KR102226085B1 - 챔버 및 표면을 냉각하기 위한 강화된 열 수송 시스템 - Google Patents

챔버 및 표면을 냉각하기 위한 강화된 열 수송 시스템 Download PDF

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Abstract

수동 열 수송 시스템에 부가된 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 챔버 또는 표면의 설정점 온도를 냉각 및 유지하기 위해 과도 열 부하 기간 동안에는 동작되지만 정상 상태 조건 하에서는 동작되지 않는다. 강제 대류는 온도 데이터 및/또는 설정점 온도 값에 기반하여 선택적으로 채용된다. 방열 열 수송 시스템은 메인 및 크로스오버 수송 튜브를 통하여 제1 및 제2 방열 열 교환기에 각각 결합된 제1 및 제2 방열 히트 싱크를 포함하여, 제1, 제2, 또는 제1 및 제2 열 펌프가 동작하고 있는지에 무관하게 양 히트 싱크가 제1 및 제2 열전 열 펌프로부터의 열을 방산할 수 있게 한다.

Description

챔버 및 표면을 냉각하기 위한 강화된 열 수송 시스템{ENHANCED HEAT TRANSPORT SYSTEMS FOR COOLING CHAMBERS AND SURFACES}
관련 출원
본 출원은 2013년 9월 16일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/878,156호, 및 2014년 7월 21일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/027,071호의 이익을 주장한다. 이로써 이들 기초 출원의 개시는 참고로 그들 각각의 전문이 본 명세서에 편입되는 것이다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로는, 열전 냉각 부재를 이용하는 냉각 시스템 및 냉장 시스템을 포함하는, 챔버 및/또는 표면으로부터의 열을 제거 및 방산하기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.
냉장 공정은 냉각될 챔버 또는 표면으로부터 열을 이동시키는 것, 및 주변 매질(예를 들어, 공기)보다 더 높은 온도에서의 그 열을 방열하는 것을 수반한다. 증기 압축-기반 냉각 시스템은 높은 성능 계수(coefficient of performance: COP)를 갖고 챔버 및 표면을 냉각하는데 흔히 사용된다. 관용적 증기 압축-기반 냉장 시스템은 자동 온도 조절식으로 조정된 듀티 사이클 제어(thermostatically regulated duty cycle control)를 이용한다. 그러한 시스템은 전형적으로는 (회복 또는 풀 다운(pull down) 동안과 같은) 과도 요구와 정상 상태 둘 다를 충족하기에 충분히 동적이지는 않고 그래서 정상 상태 동작 동안 필요한 열 추출 요구를 훨씬 초과하는 초과 냉각 용량을 포함한다. 초과 냉각 용량은 개선된 풀 다운 성능을 가능하게 하지만, 그들 제어, 열역학 한계 및 산출물 성능 요구의 본성에 기인하여, 관용적 증기 압축 시스템은 최적보다 덜 효율적이다. 또한, 초과 냉각 용량은 스타트-업 동안 큰 전류 서지를 수반하고 더 비싼 전기 컴포넌트를 필요로 한다.
증기 압축-기반 냉장 시스템의 최적-이하의 효율은 그러한 시스템이 냉각 챔버 내 온도를 정밀하게 제어하기를 바라는 것과 관련된다. 전형적으로, 냉각 챔버 내 온도가 특정 값을 초과할 때, 증기 압축-기반 냉장 시스템은 활성화되어 냉각 챔버에서의 온도가 특정 값 아래일 때까지 계속 가동된다 - 그 지점에서 증기 압축-기반 시스템이 오프로 된다. 이러한 유형의 제어 기법은 전형적으로는 에너지 소비를 최소화하고 다양한 주변 조건에서의 동작이 가능하게 추구하도록 비교적 큰 제어 대역 및 비교적 큰 내부 온도 성층화를 갖는다. 그러한 제어 기법은, 스로틀링 또는 용량 변동이 증기 압축 사이클로는 구현하기가 어렵고 비싸고, 볼륨 효율이 떨어짐에 따라 스로틀링 또는 용량 변동이 한정된 효능을 제공하기 때문에, 가장 흔히 이용된다.
증기 압축 기반 시스템은 또한 염화불화탄소(CFC)-계열 냉매를 빈번하게 사용한다; 그렇지만, CFC-계열 냉매의 사용은 그러한 화합물의 방출이 지구의 오존 층의 고갈에 이를 수 있으므로 환경 위협을 제기한다.
열전 냉각 시스템은, 그것이 CFC-계열 냉매를 필요로 하지 않으므로, 증기 압축 시스템에 대한 환경 친화적 대안을 대표한다. 열전 쿨러(열전 열 펌프(thermoelectric heat pump)라고도 알려져 있음)는 전기 전류의 인가에 응답하여 그 표면을 가로질러 온도 차이를 산출한다. 냉각될 표면 또는 챔버로부터 흡열될 수 있고, 공기와 같은 주변 매질로의 방산을 위해 방열 히트 싱크로 (예를 들어, 일련의 수송 파이프를 통하여) 수송될 수 있다. 열전 냉각 시스템은, 방열 히트 싱크를 통해 가압 냉각제의 강제된 수송에 대한 필요성이 없는, 서모사이펀 또는 히트파이프와 같은 수동 방열 서브시스템을 포함할 수 있다. 모든 냉장 시스템에 대해서와 같이, 열전 열 펌프를 가로지르는 온도 차이가 더 작을수록, 열 펌프가 더 효율적으로 열을 수송하고 있을 것이다. 그렇지만, 열전 냉각 시스템의 환경적 이점에도 불구하고, 그러한 시스템은 전형적으로는 증기 압축 시스템의 절반 미만의 COP 값을 갖는다. 열전 냉각 시스템의 COP를 강화하는 것 및 광범위한 주변 온도 조건에 걸쳐 그들 사용을 가능하게 하는 것은 그러한 시스템의 채택 증가를 촉진하는데 유익할 것이다.
본 발명의 실시예는, 챔버 및/또는 표면을 냉각하는데 유용할 수 있는 것과 같이, 주변 온도 조건의 증가된 범위에 걸친 사용 및/또는 더 큰 효율을 가능하게 하는 (열전 냉각 시스템을 포함하는) 열 수송 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 챔버 또는 표면의 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 유지하도록 (예를 들어, 서모사이펀 또는 히트파이프를 사용하는) 수동 열 수송 시스템과 이용되며, 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 높은 열 부하 기간(예를 들어, 과도 조건) 및/또는 높은 온도 방열 조건 동안에는 동작되지만, 열이 냉각될 표면 또는 챔버로부터 흡열되기에 그리고/또는 열이 주변 환경으로 방열되기에 수동 열 수송이 충분할 때 정규(예를 들어, 정상 상태) 조건 동안에는 동작되지 않는다. 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 열 수송 유체와 열 연통하고 있는 적어도 하나의 열 교환기에 대해 대류 열 수송을 강화 또는 부스트하도록 선택적으로 동작된다. 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 열 수송 시스템의 방열측 및/또는 흡열측에서 적어도 하나의 열 교환기에 근접하여 배열될 수 있다. 컨트롤러는 (i) 열 수송 시스템을 포함하고 있는 주변 환경의 온도, 및 (ii) 냉각될 챔버 또는 표면의 온도 중 적어도 하나를 나타내는 온도 데이터를 수신한다. 컨트롤러는 이하의 상태: 챔버 또는 표면의 온도가 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 포함하는 정상 상태 온도 범위를 초과하는 것, 및/또는 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하는 것 중 적어도 하나를 나타내는 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화한다. 컨트롤러는 이하의 상태: 챔버 또는 표면의 온도가 정상 상태 온도 범위 내에 있는 것, 및/또는 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위 아래에 있는 것 중 적어도 하나를 나타내는 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 비활성화한다.
본 발명에 따른 소정 실시예에 있어서, 열 수송 장치는, 메인 및 크로스오버 방열 수송 튜브(reject transport tube)를 통하여, 다수의 열 교환기와 열 연통하여 배열된 다수의 방열 히트 싱크를 포함하고, 각각은 복수의 핀(fin)을 갖고 각각은 적어도 하나의 다른 열전 열 펌프에 결합된다. 모든 방열 히트 싱크는 열전 열 펌프가 별개로 동작되는지 또는 함께 동작되는지에 무관하게 각각의 열전 열 펌프로부터의 열을 방산하도록 배열된다. 별개의 열 교환기에 전용인 방열 히트 싱크(각각 전용 열전 쿨러를 가짐)의 사용에 비해, 다수의 방열 히트 싱크와 연관된 더 큰 표면적은 열 전달을 강화하고 동작하고 있는 열전 열 펌프(들)에서의 더 낮은 온도를 초래한다. 다수의 방열 수송 튜브가 제공되며, 그것은: 제1 방열 열 교환기로부터 제1 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제1 메인 방열 수송 튜브, 제1 방열 열 교환기로부터 제2 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제1 크로스오버 방열 수송 튜브, 제2 방열 열 교환기로부터 제2 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제2 메인 방열 수송 튜브, 및 제2 방열 열 교환기로부터 제1 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제2 크로스오버 방열 수송 튜브를 포함한다.
소정 실시예에서는, 여기에 개시되는 바와 같은 어느 태양 또는 특징이라도 부가적 이점을 위해 조합될 수 있다. 여기에 개시된 바와 같은 다양한 특징 및 구성요소 중 어느 것이라도 여기에서 달리 나타내지 않는 한 하나 이상의 다른 개시된 특징 및 구성요소와 조합될 수 있다.
당업자는 수반 도면과 연관하여 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명을 읽은 후 본 발명의 범위를 인식하고 그 부가적 태양을 깨달을 것이다.
본 명세서에 편입되어 그 일부를 형성하는 수반 도면은 본 발명의 몇몇 태양을 예시하고, 그 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 TEC로의 입력 전류의 함수로서 열전 쿨러(TEC)의 냉각 용량(Q) 및 냉각 효율(COP)을 예시하는 라인 그래프;
도 2는 TEC의 여러 다른 서브세트의 선택적 제어를 가능하게 하는 상호접속 보드 상에 배열된 다수의 TEC를 포함하는 열전 카트리지의 예시도;
도 3은 냉각 챔버, 냉각측 히트 싱크와 가열측 히트 싱크 사이에 배치된 다수의 TEC를 포함하는 (도 2의 카트리지와 같은) 카트리지를 포함하는 열 교환기, 및 냉각 챔버 내 설정점 온도를 유지하도록 TEC를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 열전 냉장 시스템의 도식적 사시도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 유체-함유 루프와 열 연통하고 있는 열 교환기의 냉각을 강화하도록 배열된 선택적으로 동작 가능한 강제 대류 유닛을 포함하는 열 수송 시스템의 적어도 일부의 사시도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 열 교환기와 열 연통하고 있는 유체-함유 핀형 히트 싱크의 냉각을 강화하도록 배열된 선택적으로 동작 가능한 강제 대류 유닛을 포함하는 열 수송 시스템의 적어도 일부의 사시도;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 냉각 챔버, 냉각 챔버 내 냉각측 히트 싱크로의 열 수송을 강화하도록 배열된 제1 강제 대류 유닛, TEC를 편입하고 있는 열전 열 교환 어셈블리, 및 가열측 히트 싱크로부터의 열의 방산을 강화하기 위한 제2 강제 대류 유닛을 포함하는 열전 냉각 또는 냉장 시스템의 도식적 평면도;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 시스템과 같은 열전 냉각 또는 냉장 시스템의 전력, 센서, 제어 및 사용자 인터페이스 컴포넌트 간 상호접속을 예시하는 도식적 선도;
도 8은 도 7에 묘사된 열전 냉각 시스템의 컨트롤러의 동작 모드를 예시하는 도식적 선도;
도 9는 열전 냉각 시스템이 팬 조력 모드(강제 대류 있음)로 그리고 수동 모드(강제 대류 없음)로 동작될 수 있는 조건을 예시하는 막대 그래프;
도 10은 열전 냉각 또는 냉장 시스템의 제1 및 제2 TEC와의 사용에 적합한, 각각 히트 싱크, 열 교환 패드 및 열 수송 도관을 포함하는, 독립적 제1 및 제2 열 수송 디바이스의 전방 입면도로서, 도 11 내지 도 12에 따라 크로스오버 열 교환 도관과 링크된 히트 싱크를 포함하는 열 수송 장치를 비교하기 위한 기반을 제공하는 전방 입면도;
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 열전 냉각 또는 냉장 시스템의 제1 및 제2 TEC(또는 열전 열 펌프)와의 사용에 적합한 열 교환 패드 및 크로스오버 열 교환 도관과 링크된 제1 및 제2 히트 싱크를 포함하는 열 수송 장치의 전방 입면도;
도 12는 도 11의 열 수송 장치의 사시도;
도 13은 도 15 내지 도 16에 묘사된 바와 같이 열전 냉장 유닛과의 사용에 적합한 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열 장치의 열 교환 패드 및 유체 도관의 사시도;
도 14는 도 13의 흡열 장치의 열 교환 블록의 내부 부재를 도시하는 사시도;
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 열전 냉장 유닛, 크로스오버 열 교환 도관을 갖는 제1 및 제2 가열측 히트 싱크, 냉각 팬, 및 히트 싱크 및 냉각 팬 위에 맞도록 배열된 커버의 조립 사시도; 및
도 16은 도 15에 묘사된 조립된 열전 냉장 유닛의 사시도.
아래에 제시된 실시예는 당업자가 실시예를 실시 가능하게 하고 실시예를 실시하는 최상 모드를 예시하는데 필요한 정보를 표현한다. 수반 도면을 고려하여 이하의 설명을 읽을 때, 당업자는 본 발명의 개념을 이해할 것이고 여기에서 특별히 다루지는 않은 이들 개념의 응용을 인식할 것이다. 이들 개념 및 응용은 본 개시 및 수반 청구범위의 범위 내에 드는 것임을 이해해야 한다.
