KR102651639B1 - 전기열량 장치를 위한 제어 시스템 - Google Patents

전기열량 장치를 위한 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

전기열량 시스템을 동작시키기 위한 방법은 전기열량 장치의 내부 온도 상승을 결정하는 단계를 포함한다. 냉각될 공간의 현재 온도가 결정된다. 방열 온도가 결정된다. 현재 온도와 방열 온도 사이의 차이가 결정된다. 이러한 차이 및 공간을 위한 목표 온도에 기초하여 목표 온도 상승이 결정된다. 전기열량 장치에 인가되는 전압이 내부 온도 상승 및 목표 온도 상승에 기초하여 변조된다.

Description

전기열량 장치를 위한 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR AN ELECTROCALORIC DEVICE}
본 발명은 일반적으로 전기열량(electrocaloric) 장치 및 그러한 장치에 관련된 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근에, 히트 펌프, 공기 조화 및/또는 다른 에너지 변환 응용들에 대한 몇몇 기술이 연구되어 왔다. 이들 기술은 향상된 에너지 효율, 집약성, 잡음 레벨뿐만 아니라, 환경 영향의 감소로 이어질 수 있는 전기열량 에너지 변환의 사용을 포함한다.
본 명세서에 설명된 실시예들은 전기열량 장치의 내부 온도 상승을 결정하는 단계를 포함하는, 전기열량 시스템을 동작시키기 위한 방법을 포함한다. 냉각될 공간의 현재 온도가 결정된다. 방열(heat rejection) 온도가 결정된다. 현재 온도와 방열 온도 사이의 차이가 결정된다. 이러한 차이 및 공간을 위한 목표 온도에 기초하여 목표 온도 상승이 결정된다. 전기열량 장치에 인가되는 전압이 내부 온도 상승 및 목표 온도 상승에 기초하여 변조된다.
실시예들은 전기열량 장치를 포함하는 전기열량 시스템을 포함한다. 전압원이 전기열량 장치에 전압을 인가하도록 구성된다. 제어기가 전기열량 장치의 내부 온도 상승을 측정하도록 구성된다. 냉각될 공간의 현재 온도가 결정된다. 방열 온도가 결정된다. 현재 온도와 방열 온도 사이의 차이가 결정된다. 이러한 차이 및 공간을 위한 목표 온도에 기초하여 목표 온도 상승이 결정된다. 전기열량 장치에 인가되는 전압이 내부 온도 상승 및 목표 온도 상승에 기초하여 변조된다.
실시예들은 전기열량 장치를 포함하는 전기열량 시스템을 포함한다. 전압원이 스위칭 주파수에서 전기열량 장치에 전압을 인가하도록 구성된다. 제어기가 전기열량 장치의 하나 이상의 온도 변화율 및 공간의 온도 변화율을 측정하도록 구성된다. 냉각될 공간의 열 부하가 측정된 온도 변화율에 기초하여 결정된다. 전기열량 장치의 스위칭 주파수가 냉각될 공간의 열 부하에 기초하여 변조된다.
상기 개요는 각각의 실시예 또는 모든 구현예를 기술하고자 하는 것은 아니다. 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명 및 청구범위를 참조함으로써 보다 완전한 이해가 명백해지고 인식될 것이다.
도 1은 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른 예시적인 전기열량 시스템을 도시한다.
도 2는 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 브레이턴(Brayton) 사이클, 카르노(Carnot) 사이클 및 수정된 오토(Otto) 사이클에 대한 10도의 내부 시스템 온도 상승에 대한 목표 온도 상승 대 모델링된 시스템 효율을 도시한다.
도 3은 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 전기열량 재료의 단열 온도 변화가 인가된 전기장의 강한 함수임을 예시한다.
도 4는 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 고효율을 유지하도록 전기열량 장치를 제어하기 위한 프로세스를 도시한다.
도 5는 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 일단 목표 온도에 도달되면 온도를 목표 온도 대역에서 유지하기 위한 프로세스를 예시한다.
도 6은 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 전기열량 장치의 스위칭 주파수를 변조하기 위한 프로세스를 도시한다.
