KR20190122848A - 열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처 - Google Patents

열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처 Download PDF

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KR20190122848A
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다니엘 바루스
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포노닉, 인크.
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Abstract

열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처 및 이러한 디바이스를 동작시키는 방법이 본 명세서에서 제공된다. 스위치 아키텍처는 하나 이상의 전력 공급부로부터 전력을 수신하도록 동작 가능한 하나 이상의 입력부를 포함한다. 스위치 아키텍처는 또한 열전 디바이스의 각각의 채널에 전력을 제공하도록 동작 가능한 다수의 출력부를 포함한다. 스위치 아키텍처는 또한 하나 이상의 입력부를 출력부에 연결하도록 동작 가능한 다수의 솔리드 스테이트 스위치, 및 열전 디바이스의 다중 모드의 동작을 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능한 제어기를 포함한다. 이러한 방식으로, 열전 디바이스는 보다 효율적인 방식으로 동작되는 동시에, 스위치 아키텍처의 크기를 감소시키고 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 또한, 이것은 표준 및 저렴한 전력 공급부의 사용을 가능하게 한다. 이것은 비용이 상당히 절감되고 신뢰성을 증가시킬 수 있다.

Description

열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처
관련 출원
본 출원은 그 개시내용이 그 전체에 있어서 참고로 본 명세서에 통합되는 2017년 3월 10일자로 출원된 미국 가출원 제62/470,003호에 대해 우선권을 주장한다.
개시내용의 분야
본 발명은 열전 디바이스 및 이의 동작에 관한 것이다.
열전 디바이스는 특정 용도에 의존하여 열전 냉각기(Thermoelectric Cooler: TEC) 또는 열전 발전기(Thermoelectric Generator: TEG)일 수 있는 솔리드 스테이트 반도체 디바이스이다. TEC는 디바이스의 한쪽 측면으로부터 다른쪽 측면으로 열을 전달하도록 펠티에(Peltier) 효과를 이용하고, 이에 의해 디바이스의 저온측에 냉각 효과를 생성하는 솔리드 스테이트 반도체 디바이스이다. 열전달 방향이 인가된 전압의 극성에 의해 결정되기 때문에, 열전 디바이스는 일반적으로 온도 제어기로서 사용될 수 있다. 유사하게, TEG는 열(즉, 디바이스의 한쪽 측면으로부터 다른쪽 측면으로의 온도 차이)을 전기 에너지로 직접 변환하도록 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하는 솔리드 스테이트 반도체 디바이스이다. 열전 디바이스는 적어도 하나의 N-형 레그 및 적어도 하나의 P-형 레그를 포함한다. N-형 레그 및 P-형 레그는 열전 재료(즉, 충분히 강한 열전 특성을 갖는 반도체 재료)로 형성된다. 열전 냉각을 수행하기 위해, 전류가 열전 디바이스에 인가된다. N-형 레그 및 P-형 레그에서의 전류 전달의 방향은 열전 디바이스에서의 열전달의 방향에 평행하다. 그 결과, 냉각이 열전 디바이스의 상부 표면에서 발생하고, 열은 열전 디바이스의 저부 표면에서 방출된다.
열전 디바이스를 사용하는 열전 시스템은 움직이는 기계적인 부품이 없고 수명이 길고 작은 크기 및 가요성 형상을 가질 수 있기 때문에, 비열전 시스템과 비교하여 유익하다. 그러나, 열전 디바이스는 여전히 증가된 성능과 보다 긴 수명을 가질 필요가 있다.
열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처(solid-state switch architecture) 및 이러한 디바이스를 동작시키는 방법이 본 명세서에 제공된다. 일부 실시형태에서, 열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 스위치 아키텍처는 하나 이상의 전력 공급부로부터 전력을 수신하도록 동작 가능한 하나 이상의 입력부를 포함한다. 스위치 아키텍처는 또한 열전 디바이스의 각각의 채널에 전력을 제공하도록 동작 가능한 다수의 출력부를 포함한다. 스위치 아키텍처는 또한 하나 이상의 입력부를 출력부에 연결하도록 동작 가능한 다수의 솔리드 스테이트 스위치, 및 열전 디바이스의 다중 모드의 동작을 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능한 제어기를 포함한다. 이러한 방식으로, 열전 디바이스는 보다 효율적인 방식으로 동작되는 동시에, 스위치 아키텍처의 크기를 감소시키고 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 또한 이것은 표준 및 저렴한 전력 공급부의 사용을 가능하게 할 수 있다. 이것은 비용에서의 상당한 절감 및 신뢰성에서의 증가를 유발할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제어기는 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 직렬로 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능하다. 일부 실시형태에서, 제어기는 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 병렬로 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능하다.