여기에서 다양한 부재, 즉, 구성요소를 설명하기 위해 용어 제1, 제2 등이 사용될 수 있기는 하지만, 이들 부재는 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨음을 이해할 것이다. 이들 용어는 하나의 부재를 다른 하나의 부재와 구별하기 위해 사용될 뿐이다. 예를 들어, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 제1 부재는 제2 부재라고 칭해질 수 있고, 유사하게, 제2 부재는 제1 부재라고 칭해질 수 있다. 여기에서 사용될 때, 용어 "및/또는"은 연관된 열거된 아이템 중 하나 이상의 모든 그리고 어떠한 조합이라도 포함한다.
여기서 사용되는 술어는 특정 실시예를 설명하는 목적을 위한 것일 뿐이고 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 여기서 사용될 때, 단수 형태 부정관사 및 정관사는, 맥락이 명확히 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태 역시 포함하려는 의도이다. 용어 "포함하고 있다", "포함하고 있는", "포함한다" 및/또는 "포함하는"은, 여기서 사용될 때, 서술된 특징, 단계, 동작, 부재 및/또는 컴포넌트의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 동작, 부재, 컴포넌트 및/또는 그 그룹의 존재 또는 부가를 못하게 하지는 않음을 더욱 이해할 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 용어(기술적 및 과학적 용어를 포함함)는 본 발명이 속하는 분야의 당업자에 의해 보통 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기에서 사용되는 용어는 관련 분야 및 본 명세서의 맥락에서의 그들 의미와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로는, 여기에서 그렇게 명시적으로 정의되지 않는 한, 해석되지 않을 것임을 더욱 이해할 것이다.
냉각 용량 및 효율-대-TEC(소위 열전 열 펌프라고도 할 수 있음)에 공급된 입력 전류의 간략한 논의가 맥락을 제공하고 본 발명의 이해를 돕는데 유익할 수 있다. 도 1은 TEC의 냉각 용량(Q) 및 (성능 계수(COP)로 표현된) 냉각 효율 대 TEC에 공급된 입력 전류를 예시하는 라인 그래프이다. TEC의 입력 전류(I)가 증가함에 따라, TEC의 냉각 용량도 증가한다. TEC에 의해 열의 최대량이 제거되고 있는 곳을 표현하는 냉각 용량(Q) 곡선 상의 지점은 Qmax로서 표시된다. 그리하여, TEC가 Qmax에서 동작하고 있을 때, TEC는 가능한 최대량의 열을 제거하고 있다. TEC는 대응하는 최대 전류(Imax)가 TEC에 제공될 때 Qmax에서 동작한다. 도 1은 또한 입력 전류(I)의 함수로서 TEC의 COP를 예시하고 있다. 냉각 적용에 대해, TEC의 COP는 열을 제거하도록 TEC에 입력된 작업(에너지)의 양에 대한 제거된 열의 비이다. TEC의 COP가 최대화되는 열의 양, 또는 용량(Q)은 QCOPmax로서 표시된다. TEC는 전류(ICOPmax)가 TEC에 제공될 때 QCOPmax에서 동작한다. 그리하여, TEC의 효율(또는 COP)은 TEC가 QCOPmax에서 동작하게 되도록 전류(ICOPmax)가 TEC에 제공될 때 최대화된다.
아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 바람직한 실시예에 있어서, 컨트롤러는, 정상 상태 동작 동안, TEC 중 하나 이상이 활성화되어 QCOPmax에서 동작되고 나머지 TEC가 비활성화되어 효율을 최대화하게 (예를 들어, 하나 이상의 카트리지 내) TEC들을 제어하도록 배열된다. 활성화되는 TEC의 수, 및 반대로 비활성화되는 TEC의 수는 요구에 의해 좌우된다. 반대로, 풀 다운 또는 회복과 같은 과도 조건 동안, 하나 이상(및 가능하게는 모든) TEC가 활성화되어 소망 성능 프로파일에 따라 동작된다. 소망의 성능 프로파일의 일례는 풀 다운 또는 회복 시간을 최소화하기 위해 Qmax에서 모든 존재하는 TEC의 활성화 및 동작을 수반한다. 그렇지만, 대안으로, 다른 소망의 성능 프로파일은, 예를 들어 모든 존재하는 TEC가 활성화되어 QCOPmax와 Qmax 간 소정 지점에서 동작되는, 풀 다운 또는 회복 시간과 효율 간 절충점을 제공할 수 있다. TEC의 제어는 상기 예시적 예들로 한정되는 것은 아니라고 인식된다.
소정 실시예에 있어서, 컨트롤러(106)는 하드웨어 프로세서, 및 하드웨어 프로세서가 여기에 설명되는 바와 같은 다양한 제어 연산을 수행할 수 있게 하는 명령어를 저장하도록 배열될 수 있는 것과 같은 연관된 메모리를 포함한다.
위에서 언급된 바와 같이, 도 1은 단일 TEC의 냉각 용량 및 냉각 효율을 예시하고 있다. TEC의 수를 증가시키는 것은 다수의 TEC를 채용하는 열전 냉각(예를 들어, 냉장) 시스템의 동작 COP에 영향을 미치지 않고 열 제거 용량을 선형으로 증가시킨다. 그리하여, 열전 냉각 시스템이 4개의 TEC를 포함하면, 그때 열전 냉각 시스템의 열 제거 용량은 전체 시스템이, 일부 바람직한 실시예에서는, 오프(입력 전류 = 0인 경우), QCOPmax(입력 전류 = ICOPmax인 경우), 및 Qmax(입력 전류 = Imax인 경우) 간 다양한 상태 중 어디에서라도 동작할 수 있게 하면서 단일 TEC를 포함하는 열전 냉각 시스템의 일 실시예에 비해 4배 증가될 것이다.
열전 냉각 시스템의 상세 및 동작을 논의하기 전에, TEC의 별개의 그리고 선택적 제어를 가능하게 하는 멀티-TEC 카트리지를 논의하는 것이 유익하다. 대표적 멀티-TEC 카트리지(112)가 도 2에 예시되어 있다. 카트리지(112)는 다수의 TEC(120a 내지 120f)를 이용한다. 다수의 TEC는 변하는 조건 하의 소망의 성능을 제공하도록 별개로 제어될 수 있기 때문에 다수의 더 작은 용량 TEC의 사용이 단일의 대용량 TEC의 사용에 비해 유익하다. 대조적으로, 풀 다운 또는 회복에 대해 최대 소망의 용량을 제공하도록 설계된 단일의 과대 TEC는 최대 효율 값(QCOPmax)에서 또는 그 가까이에서 하나 이상의 TEC를 동작시키는 유연성을 제공하지 않을 것이다. 환언하면, 최대 용량에서 효율적으로 동작하도록 설계된 과대 TEC는 저용량에서 효율적으로 동작할 수 없을 것인 반면, 하나 이상의 다수의 더 작은 TEC는 컨트롤러에 의해 활성화되어 정상 상태 조건을 포함하는 광범위한 동작 조건에 걸쳐 최대 효율 값에서(또는 그 가까이에서) 동작될 수 있다. TEC(120a 내지 120b)를 편입하고 있는 전체 카트리지(112) 또는 어느 하나 이상의 TEC(120a 내지 120f)는 열전 열 펌프라고도 지칭될 수 있다.
도 2에 예시된 카트리지(112)는 소망의 제어 기법에 따라 TEC의 여러 다른 서브세트의 별개의 그리고 선택적 제어를 허용하는 멀티-TEC 카트리지의 일례일 뿐이다. 일반적으로, 멀티-TEC 카트리지는 어느 수의 TEC라도 유지하도록 그리고 TEC의 어느 수의 서브세트라도 별개로 제어될 수 있게 하도록 구성될 수 있으며, 각각의 서브세트는 일반적으로 하나 이상의 TEC를 포함한다. 더욱, 여러 다른 서브세트는 동일한 수 또는 다른 수의 TEC를 포함할 수 있다. 멀티-TEC 카트리지에 관한 부가적 상세는 발명의 명칭이 THERMOELECTRIC REFRIGERATION SYSTEM CONTROL SCHEME FOR HIGH EFFICIENCY PERFORMANCE인 미국 특허 출원 공개 공보 제2013/0291555 A1호에 개시되어 있으며, 이로써 참조에 의해 그 전체가 여기에 편입되는 것이다.
도 2에 예시된 바와 같이, 카트리지(112)는 상호접속 보드(122) 상에 배치된 TEC(120a 내지 120f)(더 일반적으로 여기에서는 일괄적으로 TEC(120)들이라고 그리고 개별적으로 TEC(120)라고 지칭됨)를 포함한다. TEC(120)는 박막 디바이스이다. 박막 TEC의 일부 비-한정적 예는 발명의 명칭이 METHOD FOR THIN FILM THERMOELECTRIC MODULE FABRICATION인 미국 특허 제8,216,871호에 개시되어 있으며, 이로써 참조에 의해 그 전체가 여기에 편입되는 것이다. 상호접속 보드(122)는 TEC(120a 내지 120f)의 4개의 서브세트를 획정하는 전기적 전도성 트레이스(124a 내지 124d)(더 일반적으로 여기에서는 일괄적으로 트레이스(124)들이라고 그리고 개별적으로 트레이스(124)라고 지칭됨)를 포함한다. 구체적으로, TEC(120a 내지 120b)는 트레이스(124a)를 통하여 서로 직렬로 전기적으로 접속되고 TEC(120)의 제1 서브세트를 형성한다. 마찬가지로, TEC(120c 내지 120d)는 트레이스(124b)를 통하여 서로 직렬로 전기적으로 접속되고 TEC(120)의 제2 서브세트를 형성한다. TEC(120e)는 트레이스(124d)에 접속되고 TEC(120)의 제3 서브세트를 형성하는 한편, TEC(120f)는 트레이스(124c)에 접속되고 TEC(120)의 제4 서브세트를 형성한다. 여기에서 설명되는 바와 같은 컨트롤러는 트레이스(124a)에 인가되는 전류를 제어함으로써 TEC(120)의 제1 서브세트(즉, TEC(120a, 120b))를 선택적으로 제어할 수 있고, 트레이스(124b)에 인가되는 전류를 제어함으로써 TEC(120)의 제2 서브세트(즉, TEC(120c, 120d))를 선택적으로 제어할 수 있고, 트레이스(124d)에 인가되는 전류를 제어함으로써 TEC(120)의 제3 서브세트(즉, TEC(120e))를 선택적으로 제어할 수 있고, 트레이스(124c)에 인가되는 전류를 제어함으로써 TEC(120)의 제4 서브세트(즉, TEC(120f))를 선택적으로 제어할 수 있다. 그리하여, 일례로서 TEC(120a, 120b)를 사용하면, 컨트롤러는 트레이스(124a)로부터 전류를 제거(비활성화)하든지 또는 트레이스(124a)에 전류를 인가(활성화)하든지 함으로써 TEC(120a, 120b)를 선택적으로 활성화/비활성화하고, TEC(120a, 120b)가 활성화되어 있는 동안 트레이스(124a)에 인가되는 전류를 선택적으로 증가 또는 감소시키고, 그리고/또는 (예를 들어, 전류의 펄스 폭 변조에 의해) 활성화 다음에 TEC(120a, 120b)의 듀티 사이클을 제어하는 그러한 방식으로 트레이스(124a)에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
상호접속 보드(122)는 TEC(120a 내지 120f)의 저부 표면을 노출하는 개구부(126a, 126b)(더 일반적으로 여기에서는 일괄적으로 개구부(126)들이라고 그리고 개별적으로 개구부(126)라고 지칭됨)를 포함한다. 카트리지(112)가 (도 3에 도시된 바와 같은) 냉각측(흡열) 열 교환기와 가열측(방열) 열 교환기 사이에 배치될 때, 개구부(126a, 126b)는 TEC(120a 내지 120f)의 면이 적합한 열 교환기에 열 결합 가능하게 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 동작 동안, 여기에서 설명되는 바와 같은 컨트롤러는 전류를 대응하는 트레이스(124a 내지 124d)에 인가하거나 그로부터 제거함으로써 TEC(120)의 서브세트의 어느 조합이라도 선택적으로 활성화 또는 비활성화할 수 있다. 더욱, 컨트롤러는 대응하는 트레이스(124a 내지 124d)에 제공되는 전류의 양(또는 듀티 사이클)을 제어함으로써 활성 TEC(120)의 동작점을 제어할 수 있다. 예를 들어, TEC(120)의 제1 서브세트만이 활성화되어 정상 상태 동작 동안 QCOPmax에서 동작되는 것이면, 그때 컨트롤러는 트레이스(124a)에 ICOPmax 값으로 전류를 제공하여 그로써 TEC(120a, 120b)를 활성화하고 TEC(120a, 120b)를 QCOPmax에서 동작시키는 한편, 다른 트레이스(124b 내지 124d)로부터 전류를 제거하여 그로써 다른 TEC(120c 내지 120f)를 비활성화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예의 이해를 돕도록 열전 냉장 시스템(100)을 예시하고 있다. 예시된 바와 같이, 열전 냉장 시스템(100)은 냉각 챔버(102), 열 교환기(104), 및 냉각 챔버(102) 내 냉각을 제어하는 컨트롤러(106)를 포함한다. 열 교환기(104)는 가열측 열 교환 부재(108), 냉각측 열 교환 부재(110), 및 (도 2에 예시된 카트리지(112) 및 TEC(120)에 대응할 수 있는) 다수의 TEC를 포함하는 카트리지(112)를 포함하되, 각각의 TEC는 냉각측(흡열) 열 교환 부재(110)와 열 결합되는 냉각측 및 가열측(방열) 열 교환 부재(108)와 열 결합되는 가열측을 갖는다. 그러한 TEC는 박막 디바이스인 것이 바람직하다. 하나 이상의 TEC가 컨트롤러(106)에 의해 활성화될 때, 활성화된 TEC(들)는 가열측 열 교환 부재(108)를 가열하고 냉각측 열 교환 부재(110)를 냉각하여 그로써 열 전달을 용이하게 하여 냉각 챔버(102)로부터 열을 추출하도록 동작한다. 더 구체적으로, TEC 중 하나 이상이 활성화될 때, 가열측 열 교환 부재(108)는 가열되어 그로써 증발기를 생성하고 냉각측 열 교환 부재(110)는 냉각되어 그로써 응축기를 생성한다.
