JP6677708B2 - 熱電モジュールの排熱限度を緩和するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１４年７月２１に出願された仮出願番号６２／０２７０８０号の利益を主張するものであり、ここでその開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、且つ、２０１４年７月２１に出願された仮出願番号６２／０２７０８３号の利益を主張するものであり、ここでその開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、熱電モジュールの動作に関する。

今日、多くの冷凍システムは、蒸気圧縮に基づくものであり、サーモスタット調整されたデューティサイクル制御を利用する。しかしながら、従来の蒸気圧縮に基づく冷凍システムは、定常状態、及び、プルダウンまたはリカバリの間のような過渡要求を満たすのに十分に動的ではない。したがって、蒸気圧縮に基づく冷凍システムは、定常状態動作の間必要とされる除熱要求を遥かに超える過度の冷却能力を有する傾向がある。過度の冷却能力によって提供される必要以上の容量が改良されたプルダウン性能を可能とする一方で、始動の間に行き渡る大きな電流サージは、より高い容量を必要とし、したがって、負荷を動作するのにより高価な構成要素を必要とする。さらに、デューティサイクル制御によって引き起こされる大きな電流サージ及び負荷は、構成要素を過度に消耗させ、これにより早期の故障を生じさせる可能性がある。さらに、まさにそれらの制御の特性、熱力学的制限及び製品性能要求によって、蒸気圧縮に基づく冷凍システムは、最適より効率が劣る。

蒸気圧縮に基づく冷凍システムの準最適な効率の不利な点は、冷却チャンバ内の温度を正確に制御すること関する。概して、冷却チャンバ内の温度が特定の値を超えるとき、蒸気圧縮に基づく冷凍システムが起動し、冷却チャンバ内の温度が特定の値より低くなるまで運転し続ける。一度冷却チャンバが特定の値より低い温度に至ると、蒸気圧縮に基づく冷凍システムは停止する。なお、上述のような過度の消耗に加え、この形式の制御法は、エネルギー消費を最小化し、多様な周囲条件における動作を可能とする試みにおいて、比較的大きい制御帯域（ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｎｄ）及び比較的大きい内部温度成層（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を概して有する。スロットル調整または容量変化は蒸気圧縮サイクルへの実施が困難且つ高価であり、体積効率が低下するときに制限された効果を提供するため、この手法は最も多く利用される。

したがって、冷却チャンバから熱を引き出すために使用される構成要素の効率が最大化される、冷却チャンバ内の温度を正確に制御するためのシステム及び方法が必要とされる。さらに、冷却チャンバから熱を引き出すために使用される構成要素の排熱限度を緩和するためのシステム及び方法が必要とされる。

熱電モジュールの排熱限度を緩和するためのシステム及び方法が開示される。いくつかの実施形態において、熱電モジュールの動作方法は、熱電モジュールに対して第１の電力量を提供することと、熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを決定することと、を含む。動作方法は、高温側の温度が第１の閾値より高いという決定に応じて、熱電モジュールに対して第１の電力量より小さい第２の電力量を提供することをさらに含む。動作方法は、熱電モジュールの高温側の温度が第２の閾値より低いことを決定することと、熱電モジュールに対して第３の電力量を提供することと、をさらに含む。いくつかの実施形態において、これは、特に熱電モジュールの高温側が受動的に冷却されるときに、熱電モジュールの排熱限度を緩和する。

いくつかの実施形態において、第３の電力量は、第１の電力量と等しい。いくつかの実施形態において、第３の電力量は、第１の電力量と等しくない。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールに対して提供された第１の電力量は、熱電モジュールのための最大電力量または略最大電力量である。いくつかの実施形態において、熱電モジュールに対して提供された第１の電力量は、熱電モジュールの性能係数が最大化された点または略最大化された点である。

いくつかの実施形態において、第１の閾値は、熱電モジュールの高温側が飽和したことを示す。いくつかの実施形態において、第１の閾値は、熱電モジュールの高温側が第１の閾値より高い温度で動作されることによって損傷され得ることを示す。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールは、冷却チャンバを冷却するように動作可能であり、熱電モジュールに対して提供された第２の電力量は、少なくとも冷却チャンバの温度が上昇しないような電力量である。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールに対して第１の電力量を提供することは、熱電モジュールに対して第１の電流量を提供することを備え、熱電モジュールに対して第２の電力量を提供することは、熱電モジュールに対して第２の電流量を提供することを備える。いくつかの実施形態において、熱電モジュールに対して第１の電力量を提供することは、熱電モジュールに対して第１の電圧量を提供することを備え、熱電モジュールに対して第２の電力量を提供することは、熱電モジュールに対して第２の電圧量を提供することを備える。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールの高温側は、受動的に冷却される。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールは、冷却チャンバを冷却するように動作し、第１の電力量及び／または第２の電力量は、冷却チャンバの温度、熱電モジュールの高温側の温度、冷却チャンバの外部の環境の温度、及び／または性能指数のような熱電モジュールの電気的特性に基づいて決定される。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールに対して第１の電力量を提供することは、１より多い熱電モジュールのサブセットに対して第１の電力量を提供することをさらに含み、熱電モジュールに対して第２の電力量を提供することは、熱電モジュールの少なくとも１つのサブセットに対して第１の電力量より小さい第２の電力量を提供することと、熱電モジュールの少なくとも１つの他のサブセットに対して第１の電力量を提供し続けることと、をさらに含む。

