JP2001526374A - 熱輸送機構を分離するための動的切り換えを有する熱電冷却 - Google Patents
熱輸送機構を分離するための動的切り換えを有する熱電冷却Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱電素子の動力学を、パルス化電力ならびに選択的に使用可能にされるコールド・シンクへの熱結合と共に使用する、周囲温度以下での冷却用の装置および方法を提供する。
【解決手段】 一形態では、ペルチエ装置が、電力のパルスを使用して動的に使用可能にされ、ペルチエ装置の低温側とコールド・シンクの間の熱経路がペルチエ装置の温度の動力学に応答して相対的に同期して伝導状態の間で選択的に切り換えられる。コールド・シンクとペルチエ装置の間の熱接続の結合が切り換えられるため、ジュール加熱損失と、普通ならペルチエ装置から運ばれる伝導熱伝達損失とを減結合することによって効率がかなり改善される。好ましい実施形態では、ＭＥＭＳを利用して、選択的な熱切り換えを達成し、これによって周囲温度以下の冷却容量が、複数のペルチエ装置およびＭＥＭＳスイッチの並列動作によって増大される。
Description
【０００１】
本発明は、全般的に、冷却システムに関する。より詳細には、本発明は、選択
的に切り換えられる電力ならびに選択的に切り換えられる熱結合の概念および構
成を適用することにより相対的に効率の高い熱電冷却を達成するシステムを対象
とする。
的に切り換えられる電力ならびに選択的に切り換えられる熱結合の概念および構
成を適用することにより相対的に効率の高い熱電冷却を達成するシステムを対象
とする。
【０００２】
周囲温度以下の（sub-ambient）冷却は、従来からフレオン・タイプの冷凍を 使用して熱伝達を実施する気体／液体蒸気圧縮に基づく冷凍サイクルによって実
施されている。このような冷凍システムは、住居、食品、車両を冷却するために
広範に使用されている。周囲温度以下の冷却は、メインフレーム・コンピュータ
などの主な電子システムでもしばしば使用されている。蒸気圧縮冷却は非常に効
率のよいものであるが、最低限、コンプレッサ、凝縮器、蒸発器、および関連す
る冷媒移送配管を含む、大きな移動ハードウェアを必要とする。複雑さおよび付
随する高いコストの結果、蒸気圧縮冷却は、小規模冷却用途、例えばパーソナル
・コンピュータでは実質的に受け入れられていなかった。
施されている。このような冷凍システムは、住居、食品、車両を冷却するために
広範に使用されている。周囲温度以下の冷却は、メインフレーム・コンピュータ
などの主な電子システムでもしばしば使用されている。蒸気圧縮冷却は非常に効
率のよいものであるが、最低限、コンプレッサ、凝縮器、蒸発器、および関連す
る冷媒移送配管を含む、大きな移動ハードウェアを必要とする。複雑さおよび付
随する高いコストの結果、蒸気圧縮冷却は、小規模冷却用途、例えばパーソナル
・コンピュータでは実質的に受け入れられていなかった。
【０００３】 ＣＭОＳ論理装置が、温度が低下するにつれてより高速に動作できることは、
少なくとも１０年前からよく知られている。例えば、ＣＭОＳ論理装置が−５０
℃で動作する場合、性能は、室温動作よりも５０パーセント改善される。−１９
６℃の範囲の液体窒素の動作温度では、２００パーセントの性能改善を示す。集
積回路の配線でも同様な利益が得られ、金属配線の抵抗が、−５０℃で動作する
集積回路では室温動作に比べて２分の１に減少する。この改善は、集積回路に銅
線を使用して相互接続抵抗を下げ、これによって、達成可能な動作周波数を効果
的に上げる、最新の技術的ブレークスルーに匹敵する。したがって、電界効果ト
ランジスタなどの集積回路論理装置や相互接続配線の周囲温度以下の動作は、集
積回路の性能を大幅に改善するが、たえず減少するサイズと大幅なコスト縮小の
環境という制約の中でこのような冷却をどのようにして達成するかという問題が
残っている。
少なくとも１０年前からよく知られている。例えば、ＣＭОＳ論理装置が−５０
℃で動作する場合、性能は、室温動作よりも５０パーセント改善される。−１９
６℃の範囲の液体窒素の動作温度では、２００パーセントの性能改善を示す。集
積回路の配線でも同様な利益が得られ、金属配線の抵抗が、−５０℃で動作する
集積回路では室温動作に比べて２分の１に減少する。この改善は、集積回路に銅
線を使用して相互接続抵抗を下げ、これによって、達成可能な動作周波数を効果
的に上げる、最新の技術的ブレークスルーに匹敵する。したがって、電界効果ト
ランジスタなどの集積回路論理装置や相互接続配線の周囲温度以下の動作は、集
積回路の性能を大幅に改善するが、たえず減少するサイズと大幅なコスト縮小の
環境という制約の中でこのような冷却をどのようにして達成するかという問題が
残っている。
【０００４】 熱電冷却は、広く使用されているペルチエ装置のコンパクトなサイズにより一
部で使用されている一代替方法である。ペルチエ装置による熱電冷却はまた冷却
が完全にソリッド・ステートであるので、極めて信頼性が高い。熱電冷却の主要
なマイナス面は、その非効率性にあり、ペルチエ装置冷却システムの効率は、コ
ールド・シンクと周囲の間の相対的公称温度低下に対し一般にわずか２０パーセ
ントの範囲にある。例えば、周囲温度以下の温度０℃で１ワットのレートで冷却
するには、ペルチエ冷却システムに５ワットの電力を供給しなければならない。
伝達すべき熱の量が増加するにつれて、周囲に放散される合計電力から、大規模
な対流装置と高出力の電源回路が必須となる。したがって、ペルチエ装置熱電冷
却は、集積回路の性能を改善するための広く適用可能な技術とは考えられていな
かった。
