KR102106229B1 - 유체 펌프 - Google Patents

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니콜라스 제퍼스
제이슨 스태퍼드
브라이언 도넬리
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알까뗄 루슨트
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Abstract

유체를 가열하고, 유체가 채널을 통해 제 1 챔버로부터 제 2 챔버를 향해 그리고 그 반대로 흐르게 하고, 열원과 열 접촉하게 하기 위해 열전 냉각기를 사용하여 열원을 냉각시키도록 유체를 펌핑하는 장치 및 방법이 제공된다. 동작 단계 동안, 제어 회로는 열전 냉각기를 스위치 오프하고, 열전 냉각기에 의해 생성된 전력을 측정한다. 열전 냉각기에 의해 생성된 전력의 측정값에 따라, 유체의 유속은 최적의 냉각을 보장하도록 변화된다.

Description

유체 펌프
본 발명은 유체를 사용하는 냉각 시스템 및 냉각 방법에 관한 것이다.
전자 통신에서의 데이터 트래픽의 최근의 급격한 증가는 미래의 전자 또는 포토닉스 패키지에서 더 많은 기능을 필요로 한다. 더 많은 기능은 비교적 높은 수준의 열 생성(heat generation)을 의미한다. 오늘날 사용되는 현재의 열적 해결책(thermal solution)은 미래의 네트워크 요구를 충족시키기 위해 충분히 스케일링(scaling)할 수 있는 것으로 보이지 않는다. 이러한 구성 요소를 냉각하는 한 가지 접근 방식은 유체 펌프를 사용하는 것이다.
일부 실시예는,
- 열전 냉각기;
- 유체;
- 채널을 통해 서로 연결된 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 포함하는 장치를 특징으로 하며;
- 열전 냉각기는 제 1 챔버 내의 유체를 가열하여 유체가 채널을 통해 제 1 챔버로부터 제 2 챔버를 향해 흐르게 하고, 열원과 열 접촉하여 열원으로부터 열을 흡수하게 하기 위해 전력이 공급되도록 구성되며;
상기 장치는 제어 회로를 더 포함하며, 제어 회로는,
- 열전 냉각기에 인가된 전력을 스위치 오프하고;
- 열전 냉각기에 의해 생성된 전력을 나타내는 파라미터를 측정하며;
- 열전 냉각기로부터 획득된 상기 파라미터의 측정값에 기초하여 유체의 유속을 변화시키도록 구성된다.
일부 특정 실시예에 따르면, 제어 회로는 상기 파라미터에 기초하여 스위치 오프된 모드에서 열전 냉각기에 의해 생성된 전력을 측정하도록 구성된 회로를 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 제어 회로는 스위치 오프된 모드에서 상기 파라미터의 측정값을 평가하고, 측정된 파라미터를 사전결정된 값 또는 사전결정된 값의 범위와 비교함으로써 측정된 파라미터가 최적의 동작 조건을 나타내는지를 결정하도록 구성된 회로를 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 제어 회로는 측정된 파라미터의 극성을 결정함으로써 유체의 유속을 변화시키도록 구성된다.
일부 특정 실시예에 따르면, 제어 회로는 상기 유속을 제 1 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 낮은 속도로 변화시키도록 구성된다.
일부 특정 실시예에 따르면, 제어 회로는 상기 유속을 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 높은 속도로 변화시키도록 구성된다.
일부 특정 실시예에 따르면, 상기 장치는,
- 제 1 극성의 전력을 열전 냉각기에 인가하여 제 1 챔버 내의 유체를 가열하고, 유체가 채널을 통해 흐르게 하고;
- 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 전력을 열전 냉각기에 인가하여 제 2 챔버 내의 유체를 가열하고, 유체가 채널을 통해 흐르게 하도록 구성되며;
제 1 극성에 의해 야기된 유체의 흐름 방향은 제 2 극성에 의해 야기된 유체의 흐름 방향과 동일하다.
일부 특정 실시예에 따르면, 전력을 나타내는 파라미터는 열전 냉각기의 각각의 측면 상에 각각 위치되는 2개의 포인트 사이에 존재하는 전압; 또는 상기 2개의 포인트 사이에 흐르는 전류이다.