일부 실시형태에서, 제어기는 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 제공하도록 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능하다. 일부 실시형태에서, 제어기는 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도(set point temperature)를 포함하는 정상 상태 범위(steady state range)를 초과할 때 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 제공하도록 동작 가능하다.
일부 실시형태에서, 제어기는 열전 디바이스의 고효율 모드의 동작을 제공하도록 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능하다. 일부 실시형태에서, 제어기는 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위 내에 있을 때 열전 디바이스의 고효율 모드의 동작을 제공하도록 동작 가능하다.
일부 실시형태에서, 열전 디바이스는 다수의 열전 냉각기를 포함하고, 열전 디바이스의 채널은 열전 냉각기의 다수의 상이한 서브 세트의 선택적 제어를 가능하게 하는 상호 연결 기판 상에 배치된다.
일부 실시형태에서, 카트리지는 스위치 아키텍처 및 열전 디바이스를 포함한다.
일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치의 각각은 트랜지스터이다. 일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치의 각각은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이다.
일부 실시형태에서, 열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법은 열전 디바이스의 제1 모드의 동작을 결정하는 단계 및 열전 디바이스의 제1 모드의 동작을 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 또한 제1 모드의 동작과 다른 열전 디바이스의 제2 모드의 동작을 결정하는 단계, 및 열전 디바이스의 제2 모드의 동작을 제공하도록 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 직렬로 제공하도록 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 병렬로 제공하도록 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 제공하도록 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 모드의 동작 또는 제2 모드의 동작을 결정하는 단계는 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위를 초과할 때 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 열전 디바이스의 고효율 모드의 동작을 제공하도록 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 모드의 동작 또는 제2 모드의 동작을 결정하는 단계는 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위 내에 있을 때를 결정하는 단계를 포함한다.
당업자라면 첨부 도면과 관련하여 바람직한 실시형태의 다음의 상세한 설명을 읽은 후에 본 개시내용의 범위를 인식하고 그 추가의 양태를 실현할 것이다.
본 명세서에 통합되고 그 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 여러 양태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 냉각 챔버, 저온측 히트 싱크(cold side heat sink)와 고온측 히트 싱크(hot side heat sink) 사이에 배치된 적어도 하나의 열전 모듈(Thermoelectric Module: TEM)을 포함하는 열교환기, 및 TEM을 제어하는 제어기를 갖는 열전 냉동 시스템을 도시한 도면;
도 2A 내지 도 2C는 디바이스의 다수의 채널을 병렬로 구동하기 위한 아키텍처를 도시한 도면;
도 3A 내지 도 3C는 디바이스의 다수의 채널을 직렬로 구동하기 위한 아키텍처를 도시한 도면;
도 4는 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처를 도시한 도면;
도 5a는 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 디바이스의 다수의 채널을 병렬로 구동하기 위한 도 4의 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처의 구성을 도시한 도면;
도 5b는 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 디바이스의 다수의 채널을 직렬로 구동하기 위한 도 4의 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처의 구성을 도시한 도면;
도 6은 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 도 4의 열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처를 동작시키기 위한 프로세스를 도시한 도면; 및
도 7은 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 TEC의 어레이에 있는 TEC의 다수의 상이한 서브 세트의 선택적 제어를 가능하게 하는 상호 연결 기판 상에 배치된 다수의 채널에서 다수의 TEC를 포함하는 디바이스의 도면.
이하에 설명된 실시형태는 당업자가 실시형태를 실시하고 실시형태를 실시하는 최상의 모드를 예시하는 것을 가능하게 하도록 필요한 정보를 나타낸다. 첨부 도면을 고려하여 다음의 설명을 읽으면, 당업자는 본 발명의 개념을 이해하고, 본 명세서에서 특별히 언급되지 않은 이들 개념의 적용을 인식할 것이다. 이들 개념 및 적용은 본 발명 및 첨부된 청구항들의 범위 내에 속한다는 것을 이해해야 한다.
