JP3117430B2 - 複数の動的開閉により熱輸送機構を分離する熱電冷却装置及び方法 - Google Patents

複数の動的開閉により熱輸送機構を分離する熱電冷却装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に冷却システム
に関し、特に、選択的に開閉される電力及び選択的に開
閉される熱結合概念及び構成の適用により、高い相対効
率の熱電冷却を達成するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】準大気冷却（sub-anbient cooling）は
従来、フレオン（Freon）・タイプの冷却剤を用いて熱
伝達を実現する、気体／液体蒸気圧縮ベースの冷却サイ
クルを通じて達成される。こうした冷却システムは、人
間の住居、食糧及び乗り物を冷却するために広く使用さ
れている。準大気冷却はまた、しばしばメインフレーム
・コンピュータなどの主要な電子システムと共に使用さ
れる。蒸気圧縮冷却は非常に効率的であるが、多大な移
動式ハードウェアを要求し、それらには最低限、圧縮
機、凝縮装置、蒸発装置、及び関連する冷却剤伝達配管
系が含まれる。複雑度及び関連する高コストの結果、蒸
気圧縮冷却は、例えばパーソナル・コンピュータなどの
小規模の冷却アプリケーションでは、実質的に受け入れ
られなかった。
【０００３】温度が低下すると、ＣＭＯＳ論理回路が実
質的により高速に動作する事実が、少なくとも１０年来
に渡り知られている。例えば、ＣＭＯＳ論理素子が−５
０℃で動作する場合、その性能は室温動作に比べて５０
％改善される。−１９６℃の液体窒素動作温度では、２
００％の性能改善を示す。類似の利点が、集積回路配線
においても起こることが示されており、−５０℃で動作
する集積回路では、金属の配線抵抗が室温動作に比較し
て２分の１に減少する。この改善は、集積回路において
銅配線を使用することにより相互接続抵抗を減少し、達
成可能な動作周波数を効果的に増加させる最近の技術的
躍進と匹敵する。従って、電界効果トランジスタなどの
集積回路論理素子、並びに相互接続配線の準大気動作
は、実質的に集積回路性能を改善するが、益々、縮小す
るサイズ及び実質的に低下するコスト環境の限界におい
て、こうした冷却をどのように達成するかといった問題
を投じる。
【０００４】広範に使用される小型のペルチェ素子を想
定した場合、熱電冷却は特定の使用法を見い出すための
１つの選択肢である。ペルチェ素子による熱電冷却はま
た、冷却が完全に個体であるという点で、非常に信頼し
得る。熱電冷却の主なマイナス面は非効率性であり、ペ
ルチェ素子冷却システムの効率は一般に、コールド・シ
ンクと大気との間の温度降下の僅かに２０％の範囲内で
ある。例えば、０℃の準大気温度にて１Ｗの率で冷却す
るためには、ペルチェ冷却システムは、５Ｗの電力を供
給されなければならない。伝達される熱量が増加する
と、大気内に消散される総電力は大きな対流素子及び高
出力の電源回路を要求する。従って、ペルチェ素子熱電
冷却は、集積回路性能を向上させるために広範に適用可
能な技術とは見なされていない。
【０００５】本発明が如何に熱電冷却効率を改善するか
を理解するために、ペルチェ素子熱電冷却がなぜ非効率
的であるかを理解することが必要である。ペルチェ素子
は、テルル化ビスマスやテルル化鉛などの半導体材料か
ら形成される。様々な大学において、新たな材料が評価
されつつあるが、それらはまだ実を結んでいない。一般
に使用されるペルチェ材料は、高い電気伝導率及び高い
熱伝導率を有する通常の金属と比較して、非常に高い電
気伝導率及び比較的低い熱伝導率を示す。動作に際して
ペルチェ素子は、素子を横断して形成される電場に応答
して、電子を温度Ｔcoldのコールド・シンクから、温度