いくつかの実施形態において、熱電冷凍システムは、冷却チャンバ、熱交換器及びコントローラを含む。熱交換器は、低温側ヒートシンクと、高温側ヒートシンクと、低温側ヒートシンク及び高温側ヒートシンクの間に配置された熱電モジュールと、を含む。コントローラは、熱電モジュールに対して第１の電力量を提供し、熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを決定し、熱電モジュールに対して第１の電力量より小さい第２の電力量を提供し、熱電モジュールの高温側の温度が第２の閾値より低いことを決定し、熱電モジュールに対して第３の電力量を提供するように構成される。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールを動作させるためのコントローラは、熱電モジュールに対して第１の電力量を提供し、熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを決定し、熱電モジュールに対して第１の電力量より小さい第２の電力量を提供し、熱電モジュールの高温側の温度が第２の閾値より低いことを決定し、熱電モジュールに対して第３の電力量を提供するように適合される。

いくつかの実施形態において、コンピュータプログラムは、少なくとも１つのプロセッサにおいて実行されるときに、少なくとも１つのプロセッサに本明細書に開示された１つの方法を実行させる指令を含む。いくつかの実施形態において、搬送波は、コンピュータプログラムを含み、搬送波は、電子的信号、光学的信号、無線信号またはコンピュータ可読記憶媒体の１つである。

いくつかの実施形態において、熱電モジュールを動作させるためのコントローラは、電力提供モジュール及び温度決定モジュールを含む。電力提供モジュールは、熱電モジュールに対して第１の電力量を提供し、熱電モジュールに対して第１の電力量より小さい第２の電力量を提供し、熱電モジュールに対して第３の電力量を提供するように動作する。温度決定モジュールは、熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを決定し、熱電モジュールの高温側の温度が第２の閾値より低いことを決定するように動作する。

当業者は、添付図面と共に好適な実施形態に係る以下の詳細な説明を読んだ後、本開示の範囲を認識し、その付加的な態様を理解する。

組み込まれて本明細書の一部を形成する添付図面は、本開示の様々な態様を示し、記載と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。

本開示のいくつかの実施形態による、冷却チャンバと、低温側ヒートシンクと高温側ヒートシンクとの間に配置された少なくとも１つの熱電モジュール（ＴＥＭ）を含む熱交換器と、ＴＥＭを制御するコントローラと、を有する熱電冷凍システムを示す。 本開示のいくつかの実施形態による様々な周囲温度の、ＴＥＭの性能係数とＴＥＭに対して提供された電力量との間の関係を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、ＴＥＭの効率を増すためのＴＥＭの動作方法を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、電力がオンにされたときのまたはプルダウン動作の間の、熱電冷凍システムの動作方法を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、略定常状態動作の熱電冷凍システムの動作方法を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、ＴＥＭの高温側の温度を低下させるためのＴＥＭの動作方法を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図６の動作方法の１つの可能な実施態様を示す。 本開示のいくつかの実施形態によるモジュールを含む、ＴＥＭを動作するためのコントローラの概略図である。 本開示のいくつかの実施形態によるモジュールを含む、ＴＥＭを動作させるためのコントローラの別の概略図である。

以下に説明される実施形態は、当業者が実施形態を実施するのを可能とする必要な情報を示し、実施形態の実施の最良の態様を示す。添付図面を考慮して以下の説明を読むと、当業者は、本開示の概念を理解し、これらの概念の用途が特に本明細書に指定されるものではないことを理解する。これらの概念及び用途が、本開示及び添付された特許請求の範囲の範囲内にあることを理解されたい。

本明細書において様々な要素を記載するために第１（ｆｉｒｓｔ）、第２（ｓｅｃｏｎｄ）等の語が使用され得るが、これらの要素は、これらの語によって限定されるべきではないことが理解される。これらの語は、他から１つの要素を識別するためにのみ使用される。たとえば、本開示の範囲からの逸脱なく第１の要素は、第２の要素と称され得るものであり、同様に、第２の要素は第１の要素と称され得る。本明細書において使用されるように、「ａｎｄ／ｏｒ」という語は、関連する記載されたアイテムの１つまたは複数の任意の及び全ての組み合わせを含む。

「ｂｅｌｏｗ」または「ａｂｏｖｅ」または「ｕｐｐｅｒ」または「ｌｏｗｅｒ」または「ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ」または「ｖｅｒｔｉｃａｌ」のような相対語は、図に示されるような別の要素、層または領域に対する１つの要素、層または領域の関係を記載するために本明細書において使用され得る。これらの語及び上述されたものが図中に示された方向に加えて装置の異なる方向を包含することを意図することが理解される。

本明細書において使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためのものであり、本開示を限定することを意図しない。本明細書において使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確に他のことを示さない限り、複数形を同様に含むことを意図する。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」及び／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」という語は、本明細書において使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／またはその群の存在または付加を妨げないことがさらに理解される。

他に定義されない限り、本明細書において使用される全ての語（技術的及び科学的用語を含む）は、本開示の属する当業者の１人に通常理解されるのと同じ意味を有する。本明細書において使用される語が本明細書及び関連する技術の文脈においてそれらの意味と一致した意味を有するものとして解釈されるべきであり、明確に本明細書において定義されない限り、理想化された、または過度に形式的な意味に解釈されるべきではないことがさらに理解される。

図１は、本開示のいくつかの実施形態による、冷却チャンバ１２と、低温側ヒートシンク２０及び高温側ヒートシンク１８の間に配置された少なくとも１つの熱電モジュール（ＴＥＭ）２２（本明細書において単数でＴＥＭ２２または複数でＴＥＭ（ＴＥＭｓ）２２と称される）を含む熱交換器１４と、ＴＥＭ２２を制御するコントローラ１６と、を有する熱電冷凍システム１０を示す。冷却を提供するためにＴＥＭ２２が使用されるとき、それは、時々熱電冷却器（ＴＥＣ）２２と称され得る。