도면들은 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아니다. 도면들에서 사용되는 동일한 도면 부호들은 동일한 컴포넌트들을 지시한다. 그러나, 주어진 도면에서 소정 컴포넌트를 지시하기 위한 도면 부호의 사용은 동일한 도면 부호로 표지된 다른 도면 내의 그 컴포넌트를 제한하도록 의도되지 않음이 이해될 것이다.
전기열량 효과 및/또는 초전기(pyroelectric) 효과는 전기장의 인가시의 유전체 재료의 가역 온도 및/또는 엔트로피 변화를 지칭한다. 전기열량 장치는 단층 또는 다층의 커패시터의 유전체로서 형성될 수 있다. 커패시터에의 전압의 인가는 온도 증가로 이어지는 전기열량 재료에 걸친 전기장을 생성한다. 전기장이 제거될 때, 온도는 감소한다. 전압의 인가와 동기하여 열원 및 히트 싱크에 전기열량 커패시터를 교대로 결합하는 것은 열원과 싱크 사이에 온도차를 생성할 수 있다. 이산되어 또는 연속체로서 서로 결합된 다수의 전기열량 커패시터의 사용은 단일 전기열량 커패시터의 단열 온도 변화보다 더 큰 온도 구배의 생성을 허용한다.
중합체, 벌크 세라믹, 박막 세라믹 및/또는 다른 재료들과 같은 재료들은 전기열량 효과 및/또는 초전기 효과를 나타내었다. 전기열량 시스템에 사용될 수 있는 커패시터들은 전기열량 유전체 재료들, 예를 들어 BaTiO3, 란탄화된 지르콘산 티탄산납(PLZT) 및/또는 PbBaZrO3을 포함하는 세라믹; 폴리(비닐레덴 플루오라이드-트라이플루오로에틸렌-)(P(VDF-TrFE)) 공중합체 또는 폴리(비닐레덴 플루오라이드-트라이플루오로에틸렌- 클로로플루오로에틸렌)(P(VDF-TrFE-CFE)) 삼중합체를 포함하는 중합체; 및/또는 중합체-세라믹 복합체를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 전기열량 냉각 시스템에, 예를 들어 냉장고, 히트 펌프, 및/또는 다른 냉각기에 사용될 수 있다. 다른 예로서, 본 명세서에 기술된 실시예들은 초전기 효과를 나타낼 수 있다. 전기열량 효과 및 초전기 효과는 동일한 현상, 즉 변화하는 전기장과 연관된 재료의 온도 변화를 지칭한다. 초전기 효과를 나타내는 시스템은, 예를 들어 열기관(heat engine) 및/또는 온도 센서를 구현하는 데 유용할 수 있다. 반면에, 본 명세서에 기술된 실시예들은 주로 냉각을 위한 전기열량 장치의 사용을 논의한다. 본 명세서에서의 시스템들 및/또는 방법들 중 임의의 것이 공간을 가열하도록 구성되는 장치에서 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1a는 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른 예시적인 전기열량 시스템을 도시한다. 전기열량 장치(105)는 열원(130) 및/또는 히트 싱크(140)에 결합될 수 있는 전기열량 재료(110)를 포함한다. 본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 전기열량 재료(110)는 전기열량 장치가 열원(130) 및 히트 싱크(140)에 교대로 연결되도록 열원(130) 및 히트 싱크(140)에 동시에 연결되지 않는다. 상이한 전기열량 시스템 설계들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기열량 장치는 유체 유동을 사용하여 온도 구배를 생성할 수 있다. 유체는 열원 및 히트 싱크에 연속적으로 결합될 수 있다.
전압원(120)이 제어기(150) 및 전기열량 장치(105)에 결합되고, 전기열량 장치에 전압을 인가하도록 구성된다. 본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 전압원(120)은 스위칭 주파수에서 동작하도록 구성된다. 스위칭 주파수는 공장 설정들 및/또는 전기열량 장치(105)의 파라미터들 및/또는 냉각될 공간에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 주파수는 원하는 효율 및/또는 냉각력(cooling power)에 기초하여 변조될 수 있다.
