KR100491265B1 - 인클로저내의공기를조절하는시스템및방법 - Google Patents

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토마스 씨 데드몬
토니 엠 큐센버리
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Abstract

본 발명은 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 공기를 예비 냉각하는 수동 열 제거 시스템(12), 및 수동 열 제거 시스템(12)과 함께 사용하여 추가적인 냉각, 온도 제어 및 가열을 실행하는 열전 온도 제어 시스템(14)을 포함한다. 수동 열 제거 시스템(12)은 히트 파이프 시스템을 포함한다. 전력 제어 시스템(30)은 온도 센서(36)로부터 인클로저(20) 내의 공기의 온도를 나타내는 신호를 수신하는 프로그램가능한 제어 수단(56)을 포함한다. 이들 신호에 따라서, 전력 제어 시스템(30)은 열전 온도 제어 시스템(14)의 열전 장치의 동작을 제어하고, 통풍기(38, 42)의 동작을 제어하여 인클로저(20) 내의 공기로부터 필요한 양의 열을 제거하고 바람직하지 않은 열을 외부 공기에 방출한다. 열전 온도 제어 시스템(14)의 전원이 고장나면, 스위칭 장치(58)가 동작하여 전력 제어 시스템(30)에 배터리 전력(60)을 인가한다. 인클로저(20) 내의 공기를 가열할 필요가 있는 경우에 극성 반전 회로(52)는 열전 장치에 인가되는 직류 전압의 직류 극성을 반전하여 열전 장치의 히트 펌핑을 반전시킨다. 통풍기의 어떠한 고장도 검출하기 위해서 통풍기의 속도를 감시하도록 회로와 센서가 구성되어 있다. 전류 제어 회로는 열전 냉각 장치에 전력을 공급하고 또한 열전 냉각 장치의 온도를 제어한다.

Description

인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONDITIONING THE AIR WITHIN AN ENCLOSURE}
본 출원은 1996년 7월 12일에 출원한 동시 계속 미합중국 특허 출원 제08/679,126호의 CIP 출원이다.
본 발명은 공기조화 시스템에 관한 것이며, 특히, 제한하고자 하는 것이 아니라, 원격 위치에 수용된 마이크로웨이브 중계국 또는 전자장비 등 열 발생 장비를 수용하는 인클로저(enclosure), 또는 자동차 등 기타의 밀폐된 인클로저 내의 공기를 조절하기 위한, 수동 열 제거 시스템 및 열전(熱電; thermoelectric) 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
예로서, 원격 마이크로웨이브 중계국 또는 셀룰러 전화 시스템용 원격 셀 사이트(cell site) 등, 열 발생 장비는, 장비의 수명, 신뢰성 및/또는 성능에 악영향을 줄 수도 있는 매우 높은 주위 온도에 빈번하게 영향을 받는다. 전자장비용 인클로저 내의 공기의 냉각 또는 조절을 위해서 몇 개의 시스템을 이용할 수 있다. 냉각에 이용되는 기술은 수동 냉각 시스템, 압축기에 의한 시스템 및 열전 시스템에 관한 것이며 또한 이것들을 포함한다.
수동 냉각 시스템에서, 냉각되는 공기는, 절곡(折曲)되어 핀(fin)이 부착된 열교환기, 히트 파이프(heat pipe) 등을 포함하는 공기 대 공기(air to air) 열교환기를 통하여 순환된다. 이어서, 열은 외측의 주위 공기와 열교환된다. 인클로저로부터 제거되는 열량이 증가함에 따라서, 공기 대 공기 열교환기의 크기가 증가되어야 하고, 이것은 결점이 될 수도 있다.
수동 냉각 시스템의 또 다른 결점은, 시스템이 인클로저로부터 제거할 수 있는 열량이 인클로저를 둘러싸는 공기의 주위 온도에 의해서 결정되는 것이다. 따라서, 주위 온도가, 예를 들어, 55℃이면, 수동 냉각 시스템에 의해서 인클로저 내측의 온도는 주위 온도보다 약간 높은 온도까지만 낮추어질 수 있다.
압축기에 의한 시스템은 냉매를 이용함으로써 작용하고, 냉각 기능은 냉매의 압축과 팽창에 의해서 달성된다. 압축기에 의한 시스템은 효율적이지만, 부피가 크고, 유지비가 많이 들며, 대량의 전력을 소비한다. 또한, 모든 냉각이 활발하게 이루어지고, 이것은, 예로서, 주위의 외측 공기가 충분히 차가우면 필요하지 않을 수도 있다.
열전 온도 제어 시스템은 펠티에(Peltier) 효과를 이용하여 열을 펌프(pump)하는 열전 장치를 사용한다. 열전 장치는 낮은 와트수의 용도에서 매우 신뢰성이 있고 또한 매우 경제적이다. 비용은 특정 기능에 필요한 열전 장치의 수에 직접적으로 관련되는 바와 같이, 제거해야할 와트수가 증가함에 따라서, 이러한 타입의 시스템의 비용이 증가한다. 더욱 많은 열전 장치는 더욱 많은 전력을 필요로 하므로, 전력공급 조건으로 인하여 냉각 용량이 한정될 수도 있다.
가장 일반적인 형태의 열전 장치는 전류를 이용하는 열전 모듈/소자를 포함하여, 모듈의 한쪽으로부터 열을 흡수하여 반대쪽에서 열을 소모한다. 전류 방향이 반대로 되면 그것이 히트 펌핑(heat pumping)이다. 통상적으로 저온측 및 고온측은 고체, 액체 또는 기체(통상적으로 공기)로부터 열을 제거하거나 이것들에 열을 가하는 효과적인 수단을 필요로 하게 되어 있다.
비용이 저렴하고, 신뢰성이 있고, 효율적이며 유지 보수를 적게 필요로 하는 향상된 방법으로 전자장비용 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템을 구성하는 것이 유리하다.
본 발명은, 냉매를 필요로 하지 않으면서, 향상된 냉각용량, 적은 유지 보수, 저비용 및 저잡음과 함께 고에너지 효율을 제공함으로써 경량이고 콤팩트한, 종래기술에 비하여 개선된 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 장치와 열 발생 장비와의 사이의 공기 흐름을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 열전 온도 제어 시스템의 하나의 실시예의 전기회로 블록도.
도 3은 구성 부분을 나타내기 위해 측판을 제거하고, 또한 열 발생 장비를 수용하는 인클로저에 기대어 하우징을 설치하여, 상기 하우징 내에 장착한 본 발명의 하나의 실시예의 측면도.
도 4는 구성 부분을 나타내기 위해 측판을 제거하고, 또한 열 발생 장비를 수용하는 인클로저에 기대어 하우징을 설치하여, 상기 하우징 내에 장착한 본 발명의 다른 하나의 실시예의 측면도.
도 5는 구성 부분을 나타내기 위해 측판을 제거하고, 또한 열 발생 장비를 수용하는 인클로저에 기대어 하우징을 설치하여, 상기 하우징 내에 장착한 본 발명의 또 다른 실시예의 측면도.
도 6은 본 발명의 열전 온도 제어 시스템의 또 다른 실시예의 전기회로 블록도.
도 7은 열전 냉각 장치에 전력을 공급하고 온도를 제어하는 전류 제어 회로의 블록도.
