KR102395545B1 - 다이오드에 기초한 열전 디바이스 - Google Patents

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예다 리서치 앤드 디벨럽먼트 캄파니 리미티드
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Abstract

본 발명은 다이오드들에 기초한 열전 디바이스들에 관한 것이다. 본 발명의 디바이스들 및 시스템들은 냉각 디바이스들 또는 냉각 시스템들로서 또는 에너지 수확 디바이스들 또는 에너지 수확 시스템들로서 사용될 수 있다.

Description

다이오드에 기초한 열전 디바이스
본 발명은 다이오드들에 기초한 열전 디바이스들(thermoelectric devices)에 관한 것이다. 본 발명의 디바이스들 및 시스템들은 냉각 디바이스들 또는 냉각 시스템들 또는 에너지 수확 디바이스들 또는 에너지 수확 시스템들로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 열을 완전히 유용한 전기 에너지로 변환하거나(즉, 온도 차이와 관련됨) 또는 냉기로부터 따뜻한 몸체로 열 흐름을 만드는 전기 에너지를 투자하는 반대 프로세스, 즉 냉각과 같은 에너지-변환 디바이스에 상당한 관심이 있다. 두 프로세스들 모두는 분명히 열역학(thermodynamics)에 의해 부과된 제한의 적용을 받는다.
일 실시 예에서, 본 발명은 시스템을 제공하며, 상기 시스템은,
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 상기 다이오드의 상기 제1 단부에 부착된 적어도 하나의 온도계; 및
· 전력 공급원/전류 생성기를 포함한다.
일 실시 예에서, 시스템은,
· 상기 다이오드의 상기 제1 단부에 대한 원하는 온도 값을 수신하고;
· 상기 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
· 상기 다이오드의 상기 제1 단부에서 상기 원하는 온도 값을 달성하기 위해 상기 측정된 온도 값을 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전류 레벨을 결정하고; 및
· 상기 결정된 전압/전류를 인가하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 본 발명은 요소의 온도를 변화시키는 방법을 제공하고, 상기 방법은,
시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 제2 단부에 부착된 온도계; 및
· 전력 공급원/전류 생성기를 포함하는, 상기 시스템을 제공하는 단계;
■ 상기 다이오드의 제1 단부 또는 제2 단부를 상기 요소에 접촉시키는 단계;
■ 상기 다이오드에 전류를 구동시키거나 전압을 인가하여, 상기 다이오드의 제1 단부를 냉각시키고 상기 다이오드의 제2 단부를 가열시켜, 상기 다이오드의 상기 요소 사이에서 열을 전달하여 상기 요소의 온도를 변화시키는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 본 방법은 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 부착된 제2 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 본 방법은 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는,
· 상기 다이오드의 제1 단부에 대한 원하는 온도 값을 수신하고;
· 상기 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
· 상기 다이오드 양단의 상기 원하는 온도 차이를 달성하기 위해 필요한, 상기 측정된 온도 값들로부터 평가된 상기 제1 단부 및 사익 제2 단부 사이의 온도 차이를 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전류 레벨을 결정하고; 그리고
· 상기 결정된 전압/전류를 인가하도록 구성된다.
일 실시 예에서, 본 발명은,
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 히터 또는 냉각 디바이스를 포함하는, 시스템을 제공한다.
일 실시 예에서, 본 시스템은 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 적어도 하나의 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 본 시스템은 전류/전압 측정기를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은,
· 상기 다이오드에 의해 전개될 원하는 전류/전압 값을 수신하고;
· 상기 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부에 대한 측정된 온도 값들을 수신하고;
· 상기 다이오드에 의해 전개될 상기 원하는 전류/전압 값을 달성하기 위해 필요한 상기 다이오드의 상기 두 단부들 사이의 온도 차이를 결정하고; 그리고
· 상기 원하는 전류/전압을 달성하기 위해 상기 다이오드의 상기 제1 또는 제2 단부를 가열 또는 냉각시키도록 구성된, 상기 제어기를 더 포함하는, 방법.
일 실시 예에 있어서, 본 시스템은 부하의 양단에 더 연결된다.
일 실시 예에서, 본 발명은 발전 방법을 제공하며, 상기 방법은,
■ 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은,
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 히터 또는 냉각 디바이스를 포함하는, 상기 시스템을 제공하는 단계;
■ 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부를 가열 또는 냉각시켜, 상기 시스템의 의해 전기를 생성하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 다이오드는 부하의 양단에 연결된다.
일 실시 예에 있어서, 상기 방법은,
■ 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은,
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 히터 또는 냉각 디바이스;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 온도계;
· 전류/전압 측정기;
· 제어기로서,
상기 다이오드에 의해 전개될 원하는 전류/전압 값을 수신하고;
상기 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
상기 원하는 전류/전압 값을 달성하기 위해 필요한 상기 다이오드의 상기 두 단부들 사이의 요구되는 온도 차이를 결정하고; 그리고
상기 전류/전압을 달성하기 위해 상기 다이오드의 상기 제1 또는 상기 제2 단부를 가열 또는 냉각시켜 상기 시스템에 의한 전기를 생성하도록 구성된, 상기 제어기를 포함하는, 상기 시스템을 제공하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 전기를 발생시키는 단계는 상기 다이오드에 의해 전류를 발생시키는 단계를 포함한다. 일 실시 예에서, 전기를 발생시키는 단계는 상기 다이오드에 의해 전압을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명으로 간주되는 주제는 특히 명세서의 종결의 부분에서 특별히 지적되고 명백하게 청구된다. 본 발명의 목적, 특징 및 이점과 함께 구성 및 작동 방법에 관한 본 발명은 첨부 된 도면으로 읽을 때 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있으며, 그 중:
도 1은 정류 다이오드(rectifier diode)의 개략적인 I-V 특성을 도시한다.
도 2는 본 발명의 시스템의 일 실시 예의 원리를 도시한다. 정류기는 주로 왼쪽(c-차가운)에서 오른쪽(h-뜨거운)으로의 전자 흐름을 허용한다. 그것은 역-바이어싱(biasing)된다: 왼쪽의 페르미 레벨(Fermi level)은 오른쪽의 것보다 V>>T만큼 낮다. 왼쪽의 전자들은 n과 p 접촉부 사이의 장벽(의 높이(W F ), 도시되지 않음) 위의 오른쪽 홀들로 이동하여, c를 냉각시킨다. 수송된 각 전자는 차가운 쪽에서 에너지(W F )를 받아 따뜻한 측으로 전달해야 한다. 순방향 화살표는 이 실시 예에서 전자 흐름 방향을 나타낸다.
