KR100351650B1 - 열전기적 냉각 장치 및 그를 동작시키는 방법 - Google Patents

열전기적 냉각 장치 및 그를 동작시키는 방법 Download PDF

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Abstract

저온 싱크에 대해 선택적으로 인에이블되는 열 결합과 펄스형 전기적 파워를 함께 결합하여 열전기적 요소 동력을 이용해서 주위 환경하의 냉각을 수행하는 장치 및 방법이 개시된다. 한가지 실시예에서, 펠티어 디바이스(1)는 펠티어 디바이스(1)의 저온단과 저온 싱크(4)간의 열 경로를 펠티어 디바이스 온도의 동력에 응답한 전도 상태들간을 상대적으로 동기시켜 선택적으로 스위칭시키면서 전기적 파워의 펄스를 이용하여 동적으로 인에이블된다. 저온 싱크(4)와 펠티어 디바이스간의 열적 접속의 스위칭 결합은 이러한 스위칭 결합이 아니었다면 펠티어 디바이스로부터 전달되는 전도성 열 전달 손실 및 주울 열을 분리시킴으로써 효율을 매우 개선한다. 바람직한 구현은 MEMS를 이용해서 선택적인 열적 스위칭을 성취함으로써, 복수의 펠티어 디바이스와 MEMS 스위치들의 병렬 동작에 의해 주위 환경하의 냉각 용량을 증가시킨다.

Description

열전기적 냉각 장치 및 그를 동작시키는 방법{THERMOELECTRIC COOLING APPARATUS WITH DYNAMIC SWITCHING TO ISOLATE HEAT TRANSPORT MECHANISMS}
본 발명은 전반적으로 냉각 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 선택적으로 스위칭되는 전기적 파워와 선택적으로 스위칭되는 열 결합 개념 및 구성을 응용함으로써 높은 상대적 효율의 열전기적 냉각을 성취하는 시스템에 관한 것이다.
주변온도이하의(sub-ambient) 냉각은 통상 프레온 유형의 냉매를 이용해 열 전달을 수행하는 기체/액체 증기 압축 기반 냉각 사이클을 통해 성취된다. 이러한 냉각 시스템은 인간의 주거, 식품 및 자동차를 냉각시키기 위해 광범위하게 이용된다. 주변온도이하의 냉각은 또한 흔히 메인프레임 컴퓨터와 같은 다수의 전자 시스템에도 이용된다. 증기 압축 냉각이 매우 효율적일 수 있지만, 이것은 최소한 압축기, 응축기, 증발기 및 관련된 냉각제 전달 배관을 포함하는 중요한 동작 하드웨어를 요구한다. 복잡성 및 연관된 고 비용으로 인해 증기 압축 냉각은, 예컨대, 개인용 컴퓨터와 같은 소형 냉각 응용에는 실질적으로 받아들여지지 못했다.
CMOS 로직이 온도가 감소함에 따라 매우 빠르게 동작할 수 있다는 사실이 잘 알려진지는 적어도 10년이 되었다. 예컨대, CMOS 로직 장치가 -50℃에서 동작될 경우, 성능은 실온의 주변 온도로 동작될 경우에 비해 50퍼센트까지 향상된다. -196℃의 범위에서 액체 질소 작용 온도는 200퍼센트의 성능 개선을 보여주었다. 집적 회로 배선에 대해서도 마찬가지의 잇점이 발생하는데, 실온의 동작에 비해서 -50℃에서 동작되는 집적 회로의 경우 금속 배선 저항이 2분의 1 만큼 감소됨이 밝혀졌다. 이러한 개선은 상호접속 저항을 감소시킴으로써 획득가능한 동작 주파수를 효율적으로 증가시키기 위해 집적 회로에서 구리 배선을 사용하는 최근의 기술적 해결책에 필적한다. 따라서, 전계 효과 트랜지스터와 같은 집적 회로 로직 장치들은 물론 상호접속 배선의 주위 환경하의 동작은, 집적 회로의 성능을 매우 증가시킬 수 있으나, 사이즈의 감소 및 비용의 상당한 축소라는 환경 제약하에서 이러한 냉각을 어떻게 성취할 것인가의 문제가 남는다.
열전기적 냉각은 널리 이용되는 펠티어(Peltier) 디바이스들의 컴팩트한 사이즈만 보장된다면 얼마간 유용한 것으로 밝혀진 한가지 대안이다. 펠티어 디바이스 열전기적 냉각은 또한, 냉각제가 완전히 고체 상태라는 점에서 매우 신뢰성이 있다. 열전기적 냉각의 중요한 부정적 측면은 비효율성인데, 펠티어 디바이스 냉각 시스템 효율은 저온 싱크(cold sink)와 주위 환경 사이의 상대적 공칭 온도 저하에 대해 불과 20퍼센트 범위내에 있다고 널리 알려져 있다. 예컨대, 0℃의 주위 온도에서 1와트의 비율로 냉각시키려면, 펠티어 냉각 시스템에는 5와트의 파워가 공급되어야 한다. 전달되어야 하는 열량이 증가함에 따라, 주위로 분산되어야 하는 총 파워는 대형 배관 장치와 고출력 파워 공급 회로를 요구한다. 따라서, 펠티어 디바이스 열전기적 냉각은 집적 회로 성능을 향상시키기 위해 대략적으로 응용가능한 기술로 인정받지 못하였다.