전기열량 장치(105)는 시스템의 다양한 파라미터들을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서(112, 114)를 가질 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 센서(112, 114)는 전기열량 장치(105)의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 제1 센서(112)는 전기열량 장치(105)의 고온측의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 센서(112)는 고온 종단부(hot terminus)(130)에 근접한 전기열량 장치(105)의 일측에 위치될 수 있다. 고온 종단부(130)는 예를 들어 방열 공간 및/또는 유체와 같은 히트 싱크에 근접할 수 있다. 제2 센서(114)는 전기열량 장치(105)의 저온측의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 센서(114)는 저온 종단부(140)에 근접한 전기열량 장치(105)의 일측에 위치될 수 있다. 저온 종단부(140)는 예를 들어 냉각될 물체 및/또는 공간과 같은 열원에 근접할 수 있다. 도 1은 2개의 센서를 도시하지만, 더 많거나 더 적은 센서들이 사용될 수 있고/있거나, 센서들이 도시된 것들 이외의 위치들에 위치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
제어기(150)는 전기열량 장치(105)에 결합되고, 시스템의 컴포넌트들 중 하나 이상을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 제어기(150)는 전압원(120)에 의해 전기열량 재료(110)에 인가되는 전압을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 제어기(150)는 전기열량 재료(110)에 대한 열원(130) 및/또는 히트 싱크(140)의 연결을 제어하도록 구성될 수 있다. 사용자 인터페이스(160)가 제어기(150)에 결합될 수 있고, 전기열량 장치(110)의 다양한 태양들을 제어하기 위해 제어기(150)에 의해 사용될 수 있다.
도 1b는 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 전기열량 장치(105)를 제어하도록 구성된 제어 시스템의 더 상세한 도면을 도시한다. 제어기(150)는 명령어를 실행할 수 있는 임의의 유형의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)는 중앙 처리 유닛(CPU), 그래픽 처리 유닛(GPU), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array, FPGA) 및 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제어기(150)는 전기열량 장치(105)의 제어에 관련된 명령어들을 수신하도록 구성된 수신기(152)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 수신기는 예를 들어 사용자 인터페이스(160)를 통해 공간을 위한 목표 온도를 수신하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어들은 저장 장치(154)에 저장되고, 제어 프로세스의 실행이 요구될 때 메모리(156) 내로 로딩될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 방법들의 단계들은 메모리(156)에 저장된 컴퓨터 프로그램 명령어들에 의해 정의되고, 컴퓨터 프로그램 명령어들을 실행하는 제어기(150)에 의해 제어될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 제어기(150)는 서버 또는 클라우드 기반 서비스의 일부로서 방법 단계들을 수행할 수 있다. 시스템은 네트워크를 통해 다른 장치들과 통신하기 위한 하나 이상의 네트워크 인터페이스(158)를 포함할 수 있다. 시스템은 또한 컴퓨터와의 사용자 상호 작용을 가능하게 하는, 온도 조절 장치(thermostat)와 같은 다른 입력/출력 장치(예를 들어, 디스플레이, 키보드, 마우스, 스피커, 버튼 등)를 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 1b는 예시의 목적을 위한 전기열량 시스템의 가능한 컴포넌트들의 상위 레벨 표현들이고, 시스템은 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
히트 펌프의 바람직한 특징은 고효율로 동작하는 것일 수 있다. 대부분의 냉각 기술은 소정 조건들 - 소정 냉각 부하, 예를 들어 용량 및 온도 상승 -에 대해 최적화된다. 시스템 효율은 통상적으로 목표 온도 상승이 최적의 최대치 미만으로 감소함에 따라 감소한다. 예를 들어, 72℉의 고정된 목표 실내 온도의 경우, 95℉의 실외 온도를 위해 설계된 에어컨은 실외 온도가 단지 80℉일 때 온도 상승이 23℉로부터 8℉로 감소하였음에 따라 덜 효율적으로 동작할 수 있다. 또한, 많은 증기 압축 공기 조화 및 냉장 시스템을 포함한 많은 시스템은 시스템 온도 상승을 변조할 능력을 갖지 않으며, 대신에, 설정점에 대한 온도에 기초하여 켜지고 꺼진다. 동시에, 가변 제어가 더 새로운 시스템들에서 점점 더 보편화되고 있어, 가변 제어가 가능하게 하는 더 높은 효율의 바람직함을 입증한다.