Ｔhotのホット・シンクに輸送する。しかしながら、ペ
ルチェ素子の効率に影響する他の機構も存在し、こうし
た機構が、コールド・シンクからホット・シンクへの熱
エネルギのネットの輸送を低下させる。
【０００６】図１は、従来のペルチェ・タイプの熱電素
子（ＴＥ）１を示し、ＤＣ電源２がＴＥ１にかかる電場
を生成し、負荷電流３が流れる。所望の熱伝達は、温度
Ｔco ldのコールド・シンク４から、温度Ｔhotのホット
・シンク６に通じる。図１の式に示されるように、輸送
されるネットの熱エネルギは３つの要素から成り、第１
の要素はペルチェ効果（熱電気）の寄与を表し、第２の
要素は負のジュール加熱効果を定義し、第３の要素は負
の伝導率効果を定義する。熱電要素はゼーベック係数を
含み、動作温度（Ｔcold）及び電流が付け加えられる。
ジュール加熱要素は、ジュール加熱の約半分がコールド
・シンクに伝わり、残りがホット・シンクに伝わること
を反映する。最後に、熱伝導に起因する負の要素は、ペ
ルチェ素子を通じる熱流を表し、ホット・シンクからコ
ールド・シンクへのペルチェ素子の熱伝導率により定義
される。式１）を参照されたい。
【数１】ｑ＝αＴcoldＩ−１／２Ｉ2Ｒ−ＫΔＴ １）
【０００７】熱輸送の熱電要素は、電流に直接比例して
増加するが、ジュール加熱は電流の平方に比例して増加
し、また熱伝導は、ホット・シンクとコールド・シンク
間の温度差に直接比例するので、式１）は如何にペルチ
ェ素子が急速に非効率になるかを明瞭に表わしている。
【０００８】式２）は、ペルチェ素子の成績係数を定義
する。この係数は、ペルチェ素子内で消費される電力に
対する、低温で輸送されるネットの熱エネルギの比率で
ある。通常のテルル化ビスマス材料のペルチェ素子で
は、成績係数は０．３未満である。
【数２】 η＝（αＴcoldＩ−１／２Ｉ2Ｒ−ＫΔＴ）／（Ｉ2Ｒ＋αＩΔＴ） ２）
【０００９】ここで、式２）の分子は、ペルチェ素子の
ネットの冷却能力を表す。式２）の分母は、外部電源２
により供給される総エネルギを表す。分子の個々の要素
については既に述べた。分母の第１項は総ジュール加熱
を表し、第２項は、エネルギをＴcoldシンクからＴhot
シンクに移動する際に、ペルチェ素子により達成される
熱エネルギ輸送量である。この関係にもとづき、図１の
構成において可能な最大成績係数が、式３）により与え
られる。
【数３】 ηmax＝（Ｔcold／ΔＴ）｛（γ−Ｔhot／Ｔcold）／（γ＋１）｝ ３）
【００１０】パタメータγはゼーベック係数α、電気伝
導率σ、及び熱伝導率λに関連して、次のように表され
る。
【数４】
【００１１】ここで、式３）の第１因子は、カルノー係
数であり、２つの温度シンクＴcold及びＴhotの間で動
作するヒート・ポンプにおいて可能な最大効率である。
第２の因子は非理想的な熱電冷却を表し、これは性能示
数ＺＴ*によっても特徴付けられる。γが無限大に向け
て大きくなると、ηmaxはＴcold／ΔＴに近似される。
【００１２】従来、高い値のＺＴ*を生成する熱電材料
を開発することが非常に困難であった。熱電冷却器とし
ての一般的な材料は、テルル化ビスマス（Ｂｉ2Ｔｅ3）
及びテルル化鉛（ＰｂＴｅ）であった。これらの材料
は、室温において約０．３のＺＴ*値を有する。最近の
研究では、テルル化鉛量子井戸及び多格子において、１
に近いＺＴ*値が可能であることが示された。しかしな
がら、これらの材料をもってしても、熱電冷却は機械式
蒸気圧縮冷却システムと競合し得ない。
【００１３】ペルチェ素子冷却の別の制約は、大気以下
の限られた温度変位しか達成可能でないことである。こ
の制限は、温度範囲が効率、及び温度差が増加すると急
速に悪化するパラメータにより制限される事実に起因す
る。可能な最大温度差Ｔmaxは、次式により与えられ
る。