ＴＥＭ２２は、好適には薄いフィルム装置である。１つまたは複数のＴＥＭ２２がコントローラ１６によって起動されるとき、起動されたＴＥＭ２２は、高温側ヒートシンク１８を加熱し、低温側ヒートシンク２０を冷却し、これにより、冷却チャンバ１２から熱を引き出すための伝熱を容易にするように動作する。より詳細には、本開示のいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数のＴＥＭ２２が起動されるとき、高温側ヒートシンク１８は加熱され、これにより蒸発器を形成し、低温側ヒートシンク２０は冷却され、これにより凝縮器を形成する。

凝縮器として機能し、低温側ヒートシンク２０は、低温側ヒートシンク２０と結合された受容ループ２４を介した冷却チャンバ１２からの除熱を容易とする。受容ループ２４は、熱電冷凍システム１０の内壁２６に対して熱的に結合される。内壁２６は、冷却チャンバ１２を画定する。１つの実施形態において、受容ループ２４は、内壁２６内に一体化され、または、内壁２６の表面において直接的に一体化される。受容ループ２４は、冷媒（たとえば、２相クーラント）が受容ループ２４を通して流れ、または通過するのを可能とする任意の形式の配管によって形成される。受容ループ２４及び内壁２６の熱的結合により、冷媒は、受容ループ２４を通して冷媒が流れるときに冷却チャンバ１２から熱を引き出す。受容ループ２４は、たとえば、銅管、プラスチック管、ステンレス鋼管またはアルミニウム管等で形成されても良い。

蒸発器として機能し、高温側ヒートシンク１８は、高温側ヒートシンク１８に対して結合された排出ループ２８を介した冷却チャンバ１２の外部の環境への排熱を容易とする。排出ループ２８は、熱電冷凍システム１０の外壁３０または外肌に対して熱的に結合される。

冷却チャンバ１２から熱を取り除くための熱的及び機械的プロセスは、これ以上説明されない。さらに、図１に示される熱電冷凍システム１０がＴＥＭ２２の使用及び制御の特定の実施形態にすぎないことに留意されたい。本明細書に記載の全ての実施形態は、ＴＥＭ２２の任意の他の使用と同様に熱電冷凍システム１０に適用することを理解されたい。

図１に示される例示的実施形態で続けると、コントローラ１６は、冷却チャンバ１２内の所望の設定点温度を維持するためにＴＥＭ２２を制御するように動作する。概して、コントローラ１６は、所望の設定点温度を維持するために、ＴＥＭ２２を選択的に起動／停止し、ＴＥＭ２２に提供された電力量を選択的に制御し、及び／またはＴＥＭ２２のデューティサイクルを選択的に制御するように動作する。さらに、好適な実施形態において、コントローラ１６は、分離して、または独立して１つまたは複数の、いくつかの実施形態において、２またはそれ以上のＴＥＭ２２のサブセットを制御することを可能とされ、それぞれのサブセットは、１つまたは複数の異なるＴＥＭ２２を含む。したがって、実施例のように、４つのＴＥＭ２２が存在する場合、コントローラ１６は、第１の個別のＴＥＭ２２、第２の個別のＴＥＭ２２、及び２つのＴＥＭ２２の群を分離して制御することを可能とされても良い。この方法によって、コントローラ１６は、要求を示すときに、たとえば、選択的に１つ、２つ、３つ、または４つのＴＥＭ２２を独立して最大化された効率で起動できる。

熱電冷凍システム１０が例示的実施態様にすぎず、本明細書に開示されたシステム及び方法が他のシステムにも同様に適用可能であることに留意されたい。さらに、コントローラ１６に対する特定の参照が本明細書においてなされるが、コントローラ１６に起因する任意の機能が任意の他のコントローラまたは機構によって実現され得ることを理解されたい。

手順の前に、ＴＥＭ２２に提供される電力量に対する冷却容量、及び、ＴＥＭ２２に提供される電力量に対する効率の簡潔な説明は有益となる。これに関し、図２は、ＴＥＣの入力電流に対するＴＥＣの冷却容量（Ｑ）及び冷却効率を示すグラフである。冷却効率は、より詳細には性能係数（ＣＯＰ）によって示される。図２は、本開示のいくつかの実施形態による、様々な周囲温度の、ＴＥＭ２２の性能係数（ＣＯＰ）とＴＥＭ２２に対して提供された電力量との間の関係を示す。ＴＥＭ２２に対して提供された電力量は、ＴＥＭ２２に対して提供された電流量、及び／または、ＴＥＭ２２に対して提供された電圧量として表現されても良い。ＴＥＭ２２に対して提供された電力量が増加するとき、ＴＥＭ２２の冷却容量も増加する。ＴＥＭ２２のための最大電力量の、または略最大電力量の電力量は、Ｑ_ｍａｘとして示される。したがって、ＴＥＭ２２がＱ_ｍａｘで動作するとき、ＴＥＭ２２は、可能な最大熱量を取り除く。図２は、ＴＥＭ２２に対して提供される電力量に応じたＴＥＭ２２のＣＯＰを示す。冷却用途のため、ＴＥＭ２２のＣＯＰは、除熱のためのＴＥＭ２２に対する仕事量入力に亘る、取り除かれた熱の比率である。ＴＥＭ２２のＣＯＰが最大化される熱量、または容量（Ｑ）は、Ｑ_{ＣＯＰｍａｘ}として示される。したがって、ＴＥＭ２２の効率、またはＣＯＰは、ＴＥＭ２２に対して提供される電力量がＴＥＭ２２のＣＯＰが最大化される点、または略最大化される点であるときに最大化される。