본 발명은 하이브리드 공기 조절 시스템에 대한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 하나의 특징은 저가의 수동 열 제거 시스템 및 열전 온도 제어 시스템을 포함한다. 수동 열 제거 시스템은 열전 온도 제어 시스템에 앞서서 공기를 예비 냉각시키고, 이 열전 온도 제어 시스템은 필요한 경우, 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기의 후속의 냉각 및 온도 제어를 실행한다. 열전 온도 제어 시스템은 필요할 때에만 동작하여 에너지 비용이 많이 절감된다. 본 발명의 또 다른 특징은 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기의 온도를 나타내는, 온도 센서로부터의 신호를 수신하는 프로그램가능한 제어 수단을 구비한 전력 제어 시스템을 포함한다. 이 신호에 따라서, 전력 제어 시스템은 열전 장치와 통풍기(fan)의 활성화를 제어하여 인클로저 내의 공기로부터 필요로 하는 열량을 제거하고 원하지 않는 열을 외부 공기에 방출한다. 프로그램가능한 제어 수단은 마이크로프로세서 및 관련 소프트웨어를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징은 열 발생 장비를 수용하는 인클로저의 전원과 전력 제어 시스템과의 사이에 동작할 수 있게 접속된 스위칭 장치를 포함한다. 스위칭 장치는 전원이 고장나면 전력 제어 시스템에 배터리 전력을 인가하는 동작을 한다.
본 발명의 또 다른 특징은 전력 제어 시스템과 열전 장치와의 사이에 동작할 수 있게 접속되어서, 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기를 가열할 필요가 있는 경우에 열전 장치의 히트 펌핑을 반전시키는 극성 반전 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징은 통풍기와 프로그램가능한 제어 수단과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어서, 임의의 통풍기의 적절한 동작의 손실을 검출하는 검출 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징은 통풍기와 프로그램가능한 제어 수단과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어서, 통풍기의 동작수명을 최대화하는 통풍기 속도 제어 회로를 구비한다.
본 발명의 또 다른 특징은 버크-부스트 토폴로지(buck-boost topology)를 이용하여 열전 냉각 장치에 전력을 공급하여 열전 냉각 장치의 온도 제어를 개선한 전류 제어 회로를 포함한다. 또한 버크 또는 부스트만을 이용할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기의 장비를 사용하는 과정에서 공기를 조절하는 방법을 포함한다.
이어서, 도면, 특히 도 1을 참조하면, 본 발명의 하이브리드 공기조화 시스템은 참조번호 10으로 표시되어 있다. 하이브리드 공기조화 시스템(10)은 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12), 및 열전 온도 제어 시스템(14)을 포함한다. 인클로저(20) 내에 위치하고 또한 전원(19)으로부터의 직류 전압에 의해서 전력이 공급되는 열 발생 장비(18)에 의해서 가열된, 더운 또는 가열된 공기(16)는 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)을 통하여 흐르고, 여기서 더운 또는 가열된 공기(16)가 예비 냉각된다. 이어서, 예비 냉각된 공기(22)는 열전 온도 제어 시스템(14)을 통하여 흐른다. 예비 냉각된 공기(22)의 온도가 필요로 하는 온도로 감소되지 않으면, 열전 온도 제어 시스템(14)이 동작하여 예비 냉각된 공기(22)의 온도를 필요한 온도 이하로 감소시키거나 더욱 냉각시킨다. 필요한 온도 이하로 냉각된 냉각 공기(24)는 인클로저(20)에 회송된다. 주위 공기(26)는 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12), 및 열전 온도 제어 시스템(14) 모두에 인입되어서 열 제거 처리에 조력하고 가열된 다음, 가열된 주위 공기(28)가 외부 공기에 다시 방출된다. 주위 공기(26) 또는 가열된 주위 공기(28) 중 어느 것도 예비 냉각된 공기(22) 또는 냉각 공기(24) 중 어느 하나와 혼합되지 않는다. 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)이 더운 또는 가열된 공기(16)를 필요한 온도로 냉각할 수 있다면, 열전 온도 제어 시스템(14)은 동작하지 않고 냉각처리에 대하여 수동적인 상태에 있는 것을 이해할 것이다.
지금부터 도 2를 참조하면, 열전 온도 제어 시스템(14)의 하나의 실시예는 인클로저(20) 내의 전원(19)으로부터 입력 전력, 즉, 리드(lead)(32, 34)를 통하여 직류 전압, 및 리드(33, 35)를 통하여 교류전압을 수전(受電)하는 전력 제어 시스템(30)을 포함한다. 전력 제어 시스템(30)은, 인클로저(20) 내에 위치하여 인클로저(20) 내의 공기의 온도를 나타내는 온도 센서(36)로부터의 입력을 수신한다. 전력 제어 시스템(30)은 리드 또는 케이블(40)을 통하여 통풍기 어셈블리(fan assembly)(38)에 전력을 공급하고 제어하며, 또한 리드 또는 케이블(44)을 통하여 통풍기 어셈블리(42)에 전력을 공급하고 제어한다. 각각의 통풍기 어셈블리는 별개로 제어되어서 두 개의 통풍기 어셈블리가 동시에 작동될 수 있고, 두 개의 통풍기 어셈블리가 동시에 차단될 수 있으며, 또한 각각의 통풍기 어셈블리가 상이한 시간에 작동될 수 있는 것을 이해할 것이다. 통풍기 어셈블리(38)는 수동 열 교환 시스템(12)의 일부, 열전 온도 제어 시스템(14)의 일부 및 인클로저(20)를 통하여, 인클로저(20) 내의 공기를 이동시키고, 이것은 도 3의 설명에서 더욱 상세히 설명한다. 통풍기 어셈블리(42)는 수동 열 교환 시스템(12)의 상이한 부분 및 열전 온도 제어 시스템(14)의 상이한 부분을 통하여 주위 공기 또는 외부 공기를 이동시키고, 이것은 도 3의 설명에서 더욱 상세히 설명한다.
전력 제어 시스템(30)은 또한 극성 반전 회로(50)를 통과하는 리드 또는 케이블(48)을 통하여 열전 어셈블리(46)에 전력을 공급하고 제어한다. 극성 반전 회로(50)는, 열전 어셈블리(46)가 냉각하는 것보다는 가열하는 것을 필요로 하면, 열전 어셈블리(46)에 인가된 직류 전압의 극성을 반전시킨다. 극성 반전 회로(50)의 위치 또는 상태는 리드(51)를 통하여 전력 제어 시스템(30)으로부터 전송된 신호에 의해서 결정되고 제어된다. 열전 어셈블리(46)는 열교환기(54)에 동작할 수 있게 장착된 열전 장치(52)를 포함한다. 전력 제어 시스템(30)은, 온도 센서(36)로부터 출력을 수신하고 필요하면 전력 제어 시스템(30)이 열전 어셈블리(46)를 동작시키게 하는 프로그램가능한 제어 수단(56)을 포함한다. 프로그램가능한 제어 수단(56)은 마이크로프로세서와 관련 소프트웨어를 포함한다.
전력 제어 시스템(30)은 본 발명에 유용하고 또한 필요한 기능을 실행하는 두 개의 상이한 설계 중 어느 하나일 수도 있다. 이용할 수 있는 하나의 설계는 여기에 참조로서 포함된 미합중국 특허 제5,371,665호의 지침에 따라서 구성된 전력 제어 회로의 설계이다. 이용할 수 있는 또 하나의 설계는, 96년 2월 27일 출원되고, 여기에 참조로서 포함된 미합중국 특허출원 제08/607,713호인, "Current Control Circuit For Improved Power Application and Control of Thermoelectric Device"의 지침에 따라서 구성된 전류 제어 회로의 설계이다.
