CZ20002131A3 - Termoelektrické chlazení s dynamickým přepínáním k izolaci mechanismů přenosu tepla - Google Patents

Description

TERMOELEKTRICKÉ CHLAZENÍ S DYNAMICKÝM PŘEPÍNÁNÍM K IZOLACI MECHANISMŮ PŘENOSU TEPLA

Oblast techniky

Vynález se obecně týká chladících systémů. Podrobněji je vynález zaměřen na systémy dosahující vysokou relativní účinnost termoelektrického chlazení použitím pojetí a konfigurací selektivně spínané elektrické energie a selektivně spínaných systémů tepelných spojů.

Dosavadní stav techniky

Chlazení pod teplotu okolí se běžně provádí chladícími cykly založenými na kompresi plynných/kapalných výparů s použitím freonových chladiv k přenosu tepla. Takové chladící systémy se hojně používají ke chlazení lidských obydlí, jídla a vozidel. Chlazení pod teplotu okolí se také často používá u hlavních elektronických systémů jako jsou sálové počítače. Ačkoli chlazení kompresí výparů může být velice účinné, vyžaduje značný pohyblivý hardware, minimálně včetně kompresoru, kondenzátoru, výparníku a příslušného rozvodného vedení chladivá. Kvůli složitosti a s ní spojeným vysokým nákladům, se chlazení kompresí výparů hromadně neujalo v malých chladících aplikacích, například u osobních počítačů.

Skutečnost, že může CMOS logika pracovat podstatně rychleji s klesající teplotou je dobře známa alespoň deset let. Pokud jsou například zařízení CMOS logiky provozována • · • ·

9·· při -50° C, výkon se zlepší o 50 procent oproti provozu při okolní pokojové teplotě. Provozní teploty u kapalného dusíku, v rozsahu -196° C, ukázaly 200 procentní zlepšení výkonu. Podobné výhody nastávají u spojů integrovaných obvodů, kde odpory kovových spojů klesají s činitelem 2 pro integrované obvody provozované při -50° C v porovnání s provozem při okolní pokojové teplotě. Toto vylepšení soupeří s moderním technologickým objevem používání měděných spojů v integrovaných obvodech ke snížení odporu propojení a tím účinnému zvýšení dosažitelných provozních kmitočtů. Provoz logických zařízení integrovaných obvodů na nižší teplotě než je teplota okolí, jako jsou tranzistory řízené polem, a také propojení může značně zlepšit výkonnost integrovaných obvodů, přičemž otázka způsobu dosažení rakového chlazení je určena omezením neustále se zmenšujících velikostí a značně klesajících nákladů.

Termoelektrické chlazení je jedna alternativa, která našla využití dané malou velikostí běžně používaných Peltierových zařízení. Termoelektrické chlazení Peltierovým zařízením je také velice spolehlivé tím, že chlazení je úplně pevný stav. Hlavní zápornou stránkou termoelektrického chlazení je neúčinnost, kdy je účinnost chladícího systému s Peltierovým zařízením běžně pouze v rozmezí 20 procent pro relativní nominální pokles teploty mezi jímkou chladu a okolím. Například k chlazení rychlostí jednoho wattu na teplotu nižší než okolní 0° C musí být Peltiérův chladící systém napájen 5 watty. S narůstajícím množstvím přenášeného tepla celkový výkon, který se má rozptýlit do okolí, vynucuje velká konvekční zařízení a napájecí obvody s velkým výstupním výkonem. Proto nebylo termoelektrické chlazení Peltiérovým zařízením považováno za běžně použitelnou technologii ke zlepšení výkonu integrovaných obvodů.

• ·

Podstata vynálezu

K porozumění toho, jak tento vynález zlepšuje účinnost termoelektrického chlazení je nutné pochopit, proč je termoelektrické chlazení Peltiérovým zařízením neúčinné. Peltiérovo zařízení je vyrobeno z polovodičového materiálu jako je vizmut telurid nebo olovo telurid. Přestože jsou nyní na různých univerzitách zkoušeny nové materiály, ještě se nedají běžně používat. Běžně používané Peltierovy materiály vykazují velmi vysokou elektrickou vodivost a relativně nízkou tepelnou vodivost, oproti normálním kovům, které mají jak elektrickou, tak tepelnou vodivost. V provozu Peltiérovo zařízení přenáší elektrony z jímky chladu o teplotě Tchiad do jímky tepla o teplotě T_tepi, odezvou na elektrické pole vytvořené na Peltiérově zařízení. Existují však další mechanismy, které ovlivňují účinnost Peltiérova zařízení, přičemž tyto mechanismy degradují čistý přenos tepelné energie z jímky chladu do jímky tepla.