제1, 제2 등의 용어가 본 명세서에서 다양한 요소를 설명하기 위해 사용될 수 있을지라도, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1 요소는 본 발명의 권리 범위를 벗어남이 없이, 제2 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 요소도 제1 요소로 명명될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 관련된 열거 항목 중 하나 이상의 일부 및 모든 조합을 포함한다.
"아래" 또는 "위" 또는 "상부" 또는 "하부" 또는 "수평" 또는 "수직"과 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 바와 같이 다른쪽 요소, 층 또는 영역에 대한 한쪽 요소, 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 이들 용어 및 상기 논의된 용어는 도면에 도시된 배향 외에 디바이스의 상이한 배향을 망라하는 것으로 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시형태만을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 단수 표현은 문맥 상 명백하게 다르게 나타내지 않으면 복수를 포함한다. "포함한다", "포함하는", "구비한다" 및/또는 "구비하는"이라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때 언급된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 컴포넌트의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
달리 한정되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들이 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 본 명세서에서 사용된 용어는 이러한 명세서 및 관련 기술에서의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명시적으로 한정되지 않는 한 이상적이거나 지나치게 공식적인 의미로 해석되지 않아야 한다는 것을 이해할 것이다.
특정 실시형태를 논의하기 전에, 이러한 실시형태가 사용될 수 있는 예시적인 시스템이 논의된다. 도 1은 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 냉각 챔버(12), 저온측 히트 싱크(20)와 고온측 히트 싱크(18) 사이에 배치된 적어도 하나의 열전 모듈(TEM)(22)(본 명세서에서 단수로서 TEM(22) 또는 복수의 TEM(22)으로서 지칭됨)을 포함하는 열교환기(14), 및 TEM(22)을 제어하는 제어기(16)을 갖는 열전 냉동 시스템(10)을 도시한다. TEM(22)이 냉각을 제공하기 위해 사용될 때, 이것은 때때로 열전 냉각기(TEC)(22)로서 지칭될 수 있다.
TEM(22)은 바람직하게 박막 디바이스이다. TEM(22) 중 하나 이상이 제어기(16)에 의해 활성화될 때, 활성화된 TEM(22)은 고온측 히트 싱크(18)를 가열하고 저온측 히트 싱크(20)를 냉각하도록 동작하고, 이에 의해 냉각 챔버(12)로부터 열을 추출하도록 열 전달을 용이하게 한다. 보다 구체적으로, TEM(22) 중 하나 이상이 활성화될 때, 본 발명의 일부 실시형태에 따라서, 고온측 히트 싱크(18)는 가열되어 증발기를 생성하고, 저온측 히트 싱크(20)는 냉각되어 응축기를 생성한다.
응축기로서 작용하는 저온측 히트 싱크(20)는 저온측 히트 싱크(20)와 결합된 수용 루프(accept loop)(24)를 통해 냉각 챔버(12)로부터 열 추출을 용이하게 한다. 수용 루프(24)는 열전 냉동 시스템(10)의 내벽(26)에 열적으로 결합된다. 내벽(26)은 냉각 챔버(12)를 한정한다. 한 실시형태에서, 수용 루프(24)는 내벽(26)에 통합되거나, 또는 내벽(26)의 표면에 직접 통합된다. 수용 루프(24)는 냉각 매체(예를 들어, 2-상 냉각제)가 수용 루프(24)를 통해 유동하거나 통과하는 것을 가능하게 하는 임의의 유형의 배관에 의해 형성된다. 수용 루프(24)와 내벽(26)의 열적 결합으로 인해, 냉각 매체는 냉각 매체가 수용 루프(24)를 통해 유동함에 따라서 냉각 챔버(12)로부터 열을 추출한다. 수용 루프(24)는 예를 들어 구리 배관, 플라스틱 배관, 스테인리스강 배관, 알루미늄 배관 등으로 형성될 수 있다.
