CN105556222B - 用于冷却腔室和表面的增强的热传送系统 - Google Patents

用于冷却腔室和表面的增强的热传送系统 Download PDF

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Abstract

添加到被动热传送系统的至少一个强制对流单元在瞬态热量负载阶段期间操作但不在稳态条件下操作，从而冷却腔室或表面并且维持腔室或表面的设定点温度。基于温度数据和/或设定点温度值选择性地采用强制对流。排热传送系统包括第一排热器和第二排热器，所述第一排热器和第二排热器各自通过主传送管和交叉传送管联接至第一排热交换器和第二排热交换器，从而准许两个散热器都从第一热电热泵和第二热电热泵消散热量，而不管所述第一热泵、所述第二热泵、或所述第一热泵和第二热泵是否在操作中。

Description

用于冷却腔室和表面的增强的热传送系统
相关申请
本申请要求于2013年9月16日提交的美国临时专利申请号61/878,156以及于2014年7月21日提交的美国临时专利申请号62/027,071的权益。上述申请的公开内容均在此以引用的方式各自整体并入本文。
本公开的技术领域
本公开总体涉及用于去除并消散来自腔室和/或表面的热量的冷却系统，包括利用热电冷却元件的冷却系统和致冷系统。
背景
致冷方法涉及从有待冷却的腔室或表面移开热量，并且在高于周围介质(例如，空气)的温度下排出所述热量。基于蒸汽压缩的冷却系统具有高效能系数(COP)并且通常用于冷却腔室和表面。常规基于蒸汽压缩的致冷系统利用恒温调节的工作循环控制。典型地此类系统的动力不足以满足稳态和瞬态需求两者(如在降温或恢复期间)，并且因此包括远超稳态操作期间所要求的散热需求的过度冷却能力。过度冷却能力允许提高的降温性能，但是由于常规蒸汽压缩系统的控制、热力学极限、以及产品性能需求的本质，常规蒸汽压缩系统效率达不到最优。过度冷却能力还在启动期间需要巨大的电流浪涌并且要求更昂贵的电子部件。
基于蒸汽压缩的致冷系统的次最优效率涉及对精确地控制冷却室内的温度的此类系统的需要。典型地，当冷却室内的温度超过给定值时，基于蒸汽压缩的致冷系统被启动并且继续运行直到冷却室中的温度低于规定值一在此时基于蒸汽压缩的系统被关闭。此类控制方案典型地具有相对大的控制带和相对大的内部温度分层，以试图最小化能量消耗并且允许在变化的周围条件下操作。这一控制方案是最常利用的，因为利用蒸汽压缩循环很难实现节流或容量变化并且实现起来是昂贵的，并且节流或容量差异随着容积效率下降而提供有限的功效。
基于蒸汽压缩的系统还经常使用基于含氯氟烃(CFC)的致冷剂，然而，基于CFC的致冷剂的使用造成环境威胁，因为此类化合物的排放可导致地球臭氧层的耗尽。
热电冷却系统表示相对于蒸汽压缩系统的环境友好型替代方案，因为它们不要求基于CFC的致冷剂。热电冷却器(又称热电热泵)响应于电流的施加而横过其表面产生温差。热量可从有待冷却的表面或腔室接受，并且可被传送(例如，通过一系列传送管)至排热器以便消散到周围介质如空气中。热电冷却系统可包括被动排热子系统，如热虹吸管或热管，这免除了强制传送加压冷却剂穿过排热器的需要。至于所有致冷系统，横过热电热泵的温差越小，热泵在传送热量上越有效。然而尽管热电冷却系统具有环境效益，但此类系统具有典型地小于蒸汽压缩系统的一半的COP值。增强热电冷却系统的COP并且使得它们能够在很宽的周围温度条件范围内使用对于促进此类系统的采用增加是有益的。
概述
本公开的实施方案涉及能够在增加的周围温度条件范围内实现更大的效率和/或使用率的热传送系统(包括热电冷却系统)，比如可用于冷却腔室和/或表面。
在根据本公开的某些实施方案中，至少一个强制对流单元与被动热传送系统一起利用(例如，使用热虹吸管或热管)以用于维持腔室或表面的设定点温度或设定点温度范围，其中所述至少一个强制对流单元在高热量负载(例如，瞬态条件)和/或高温排出条件阶段期间操作，但是在正常(例如，稳态)条件期间当被动热传送足以使得热量从有待冷却的表面或腔室接受和/或足以使得热量被排出到周围环境时不操作。所述至少一个强制对流单元被选择性操作来相对于与热传送流体处于热连通的至少一个热交换器增强或促进对流热传送。至少一个强制对流单元可邻近至少一个热交换器被布置在热传送系统的接受侧和/或排出侧。控制器接收指示以下各项中的至少一个的温度数据：(i)包含热传送系统的周围环境的温度；以及(ii)有待冷却的腔室或表面的温度。一旦检测到指示以下状态中的至少一个的条件，控制器就启动至少一个强制对流单元：腔室或表面的温度超过包括设定点温度或设定点温度范围的稳态温度范围；和/或周围环境的温度超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。一旦检测到指示以下状态中的至少一个的条件，控制器就停用至少一个强制对流单元：腔室或表面的温度在稳态温度范围内；和/或周围环境的温度低于周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。
在根据本公开的某些实施方案中，热传送设备包括多个排热器，所述多个排热器被布置成通过主要和交叉排出传送管与多个热交换器处于热连通，所述多个热交换器各自具有多个翅片并且各自联接至至少一个不同的热电热泵。所有排热器被布置成从每个热电热泵消散热量，而不管热电热泵是否单独操作或一起操作。与致力于分开热交换器的排热器(各自具有专用热电冷却器)相比，与多个排热器相关联的更大表面积增强了传热并且导致操作中的热电热泵处的更低温度。提供了多个排出传送管，所述排出传送管包括：至少一个第一主排出传送管，所述第一主排出传送管被布置来将来自第一排热交换器的热量传送至第一排热器；至少一个第一交叉排出传送管，所述第一交叉排出传送管被布置来将来自第一排热交换器的热量传送至第二排热器；至少一个第二主排出传送管，所述第二主排出传送管被布置来将来自第二排热交换器的热量传送至第二排热器；以及至少一个第二交叉排出传送管，所述第二交叉排出传送管被布置来将来自第二排热交换器的热量传送至第一排热器。
在某些实施方案中，可结合本文所公开的任何方面或特征来形成另外的优点。如本文所公开的任何不同特征和元件可与一个或多个其他公开的特征和元件结合，除非本文表明有相反的意思。
本领域的技术人员在结合附图阅读以下优选实施方案的详细描述之后，将理解本公开的范围并且认识到本公开的另外方面。
附图简述
并入且形成本说明书一部分的附图示出本公开的若干方面，并且连同描述内容一起用来解释本公开的原理。
图1是示出了热电冷却器(TEC)的冷却能力(Q)和冷却效率(COP)作为供给TEC的输入电流的函数的线图。
图2示出包括布置在互连板上的多个TEC的热电盘盒，所述热电盘盒使得能够选择性控制TEC的不同子集。
图3是热电致冷系统的透视示意图，所述热电致冷系统包括：冷却室；热交换器，所述热交换器包括盘盒(如图2的盘盒)，所述盘盒包括设置在冷侧散热器与热侧散热器之间的多个TEC；以及控制器，所述控制器控制TEC以维持冷却室内的设定点温度。
图4是根据本公开的一个实施方案的热传送系统的至少一部分的透视图，所述热传送系统包括可选择性操作的强制对流单元，所述强制对流单元被布置来增强与包含流体的环处于热连通的热交换器的冷却。
图5是根据本公开的一个实施方案的热传送系统的至少一部分的透视图，所述热传送系统包括可选择性操作的强制对流单元，所述强制对流单元被布置来增强与热交换器处于热连通的包含流体的翅式散热器的冷却。
图6是根据本公开的一个实施方案的热电冷却或致冷系统的俯视平面示意图，所述热电冷却或致冷系统包括：冷却室；第一强制对流单元，所述第一强制对流单元被布置来增强热量至冷却室内的冷侧散热器的传送；合并TEC的热电热交换组件；以及第二强制对流单元，所述第二强制对流单元用来增强热量从热侧散热器的消散。
图7是示出根据本公开的一个实施方案的热电冷却或致冷系统(如图6的系统)的电源、传感器、控件、以及用户界面部件之间的互连的示意图。
图8是示出图7中所描绘的热电冷却系统的控制器的操作模式的示意图。
图9是示出了热电冷却系统在风扇协助模式下(具有强制对流)和在被动模式下(没有强制对流)操作所处的条件的水平条形图。
图10是适合用于同热电冷却或致冷系统的第一TEC和第二TEC一起使用的第一热传送装置和第二热传送装置的前正视图，所述第一热传送装置和第二热传送装置各自包括散热器、热交换衬垫和热传送管道，从而为比较包括连接的散热器的热传送设备和根据图11-12的交叉热交换管道提供基础。
图11是根据本公开的一个实施方案的适合用于同热电冷却或致冷系统的第一TEC和第二TEC(或热电热泵)一起使用的热传送设备的前正视图，所述热传送设备包括具有交叉热交换管道和热交换衬垫的连接的第一散热器和第二散热器。
图12是图11的热传送设备的透视图。
图13是根据本公开的一个实施方案的并且适合同图15-16中所描绘的热电致冷单元一起使用的热接受设备的流体管道和热交换衬垫的透视图。
图14是示出了图13的热接受设备的热交换块的内部元件的透视图。