상기한 바와 같이, 전력 제어 시스템(30)은 스위칭 장치(58)를 통과하는 리드(32 및 34)를 통하여 직류 전압을 수전한다. 스위칭 장치(58)에는 또한 배터리(60)가 연결되어 있다. 바람직한 실시예에서, 스위칭 장치(58)는, 전원(19)으로부터의 직류 전력 공급이 정지되면 스위칭 장치(58)가 배터리(60)를 전력 제어 시스템(30)에 접속하여, 통풍기의 동작이 필요한 경우에 열전 온도 제어 시스템(14)이 동작할 수 있게 유지되도록 동작 가능하게 접속된 통상적으로 개방된 릴레이일 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 배터리(60)는 24볼트 DC 또는 48볼트 DC 중 어느 하나이다.
지금부터 도 3을 참조하면, 인클로저(20)의 벽(72)에 부착되거나 연결된 하우징(70)에 설치된, 본 발명의 하나의 실시예가 나와 있다. 벽(72)에는 개구(74)가 형성되어서 하우징(70)의 벽(78)의 개구(76)와 맞추어져 있다. 인클로저(20)의 벽(72)에는 개구(80)가 형성되어서 하우징(70)의 벽(78)의 개구(82)와 맞추어져 있다. 하우징(70)의 벽(90)에는 개구(84, 86, 88)가 형성되어 있다. 통풍기 어셈블리(38)는 개구(74, 76)에 대하여 동작 가능하게 배치되어서 개구(74, 76)를 통하여 인클로저(20)로부터 공기를 인입하고 개구(82, 80)를 통하여 인클로저(20)에 공기를 되돌려 방출한다. 통풍기 어셈블리(38)는 하나 이상의 통풍기를 포함한다. 통풍기 어셈블리(42)는 개구(86)에 대하여 동작 가능하게 배치되어서 개구(86)를 통하여 외부의 주위 공기를 인입하고 개구(84, 88)를 통하여 외부에 공기를 되돌려 방출한다. 통풍기 어셈블리(42)는 하나 이상의 통풍기를 포함한다. 하우징(70) 내의 벽(92)은, 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(42), 및 열전 어셈블리(46)와 함께, 인클로저(20) 내의 공기 및 인클로저(20)로부터의 공기가 외부 주위 공기와 혼합되는 것을 방지한다. 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)이 하우징(70)의 상부에 설치되어 있고, 열전 장치(52) 및 열교환기(54)는 하우징(70)의 하부에 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)과 대략 수직으로 맞추어져 설치되어 있다. 바람직한 실시예에서, 열교환기(54)는 통상 핀(fin)이 부착되어 배열된 공기 대 공기 열교환기를 포함한다. 수동 공기 대 공기 열교환기는 열 전도 재료의 압출 공정 또는 절곡 공정에 의해서 형성될 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 열교환기(54)는 유닛의 소정의 부분이 벽(92)의 양측에 배치되어서 벽(92)을 통하여 연장되어 있지만 벽(92)의 한쪽으로부터 벽(92)의 다른 쪽으로 어떠한 공기도 통과하는 것을 방지하도록 설치되어 있는 것을 알 수 있다. 수동 공기 대 공기 열교환기의 크기에 따라서, 벽(92)은 열전 어셈블리(46) 전용 벽으로서 존재할 수도 있고 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)의 설치 브래킷(bracket)으로 존재할 수도 있지만, 또한 인클로저(20) 내의 공기 및 인클로저(20)로부터의 공기가 외부 주위 공기와 혼합되는 것을 방지한다. 전력 제어 시스템(30)은 통풍기 어셈블리(42) 위에 배치되어 있다. 조절판(baffle)(94, 96)은 벽(92)과 함께 벽(92)의 양측의 공기의 흐름의 방향을 지정하는 데에 도움을 준다.
수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)과 열전 장치(52)와 열교환기(54)의 위치는, 본 발명의 취지와 범위로부터 벗어남이 없이, 열전 장치(52)와 열교환기(54)를 하우징(70)의 상부에 설치하고 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)은 하우징(70)의 하부에 설치하도록 상호 변경될 수도 있는 것을 알 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 동작을 설명한다. 전원에 의해서 열 발생 장비(18) 및 열전 온도 제어 시스템(14)이 동작하면, 온도 센서(36)는 인클로저(20) 내의 온도를 감시하기 시작한다. 온도 센서(36)로부터 전력 제어 시스템(30)으로의 신호가, 인클로저(20) 내의 공기의 온도가 제1소정치에 도달한 것을 나타낼 때, 전력 제어 시스템(30)의 마이크로프로세서와 소프트웨어에 의해서 전력 제어 시스템(30)이 통풍기 어셈블리(38)를 동작시킨다. 더운 또는 가열된 공기(16)는 개구(74, 및 76)를 통하여 인클로저(20)로부터 인입되어서, 벽(92)의 인클로저(20)측에 있는 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)의 열교환기 부분을 통과하여, 열전 어셈블리(46)의 열교환기(54)의 절반을 통과한 다음, 개구(80, 및 82)를 통하여 인클로저(20)에 되돌려 방출된다. 더운 또는 가열된 공기(16)가 흐르는 동안에, 공기 중의 약간의 열은 벽(92)의 인클로저(20)측에 있는 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)의 열교환기 부분에 전달된 다음, 벽(92)의 외부 공기측에 있는 수동 열 제거 시스템(12)의 열교환기 부분에 전달되는 것을 이해할 것이다.
더운 또는 가열된 공기(16)의 온도가 계속해서 증가하면, 온도 센서(36)로부터의 신호는, 인클로저(20) 내의 공기의 온도가 제2 소정치에 도달한 것을 나타내고, 전력 제어 시스템(30)이 통풍기 어셈블리(42)를 동작시킨다. 통풍기 어셈블리(42)는 개구(86)를 통하여 외부 주위 공기(26)를 인입하고, 이 공기는, 수동 열 제거 시스템(12)으로부터 열을 제거하고 또한 가열된 주위 공기(28)를 개구(84)를 통해서 외부로 방출하는, 벽(92)의 외부 공기측에 있는 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)의 열교환기 부분을 통과한다. 통풍기 어셈블리(42)는 또한 약간의 외부 주위 공기(26)를 벽(92)의 외부 공기측에 있는 열교환기(54)의 절반을 통과시켜서 개구(88)를 통하여 외부에 방출되도록 한다. 더운 또는 가열된 공기(16)의 온도가 계속해서 증가하면, 온도 센서(36)로부터의 신호는, 인클로저(20) 내의 공기의 온도가 제3소정치에 도달한 것을 나타내고, 전력 제어 시스템(30)은 열전 장치(52)를 동작시켜서 벽(92)의 인클로저(20)측에 있는 열교환기(54)의 절반을 냉각시킨다. 열전 장치(52)의 동작은 예비 냉각된 공기(22)를 더욱 냉각시킨다. 전력 제어 시스템(30)은 열전 장치(52)를 비례적인 방법으로 동작시켜서 인클로저(20) 내의 공기를 최대 허용치 이하로 유지한다. 전력 제어 시스템(30)은 동작 및 설치 조건에 따라서 통풍기 어셈블리(38)를 동작시키고 또한 계속해서 항상 운전할 수도 있는 것을 이해할 것이다.
인클로저(20) 내의 공기가, 온도 센서(36)로부터 전력 제어 시스템(30)으로의 신호가 나타내는 소정치보다 더욱 냉각되면, 전력 제어 시스템(30)은 극성 반전 회로(50)를 동작시킨다. 열전 장치(52)에 이러한 극성 반전 전압을 인가함으로써 벽(92)의 인클로저(20)측에 존재하는 열교환기(54)의 절반이 가열되어서 인클로저(20) 내의 공기가 소정치 이상으로 가열된다. 필요하면, 통풍기 어셈블리(38)와 통풍기 어셈블리(42) 중 어느 것이든 동작될 수도 있는 것을 알 수 있다.