(2개의 등전위 스테이지 및 2개의 등엔트로피 스테이지를 갖는) 브레이턴 사이클, (0-전압 스테이지, 정전하(constant charge) 스테이지, 및 2개의 등엔트로피 스테이지를 갖는) 수정된 오토 사이클, 및/또는 다른 유형들의 사이클들로 동작되는 전기열량 냉각기의 효율은 내부 시스템 온도 상승과 목표 온도 상승 사이의 차이에 의존할 수 있다. 도 2는 브레이턴 사이클(230), 카르노 사이클(210) 및 수정된 오토 사이클(220)에 대한 10도의 내부 시스템 온도 상승에 대한 목표 온도 상승의 함수로서의 열역학적 (카르노) 최대치에 대한 모델링된 시스템 효율을 도시한다. 브레이턴 사이클은 구현하기에 가장 간단하지만 목표 온도에 강한 의존성을 가지므로 바람직한 사이클이다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 목표 온도 상승이 변함에 따라 고효율을 유지하도록 전기열량 냉각기 및/또는 히트 펌프를 동작시키는 수단을 제공한다. 이는 목표 온도 상승의 함수로서 전기열량 커패시터들에 인가되는 전압을 변화시킴으로써 행해진다. 전기열량 재료의 단열 온도 변화는 인가되는 전기장의 강한 함수인데, 이때 더 높은 전압은 더 높은 온도 변화를 유발한다. 예로서, 도 3은 Pb(Sc,Ta)O3 (PST) 전기열량 다층 커패시터의 측정된 단열 온도 변화 대 인가된 전압을 도시한다.
목표 온도 상승이 감소함에 따라 전기열량 커패시터들에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 고효율이 유지될 수 있다. 전기열량 시스템 온도 상승이 직렬의 개별 전기열량 커패시터들의 또는 연속적인 전기열량 "재생기(regenerator)"에 걸친 구배의 조합된 온도 상승일 것이라는 점에 유의한다. 최적의 내부 온도 상승은 응용의 목표 온도 상승과 정확히 동일하지는 않을 것인데, 그 이유는 전기열량 냉각기와 주변 환경(또는 냉각될 임의의 환경) 사이뿐만 아니라 개별적인 전기열량 커패시터 유닛들 자체 사이의 열교환과 연관된 온도 강하들이 존재하기 때문이다.
도 4는 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 고효율을 유지하도록 전기열량 장치를 제어하기 위한 프로세스를 도시한다. 전기열량 장치의 내부 온도 상승이 결정된다(410). 내부 온도 상승은 얼마나 많은 요소가 장치 내에 있는지에 그리고/또는 펌핑되는 열의 양에 의존할 수 있다. 내부 온도 상승은 공지된 파라미터들 및 가정된 열 펌핑력(pumping power)에 기초하여 추정될 수 있다. 예를 들어, 내부 온도 상승은 전기열량 장치의 고온측의 온도와 전기열량 장치의 저온측의 온도 사이의 차이를 알아냄으로써 결정될 수 있다. 온도들은 도 1과 관련하여 기술된 바와 같은 센서들을 사용하여 측정될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 전체 시스템 내부 온도 상승은 장치 내에 얼마나 많은 요소가 있는지 그리고/또는 펌핑되는 열의 양에 의존한다. 내부 온도 상승은 공지된 파라미터들 및 가정된 열 펌핑력에 기초하여 추정될 수 있다. 내부 온도 상승을 결정하는 것은 냉각될 공간의 열 부하 및 전기열량 장치에 인가되는 전압 중 하나 이상에 기초하여 내부 온도 상승을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 구현예들에 따르면, 내부 온도 상승은 전기열량 장치에 인가되는 전압에 기초하여 결정된다. 장치의 열 용량은 내부 온도 상승의 결정된 추정치를 개선하는 데 사용될 수 있다.