Obr. 1 schématicky znázorňuje běžný termoelektrický člen 1^ Peltiérova typu (TE) se SS napájením 2, které vytvořilo elektrické pole na TE jL při zatěžovacím proudu 3. Požadovaný přenos tepla je z jímky £ chladu, při teplotě Tchiad do jímky 6 tepla s teplotou T_tepi · Jak ukazuje rovnice na obr. 1, je čistá přenesená tepelná energie tvořena třemi členy, přičemž první představuje příspěvek Peltierova efektu (termoelektrický), druhý definuje záporný efekt Jouleova tepla a třetí definuje záporný efekt vodivosti. Termoelektrická komponenta je funkcí Seebeckova koeficientu a, provozní teploty (T_chi_ad) a přivedeného proudu. Komponenta Jouleova ohřevu zohledňuje, že zhruba polovina Jouleova • · 'β · • »

ohřevu přechází do jímky chladu a zbytek do jímky tepla. Nakonec záporná komponenta odpovídající tepelné vodivosti představuje tok tepla Peltiérovým zařízením, jak je definováno tepelnou vodivostí Peltierova zařízení, z jímky tepla do jímky chladu. Viz rovnice (1) .

(1) q = a T_chi_ad I - ^I²R - KÁT

Protože termoelektrická komponenta přenosu tepla roste přímo úměrně proudu, zatímco Jouleův ohřev roste úměrně čtverci proudu a tepelná vodivost je přímo úměrná rozdílu teplot jímky tepla a jímky chladu, rovnice jasně zohledňuje, jak rychle se Peltiérovo zařízení stává neúčinné.

Rovnice (2) definuje koeficient účinnosti Peltiérova zařízení. Koeficient je poměr čisté tepelné energie přenesené při nízké teplotě k energii spotřebované v Peltierově zařízení. Pro typické Peltierovo zažízení z vizmut teluridového materiálu je koeficient účinnosti nižší než 0,3.

(2) a-T^I-y^R-KAT I² R + α.Ι.ΔΤ

Povšimněte si, že čitatel z rovnice (2) představuje čistou chladící schopnost Peltiérova zařízení. Jmenovatel z rovnice (2) představuje celkovou energii přivedenou vnějším napájecím zdrojem 2. Jednotlivé členy čitatele byly popsány dříve. První člen ve jmenovateli je celkové Jouleovo teplo, druhý člen je práce přenosu tepelné energie vykonaná Peltierovým zařízením při přesunu energie z tepelné jímky Tchiad do tepelné jímky T_tepi· Na základě tohoto vztahu je maximální možný koeficient výkonnosti v konfiguraci na ·· · · 9 9 obr. 1 dán rovnicí (3).

• tepl (3) úmax ^L chlad

AT • chlad • ♦ · 9 • 9 9 9 • · 9 9 • ·9 9

9 9 9

Parametr γ lze vyjádřit na základě Seebeckova koeficientu a, elektrické vodivosti σ a tepelné vodivosti λ jak je uvedeno v rovnici (4).

(4) / = 1 + -^- ^T’^eP‘ ^+TM°^d = 1 + ^-^7 = 1 + Z7

RK 2 λ

Povšimněte si, že první činitel v rovnici (3) je Carnotova účinnost, což je maximální možná účinnost pro jakékoli tepelné čerpadlo pracující mezi dvěma tepelnými jímkami T_chi_ad a T_tepi· Druhý činitel představuje neideální termoelektrické chlazení, které se také může vyznačovat účinností ZT.

Povšimněte si, že 7_inax -»(T_cMad /AT) pokud γ -> co

Dodnes bylo velice obtížné vyvinout termoelektrický materiál, který vykazuje vysoké hodnoty ZT. Běžné materiály pro termoelektrické chladiče byly vizmut telurid (BÍ2Te₃) a olovo tellur (PbTe). Tyto materiály mají hodnoty ZT přibližně 0,3 při pokojové teplotě. Nedávná práce na univerzitách ukázala, že hodnoty ZT dosahující 1 jsou možné v olovo tellurových kvantových tryskách a násobných mřížkách. I s těmito materiály však není termoelektrické chlazení konkurenceschopné s mechanickými výparnými kompresními chladícími systémy.