본 발명에서 열전기적 냉각 효율을 증가시키는 방법을 이해하기 위해 펠티어 디바이스 열전기적 냉각이 왜 비효율적인지를 이해할 필요가 있다. 펠티어 디바이스는 비스무스 텔루르 화합물 또는 납 텔루르 화합물과 같은 반도체 재료로 제조된다. 현재 새로운 재료가 다수의 대학에서 평가되고 있지만, 아직까지는 결실을 맺지 못하고 있다. 널리 이용되는 펠티어 재료는 높은 전기적 전도성 및 열 전도성을 갖는 통상의 금속과는 대조적으로 매우 높은 전기적 전도성과 비교적 낮은 열전도성을 나타낸다. 동작시에 펠티어 디바이스는 펠티어 디바이스 양단에 형성되는 전계에 응답해서 온도 Tcold의 저온 싱크로부터 온도 Thot의 고온 싱크(hot sink)로 전자를 운반한다. 그러나, 펠티어 디바이스 효율에 영향을 주는 다른 메카니즘이 존재하는데, 이것은 저온 싱크로부터 고온 싱크로의 순(net) 열 에너지 운반을 저하시킨다.
도 1에는 통상적인 펠티어 유형의 열전기적 요소(TE)(1)와, 부하 전류(3)가 존재하는 동안 TE(1) 양단에 전계를 생성하는 DC 파워 서플라이(2)가 개략적으로 도시되어 있다. 바람직한 열 전달은 온도 Tcold의 저온 싱크(4)로부터 온도 Thot의 고온 싱크(6)로 이루어진다. 도 1에 식으로 표시되어 있는 바와 같이, 운반되는 순 열 에너지는 3개의 성분, 즉, 펠티어 효과(열전기적) 기여인자를 나타내는 성분과, 부(-)의 주울 열 효과를 정의하는 성분과, 부의 전도성 효과를 정의하는 성분으로 구성된다. 열전기적 성분은 시백 계수(Seebeck coefficient) α와, 동작 온도(Tcold)와 인가되는 전류의 함수이다. 주울 열 성분은 대략 2분의 1의 주울 열이 저온 싱크로 전달되고 나머지는 고온 싱크로 전달됨을 반영한다. 마지막으로, 열 전도에 기인할 수 있는 부의 성분은 펠티어 디바이스를 통해 흐르는 열을 나타내며, 고온 싱크로부터 저온 싱크에 이르는 펠티어 디바이스의 열 전도성에 의해 정의된다. 수학식 1을 살펴보자.
열 운반의 열전기적 성분이 전류에 직접 비례하여 증가하고, 주울 열이 전류의 제곱에 비례하여 증가하며, 열 전도가 고온 싱크와 저온 싱크간의 온도차에 직접 비례하므로, 수학식 1은 명백히 펠티어 디바이스가 신속히 비효율적이 되는 것을 설명한다.
다음 수학식 2는 펠티어 디바이스에 대한 성능 계수를 정의한다. 이 계수는 펠티어 디바이스에서 소비되는 파워에 대한 저온에서 운반되는 순 열 에너지의 비율이다. 전형적인 비스무스 텔루르 화합물 재료의 펠티어 디바이스에 대해, 성능 계수는 0.3미만이다.
수학식 2에서 분자는 펠티어 디바이스의 순 냉각 용량을 나타냄에 주목하자. 수학식 2에서 분모는 외부 파워 소스(2)에 의해 제공되는 총 에너지를 나타낸다. 분자의 개별 요소들에 대하여는 앞서 설명되었다. 분모에서 첫 번째 항은 총 주울 열을 나타내고, 두 번째 항은 Tcold싱크로부터 Thot싱크로의 운동 에너지에서 펠티어 디바이스에 의해 수행된 열 에너지 운반 일을 나타낸다. 이러한 관계에 기초해서 도 1의 구성에서 가능한 최대 성능 계수는 다음 수학식 3으로 주어진다.
파라미터는 다음 수학식 4에 개시된 바와 같이 시벡 계수 α와, 전기적 전도도 σ와 열 전도도 λ로 표현될 수 있다.
수학식 3에서 제 1 계수는 카르놋(Carnot) 효율로서, 두 개의 온도 싱크 Tcold와 Thot사이에서 동작하는 임의의 열 펌프에 대해 가능한 최대 효율임에 주목하자. 제 2 계수는 비이상적인 열전기적 냉각을 나타내며, 이것은 또한 가치 ZT의 계수에 의해 특성화될 수 있다. 즉,-→∞에 따라, max-→(Tcold/ΔT)가 된다.