응축기로서 역할할 때, 냉각측 열 교환 부재(110)는 냉각측 열 교환 부재(110)와 결합된 흡열 루프(114)를 통하여 냉각 챔버(102)로부터의 열 추출을 용이하게 한다. 흡열 루프(114)는 열전 냉장 시스템(100)의 내벽(115)에 열 결합된다. 내벽(115)은 냉각 챔버(102)를 획정한다. 일 실시예에 있어서, 흡열 루프(114)는 내벽(115) 내에 통합되든지 또는 내벽(115)의 표면 상에 직접 통합되든지 한다. 흡열 루프(114)는 냉각 매질(예를 들어, 2-상 냉각제)이 흡열 루프(114)를 통해 흐르거나 지나갈 수 있게 하는 어느 유형의 배관에 의해서라도 형성된다. 흡열 루프(114)와 내벽(115)의 열 결합에 기인하여, 냉각 매질이 흡열 루프(114)를 통해 흐름에 따라 냉각 매질은 냉각 챔버(102)로부터의 열을 추출한다. 흡열 루프(114)는, 예를 들어, 구리 튜빙, 플라스틱 튜빙, 스테인리스 강 튜빙, 알루미늄 튜빙 등으로 형성될 수 있다.
흡열 루프(114) 및 냉각측 열 교환 부재(110)에 의해 형성된 응축기는 어느 적합한 열 교환 기술에 따라서라도 동작한다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 흡열 루프(114)는 냉각 매질이 냉각측 열 교환 부재(110)로부터 흡열 루프(114)를 통해 그리고 다시 냉각측 열 교환 부재(110)로 주행하여 그로써 2-상 수동 열 수송을 사용하여 냉각 챔버(102)를 냉각하도록 서모사이펀 원리에 따라 동작한다(즉, 서모사이펀으로서 작용한다). (대안으로서, 흡열 루프(114)는, 위킹 매질을 필요로 하지 않고 중력 구동되는 서모사이펀과는 달리, 위크에서의 모세관 힘이 핫 엔드로부터 콜드로의 액체의 복귀를 보장하게 하는 위킹 매질을 포함하는 히트파이프로 교체될 수 있다). 특히, 수동 열 교환은 냉각 챔버(102)와 흡열 루프(114)에서의 냉각 매질 간 자연 대류를 통해 일어난다. 일 실시예에 있어서, 냉각 매질은 냉각 매질이 냉각 챔버(102)와 열 접촉하게 될 때 액체 형태이다. 구체적으로, 수동 열 교환은, 냉각 챔버(102)에서의 온도가 감소하고 냉각 매질의 온도가 증가하고 그리고/또는 상 변화를 거치도록, 흡열 루프(114) 내 냉각 매질과 냉각 챔버(102)에서의 환경 간에 일어난다. 냉각 매질의 온도가 증가할 때, 냉각 매질의 밀도는, 증발을 통해서와 같이, 감소한다. 결과로서, 냉각 매질은 열 교환기(104)를 향하여 그리고 구체적으로 냉각측 열 교환 부재(110)를 향하여 흡열 루프(114)에서의 부력을 통하여 위쪽 방향으로 이동한다. 냉각 매질은 냉각측 열 교환 부재(110)와 열 접촉하게 되고, 거기서 냉각 매질과 냉각측 열 교환 부재(110) 간에 열 교환이 일어난다. 냉각 매질과 냉각측 열 교환 부재(110) 간에 열 교환이 일어날 때, 냉각 매질은 응축하고 냉각 챔버(102)로부터의 부가적 열을 추출하기 위해 중력을 통하여 흡열 루프(114)를 통해 다시 흐른다. 그리하여, 일부 실시예에 있어서, 흡열 루프(114)는 냉각 챔버(102)를 냉각할 때 증발기로서 기능한다.
위에서 언급된 바와 같이, 열 교환기(104)는 가열측 열 교환 부재(108)와 냉각측 열 교환 부재(110) 간에 배치된 카트리지(112)를 포함한다. 카트리지(112)에서의 TEC는 가열측 열 교환 부재(108)와 열 결합되는 가열측(즉, TEC의 동작 동안 뜨거운 측) 및 냉각측 열 교환 부재(110)와 열 결합되는 냉각측(즉, TEC의 동작 동안 차가운 측)을 갖는다. 카트리지(112) 내 TEC는 냉각측 열 교환 부재(110)와 가열측 열 교환 부재(108) 간 열 전달을 효과적으로 용이하게 한다. 더 구체적으로, 흡열 루프(114)에서의 냉각 매질과 냉각측 열 교환 부재(110) 간에 열 전달이 일어날 때, 활성 TEC는 냉각측 열 교환 부재(110)와 가열측 열 교환 부재(108) 간에 열을 전달한다.
증발기로서 역할할 때, 가열측 열 교환 부재(108)는 가열측 열 교환 부재(108)에 결합된 방열 루프(116)를 통하여 냉각 챔버(102)의 외부 환경으로 열의 방열을 용이하게 한다. 방열 루프(116)는 열전 냉장 시스템(100)의 외벽(118) 또는 외피에 열 결합된다. 외벽(118)은 냉각 챔버(102)의 외부 환경과 직접 열 접촉하고 있다. 더욱, 외벽(118)은, 예를 들어, 적합한 단열에 의해 흡열 루프(114) 및 내벽(115)(및 그리하여 냉각 챔버(102))으로부터 열 격리된다. 일 실시예에 있어서, 방열 루프(116)는 외벽(118) 내에 통합되거나 외벽(118)의 표면 상에 통합된다. 방열 루프(116)는 열 전달 매질(예를 들어, 2-상 냉각제)이 방열 루프(116)를 통해 흐르거나 지나갈 수 있게 하는 어느 유형의 배관으로라도 형성된다. 방열 루프(116)와 외부 환경의 열 결합에 기인하여, 열 전달 매질이 방열 루프(116)를 통해 흐름에 따라 열 전달 매질은 열을 외부 환경으로 방열한다. 방열 루프(116)는, 예를 들어, 구리 튜빙, 플라스틱 튜빙, 스테인리스 강 튜빙, 알루미늄 튜빙 등으로 형성될 수 있다.
가열측 열 교환 부재(108)와 방열 루프(116)에 의해 형성된 증발기는 어느 적합한 교환 기술에 따라서라도 동작한다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 방열 루프(116)는 열 전달 매질이 가열측 열 교환 부재(108)로부터 방열 루프(116)를 통해 그리고 다시 가열측 열 교환 부재(108)로 주행하여 그로써 2-상 수동 열 수송을 사용하여 방열하도록 서모사이펀 원리에 따라 동작한다(즉, 서모사이펀으로서 작용한다). 구체적으로, 가열측 열 교환 부재(108)는 냉각측 열 교환 부재(110)로부터 입수된 열을 방열 루프(116) 내 열 전달 매질에 전달한다. (대안으로, 방열 루프(116)는 히트파이프로 교체될 수 있다). 열이 열 전달 매질에 전달되고 나면, 열 전달 매질은 상을 변화시키고 방열 루프(116)를 통해 주행하고 외벽(118)과 열 접촉하게 되어서 열이 냉각 챔버(102)의 외부 환경(예를 들어, 주변 환경)으로 축출된다. 방열 루프(116) 내 열 전달 매질이 외벽(118)과 직접 열 접촉하고 있을 때, 수동 열 교환이 방열 루프(116)에서의 열 전달 매질과 주변 환경 간에 일어난다. 주지되어 있는 바와 같이, 수동 열 교환은, 열 전달 매질이 중력의 힘에 의해 다시 열 교환기(104)로 주행하게 되도록, 방열 루프(116) 내 열 전달 매질의 응축을 야기한다. 그리하여, 방열 루프(116)는 냉각 챔버(102)의 외부 환경으로 방열할 때 응축기로서 기능한다.
소정 실시예에 있어서, 열 교환기(104)는 냉각 챔버(102)와 직접 열 접촉하고 있지 않고 대신에 냉각 챔버(102)로부터 열 격리된다. 마찬가지로, 열 교환기(104)는 외벽(118)과 직접 열 접촉하고 있지 않고 대신에 외벽(118)으로부터 열 격리된다. 따라서, 아래에 상술될 바와 같이, 열 교환기(104)는 열전 냉장 시스템(100)의 외벽(118)으로부터도 그리고 냉각 챔버(102)로부터도 열 격리된다. 중요하게도, 이것은 TEC가 비활성화될 때 열이 다시 냉각 챔버(102) 내로 누설되는 것을 방지하는 열 다이오드 효과를 제공한다.
컨트롤러(106)는 냉각 챔버(102) 내에 소망의 설정점 온도를 유지하기 위해 카트리지(112) 내의 TEC를 제어하도록 동작한다. 일반적으로, 컨트롤러(106)는 TEC를 선택적으로 활성화/비활성화하도록 동작하고, TEC의 입력 전류를 선택적으로 제어하고, 그리고/또는 TEC의 듀티 사이클을 선택적으로 제어하여 소망의 설정점 온도를 유지하도록 동작한다. 더욱, 바람직한 실시예에 있어서, 컨트롤러(106)는 TEC의 하나 이상의, 및 일부 실시예에서는 2개 이상의 서브세트를 별개로 또는 독립적으로 제어하도록 가능으로 되고, 여기서 각각의 서브세트는 하나 이상의 다른 TEC를 포함한다. 그리하여, 일례로서, 카트리지(112)에 4개의 TEC가 있으면, 컨트롤러(106)는 제1 개별 TEC, 제2 개별 TEC, 및 일 그룹의 2개 TEC(즉, 제1 및 제2 개별 TEC 및 일 그룹의 2개 TEC)를 별개로 제어하도록 가능으로 될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 컨트롤러(106)는, 예를 들어, 요구가 좌우하는 바와 같이 최대화된 효율로 독립적으로 1개, 2개, 3개 또는 4개의 TEC를 선택적으로 활성화할 수 있다.
이러한 예를 계속 보면, 컨트롤러(106)는: (1) 제1 개별 TEC의 활성화/비활성화, 제1 개별 TEC의 입력 전류, 및/또는 제1 개별 TEC의 듀티 사이클; (2) 제2 개별 TEC의 활성화/비활성화, 제2 개별 TEC의 입력 전류, 및/또는 제2 개별 TEC의 듀티 사이클; 및 (3) 2개 TEC 그룹의 활성화/비활성화, 2개 TEC 그룹의 입력 전류, 및/또는 2개 TEC 그룹의 듀티 사이클을 별개로 그리고 선택적으로 제어하도록 가능으로 될 수 있다. TEC의 여러 다른 서브세트의 이러한 별개의 선택적 제어를 사용하여, 컨트롤러(106)는 바람직하게는 열전 냉장 시스템(100)의 효율을 강화하도록 TEC를 제어한다. 예를 들어, 컨트롤러(106)는, 냉각 챔버(102)가 설정점 온도에 또는 사전 정의된 정상 상태 온도 범위 내에 있을 때와 같이, 정상 상태 모드에서 동작하고 있을 때 효율을 최대화하도록 TEC를 제어할 수 있다. 그렇지만, 풀 다운 또는 회복 동안, 컨트롤러(106)는, 예를 들어, 냉각 챔버(102)로부터의 열 추출을 최대화하는 것, 풀 다운/회복 시간과 효율 간 절충점을 제공하는 것 등과 같은 소망의 성능을 달성하도록 TEC를 제어할 수 있다.
도 2 및 도 3의 선행하는 논의는 단일 카트리지(112) 상의 여러 다른 TEC의 선택적 제어를 가능하게 하는 실시예를 설명하고 있기는 하지만, 하나 이상의 열 교환기 어셈블리의 짝 표면들 간(예를 들어, 제1 가열(방열)측 열 교환기와 짝인 제1 냉각(흡열)측 열 교환기 간, 또는 각각의 제1 및 제2 가열(방열)측 열 교환기와 짝인 제1 및 제2 냉각(흡열)측 열 교환기 간)에 배열될 수 있는, 별개의 카트리지(예를 들어, 각각 하나 이상의 TEC를 가짐) 또는 다른 기판 상에 배치될 수 있는 다수의 TEC를 제어하도록 유사한 원리가 사용될 수 있다고 인식되는 것이다.
앞서 논의된 바와 같이, 도 3과 연관하여 설명된 열전 냉장 시스템(100)은, 서모사이펀 또는 히트파이프를 각각 포함할 수 있는, 수동 흡열 서브시스템 및 수동 방열 시스템을 이용할 수 있다. 그러한 수동 서브시스템은 유익하게도 움직이는 부분이 없고 그래서 고도로 신뢰할만하고, 또한 조용하게 동작할 수 있다. 그렇지만, 수동 흡열 및 수동 방열 서브시스템은 높은 열 부하의 기간(예를 들어, 과도 조건) 동안 가용 표면적의 부족으로 시달릴 수 있고, 수동 방열 서브시스템은 높은 온도 방열 조건 동안 가용 표면적의 부족으로 시달릴 수 있다 - 그러나 그러한 서브시스템은 정상 상태 조건 동안 완벽히 충분한 열 전달 유틸리티를 제공할 수 있다.