Jiné omezení chlazení pomocí Peltierova zařízení je • · · · ftft · • · · · · · omezená dosažitelná odchylka teploty po teplotu okolí. Toto omezení má za následek skutečnost, že teplotní rozmezí je vázáno účinností, parametrem, který klesá rychle s rostoucím teplotním diferenciálem. Maximální možný teplotní diferenciál T_max je dán rovnicí (5) .

(5) Δ7ζ_Μ = —ZT_cUai

Pro vizmut telurid, který má ZT přibližně 0,3 je T_max 45°K při 300°K.

Existuje tudíž mnoho velice základních omezení účinnosti a diferenciální teploty, která omezují použití běžných termoelektrických členů pro aplikace chlazení pod okolní teplotu.

Tento vynález překonává základní omezení běžného chlazení termoelektrickými členy použitím dynamické modulace elektrického napájení a tepelně vodivých cest spojujících termoelektrický člen s napájením energií a jímku chladu, v uvedeném pořadí.

V jedné formě se vynález týká termoelektrického chladícího zařízení podle nároku 1.

V další formě se vynález týká způsobu práce termoelektrického chladícího zařízení podle nároku 16.

V podrobné formě vynálezu, jsou doplňující termoelektrické členy příměsového typu spojeny elektricky do série a napájeny pulzy spínaného napětí. Termoelektrické členy jsou tepelně připojeny k jednotlivým elektricky • · • · · · t <9 « 4 » · * I izolovaným jímkám tepla na jedné straně a tepelně připojeny ze společného spojení svých příslušných chladných stran k tepelnému přepínači, který selektivně zakládá tepelnou cestu k jímce chladu. Selektivní ale synchronizovaná činnost elektrického spínače a tepelného spínače zajišťuje přenos tepelné energie, z jímky chladu, tepelným spínačem a dvojicí termoelektrických členů do příslušných jímek tepla s účinností překračující statický režim provozu takovýchto termoelektrických členů. Použití přechodových jevů umožňuje relativní izolaci mechanismu přenosu termoelektrického tepla od mechanismu kondukce tepla a Jouleova tepla. Očekává se, že účinnost výkonu dosáhne Carnotovy účinnosti.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 schematicky znázorňuje běžný staticky pracující chladící systém s Peltierovým zařízením.

obr. 2 schematicky znázorňuje provedení vynálezu s jedním vypínačem, jedním termoelektrickým členem.

obr. 3 schematicky znázorňuje provedení s jedním tepelným spínačem, dvojitým termoelektrickým členem podle vynálezu.

obr. 4 schématicky znázorňuje relativní časové průběhy elektrického napájení a přenosy tepelné energie *» φ φ φ podle provedení na obr. 3.

obr. 5 schematicky znázorňuje implementaci s uzavřenou smyčkou konfigurace s jedním tepelným snímačem na obr. 3.

obr. 6 schematicky znázorňuje zařízení mikroelektromechanického systému (MEMS).

obr. 7 znázorňuje schematickým průřezem pole MEMS zařízení a termoelektrické členy Peltierova typu.

obr. 8 schematicky znázorňuje termoelektrický chladič, jak jej lze použít v integrovaných obvodech a v elektronických modulech ke chlazení pod teplotu okolí.

obr. 9 schematicky znázorňuje pokročilé použití vynálezu v chladícím systému potravin.

obr. 10 schematicky znázorňuje potenciální využití a výhody vynálezu při použití v různých lidských obydlích a přenosových médiích.

obr. 11 schematicky znázorňuje použití malého termoelektrického chladiče k lokálnímu chlazení vybrané části čipu s integrovaným obvodem.

