CN107504713A - 涉及热电热交换系统的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了涉及热电热交换系统的系统和方法。本公开的实施方案涉及控制多个热电冷却器（TEC）以维持腔室的设置点温度。在一个实施方案中，控制器接收对应于所述腔室的温度的温度数据。基于所述温度数据，所述控制器选择性地控制两个或更多个子组的TEC以将所述腔室的温度维持在所需设置点温度。以此方式，所述控制器被启用来控制所述TEC使得所述TEC操作来有效地将所述腔室的温度维持在所述设置点温度。在另一实施方案中，所述控制器基于温度数据和所需性能分布选择由所述控制器启用的一个或多个控制方案。所述控制器然后根据选定控制方案独立地控制一个或多个子组的TEC。
Description
本发明为分案申请，其母案的申请号为201380036256.1，申请日为2013年5月7日且发明名称为“涉及热电热交换系统的系统和方法”。
相关申请案
此申请要求以下临时申请的权益：
● 2012年5月7日提交的第61/643,622号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,625号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,628号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,631号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,635号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,640号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,644号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,646号临时申请；
● 2012年5月7日提交的第61/643,649号临时申请；
● 2012年10月22日提交的第61/716,882号临时申请；
● 2012年10月22日提交的第61/716,885号临时申请；
● 2012年12月19日提交的第61/739,239号临时申请；
● 2013年3月15日提交的第13/836,525号非临时申请；
● 2013年4月22日提交的第13/867,519号非临时申请；
● 2013年4月22日提交的第13/867,567号非临时申请；和
● 2013年4月22日提交的第13/867,589号非临时申请；
所述申请的公开内容以引用的方式全部并入本文中。
技术领域
本公开内容涉及热电系统中的二相热电热交换器的安装。
背景技术
如今，许多制冷系统是基于蒸汽压缩且使用恒温调节的占空比控制。然而，典型的基于蒸汽压缩的制冷系统的动力不足以满足稳定状态和瞬间需求两者，诸如在下拉或恢复期间。因此，基于蒸气压缩的制冷系统趋向于具有远超过稳定状态操作期间需要的热量提取需求的过量冷却能力。虽然由过量冷却能力提供的额外能力允许改善下拉性能，但是启动期间普遍存在的大的电流浪涌需要较高的容量且因此需要更昂贵的组件来处理负荷。此外，由占空比控制引发的大的电流浪涌和负荷过度地损耗组件，因而潜在地导致过早故障。此外，由于其控制、热动力限制和产品性能需求的本性，基于蒸气压缩的制冷系统的效率并未达到最佳。
基于蒸气压缩的制冷系统的次佳效率缺点涉及精确地控制冷却腔室内的温度。通常，当冷却腔室内的温度超过某个值时，基于蒸气压缩的制冷系统激活且继续运行直到冷却腔室内的温度低于所述某个值为止。一旦冷却腔室达到低于所述某个值的温度，基于蒸气压缩的制冷系统便立即切断。尽管如此，除了如上文提及的过度损耗以外，这种类型的控制方案通常将具有相对较大的控制带和相对较大的内部温度分层以尝试最小化能量消耗且允许在周围状况不断变化的情况下正常运行。这种制度最通常使用，因为节流或容量变化难以进行且实施到蒸汽压缩循环中较为昂贵且随着体积效率下降而提供有限的效率。
因此，需要一种用于精确地控制冷却腔室内的温度的系统和方法，在冷却腔室中，最大化用以从冷却腔室提取热量的组件的效率。此外，需要一种允许基于冷却腔室的冷却需求个别地选择制冷系统内的组件且因而个别地选择容量的系统和方法。
发明内容
本公开内容涉及热电系统内的二相热交换器的安装。一般来说，二相热交换器是以与垂面偏离某个角度而安装。在一个实施方案中，角度是在与垂面成2度及88度且包括2度及88度的范围中。在另一实施方案中，角度是在与垂面成6度及84度且包括6度及84度的范围中。在另一实施方案中，角度是在与垂面成12度及78度且包括12度及78度的范围中。在一个优选实施方案中，选择所述角度使得工作流体被推动来直接碰撞在二相热交换器内的最高热通量区域上。以此方式，改善二相热交换器的效率。
本领域一般技术人员将明白本公开内容的范围且在结合附图阅读优选实施方案的以下详述之后意识到本公开内容的额外方面。
附图说明
并入本说明书中且形成本说明书的部分的附图展示了本公开内容的多个方面，且连同所述描述一起来解释本公开内容的原理。
图1展示了根据本公开内容的一个实施方案的热电制冷系统，其具有冷却腔室；包括匣子的热交换器，所述匣子包括布置在冷侧散热器与热侧散热器之间的多个热电冷却器（TEC）；和控制器，其控制TEC以维持冷却腔室内的设置点温度；
图2是展示了TEC的冷却能力和冷却效率对TEC的输入电流的图表；
图3是根据本公开内容的一个实施方案的图1的匣子的更详细展示，其中匣子包括布置在实现TEC阵列中的多个不同子组的TEC的选择性控制的互连板上的TEC；
图4是根据本公开内容的另一实施方案的图1的匣子的更详细展示，其中匣子包括布置在实现TEC阵列中的多个不同子组的TEC的选择性控制的互连板上的TEC；
图5是根据本公开内容的另一实施方案的图1的匣子的更详细展示，其中匣子包括布置在实现多个不同子组的TEC的选择性控制的互连板上的TEC；
图6是根据本公开内容的另一实施方案的图1的匣子的更详细展示，匣子包括布置在互连板上的单一TEC；
图7是根据本公开内容的另一实施方案的图1的匣子的更详细展示，匣子包括布置在互连板上的四个TEC；
图8是根据本公开内容的另一实施方案的图1的匣子的更详细展示，匣子包括布置在互连板上的六个TEC；
图9展示根据本公开内容的一个实施方案的图3的不具有TEC的互连板；
图10展示根据本公开内容的另一实施方案的图4的不具有TEC的互连板；
图11展示根据本公开内容的另一实施方案的图5的不具有TEC的互连板；
图12展示根据本公开内容的另一实施方案的图6的不具有TEC的互连板；
图13展示根据本公开内容的另一实施方案的图7的不具有TEC的互连板；
图14展示根据本公开内容的另一实施方案的图8的不具有TEC的互连板；
图15展示根据本公开内容的一个实施方案的详述图1的控制器的各种操作状态、输入和输出的一个系统组件布局的实例；
图16是根据本公开内容的一个实施方案的图1的控制器在图15的各种操作状态中操作时所述控制器的操作的更详细展示；
图17展示根据本公开内容的一个实施方案的操作图1的控制器以将冷却腔室的温度维持在设置点温度的方法；
图18展示根据本公开内容的另一实施方案的操作图1的控制器以将冷却腔室的温度维持在设置点温度的方法；
图19展示根据本公开内容的一个实施方案的操作图1的控制器以监控图1的热交换器的一个或多个组件的温度以检测超温状况且作为响应采取动作以降低热交换器的一个或多个组件的温度的方法；
图20A至图20C展示根据本公开内容的另一实施方案的具有多个并联热交换器的热电制冷系统；
图21展示根据本公开内容的另一实施方案的包括每个具有单独的热连接散热器的两个冷却腔室的热电制冷系统；
图22是根据本公开内容的一个实施方案的图1的热交换器的更详细展示；
图23和图24以图表展示根据本公开内容的一个实施方案的连接到图22的热交换器的接受回路和排放回路的热二极管效应；
图25展示根据本公开内容的一个实施方案的混合热交换器的热二极管效应；
图26至图29是展示根据本公开内容的一个实施方案的图1和图21的热交换器的冷侧散热器的配置的示意图；
图30展示根据本公开内容的一个实施方案的具有经由热导管热连接的物理地分离的热侧散热器和冷侧散热器的热交换器；
图31是展示根据本公开内容的一个实施方案的图30的热交换器中的热量流动的示意图；
图32和图33展示使用图30的热交换器的热电制冷系统的实施方案；
图34展示根据本公开内容的一个实施方案的以偏离垂面某个角度安装二相热交换器；
图35展示图34的一个特定实例，其中二相热交换器以针对二相热交换器的特定实施方案最佳化的特定角度安装；
图36A和图36B展示根据本公开内容的一个实施方案的图34的二相热交换器的封装；
图37A和图37B展示根据本公开内容的一个实施方案的将图34、图36A和图36B的二相热交换器安装到热电系统的壁（例如，热电制冷系统的内壁）使得维持二相热交换器的角度；且
图38是根据本公开内容的一个实施方案的图1的控制器的方框图。
具体实施方式
下文陈述的实施方案表示使本领域一般技术人员能够实践所述实施方案且展示实践所述实施方案的最佳模式的必要信息。在按照附图阅读下文描述之后，本领域一般技术人员将了解本公开内容的概念且将意识到本文未特定解决的这些概念的应用。应了解，这些概念和应用落在本公开内容和随附权利要求之范围内。
将了解，虽然本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种元件，但是这些元件不应受限于这些术语。这些术语只用来区分一个元件与另一元件。例如，在不违背本公开内容的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，且相似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关的列出项中的一个或多个的任一和全部组合。
本文可以使用相对术语（诸如“下方”或“上方”或者“上”或“下”或者“水平”或“垂直”）来描述如图示中展示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。应了解，这些术语和上文讨论的术语旨在除了图示中描绘的定向以外还包括装置的不同定向。
本文使用的术语只是为了描述特定实施方案的目的且布置在限制本公开内容。如本文中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”和“所述”也旨在包括复数形式。应进一步了解，当本文使用术语“包括”（“comprises”、“comprising”）和/或“包括”（“includes”、“including”）时，所述术语指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其的组。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有相同于为本公开内容所属的一般技术人员通常所理解的意义。将进一步了解，本文使用的术语应解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的意义一致的一意义，且不应以理想化或过度正式的含义来解释，除非本文如此明确定义。
图1展示根据本公开内容的一个实施方案的热电冷却系统100。如展示，热电冷却系统100包括冷却腔室102、热交换器104和控制器106，其控制冷却腔室102内的冷却。热交换器104包括热侧散热器108、冷侧散热器110和匣子112，所述匣子112包括多个热电冷却器（TEC），其中每个TEC具有与冷侧散热器110热连接的冷侧和与热侧散热器108热连接的热侧。TEC优选地是薄膜装置。当TEC中的一个或多个由控制器106激活时，已激活的TEC操作来加热所述热侧冷却器108和冷却冷侧散热器110以从而促进热量传递以从冷却腔室102提取热量。更具体地说，当激活TEC中的一个或多个时，加热所述热侧冷却器108以从而创建蒸发器且冷却所述冷侧散热器110以从而创建凝固器。