냉각될 공간의 현재 온도가 결정된다(420). 이는 냉각될 공간 내에 위치된 하나 이상의 센서를 사용함으로써 행해질 수 있다. 예를 들어, 냉각될 공간의 현재 온도는 냉장고 내부의, 공기 조화되는 차량 및/또는 방 내부의, 그리고/또는 냉각된 전자 장치 내부의 온도 센서들을 사용하여 결정될 수 있다(430). 다양한 구현예들에 따르면, 냉각될 공간의 현재 온도는 예를 들어 전자 장치에 결합된 열교환기의 온도 및/또는 열교환 유체의 온도를 측정함으로써 결정된다.
방열 온도가 결정된다(430). 방열 온도는 열이 방출되는 위치, 예를 들어 시스템의 고온측에서의 온도를 측정함으로써 결정될 수 있다(430). 예를 들어, 방열 온도는 외부 온도, 냉장고 후방의 온도, 및/또는 히트 싱크 상의 온도에 기초하여 결정될 수 있다(430). 다양한 실시예들에 따르면, 방열 온도는 기상 관측소로부터 수신된 현재 날씨 데이터 및/또는 정보에 기초하여 결정된다(430). 방열 온도와 냉각될 공간의 현재 온도 사이의 차이가 결정된다(440).
상기 차이 및 냉각될 공간의 목표 온도에 기초하여 목표 온도 상승이 결정된다(450). 냉각될 공간의 목표 온도는 전기열량 장치에 결합된 온도 조절 장치에 기초하여 결정될 수 있다. 다양한 구현예들에 따르면, 목표 온도는 디폴트 온도에 그리고/또는 공장 설정에 기초한다. 다양한 구현예들에 따르면, 목표 온도 상승은 온도 조절 장치 설정점과 방열 온도 사이의 차이를 결정하는 것을 포함한다.
전기열량 장치에 인가되는 적어도 하나의 전압이 내부 온도 상승 및 목표 온도 상승에 기초하여 변조된다(460). 다양한 실시예들에 따르면, 전기열량 장치에 인가되는 전압을 변조하는 것은 측정된 내부 온도 상승이 목표 온도 상승보다 크거나 그와 실질적으로 동일하도록 전기열량 장치 상에 스위칭 전압을 설정하는 것을 포함한다.
본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 일단 목표 온도에 도달하면, 시스템은 도 5에 도시된 바와 같이 온도를 목표 온도 대역에서 유지하도록 동작한다. 목표 온도가 수신된다(510). 이는 예를 들어 공장 설정 또는 온도 조절 장치로부터의 사용자 입력에 기초할 수 있다. 목표 온도 대역이 확립된다(520). 목표 온도 대역은 사용자 입력 및 공장 설정 중 하나 이상에 기초할 수 있다. 목표 온도에 도달했는지 여부가 결정된다(530). 목표 온도에 도달하지 않았다고 결정되면(530), 시스템은 목표 온도에 도달했는지를 계속 확인한다. 목표 온도에 도달했다고 결정되면(530), 목표 온도 대역을 유지하면서 가능한 한 낮은 전압이 전기열량 장치에 인가된다(540).
더 빠른 냉각 및/또는 가열이 요구될 수 있는 시기가 있을 수 있다. 이러한 더 빠른 냉각 및/또는 가열을 제공하는 것은 효율을 희생하거나 희생하지 않고서 행해질 수 있다. 목표 온도 상승이 임계치보다 큰 경우, 시스템은 목표 온도 상승이 미리 결정된 범위 내에 있을 때까지 더 빠른 냉각 및/또는 가열 프로세스를 개시할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 시스템은 사용자 인터페이스로부터 입력을 수신할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 온도 조절 장치를 사용하여 더 빠른 냉각 및/또는 가열을 요청할 수 있다. 일단 더 빠른 냉각 및/또는 가열에 대한 요청이 수신되면, 전기열량 재료에 인가되는 스위칭 전압이 예를 들어 최대 전압까지 증가될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 최대 전압은 공장 설정일 수 있다. 시스템은 목표 온도 및/또는 온도 대역에 도달할 때까지 더 높은 스위칭 전압을 사용하여 동작할 수 있다.