지금부터, 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 하우징(70), 통풍기 어셈블리(39), 통풍기 어셈블리(43), 통풍기 어셈블리(45), 수동 열 교환 시스템(12), 열전 어셈블리(46) 및 전력 제어 시스템(37)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 벽(92)은, 하우징(70)을 외측의 내부 챔버(chamber) 벽(78)을 구비한 내부 챔버(92a)와 외측의 외부 챔버 벽(90)을 구비한 외부 챔버(92b)로 분리한다. 하우징(70)은 장비용 인클로저(20)의 벽(72)에 부착 또는 연결된다. 하우징(70) 내의 벽(92)은 내부 챔버(92a)의 공기가 외부 챔버(92b)의 공기와 혼합되는 것을 방지한다.
도 4를 여전히 참조하면, 외측의 내부 챔버 벽(78)은 장비용 인클로저(20)의 출구(74)를 통하여 장비용 인클로저(20)로부터 내부 챔버(92a) 안으로 더운 공기를 받아들이는 입구(76)와, 장비용 인클로저의 입구(80)를 통하여 내부 챔버(92a)로부터 장비용 인클로저(20) 안으로 냉각된 공기를 송출하는 출구(82)를 구비하고 있다. 통풍기 어셈블리(39)는 개구(74 및 76)를 통하여 인클로저(20)로부터 더운 또는 가열된 공기(16)를 인입하고, 또한 개구(82 및 80)를 통하여 냉각된 공기(24)를 인클로저(20) 내에 되돌려 송출하도록 동작 가능하게 배치되어 있다. 통풍기 어셈블리(39)는 하나 이상의 직류 전압 통풍기를 포함한다.
도 4를 다시 참조하면, 하우징(70)의 외측의 외부 챔버 벽(90)은 주위 공기를 외부 챔버(92b) 안으로 받아들이는 입구(86)와, 공기(24)를 외부 챔버(92b)로부터 주위 공기로 회송하는 출구(85)를 구비하고 있다. 통풍기 어셈블리(43)는 개구(86)를 통하여 외부 주위 공기(26)를 외부 챔버(92b) 안으로 인입하고, 또한 출구(85)를 통하여 더워진 주위 공기(28)를 외부에 되돌려 방출하도록 동작할 수 있게 배치되어 있다. 통풍기 어셈블리(43)는 하나 이상의 직류 전압 통풍기를 포함한다. 하우징(70)의 외부 챔버(92b)는, 또한 외측의 외부 챔버 벽(90)에, 주위 공기(26)를 외부 챔버(92b) 안으로 받아들이는 입구(89)와, 공기(24)를 외부 챔버(92b)로부터 주위 공기로 송출하는 출구(85)를 구비하고 있다. 외부 챔버(92b) 내의 조절판(94)은 공기를 입구(89)로부터 출구(91)로 인도한다. 통풍기 어셈블리(45)는 개구(89)를 통하여 외부 챔버(92b) 내에 외부 주위 공기(26)를 인입하고 또한 개구(91)를 통하여 더워진 주위 공기(28)를 외부로 되돌려 방출하도록 동작할 수 있게 배치되어 있다. 통풍기 어셈블리(45)는 하나 이상의 직류 전압 통풍기를 포함한다.
도 4를 다시 참조하면, 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)은 히트 파이프, 또는 파이프(104)에 의해서 수동 응축기(condenser)(102)에 연결된 수동 증발기(evaporator)(100)를 포함하는 상변화(相變化) 방식 열교환기를 포함하고 있다. 수동 열 제거 또는 열 교환 시스템(12)은 하우징(70)의 상부에 배치되어 있다.
수동 증발기(100)는 내부 챔버(92a) 내에 배치되어서 인클로저(20)로부터 더운 또는 가열된 공기(16)를 받아들인다. 수동 응축기(102)는 외부 챔버(92b)내에 배치되어서 주위 공기(26)를 받아들인다. 수동 열 교환 시스템(12)은 열원으로부터, 열이 소비되는 히트 싱크(heat sink)로 열을 수동적으로 전달하는 히트 파이프 시스템인 것이 바람직하다. 히트 파이프 또는 히트 파이프 시스템은, 배기되고 또한 저온에서 증발하는, 프레온(H-134A), 물 등, 동작 유체로써 충전된 기밀(氣密)용기인 것이 바람직하다. 열이 장치(증발기(100)) 부분에 영향을 미침에 따라서, 동작 유체가 기화되어서 히트 파이프 시스템 내의 압력 구배(句配)를 형성한다. 이 압력 구배는, 파이프(104)를 따라서, 증기를 응축하여 증기의 기화 잠열을 방출하는 냉각부(응축기(102))에 증기를 흐르게 한다. 이어서, 동작 유체는 히트 파이프의 다공성 모세관 구조에 나타나는 모세관 힘 또는 중력에 의해서 증발기에 회송된다. 더운 또는 가열된 공기(16)가 수동 증발기(100)를 통과할 때, 동작 유체는 더운 또는 가열된 공기(16)로부터 열을 제거하여 기화되어서, 증기를 수동 응축기(102)로 가게 하는 압력 구배를 형성한다. 증기는 열을 수동 응축기(102)에 전달하고, 이어서 수동 응축기(102)가 이 열을 주위 공기(26)에 방출하며, 이에 따라서 증기가 응축되어서 생성되는 동작 유체는 히트 파이프 시스템에 어떠한 전력도 인가됨이 없이 수동 증발기(100)에 회송된다.
도 4를 다시 참조하면, 열전 어셈블리(46)는 통상적으로, 각각 제1면(52a)과 제2면(52b)을 구비한 열전 장치(52), 열전 장치(52)의 제1면(52a)에 연결된 제1열교환기(54a), 및 열전 장치(52)의 제2면(52b)에 연결된 제2 열교환기(54b)를 포함한다. 제1 열교환기(54a)와, 열전 장치(52)의 제1면(52a)은 내부 챔버(92a)에 배치되어 있다. 조절판(96)은 내부 챔버(92a)를 통하여 흐르는 공기(22)를 내부 챔버(92a)로부터 방출되기 전에 제1 열교환기(54a) 및 열전 장치(52)의 제1면(52a)을 통하여 흐르게 한다. 열전 장치(52)의 제2면(52b), 및 제2 열교환기(54b)는 외부 챔버(92b)에 배치된 조절판(94) 내에 설치되어서, 개구(89)를 통하여 외부 챔버(92b) 내로 흘러 들어오는 주위 공기(26)가 가열된 공기(28)로서 출구(91)를 통하여 외부 챔버(92b)로부터 방출되기 전에 열전 장치(52)의 제2면(52b)과 제2열교환기(54b)를 통하여 흐른다.
이어서, 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예가 인클로저(20)의 벽(72)에 부착되거나 연결되어 있는 하우징(70) 내에 설치되어 도시되어 있다. 이 특정 실시예는 도 4에 나타낸 실시예와 매우 유사하고, 차이점은 외부 챔버(92b)에 배치된 공기 대 공기 열교환기(54) 부분이 수동 증발기(106)로 대체되었고 통풍기 어셈블리(45)가 제거된 것을 이해할 것이다. 수동 증발기(106)는 열전 장치(52)의 제2면(52b)으로부터 열을 제거하도록 구성되고 배치되어 있다. 수동 증발기(106)는 파이프(108)에 의해서 수동 응축기(102)에 연결되어 있다. 수동 증발기(106)는, 수동 증발기(100)가 수동 응축기(102)와 함께 동작하여 내부 챔버(92a) 내의 더운 또는 가열된 공기(16)로부터 열을 제거하는 동일한 방식으로, 수동 응축기(102)와 함께 동작하여 열전 장치(52)의 제2면(52b)으로부터 열을 제거한다.