冷侧散热器110在充当凝固器时促进经由与冷侧散热器110连接的接受回路114从冷却腔室102提取热量。接受回路114热连接到热电制冷系统100的内壁115。内壁115界定冷却腔室102。在一个实施方案中，接受回路114集成到内壁115中或直接集成到内壁115的表面上。接受回路114是由允许冷却介质（例如，二相冷却剂）流过或通过接受回路114的任何类型的管件形成。由于接受回路114与内壁115的热连接，冷却介质随着其流过接受回路114而从冷却腔室102提取热量。接受回路114可以由（例如）铜管、塑料管、不锈钢管、铝管等等形成。
由冷侧散热器110和接受回路114形成的凝固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，接受回路114根据热对流原理操作（即，充当热对流系统）使得冷却介质从冷侧散热器110行进通过接受回路114且返回到冷侧散热器110以从而使用二相被动热量传输冷却所述冷却腔室102。特定地说，被动热交换通过接受回路114中的冷却介质与冷却腔室102之间的自然对流而发生。在一个实施方案中，当冷却介质与冷却腔室102热接触时，冷却介质呈液体形式。具体地说，被动热交换发生在冷却腔室102中的环境与接受回路114内的冷却介质之间使得冷却腔室102中的温度降低且冷却介质的温度增加和/或经历相变。当冷却介质的温度增加时，冷却介质的密度诸如通过蒸发而降低。因此，冷却介质经由浮力在接受回路114中以向上方向移动朝向热交换器104且具体朝向冷侧散热器110。冷却介质与冷侧散热器110热接触，其中热交换发生在冷却介质与冷侧散热器110之间。当热交换发生在冷却介质与冷侧散热器110之间时，冷却介质凝固且再次经由重力流过接受回路114以从冷却腔室102提取额外热量。因此，在一些实施方案中，接受回路114在冷却所述冷却腔室102时用作蒸发器。
如上文提及，热交换器104包括布置在热侧散热器108与冷侧散热器110之间的匣子112。匣子112中的TEC具有与热侧散热器108热连接的热侧（即，在TEC的操作期间是较热的侧）和与冷侧散热器110热连接的冷侧（即，在TEC的操作期间是较冷的侧）。匣子112内的TEC有效地促进冷侧散热器110与热侧散热器108之间的热量传递。更具体地说，当热量传递发生在接受回路114中的冷却介质与冷侧散热器110之间时，活动的TEC在冷侧散热器110与热侧散热器108之间传递热量。
热侧散热器108在充当蒸发器时促进热量经由连接到热侧散热器108的排放回路116排放到冷却腔室102外部的环境。排放回路116热连接到热电制冷系统100的外壁118或外壳。外壁118与冷却腔室102外部的环境直接热接触。此外，外壁118通过例如适当的绝缘与接受回路114和内壁115（和因此冷却腔室102）隔热。在一个实施方案中，排放回路116集成到外壁118中或集成到外壁118的表面上。排放回路116是由允许热量传递介质（例如，二相冷却剂）流过或通过排放回路116的任何类型的管件形成。由于排放回路116与外部环境的热连接，热量传递介质随着其流过排放回路116而将热量排放到外部环境。排放回路116可以由（例如）铜管、塑料管、不锈钢管、铝管等等形成。
由热侧散热器108和排放回路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，排放回路116根据热对流原理操作（即，充当热对流系统）使得热量传递介质从热侧散热器108行进通过排放回路116且返回到热侧散热器108以从而使用二相被动热量传输排放热量。特定地说，热侧散热器108将从冷侧散热器110接收的热量传递到排放回路116内的热量传递介质。一旦热量被传递到热量传递介质，热量传递介质立即改变相位且行进通过排放回路116且与外壁118热接触使得热量被排出到冷却腔室102外部的环境。当排放回路116内的热量传递介质与外壁118直接热接触时，排放回路116中的热量传递介质与外部环境之间发生被动热交换。众所周知，被动热交换导致排放回路116内的热量传递介质凝固，使得热量传递介质由于重力而行进返回到热交换器104。因此，排放回路116在将热量排放到冷却腔室102外部的环境时用作凝固器。
如下文更加详细地讨论，在一个优选实施方案中，热交换器104没有与冷却腔室102直接热接触且反而与冷腔室102隔热。同样地，热交换器104没有与外壁118直接热接触且反而与外壁118隔热。因此，如下文将详述，热交换器104与热电制冷系统100的冷却腔室102和外壁118两者均隔热。重要的是，这提供热二极管效应，通过二极管效应防止当TEC停用时热量返回泄漏到冷却腔室102中。
控制器106操作来控制匣子112内的TEC以维持冷却腔室102内的所需设置点温度。一般来说，控制器106操作来选择性地激活/停用TEC，选择性地控制TEC的输入电流和/或选择性地控制TEC的占空比以维持所需设置点温度。此外，在优选实施方案中，控制器106被启用来单独地或独立地控制TEC中一个或多个子组的TEC，且在一些实施方案中控制两个或更多个子组的TEC，其中每个子组包括一个或多个不同TEC。因此，作为实例，如果匣子112中存在四个TEC，那么控制器106可以被启用来单独地控制第一个别TEC、第二个别TEC和两个TEC的组（即，第一个别TEC和第二个别TEC以及两个TEC的组）。按需求决定，通过这种方法，控制器106可（例如）以最大效率选择性地独立激活一个、两个、三个或四个TEC。
继续这个实例，控制器106可以被启用来单独地且选择性地控制：(1)第一个别TEC的激活/停用、第一个别TEC的输入电流和/或第一个别TEC的的占空比；(2) 第二个别TEC的激活/停用、第二个别TEC的输入电流和/或第二个别TEC的的占空比；和(3)两个TEC的组的激活/停用、两个TEC的组的输入电流和/或两个TEC的组的的占空比。使用不同子组的TEC的这种单独选择性控制，控制器106优选地控制TEC以增强热电制冷系统100的效率。例如，控制器106可以控制TEC以在以稳定状态模式操作时（诸如当冷却腔室102在设置点温度下或在预定义稳定状态温度范围内时）最大化效率。然而，在下拉或恢复期间，控制器106可以控制TEC以实现所需性能，诸如（例如）最大化来自冷却腔室102的热量提取、在下拉/恢复时间与效率之间提供平衡等等。
在继续进行之前，冷却能力对输入电流特性和效率对TEC的输入电流特性的简要讨论是有利的。在这方面，图2是展示TEC的冷却能力（Q）及冷却效率（COP）对TEC的输入电流的图表。更具体地说，冷却效率是由性能系数（COP）表示。如图2中展示，随着TEC的输入电流（I）增加，TEC的冷却能力也增加。冷却能力（Q）曲线上表示TEC消除最大热量的点被标示为Q max 。因此，当TEC在Q max 下操作时，TEC可能消除最大热量。当对应最大电流I max 提供给TEC时，TEC在Q max 下操作。图2还展示TEC的COP根据电流变化。对于冷却应用，TEC的COP是所消除的热量与TEC消除热量所需要的工作输入的量的比例。TEC的COP最大化时的热量或能力（Q）被标示为QCOPmax 。当电流I COPmax提供给TEC时，TEC在Q COPmax 下操作。因此，当电流I COPmax提供给TEC时TEC的效率或COP最大化使得TEC在QCOPmax 下操作。
如下文更详细地讨论，在优选实施方案中，控制器106控制匣子112内的TEC使得在稳定状态操作期间，TEC中的一个或多个激活且在QCOPmax 下操作，且剩余的TEC停用以从而最大化效率。按需求决定激活的TEC的数量和相反地停用的TEC的数量。相反地，在下拉或恢复期间，匣子112内的一个或多个且可能全部TEC根据所需性能分布激活且操作。所需性能分布的一个实例是全部TEC激活且在Q max 下操作以最小化下拉或恢复时间。然而，所需性能分布替代地可以在下拉或恢复时间与效率之间提供平衡，其中例如全部TEC激活且在介于QCOPmax 与Q max 之间的某个点下操作。注意，如下文讨论，TEC的控制不限于这些实例。
如下文提及，图2展示单一TEC的冷却能力和冷却效率。增加TEC的数量会线性地增加热量消除能力且不影响采用TEC的热电制冷系统100的COP的操作。因此，如果热电制冷系统100包括四个TEC，那么热电制冷系统100的热量消除能力与包括单一TEC的热电制冷系统100的实施方案相比呈四倍增加，同时在一些优选实施方案中允许整个系统在偏离QCOPmax 与Q max 之间操作。
应注意，虽然TEC的电流的施加和图2是在冷却的背景下讨论，但是相同的原理也应用于热量恢复/发电的背景，其中TEC用来响应于热量而发电或产生电流。
TEC匣子
在讨论控制器106单独地且选择性地控制TEC的操作的细节之前，讨论实现TEC的单独且选择性控制的图1的匣子112的实施方案是有利的。注意，虽然匣子112的下列讨论是关于图1的热电制冷系统100，但是匣子112不限于在图1的热电制冷系统100中使用，也一般不限于热电制冷。例如，匣子112可以在热量恢复或发电应用中使用。
如上文提及，匣子112中的TEC用来调节冷却腔室102的温度。为了满足许多制冷应用的所需冷却能力，热电制冷系统100使用多个TEC。多个TEC的使用优于单一大型TEC的使用，因为多个TEC可被单独控制来在状况变化之下提供所需性能。相比之下，被设计来提供下拉或恢复的最大所需能力的单一超大尺寸的TEC没有提供这种灵活性。例如，在稳定状态状况期间，单一超大尺寸的TEC将通常在对应于低COP值的低能力点下操作。换句话来说，超大尺寸的TEC将低效率地操作。相比之下，控制器106被启用来单独地控制匣子112中的TEC的子组以在稳定状态状况期间最大化效率。
图3至图5展示使得控制器106能够根据所需控制方案来单独地且选择性地控制不同子组的TEC的匣子112的实施方案。然而，应注意，图3至图5的实施方案只是实例。匣子112可以被配置来保留任何数量的TEC且允许单独地控制任何数量的子组的TEC。每个子组一般包括一个或多个TEC。此外，不同子组可以包括相同数量或不同数量的TEC。
在图3的实施方案中，匣子112包括布置在互连板122上的TEC 120a至120f（更一般地说，在本文中统称为TEC 120且个别地称为TEC 120）。TEC 120是薄膜装置。标题是METHODFOR THIN FILM THERMOELECTRIC MODULE FABRICATION的第8,216,871号美国专利中公开了薄膜TEC的一些非限制实例，所述专利是以引用的方式全部并入本文。互连板122包括导电线路124a至124d（更一般地说，在本文中统称为线路124且个别地称为线路124），其界定四个子组的TEC 102a至120f。特定地说，TEC 120a和120b经由线路124a相互电串联连接，且因而形成第一子组的TEC 120。同样地，TEC 120c和120d经由线路124b相互电串联连接，且因而形成第二子组的TEC 120。TEC 120e连接到线路124d且因而形成第三子组的TEC 120，且TEC 120f连接到线路124c且因而形成第四子组的TEC 120。控制器106（图1）可不以特定顺序通过控制施加于线路124a的电流选择性地控制第一子组的TEC 120（即，TEC 120a和120b）、通过控制施加于线路124b的电流选择性地控制第二子组的TEC 120（即，TEC 120c和120d）、通过控制施加于线路124d的电流选择性地控制第三子组的TEC 120（即，TEC 120e）且通过控制施加于线路124c的电流选择性地控制第四子组的TEC 120（即，TEC 120f）。因此，使用TEC 120a和120b作为实例，控制器106可通过从线路124a消除电流（停用）或通过施加电流于线路124a（激活）来选择性地激活/停用TEC 120a和120b，在TEC 120a和120b激活时选择性地增加或降低施加于线路124a的电流和/或以这种方式控制施加于线路124a的电流以在TEC 120a和120b激活时控制TEC 120a和120b的占空比（例如，电流的脉宽调制）。