ＴＥＭ２２のためのＣＯＰ曲線の形状は、動作周囲温度（冷却チャンバ１２の外部の環境の温度またはＴＥＭ２２が動作する環境の温度とも称される）、取り除かれる熱量、ＴＥＭ２２の低温側の温度（ＴＥＭ２２が冷却チャンバ１２を冷却するために動作可能なときに冷却チャンバ１２の温度と称されることもある）、ＴＥＭ２２の高温側の温度、（性能指数のような）ＴＥＭ２２の電気的特性、ＴＥＭ２２に対して提供される電力量のような変数に依存する。これらのシステムパラメータの１つが変化するとき、ＴＥＭ２２のＣＯＰ曲線が変化しても良く、したがって、１つまたは複数のシステムパラメータに基づいてＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化し得る電力量が変化しても良い。図２は、この１つの実施例を示す。セ氏温度１８（℃）及び２５℃に等しい周囲温度におけるＴＥＭ２２のための２つのＣＯＰ曲線が示される。簡易性のため、他のシステムパラメータが固定される一方で周囲温度のみが変化する。この実施例において、周囲温度が１８℃から２５℃へと変化するとき、ＴＥＭ２２の全体のＣＯＰは、減少する。特に、ＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する電力量も増加する。ＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する周囲温度と電力量との間の関係の線形近似を付与するトレンド線が示される。このトレンド線は、１つの実施例にすぎず、関係をモデルするまたは補間（または外挿）する他の手段が使用され得る。

ＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する正確な電力量は、変化され得る多くの要因に基づくため、ＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する電力量において中央化される受け入れ可能な電力量の範囲が決定される。この範囲は、帯域とも称され、その帯域内の任意の電力量は、概してＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する電力量とみなされる。いくつかの実施形態において、帯域は、プラス１０％またはマイナス１０％ＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する電力量であるが、これは、特定の実施態様であり、ＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する電力量の決定及び／またはＣＯＰ曲線の形状の精度に依存し得る。

ＴＥＭ２２を動作させるための最も効率的な方法は、ＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する電力量を提供することであり、コントローラ１６またはＴＥＭ２２の制御のいくつかの他の手段は、１つまたは複数のシステムパラメータに基づいてＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化する電力量の決定を探求する。このように、図３は、本開示のいくつかの実施形態による、ＴＥＭ２２の効率を増すためのＴＥＭ２２の動作方法を示す。コントローラ１６は、１つまたは複数のシステムパラメータに基づいてＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化し得る第１の電力量を決定する（ステップ１００）。上述のように、この決定は、多くの異なるパラメータに基づいても良い。いくつかの実施形態において、決定は、他のパラメータを一定または無視できるものと仮定すれば、周囲温度のような１つのパラメータにのみ基づく。いくつかの実施形態において、電力量は、ルックアップテーブルを参照することによって決定されても良い。コントローラ１６は、次いでＴＥＭ２２に対して第１の電力量を提供する（ステップ１０２）。このように、ＴＥＭ２２は、システムパラメータの現在値にとって最も効率的な方法で動作する。

コントローラ１６は、次いで、少なくとも１つのシステムパラメータが変化したかどうかを決定する（ステップ１０４）。いくつかの実施形態において、次いでチェックが周期的に実行されても良いが、一方で他の実施形態において、変化の決定がほとんど即時であっても良い。さらに、コントローラ１６が電力量を決定するために全てよりも少ないシステムパラメータを用いる場合、次いで、コントローラ１６は、任意の使用されないシステムパラメータがいつ変化したのかを決定する必要はない。少なくとも１つのシステムパラメータが変化したという決定に応じて、コントローラ１６は、１つまたは複数のシステムパラメータに基づいてＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化し得る第２の電力量を決定する（ステップ１０６）。コントローラ１６は、次いでＴＥＭ２２に対して第２の電力量を提供する（ステップ１０８）。このように、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２の動作の効率を増すためにＴＥＭ２２に対して提供される電力量を更新することができる。いくつかの実施形態において、手順は、任意でステップ１０４へと戻り、１つまたは複数のシステムパラメータが変化した場合、コントローラ１６は、再びＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化し得る電力量を決定する。

いくつかの実施形態において、更新された電力量は、１つまたは複数のシステムパラメータが変化したという決定を示すことなく、周期的にまたはその他の方法で計算されても良いことに留意されたい。さらに、システムパラメータに対する変化によって、第２の電力量は、第１の電力量と同じ、または略同じであっても良い。

図３がＴＥＭ２２の効率を増すためのＴＥＭ２２の動作方法を示す一方で、図４及び図５は、図１に示された実施例との関係で上述されたような１つまたは複数のＴＥＭ２２を含み得る熱電冷凍システム１０の動作方法を示す。特に、図４は、本開示のいくつかの実施形態による、電力がオンにされたときの、またはプルダウン動作の間の熱電冷凍システム１０の動作方法を示す。

本明細書において使用されるように、プルダウン動作は、冷却チャンバ１２内の温度が受け入れ可能な温度より高く、コントローラ１６が受け入れ可能な範囲へと温度を低下させるように動作する状況に関する。冷却チャンバ１２のための所望の温度は、設定点温度と称される。定常状態動作は、冷却チャンバ１２の温度が設定点温度を含む範囲内である状況に関する。この範囲は、動作状態の間の急速な振動を避けるためのヒステリシスの形式を提供する。いくつかの実施形態において、設定点温度は、４℃であっても良く、定常状態の範囲は、３℃から５℃であっても良い。より高い精度での設定点温度の維持が望まれる場合、したがって定常状態範囲はより小さくしても良い。動作状態の間の振動の比率の減少が望まれる場合、したがって定常状態の範囲はより小さくしても良い。

いくつかの実施形態によれば、図４は、熱電冷凍システム１０の電力オンまたはリセットにより開始する（ステップ２００）。温度は電力オフにより、定常状態範囲より高くなり得るため、熱電冷凍システム１０は、この電力オン、またはプルダウン動作の間のリセット状態で開始する。コントローラ１６は、おそらく熱電冷凍システム１０の前部のユーザインタフェースから、または、デバイスのグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）から設定点レジスタを読み込み、設定点温度を決定させる（ステップ２０２）。コントローラ１６は、次いで少なくとも１つのＴＥＭ２２の温度制御及びΔＴを計測する（ステップ２０４）。ＴＥＭ２２のΔＴは、ＴＥＭ２２の高温側の温度とＴＥＭ２２の低温側の温度との間の差に関する。コントローラ１６は、周囲温度をさらに計測する（ステップ２０６）。コントローラ１６は、実施態様により必要な任意の他のシステムパラメータを決定しても良い。