이어서, 도 6은 본 발명의 열전 온도 제어 시스템(14)의 실시예를 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 열전 온도 제어 시스템(14)은 통상적으로 전력 제어 시스템(37), 온도 센서(36), 극성 반전 회로(50), 스위칭 장치(58) 및 배터리(60)를 포함한다. 스위칭 장치(58)는 인클로저(20) 내의 전원(19)으로부터 리드(32a 및 34a)를 통하여 직류 전압, 및 리드(33a 및 35a)를 통하여 교류전압의 입력전력을 수전한다. 스위칭 장치(58)는 또한 배터리(60)에도 연결되어 있다. 스위칭 장치(58)는 리드(32b 및 34b)를 통하여 직류 전압을 전력 제어 시스템(37)에 공급하고, 리드(33b 및 35b)를 통하여 교류전압을 전력 제어 시스템(37)에 공급한다. 바람직한 실시예에서, 스위칭 장치(58)는, 전원(19)으로부터의 직류 전력 공급이 정지되면 스위칭 장치(58)가 직류 전압을 공급하는 배터리(60)를 전력 제어 시스템(37)에 접속하여, 전원(19)의 직류 전력 공급 정지 동안에 통풍기의 동작이 필요한 경우에 열전 온도 제어 시스템(14)이 동작할 수 있게 유지되도록 동작 가능하게 접속된 통상적으로 개방된 릴레이이다. 배터리(60)는 24볼트 DC 또는 48볼트 DC 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
도 6을 다시 참조하면, 전력 제어 시스템(37)은, 리드 또는 케이블(41)을 거쳐 통풍기 속도 제어기(62)를 통해서 통풍기 어셈블리(39)에 전력을 공급 및 제어하며, 리드 또는 케이블(49)을 거쳐 통풍기 속도 제어기(64)를 통해서 통풍기 어셈블리(43)에 전력을 공급 및 제어하고, 리드 또는 케이블(47)을 거쳐 통풍기 속도 제어기(66)를 통해서 통풍기 어셈블리(45)에 전력을 공급 및 제어한다. 각각의 통풍기 어셈블리는 개별적으로 제어되어서, 모든 통풍기 어셈블리가 상이한 속도로 동시에 동작되거나, 모든 통풍기 어셈블리가 동시에 차단되거나, 또는 각각의 통풍기 어셈블리가 상이한 시간에 상이한 속도로 동작될 수 있는 것을 알 수 있다. 통풍기 어셈블리(39)는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 수동 열 교환 시스템(12)의 내부 챔버 부분을 통하여 인클로저(20)로부터의 공기를 이동시킨다. 통풍기 어셈블리(43)는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 수동 열 교환 시스템(12)의 외부 챔버 부분을 통하여 주위 또는 외부 공기를 이동시킨다. 또한, 통풍기 어셈블리(45)는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 수동 열 교환 시스템(12)의 외부 챔버 부분을 통하여 주위 또는 외부 공기를 이동시킨다.
다시, 도 6을 참조하면, 전력 제어 시스템(37)은, 또한 극성 반전 회로(50)를 통과하는 리드 또는 케이블(48)을 통하여 열전 어셈블리(46)에 전력을 공급하고 제어한다. 열전 어셈블리(46)가 냉각하는 것보다는 가열하는 것이 필요하면, 극성 반전 회로(50)는 열전 어셈블리(46)에 인가되는 직류 전압의 극성을 반전시킨다. 극성 반전 회로(50)의 위치 또는 상태는 리드(51)를 통하여 전력 제어 시스템(37)으로부터 전달된 신호에 의해서 결정되고 제어된다. 열전 어셈블리(46)는 열교환기(54)에 동작할 수 있게 설치된 열전 장치(52)를 포함하고 있다.
다시, 도 6을 참조하면, 전력 제어 시스템(37)은, 통풍기 어셈블리(39)에 대하여 동작할 수 있게 설치되어 있는 속도 또는 rpm 센서(112)로부터 리드 또는 케이블(110)을 통하여, 통풍기 어셈블리(39)의 속도 또는 rpm을 나타내는 입력을 수신한다. 또한, 전력 제어 시스템(37)은, 통풍기 어셈블리(43)에 대하여 동작할 수 있게 설치되어 있는 속도 또는 rpm 센서(116)로부터 리드 또는 케이블(114)을 통하여, 통풍기 어셈블리(43)의 속도 또는 rpm을 나타내는 입력을 수신한다. 또한, 전력 제어 시스템(37)은, 통풍기 어셈블리(45)에 대하여 동작할 수 있게 설치되어 있는 속도 또는 rpm 센서(120)로부터 리드 또는 케이블(118)을 통하여, 통풍기 어셈블리(45)의 속도 또는 rpm을 나타내는 입력을 수신한다.
도 6을 다시 참조하면, 전력 제어 시스템(37)은 마이크로프로세서 및 관련 소프트웨어인 것이 바람직한 프로그램가능한 제어 수단(57)을 포함한다. 프로그램 가능한 제어 수단(57)은 속도센서(112, 116 및 120) 및 온도 센서(36)로부터 출력을 수신한다. 프로그램가능한 제어 수단(57)은 필요한 경우 전력 제어 시스템(37)이 열전 어셈블리(46)를 동작하게 한다. 전력 제어 시스템(37)은, 또한 프로그램가능한 제어 수단(57)의 적절한 소프트웨어를 통하여, 3개의 속도센서 또는 rpm 센서로부터의 입력을 감시하여 3개의 통풍기 어셈블리의 각각이 각각의 통풍기 어셈블리에 대하여 허용할 수 있는 속도 값의 범위내의 속도로 동작중인 것을 판단한다. 통풍기 어셈블리의 고장(통풍기가 허용 가능한 속도 값의 범위 내에서 동작하지 않음)이 검출되면, 전력 제어 시스템(37)은 인클로저(20) 내의 경고등(warning light)을 동작시키고 또한 리드 또는 케이블(122)을 통하여 감시 사이트에 합산 신호를 송신한다.
도 6을 다시 참조하면, 전력 제어 시스템(37)은 본 발명에 유용하고 또한 필요한 기능을 실행하는 두 개의 상이한 설계 중 하나인 것이 바람직하다. 이용할 수 있는 하나의 설계는, 여기에 전체적으로 참조로서 포함되는 미합중국 특허 제5,371,665호의 지침에 따라서 구성된 전력 제어 회로의 설계이다. 이용할 수 있는 또 하나의 설계는, 96년 2월 27일 출원되고, 여기에 전체적으로 참조로서 포함되는 미합중국 특허출원 제08/607,713호인, "Current Control Circuit For Improved Power Application and Control of Thermoelectric Device"의 지침에 따라서 구성된 전류 제어 회로의 설계이다. 이어서, 도 1, 4 및 6을 참조하여, 본 발명의 동작을 설명한다. 전원에 의해서 열 발생 장비(18) 및 열전 온도 제어 시스템(14)이 동작하면, 온도 센서(36)는 인클로저(20) 내의 온도를 감시하기 시작한다. 온도 센서(36)로부터 전력 제어 시스템(37)으로의 신호가, 인클로저(20) 내의 공기의 온도가 제1소정치에 도달한 것을 나타낼 때, 전력 제어 시스템(37)의 마이크로프로세서와 소프트웨어에 의해서 전력 제어 시스템(37)이 통풍기 어셈블리(39)를 동작시킨다. 더운 또는 가열된 공기(16)는 개구(74, 및 76)를 통하여 인클로저(20)로부터 인입되어서, 내부 챔버(92a)에 있는 수동 증발기(100)를 통과하여, 열전 장치(52)의 제1열교환기(54a)와 제1면(52a)을 통과한 다음, 개구(80, 및 82)를 통하여 인클로저(20)에 되돌려 방출된다. 더운 또는 가열된 공기(16)가 흐르는 동안에, 공기 중의 약간의 열은 수동 증발기(100)에 전달된 다음, 벽(92)의 외부 공기측에 있는 수동 응축기(102)에 전달되는 것을 이해할 것이다.