지금까지 ZT의 높은 값을 생성하는 열전기적 재료를 개발하는 것이 매우 어려웠다. 열전기적 냉각제에 대한 주된 재료는 비스무스 텔루르 화합물(Bi2Te3) 및 납 텔루르 화합물(PbTe)이었다. 이들 재료는 실온에서 대략 0.3의 ZT 값을 갖는다. 최근 대학에서의 연구는 납 텔루륨 양자 우물 및 다중격자에서 ZT 값이 1에 접근할 수 있음을 보여주었다. 그러나, 이들 재료를 이용하더라도, 열전기적 냉각은 기계적 증기 압축 냉각 시스템과는 경쟁할 수 없다.
펠티어 디바이스 냉각의 다른 제약은 주변온도이하에서 획득가능한 온도 변동이 제한되는 것이다. 이러한 제한은 온도 범위가 효율, 즉, 온도차가 증가함에 따라 빠르게 저하하는 파라미터에 의해 제한된다는 사실로부터 발생한다. 최대 가능 온도차 Tmax는 다음 수학식 5로 주어진다.
대략 0.3의 ZT를 갖는 비스무스 텔루르 화합물에 대해 Tmax는 300°K에서 45°K이다.
따라서, 효율 및 온도차에 대한 여러 상당한 기본적 제약이 있어, 주변온도이하의 냉각 응용에서의 종래의 열전기적 요소들의 사용이 제한된다.
본 발명은 열전기적 요소를 파워 서플라이와 저온 싱크에 제각기 접속시키는 열 전도 경로와 전기적 파워에 대해 동적 변조(dynamic modulation)를 응용함으로써, 통상적인 열전기적 요소 냉각의 근본적인 제약을 극복한다.
한가지 실시예에서, 본 발명은 청구항 1에 개시된 바와 같은 열전기적 냉각 장치를 제공한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 청구항 17에 개시된 바와 같은 열전기적 냉각 장치를 동작시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 구체적 실시예에서, 상보형 불순물 유형의 열전기적 요소들이 전기적으로 직렬 접속되며 스위칭되는 전압 펄스에 의해 파워 공급된다. 열전기적 요소들은 전기적으로 분리된 개개의 고온 싱크에 한쪽단이 열적으로 결합되어 있고, 그 제각기의 저온단의 공통 접속부가, 저온 싱크로의 열 경로를 선택적으로 형성하는 열 스위치에 열적으로 결합된다. 전기적 스위치 및 열 스위치의 선택적이지만 동기된 동작에 의해, 이러한 열전기적 요소들의 정적 모드 동작을 초과하는 효율로, 저온 싱크로부터 열 스위치를 통해 그리고 열전기적 요소 쌍을 통해 제각기의 고온 싱크로의 열 에너지 운반이 이루어진다. 과도 원리(transient principles)를 이용함으로써 열 전도 메카니즘 및 주울 열 메카니즘으로부터 열전기적 열 운반 메카니즘을 상대적으로 분리시킬 수 있다. 성능 효율은 카르놋 효율에 이를 것으로 예측된다.
이제부터 본 발명의 실시예들을 이하의 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 통상 정적으로 동작가능한 펠티어 디바이스 냉각 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 단일 스위치, 단일 열전기적 요소 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 단일 열 스위치 이중 열전기적 요소 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 의한 전기적 파워 및 열 에너지 운반을 개략적으로 나타낸 상대적 타임 도면,
도 5는 도 3에 도시된 단일 열 스위치 구성의 폐쇄 루프 구현을 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 7은 MEMS 장치들과 펠티어 유형 열전기적 요소의 어레이에 대한 개략적인 단면을 도시한 도면,
도 8은 주위환경하에서 집적 회로 및 전자 모듈을 냉각시키는데 이용될 수 있는 열전기적 냉각기를 개략적으로 도시한 도면,
도 9는 식품 냉장 시스템으로의 본 발명의 확장된 이용을 개략적으로 도시한 도면,
도 10은 다양한 인간 주거 및 운송 매체에 적용되는 본 발명의 잠재적 응용성 및 잇점을 설명하기 위한 개략적인 도면,
도 11은 집적 회로 칩의 선택된 부분을 국부적으로 냉각시키기 위한 소형 열전기적 냉각기의 응용을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명을 위한 개념적 기본 원리에 따르면 열 전도도와 전기적 전도도간의 종속성, 즉, 지금까지 통상적인 열전기적 요소 열 전달 효율 및 온도 차를 제한했던 종속성을 분리시킨다. 수학적으로, 목적은 주울 열과 전도 열 전달을 최소화하면서 열전기적 열 전달을 동적으로 극대화하도록 열전기적 스위치를 사용함으로써 도 1에 지정된 순 열 전달 관계에 기여하는 요소들을 효과적으로 분리시키는 것이다. 열전기적 요소 과도 효과는 열전기적 요소에 걸쳐 인가되는 펄스 전압과, 열전기적 요소의 저온단과 저온 싱크간의 스위칭 열전도 결합을 동기시킴으로써 효율을 증가시키는데 사용된다. 바람직한 구현에서, 열 전도의 스위칭은 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical systems:MEMS)의 열 스위치들을 사용함으로써 성취되는데, 다수의 소형 열전기적 요소들과 관련된 MEMS 열 전도도 스위치의 어레이가 열 전달 용량을 증가시키는데 사용된다.