냉각 챔버 또는 표면에 사용될 수 있는 수동 흡열 및/또는 수동 방열 서브시스템의 한계를 극복하기 위해, 그러한 서브시스템은 본 발명의 소정 실시예에 따라 적어도 하나의 선택적으로 동작 가능한 강제 대류 스테이지로 증강될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 강제 대류 유닛은 하나 이상의 팬, 블로워, 이덕터, 또는 다른 드래프트 유발 부재를 포함할 수 있다. 여기에 개시된 소정 실시예가 팬의 사용을 언급하고는 있지만, 팬은 단지 강제 대류 유닛의 하나의 유형을 표현할 뿐이고, 팬을 포함하든 또는 그 대신이든, 어느 적합한 유형의 강제 대류 유닛이라도 채용될 수 있다고 인식되는 것이다. 높은 열 부하 조건 및/또는 높은 온도 방열 조건 동안에만 에너지를 공급받는 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 이용함으로써, 흡열 및/또는 방열 서브시스템은, 정규(예를 들어, 정상 상태) 동작 조건 동안 완전 수동 열 수송의 이점을 유지하면서, 과도의 높은 열 부하 취급 능력을 가능하게 하기에 충분한 용량을 제공할 수 있다.
소정 실시예에 있어서, 강제 대류 부스트 스테이지는 챔버 또는 표면을 냉각하는데 사용될 수 있는 수동 단상 방열 시스템 또는 흡열 시스템을 증강하도록 사용될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 강제 대류 부스트 스테이지는 챔버 또는 표면을 냉각하는데 사용될 수 있는 수동 2-상 방열 시스템 또는 흡열 시스템을 증강하도록 사용될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 열 수송 시스템의 방열측 및/또는 흡열측에서 적어도 하나의 열 교환기에 근접하여 배열될 수 있다.
소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 높은 열 부하 기간(예를 들어, 풀 다운 또는 회복과 같은 과도 조건) 및/또는 높은 온도 방열 조건 동안 동작되지만, 수동 열 수송 서브시스템(들)이 바람직하게는 열이 냉각될 표면 또는 챔버로부터 흡열되기에 그리고/또는 열이 주변 환경으로 방열되기에 충분할 때 정규 조건(예를 들어, 정상 상태 열 부하 및 전형적 주변 환경 조건을 포함함) 동안에는 동작되지 않는다. 초기 냉각 동안, 높은 주변 조건에서 또는 비정상 내부 부하에 응답하여, 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 일차적 수동 수송 시스템을 조력하여 비정상 조건을 제거 또는 경감하도록 에너지를 공급받을 수 있다. 표준 환경 조건에서의 정규 동작 동안, 강제 대류 유닛(들)은 완전히 에너지 공급해제되고, 그로써 완전 수동 동작이 가능하고 강제 대류 유닛(들)의 동작에 태생적인 전력 소비 및 잡음을 회피할 것이다. 그리하여, 바람직한 실시예에 있어서, 일차적 수동 열 수송 서브시스템은 바람직하게는 모든 조건에서 동작 부하를 취급하기에 충분한 반면, 하나 이상의 강제 대류 유닛은 소망될 때 성능 부스트를 제공하도록 이차적 서브시스템으로서 선택적으로 동작 가능하지만, 강제 대류 유닛(들)은 기본 시스템 성능에는 요구되지 않고 그래서 전반적 시스템 신뢰도에는 영향을 미치지 않을 것이다.
실내 및 실외 강제 대류 유닛이 여기에서 설명되고는 있지만, 소정 실시예는 실내 강제 대류만을 또는 실외 강제 대류만을 이용할 수 있다. 소정 실시예에서는, 다수의 실내 강제 대류 유닛 및/또는 다수의 실외 강제 대류 유닛이 제공될 수 있다. 소정 실시예에서는, 다수의 실내 팬 및/또는 다수의 실외 팬이 제공될 수 있고, 열 요구 또는 다른 요건을 충족하도록 필요에 따라 유사하게 위치한 팬이 함께 동작되거나 순차적으로 동작될 수 있게 하도록 독립적으로 제어가능할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 하나 이상의 강제 대류 유닛은 대류 흐름이 요구 및/또는 전력 또는 잡음 제한에 의존하여 달라지게 할 수 있기 위해 멀티-스테이지 또는 가변 속도 컨트롤러로 제어될 수 있다.
소정 실시예에 있어서, 컨트롤러는 (i) 열 수송 시스템을 포함하고 있는 주변 환경의 온도, 및 (ii) 냉각될 챔버 또는 표면의 온도 중 적어도 하나를 나타내는 온도 데이터를 수신한다. 컨트롤러는 이하의 상태: 챔버 또는 표면의 온도가 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 포함하는 정상 상태 온도 범위를 초과하는 것, 및 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하는 것 중 적어도 하나를 나타내는 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화한다. 컨트롤러는 이하의 상태: 챔버 또는 표면의 온도가 정상 상태 온도 범위 내에 있는 것, 및/또는 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위 아래에 있는 것 중 적어도 하나를 나타내는 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 비활성화한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 유체-함유 도관 또는 루프(214)와 열 연통하고 있는 열 교환기(208)의 냉각을 강화하도록 배열된 강제 대류 유닛(예를 들어, 팬)(221)을 포함하는 열 수송 시스템(200)의 적어도 일부의 사시도이다. 열 수송 시스템(200)은 바람직하게는 열전 냉각 시스템의 일부분으로서 사용될 수 있지만, 열전 냉각 부재와의 사용으로 한정되지는 않는다. 유체-함유 도관 또는 루프(214)는 바람직하게는 열 전달 유체의 수동 이동을 위해 배열되고, 서모사이펀 또는 히트파이프를 구체화할 수 있다. 열 전달 유체의 부가를 허용하도록 유체-함유 도관 또는 루프(214)와 유체 연통하고 있는 피팅(fitting)(209)이 제공될 수 있다. 열 수송 시스템(200)은, 냉각될 표면 또는 챔버와 열 연통하여, 열 교환기(208)의 표면을 놓는 것에 의해, 또는 유체-함유 도관 또는 루프(214)의 일부를 놓는 것에 의해서와 같이, 냉각될 적어도 하나의 표면 또는 챔버(도시되지 않음)와 열 연통하여 배열될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 열 교환기(208)는 여기에서 앞서 설명된 바와 같이 적어도 하나의 TEC 또는 열전 카트리지(도시되지 않음)와 전도성 열 연통하여 배열될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 유체-함유 도관 또는 루프(214) 및 열 교환기(208)는 냉장 또는 냉각 시스템의 흡열(냉각)측 상에서 이용될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 유체-함유 도관 또는 루프(214) 및 열 교환기(208)는 냉장 또는 냉각 시스템의 방열(가열)측 상에서 이용될 수 있으며, 열 교환기(208)는 주변 환경으로 열을 방산하도록 히트 싱크로서 역할한다. 바람직한 실시예에 있어서, 강제 대류 유닛(221)은 높은 열-부하 조건 및/또는 높은 온도 방열 조건 동안에만 동작되도록 선택적으로 동작 가능하고, 강제 대류 유닛(221)은, 유체-함유 도관 또는 루프(214) 및 열 교환기(208)가 강제 대류를 통하여 강화된 열 수송에 대한 필요 없이 수동으로 동작될 때, 정상 상태 및/또는 정규 주변 조건 동안 에너지 공급해제된다. 덜 바람직한 실시예에 있어서, 유체-함유 도관 또는 루프(214) 내 유체의 흐름은 펌프 또는 다른 유체 가압 부재(도시되지 않음)로 증강되거나 그에 의해 유발될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 유체-함유 도관 또는 루프(264)에 의해 열 교환기(258)와 열 연통하고 있는 유체-함유 핀형 히트 싱크(277)의 냉각을 강화하도록 배열된 선택적으로 동작 가능한 강제 대류 유닛(271)을 포함하는 열 수송 시스템(250)의 적어도 일부의 사시도이다. 열 수송 시스템(250)은 바람직하게는 열전 냉각 시스템의 일부분으로서 사용될 수 있지만, 열전 냉각 부재와의 사용으로 한정되지는 않는다. 유체-함유 도관 또는 루프(264)는 바람직하게는 열 전달 유체의 수동 이동을 위해 배열되고, 서모사이펀 또는 히트파이프를 구체화할 수 있다. 열 전달 유체의 부가를 허용하도록 유체-함유 도관 또는 루프(264)와 유체 연통하고 있는 피팅(259)이 제공될 수 있다. 열 수송 시스템(250)은, 냉각될 표면 또는 챔버와 열 연통하여, 열 교환기(258)의 표면을 놓는 것에 의해, 또는 유체-함유 도관 또는 루프(264)의 일부를 놓는 것에 의해서와 같이, 냉각될 적어도 하나의 표면 또는 챔버(도시되지 않음)와 열 연통하여 배열될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 열 교환기(258)는 여기에서 앞서 설명된 바와 같이 적어도 하나의 TEC 또는 열전 카트리지(도시되지 않음)와 전도성 열 연통하여 배열될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 유체-함유 도관 또는 루프(264) 및 열 교환기(258)는 냉장 또는 냉각 시스템의 흡열(냉각)측 상에서 이용될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 유체-함유 도관 또는 루프(264) 및 열 교환기(258)는 냉장 또는 냉각 시스템의 방열(가열)측 상에서 이용될 수 있으며, 유체-함유 핀형 히트 싱크(277)는 주변 환경으로 열을 방산하도록 역할한다. 바람직한 실시예에 있어서, 강제 대류 유닛(271)은 높은 열-부하 조건 및/또는 높은 온도 방열 조건 동안에만 동작되도록 선택적으로 동작 가능하고, 강제 대류 유닛(271)은, 유체-함유 도관 또는 루프(264), 열 교환기(258) 및 핀형 히트 싱크(277)가 강제 대류를 통하여 강화된 열 수송에 대한 필요 없이 수동으로 동작될 때, 정상 상태 및/또는 정규 주변 조건 동안 에너지 공급해제된다. 덜 바람직한 실시예에 있어서, 유체-함유 루프(264) 내 유체의 흐름은 펌프 또는 다른 유체 가압 부재(도시되지 않음)로 증강되거나 그에 의해 유발될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)을 예시하고 있다. 냉각 또는 냉장 시스템(300)은, 외벽(301) 또는 외피에 의해 둘러싸여 있는, 내벽(303)에 의해 경계지어지는 냉각 챔버(302)를 포함한다. 내벽(303)과 외벽(301) 간에는 단열(도시되지 않음)이 제공되는 것이 바람직하다. 일차적 흡열 루프 또는 도관(308)은, 내벽(303)과 접촉하거나 내벽(303)의 표면 상에 직접 통합되어 있는 것에 의해서와 같이, 냉각 챔버(302)와 열 연통하여 배열된다. 이차적 흡열 루프 또는 도관(309)은 선택사항으로서는 냉각 챔버(302) 내에 배치된 실내 강제 대류 유닛(311)으로부터의 공기를 수용하도록 배열된 (핀(305)을 포함할 수 있는) 적어도 하나의 흡열측 열 교환기(307)를 포함할 수 있다. 실내 강제 대류 유닛(311)은, 풀 다운 또는 회복 동안 바람직할 수 있는 것과 같이, 이차적 흡열 루프 또는 도관(309)으로 냉각 챔버(302)로부터의 열의 전달을 강화하도록 선택적으로 동작될 수 있지만, 실내 강제 대류 유닛(311)은 정상 상태 조건 동안 에너지 공급해제될 수 있다. 실내 강제 대류 유닛(311)은 대안으로는(또는 부가적으로는), 냉각 챔버(302) 또는 내벽(303)과 열 연통하고 있는 다수의 온도 센서(도시되지 않음)에 의해 검출될 수 있는 것과 같이, 냉각 챔버(302) 내 온도의 성층화를 감축하도록 동작될 수 있다. 흡열 루프 또는 도관(308, 309)은 냉각(흡열)측 열 교환기(310)와 접촉하여 배열된다.
도 6을 계속 참조하면, 열전 열 교환 어셈블리는 냉각(흡열)측 열 교환기(310), TEC를 편입하고 있는 적어도 하나의 열전 카트리지(312), 및 가열(방열)측 열 교환기(314)를 포함한다. 가열(방열)측 열 교환기(314)는 다수의 핀 어레이(317A, 317B)를 포함하는 가열(방열)측 히트 싱크(315)에 열을 방산하도록 배열된 유체-함유 도관 또는 루프(316A, 316C)(각각은 열 전달 유체의 수동 이동을 위해 배열되는 것이 바람직하고, 서모사이펀 또는 히트파이프에서 구체화될 수 있음)와 열 연통하고 있다. 가열(방열)측 히트 싱크(315) 내에서, 제1 유체-함유 루프 또는 도관(316A)은 제1 핀 어레이(317A)와 전도성 열 연통하고 있고, 제2 유체-함유 루프 또는 도관(316B)은 제2 핀 어레이(317B)와 전도성 열 연통하고 있다. 적어도 하나의 실외 강제 대류 유닛(321)은 가열(방열)측 히트 싱크(315)로부터의 열의 방산을 강화하도록 배열된다. 실외 강제 대류 유닛(321)은, 풀 다운 또는 회복 및/또는 비정상적으로 높은 방열 온도 조건 동안 바람직할 수 있는 것과 같이, 주변 환경으로 가열(방열)측 히트 싱크(315)로부터의 열의 전달을 강화하도록 선택적으로 동작될 수 있지만, 실외 강제 대류 유닛(321)은 정상 상태 조건 동안 에너지 공급해제될 수 있다. 열전 카트리지(312) 및 강제 대류 유닛(311, 321)은 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)과 연관된 컨트롤러(306)에 의해 제어된다. 도 6이 (예를 들어, 냉각(흡열)측 열 교환기(310), TEC를 편입하고 있는 적어도 하나의 열전 카트리지(312), 및 가열(방열)측 열 교환기(314)를 포함하는) 단일의 열전 열 교환 어셈블리, 단일의 가열(방열)측 히트 싱크(315), 단일의 실내 강제 대류 유닛(311), 및 단일의 실외 강제 대류 유닛(321)을 예시하고는 있지만, 증가된 냉각 용량, 그 여러 다른 냉각 챔버 또는 구역(또는 부분)의 별개의 제어를 제공하고 그리고/또는 신뢰도를 강화하기 위해서와 같이, 소정 실시예에서는 상기 어셈블리 또는 컴포넌트 중 2개 이상이 제공될 수 있음을 인식해야 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 시스템(300)과 같은 열전 냉각 또는 냉장 시스템의 전력, 센서, 제어 및 사용자 인터페이스 컴포넌트 간 상호접속을 예시하고 있는 도식적 선도이다. 도 6에 도시된 컨트롤러(306) 및 열전 카트리지(312)에 부가하여, 도 7은 열전 냉각 또는 냉장 시스템이 사용자 인터페이스(376), 전력원(378), 부속(ACC)(380), 전력 전자장치(382), 온도 센서(354-356) 및 팬(또는 다른 강제 대류 유닛)(311, 321)을 포함할 수 있음을 예시하고 있다. 사용자 인터페이스(376)는 사용자가, 냉각 챔버(302)의 적어도 하나의 설정점 온도를 포함하는, 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)과 연관된 다양한 제어 파라미터를 입력할 수 있게 한다. 소정 실시예에 있어서, 입력 제어 파라미터는 부가적으로는 온도의 정상 상태 범위에 대한 값을 포함할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 사용자 인터페이스(376)는 부가적으로는 열전 냉장 시스템의 사용자 또는 제조자가 가열(방열)측 열 교환기(314)에 대한 최대 허용가능한 온도, ICOPmax 및 Imax와 연관된 전류 값, 및/또는 다른 파라미터를 정의 가능하게 할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 일부 또는 모든 제어 파라미터는 컨트롤러(306) 내에 프로그래밍 또는 하드-코딩될 수 있다.