도 1, 4 및 도 6을 다시 참조하면, 더운 또는 가열된 공기(16)의 온도가 계속해서 증가하면, 온도 센서(36)로부터의 신호는, 인클로저(20) 내의 공기의 온도가 제2 소정치에 도달한 것을 나타내고, 전력 제어 시스템(37)이 통풍기 어셈블리(43) 및 통풍기 어셈블리(45)를 동작시킨다. 통풍기 어셈블리(43)는 개구(86)를 통하여 외부 주위 공기(26)를 인입하고, 이 공기가 수동 응축기(102)를 통과하여, 수동 응축기(102)의 열이 주위 공기(26)에 전달됨에 따라서 더워진 주위 공기(28)가 출구(85)를 통해서 하우징(70)의 외부로 방출된다. 통풍기 어셈블리(45)는 약간의 외부 주위 공기(26)를 벽(92)의 외부 공기측에 있는 열교환기(54)의 절반을 통과시켜서 개구(91)를 통하여 외부에 방출되도록 한다.
도 1, 도 4 및 도 6을 다시 참조하면, 더운 또는 가열된 공기(16)의 온도가 계속해서 증가하면, 온도 센서(36)로부터의 신호는, 인클로저(20) 내의 공기의 온도가 제3소정치에 도달한 것을 나타내고, 전력 제어 시스템(37)은 열전 장치(52)를 동작시켜서 인클로저(20)의 내부 챔버(92a)에 있는 열전 장치(52)의 제1 열교환기(54a)와 제1면(52a)을 냉각시킨다. 열전 장치(52)의 동작은 예비 냉각된 공기(22)를 더욱 냉각시켜서 냉각 공기(24)가 된다. 전력 제어 시스템(37)은 열전 장치(52)를 순환적인 방법으로 동작시켜서 인클로저(20) 내의 공기를 최대 허용치 이하로 유지한다. 전력 제어 시스템(37)은 동작 및 설치 조건에 따라서 통풍기 어셈블리(39)를 동작시키고 또한 계속해서 항상 운전할 수도 있는 것을 이해할 것이다.
도 1, 4, 및 도 6을 다시 참조하면, 인클로저(20) 내의 공기가, 온도 센서(36)로부터 전력 제어 시스템(37)으로의 신호가 나타내는 소정치보다 더욱 냉각되면, 전력 제어 시스템(37)은 극성 반전 회로(50)를 동작시킨다. 열전 장치(52)에 이러한 극성 반전전압을 인가함으로써 내부 챔버(92a)에 존재하는 열교환기(54)의 절반이 가열되어서 인클로저(20) 내의 공기가 소정치 이상으로 가열된다. 필요하면, 통풍기 어셈블리들(39, 43 및 45) 중 어느 것이든 동작될 수도 있는 것을 알수 있다.
도 1, 도 5 및 도 6을 참조하면, 동작과 결과가 도 1, 도 4 및 도 6의 동작과 결과에 기본적으로 동일한 것을 알 수 있다. 도 5에 있어서, 하우징(70)의 벽(92)의 주위 공기측에 있는 통풍기 어셈블리(45)와 열교환기(54) 부분이 수동 증발기(106)로 대체되었고, 공기 대 공기 열교환기의 면 위를 이동하는 주위 공기보다는 수동 증발기(106)에 의해서 열전 장치(52)의 고온측으로부터 열이 제거되는 것을 알 수 있다. 하우징(70)의 벽(92)의 인클로저(20)측으로부터 또한 하우징(70)의 벽(92)의 인클로저(20)측으로의 공기의 처리는 도 4에서 설명한 것에 동일하다.
이어서, 도 7을 참조하면, 버크-부스트 토폴로지(buck-boost topology)를 이용하여, 열전 냉각 장치에 전력을 공급하여 열전 냉각 장치의 온도 제어를 개선하는 전류 제어 회로(130)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 전류 제어 회로(130)는 본 발명의 열전 온도 제어 시스템(14)에 사용되어 전력을 열전 장치(52)에 공급할 수 있다. 본 발명의 전류 제어 회로의 세 가지 중요한 특징은: 1)유니버셜 전력 입력(universal power input), 2) 높은 Vmax의 열전 장치 또는 낮은 Vmax의 열전 장치로써 본 발명의 회로를 이용할 수 있게 하는 부스트-버크 토폴로지, 3) 회로가 입력선으로부터 전류를 직접 수전(受電)하고 또한 유니버셜 전력 회로에서 통상적인, 브리지 정류기 다음에 필터 커패시터를 갖지 않음으로 인한 보다 높은 역률 이다.
도 7을 다시 참조하면, 전류 제어 회로(130)는 교류 또는 직류 입력 전압을 수전하는 한 쌍의 단자(132 및 134)를 포함한다. 교류 입력 전압은 50, 60 또는 400Hz의 80VAC 내지 250VAC 사이의 임의의 값일 수도 있다. 직류 전압은 80VDC 내지 250VDC 사이의 임의의 값일 수도 있다. 직류 입력 전압의 경우에, 단자(132)는 플러스 단자이고 단자(134)는 마이너스 단자이다. 브리지 정류기(136)는 단자(132 및 134) 양단에 동작할 수 있게 접속되어 있다. 브리지 정류기(136)의 출력은 리드선(138 및 140) 양단에 접속된다. 인덕터 수단(142), 전류센서(144) 및 스위칭 수단(146)을 포함하는 직렬회로가 리드선(138 및 140) 양단에 접속되어 있다. 인덕터 수단(142)은 철심 인덕터를 포함할 수도 있다. 인덕터 수단(142)은 철심 인덕터를 포함할 수도 있다. 전류센서(146)는 동작할 수 있게 접속된 변압기 또는 홀-효과(hall-effect) 센서를 포함할 수도 있고, 또한 스위칭 수단(146)은 고전류 또는 고전력 트랜지스터를 포함할 수도 있다.
도 7을 다시 참조하면, 커패시터(148) 및 다이오드(150)를 포함하는 직렬회로가 인덕터 수단(142)의 양단에 접속되어 있다. 커패시터(148) 양단에는 리드선(138 및 154)을 통하여 극성 반전 회로(152)가 접속되어 있다. 극성 반전 회로(152)의 출력은 리드선(158 및 160)을 통하여 하나 이상의 열전(TEC; thermoelectric)장치(156)(도 2, 도 3, 도 4, 도 5 또는 도 6의 열전 장치(52) 등)의 양단에 접속된다.