【数５】ΔＴmax＝１／２ＺＴ2 cold ５）
【００１４】約０．３のＺＴ*値を有するテルル化ビス
マスでは、Ｔmaxは３００°Ｋにおいて４５°Ｋであ
る。
【００１５】従って、効率及び温度差に対する多くの非
常に基本的な制約が存在し、これらが準大気冷却アプリ
ケーションにおいて、従来の熱電要素の使用を制限す
る。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、電力への複
数開閉器の動的変調の適用と、熱電素子を電源及びコー
ルド・シンクにそれぞれ結合する熱伝導路とを通じて、
従来の熱電素子冷却の基本的な制約を克服する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】１態様では、本発明は、
第１の公称温度の第１の熱シンクと、第１の公称温度よ
りもかなり高い第２の公称温度の第２の熱シンクと、第
１及び第２の熱シンクに結合されるように配置される熱
電素子と、熱電素子と第１の熱シンクとの間の熱結合を
選択的に開閉する第１の手段と、熱電素子と第２の熱シ
ンクとの間の熱結合を選択的に開閉する第２の手段と、
熱電素子に選択的に電圧を印加する手段とを含む、熱電
冷却装置に関する。
【００１８】別の態様では、本発明は、大気より高い温
度にて熱エネルギを消散する第１の熱シンク手段と、大
気より低い温度にて熱エネルギを吸収する第２の熱シン
ク手段と、第１及び第２の熱シンク手段に結合されるよ
うに配置され、それらの間で熱エネルギを輸送する熱電
素子と、熱電素子と第１の熱シンクとの間の結合の熱コ
ンダクタンスを選択的に開閉する第１の手段と、熱電素
子と第２の熱シンクとの間の結合の熱コンダクタンスを
選択的に開閉する第２の手段と、第２の選択的開閉手段
と相対的に同調して、熱電素子を選択的に作動させる手
段とを含む、大気内で動作する熱電冷却装置に関する。
【００１９】更に別の態様では、本発明は、第１の公称
温度で動作する第１の熱シンクと、第１の公称温度より
もかなり高い第２の公称温度で動作する第２の熱シンク
と、第１及び第２の熱シンクに結合されるように配置さ
れる熱電素子とを有する、熱電冷却装置の操作方法に関
し、熱電素子と第１の熱シンクとの間の熱エネルギの伝
達を選択的に開閉するステップと、熱電素子と第２の熱
シンクとの間の熱エネルギの伝達を選択的に開閉するス
テップと、熱電素子に選択的に電圧を印加するステップ
とを含む。
【００２０】更に別の態様では、本発明は、大気より高
い温度にて熱エネルギを消散する第１の熱シンクと、大
気より低い温度にて熱エネルギを吸収する第２の熱シン
クと、第１及び第２の熱シンクの間に結合されるように
配置され、それらの間で熱エネルギを輸送する熱電素子
とを有する、熱電冷却装置の操作方法に関し、熱電素子
と第１の熱シンクとの間の結合の熱コンダクタンスを選
択的に開閉するステップと、熱電素子と第２の熱シンク
との間の結合の熱コンダクタンスを選択的に開閉するス
テップと、選択的開閉ステップと動作上相対的に同調し
て、熱電素子を選択的に作動させるステップとを含む。
【００２１】本発明の特定の態様では、熱電素子が、パ
ルス・モードで動作する電気的及び熱的開閉器を通じ
て、一方の側がホット・シンクに、他方の側がコールド
・シンクに結合される。開閉器の選択的ではあるが、相
対的に同調される動作が、こうした熱電素子の静的モー
ド動作を上回る効率にて、コールド・シンクから第１の
開閉器、熱電素子、及び第２の開閉器を通じて、ホット
・シンクに通じる熱エネルギの輸送を提供する。過渡原
理の使用が、熱伝導機構及びジュール加熱機構からの、
熱電気熱輸送機構の相対分離を可能にする。
【００２２】本発明のこれらの及び他の特徴が、以下で
詳述される実施例から、より明瞭に理解されよう。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の概念的基礎は、熱伝導率