증발기로서 작용하는 고온측 히트 싱크(18)는 고온측 히트 싱크(18)에 결합된 거절 루프(reject loop)(28)를 통해 냉각 챔버(12) 외부 환경으로의 열의 폐기를 용이하게 한다. 거절 루프(28)는 열전 냉동 시스템(10)의 외벽(30) 또는 외피에 열적으로 결합된다.
냉각 챔버(12)로부터 열을 제거하기 위한 열적 및 기계적 프로세스는 더 이상 논의되지 않는다. 또한, 도 1에 도시된 열전 냉동 시스템(10)은 TEM(22)의 사용 및 제어의 특정 실시형태일뿐이라는 점에 유의해야 한다. 본 명세서에서 논의된 모든 실시형태는 열전 냉동 시스템(10)뿐만 아니라 TEM(22)의 임의의 다른 용도에 적용되는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에 도시된 예시적인 실시형태에 계속하여, 제어기(16)는 냉각 챔버(12) 내에서 필요한 설정 온도를 유지하기 위해 TEM(22)을 제어하도록 동작한다. 일반적으로, 제어기(16)는 TEM(22)을 선택적으로 활성화/비활성화시키고, TEM(22)에 제공되는 전력량을 선택적으로 제어하고, 및/또는 필요한 설정 온도를 유지하도록 TEM(22)의 듀티 사이클을 선택적으로 제어하도록 동작한다. 또한, 바람직한 실시형태에서, 제어기(16)는 TEM(22)의 하나 이상의, 일부 실시형태에서 2개 이상의 서브 세트를 개별적으로 또는 독립적으로 제어하는 것이 가능하게 되며, 각각의 서브 세트는 하나 이상의 상이한 TEM(22)을 포함한다. 그러므로, 예로서, 4개의 TEM(22)이 있으면, 제어기(16)는 제1 개별 TEM(22), 제2 개별 TEM(22), 및 2개의 TEM(22)의 그룹을 개별적으로 제어하는 것이 가능하게 될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 제어기(16)는 예를 들어 수요에 따라 최대 효율로 독립적으로 1개, 2개, 3개 또는 4개의 TEM(22)을 선택적으로 활성화시킨다.
열전 냉동 시스템(10)은 단지 예시적인 구현이며, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 마찬가지로 열전 디바이스의 다른 용도에 적용 가능하다는 점에 유의해야 한다.
열전 디바이스를 사용하는 열전 시스템은 움직이는 기계적인 부품이 없고 수명이 길고 작은 크기 및 가요성 형상을 가질 수 있기 때문에, 비열전 시스템과 비교하여 유익하다. 그러나, 열전 디바이스는 여전히 증가된 성능과 보다 긴 수명을 가질 필요가 있다.
도 2A 내지 도 2C는 디바이스의 다수의 채널을 병렬로 구동하기 위한 아키텍처를 도시한다. 교류(AC) 또는 직류(DC) 오프라인 전력 공급부(32)는 디바이스(36)에 전력을 차례로 제공하는 DC-DC 컨버터(34)로 전력을 출력한다. 도시된 바와 같이, 디바이스(36)는 병렬로 전력이 공급되는 2개의 채널을 포함한다. 이러한 DC-DC 컨버터(34)는 부피가 크거나 비쌀 수 있다. 도 2A는 DC-DC 컨버터(34)가 디바이스(36)에 전력을 공급하기 위해 가변 DC 전압을 제공할 수 있는 예를 도시한다. 이러한 유형의 가변성은 비싸고 효율을 위해 조정하는 것이 어려울 수 있다. 도 2B 및 도 2C는 디바이스(36)에 필요한 양의 전력을 제공하도록 사용되는 펄스 폭 변조(PWM)의 예를 도시한다. PWM이 전형적으로 일부 높은 값과 일부 낮은(예를 들어, 0) 값 사이에서 스위칭되기 때문에, 디바이스(36)의 실제 효율은 제공된 평균 전력량이 아니라 그 높은 값과 낮은 값에 의해 결정된다. 이것은 오프 기간 동안 낮은 효율의 전력 레벨 및 열 누출로 이어질 수 있다.
