JP3437946B2 - 熱電冷却装置 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
- F25B2321/021—Control thereof
- F25B2321/0212—Control thereof of electric power, current or voltage
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に熱電冷却
素子のデューティー・サイクルを増大すること、特に熱
電冷却器の大きい効率を実現する方法と装置に関する。
さらに特に、本発明は、熱電冷却プロセスの熱移動サイ
クル内の断続周期の間、熱電素子からホット・ソースに
減少した熱抵抗が実現できるように、熱電素子を熱的に
スイッチングする方法と装置に関する。
素子のデューティー・サイクルを増大すること、特に熱
電冷却器の大きい効率を実現する方法と装置に関する。
さらに特に、本発明は、熱電冷却プロセスの熱移動サイ
クル内の断続周期の間、熱電素子からホット・ソースに
減少した熱抵抗が実現できるように、熱電素子を熱的に
スイッチングする方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】工業における熱電デバイスの利用は、今
日まで、非常に特殊な応用に限定されてきた。非効率の
故に、非常にわずかな応用しか、熱電効果を効果的に用
いることができない。高コスト，低効率のような、熱電
素子の不所望な特性は、熱電デバイスの所望の特性より
もまさっている。近年、材料技術においてかなりの進歩
があり、進歩に貢献できる多くのものは、半導体工業に
よって成されている。
日まで、非常に特殊な応用に限定されてきた。非効率の
故に、非常にわずかな応用しか、熱電効果を効果的に用
いることができない。高コスト，低効率のような、熱電
素子の不所望な特性は、熱電デバイスの所望の特性より
もまさっている。近年、材料技術においてかなりの進歩
があり、進歩に貢献できる多くのものは、半導体工業に
よって成されている。
【０００３】冷蔵庫に見出されるような、通常の冷却装
置は、熱移動を与えるために、蒸気圧縮冷凍サイクルを
用いている。蒸気圧縮冷却は、最小限でも、圧縮機，凝
縮器，蒸発器，関連の冷媒移動配管を含むかなりの稼動
機器を必要とする。小型の蒸気圧縮冷却は、小さな冷却
応用例には利用できない。
置は、熱移動を与えるために、蒸気圧縮冷凍サイクルを
用いている。蒸気圧縮冷却は、最小限でも、圧縮機，凝
縮器，蒸発器，関連の冷媒移動配管を含むかなりの稼動
機器を必要とする。小型の蒸気圧縮冷却は、小さな冷却
応用例には利用できない。
【０００４】半導体と超伝導体は、低温では、高い性能
を有する。ＣＭＯＳ論理デバイスは、低温では、著しく
速く動作することができる。例えば、ＣＭＯＳ論理デバ
イスが、−５０℃で動作すると、性能は室温におけるよ
りも５０パーセント改善される。ＣＭＯＳ論理デバイス
を−１９６℃に液体窒素冷却すると、速度の２００パー
セント性能向上を示す。
を有する。ＣＭＯＳ論理デバイスは、低温では、著しく
速く動作することができる。例えば、ＣＭＯＳ論理デバ
イスが、−５０℃で動作すると、性能は室温におけるよ
りも５０パーセント改善される。ＣＭＯＳ論理デバイス
を−１９６℃に液体窒素冷却すると、速度の２００パー
セント性能向上を示す。
【０００５】同様の利点は、集積回路の配線に対して発
見された。配線抵抗は、室温での動作に比べ−５０℃で
動作する集積回路について、１／２に減少する。
見された。配線抵抗は、室温での動作に比べ−５０℃で
動作する集積回路について、１／２に減少する。
【０００６】このように、電界効果トランジスタのよう
な集積回路論理デバイスおよび相互接続配線の低室温で
の動作は、集積回路性能を著しく改善することができ
る。しかし、常に減少するサイズの領域に、そのような
冷却を実現することは、新しい挑戦を必要とする。
な集積回路論理デバイスおよび相互接続配線の低室温で
の動作は、集積回路性能を著しく改善することができ
る。しかし、常に減少するサイズの領域に、そのような
冷却を実現することは、新しい挑戦を必要とする。
【０００７】集積回路トランジスタの寸法は絶えず減少
し続け、トランジスタの密度は常に増大している。ま
た、単位時間あたりの、より速いスイッチング速度すな
わちより多くのスイッチング遷移は、追加的な加熱の要
因となる。現在では、１ギガヘルツ以上のスイッチング
速度が、実施されており、そのようなデバイスでは、適
切な冷却の重要度が増してきている。
し続け、トランジスタの密度は常に増大している。ま
た、単位時間あたりの、より速いスイッチング速度すな
わちより多くのスイッチング遷移は、追加的な加熱の要
因となる。現在では、１ギガヘルツ以上のスイッチング
速度が、実施されており、そのようなデバイスでは、適
切な冷却の重要度が増してきている。
【０００８】電圧制御発振器，位相検出器，混合器，低
雑音増幅器のようなアナログ回路は、デジタル回路より
多く発熱する。さらに、レーザーとフォト・ダイオード
は、より低温で、性能と分解能が非常に改善された。従
って、大容量データ記憶デバイス内のセンサの冷却は、
重要度が増してきている。集積回路内のホット・スポッ