전력원(378)은 컨트롤러(306), 부속(380) 및 전력 전자장치(382)에 전기 전력을 제공한다. 부속(380)은 확장된 능력을 위해 통신 모듈 및/또는 챔버 라이트를 포함할 수 있다. 부속(380)이 통신 모듈인 일 실시예에 있어서, 부속(380)은, 국한되는 것은 아니지만: 셀룰러 전화기, 원격에 위치하는 컴퓨팅 디바이스, 또는 또한 다른 가전 및 열전 냉각 또는 냉장 시스템과 같은 원격 디바이스와 통신할 수 있다. 부속(380)이 셀룰러 전화기 또는 원격에 위치하는 컴퓨팅 디바이스와 통신하는 일 실시예에 있어서, 부속(380)은 냉각 챔버(302) 및 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)의 동작 파라미터(예를 들어, 온도 데이터)를 원격 디바이스 또는 엔티티에 제공할 수 있다. 부속(380)이 다른 열전 냉장 시스템과 통신하는 일 실시예에 있어서, 부속(380)은, 설정점 온도, 설정점 온도의 상위 및 하위 임계치, 냉각 챔버(302)의 최대 허용가능한 온도, 가열(방열)측 열 교환기(314)의 최대 허용가능한 온도 등과 같은, 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)의 동작 파라미터를 다른 열전 냉장 시스템에 통신할 수 있다.
전력 전자장치(382)는 일반적으로는 컨트롤러(306)로부터의 제어 신호에 응답하여 열전 카트리지(312) 및 TEC(320)에 전류를 제공하도록 동작한다. 소정 실시예에 있어서, 전력 전자장치(382)는 TEC(320)의 여러 다른 서브세트에 전류를 독립적으로 제공할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, TEC(320)의 여러 다른 서브세트의 듀티 사이클도 제어된다. 이러한 경우에 있어서, 전력 전자장치(382)는 TEC(320)의 여러 다른 서브세트의 듀티 사이클이 제어될 수 있게 하는 펄스 폭 변조 기능을 제공할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(306)는 온도 센서(354 내지 356)로부터 온도 데이터를 수신하도록 배열되되, 온도 데이터는: 제1 온도 센서(354)에 의해 감지된 냉각 챔버(302)의 온도(TCH), 제2 온도 센서(355)에 의해 감지된 주변 환경의 온도(TAmb), 및 제3 온도 센서(356)에 의해 감지된 가열(방열)측 열 교환기(314)의(또는 가열(방열)측 히트 싱크(315)의) 온도(TR) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 온도 데이터에 기반하여, 컨트롤러(306)는 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)의 현재 동작 모드를 결정한다. 도 7에 예시된 바와 같이, 소정 실시예에 따른 잠재적 동작 모드는 풀 다운 모드(358), 정상 상태 모드(360), 초과 온도 모드(362) 및 회복 모드(363)를 포함한다. 풀 다운 모드(358)는 일반적으로는 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)이 처음에 파워 온 되고 냉각 챔버(302) 내 온도를 감축(또는 '풀 다운')할 필요가 있을 때 일어난다. 정상 상태 모드(360)는 냉각 챔버(302)의 온도가 소망의 설정점 온도에 또는 그 가까이에 있을 때 일어난다. 특히, 냉각 챔버(302)의 온도가 설정점 온도를 포함하는 사전 정의된 정상 상태 범위(예를 들어, 냉각 챔버(302)의 설정점 온도±2도) 내에 있을 때 냉각 챔버(302)의 온도는 소망의 설정점 온도에 또는 그 가까이에 있다. 초과 온도 모드(362)는, 주변 온도 조건이 정규 범위를 초과할 때 및/또는 냉각 챔버(302)가 적절히 냉각되지 않을 때(예를 들어, 냉각 챔버(302)로의 문이 닫히지 않은 경우) 일어날 수 있는 것과 같이, 가열(방열)측 열 교환기(314)가 사전 정의된 최대 허용가능한 온도 위에 있을 때 검출될 수 있다. 초과 온도 모드(362)는 그동안 실외 팬(들)(321)이 TEC(320)를 손상으로부터 보호하기 위해 TEC(320)의 가열측 온도를 감축하도록 가열(방열)측 열 교환기(314)의 온도를 감축하려고 추구하기 위해 가열(방열)측 히트 싱크(315)로부터 주변 환경으로의 열 전달을 강화하도록 활성화되는 안전 모드이다. 실외 팬(들)(321)의 동작이 가열(방열)측 열 교환기(314)에서의(그리고 TEC(320)의 가열측에서의) 온도를 감축하기에 충분하지 않으면, 그때 TEC로의 전류의 공급은 손상을 방지하도록 TEC(320)로 입력되는 열을 감축하기 위해 제한될 수 있다. 마지막으로, 회복 모드(363)는 냉각 챔버(302)의 온도가, 예를 들어, 냉각 챔버(302)로의 열 누설, 냉각 챔버(302)의 문 열기 등에 기인하여 정상 상태 범위 밖으로 증가할 때이다.
본 발명의 소정 실시예에 따른 (도 7에 묘사된 바와 같이) 여러 다른 모드(358, 360, 362, 363)에서의 컨트롤러(306)의 동작은 도 8에 예시되어 있다. 풀 다운 모드(358)에서 동작할 때, 컨트롤러(306)는 소망의 성능 프로파일이 좌우하는 바와 같이 TEC(320) 전부가 (ICOPmax와 Imax 사이의 전류에 대응하여) QCOPmax와 Qmax 사이의 전력 레벨에서 동작하게 되도록 적어도 하나의 카트리지(312)와 연관된 TEC(320) 전부로의 전류를 제어하고, 팬(또는 다른 강제 대류 유닛)(311, 321) 중 하나 또는 둘 다는 대류 열 전달을 강화하도록 동작된다. 컨트롤러(306)는, 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)이 처음에 구입될 때 또는 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)이 전력원으로부터 접속해제되게 된 후 파워 온 된 후에와 같이, 예를 들어, 처음 파워 온되는 것에 기반하여 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)이 풀 다운 모드(358)에 있을 때를 결정한다. 컨트롤러(306)는, 블록(366)을 참조하여 도시된 바와 같이, 냉각 챔버(302)의 온도가 설정점 온도까지 또는 설정점 온도의 허용가능한 범위 내로 풀 다운 될 때까지 TEC(320) 전부를 QCOPmax와 Qmax 사이의 전력 레벨로 유지하고 팬(311, 321)을 동작하고 있게 유지한다. 냉각 챔버(302)가 설정점 온도까지 풀 다운되고 나면, 컨트롤러(306)는 팬(311, 321)을 비활성화하고 전류(ICOPmax)가 모든 동작하고 있는 TEC(320)에 제공되게 야기함으로써 TEC(320) 전부가 QCOPmax에서 동작하게 되도록 TEC(320)의 동작을 제어한다. 또한, 컨트롤러(306)는 활성이거나 냉각 챔버(302)가 설정점 온도까지 풀 다운되고 나면 활성화되게 되는 TEC(320)의 수를 감축할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 온도 데이터에 기반하여, 컨트롤러(306)는 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)이 정상 상태 모드(360)에 있을 때(즉, 냉각 챔버(302)의 온도가 설정점 온도와 같거나 설정점 온도의 미리 결정된 범위 내에 있을 때)를 결정한다. 정상 상태 모드(360)에 있을 때, 컨트롤러(306)는 바람직하게는 동작하고 있었을 수 있는 어느 팬(311, 321)이라도 비활성화하고, 요구에 의해 좌우되는 바와 같이 QCOPmax에서 TEC(320)의 필요한 수를 동작시킨다. 정상 상태 조건 하에서, 수동 열 수송은 바람직하게는 냉각될 표면 또는 챔버로부터 열이 받아들여지기에 그리고/또는 팬(311, 321)에 의한 강제 대류의 필요 없이 주변 환경으로 열이 방열되기에 충분하다. 소정 실시예에서는, TEC(320) 전부가 정상 상태 모드(360)에서 QCOPmax에서 동작될 수 있다. 정상 상태 모드(360) 동안, 블록(367)을 참조하여 도시된 바와 같이 QCOPmax > Qleak이면, 그때 냉각 챔버(302)의 온도는 계속 감소할 것이다. 이러한 경우에 있어서, 컨트롤러(306)는 블록(368)을 참조하여 도시된 바와 같이 활성화된 TEC(320)의 듀티 사이클을 감축할 수 있다. 반대로, 블록(369)을 참조하여 도시된 바와 같이 QCOPmax < Qleak이면, 그때 냉각 챔버(302)의 온도는 증가할 것이다. 이러한 경우에 있어서, 컨트롤러(306)는 블록(370)을 참조하여 도시된 바와 같이 활성 TEC(320)의 수를 증가시키고 활성 TEC(320)에 제공되는 전류를 ICOPmax와 Imax 사이의 값으로 조절할 수 있다. 이러한 맥락에서, Qleak는, 냉각 챔버(302)의 문의 시일을 통과하는 열, 냉각 챔버(302)를 둘러싸고 있는 벽을 통한 열 전도 등과 같은, 냉각 챔버(302)로의 열 누설의 양을 지칭한다.
위에서 언급된 바와 같이, 컨트롤러(306)는 제2 온도 센서(355)(TAmb에 대응함) 및 제3 온도 센서(356)(TR에 대응함) 중 하나 이상으로부터의 온도 데이터에 기반하여 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)이 초과 온도 모드(362)에 있는지 결정한다. 초과 온도 모드(362)는, 주변 온도 조건이 정규 범위를 초과할 때 및/또는 냉각 챔버(302)가 적절히 냉각되지 않을 때(예를 들어, 냉각 챔버(302)로의 문이 닫히지 않은 경우) 일어날 수 있는 것과 같이, 가열(방열)측 열 교환기(314)가 사전 정의된 최대 허용가능한 온도 위에 있을 때 검출될 수 있다. 블록(371)을 참조하면, 초과 온도 모드(362)가 검출될 때, 실외 팬(들)(321)은 TEC(320)를 손상으로부터 보호하기 위해 가열(방열)측 열 교환기(314)의 방열측의 온도를 감축하려고 추구하기 위해 가열(방열)측 히트 싱크(315)로부터 주변 환경으로의 열 전달을 강화하도록 활성화된다. 블록(372)을 참조하면, 실외 팬(들)(321)의 동작이 가열(방열)측 열 교환기(314)에서의(그리고 TEC(320)의 가열측에서의) 온도를 감축하기에 충분하지 않으면, 그때 컨트롤러(306)는 손상을 방지하기 위해 TEC(320)에 제공되고 있는 전류를 감축함으로써 또는 냉각을 용이하게 하고 있는 TEC(320) 중 일부 또는 전부로의 전류를 감축 또는 비활성화함으로써 가열(방열)측 열 교환기(314)에서의 온도를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, TEC(320) 전부가, QCOPmax에서든 Qmax에서든, 동작하고 있으면, 그때 컨트롤러(306)는 TEC(320) 중 하나 이상 또는 바람직하게는 TEC(320) 전부를 비활성화할 수 있다. 다른 일례로서, TEC(320)의 2개의 서브세트가 Qmax에서 동작하고 있으면, 그때 컨트롤러(306)는 TEC(320)의 하나의 서브세트만이 Qmax에서 동작하고 냉각 챔버(302)로부터의 열 추출을 용이하게 하고 있도록 TEC의 다른 서브세트를 비활성화할 수 있다. 다른 일례에 있어서, TEC(320)의 하나의 서브세트가 QCOPmax에서 동작하고 있으면, 컨트롤러(306)는 열전 카트리지(312)에 해를 끼치지 않고 가능한 설정점 온도에 가깝게 냉각 챔버(302)의 온도를 유지하기 위해 TEC(320)의 활성 서브세트를 비활성화하고 그 후 TEC(320)의 이전 비활성 세트를 활성화할 수 있다. 컨트롤러(306)는 가열(방열)측 열 교환기(314)의 온도가 최대 허용가능한 온도를 초과한다고 결정하는 것에 응답하여 어떠한 수의 활성 TEC(320)라도 비활성화하고 어떠한 수의 비활성 TEC(320)라도 활성화할 수 있음을 주목해야 한다.