部で使用されている一代替方法である。ペルチエ装置による熱電冷却はまた冷却
が完全にソリッド・ステートであるので、極めて信頼性が高い。熱電冷却の主要
なマイナス面は、その非効率性にあり、ペルチエ装置冷却システムの効率は、コ
ールド・シンクと周囲の間の相対的公称温度低下に対し一般にわずか２０パーセ
ントの範囲にある。例えば、周囲温度以下の温度０℃で１ワットのレートで冷却
するには、ペルチエ冷却システムに５ワットの電力を供給しなければならない。
伝達すべき熱の量が増加するにつれて、周囲に放散される合計電力から、大規模
な対流装置と高出力の電源回路が必須となる。したがって、ペルチエ装置熱電冷
却は、集積回路の性能を改善するための広く適用可能な技術とは考えられていな
かった。
【０００５】 本発明がどのように熱電冷却の効率を改善するかを理解するには、ペルチエ装
置熱電冷却がなぜ非効率であるかを理解する必要がある。ペルチエ装置は、テル
ル化ビスマスやテルル化鉛などの半導体材料で製作される。新しい材料が、現在
様々な大学で評価されているが、まだ実を結んでいない。一般に使用されている
ペルチエ材料は、非常に高い電気伝導率と非常に高い熱伝導率を有する通常の金
属とは対照的に、非常に高い電気伝導率と比較的低い熱伝導率を示す。動作の際
に、ペルチエ装置は、ペルチエ装置の両端間に形成された電場に応答して、温度
Ｔcoldのコールド・シンクから温度Ｔhotのホット・シンクへ電子を移動する。 しかし、ペルチエ装置の効率に影響を及ぼす他の機構があり、この機構が、コー
ルド・シンクからホット・シンクへの熱エネルギの正味の移動を低下させる。
置熱電冷却がなぜ非効率であるかを理解する必要がある。ペルチエ装置は、テル
ル化ビスマスやテルル化鉛などの半導体材料で製作される。新しい材料が、現在
様々な大学で評価されているが、まだ実を結んでいない。一般に使用されている
ペルチエ材料は、非常に高い電気伝導率と非常に高い熱伝導率を有する通常の金
属とは対照的に、非常に高い電気伝導率と比較的低い熱伝導率を示す。動作の際
に、ペルチエ装置は、ペルチエ装置の両端間に形成された電場に応答して、温度
Ｔcoldのコールド・シンクから温度Ｔhotのホット・シンクへ電子を移動する。 しかし、ペルチエ装置の効率に影響を及ぼす他の機構があり、この機構が、コー
ルド・シンクからホット・シンクへの熱エネルギの正味の移動を低下させる。
【０００６】 図１は、従来のペルチエ型熱電素子（ＴＥ）１を負荷電流３でＴＥ１の両端間
に電場を生成した直流電源２と共に概略的に示す。所望の熱伝達は、温度Ｔcold のコールド・シンク４から、温度Ｔhotのホット・シンク６までである。図１の 式に示すように、輸送される正味の熱エネルギは、３つの成分で構成されており
、第１の成分は、ペルチエ効果の（熱電）寄与を表し、第２の成分は、マイナス
のジュール加熱効果を定義し、第３の成分は、マイナスの伝導効果を定義する。
熱電成分は、ゼーベック係数α、動作温度（Ｔcold）および印加される電流の関
数である。ジュール加熱成分は、ジュール加熱の約半分がコールド・シンクへ移
動し、残りの部分がホット・シンクへ移動することを反映する。最後に、熱伝導
に帰せられるマイナス成分は、ペルチエ装置の熱伝導率として定義される、ホッ
ト・シンクからコールド・シンクへのペルチエ装置中の熱の流れを表す。式（１
）を参照のこと。
に電場を生成した直流電源２と共に概略的に示す。所望の熱伝達は、温度Ｔcold のコールド・シンク４から、温度Ｔhotのホット・シンク６までである。図１の 式に示すように、輸送される正味の熱エネルギは、３つの成分で構成されており
、第１の成分は、ペルチエ効果の（熱電）寄与を表し、第２の成分は、マイナス
のジュール加熱効果を定義し、第３の成分は、マイナスの伝導効果を定義する。
熱電成分は、ゼーベック係数α、動作温度（Ｔcold）および印加される電流の関
数である。ジュール加熱成分は、ジュール加熱の約半分がコールド・シンクへ移
動し、残りの部分がホット・シンクへ移動することを反映する。最後に、熱伝導
に帰せられるマイナス成分は、ペルチエ装置の熱伝導率として定義される、ホッ
ト・シンクからコールド・シンクへのペルチエ装置中の熱の流れを表す。式（１
）を参照のこと。
【数１】
【０００７】 熱輸送の熱電成分が電流に正比例して増加し、ジュール加熱が電流の２乗に比
例して増加し、熱伝導がホット・シンクとコールド・シンクの温度差に正比例す
るので、上記の式は、ペルチエ装置がどれほど速やかに非効率になるかを明確に
反映している。
例して増加し、熱伝導がホット・シンクとコールド・シンクの温度差に正比例す
るので、上記の式は、ペルチエ装置がどれほど速やかに非効率になるかを明確に
反映している。
【０００８】 式（２）は、ペルチエ装置の性能係数を定義する。この係数は、低温度で移動
される正味の熱エネルギとペルチエ装置で消費される電力の比である。典型的な
テルル化ビスマス材料のペルチエ装置では、性能係数は０．３未満である。
される正味の熱エネルギとペルチエ装置で消費される電力の比である。典型的な
テルル化ビスマス材料のペルチエ装置では、性能係数は０．３未満である。
【数２】
【０００９】 式（２）の分子がペルチエ装置の正味冷却容量を表すことに留意されたい。式
（２）の分母は、外部電源２によって与えられる合計エネルギを表す。分子の個
々の要素については、前に説明した。分母の最初の項は、全ジュール加熱であり
、第２の項は、ＴcoldシンクからＴhotシンクへエネルギを移動する際にペルチ エ装置によって行われる熱エネルギ輸送の仕事である。この関係に基づくと、図
１の構成で可能な最大の性能係数は、式（３）で与えられる。