图15是根据本公开的一个实施方案的热电致冷单元、具有交叉热交换管道的第一和第二热侧散热器、冷却风扇、以及被布置来套在散热器和冷却风扇上的盖子的透视组装视图。
图16是图15中所描绘的组装的热电致冷单元的透视图。
详述
下文阐明的实施方案代表使得本领域的技术人员能够实践实施方案的必需信息，并且示出实践实施方案的最佳模式。在根据附图来阅读以下描述之后，本领域的技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到在本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求书的范围内。
将理解，尽管在本文中可能使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语只用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且不意图限制本公开。除非上下文明确地指出，否则本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”意欲同样包括复数形式。还将理解，术语“包括(comprises)”、“包括了(comprising)”、“包含(includes)”和/或“包含了(including)”在本文中使用时指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。
除非另外限定，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有如本公开所属领域的普通技术人员之一通常理解的相同含义。还将理解，本文所使用的术语应该被解释为与它们在本说明书的上下文和相关技术领域中的相一致的意思，并且将不会被解释为理想化或过分正式的意义，除非本文明确定义。
简要讨论冷却能力和效率对比供应给TEC(还可叫做热电热泵)的输入电流对于提供本公开的上下文和协助理解可能是有益的。图1是示出了TEC的冷却能力(Q)和冷却效率(由效能系数(COP)表示)对供应给TEC的输入电流的线图。随着TEC的输入电流(I)增加，TEC的冷却能力也提高。冷却能力(Q)曲线上表示被TEC移除的最多热量的点指代Qmax。因此，当TEC在Qmax下操作时，TEC可能移除最大量的热量。当给TEC提供相应的最大电流Imax时，TEC在Qmax下操作。图1还示出了TEC的COP与输入电流(I)的函数。对于冷却应用来说，TEC的COP是所移除的热量与提供给TEC的用来移除热量的功量(能量)输入的比率。TEC的COP被最大化时的热量或容量(Q)指代为QCOPmax。当给TEC提供电流ICOPmax时，TEC在QCOPmax下操作。因此，当给TEC提供电流ICOPmax以使得TEC在QCOPmax下操作时，TEC的效率(或COP)被最大化。
如下文详细讨论，在优选实施方案中，控制器被布置来控制TEC(例如，在一个或多个盘盒内)使得在稳态操作期间，TEC中的一个或多个被启动并且在QCOPmax下操作，并且剩余TEC被停用来最大化效率。被启动的TEC的数量、并且相反地被停用的TEC的数量根据需要来规定。相反地，在瞬态条件如降温或恢复期间，一个或多个(并且可能地所有)TEC根据所需性能概况来启动并操作。所需性能概况的一个实例涉及在Qmax下启动并操作所有当前TEC以最小化降温或恢复时间。然而，另一个所需性能概况可替代性地在降温或恢复时间与效率之间提供折衷，在这种情况下，例如，所有当前TEC被启动并且在QCOPmax与Qmax之间的一点下操作。要认识到，TEC的控制并不限于前述说明性实例。
在某些实施方案中，控制器106包括硬件处理器和相关存储器，所述存储器如可被布置来存储允许硬件处理器执行如本文所描述的各种控制操作的指令。
如以上所指出，图1示出了单个TEC的冷却能力和冷却效率。增加TEC的数量在不影响采用多个TEC的热电冷却(例如，致冷)系统的操作COP的情况下线性增加热量移除能力。因此，如果热电冷却系统包括四个TEC，那么热电冷却系统的热量移除能力与包括单个TEC的热电冷却系统的实施方案相比将被增加四倍，同时在一些优选实施方案中允许整个系统在关闭(其中输入电流＝0)、QCOPmax(其中输入电流＝ICOPmax)和Qmax(其中输入电流＝Imax)之间的各种状态中的任何一种下操作。
在讨论热电冷却系统的细节和操作之前，讨论使得能够单独和选择性控制TEC的多TEC盘盒是有益的。图2中示出了代表性的多TEC盘盒112。盘盒112利用多个TEC 120a-120f。相对于使用单个大容量TEC，使用多个更小容量的TEC是有益的，因为多个TEC可被单独控制来在不同的条件下提供所需的性能。相反，被设计来提供用于降温或恢复的所需最大容量的单个过大TEC将不会提供在或接近最大效率值(QCOPmax)下操作一个或多个TEC的灵活性。换言之，被设计来在最大容量下有效操作的过大TEC将不能够在低容量下有效操作，然而一个或多个众多更小的TEC可由控制器启动并且在很宽的操作条件范围(包括稳态条件)内在(或接近)最大效率值下操作。TEC120a-120f中的任何一个或多个或者合并TEC120a-120b的整个盘盒112还可被称为热电热泵。
图2中所示的盘盒112仅仅是根据所需的控制方案准许单独和选择性控制TEC的不同子集的多TEC盘盒的一个实例。总的来说，多TEC盘盒可被配置成固定任何数量的TEC并且允许单独控制任何数量的TEC的子集，其中每个子集总体包括一个或多个TEC。此外，不同的子集可包括相同数量或不同数量的TEC。关于多TEC盘盒的另外细节公开在标题为THERMOELECTRIC REFRIGERATION SYSTEM CONTROL SCHEME FOR HIGH EFFICIENCYPERFORMANCE的美国专利申请公布号2013/0291555 A1中，所述专利申请公布在此以引用的方式整体并入本文。
如图2中所示，盘盒112包括设置在互连板122上的TEC120a-120f(更一般地在本文中集体被称为TEC 120并且单独被称为TEC 120)。TEC 120是镀薄膜装置。镀薄膜TEC的一些非限制性实例公开在标题为METHOD FOR THIN FILM THERMOELECTRIC MODULEFABRICATION的美国专利号8,216,871中，所述专利在此以引用的方式整体并入本文。互连板122包括限定TEC 120a-120f的四个子集的导电迹线124a-124d(更一般地在本文中集体被称为迹线124并且单独被称为迹线124)。具体而言，TEC 120a-120b通过迹线124a相互电气串联并且形成TEC 120的第一子集。同样地，TEC 120c-120d通过迹线124b相互电气串联并且形成TEC 120的第二子集。TEC 120e被连接到迹线124d并且形成TEC 120的第三子集，而TEC 120f被连接到迹线124c并且形成TEC 120的第四子集。如本文所描述的控制器可通过控制施加给迹线124a的电流选择性控制TEC 120的第一子集(即，TEC 120a和120b)，可通过控制施加给迹线124b的电流选择性控制TEC 120的第二子集(即，TEC 120c和120d)，可通过控制施加给迹线124d的电流选择性控制TEC 120的第三子集(即，TEC 120e)，并且可通过控制施加给迹线124c的电流选择性控制TEC 120的第四子集(即，TEC 120f)。因此，使用TEC120a和120b作为实例，控制器可通过从迹线124a移除电流(停用)或通过给迹线124a施加电流(启动)来选择性启动/停用TEC 120a和120b；在TEC 120a和120b被启动的同时选择性地增加或减少施加给迹线124a的电流；和/或控制施加给迹线124a的电流以此方式在启动(即，通过电流的脉冲宽度调制)之后控制TEC 120a和120b的工作循环。
互连板122包括暴露TEC 120a-120f的底表面的开口126a和126b(更一般地在本文中集体被称为开口126并且单独被称为开口126)。当盘盒112被设置在热侧(排出)热交换器与冷侧(接受)热交换器之间时(如图3中所示)，开口126a和126b使得TEC 120a-120f的面能够被热联接至适当的热交换器。
根据本公开的实施方案，在操作期间，如本文所描述的控制器可通过向相应迹线124a-124d施加电流或从相应迹线124a-124d移除电流来选择性启动或停用TEC 120的子集的任何组合。此外，控制器可通过控制提供给相应迹线124a-124d的电流量(或工作循环)来控制活动TEC 120的操作点。例如，只要TEC 120的第一子集有待在稳态操作期间被启动并在QCOPmax下操作，那么控制器可向迹线124a提供在ICOPmax值下的电流从而启动TEC 120a和120b并且在QCOPmax下操作TEC 120a和120b，同时从其他迹线124b-124d移除电流从而停用其他TEC 120c-120f。