コントローラ１６は、次いでいくつかの実施形態による少しの安全チェックを実行する。コントローラ１６は、周囲温度が４℃以上かどうかをチェックする（ステップ２０８）。周囲温度が４℃より低い場合、再び様々なシステムパラメータを計測するため、手順はステップ２０４に戻る。周囲温度が少なくとも４℃である場合、次いで、コントローラ１６は、熱交換器の温度が最大限度以上かどうかを次いで決定する（ステップ２１０）。

いくつかの実施形態において、この温度は、ＴＥＭ２２の高温側の温度と等しい。さらに、いくつかの実施形態において、単一の最大値を有する代わりに、温度が第１の閾値より高いかどうかの代わりのテストが存在し、次いで、ＴＥＭ２２の高温側が冷却されたとき、温度が第２の閾値より低いかどうかのテストが存在する。このように、ヒステリシスは、過熱状態へと任意に構築され得る。

いくつかの実施形態において、第１の閾値は、ＴＥＭ２２の高温側が飽和し、いかなる付加的な熱も受け入れることができないことを示す。さらに、第１の閾値は、ＴＥＭ２２が第１の閾値より高い温度で動作されることによって損傷され得ることを示し得る。こうした高温は、冷却チャンバ１２から大きな熱量が取り除かれたとき、または、ＴＥＭ２２がより劣った効率で動作されたときに生じ得る。ＴＥＭ２２の高温側における熱の蓄積は、熱交換器の取り出し側が、熱が生成されるより高速で熱を取り除くのに不十分なときに、さらに生じ得る。この状況は、ＴＥＭ２２の高温側が受動的に冷却されるときに生じ得る。

過熱状態が検出されるとき、コントローラ１６は、アラームを設定する（ステップ２１２）。このアラームは、実施形態によって多くの形式を取り得る。ある場合において、アラームは、単に内部状態であり、一方で他の場合において、ディスプレイ上に情報が示されても良く、または使用者は、その他の方法でアラームを通知されても良い。コントローラ１６は、次いでＴＥＭ２２に対する出力が可能とされたかどうかを決定する（ステップ２１４）。出力が可能とされていない場合、ＴＥＭ２２の動作によっていかなる熱も付加されないため、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２の高温側の温度低下のいかなる方法も有し得ない。この場合、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順はステップ２０４へと戻る。他の実施形態において、コントローラ１６は、ファンのように能動的な装置を用いることによるような、ＴＥＭ２２の高温側の温度を低下させるための付加的な選択を有しても良い。

出力が可能とされた場合、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２に対して提供される電力量が最小の電力レベルかどうかを決定する（ステップ２１６）。最小の電力レベルではない場合、コントローラ１６は、出力を減少させることによってＴＥＭ２２に対して提供される電力量を低減させる（ステップ２１８）。提供される現在の電力量が最小の電力レベルである場合、次いでコントローラ１６は、出力を停止し、リセットを発行する（ステップ２２０）。いずれにせよ、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順はステップ２０４へと戻る。

ＴＥＭ２２の高温側が過熱されていない場合、コントローラ１６は、設定され得るいかなるアラームも解除する（ステップ２２２）。たとえば、解決されていない過熱状況のためアラームがあらかじめ設定されていた場合、次いでアラームは、ここで解除される。コントローラ１６は、ここで冷却チャンバ１２の温度が定常状態上限より高いかどうかを決定する（ステップ２２４）。温度が定常状態上限より高い場合、熱電冷凍システム１０は、動作のプルダウンモードにあるとみなされる。

冷却チャンバ１２の温度が制御上限以上と決定される場合（ステップ２２６）、コントローラ１６は、出力を１００％に設定し、ＴＥＭ２２に対して、ＴＥＭ２２のための最大電力量または略最大電力量のＴＥＭ２２への電力量を提供する（２２８）。このような方法において、熱電冷凍システム１０は、いくつかの実施形態によって最速で冷却チャンバ１２の温度を引き下げることができる。冷却チャンバ１２の温度が制御上限より低いと決定される場合、コントローラ１６は、比例モードに出力を設定する（ステップ２３０）。比例モードにおいて、冷却チャンバ１２の温度は、より遅く、より効率的な方法で低下されても良い。いずれにせよ、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順はステップ２０４へと戻る。

コントローラ１６が冷却チャンバ１２の温度が定常状態上限より低いと決定する場合、次いでコントローラ１６は、出力が可能とされたかどうかを決定する（ステップ２３２）。出力が可能とされていない場合、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順はステップ２０４へと戻る。出力が可能とされる場合、熱電冷凍システム１０は、定常状態モードで動作されるものとみなされ、手順は、本開示のいくつかの実施形態による、略定常状態動作の熱電冷凍システム１０の動作方法を示す図５において継続する。

図５に示されるように、コントローラ１６は、少なくとも１つのＴＥＭ２２の温度制御及びΔＴを計測する（ステップ３００）。実施態様によって、コントローラ１６は、周囲温度のような、必要な任意の他のシステムパラメータをさらに決定する。再び、コントローラ１６は、熱交換器の温度が最大限度以上どうかを決定する（ステップ３０２）。ＴＥＭ２２に提供される電力量が最小電力レベルではない場合（ステップ３０４）、コントローラ１６は、出力を減少させることによってＴＥＭ２２に対して提供される電力量を低減させる（３０６）。提供される現在の電力量が最小電力レベルである場合、次いでコントローラ１６は、出力を停止させ、リセットを発行する（ステップ３０８）。いずれにせよ、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順はステップ３００へと戻る。