（２）の分母は、外部電源２によって与えられる合計エネルギを表す。分子の個
々の要素については、前に説明した。分母の最初の項は、全ジュール加熱であり
、第２の項は、ＴcoldシンクからＴhotシンクへエネルギを移動する際にペルチ エ装置によって行われる熱エネルギ輸送の仕事である。この関係に基づくと、図
１の構成で可能な最大の性能係数は、式（３）で与えられる。
【数３】
【００１０】 パラメータγは、ゼーベック係数で表され、電気伝導率σと熱伝導率λは、式
（４）で記述される。
（４）で記述される。
【数４】
【００１１】 式（３）の最初の要素が２つの温度のシンクＴcoldとＴhotの間で動作する任 意のヒート・ポンプで可能な最大効率であるカルノー効率であることに留意され
たい。第２の要素は、非理想的な熱電冷却を表し、これは性能係数ＺＴによって
特徴付けることもできる。γ→∞の時、ηmax→（Ｔcold／ΔＴ）であることに 留意されたい。
たい。第２の要素は、非理想的な熱電冷却を表し、これは性能係数ＺＴによって
特徴付けることもできる。γ→∞の時、ηmax→（Ｔcold／ΔＴ）であることに 留意されたい。
【００１２】 今日まで、ＺＴの高い値をもたらす熱電材料を開発することは、非常に難しか
った。熱電冷却器用の有力な材料は、テルル化ビスマス（Ｂｉ2Ｔｅ3）とテルル
化鉛（ＰｂＴｅ）であった。これらの材料は、室温で約０．３のＺＴ値を有する
。諸大学における最近の研究で、１に近いＺＴ値がテルル化鉛の量子井戸および
多数格子内で可能なことが示された。しかし、これらの材料を使っても、熱電冷
却は、機械的蒸気圧縮冷却システムと競合できない。
った。熱電冷却器用の有力な材料は、テルル化ビスマス（Ｂｉ2Ｔｅ3）とテルル
化鉛（ＰｂＴｅ）であった。これらの材料は、室温で約０．３のＺＴ値を有する
。諸大学における最近の研究で、１に近いＺＴ値がテルル化鉛の量子井戸および
多数格子内で可能なことが示された。しかし、これらの材料を使っても、熱電冷
却は、機械的蒸気圧縮冷却システムと競合できない。
【００１３】 ペルチエ装置冷却の他の制約は、周囲温度以下で達成される温度変動が制限さ
れることである。この制限は、温度差が増加するにつれて迅速に劣化するパラメ
ータである、効率によって温度範囲が制約されることから生じる。可能な最大温
度差Ｔmaxは、式（５）で与えられる。
れることである。この制限は、温度差が増加するにつれて迅速に劣化するパラメ
ータである、効率によって温度範囲が制約されることから生じる。可能な最大温
度差Ｔmaxは、式（５）で与えられる。
【数５】
【００１４】 約０．３のＺＴを有するテルル化ビスマスでは、Ｔmaxは、３００°Ｋで４５ °Ｋである。
【００１５】 したがって、効率と温度差に対するいくつかの極めて基本的な制約があり、周
囲温度以下の冷却用途での従来の熱電素子の使用が制限される。
囲温度以下の冷却用途での従来の熱電素子の使用が制限される。
【００１６】
本発明は、電力に対する動的変調の適用と、熱電素子を電源およびコールド・
シンクにそれぞれ接続する熱伝導経路によって、従来の熱電素子冷却の基本的制
約を克服するものである。
シンクにそれぞれ接続する熱伝導経路によって、従来の熱電素子冷却の基本的制
約を克服するものである。
【００１７】
一形態において、本発明は、請求項１に記載の熱電冷却装置に関する。
【００１８】 さらに他の形態において、本発明は、請求項１６に記載の熱電冷却装置の動作
方法に関する。
方法に関する。
【００１９】 本発明の具体的な一形態において、相補的不純物型の熱電素子が、電気的に直
列に接続されており、切り換えられた電圧のパルスによって電力を供給される。
熱電素子は、電気的に分離された個々のホット・シンクに片側で熱的に結合され
、そのそれぞれの低温側の共通接続部から、コールド・シンクへの熱経路を選択
的に確立する熱スイッチへ熱的結合される。電気スイッチと熱スイッチの選択的
であるが同期した動作は、コールド・シンクから熱スイッチを介して熱電素子対
を経てそれぞれのホット・シンクに至る、このような熱電素子の静モードの動作
を上回る効率での熱エネルギの移動をもたらす。遷移原理を使用することにより
、熱伝導機構およびジュール加熱機構から熱電熱輸送機構を相対的に分離するこ
とが可能となる。性能効率は、カルノー効率に近づくと予想される。
列に接続されており、切り換えられた電圧のパルスによって電力を供給される。
熱電素子は、電気的に分離された個々のホット・シンクに片側で熱的に結合され
、そのそれぞれの低温側の共通接続部から、コールド・シンクへの熱経路を選択
的に確立する熱スイッチへ熱的結合される。電気スイッチと熱スイッチの選択的
であるが同期した動作は、コールド・シンクから熱スイッチを介して熱電素子対
を経てそれぞれのホット・シンクに至る、このような熱電素子の静モードの動作
を上回る効率での熱エネルギの移動をもたらす。遷移原理を使用することにより
、熱伝導機構およびジュール加熱機構から熱電熱輸送機構を相対的に分離するこ
とが可能となる。性能効率は、カルノー効率に近づくと予想される。
【００２０】
本発明の概念的基礎は、温度差、ならびに従来の熱電素子熱伝達の効率をこれ
まで制限していた、熱伝導率と電気伝導率の間の依存性を分離するものである。
その目的は、数学的に、熱電スイッチを使用して、熱電熱伝達を動的に最大化す
るとともに、ジュール加熱と伝導熱伝達を最小にすることにより、図１で指定さ
れた正味の熱伝達関係に寄与する諸要素を効果的に分離することである。熱電素
子の遷移効果を使って、熱電素子の両端間に印加されるパルス化電圧と、熱電気
要素の冷却側とコールド・シンクの間の切り換え熱伝導結合とを同期させること