图3示出了用来协助理解本公开的热电致冷系统100。如图所示，热电致冷系统100包括冷却室102、热交换器104、以及控制冷却室102内的冷却的控制器106。热交换器104包括热侧热交换元件108、冷侧热交换元件110、以及包括多个TEC的盘盒112(可对应于图2中所示的盘盒112和TEC 120)，其中每个TEC具有与冷侧(接受)热交换元件110处于热联接的冷侧，和与热侧(排出)热交换元件108处于热联接的热侧。此类TEC优选地是镀薄膜装置。当一个或多个TEC由控制器106启动时，已启动的TEC操作来加热热侧热交换元件108并且冷却冷侧热交换元件110，从而有助于传热进而从冷却室102排出热量。更确切地说，当TEC中的一个或多个被启动时，热侧热交换元件108被加热从而形成蒸发器，并且冷侧热交换元件110被冷却从而形成冷凝器。
用作冷凝器，冷侧热交换元件110有助于通过与冷侧热交换元件110联接的接受环114从冷却室102排出热量。接受环114被热联接至热电致冷系统100的内壁115。内壁115限定冷却室102。在一个实施方案中，接受环114被整合到内壁115中或被直接整合在内壁115的表面上。接受环114由允许冷却介质(例如，两相冷却剂)流动或穿过接受环114的任何类型的波导管形成。由于接受环114和内壁115的热联接，冷却介质随着冷却介质流动通过接受环114而从冷却室102排出热量。接受环114例如可由铜管、塑料管、不锈钢管、铝管等形成。
由冷侧热交换元件110和接受环114形成的冷凝器根据任何合适的热交换技术操作。在一个优选实施方案中，接受环114根据热虹吸管原理(即，充当热虹吸管)操作，使得冷却介质从冷侧热交换元件110穿过接受环114行进并且回到冷侧热交换元件110，从而使用两相被动热传送来冷却冷却室102。(作为替代方案，接受环114可用包括芯吸介质的热管来取代，由此吸液芯中的毛细管力确保液体从热侧返回到冷侧，这与重力驱动的不需要吸水介质的热虹吸管相反。)具体而言，被动热交换在接受环114中的冷却介质与冷却室102之间的整个自然对流中发生。在一个实施方案中，当冷却介质热接触到冷却室102时，冷却介质呈液体形式。确切地，被动热交换发生在冷却室102中的环境与接受环114内的冷却介质之间，使得冷却室102中的温度降低并且冷却介质的温度升高和/或经历相变。当冷却介质的温度升高时，冷却介质的密度(如通过蒸发而)减小。其结果是，冷却介质通过浮力在接受环114中在向上的方向上朝热交换器104并且确切地朝冷侧热交换元件110移动。冷却介质热接触到冷侧热交换元件110，其中热交换发生在冷却介质与冷侧热交换元件110之间。当热交换发生在冷却介质与冷侧热交换元件110之间时，冷却介质冷凝并且通过重力再次流动通过接受环114以便从冷却室102排出另外的热量。因此，在一些实施方案中，当对冷却室102进行冷却时，接受环114起到蒸发器的作用。
如以上所指出，热交换器104包括设置在热侧热交换元件108与冷侧热交换元件110之间的盘盒112。盘盒112中的TEC具有与热侧热交换元件108处于热联接的热侧(即，在TEC的操作期间是热的侧)以及与冷侧热交换元件110处于热联接的冷侧(即，在TEC的操作期间是冷的侧)。盘盒112内的TEC有效地促进冷侧热交换元件110与热侧热交换元件108之间的传热。更确切地说，当传热发生在接受环114中的冷却介质与冷侧热交换元件110之间时，活动TEC在冷侧热交换元件110与热侧热交换元件108之间传热。
用作蒸发器，热侧热交换元件108有助于通过联接至热侧热交换元件108的排出环116抑制热量进入冷却室102的外部环境。排出环116被热联接至热电致冷系统100的外壁118或外皮。外壁118与冷却室102的外部环境处于直接热接触。此外，外壁118例如通过适当的隔离与接受环114和内壁115(并且因此冷却室102)热隔离。在一个实施方案中，排出环116被整合到外壁118中或被整合在外壁118的表面上。排出环116由允许传热介质(例如，两相冷却剂)流动或穿过排出环116的任何类型的波导管形成。由于排出环116和外部环境的热联接，传热介质随着传热介质流动通过排出环116而将热量排出到外部环境。排出环116例如可由铜管、塑料管、不锈钢管、铝管等形成。
由热侧热交换元件108和排出环116形成的蒸发器根据任何合适的热交换技术操作。在一个优选实施方案中，排出环116根据热虹吸管原理(即，充当热虹吸管)操作，使得传热介质从热侧热交换元件108穿过排出环116行进并且回到热侧热交换元件108，从而使用两相被动热传送来排出热量。具体而言，热侧热交换元件108将从冷侧热交换元件110所接收的热量传送到排出环116内的传热介质。(可替代地，排出环116可用热管来取代。)一旦热量被传送到传热介质，传热介质就发生相变并且穿过排出环116行进并且热接触到外壁118，使得热量被排出到冷却室102的外部环境(例如，周围环境)。当排出环116内的传热介质与外壁118处于直接热接触时，被动热交换在排出环116中的传热介质与周围环境之间发生。如众所周知的，被动热交换导致排出环116内的传热介质冷凝，使得传热介质通过重力往回行进到热交换器104。因此，当将热量排出到冷却室102的外部环境时，排出环116起到冷凝器的作用。
在某些实施方案中，热交换器104不与冷却室102处于直接热接触，而是与冷却室102热隔离。同样地，热交换器104不与外壁118处于直接热接触，而是与外壁118热隔离。因此，如下文将详述的，热交换器104与热电致冷系统100的冷却室102和外壁118都热隔离。重要地，这提供了热二极管效应，当TEC被停用时通过所述热二极管效应防止了热量往回泄露到冷却室102中。
控制器106操作来控制盘盒112内的TEC以便维持冷却室102内所需的设定点温度。总的来说，控制器106操作来选择性启动/停用TEC、选择性控制TEC的输入电流、和/或选择性控制TEC的工作循环来维持所需的设定点温度。此外，在优选实施方案中，控制器106被启动来单独地、或独立地控制TEC的一个或多个(并且在一些实施方案中，两个或更多个)子集，其中每个子集包括一个或多个不同的TEC。因此，作为实例，如果盘盒112中存在四个TEC，那控制器106可被启动来单独地控制第一单个TEC、第二单个TEC、以及两个TEC的组(即，第一和第二单个TEC以及两个TEC的组)。通过此方法，控制器106例如可在最大效率下随着需求的规定来独立地选择性启动一个、两个、三个、或四个TEC。
继续此实例，控制器106可被启动来单独地并选择性地控制：(1)第一单个TEC的启动/停用、第一单个TEC的输入电流、和/或第一单个TEC的工作循环；(2)第二单个TEC的启动/停用、第二单个TEC的输入电流、和/或第二单个TEC的工作循环；以及(3)两个TEC的组的启动/停用、两个TEC的组的输入电流、和/或两个TEC的组的工作循环。使用对TEC的不同子集的这种单独选择性的控制，控制器106优选地控制TEC来提高热电致冷系统100的效率。例如，当在稳态模式下操作(如当冷却室102在设定点温度下或在预定稳态温度范围内)时，控制器106可控制TEC来最大化效率。然而，在降温或恢复期间，控制器106可控制TEC来实现所需的性能(例如像最大化从冷却室102的热量排出)，从而在降温/或恢复时间和效率等之间提供折衷等等。
尽管图2和图3的前述讨论描述了使得能够选择性控制单个盘盒112上的不同TEC的实施方案，但要认识到，类似地原理可用来控制可被设置在单独的盘盒(例如，每个盘盒具有一个或多个TEC)或其他基板上的多个TEC，所述其他基板可被布置在一个或多个热交换器组件的配对表面之间(例如，在与第一热(排出)侧热交换器配对的第一冷(接受)侧热交换器之间，或者在与相应第一和第二热(排出)侧热交换器配对的第一和第二冷(接受)侧热交换器之间)。
如先前所指出，结合图3所描述的热电致冷系统100可利用被动热接受子系统和被动热排出系统，它们各自可包括热虹吸管或热管。此类被动子系统有利地没有活动零件并且因此是高度可靠的，并且还可无声地操作。然而，被动热接受子系统和被动热排出子系统可在高热量负载(例如，瞬态条件)阶段期间受制于不足的可用表面积，并且被动热排出子系统可在高温排出条件期间受制于不足的可用表面积一但此类子系统可在稳态条件期间完美地提供充足的传热效用。
为了克服可用于冷却腔室或表面的被动热接受子系统和/或被动热排出子系统的限制，根据本公开的某些实施方案，此类子系统可通过至少一个可选择性操作的强制对流级来增强。在某些实施方案中，强制对流单元可包括一个或多个风扇、鼓风机、喷射器或其他促气流元件。尽管本文所公开的某些实施方案指风扇的使用，要理解，风扇仅仅表示一种类型的强制对流单元，并且可采用任何合适类型的强制对流单元(无论是代替风扇还是包括风扇)。通过利用仅在高热量负载条件和/或高温热排出条件期间通电的至少一种强制对流单元，热接受子系统和/或热排出子系统可提供足够的能力来允许瞬态高热量负载处理能力，同时在正常(例如，稳态)操作条件期间维持完全被动热传送的益处。