도 3은 2 단자 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 가로 지르는 열전 냉각(thermoelectric cooling)을 도시한다. 이미지는 실제 실험을 표현한 것이다. 도시된 다양한 요소들은 다음과 같다; 3.1은 본 실시 예에서 두 개의 구리 막대들 사이에 Ag-페인트로 부착된 다이오드이고; 3.2는 △T를 판독하기 위한 열전쌍들(thermocouples)이고; 3.3은 전류 리드들(current leads)이고; 3.4는 △V를 판독하기 위한 전압 프로브들이고; 프로브들은 전압 판독기/미터(미도시)에 부착될 수 있고; 3.5는 외부 히터이며; 3.6은 전력 공급원이다. 열전쌍들은 온도 측정 디바이스(도시되지 않음)에 부착될 수 있다.
도 4는 디바이스를 통과하는 전류의 함수로서 전개된(developed) 온도 차이를 보여 주며, 그래프는 선형 피트(linear fit)로 제시된다.
예시의 단순성 및 명료성을 위해, 도면들에 도시된 요소들은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 일부 요소들의 치수들은 명확성을 위해 다른 요소에 비해 과장될 수 있다. 또한, 적절한 것으로 고려되는 경우, 참조 번호들은 대응하거나 유사한 요소를 나타내기 위해 도면들 사이에서 반복될 수 있다.
이하의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 특정 세부 사항들 없이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 예들에서, 잘 알려진 방법, 절차 및 구성 요소는 본 발명을 모호하게 하지 않도록 상세히 설명되지 않았다.
일 실시 예에서, 본 발명은 요소를 냉각 또는 가열할 수 있는 열전 시스템(thermoelectric system)을 제공한다. 이 시스템은 역방향 또는 순방향 바이어스(V) 하에서 작동되는 적절한 정류기를 기반으로 한다. 정류기는 차가운 단자(cold terminal)(온도 Tc)와 뜨거운 단자(hot terminal)(온도 Th) 사이에서 열을 전달함으로써 냉각될 수 있는 것으로 도시되어 있다. 리턴 전류(return currents)와 포논 기생 열 전도도(phonon parasitic thermal conductance)를 무시하면, 효율은 W F /V에 도달하는 것으로 발견되며, 여기서 WF는 전자가 순방향으로 교차해야 하는 장벽(barrier)이다. 이것은 특히 단순한 디바이스의 경우 다소 높다. 냉각 전력은 WFI이며, I는 전류이다. 포논 열 전도도를 줄이는 방법이 제안된다.
포논 열 전도도의 부정적인 효과에 관한 한, 음향 임피던스 불일치(acoustic impedance mismatch)를 통한 포논 열 전도도를 줄이기 위해, 예를 들어 연질 금속(soft metal)과 경질 반도체(hard semiconductor) 사이에 쇼트키 다이오드 정류기를 사용하는 것이 제안된다. 포논 전도도는 인가된 전압과 무관하므로 후자의 큰 값은 그 점에서 유리하다.
본 발명은 정류기에서 전하 캐리어들의 지향성의(directional) 움직임을 이용하는 것에 기초하여 냉각 단자로부터 고온 단자로 열을 전달하고, 그에 따라 전자(the former)의 냉각을 달성 한다. 이를 달성하기 위해 바이어스 전압(bias voltage)이 도입되고, 냉각 프로세스에 작업(work)이 투자된다. 이상적인 경우의 이 새로운 열전 시스템의 효율 및 전력은 상대적으로 높고, 특히 그러한 단순한, 이용 가능한, 디바이스의 경우에 그러하다. 질적인(qualitative) 실험 증명은 아래에 주어진다.
우리는 전형적인 I-V 특성이 도 1에 도시되어 있는 솔리드-스테이트 정류기(solid-state rectifier)를 고려한다. 그것은 이상화되어 있으며, 처음에는 역방향-바이어싱된 것으로 받아들여진다: 모든 전자 전도는 왼쪽 단자에서 오른쪽 단자로 이어진다. 그러나 역방향 바이어스(V)(몇 번(KBT), 여기에서 KB는 볼츠만 상수(Boltzmann constant)이고 T는 온도 임)는 왼쪽으로 전자를 보내려고 한다. 이제는, LHS(RHS)가, Tc<Th인, 온도 Tc(Th)로 유지되더라도, 디바이스는 차가운 왼쪽 단자와 따뜻한 오른쪽 단자 사이에서 열을 전달한다; 즉 (열전) 냉장고가 얻어진다. 운송된 전자 당 열은 WF(왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 전자가 경험하는 장벽)에 의해 대략적으로 주어진다. 장벽을 가로 지르기 위한 에너지는 전자가 오는 쪽(그리고, 기본적으로 다른 쪽에 전달되는)의 열 조에서 취해진다. 따라서, 냉각 전력은 IWF이고 투자된 전력은 IV이며, 여기서 I는 전류이다. 따라서, 효율 및 전력은
η = W F /(qV), P = IW F , (1)
오른쪽에서 다시 왼쪽으로 "기생(parasitic)" 포논 열 전도를 무시하고, 바이어스에 대해 전송된 전자 당 에너지 가격을 qV로 취한다(q는 전자 전하 임). 우리는 이것이 선형 응답(작은 V 및 Th-Tc) 계산이 아니라는 것에 주목한다. 그것은 유한하고 가능하면 큰 구동력에 유효하다.
왜 전압에 대해 하나의 전자를 전달하기 위한 가격을 V로서 취하는지에 대한 이유는 사소하지 않다. 그것은 열역학적 사이클이 필요하다는 것, 즉 시스템을 초기 상태로 복원시키는 것에 의존한다. 이를 위한 가격은 전자 당 qV이다.
프로세스를 본질적으로 바꾸면(즉, 전기 에너지를 발생시키기 위해 온도 차를 사용함) 에너지 수확을 위해 이 디바이스를 사용할 수 있다.