互连板122包括开口126a和126b（更一般地说，在本文中统称为开口126且个别地称为开口126），其暴露TEC 120a至120f的底面。当开口126a和126b布置在热侧散热器108（图1）与冷侧散热器110（图1）之间时，其使得TEC 120a至120f的底面能够热连接到适当的散热器108或110。
根据本公开内容的实施方案，在操作期间，控制器106可通过从对应线路124a至124d施加或消除电流选择性地激活或停用TEC 120的子组的任何组合。此外，控制器106可通过控制提供给对应线路124a至124d的电流的量控制活动的TEC 120的操作点。例如，如果在稳定状态操作期间只有第一子组的TEC 120激活且在QCOPmax 下操作，那么控制器106将电流ICOPmax提供给线路124a以从而激活TEC 120a和120b且在QCOPmax 下操作TEC 120a和120b，且从其它线路124b至124d消除电流以从而停用其它TEC 120c至120f。
在参考图3展示的实施方案中，匣子112包括TEC 120a至120f。根据本公开内容的实施方案，匣子112可以包括任何数量的TEC 120。例如，在参考图4展示的实施方案中，匣子112包括只具有两个TEC 120（TEC 120e和120f）的互连板122。在这个实施方案中，控制器106（图1）可通过控制分别提供给对应线路124d和124c的电流个别地控制TEC 120e和120f。作为另一实例，如参考图5展示，匣子112可只包括四个TEC 120，诸如TEC 120c至120f。在这个实施方案中，互连板122包括分别提供电流给TEC 120c至120f的线路124b至124d。此外，对应子组的TEC 120可由控制器106通过提供适当电流给线路124b至124d而控制。
虽然图3至图5展示实现匣子112上的不同TEC的选择性地控制的匣子112的实施方案，但是图6至图8展示在不需要选择性控制时可以使用的匣子112的实施方案。在这些实施方案中，可以改变TEC的输入电流和/或TEC的占空比以提供所需能力、所需效率或能力与效率之间的某种平衡。特定地说，图6展示包括互连板128和布置在互连板128上的单一TEC130的匣子112的实施方案。互连板128中的开口131暴露TEC 130的底面。控制器106（图1）可通过经由互连板128上的导电线路132控制TEC 130的电流输入来控制TEC 130的能力和效率。
图7展示类似于图6的匣子112的实施方案，但是匣子112包括四个TEC。更具体地说，匣子112包括互连板134和布置在互连板134上的四个TEC 136。互连板134中存在开口137以暴露TEC 136的底面。此外，控制器112可通过经由互连板134上的导电线路138控制TEC 136的电流输入和/或TEC 136的占空比来控制TEC 136的能力和效率。
图8展示类似于图6和图7的匣子112的另一实例，但是匣子112包括六个TEC。更具体地说，匣子112包括互连板140和布置在互连板140上的六个TEC 142。互连板140中存在开口143以暴露TEC 142的底面。此外，控制器112可通过经由互连板140上的导电线路144控制TEC 142的电流输入和/或TEC 142的占空比来控制TEC 142的能力和效率。应注意，图6至图8的实施方案只是实例。匣子112可以被配置来包括呈串联或并联配置的任何数量的TEC或导电线路。
图9至图14分别展示图3至图8的互连板122、128、134、140，但是TEC没有附接到互连板。图9至图14更清楚地展示互连板中的开口126、131、137和143，其暴露TEC的底面，或换句话来说，实现TEC的底面与适当的散热器108或110之间的热连接。图9至图14还展示接触件146、148、150和152，其实现互连板122、128、134和140与对应TEC之间的电连接和机械连接。
选择性地控制TEC
下文是图1的控制器106的操作的实施方案的详细讨论。对于这种讨论，假设匣子112是图3的匣子112，其实现多个不同子组的TEC 120的选择性控制。然而，应注意，图3的匣子112的使用只是实例。
图15展示根据本公开内容的一个实施方案的控制器106的操作。如展示，控制器106从温度输入154和156接收温度数据。温度输入154和156可为任何类型的温度传感器。温度数据包括冷却腔室102的温度（TCH）和热交换器104的排放侧或热侧上的温度（TR）。热交换器104的排放侧是热交换器104的热侧。因此，例如，温度（TR）可以是热侧散热器108的温度。基于温度数据，控制器106确定热电制冷系统100的当前操作模式。在这个实施方案中，当前操作模式是下拉模式158、稳定状态模式160、超温模式162和恢复模式163中的一个。下拉模式158一般发生在热电制冷系统100首次通电时。稳定状态模式160发生在冷却腔室102的温度在所需设置点温度下或附近时。特定地说，当冷却腔室102的温度是在包括设置点温度（例如，冷却腔室102的设置点温度102 ± 2度）的预定义稳定状态范围内时，冷却腔室102的温度在所需设置点温度下或附近。超温模式162出现在热交换器104的排放侧上的温度高于预定义最大允许温度时。超温模式162是期间热交换器104的排放侧的温度和因此TEC120的热侧温度降低以保护TEC 120不被破坏的安全模式。最后，恢复模式163出现在冷却腔室102的温度由于（例如）热量泄漏到冷却腔室102中、敞开冷却腔室102的门等等而增加超出稳定状态范围时。
图16中展示在本公开内容的一个实施方案中控制器106在不同模式158、160、162和163中的操作。如图16中展示，当在下拉模式158中操作时，控制器106按所需性能分布决定控制全部TEC 120的电流使得全部TEC 120在介于QCOPmax 与Q max 之间的功率级下操作。换句话来说，控制器106使得提供介于ICOPmax 与I max 之间的电流给全部TEC 120。控制器106基于（例如）最初通电（诸如当热电制冷系统100首次购买时或在热电制冷系统100在断开电源之后进行通电之后）确定热电制冷系统100何时处于下列模式158。控制器106将全部TEC 120维持在介于QCOPmax 与Q max 之间的功率级直到冷却腔室102的温度下拉到设置点温度或设置点温度的可接受范围内为止（如参考164展示）。一旦冷却腔室102下拉到设置点温度，控制器106控制TEC 120的操作使得全部TEC 120通过提供ICOPmax 给全部TEC 120而在QCOPmax 下操作。此外，一旦冷却腔室102下拉到设置点温度，控制器106可以立即减小激活的TEC 120的数量。
如上文提及，基于温度数据，控制器106还确定热电制冷系统100何时处于稳定状态模式160。如果冷却腔室102的温度等于设置点温度或在设置点温度的预定范围内，那么热电制冷系统100处于稳定状态模式160。当处于稳定状态模式160中时，控制器106按需要将所需数量的TEC 120设置成QCOPmax 。在这个实例中，在稳定状态模式中，全部TEC 120是在QCOPmax 下操作。在稳定状态模式160期间，如果如参考166展示，QCOPmax > Qleak，那么冷却腔室102的温度将继续降低。在这种情况下，控制器106如参考168展示般降低激活的TEC 120的占空比。相反地，如参考170展示，如果QCOPmax < Qleak，那么冷却腔室102的温度将增加。在这种情况下，控制器106增加可用的活动的TEC 120的数量且然后如参考172展示般将提供给活动TEC 120的电流增加到介于ICOPmax 与I max 之间的值。显而易见，Qleak是指泄漏到冷却腔室102中的热量，诸如通过冷却腔室102的门的密封件的热量、通过冷却腔室102的自然热量传导等等。
如上文提及，控制器106还可以基于来自温度输入156的温度数据确定冷却腔室102是否处于超温模式162中。在热电制冷系统100的操作期间，监控热交换器104的排放侧处的温度以保证热交换器104的排放侧处的温度不超过预定最大允许温度。例如，当冷却腔室102没有冷却时（诸如如果冷却腔室102的门没有适当地关闭等等），热交换器104的排放侧处的温度可以超过预定最大允许温度。
在操作174中，如果控制器106确定热交换器104的排放侧处的温度超过预定最大允许温度，那么控制器106通过停用促进冷却的一些或全部TEC 120或通过减小提供给TEC120的电流来降低热交换器104的排放侧处的温度。例如，如果全部TEC 120是在QCOPmax 或Q max 下操作，那么控制器106可以停用TEC 120中的一个或多个或优选地停用全部TEC 120。在另一实例中，如果TEC 120a、120b、120e和120f是在Q max 下操作，那么控制器106可以停用TEC120e和120f使得只有TEC 120a和120b在Q max 下操作，且促进从冷却腔室102进行热量提取。在另一实例中，如果TEC 120a至120d是在QCOPmax 下操作，那么控制器106可以停用TEC 120c和120d且然后还激活TEC 120e以维持冷却腔室102的温度使其尽可能接近设置点温度而不危害匣子112。应注意，响应于确定热交换器104的温度超过最大允许温度，控制器106可以停用任何数量的活动TEC 120且激活任何数量的不活动TEC 120。
如上文提及，如果控制器106确定热交换器104的温度超过预定最大允许温度，那么除了或代替停用一些或全部TEC 120以外，控制器106还可以减小提供给TEC 120的电流。为了进一步展示这种功能，如果全部TEC 120是在QCOPmax 或Q max 下操作，那么控制器106可以降低提供给TEC 120中的每个的电流量。例如，如果全部TEC 120是在Q max 下操作，那么控制器106可以将电流从I max 减小到介于ICOPmax 与I max 之间的值。此外，如果全部TEC 120是在QCOPmax 或Q max 下操作，那么控制器106只可以减小提供给一些TEC 120的电流以降低热交换器104的温度。在另一实施方案中，控制器106还可以停用一些TEC 120且同时降低在热交换器104的温度超过预定最大允许温度时仍然激活的一些或全部TEC 120的电流。
当处于恢复模式163中时，如操作175处展示，控制器106将活动的TEC 120从在QCOPmax 下操作切换到在Q max 下操作。当在稳定状态操作期间，控制器106从温度输入154接收到指示冷却腔室102内的温度在短时间内显著增加到设置点温度以上的温度数据，发生恢复模式163。具体地说，当冷却腔室102内的温度增加到温度的稳定状态范围的上阈值时（例如，增加到设置点温度加上定义所需稳定状态范围的上阈值的某个预定义值以上时），热电制冷系统100可以进入恢复模式163。