ＴＥＭ２２の高温側が過熱されていない場合、コントローラ１６は、冷却チャンバ１２の温度が設定点温度より高いかどうかをチェックする（ステップ３１０）。冷却チャンバ１２の温度が設定点温度より低い場合、コントローラ１６は、ここで冷却チャンバ１２の温度が定常状態限度以下であるかどうか、出力がオンであるかどうか、及び、ΔＴが現在の帯域内かどうかを決定する（ステップ３１２）。これら全てが真である場合、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２を停止し、０．ｘボルトへと出力を低減させ、この値を新しい定常状態出力値に記憶させ、以前の値を古い定常状態出力値に記憶させる（ステップ３１４）。これらの全ての状態が真ではない場合、次いで手順はステップ３０４へと戻り、ＴＥＭ２２に対して提供される電力量を低減させることを試みる。

冷却チャンバ１２の温度が設定点温度より高い場合、コントローラ１６は、冷却チャンバ１２の温度がさらに定常状態限度以上かどうかを決定する（ステップ３１６）。チャンバの温度が定常状態限度より低い場合、コントローラは、タイマー割り込みが設定されたかどうかを決定する（ステップ３１８）。それが設定された場合、コントローラ１６は、古い定常状態出力に対する出力を設定する（ステップ３２０）。この後、または、それが設定されていない場合、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順はステップ３００へと戻る。

冷却チャンバ１２の温度が定常状態限度以上である場合、コントローラ１６は、チャンバの温度が制御上限以上かどうかを決定する（ステップ３２２）。チャンバが制御上限以上である場合、コントローラ１６は、出力を１００％へと設定し、ＴＥＭ２２に対してＴＥＭ２２のための最大電力量または略最大電力量の電力量を提供する（ステップ３２４）。これは、熱電冷凍システム１０が動作のプルダウンモードにあるとみなされることを示し、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順は図４のステップ２０４へと戻る。

チャンバが制御上限未満である場合、コントローラ１６は、冷却チャンバ１２の温度がヒステリシス値以上かどうかを決定する（ステップ３２６）。そうではない場合、コントローラ１６は、新しい定常状態出力値へと出力を増加させ（ステップ３２８）、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順はステップ３００へと戻る。いくつかの実施形態によれば、この新しい定常状態出力値は、１つまたは複数のシステムパラメータに基づいてＴＥＭ２２のＣＯＰを最大化させ得る電力量であっても良い。冷却チャンバ１２の温度がヒステリシス値以上である場合、これは、熱電冷凍システム１０が動作のプルダウンモードにあるとみなされることを再び示し、様々なシステムパラメータを再び計測するため、手順は図４のステップ２０４へと戻る。

上述のように、ＴＥＭ２２または熱交換器の過熱は、望まない動作を引き起こしまたはＴＥＭ２２にとって危険となり得る。このように、図４のステップ２１０及び図５のステップ３０２の両方は、こうした過熱状態をチェックする。図４及び図５が電力を低減させ且つＴＥＭ２２を停止することによって、ＴＥＭ２２の温度の低下を試みる一方で、これは、いくつかの状況において望ましくなくまたは非効率となり得る。このように、図６は本開示のいくつかの実施形態による、ＴＥＭ２２の高温側の温度を低下させるためのＴＥＭ２２の動作方法を示す。

コントローラ１６は、まずＴＥＭ２２に対して第１の電力量を提供する（ステップ４００）。コントローラ１６は、次いでＴＥＭ２２の高温側の温度が第１の閾値より高いかどうかを決定する（ステップ４０２）。あらかじめ記載されたように、いくつかの実施形態において、第１の閾値は、ＴＥＭ２２の高温側が飽和し、いかなる付加的な熱も受け入れることができないことを示す。さらに、第１の閾値は、ＴＥＭ２２が第１の閾値より高い温度で動作されることによって損傷され得ることを示し得る。温度が第１の閾値より高くない場合、コントローラ１６は、第１の電力量を提供し続け、または過熱を含まない任意の他の制御法にしたがって動作する。ＴＥＭ２２の高温側の温度が第１の閾値より高い場合、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２に対して第１の電力量より小さい第２の電力量を提供する（ステップ４０４）。いくつかの実施形態において、この低減された電力は、ＴＥＭ２２の高温側の温度がＴＥＭ２２を動作しながら低下するのを可能とする。

いくつかの実施形態において、コントローラ１６は、次いでＴＥＭ２２の高温側の温度が第２の閾値より低いかどうかを決定する（ステップ４０６）。これは、ＴＥＭ２２が十分に冷却されたこと及びもはや飽和していないことを示す。いくつかの実施形態において、コントローラ１６は、次いでＴＥＭ２２に対して第１の電力量と等しくなり得るが必ずしも等しくなくても良い、第３の電力量を提供する。図６は、手順がステップ４００へと戻り、再び第１の電力量を提供する実施形態を示す。ＴＥＭ２２に対して提供される電力を増加させることによって、付加的な熱が伝達可能となる。

いくつかの実施形態において、ＴＥＭ２２に対して提供される第１の電力量は、ＴＥＭ２２のための最大電力量または略最大電力量である。これは、設定点温度に至るため、熱電冷凍システム１０が可能な限り急速に熱を取り除こうとするときの動作のプルダウンモードの場合に生じ得る。いくつかの実施形態において、ＴＥＭ２２に対して提供される第１の電力量は、ＴＥＭ２２のＣＯＰが最大化される点、または略最大化される点である。これは、熱電冷凍システム１０が最も効率的に熱を取り除こうとするときの動作の定常状態モードの場合に生じ得る。