상기 배열(arrangement)의 어려움은 역방향 바이어스에 따라 순방향 움직임에 대한 장벽이 증가할 수 있다는 점이다. 여기서 다음 절의 배열이 도움이 될 것이다.
(큰) 순방향 바이어스에서 냉각
일 실시 예에서, 본 발명은 순방향 바이어스에서의 다이오드 동작에 기초한 냉각 시스템 및 디바이스를 제공한다. 다음과 같은 배열은 위에서 언급한 어려움을 완화시키고, 생산된 전력은 더 크게 된다. 따라서, 이 방법은 일 실시 예에서 바람직하다. 바이어스(V)가 반전되고 시원한 n-측에서 따뜻한 p-측으로 전자를 보내는 것을 제외하고는, 도 2와 같은 상황을 가정한다. 반대 움직임은 정류 특성 및/또는 바이어스에 의해, 큰 경우, 금지된다. WF에 의한 p와 n 사이의 순방향 장벽을 다시 나타낼 때, 각각의 운반된 전자는 왼쪽에서 약 WF를 취하여 오른쪽으로 전달한다. 따라서 효율은 η=WF/V이다. 냉각 전력은, 역방향 바이어스의 경우와 마찬가지로, PF = IFWF이다.
WF
Figure 112019042743363-pct00001
0.5 V 및 IF
Figure 112019042743363-pct00002
10A의 경우 ~ 5W를 얻는다. 이것은 전류 펠리티 소자(Peltier element)와 유사하다. 전압이 ~ 2V이면 효율은 0.5V의 장벽에 대해 약 0.25이다. 분명히, 효율은 전력 증가에 따라 감소한다.
저온에서, 장벽 위의 활성화는 장벽을 통한 탄성(도 2에서 가로 방향) 터널링으로 대체되고 전자 당 냉각 전력은 큰 에너지 계수 WF를 상실한다(오더(order) kBT의 에너지로 대체 됨). 그러나, 그것은 카르노 효율 ηc=Tc/Th-Tc를 얻을 수 있다.
냉각(및 가열)을 위한 시스템들 및 방법들
일 실시 예에서, 본 발명은 시스템을 포함하고, 상기 시스템은:
■ 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
■ 상기 다이오드의 상기 제1 단부에 부착된 적어도 하나의 온도계(thermometer); 및
■ 전력 공급원(power supply)/전류 생성기(current generator)를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 시스템은 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는:
· 상기 다이오드의 상기 제1 단부에 대한 원하는 온도 값을 수신하고;
· 상기 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
· 상기 다이오드의 상기 제1 단부에서 상기 원하는 온도 값을 달성하기 위해 상기 측정된 온도 값을 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전류 레벨을 결정하고; 그리고
· 상기 결정된 전압/전류를 인가하도록 구성된다.
일 실시 예에서, 상기 다이오드는 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 또는 PN 접합(junction)이다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부 및 캐소드를 포함하고 상기 제2 단부는 상기 다이오드의 애노드를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 부착된 제2 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 제어기는,
· 상기 제2 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
· 상기 제1 및 상기 제2 측정된 온도 값들로부터 평가된 상기 제1 단부와 및 상기 제2 단부 사이의 온도 차이를 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전류 레벨을 결정하여, 상기 전압/전류 레벨이 상기 다이오드의 상기 제1 단부에서 상기 원하는/미리 결정된 온도 값을 달성하게 하고; 그리고
· 상기 결정된 전압/전류를 인가하도록 더 구성된다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부, 상기 제2 단부 또는 이들의 조합은 요소(element)와 접촉한다.
일 실시 예에서, 상기 요소는 디바이스, 저장소(reservoir), 튜브, 와이어, 표면(surface), 전기 구성 요소, 시스템 또는 이들의 임의의 조합물이다.
일 실시 예에서, 상기 접촉은 상기 제1 단부, 상기 제2 단부 또는 이들의 조합에 의해 상기 요소의 가열 또는 냉각을 가능하게 한다.
일 실시 예에서, 상기 온도계는 열전쌍을 포함한다.
일 실시 예에서, 본 발명은 요소의 온도를 변화시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
■ 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은,
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 온도계; 및
· 전력 공급원/전류 생성기를 포함하는, 상기 시스템을 제공하는 단계;
■ 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부를 상기 요소에 접촉시키는 단계;
■ 상기 다이오드에 전류를 구동시키거나 전압을 인가함으로써 상기 다이오드의 상기 제1 단부를 냉각시키고 상기 다이오드의 상기 제2 단부를 가열하여, 상기 다이오드와 상기 요소 사이에서 열을 전달시켜 상기 요소의 온도를 변화시키는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 부착된 제2 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는:
· 상기 다이오드의 상기 제1 단부에 대한 원하는 온도 값을 수신하고;
· 상기 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
· 상기 다이오드에 걸쳐 상기 원하는 온도 차이를 달성하는데 필요한, 상기 측정된 온도 값들로부터 평가된 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 상기 온도 차이를 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전로 레벨을 결정하고; 그리고
· 상기 결정된 전압/전류를 인가하도록 구성된다.
일 실시 예에서, 상기 요소의 상기 온도를 변화시키는 단계는 상기 요소를 냉각 또는 가열하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 전류 또는 상기 전압은 일 방향 또는 반대 방향으로 구동되거나 인가된다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부는 캐소드를 포함하고 상기 제2 단부는 상기 다이오드의 애노드를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 다이오드의 제1 단부에 대한 원하는 온도 값을 수신하는 것(또는 다른 실시 예들에서 상기 다이오드 양단의 원하는 전압/전류 값을 수신하는 것)은 사용자가 다이오드의 제1 단부로부터(또는 다이오드로부터) 얻으려는 값을 수신하는 것을 의미한다. 제어기는 사용자로부터, 또는 제어기와 연관되거나 제어기에 포함된 컴퓨터 또는 제어기에 외부적으로 연결된 컴퓨터 또는 다른 시스템으로부터 이 값을 수신할 수 있다. 이러한 값은 알고리즘에 따라 수신될 수 있다. 이 값은 관련된 작동 시스템들에 대해 필요에 따라 변경될 수 있으며, 예를 들어, 시간의 함수로서 그리고 본 발명의 디바이스들 및 시스템들과 관련된 다른 파라미터들의 함수로서 변화될 수 있다. 원하는 값을 수동 또는 자동으로 수신될 수 있다. 제어기에 의해 그러한 값을 수신하는 임의의 방법은 본 발명의 디바이스 및 방법에 적용 가능하다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 부착된 제2 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서:
· 상기 제1 단부의 온도 변화는 상기 제1 온도계에 의해 검출되고; 또는
· 상기 제2 단부의 온도 변화는 상기 제2 온도계에 의해 검출되고; 또는
· 이들의 조합이다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 상기 다이오드의 상기 제2 단부를 제2 요소에 접촉시키는 단계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부는 냉각되고 상기 제2 단부는 가열되고 또는 상기 제1 단부는 가열되고 상기 제2 단부는 냉각된다.