トは、多くの関連した障害を生じさせる。集積回路の寸
法が減少し、よりコンパクトになると、内部で発生した
熱を放散することは、大きな問題となる。
雑音増幅器のようなアナログ回路は、デジタル回路より
多く発熱する。さらに、レーザーとフォト・ダイオード
は、より低温で、性能と分解能が非常に改善された。従
って、大容量データ記憶デバイス内のセンサの冷却は、
重要度が増してきている。集積回路内のホット・スポッ
トは、多くの関連した障害を生じさせる。集積回路の寸
法が減少し、よりコンパクトになると、内部で発生した
熱を放散することは、大きな問題となる。
【０００９】熱電冷却は、コンパクト・サイズのペルチ
ェ・デバイスが与えられることによって、いくつかの用
途を見出した１つの代替方法である。ペルチェ・デバイ
スの熱電冷却は、そのようなデバイスが固体なので、非
常に信頼できる。熱電デバイスの非効率性は、熱電冷却
構成を実現する重大な否定的側面である。ペルチェ・デ
バイス冷却装置は、コールド・シンクと周囲温度状態と
の間の相対的にわずかな温度差のため、２０パーセント
の範囲の効率を一般的に有する。
ェ・デバイスが与えられることによって、いくつかの用
途を見出した１つの代替方法である。ペルチェ・デバイ
スの熱電冷却は、そのようなデバイスが固体なので、非
常に信頼できる。熱電デバイスの非効率性は、熱電冷却
構成を実現する重大な否定的側面である。ペルチェ・デ
バイス冷却装置は、コールド・シンクと周囲温度状態と
の間の相対的にわずかな温度差のため、２０パーセント
の範囲の効率を一般的に有する。
【００１０】例えば、ペルチェ冷却装置を用いて、１ワ
ットのレートで冷却し、０℃の低周囲温度を達成するに
は、装置に５ワットの電力を供給することを必要とす
る。移動される熱の総量が増加すると、環境に消散され
る全電力は、大きな対流デバイスおよび大きな電源回路
に依存することになる。従って、ペルチェ・デバイス熱
電冷却は、電子および光デバイスの冷却に広く応用可能
な技術であると考えられてこなかった。
ットのレートで冷却し、０℃の低周囲温度を達成するに
は、装置に５ワットの電力を供給することを必要とす
る。移動される熱の総量が増加すると、環境に消散され
る全電力は、大きな対流デバイスおよび大きな電源回路
に依存することになる。従って、ペルチェ・デバイス熱
電冷却は、電子および光デバイスの冷却に広く応用可能
な技術であると考えられてこなかった。
【００１１】一般に、ペルチェ・デバイスは、テルル化
ビスマスまたはテルル化鉛のような半導体材料から作製
される。一般に利用されるペルチェ材料は、非常に高い
電気伝導率と比較的低い熱伝導率を示す。対照的に、ほ
とんどの金属は、高い電気伝導率と高い熱伝導率を両方
有している。
ビスマスまたはテルル化鉛のような半導体材料から作製
される。一般に利用されるペルチェ材料は、非常に高い
電気伝導率と比較的低い熱伝導率を示す。対照的に、ほ
とんどの金属は、高い電気伝導率と高い熱伝導率を両方
有している。
【００１２】動作中、ペルチェ・デバイスは、ペルチェ
・デバイスを横切る電界に応じて、温度Ｔcoldのコール
ド・シンクから温度Ｔhotのホット・ソースへ電子を移
動させる。
・デバイスを横切る電界に応じて、温度Ｔcoldのコール
ド・シンクから温度Ｔhotのホット・ソースへ電子を移
動させる。
【００１３】図１は、従来のペルチェ・タイプ熱電素子
（ＴＥ）１を示し、このＴＥ１は、ＴＥ１を横切る電界
と負荷電流３とを生成するＤＣ電源２を有している。要
求される熱移動は、温度Ｔcoldのコールド・マス４から
温度Ｔhotの熱交換機６へである。熱電素子の基本的熱
移動は、以下に示される。
（ＴＥ）１を示し、このＴＥ１は、ＴＥ１を横切る電界
と負荷電流３とを生成するＤＣ電源２を有している。要
求される熱移動は、温度Ｔcoldのコールド・マス４から
温度Ｔhotの熱交換機６へである。熱電素子の基本的熱
移動は、以下に示される。
【００１４】
【数１】
【００１５】ペルチェ・デバイスによって伝達される正
味の熱エネルギーは、３つの要素よりなる。式１では、
１番目の要素αＴcoldＩは、ペルチェ効果（熱電効果）
寄与部分を示し、２番目の要素１／２Ｉ2Ｒは、負のジ
ュール加熱すなわち抵抗性効果を示し、そして３番目の
要素ＫΔＴは、熱の負の伝導率効果（バックフロー）を
示す。熱電成分は、ゼーベック係数αと、動作温度（Ｔ
cold）と、ＴＥデバイスＩを流れる電流とから構成され
る。
味の熱エネルギーは、３つの要素よりなる。式１では、
１番目の要素αＴcoldＩは、ペルチェ効果（熱電効果）
寄与部分を示し、２番目の要素１／２Ｉ2Ｒは、負のジ
ュール加熱すなわち抵抗性効果を示し、そして３番目の
要素ＫΔＴは、熱の負の伝導率効果（バックフロー）を
示す。熱電成分は、ゼーベック係数αと、動作温度（Ｔ
cold）と、ＴＥデバイスＩを流れる電流とから構成され
る。
【００１６】バイアス電流によって生じるジュール加熱
のほぼ半分は、コールド・シンクに伝導され、残りはホ
ット・ソースに伝導される。最後に、熱伝導に起因する
負の成分は、ペルチェ・デバイスを通る熱の流れすなわ
ち熱伝導を示す。Ｋは、ホット・ソースからコールド・
シンクへのペルチェ・デバイスの熱伝導率である。
のほぼ半分は、コールド・シンクに伝導され、残りはホ
ット・ソースに伝導される。最後に、熱伝導に起因する