위에서 언급된 바와 같이, 가열(방열)측 열 교환기(314)의 온도가 미리 결정된 최대 허용가능한 온도를 초과한다고 컨트롤러(306)가 결정하면, 컨트롤러(306)는 TEC(320) 중 일부 또는 전부를 비활성화하는 것에 부가하여 또는 그 대안으로서 일부 또는 모든 동작하고 있는 TEC(320)에 제공되고 있는 전류를 감축할 수 있다. 이러한 기능성을 더 예시하기 위해, TEC(320) 전부가, QCOPmax에서든 Qmax에서든, 동작하고 있으면, 컨트롤러(306)는 TEC(320)의 각각에 제공되고 있는 전류의 양을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, TEC(320) 전부가 Qmax에서 동작하고 있으면, 컨트롤러(306)는 전류를 Imax로부터 ICOPmax와 Imax 사이에 있는 값으로 감축할 수 있다. 부가적으로, TEC(320) 전부가 QCOPmax 또는 Qmax에서 동작하고 있으면, 컨트롤러(306)는 가열(방열)측 열 교환기(314)의 온도를 감축하기 위해 TEC(320) 중 일부에 제공되는 전류만을 감축할 수 있다. 추가적 실시예에 있어서, 컨트롤러(306)는 또한 가열(방열)측 열 교환기(314)의 온도가 미리 결정된 최대 허용가능한 온도를 초과하면 TEC(320) 중 일부를 비활성화하고 그리고 동시에 여전히 활성화되어 있는 TEC(320) 중 일부 또는 전부로의 전류를 감소시킬 수 있다.
회복 모드(363)에 있을 때, 블록(373)에 도시된 바와 같이 컨트롤러(306)는 활성 TEC(320)를 QCOPmax에서 동작하고 있는 것으로부터 Qmax에서 동작하고 있는 것으로 스위칭하고 팬(311, 321)을 더 활성화한다. 회복 모드(363)는, 정상 상태 동작 동안, 냉각 챔버(302) 내 온도가 단기간의 시간 내에 설정점 온도 위로 유의미하게 증가하였음을 나타내는 온도 센서(354)로부터의 온도 데이터를 컨트롤러(306)가 수신할 때 일어난다. 구체적으로, 열전 냉각 또는 냉장 시스템(300)은 냉각 챔버(302) 내 온도가 정상 상태 온도 범위의 상위 임계치 위로 증가(예를 들어, 설정점 온도 더하기 소망의 정상 상태 범위의 상위 임계치를 정의하는 소정의 사전 정의된 값 위로 증가)할 때 회복 모드(363)에 들어갈 수 있다. 그러한 동작은 바람직하게는 정상 상태 조건이 획득될 때까지 유지된다.
여러 다른 모드(358, 360, 362, 363)에 대해 도 8에 예시된 제어 블록(366 내지 373)은 단지 예일 뿐임을 주목해야 한다. 컨트롤러(306)가 모드(358, 360, 362, 363)의 각각에서 TEC(320) 및 팬(311, 321)을 제어하는 방식은 특정 구현에 의존하여 달라질 수 있다. 일반적으로, 위에서 논의된 바와 같이, 컨트롤러(306)는 풀 다운 모드(358)에서든 회복 모드(363)에서든 그리고 팬(311, 321)이 활성화될 때 냉각 챔버(302)의 온도를 감축하도록 TEC(320)를 제어한다. 이들 조치가 취해지는 정확한 방식은 달라질 수 있다. 예를 들어, 성능 프로파일이 최소 풀 다운 또는 회복 시간이 소망되는 것이면, 컨트롤러(306)는 팬(311, 321)이 활성이면서 TEC(320) 전부를 Qmax에서 100% 듀티 사이클(항상 온)로 활성화할 수 있다. 반대로, 풀 다운 또는 회복 시간과 효율 간 절충이 소망되면, 컨트롤러(306)는, 예를 들어, QCOPmax와 Qmax 사이의 어느 곳에서라도 또는 100% 듀티 사이클(항상 온)로 QCOPmax에서 TEC(320) 전부를 활성화할 수 있다. 다른 일례에 있어서, 하나 이상의 팬(311, 321)의 속도는 단계적으로 또는 실질적 연속 방식으로 조절될 수 있거나, 또는 유사하게 팬(311, 321)은 컨트롤러(306)로부터 수신된 신호에 따라 순차적으로 동작될 수 있다. 팬(311, 321)의 동작의 조절은 다양한 TEC(320)의 동작의 조절 대신에 또는 그에 부가하여 수행될 수 있다. 정상 상태 모드(360)에 있을 때, 컨트롤러(306)는 일반적으로는 효율적 방식으로 설정점 온도를 유지하도록 동작한다. 예를 들어, 컨트롤러(306)는 부하에 기반하여 QCOPmax에서 TEC(320)의 필요한 수(예를 들어, TEC(320) 전부 또는 TEC(320)의 전부 미만)를 동작시킬 수 있다. TEC(320)의 이러한 미리 결정된 수는 QCOPmax에서 또는 그 가까이에서 동작시킴으로써 설정점 온도를 유지하는데 필요한 TEC(320)의 수이다. TEC(320) 전부가 정상 상태 모드(360) 동안 필요로 되지는 않으면, 그때 필요하지 않은 TEC(320)는 비활성화된다. 컨트롤러(306)는, 예를 들어, 활성화된 TEC(320)가 QCOPmax의 조금 위에서 동작하도록 활성화된 TEC(320)의 입력 전류를 조금 증가시키거나 감소시킴으로써 또는 Qleak를 보상하도록 활성화된 TEC(320)의 듀티 사이클을 증가시키거나 감소시킴으로써 설정점 온도를 정밀하게 유지하도록 활성화된 TEC(320)의 동작을 미세 조율할 수 있다.
소정 실시예에 있어서, 여기에 개시된 바와 같은 열전 냉장 시스템의 하나 이상의 강제 대류 유닛(예를 들어, 팬)은 설정점 온도 및 주변 환경의 온도를 고려하여 컨트롤러에 의해 동작될 수 있다. 일반적으로, 주변 온도가 상승할 때 그리고/또는 매우 낮은 설정점 온도가 선택될 때, 하나 이상의 강제 대류 유닛의 동작은 소망의 설정점이 안전한 방열 온도에서(즉, TEC를 과열시킴이 없이) 유지될 수 있게 하도록 더 바람직하게 된다. 도 9는 열전 냉장 시스템이 팬 조력 모드(강제 대류 있음)로 그리고 수동 모드(강제 대류 없음)로 동작될 수 있는 조건의 일례를 예시하는 수평 막대 그래프이다. 각각의 수평 막대는 소정 범위의 설정점 및 주변 온도를 예시하되, 설정점 온도는 열전 냉장 시스템의 적절한 동작을 위해 주변 온도 미만이어야 한다고 이해된다. 도 9의 가장 아래의 2개의 수평 막대는 주변 온도가 21보다 크지 않거나 25보다 크지 않을 때 및 설정점 온도가 5보다 작지 않을 때, 여기에 개시된 바와 같은 열전 냉장 시스템이 (예를 들어, 적합한 히트 싱크와 함께 서모사이펀 또는 히트파이프를 사용하여) 수동 방열 단독으로 소망의 설정점 온도를 안전하게 획득할 수 있으므로, 팬 조력(즉, 강제 대류)이 필요하지 않음을 예시하고 있다. 그렇지만, 주변 온도가 상승함에 따라, 상황은 바뀐다. 도 9의 제3의 가장 높은 수평 막대는 주변 온도가 32보다 크지 않을 때 그리고 설정점 온도가 12보다 작지 않을 때 팬 조력(예를 들어, 강제 대류)이 필요하지 않고; 그렇지만, 설정점 온도가 5 내지 12의 범위에 있고 주변 온도가 32보다 크지 않을 때 팬 조력(강제 대류)이 필요할 수 있음을 예시하고 있다. 도 9의 가장 위의 수평 막대는 주변 온도가 38보다 크지 않을 때 그리고 설정점 온도가 18보다 작지 않을 때 팬 조력(예를 들어, 강제 대류)이 필요하지 않고; 그렇지만, 설정점 온도가 8 내지 18의 범위에 있고 주변 온도가 38보다 크지 않을 때 팬 조력(강제 대류)이 필요할 수 있음을 더 예시하고 있다. 도 9는 단지 열전 냉장 시스템이 팬 조력 모드(강제 대류 있음)로 그리고 수동 모드(강제 대류 없음)로 동작될 수 있는 조건의 대표적 일례를 표현하고 있을 뿐이고; 다른 조건이 강제 대류가 채용되어야 할 때를 좌우하도록 사용될 수 있음을 주목해야 한다.
선행하는 논의와 일관되게, 소정 실시예에 있어서, 챔버 또는 표면의 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 유지하도록 배열된 열 수송 시스템은: 적어도 하나의 열 교환기; 적어도 하나의 열 교환기와 열 연통하여 열 수송 유체를 포함하고 있는 유체-함유 도관; 적어도 하나의 열 교환기에 대해 대류 열 전달을 강화하도록 선택적으로 동작 가능한 적어도 하나의 강제 대류 유닛; 및 컨트롤러를 포함하는 다수의 부재를 포함할 수 있다. 컨트롤러는: (i) 열 수송 시스템을 포함하고 있는 주변 환경의 온도, 및 (ii) 챔버 또는 표면의 온도 중 적어도 하나를 나타내는 온도 데이터를 수신하고; 이하의 상태 (a) 및 (b): (a) 챔버 또는 표면의 온도가 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 포함하는 정상 상태 온도 범위를 초과하는 것, 및 (b) 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하는 것 중 적어도 하나를 나타내는 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화하고; 그리고 이하의 상태 (I) 및 (II): (I) 챔버 또는 표면의 온도가 정상 상태 온도 범위 내에 있는 것, 및 (II) 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위 아래에 있는 것 중 적어도 하나를 나타내는 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 비활성화하도록 배열될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 강제 대류 유닛은, 바람직하게는 전기적으로 동작될 수 있는, 하나 이상의 팬, 블로워, 이덕터, 또는 다른 드래프트 유발 부재를 포함할 수 있다.
선행하는 단락의 열 수송 시스템에 관하여, 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 열 교환기, 유체 도관, 및 열 수송 유체는 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하지 않을 때 정상 상태 동작 동안 강제 대류 유닛의 동작 없이 챔버 또는 표면의 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 유지하도록 배열된다. 소정 실시예에 있어서, 열 수송 유체는 유체 도관 내에 액체상 및 기체상을 포함할 수 있고, 열 수송 유체는 유체 도관 내에 수동 흐름을 위해 배열된다. 소정 실시예에 있어서, 유체 도관은 유체의 수동 흐름을 용이하게 하도록 서모사이펀 또는 히트파이프를 포함할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 열 수송 유체는 액체를 포함할 수 있고, 열 수송 시스템은 유체 도관 내에 열 수송 유체의 흐름을 유발하거나 증강하도록 배열된 펌프 또는 다른 유체 가압 부재를 포함할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 열 교환기는 주변 환경에 노출된 방열 열 교환기를 포함하고; 그리고 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 방열 열 교환기로부터 주변 환경으로의 열의 방산을 강화하도록 배열된다. 소정 실시예에 있어서, 방열 열 교환기는 복수의 핀을 포함하고, 유체 도관은 복수의 핀과 전도성 열 연통하고 있다.
선행하는 2개의 단락의 열 수송 시스템에 계속 관하여, 소정 실시예에 있어서, 열 수송 시스템은 유체 도관으로부터 열을 입수하고 열을 방열 열 교환기로 수송하도록 배열된 적어도 하나의 열전 열 펌프를 포함할 수 있되, 적어도 하나의 열전 열 펌프는 챔버 또는 표면의 온도에 응답하여 동작된다. 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 열전 열 펌프는 복수의 열전 열 펌프를 포함하고, 컨트롤러는 복수의 열전 열 펌프 중 적어도 2개의 열전 열 펌프를 별개로 제어하도록 배열된다. 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 열 교환기는 챔버 또는 표면과 유체 도관 사이에 배열된 흡열 열 교환기를 포함하고, 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 챔버 또는 표면으로부터 흡열 열 교환기로의 열의 전달을 강화하도록 배열된다. 소정 실시예에 있어서, 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 범위의 주변 환경 임계 온도를 초과하는 상태를 나타내는 조건은 적어도 하나의 열 교환기의 온도를 감지함으로써 검출된다.
