在一个例示性实施方式中，组件大体包括一个或多个大致平坦的、细长的(例如较长且窄)以及平面型的热电模块。当组件处于第一大致平坦的非卷绕构造时，热电模块可以彼此大致平行地排列。热电模块可通过传热器热连接在管侧上。传热器可由具有较高导热率(例如铜编织层)的较柔性的材料形成。优选的是，通过利用较软的热界面材料(例如填隙料)使传热器与管之间的热阻最小。以下表格中列举了热界面材料的一些实施例。在热电模块的与管相对的热侧上，一个或多个散热器可热藕合到热电模块。散热器可具有一个或多个翅片，用于帮助向周围环境消散传递到散热器的热。
继续说明该例示性实施方式，绝缘体(例如可压缩的绝热体等)可与热电模块相邻地布置在大致限定于传热器和散热器之间的区域或空间内。该绝缘体优选构造成帮助保护热电模块免受环境(例如外部物体或碎屑、颗粒物、污染物、金属废料或削屑等)的影响。
在各种实施方式中，组件可作为大致平坦的非卷绕包装运送或移送。收到后，安装者可从平坦构造折曲或弯曲该组件，并围绕流体管道周向卷绕该组件。在围绕流体管道卷绕该组件之后，组件的自由端或边缘可以彼此间隔开，或者可以根据组件所卷绕的流体管道的尺寸而使自由端彼此搭叠。可使用合适的紧固设备或装置(例如钩和环紧固垫等)将组件的自由端可移除地附接到另一端，因此还确保组件在流体管道上的相对位置。在一些实施方式中(例如包括钩和环紧固垫等的实施方式)，可利用组件并围绕不同尺寸和直径的管卷绕该组件，因此消除了(或者至少减少)在特定应用中为每种尺寸的管或流体管道制造不同大小的组件的需要。
在其他实施方式中，根据例如具体应用或最终用途(例如流体管道的构造/尺寸/形状、散热要求、发电要求等)，可将组件设置成各种宽度并且/或者设置有不同数量的热电模块。对于其中其理想为最大或至少增大抽取热量的应用，可在替换实施方式中设置附加特征。例如，一些实施方式可包括一个或多个由集成在整个组件中的风扇(例如图3等)主动冷却的散热器，气流被引向一个或多个风扇与一个或多个散热片之间，并通过围绕组件周向卷绕较薄的弹性膜(例如弹性体、橡胶等)而被最优化以及/或者得以增强。作为另一个实施例，其他的实施方式可包括一个或多个热管(而不是风扇和/或者散热器，或者除了风扇和/或者散热器之外还包括一个或多个热管)。在这样的实施方式中，热管可通向分离的专用主动冷却系统，该冷却系统具有不与组件一体形成的一个或多个散热器以及/或者风扇。
在操作期间，传热器和热界面材料(TIM)帮助提供并保持热电模块与流体管道外部之间的良好的导热热通路。与那些依靠热电模块与管的外表面之间的直接接触的应用(其中热电模块的刚度通常仅允许沿管的直线或较小表面热接触)相比，热界面材料与流体管道和传热器之间的密切热接触可以帮助改善从流体管道到热电模块的热传递效率。
现在参照附图，图1和图2示出了体现本公开一个或多个方面的组件100的例示性实施方式。如图1所示，组件100可大致围绕管108(或其他流体管道)的外表面104周向卷绕。在围绕管108卷绕之后，组件100然后可用于从管108和管108内的流体110获取能量或者冷却/消散来自它们的热。
图1示出了组件100大致围绕具有圆形横截面或轮廓的筒形管周向卷绕。作为选择，组件100也可以利用除图1所示的管之外的不同流体管道，例如尺寸和形状不同的管。例如，组件100还可与具有非圆形横截面(例如矩形横截面、三角形横截面、卵形横截面等)的管一起使用。
图2示出了组件100呈大致平坦的构造，可在运送和移送该组件100时使用该构造。在该大致平坦且非卷绕的构造中，热电模块116的竖直轴线可大致彼此平行。在收到该组件之后，安装者则可将组件100从图2中所示的平坦构造折曲或弯曲成图1中所示的卷绕构造。通过围绕管的外表面104卷绕组件100，从图1中可以看出，热电模块116的竖直轴线不再彼此平行。在卷绕后，安装者可以通过利用合适的紧固设备或装置(例如钩和环紧固垫(例如Velcro垫等)固定组件100的自由端或边缘112。
在图1中，组件100示出为围绕管108的基本上整个周向卷绕，从而存在分开组件的自由端112的较小间距。另外，在所示的实施方式中，管108的直径为1/2英寸。然而，在其他实施方式中，组件100可围绕管108的周向卷绕成比图1中所示的更大或更小的程度。例如，组件100可围绕直径比图1中的管108的直径小的管的整个周向卷绕。或者，例如，组件100可围绕直径比图1中的管108更大的管的周向仅仅局部地卷绕。作为另一个实施方式，组件100可完全围绕管的周向卷绕，从而自由端112搭叠。
继续参照图1和图2，组件100大体包括：热电模块116；热界面材料120(以下列举了该热界面材料120的一些实施例)、传热器124(例如铜编织层等)；绝热体128(例如可压缩的绝热体等)；弹性膜覆盖件132以及散热器136。