일 실시 예에서, 상기 온도 변화는 상기 전류 또는 상기 전압의 상기 크기에 의해 제어된다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부, 상기 제2 단부 또는 이들의 조합에서의 상기 온도 변화는 상기 제어기에 의해 제어되어, 상기 제어기는 상기 온도계(들)로부터 입력을 수신하고 상기 입력에 따라 상기 다이오드를 흐르는 전류 또는 상기 다이오드에 인가된 전압을 변화시켜, 상기 온도 변화를 제어한다.
일 실시 예에서, 제3 온도계는 상기 요소와 접촉한다.
일 실시 예에서, 상기 온도계는 열전쌍을 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 디바이스에서 전력(electrical power)을 열 전력(thermal power)으로 변환하는 효율은 최대 1이다.
일 실시 예에서, 상기 디바이스에서의 전력의 열 출력의 상기 변환의 상기 효율은 0.1 내지 0.5 사이의 범위이다.
일 실시 예에서, 상기 시스템의 상기 전력은 최대 10W이다.
일 실시 예에서, 상기 디바이스의 열 전력은 20 μV/deg 내지 30 μV/deg 사이의 범위이다. 일 실시 예에서, 상기 디바이스의 상기 예상 열 전력(expected thermopower)은 200 μV/deg 내지 500 μV/deg 사이의 범위인, 방법.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 휴대 가능하다.
일 실시 예에서, 본 발명의 시스템에서, 전압은 다이오드에 인가되거나 전류는 다이오드를 통해 구동되며, 이러한 동작은 다이오드의 일 측의 냉각을 초래한다. 따라서, 다이오드 또는 그 일 단부는 냉각기(냉장고)로서 사용될 수 있다. 다이오드의 다른 쪽이 가열되고 경우에 따라 이 특징을 가열에 사용할 수 있다. 본 발명의 시스템에서, 다이오드의 일 단부는 캐소드를 포함하고 다이오드의 다른 단부는 애노드를 포함한다. 일 단부가 냉각되면, 다른 단부는 가열된다. 일부 실시 예들에서, 다이오드의 제1 단부는 캐소드이고 다이오드의 제2 단부는 애노드이다. 이 양태에 따르면 일 실시 예에서, 전류가 다이오드를 통해 흐를 때, 캐소드는 냉각되고 애노드는 가열된다. 일 실시 예에서, PN 접합을 포함하는 다이오드에서, n 측은 다이오드의 제1 측이고, p 측은 다이오드의 제2 측이다. 일 실시 예에서, 쇼트키 다이오드에서, n 측은 다이오드의 제1 측이고 금속 측은 다이오드의 제2 측이다. 본 발명의 다른 실시 예들은 다이오드 구성 요소들의 다른 구성들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 본 발명의 시스템은 가스 압축을 위한 요소가 필요 없다는 이점을 갖는 냉각 디바이스/ 냉장고로서 사용된다. 따라서, 본 발명의 시스템들은 종래의 냉장고가 이용 가능하지 않거나 실용적이지 않은 환경에서 사용된다. 본 발명의 시스템은 냉장고로 사용될 수 있으며, 그러한 냉장고/냉각 디바이스는 군사용, 의료용, 산업용, 소비자용, 과학/실험실 및 통신용 어플리케이션으로 사용된다. 본 발명의 시스템의 사용은 단순한 음식 및 음료 냉각기에서 군사/우주 분야에 사용되는 복잡한 온도 제어 시스템에 이른다.
본 발명의 열전 냉각기는 물체의 온도를 낮추고 물체의 온도를 안정화시킨다. 이러한 열전 냉각기는 능동 냉각 시스템이다.
일 실시 예에서, 본 발명의 냉각 시스템은, 전자 패키징 냉각, 직접 회로 냉각, 적외선 교정, 적외선 감지기, 레이저 다이오드 냉각기, 마이크로프로세서 냉각, 야간 투시 장비, 냉장고 및 휴대 가능한/소풍 용 그리고 물 및 음료의 냉각기로서 호텔의 온-보드 냉각 시스템(비행기, 자동차)에서 냉각 플레이트로서 사용된다.
효율성을 높이려면, 여러 디바이스들/시스템들을 병렬로 사용할 수 있다. 이 양태 및 일 실시 예에 따르면, 각각 하나의 다이오드를 포함하는 다수의 독립 시스템들이 사용될 수 있다. 다른 실시 예에서, 직렬/병렬로 연결된 다수의 다이오드들을 포함하는 하나의 시스템이 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 히트 싱크(heat sink)들은 본 발명의 시스템에 사용된다. 일 실시 예에서, 히트 싱크는 일 측면, 예를 들어 다이오드의 애노드 측에 연결되며 상기 측, 즉 애노드로부터 열을 제거하기 위해 사용된다. 임의의 히트 싱크는 당업자에게 공지된 바와 같이 본 발명의 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들어, 라디에이터, 금속선으로 만들어진 구조는 히트 싱크로 사용될 수 있다.
본 발명의 시스템은 증기-압축 냉각기에서와 같이 가동부(moving parts) 또는 순환 액체를 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명의 시스템은 누출 및 특정 부품 고장과 같은 관련 문제를 겪지 않는다. 본 발명의 시스템은 수명이 길고, 유지 보수가 적으며, 크기가 작고, 사용에 적응 가능한 기하학적 구조를 나타낸다.
본 발명의 시스템은 다이오드에 부착된 전기 접속부들/단자들을 포함한다. 일 실시 예에서, 다이오드의 제1 측, 즉 캐소드는 하나의 전기 단자에 부착/연결되며 다이오드의 제2 측, 즉 애노드는 다른 전기 단자에 부착/연결된다. 단자들은 다이오드들은 전원 공급원/전류 생성기에 연결한다. 다른 실시 예에서, 단자들은 다른 전기/열 구성 요소들에 연결된다.