일부 실시예는,
- 제 1 챔버 내의 유체를 가열하여 유체가 채널을 통해 제 1 챔버로부터 제 2 챔버를 향해 흐르게 하고, 열원과 열 접촉하여 열원으로부터 열을 흡수하게 하기 위해 열전 냉각기에 전력을 공급하는 단계;
- 열전 냉각기에 인가된 전력을 스위치 오프하는 단계;
- 열전 냉각기에 의해 생성된 전력을 나타내는 파라미터를 측정하는 단계;
- 열전 냉각기로부터 획득된 상기 파라미터의 측정값에 기초하여 유체의 유속을 변화시키는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 상기 방법은,
스위치 오프된 모드에서 상기 파라미터의 측정값을 평가하는 단계;
측정된 파라미터를 사전결정된 값 또는 사전결정된 값의 범위와 비교하는 단계; 및
측정된 파라미터가 최적의 동작 조건을 나타내는지를 결정하는 단계를 더 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 상기 방법은 유체의 유속을 변화시키기 위해 측정된 파라미터의 극성을 결정하는 단계를 더 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 유속을 제 1 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 낮은 속도로 변화시키는 단계를 더 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 유속을 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 높은 속도로 변화시키는 단계를 더 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 상기 방법은,
- 제 1 극성의 전력을 열전 냉각기에 인가하여 제 1 챔버 내의 유체를 가열하고, 유체가 채널을 통해 흐르게 하는 단계;
- 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 전력을 열전 냉각기에 인가하여 제 2 챔버 내의 유체를 가열하고, 유체가 채널을 통해 흐르게 하는 단계를 더 포함하며;
제 1 극성에 의해 야기된 유체의 흐름 방향은 제 2 극성에 의해 야기된 유체의 흐름 방향과 동일하다.
본 발명의 이런 및 추가의 특징 및 이점은 첨부된 도면의 도움으로 다음의 설명 및 청구 범위에서 제한이 아니라 예시를 위해 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 일부 실시예에 따른 펌프를 포함하는 열 전달 조립체의 예시적인 개략도이다.
도 2a 내지 도 2d, 집합적으로 도 2는 최적 조건 하에서 도 1의 펌프의 다양한 동작 단계의 예시적인 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d, 집합적으로 도 3은 펌프로의 유체 주입구가 최적보다 더 저온인 조건 하에서 도 1의 펌프의 다양한 동작 단계의 예시적인 개략도이다.
도 4a 내지 도 4d, 집합적으로 도 4는 펌프로의 유체 주입구가 최적보다 더 고온인 조건 하에서 도 1의 펌프의 다양한 동작 단계의 예시적인 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일부 실시예에 따라 유체 펌프(이하, 또한 펌프로서 지칭됨)를 포함하는 열 전달 조립체가 도시된다. 아래에서 더 언급되는 차이점을 제외하고, 이러한 열 전달 조립체는 2014년 11월 14일에 출원된 유럽 특허 출원 제14306808.8호에 설명된 펌프와 구조 및 동작에서 실질적인 유사성을 가지며, 이의 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
도 1을 다시 참조하면, 열 전달 조립체(100)는 펌프(110), 냉각되는 광학 또는 전자 구성 요소와 같은 열원(120), 및 히트 싱크(heat sink)와 같은 열 에너지 제거 메커니즘(130)을 포함한다.
펌프(110)는 제 1 챔버(113a) 및 제 2 챔버(113b)를 포함한다.
작동 유체(working fluid)(112)는 열 전달 동작을 위해 사용된다. 작동 유체(112)는 제 1 챔버(113a) 및 제 2 챔버(113b) 내부에 제공되고, 하나 이상의 채널(140)을 통해 하나의 챔버에서 다른 챔버로 흐를 수 있다.
채널(140)은 길이가 1mm 미만인 적어도 하나의 단면 치수를 갖는 소위 마이크로 채널(micro-channel)일 수 있다. 대안으로, 이것은 더 큰 단면 치수를 갖는 채널일 수 있다. 여기에서, 채널에 대한 임의의 참조는 이러한 옵션 모두를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
도면에서 열원(120)이 마이크로 채널(140)에 인접하여 작동 유체에 잠기지 않은 것으로 도시되어 있지만, 본 개시는 이에 제한되지 않으며, 일부 실시예는 작동 유체가 예를 들어 냉각 챔버(150) 내부에 흐르는 영역 내부에 열원(120)을 잠기게 하기 위해 제공할 수 있다. 열 전달 조립체(100)는 펌프(110) 내에 제공된 TEC(111)를 더 포함한다. TEC, 즉 열전 냉각기는 통상적으로 공급된 전압에 반응하여 열을 한 측면에서 다른 측면으로 펌핑할 수 있는 열 펌프로서 사용되는 알려진 고체 상태 디바이스이다. 열을 펌핑하는 방향은 공급된 전압의 극성에 의존한다. TEC에 인가된 전압이 반전되면, 열 펌핑 효과의 방향이 또한 반전될 것이다. 정상 조건 하에서, 이러한 열 전달은 TEC의 한 측면이 주변 온도보다 위에 있고, 다른 측면이 주변 온도보다 아래에 있도록 한다. 정상 조건이란 TEC 표면 온도가 작동 유체의 온도에서 ±10℃ 내에 있는 조건을 지칭하는 것으로 의미한다.
냉각 챔버(150)는 또한 작동 유체로부터 열 에너지 제거 메커니즘(130)으로의 열 전달을 향상시키도록 제공될 수 있다.
복수의 방향 밸브(161-164)는 후술되는 바와 같이 일방향 흐름 경로를 보장하도록 제공된다.
동작시, 전압이 TEC(111)에 인가될 때, TEC의 한 측면(예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이 111a)은 가열되어, 유체(112)가 수용되는 해당하는 챔버(113a)의 경계 내부의 압력을 증가시킨다.