と電気伝導率の間の依存性の分離と、従来の熱電素子の
熱伝達の温度差及び効率を制限してきた依存性とに関連
する。機械的には、本目的は、熱電気熱伝達を動的に最
大化する一方で、ジュール加熱及び伝導熱伝達を最小化
する熱電開閉器の使用により、図１に示されるネットの
熱伝達関係に寄与する要素を効果的に分離することであ
る。熱電素子に印加されるパルス電圧と、熱電素子のコ
ールド側とコールド・シンクとの間で開閉される熱伝導
率結合とを同調させることにより、効率を向上させるた
めに、熱電素子の過渡効果が使用される。好適な実施例
では、熱伝導率の開閉が超小型電気機械式システム（Ｍ
ＥＭＳ）熱応動開閉器を用いて達成され、複数の小型の
熱電素子及び関連するＭＥＭＳ熱伝導率開閉器が、熱伝
達容量を増加するために使用される。
【００２４】図２は、本発明の最小要素構成を示す。熱
電要素１がＳ１開閉器７を通じて、ホット・シンク６に
選択的に結合され、Ｓ２開閉器８を通じて、コールド・
シンク４に選択的に結合される。開閉器７及び８は、そ
れらが電気伝導及び熱伝導の両方を提供する意味で、２
重機能である。電気伝導は電源２から電流を提供し、熱
伝導は熱電素子１の効果に応答して、コールド・シンク
４からホット・シンク６に熱エネルギを伝達する。図２
で実現されるように、制御装置９は開閉器７及び８を選
択的に作動させる。両方の開閉器７及び８の閉路は、熱
電素子１を通じる電流の導通を可能にし、熱電素子１の
ホット端１１とコールド端１２との間に、関連する相対
温度差を生成する。その過渡的間隔の間に、開閉器８を
通じる熱伝導がコールド・シンク４から熱を抽出する。
時間の経過につれ、熱電素子１内のジュール加熱熱伝導
率効果が、ネットの熱伝達が減少し始めるポイントに遷
移する。こうした最適化された時点で、開閉器８が開路
され、コールド・シンク４を熱電素子１から結合解除す
る。それに対して開閉器７は閉路されたまま維持され、
熱電素子１のホット端１１において、ホット・シンク６
に残余エネルギを消散し、熱電素子１の温度は結局、指
数関数的な減衰速度でホット・シンク６のレベルに等し
くなる。次に開閉器７が開路され、サイクルが繰り返さ
れる。制御装置９は、タイミング・シーケンスに従い開
閉器７及び８を動作できるか、熱電素子１及びシンク上
に配置される温度センサに応答する。
【００２５】図３は、図２の実施例の動作に関連する電
圧波形及び熱エネルギ輸送波形のプロットを示す。第１
のプロットは、熱電素子に印加されるパルス電圧を示
す。第２のプロットは、ホット・シンクに消散される熱
エネルギの熱過渡及び関連する減衰を示す。最後のプロ
ットは、コールド・シンクから、それに接続される熱応
動開閉器を通じる熱エネルギの吸収を示す。図３に示さ
れるプロットは、特殊化された大きさまたは特定の時間
関係を示すのではなく、単に一般的な概念を示すことを
意図する。
【００２６】図４の実施例は、開閉器７及び８により開
始される電気パルスと、熱伝達関数との間の、ある程度
の分離を可能にする改良を導入する。特に、開閉器８の
閉路により開始される電流パルスの期間が、コンデンサ
１３により導入される指数関数的減衰により定義され、
それにより熱電素子１を通じる電流が事実上、静まった
後、開閉器８による熱伝導を可能にする。コンデンサ１
３に蓄積された電荷は、抵抗器１４により機能的に示さ
れるような、ホット・シンク６にリンクされる単純な抵
抗性要素を通じて消散される。図４の実施例により導入
される主な改良は、コールド・シンク側の開閉器８によ
る電気伝導と熱伝導との分離である。しかしながら、犠
牲として、抵抗素子１４で消費される電力のために、効
率の低下を招く。
【００２７】図５は、本発明に特に好適な代表的な超小