히트 싱크(들), 열-분리 요소, 기타 전기 구성 요소, 제어기, 전산 시스템, 기판 및 지지체, 다이오드와 냉각될 요소 사이의 열 접촉부, 시스템 케이싱 등과 같은 다른 구성 요소들이 본 발명의 시스템에 포함될 수 있다.
전기를 발생시키기 위한 시스템들 및 방법들
일 실시 예에서, 본 발명은 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 히터 또는 냉각 디바이스를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 적어도 하나의 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 전류/전압 측정기를 더 포함한다
일 실시 예에서, 상기 시스템은 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 부착된 제2 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는:
· 상기 다이오드에 의해 전개될 원하는 전류/전압 값을 수신하고;
· 상기 온도계(들)로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부에 대한 측정된 온도 값들을 수신하고;
· 상기 다이오드에 전개될 상기 원하는 전류/전압 값을 달성하기 위해 필요한 상기 다이오드의 상기 두 단부들 사이의 온도 차이를 결정하고; 그리고
· 상기 원하는 전류/전압을 달성하기 위해 상기 다이오드의 상기 제1 또는 상기 제2 단부를 가열 또는 냉각시키도록 구성된다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 부하(load)에 더 연결된다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 전류/전압 측정기를 더 포함하고 상기 전류/전압 측정기는 상기 다이오드에 전개된 상기 전류/전압을 측정하여 상기 원하는 전류/전압 값이 달성되었는지 여부를 평가한다.
일 실시 예에서, 상기 다이오드는 쇼트키 다이오드 또는 PN 접합이다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부를 캐소드를 포함하고 상기 제2 단부는 상기 다이오드의 애노드를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 부착된 제2 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 온도계는 열전쌍을 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 배터리를 충전하기 위해 사용된다.
일 실시 예에서, 본 발명은 전기를 발생시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
■ 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은,
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 히터 또는 냉각 디바이스를 포함하는, 상기 시스템을 제공하는 단계;
■ 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부를 가열 또는 냉각시켜 상기 시스템에 의한 전기를 발생시키는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 다이오드는 부하에 연결된다.
일 실시 예에서, 상기 방법은:
■ 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은,
· 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 다이오드;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 히터 또는 냉각 디바이스;
· 적어도 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 부착된 온도계;
· 전류/전압 측정기;
· 제어기로서,
상기 다이오드에 전개될 원하는 전류/전압 값을 수신하고;
상기 온도계로부터 상기 다이오드의 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
상기 원하는 전류/전압 값을 달성하기 위해 필요한 상기 다이오드의 상기 두 단부들 사이의 요구되는 온도 차이를 결정하고; 그리고
상기 전류/전압을 달성하기 위해 상기 다이오드의 상기 제1 또는 상기 제2 단부를 가열 또는 냉각시켜 상기 시스템에 의한 전기를 발생시키도록 구성된, 상기 제어기를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 전기를 발생시키는 단계는 상기 다이오드에 의해 전류를 발생시키는 단계를 포함한다. 일 실시 예에서, 상기 전기를 발생시키는 단계는 상기 다이오드에 의해 전압을 발생시키는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 전류 또는 상기 전압은 일 방향 또는 대향하는 방향으로 생성된다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부는 캐소드를 포함하고 상기 제2 단부는 상기 다이오드의 애노드를 포함한다.
일 실시 예에서, 본 방법에서 사용되는 시스템은 상기 다이오드의 상기 제2 단부에 부착된 제2 온도계를 더 포함한다.
일 실시 예에서:
· 상기 제1 단부의 온도 변화는 상기 제1 온도계에 의해 검출되고; 또는 상기 제2 단부의 온도 변화는 상기 제2 온도계에 의해 검출되고; 또는
· 이들의 조합이다.
일 실시 예에서, 상기 다이오드의 상기 가열/냉각은 전류가 상기 부하를 통해 흐르고/흐르거나 전압이 상기 부하에 인가되도록 전류를 발생시키거나 전위를 전개시킨다.
일 실시 예에서, 상기 제1 단부는 냉각되고 상기 제2 단부는 가열된다.
일 실시 예에서, 상기 전류/전압은 온도 차이에 의해 제어된다.
일 실시 예에서, 상기 다이오드에 의해 전개된 상기 전류/전압은 상기 전압/전류 측정기에 의해 검출되어, 상기 제어기가 상기 전압/전류 측정기로부터 입력을 수신하고 상기 입력에 따라 다이오드의 적어도 하나의 단부의 가열/냉각 레벨을 변화시켜, 상기 전류/전압을 제어한다.
일 실시 예에서, 상기 온도계는 열전쌍을 포함한다.
일 실시 예에서, 디바이스에서 열 전력을 전기 전력으로 변환하는 효율은 카르노 효율(Carnot efficiency)(1-Tc/Th)의 상당 부분까지이다.
일 실시 예에서, 디바이스에서 열 전력을 전기 전력으로 변환하는 효율은 상기 카르노 효율의 몇 % 및 카르노 효율의 상당 부분의 범위에 있다.
일 실시 예에서, 시스템의 전력은 최대 10W이다. 일 실시 예에서, 시스템의 열 전력은 X= 50 μV/deg 및 Y = 400 μV/deg 사이의 범위이다.
일 실시 예에서, 상기 디바이스에서의 열 전력의 전기 전력으로의 변환 효율은 이상적으로 카르노의 최대 0.5이다.
일 실시 예에서, 상기 디바이스에서의 열 전력의 전기 전력으로의 변환 효율은 카르노의 0.2 내지 0.5 사이의 범위이다.
일 실시 예에서, 상기 디바이스에서의 열 전력의 전기 전력으로의 변환 효율은 0.2 내지 1 mV/deg 사이의 범위이다.
일 실시 예에서, 상기 시스템의 전력은 최대 10 W이다.
일 실시 예에서, 상기 디바이스의 상기 열전력은 0.2 mV/deg 내지 1mV/deg 사이의 범위이다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 휴대 가능하다.