負の成分は、ペルチェ・デバイスを通る熱の流れすなわ
ち熱伝導を示す。Ｋは、ホット・ソースからコールド・
シンクへのペルチェ・デバイスの熱伝導率である。
【００１７】式１では、熱移動の熱電成分は、ペルチェ
・デバイスを流れる電流に対して線形に増加し、ジュー
ル加熱は電流の２乗に比例して増加する。別言すれば、
抵抗性加熱は、ペルチェ・デバイスを流れる電流によ
り、指数関数的に増加し、一方、冷却効果は、増加した
電流に対して線形に増加する。熱伝導は、また、ホット
・ソースとコールド・シンクとの間の温度差に正比例す
る。式１は、いかに速くペルチェ・デバイスが非効率に
なるかを明瞭に示している。
・デバイスを流れる電流に対して線形に増加し、ジュー
ル加熱は電流の２乗に比例して増加する。別言すれば、
抵抗性加熱は、ペルチェ・デバイスを流れる電流によ
り、指数関数的に増加し、一方、冷却効果は、増加した
電流に対して線形に増加する。熱伝導は、また、ホット
・ソースとコールド・シンクとの間の温度差に正比例す
る。式１は、いかに速くペルチェ・デバイスが非効率に
なるかを明瞭に示している。
【００１８】以下の式２は、ペルチェ・デバイスの成績
係数を示している。成績係数は、ペルチェ・デバイス内
で消費される電力に対する、低温で移動された正味熱エ
ネルギーの比である。テルル化ビスマス材料から作られ
た典型的なペルチェ・デバイスでは、成績係数は、３０
Ｋの温度差に対して０．３より小さい。
係数を示している。成績係数は、ペルチェ・デバイス内
で消費される電力に対する、低温で移動された正味熱エ
ネルギーの比である。テルル化ビスマス材料から作られ
た典型的なペルチェ・デバイスでは、成績係数は、３０
Ｋの温度差に対して０．３より小さい。
【００１９】
【数２】
【００２０】式２の分子は、ペルチェ・デバイスの正味
の冷却能力を示すことに注意すべきである。式２の分母
は、外部ＤＣ電源２によって与えられた全エネルギーを
示す。分子の各要素は、式１に関連して、前述されてい
る。分子の第１の要素は、全ジュール加熱であり、一
方、第２の要素は、ＴcoldシンクからＴhotソースへエ
ネルギーを移動する際に、ペルチェ・デバイスによって
行われた熱エネルギー移動仕事である。この関係に基づ
き、式１の構成で可能な最大成績係数は、式３によって
与えられる。
の冷却能力を示すことに注意すべきである。式２の分母
は、外部ＤＣ電源２によって与えられた全エネルギーを
示す。分子の各要素は、式１に関連して、前述されてい
る。分子の第１の要素は、全ジュール加熱であり、一
方、第２の要素は、ＴcoldシンクからＴhotソースへエ
ネルギーを移動する際に、ペルチェ・デバイスによって
行われた熱エネルギー移動仕事である。この関係に基づ
き、式１の構成で可能な最大成績係数は、式３によって
与えられる。
【００２１】
【数３】
【００２２】パラメータＹは、式４に示されるように、
ゼーベック係数α、電気伝導率σおよび熱伝導率λで表
すことができる。
ゼーベック係数α、電気伝導率σおよび熱伝導率λで表
すことができる。
【００２３】
【数４】
【００２４】式３の第１因数Ｔcold／ΔＴは、２つの熱
シンクＴcoldとＴhotとの間で動作するヒート・ポンプ
に対して可能な最大効率である。Ｔcold／ΔＴは、一般
にカルノー効率と称される。第２因数は、非理想的な熱
電冷却を示し、この熱電冷却は、また、良度指数ＺＴに
よって特徴づけられる。Ｙ→∞となるに従って、η→
（Ｔcold／ΔＴ）となることに注意すべきである。現在
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。
シンクＴcoldとＴhotとの間で動作するヒート・ポンプ
に対して可能な最大効率である。Ｔcold／ΔＴは、一般
にカルノー効率と称される。第２因数は、非理想的な熱
電冷却を示し、この熱電冷却は、また、良度指数ＺＴに
よって特徴づけられる。Ｙ→∞となるに従って、η→
（Ｔcold／ΔＴ）となることに注意すべきである。現在
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。
【００２５】歴史的に、熱電冷却器用の一般的な材料
は、テルル化ビスマス（Ｂｉ2Ｔｅ3）、テルル化鉛（Ｐ
ｂＴｅ）であった。これらの材料は、室温で約０．３の
ＺＴ値を有する。最近の研究は、ＺＴ値を１に近づける
ことが、テルル化鉛量子井戸と多格子で可能になること
を示している。しかし、それらの材料でさえ、熱電デバ
イスは、実用的な冷却の解決方法を提示できない。
は、テルル化ビスマス（Ｂｉ2Ｔｅ3）、テルル化鉛（Ｐ
ｂＴｅ）であった。これらの材料は、室温で約０．３の
ＺＴ値を有する。最近の研究は、ＺＴ値を１に近づける
ことが、テルル化鉛量子井戸と多格子で可能になること
を示している。しかし、それらの材料でさえ、熱電デバ
イスは、実用的な冷却の解決方法を提示できない。
【００２６】ペルチェ・デバイス冷却の他の制約は、周
囲温度以下の限定された温度偏位しか、達成できないこ
とである。温度差の制限は、有効な温度差が、効率によ
って制約を加えられる事実から生じる。効率は、ホット
・ソースとコールド・シンクとの間の温度差が増加する
と、急速に低下する。可能な最大温度差Ｔmaxは、以下
の式５で与えられる。
囲温度以下の限定された温度偏位しか、達成できないこ