도 2에는 본 발명의 최소 요소 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 열전기적 요소(1)는 열 전달 계수 q를 갖는 열 경로를 통해 고온 싱크에 연속하여 결합된다. 열전기적 요소(1)의 반대측은 전압 인가 및 그에 응답하는 열 전달의 관점으로부터 열 스위치(7)를 통해 저온 싱크(4)에 열적으로 결합된다. 도 2에 구현된 바와 같이, 스위치(7)는 또한 전류를 도전시켜서 스위치(7)가 폐쇄되었을 때 열전기적 요소(1) 양단에 전압(2)이 인가될 수 있게 한다. 사이클의 개시시에 열전기적 요소(1)는 고온 싱크(6)에 대한 열 결합으로 인해 온도 Thot에 놓인다. 스위치(7)의 펄스형 폐쇄시에, 열전기적 요소(1)는 고온단(hot end)(8)과 저온단(cold end)(9) 사이에 상대적 온도차를 신속히 확립하여, 그 온도차에 의해 열 스위치(7)를 통해 저온 싱크(4)로부터의 열 전달이 가능하게 된다. 그러나, 시간이 지남에 따라 열전기적 요소(1)내에서 주울 열 효과는 열전기적 요소(1)의 평균 온도를 증가시켜서 열전기적 요소(1)를 통한 순 열 전달을 감소시키기 시작한다. 이 시점에서, 스위치(7)가 개방되어 전기적 파워와 열 결합을 모두 접속해제시킨다. 스위치 불활성화시에 열전기적 요소(1)내의 나머지 열 에너지는 열전기적 요소(1)와 고온 싱크(6)간에 지수함수적으로 감쇄하는 열 전달을 제공하도록 충분히 온도를 증가시킨다. 열전기적 요소(1)의 온도가 고온 싱크(6)에 접근하는 곳까지 감쇄하면, 사이클이 반복된다. 동작의 과도 특성은, 열전기적 열 전달이 상대적 전압의 수신시에 즉시 발생하는 반면에 주울 열 및 이후의 열전기적 요소의 전달 손실은 지연된 효과인 것에 의존한다. 이와 같이 하여, 본 발명은 전기적 전도 및 열 전도의 상이한 시간 스케일 및 시상수에 의존한다.
도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 효율을 개선하기 위한 기본 개념은 다소 덜 알려져 있지만 여전히 현저한 비효율성 기여요인(contributors)을 보여준다. 가장 널리 알려진 것은 스위치가 폐쇄되었을 때의 스위치(7)에 있어서의 주울 열, 스위치가 개방 상태에 있을 때의 스위치(7)를 통한 열 전도성 손실 및 열전기적 요소(1)의 열 용량에 기인한 열 손실이다.
과도기를 세부 분석하면 열전기적 요소의 열 용량에 기인한 열 손실이 푸리에 전도성 항(Fourier conductnance term)과 대략 동일함을 보여준다. 이전 수학식 2로서 표시된 성능 계수에 대한 표현은 다음 수학식 6에 의해 보다 충분히 설명된다.
수학식 6에서 Rs및 Ks는 스위치가 온(ON)되었을 때의 전기적 저항 및 오프(OFF)되었을 때의 열 전도성이다. 스위치의 온 전기적 저항 Rs은 오프 열 전도성 Ks를 증가시킴으로써 작게 만들어질 수 있다.
성능 계수를 증가시키기 위한 한가지 방법은 도 3의 실시예로 나타내지며, 전기적 스위치가 n형과 p형의 열전기적 요소의 신규한 배치 및 접속에 의해, 고온 싱크에 배치된다. 이렇게 함으로써, 전기적 스위치와 연관된 열은 성능 계수에 대한 기여요인(contributor)으로서 제거된다. 수학적으로, 이것은 성능 계수를 다음 수학식 7로서 다시 표현될 수 있게 한다.
이에 의해 최대 성능 계수가 수학식 3에 수학적으로 표현된 바와 같은 도 2에 도시된 단일 스위치 구현과 연관된 것보다 약간 더, 통상 20%만큼 증가시킨다. 다음으로 수학식 8을 보자.
성능 계수의 개선은 현저하지는 않지만, 그 차이는 스폿 냉각 응용에서 특히 중요하다. 이와 관련해서, 다음 수학식 9의 분자로 표현된 바와 같이 열전기적 냉각기의 순 냉각 파워는 최대 온도가 효과적으로 무한인 것을 나타내고 있는 점에 유의하자.