Příklady provedeni vynálezu

Základy pojmů tohoto vynálezu obsahují oddělení • · · · 4 4 · • · ··· 4 4 » « • · · 444 4# 4 • 44 4 4 44 4 ·· 44 44 44 závislosti mezi tepelnou vodivostí a elektrickou vodivostí, závislosti, která dosud omezovala teplotní diferenciál a účinnost běžných přenosů tepla termoelektrického členu. Matematicky je cílem účinně izolovat členy přispívající ke vztahu čistého přenosu tepla uvedeného na obr. 1 použitím termoelektrických spínačů k dynamické maximalizaci přenosu termoelektrického tepla při minimalizaci Jouleova ohřevu a kondukčního přenosu tepla. Přechodové jevy termoelektrického členu se používají ke zvyšování účinnosti synchronizací pulzního napětí aplikovaného na termoelektrický člen a spínané spojení tepelné vodivosti mezi chladnou stranou tepelného elektrického členu a jímkou chladu. V upřednostňované implementaci je spínání tepelné vodivosti dosaženo s použitím tepelných spínačů mikroelektronických systémů (MEMS), kde se používají pole více miniaturních termoelektrických členů a souvisejících spínačů tepelných vodičů MEMS ke zvýšení kapacity přenosu tepla.

Obr. 2 schématicky znázorňuje minimální konfiguraci členů podle vynálezu. Termoelektrický člen 1 je trvale připojen k jímce 6 tepla tepelnou cestou, která má přenos tepla q. Opačný konec termoelektrického členu £, z pohledu přivedení napětí a vznikajících přenosů tepla, je tepelně spojen teplotním spínačem ]_ s jímkou £ chladu. Jak je provedeno na obr. 2, spínač £ také přenáší elektrický proud a umožňuje přivedení napětí 2 na termoelektrický člen 1 jakmile je spínač £ zavřený. Na začátku cyklu je termoelektrický člen £ na T_tepi následkem tepelného spojení s jímkou 6 tepla. Po pulzním uzavření spínače £, termoelektrický člen £ rychle založí relativní teplotní diferenciál mezi teplým koncem 8 a chladným koncem £, přičemž teplotní diferenciál umožňuje přenos tepla z jímky £ chladu tepelným spínačem 7. Avšak s časem efekt Jouleova • 4

4* 44

4

4 4 4

- 10 • <· ohřevu v termoelektrickém členu _1 zvýší průměrnou teplotu termoelektrického členu takže čistý přenos tepla termoelektrickým členem jL začne klesat. V tomto bodě se otevře spínač ]_ a odpojí jak elektrické napájení, tak tepelné spojení. Zbytková tepelná energie v termoelektrickém členu 1_ v době odepnutí spínače zvýší dostatečně teplotu k zajištění exponenciálního útlumu přenosu tepla mezi a tepelnou jímkou 6. Jakmile členu 1 klesne na termoelektrickým členem 1^ teplota termoelektrického dosahující teplotu jímky teplotu opakuj e.

tepla, cyklus se

Přechodový charakter provozu je vázaný na skutečnost, že termoelektrický přenos tepla nastává okamžitě po přijetí relativního napětí, zatímco Jouleův přenos tepla a následná ztráta vodivosti termoelektrického členu jsou zpožděné efekty. Vynález se tudíž spoléhá na různá časová měřítka a časové konstanty elektrické a tepelné vodivosti.

Základní koncepce zlepšení účinnosti, jak bylo popsáno s odkazem na obr. 2, vykazuje některé méně výrazné, ale stále významné příspěvky neúčinnosti. Nejvýraznější jsou Jouleův ohřev ve spínači 7_ jakmile je spínač zavřen, ztráta tepelné vodivosti spínačem ]_ jakmile je spínač v otevřeném stavu a ztráta tepla kvůli tepelné kapacitě termoelektrického členu 1.

Podrobná analýza přechodových jevů předpokládá, že ztráta tepla kvůli tepelné kapacitě termoelektrického členu je přibližně rovna členu Fourierovy vodivosti. Tudíž výraz pro koeficient výkonnosti, popsaný výše jako rovnice 2, je podrobněji popsán rovnicí (6).

α,ΙΤ^-Ι^,-Κ,ΔΤ-ΚΔΤ

α./ΔΓ + ^ίΛ + Λ/) (6) • » ► · · ···· »· ·· ·· ·· • ♦ · · · · • · · · · 9> · ·

V rovnici (6) jsou členy R_s a K_s elektrický odpor ve stavu ZAPNUTO a tepelný odpor ve stavu VYPNUTO spínače.

Elektrický odpor ve stavu ZAPNUTO R_s spínače může být běžně zmenšena na úkor zvýšení tepelného odporu ve stavu

VYPNUTO K_s.