とである。温度差の制限は、有効な温度差が、効率によ
って制約を加えられる事実から生じる。効率は、ホット
・ソースとコールド・シンクとの間の温度差が増加する
と、急速に低下する。可能な最大温度差Ｔmaxは、以下
の式５で与えられる。
【００２７】
【数５】
【００２８】約０．３のＺＴを有するテルル化ビスマス
については、Ｔmaxは３００Ｋで４５Ｋであり、ここで
３２°Ｆは２７３Ｋに相当する。
については、Ｔmaxは３００Ｋで４５Ｋであり、ここで
３２°Ｆは２７３Ｋに相当する。
【００２９】従って、冷却応用に対する従来の熱電素子
の実用的利用を制限する効率と温度差に対する、多くの
非常に基礎的な制約がある。特に、周囲温度を用いて熱
を放散する応用は、実行不可能である。一般的に、ペル
チェ・デバイスは、寸法が小さく、限定された量の熱を
移動できるだけである。従って、要求された大きさの冷
却効果を生じさせるために、多くのペルチェ・デバイス
は、互いに接続されなければならない。
の実用的利用を制限する効率と温度差に対する、多くの
非常に基礎的な制約がある。特に、周囲温度を用いて熱
を放散する応用は、実行不可能である。一般的に、ペル
チェ・デバイスは、寸法が小さく、限定された量の熱を
移動できるだけである。従って、要求された大きさの冷
却効果を生じさせるために、多くのペルチェ・デバイス
は、互いに接続されなければならない。
【００３０】基本的熱電冷却構成の拡張は、熱電素子の
スイッチングによって、実現できる。ペルチェ冷却は高
速（マイクロ秒以下）であり、一方、熱伝導は低速（ミ
リ秒）である。時間スケールにおける差は、過渡状態下
で強化された冷却を生じる。熱的および電気的スイッチ
ングは、微小電気機械スイッチによって実現される。切
り換えられる冷却器は、ペルチェ・デバイスの効率を増
大し、２００Ｋほどの大きさの最大温度差を可能にす
る。
スイッチングによって、実現できる。ペルチェ冷却は高
速（マイクロ秒以下）であり、一方、熱伝導は低速（ミ
リ秒）である。時間スケールにおける差は、過渡状態下
で強化された冷却を生じる。熱的および電気的スイッチ
ングは、微小電気機械スイッチによって実現される。切
り換えられる冷却器は、ペルチェ・デバイスの効率を増
大し、２００Ｋほどの大きさの最大温度差を可能にす
る。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】従って、熱電デバイス
に選択的に電力を供給し、選択的，熱的にスイッチング
して、熱電冷却器の効率を増大する方法と装置が必要で
あることは明らかである。
に選択的に電力を供給し、選択的，熱的にスイッチング
して、熱電冷却器の効率を増大する方法と装置が必要で
あることは明らかである。
【００３２】従って、本発明の一つの目的は、熱電冷却
素子の増大されたデューティー・サイクルを提供するこ
とにある。
素子の増大されたデューティー・サイクルを提供するこ
とにある。
【００３３】本発明の他の目的は、高効率を有する熱電
冷却装置を提供することにある。
冷却装置を提供することにある。
【００３４】さらに本発明のさらに他の目的は、冷却サ
イクルの重要な部分の間、熱電素子からホット・ソース
への減少した熱抵抗を達成するために、熱電素子を熱的
にスイッチングする方法と装置を提供することにある。
イクルの重要な部分の間、熱電素子からホット・ソース
への減少した熱抵抗を達成するために、熱電素子を熱的
にスイッチングする方法と装置を提供することにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】前述の目的は、以下に説
明するように達成される。ペルチェ・デバイスすなわち
熱電素子を有する熱電冷却装置は、ホット・ソースとコ
ールド・シンクに接続される。ホット・ソースは、熱電
素子によって生じた熱を放散する。コールド・シンク
は、冷却されるマスに接続される。熱電素子に電力を供
給する手段が与えられ、ホット・ソースに熱電素子を選
択的，熱的に接続する手段が与えられる。ホット・ソー
スへの熱電素子の選択的，熱的スイッチングは、熱電素
子が過剰の熱を有するとき、熱をホット・ソースに放散
させる。過剰の熱があるときに、過剰の熱を放散するこ
とは、熱電冷却において、より高い効率を達成させる。
明するように達成される。ペルチェ・デバイスすなわち
熱電素子を有する熱電冷却装置は、ホット・ソースとコ
ールド・シンクに接続される。ホット・ソースは、熱電
素子によって生じた熱を放散する。コールド・シンク
は、冷却されるマスに接続される。熱電素子に電力を供
給する手段が与えられ、ホット・ソースに熱電素子を選
択的，熱的に接続する手段が与えられる。ホット・ソー
スへの熱電素子の選択的，熱的スイッチングは、熱電素
子が過剰の熱を有するとき、熱をホット・ソースに放散
させる。過剰の熱があるときに、過剰の熱を放散するこ
とは、熱電冷却において、より高い効率を達成させる。
【００３６】本発明の上述および追加の目的，特徴，利
点は、次に詳述された説明で明らかになるであろう。
点は、次に詳述された説明で明らかになるであろう。
【００３７】
【発明の実施の形態】図２には、本発明の一実施の形態
による、ホット・ソース１４とコールド・シンク１６へ
のペルチェ・デバイスの新規な相互接続が示されてい