따라서, 전류를 증대시키는 것에 의해, 최대 온도차를 크게 증대시킬 수 있어, 소형 센서들 및 실리콘 다이상의 전용 회로에 대한 열전기적 냉각이 실용적인 것으로 된다. 이와 같은 국부적 또는 스폿 냉각 응용은 전압 제어형 발진기, 위상 검출기, 혼합기, 저 노이즈 증폭기, 레이저, 포토다이오드 및 다양한 물질 유형 광전기적 회로에서 특히 유용하다. 적어도 이론적으로 스폿 저온형 온도 냉각이 제한된 응용에서 가능할 수 있다. 다수의 불순물 유형 열전기적 요소들 및 분리된 전기적 스위치를 사용함으로써 효율 및 온도 범위에 대해 상단한 잠재적 가능성을 획득할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에는 다수의 상호관련된 세밀한 고안이 도입되어 있다. 첫째, 복수의 열전기적 요소가 사용된다. 둘째, 열전기적 요소에 인가되는 전기적 파워의 타이밍이 열전기적 요소의 저온단을 저온 싱크에 결합시키는 열 스위치의 타이밍으로부터 분리된다. 마지막으로, 열전기적 요소의 저온단을 저온 싱크에 접속시키는 스위치는 열 스위치만이고, 스위치를 통해 흐르는 전류와 연관된 주울 손실 및 임의의 전기적 전도 요건이 제거된다. 도 3에 도시된 실시예에서는 두 개의 열전기적 요소, 즉, n 불순물 유형 열전기적 요소(11)와 p 불순물 유형 열전기적 요소(12)가 이용된다. 이러한 구성에 의하면, 전기적 스위치(14)를 통해 인에이블됨에 따라 단일의 전압 소스(13)를 공유 사용할 수 있게 하면서, 제각기의 열전기적 요소들(11, 12)의 저온단(16, 17)은 열 스위치(18)를 통해 저온 싱크(4)에 열적으로 결합된다. 제각기의 열전기적 요소들(11, 12)의 고온단(19, 21)은 제각기의 고온 싱크(22, 23)에 열적 및 전기적으로 결합되며, 이에 의해 고온 싱크들은 전기적으로 분리되어 공유된 전압 소스(13)의 사용을 유효하게 한다.
도 3에 도시된 두 개의 열전기적 요소 실시예의 동작이 도 2에 도시된 단일의 열전기적 요소의 동작과 유사하지만, 열 스위치 및 전기적 스위치의 분리에 의해 제각기의 듀티 사이클 및 스위칭의 동기화를 정의하는 때의 융통성이 크게 된다. 전기적 스위치(14) 및 열 스위치(18)가 모두 매우 짧은 듀티 사이클로 동작하고 서로 상대적으로 동기된 동작을 보이지만, 폐쇄 및 개방 사이클의 타이밍은 열전기적 요소 및 고온 싱크와 저온 싱크로의 전도 경로 결합의 과도 특성에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 개선된 열 결합은, 우선 전기적 스위치(14)가 폐쇄되고, 잠시 후에 열 스위치(18)가 폐쇄되며, 약간 후에 전기적 스위치(14)가 개방되고, 열 스위치(18)가 전기적 스위치(14)의 개방 후 얼마 뒤에 개방됨을 시사한다. 스위칭 동작의 기본적 목적은 저온 싱크(4)로부터 고온 싱크들(23, 24)로의 열 전달 효율을 최대화시키는 것이다.
도 4에는 도 3에 도시된 실시예의 동작과 연관된 열 에너지 운반 파형 및 예시적인 전압 도면이 개략적으로 도시되어 있다. 제 1 도면은 열전기적 요소의 양단에 인가되는 전압의 펄스 특성을 보여준다. 제 2 도면은 고온 싱크로 방출되는 열 에너지의 열적 과도 및 연관된 감쇄를 보여준다. 마지막 도면은 열 스위치를 통한 저온 싱크로부터의 열 에너지 흡수를 예시한다. 도 4에 도시된 도면들은 이들이 구체적인 시간 관련 크기를 묘사하기 위해서라기 보다는 전반적인 개념을 예시하기 위해 제공된 것이라는 점에서 개략적이다.
도 5에는 도 3에 도시된 바람직한 실시예의 확장이 개략적으로 도시되어 있으며, 전기적 스위치(14) 및 열 스위치(18)의 활성화가 온도 센서(24)로부터의 입력에 응답해서 수행된다. 온도 센서(24)는 열전기적 요소들의 고온단, 저온단 또는 이들 두 측에서의 실제 온도에 응답하여, 스위치(14, 18)를 동작시키기 위한 동기 제어부(26)로의 입력을 제공한다. 스위치(14, 18)의 동기화 및 듀티 사이클 특성이 도 3에 도시된 실시예에 대한 경우와 비교적 유사하게 유지되지만, 감지된 온도를 이용하는 것에 의해, 추정된 열적 특성이 아닌 실제 온도 특성을 이용하여 스위치(14, 18)를 동작시키는 것에 의해 효율이 최적으로 된다. 도 5에 도시된 실시예에 의하면, 동일한 냉각 장치 환경내에서 더 큰 고온 싱크 온도 또는 더 낮은 저온 싱크 온도에 따른 효과를 보상할 수 있도록, 스위칭 타이밍을 조정하는 것이 가능하다.