본 발명의 열전 디바이스의 사용의 두 메인 모드들은:
에너지 수확 : 이 모드에서 그리고 일 실시 예에서, 온도 차이는, 다이오드의 일 측, 즉 캐소드를 냉각시키고, 다이오드의 제2 측, 즉 애노드를 냉각시킴으로써 또는 이들의 조합에 의해, 다이오드에서 생성된다. 이러한 냉각/가열은 전기(전압/전류)를 발생시킨다.
이 양태에 따르면 일 실시 예에서, 온도 차이는 차가운 측, 즉 캐소드로부터 따뜻한 측, 즉 애노드로의 전자의 움직임을 초래한다. 이러한 전자 움직임은 다이오드에 연결된 부하를 통해 전류를 발생시키는데 사용될 수 있다. 전자 움직임은 다이오드 양단에 전개될 전위 차이를 발생시킬 수 있다. 이러한 전위 차이는 다이오드에 연결된 부하에인가 될 수 있다. 따라서, 상기 다이오드는 전원 공급원/전류 생성기로 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 본 발명의 시스템에서, 다이오드의 일 단부는 캐소드를 포함하고 다이오드의 다른 단부는 애노드를 포함한다. 일 단부가 냉각(또는 가열)되면, 온도 차이가 다이오드 양단에 걸쳐 전개된다. 일부 실시 예들에서, 다이오드의 제1 단부는 캐소드이고 다이오드의 제2 단부는 애노드이다. 이 양태에 따르면 일 실시 예에서, 캐소드가 냉각될 때 (및/또는) 애노드가 가열될 때, 다이오드에 의해 전류가 생성될 수 있다.
일 실시 예에서, 본 발명의 에너지 수확 시스템은 재충전 가능한 배터리를 포함할 수 있으며, 배터리는 일 실시 예에서 전술한 바와 같이 다이오드 양단의 온도 차이를 이용하여 충전될 수 있다.
냉각 : 이 모드 및 일 실시 예에서, 전압(또는 전류)이 다이오드에 인가되어 한쪽이 냉각되고 열이 다이오드의 다른 쪽에 덤핑(dumping)된다. 이 양태에 따르면 일 실시 예에서, 다이오드의 캐소드는 애노드가 가열되는 동안 냉각된다.
일 실시 예에서, 본 발명의 시스템은 온도 차이만이 작동에 필요하다는 이점을 갖는 전류 생성기/전원 공급원 시스템으로서 사용된다. 따라서, 본 발명의 시스템은 종래의 전력 공급 장치가 이용 가능하지 않거나 실용적인 용도가 아닌 상황에서 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템은 군용, 소비자, 환경 및 전기 통신 어플리케이션에서 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템은 배터리로 작동되는 시스템을 대체할 수 있다.
본 발명의 열전 시스템은 동작을 위해 태양열을 이용할 수 있다.
효율성을 높이려면, 여러 시스템들이 직렬로 사용될 수 있다. 이 양태 및 일 실시 예에 따르면, 직렬로 연결된 다수의 다이오드들을 포함하는 하나의 시스템이 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 히트 싱크는 본 발명의 시스템에서 사용되며, 일 실시 예에서, 히트 싱크는 다이오드의 일측, 예를 들어 애노드 측에 연결되며 애노드로부터 열을 제거하는데 사용된다. 당업자에게 공지된 바와 같은 임의의 히트 싱크는 본 발명의 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량에서 라디에이터와 같은 히트 싱크; 냉장고의 뒷면에 설치된 금속 메쉬(metallic mesh)가 히트 싱크로서 사용된다.
본 발명의 시스템은 증기 압축 냉각기에서와 같이 가동부 또는 순환 액체를 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명의 시스템은 누출 및 특정 부품 고장과 같은 관련 문제를 겪지 않는다. 본 발명의 시스템은 수명이 길고, 유지 보수가 적으며, 크기가 작고, 사용에 적응 가능한 기하학적 구조를 나타낸다.
본 발명의 시스템은 다이오드에 부착된 전기 접속부들/단자들을 포함한다. 일 실시 예에서, 캐소드는 하나의 전기 단자에 부착/연결되고 애노드는 다른 전기 단자에 부착/연결된다. 단자는 일 실시 예에서 다이오드를 부하에 연결한다.
열-분리 요소, 히트 싱크(들), 기타 전기 부품, 전산 시스템, 기판 및 지지체, 다이오드와 히터/냉각 요소 사이의 열 접점, 시스템 케이싱 등과 같은 다른 구성 요소들이 본 발명의 시스템에 포함될 수 있다.
결합된 시스템들
본 발명의 시스템들은 일 실시 예에서 결합된다. 예를 들어, 본 발명의 히터들 및 냉각기들 및 본 발명의 전원은 단일 시스템으로 구현된다. 이러한 시스템은 다이오드, 가열/냉각 소스 및 전류/전압 발생기를 포함한다. 이 양태 및 일 실시 예에 따르면, 그러한 결합된 시스템은 다이오드를 통해 전류를 구동하거나 다이오드에 전압을 인가할 때 냉각/가열 소스로서 사용되며, 다른 경우에, 상기 시스템은 상기 다이오드를 가열 또는 냉각할 때 전원 공급원/전류 발생기로서 사용된다. 전류/전압 발생기는 재충전 가능한 배터리를 포함할 수 있고, 일 실시 예에서는 다이오드를 가로 지르는 온도 차이를 이용하여 배터리가 충전될 수 있다.
범위들 및 값들
에너지 수확 모드에서 작동하는 디바이스에 대해 그리고 일 실시 예에서, 열전력 S=500μV/deg 및 200도의 온도 차이에 대해, 본 발명의 단일 다이오드 소자로부터 0.1V가 얻어진다. 그러나 훨씬 더 높은 값을 얻기 위해 많은 요소들을 직렬로 연결할 수 있다.
일반적으로 5-10도의 냉방 모드에서 작동하는 디바이스(에어컨, 냉장고)의 경우 카르노 효율의 10 %는 3-6의 효율을 제공한다. 일 실시 예에서, 냉각을 위해, 효율은 절대 온도와 냉각에 필요한 온도 차이 사이의 비율이다. 이 값은 1보다 클 수 있다.