도 3A 내지 도 3C 디바이스의 다수의 채널을 직렬로 구동하기 위한 아키텍처를 도시한다. 다시, AC 또는 DC 오프라인 전력 공급부(32)는 디바이스(36)에 전력을 차례로 제공하는 DC-DC 컨버터(34)로 전력을 출력한다. 도시된 바와 같이, 디바이스(36)는 직렬로 전력이 공급되는 2개의 채널을 포함한다. 다시, 이러한 DC-DC 컨버터(34)는 부피가 크거나 비쌀 수 있다. 도 3A는 DC-DC 컨버터(34)가 디바이스(36)에 전력을 공급하기 위해 가변 DC 전압을 제공할 수 있는 예를 도시한다. 이러한 유형의 가변성은 비싸고 효율을 위해 조정하는 것이 어려울 수 있다. 도 3B 및 도 3C는 디바이스(36)에 필요한 양의 전력을 제공하도록 사용되는 PWM의 예를 도시한다. 다시, PWM이 전형적으로 일부 높은 값과 일부 낮은(예를 들어, 0) 값 사이에서 스위칭되기 때문에, 디바이스(36)의 실제 효율은 제공되는 평균 전력량이 아니라 그 높은 값과 낮은 값에 의해 결정된다. 이것은 오프 기간 동안 낮은 효율의 전력 레벨 및 열 누출로 이어질 수 있다.
냉각 적용에서의 열전 디바이스는 DC 전압을 사용하여 동작된다. 열 펌핑을 변경하도록, 이러한 DC 전압 레벨이 증가되거나, 감소되거나 또는 PWM이다. 전압 레벨을 변경하는 것은 잠재적 불안정성과 복잡성을 도입할 수 있는 관련 전압 조절기의 제어 루프에 대한 액세스, 또는 벌크 전압에 2차 DC-DC 조절기(들)의 추가를 요구한다. PWM은 최대 성능 계수(Coefficient of Performance, COP)와 동작 곡선의 최대 Q 지점 모두에서 열전 디바이스의 동작을 허용하지 않는다(디바이스의 성능이 이에 적용되는 순간 전압에 의존하기 때문에).
열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처 및 이러한 디바이스를 동작시키는 방법이 본 명세서에 제공된다. 도 4는 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 열전 디바이스(40)의 다중 모드 동작에 대한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처(38)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열전 디바이스(40)의 다중 모드 동작을 위한 스위치 아키텍처(38)는 하나 이상의 전력 공급부(42)로부터 전력을 수신하도록 동작 가능한 하나 이상의 입력부를 포함한다. 스위치 아키텍처(38)는 또한 열전 디바이스(40)의 각각의 채널에 전력을 제공하도록 동작 가능한 다수의 출력부를 포함한다.
스위치 아키텍처(38)는 또한 하나 이상의 입력부를 출력부에 연결하도록 동작 가능한 다수의 솔리드 스테이트 스위치(44), 및 열전 디바이스(40)의 다수의 동작 모드를 제공하도록 솔리드 스테이트 스위치(44-1 내지 44-N)(단순성을 위해, 이것은 때때로 스위치(44)들 또는 스위치(44)로서 지칭됨)를 토글링하도록 동작 가능한 제어기(46)를 포함한다. 이러한 방식으로, 열전 디바이스(40)는 보다 효율적으로 동작되는 동시에, 스위치 아키텍처(38)의 크기를 감소시키고 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 또한, 이것은 표준 및 더욱 저렴한 전력 공급부(42)의 사용을 허용할 수 있다. 이것은 상당한 비용 절감 및 신뢰성 증가를 유발할 수 있다.
일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치의 각각은 트랜지스터이다. 일부 실시형태에서, 솔리드 스테이트 스위치의 각각은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이다.
일부 실시형태에서, 제안된 솔리드 스테이트 전자 회로 아키텍처는 관련 열전 펌프 디바이스(다음에 설명되는 바와 같은)와 조합하여, 전력 공급부(42)에 의해 제공되는 벌크 전압 레벨을 변화시킬 필요없이 최대 COP 및 최대 Q 모드 모두에서 디바이스의 동작을 허용한다.