도 6에는 본 발명에 특히 적합한 유형의 제각기의 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 열 스위치의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. MEMS 기술이 아직 초기 단계에 있으므로, 도 6에 도시된 스위치는 단지 열전기적 요소와 저온 싱크간에 선택적 열 결합을 제공하기에 적합한 많은 가능한 열 스위치 구성중 하나를 예시할 뿐이다. 도 6에 도시된 열 스위치는 얇은 가요성 박막(29)에서의 이동에 의해 미세한 변위를 일으킬 수 있는 니켈 자석 어레이(28)를 실리콘 칩(27)의 표면상에 형성하도록 통상적인 집적 회로 기법을 이용하여 제조된다. 나선 코일(31)내로의 전류 도입에 의해 자석 어레이를 실리콘 칩 평면에 수직인 방향으로 이동시키기에 적합한 힘이 발생된다. 도 6에 도시된 MEMS 스위치는 작동에 의해 개방되었을 때 비교적 낮은 열 전도도를 갖고 폐쇄되었을 때 비교적 높은 열 전도도를 가져야 한다. 도 6에 도시된 MEMS 디바이스가 전기적 스위칭 및 열적 스위칭의 양쪽 모두를 성취하려면 세부 고안에 의해 스위치의 "온" 저항을 저하시킬 필요가 있을 수도 있다.
도 7에는 MEMS 디바이스 어레이를 사용하여 펠티어 유형 열전기적 디바이스와 저온 싱크간에 선택적으로 열 접속을 확립하는 것이 예시되어 있다. 펠티어 디바이스(32, 33)는 도 3에 도시된 것과 연관된 기능을 복제하도록 구리 도체(34)에 의해 전기적으로 상호접속된다. 구리 도체(34)와 MEMS 스위치들(36, 37)의 자석 어레이(28)간의 간격은 ½미크론의 작은 범위내일 것으로 기대된다. 이러한 치수는 아주 적은 사이즈의 전기적 코일(도6의 31)에 의해 스위치 구조물의 동작을 개시시킬 수 있을 것으로 기대된다. 스위치 사이클링은 몇 초 정도로 발생될 것이 예상되므로, MEMS 디바이스의 킬로헤르츠 주파수 스위칭과 연관된 신뢰성이 문제가 되지 않을 것이다.
도 6 및 도 7에 도시된 것을 참조해 설명된 MEMS 유형 열 스위치는 단지 많은 가능한 열 스위치 구성중 하나일 뿐이다. 예컨대, 용량성 스위치 구조물에서 발생되는 정전기적 힘이 유사한 목적을 달성하는데 사용될 수 있음은 충분히 예상된다. 모든 스위치들에 대한 기본적 목표는 스위치 위치에 대한 열 전도성 극치를 극대화시켜서, 스위치가 폐쇄되었을 때 열전기적 요소와 저온 싱크간의 열 경로가 최대 열 전도성을 갖게 하는 한편 스위치 개방시에 최소 열 전도성을 갖게 하는 것이다.
도 7의 도면은 본 발명의 열전기적 냉각 시스템이 어레이로 구성된 MEMS 스위치들과 복수의 열전기적 요소들로 바람직하게 구성됨을 보여준다. 열전기적 요소 및 스위치의 복수성은 본 발명의 기초를 이루는 과도 특성이 열전기적 요소 및 스위치 재료의 차원 내에서 성취될 수 있음을 보장한다. 즉, 주울 열 성분과 전도 성분들로부터 열전기적 열 전달을 분리시키는 것은 비교적 작은 열 용량의 열전기적 요소, 통상의 펠티어 디바이스들 및 그에따른 소형 MEMS 유형 열 스위치들에 의해 가장 효과적으로 달성될 것이 예상된다.
도 8에는 본 발명의 열전기적 냉각기에 대한 한가지 응용이 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우에, 냉각기는 주위 공기로 파워를 방산하는 고온 싱크와 전자 모듈 및 그에 부착된 집적 회로를 갖는 저온 싱크간에 위치된다.
도 9에는 식품 냉장고를 효율적이고 청결하게 동작시키기 위해 확장된 어레이 형태로 열전기적 냉각기를 사용한 것이 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 특징이 되는 고 효율성 및 주로 동작하는 부품들을 감소시킴으로써 소형의 휴대형 냉각기와 같은 높은 선택적 및 제한된 응용기기로부터 사실상 모든 가정에서의 다수의 응용기기로 열전기적 냉각의 이동이 촉진된다.
또 다른 응용예가 도 10에 개략적으로 도시되어 있는데, 본 발명의 기초를 이루는 개념이 더욱 세부화되며 주거 및 사무실 냉각, 식품 운송 시스템 및 개인 자동차 냉각을 포함하는 다수의 열 전달 응용예를 포함하도록 사이즈가 확장된다.
도 11에는 스펙트럼의 타단에서의 용용예가 개략적으로 도시되어 있는데, 여기서, 집적 회로 파라미터를 제어하기 위해 선택된 영역을 선택적으로 냉각시킬 목적으로 집적 회로 칩의 부분에 미세 사이즈의 열전기적 냉각기가 선택적으로 부착된다.