전기열량 장치의 스위칭 주파수는 또한 예를 들어 열 부하에 기초하여 장치의 효율을 증가시키도록 변조될 수 있다. 도 6은 본 명세서에 기술된 실시예들에 따른, 전기열량 장치의 스위칭 주파수를 변조하기 위한 프로세스를 도시한다. 전기열량 장치의 하나 이상의 온도 변화율 및 공간의 온도 변화율이 측정된다(610). 이는 전기열량 장치 내의 그리고/또는 그 상의 온도 센서들 및/또는 냉각될 공간 내의 온도 센서들을 사용함으로써 행해질 수 있다. 냉각될 공간의 열 부하가 측정된 온도 변화율에 기초하여 결정된다(620). 전기열량 장치의 스위칭 주파수가 냉각될 공간의 열 부하에 기초하여 변조된다(630).
본 명세서에 기술된 실시예들에 따르면, 전기열량 장치의 스위칭 주파수는 목표 온도에 도달하기 전 및/또는 후에 변조된다. 다양한 실시예들에 따르면, 스위칭 주파수는 전기열량 장치에 인가되는 전압을 변조하는 것과 동시에 변조된다. 일부 구현예들에서, 스위칭 주파수는 전압 변조와 별개로 변조된다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 더 빠른 냉각 및/또는 가열이 요구될 수 있는 시기가 존재할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 온도 조절 장치를 사용하여 더 빠른 냉각 및/또는 가열을 요청할 수 있다. 일단 더 빠른 냉각 및/또는 가열에 대한 요청이 수신되면, 전기열량 재료에 인가되는 스위칭 주파수가 증가될 수 있다. 스위칭 주파수는 최대 스위칭 주파수까지 증가될 수 있다. 최대 스위칭 주파수는 예를 들어 공장 설정일 수 있다. 최대 동작 주파수는 충분한 냉각 용량을 제공하면서 유지될 수 있는 최대 스위칭 주파수에 기초할 수 있다. 시스템은 목표 온도 및/또는 온도 대역에 도달할 때까지 더 높은 주파수를 사용하여 동작할 수 있다. 목표 온도에 도달한 후에, 목표 온도 대역을 유지하면서 가능한 한 낮은 전기열량 장치의 스위칭 주파수가 유지된다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 상기의 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 종점(endpoint)에 의한 수치 범위의 사용은 그 범위 내의 모든 수치(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함) 및 그 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.
위에서 논의된 실시예의 다양한 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 독자는, 달리 지시되지 않는 한, 하나의 개시된 실시예의 특징이 또한 다른 개시된 실시예들 모두에 적용될 수 있다고 생각하여야 한다. 본 명세서에 언급된 모든 미국 특허, 특허 출원, 특허 출원 공보, 및 다른 특허 및 비-특허 문헌이, 상기의 개시 내용과 모순되지 않는 정도로, 참고로 포함된다는 것이 또한 이해되어야 한다.