일부 실시형태에서, 제어기(46)는 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 병렬로 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치를 토글하도록 동작 가능하다. 도 5a는 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 열전 디바이스(40)의 다수의 채널을 병렬로 구동하기 위하여 도 4의 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처(38)의 구성을 도시한다. 이 예에서, 스위치(44-1 및 44-N)는 폐쇄되어, 전류가 이러한 스위치를 통해 흐르는 것을 가능하게 한다. 반대로, 스위치(44-2 및 44-3)는 개방되어, 전류가 이러한 스위치를 통해 흐르는 것을 막는다. 이것은 열전 디바이스(40)의 채널 1과 채널 N을 병렬로 연결한다. 이러한 예에서, 이것은 각각의 채널에 가장 많은 전류를 제공하고, 열전 디바이스(40)의 고용량 모드의 동작이도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(46)는 열전 디바이스(40)에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위를 초과할 때 열전 디바이스(40)의 고용량 모드의 동작을 제공하도록 동작 가능하다.
일부 실시형태에서, 제어기(46)는 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 직렬로 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치(44)를 토글링하도록 동작 가능하다. 도 5b는 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 디바이스의 다수의 채널을 직렬로 구동하기 위한 도 4의 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처의 구성을 도시한다. 이러한 예에서, 스위치(44-2 및 44-3)는 폐쇄되어, 전류가 이러한 스위치를 통해 흐르는 것을 가능하게 한다. 반대로, 스위치(44-1 및 44-4)는 개방되어, 전류가 이러한 스위치를 통해 흐르는 것을 막는다. 이것은 열전 디바이스(40)의 채널 1과 채널 N 모두를 직렬로 연결한다. 이러한 예에서, 이것은 각각의 채널에 최소 전류를 제공하고, 열전 디바이스(40)의 고효율 모드의 동작이도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기는 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위 내에 있을 때 열전 디바이스의 고효율 모드의 동작을 제공하도록 동작 가능하다.
단지 2개의 채널만이 도시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 실시형태는 이에 제한되지 않는다는 점에 유의한다. 예를 들어, 임의의 수의 채널이 있을 수 있으며, 일부는 직렬로 연결되는 반면에, 다른 채널은 병렬로 연결될 수 있다. 이것은 열전 디바이스(40)의 많은 다양한 모드의 동작을 가능하게 한다.
도 6은 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 도 4의 열전 디바이스(40)의 다중 모드 동작을 위한 솔리드 스테이트 스위치 아키텍처(38)를 동작시키기 위한 프로세스를 도시한다. 먼저, 제어기(46)는 열전 디바이스(40)의 제1(또는 후속) 모드의 동작을 결정한다(단계 100). 그런 다음, 제어기(46)는 열전 디바이스(40)의 제1(또는 후속) 모드의 동작을 제공하기 위해 솔리드 스테이트 스위치(44) 중 하나 이상을 토글링한다(단계 102). 도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 프로세스는 그런 다음 제어기(46)가 열전 디바이스(40)의 후속(예를 들어, 제2) 모드의 동작을 결정함에 따라서 반복될 수 있다. 일부 실시형태에서, 열전 디바이스(40)의 이러한 모드의 동작은 그 전체에 있어서 참고로 본 명세서에 통합되는 "CARTRIDGE FOR MULTIPLE THERMOELECTRIC MODULES"라는 명칭의 미국 특허 공개 제2013/0291560호에서 논의된 임의의 모드일 수 있다.
일부 실시형태에서, 열전 디바이스(40)는 다수의 열전 냉각기를 포함하고, 열전 디바이스의 채널은 열전 냉각기의 다수의 상이한 서브 세트의 선택적 제어를 가능하게 하는 상호 연결 기판 상에 배치된다.
도 7은 본 명세서에 개시된 일부 실시형태에 따른 TEC 어레이에 있는 TEC의 다수의 상이한 서브 세트의 선택적 제어를 가능하게 하는 상호 연결 기판 상에 배치된 다수의 채널에 다수의 TEC를 포함하는 디바이스의 도면이다. 도 7의 실시형태에서, 카트리지(48)는 상호 연결 기판(52) 상에 배치된 TEC(50a 내지 50f)(보다 총체적으로 TEC(50)들, 및 개별적으로 TEC(50)로 본 명세서에서 지칭됨)를 포함한다. TEC(50)는 박막 디바이스이다. 박막 TEC의 일부 비제한적인 예는 그 전체에 있어서 참고로 본 명세서에 통합되는 "METHOD FOR THIN FILM THERMOELECTRIC MODULE FABRICATION"이라는 명칭의 미국 특허 제8,216,871호에서 개시되어 있다.