본 발명은 특정의 열전기적 재료 또는 전자 구성에 제한되지 않기 때문에, 상당히 매우 넓은 응용성을 갖는다. 본 발명은 소형 열 스위치와 조합해서 펄스 동작형 열전기적 요소의 열역학을 이용하여, 열 전달 특성을 분리시키고 더욱 높은 냉각 효율을 획득한다.
이상 본 발명의 실시예들이 고온 싱크에 연속해서 접속된 열전기적 요소를 기술하였지만 본 발명의 범주내에서 열전기적 요소가 열 스위치(18)와 유사한 구조의 스위치에 의해 고온 싱크에 접속될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 열전기적 냉각 장치(a thermoelectric cooling apparatus)에 있어서,
    ① 제 1 공칭 온도(a first nominal temperature)의 제 1 열 싱크(a first thermal sink)와,
    ② 상기 제 1 공칭 온도 보다 상대적으로 높은 제 2 공칭 온도의 제 2 열 싱크와,
    ③ 상기 제 2 열 싱크에 연속적으로 결합된 열전기적 요소(a thermoelectric element)와,
    ④ 상기 열전기적 요소의 상기 제 1 열 싱크로의 열 결합(a thermal coupling)을 선택적으로 스위칭시키는 수단과,
    ⑤ 상기 열 결합을 선택적으로 스위칭하는 수단과 독립적으로 동작하여, 상기 열전기적 요소의 양단에 전압을 선택적으로 스위칭시키는 수단
    을 포함하는 열전기적 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 열 싱크는 전기적으로 분리된 제 1 부분(a first section) 및 제 2 부분으로 이루어지는 열전기적 냉각 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 결합을 선택적으로 스위칭시키는 수단 및 상기 전압을 선택적으로 스위칭시키는 수단은 기능적으로 동기하여 동작하는 열전기적 냉각 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열전기적 요소는 펠티어 디바이스인 열전기적 냉각 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열 결합을 선택적으로 스위칭시키는 상기 수단은 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스인 열전기적 냉각 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전압을 선택적으로 스위칭시키는 수단의 듀티 사이클(duty cycle)은 상기 열 결합을 선택적으로 스위칭시키는 수단의 듀티 사이클과 상관되어 있는 열전기적 냉각 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전기적으로 분리된 상기 제 1 및 2 부분은 전압을 선택적으로 스위칭시키는 상기 수단을 통해 파워 서플라이에 결합되어 있는 열전기적 냉각 장치.
  8. 열전기적 냉각 장치에 있어서,
    제 1 공칭 온도의 제 1 열 싱크와,
    상기 제 1 공칭 온도 보다 상대적으로 높은 제 2 공칭 온도의 제 2 열 싱크와,
    상기 제 2 열 싱크와 전기적으로 분리되어 있는 상기 제 2 공칭 온도의 제 3 열 싱크와,
    상기 제 2 열 싱크에 열적으로 결합된 제 1 열전기적 요소와,
    상기 제 3 열 싱크에 열적으로 결합된 제 2 열전기적 요소와,
    상기 제 1 및 2 열전기적 요소의 상기 제 1 열 싱크로의 열 결합(a thermal coupling)을 선택적으로 스위칭시키는 수단과,
    상기 열 결합을 선택적으로 스위칭하는 수단과 독립적으로 동작하여, 상기 제 1 및 2 열전기적 요소의 양단에 전압을 선택적으로 스위칭시키는 수단
    을 포함하는 열전기적 냉각 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 결합을 선택적으로 스위칭시키는 수단 및 상기 전압을 선택적으로 스위칭시키는 수단은 기능적으로 동기하여 동작하는 열전기적 냉각 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열전기적 요소는 펠티어 디바이스(Peltier devices)인 열전기적 냉각 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열전기적 요소는 반대 불순물 유형으로 이루어지는 열전기적 냉각 장치.
  12. 제 8 내지 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 결합을 선택적으로 스위칭시키는 상기 수단은 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스인 열전기적 냉각 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전압을 선택적으로 스위칭시키는 수단의 듀티 사이클(duty cycle)은 상기 열 결합을 선택적으로 스위칭시키는 수단의 듀티 사이클과 상관되어 있는 열전기적 냉각 장치.
  14. 주변 온도(ambient)하에서 동작가능한 열전기적 냉각 장치에 있어서,
    상기 주변 온도 보다 높은 온도에서 열 에너지를 방출하는 제 1 열 싱크 수단과,
    상기 주변 온도 보다 낮은 온도에서 열 에너지를 흡수하는 제 2 열 싱크 수단과,
    상기 제 1 및 2 열 싱크 수단에 결합되어, 이들 간에 열 에너지를 전달하는 제 1 열전기적 요소와,
    상기 제 1 열 전기적 요소와 상기 제 2 열 싱크 수단간의 열 전달 결합을 선택적으로 스위칭시키는 수단과,
    상기 열 전달 결합을 선택적으로 스위칭시키는 수단과 독립적으로 동작하나 이와 상대적으로 기능적 동기되어, 상기 제 1 열전기적 요소를 선택적으로 인에이블시키는 수단
    을 포함하는 열전기적 냉각 장치
  15. 제 14 항에 있어서,
    선택적으로 스위칭시키는 상기 수단은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 디바이스인 열전기적 냉각 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    선택적으로 인에이블시키는 상기 수단의 듀티 사이클은 선택적으로 스위칭시키는 상기 수단의 듀티 사이클과 상관되어 있는 열전기적 냉각 장치.