る。動作の際、ペルチェ・デバイス１５は、ホット・ソ
ース１４を加熱し、コールド・シンク１６を冷却する。
図２は、第１の熱電スイッチ１８を介してコールド・シ
ンク１６に接続されるペルチェ・デバイスを表す簡略化
した図を示している。
による、ホット・ソース１４とコールド・シンク１６へ
のペルチェ・デバイスの新規な相互接続が示されてい
る。動作の際、ペルチェ・デバイス１５は、ホット・ソ
ース１４を加熱し、コールド・シンク１６を冷却する。
図２は、第１の熱電スイッチ１８を介してコールド・シ
ンク１６に接続されるペルチェ・デバイスを表す簡略化
した図を示している。
【００３８】第１の熱電スイッチ１８は、コールド・シ
ンク１６をペルチェ・デバイス１５へ、熱的に接続す
る。第２の熱スイッチ３８は、ホット・ソース１４をペ
ルチェ・デバイス１５へ接続する。その結果、ペルチェ
・デバイス１５は、第１の熱電スイッチ１８が閉位置の
時、コールド・シンク１６に電気的かつ熱的に接続され
る。図示の実施の形態においては、ペルチェ・デバイス
１５は、小さい熱抵抗を有する熱経路を介して、ペルチ
ェ・デバイス１５の第１の端部１９でホット・ソース１
４に連続的に熱的かつ電気的に接続される。
ンク１６をペルチェ・デバイス１５へ、熱的に接続す
る。第２の熱スイッチ３８は、ホット・ソース１４をペ
ルチェ・デバイス１５へ接続する。その結果、ペルチェ
・デバイス１５は、第１の熱電スイッチ１８が閉位置の
時、コールド・シンク１６に電気的かつ熱的に接続され
る。図示の実施の形態においては、ペルチェ・デバイス
１５は、小さい熱抵抗を有する熱経路を介して、ペルチ
ェ・デバイス１５の第１の端部１９でホット・ソース１
４に連続的に熱的かつ電気的に接続される。
【００３９】ペルチェ・デバイス１５の第２の端部１７
は、第１の熱電スイッチ１８が閉位置の時、コールド・
シンク１６へ熱的に接続される。図２の実施の形態で
は、電源２２は、ペルチェ・デバイス１５へ制御された
電流を供給する。ペルチェ・デバイス１５の抵抗は、低
く、ペルチェ・デバイス１５を経る数ミリボルトの電圧
は、ペルチェ・デバイス１５を流れる約１アンペアの電
流を生ずる。好ましい実施の形態では、電流パルス３６
が、電源２２によってペルチェ・デバイス１５に供給さ
れる。
は、第１の熱電スイッチ１８が閉位置の時、コールド・
シンク１６へ熱的に接続される。図２の実施の形態で
は、電源２２は、ペルチェ・デバイス１５へ制御された
電流を供給する。ペルチェ・デバイス１５の抵抗は、低
く、ペルチェ・デバイス１５を経る数ミリボルトの電圧
は、ペルチェ・デバイス１５を流れる約１アンペアの電
流を生ずる。好ましい実施の形態では、電流パルス３６
が、電源２２によってペルチェ・デバイス１５に供給さ
れる。
【００４０】図２を参照して、以下で熱電冷却器の一実
施の形態の動作説明を行う。
施の形態の動作説明を行う。
【００４１】サイクルの最初は、ペルチェ・デバイス１
５とホット・ソース１４の温度は、ペルチェ・デバイス
１５のホット・ソース１４への熱結合によって、はぼ同
じである。第１の熱電スイッチ１８を閉じることによ
り、ペルチェ・デバイス１５を流れる電流で、ペルチェ
・デバイス１５は、ペルチェ効果によりホット・ソース
１４とコールド・シンク１６との間の相対温度差をすぐ
に形成する。具体的には、ペルチェ・デバイス１５によ
って、ホット・ソース１４は加熱され、コールド・シン
ク１６は冷却される。温度差は、ペルチェ・デバイス１
５の第２の端部１７からコールド・シンク１６へ熱移動
させる。
５とホット・ソース１４の温度は、ペルチェ・デバイス
１５のホット・ソース１４への熱結合によって、はぼ同
じである。第１の熱電スイッチ１８を閉じることによ
り、ペルチェ・デバイス１５を流れる電流で、ペルチェ
・デバイス１５は、ペルチェ効果によりホット・ソース
１４とコールド・シンク１６との間の相対温度差をすぐ
に形成する。具体的には、ペルチェ・デバイス１５によ
って、ホット・ソース１４は加熱され、コールド・シン
ク１６は冷却される。温度差は、ペルチェ・デバイス１
５の第２の端部１７からコールド・シンク１６へ熱移動
させる。
【００４２】ペルチェ・デバイス１５の第１の端部の温
度は、ホット・ソース１４の温度以上に上昇し、第１の
熱電スイッチ１８が開いて、電流を遮断し、さらなるジ
ュール加熱を阻止する。第１の熱電スイッチ１８が開く
ときに近い時刻に、第２の熱スイッチ３８が閉じて、ペ
ルチェ・デバイス１５からホット・ソース１４へのジュ
ール熱伝導を促進する。
度は、ホット・ソース１４の温度以上に上昇し、第１の
熱電スイッチ１８が開いて、電流を遮断し、さらなるジ
ュール加熱を阻止する。第１の熱電スイッチ１８が開く
ときに近い時刻に、第２の熱スイッチ３８が閉じて、ペ
ルチェ・デバイス１５からホット・ソース１４へのジュ
ール熱伝導を促進する。
【００４３】特に、電流パルス３６の立ち上がりエッジ
が、ペルチェ・デバイス１５に供給されて約３ミリ秒経
過すると、ペルチェ・デバイス１５内の抵抗のため、ジ
ュール加熱効果は、ペルチェ・デバイス１５の平均温度
を上昇させて、ペルチェ効果による、ペルチェ・デバイ
ス１５を通る正味ペルチェ熱移動が減少し始める。電流
パルス３６の立ち下がりエッジで、第１の熱電スイッチ
１８が開き、ペルチェ・デバイス１５からコールド・シ