型電気機械式システム（ＭＥＭＳ）開閉器の構造を示
す。ＭＥＭＳ技術はまだ未熟であるので、図５に示され
る開閉器は、熱電素子とシンクとの間の選択的な電気的
及び熱的結合を提供するのに好適な、多くの潜在的な開
閉器構成の１つを示すに過ぎない。図５に示される開閉
器は、従来の集積回路技術を用いて形成され、シリコン
・チップ１６の表面上に、薄い可撓性のメンブラン１８
における移動による僅かな変位を受け入れる、ニッケル
・マグネットのアレイ１７を形成する。スパイラル・コ
イル１９への電流の導入は、マグネット・アレイをシリ
コン・チップの平面に垂直な方向に動かすのに十分な力
を生成する。図５のＭＥＭＳ開閉器は、開状態に作動さ
れる時、比較的低い熱伝導率を有する一方、閉状態の時
には、比較的高い電気伝導率及び熱伝導率を有するべき
である。図５のＭＥＭＳ素子は、電気開閉作用及び熱応
動開閉作用の両方を達成するので、２重機能を強調する
様々な発展的な改良が期待される。
【００２８】図６は、図２に示される機能を維持しなが
ら、ペルチェ・タイプの熱電素子とシンクとの間で、電
気的及び熱的結合を選択的に確立するためのＭＥＭＳ素
子のアレイの使用を示す。熱電素子２１と、ホット・シ
ンク及びコールド・シンクＭＥＭＳ開閉器それぞれ２３
及び２４のマグネット・アレイ２２との間の間隔は、
０．５μｍの公称範囲内であることが期待される。この
寸法は、公称サイズの電気コイル１９（図５）が、開閉
器構造のアクチュエーションを開始することを可能にす
ると期待される。開閉サイクルは秒のオーダで発生する
と期待されるので、ＭＥＭＳ素子のキロヘルツ周波数の
開閉動作に関する信頼性は、問題とならない。
【００２９】図５及び図６に関連して述べられるＭＥＭ
Ｓタイプの熱応動開閉器は、単に多くの潜在的な開閉器
構成の１つに過ぎない。例えば、容量性開閉器構造内で
生成される静電力が、類似の目的を達成するために使用
され得る。全ての開閉器の基礎となる目標は開閉器が閉
じられるとき、熱電素子とシンクとの間の熱経路が最大
の熱コンダクタンスを有し、開閉器が開かれるとき、熱
コンダクタンスが最小となるように、開閉器位置におけ
る熱伝導率の極値を最大化する一方、電気伝導ジュール
加熱を最小化し、電気開閉器状態の極値を最大化するこ
とである。
【００３０】図６は、本発明の熱電冷却システムが好適
には、アレイ状に構成される複数の熱電素子及びＭＥＭ
Ｓ開閉器からなることを示す。複数の熱電素子及び開閉
器は、本発明の基礎となる過渡特性が、熱電素子及び開
閉器材料の寸法内で達成され得ることを保証する。換言
すると、ジュール加熱要素及び伝導要素からの熱電気熱
伝達の分離が、比較的小さな熱容量の熱電素子、一般に
はペルチェ素子と、相応して小さなＭＥＭＳタイプの開
閉器とにより、最も効果的に達成される。
【００３１】図７は、本発明の熱電冷却器の１アプリケ
ーションを示す。このケースでは、冷却器が、大気内に
電力を消散するヒート・シンクと、電子モジュール及び
それに取り付けられる集積回路を有するコールド・シン
クとの間に配置される。
【００３２】図８は、食糧冷蔵装置を効率的且つ清潔に
作動させるために、熱電冷却器を拡張アレイ形態で使用
する様子を示す。本発明を特徴付ける高効率及び主要移
動部品の欠如は、小型ポータブル冷却器などの高度に選
択的且つ限られたアプリケーションから、本質的に各家
庭内の主要電気製品へと、熱電冷却の移行を容易にす
る。
【００３３】更に別のアプリケーションが図９に示され
る。本発明の基礎となる概念は更に、住居及びオフィス
の冷却、食糧輸送システム、及び個人用自動車の冷却を
含む、主要な熱伝達アプリケーションを包含するよう
に、サイズ的に改良及び拡張される。
【００３４】図１０は、幾分異なった視点でのアプリケ
ーションを示し、集積回路パラメータを制御するため