  17. 제 1 공칭 온도에서 동작가능한 제 1 열 싱크와, 상기 제 1 공칭 온도보다 상대적으로 높은 제 2 공칭 온도에서 동작가능한 제 2 열 싱크와, 상기 제 2 열 싱크에 결합된 열전기적 요소를 구비한 열전기적 냉각 장치를 동작시키는 방법에 있어서,
    상기 열전기적 요소로부터의 열에너지를 상기 제 2 열 싱크로 연속적 결합을 통해 전달하는 단계와,
    상기 열전기적 요소와 상기 제 1 열 싱크간의 열 에너지 전달을 선택적으로 스위칭시키는 단계와,
    상기 열 에너지 전달의 선택적 스위칭과 독립적으로, 상기 열전기적 요소의 양단에 전압을 선택적으로 인에이블시키는 단계
    를 포함하는 열전기적 냉각 장치 동작 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 열 싱크 수단은 전기적으로 분리된 제 1 및 2 부분으로 이루어진 열전기적 냉각 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제 2 열전기적 요소를 더 포함하되,
    상기 제 1 열전기적 요소는 상기 제 1 열 싱크 수단의 상기 제 1 부분에 결합되며,
    상기 제 2 열전기적 요소는 상기 제 1 열 싱크 수단의 상기 제 2 부분에 결합되고, 또한 선택적으로 스위칭시키는 상기 수단에도 결합되는
    열전기적 냉각 장지.
  20. 제 19 항에 있어서,
    선택적으로 인에이블시키는 상기 수단은 상기 제 1 열 싱크 수단의 상기 제 1 및 2 부분의 양단에 접속된 파워 서플라이를 스위칭시키는 열전기적 냉각 장치.
  21. 제 14 내지 16 항 및 제 18 내지 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 에너지를 방출하는 것은 주변 환경으로의 방출이며, 상기 열 에너지를 흡수하는 것은 식품 냉장 시스템, 자동차 점유지 냉각 시스템, 전자 집적 회로 디바이스로 이루어진 그룹중 어느 하나로부터의 흡수인 열전기적 냉각 장치.
  22. 제 1 공칭 온도에서 동작가능한 제 1 열 싱크와, 상기 제 1 공칭 온도 보다 상대적으로 높은 제 2 공칭 온도에서 동작가능한 제 2 열 싱크와, 상기 제 2 열 싱크와 전기적으로 분리되어, 상기 제 2 공칭 온도에서 동작가능한 제 3 열 싱크와,상기 제 2 열 싱크에 열적으로 결합된 제 1 열전기적 요소와, 상기 제 3 열 싱크에 열적으로 결합된 제 2 열전기적 요소를 구비한 열전기적 냉각 장치를 동작시키는 방법에 있어서,
    상기 제 1 열전기적 요소로부터의 열 에너지를 연속적 결합을 통해 상기 제 2 열 싱크로 전달하는 단계와,
    상기 제 2 열전기적 요소로부터의 열 에너지를 연속적 결합을 통해 상기 제 3 열 싱크로 전달하는 단계와,
    상기 제 1 및 2 열전기적 요소와 상기 제 1 열 싱크 간의 열 에너지 전달을 선택적으로 스위칭시키는 단계와,
    상기 열 에너지 전달의 선택적 스위칭과 독립적으로, 상기 제 1 및 2 열전기적 요소의 양단에 전압을 선택적으로 인에이블시키는 단계
    를 포함하는 열전기적 냉각 장치 동작 방법.
  23. 주변 온도 보다 높은 온도에서 열 에너지를 방출하는 제 1 열 싱크와, 상기 주변 온도 보다 낮은 온도에서 열 에너지를 흡수하는 제 2 열 싱크와, 상기 제 1 열 싱크와 제 2 열 싱크 사이에 결합되어, 이들 간에 열 에너지를 전달하는 열전기적 요소를 구비한 열전기적 냉각 장치를 동작시키는 방법에 있어서,
    상기 제 1 열전기적 요소로부터의 열 에너지를 연속적 결합을 통해 상기 제 1 열 싱크로 전달하는 단계와,
    상기 제 1 열전기적 요소와 상기 제 2 열 싱크 간의 열 전달 결합을 선택적으로 스위칭시키는 단계와,
    상기 열 전달 결합의 선택적 스위칭과 독립적이나 이와 상대적으로 기능적 동기되어, 상기 제 1 및 2 열전기적 요소의 양단에 전압을 선택적으로 인에이블시키는 단계
    를 포함하는 열전기적 냉각 장치 동작 방법
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