Jeden přístup zlepšení koeficientu účinnosti je ukázán na provedení na obr. 3, kde elektrický spínač je umístěn na jímce tepla rozumným umístěním a připojením termoelektrických členů typu n a typu p. Tím se omezí ohřev spojený s elektrickým spínačem jako příspěvek koeficientu účinnosti. Matematicky to umožňuje přepsat koeficient účinnosti podle rovnice (7).

(7) η₂ ~ ^α·^ΙΤchlad ~^K&^T

I² R + α.ΙΔΤ

Účinek je ten, že maximální koeficient výkonnosti je o něco vyšší, typicky o 20%, než koeficient spojený s implementací s jedním spínačem na obr. 2, který je matematicky popsán rovnicí (3). Viz. rovnice (8).

(8)

72max chlad 7__1

ΔΓ γ +1

Přestože zlepšení koeficientu výkonnosti není dramatické, rozdíl je zvláště významný pro aplikace místního chlazení. V tomto ohledu si povšimněte, že čistý chladící výkon termoelektrického chladiče jak je znázorněn čitatelem rovnice (9) udává, že maximální teplota je vlastně neomezená.

• ♦ • · · · (9)

Proto lze značně zvýšit maximální teplotní diferenciál zvýšením proudu a v souvislosti s ním přizpůsobení praktičnosti termoelektrického chlazení pro malé senzory a specializované obvody na silikonovém čipu. Takové aplikace lokalizovaného nebo místního chlazení jsou zvláště užitečné v napětím řízených oscilátorech, fázových detektorech, směšovacích, nízkošumových zesilovačích, fotodiodách a optoelektronických obvodech materiálů. Teoreticky je možné alespoň místní chlazení na kryogenní teplotu v omezených aplikacích. Použití více termoelektrických členů příměsových typů a odděleného elektrického spínače umožňuje významný potenciál co se týče účinnosti a rozmezí teplot.

laserech, z různých

Provedení a obr. 3 zavádí více souvisejících vylepšení. Za prvé je použito více termoelektrických členů. Za druhé, je časování elektrické energie přiváděné na termoelektrické členy odděleno od časování spojení tepelného spínače chladného konce termoelektrických členů s jímku chladu. Nakonec spínač spojující chladný konec termoelektrických členů s jímkou chladu je pouze tepelný spínač, což omezuje jakékoli požadavky na elektrickou vodivost a Jouleovy ztráty spojené s průtokem proudu spínačem. Provedení na obr. 3 využívá dvou termoelektrických členů, termoelektrického členu 11 příměsového typu n a termoelektrického členu 12 příměsového typu p. Tato konfigurace umožňuje sdílené použití jednoho zdroje 13 napětí, což je umožněno elektrickým spínačem 14, zatímco chladné konce 16 a 17 příslušných termoelektrických členů 11 a 12 jsou tepelně připojeny tepelným spínačem 18 k jímce 4 chladu. Teplé konce • · ·· ♦· » · 9 4 » 99 4 ► · · 4 » 9 9 β • 4 99 ·· ·· ► · 9 ► 9 9 99 a 21 příslušných termoelektrických členů 11 a 12 jsou tepelně a elektricky připojeny k příslušným jímkám 22 a 23 tepla, přičemž jímky tepla jsou elektricky oddělené k účinnému využití sdíleného zdroje 13 napětí.

Ačkoli provoz provedení se dvěma termoelektrickými členy na obr. 3 je analogické s provedením s jedním termoelektrickým členem na obr. 2, izolace tepelného vypínače a elektrického vypínače nabízí větší flexibilitu v definování příslušných pracovních cyklů a synchronizace spínání. Ačkoli elektrický spínač 14 a tepelný spínač 18 budou oba pracovat s velice krátkými pracovními cykly a vykazovat vůči sobě relativně synchronní práci, časování cyklů uzavírání a otevírání se bude pravděpodobně lišit podle vlastností přechodových jevů termoelektrických členů a spojení tepelných cest s jímkami tepla a chladu. Například zlepšené tepelné spojení by znamenalo, že elektrický spínač 14 se zavře první, tepelný spínač 18 se zavře těsně poté, elektrický spínač 14 se otevře o něco později a tepelný spínač 18 se otevře o něco později po otevření elektrického spínače 14 . Základní cíl spínání je maximalizace účinnosti přenosu tepla z jímky 4_ chladu do jímek 23 a 24 tepla.