在某些实施方案中，强制对流增压级可用来增强可用来冷却腔室或表面的被动单相排出系统或接受系统。在某些实施方案中，强制对流增压阶段可用来增强可用来冷却腔室或表面的被动两相排出系统或接受系统。在某些实施方案中，至少一个强制对流单元可邻近至少一个热交换器被布置在热传送系统的接受侧和/或排出侧处。
在某些实施方案中，当被动热传送子系统优选地对于从有待冷却的表面或腔室所接受的热量和/或对于有待被排出到周围环境的热量来说是足够的时，至少一个强制对流单元在高热量负载(例如，瞬态条件如降温或恢复)和/或高温排出条件期间操作，但在正常条件(例如，包括稳态热量负载和典型的周围环境条件)期间不操作。在于提高的周围条件下的初始降温期间，或者响应于异常内部负载，至少一个强制对流单元可被通电来协助初级被动传送系统以移除或缓和异常条件。在标准环境条件下的正常操作期间，强制对流单元将完全未通电，从而允许完全被动操作并且避免强制对流单元的操作所固有的耗电和噪音。因此，在优选实施方案中，初级被动热传送子系统优选地足以在所有条件下处理操作性负载，而一个或多个强制对流单元可选择性作为次级子系统来操作以在需要时提供性能提升，但是强制对流单元不要求基本的系统性能并且因此将不会影响整体系统可靠性。
尽管本文描述了内部强制对流单元和外部强制对流单元，但某些实施方案可仅利用内部强制对流或仅利用外部强制对流。在某些实施方案中，可提供多个内部强制对流单元和/或多个外部强制对流单元。在某些实施方案中，多个内部风扇和/或多个外部风扇可被提供，并且可独立控制以准许类似位置的风扇顺序地操作或必要时一起操作来满足热需求或其他要求。在某些实施方案中，一个或多个强制对流单元可利用多级或可变速控制器来控制以便准许对流基于需要和/或动力或噪音限制来变化。
在某些实施方案中，控制器接收指示以下各项中的至少一个的温度数据：(i)包含热传送系统的周围环境的温度；以及(ii)有待冷却的腔室或表面的温度。控制器一旦检测到指示以下状态中的至少一个的条件就启动至少一个强制对流单元：腔室或表面的温度超过包括设定点温度或设定点温度范围的稳态温度范围；并且周围环境的温度超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。控制器一旦检测到指示以下状态中的至少一个的条件就停用至少一个强制对流单元：腔室或表面的温度在稳态温度范围内；和/或周围环境的温度低于周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。
图4是根据本公开的一个实施方案的热传送系统200的至少一部分的透视图，所述热传送系统200包括强制对流单元(例如，风扇)221，所述强制对流单元221被布置来增强对与包含流体的管道或环214处于热连通的热交换器208的冷却。热传送系统200可被优选地用作热电冷却系统的一部分，但不限于与热电冷却元件一起使用。包含流体的管道或环214被优选地布置用于传热流体的被动移动，并且可归并热虹吸管或热管。可提供配件209，所述配件209与包含流体的管道或环214处于流体连通以准许添加传热流体。热传送系统200可被布置成与有待冷却的至少一个表面或腔室(未示出)处于热连通，如通过将包含流体的管道或环214的至少一部分或通过将热交换器208的表面置成与有待冷却的表面或腔室处于热连通。在某些实施方案中，热交换器208可被布置成与如本文先前所描述的至少一个TEC或热电盘盒(未示出)处于导热连通。在某些实施方案中，包含流体的管道或环214和热交换器208可在致冷或冷却系统的接受(冷)侧上利用。在某些实施方案中，包含流体的管道或环214和热交换器208可在致冷或冷却系统的排出(热)侧上利用，其中热交换器208充当用来将热量消散到周围环境的散热器。在优选实施方案中，当包含流体的管道或环214和热交换器208无需通过强制对流所增强的热传送来被动操作时，强制对流单元221可选择性地操作来仅在高热量负载条件和/或高温热量排出条件下操作，并且强制对流单元221在稳态和/或正常周围条件期间断电。在次优选实施方案中，包含流体的管道或环214内的流体流动可通过泵或其他流体增压元件(未示出)来激发或者利用它们来扩大。
图5是根据本公开的一个实施方案的热传送系统250的至少一部分的透视图，所述热传送系统250包括可选择性操作的强制对流单元271，所述强制对流单元271被布置来增强通过包含流体的管道或环264与热交换器258处于热连通的包含流体的翅式散热器277的冷却。热传送系统250可被优选地用作热电冷却系统的一部分，但不限于与热电冷却元件一起使用。包含流体的管道或环264被优选地布置用于传热流体的被动移动，并且可归并热虹吸管或热管。可提供配件259，所述配件259与包含流体的管道或环264处于流体连通以准许添加传热流体。热传送系统250可被布置成与有待冷却的至少一个表面或腔室(未示出)处于热连通，如通过将包含流体的管道或环264的至少一部分或通过将热交换器258的表面置成与有待冷却的表面或腔室处于热连通。在某些实施方案中，热交换器258可被布置成与如本文先前所描述的至少一个TEC或热电盘盒(未示出)处于导热连通。在某些实施方案中，包含流体的管道或环264和热交换器258可在致冷或冷却系统的接受(冷)侧上利用。在某些实施方案中，包含流体的管道或环264和热交换器258可用在致冷或冷却系统的排出(热)侧上，其中包含流体的翅式散热器277用来将热量消散到周围环境。在优选实施方案中，强制对流单元271可选择性操作来仅在高热量负载条件和/或高温热量排出条件下操作，并且当包含流体的管道或环264、热交换器258和翅式散热器277无需通过强制对流所增强的热传送来被动操作时，强制对流单元271在稳态和/或正常周围条件期间断电。在次优选实施方案中，包含流体的环264内的流体流动可通过泵或其他流体加压元件(未示出)来激发或者利用它们来扩大。
图6示出根据本公开的一个实施方案的热电冷却或致冷系统300。冷却或致冷系统300包括内壁303所界定的冷却室302，所述内壁303被外壁301或外皮包围。热隔离(未示出)优选地被提供在内壁303与外壁301之间。初级接受环或导管308被布置成与冷却室302处于热连通，如通过与内壁303接触或者被直接整合在内壁303的表面上。次级接受环或导管309可任选地包括至少一个接受侧热交换器307(其可包括翅片305)，所述至少一个接受侧热交换器307被布置来接收来自设置在冷却室302内的内部强制对流单元311的空气。内部强制对流单元311可选择性地操作来增强从冷却室302到次级接受环或导管309的传热，如可能在降温或恢复期间需要的，但是内部强制对流单元311在稳态条件期间可断电。内部强制对流单元311可替代地(或附加地)操作来缩小冷却室302内的温度分层，所述温度分层例如可由与冷却室302或内壁303处于热连通的多个温度传感器(未示出)检测到。接受环或导管308、309被布置成与冷(接受)侧热交换器310接触。
继续参照图6，热电热交换组件包括冷(接受)侧热交换器310、合并TEC的至少一个热电盘盒312、以及热(排出)侧热交换器314。热(排出)侧热交换器314与包含流体的管道或环316A、316C(其中每个优选地被布置用于传热流体的被动移动，并且如可归并在热虹吸管或热管中)处于热连通，所述包含流体的管道或环316A、316C被布置来将热量消散到包括多阵列翅片317A、317B的热(排出)侧散热器315。在热(排出)侧散热器315内，第一包含流体的环或管道316A与第一阵列翅片317A处于导热连通，并且第二包含流体的环或管道316B与第二阵列翅片317B处于导热连通。至少一个外部强制对流单元321被布置来增强从热(排出)侧散热器315的热量消散。外部强制对流单元321可选择性操作来增强从热(排出)侧散热器315到周围环境的传热，如可能在降温或恢复和/或异常高排出温度条件期间需要的，但是外部强制对流单元321可在稳态条件期间断电。热电盘盒312和强制对流单元311、321受与热电冷却或致冷系统300相关联的控制器306控制。尽管图6示出单个热电热交换组件(例如，包括冷(接受)侧热交换器310、合并TEC的至少一个热电盘盒312、以及热(排出)侧热交换器314)、单个热(排出)侧散热器315、单个内部强制对流单元311、以及单个外部强制对流单元321，但要理解，在某些实施方案中可提供两个或更多个前述组件或部件，以便提供提高的冷却能力、对其不同冷却室或区(或部分)的单独控制、和/或增强可靠性。
图7是示出根据本公开的一个实施方案的热电冷却或致冷系统(如图6的系统300)的电源、传感器、控件、以及用户界面部件之间的互连的示意图。除了图6中所示的控制器306和热电盘盒312之外，图7示出热电冷却或致冷系统可包括用户界面376、电源378、辅件(ACC)380、电力电子器件382、温度传感器354-356、以及风扇(或其他强制对流单元)311、321。用户界面376允许用户输入与热电冷却或致冷系统300相关联的各种控制参数，包括冷却室302的至少一个设定点温度。在某些实施方案中，输入控制参数可附加地包括稳态温度范围的值。在某些实施方案中，用户界面376可附加地允许用户或热电致冷系统的制造商限定热(排出)侧热交换器314的最大可允许温度、与ICOPmax和Imax相关联的电流值、和/或其他参数。在某些实施方案中，一些或所有控制参数可被编程或硬编码到控制器306中。