に、超小型サイズの熱電冷却器が集積回路チップの一部
に選択的に接着されて選択領域を冷却する。こうした局
所的またはスポット冷却アプリケーションは、電圧制御
発振器、位相検出器、ミキサ、低ノイズ増幅器、レー
ザ、フォトダイオード、及び様々な材料タイプの光電気
回路において特に有用である。
【００３５】本発明は、特定の熱電材料または電子構成
に制約されないので、部分的に非常に広範な適用性を有
する。本発明は、小型の電気及び熱応動開閉器と一緒
に、パルス駆動の熱電素子の熱力学を用いることにより
熱伝達特性を分離し、より高度な冷却効率を獲得する。
【００３６】当業者であれば、ここで述べられた実施例
が、単に本発明が実施され得る多くの構成の一例に過ぎ
ず、本発明から逸脱すること無しに、別の等価な実施例
により置換され得ることが理解できよう。
【００３７】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００３８】（１）第１の公称温度の第１の熱シンク
と、前記第１の公称温度よりもかなり高い第２の公称温
度の第２の熱シンクと、前記第１及び第２の熱シンクに
結合されるように配置される熱電素子と、前記熱電素子
と前記第１の熱シンクとの間の熱結合を選択的に開閉す
る第１の手段と、前記熱電素子と前記第２の熱シンクと
の間の熱結合を選択的に開閉する第２の手段と、前記熱
電素子に選択的に電圧を印加する手段とを含む、熱電冷
却装置。 （２）前記第１及び第２の選択的開閉手段が機能的に同
調して動作可能である、前記（１）記載の熱電冷却装
置。 （３）前記第１及び第２の選択的開閉手段が電気的開閉
資源を含む、前記（２）記載の熱電冷却装置。 （４）前記熱電素子がペルチェ素子である、前記（３）
記載の熱電冷却装置。 （５）前記第１または第２の開閉手段が、少なくとも１
つの超小型電気機械式システム（ＭＥＭＳ）素子を含
む、前記（４）記載の熱電冷却装置。 （６）前記電圧のデューティ・サイクルが、前記第１の
選択的開閉手段のデューティ・サイクルに類似である、
前記（３）乃至（５）いずれかに記載の熱電冷却装置。 （７）前記第１の選択的開閉手段のデューティ・サイク
ルが、前記第２の選択的開閉手段のデューティ・サイク
ルよりも実質的に小さい、前記（３）乃至（５）いずれ
かに記載の熱電冷却装置。 （８）大気より高い温度にて熱エネルギを消散する第１
の熱シンク手段と、大気より低い温度にて熱エネルギを
吸収する第２の熱シンク手段と、前記第１及び第２の熱
シンク手段に結合されるように配置され、それらの間で
熱エネルギを輸送する熱電素子と、前記熱電素子と前記
第１の熱シンクとの間の結合の熱コンダクタンスを選択
的に開閉する第１の手段と、前記熱電素子と前記第２の
熱シンクとの間の結合の熱コンダクタンスを選択的に開
閉する第２の手段と、前記第２の選択的開閉手段と相対
的に同調して、前記熱電素子を選択的に作動させる手段
とを含む、大気内で動作する熱電冷却装置。 （９）前記第１及び第２の選択的開閉手段が電気的開閉
資源を含む、前記（８）記載の熱電冷却装置。 （１０）前記熱電素子がペルチェ素子である、前記
（９）記載の熱電冷却装置。 （１１）前記第１または第２の開閉手段が、少なくとも
１つの超小型電気機械式システム（ＭＥＭＳ）素子を含
む、前記（８）乃至（１０）いずれかに記載の熱電冷却
装置。 （１２）熱エネルギを食糧冷蔵システムから吸収し、大
気内に消散する、前記（１１）記載の熱電冷却装置。 （１３）熱エネルギを集積回路素子から吸収し、大気内
に消散する、前記（１１）記載の熱電冷却装置。 （１４）第１の公称温度で動作する第１の熱シンクと、
前記第１の公称温度よりもかなり高い第２の公称温度で
動作する第２の熱シンクと、前記第１及び第２の熱シン
クに結合されるように配置される熱電素子とを有する、
熱電冷却装置の操作方法であって、前記熱電素子と前記