在该例示性实施方式中，各热电模块116均包括单列交错的P和N型半导体元件144。每对P-型和N-型半导体元件144串联电连接并夹设在板140之间。在其中管待冷却的应用中，热电模块116可与一个或多个直流(DC)电源(例如三伏、六伏或十二伏电源等)电连接。该一个或多个电源可集成在组件100中。作为选择，该一个或多个电源可位于组件100的外部。在其中待从管中的热获取能量的应用中，热电模块116可以与作为电池充电器的能量储存电路电连接。
在其中管待冷却的应用中，通过热电模块116消散或抽取的热量将与供应到其上的能量成比例。因此，这使得通过手动或自动装置控制温度。对于该实施例，一些实施方式可以包括自动控制器，例如开-关自动调温器或电脑控制的反馈电路。
在其中管待冷却的应用中的操作期间，电力被供应到热电模块116。这形成使得热从热电模块116的管侧移向另一侧的电流。自然地，这形成了热侧和冷侧。在图1中，热电模块116的冷侧与管108相邻，热侧与散热器136相邻并与之热连接。
在一些实施方式中，可使用明显比组件大且重的DC电源。DC电源可以与组件分开封装(并且物理安装)。为了降低成本，一些实施方式可包括能够形成固定输出的常用DC电源，例如12伏的直流。组件的设计(模块选择和它们的电连接方式)可以变更，以适应这样的电源。在冷却应用中，电源提供通常近似等于从管获取的热的瓦数的能量瓦数。为了降低成本，在一些实施方式中可使用较简单的开/关自动调温控制器。作为选择，可使用其他控制设备。在一些实施方式中，例如，可使用更昂贵的和/或者更复杂的具有反馈电路的控制器，以实现对管中的流体温度的更精确的控制。
在各种实施方式中，板140可优选包括金属化的陶瓷板。P型和N型半导体元件144可优选包括碲化铋元件。基于例如特定的应用，例如流体管道构造(例如尺寸、形状、材料等)、待冷却的特定流体、以及/或者能量获取或热消散/冷却要求，对于热电模块116来说也可使用可选构造(例如材料、形状、尺寸、多于或少于五个的热电模块、多于单列的P和N型半导体元件等)。
在本发明的各种实施方式中可以使用各种各样的热电模块116。仅作为实施例，热电模块116可包括商业上从Laird Technologies公司获得的热电模块。
进一步参照图2，所示出的热电模块116可大致是平坦的，长度尺寸大约为1.18英寸(大约3厘米)，宽度尺寸大约为0.12英寸(大约0.3厘米)，并且厚度尺寸大约为0.13英寸(大约0.35厘米)。在其他例示性实施方式中，可将一个或多个热电模块116构造成与图中所示的不同(形状、尺寸等)。另外，一个或多个尺寸(例如长度、宽度、厚度等)可以大于或小于这里所公开的尺寸。
在图1所示的实施方式中，热界面材料120布置成与传热器124和管的外表面104直接物理接触。因此，经由热界面材料120形成从管的外表面104到传热器124的导热热通路。由于热界面材料120优选较软、适形且柔顺，因此热界面材料120能够贴合管的外表面104和传热器124并与之形成良好的密切接触。与从管108到传热器124直接形成(不利用任何热界面材料120)的热通路相比，该密切接触有助于经由热界面材料120形成从管108到传热器124之间良好的热通路。作为选择，其他实施方式可不包括任何热界面材料120。在这样的实施方式中，热电模块116的冷侧或管侧板140可与传热器124形成直接物理接触(或者在那些不包括传热器或热界面材料的实施方式中与管外表面104接触)。
热界面材料120可由各种材料形成，这些材料优选是具有大致低热阻和大致高的导热率的柔顺或适形的材料。可用于热界面材料120的例示性材料包括柔顺或适形的硅树脂垫、丝网印制材料、聚氨酯泡沫或凝胶体、热油灰、热油脂、导热添加剂、填隙料、相变材料或者这些材料的组合等。在一些这样的实施方式中，柔顺或适形的材料包括可回弹压缩材料，用于压缩接触并贴合它们所接触的表面(例如，管的外表面104和传热器124)。例如，可使用具有足够压缩性和柔性的柔顺或适形的热界面材料垫，用于使该垫较紧密地贴合于管的外表面104的尺寸和外形。一些实施方式包括具有粘合背衬(例如导热和/或者导电粘合剂等)的热界面材料，用于帮助将组件100附接到管108。另外，例如，可在一些实施方式中使用柔顺或适形的热相变材料。在这样的实施方式中，热相变材料在室温下可大致为固体垫，该固体垫在温度升高时熔化，以贴合管108并与之形成密切接触。在其他实施方式中，柔顺或适形的材料可包括利用点胶成形分配设备、手持分配器或丝网印制处理或者他们的结合等分配到传热器124上的点胶成形材料。
下列表1列举出一些可用于本文所公开的一个或多个实施方式中的例示性热界面材料。这些例示性材料在商业上可从密苏里州的圣路易的Laird Technologies公司获得，因此，已参照Laird Technologies公司的商标进行区别。提供该表仅用于示意的目的，而不是为了限制的目的。
表1