によって効率を上げる。好ましい実施形態では、熱伝導の切り換えは、微小電気
機械システム（ＭＥＭＳ）熱スイッチの使用によって達成され、多数の超小型熱
電素子および関連するＭＥＭＳ熱伝導スイッチのアレイを使って熱伝達容量を増
加させる。
まで制限していた、熱伝導率と電気伝導率の間の依存性を分離するものである。
その目的は、数学的に、熱電スイッチを使用して、熱電熱伝達を動的に最大化す
るとともに、ジュール加熱と伝導熱伝達を最小にすることにより、図１で指定さ
れた正味の熱伝達関係に寄与する諸要素を効果的に分離することである。熱電素
子の遷移効果を使って、熱電素子の両端間に印加されるパルス化電圧と、熱電気
要素の冷却側とコールド・シンクの間の切り換え熱伝導結合とを同期させること
によって効率を上げる。好ましい実施形態では、熱伝導の切り換えは、微小電気
機械システム（ＭＥＭＳ）熱スイッチの使用によって達成され、多数の超小型熱
電素子および関連するＭＥＭＳ熱伝導スイッチのアレイを使って熱伝達容量を増
加させる。
【００２１】 図２に、本発明の最小の要素構成を略示する。熱電素子１は、熱伝達ｑを有す
る熱経路を介しホット・シンク６に連続的に結合されている。熱電素子１の反対
端部は、電圧の印加とこれに応答する熱伝達の点から見て、熱スイッチ７を介し
てコールド・シンク４に熱的に結合されている。図２で実施されているように、
スイッチ７は電流も通し、スイッチ７が閉じたとき、熱電素子１の両端間に電圧
２を印加することが可能になる。サイクルの開始時に、ホット・シンク６への熱
結合により、熱電素子１は、Ｔhotである。スイッチ７がパルス式に閉じると、 熱電素子１は、高温端８と低温端９の間に相対的温度差を迅速に確立し、この温
度差により、熱スイッチ７を通るコールド・シンク４からの熱伝達が可能となる
。しかし、時間の経過とともに、熱電素子１内のジュール加熱効果が、熱電素子
１の平均温度を上昇させ、したがって、熱電素子１を通る正味の熱伝達が減り始
める。この時点で、スイッチ７が開かれ、前記電源と前記熱結合の両方を切断す
る。スイッチのディスエーブル時に、熱電素子１の残留熱エネルギが、熱電素子
１とホット・シンク６の間の指数関数的に減衰する熱伝達をもたらすのに十分な
だけ温度を上げる。熱電素子１の温度が、ホット・シンク６に近い温度まで減衰
したとき、サイクルが繰り返される。この動作の遷移的性格は、熱電熱伝達が相
対電圧の受け取り時にただちに起こり、ジュール加熱と以降の熱電素子の伝導損
失は遅延効果であることによる。したがって、本発明は、電気伝導と熱伝導の時
間スケールと時間定数の違いを利用するものである。
る熱経路を介しホット・シンク６に連続的に結合されている。熱電素子１の反対
端部は、電圧の印加とこれに応答する熱伝達の点から見て、熱スイッチ７を介し
てコールド・シンク４に熱的に結合されている。図２で実施されているように、
スイッチ７は電流も通し、スイッチ７が閉じたとき、熱電素子１の両端間に電圧
２を印加することが可能になる。サイクルの開始時に、ホット・シンク６への熱
結合により、熱電素子１は、Ｔhotである。スイッチ７がパルス式に閉じると、 熱電素子１は、高温端８と低温端９の間に相対的温度差を迅速に確立し、この温
度差により、熱スイッチ７を通るコールド・シンク４からの熱伝達が可能となる
。しかし、時間の経過とともに、熱電素子１内のジュール加熱効果が、熱電素子
１の平均温度を上昇させ、したがって、熱電素子１を通る正味の熱伝達が減り始
める。この時点で、スイッチ７が開かれ、前記電源と前記熱結合の両方を切断す
る。スイッチのディスエーブル時に、熱電素子１の残留熱エネルギが、熱電素子
１とホット・シンク６の間の指数関数的に減衰する熱伝達をもたらすのに十分な
だけ温度を上げる。熱電素子１の温度が、ホット・シンク６に近い温度まで減衰
したとき、サイクルが繰り返される。この動作の遷移的性格は、熱電熱伝達が相
対電圧の受け取り時にただちに起こり、ジュール加熱と以降の熱電素子の伝導損
失は遅延効果であることによる。したがって、本発明は、電気伝導と熱伝導の時
間スケールと時間定数の違いを利用するものである。
【００２２】 図２を参照して説明した、効率を改善するための基本概念は、若干のあまり顕
著ではないが、それでも重要な非効率性の寄与因子である。最も顕著なのは、ス
イッチ７が閉じた時のスイッチにおけるジュール加熱、スイッチ７が開状態にあ
る時のスイッチを介する熱コンダクタンス損失、熱電素子１の熱容量による熱損
失である。
著ではないが、それでも重要な非効率性の寄与因子である。最も顕著なのは、ス
イッチ７が閉じた時のスイッチにおけるジュール加熱、スイッチ７が開状態にあ
る時のスイッチを介する熱コンダクタンス損失、熱電素子１の熱容量による熱損
失である。
【００２３】 遷移の詳細な分析から、熱電素子の熱容量による熱損失がフーリエ・コンダク
タンス項にほぼ等しいことがわかる。したがって、以前に式２として記述した性
能係数の表現は、式（６）によってより完全に記述される。
タンス項にほぼ等しいことがわかる。したがって、以前に式２として記述した性
能係数の表現は、式（６）によってより完全に記述される。
【数６】
【００２４】 式（６）において、項ＲｓとＫｓは、スイッチのオン電気抵抗およびオフ熱コ
ンダクタンスである。スイッチのオン電気抵抗Ｒｓは、オフ熱コンダクタンスＫ
ｓを増大させるという犠牲を払って一般に小さくできる。
ンダクタンスである。スイッチのオン電気抵抗Ｒｓは、オフ熱コンダクタンスＫ
ｓを増大させるという犠牲を払って一般に小さくできる。
【００２５】 性能係数を改善する１つの手法は、図３の実施形態に示したものであり、電気