第１の熱シンクとの間の熱エネルギの伝達を選択的に開
閉するステップと、前記熱電素子と前記第２の熱シンク
との間の熱エネルギの伝達を選択的に開閉するステップ
と、前記熱電素子に選択的に電圧を印加するステップと
を含む、方法。 （１５）大気より高い温度にて熱エネルギを消散する第
１の熱シンクと、大気より低い温度にて熱エネルギを吸
収する第２の熱シンクと、前記第１及び第２の熱シンク
の間に結合されるように配置され、それらの間で熱エネ
ルギを輸送する熱電素子とを有する、熱電冷却装置の操
作方法であって、前記熱電素子と前記第１の熱シンクと
の間の結合の熱コンダクタンスを選択的に開閉するステ
ップと、前記熱電素子と前記第２の熱シンクとの間の結
合の熱コンダクタンスを選択的に開閉するステップと、
前記選択的開閉ステップと動作上相対的に同調して、前
記熱電素子を選択的に作動させるステップとを含む、方
法。 （１６）前記選択的作動ステップが、前記熱電素子にか
かる電圧を開閉するステップを含む、前記（１５）記載
の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の静的動作のペルチェ素子冷却システムを
示す図である。
【図２】本発明の一般化された２つの開閉器、単一熱電
素子方式の実施例を示す図である。
【図３】図２の実施例による電力及び熱エネルギ輸送の
相対時間プロットを示す図である。
【図４】図２の実施例の２つの開閉器の容量型態様を示
す図である。
【図５】超小型電気機械式システム（ＭＥＭＳ）素子を
示す図である。
【図６】ＭＥＭＳ素子及びペルチェ・タイプの熱電素子
のアレイの断面図である。
【図７】集積回路及び電子モジュールを準大気冷却する
ために使用される熱電冷却器を示す図である。
【図８】本発明の食糧冷蔵システムへの拡張利用を示す
図である。
【図９】様々な住居及び輸送媒体に適用される本発明の
潜在的なアプリケーション及び利点を示す図である。
【図１０】集積回路チップの選択部分を局所的に冷却す
るための、小型熱電冷却器のアプリケーションを示す図
である。
【符号の説明】
１、２１ 熱電素子（ＴＥ） ２ ＤＣ電源 ３ 負荷電流 ４ コールド・シンク ６ ホット・シンク ７ Ｓ１開閉器 ８ Ｓ２開閉器 ９ 制御装置 １１ ホット端 １２ コールド端 １３ コンデンサ １４ 抵抗器 １６ シリコン・チップ １７ ニッケル・マグネットのアレイ １８ 薄い可撓性のメンブラン １９ スパイラル・コイル ２２ マグネット・アレイ ２３ ホット・シンクＭＥＭＳ開閉器 ２４ コールド・シンクＭＥＭＳ開閉器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/38 F25B 21/02 H01L 35/28

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の温度の第１の熱シンクと、前記第１の温度 よりもかなり高い第２の温度の第２の熱
    シンクと、 前記第１及び第２の熱シンクに結合されるように配置さ
    れる熱電素子と、 前記熱電素子と前記第１の熱シンクとの間の熱結合を選
    択的に開閉する第１の手段と、 前記熱電素子と前記第２の熱シンクとの間の熱結合を選
    択的に開閉する第２の手段と、 前記熱電素子に選択的に電圧を印加する手段とを含む、
    熱電冷却装置。
  2. 【請求項２】前記第１及び第２の選択的開閉手段が機能
    的に同調して動作可能である、請求項１記載の熱電冷却
    装置。
  3. 【請求項３】前記第１及び第２の選択的開閉手段が電気
    的開閉手段を含む、請求項２記載の熱電冷却装置。
  4. 【請求項４】前記熱電素子がペルチェ素子である、請求
    項３記載の熱電冷却装置。
  5. 【請求項５】前記第１または第２の開閉手段が、少なく