应注意，图16中针对不同模式158、160、162和163展示的控制164、166、168、170、172、174和175只是实例。控制器106控制处于模式158、160、162和163中的每个的TEC 120的方式可以取决于特定实施方式而改变。一般来说，如上文讨论，控制器106控制TEC 120以在TEC 120处于下拉模式158或恢复模式163时降低冷却腔室102的温度。这样做的确切方式可以发生改变。例如，如果性能分布是需要最小量的下拉或恢复时间，那么控制器106可在Q max 下以100%占空比（总是接通）激活全部TEC 120。相反地，如果下拉或恢复时间与效率之间需要平衡，那么控制器106可（例如）在QCOPmax 下以100%占空比（总是接通）或在介于Q COPmax 与Q max 之间的任何之处激活全部TEC 120。当处于稳定状态模式160中时，控制器106一般操作来以有效方式维持设置点温度。例如，控制器106可基于负荷在QCOPmax 下操作所需数量的TEC 120（例如，全部TEC 120或小于全部TEC 120）。TEC 120的这个预定数量是通过在QCOPmax 下或附近操作维持设置点温度所需的TEC 120的数量。如果稳定状态模式160期间并不需要全部TEC 120，那么停用不需要的TEC 120。控制器106可微调激活的TEC 120的操作以通过（例如）稍微增加或降低激活的TEC 120的输入电流使得激活的TEC 120在稍微高于QCOPmax 下操作或通过增加或降低激活的TEC 120的占空比以补偿Qleak来精确地维持设置点温度。
返回到图15，热电制冷系统100还包括用户界面（UI）176、电源178、配件（acc）180和电力电子器件182。用户界面176允许用户输入与热电制冷系统100相关的各种控制参数。这些控制参数包括冷却腔室102的设置点温度。在一些实施方案中，控制参数此外可以包括用于温度的稳定状态范围的值。注意，在一些实施方案中，用户界面176此外可以允许热电制冷系统100的用户或制造商定义热交换器104的排放侧的最大允许温度、与ICOPmax 和I max 相关的电流值和/或等等。然而，应注意，一些或全部控制参数可以被编程或硬编码到控制器106中。
电源178给控制器106、配件180和电力电子器件182供电。配件180可以是用于扩展能力的腔室发光体或通信模块。在其中配件180是通信模块的实施方案中，配件180可以与远程装置通信，诸如（但不限于）：移动电话、远程定位的计算装置或甚至其它家用电器和热电制冷系统。在其中配件180与移动电话或远程定位的计算装置通信的实施方案中，配件180可将热电制冷系统100和冷却腔室102的操作参数（例如，温度数据）提供给远程装置或实体。在其中配件180与其它热电制冷系统通信的实施方案中，配件180可以将热电制冷系统100的操作参数传送到其它热电制冷系统，操作参数诸如设置点温度、设置点温度的上阈值和下阈值、冷却腔室102的最大允许温度、热交换器104的排放侧的最大允许温度等等。
电力电子器件182一般操作来响应于来自控制器106的控制输入将电流提供给TEC120。更具体地说，电力电子器件182独立地将电流提供给TEC 120的子组中的每个。在一个实施方案中，还控制不同子组的TEC 120的占空比。在这种情况下，电力电子器件182可以提供脉宽调制功能，通过脉宽调制功能控制不同子组的TEC 120的占空比。
参考图17，展示根据本公开内容的一个实施方案的操作控制器106以将冷却腔室102维持在设置点温度的方法。最初，接收对应于冷却腔室102内的温度和热交换器104的排放侧处的温度的温度数据（步骤1000）。例如，热电偶或任何其它类型的温度传感器可以用来确定冷却腔室102的温度且在步骤1000中经由温度输入154将温度作为温度数据提供给控制器106。此外，热电偶或任何其它类型的温度传感器可以用来确定热交换器104的排放侧处的温度且在步骤1000中经由温度输入156将温度作为温度数据提供给控制器106。
响应于接收到温度数据，控制器106基于温度数据选择性地控制TEC（步骤1002）。一般来说，控制器106基于温度数据和冷却腔室102的设置点温度选择性地控制一个或多个不同子组的TEC，且在一些优选实施方案中两个或更多个不同子组的TEC。使用图3的匣子112中的TEC 120作为实例，控制器106选择性地或单独地控制不同子组的TEC 120。更具体地说，如上文讨论，控制器106基于温度数据和冷却腔室102的设置点温度确定热电制冷系统100是否处于下拉模式158、稳定状态模式160或恢复模式163中。如果控制器106确定热电制冷系统100处于下拉模式158或恢复模式163中，那么控制器106通过激活目前已停用的TEC 120、增加提供给激活的TEC 120的电流和/或增加激活的TEC 120的占空比来控制TEC120以降低冷却腔室102的温度。如果控制器106确定热电制冷系统100处于稳定状态模式160中，那么控制器106控制TEC 120以维持设置点温度。在稳定状态模式160中，控制器106（例如）必要时可以激活或停用不同子组的TEC 120、增加或降低提供给不同子组的激活的TEC 120的电流和/或增加或降低不同子组的激活的TEC 120的占空比以维持设置点温度。
作为实例，如果温度数据指示当TEC 120a、120b和120e在稳定状态操作期间在QCOPmax 下操作时热电制冷系统100处于恢复模式163，那么控制器106可以激活额外子组的不活动的TEC 120c、120d和120f且在QCOPmax 下操作最近激活的TEC 120。如果需要另一冷却能力，那么控制器106可以将提供给活动的TEC 120a、120b、120c、120d、120e和120f的电流增加到I max 以尽可能快地将冷却腔室102的温度下拉到设置点温度。在控制器106选择性地控制TEC 120以在Q max 下操作之后，方法返回到步骤1000且控制器106再次接收温度数据。返回到所述实例，如果步骤1000中接收的温度数据指示冷却腔室102已冷却到设置点温度，那么控制器106将提供给TEC 120a、120b和120e的电流从I max 降低到ICOPmax 使得TEC 120a、120b和120e在步骤1002中由于稳定状态模式160而在QCOPmax 下操作。此外，控制器120停用TEC120c、120d和120f，在这个实例中，其在稳定状态模式160中没有被使用。控制器106继续重复这个过程以维持冷却腔室102中的设置点温度。
换句话来说，在一个实施方案中，控制器106被配置或启用来根据多种控制方案控制TEC 120。控制方案包括独立地控制不同子组的TEC 120的激活和停用、独立地控制提供给每个子组的TEC 120的电流和/或独立地控制每个子组的TEC 120的占空比。在操作中，控制器106基于冷却腔室102的温度且在一些实施方案中基于热交换器104的排放侧处的温度以及所需性能分布选择一种或多种控制方案。所需性能分布可以编程或硬编码到控制器106中。所需性能分布规定如何针对不同操作模式控制TEC 120（例如，最大效率、最大能力、最大效率与最大能力之间的某个点）。一旦选择控制方案，控制器106根据选定控制方案控制不同子组的TEC 120。因此，控制器106可控制每个操作模式的激活/停用、电流和占空比的任何组合。
例如，对于稳定状态模式160，控制器106可以基于冷却腔室102的温度和稳定状态模式160期间最大化效率的所需性能分布选择TEC 120的激活/停用的控制方案。在这种情况下，控制器106然后激活一个或多个子组的TEC 120且在一些实施方案中停用一个或多个其它子组的TEC 120。此外，控制器106可以在稳定状态模式160期间选择控制激活的TEC120的电流和/或占空比，在所述情况下，控制器106独立地控制提供给激活子组的TEC 120中的每个的电流和/或激活子组的TEC 120中的占空比。继续这个实例，对于恢复模式163或下拉模式158，控制器106可以基于冷却腔室102的温度和所需性能分布（例如，最小化下拉或恢复时间）选择TEC 120的激活/停用的控制方案。在这种情况下，控制器106激活稳定状态模式160期间没有激活的额外子组的TEC 120。此外，对于下拉模式158或恢复模式163，控制器106可以选择控制激活子组的TEC 120的电流和/或占空比，在所述情况下，控制器106独立地控制激活子组的TEC 120中的每个的电流和/或激活子组的TEC 120中的每个的占空比。
图18是展示根据本公开内容的另一实施方案的操作控制器106以将冷却腔室102维持在设置点温度的方法的流程图。最初，接收冷却腔室102和热交换器104的排放侧处的温度数据（步骤1100）。在接收到温度数据之后，控制器106确定冷却腔室102的温度是否大于冷却腔室102的温度的稳定状态范围的上阈值（步骤1102）。稳定状态范围是包括设置点温度的冷却腔室102的可接受温度范围。作为实例，稳定状态范围可以是设置点温度加上或减去预定义偏差（例如，2度）。如果冷却腔室102的温度不大于稳定状态范围的上阈值，那么控制器106确定冷却腔室102的温度是否大于稳定状态范围的下阈值（步骤1104）。
如果冷却腔室102的温度不大于稳定状态范围的下阈值，那么过程返回到步骤1100。然而，如果冷却腔室102的温度低于稳定状态范围的下阈值，那么控制器106控制TEC120以增加冷却腔室102的温度（步骤1106）。取决于特定实施方案，控制器106通过停用TEC中的一个或多个、降低TEC 120中的一个或多个的电流输入和/或降低低TEC 120中的一个或多个的占空比来增加冷却腔室102的温度。因为控制器106可选择性地控制不同子组的TEC 120，所以控制器106在如何增加冷却腔室102的温度方面具有相当大的灵活性。在控制TEC 120以增加冷却腔室102的温度之后，过程返回到步骤1100且重复所述过程。
返回到步骤1102，如果冷却腔室102的温度大于稳定状态范围的上阈值，那么控制器106确定冷却腔室102的温度是否大于冷却腔室102的预定最大允许温度（步骤1108）。如果是，那么过程进行到步骤1112。如果不是，那么控制器106控制TEC 120以降低冷却腔室102的温度（步骤1110）。控制器106控制TEC 120以通过激活一个或多个先前停用的TEC120、将激活的TEC 120中的一个或多个的电流输入从ICOPmax 增加到大于ICOPmax 的值（例如，I max ）和/或增加激活的TEC 120中的一个或多个的占空比来降低冷却腔室102的温度。使用图3的匣子112的实施方案中的TEC 120作为实例，控制器106独立地控制不同子组的TEC120。因此，例如，如果在步骤1110之前，第一子组的TEC（即，TEC 120a和120b）激活且在QCOPmax 下操作，但是剩余的TEC 120停用，那么控制器106可通过将第一子组的TEC 120的电流输入从ICOPmax 增加到大于ICOPmax 的值（例如，I max ）、增加第一子组的TEC 120的占空比、激活第二子组的TEC 120以在QCOPmax 或大于QCOPmax 的能力下以所需占空比（例如，总是接通）操作、激活第三子组的TEC 120以在QCOPmax 或大于QCOPmax 的能力下以所需占空比（例如，总是接通）操作和/或激活第四子组的TEC 120以在QCOPmax 或大于QCOPmax 的能力下以所需占空比（例如，总是接通）操作来降低冷却腔室102的温度。
然后，是否从步骤1108或步骤1110的“是”分支进行，控制器106确定热交换器104的排放侧处的温度是否大于热交换器104的排放侧处的预定最大允许温度（步骤1112）。如果是，那么控制器106控制TEC 120以降低热交换器组件的温度（步骤1114）。具体地说，那么控制器106控制TEC 120以在排放侧（例如，热侧散热器108）处降低热交换器104的组件的温度。降低热交换器104的组件的温度可以通过停用一些或全部TEC 120、减小提供给一些或全部TEC 120的电流或其组合而完成。过程然后返回到步骤1100且重复所述过程。