도 1에 도시된 예와 같은 일부 실시예에서, 펌프는 다상(multi-phase)이며, 따라서 TEC의 한 측면의 가열은 하나 이상의 기포(114)의 형태로 증기를 생성시킬 수 있다. 이 경우에, 기포의 형성 및 성장은 해당하는 챔버의 경계, 예를 들어, 도 1에서 펌프의 좌측면 내부로 연장되어 유체를 제 1 챔버(113a) 밖으로 밀어낼 수 있는 다이어프램(diaphragm)과 비교될 수 있다.
일부 실시예(명시적으로 도시되지 않음)에서, 펌프(100)는 다상이 아니며, 따라서 TEC의 한 측면의 가열은 유체를 제 1 챔버(113a) 밖으로 밀어내는 데 충분한 유체의 열팽창을 간단히 일으킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 예를 들어 TEC(111)의 측면(111a)이 가열될 때, 유체(112)는 제 1 챔버(113a)(도면에서 좌측) 밖으로 이동하도록 이루어진다. 동시에, TEC(111)의 측면(111b)은 냉각되어 유체가 제 2 챔버(113b)(도면에서 우측) 내로 이동하도록 한다.
그러나, 일방향 밸브(162)는 유체가 제 1 챔버(113a) 밖으로 흐르도록 하는 동안, 밸브(164)는 반대 방향으로의 유체의 흐름을 차단한다. 따라서, 유체는 일 방향에서 밸브(162) 밖으로(예를 들어, 도면에서 상향으로) 흐른다.
TEC(111)에 인가된 전압이 반전됨에 따라, TEC의 반대 측면(111b)은 가열되며, 따라서 유체는 제 2 챔버(113b)(도면에서 우측) 밖으로 이동하도록 이루어진다. 동시에, TEC(111)의 측면(111a)은 냉각되고, 유체는 응축되어 유체가 제 1 챔버(113a)(도면에서 좌측) 내로 이동하도록 한다.
그러나, 일방향 밸브(161)는 유체가 제 2 챔버(113b) 밖으로 흐르도록 하는 동안, 밸브(163)는 반대 방향에서의 유체의 흐름을 차단한다. 따라서, 유체는 이전의 경우에서와 동일한 방향인 일 방향에서 밸브(161) 밖으로(예를 들어, 도면에서 상향으로) 흐른다.
따라서, TEC(111)에 인가된 전압 극성 중 어느 하나에 대해, 유체는 일 방향에서 펌프 밖으로 이동하도록 이루어지며, 이는 도 1에서 화살표 F로 도시되어 있다.
챔버(113a)가 고온 유체를 포함할 때, 유체는 가압되어 (상술한 바와 같이) 유체를 밀어낸다는 것이 주목되어야 한다. 이러한 효과는 또한 일 방향 밸브(164)를 밀어 폐쇄 상태로 유지되도록 할 것이다. 동시에, 챔버(113b)는 냉각되어 내부에서 압력이 감소된다. 이러한 효과는 일방향 밸브(163)를 개방하여 유체를 챔버(113b) 내로 끌어당길 것이다.
방향 또는 일방향 밸브는 능동 밸브(예를 들어, 움직이는 부품이 있는 알려진 체크 밸브) 또는 수동 밸브(예를 들어, 움직이는 부품이 없는 노즐/디퓨저(diffuser))일 수 있다. 능동 밸브는 더 큰 유체 성능을 갖지만 상기 움직이는 부품으로 인해 신뢰성 문제가 있는 반면에; 수동 밸브는 유체 성능이 좋지 않지만 신뢰성은 더 높다. 따라서, 밸브의 선택은 각각의 적용의 실제 요구 사항에 따라 이루어질 수 있다.
상술한 유체 펌프는 알려진 냉각 시스템에 비해 많은 이점을 갖는다. 이러한 현재 세대의 펌프는 소형(예를 들어, 기존의 펌프보다 거의 10배 작음을 의미하는 9mm×9mm×3mm)이며, 최대 20ml/min의 유속과 최대 20kPa의 최대 압력을 달성할 수 있으며, 이는 매우 우수한 성능 요소로 간주될 수 있다. 더욱이, 이러한 펌프는 움직이는 부품이 없는 고체 상태 기술에 기초할 수 있음에 따라, 신뢰성이 매우 높을 수 있다.
그러나, 본 발명자는 이러한 유체 펌프의 성능이 주변 온도 변화에 의해 영향을 받을 수 있다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 특정 유체 펌프로, 10℃ 주변 온도의 변화는 이러한 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있어 냉각 효율이 저하될 수 있다.
"주변 온도"란 펌프 주위의 온도를 지칭하는 것으로 의미한다. 항상 그런 것은 아니지만, 통상적으로 이러한 환경은 펌프가 동작하는 캐비닛 또는 임의의 유사한 하우징 내부에 있을 수 있다.