도 7을 다시 참조하면, 하나 이상의 열전 장치(156)에 대하여 동작할 수 있게 설치되어 있는 열교환기(164)(도 2, 도 3, 도 4, 도 5 또는 도 6의 열교환기(54) 등)에 온도 센서(162)가 동작할 수 있게 부착되어 있다. 열교환기(164)를 가로질러서 공기를 불어내어 필요한 기능에 적합하게 공기를 냉각시키기 위해서 통풍기(도시되어 있지 않음)를 사용한다. 온도 센서(162)는 리드선(166)을 통하여 온도 제어 회로(168)에 신호를 제공한다. 리드선(166)상의 신호는 하나 이상의 열전 장치(156) 및 열교환기(164)의 온도의 상대적인 표시를 제공한다. 온도 제어 회로(168)의 출력은 리드선(172)을 통하여 전력 제어 시스템(170)에 공급된다. 전력 제어 시스템(170)은, 또한 리드선(174)을 통하여 전류센서(144)로부터의 출력과, 리드선(178)을 통하여 전류설정수단(176)으로부터의 출력을 수신한다. 전류설정수단(176)은 전류제어 전원이 인덕터 수단(176)을 통하여 흐르도록 허용하는 최대전류를 설정한다. 전력 제어 시스템(170)에 의해서 설정된 최대 전류치는 전류설정수단(176)으로부터의 출력에 의해서 결정된다. 기본 실시예에서, 전류설정수단(176)은 저항 소자를 포함한다. 최대 전류치는 TEC의 방식, TEC의 수, 및 TEC 장치의 회로 구성(직렬, 병렬 또는 직렬/병렬의 조합)에 의해서 결정된다. 전력 제어 시스템(170)은 마이크로프로세서 및 적절한 소프트웨어(PID 제어 루프 등)를 포함하는 프로그램가능한 제어 수단(171)을 포함한다. 전력 제어 시스템(170)은 리드선(180)을 통하여 스위칭 수단(146)에 출력신호를 공급한다. 전력 제어 시스템(170)으로부터의 출력신호는 스위칭 수단(146)을 "ON" 또는 도통 상태로 구동하는 PWM(펄스폭 변조된) 방식의 신호를 포함한다. 펄스 신호의 폭이 넓으면 넓을수록 스위칭 수단이 "ON" 상태로 되는 것이 길어진다.
도 7을 다시 참조하면, 동작에 있어서, 필요로 하는 "설정값" 온도가 프로그램가능한 제어 수단(171)에 입력되고, 80 내지 250볼트 AC(50, 60 또는 400Hz) 또는 DC의 필요로 하는 전압이 단자(132 및 134)에 인가된다. 온도 센서(162)로부터의 신호는 온도 제어 회로(168)에 전송되고, 이 온도 제어 회로는, 하나 이상의 TEC 장치(156)의 온도가 "설정값" 온도 이상인 것을 나타내는 신호를 전력 제어 시스템(170)에 전송한다. 전력 제어 시스템(170)은 스위칭 수단(146)에 PWM신호를 출력해서 스위칭 수단(146)을 "ON" 상태에 설정하여 전류가 인덕터 수단(142)을 통하여 흐르게 한다. 온도 제어 회로(168)와 전류설정수단(176)으로부터의 입력에 따라서, 전력 제어 시스템(170)은 스위칭 수단(146)을 "OFF" 또는 비도통 상태로 차단할 시기를 결정한다.
다시 도 7을 참조하면, 스위칭 수단(146)이 "ON" 상태에 있는 시간 동안, 인덕터 수단(142)을 통하여 전류가 흐르고 인덕터 수단(142)과 관련하여 생성된 자계에 에너지가 축적된다. 스위칭 수단(146)이 " OFF" 상태로 설정되면, 자계는 소멸되고 인덕터 수단(142) 양단에 전압을 생성한다. 이 전압은, 하나 이상의 열전 장치(156)에 평활한 직류 전압을 공급하는 커패시터(148)를 충전시킨다.
도 7을 다시 참조하면, 전력은 스위칭 수단(146)의 "ON" 기간 동안 인덕터 수단(142)에 축적되고 스위칭 수단(146)의 "OFF" 기간 동안 커패시터(148)에 전달된다. 이것이 버크-부스트 구성이다. 인덕터 수단(142), 다이오드(150) 및 커패시터(148)와, 하나 이상의 열전 장치(156)(부하)를 이용한 토폴로지(topology) 구성은 하나 이상의 열전 장치(156)에 인가되는 전압의 버크-부스트를 제공한다.
다시 도 7을 참조하면, 입력단자(132 및 134)에의 입력 전압이 하나 이상의 열전 장치(156)의 전압 필요조건 보다 높으면, 전력 제어 시스템은 스위칭 수단을 더 짧은 기간 동안 "ON" 상태로 설정하여 더 적은 에너지가 인덕터 수단(142)에 축적되고, 따라서 인가된 입력 전압보다 낮은 전압이 하나 이상의 열전 장치(156)에 인가된다. 이것이 전류제어 전원(130)의 버크 모드(mode)이다. 이 독창적인 전류제어 전원(130)은, 펄스를 스킵(skip)하고 이에 따라서 소정의 시간 간격 동안 더 적은 펄스를 스위칭 수단(146)에 전송하여 기준 PWM 주파수 이하의 비율로 최소 펄스폭 신호를 스위칭 수단(146)에 인가하는 능력을 전력 제어 시스템(170)에 제공함으로써, 하나 이상의 열전 장치(156)에 인가되는 전압이, 인가된 입력 전압보다 작을 때 더욱 철저하게 제어한다.
도 7을 다시 참조하면, 입력 단자(132 및 134)에의 입력 전압이 하나 이상의 열전 장치(156)의 전압 필요조건보다 낮으면, 전력 제어 시스템(146)은 스위칭 수단을 더욱 긴 기간 동안 "ON " 상태로 설정하여 더 많은 에너지가 인덕터 수단(142)에 축적되고, 따라서 인가된 입력 전압보다 더 높은 전압이 하나 이상의 열전 장치(156)에 인가된다. 이것이 전류제어 전원(130)의 부스트 모드이다. 인덕터 수단(142)에 축적된 에너지의 양, 및 하나 이상의 열전 장치(156)에 인가된 전압의 결과치는 스위칭 수단(146)이 "ON" 상태에 있는 시간의 길이(전력 제어 시스템(170)이 스위칭 수단(146)에 전송하는 펄스의 폭)에 달려있다.
도 7을 다시 참조하면, 본 발명의 전류제어 전원(130)은 입력 전압이 교류일 때 더욱 높은 역률을 제공한다. 정류된 교류 파형의 전압이 낮은 전압위치에 있을때, 전력 제어 시스템(170)은 인덕터 수단(142)에 더욱 많은 에너지를 축적하기 위하여 스위칭 수단(146)을 더욱 긴 기간 동안 "ON" 상태로 설정한다. 정류된 교류 파형의 전압이 높은 전압위치에 있을 때, 전력 제어 시스템(170)은 스위칭 수단(146)을 더욱 짧은 기간 동안 " ON" 상태로 설정한다. 전류제어 전원(130)은 스위칭 수단(146)의 "ON" 시간을 변경함으로써 정류된 교류 파형의 어느 위치에서든지(정류된 교류 파형이 제로로 되는 위치를 제외하고) 인덕터 수단(142)에 축적되는 에너지의 양을 결정할 수 있다.
상기의 상세한 설명으로부터, 본 발명은 필요한 온도 제어를 실행하는 열전 온도 제어 시스템과 함께 저가의 수동 열 제거 시스템을 이용해서 열을 제거하여 공기를 예비 냉각함으로써 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기를 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 발명은 또한 열전 냉각 장치에 전력을 공급하고 열전 냉각 장치의 온도를 제어할 수 있다. 수동 열 제거 시스템을 이용하여 공기를 예비 냉각하는 방법은 다수의 열전 장치의 필요성을 감소시켜서 이러한 시스템 비용이 감소되면서 시스템이 에너지 효율적이 된다.