然而，如果热交换器104的排放侧处的温度不大于预定最大允许温度，那么控制器106控制TEC以降低冷却腔室102的温度（步骤1116）。如上文讨论，控制器106控制TEC 120以通过激活一个或多个先前停用的TEC 120、将激活的TEC 120中的一个或多个的电流输入从ICOPmax 增加到大于ICOPmax 的值（例如，I max ）和/或增加激活的TEC 120中的一个或多个的占空比来降低冷却腔室102的温度。例如，如果在步骤1116之前，第一子组的TEC（即，TEC 120a和120b）激活且在QCOPmax 下操作，但是剩余的TEC 120停用，那么控制器106可通过将第一子组的TEC 120的电流输入从ICOPmax 增加到大于ICOPmax 的值（例如，I max ）、增加第一子组的TEC 120的占空比、激活第二子组的TEC 120以在QCOPmax 或大于QCOPmax 的能力下以所需占空比（例如，总是接通）操作、激活第三子组的TEC 120以在QCOPmax 或大于QCOPmax 的能力下以所需占空比（例如，总是接通）操作和/或激活第四子组的TEC 120以在QCOPmax 或大于QCOPmax 的能力下以所需占空比（例如，总是接通）操作来降低冷却腔室102的温度。在步骤1116中降低冷却腔室102的温度之后，过程返回到步骤1100且重复所述过程。
作为实例，假设温度数据指示冷却腔室102是0.9℃且热交换器104的排放侧是19℃。此外，对于这个实例，冷却腔室102的设置点温度是2.2℃，稳定状态范围的上阈值是5.0℃，稳定状态范围的下阈值是1.0℃，冷却腔室102中的最大允许温度是15℃且热交换器104的排放侧处的最大允许温度是20℃。使用这个实例，控制器106首先确定冷却腔室102的温度（0.9℃）不超过稳定状态范围的上阈值（5.0℃）。因此，控制器106执行步骤1104，其中控制器106确定冷却腔室102的温度（0.9℃）小于稳定状态范围的下阈值（1.0℃）。因此，控制器106执行步骤1106以增加冷却腔室102的温度。在执行步骤1106之后，控制器106返回到步骤1100以从而接收更新的温度数据且继续所述过程。
作为另一实例，假设温度数据指示冷却腔室102的温度是14℃且热交换器104的排放侧处的温度是18℃。此外，对于这个实例，冷却腔室102的设置点温度是2.2℃，稳定状态范围的上阈值是5.0℃，稳定状态范围的下阈值是1.0℃，冷却腔室102中的最大允许温度是15℃且热交换器104的排放侧处的最大允许温度是20℃。使用这个实例，控制器106确定冷却腔室102的温度（14℃）大于稳定状态范围的上阈值（5.0℃）。因此，控制器106执行步骤1108，其中控制器106确定冷却腔室102的温度（14℃）小于冷却腔室102的最大允许温度（15℃）。因此，控制器106执行步骤1110以从而降低冷却腔室102的温度。
在第三实例中，温度数据指示冷却腔室102的温度是17℃且热交换器104的温度是22℃。此外，对于这个实例，冷却腔室102的设置点温度是2.2℃，稳定状态范围的上阈值是5.0℃，稳定状态范围的下阈值是1.0℃，冷却腔室102中的最大允许温度是15℃且热交换器104的排放侧处的最大允许温度是20℃。在步骤1102中，控制器106确定冷却腔室102的温度大于稳定状态范围的上阈值。因此，控制器106执行步骤1108，其中控制器106确定冷却腔室102的温度（17℃）超过冷却腔室102内的最大允许温度（15℃）。因此，控制器106执行步骤1112，其中控制器106确定热交换器104的排放侧处的温度是否超过热交换器104的排放侧处的最大允许温度。根据本公开内容的实施方案，热交换器104的排放侧处的最大允许温度是在其以外热交换器104的组件可能过热且被损坏的温度。热交换器104的排放侧处的温度超过热交换器104的排放侧处的最大允许温度时的实例是当冷却腔室102通过大量的热量泄漏时，诸如当冷却腔室102的门保持敞开时。在其中冷却腔室102的门保持敞开的情形中，热电制冷系统100试图将冷却腔室102的温度下拉到设置点温度。在这里，由于存在大量热量泄漏，热交换器104的组件可能不能够下拉冷却腔室102的温度且反而过度工作，因而过热（即，超过热交换器104的排放侧处的最大允许温度）。热交换器104的排放侧处的温度超过热交换器104的排放侧处的最大允许温度时的另一实例是当接受回路114与冷却腔室102之间没有发生适当的热量传递时，诸如如果接受回路114中存在阻塞、如果接受回路114内的冷却介质存在问题等等。在第三实例中，热交换器104的排放侧处的温度（22℃）超过热交换器104的排放侧处的最大允许温度（20℃）。因此，控制器106执行步骤1114，其中控制器106冷却热交换器104的组件的温度。
图19是展示根据本公开内容的一个实施方案的操作控制器106以监控热交换器104的排放侧处的温度的方法的流程图。最初，控制器106接收温度数据（步骤1200）。在一个实施方案中，温度数据对应于热交换器104的排放侧处的温度。如上文参考图18的步骤1112描述，在接收到温度数据之后，控制器106确定热交换器104的排放侧处的温度是否超过热交换器104的排放侧处的最大允许温度（步骤1202）。如果热交换器104的排放侧处的温度没有超过最大允许温度，那么过程返回到步骤1200且重复所述过程。然而，如果热交换器104的排放侧处的温度超过热交换器104的排放侧处的最大允许温度，那么控制器106控制TEC120以从而降低热交换器104的排放侧处的温度（步骤1204）。
多并联热交换系统
在上述实施方案中，热电制冷系统100包括单一热交换系统（即，单一热交换器104、单一接受回路114和单一排放回路116）。图20A至图20C展示包括两个并联热交换系统的热电制冷系统100的另一实施方案。注意，虽然图20A至图20C的实施方案中展示两个并联热交换系统，但是也可以使用任何数量的两个或更多个并联热交换系统。如图20A中展示，两个并联热交换系统与图1的热交换系统相同。特定地说，第一热交换系统包括热交换器104a，其包括热侧散热器108a、冷侧散热器110a、布置在热侧散热器108a与冷侧散热器110a之间的匣子112a、连接到冷侧散热器110a的接受回路114a和连接到热侧散热器108a的排放回路116a。匣子112a包括由控制器106选择性地控制的一个或多个TEC和优选地多个TEC。在一些优选实施方案中，TEC布置在互连板上，所述互连板以上文关于图1的匣子112描述的方式实现一个或多个且优选地两个或更多个子组的TEC的选择性和独立控制。同样地，第二热交换系统包括热交换器104b，其包括热侧散热器108b、冷侧散热器110b、布置在热侧散热器108b与冷侧散热器110b之间的匣子112b、连接到冷侧散热器110b的接受回路114b和连接到热侧散热器108b的排放回路116b。匣子112b包括由控制器106选择性地控制的一个或多个TEC和优选地多个TEC。在一些优选实施方案中，TEC布置在互连板上，所述互连板以上文关于图1的匣子112描述的方式实现一个或多个且优选地两个或更多个子组的TEC的选择性和独立控制。图20A的两个并联热交换系统的操作和匣子112a和112b中的TEC的控制与上文关于图1的对应热交换系统和匣子112的操作和控制相同。因而，不重复所述细节。
当控制器106控制匣子112a和112b中的TEC时，并联热交换系统提供控制器106的额外自由度。更具体地说，除了选择性且独立地控制匣子112a中的一个或多个且优选地两个或更多个子组的TEC以外，控制器106还被启用来独立于匣子112a中的TEC的子组选择性且独立地控制匣子112b中的一个或多个且优选地两个或更多个子组的TEC。如图20B中展示，作为一个实例，在稳定状态操作期间，控制器106可以优选地在Q COPmax 下或Q COPmax 附近（例如，稍微高于或潜在地低于Q COPmax ）激活匣子112a中的一些或潜在全部TEC，且停用匣子112b中的全部TEC。相反地，如图20C中展示，在下拉或恢复期间，控制器106可以激活匣子112a中的任何先前停用的TEC且激活匣子112b中的一些或潜在全部TEC。在下拉或恢复期间，激活的TEC优选地在Q COPmax 、Q max 或介于Q COPmax 与Q max 之间的某个值下操作。
并联热交换器104a和104b的一个非限制优点是能够完全隔离极多个TEC子组，同时提供大的恢复能力而不具有相关于与活动的TEC一样位于相同的热交换器104a、104b中的停用的TEC的寄生损耗。并联热交换器104a和104b的另一非限制优点涉及通过更好地平衡不同的控制制度与相关热交换器体积/耗散面积最大化效率。
级联散热器
在本公开内容的另一实施方案中，TEC阵列可以被级联以将不同冷却腔室维持在不同设置点温度。在一个实施方案中，单一热电制冷系统可以具有每个具有不同设置点温度的第一冷却腔室和第二冷却腔室。在一个实施方案中，第一组TEC（例如，第一匣子中的TEC）提供用于第一冷却腔室的冷却。此外，第二组TEC（例如，第二匣子中的TEC）提供用于第二冷却腔室的冷却，其中第二冷却腔室的设置点温度低于第一冷却腔室的设置点温度。在这个实施方案中，第一组TEC和第二组TEC经由级联散热器相互热连接。在这个实施方案中，在第一冷却腔室的冷却期间，第一组TEC从第一冷却腔室提取热量且操作来将所提取的热量排放到第一冷却腔室外部的环境。在这个实施方案中，在第二冷却腔室的冷却期间，第二组TEC从第二冷却腔室提取热量且然后操作来将所提取的热量排放到第一组TEC。在这里，第一组TEC操作来将从第二冷却腔室提取的热量排放到第一冷却腔室和第二冷却腔室外部的环境。在这个实施方案中，第一组TEC可以独立于第二组TEC操作。特定地说，第一设置点温度可以不同于第二设置点温度。此外，冷却腔室中的每个可以存在不同操作模式（例如，第一冷却腔室可以处于下拉中，而第二冷却腔室由于敞开第一冷却腔室的门而处于稳定状态）。
在这方面，图21展示根据本公开内容的实施方案的具有冷却腔室186和188的热电制冷系统184。在这个实施方案中，冷却腔室186和188具有不同设置点温度。例如，如果热电制冷系统184是家用冰箱，那么冷却腔室186可以对应于冰柜且冷却腔室188可以对应于冰箱。热电制冷系统184还包括根据本公开内容的另一实施方案的热交换器190。在这里，热交换器190包括热侧散热器192和两个冷侧散热器，即，冷侧散热器194和冷侧散热器196。热侧散热器192与排放回路198热连接且操作来以类似于上文关于图1的冷却腔室102、热侧散热器108和排放回路116描述的方式从冷却腔室186和188排放热量。在这个实例中，热交换器190介于界定冷却腔室188的内壁200与热电制冷系统184的外壁202之间。
热交换器190还包括匣子204和206。匣子204与冷侧散热器194和冷侧散热器196热连接。匣子204包括如上文参考图1的匣子112描述的TEC，其中TEC的冷侧热连接到冷侧散热器194且TEC的热侧热连接到冷侧散热器196。此外，布置在匣子204内的TEC可以具有如上文参考图3至图8描述的任何数量的TEC。匣子204内的TEC促进冷侧散热器194与冷侧散热器196之间的热量传递。在冷侧散热器194与冷侧散热器196之间传递的热量的经由接受回路208从冷却腔室186排放的热量。
匣子206布置在热侧散热器192与冷侧散热器196之间。匣子206包括如上文参考图1的匣子112描述的TEC，其中TEC的冷侧热连接到冷侧散热器196且TEC的热侧热连接到热侧散热器192。匣子206中的TEC促进冷侧散热器196与热侧散热器192之间的热量传递。此外，布置在匣子206之间的TEC可以具有如上文参考图3至图8描述的任何数量的TEC。在这个实施方案中，冷侧散热器196与热侧散热器192之间传递的热量是经由接受回路210从冷却腔室188提取的热量，且如果匣子204中的TEC激活，那么冷侧散热器196与热侧散热器192之间传递的热量是经由接受回路208从冷却腔室186提取的热量。