スイッチがｎ型およびｐ型の熱電素子の巧みな配置と接続によりホット・シンク
に置かれている。これにより、電気スイッチに関連する熱は、性能係数に対する
寄与因子として除去される。これにより数学的に、性能係数を式（７）に記述す
るように書き直すことができる。
スイッチがｎ型およびｐ型の熱電素子の巧みな配置と接続によりホット・シンク
に置かれている。これにより、電気スイッチに関連する熱は、性能係数に対する
寄与因子として除去される。これにより数学的に、性能係数を式（７）に記述す
るように書き直すことができる。
【数７】
【００２６】 この効果は、最大性能係数が、式（３）で数学的に記述される図２の単一スイ
ッチの実装に関連するものよりもわずかに、通常は２０％高いことである。式（
８）を参照のこと。
ッチの実装に関連するものよりもわずかに、通常は２０％高いことである。式（
８）を参照のこと。
【数８】
【００２７】 性能係数の改善は劇的なものではないが、この違いは、スポット冷却用途で特
に重要である。この点に関して、式（９）の分子で表される熱電冷却器の正味冷
却出力は、最高温度が効果的に無限であることを示していることに留意されたい
。
に重要である。この点に関して、式（９）の分子で表される熱電冷却器の正味冷
却出力は、最高温度が効果的に無限であることを示していることに留意されたい
。
【数９】
【００２８】 したがって、電流を増大させることにより、最大温度差を大きく増大させるこ
とができ、小型センサ、ならびにシリコン・ダイ上の専用回路に対する熱電冷却
が実用的なものになる。このような局所的またはスポット冷却用途は、電圧制御
発振器、位相検出器、ミクサ、低雑音増幅器、レーザ、フォトダイオード、およ
び各種材料の光電回路に特に有用である。少なくとも理論的に、スポット冷凍温
度冷却が、限られた用途で可能である。複数の不純物型の熱電素子と別個の電気
スイッチを使用すると、効率および温度範囲に関して大きな潜在的可能性が得ら
れる。
とができ、小型センサ、ならびにシリコン・ダイ上の専用回路に対する熱電冷却
が実用的なものになる。このような局所的またはスポット冷却用途は、電圧制御
発振器、位相検出器、ミクサ、低雑音増幅器、レーザ、フォトダイオード、およ
び各種材料の光電回路に特に有用である。少なくとも理論的に、スポット冷凍温
度冷却が、限られた用途で可能である。複数の不純物型の熱電素子と別個の電気
スイッチを使用すると、効率および温度範囲に関して大きな潜在的可能性が得ら
れる。
【００２９】 図３の実施形態では、いくつかの相互に関係する工夫が導入される。まず、複
数の熱電素子を使用する。第２に、熱電素子に印加される電源のタイミングを、
熱電素子の低温端をコールド・シンクに結合する熱スイッチのタイミングと分離
する。最後に、熱電素子の低温端をコールド・シンクに接続しているスイッチは
、熱スイッチだけであり、電気伝導要件と、スイッチを通って流れる電流に関連
したジュール損がなくなる。図３の実施形態は、２つの熱電素子、すなわちｎ不
純物型の熱電素子１１とｐ不純物型の熱電素子１２を利用する。この構成により
、電気スイッチ１４によってイネーブルされる単一の電圧源１３の共用が可能と
なり、しかもそれぞれの熱電素子１１および１２の低温端１６と１７は熱スイッ
チ１８を介してコールド・シンク４に熱的に結合されている。それぞれの熱電素
子１１および１２の高温端１９および２１は、それぞれのホット・シンク２２お
よび２３に熱的かつ電気的に接続されており、共用電圧源１３の使用を実施する
ため、これらのホット・シンクは、電気的に分離している。
数の熱電素子を使用する。第２に、熱電素子に印加される電源のタイミングを、
熱電素子の低温端をコールド・シンクに結合する熱スイッチのタイミングと分離
する。最後に、熱電素子の低温端をコールド・シンクに接続しているスイッチは
、熱スイッチだけであり、電気伝導要件と、スイッチを通って流れる電流に関連
したジュール損がなくなる。図３の実施形態は、２つの熱電素子、すなわちｎ不
純物型の熱電素子１１とｐ不純物型の熱電素子１２を利用する。この構成により
、電気スイッチ１４によってイネーブルされる単一の電圧源１３の共用が可能と
なり、しかもそれぞれの熱電素子１１および１２の低温端１６と１７は熱スイッ
チ１８を介してコールド・シンク４に熱的に結合されている。それぞれの熱電素
子１１および１２の高温端１９および２１は、それぞれのホット・シンク２２お
よび２３に熱的かつ電気的に接続されており、共用電圧源１３の使用を実施する
ため、これらのホット・シンクは、電気的に分離している。
【００３０】 図３における２つの熱電素子の実施形態の動作は、図２における単一熱電素子
のものと類似しているが、熱スイッチと電気スイッチの分離により、それぞれの
デューティ・サイクルおよび切り換えの同期化を定義する際の融通性が大きくな
る。電気スイッチ１４と熱スイッチ１８は共に極めて短いデューティ・サイクル
で動作し、互いに相対的に同期した動作を示すが、閉サイクルおよび開サイクル
のタイミングは、熱電素子ならびにホット・シンクおよびコールド・シンクへの
伝導経路結合の遷移特性に応じて異なる可能性がある。例えば、改善された熱結
合は電気スイッチ１４が最初に閉じ、熱スイッチ１８がその後すぐ閉じ、電気ス
イッチ１４がそのやや後に開き、熱スイッチ１８が電気スイッチ１４の開放後や
や開くことを示唆する。切り換え動作の基礎となる目的は、コールド・シンク４
からホット・シンク２２および２３までの熱伝達の効率を最大にすることである
。
のものと類似しているが、熱スイッチと電気スイッチの分離により、それぞれの
デューティ・サイクルおよび切り換えの同期化を定義する際の融通性が大きくな