    とも１つの超小型電気機械式システム（ＭＥＭＳ）素子
    を含む、請求項４記載の熱電冷却装置。
  6. 【請求項６】前記電圧のデューティ・サイクルが、前記
    第１の選択的開閉手段のデューティ・サイクルに相互に
    関連づけられた、請求項３乃至請求項５いずれかに記載
    の熱電冷却装置。
  7. 【請求項７】前記第１の選択的開閉手段のデューティ・
    サイクルが、前記第２の選択的開閉手段のデューティ・
    サイクルよりも実質的に小さい、請求項３乃至請求項５
    いずれかに記載の熱電冷却装置。
  8. 【請求項８】大気より高い温度にて熱エネルギを消散す
    る第１の熱シンク手段と、 大気より低い温度にて熱エネルギを吸収する第２の熱シ
    ンク手段と、 前記第１及び第２の熱シンク手段に結合されるように配
    置され、それらの間で熱エネルギを輸送する熱電素子
    と、 前記熱電素子と前記第１の熱シンクとの間の結合の熱コ
    ンダクタンスを選択的に開閉する第１の手段と、 前記熱電素子と前記第２の熱シンクとの間の結合の熱コ
    ンダクタンスを選択的に開閉する第２の手段と、 前記第２の選択的開閉手段と相対的に同調して、前記熱
    電素子を選択的に作動させる手段とを含む、大気内で動
    作する熱電冷却装置。
  9. 【請求項９】前記第１及び第２の選択的開閉手段が電気
    的開閉手段を含む、請求項８記載の熱電冷却装置。
  10. 【請求項１０】前記熱電素子がペルチェ素子である、請
    求項９記載の熱電冷却装置。
  11. 【請求項１１】前記第１または第２の開閉手段が、少な
    くとも１つの超小型電気機械式システム（ＭＥＭＳ）素
    子を含む、請求項８乃至請求項１０いずれかに記載の熱
    電冷却装置。
  12. 【請求項１２】熱エネルギを食糧冷蔵システムから吸収
    し、大気内に消散する、請求項１１記載の熱電冷却装
    置。
  13. 【請求項１３】熱エネルギを集積回路素子から吸収し、
    大気内に消散する、請求項１１記載の熱電冷却装置。
  14. 【請求項１４】第１の温度で動作する第１の熱シンク
    と、前記第１の温度よりもかなり高い第２の温度で動作
    する第２の熱シンクと、前記第１及び第２の熱シンクに
    結合されるように配置される熱電素子とを有する、熱電
    冷却装置の操作方法であって、 前記熱電素子と前記第１の熱シンクとの間の熱エネルギ
    の伝達を選択的に開閉するステップと、 前記熱電素子と前記第２の熱シンクとの間の熱エネルギ
    の伝達を選択的に開閉するステップと、 前記熱電素子に選択的に電圧を印加するステップとを含
    む、方法。
  15. 【請求項１５】大気より高い温度にて熱エネルギを消散
    する第１の熱シンクと、大気より低い温度にて熱エネル
    ギを吸収する第２の熱シンクと、前記第１及び第２の熱
    シンクの間に結合されるように配置され、それらの間で
    熱エネルギを輸送する熱電素子とを有する、熱電冷却装
    置の操作方法であって、 前記熱電素子と前記第１の熱シンクとの間の結合の熱コ
    ンダクタンスを選択的に開閉するステップと、 前記熱電素子と前記第２の熱シンクとの間の結合の熱コ
    ンダクタンスを選択的に開閉するステップと、 前記選択的開閉ステップと動作上相対的に同調して、前
    記熱電素子を選択的に作動させるステップとを含む、方
    法。
  16. 【請求項１６】前記選択的作動ステップが、前記熱電素
    子にかかる電圧を開閉するステップを含む、請求項１５
    記載の方法。
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