いくつかの実施形態において、ＴＥＭ２２に対して提供される第２の電力量は、ＴＥＭ２２のＣＯＰが最大化される点、または略最大化される点である。いくつかの実施形態において、ＴＥＭ２２に対して提供される第２の電力量は、少なくとも冷却チャンバ１２の温度が上昇しないような電力量である。あらかじめ上述したように、いくつかの実施形態において、これは、特にＴＥＭ２２の高温側が受動的に冷却されるときにＴＥＭ２２の排熱限度を緩和する。

図７は、本開示のいくつかの実施形態による、図６の方法に係る１つの可能な実施態様を示す。図７は、３つの線を含む。上部は、ＴＥＭ２２の排出側（高温側）の温度をプロットする。底部の線は、ＴＥＭ２２の低温側の温度をプロットする。中間線は、ＴＥＭ２２に対して電圧が付与されるときにＴＥＭ２２に対して提供される電力をプロットする。プロットの開始において、ＴＥＭ２２の高温側及び低温側の温度は類似する。これは、熱電冷凍システム１０が単に電力がオンにされたことまたは十分に長く開放されたままであるような、いくつかの他の理由のためプルダウンモードにあることを示し得る。

開始において、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２に対して第１の電圧を提供する。この実施例において、ＴＥＭ２２の高温側の温度は、ＴＥＭ２２の低温側の温度が低下する間に上昇する。この実施例において、ＴＥＭ２２の高温側の温度のための第１の閾値は、５０℃である。コントローラ１６がＴＥＭ２２の高温側の温度が５０℃に至ったと決定するとき、コントローラ１６は、電力を低減させ、ＴＥＭ２２に対して第１の電力量より小さい第２の電力量を提供する。このため、より小さい熱がＴＥＭ２２の高温側に対してポンプ駆動され、冷却を開始する。さらに、ＴＥＭ２２の低温側の温度は、その低下を遅くされ、またはわずかに上昇されても良い。この電力量は、コントローラ１６がＴＥＭ２２の高温側が十分に冷却されたと決定するまでＴＥＭ２２に対して提供される。

コントローラ１６がＴＥＭ２２の高温側の温度が第２の閾値より低いと決定するとき、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２に対して第１の電力量を再び提供する。これは、ＴＥＭ２２の高温側を再び過熱させるが、ＴＥＭ２２の低温側は、ここでＴＥＭ２２の高温側が最後に飽和したときより低温になる。コントローラ１６は、ＴＥＭ２２の排熱限度を緩和しつつ、冷却チャンバ１２の温度の急速なプルダウンを提供するように２つの電力の間で実行するこの動作を継続することができる。これは、ＴＥＭ２２の高温側が受動的に冷却されるときに特に有益となり得る。この実施例は２つの異なる電力量のみを示すが、本方法はそれに限定されない。いくつかの実施形態において、より大きい電力量またはより小さい電力量は、ＴＥＭ２２のＣＯＰが最大化される点、または略最大化される点となり得るものであり、この値は、システムパラメータに基づいて回ごとに再計算されても良い。

言い換えれば、これが熱サイフォンに基づいたシステムである場合、低温側の温度は、断熱されたチャンバ（たとえば、冷却チャンバ１２）に固定される。高温側における放熱が飽和し、低温側の温度のさらなる低下が停止される点において、ＴＥＭ２２に対する電力は、低温側の温度のいかなる上昇をも緩和するレベルへと折り返されるが、高温側の温度が低下するのを可能とする。これは、低温側の断熱及びその高温側に亘る改良された熱的安定性を利用する。電力は、さらなる排熱を可能とし得る点まで高温側の温度が低下されるまで低減されて保持される。この点に至るとき、ＴＥＭ２２の電力は増加され、もう一度飽和へと高温側または放熱が増す。しかしながら、今回の間、高温側の温度がより下の点で開始するため、低温側の温度は低下する。電力及び温度のこのサイクルは、高温側周りの自然対流を増加させるためにかなり小さなポンプ駆動効果を形成するように多数回繰り返され得るものであり、さらなる全体の熱が放熱されるのを可能とし、低温側がその設定点温度へと低下するのを可能とする。

図８は、本開示のいくつかの実施形態による、電力決定モジュール３２、電力提供モジュール３４及びシステムパラメータ決定モジュール３６を含むＴＥＭ２２を動作するためのコントローラ１６の概略図である。電力決定モジュール３２、電力提供モジュール３４及びシステムパラメータ決定モジュール３６は、コントローラ１６のプロセッサによって実行されるときにソフトウェアにおいてそれぞれ実現され、コントローラ１６を本明細書に記載の実施形態の１つによって動作させる。

図９は、本開示のいくつかの実施形態による、電力提供モジュール３８と温度決定モジュール４０とを含む、ＴＥＭ２２を動作するためのコントローラ１６の別の概略図を示す。電力提供モジュール３８及び温度決定モジュール４０は、コントローラ１６のプロセッサによって実行されるときにコントローラ１６に本明細書に記載の実施形態の１つによって動作させるソフトウェアにおいてそれぞれ実現される。

当業者は、本開示の好適な実施形態に対する改良及び変更を理解する。こうした改良及び変更の全ては、本明細書及び以下の特許請求の範囲に開示された概念の範囲内とみなされる。

Claims (18)