接受回路208和210中的每个以类似于上文参考图1的接受回路114的方式操作。特定地说，如上文参考接受回路114描述，接受回路208和210中的每个促进从冷却腔室（即，分别是冷却腔室186或188）提取热量。匣子204和206中的TEC可单独控制。因此，换句话来说，匣子204和206中的每个中的TEC子组可单独控制以维持冷却腔室186和188中的设置点温度。
如上文提及，匣子204和206中的每个包括具有上述功能的TEC。在本公开内容的一个实施方案中，匣子206具有的TEC的数量大于匣子204使得匣子206可以促进从接受回路208和210两者传递热量。例如，如果匣子204中的一个或多个子组的TEC激活，那么匣子206中的TEC必须被控制来具有足够大的能力以传递由接受回路208提取的热量以及由接受回路210提取的任何热量。例如，如果匣子204中的四个TEC是在QCOPmax 下操作，那么匣子206中的四个以上的TEC也应在QCOPmax 下操作以提供足够大的能力以传递由匣子204中的激活的TEC传递的热量。此外，如果热量也由接受回路210提取，那么匣子206中的TEC还被控制来提供额外能力以经由接受回路210提取所需热量。
在热电制冷系统184的操作期间，控制器212控制布置在匣子204和206内的TEC以维持冷却腔室186和188中的所需设置点温度。特定地说，为了维持冷却腔室186内的所需设置点温度，控制器212基于冷却腔室186内的温度且在一些实施方案中基于如上文关于图15至图19描述的热交换器190的排放侧处的温度控制布置在匣子204和206内的TEC。因此，在一个实施方案中，控制器212接收关于冷却腔室186和热交换器190的排放侧的温度数据，且选择性地控制布置在匣子204和206内的TEC以维持冷却腔室186的所需设置点温度。一般来说，控制器212检测操作模式（即，稳定状态、恢复、下拉等等），且然后根据操作模式激活/停用匣子204和206中的TEC、增加或降低匣子204和206中的TEC的占空比和/或增加或降低提供给匣子204和206中的TEC的电流。
例如，如果冷却腔室186是在设置点温度下，那么控制器212控制匣子204内的TEC使得用于冷却腔室186的稳定状态操作所需的预定数量的TEC在QCOPmax 下操作。在这个实例中，匣子204具有四个TEC且四个TEC中的三个是在QCOPmax 下操作。此外，在冷却腔室186的稳定状态操作期间，控制器212控制匣子206内的三个或更多个TEC使得匣子206内的活动的TEC结合且支持匣子204中在QCOPmax 下操作的三个TEC在QCOPmax 下操作。 在这个实例中，如果控制器212随后检测冷却腔室186处于恢复当中，那么控制器212选择性地控制匣子204内的TEC以将冷却腔室186的温度下拉到设置点温度。例如，控制器212可以激活匣子204中的全部四个TEC使得匣子204中的全部TEC在Q max 下操作。此外，当控制器212激活匣子204中在Q max 下操作的全部四个TEC时，控制器212还激活匣子206中的更多TEC以支持由匣子204中最近激活的TEC提供的额外能力。
如上文提及，热电制冷系统184还包括冷却腔室188，其中如上文参考图1的接受回路114描述，接受回路210促进从冷却腔室188提取热量。接受回路210与冷侧散热器196热连接使得冷侧散热器196经由匣子206和布置在匣子206中的TEC将从冷却腔室188提取的热量传递到排放回路198。因此，排放回路198操作来排放从冷却腔室186和冷却腔室188提取的热量。如上文提及，匣子206包括结合布置在匣子204内的TEC工作的TEC。在这里，匣子206包括促进将从冷却腔室188提取的热量传递到热侧散热器192的额外TEC。
除了控制布置在匣子206内的TEC以支持由布置在匣子204内的激活的TEC进行的热量传递以外，控制器212还选择性地控制布置在匣子206内的TEC以根据上述图15至图19的方法维持冷却腔室188内的所需设置点温度。因此，控制器212接收冷却腔室188的温度数据，且因此选择性地控制布置在匣子206内的TEC。例如，在稳定状态操作期间，控制器212选择匣子206内没有促进与冷却腔室186相关的热量传递的TEC使得选定TEC在QCOPmax 下操作。继续这个实例，当控制器212检测冷却腔室188处于恢复当中时，在一个实施方案中，控制器212控制选定TEC使得选定TEC在Q max 下操作。此外，控制器212可以选择没有激活的额外TEC使得这些额外TEC在Q max 下或在QCOPmax 与Q max 之间的某个点下操作。在这种情形中，如果匣子206包括十个TEC且所述TEC中的四个促进与冷却腔室186相关的热量传递，那么在冷却腔室188的稳定状态操作期间，在所述TEC中的六个剩余TEC中，控制器212可以选择剩余TEC中的三个在QCOPmax 下操作。然而，当冷却腔室188处于恢复当中且控制器212需要将冷却腔室188的温度下拉到设置点温度时，控制器212可以控制在QCOPmax 下操作的三个TEC使得这些TEC在Q max 下操作，且然后在没有激活的三个剩余TEC中，控制器212可以激活一个或多个额外TEC以使其也在Q max 下操作。
在上述情形中，在匣子206中的激活的TEC中，四个TEC在QCOPmax 下操作以促进从冷却腔室186传递热量。应注意，在上述情形中，当冷却腔室188处于恢复当中时，根据本公开内容的实施方案，控制器212可以控制辅助从冷却腔室186提取的热量的热量传递的四个TEC使得这四个TEC在Q max 下操作。在这里，四个TEC仍然将工作以将冷却腔室186维持在设置点温度（因为TEC只需要在QCOPmax 下操作），同时辅助将冷却腔室188的温度下拉到设置点温度（如参考图2展示，可以在与QCOPmax 相关的点与相关于Q max 的点之间提取的额外热量）。应注意，当冷却腔室186和冷却腔室188处于恢复当中时，匣子206中的全部TEC可以被控制来在Q max 下操作。
热交换系统的热二极管效应和隔热
在本公开内容的一些优选实施方案中，本文中公开的热交换系统还提供热二极管效应和热交换器与冷却腔室以及外部环境的隔热。这是有利的，因为热交换器的热二极管和隔热防止或至少最小化热量泄漏从外部环境通过热交换器返回到冷却腔室。在这方面，图22展示图1的热交换器104的一个实施方案，其中热交换器104与热电制冷系统100的冷却腔室102和外壁118隔热，使得当热交换器104没有主动促进从冷却腔室102提取热量时（即，当全部TEC没有活动时）不会发生热量泄漏从热交换器104返回到冷却腔室102。
如上文关于图1提及，热交换器104包括冷侧散热器110和热侧散热器108，其中匣子112布置在冷侧散热器110与热侧散热器108之间。如图22中展示，为了提供热交换器104的隔热，热交换器104经由间隙220与内壁115物理分离且物理附接到内壁115。特定地说，间隙220与冷侧散热器110和内壁115连接使得间隙220将热交换器104与内壁115物理地隔离且隔热，同时将热交换器104安装在热电制冷系统100内。根据本公开内容的一个实施方案，间隙220可以由最小化热传导的任何类型的材料形成，诸如任何低导热率材料，包括陶瓷、塑料等等。此外，如关于图22可见，热交换器104布置在内壁115与外壁118（和因此冷却腔室102）之间，其中热交换器104还通过绝缘体222与内壁115和外壁118隔热。
当热交换器104的隔热结合由接受回路114和排放回路116提供的热二极管效应时，当布置在匣子112内的TEC全部停用或处于占空比控制期间的“断开”状态时，热量泄漏从外部环境和热交换器104返回到冷却腔室102中。在一个实施方案中，接受回路114和排放回路116根据热对流原理操作（即，是热对流系统），且因而提供热二极管效应。这种热二极管效应关于图23和图24加以展示。图23展示当热交换器104中的一个或多个TEC激活或处于占空比控制期间的“接通”状态时通过热交换系统的热量传递。如展示，当TEC中的一个或多个接通时，接受回路114中的冷却介质由热交换器104的冷侧散热器110凝固使得凝固的冷却介质经由重力流过接受回路114。当冷却介质流过接受回路114时，其从冷却腔室102提取热量。所提取的热量蒸发冷却介质。蒸发的冷却介质然后经由浮力返回到热交换器104的冷侧散热器110。这个过程继续促进从冷却腔室102提取热量。相反地，在排放侧处，排放回路116中的热交换介质由热交换器104的热侧散热器108蒸发。蒸发的热交换介质经由浮力流过排放回路116使得热量被排放到外部环境。由于热量排放，热交换介质凝固，且凝固的热交换介质经由重力返回到热侧散热器108。所述过程继续提供到外部环境的热量排放。
一旦热交换器104中的TEC全部停用或处于占空比控制期间的“断开”状态，如图24中展示，接受回路114和排放回路116防止热量通过接受回路114和排放回路116朝冷却腔室102传递。更具体地说，当全部TEC停用或处于占空比控制期间的“断开”状态时，热交换器104的冷侧散热器110不再足够冷来凝固接受回路114中的冷却介质。因而，接受回路114中的冷却介质蒸发且集中在冷侧散热器110处，因而进一步防止热量通过接受回路114而传递。因此，可知接受回路114提供远离冷却腔室102的热量传递（即，热量提取），但是防止热量朝冷却腔室102传递（即，热量泄漏返回到冷却腔室102中）。以此方式，接受回路114提供热二极管效应。以类似方式，热侧散热器108不再足够热来蒸发排放回路116中的热交换介质。因而，排放回路116中的热交换介质凝固且集中在热侧散热器108处，因而进一步防止热量通过排放回路116传递。因此，可知排放回路116提供远离热交换器104的热量传递（即，热量排放），但是防止热量朝冷热交换器104传递（即，热量泄漏从外部环境返回到热交换器104）。以此方式，排放回路116提供热二极管效应。重要的是，热交换器104的热绝缘以及接受回路114和排放回路116的热二极管效应实现：(1) 无热量泄漏或最少热量泄漏返回到冷却腔室102的热交换器104中的全部TEC的停用，和(2) 无热量泄漏或最少热量泄漏返回到冷却腔室102的热交换器104中的TEC的占空比控制。
显而易见，虽然图1的热交换系统包括接受回路114和排放回路116两者，但是本公开内容不限于此。热交换系统替代地可以是包括热交换器104的接受侧上的接受回路114和热交换器104的排放侧上的替代热交换机构（例如，翼板和风扇）的混合系统。在这个替代实施方案中，接受回路114仍然提供热二极管效应，其防止当热交换器104中的全部TEC停用或处于占空比控制期间的“断开”状态时热量泄漏返回到冷却腔室102中，如图25中展示。作为另一替代，热交换系统可以是包括热交换器104的排放侧上的排放回路116和热交换器104的接受侧上的替代热交换机构（例如，翼板和风扇）的混合系统。在这个替代实施方案中，排放回路116提供热二极管效应，其防止热量泄漏从外部环境返回到热交换器104。
图26展示根据本公开内容的一个实施方案的图21的热交换器190的隔热。在这里，热交换器190经由间隙220与界定冷却腔室188的内壁200连接。特定地说，间隙220与冷侧散热器194和内壁200连接，使得间隙220将热交换器190与冷却腔室188物理隔离且隔热，同时将热交换器190安装在热电制冷系统184内。热交换器190周围的绝缘体222使热交换器190与冷却腔室188和外壁202隔热。此外，以类似于上述方式的方式，排放回路198和接受回路208以及210每个提供热二极管效应。显而易见，在这个实施方案中，存在两个接受回路，即，接受回路208和210，每个提供防止热量泄漏返回到对应冷却腔室186和188中的热二极管效应。因此，当热交换器190没有主动地从冷却腔室186或188提取热量时，不会发生热量泄漏经由热交换器190返回到冷却腔室186和188中。