ンク１６への熱経路を遮断する。
が、ペルチェ・デバイス１５に供給されて約３ミリ秒経
過すると、ペルチェ・デバイス１５内の抵抗のため、ジ
ュール加熱効果は、ペルチェ・デバイス１５の平均温度
を上昇させて、ペルチェ効果による、ペルチェ・デバイ
ス１５を通る正味ペルチェ熱移動が減少し始める。電流
パルス３６の立ち下がりエッジで、第１の熱電スイッチ
１８が開き、ペルチェ・デバイス１５からコールド・シ
ンク１６への熱経路を遮断する。
【００４４】ペルチェ・デバイス１５に対する第２の熱
スイッチ３８の位置は、本発明の範囲に関係せず、第２
の熱スイッチ３８を、ペルチェ・デバイス１５に対して
任意の位置に接続することは、本発明による冷却強化を
与える。
スイッチ３８の位置は、本発明の範囲に関係せず、第２
の熱スイッチ３８を、ペルチェ・デバイス１５に対して
任意の位置に接続することは、本発明による冷却強化を
与える。
【００４５】ジュール加熱による、ペルチェ・デバイス
１５内の残りの熱エネルギーは、ホット・ソース１４に
まで減衰する。すなわち、第２の熱スイッチ３８を介し
てペルチェ・デバイスからホット・ソース１４への熱移
動により、ペルチェ・デバイス１５内の残りの熱エネル
ギーの減速が加速される。ペルチェ・デバイス１５の温
度が、ホット・ソース１４に近い温度にまで減衰する
と、サイクルが繰り返される。
１５内の残りの熱エネルギーは、ホット・ソース１４に
まで減衰する。すなわち、第２の熱スイッチ３８を介し
てペルチェ・デバイスからホット・ソース１４への熱移
動により、ペルチェ・デバイス１５内の残りの熱エネル
ギーの減速が加速される。ペルチェ・デバイス１５の温
度が、ホット・ソース１４に近い温度にまで減衰する
と、サイクルが繰り返される。
【００４６】ペルチェ・デバイス１５が比較的に高い熱
インピーダンスを持つことは、好ましい。冷却サイクル
の間、ペルチェ・デバイス１５はホット・ソース１４と
コールド・シンク１６との間の最大温度差を与えなけれ
ばならないので、高い熱インピーダンスは、重要であ
る。高い熱インピーダンスは、また、熱平衡が望まれる
サイクルの不作動部分に対して重要である。第２の熱ス
イッチ３８は、熱平衡を早期に作り出す役割を果たし、
その結果得られる短周期のデューティー・サイクルは、
冷却効率を向上させる。
インピーダンスを持つことは、好ましい。冷却サイクル
の間、ペルチェ・デバイス１５はホット・ソース１４と
コールド・シンク１６との間の最大温度差を与えなけれ
ばならないので、高い熱インピーダンスは、重要であ
る。高い熱インピーダンスは、また、熱平衡が望まれる
サイクルの不作動部分に対して重要である。第２の熱ス
イッチ３８は、熱平衡を早期に作り出す役割を果たし、
その結果得られる短周期のデューティー・サイクルは、
冷却効率を向上させる。
【００４７】熱移動の動作の過渡特性は、熱電の熱移動
が、相対電圧を受け取るとすぐに生じるが、ジュール加
熱とその後の熱電素子の伝導損とは、遅れた効果である
ことを認めている。従って、本発明は、ペルチェ冷却，
抵抗加熱，熱伝導の異なるタイム・スケールと時定数に
依存する。
が、相対電圧を受け取るとすぐに生じるが、ジュール加
熱とその後の熱電素子の伝導損とは、遅れた効果である
ことを認めている。従って、本発明は、ペルチェ冷却，
抵抗加熱，熱伝導の異なるタイム・スケールと時定数に
依存する。
【００４８】電流パルス３６と、第１の熱電スイッチ１
８および第２の熱スイッチ３８のデューティー・サイク
ルとの制御可能な範囲に応じて、本発明のスイッチング
の同期を柔軟に決めることができる。電流パルス３６
と、第１の熱電スイッチ１８および第２の熱スイッチ３
８の動作は、共に、非常に短いデューティー・サイクル
を有し、そして互いに比較的同期した動作を示すが、開
閉サイクルのパルス幅とタイミングは、用いられる熱電
素子の過渡特性と、ペルチェ・デバイス１５からホット
・ソース１４とコールド・シンク１６への熱伝導状態と
に依存して異なることがありうる。
８および第２の熱スイッチ３８のデューティー・サイク
ルとの制御可能な範囲に応じて、本発明のスイッチング
の同期を柔軟に決めることができる。電流パルス３６
と、第１の熱電スイッチ１８および第２の熱スイッチ３
８の動作は、共に、非常に短いデューティー・サイクル
を有し、そして互いに比較的同期した動作を示すが、開
閉サイクルのパルス幅とタイミングは、用いられる熱電
素子の過渡特性と、ペルチェ・デバイス１５からホット
・ソース１４とコールド・シンク１６への熱伝導状態と
に依存して異なることがありうる。
【００４９】図２の動作を要約すると、電流パルス３６
は、ペルチェ効果による瞬間冷却を引き起こす。ペルチ
ェ効果は、閉じた第１の熱電スイッチ１８を経てコール
ド・シンク１６からホット・ソース１４へ熱移動を引き
起こす。しかし、ジュール加熱による熱が、ペルチェ効
果の反対方向に移動する前に、第１の熱電スイッチ１８
はそのような不所望な熱移動を阻止するために開き、第
２の熱スイッチ３８はホット・ソース１４への熱移動を
促進するために閉じる。具体的には、第１の熱電スイッ
チ１８は、ジュール加熱によるエネルギーがペルチェ・
デバイス１５からコールド・シンク１６へ移動できない
ように、開く。
は、ペルチェ効果による瞬間冷却を引き起こす。ペルチ
ェ効果は、閉じた第１の熱電スイッチ１８を経てコール