Obr. 4 schematicky znázorňuje pomocí grafů přenos napětí a tepelné energie spojené s provozem provedení z obr. 3. První graf ukazuje pulzní povahu napětí přivedeného na termoelektrické členy. Druhý graf znázorňuje tepelný přechodový jev a s ním spojený úbytek tepelné energie rozptylované v jímce tepla. Poslední graf znázorňuje absorpci tepelné energie z jímky chladu tepelným spínačem. Grafy na obr. 4 jsou schematické tím, že jsou určeny ke znázornění obecných principů spíše nežli k zobrazení konkrétních velikostí v čase.

• φ

99*9 · 9 9 9 znázorňuje na obr. 3, kde tepelného spínače ·· 99 • 9 9 »99 9 9 « ► 9 9 «

99 ♦· 99 • 9 9 4

9 9 «

9 9 « • 9 9 «

99

Obr. 5 schematicky upřednostňovaného provedení elektrického spínače 14 a rozsireni povolení 18 jsou použitím vlastností prováděna odezvou na vstupy ze snímače 24 teploty. Snímač 24 teploty zajišťuje vstup do synchronizačního řídícího členu 26 k ovládání spínačů 14 a 18 odezvou na skutečné teploty na teplém, chladném nebo obou koncích termoelektrických členů. Ačkoli vlastnosti synchronismu a pracovních cyklů spínačů 14 a 18 zůstávají relativně podobné vlastnostem u provedení na obr. 3, použití snímané teploty optimalizuje účinnost skutečných a nikoli očekávaných tepelných k ovládání spínačů 14 obr. 5 umožňuje úpravu časování takových účinků, jako je větší teplota jímky tepla nebo nižší teplota jímky chladu v souvislosti se stejným chladícím zařízením.

a 18 . Implementace na spínače ke kompenzaci

Obr. 6 schematicky znázorňuje strukturu typického tepelného spínače mikroelektromechanických systémů (MEMS) typu zejména vhodného pro tento vynález. Protože technologie MEMS je stále ještě v počátcích, spínač znázorněný na obr. 6 pouze znázorňuje jednu z mnoha potenciálních konfigurací tepelného spínače vhodnou k zajištění selektivního tepelného spojení mezi termoelektrickým členem a jímkou chladu. Tepelný spínač ukázaný na obr. 6 je vyroben pomocí běžných technik integrovaných obvodů tak, aby vytvořil na povrchu křemíkového čipu 27 pole niklových magnetů 28 podrobitelné nepatrnému posunutí pohybem po tenkých pružných membránách 29. Přivedení elektrického proudu do závitové cívky 29 vytvoří sílu přiměřenou k přemístění magnetického pole ve směru kolmém na rovinu křemíkového čipu. Spínač MEMS na obr. 6 by měl mít relativně nízkou tepelnou vodivost ·· 99 » · · » · Φ « » 9 9 I > · Φ · «« «Φ

- 15 • ΦΦΦ ·φ · φ *9 Φ· » · Φ * ΦΦΦΦ • · Φ « ► Φ Φ · •9 «φ pokud je otevřen, ale relativně vysokou tepelnou vodivost pokud je zavřen puzením. Pokud má zařízení MEMS z obr. 6 dosáhnout vylepšení jak elektrického tak tepelného spínání, budou pravděpodobně nutné úpravy ke snížení odporu v zapnutém stavu spínače.

MEMS zařízení k spojení mezi typu a jímkou jsou elektricky

Obr. 7 znázorňuje použití pole selektivnímu založení tepelných termoelektrickými zařízeními Peltierova chladu. Peltierova zařízení 32 a 33 propojeny měděným vodičem 34 k replikaci funkcí spojených s popisem na obr. 3. Očekává se, že odstup mezi měděnou vrstvou 34 a magnetickými poli 28 MEMS spínačů 36 a 37 bude v nominálním rozmezí poloviny mikronu. Očekává se, že tento rozměr umožní, aby elektrická cívka 31 nominální velikosti (obr. 6) zahájila puzení struktur spínačů. Protože se očekává, že cyklování spínače bude nastávat v řádech sekund, spolehlivost spojená s kilohertzovým kmitočtem spínání MEMS zařízení by neměla být problém.