본 발명의 소정 실시예는 챔버 또는 표면의 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 유지하도록 열 수송 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이며, 열 수송 시스템은 적어도 하나의 열 교환기, 및 적어도 하나의 열 교환기에 대해 대류 열 전달을 강화하도록 선택적으로 동작 가능한 적어도 하나의 강제 대류 유닛과 열 연통하고 있다. 그러한 방법은: (i) 열 수송 시스템을 포함하고 있는 주변 환경의 온도, 및 (ii) 챔버 또는 표면의 온도 중 적어도 하나를 나타내는 온도 데이터를 수신하는 단계; 이하의 상태 (a) 및 (b): (a) 챔버 또는 표면의 온도가 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 포함하는 정상 상태 온도 범위를 초과하는 것, 및 (b) 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하는 것 중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화하는 단계; 및 이하의 상태 (I) 및 (II): (I) 챔버 또는 표면의 온도가 정상 상태 온도 범위 내에 있는 것, 및 (II) 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위 아래에 있는 것 중 적어도 하나를 나타내는 조건의 검출 시 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 비활성화하는 단계와 같은 다수의 단계를 포함할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 열 수송 유체는 액체를 포함하고, 방법은 유체 도관 내 열 수송 유체를 펌핑하기 위해 펌프(또는 다른 액체 가압 부재)를 사용하는 단계를 더 포함한다. 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 열 교환기는 주변 환경에 노출된 방열 열 교환기를 포함하고; 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 방열 열 교환기로부터 주변 환경으로의 열의 방산을 강화하도록 배열되고; 열 수송 시스템은 유체 도관으로부터 열을 입수하고 열을 방열 열 교환기로 수송하도록 배열된 적어도 하나의 열전 열 펌프를 포함하고; 그리고 방법은 챔버 또는 표면의 온도에 응답하여 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 선택적으로 제어하는 단계를 더 포함한다. 소정 실시예에 있어서, 적어도 하나의 열 교환기는 챔버 또는 표면과 유체 도관 사이에 배열된 흡열 열 교환기를 포함하고; 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 챔버 또는 표면으로부터 흡열 열 교환기로의 열의 전달을 강화하도록 배열되고; 열 수송 시스템은 흡열 열 교환기로부터 열을 입수하도록 배열된 적어도 하나의 열전 열 펌프를 포함하고; 그리고 방법은 챔버 또는 표면의 온도에 응답하여 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 선택적으로 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 부가적 태양은 메인 및 크로스오버 수송 튜브를 통하여 제1 및 제2 방열 열 교환기에 각각 결합된 제1 및 제2 방열 히트 싱크를 포함하는 방열 열 수송 장치에 관한 것이다. 특히, 다수의 방열 히트 싱크는, 메인 및 크로스오버 방열 수송 튜브를 통하여, 다수의 열 교환기와 열 연통하여 배열되고 각각은 복수의 핀을 갖고 각각은 적어도 하나의 다른 열전 열 펌프에 결합된다. 모든 방열 히트 싱크는 열전 열 펌프가 별개로 동작되는지 또는 함께 동작되는지에 무관하게 각각의 열전 열 펌프로부터의 열을 방산하도록 배열된다. 제1 및 제2 히트 싱크를 포함하는 일 실시예에 있어서, 양 히트 싱크는 제1, 제2, 또는 제1 및 제2 열 펌프가 동작하고 있는지에 무관하게 제1 및 제2 열전 열 펌프로부터의 열을 방산하도록 배열된다. 별개의 열 교환기에 전용인 방열 히트 싱크(각각 전용 열전 쿨러를 가짐)의 사용에 비해, 다수의 방열 히트 싱크와 연관된 더 큰 표면적은 열 전달을 강화하고 동작하고 있는 열전 열 펌프(들)에서의 더 낮은 온도를 초래한다.
본 발명에 따른 열 수송 장치의 일 실시예가 도 11 내지 도 12에 예시되는 한편, 도 10은 도 11 내지 도 12의 장치를 비교하기 위한 기반을 제공하는 독립적 제1 및 제2 열 수송 디바이스(각각은 히트 싱크, 열 교환 패드 및 열 수송 도관을 포함함)를 예시한다. 도 11 내지 도 12의 열 수송 장치 및 도 10의 독립적 디바이스를 논의하기 전에, 그러한 부재에 대한 맥락이 아래에서 간략히 소개된다.
관용적 냉장 시스템은 2개의 주요 설계 모드를 갖는다: 높은 사용/풀-다운(에너지 효율보다 높은 전력 입력 및 높은 열 수송 용량을 강조함) 및 정상 상태(에너지 효율을 더 강조하여 더 낮은 전력 입력을 수반함). 열전 냉장 시스템에 있어서, 높은 사용/풀 다운 조건 하의 높은 열 수송을 위한 요건 및 정상 상태 조건 하의 높은 효율을 위한 요건을 충족하는 것은 2개의 별개의 열 펌프(각각은 다수의 TEC를 포함함)를 제공하는 것에 유리한 경향이 있으며, 여기서 하나의 열전 열 펌프는 정상 상태 조건 동안 사용되고, 열전 열 펌프 둘 다는 높은 열 수송 조건 동안 사용된다. 그러한 전통적 설계에 있어서, 각각의 열전 열 펌프는, 서로 다른 열전 열 펌프와 연관된 열 방산 컴포넌트 간 열 연통 없이, 방열하기 위한 그 자신의 전용 열 방산 컴포넌트(예를 들어, 히트 싱크(들))를 갖는다.
도 10은 독립적 제1 및 제2 열 수송 디바이스(415, 415')를 예시하고 있다. 제1 열 수송 디바이스(415)는 제1 열전 냉각 부재(도시되지 않음)의 가열측으로부터 열을 입수하도록 위치결정될 수 있는 제1 열 교환 패드(414), 다수의 핀 어레이(417A, 417B)를 구체화하는 제1 히트 싱크, 및 제1 열 교환 패드(414)로부터의 열을 제1 히트 싱크(즉, 핀 어레이(417A, 417B))로 수송하도록 배열된 열 수송 튜브(416A 내지 416D)를 포함한다. 제2 열 수송 디바이스(415')는 제2 열전 냉각 부재(도시되지 않음)의 가열측으로부터 열을 입수하도록 위치결정될 수 있는 제2 열 교환 패드(414'), 다수의 핀 어레이(417A', 417B')를 구체화하는 제2 히트 싱크, 및 제2 열 교환 패드(414')로부터의 열을 제2 히트 싱크(즉, 핀 어레이(417A', 417B'))로 수송하도록 배열된 열 수송 튜브(416A' 내지 416D')를 포함한다. 제1 열 수송 디바이스(415)의 어느 컴포넌트도 제2 열 수송 디바이스(415')의 어느 컴포넌트와도 전도성 열 연통하고 있지 않다. 제1 및 제2 열 수송 디바이스(415, 415')가, 각각, 제1 및 제2 열전 열 펌프(도시되지 않음)로부터의 열을 입수하도록 배열되고 제1 및 제2 열 펌프가 에너지 공급될 때, 각각의 히트 싱크의 온도는 상당히 균일하며, 온도 차이는 일반적으로는 상부로부터 저부로의 위치에 의존하여 0.5 내지 1.0℃의 범위에 있다. 그렇지만, 하나의 열전 열 펌프만이 에너지 공급될 때, 서로 다른 열전 열 펌프와 연관된 히트 싱크 간 온도 차이는 5 내지 7℃ 이상까지 상승할 수 있다. 도 10의 설계의 또 다른 단점은 열 교환 패드(414, 414')가 바람직할 수 있는 것보다 더 떨어져 이격되는 것이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 수송 장치(515)를 예시하고 있다. 열 수송 장치(515)는, 각각, 열전 냉각 또는 냉장 시스템의 제1 및 제2 열전 열 펌프(도시되지 않음)의 가열측으로부터의 열을 입수하도록 위치결정될 수 있는 제1 및 제2 열 교환 패드(514-1, 514-2)를 포함한다. 제1(상위) 히트 싱크는 메인 열 수송 튜브(516-1A 내지 516-1D)를 통하여 제1 열 교환 패드(514-1)에 결합되는 그리고 또한 크로스오버 열 수송 튜브(518-2A, 518-2B)를 통하여 제2 열 교환 패드(514-2)에 결합되는 다수의 핀 어레이(517-1A, 517-1B)를 포함한다. 제2(하위) 히트 싱크는 메인 열 수송 튜브(516-2A 내지 516-2D)를 통하여 제2 열 교환 패드(514-2)에 결합되는 그리고 또한 크로스오버 열 수송 튜브(518-1A, 518-1B)를 통하여 제1 열 교환 패드(514-1)에 결합되는 다수의 핀 어레이(517-2A, 517-2B)를 포함한다. 선행하는 핀은 바람직하게는 수직으로 배향된다. 각각의 열 수송 튜브는 바람직하게는 열 수송 유체를 포함하고 (예를 들어, 히트파이프 또는 서모사이펀에서 구체화될 수 있는 것과 같이) 수동 열 수송을 위해 배열될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상위 핀 어레이(517-1A, 517-1B)의 각각의 핀은 각각의 어레이 내 다른 핀으로부터 측방으로 떨어져 있고, 각각의 핀 간 공기의 측방 이동 또는 이주를 허용하도록 수직으로 배향된 핀의 면을 통해 뻗어 있는 다수의 홀 또는 개구부(522-1)를 포함하고, 평탄 저부(519-1), 평탄 측면, 및 둥근 부분(523-1) 및 각진 부분(524-1)을 포함하는 일반적 아크-형상 상부를 포함하는 수정된 일반적 직사각형 형상이다. 도 12에 더 도시된 바와 같이, 하위 핀 어레이(517-2A, 517-2B)의 각각의 핀은 각각의 어레이의 다른 핀으로부터 측방으로 떨어져 있고, 각각의 핀 간 공기의 측방 이동 또는 이주를 허용하도록 수직으로 배향된 핀의 면을 통해 뻗어 있는 다수의 홀 또는 개구부(522-2)를 포함하고, 평탄 저부(519-1), 평탄 측면, 및 평탄 상부(525-2)를 포함하는 일반적 직사각형 형상이다. 도 11 및 도 12에 예시된 바와 같이, 일반적으로 수직 방향으로 뻗어 있는 중앙 오목부 또는 골은 (도 15 및 도 16에 예시된 것과 같은) 팬 또는 다른 강제 대류 유닛이 각각의 어레이 사이에 그리고 제1 및 제2 열 교환 패드(514-1, 514-2)에 근접하여 배열될 수 있게 하도록 상위 핀 어레이(517-1A, 517-1B)의 어레이와 하위 핀 어레이(517-2A, 517-2B)의 어레이 사이에 제공된다.
도 11 및 도 12의 열 수송 장치(515)는 열전 열 펌프가 별개로 동작되는지 또는 함께 동작되는지에 무관하게 모든 방열 히트 싱크(어레이(517-1A, 517-1B, 517-2A, 517-2B)를 포함함)가 제1 및 제2 열 교환 패드(514-1, 514-2)와 열 연통하고 있는 각각의 열전 열 펌프(도시되지 않음)로부터의 열을 방산할 수 있게 한다. 도 10에 따른 열 수송 디바이스(415, 415')의 사용에 비해, 제1 및 제2 열 교환 패드(514-1, 514-2) 둘 다와 열 연통하고 있는 다수의 방열 히트 싱크와 연관된 더 큰 표면적은, 특히 단일의 열전 열 펌프만이 동작될 때의 조건 하에서, 열 방산을 강화하고 동작하고 있는 열전 열 펌프에서의 더 낮은 온도를 초래한다. 출원인에 의해 수행된 시험에서, 도 11 및 도 12에 따른 열 수송 장치(515)는 도 10에 따른 2개의 열 수송 디바이스(414, 414')의 사용에 비해 대략 18%의 효율 개선을 제공하는 것으로 나타났다.
선행하는 논의와 일관되게, 소정 실시예에 있어서, 설정점 온도를 유지하도록 배열된 열 수송 장치는: 챔버로부터 열을 입수하도록 배열된 제1 열전 열 펌프와 전도성 열 연통하고 있는 제1 방열 열 교환기; 챔버로부터 열을 입수하도록 배열된 제2 열전 열 펌프와 전도성 열 연통하고 있는 제2 방열 열 교환기; 제1 복수의 핀을 포함하는 제1 방열 히트 싱크; 제2 복수의 핀을 포함하는 제2 방열 히트 싱크; 및 복수의 방열 수송 튜브를 포함하고, 복수의 방열 수송 튜브는: 제1 방열 열 교환기로부터 제1 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제1 메인 방열 수송 튜브; 제1 방열 열 교환기로부터 제2 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제1 크로스오버 방열 수송 튜브; 제2 방열 열 교환기로부터 제2 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제2 메인 방열 수송 튜브; 및 제2 방열 열 교환기로부터 제1 방열 히트 싱크로 열을 수송하도록 배열된 적어도 하나의 제2 크로스오버 방열 수송 튜브를 포함한다.
선행하는 단락의 열 수송 장치에 계속 관하여, 소정 실시예에 있어서, 복수의 방열 수송 튜브의 각각의 방열 수송 튜브는 서모사이펀 또는 히트파이프를 포함한다. 소정 실시예에 있어서, 장치는, 챔버의 온도를 나타내는 온도 데이터를 수신하고, 그리고 온도 데이터에 응답하여 제1 열전 열 펌프 및 제2 열전 열 펌프를 선택적으로 제어하도록 배열된 컨트롤러를 더 포함한다. 소정 실시예에 있어서, 장치는 제1 방열 히트 싱크 및 제2 방열 히트 싱크 중 적어도 하나에 대해 대류 열 전달을 강화하도록 선택적으로 동작 가능한 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 더 포함한다. 소정 실시예에 있어서, 제1 복수의 핀 및 제2 복수의 핀의 각각은 어레이에 배치되는, 각각의 어레이에서의 다른 핀에 대해 측방으로 떨어져 있는, 그리고 복수의 방열 수송 튜브 중 다수의 방열 수송 튜브와 전도성 열 연통하고 있는 수직으로 배향된 핀을 포함한다. 소정 실시예에 있어서, 수직으로 배향된 핀은 수직으로 배향된 핀의 면에 획정된 다수의 개구를 포함한다. 소정 실시예에 있어서, 제1 열전 열 펌프는 제1 복수의 열전 냉각 부재를 포함하고, 제2 열전 열 펌프는 제2 복수의 열전 냉각 부재를 포함한다. 부가적 실시예는 열 수송 장치를 포함하는 열전 냉각 또는 냉장 시스템에 관한 것이다.
도 13은 (도 15 및 도 16에 묘사된 바와 같이 열전 냉장 유닛과 사용될 수 있는 것과 같은) 본 발명의 일 실시예에 따라 열 교환 블록(610), 열 교환 블록(610)에 결합된 제1 및 제2 흡열 루프(608, 609), 및 상호접속 라인(601)을 포함하는 흡열 장치(600)를 예시하고 있다. 도 14는 (알루미늄, 구리 또는 다른 적합한 금속으로 형성될 수 있는) 열 교환 블록(610)의 내부 부재를 예시하고 있다. 열 교환 블록(610)은, 드릴링 또는 다른 적합한 캐비티 형성 수단에 의해 형성되어, 각각의 길이방향 유체 포트(611)의 종점(612)에서 왕관 부분을 산출할 수 있는 4개의 길이방향 유체 포트(611)를 포함한다. 제1 및 제2 흡열 루프(608, 609)의 각각의 단부는 4개의 길이방향 유체 포트(611)에 의해 수용된다. 종점(612) 가까이에서, 상호접속 포트(613)는 길이방향 유체 포트(611)를 통해 측방으로 뻗어 있고 드릴링 또는 다른 적합한 캐비티 형성 수단에 의해 형성될 수 있다. 상호접속 라인(601)은 상호접속 포트(613)에 결합되고, 열 수송 유체가 흡열 루프(608, 609)에 부가(또는 그로부터 제거)될 수 있게 하는 피팅(602A, 602B)에 의해 대향 단부에서 종단된다. 각각의 흡열 루프(608, 609)는 바람직하게는 열 수송 유체의 수동 수송을 위해 배열되고, 서모사이펀 또는 히트파이프를 구체화할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 제1 흡열 루프(608)는 냉각 챔버의 측면을 따라 배열되고, 제2 흡열 루프(609)는 냉각 챔버의 후방벽을 따라 배열될 수 있다.