따라서, 펌프를 최적으로 가능한 많이 실온과 독립적으로 동작시키는 제어 메커니즘을 제공하는 것이 바람직하다.
본 개시는 상술한 고려 사항을 다룬다. 따라서, 상술한 바와 같은 유체 펌프 및 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 최적 성능을 보장하기 위해 펌프의 동작을 제어하는 부가적인 메커니즘을 포함하는 새로운 냉각 아키텍처가 제안된다.
본 개시는 온도차가 동일한 두 측면 사이에 온도차가 존재할 때 열전 냉각기(Thermoelectric Cooler; TEC)로부터 전력이 생성된다는 사실을 이용한다. 이러한 TEC의 특징은 펌프로 들어오는 유체의 온도를 효과적으로 모니터링하기 위해 사용된다. 온도는 펌프 유속을 제어하기 위해 피드백으로서 사용된다.
기본적으로 TEC와 열전 발전기(Thermoelectric Generator; TEG) 사이에는 근본적으로 거의 차이가 없다. 이러한 두 요소 사이의 주요 차이는 배치되는 방식이며, 즉 통상적으로 TEC는 냉각을 위해 사용되지만, TEG는 전력을 생성하는데 사용된다는 것이다. 다시 말하면, TEC는 (예를 들어, 전극을 사용하여) 각각의 측면 상의 각각의 포인트에서 전기적 여기(electrical excitation)를 수신하는 것에 응답하여 이의 측면에서 온도 차이를 생성시키고, TEG는 상기 측면 사이의 온도 차이를 겪는 것에 응답하여 각각의 측면 상의 각각의 포인트에서 전기를 생성시킨다. 따라서, 동일한 디바이스는 배치되는 방식에 따라 하나 또는 다른 목적으로 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, TEC에 대한 참조가 이루어질 것이지만, 특정 동작 단계에서, TEC는 상술한 바와 같이 TEG로서 동작할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
따라서, 도 1의 유체 펌프(100)를 다시 참조하면, 측면(111a 및 111b) 사이에 온도 차이가 있고, 전압이 TEC(111)로부터 분리되면, 측면(111a)과 측면(111b) 사이에는 전압 차이가 존재할 것이며, 이는 알려진 수단에 의해 측정될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
최적의 동작을 보장하기 위해, 펌프가 상술한 바와 같이 작동 유체의 팽창과 응축 사이에서 끊임없이 순환하기 때문에 유체 펌프의 TEC의 고온 측과 저온 측 사이에는 약간의 온도 차이가 존재해야 한다. 이러한 프로세스 동안, TEC로부터의 냉각 및 가열 에너지가 팽창과 응축의 잠열(latent heat)에 의해 소모되기 때문에 온도는 고정된 상태로 유지된다.
따라서, TEC의 두 측면 사이의 온도 차이가 낮은 만족스러운(또는 최적의) 조건 하에서, TEC로의 전력이 단시간 동안 스위치 오프되고, 생성된 전력이 측정되는 경우에 최소 전력이 생성된다. 대조적으로, TEC의 측면 사이의 온도 차이가 더 높아지면 더 높은 전력이 생성된다. TEC(111)에 의해 생성된 전압은 생성된 전력에 직접 비례하므로 전압만이 모니터링될 수 있다. 전류는 또한 생성된 전력에 비례하며, 제어 회로는 마찬가지로 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 펌프(100)에는 제어 회로(170)가 도시되어 있다. 제어 회로는 전압을 측정하는 회로를 포함할 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 전류가 대신 측정될 수 있다.
TEC의 두 측면의 온도 변화의 가능성으로 인해, 양의 전압 또는 음의 전압 중 하나가 생성될 수 있다. 양의 전압이 생성되면, 주입구 유체 온도가 감소 주변 온도(reduction ambient temperature)에 의해 너무 저온일 수 있는 것으로 결정될 수 있다. 마찬가지로, 음의 전압이 생성되면, 펌프에 들어가는 유체는 주변 온도의 상승으로 너무 고온일 수 있는 것으로 결정될 수 있다.
제어 회로(170)는 펌프 내의 유속을 증가시키거나 감소시키는 동작을 취하여, 유체가 냉각 챔버를 떠나는 온도를 제어하고, 결과적으로 펌프 내로 재순환되는 유체 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 메커니즘은 주변 온도 변동에 관계없이 펌프로 들어가는 유체 주입구 온도가 일정하게 유지되거나 적어도 수락 가능한 변동 범위 내에 있도록 보장할 수 있다.