Tepelný spínač typu MEMS popsaný s odkazem na obr. 6 a 7 je pouze jedna z mnoha potenciálních konfigurací tepelného spínače. Například se zcela předpokládá, že k dosažení podobných cílů lze použít elektrostatiké síly generované v kapacitních spínacích strukturách. Základní cíl pro všechny spínače je maximalizace extrémů tepelné vodivosti pro polohy spínače tak, aby jakmile se spínač uzavře, tepelná cesta mezi termoelektrickým členem a jímkou chladu měla maximální tepelnou vodivost, zatímco u otevřeného spínače byla tepelná vodivost minimální dosažitelná.

Znázornění na obr. 7 ukazuje, že termoelektrický chladící systém podle tohoto vynálezu je přednostně tvořen • · • · · · více termoelektrickými členy a MEMS spínači s konfigurací v polích. Násobnost termoelektrických členů a spínačů zajišťuje, že lze dosáhnout přechodové charakteristiky, která základem je tohoto vynálezu, v rozměrech termoelektrického členu a materiálů spínače. Jinak řečeno, očekává se, že izolace termoelektrického přenosu tepla od komponent Jouleova tepla a kondukce se nejúčinněji dosáhne s termoelektrickými členy s relativně malou kapacitou, běžnými Peltierovými zařízeními, a malými tepelnými spínači typu MEMS.

tepelnou přiměřeně

Obr. 8 schematicky znázorňuje jedno použití termoelektrického chladiče podle tohoto vynálezu. V tomto případě je chladič umístěn mezi jímkou tepla rozptylující energii do okolního vzduchu a jímky chladu, která má k sobě připojené elektronické moduly a integrované obvody.

Obr. 9 schématicky znázorňuje použití termoelektrického chladiče ve formě s rozšířeným polem k účinnému a čistému provozu v potravinářské lednici. Vysoká účinnost a nedostatek hlavních pohyblivých částí vyznačujících tento vynález usnadňuje přechod termoelektrického chlazení z vysoce selektivních a omezených aplikací, jako jsou malé přenosné chladiče, na hlavní zařízení v podstatě v každé domácnosti.

Na obr. 10 jsou zobrazena ještě další použití, kde je základní pojetí tohoto vynálezu dále vylepšeno zvětšením velikosti kvůli pokrytí hlavních aplikací přenosů tepla včetně chlazení obydlí a kanceláří, dopravních potravinových systémů a chlazení osobních vozidel.

Obr. 11 schematicky znázorňuje použití někde na druhém konci spektra, kde jsou termoelektrické chladiče selektivně připojeny k částem čipu s integrovanými obvody pro účely selektivního chlazení těchto vybraných oblastí k ovládání parametrů integrovaného obvodu.

Tento vynález má velmi širokou použitelnost z části proto, že není omezen na konkrétní termoelektrické materiály ani elektronické konfigurace. Vynález využívá tepelnou dynamiku pulzně provozovaných termoelektrických členů v kombinaci s miniaturními tepelnými spínači k izolaci vlastností přenosu tepla a získání vyšší účinnosti chlazení.

Bude zřejmé, že zatímco provedení vynálezu popisují termoelektrický člen trvale připojený k jímce tepla, je v rozsahu vynálezu situace, kdy je termoelektrický člen připojen k jímce tepla spínačem podobné struktury jako je tepelný spínač 18.

Claims (16)

1. PATENTOVÉ NÁROKY « · · • · · · · · · · «

   18 ^— · · · · · * *··· ········ ·9 ·· ·· ··

   1. Termoelektrické chladící zařízení, obsahující: první tepelnou jímku (4) první nominální teploty; druhou tepelnou jímku (22,23) druhé nominální teploty, přičemž druhá teplota je relativně větší než první teplota; termoelektrický člen (11,12);

   druhé prostředky pro připojení termoelektrického členu ke druhé tepelné jímce; a prostředky (V) pro povolení termoelektrického členu;

   vyznačující se prvními prostředky (26) pro selektivní spínání tepelného spojení (18) termoelektrického členu s první tepelnou jímkou.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhé prostředky obsahují trvalé tepelné spojení mezi termoelektrickým členem a druhou tepelnou jímkou.
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že povolovací prostředky obsahují prostředky (14) pro selektivní spínání elektrického napětí na termoelektrickém členu.
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že druhá tepelná jímka je tvořena prvním (22) a druhým