散热器配置
如上文关于图1提及，接受回路114将从冷却腔室102提取的热量传递到冷侧散热器110，且热侧散热器108将所提取的热量传递到排放回路116。图27是展示根据本公开内容的一个实施方案的冷侧散热器110的配置的示意图。应注意，虽然这种讨论集中在冷侧散热器110，但是这种讨论同样也适用于冷侧散热器194和196以及热侧散热器108和192。冷侧散热器110包括两个入口/出口端226/228，在冷却腔室102和/或匣子112中的TEC 120的阵列的激活的TEC中的一个进行热量传递之后，冷却介质通过入口/出口端226/228进入并退出冷侧散热器110。具体地说，当冷却介质进入到入口/出口端226/228时，冷却介质包括从冷却腔室102提取的热量。从冷却腔室102提取的热量经由热对流、传导和辐射传递到冷却介质且然后经由冷却介质与冷侧散热器110之间的热对流、传导和辐射传递到冷侧散热器110。所提取的热量然后经由布置在冷侧散热器110上的翼板230传递到TEC 120的阵列，而后传递到如关于图28展示的板232，其热连接到TEC 120的阵列。
如参考图27展示，翼板230中的每个具有长形形状且分别横跨长度L1至L4。此外，如关于图28可知，翼板230延伸高度h且相互分开宽度w。因此，翼板230中的每个具有用于传递热量的根据长度L1至L4和高度h变化的有效表面面积。应注意，虽然冷侧散热器110被描述为具有具备上文提及的配置和尺寸的翼板230，但是冷侧散热器110也可以具有任何配置的翼板且取决于热负荷和空间约束可以具有任何尺寸。在一些实施方案中，翼板230的配置和尺寸可以是接受回路114中使用的冷却介质的类型和冷却腔室102、热交换器104之间的温度差以及周围温度的函数。此外，翼板230的尺寸和配置还可以是接受回路114和排放回路116内的流体压力和热电制冷系统100内的任何热量泄漏的函数。
图29展示包括散热器234的冷侧散热器110的另一实施方案。在一个实施方案中，热电制冷系统100不包括排放回路116，但是反而包括散热器234，其中热电制冷系统100包括将由散热器234吸收的热量排出到热电制冷系统100外部的环境的风扇（没有展示）。此外，在本公开内容的另一实施方案中，热电制冷系统100可以包括散热器234和排放回路116两者，因而形成混合配置，其中散热器234和排放回路116操作来将从冷却腔室102提取的热量排放到热电制冷系统100外部的环境。
脱离式热交换器
本公开内容的一些实施方案分别通过增加冷却腔室的内壁的可用表面面积和/或可用于经由接受回路和排放回路进行的热量传递的外壁的可用表面面积来最大化或至少增加热电制冷系统的热量提取能力。一般来说，这些实施方案提供具有由热导管热连接的物理分离或脱离的热侧散热器和冷侧散热器的热交换器。在一个实施方案中，包括TEC的匣子物理地附接到冷侧散热器，其中热导管将TEC的热侧热连接到热侧散热器。在另一实施方案中，包括TEC的匣子物理地附接到热侧散热器，其中热导管将TEC的冷侧热连接到冷侧散热器。
在这方面，图30展示包括使得冷侧散热器110能够与热侧散热器108物理分离的热导管236的热交换器的一个实施方案。根据本公开内容的实施方案，热导管236可以是适用于在冷侧散热器110与热侧散热器108之间传导热量的任何装置。可以用于热导管236的装置的实例包括传统的热管道，其中热管道允许热量以向下方向从冷侧散热器110被动地移动到热侧散热器108。
在替代实施方案中，热导管236可以包括对流连接件，其结合增压室工作以促进冷侧散热器110与热侧散热器108之间的热量传递。此外，在另一实施方案中，热导管236可以包括具有热量传递流体的流体回路，其中泵在冷侧散热器110与热侧散热器108之间抽送热量传递流体。在其中热导管236包括流体回路的实施方案中，热量传递流体将热量从冷侧散热器110输送到热侧散热器108。此外，热导管236可以经由直接传导传递热量，其中热导管236将热量从冷侧散热器110传导式地传递到热侧散热器108。
热导管236使用任何已知技术（诸如散热片板）物理且热连接到匣子112，其中散热片板与布置在匣子112内的TEC 120连接。如上文提及，在冷却腔室102的冷却期间，来自冷却腔室102的热量热传递到接受回路114。又如上所述，来自接受回路114的热量然后热传递到布置在匣子112内的TEC 120。热量从TEC 120传递到热导管236，且热导管236将热量传递到热侧散热器108。此外，热导管236使用任何已知技术（诸如机械总成237）与热侧散热器108物理且热连接，其中热导管236直接连接到热侧散热器108。注意，在替代实施方案中，热导管236直接连接到热侧散热器108使得不需要机械总成237。应注意，虽然匣子112被展示热连接到冷侧散热器110使得热导管236与匣子112和热侧散热器108热连接，但是匣子112也可以与热侧散热器108热连接使得当匣子112与热侧散热器108连接时热导管236可以直接与冷侧散热器110和匣子112热连接。应注意，可以使用任何方法论以使冷侧散热器110与热侧散热器108脱离，其中冷侧散热器110和热侧散热器108相互热连接。例如，冷侧散热器110和热侧散热器108可以传导式且对流式地相互连接。此外，冷侧散热器110和热侧散热器108可以使用抽送回路热连接或可以辐射式地相互连接。
图31是展示根据本公开内容的一个实施方案的图30的热交换器104的热量流动的示意图。特定地说，如由QACCEPTIN标示般从冷却腔室102提取热量且然后如由QACCEPTOUT指示般将热量传递到热导管236。热导管236然后如由QREJECTIN标示般将热量传递到排放回路116，其中如由QREJECTOUT展示般，最终将热量排出到冷却腔室102外部的环境。
在其中热导管236使冷侧散热器110与热侧散热器108分离的实施方案中，冷侧散热器110与热侧散热器108分开使得在一个实施方案中，如参考图32和图33展示，冷侧散热器110处于热电制冷系统100的上部处且热侧散热器108处于热电制冷系统100的下部处。在其中冷侧散热器110布置在热电制冷系统100的上部处的实施方案中，接受回路238可以包封冷却腔室102的更大表面面积，使得冷却腔室102与接受回路238内的冷却介质之间凭借冷却腔室102与接受回路238之间的更大表面面积发生更大量的热量传递。更具体地说，由于接受回路238与冷却腔室102的更大部分热连通，接受回路238可以促进更大量的热量的提取，因而增加实施接受回路238的装置的总加热效率。
此外，在其中热侧散热器108布置在热电制冷系统100的底部处的实施方案中，如关于图32和图33展示，排放回路240可以从热电制冷系统100的底部延伸到热电制冷系统100的顶部，使得排放回路240的更大量的表面面积暴露于冷却腔室102外部的环境。在这里，排放回路240与冷却腔室102外部的环境之间再次凭借排放回路240与冷却腔室102外部的环境之间的更大量表面面积而发生更大量的热量传递。应注意，虽然图32和图33展示布置在热电制冷系统100上的上部处的冷侧散热器110和布置在热电制冷系统100上的底部处的热侧散热器108，但是在包括热导管236的实施方案中，冷侧散热器110可以布置在热电制冷系统100上的任何位置处，且热侧散热器108可以布置在热电制冷系统100上的任何位置处，其中相对于实施本公开内容的实施方案的装置的物理尺寸，冷侧散热器110与热侧散热器108之间的距离最大化。关于热导管236，虽然热导管236是参考热电制冷系统100展示且描述，但是热导管236还可以搭配热电制冷系统184使用，其中热导管236热连接在冷侧散热器196与热侧散热器192之间使得冷侧散热器194和196布置在热电制冷系统184的第一侧上（即，热电制冷系统184的顶部附近）且热侧散热器192布置在热电制冷系统184的与第一侧相对的第二侧上（即，热电制冷系统184的底部附近）。
二相热交换器安装
传统上，热交换器垂直安装以提供重力辅助式二相热交换系统的最大流体速度。然而，垂直配置在热泵排放表面或接受表面与热交换器的最远现存表面之间产生水平热梯度。发明者已发现，通过以远离垂面成某个角度安装热交换器，可最小化梯度，因而最大化给出的表面面积和系统设计的效率。
图34至图37B涉及根据本公开内容的实施方案的热电系统中的二相热交换器242的安装。其中安装有二相热交换器242的热电系统可以是相似或类似于上文描述的热电系统或某个其它类型的热电系统（例如，热电发电机）的热电制冷系统。如图34中展示，二相热交换器242包括热侧散热器244、冷侧散热器246和布置在其之间的一个或多个TEC 248。更具体地说，TEC 248被配置使得TEC 248的热侧物理且热连接到散热片250，其中散热片250是热侧散热器244的部分或物理且热连接到热侧散热器244。以类似方式， TEC 248的冷侧物理且热连接到散热片252，其中散热片252是冷侧散热器246的部分或物理且热连接到冷侧散热器246。
热侧散热器244包括具有入口端256的腔室254。在这个实施方案中，入口管道258连接到入口端256。入口管道258可以连接到任何合适的热交换机构。在一个实施方案中，入口管道258连接到根据诸如（例如）上文描述的排放回路的实施方案的热对流原理操作的排放回路。腔室254填充有工作流体260。在操作中，当TEC 248活动时，TEC 248的热侧蒸发工作流体260且蒸发的工作流体经由浮力通过入口端256向上运输到入口管道258中。在蒸发的工作流体通过入口管道258之后，其被凝固且凝固的工作流体经由重力通过入口管道258和入口端256返回到热侧散热器244的腔室254。
以类似方式，冷侧散热器246包括具有入口端264的腔室262。在这个实施方案中，入口管道266连接到入口端264。入口管道266可以连接到任何合适的热交换机构。在一个实施方案中，入口管道266连接到根据诸如（例如）上文描述的接受回路的实施方案的热对流原理操作的接受回路。在操作中，当TEC 248活动时，TEC 248的冷侧凝固腔室262内的工作流体。凝固的工作流体然后经由重力通过入口端264从腔室262流到入口管道266中。在凝固的工作流体通过入口管道266之后，其被蒸发且所得蒸发的工作流体经由浮力通过入口管道266和入口端264返回到冷侧散热器246的腔室262。
如展示，二相热交换器242是以与垂面成某个角度（α）安装。首先，角度（α）被选择来保证热侧散热器244的腔室254中的工作流体260被推动以直接碰撞散热片250和TEC 248的热侧附近的腔室254的壁上的最大热通量区域268。更具体地说，角度（α）被选择使得当TEC 248活动时，腔室254中的工作流体水平位置270（即，腔室254中的工作流体260的水平位置）处于或稍微高于最大热通量区域268的顶部。因此，工作流体260被推动以直接碰撞整个最大热通量区域268，然后这又改善了二相热交换器242的效率。换句话来说，通过选择角度（α）使得工作流体水平位置270处于或高于最大热通量区域268的顶部，与工作流体260热接触的最大热通量区域268的表面面积增加，这然后又实现从TEC 248的热侧到工作流体260的更有效热量传递。通过比较，如果二相热交换器242垂直安装，那么对于相同量的工作流体，腔室254中的工作流体水平位置270将完全下降到最大热通量区域268的顶部以下，这然后又降低与工作流体260热接触的最大热通量区域268的表面面积，且因此降低从TEC248的热侧到工作流体260的更有效热量传递。