る。電気スイッチ１４と熱スイッチ１８は共に極めて短いデューティ・サイクル
で動作し、互いに相対的に同期した動作を示すが、閉サイクルおよび開サイクル
のタイミングは、熱電素子ならびにホット・シンクおよびコールド・シンクへの
伝導経路結合の遷移特性に応じて異なる可能性がある。例えば、改善された熱結
合は電気スイッチ１４が最初に閉じ、熱スイッチ１８がその後すぐ閉じ、電気ス
イッチ１４がそのやや後に開き、熱スイッチ１８が電気スイッチ１４の開放後や
や開くことを示唆する。切り換え動作の基礎となる目的は、コールド・シンク４
からホット・シンク２２および２３までの熱伝達の効率を最大にすることである
。
【００３１】 図４は、例示的な電圧と、図３の実施形態の動作に関連した熱エネルギ輸送波
形をプロットで示す図である。最初のプロットは、熱電素子の両端間に印加され
る電圧がパルス的性格のものであることを示す。第２のプロットは、ホット・シ
ンクへ放散される熱エネルギの熱遷移および関連する減衰を示す。最後のプロッ
トは、熱スイッチによるコールド・シンクからの熱エネルギの吸収を示す。図４
のプロットは、特定の時間に関係する大きさを示すのではなく一般的な概念を示
すことを意図している点で概略的なものである。
形をプロットで示す図である。最初のプロットは、熱電素子の両端間に印加され
る電圧がパルス的性格のものであることを示す。第２のプロットは、ホット・シ
ンクへ放散される熱エネルギの熱遷移および関連する減衰を示す。最後のプロッ
トは、熱スイッチによるコールド・シンクからの熱エネルギの吸収を示す。図４
のプロットは、特定の時間に関係する大きさを示すのではなく一般的な概念を示
すことを意図している点で概略的なものである。
【００３２】 図５は、図３の好ましい実施形態の拡張を概略図で示すものであり、電気スイ
ッチ１４と熱スイッチ１８のイネーブルは、温度センサ２４からの入力に応答し
て行われる。温度センサ２４は、同期化制御装置２６に入力を供給し、熱電素子
の高温端、低温端、または両端における実際の温度に応答してスイッチ１４およ
び１８を動作させる。スイッチ１４と１８の特徴的な同期化とデューティ・サイ
クルは、図３の実施形態のものと比較的類似しているが、感知された温度を使用
することにより、推定による温度特性ではなく実際の温度特性を使用してスイッ
チ１４と１８を動作させることにより効率が最適になる。図５の実装により、同
じ冷却装置の文脈内でより高いホット・シンク温度あるいはより低いコールド・
シンク温度などの効果を補償するように、スイッチ・タイミングを調節すること
が可能となる。
ッチ１４と熱スイッチ１８のイネーブルは、温度センサ２４からの入力に応答し
て行われる。温度センサ２４は、同期化制御装置２６に入力を供給し、熱電素子
の高温端、低温端、または両端における実際の温度に応答してスイッチ１４およ
び１８を動作させる。スイッチ１４と１８の特徴的な同期化とデューティ・サイ
クルは、図３の実施形態のものと比較的類似しているが、感知された温度を使用
することにより、推定による温度特性ではなく実際の温度特性を使用してスイッ
チ１４と１８を動作させることにより効率が最適になる。図５の実装により、同
じ冷却装置の文脈内でより高いホット・シンク温度あるいはより低いコールド・
シンク温度などの効果を補償するように、スイッチ・タイミングを調節すること
が可能となる。
【００３３】 図６は、本発明に特に適したタイプの代表的な微小電子機械システム（ＭＥＭ
Ｓ）熱スイッチの構造を概略的に示す。ＭＥＭＳ技術がまだ揺籃期にあるため、
図６に示したスイッチは、熱電素子とコールド・シンクの間を選択的に熱結合す
るのに適した多くの潜在的な熱スイッチ構成の１つを示したに過ぎない。図６に
示した熱スイッチは、従来の集積回路技術を使用して製造されており、薄い可撓
膜２９における運動によるわずかな変位を受けるニッケル磁石２８のアレイをシ
リコン・チップ２７の表面に形成する。螺旋コイル２９に電流を導入するとシリ
コン・チップの平面に垂直な方向に磁石アレイを平行移動するのに十分な力が発
生する。図６のＭＥＭＳスイッチは、開いたときは比較的低い熱伝導率を有する
か、作動によって閉じたときは比較的高い熱伝導率を有すべきである。図６のＭ
ＥＭＳ装置が電気と熱の両方の切り換えを行う場合、スイッチの「オン」抵抗を
下げるために工夫が必要になると思われる。
Ｓ）熱スイッチの構造を概略的に示す。ＭＥＭＳ技術がまだ揺籃期にあるため、
図６に示したスイッチは、熱電素子とコールド・シンクの間を選択的に熱結合す
るのに適した多くの潜在的な熱スイッチ構成の１つを示したに過ぎない。図６に
示した熱スイッチは、従来の集積回路技術を使用して製造されており、薄い可撓
膜２９における運動によるわずかな変位を受けるニッケル磁石２８のアレイをシ
リコン・チップ２７の表面に形成する。螺旋コイル２９に電流を導入するとシリ
コン・チップの平面に垂直な方向に磁石アレイを平行移動するのに十分な力が発
生する。図６のＭＥＭＳスイッチは、開いたときは比較的低い熱伝導率を有する
か、作動によって閉じたときは比較的高い熱伝導率を有すべきである。図６のＭ
ＥＭＳ装置が電気と熱の両方の切り換えを行う場合、スイッチの「オン」抵抗を
下げるために工夫が必要になると思われる。
【００３４】 図７は、ＭＥＭＳ装置のアレイを使用してペルチエ型の熱電装置とコールド・
シンクの間に選択的に熱接続を確立することを示す。ペルチエ装置３２および３
３は、銅導体３４によって電気的に相互接続され、図３に関連する機能を複製し
ている。銅層３４と、ＭＥＭＳスイッチ３６および３７の磁石アレイ２８の間の
間隔は、半ミクロンの公称範囲であると予想される。この寸法は、公称サイズの