상호 연결 기판(52)은 TEC(50a 내지 50f)의 4개의 서브 세트를 한정하는 전기 전도성 채널(54a 내지 54d)(보다 일반적으로, 본 명세서에서 총체적으로 채널(54)들 및 개별적으로 채널(54)로 지칭됨)을 포함한다. 특히, TEC(50a 및 50b)는 채널(54a)을 통해 서로 직렬로 전기적으로 연결되고, 따라서 TEC(50)의 제1 서브 세트를 형성한다. 마찬가지로, TEC(50c 및 50d)는 채널(54b)을 통해 서로 직렬로 전기적으로 연결되고, 이에 따라 TEC(50)의 제2 서브 세트를 형성한다. TEC(50e)는 채널(54d)에 연결되고, 이에 따라 TEC(50)의 제3 서브 세트를 형성하고, TEC(50f)는 채널(54c)에 연결되고, 이에 따라 TEC(50)의 제4 서브 세트를 형성한다. 제어기(46)는 특별한 순서로, 채널(54a)에 인가된 전류를 제어하는 것에 의해 TEC(50)의 제1 서브 세트(즉, TEC(50a 및 50b))를 선택적으로 제어하고, 채널(54b)에 인가된 전류를 제어하는 것에 의해 TEC(50)의 제2 서브 세트(즉, TEC(50c 및 50d))를 선택적으로 제어하고, 채널(54d)에 인가된 전류를 제어하는 것에 의해 TEC(50)의 제3 서브 세트(즉, TEC(50e))를 선택적으로 제어하고, 채널(54c)에 인가되는 전류를 제어하는 것에 의해 TEC(50)의 제4 서브 세트(즉, TEC(50f))를 선택적으로 제어한다. 그러므로, 예로서 TEC(50a 및 50b)를 사용하여, 제어기(46)는 채널(54a)로부터 전류를 제거하거나(비활성화) 또는 채널(54a)에 전류를 인가하는(활성화) 것에 의해 TEC(50a 및 50b)를 선택적으로 활성화/비활성화시킬 수 있으며, TEC(50a 및 50b)가 활성화되는 동안 채널(54a)에 인가된 전류를 선택적으로 증가시키거나 또는 감소시키고 및/또는 채널(54a)에 인가되는 전류를 제어한다.
일부 실시형태에서, 상호 연결 기판(52)은 TEC(50a 내지 50f)의 저부 표면을 노출시키는 개구(56a 및 56b)(본 명세서에서 총체적으로 개구(56)들 및 개별적으로 개구(56)로 지칭됨)를 포함한다. 고온측 히트 싱크와 저온측 히트 싱크 사이에 배치될 때, 개구(56a 및 56b)는 TEC(50a 내지 50f)의 저부 표면이 적절한 히트 싱크에 열적으로 결합되는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 동작 동안, 제어기(46)는 대응하는 채널(54a 내지 54d)로부터 전류를 인가하거나 또는 제거하는 것에 의해 TEC(50)의 서브 세트의 임의의 조합을 선택적으로 활성화시키거나 또는 비활성화시킬 수 있다. 또한, 제어기(46)는 대응하는 채널(54a 내지 54d)에 제공되는 전류의 양을 제어하는 것에 의해 활성 TEC(50)의 동작 지점을 제어할 수 있다. 예를 들어, TEC(50)의 제1 서브 세트 만이 정상 상태 동작 동안 QCOPmax에서 활성화되고 동작되면, 제어기(46)는 전류(ICOPmax)를 채널(54a)에 제공하고, 이에 의해 TEC(50a 및 50b)를 활성화시키고 QCOPmax에서 TEC(50a 및 50b)를 동작시키며, 다른 채널(54b 내지 54d)로부터 전류를 제거하고, 이에 의해 다른 TEC(50c 내지 50f)를 비활성화시킨다.