选择角度（α）使得工作流体水平位置270处于或高于最大热通量区域268的顶部还使凝固的工作流体的流动与蒸发的工作流体的流动分离。更具体地说，如展示，凝固的工作流体的液滴通过入口端256进入热侧散热器244的腔室254。由于二相热交换器242安装的角度（α），凝固的工作流体的液滴由重力汲取使得其通过入口端256的下半部分进入且然后顺着散热片250和TEC 248附近的腔室254的壁流动。相比之下，蒸发的工作流体经由浮力且通过入口端256的上半部分向上流动。以此方式，分离凝固的工作流体的流动与蒸发的工作流体的流动。
此外，角度（α）还被选择来保证冷侧散热器246的腔室262中的蒸发的工作流体被推动以直接碰撞散热片252和TEC 248的冷侧附近的腔室262的壁上的最大热通量区域272。更具体地说，由于角度（α），重力使得凝固的工作流体的液滴从散热片252和TEC 248附近的腔室262的壁的表面下降到腔室262的相对壁。液滴然后流过入口端264的下半部分且流到入口管道266中。相反地，蒸发的工作流体通过入口端264的上半部分进入腔室262且向上流到最大热通量区域272。因为凝固的工作流体的液滴从腔室262的壁的表面下降，所以使得蒸发的工作流体能够直接碰撞在最大热通量区域272上面，这然后又改善了TEC 248的冷侧到蒸发的工作流体的热量传递的效率。
角度（α）的最优值取决于各种参数，包括二相热交换器242的几何形状（例如，二相热交换器242的高度与宽度比例）、TEC 248在二相热交换器242内的位置、散热片250和252的结构、入口端258和264以及入口管道258和266的位置和定向，和存在于二相热交换器242中的任何延伸表面区域特征的几何形状。二相热交换器242的每个特定实施方式将具有其自身的角度（α）的最优值。在一个实施方案中，角度（α）是在2度与88度且包括2度和88度的范围中。在另一实施方案中，角度（α）是在6度与84度且包括6度和84度的范围中。在另一实施方案中，角度（α）是在12度与78度且包括12度和78度的范围中。
图35展示图34的二相热交换器242的一个特定实例。在这个实例中，二相热交换器242的高度是75毫米（mm）且热侧散热器244与冷侧散热器246之间的空间是10 mm。在这个实例中，角度（α）的最优值是29度。注意，这个实例还展示螺纹端口274和276以及间隔件275，螺栓278可通过螺纹端口274和276以及间隔件275螺合以物理地附接热侧散热器244和冷侧散热器246。此外，如下文讨论，螺栓278可以用来以这种方式将二相热交换器242安装到热电系统以维持相对于垂面的所需角度（α）。
TEC（诸如TEC 248）可易受由于在模块总成的导电支脚上形成蒸汽凝固物而引起的性能降级和损坏的影响。由于这个原因，TEC通常绕TEC的周长装填密封材料。这样的装填引入TEC的热短路，这降低TEC的性能和效率。图36A展示提供隔离和保护以免在TEC 248上形成蒸汽凝固物的二相热交换器242的一个实施方案，这然后又改善了二相热交换器242的热量抽送能力和效率，同时简化制造和降低成本。注意，图36A的概念不限于搭配二相热交换器242使用。实情是，图36A的概念可适用于任何热电热交换器。
如图36A中展示，二相热交换器242封装在合适的防水基质280中，诸如（例如）发泡绝缘基质。在这个实施方案中，二相热交换器242被封装使得二相热交换器242在防水基质280内维持在角度(α)。此外，在这个实施方案中，TEC 248周围形成空气或类似低导电率气体或真空的小凹穴282。防水基质280消除装填TEC 248的需要以最小化来自蒸汽凝固物的氧化和损坏。特定地说，由防水基质280提供的隔离消除在TEC 248上形成蒸汽凝固物，且因此消除装填TEC 248的需要，且允许以最小的热泄漏返回实现最大的性能。
图36B展示其中二相热交换器242封装在防水基质280中使得相对于封装结构所述二相热交换器242垂直的实施方案。在这个实施方案中，二相热交换器242是使用提供关于垂面成所需角度(α)的对应附接结构284来安装。附接结构284优选地热绝缘（例如，由热绝缘塑料材料制成）。
图37A展示根据本公开内容的一个实施方案的安装到热电系统的壁285（热电制冷系统的内壁）的图36A的封装二相热交换器242。封装二相热交换器242可使用任何合适的机构安装到壁285。例如，螺栓278可以从封装二相热交换器242延伸且进入到壁285或壁285上的附接板中。然而，此外，还可使用用于将封装二相热交换器242附接到壁285的任何合适的机构。
图37B展示图36B的封装二相热交换器242的实施方案，其中封装二相热交换器242以维持与垂面所成的角度(α)的这种方式安装到热电系统的壁285（例如，热电制冷系统的内壁）。如展示，封装二相热交换器242经由维持封装二相热交换器242的相对定向的附接结构284安装到热电系统（即，附接结构284维持相对于垂面所成的角度(α)）。在一个实施方案中，附接结构284是由诸如（例如）热绝缘塑料材料的合适材料形成的隔热附接结构284。附接结构284可以与封装二相热交换器242分离或集成到封装二相热交换器242中。例如，在一个实施方案中，封装二相热交换器242被拴住到附接结构284，其中附接结构284附接到热电系统的适当的壁或集成到热电系统的适当的壁中。作为另一实例，附接结构284可以附接到封装二相热交换器242且至少部分由防水基质280封装。附接结构284然后被拴住或以其它方式附接到热电系统的壁285使得维持相对于垂面所成的所需角度(α)。
图38是根据本公开内容的一个实施方案的控制器106的方框图。所述讨论同样适用于控制器212。在这个实施方案中，控制器106包括硬件处理器286和与硬件处理器286相关的存储器288。在一个实施方案中，存储器288存储允许硬件处理器286执行上文根据本公开内容的各个实施方案提及的操作的指令。
应注意，虽然热电制冷系统100和184已参考冷却所述冷却腔室102和196加以描述，但是热电制冷系统100和184还可以用于热量恢复/发电，其中TEC 120的操作颠倒使得TEC 120被提供热量以通过TEC 120产生电流，而不是从接受回路114、202和204内的冷却介质获得热量。更具体地说，参考热电制冷系统100和184公开的TEC系统可完全颠倒如由珀尔帖效应和塞贝克过程定义的热力学过程，使得上述热电制冷系统100和184可以用于热量恢复/发电应用。此外，应注意，虽然上文讨论的过程已参考热电制冷系统100加以描述，但是所述过程还可以搭配热电制冷系统184使用。因此，上文关于图17至图19详述的方法可以搭配热电制冷系统184使用。
本领域一般技术人员将认识到对本公开内容的优选实施方案的改善和修改。所有这些改善和修改被视为在本文公开的概念和以下权利要求的范围内。
Claims (21)
1.一种二相热交换器，其包括：
热侧散热器；
冷侧散热器；和
一个或多个热电模块，其布置在所述热侧散热器与所述冷侧散热器之间使得所述一个或多个热电模块的热侧热连接到所述热侧散热器且所述一个或多个热电模块的冷侧热连接到所述冷侧散热器；
其中所述二相热交换器被配置来以与垂面成某个角度安装。
2.根据权利要求1所述的二相热交换器，其中所述二相热交换器是以与垂面成所述角度安装在热电系统中。
3.根据权利要求1所述的二相热交换器，其中所述角度是在与垂面成2度至88度且包括与垂面成2度至88度的范围中。
4.根据权利要求1所述的二相热交换器，其中所述角度是在与垂面成6度至84度且包括与垂面成6度至84度的范围中。
5.根据权利要求1所述的二相热交换器，其中所述角度是在与垂面成12度至78度且包括与垂面成12度至78度的范围中。
6. 根据权利要求1所述的二相热交换器，其中：
所述热侧散热器包括腔室和所述热侧散热器的所述腔室内的工作流体；且
所述角度使得所述热侧散热器内的所述工作流体的水平位置至少在所述一个或多个热电模块的所述热侧附近的所述腔室的壁的最大热通量区域的顶部处。
7.根据权利要求6所述的二相热交换器，其中所述热侧散热器的所述腔室中的工作流体的量使得如果所述二相热交换器是垂直安装，那么所述工作流体的所述水平位置将不会在所述最大热通量区域的所述顶部处或高于所述顶部。
8. 根据权利要求7所述的二相热交换器，其中所述热侧散热器还包括：
所述热侧散热器的所述腔室的入口端；和
入口管道，其连接到所述热侧散热器的所述入口端；
其中所述热侧散热器的所述入口端和入口管道被配置使得由于与所述二相热交换器的垂面所成的所述角度，当所述一个或多个热电模块活动时，使蒸发的工作流体通过所述入口端离开所述腔室且进入所述入口管道中的流动路径实质上与使凝固的工作流体通过所述入口端从所述入口管道进入到所述腔室中的流动路径分离。
9. 根据权利要求8所述的二相热交换器，其中：
所述冷侧散热器包括腔室和所述冷侧散热器的所述腔室内的工作流体；且
所述角度使得流入所述冷侧散热器的所述腔室中的蒸发的工作流体直接碰撞在所述一个或多个热电模块的所述冷侧附近的所述冷侧散热器的所述腔室的壁的最大热通量区域上。
10.根据权利要求9所述的二相热交换器，其中所述角度使得流入所述冷侧散热器的所述腔室中的蒸发的工作流体直接碰撞在所述一个或多个热电模块的所述冷侧附近的所述冷侧散热器的所述腔室的所述壁的整个最大热通量区域上。
11. 根据权利要求9所述的二相热交换器，其中所述热侧散热器还包括：
所述冷侧散热器的所述腔室的入口端；和
入口管道，其连接到所述冷侧散热器的所述入口端；
其中所述冷侧散热器的所述入口端和入口管道被配置使得由于与所述二相热交换器的垂面所成的所述角度，当所述一个或多个热电模块活动时，使蒸发的工作流体通过所述入口端从所述入口管道进入所述腔室中的流动路径实质上与使凝固的工作流体通过所述入口端离开所述腔室而到所述入口管道的流动路径分离。
12. 根据权利要求1所述的二相热交换器，其中：
所述冷侧散热器包括腔室和所述冷侧散热器的所述腔室内的工作流体；且
所述角度使得流入所述冷侧散热器的所述腔室中的蒸发的工作流体直接碰撞在所述一个或多个热电模块的所述冷侧附近的所述冷侧散热器的所述腔室的壁的最大热通量区域上。
13.根据权利要求12所述的二相热交换器，其中所述角度使得流入所述冷侧散热器的所述腔室中的蒸发的工作流体直接碰撞在所述一个或多个热电模块的所述冷侧附近的所述冷侧散热器的所述腔室的所述壁的整个最大热通量区域上。
14. 根据权利要求12所述的二相热交换器，其中所述冷侧散热器还包括：
所述冷侧散热器的所述腔室的入口端；和
入口管道，其连接到所述冷侧散热器的所述入口端；
其中所述冷侧散热器的所述入口端和入口管道被配置使得由于与所述二相热交换器的垂面所成的所述角度，当所述一个或多个热电模块活动时，使蒸发的工作流体从所述入口端进入所述腔室中且通过所述入口端的流动路径实质上与使凝固的工作流体通过所述入口端离开所述腔室而到所述入口管道的流动路径分离。
15.根据权利要求1所述的二相热交换器，其中所述二相热交换器被防水基质封装。
16.根据权利要求15所述的二相热交换器，其中凹穴形成在所述一个或多个热电模块周围的所述防水基质内。
17.根据权利要求16所述的二相热交换器，其中所述凹穴填充有由以下各项所组成的群组中的一个：空气、低导电率气体和真空。
18.一种热交换器，其包括：
热侧散热器；
冷侧散热器；和
一个或多个热电模块，其布置在所述热侧散热器与所述冷侧散热器之间使得所述一个或多个热电模块的热侧热连接到所述热侧散热器且所述一个或多个热电模块的冷侧热连接到所述冷侧散热器；和
防水基质，其封装所述热侧散热器、所述冷侧散热器和所述一个或多个热电模块。
19.根据权利要求18所述的热交换器，其中凹穴形成在所述一个或多个热电模块周围的所述防水基质内。
20.根据权利要求19所述的热交换器，其中所述凹穴填充有由以下各项所组成的群组中的一个：空气、低导电率气体和真空。
21.根据权利要求18所述的热交换器，其中所述防水基质是发泡。
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