電気コイル３１（図６）が、スイッチ構造の作動を開始できるようになると予想
される。切り換えサイクルは数秒程度であると予想されるので、ＭＥＭＳ装置の
キロヘルツ周波数切り換えに関連する信頼性は、問題にならないはずである。
シンクの間に選択的に熱接続を確立することを示す。ペルチエ装置３２および３
３は、銅導体３４によって電気的に相互接続され、図３に関連する機能を複製し
ている。銅層３４と、ＭＥＭＳスイッチ３６および３７の磁石アレイ２８の間の
間隔は、半ミクロンの公称範囲であると予想される。この寸法は、公称サイズの
電気コイル３１（図６）が、スイッチ構造の作動を開始できるようになると予想
される。切り換えサイクルは数秒程度であると予想されるので、ＭＥＭＳ装置の
キロヘルツ周波数切り換えに関連する信頼性は、問題にならないはずである。
【００３５】 図６および図７の図を参照して説明したＭＥＭＳ型の熱スイッチは、多くの潜
在的な熱スイッチ構成の１つにすぎない。例えば、容量スイッチ構造で生じた静
電力が同様な目的を達成するために使用できることも完全に企図されている。全
てのスイッチの基礎となる目標は、スイッチが閉じた時に、熱電素子とコールド
・シンクの間の熱経路が最大熱コンダクタンスを有するが、スイッチが開いた場
合、熱コンダクタンスが達成可能な最小値になるように、スイッチ位置に対する
熱伝導性の極値を最大にすることである。
在的な熱スイッチ構成の１つにすぎない。例えば、容量スイッチ構造で生じた静
電力が同様な目的を達成するために使用できることも完全に企図されている。全
てのスイッチの基礎となる目標は、スイッチが閉じた時に、熱電素子とコールド
・シンクの間の熱経路が最大熱コンダクタンスを有するが、スイッチが開いた場
合、熱コンダクタンスが達成可能な最小値になるように、スイッチ位置に対する
熱伝導性の極値を最大にすることである。
【００３６】 図７は、本発明の熱電冷却システムが好ましくは複数の熱電素子と、アレイに
構成されたＭＥＭＳスイッチから構成されていることを示す。多数の熱電素子と
スイッチにより、本発明の基礎となる遷移特性が熱電素子とスイッチ材料の次元
内で達成されるようになる。言い換えれば、ジュール加熱成分と伝導成分からの
熱電熱伝達の分離が、比較的小さな熱容量の熱電素子、一般にペルチエ装置と、
これに応じて小型のＭＥＭＳ型の熱スイッチによって最も効果的に達成されると
予想される。
構成されたＭＥＭＳスイッチから構成されていることを示す。多数の熱電素子と
スイッチにより、本発明の基礎となる遷移特性が熱電素子とスイッチ材料の次元
内で達成されるようになる。言い換えれば、ジュール加熱成分と伝導成分からの
熱電熱伝達の分離が、比較的小さな熱容量の熱電素子、一般にペルチエ装置と、
これに応じて小型のＭＥＭＳ型の熱スイッチによって最も効果的に達成されると
予想される。
【００３７】 図８は、本発明の熱電冷却器の一用途を概略的に示す。この場合、冷却器は、
周囲空気に電力を放散するヒート・シンクと、電子モジュールおよびこれに接続
された集積回路を有するコールド・シンクとの間に位置する。
周囲空気に電力を放散するヒート・シンクと、電子モジュールおよびこれに接続
された集積回路を有するコールド・シンクとの間に位置する。
【００３８】 図９は、熱電冷却器を拡張アレイの形で使用して、食品用冷蔵庫を効率的かつ
清潔に動作させることを概略的に示す。本発明を特徴付ける高い効率と主要可動
部品の欠如により、小型のポータブル・クーラなど極めて選択的で限定された用
途からほぼあらゆる家庭にある大型器具への熱電冷却の移行が容易になる。
清潔に動作させることを概略的に示す。本発明を特徴付ける高い効率と主要可動
部品の欠如により、小型のポータブル・クーラなど極めて選択的で限定された用
途からほぼあらゆる家庭にある大型器具への熱電冷却の移行が容易になる。
【００３９】 さらに他の用途が図１０に概略的に示される。ここでは、本発明の基礎となる
概念が、住居およびオフィスの冷却、食品輸送システム、および自家用車両の冷
却を含む主要な熱伝達用途を包含するようにサイズの点でさらに工夫され拡張さ
れている。
概念が、住居およびオフィスの冷却、食品輸送システム、および自家用車両の冷
却を含む主要な熱伝達用途を包含するようにサイズの点でさらに工夫され拡張さ
れている。
【００４０】 図１１は、他端における用途を概略的に示す。ここでは、マイクロ・サイズの
熱電冷却器が、集積回路のパラメータを制御するために選択された領域を選択的
に冷却する目的で集積回路チップの部分に選択的に結合されている。
熱電冷却器が、集積回路のパラメータを制御するために選択された領域を選択的
に冷却する目的で集積回路チップの部分に選択的に結合されている。
【００４１】 本発明は、特定の熱電材料や電子回路構成に制約されないこともあって、非常
に広く適用可能である。本発明は、パルス動作式熱電素子の熱力学を超小型熱ス
イッチと組み合わせて利用して、熱伝導の諸特性を分離し、より高い冷却効率を
達成する。
に広く適用可能である。本発明は、パルス動作式熱電素子の熱力学を超小型熱ス
イッチと組み合わせて利用して、熱伝導の諸特性を分離し、より高い冷却効率を
達成する。
【００４２】 本発明の諸実施形態は、ホット・シンクに連続的に接続された熱電素子を記載
しているが、熱スイッチ１８と同様な構造のスイッチによって熱電素子をホット
・シンクに接続することも本発明の範囲に含まれることがわかるであろう。
しているが、熱スイッチ１８と同様な構造のスイッチによって熱電素子をホット
・シンクに接続することも本発明の範囲に含まれることがわかるであろう。
【図１】 従来の静的に動作可能なペルチエ装置冷却システムの略図である。