1. 冷却チャンバを冷却するための熱電モジュールの動作方法であって、
   前記熱電モジュールに対して第１の電力量を提供することと（４００）、
   前記熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを判定することと（４０２）、
   前記熱電モジュールに対して、少なくとも、前記熱電モジュールの高温側の温度が前記第１の閾値より高いことを判定した後に前記冷却チャンバの温度が上昇しないような電力量である、前記第１の電力量より小さい第２の電力量を提供することと（４０４）、
   前記熱電モジュールの前記高温側の前記温度が前記第１の閾値より低い第２の閾値より低いことを判定することと（４０６）、
   前記熱電モジュールに対して前記第２の電力量より大きい第３の電力量を提供することと、を備えた、前記動作方法。
2. 前記第３の電力量が前記第１の電力量と等しい、請求項１に記載の動作方法。
3. 前記第３の電力量が前記第１の電力量と等しくない、請求項１に記載の動作方法。
4. 前記熱電モジュールに対して提供された前記第１の電力量が前記熱電モジュールのための最大電力量または略最大電力量である、請求項１から３のいずれか１項に記載の動作方法。
5. 前記熱電モジュールに対して提供された前記第１の電力量は、前記熱電モジュールの性能係数が最大化された点または略最大化された点である、請求項１から３のいずれか１項に記載の動作方法。
6. 前記第１の閾値は、前記熱電モジュールの前記高温側が飽和したことを示す、請求項１から５のいずれか１項に記載の動作方法。
7. 前記第１の閾値は、前記熱電モジュールが前記第１の閾値より高い温度で動作されることによって損傷され得ることを示す、請求項１から５のいずれか１項に記載の動作方法。
8. 前記熱電モジュールに対して前記第１の電力量を提供することが、前記熱電モジュールに対して第１の電流量を提供することを備え、前記熱電モジュールに対して前記第２の電力量を提供することが、前記熱電モジュールに対して第２の電流量を提供することを備えた、請求項１から７のいずれか１項に記載の動作方法。
9. 前記熱電モジュールに対して前記第１の電力量を提供することが、前記熱電モジュールに対して第１の電圧量を提供することを備え、前記熱電モジュールに対して前記第２の電力量を提供することが、前記熱電モジュールに対して第２の電圧量を提供することを備えた、請求項１から７のいずれか１項に記載の動作方法。
10. 前記熱電モジュールの前記高温側が能動的な装置によって冷却されない、請求項１から９のいずれか１項に記載の動作方法。
11. 前記熱電モジュールが、冷却チャンバの温度を低下させるように動作し、
    前記第１の電力量及び前記第２の電力量で構成される少なくとも１つの群が、
    前記冷却チャンバの前記温度、
    前記熱電モジュールの前記高温側の前記温度、
    前記冷却チャンバの外部の環境の温度、及び、
    性能指数のような前記熱電モジュールの電気的特性、
    で構成された少なくとも１つの群に基づいて決定される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の動作方法。
12. 前記熱電モジュールに対して前記第１の電力量を提供することが、１より多い熱電モジュールのサブセットに対して前記第１の電力量を提供することをさらに備え、前記熱電モジュールに対して前記第２の電力量を提供することが、前記熱電モジュールの少なくとも１つのサブセットに対して前記第１の電力量より小さい前記第２の電力量を提供することと、前記熱電モジュールの少なくとも１つの他のサブセットに対して前記第１の電力量を提供し続けることと、をさらに備えた、請求項１から１１のいずれか１項に記載の動作方法。
13. 冷却チャンバと、
    低温側ヒートシンクと
    高温側ヒートシンクと
    前記低温側ヒートシンク及び前記高温側ヒートシンクの間に配置された熱電モジュールと
    を備えた熱交換器と、
    前記熱電モジュールに対して第１の電力量を提供し、
    前記熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを判定し、
    前記熱電モジュールに対して、少なくとも、前記熱電モジュールの高温側の温度が前記第１の閾値より高いことを判定した後に前記冷却チャンバの温度が上昇しないような電力量である、前記第１の電力量より小さい第２の電力量を提供し、
    前記熱電モジュールの前記高温側の前記温度が前記第１の閾値より低い第２の閾値より低いことを判定し、
    前記熱電モジュールに対して前記第２の電力量より大きい第３の電力量を提供するように構成された
    コントローラと、を備えた、熱電冷凍システム。
14. 冷却チャンバを冷却するための熱電モジュールを動作させるためのコントローラであって、
    前記熱電モジュールに対して第１の電力量を提供し、
    前記熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを判定し、
    前記熱電モジュールに対して、少なくとも、前記熱電モジュールの高温側の温度が前記第１の閾値より高いことを判定した後に前記冷却チャンバの温度が上昇しないような電力量である、前記第１の電力量より小さい第２の電力量を提供し、
    前記熱電モジュールの前記高温側の前記温度が前記第１の閾値より低い第２の閾値より低いことを判定し、
    前記熱電モジュールに対して前記第２の電力量より大きい第３の電力量を提供するように適合された、前記コントローラ。
15. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の前記動作方法を実行するように適合された、請求項１４に記載のコントローラ。
16. 少なくとも１つのプロセッサにおいて実行されるときに、前記少なくとも１つのプロセッサに請求項１から１２のいずれか１項に記載の前記動作方法を実行させる指令を備えた、コンピュータプログラム。
17. 請求項１６に記載の前記コンピュータプログラムを含むコンピュータ可読記憶媒体。
18. 熱電モジュールを動作させるためのコントローラであって、
    前記熱電モジュールに対して第１の電力量を提供し、前記熱電モジュールに対して、前記第１の電力量より小さい第２の電力量を提供し、前記熱電モジュールに対して前記第２の電力量より大きい第３の電力量を提供するように動作する電力提供モジュールと、
    前記熱電モジュールの高温側の温度が第１の閾値より高いことを判定し、前記熱電モジュールの前記高温側の前記温度が前記第１の閾値より低い第２の閾値より低いことを判定するように動作する温度決定モジュールと、を備え、
    前記第２の電力量は、少なくとも、前記熱電モジュールの高温側の温度が前記第１の閾値より高いことを判定した後に冷却チャンバの温度が上昇しないような電力量である、前記コントローラ。

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