电源378给控制器306、辅件380、以及电力电子器件382提供电力。辅件380可包括用于扩展容量的光腔和/或通信模块。在辅件380是通信模块的实施方案中，辅件380可与远端装置通信，如但不限于蜂窝电话、远程定位的计算装置、或者甚至其他设备以及热电冷却或致冷系统。在辅件380与蜂窝电话或远程定位的计算装置通信的实施方案中，辅件380可给远端装置或实体提供热电冷却或致冷系统300以及冷却室302的操作性参数(例如，温度数据)。在辅件380与其他热电致冷系统通信的实施方案中，辅件380可将热电冷却或致冷系统300的操作性参数传达到其他热电致冷系统，所述参数如设定点温度、设定点温度的阈值上限和下限、冷却室302的最大可允许温度、热(排出)侧热交换器314的最大可允许温度等等。
电力电子器件382总体操作来响应于来自控制器306的控制信号给热电盘盒312和TEC 320供电。在某些实施方案中，电力电子器件382可独立地给TEC 320的不同子集供电。在某些实施方案中，TEC 320的不同子集的工作循环也受到控制。在这种情形下，电力电子器件382可提供脉冲宽度调制功能，TEC 320的不同子集的工作循环可通过所述脉冲宽度调制功能来控制。
如图7中所示，控制器306被布置来接收来自温度传感器354-356的温度数据，其中温度数据可包括以下各项中的一个或多个：由第一温度传感器354所感测的冷却室302的温度(TCH)；由第二温度传感器355所感测的周围环境(TAmb)的温度；以及由第三温度传感器356所感测的热(排出)侧热交换器314(或热(排出)侧散热器315)的温度(TR)。基于温度数据，控制器306确定热电冷却或致冷系统300的当前操作模式。如图7中所示，根据某些实施方案的潜在操作模式包括降温模式358、稳态模式360、超温模式362、以及恢复模式363。一般当热电冷却或致冷系统300被首先接通电源并且有必要降低(或“降温”)冷却室302内的温度时，降温模式358发生。当冷却室302的温度在或接近所需的设定点温度时，稳态模式360发生。具体而言，当冷却室302的温度在包括设定点温度的预定稳态范围内时(例如，冷却室302的设定点温度±2度)，冷却室302的温度在或接近所需的设定点温度。当热(排出)侧热交换器314上的温度高于预定最大可允许温度时，超温模式362可被检测到，比如可当周围温度条件超过正常范围和/或当冷却室302没有正确地冷却(例如，如果冷却室302的门未关闭)时发生。超温模式362是安全模式，在这期间，外部风扇321被启动来增强从热(排出)侧散热器315到周围环境的传热，以试图降低热(排出)侧热交换器314的温度从而降低TEC320的热侧温度，以便保护TEC 320免受损坏。如果外部风扇321的操作不足以降低热(排出)侧热交换器314处(以及TEC 320的热侧处)的温度，那么可限制对TEC的电流供应以便减少对TEC 320的热量输入以防止损坏。最后，恢复模式363是当冷却室302的温度由于例如泄漏到冷却室302中的热量、冷却室302的门打开等等而增加超过稳态范围时的情况。
图8中示出了根据本公开的某些实施方案的控制器306在不同模式358、360、362和363(如图7中所描绘)下的操作。当在降温模式358下操作时，控制器306控制到与至少一个盘盒312相关联的所有TEC 320的电流，使得所有TEC 320如所需性能概况指示的在QCOPmax与Qmax之间(相对应于ICOPmax与Imax之间的电流)的功率级下操作，并且风扇(或其他强制对流单元)311、321中的一个或两个被操作来增强对流传热。控制器306例如基于被首先通电(如当热电冷却或致冷系统300首次购买时或在热电冷却或致冷系统300在与电源断开连接后被通电之后)来确定热电冷却或致冷系统300何时在降温模式358下。控制器306将所有TEC320维持在QCOPmax与Qmax之间的功率级下并且维持风扇311、321在操作中直到冷却室302的温度被降到设定点温度或设定点温度的可接受范围内，如参照框366所示。一旦冷却室302被降温到设定点温度，控制器306就停用风扇311、321并且控制TEC 320的操作，使得所有TEC320通过使得电流ICOPmax被提供给所有操作中的TEC 320而在QCOPmax下操作。一旦冷却室302被降温到设定点温度，控制器306就还可降低主动或被动启动的TEC 320的数量。
如以上所指出，基于温度数据，控制器306确定热电冷却或致冷系统300何时在稳态模式360下(即，冷却室302的温度何时等于设定点温度或者在设定点温度的预定范围内)。当在稳态模式360下时，控制器306优选地停用可能已经在操作中的任何风扇311、321，并且如需求所指示的在QCOPmax下操作所要求数量的TEC 320。在稳态条件下，被动热传送优选地对于有待从有待冷却的表面或腔室所接受的热量和/或有待被排出到周围环境中而无需风扇311、321的强制对流的热量是充足的。在某些实施方案中，所有TEC 320可在稳态模式360下在QCOPmax下操作。在稳态模式360期间，如果QCOPmax＞Q泄漏(如参照框367所示)，那么冷却室302的温度将继续降低。在这种情形下，控制器306可减小已启动的TEC 320的工作循环，如参照框368所示。相反，如果QCOPmax＜Q泄漏(如参照框369所示)，那么冷却室302的温度将升高。在这种情形下，控制器306可增加活动TEC 320的数量并且将提供给活动TEC 320的电流调节到ICOPmax与Imax之间的值，如参照框370所示。在这个背景下，Q泄漏指泄漏到冷却室302中的热量，如穿过冷却室302的门的密封的热量、穿过包围冷却室302的壁的热传导等。
如上所提及，控制器306基于来自第二温度传感器355(相对应于TAmb)和第三温度传感器356(相对应于TR)中的一个或多个的温度数据来确定热电冷却或制冷系统300是否在超温模式362下。当热(排出)侧热交换器314上的温度高于预定最大可允许温度时，超温模式362可被检测到，比如可当周围温度条件超过正常范围和/或当冷却室302没有正确地冷却(例如，如果冷却室302的门未关闭)时发生。参照框371，当超温模式362被检测到时，外部风扇321被启动来增强从热(排出)散热器315到周围环境的传热，以试图降低热(排出)侧热交换器314的排出侧的温度以便保护TEC 320免受损坏。参照框372，如果外部风扇321的操作不足以降低热(排出)侧热交换器314处(以及TEC 320的热侧处)的温度，那么控制器306可通过停用或减少到有助于冷却的一些或全部TEC 320的电流或者通过降低提供给TEC320的电流来降低热(端)热交换器314处的温度以便防止损坏。例如，如果所有TEC 320在QCOPmax或Qmax下操作，那么控制器306可停用TEC 320中的一个或多个或者优选地所有TEC320。在另一个实例中，如果TEC 320的两个子集在Qmax下操作，那么控制器306可停用TEC的一个子集，使得仅TEC 320的其他子集在Qmax下操作并且有助于热量从冷却室302排出。在另一个实例中，如果TEC 320的一个子集在QCOPmax下操作，那控制器306可停用TEC 320的活动子集并且接着启动TEC 320的先前不活动子集，以便维持冷却室302的温度尽可能接近设定点温度而不伤害热电盘盒312。应注意，控制器306可响应于确定热(排出)侧热交换器314的温度超过最大可允许温度来停用任何数量的活动TEC 320并且启动任何数量的不活动TEC320。
如以上所指出，如果控制器306确定热(排出)侧热交换器314的温度超过预定最大可允许温度，那控制器306可减少提供给一些或所有操作中的TEC 320的电流，作为停用一些或所有TEC 320的补充或替代方案。为了进一步说明此功能，如果所有TEC 320正在QCOPmax或Qmax下操作，那控制器306可减小提供给每个TEC 320的电流量。例如，如果所有TEC 320正在Qmax下操作，那控制器306可将电流从Imax降低至ICOPmax与Imax之间的值。另外，如果所有TEC320在QCOPmax或Qmax下操作，那控制器306可仅减少提供给TEC 320中的一些的电流，以便降低热(排出)侧热交换器314的温度。在其他实施方案中，如果热(排出)侧热交换器314的温度超过预定最大可允许温度，那控制器306还可停用TEC 320中的一些并且同时减少提供给仍启动的一些或所有TEC 320的电流。
当在恢复模式363下时，控制器306将活动TEC 320从在QCOPmax下操作切换至在Qmax下操作，并且还启动风扇311、321，如框373处所示。当在稳态操作期间，控制器306接收来自温度传感器354的表明冷却室302内的温度在短时间内已显著升高超过了设定点温度的温度数据时，恢复模式363发生。确切地，当冷却室302内的温度升高超过温度的稳态范围的上限阈值时(例如，升高高于设定点温度加上限定所需的稳态范围的阈值上限的某一预定值)，热电冷却或致冷系统300可进入恢复模式363。优选地维持此操作直到达到稳态条件。