본 발명의 특정 실시예를 설명하였지만, 당업자는 첨부한 청구범위에 정의된 본 발명의 개념과 범위로부터 벗어남이 없이 각종 변형, 대안, 변경 등이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (46)

  1. 전원에 의해서 동작되는 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    인클로저 내의 열 발생 장비에 의해서 발생된 더운 공기를 받아들여서 냉각시키고, 냉각된 공기를 열 발생 장비에 회송하고, 또한 더운 공기로부터의 열을 인클로저의 외부로 전달하는 수동 열 제거 시스템으로서, 상기 열 발생 장비로부터 간격을 두고 배치된, 히트 파이프 시스템을 포함하는, 수동 열 제거 시스템과;
    상기 수동 열 제거 시스템으로부터 냉각된 공기를 받아들여서 더욱 냉각시키고, 더욱 냉각된 공기를 열 발생 장비에 회송하고, 또한 냉각된 공기로부터의 열을 인클로저의 외부로 전달하는 하나 이상의 열전 어셈블리로서, 상기 열 발생 장비로부터 간격을 두고 배치되는 상기 하나 이상의 열전 어셈블리와;
    하나 이상의 열전 어셈블리를 동작시켜서 인클로저 내의 공기의 온도를 열 발생 장비에 대하여 결정된 소정치 보다 낮게 유지하는 전력 제어 시스템과;
    인클로저 내의 공기의 온도를 감시하도록 인클로저 내에 설치되고, 또한 인클로저 내의 공기의 온도를 나타내는 입력을 전력 제어 시스템에 제공하도록 접속된 센서 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 발생 장비를 수용하는 인클로저내의 공기를 조절하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히트 파이프 시스템은 하나 이상의 수동 응축기에 동작할 수 있게 접속된 하나 이상의 수동 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 인클로저 내의 공기를 이동시키는 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 공기를 이동시키는 상기 수단은 하나 이상의 통풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 동작은 상기 전력 제어 시스템에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 공기를 인클로저의 외부로 이동시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 공기를 이동시키는 상기 수단은 하나 이상의 통풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 동작은 상기 전력 제어 시스템에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템은, 상기 센서 수단으로부터 출력을 수신하고 출력을 전력 제어 시스템에 제공하여, 상기 전력 제어 시스템이 상기 하나 이상의 열전 어셈블리를 동작하게 하는 프로그램가능한 제어 수단을 포함하고, 상기 전력 제어 시스템으로의 상기 출력의 제공은 인클로저 내의 공기의 감지된 온도와 열 발생 장비에 대하여 결정된 소정의 온도의 값과의 사이의 차이에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 프로그램가능한 제어 수단은 마이크로프로세서 및 관련 소프트웨어를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 열전 어셈블리는 열교환기의 양측 사이에 배치된 하나 이상의 열전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 열교환기의 한쪽은 핀(fin)이 부착된 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 열교환기의 상기 다른 쪽은 히트 파이프 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템은 상기 전원으로부터 전력을 수전(受電)하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전원이 고장나는 경우, 상기 전력 제어 시스템에 전력을 공급하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 배터리는 24볼트 직류 배터리인 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 배터리는 48볼트 직류 배터리인 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 전원과 상기 전력 제어 시스템과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어, 상기 전원이 고장나는 경우, 상기 전력 제어 시스템에 배터리 전력을 인가하는 스위칭 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템과 상기 하나 이상의 열전 어셈블리와의 사이에 동작할 수 있게 접속되어, 상기 하나 이상의 열전 어셈블리의 히트 펌핑을 반전시키는 극성 반전 회로를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  20. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기와 상기 전력 제어 시스템과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 속도를 감시하는 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 고장을 표시하는 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  22. 제7항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기와 상기 전력 제어 시스템과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어, 상기 하나 이상의 통풍기의 속도를 감시하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 고장을 표시하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 시스템.
  24. 전원에 의해서 동작되는 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 열 발생 장비로부터 간격을 두고 배치되고 인클로저 내의 열 발생 장비에 의해서 발생된 더운 공기를 받아들여서 냉각시키고, 상기 냉각된 공기를 열 발생 장비에 회송하고 더운 공기로부터의 열을 인클로저의 외부로 전달하도록 적응되는 히트 파이프 시스템을 포함하는 수동 열 제거 시스템을 구성하는 단계와;
    상기 열 발생 장비로부터 간격을 두고 배치되고, 상기 수동 열 제거 시스템으로부터 냉각된 공기를 받아들여 더욱 냉각시키고, 상기 더욱 냉각된 공기를 열 발생 장비에 회송하고, 냉각된 공기로부터의 열을 인클로저의 외부로 전달하도록 적응되는 하나 이상의 열전 어셈블리를 구성하는 단계와;
    인클로저 내의 공기의 온도를 측정하는 단계와;
    인클로저 내의 공기의 온도 표시를 수신하고, 하나 이상의 열전 어셈블리를 동작시켜서 인클로저 내의 공기의 온도를, 열 발생 장비에 대하여 결정된 소정치보다 낮게 유지하는 전력 제어 시스템을 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 발생 장비를 수용하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 히트 파이프 시스템은 하나 이상의 수동 응축기에 동작할 수 있게 접속된 하나 이상의 수동 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 인클로저 내의 공기를 이동시키는 수단을 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 공기를 이동시키는 상기 수단은 하나 이상의 통풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 동작은 상기 전력 제어 시스템에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  29. 제24항에 있어서, 공기를 인클로저 외부로 이동시키는 수단을 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 공기를 이동시키는 상기 수단은 하나 이상의 통풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 동작은 상기 전력 제어 시스템에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  32. 제24항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템은, 인클로저 내의 공기의 상기 온도 표시를 수신하고 또한 상기 전력 제어 시스템이 상기 하나 이상의 열전 어셈블리를 동작하게 하는 출력을 상기 전력 제어 시스템에 제공하는 프로그램가능한 제어 수단을 포함하고, 상기 전력 제어 시스템에 대한 상기 출력의 제공은 인클로저내의 공기의 측정된 온도와 열 발생 장비에 대하여 결정된 소정의 온도의 값과의 사이의 차이에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 프로그램가능한 제어 수단은 마이크로프로세서 및 관련 소프트웨어를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  34. 제24항에 있어서, 하나 이상의 열전 어셈블리는 열교환기의 양측 사이에 배치된 하나 이상의 열전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 열교환기의 한쪽은 핀(fin)이 부착된 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 열교환기의 다른 쪽은 히트 파이프 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  37. 제24항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템은 상기 전원으로부터 전력을 수전하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  38. 제37항에 있어서, 전원이 고장나는 경우, 상기 전력 제어 시스템에 전력을 공급하는 배터리를 제공하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  39. 제38항에 있어서, 상기 배터리는 24볼트 직류 배터리인 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  40. 제38항에 있어서, 상기 배터리는 48볼트 직류 배터리인 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  41. 제38항에 있어서, 상기 전원과 상기 전력 제어 시스템과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어, 상기 전원이 고장나는 경우, 상기 전력 제어 시스템에 배터리 전력을 인가하는 스위칭 장치를 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  42. 제37항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템과 상기 하나 이상의 열전 어셈블리와의 사이에 동작할 수 있게 접속되어, 상기 하나 이상의 열전 어셈블리의 히트 펌핑을 반전시키는 극성 반전 회로를 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  43. 제27항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기와 상기 전력 제어 시스템과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어, 상기 하나 이상의 통풍기의 속도를 감시하는 수단을 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 고장을 표시하는 수단을 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  45. 제30항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기와 상기 전력 제어 시스템과의 사이에 동작할 수 있게 접속되어, 상기 하나 이상의 통풍기의 속도를 감시하는 수단을 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 하나 이상의 통풍기의 고장을 표시하는 수단을 구성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 인클로저 내의 공기를 조절하는 방법.
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