본 발명의 디바이스에서, 다른 열전 디바이스와는 달리, 전류는 다이오드의 두 부분들 사이의 인터페이스에 수직으로 흐른다(예를 들어, 캐소드/애노드 인터페이스에 대해 수직, p 블록과 n 블록 사이의 인터페이스에 수직, 쇼트키 다이오드에서 반도체와 금속 사이의 인터페이스에 수직 등).
일 실시 예에서, 다이오드의 일 측은 가열되고(태양, 엔진으로부터의 폐기물에 의해) 전기가 획득된다.
일 실시 예에서, 다이오드에 전압이 인가되어, 다이오드의 차가운 측의 냉각을 초래한다.
정의
좌측은 LHS로 표시되고 우측은 RHS로 표시된다.
에너지 수확 모드에서 작동하는 디바이스의 경우, 열전력 유닛들은 일반적으로 볼트/deg 또는 도(degree) 당 마이크로볼트, 밀리볼트/도 등과 같은 관련 유닛들이다.
효율은 일부 실시 예들에서 출력 전력을 입력 전력으로 나눈 것이다. 효율은 디바이스가 생산하는 전력/에너지 사이와 디바이스에 투자된 전력/에너지 사이의 비율이다.
본 발명의 실시 예에서 열전력은 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 지칭하며, 1 도 당 볼트로 측정된다.
일 실시 예에서, 용어("a" 또는 "one" 또는 "an")는 적어도 하나를 지칭한다. 일 실시 예에서, "두 개 또는 그 이상(two or more)"이라는 문구는 특정 목적에 적합한 임의의 명칭일 수 있다. 일 실시 예에서, "약(about)" 또는 "대략(approximately)"은 표시된 용어의 + 1 %, 또는 일부 실시 예에서, 1 % 또는 일부 실시 예에서, ± 2.5 % 또는 일부 실시 예에서, ± 5 % 또는 일부 실시 예에서, ± 7.5 % 또는 일부 실시 예에서, ± 10 % 또는 일부 실시 예에서, ± 15 % 또는 일부 실시 예에서, ± 20 % 또는 일부 실시 예에서 ± 25 %의 편차를 포함할 수 있다.
예시들
예시 1
다이오드를 포함하는 열전 디바이스
효과를 질적으로 입증하기 위해, 상용 정류기 다이오드(Vishay VS-SC275S030S6B)가 사용되었다. 그것은 도 3과 같이 장착되었다. 디바이스를 통해 전류(I)를 구동하면, 열전쌍으로 측정된, 그것을 가로 지르는 온도 차이(△T)가 쉽게 발생한다. △T는, 도 4에 도시된 바와 같이, I와 함께 대략 선형으로 커진다. 이 효과는 순방향 및 역방향 바이어스 모두에서 존재했으며 크기는 매우 비슷하다. 전압(V)과 결과(△T)를 유사하게 측정함으로써, 열전력(S)은 실온에서 28 μV/deg인 것으로 밝혀졌다.
예상되는 이상적인 값은 대략 큰 계산 차수(order of magnitude)이며, 예를 들어, ~ 300 μV/deg이다. 그 차이는 매우 큰 전압/전력으로 사용되도록 설계된 정류기와 마찬가지로 직렬로 연결된 10-20 다이오드들을 갖는 디바이스에서 발생할 수 있다.
결론
고려된 두 가지 경우(순방향 및 역방향 바이어스)에서, 얻은 효율은 상당히 높다. 예를 들어 WF까지 전압을 낮추면, 이상적인 경우에 1을 얻을 수 있다. 3 가지 이상화 인자들(역방향 전류 소실, 순방향 전류 및 포논 열전도 변화 없음)이 효율성을 2의 인자까지 감소시키는 경우, 1/2의 값은 여전히 단순한 장치에 대해 존경할만하다. 그것은 파라미터 zT
Figure 112019042743363-pct00003
1을 갖는 현재의 열전 디바이스에 대한 값과 비슷한 계산 차수이다. 물론 전력과 효율 사이의 일반적인 난문제가 존재한다.
zT는 전송 계수들의 무차원 조합(dimensionless combination)이다(전도도 곱하기 열 전도도에 대한 열전쌍 제곱; zT가 클수록 좋다. 현재 디바이스는 1을 갖는다. 최고의 실험실 값은 1.8이다. 매우 큰 zT는 카르노 효율을 제공한다. 1.5-2를 쉽게 얻는 것이 매우 유리하다.
포논 열 전도돋의 부정적인 효과에 관한 한, 음향 임피던스 불일치(acoustic impedance mismatch)를 통해 포논 열 전도도를 줄이기 위해, 예를 들어 연질 금속과 경질 반도체 사이에 쇼트키 다이오드 정류기를 사용하는 것이 좋다. 포논 전도도는 인가된 전압과 독립적이며, 후자의 큰 값은 그 점에서도 유리하다.
본 발명의 특정 특징들이 본 명세서에 예시되고 기술되었지만, 많은 수정, 대체, 변경 및 균등물이 이제 당업자에게 발생할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 있는 그러한 모든 변형 및 변경을 포함하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.

Claims (50)

  1. 시스템에 있어서,
    캐소드 및 애노드를 포함하는 다이오드;
    상기 캐소드에 연결되거나 상기 애노드에 연결되는 적어도 하나의 온도계(thermometer); 및
    전력 공급원(power supply) 또는 전류 생성기(current generator)를 포함하고,
    상기 전력 공급원 또는 전류 생성기는 리드들에 연결되고, 상기 리드들은 상기 다이오드에 전류/전압을 제공하고,
    상기 다이오드는 역방향 또는 순방향 바이어스 하에서 작동되고,
    상기 다이오드는 차가운 단자(cold terminal)(온도 Tc)와 뜨거운 단자(hot terminal)(온도 Th) 사이에서 열을 전달함으로써 냉각될 수 있고,
    상기 시스템은,
    상기 캐소드 또는 상기 애노드에 대한 원하는 온도 값을 수신하고;
    상기 온도계로부터 상기 캐소드 또는 상기 애노드에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
    상기 캐소드 또는 상기 애노드에서 상기 원하는 온도 값을 달성하기 위해 상기 측정된 온도 값을 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전류 레벨을 결정하고;
    상기 결정된 전압/전류를 상기 다이오드에 인가하도록 구성된, 제어기를 더 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드는 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 또는 PN 접합(junction)인, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    제2 온도계를 더 포함하여,
    제1 온도계는 상기 캐소드에 부착되고 제2 온도계는 상기 애노드에 부착되거나, 또는
    제1 온도계는 상기 애노드에 부착되고 제2 온도계는 상기 캐소드에 부착되는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제2 온도계로부터 상기 캐소드 또는 상기 애노드에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
    상기 제1 및 상기 제2 온도계에 의해 측정된 온도 값들에 의해 평가된 상기 캐소드와 상기 애노드 사이의 온도 차이를 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전류 레벨을 결정하여, 상기 전압/전류 레벨이 상기 캐소드 또는 상기 애노드에서 상기 원하는 온도 값을 달성하게 하고;
    상기 결정된 전압/전류를 인가하도록 더 구성되는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드, 상기 애노드 또는 이들의 조합은 요소(element)와 접촉하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 요소는 디바이스, 저장소(reservoir), 튜브, 와이어, 표면(surface), 전기 구성 요소, 시스템 또는 이들의 임의의 조합물인, 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 접촉은 상기 캐소드, 상기 애노드 또는 이들의 조합에 의해 상기 요소의 가열 또는 냉각을 가능하게 하는, 시스템.