ド・シンク１６からホット・ソース１４へ熱移動を引き
起こす。しかし、ジュール加熱による熱が、ペルチェ効
果の反対方向に移動する前に、第１の熱電スイッチ１８
はそのような不所望な熱移動を阻止するために開き、第
２の熱スイッチ３８はホット・ソース１４への熱移動を
促進するために閉じる。具体的には、第１の熱電スイッ
チ１８は、ジュール加熱によるエネルギーがペルチェ・
デバイス１５からコールド・シンク１６へ移動できない
ように、開く。
【００５０】従来技術の構成の効率を改善する基本概念
が、この明細書で述べられている。図２のペルチェ・デ
バイス１５に関して、それらのさらに詳しい説明と変形
例は、本出願に関連する出願に、さらに完全に述べられ
ている。多くの構成が本発明に関連して用いることがで
きるので、図２の説明は、本発明の範囲を限定するもの
と考えてはならない。
が、この明細書で述べられている。図２のペルチェ・デ
バイス１５に関して、それらのさらに詳しい説明と変形
例は、本出願に関連する出願に、さらに完全に述べられ
ている。多くの構成が本発明に関連して用いることがで
きるので、図２の説明は、本発明の範囲を限定するもの
と考えてはならない。
【００５１】図３には、デュアル・ペルチェ・デバイス
熱電冷却の構成が、示されている。熱電デバイス２０
は、Ｎ形熱電素子１０とＰ形熱電素子１２とを備えてい
る。図３に示された装置は、図２に示された構成と類似
しているが、２つのペルチェ・デバイスが示されてお
り、各ペルチェ・デバイスはホット・ソース１４への熱
移動を促進する熱スイッチを有している。
熱電冷却の構成が、示されている。熱電デバイス２０
は、Ｎ形熱電素子１０とＰ形熱電素子１２とを備えてい
る。図３に示された装置は、図２に示された構成と類似
しているが、２つのペルチェ・デバイスが示されてお
り、各ペルチェ・デバイスはホット・ソース１４への熱
移動を促進する熱スイッチを有している。
【００５２】Ｎ形熱電素子１０とＰ形熱電素子１２と
は、電源２２と直列構成に相互接続されている。熱流の
方向は、ドーピングのタイプ（例えばＮ形またはＰ形）
と電流の方向とに依存する。従って、Ｎ形とＰ形のデバ
イスの曲がりくねった構成は、電気的直列相互接続と熱
的並列相互接続を可能にする。
は、電源２２と直列構成に相互接続されている。熱流の
方向は、ドーピングのタイプ（例えばＮ形またはＰ形）
と電流の方向とに依存する。従って、Ｎ形とＰ形のデバ
イスの曲がりくねった構成は、電気的直列相互接続と熱
的並列相互接続を可能にする。
【００５３】図３では、スイッチＳ３が電気的スイッチ
ングをおこなうが、第３の熱スイッチ５０，第４の熱ス
イッチ５２，第５の熱スイッチ５４は、熱的スイッチン
グを行うが、電気的スイッチングを行わず、電流を流す
ことはない。
ングをおこなうが、第３の熱スイッチ５０，第４の熱ス
イッチ５２，第５の熱スイッチ５４は、熱的スイッチン
グを行うが、電気的スイッチングを行わず、電流を流す
ことはない。
【００５４】第４の熱スイッチ５２，第５の熱スイッチ
５４は、ジュール加熱による熱が、Ｎ形熱電素子１０と
Ｐ形熱電素子１２からホット・ソース１４に放散できる
ように、同時に開閉する。Ｎ形熱電素子１０とＰ形熱電
素子１２の熱インピーダンスをほとんど有さない表面領
域からの熱移動は、熱電素子の効率を増大する。しか
し、熱電素子１０の第１の端部１９を介して低い熱イン
ピーダンス経路によって、熱電素子１０からホット・ソ
ース１４への連続する熱結合が与えられる。
５４は、ジュール加熱による熱が、Ｎ形熱電素子１０と
Ｐ形熱電素子１２からホット・ソース１４に放散できる
ように、同時に開閉する。Ｎ形熱電素子１０とＰ形熱電
素子１２の熱インピーダンスをほとんど有さない表面領
域からの熱移動は、熱電素子の効率を増大する。しか
し、熱電素子１０の第１の端部１９を介して低い熱イン
ピーダンス経路によって、熱電素子１０からホット・ソ
ース１４への連続する熱結合が与えられる。
【００５５】熱電デバイス２０が電流を流し、熱電装置
がサイクルの冷却部分にあるときに、第３の熱スイッチ
５０が閉じると、熱電デバイス２０の第２の端部１７を
介した、熱電デバイス２０とコールド・シンク１６との
間の低インピーダンスの熱経路のため、熱電デバイス２
０は、コールド・シンク１６を冷却する。
がサイクルの冷却部分にあるときに、第３の熱スイッチ
５０が閉じると、熱電デバイス２０の第２の端部１７を
介した、熱電デバイス２０とコールド・シンク１６との
間の低インピーダンスの熱経路のため、熱電デバイス２
０は、コールド・シンク１６を冷却する。
【００５６】
【００５７】本発明を、実施の形態を参照して、特に説
明したが、当業者によれば、本発明の趣旨と範囲から逸
脱すること無しに、形態と詳細の多くの変更を行うこと
ができることが分かるであろう。
明したが、当業者によれば、本発明の趣旨と範囲から逸
脱すること無しに、形態と詳細の多くの変更を行うこと
ができることが分かるであろう。
【００５８】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。
の事項を開示する。
【００５９】
【００６０】
【００６１】
【００６２】
【００６３】
【００６４】
【００６５】
【００６６】
【００６７】
【００６８】
【００６９】
【００７０】