도 15는 열전 냉장 유닛의 조립 사시도이고, 도 16은 그 조립 다음에 열전 냉장 유닛(700)을 예시하고 있다. 냉각 챔버(702)는 내벽(703)과 문(704)에 의해 경계지어진다. 외벽(701)은 내벽(703)을 둘러싸며, 바람직하게는 단열(도시되지 않음)이 내벽(703)과 외벽(701) 사이에 배열된다. 외벽(701)은 레그 또는 캐스터(790)에 의해 아래로부터 지지되는 박스 또는 캐비넷을 형성할 수 있다. 흡열 루프(708-1, 709-1)는 내벽(703)의 상위 측방 및 상위 후방 부분을 따라 배열되고, 흡열 루프(708-2, 709-2)는 내벽(703)의 하위 측방 및 하위 후방 부분을 따라 배열되어, 냉각 챔버(702)로부터의 열을 입수한다. 각각의 흡열 루프(708-1, 709-1, 708-2, 709-2)는 바람직하게는 (예를 들어, 서모사이펀 또는 히트파이프를 구체화할 수 있는) 열 수송 유체의 수동 수송을 위해 배열된다. 상위 흡열 루프(708-1, 709-1)는, 여기에 설명된 바와 같은 카트리지에 배열될 수 있는 것과 같은, 다수의 TEC를 포함하는 제1 열전 열 펌프(712-1)와 열 연통하여(예를 들어, 맞대어 눌려) 배열된 상위 열 교환 블록(도시되지 않음)에 결합된다. 유사하게, 하위 흡열 루프(708-2, 709-2)는, 여기에 설명된 바와 같은 카트리지에 배열될 수 있는 것과 같은, 다수의 TEC를 포함하는 제2 열전 열 펌프(712-2)와 열 연통하여 배열된 하위 열 교환 블록(도시되지 않음)에 결합된다. 열전 열 펌프(712-1, 712-2)는 후방 표면(771)의 단열 부분(772)을 따라 배열될 수 있다. (도 11 및 도 12에 예시된 바와 같은) 열 수송 장치(515)는 후방 표면(771)의 단열 부분(772)을 따라 배열될 수 있으며, 제1 열 교환 패드(514-1)는 제1 열전 열 펌프(712-1)와 열 연통하여(예를 들어, 맞대어 눌려) 배열되고, 제2 열 교환 패드(514-2)는 제2 열전 열 펌프(712-2)와 열 연통하여 배열된다. 제1 및 제2 팬(721-1, 721-2)은 열 수송 장치(515)의 좌측과 우측 핀 어레이(517-1A, 517-1B, 517-2A, 517-2B) 사이에 일반적 수직 방향으로 뻗어 있는 중앙 오목부 또는 골에 배열될 수 있다. 커버(735)는 열 수송 장치(515) 및 팬(721-1, 721-2) 위에 배열될 수 있다. 커버(735)는 핀 어레이(517-1A, 517-1B, 517-2A, 517-2B)에 접하도록 배열된 측벽(739A, 739B) 및 천공된 면 패널 부분(740A, 740B)을 포함한다. 중앙 패널 부분(736)은 상부 및 저부 중간 벽 부분(738-1)뿐만 아니라 팬(721-1, 721-2) 위에 맞도록 배열된 애퍼처(738-1, 738-2)를 포함한다. 개구부(741A, 741B)는 상위 핀 어레이(517-1A, 517-1B)의 핀의 상부 표면을 노출하도록 그리고 하위 핀 어레이(517-2A, 517-2B)의 핀의 저부 표면을 노출하도록 중간 벽 부분(737)과 측벽(739A, 739B) 사이에 커버(735)의 상부 및 저부 부분을 따라 제공된다.
열전 냉장 유닛(700)의 팬(721-1, 721-2)에 대한 최상의 구성을 결정하기 위해, 25 주변에서 열전 열 펌프로의 ~35W 총 입력 전력으로 시험이 수행되었으며, 팬이 2.4W(12 볼트에서 0.15 암페어)의 입력 전력을 공급받았다. 취입, 취출 및 오프의 개개의 팬의 다양한 조합이 시험되었다. 궁극적으로, (열전 열 펌프로부터 멀리) 바깥으로 취출하는 양 팬을 구성하는 것이 어느 다른 구성보다 더 양호한 결과를 산출하여, 가장 낮은 상부, 저부, 및 평균 가열측 열전 열 펌프 표면 온도를 제공한다고 알게 되었다.
도 15 및 도 16의 열전 냉장 유닛(700)의 동작에 있어서, 열전 열 펌프(712-1, 712-2)가 에너지를 공급받고, 그로써 냉각 챔버(702)로부터의 열을 입수하도록 흡열 루프(708-1, 709-1, 708-2, 709-2)를 냉각한다. 흡열 루프(708-1, 709-1, 708-2, 709-2)에 의해 흡열된 열은 열전 열 펌프(712-1, 712-2)에 수송되고, 주변 환경으로의 (핀 어레이(517-1A, 517-1B, 517-2A, 517-2B)에 의한) 방산을 위해 열 수송 장치(515)에 의해 수용된다. 팬(721-1, 721-2)은 (풀 다운/회복 또는 비정상적으로 높은 주변 온도 조건 동안과 같이) 필요할 때 대류 열 수송을 강화하기 위해 핀 어레이(517-1A, 517-1B, 517-2A, 517-2B)를 가로질러 공기를 끌어들이도록 (여기에서 앞서 설명된 바와 같이) 에너지를 공급받을 수 있지만, 팬(721-1, 721-2)은 수동 열 수송이 바람직하게는 냉각 챔버(702)에서 소망의 설정점 온도를 유지하기에 충분할 때 정상 상태 동작 동안 에너지 공급해제될 수 있다.
당업자는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 개선 및 수정을 인식할 것이다. 모든 그러한 개선 및 수정은 여기에서 개시된 개념 및 뒤따르는 청구범위의 범위 내라고 생각된다. 여기에 개시된 바와 같은 다양한 특징 및 구성요소 중 어느 것이라도 여기에서 달리 나타내지 않는 한 하나 이상의 다른 개시된 특징 및 구성요소와 조합될 수 있다.

Claims (24)

  1. 챔버 또는 표면의 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 유지하도록 배열된 열 수송 시스템으로서, 상기 열 수송 시스템은,
    적어도 하나의 열 교환기;
    상기 적어도 하나의 열 교환기와 열 연통하여 열 수송 유체를 포함하고 있는 유체 도관;
    상기 적어도 하나의 열 교환기에 대해 대류 열 전달을 강화하도록 선택적으로 동작 가능한 적어도 하나의 강제 대류 유닛; 및
    컨트롤러를 포함하되,
    상기 컨트롤러는,
    (i) 상기 열 수송 시스템을 포함하고 있는 주변 환경의 온도, 및 (ii) 상기 챔버 또는 표면의 온도를 나타내는 온도 데이터를 수신하고;
    이하의 상태 (a) 및 (b): (a) 상기 챔버 또는 표면의 온도가 상기 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 포함하는 정상 상태 온도 범위를 초과하는 것, 및 (b) 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하는 것을 나타내는 조건의 검출 시 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화하고; 그리고
    이하의 상태 (I) 및 (II): (I) 상기 챔버 또는 표면의 온도가 상기 정상 상태 온도 범위 내에 있는 것, 및 (II) 주변 환경의 온도가 상기 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위 아래에 있는 것을 나타내는 조건의 검출 시 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 비활성화하도록 배열되고,
    (i) 수신된 상기 열 수송 시스템을 포함하는 주변 환경의 온도와 (ii) 상기 챔버 또는 표면의 온도를 나타내는 상기 온도 데이터에 기초하여, 상기 적어도 하나의 열 교환기에 공급되는 전력을 조절하거나, 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화/비활성화하는, 열 수송 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 수송 유체는 상기 유체 도관 내에 액체상 및 기체상을 포함하고, 상기 유체 도관 내에 수동 흐름을 위해 배열되는, 열 수송 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유체 도관은 서모사이펀 또는 히트파이프를 포함하는, 열 수송 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열 수송 유체는 액체를 포함하고, 상기 열 수송 시스템은 펌프를 포함하는, 열 수송 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 교환기, 상기 유체 도관 및 상기 열 수송 유체는 상기 주변 환경의 상기 온도가 상기 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하지 않을 때 정상 상태 동작 동안 상기 강제 대류 유닛의 동작 없이 상기 챔버 또는 표면의 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 유지하도록 배열되는, 열 수송 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열 교환기는 상기 주변 환경에 노출된 방열 열 교환기(reject heat exchanger)를 포함하고; 그리고
    상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 상기 방열 열 교환기로부터 상기 주변 환경으로의 열의 방산을 강화하도록 배열되는, 열 수송 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 방열 열 교환기는 복수의 핀(fin)을 포함하고, 상기 유체 도관은 상기 복수의 핀과 전도성 열 연통하고 있는, 열 수송 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 열 수송 시스템은 상기 유체 도관으로부터 열을 입수하고 열을 상기 방열 열 교환기로 수송하도록 배열된 적어도 하나의 열전 열 펌프(thermoelectric heat pump)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 열전 열 펌프는 상기 챔버 또는 표면의 온도에 응답하여 동작되는, 열 수송 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열전 열 펌프는 복수의 열전 열 펌프를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 열전 열 펌프 중 적어도 2개의 열전 열 펌프를 별개로 제어하도록 배열되는, 열 수송 시스템.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 교환기는 상기 챔버 또는 표면과 상기 유체 도관 사이에 배열된 흡열 열 교환기(accept heat exchanger)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 상기 챔버 또는 표면으로부터 상기 흡열 열 교환기로의 열의 전달을 강화하도록 배열되는, 열 수송 시스템.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 범위의 주변 환경 임계 온도를 초과하는 상태를 나타내는 조건은 상기 적어도 하나의 열 교환기의 온도를 감지함으로써 검출되는, 열 수송 시스템.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 전기적으로 동작되는 팬을 포함하는, 열 수송 시스템.
  13. 챔버 또는 표면의 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 유지하도록 열 수송 시스템을 제어하는 방법으로서, 상기 열 수송 시스템은 적어도 하나의 열 교환기, 상기 적어도 하나의 열 교환기와 열 연통하여 열 수송 유체를 포함하고 있는 유체 도관, 및 상기 적어도 하나의 열 교환기에 대해 대류 열 전달을 강화하도록 선택적으로 동작 가능한 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 포함하되, 상기 방법은,
    (i) 상기 열 수송 시스템을 포함하고 있는 주변 환경의 온도, 및 (ii) 상기 챔버 또는 표면의 온도를 나타내는 온도 데이터를 수신하는 단계;
    이하의 상태 (a) 및 (b): (a) 상기 챔버 또는 표면의 온도가 상기 설정점 온도 또는 설정점 온도 범위를 포함하는 정상 상태 온도 범위를 초과하는 것, 및 (b) 주변 환경의 온도가 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위를 초과하는 것을 나타내는 조건의 검출 시 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화하는 단계;
    이하의 상태 (I) 및 (II): (I) 상기 챔버 또는 표면의 온도가 상기 정상 상태 온도 범위 내에 있는 것, 및 (II) 주변 환경의 온도가 상기 주변 환경 임계 온도 또는 주변 환경 임계 온도 범위 아래에 있는 것을 나타내는 조건의 검출 시 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 비활성화하는 단계; 및
    (i) 수신된 상기 열 수송 시스템을 포함하는 주변 환경의 온도와 (ii) 상기 챔버 또는 표면의 온도를 나타내는 상기 온도 데이터에 기초하여, 상기 적어도 하나의 열 교환기에 공급되는 전력을 조절하거나, 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 활성화/비활성화하는 단계
    를 포함하는, 열 수송 시스템을 제어하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 열 수송 유체는 액체를 포함하고, 상기 열 수송 시스템은 펌프를 포함하며, 그리고 상기 방법은 상기 유체 도관 내에 상기 열 수송 유체를 더 포함하는, 열 수송 시스템을 제어하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열 교환기는 상기 주변 환경에 노출된 방열 열 교환기를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 상기 방열 열 교환기로부터 상기 주변 환경으로의 열의 방산을 강화하도록 배열되며;
    상기 열 수송 시스템은 상기 유체 도관으로부터 열을 입수하고 열을 상기 방열 열 교환기로 수송하도록 배열된 적어도 하나의 열전 열 펌프를 포함하고; 그리고
    상기 방법은 상기 챔버 또는 표면의 온도에 응답하여 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 선택적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 열 수송 시스템을 제어하는 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열 교환기는 상기 챔버 또는 표면과 상기 유체 도관 사이에 배열된 흡열 열 교환기를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛은 상기 챔버 또는 표면으로부터 상기 흡열 열 교환기로의 열의 전달을 강화하도록 배열되며;
    상기 열 수송 시스템은 상기 흡열 열 교환기로부터 열을 입수하도록 배열된 적어도 하나의 열전 열 펌프를 포함하고; 그리고
    상기 방법은 상기 챔버 또는 표면의 온도에 응답하여 상기 적어도 하나의 강제 대류 유닛을 선택적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 열 수송 시스템을 제어하는 방법.
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