Claims (22)

  1. 전기열량(electrocaloric) 시스템을 동작시키기 위한 방법으로서,
    전기열량 장치의 내부 온도 상승을 결정하는 단계;
    냉각될 공간의 현재 온도를 결정하는 단계;
    방열(heat rejection) 온도를 결정하는 단계;
    상기 현재 온도와 상기 방열 온도 사이의 차이를 결정하는 단계;
    상기 차이 및 상기 공간을 위한 목표 온도에 기초하여 목표 온도 상승을 결정하는 단계; 및
    상기 내부 온도 상승 및 상기 목표 온도 상승에 기초하여 상기 전기열량 장치에 인가되는 전압을 변조하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기열량 장치의 상기 내부 온도 상승을 결정하는 단계는 상기 전기열량 장치의 상이한 위치들에서 적어도 2개의 온도들을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기열량 장치의 상기 내부 온도 상승을 결정하는 단계는 상기 전기열량 장치에 인가되는 상기 전압에 기초하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방열 온도를 결정하는 단계는 열이 방출되는 위치에서 온도를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방열 온도를 결정하는 단계는 현재 날씨 데이터에 기초하여 상기 방열 온도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 목표 온도 상승을 결정하는 단계는 온도 조절 장치(thermostat) 설정점과 상기 방열 온도 사이의 차이를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기열량 장치에 인가되는 전압을 변조하는 단계는 결정된 내부 온도 상승이 상기 목표 온도 상승보다 크거나 그와 실질적으로 동일하도록 상기 전기열량 장치 상에 스위칭 전압을 설정하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    빠른 냉각이 요청되는 것을 나타내는 입력을 사용자로부터 수신하는 단계; 및
    사용자 입력에 기초하여 스위칭 전압을 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    목표 온도 대역을 확립하는 단계; 및
    상기 목표 온도에 도달한 후에, 상기 목표 온도 대역을 유지하면서 가능한 한 낮은 전압을 상기 전기열량 장치에 인가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 목표 온도 대역은 공장 설정들 및 사용자 입력 중 하나 이상에 기초하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 냉각될 공간의 열 부하를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공간의 열 부하를 결정하는 단계는 상기 전기열량 장치의 하나 이상의 온도 변화율 및 상기 공간의 온도 변화율을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 냉각될 공간의 상기 열 부하에 기초하여 상기 전기열량 장치의 스위칭 주파수를 변조하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 스위칭 주파수를 변조하는 단계는 상기 목표 온도에 도달한 후에 동작 주파수를 변조하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 스위칭 주파수를 변조하는 단계는 상기 전기열량 장치에 인가되는 전압을 변조하는 단계와 동시에 행해지는, 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    빠른 냉각이 요청되는 것을 나타내는 입력을 사용자로부터 수신하는 단계; 및
    사용자 입력에 기초하여 상기 전기열량 장치의 스위칭 주파수를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    목표 온도 대역을 확립하는 단계; 및
    상기 목표 온도에 도달한 후에, 상기 목표 온도 대역을 유지하면서 가능한 한 낮은 상기 전기열량 장치의 스위칭 주파수를 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 내부 온도 상승을 결정하는 단계는, 상기 냉각될 공간의 상기 열 부하 및 상기 전기열량 장치에 인가되는 상기 전압 중 하나 이상에 기초하여 상기 내부 온도 상승을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 전기열량 시스템으로서,
    전기열량 장치;
    상기 전기열량 장치에 전압을 인가하도록 구성된 전압원; 및
    제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 전기열량 장치의 내부 온도 상승을 결정하고,
    냉각될 공간의 현재 온도를 결정하고,
    방열 온도를 결정하고,
    상기 현재 온도와 상기 방열 온도 사이의 차이를 결정하고,
    상기 차이 및 상기 공간을 위한 목표 온도에 기초하여 목표 온도 상승을 결정하고,
    상기 내부 온도 상승 및 상기 목표 온도 상승에 기초하여 상기 전기열량 장치에 인가되는 상기 전압을 변조하도록 구성되는, 전기열량 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 사용자로부터 입력을 수신하도록 구성된 사용자 인터페이스를 더 포함하는, 전기열량 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제어기는 결정된 내부 온도 상승이 상기 목표 온도 상승보다 크거나 그와 실질적으로 동일하도록 상기 전기열량 장치 상에 스위칭 전압을 설정함으로써 상기 전기열량 장치에 인가되는 상기 전압을 변조하도록 구성되는, 전기열량 시스템.
  22. 전기열량 시스템으로서,
    전기열량 장치;
    스위칭 주파수에서 상기 전기열량 장치에 전압을 인가하도록 구성된 전압원; 및
    제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    전기열량 장치의 하나 이상의 온도 변화율 및 냉각될 공간의 온도 변화율을 측정하고,
    측정된 온도 변화율에 기초하여 냉각될 상기 공간의 열 부하를 결정하고,
    상기 냉각될 공간의 상기 열 부하에 기초하여 상기 전기열량 장치의 상기 스위칭 주파수를 변조하도록 구성되는, 전기열량 시스템.
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