예를 들어, 펌프 유체(112)가 55℃의 주변 온도(NEBS(Network Equipment Building Systems)가 필요로 하는 표준)에서 위상을 변화시키도록 구성되고, 실제 주변 온도가 40℃(겨울)와 55℃(여름) 사이에서 변동하는 경우, TEC(111)로부터의 상당한 양의 열 에너지가 현열(sensible heating)(현열은 위상의 변화없이 유체 온도의 증가를 초래함)에 의해 소비되기 때문에 펌프의 TEC(111)가 이러한 냉각기 주변에서 효율적인 열팽창을 일으키기도록 유체를 가열하는 것이 더 어려워 질 것이다. 따라서, 제어 회로는 외부 주변 온도에 관계없이 펌프로의 유체 주입구 온도를 일정하게 유지하거나 변동을 최소화하도록 동작할 수 있다. 이것은 차례로 유체가 열원(120)과 접촉하여 소비하는 시간을 증가 및 감소시키는 루프 내의 유속을 증가 및 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
이러한 동작은 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 아래에서 설명된다. 이러한 도면에서, 동일한 요소에는 도 1의 요소와 동일한 참조 번호가 제공되었다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이 예시적인 펌프(100)의 최적 동작의 다양한 단계를 도시한다.
도 2a는 TEC(111)의 측면(111a)이 유체(112)를 가열하여, 예를 들어 도면에 도시된 바와 같이 기포(114)를 생성시킴으로써 유체가 챔버(113a) 밖으로 흐르도록 하는 초기 단계, 즉 시간 0에서의 초기 단계를 도시한다. TEC(111)의 측면(111b)은 더 냉각되어 유체가 챔버(113b) 내부로 흐른다. 챔버(113b) 내의 유체의 주입구 온도는 54.4℃인 것으로 가정된다.
본 명세서에서, 용어 주입구 유체 온도는 냉각되는 챔버에 들어가는 유체의 온도를 지칭하는 것으로 의미하고, 배출구(outlet) 유체 온도는 가열되는 챔버를 떠나는 유체의 온도를 지칭하는 것으로 의미한다.
도 2b는 TEC에 인가된 전압(또는 전류)의 극성이 반전되는 제 2 단계, 즉 제 1 단계로부터의 0.5초의 제 2 단계를 도시한다. 따라서, TEC(111)의 측면(111b)은 궁극적으로 (기포(114)가 있거나 없이) 유체 내에서 열 팽창을 일으키는 유체(112)를 가열한다. TEC(111)의 측면(111a)은 냉각된다.
이러한 제 2 단계 동안 특정 포인트에서, 예를 들어 유체 단계 변화의 시작에서, TEC(111)에 인가된 전력은 스위치 오프되고, 전압 측정은 제어 회로(170)에 의해 수행된다. 측정은 비교적 짧은 시간, 예를 들면 0.05초 걸릴 수 있다. 챔버(113a) 내의 유체의 주입구 온도는 54.4℃이고, 챔버(111b) 내의 유체의 배출구 온도는 55℃인 것으로 다시 가정된다.
그 다음, 제어 회로는 (전력에 비례하는) 측정된 전압이 측정된 전압(또는 관련된 전력)을 사전결정된 값 또는 사전결정된 범위의 값과 비교함으로써 최적의 동작 조건을 나타내는지를 결정한다. 예를 들어, 사전결정된 값은 2V일 수 있다. 따라서, 측정된 전압이 사전결정된 값보다 작은 크기(즉, 양 또는 음 중 하나)를 갖는 임의의 값이면, 최적의 동작 조건이 존재한다고 결정된다. 그렇지 않으면, 최적의 조건이 존재하지 않는다고 결정된다.
본 예에서, 2개의 챔버 내의 유체 사이의 온도 차이가 비교적 낮을 때, 즉 단지 0.5℃일 때, TEC의 출력 단자에서 측정된 전압은 또한 낮을 것이고, 예를 들어 1V보다 낮을 것이다. 따라서, 이러한 낮은 전압은 펌프(100)의 최적의 동작을 나타낸다.
본 명세서에 제공된 예에서, 제어 회로가 전압을 측정하는 것으로 언급되지만, 본 개시는 이와 같이 제한되지 않으며, 제어 회로는 마찬가지로 2개의 측정 포인트를 통해 흐르는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 전압 및 전류는 둘 다 스위치 오프된 모드에서 TEC에 의해 생성된 전력에 비례함에 따라, 집합적으로 전력을 나타내는 파라미터로서 지칭될 수 있다.
도 2c 및 도 2d는 후속 단계, 예를 들어, 각각 제 1 단계 후 1초 및 1.5초에서의 단계이다. 도 2c에서 알 수 있는 바와 같이, 동작은 도 2a의 초기 단계의 동작과 유사하지만 반대 극성을 갖는다. 따라서, 유체는 챔버(113b) 밖으로 흐르도록 한다. 도 2d는 TEC에 인가된 전압의 극성의 반전을 다시 한 번 보여주며, 결과적으로 도 2b와 유사하지만 극성이 반대이다. 이 단계에서는 다른 측정을 위해 전력을 턴 오프할 필요가 없지만; 이러한 가능성은 배제되지 않는다. 도 2a 및 도 2b를 참조하여 언급된 것과 유사한 온도 차이는 또한 이러한 단계에 대한 두 챔버의 유체에서 고려될 수 있다.