  8. 요소의 온도를 변화시키는 방법에 있어서,
    - 시스템을 제공하는 단계로서,
    캐소드 및 애노드를 포함하는 다이오드;
    상기 캐소드 또는 상기 애노드에 부착된 온도계; 및
    전력 공급원 또는 전류 생성기를 포함하는 시스템을 제공하는 단계;
    - 상기 캐소드 또는 상기 애노드를 상기 요소에 접촉시키는 단계; 및
    - 상기 다이오드에 전류를 구동시키거나 전압을 인가함으로써 상기 다이오드와 상기 요소 사이에서 열을 전달시켜 상기 요소의 온도를 변화시키는 단계를 포함하고,
    상기 시스템은,
    상기 캐소드 또는 상기 애노드에 대한 원하는 온도 값을 수신하고;
    상기 온도계로부터 상기 캐소드 또는 상기 애노드에 대한 측정된 온도 값을 수신하고;
    상기 측정된 온도와 상기 원하는 온도 값 사이의 차이를 기초로 상기 다이오드에 인가될 전압/전류 레벨을 결정하고;
    상기 결정된 전압/전류를 인가하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    제2 온도계를 더 포함하여,
    제1 온도계는 상기 캐소드에 부착되고 제2 온도계는 상기 애노드에 부착되거나, 또는
    제1 온도계는 애노드에 부착되고 제2 온도계는 상기 캐소드에 부착되는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 요소의 온도를 변화시키는 단계는 상기 요소를 냉각 또는 가열하는 단계를 포함하는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전류 또는 상기 전압은 일 방향 또는 반대 방향으로 구동되거나 인가되는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 캐소드 또는 상기 애노드를 제2 요소에 접촉시키는 단계를 더 포함하는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 캐소드는 냉각되고 상기 애노드는 가열되는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 요소의 온도 변화는 상기 전류 또는 상기 전압의 크기에 의해 제어되는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 캐소드, 상기 애노드 또는 이들의 조합에서의 상기 온도 변화는 상기 제어기에 의해 제어되어, 상기 제어기는 상기 온도계(들)로부터 입력을 수신하고 상기 입력에 따라 상기 다이오드를 흐르는 전류 또는 상기 다이오드에 인가된 전압을 변화시켜, 상기 온도 변화를 제어하는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    제3 온도계를 더 포함하고, 상기 제3 온도계는 상기 요소와 접촉하는, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 시스템에서 전력(electrical power)을 열 전력(thermal power)으로 변환하는 효율은 최대 1인, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 시스템에서 전력을 열 전력으로 변환하는 효율은 0.1 내지 0.5 사이의 범위인, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  19. 제8항에 있어서,
    상기 시스템의 상기 전력은 최대 10W인, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 시스템의 상기 열의 전력(thermopower)은 200 μV/K 내지 500 μV/K 사이의 범위인, 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  21. 제8항에 있어서,
    상기 시스템은 휴대 가능한(portable), 요소의 온도를 변화시키는 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 온도계는 열전쌍(thermocouple)을 포함하는, 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9597205B2 (en) 2012-06-06 2017-03-21 Magenta Medical Ltd. Prosthetic renal valve
US10583231B2 (en) 2013-03-13 2020-03-10 Magenta Medical Ltd. Blood pump
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US10905808B2 (en) 2018-01-10 2021-02-02 Magenta Medical Ltd. Drive cable for use with a blood pump
US10893927B2 (en) 2018-03-29 2021-01-19 Magenta Medical Ltd. Inferior vena cava blood-flow implant
EP3749383B1 (en) 2019-01-24 2021-04-28 Magenta Medical Ltd. Ventricular assist device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005026473A (ja) * 2003-07-02 2005-01-27 Sharp Corp 冷却装置およびそれを備えた電子機器
JP2013214640A (ja) * 2012-04-03 2013-10-17 Aisin Seiki Co Ltd 温度制御装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6856136B2 (en) * 2002-05-22 2005-02-15 Massachusetts Institute Of Technology Thermoelectric device test structure
US20040155251A1 (en) * 2003-02-07 2004-08-12 Vladimir Abramov Peltier cooler integrated with electronic device(s)
AT505168B1 (de) * 2007-06-29 2008-11-15 Span Gerhard Dipl Ing Dr Thermoelektrisches element
CN101504439B (zh) * 2009-03-17 2011-02-16 北京大学 变温肖特基二极管特性测试仪
KR101230021B1 (ko) * 2011-03-29 2013-02-05 이병수 써모파일 패키지
WO2013035100A1 (en) * 2011-09-08 2013-03-14 Yeda Research And Development Co. Ltd. At The Weizmann Institute Of Science Efficiency-enhanced thermoelectric devices
CN202581241U (zh) * 2012-04-19 2012-12-05 卢闻达 一种移动电源
KR101484956B1 (ko) * 2013-04-24 2015-01-22 (주)트리비스 열전소자의 시험장치 및 그 시험방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005026473A (ja) * 2003-07-02 2005-01-27 Sharp Corp 冷却装置およびそれを備えた電子機器
JP2013214640A (ja) * 2012-04-03 2013-10-17 Aisin Seiki Co Ltd 温度制御装置

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