应注意，图8中所示的针对不同模式358、360、362和363的控制框366-373仅仅是实例。控制器306在模式358、360、362和363中的每一个下控制TEC 320和风扇311、321的方式可取决于特定实现方式而变化。总的来说，如上所讨论，当在降温模式358下或恢复模式363下时控制器306控制TEC 320以降低冷却室302的温度，并且风扇311、321被启动。采取这些行动的确切方式可变化。例如，如果性能概况为需要最小降温或恢复时间，那控制器306可利用100％工作循环(始终保持开通)在Qmax下启动所有TEC 320，同时风扇311、321是活动的。相反，如果需要降温或恢复时间与效率之间的折衷，那控制器306例如可利用100％工作循环(始终保持开通)在QCOPmax下或在QCOPmax与Qmax之间的任何一处下启动所有TEC 320。在另一个实例中，一个或多个风扇311、321的速率可被逐步或以大致连续的方式调节，或者类似地，风扇311、321可根据从控制器306接收的信号来按顺序操作。风扇311、321的操作的调节可代替或补充各个TEC 320的操作的调节来执行。当在稳态模式360下时，控制器306总体操作来以有效的方式维持设定点温度。例如，控制器306可基于负载在QCOPmax下操作所要求数量的TEC 320(例如，所有TEC 320或少于所有TEC 320)。此预定数量的TEC 320是要求来通过在或接近QCOPmax下操作来维持设定点温度的TEC 320的数量。如果在稳态模式360期间并不需要所有TEC 320，那么不需要的TEC 320被停用。控制器306可微调已启动的TEC 320的操作来准确地维持设定点温度，例如通过稍微增加或减少已启动的TEC 320的输入电流使得已启动的TEC 320稍微高于QCOPmax操作或者通过增加或减少已启动的TEC 320的工作循环来补偿Q泄露。
在某些实施方案中，考虑到设定点温度和周围环境温度，如本文所公开的热电致冷系统的一个或多个强制对流单元(例如，风扇)可由控制器来操作。总的来说，当周围温度升高和/或当选择了非常低的设定点温度时，一个或多个强制对流单元的操作变得更需要准许所需的设定点被维持在安全排出温度下(即，不过度加热TEC)。图9是示出了热电致冷系统在风扇协助模式下(具有强制对流)和在被动模式下(没有强制对流)操作所处的条件的一个实例的水平条形图。每个水平条示出了设定点和周围温度的范围，其中应理解，为了热电致冷系统的正常操作，设定点温度应该低于周围温度。图9的最底下两条水平条示出当周围温度不高于21℃或不高于25℃时，并且当设定点温度不低于5℃时，风扇协助(即，强制对流)是不必要的，因为如本文所公开的热电致冷系统可单单利用被动排热(例如，结合适当散热器使用热虹吸管或热管)来安全地获得所需的设定点温度。然而，随着周围温度升高，情况发生改变。图9的第三高水平条示出当周围温度不高于32℃并且当设定点温度不低于12℃时，风扇协助(例如，强制对流)是不必要的，然而，当设定点温度在从5℃至12℃的范围中并且周围温度不高于32℃时，风扇协助(强制对流)可以是必要的。图9的最底下水平条还示出当周围温度不高于38℃并且当设定点温度不低于18℃时，风扇协助(例如，强制对流)是不必要的，然而，当设定点温度在从8℃至18℃的范围中并且周围温度不高于38℃时，风扇协助(强制对流)可以是必要的。要注意，图9仅代表热电致冷系统在风扇协助模式下(具有强制对流)和在被动模式下(没有强制对流)操作所处的条件的一个代表性实例，可以使用其他条件指示何时应该采用强制对流。
与前述讨论一致，在某些实施方案中，被布置来维持腔室或表面的设定点温度或者设定点温度范围的热传送系统可包括多个元件，所述多个元件包括：至少一个热交换器；包含流体的管道，所述管道包含热传送流体、与所述至少一个热交换器处于热连通；至少一个强制对流单元，所述至少一个强制对流单元可选择性操作来相对于所述至少一个热交换器增强对流传热；以及控制器。控制器可被布置来：接收指示以下各项中的至少一个的温度数据：(i)包含热传送系统的周围环境的温度；以及(ii)腔室或表面的温度；一旦检测到指示以下状态(a)和(b)中的至少一个的条件就启动所述至少一个强制对流单元：(a)腔室或表面的温度超过包括设定点温度或设定点温度范围的稳态温度范围；以及(b)周围环境的温度超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围；并且一旦检测到指示以下状态(I)和(II)中的至少一个的条件就停用所述至少一个强制对流单元：(I)腔室或表面的温度在稳态温度范围内；以及(II)周围环境的温度低于周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。在某些实施方案中，所述至少一个强制对流单元可包括一个或多个风扇、鼓风机、喷射器或其他促气流元件，它们优选地可以电气方式操作。
关于前述段落的热传送系统，在某些实施方案中，当周围环境的温度不超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围时，在不操作强制对流单元的情况下，所述至少一个热交换器、所述流体管道和所述热传送流体被布置来在稳态操作期间维持腔室或表面的设定点温度或者设定点温度范围。在某些实施方案中，所述热传送流体可包括所述流体管道内的液相和气相，并且所述热传送流体被布置用于在所述流体管道内被动流动。在某些实施方案中，所述流体管道可包括用来协助流体的被动流动的热虹吸管或热管。在某些实施方案中，所述热传送流体可包括液体，并且所述热传送系统可包括被布置来促进或增强热传送流体在所述流体管道内的流动的泵或其他流体加压元件。在某些实施方案中，所述至少一个热交换器包括暴露于周围环境的排热交换器，并且所述至少一个强制对流单元被布置来增强从排热交换器到周围环境的热量消散。在某些实施方案中，所述排热交换器包括多个翅片，并且所述流体管道与所述多个翅片处于导热连通。
继续参照前两段的热传送系统，在某些实施方案中，所述热传送系统可包括被布置来接收来自流体管道的热量并且将热量传送至排热交换器的至少一个热电热泵，其中所述至少一个热电热泵响应于腔室或表面的温度来操作。在某些实施方案中，所述至少一个热电热泵包括多个热电热泵，并且所述控制器被布置来单独控制所述多个热电热泵中的至少两个热电热泵。在某些实施方案中，所述至少一个热交换器包括布置在腔室或表面与流体管道之间的接受热交换器，并且所述至少一个强制对流单元被布置来增强从腔室或表面到接受热交换器的传热。在某些实施方案中，指示周围环境的温度超过周围环境阈值温度范围的周围环境阈值温度的状态的条件通过感测所述至少一个热交换器的温度来检测。
本公开的某些实施方案涉及控制热传送系统以维持腔室或表面的设定点温度或设定点温度范围的方法，其中所述热传送系统与所述至少一个热交换器以及可选择性操作来相对于所述至少一个热交换器增强对流传热的所述至少一个强制对流单元处于热连通。这一方法可包括多个步骤，如接收指示以下各项中的至少一个的温度数据：(i)包含热传送系统的周围环境的温度；以及(ii)腔室或表面的温度；一旦检测到指示以下状态(a)和(b)中的至少一个的至少一个条件就启动所述至少一个强制对流单元：(a)腔室或表面的温度超过包括设定点温度或设定点温度范围的稳态温度范围；以及(b)周围环境的温度超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围；并且一旦检测到指示以下状态(I)和(II)中的至少一个的条件就停用所述至少一个强制对流单元：(I)腔室或表面的温度在稳态温度范围内；以及(II)周围环境的温度低于周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。在某些实施方案中，所述热传送流体包括液体，并且所述方法还包括使用泵(或其他流体加压元件)用于在流体管道内泵送热传送流体。在某些实施方案中，所述至少一个热交换器包括暴露于周围环境的排热交换器；所述至少一个强制对流单元被布置来增强从排热交换器到周围环境的热量消散；所述热量传送系统包括被布置来接收来自流体管道的热量并且将热量传送至排热交换器的至少一个热电热泵；并且所述方法还包括响应于腔室或表面的温度选择性控制所述至少一个强制对流单元。在某些实施方案中，所述至少一个热交换器包括布置在腔室或表面与流体管道之间的接受热交换器；所述至少一个强制对流单元被布置来增强从腔室或表面到接受热交换器的传热；所述热量传送系统包括被布置来接收来自接受热交换器的热量的至少一个热电热泵；并且所述方法还包括响应于腔室或表面的温度选择性控制所述至少一个强制对流单元。