그러나, 주변 온도가 떨어지면(예를 들어, 40℃까지), 냉각 챔버(150)에서 유체(112)를 더 냉각시키는 효과를 가질 것이다(도 1). 따라서, 펌프(100)에 들어가는 주입구 유체 온도는 너무 저온으로 되어, 유체가 팽창하기 전에 상당한 양의 현열을 필요로 한다. 이것은 펌프의 성능을 저해하고, 극한 상황에서는 펌프가 펌핑을 멈추게 하여 부품 고장을 일으킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 주입구 유체 온도가 너무 저온인 조건 하에 도 1의 예시적인 펌프(100)의 다양한 동작 단계를 도시한다.
본 개시와 관련하여, 주입구 유체의 온도가 배출구 유체의 온도보다 5℃ 이상 더 낮을 때, 주입구 온도는 너무 저온인 것으로 고려될 수 있다.
도 3a는 TEC(111)의 측면(111a)이 유체(112)를 가열하여, 유체가 (기포(114)를 생성하거나 생성하지 않고) 가열하고 열 팽창하도록 하는 초기 단계, 즉 시간 0에서의 초기 단계를 도시한다. TEC(111)의 측면(111b) 내의 주입구 흐름 온도는 너무 저온이며, 이 예에서는 45℃이다. 따라서, 펌프의 동작은 최적이 아니다.
도 3b는 TEC에 인가된 전압(또는 전류)의 극성이 반전되는 제 2 단계, 즉 제 1 단계로부터의 0.5초의 제 2 단계를 도시한다. 따라서, TEC(111)의 측면(111b)은 유체(112)를 가열하지만, TEC(111)의 측면(111a)은 냉각된다. 이러한 제 2 단계 동안 특정 포인트에서, 예를 들어 단계의 시작에서, TEC(111)에 인가된 전력은 스위치 오프되고, 전압 측정은 제어 회로(170)에 의해 수행된다. 도 2b의 설명과 유사하게, 여기서 또한 측정은 예를 들어 0.05 초와 같이 비교적 짧은 시간이 걸릴 수 있다. 그러나, 이 경우에, 챔버(111b) 내의 유체의 배출구 온도, 예를 들어 54℃에 비해, 챔버(113a) 내의 유체의 주입구 온도는 너무 저온, 예를 들어 44℃이다.
2개의 챔버 내의 유체 사이의 온도 차이가 비교적 높은, 즉 10℃일 때, TEC의 출력 단자에서 측정된 전압은 또한 높을 것이다. 따라서, 생성된 전압은 최적 조건에서의 전압보다 크다. 양의 전압이 생성된다고 가정하면, 제어 회로(170)는 이러한 양의 전압이 주입구 유체 온도의 강하를 나타내는 것으로 결정하도록 구성된 미리 프로그래밍된 회로를 포함할 수 있다. 제어 회로(170)는 펌프 내의 유속을 감속시키는 동작을 취하도록 더 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 TEC(111)의 오프 시간을 0.05초 이상으로 증가시켜, 펌프(100)를 통한 유체(112)의 유속을 감소시키는 동작을 취할 수 있다. 이것은 유체가 열원(120)과 (직접 또는 간접적으로) 열 접촉할 때 더 긴 시간 동안 머무르도록 하여, 주입구 유체 온도를 증가시켜, 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이 펌프(100)를 최적의 동작 상태로 복귀시킨다.
도 3c 및 도 3d는 후속 단계, 각각 제 1 단계 후 1초 및 1.5초에서의 단계를 도시한다. 도 3c에서 알 수 있는 바와 같이, 동작은 도 3a의 초기 단계의 동작과 유사하지만 반대 극성을 갖는다. 따라서, 유체는 챔버(113b)에서 가열된다. 도 3d는 TEC에 인가된 전압의 극성의 반전을 다시 한 번 보여주며, 결과적으로 도 3b와 유사하지만 극성이 반대이다. 이 단계에서는 다른 측정을 위해 전력을 턴 오프할 필요가 없지만; 이러한 가능성은 배제되지 않는다.
대안으로, 주입구 유체 온도는 주변 온도의 상승으로 인해 너무 고온으로 될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 주입구 유체 온도가 너무 고온인 조건 하에 도 1의 예시적인 펌프(100)의 다양한 동작 단계를 도시한다.
본 개시와 관련하여, 주입구 유체의 온도가 배출구 유체의 온도보다 10℃ 이상 더 높을 때, 주입구 유체 온도는 너무 고온인 것으로 고려될 수 있다.
도 4a는 TEC(111)의 측면(111a)이 유체(112)를 가열하여, 유체가 가열하고 열 팽창하도록 하는 초기 단계, 즉 시간 0에서의 초기 단계를 도시한다. 그러나, TEC(111)의 측면(111b) 내의 주입구 흐름 온도는 너무 고온이며, 이 예에서는 55℃ 이상이다. 따라서, 펌프의 동작은 최적이 아니다.
더욱이, 챔버(113a) 내의 유체의 온도가 (높은 주변 온도와 TEC 가열 동작의 조합된 효과로 인해) 매우 고온으로 될 때, 측면(111a)과 챔버(113a) 내의 유체 사이의 효율적인 열교환을 방해할 수 있는 건조된 기포(115)가 형성될 수 있다.