   (23) elektricky odděleným oddílem. 5. Zařízení podle nároku 4, vyz načující s e tím, že první a druhý elektricky oddělené oddíly j sou připoj eny k napájení energií (V) prostředky (14) pro

   * · • · · · selektivní spínání elektrického napětí.
5. 6. Zařízení podle nároku 3 až 5, vyznačující se tím, že pracovní cyklus prostředků (14) pro selektivní spínání elektrického napětí je podobný pracovnímu cyklu prostředků (26) pro selektivní spínání tepelného spojení.
6. 7. Zařízení podle nároku 1 až 6, vyznačující se tím, že prostředky pro selektivní spínání tepelného spojení je zařízení mikroelektromechanického systému (MEMS).
7. 8. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje:

   třetí tepelnou jímku (23) druhé nominální teploty, přičemž třetí tepelná jímka je elektricky oddělená od druhé tepelné jímky (22);

   druhý termoelektrický člen (12) tepelně přípojný ke třetí jímce tepla;

   kde uvedené prostředky (26) pro selektivní spínání tepelného spojení (18) obsahují prostředky pro selektivní spínání tepelného spojení prvního a druhého termoelektrického členu s první tepelnou jímkou (4); a povolovací prostředky obsahují prostředky (14) pro selektivní spínání elektrického napětí (V) na prvním uvedeném a druhém termoelektrickém členu.
8. 9. Zařízení podle nároků 3 až 6 vyznačující se tím, že prostředky pro spínání tepelného spojení a prostředky pro spínání elektrického napětí, jsou přizpůsobeny pracovaly ve funkčním synchronismu.

   nebo 8, selektivní selektivní tomu, aby
9. 10. Zařízení podle nároku 8, vyznačující • 0 «000 tím, že první a druhý termoelektrický člen jsou Peltierova zařízení.
10. 11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že první a druhý termoelektrický člen jsou opačného příměsového typu.
11. 12. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že zařízení je provozuschopné v okolní teplotě, první prostředky tepelné jímky jsou přizpůsobeny k absorpci tepelné energie při teplotě pod teplotou okolí; prostředky druhé tepelné jímky jsou přizpůsobeny k rozptylování tepelné energie při teplotě nad teplotou okolí; termoelektrický člen je přizpůsoben k přenosu elektrické energie mezi nimi; prostředky pro selektivní spínání jsou přizpůsobeny ke spínání tepelné vodivosti spojení mezi prvním termoelektrickým členem a druhou tepelnou jímkou; a prostředky pro umožnění jsou přizpůsobeny k povolení termoelektrickému členu v relativně funkčním synchronismu s prostředky pro selektivní spínání tepelné vodivosti.
12. 13. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že pracovní cyklus prostředků pro povolení, je malý vzhledem k pracovnímu cyklu prostředků pro selektivní spínání.
13. 14. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že dále obsahuje druhý termoelektrický člen, přičemž první termoelektrický člen je připojen k prvnímu oddílu druhých prostředků tepelné jímky a druhý termoelektrický člen je připojen ke druhému oddílu druhého termoelektrického členu, a druhý termoelektrický člen je také připojen k prostředkům pro selektivní spínání tepelného spojení.

    ·» φ • φ • · · · · φ φ φ φφφφ · • · · φ φφ φφφ φφ φ φ φ φφφ* φφφ*
14. 15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že prostředky pro povolení jsou přizpůsobeny k selektivnímu spínání napájení energií připojeného na první a druhý oddíl první tepelné jímky.
15. 16. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že rozptyl tepelné energie je do okolí, absorpce tepelné energie je z jednoho ze skupiny potravinářských chladících systémů nebo chladícího systému vozidla nebo elektronického zařízení s integrovaným obvodem.
16. 17. Způsob provozu termoelektrického chladícího zařízení, které má první tepelnou jímku provozuschopnou na první nominální teplotě, druhou tepelnou jímku, provozuschopnou na druhé nominální teplotě relativně větší, než je první nominální teplota a termoelektrický člen připojený ke druhé tepelné jímce, obsahující kroky:

    přenosu tepelné energie z termoelektrického členu do druhé tepelné jímky spojením; a povolení termoelektrického členu; vyznačující se selektivním spínáním přenosu tepelné energie mezi termoelektrickým členem a první tepelnou jímkou.