本公开的另外方面涉及排热传送设备，所述排热传送设备包括各自通过主传送管和交叉传送管联接至第一排热交换器和第二排热交换器的第一排热器和第二排热器。具体而言，多个排热器被布置成通过主要和交叉排出传送管与多个热交换器处于热连通，所述多个热交换器各自具有多个翅片并且各自联接至至少一个不同的热电热泵。所有排热器被布置成从每个热电热泵消散热量，而不管热电热泵是否单独操作或一起操作。在包括第一散热器和第二散热器的实施方案中，两个散热器都被布置成从第一热电热泵和第二热电热泵消散热量，而不管第一热泵、第二热泵、或第一热泵和第二热泵是否在操作中。与致力于分开热交换器的排热器(各自具有专用热电冷却器)相比，与多个排热器相关联的更大表面积增强了传热并且导致操作中的热电热泵处的更低温度。
图11-12中示出了根据本公开的热传送设备的一个实施方案，而图10示出了提供用于比较图11-12的设备的基础的独立的第一热传送装置和第二热传送装置(各自包括散热器、热交换衬垫和热传送管道)。在讨论图11-12的热传送设备和图10的独立装置之前，下文简要介绍了此类元件的背景。
常规致冷系统具有两个主要设计模式：高利用率/降温(相比能量效率强调高动力输入和高热量传送能力)以及稳态(涉及更强调能量效率的较低动力输入)。在热电致冷系统中，满足高使用率/降温条件下的高热传送以及稳态条件下的高效率的要求往往喜爱提供两个单独的热泵(各自包括多个TEC)，其中一个热电热泵在稳态条件期间使用，并且两个热电热泵都在高热传送条件期间使用。在这一传统设计中，每个热电热泵具有它们自己的专用热消散部件(例如，用于排出热量的散热器，在与不同热电热泵相关联的热消散部件之间没有热连通)。
图10示出了独立的第一热传送装置415和第二热传送装置415’。第一热传送装置415包括可定位来接收来自第一热电冷却元件(未示出)的热侧的热量的第一热交换衬垫414、归并多阵列翅片417A、417B的第一散热器、以及被布置来将热量从第一热交换衬垫414传送至第一散热器(即，翅片417A、417B阵列)的热传送管416A-416D。第二热传送装置415’包括可定位来接收来自第二热电冷却元件(未示出)的热侧的热量的第二热交换衬垫414’、归并多阵列翅片417A'、417B’的第二散热器、以及被布置来将热量从第二热交换衬垫414'传送至第二散热器(即，翅片417A'、417B’阵列)的热传送管416A'-416D’。第一热传送装置415中没有部件与第二热传送装置415’的任何部件处于导热连通。当第一热传送装置415和第二热传送装置415’被布置来分别接收来自第一热电热泵和第二热电热泵(未示出)的热量、并且第一热泵和第二热泵被供电时，相应散热器的温度是相对统一的，其中温差取决于从顶部到底部的位置总体在0.5℃-1.0℃的范围中。然而，当仅有一个热电热泵被供电时，与不同热电热泵相关联的散热器之间的温差可升高到5℃-7℃或者更高。图10的设计的另一个缺点是热交换衬垫414、414’的间隔比所需要的更大。
图11和图12示出了根据本公开的一个实施方案的热传送设备515。热传送设备515包括可定位来接收分别来自热电冷却或致冷系统的第一热电热泵和第二热电热泵(未示出)的热侧的热量的第一热交换衬垫514-1和第二热交换衬垫514-2。第一(上)散热器包括多阵列翅片517-1A、517-1B，所述多阵列翅片517-1A、517-1B通过主热传送管516-1A至516-1D联接至第一热交换衬垫514-1，并且还通过交叉热传送管518-2A、518-2B联接至第二热交换衬垫514-2。第二(下)散热器包括多阵列翅片517-2A、517-2B，所述多阵列翅片517-2A、517-2B通过主热传送管516-2A至516-2D联接至第二热交换衬垫514-2，并且还通过交叉热传送管518-1A、518-1B联接至第一热交换衬垫514-1。前述翅片优选地是垂直定向的。每个热传送管优选地包括热传送流体并且可被布置用于被动热传送(例如像可归并在热管或热虹吸管中)。如图12中所示，上阵列翅片517-1A、517-1B中的每个翅片与相应阵列内的其他翅片横向偏离，所述每个翅片包括延伸穿过垂直定向的翅片的表面以准许空气在相应翅片之间横向移动或迁移的多个洞或开口522-1，所述每个翅片具有改良的大致矩形形状，包括平底519-1、平侧、以及包括圆形部分523-1和有角部分524-1的总体弧形顶部。如图12中进一步所示，低阵列翅片517-2A、517-2B中的每个翅片与相应阵列的其他翅片横向偏离，所述每个翅片包括延伸穿过垂直定向的翅片的表面以准许空气在相应翅片之间横向移动或迁移的多个洞或开口522-2，并且具有包括平底519-1、平侧和平顶525-2的大致矩形形状。如图11和图12中所示，在总体垂直方向上延伸的中心凹陷或凹部被提供在上阵列翅片517-1A、517-1B的阵列与下阵列翅片517-2A、517-2B的阵列之间以准许风扇或其他强制对流单元(如图15和图16中所示)被布置在相应阵列之间并且邻近第一热交换衬垫514-1和第二热交换衬垫514-2。
图11和图12的热传送设备515准许所有排热器(包括排517-1A、517-1B、517-2A、517-2B)从与第一热交换衬垫514-1和第二热交换衬垫514-2处于热连通的每个热电热泵(未示出)消散热量，而不管热电热泵是否单独操作或一起操作。与根据图10的热传送装置415、415’的使用相比，与第一热交换衬垫514-1和第二热交换衬垫514-2处于热连通的多个排热器相关联的更大的表面积增强热量消散并且使得正在操作的热电热泵处的温度更低，特别是在当仅操作一个热电热泵时的条件下。在申请人所执行的测试中，根据图11和图12的热传送设备515已经示出与根据图10的两个热传送装置414、414’的使用相比提供近似18％的效率提升。
与前述讨论一致，在某些实施方案中，被布置来维持设定点温度的热传送设备包括：第一排热交换器，所述第一排热交换器与被布置来接收来自腔室的热量的第一热电热泵处于导热连通；第二排热交换器，所述第二排热交换器与被布置来接收来自腔室的热量的第二热电热泵处于导热连通；包括第一多个翅片的第一排热器；包括第二多个翅片的第二排热器；以及多个排出传送管，所述多个排出传送管包括：被布置来将热量从第一排热交换器传送至第一排热器的至少一个第一主排出传送管；被布置来将热量从第一排热交换器传送至第二排热器的至少一个第一交叉排出传送管；被布置来将热量从第二排热交换器传送至第二排热器的至少一个第二主排出传送管；以及被布置来将热量从第二排热交换器传送至第一排热器的至少一个第二交叉排出传送管。
继续参照前述段落的热传送设备，在某些实施方案中所述多个排出传送管中的每个排出传送管包括热虹吸管或热管。在某些实施方案中，所述设备还包括控制器，所述控制器被布置来接收指示腔室的温度的温度数据，并且响应于所述温度数据来选择性控制第一热电热泵和第二热电热泵。在某些实施方案中，所述设备还包括至少一个强制对流单元，所述至少一个强制对流单元可选择性操作来相对于第一排热器和第二排热器中的至少一个增强对流传热。在某些实施方案中，所述第一多个翅片和所述第二多个翅片中的每一个包括垂直定向的翅片，所述垂直定向的翅片被成阵列设置、相对于相应阵列中的其他翅片横向偏离、并且与所述多个排出传送管的多个排出传送管处于导热连通。在某些实施方案中，所述垂直定向的翅片包括限定在垂直定向的翅片的表面中的多个开口孔。在某些实施方案中，所述第一热电热泵包括第一多个热电冷却元件，并且所述第二热电热泵包括第二多个热电冷却元件。另外的实施方案涉及包括热传送设备的热电冷却或致冷系统。
图13示出根据本公开的一个实施方案的热接受设备600(如可与图15和图16中所描绘的热电致冷单元一起使用)，所述热接受设备600包括：热交换块610、联接至热交换块610的第一接受环608和第二接受环609、和互连线601。图14示出热交换块610的内部元件(可由铝、铜或另一种合适的金属形成)。热交换块610包括可通过钻孔或其他合适的空腔成形手段形成的四个纵向流体端口611，从而在每个纵向流体端口611的末端612处产生管状部分。第一接受环608和第二接受环609的相应端部由四个纵向流体端口611接收。靠近末端612，互连端口613横向延伸穿过纵向流体端口611并且可通过钻孔或其他合适的空腔成形手段形成。互连线601通过准许热传送流体添加到接受环608、609(或从其移除)的配件602A、602B联接至互连端口613并且在相反端部处终止。每个接受环608、609被优选地布置用于热传送流体的被动传送，并且可归并热虹吸管或热管。在某些实施方案中，第一接受环608可沿着冷却室的侧边布置，并且第二接受环609可沿着冷却室的后壁布置。