도 4b는 TEC에 인가된 전압(또는 전류)의 극성이 변경되는 제 2 단계, 즉 제 1 단계로부터의 0.5초의 제 2 단계를 도시한다. 따라서, TEC(111)의 측면(111b)은 유체(112)를 가열하지만, TEC(111)의 측면(111a)은 냉각된다. 그러나, 주입구 측면, 이 경우에는 챔버(113a)에서의 온도는 여전히 높다. 더욱이, 건조된 기포(115)의 생성은 유체와 냉각 측면(111a) 사이의 효율적인 열 전달을 방해하여, 이러한 챔버 내의 유체의 온도 감소를 방해한다. 이것은 TEC 표면상의 가열 단계 중에 TEC 표면 상에서 건조가 발생할 때 온도가 유체의 상 변화 온도(phase change temperature)보다 훨씬 빠르게 증가하기 때문이다. 따라서, 동일한 표면의 냉각 사이클이 시작될 때, TEC는 이러한 과도한 열을 냉각시켜 성능을 저해하는데 요구된다.
이러한 제 2 단계 동안 특정 포인트에서, 예를 들어 단계의 시작에서, TEC(111)에 인가된 전력은 스위치 오프되고, 전압 측정은 제어 회로(170)에 의해 수행된다. 측정은 예를 들어 0.05 초와 같이 비교적 짧은 시간이 걸릴 수 있다. 그러나, 이 경우에, 챔버(111b) 내의 유체의 배출구 온도, 예를 들어 54℃에 비해, 챔버(113a) 내의 유체의 주입구 온도는 너무 고온, 예를 들어 65℃이다.
2개의 챔버 내의 유체 사이의 온도 차이가 비교적 높은, 즉 10℃일 때, TEC의 출력 단자에서 측정된 전압은 또한 높을 것이다. 따라서, 생성된 전압은 최적 조건에서의 전압보다 크다. 음의 전압이 생성된다고 가정하면, 제어 회로(170)는 이러한 음의 전압이 주입구 유체 온도의 증가를 나타내는 것으로 결정하도록 미리 프로그래밍될 수 있다. 제어 회로(170)는 펌프 내의 유속을 가속시키는 동작을 취하도록 더 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 TEC(111)의 오프 시간을 0.05초 미만으로 감소시켜, 펌프(100)를 통한 유체(112)의 유속을 감소시키는 동작을 취할 수 있다. 이것은 유체가 열원(120)과 (직접 또는 간접적으로) 열 접촉할 때 더 짧은 시간 동안 머무르도록 하여, 주입구 유체 온도를 감소시켜, 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이 펌프(100)를 최적의 동작 상태로 복귀시킨다.
도 4c 및 도 4d는 후속 단계, 각각 제 1 단계 후 1초 및 1.5초에서의 단계를 도시한다. 도 4c에서 알 수 있는 바와 같이, 동작은 도 4a의 초기 단계의 동작과 유사하지만 반대 극성을 갖는다. 따라서, 유체는 챔버(113b)에서 가열된다. 도 4d는 TEC에 인가된 전압의 극성의 반전을 다시 한 번 보여주며, 결과적으로 도 4b와 유사하지만 극성이 반대이다.
이러한 방식으로, 펌프의 성능을 손상시키지 않으면서 주변 온도가 변동하는 환경에서 유체 펌프를 배치하는 것이 가능하게 된다. 제안된 해결책은 때때로 달성하기 어렵게 되는 NEBS 표준의 엄격한 요구 사항을 준수하는 장비를 설계할 수 있다. 제어 회로는 펌프가 열악한 조건 하에서 동작하도록 최적화되는 것을 보장하는데 사용될 수 있다.
제어 회로는 관련 기술에서 공지된 하드웨어 디바이스, 소프트웨어 모듈 또는 하드웨어 디바이스와 소프트웨어 모듈의 조합 중 어느 하나일 수 있다. 제어 회로는 전압 및/또는 전류를 측정하고, 측정값을 평가하며, 상술한 바와 같은 적절한 동작을 취하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 이러한 회로는 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit; ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array; FPGA) 및/또는 마이크로 프로세서와 같은 공지된 수단을 포함할 수 있고, 바람직한 실시예에서는 적절한 소프트웨어 프로그램을 통하거나 또는 이와 함께 사용될 수 있다.
더욱이, 청구된 수단에 대응하는 구조의 리스트는 완전한 것이 아니며, 당업자는 등가 구조가 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 인용된 구조를 대신할 수 있다는 것을 이해한다는 것이 주목되어야 한다.