도 7을 참조하여 도시된 실시형태에서, 카트리지(48)는 TEC(50a 내지 50f)를 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 카트리지(48)는 임의의 수의 TEC(50)를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 카트리지(48)는 스위치 아키텍처(38) 및 열전 디바이스(40)(예를 들어, TEC(50))을 포함한다. 이것은 카트리지(48)가 덜 복잡하고 저렴할 수 있는 표준 전력 공급부(42)와 함께 사용되는 것을 가능하게 하였을 것이다. 추가적으로, 스위치 아키텍처(38)가 솔리드 스테이트이기 때문에, 카트리지(48)에서의 포함은 카트리지(48)의 크기 또는 내구성에 큰 영향을 미치지 않을 것이다.
당업자는 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 개선 및 변경을 인식할 것이다. 이러한 모든 개선 및 변경은 본 명세서에 개시된 개념 및 다음의 청구범위의 범위 내에서 고려된다.

Claims (20)

  1. 열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 스위치 아키텍처(switch architecture)로서,
    하나 이상의 전력 공급부로부터 전력을 수신하도록 동작 가능한 하나 이상의 입력부;
    상기 열전 디바이스의 각각의 복수의 채널에 전력을 제공하도록 동작 가능한 복수의 출력부;
    상기 하나 이상의 입력부를 상기 복수의 출력부에 연결하도록 동작 가능한 복수의 솔리드 스테이트 스위치; 및
    상기 열전 디바이스의 다중 모드의 동작을 제공하기 위해 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능한 제어기를 포함하는, 스위치 아키텍처.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 복수의 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 직렬로 제공하기 위해 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능한, 스위치 아키텍처.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 복수의 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 병렬로 제공하기 위해 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능한, 스위치 아키텍처.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 제공하도록 상기 복수의 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 제공하기 위해 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능한, 스위치 아키텍처.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도(set point temperature)를 포함하는 정상 상태 범위를 초과할 때 상기 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 제공하도록 동작 가능한, 스위치 아키텍처.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 열전 디바이스의 고효율 모드의 동작을 제공하도록 상기 복수의 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 제공하기 위해 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치를 토글링하도록 동작 가능한, 스위치 아키텍처.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어기는 상기 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위 내에 있을 때 상기 열전 디바이스의 고효율 모드의 동작을 제공하도록 동작 가능한, 스위치 아키텍처.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 항에 있어서, 상기 열전 디바이스는 복수의 열전 냉각기를 포함하며, 상기 열전 디바이스의 복수의 채널은 상기 복수의 열전 냉각기의 다수의 상이한 서브 세트의 선택적 제어를 가능하게 하는 상호 연결 기판 상에 배치되는, 스위치 아키텍처.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 항에 있어서, 카트리지가 상기 스위치 아키텍처 및 상기 열전 디바이스를 포함하는, 스위치 아키텍처.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치의 각각은 트랜지스터인, 스위치 아키텍처.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치의 각각은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터인, 스위치 아키텍처.
  12. 열전 디바이스의 다중 모드 동작을 위한 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법으로서,
    상기 열전 디바이스의 제1 모드의 동작을 결정하는 단계; 및
    상기 열전 디바이스의 제1 모드의 동작을 제공하기 위해 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 모드의 동작과 다른 상기 열전 디바이스의 제2 모드의 동작을 결정하는 단계; 및
    상기 열전 디바이스의 제2 모드의 동작을 제공하도록 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 더 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 상기 복수의 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 직렬로 제공하도록 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 상기 복수의 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 병렬로 제공하도록 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 상기 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 제공하도록 상기 복수의 출력부의 적어도 서브 세트에 전력을 제공하기 위해 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 모드의 동작 또는 상기 제2 모드의 동작을 결정하는 단계는 상기 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위를 초과할 때 상기 열전 디바이스의 고용량 모드의 동작을 결정하는 단계를 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계는 상기 열전 디바이스의 고효율 모드의 동작을 제공하도록 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치 중 하나 이상을 토글링하는 단계를 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 모드의 동작 또는 상기 제2 모드의 동작을 결정하는 단계는 상기 열전 디바이스에 의해 냉각되는 영역의 온도가 세트 포인트 온도를 포함하는 정상 상태 범위 내에 있을 때를 결정하는 단계를 포함하는, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
  20. 제12항 내지 제19항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 솔리드 스테이트 스위치의 각각은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터인, 스위치 아키텍처를 동작시키는 방법.
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