图15是热电致冷单元的透视组装视图，并且图16示出在组装它们之后的热电致冷单元700。冷却室702由内壁703和门704界定。外壁701包围内壁703，同时隔离(未示出)优选地布置在内壁703与外壁701之间。外壁701可形成由腿或脚轮790从下面支撑的箱或柜。接受环708-1、709-1沿着内壁703的上横向部分和上后部部分布置，并且接受环708-2、709-2沿着内壁703的下横向部分和下后部部分布置，以接收来自冷却室702的热量。每个接受环708-1、709-1、708-2、709-2被优选地布置用于热传送流体的被动传送(例如可归并热虹吸管或热管)。上接受环708-1、709-1被联接至上热交换块(未示出)，所述上热交换块被布置成与包括多个TEC的第一热电热泵712-1处于热连通(例如，抵靠按压)，比如可被布置在如本文所述的盘盒中。类似地，下接受环708-2、709-2被联接至下热交换块(未示出)，所述下热交换块被布置成与包括多个TEC的第二热电热泵712-2处于热连通，比如可被布置在如本文所述的盘盒中。热电热泵712-1、712-2可沿着后表面771的隔离部分772布置。热传送设备515(如图11和图12中所示)可沿着后表面771的隔离部分772布置，其中第一热交换衬垫514-1被布置成与第一热电热泵712-1处于热连通(例如，抵靠按压)并且其中第二热交换衬垫514-2被布置成与第二热电热泵712-2处于热连通。第一风扇721-1和第二风扇721-2可被布置在中心凹陷或凹部中(在热传送设备515的左阵列翅片517-1A、517-1B和右阵列翅片517-2A、517-2B之间在总体垂直方向上延伸)。盖子735可被布置在热传送设备515和风扇721-1、721-2上。盖子735包括被布置来邻接成阵列的翅片517-1A、517-1B、517-2A、517-2B的有孔面板部分740A、740B和侧壁739A、739B。中心板部分736包括被布置来套在风扇721-1、721-2上的孔738-1、738-2以及顶部和底部居中壁部分738-1。开口741A、741B沿着盖子735的顶部部分和底部部分在居中的壁部分737与侧壁739A、739B之间设置，以暴露上阵列翅片517-1A、517-1B的翅片的顶表面并且暴露下阵列翅片517-2A、517-2B的翅片的底表面。
为了确定热电致冷单元700的风扇721-1、721-2的最佳配置，在25℃周围温度下执行测试，其中供给热电热泵的总输入功率为～35W，供给风扇的输入功率为2.4W(在12伏下0.15安培)。测试了起吹、停吹和吹除的单独风扇的不同组合。最后，发现将两个风扇配置成向外吹(远离热电热泵)比任何其他配置产生更好的结果，从而提供最低的顶部、底部、和平均热侧热电热泵表面温度。
在图15和图16的热电致冷单元700的操作中，给热电热泵712-1、712-2供电，从而冷却用来接收来自冷却室702的热量的接受环708-1、709-1、708-2和709-2。接受环708-1、709-1、708-2和709-2所接受的热量被传送至热电热泵712-1、712-2，并且被热传送设备515接收用于消散(通过成阵列的翅片517-1A、517-1B、517-2A和517-2B)到周围环境。风扇721-1、721-2可被供电(如本文先前所描述)以横过成阵列的翅片517-1A、517-1B、517-2A和517-2B吸引空气从而在必要时(如在降温/恢复或异常高周围温度条件期间)增强对流热传送，但是当被动热传送优选地足以维持冷却室702中所需的设定点温度时，风扇721-1、721-2可在稳态操作期间被断电。
本领域的技术人员将认识到本公开的优选实施方案的改进和修改。所有这些改进和修改视为处于本文所公开的概念和随附权利要求书的范围内。如本文所公开的任何不同特征和元素可与一个或多个其他公开的特征和元素结合，除非本文表明有相反的意思。

Claims (16)

1.一种被布置来维持腔室或表面的设定点温度或设定点温度范围的热传送系统，所述热传送系统包括：
至少一个热交换器；
流体管道，所述流体管道包含与所述至少一个热交换器处于热连通的热传送流体；
至少一个强制对流单元，所述至少一个强制对流单元可选择性操作来相对于所述至少一个热交换器增强对流传热；以及
控制器，所述控制器被布置来：
接收指示以下各项中的至少一个的温度数据：(i)包含所述热传送系统的周围环境的温度；以及(ii)所述腔室或表面的温度；
一旦检测到指示以下状态(a)和(b)中的至少一个的条件就启动所述至少一个强制对流单元：(a)所述腔室或表面的温度超过包括所述设定点温度或设定点温度范围的稳态温度范围；以及(b)周围环境的温度超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围；并且
一旦检测到指示以下状态(I)和(II)中的至少一个的条件就停用所述至少一个强制对流单元：(I)所述腔室或表面的温度在稳态温度范围内；以及(II)周围环境的温度低于周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。
2.如权利要求1所述的热传送系统，其中所述热传送流体包括所述流体管道内的液相和气相，并且被布置用于在所述流体管道内被动流动。
3.如权利要求2所述的热传送系统，其中所述流体管道包括热虹吸管或热管。
4.如权利要求1所述的热传送系统，其中所述热传送流体包括液体，并且所述热传送系统包括被布置来促进或增强所述热传送流体在所述流体管道内的流动的泵或其他流体加压元件。
5.如权利要求1至4中任一项所述的热传送系统，其中当所述周围环境的所述温度不超过所述周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围时，所述至少一个热交换器、所述流体管道和所述热传送流体被布置来在稳态操作期间维持所述腔室或表面的设定点温度或者设定点温度范围而无需操作所述强制对流单元。
6.如权利要求1至4中任一项所述的热传送系统，其中：
所述至少一个热交换器包括暴露于所述周围环境的排热交换器；并且
所述至少一个强制对流单元被布置来增强从所述排热交换器到所述周围环境的热量消散。
7.如权利要求6所述的热传送系统，其中所述排热交换器包括多个翅片，并且其中所述流体管道与所述多个翅片处于导热连通。
8.如权利要求6所述的热传送系统，其中所述热传送系统包括被布置来接收来自所述流体管道的热量并且将热量传送至所述排热交换器的至少一个热电热泵，并且所述至少一个热电热泵响应于所述腔室或表面的温度来操作。
9.如权利要求8所述的热传送系统，其中所述至少一个热电热泵包括多个热电热泵，并且所述控制器被布置来单独控制所述多个热电热泵中的至少两个热电热泵。
10.如权利要求1至4中任一项所述的热传送系统，其中所述至少一个热交换器包括布置在所述腔室或表面与所述流体管道之间的接受热交换器，并且所述至少一个强制对流单元被布置来增强从所述腔室或表面到所述接受热交换器的传热。
11.如权利要求1至4中任一项所述的热传送系统，其中指示周围环境的温度超过周围环境阈值温度范围的周围环境阈值温度的状态的条件通过感测所述至少一个热交换器的温度来检测。
12.如权利要求1至4中任一项所述的热传送系统，其中所述至少一个强制对流单元包括电力操作的风扇。
13.一种控制热传送系统以维持腔室或表面的设定点温度或设定点温度范围的方法，所述热传送系统包括：至少一个热交换器；流体管道，所述流体管道包含与所述至少一个热交换器处于热连通的热传送流体；以及至少一个强制对流单元，所述至少一个强制对流单元可选择性操作来相对于所述至少一个热交换器增强对流传热，所述方法包括：
接收指示以下各项中的至少一个的温度数据：(i)包含所述热传送系统的周围环境的温度；以及(ii)所述腔室或表面的温度；
一旦检测到指示以下状态(a)和(b)中的至少一个的至少一个条件就启动所述至少一个强制对流单元：(a)所述腔室或表面的温度超过包括所述设定点温度或设定点温度范围的稳态温度范围；以及(b)周围环境的温度超过周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围；并且
一旦检测到指示以下状态(I)和(II)中的至少一个的条件就停用所述至少一个强制对流单元：(I)所述腔室或表面的温度在稳态温度范围内；以及(II)周围环境的温度低于周围环境阈值温度或周围环境阈值温度范围。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述热传送流体包括液体，所述热传送系统包括泵，并且所述方法还包括在所述流体管道内泵送所述热传送流体。
15.如权利要求13所述的方法，其中：
所述至少一个热交换器包括暴露于所述周围环境的排热交换器；
所述至少一个强制对流单元被布置来增强从所述排热交换器到所述周围环境的热量消散；
所述热传送系统包括被布置来接收来自所述流体管道的热量并且将热量传送至所述排热交换器的至少一个热电热泵；并且
所述方法还包括响应于所述腔室或表面的温度选择性控制所述至少一个强制对流单元。
16.如权利要求13至15中任一项所述的方法，其中：
所述至少一个热交换器包括布置在所述腔室或表面与所述流体管道之间的接受热交换器；
所述至少一个强制对流单元被布置来增强从所述腔室或表面到所述接受热交换器的传热；
所述热传送系统包括被布置来接收来自所述接受热交换器的热量的至少一个热电热泵；并且
所述方法还包括响应于所述腔室或表面的温度选择性控制所述至少一个强制对流单元。
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