또한, 방법의 단계의 순서는 해당하는 청구 범위에 설명되고 인용된 방법의 단계의 순서는 제시되고 설명된 바와 같은 순서로 제한되지 않으며, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 달라질 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
당업자는 본 명세서의 임의의 블록도가 본 개시의 원리를 구현하는 예시적인 회로의 개념적 관점을 나타내는 것으로 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 유체를 사용하는 냉각 장치에 있어서,
    열전 냉각기;
    유체; 및
    채널을 통해 서로 연결된 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 포함하며;
    상기 열전 냉각기는 상기 제 1 챔버 내의 유체를 가열하여 상기 유체가 상기 채널을 통해 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버를 향해 흐르게 하고, 열원과 열 접촉하여 상기 열원으로부터 열을 흡수하게 하기 위해 전력이 공급되도록 구성되며;
    상기 냉각 장치는 제어 회로를 더 포함하며, 상기 제어 회로는,
    상기 열전 냉각기에 인가된 전력을 스위치 오프하고;
    상기 열전 냉각기에 의해 생성된 전력을 나타내는 파라미터를 측정하며;
    상기 열전 냉각기로부터 획득된 상기 파라미터의 측정값에 기초하여 상기 유체의 유속을 변화시키도록 구성되는
    냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 파라미터에 기초하여 스위치 오프된 모드에서 상기 열전 냉각기에 의해 생성된 상기 전력을 측정하도록 구성된 회로를 포함하는
    냉각 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 스위치 오프된 모드에서 상기 파라미터의 측정값을 평가하고, 측정된 파라미터를 사전결정된 값 또는 사전결정된 값의 범위와 비교함으로써 상기 측정된 파라미터가 최적의 동작 조건을 나타내는지를 결정하도록 구성된 회로를 포함하는
    냉각 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 측정된 파라미터의 극성을 결정함으로써 상기 유체의 유속을 변화시키도록 구성되는
    냉각 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 유속을 제 1 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 낮은 속도로 변화시키도록 구성되는
    냉각 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 유속을 상기 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 높은 속도로 변화시키도록 구성되는
    냉각 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    제 1 극성의 전력을 상기 열전 냉각기에 인가하여 상기 제 1 챔버 내의 유체를 가열하고, 상기 유체가 상기 채널을 통해 흐르게 하고;
    상기 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 전력을 상기 열전 냉각기에 인가하여 상기 제 2 챔버 내의 유체를 가열하고, 상기 유체가 상기 채널을 통해 흐르게 하도록 구성되며;
    상기 제 1 극성에 의해 야기된 상기 유체의 흐름 방향은 상기 제 2 극성에 의해 야기된 상기 유체의 흐름 방향과 동일한
    냉각 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    전력을 나타내는 상기 파라미터는 상기 열전 냉각기의 각각의 측면 상에 각각 위치되는 2개의 포인트 사이에 존재하는 전압; 또는 상기 2개의 포인트 사이에 흐르는 전류인
    냉각 장치.
  9. 유체를 사용하는 냉각 방법에 있어서,
    제 1 챔버 내의 유체를 가열하여 상기 유체가 채널을 통해 상기 제 1 챔버로부터 제 2 챔버를 향해 흐르게 하고, 열원과 열 접촉하여 상기 열원으로부터 열을 흡수하게 하기 위해 열전 냉각기에 전력을 공급하는 단계;
    상기 열전 냉각기에 인가된 전력을 스위치 오프하는 단계;
    상기 열전 냉각기에 의해 생성된 전력을 나타내는 파라미터를 측정하는 단계; 및
    상기 열전 냉각기로부터 획득된 상기 파라미터의 측정값에 기초하여 상기 유체의 유속을 변화시키는 단계를 포함하는
    냉각 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    스위치 오프된 모드에서 상기 파라미터의 측정값을 평가하는 단계;
    측정된 파라미터를 사전결정된 값 또는 사전결정된 값의 범위와 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 파라미터가 최적의 동작 조건을 나타내는지를 결정하는 단계를 더 포함하는
    냉각 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 유체의 유속을 변화시키기 위해 상기 측정된 파라미터의 극성을 결정하는 단계를 더 포함하는
    냉각 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유속을 제 1 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 낮은 속도로 변화시키는 단계를 포함하는
    냉각 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유속을 상기 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 측정된 파라미터에 대해 더 높은 속도로 변화시키는 단계를 포함하는
    냉각 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    제 1 극성의 전력을 상기 열전 냉각기에 인가하여 상기 제 1 챔버 내의 유체를 가열하고, 상기 유체가 상기 채널을 통해 흐르게 하는 단계;
    상기 제 1 극성과 반대인 제 2 극성의 전력을 상기 열전 냉각기에 인가하여 상기 제 2 챔버 내의 유체를 가열하고, 상기 유체가 상기 채널을 통해 흐르게 하는 단계를 포함하며;
    상기 제 1 극성에 의해 야기된 상기 유체의 흐름 방향은 상기 제 2 극성에 의해 야기된 상기 유체의 흐름 방향과 동일한
    냉각 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    전력을 나타내는 상기 파라미터는 상기 열전 냉각기의 각각의 측면 상에 각각 위치되는 2개의 포인트 사이에 존재하는 전압; 또는 상기 2개의 포인트 사이에 흐르는 전류인
    냉각 방법.
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