【００７１】
【００７２】
【００７３】
【００７４】
【図１】従来の静的動作ペルチェ冷却装置を示す図であ
る。
る。
【図２】本発明による、増大された熱的スイッチングを
有する熱電冷却装置を示す図である。
有する熱電冷却装置を示す図である。
【図３】本発明による、増大された熱的スイッチングを
有するデュアル熱電冷却装置の図である。
有するデュアル熱電冷却装置の図である。
フロントページの続き
(72)発明者 アッタム・シャマーリンデュ・ゴシャー
ル
アメリカ合衆国 78733 テキサス州
オースティン インディゴ ブルーム
ループ 10421
Claims (7)
- 【請求項１】熱電素子と、 前記熱電素子に接続され、前記熱電素子によって発生さ
れた熱を放散するホット・ソースと、前記熱電素子にスイッチを介して接続され、 対象物を冷
却するコールド・シンクと、 前記熱電素子に前記スイッチを介して電力を供給する手
段と、 高効率冷却を達成できるように、前記ホット・ソースに
前記熱電素子を選択的、熱的に接続する手段であって、
前記スイッチが閉じて前記熱電素子への電力供給がおこ
なわれている間は前記ホット・ソースへの接続を止め、
前記スイッチが開いて前記熱電素子への電力供給が停止
している間は前記ホット・ソースへの接続をする手段と
を備える、熱電冷却装置。 - 【請求項２】前記熱電素子をホット・ソースに選択的、
熱的に接続する手段は、微小電気機械スイッチである、
請求項１記載の熱電冷却装置。 - 【請求項３】前記熱電素子に電力を供給する手段と、前
記熱電素子を選択的、熱的に接続する手段とは、機能的
に同期して動作可能である、請求項１記載の熱電冷却装
置。 - 【請求項４】前記熱電素子は、ペルチェデバイスからな
る、請求項１記載の熱電冷却装置。 - 【請求項５】前記熱電素子は、第一の端部を有し、該第
一の端部において前記ホット・ソースに接続する、請求
項１記載の熱電冷却装置。 - 【請求項６】前記熱電素子は、第二の端部を有し、該第
二の端部において前記スイッチを介して前記コールド・
シンクに接続する、請求項１記載の熱電冷却装置。 - 【請求項７】前記熱電素子は、前記第一の端部と前記第
二の端部の間の任意の箇所において 、前記ホット・ソー
スに前記熱電素子を選択的、熱的に接続する手段に接続
する、請求項１記載の熱電冷却装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/224245 | 1998-12-28 | ||
| US09/222,245 US6161388A (en) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | Enhanced duty cycle design for micro thermoelectromechanical coolers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000193338A JP2000193338A (ja) | 2000-07-14 |
| JP3437946B2 true JP3437946B2 (ja) | 2003-08-18 |
Family
ID=22831466
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36384099A Expired - Fee Related JP3437946B2 (ja) | 1998-12-28 | 1999-12-22 | 熱電冷却装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6161388A (ja) |
| JP (1) | JP3437946B2 (ja) |
| KR (1) | KR100368087B1 (ja) |
| TW (1) | TW528842B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US6467275B1 (en) | 2000-12-07 | 2002-10-22 | International Business Machines Corporation | Cold point design for efficient thermoelectric coolers |
| US6608250B2 (en) | 2000-12-07 | 2003-08-19 | International Business Machines Corporation | Enhanced interface thermoelectric coolers using etched thermoelectric material tips |
| US6597544B2 (en) | 2000-12-11 | 2003-07-22 | International Business Machines Corporation | Thermoelectric microcoolers for cooling write coils and GMR sensors in magnetic heads for disk drives |
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