【図２】 本発明の実施形態である、単一スイッチ、単一熱電素子の略図である。
【図３】 本発明の実施形態である、単一熱スイッチ二重熱電素子の略図である。
【図４】 図３の実施形態による電力および熱エネルギ輸送の相対時間プロットの略図で
ある。
ある。
【図５】 図３の単一熱スイッチ構成の閉ループ実装の略図である。
【図６】 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置の略図である。
【図７】 ＭＥＭＳ装置とペルチエ型熱電素子のアレイの略断面図である。
【図８】 周囲温度以下の低温の集積回路および電子モジュールに使用できる熱電冷却器
の略図である。
の略図である。
【図９】 食品冷凍システムに対する本発明の拡張使用の略図である。
【図１０】 各種の住居および輸送媒体に適用される本発明の潜在的応用例および利点の略
図である。
図である。
【図１１】 集積回路チップの選択された部分を局所的に冷却するための小型熱電冷却器適
用を示す、略図である。
用を示す、略図である。
Claims (17)
- 【請求項１】 第１の公称温度の第１熱シンクと、 第１の温度よりも相対的に高い第２の公称温度の第２熱シンクと、 熱電素子と、 前記第１熱シンクへの前記熱電素子の熱結合を選択的に切り換える第１手段と
、 前記第２熱シンクに前記熱電素子を接続する第２手段と、 前記熱電素子を使用可能にする手段と を備える熱電冷却装置。 - 【請求項２】 前記第２手段が、前記熱電素子と前記第２熱シンクの間の連続的熱結合を備え
る請求項１に記載の装置。 - 【請求項３】 前記使用可能にする手段が、前記熱電素子の両端間電圧を選択的に切り換える
手段を備える請求項１に記載の装置。 - 【請求項４】 前記第２熱シンクが、第１および第２の電気的に分離したセクションからなる
請求項３に記載の装置。 - 【請求項５】 前記第１および第２の電気的に分離したセクションが、電圧を選択的に切り換
える手段を介して電源に結合されている請求項４に記載の装置。 - 【請求項６】 電圧を選択的に切り換える前記手段のデューティ・サイクルが、熱結合を選択
的に切り換える前記手段の前記デューティ・サイクルと同様である請求項３ない
し５のいずれか一項に記載の装置。 - 【請求項７】 熱結合を選択的に切り換える前記手段が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）
装置である請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。 - 【請求項８】 前記第２熱シンクから電気的に分離された、前記第２公称温度の第３熱シンク
と、 前記第３熱シンクに熱的に結合された第２熱電素子と をさらに備え、 熱結合を選択的に切り換える前記手段が、第１熱電素子と第２熱電素子の前記
第１熱シンクへの熱結合を選択的に切り換える手段を備え、 前記使用可能にする手段が第１熱電素子と第２熱電素子の両端間電圧を選択的
に切り換える手段を備えている、 請求項２に記載の装置。 - 【請求項９】 熱結合を選択的に切り換える前記手段と電圧を選択的に切り換える前記手段が
、機能的に同期して動作可能である請求項３ないし６または８のいずれか一項に
記載の装置。 - 【請求項１０】 前記第１および第２の熱電素子が、ペルチエ装置である請求項８に記載の装置
。 - 【請求項１１】 前記第１および第２熱電素子が、逆の不純物型のものである請求項１０に記載
の装置。 - 【請求項１２】 周囲温度で動作可能であり、前記第１熱シンク手段が周囲温度より低い温度で
熱エネルギを吸収し、前記第２熱シンク手段が周囲温度より高い温度で熱エネル
ギを放散し、前記熱電素子がその間で熱エネルギを輸送し、選択的に切り換える
前記手段が前記第１熱電素子と前記第２熱シンクの間の結合の熱コンダクタンス
を切り換え、使用可能にする前記手段が熱コンダクタンスを選択的に切り換える
前記手段と相対的に機能的に同期して前記熱電素子を使用可能にする請求項２に
記載の装置。 - 【請求項１３】 使用可能にする前記手段の前記デューティ・サイクルが、選択的に切り換える
前記手段のデューティ・サイクルに比べて小さい請求項１２に記載の装置。 - 【請求項１４】 第２熱電素子をさらに備え、前記第１熱電素子が前記第１熱シンク手段の第１
セクションと結合されており、前記第２熱電素子が前記第１熱電素子の第２セク
ションと結合されており、前記第２熱電素子が選択的に切り換える前記手段とも
結合されている請求項４に記載の装置。 - 【請求項１５】 使用可能にする前記手段が、前記第１熱シンクの前記第１および第２セクショ
ンの両端間に接続された電源を選択的に切り換える請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１６】 熱エネルギの前記放散が周囲に対するものであり、熱エネルギの前記吸収が食
品冷凍システム、または車両乗員冷凍システム、または電子集積回路装置からな
る群の１つからのものである請求項１２に記載の装置。 - 【請求項１７】 第１公称温度で動作可能な第１熱シンクと、前記第１公称温度よりも相対的に
高い第２公称温度で動作可能な第２熱シンクと、前記第２熱シンクに結合された
熱電素子とを有する熱電冷却装置を動作させる方法において、 結合を介して前記熱電素子から前記第２熱シンクへ熱エネルギを伝達するステ
ップと、 前記熱電素子と前記第１熱シンクとの間の熱エネルギの前記伝達を選択的に切
り換えるステップと、 前記熱電素子を使用可能にするステップと を含む方法。
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