(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の熱電冷却器（ＴＥＣ）を制御して、チャンバーの設定点温度を維持することが可能な熱電熱交換システムを提供する。【解決手段】コントローラ１０６は、チャンバー１０２の温度に対応する温度データを受信する。温度データに基づいて、コントローラ１０６は、２つまたは３つ以上のＴＥＣのサブセットを選択的に制御して、チャンバー１０２の温度を所望の設定点温度に維持する。このようにして、コントローラ１０６は、ＴＥＣが効率的にチャンバーの温度を設定点温度に維持するようにＴＥＣを動作するように制御可能とされる。コントローラ１０６は、温度データおよび所望の成績特性に基づいて、コントローラ１０６によって可能とされた１つまたは２つ以上の制御スキームを選択する。次いで、コントローラ１０６は、選択された制御スキーム（複数可）にしたがって、１つまたは２つ以上のＴＥＣのサブセットを独立に制御する。【選択図】図１
2018159539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電冷却システムであって、該熱電冷却システムは、
冷却チャンバーと、
該冷却チャンバーから熱を抽出し、前記熱を外部環境に排出するように構成される複数の並列熱電熱交換システムとを備え、
該複数の並列熱電熱交換システムは、
●第１の熱交換システムであって、該第１の熱交換システムは、
○第１の熱電熱交換器であって、高温側ヒートシンクと、低温側ヒートシンクと、前記第１の熱電熱交換器の前記高温側ヒートシンク及び前記低温側ヒートシンクの間に配置される第１の複数の熱電冷却器とを備え、前記第１の複数の熱電冷却器のそれぞれの熱電冷却器は、複数の熱電デバイスを備えるモジュールである、第１の熱電熱交換器と、
○前記第１の熱電熱交換器の前記高温側ヒートシンクに結合され、前記熱電冷却システムの外壁に熱接触している第１の排出ループと、
を備える、第１の熱交換システムと、
●第２の熱交換システムであって、該第２の熱交換システムは、
○第２の熱電熱交換器であって、高温側ヒートシンクと、低温側ヒートシンクと、前記第２の熱電熱交換器の前記高温側ヒートシンク及び前記低温側ヒートシンクの間に配置される第２の複数の熱電冷却器とを備え、前記第２の複数の熱電冷却器のそれぞれの熱電冷却器は、複数の熱電デバイスを備えるモジュールである、第２の熱電熱交換器と、
○前記第２の熱電熱交換器の前記高温側ヒートシンクに結合され、前記熱電冷却システムの外壁に熱接触している第２の排出ループと、
を備える、第２の熱交換システムと、
を備え、
前記第１及び前記第２の排出ループは、熱的に並列であり、流体接続されていないことを特徴とする、熱電冷却システム。
【請求項２】
前記複数の並列熱電熱交換システムのそれぞれの熱電熱交換システムは、前記熱電熱交換器を更に備える、請求項１に記載の熱電冷却システム。
【請求項３】
前記複数の並列熱電熱交換システムの前記熱電交換器を別々に制御するように構成されるコントローラを更に備える、請求項２に記載の熱電冷却システム。
【請求項４】
前記複数の並列熱電熱交換システムのそれぞれの熱電熱交換システムで、前記熱電熱交換システムの前記熱電熱交換器は、
高温側ヒートシンクと、
低温側ヒートシンクと、
前記高温側ヒートシンク及び前記低温側ヒートシンクの間に配置される複数の熱電冷却器とを備え、前記複数の熱電冷却器のそれぞれの熱電冷却器は、複数の熱電デバイスを備えるモジュールである、請求項３に記載の熱電冷却システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記複数の並列熱電熱交換システムのそれぞれの熱電熱交換システムで、前記熱電熱交換システムの前記熱電熱交換器の前記複数の熱電冷却器の２つ以上の異なるサブセットを別々に制御するように更に構成される、請求項４に記載の熱電冷却システム。
【請求項６】
●前記第１の熱交換システムは、
○前記第１の熱電熱交換器の前記低温側ヒートシンクに結合され、前記冷却チャンバーを画定する前記熱電冷却システムの内壁と熱接触する、第１の受容ループを更に備え、
●前記第２の熱交換システムは、
○前記第２の熱電熱交換器の前記低温側ヒートシンクに結合され、前記冷却チャンバーを画定する前記熱電冷却システムの前記内壁と熱接触する、第２の受容ループを更に備える、請求項１に記載の熱電冷却システム。
【請求項７】
前記第１及び第２の受容ループは、前記内壁上に組み込まれる、請求項６に記載の熱電冷却システム。
【請求項８】
前記第１及び第２の受容ループは、前記内壁内に組み込まれる、請求項６に記載の熱電冷却システム。
【請求項９】
前記第１の受容ループは、熱サイフォンの原理により動作して、前記第１の熱電熱交換器が稼働中の場合、前記第１の受容ループは、前記第１の受容ループを介して冷却媒体の受動的な二方向輸送を提供して、熱が前記冷却チャンバーから抽出されるようにし、
前記第２の受容ループは、熱サイフォンの原理により動作して、前記第２の熱電熱交換器が稼働中の場合、前記第２の受容ループは、前記第２の受容ループを介して冷却媒体の受動的な二方向輸送を提供して、熱が前記冷却チャンバーから抽出されるようにする、請求項６に記載の熱電冷却システム。
【請求項１０】
前記第１及び第２の熱電熱交換器と前記冷却チャンバーの間の断熱材と、前記第１及び第２の熱電熱交換器と前記外部環境の間の断熱材とからなるグループのうちの少なくとも１つを備える断熱材を更に備える、請求項９に記載の熱電冷却システム。
【請求項１１】
前記第１の受容ループは、前記第１の熱電熱交換器が動作停止される場合、前記冷却チャンバーの中に戻る熱漏洩を阻止するように前記断熱材と共に動作する、熱ダイオードとして動作し、
前記第２の受容ループは、前記第２の熱電熱交換器が動作停止される場合、前記冷却チャンバーの中に戻る熱漏洩を阻止するように前記断熱材と共に動作する、熱ダイオードとして動作する、請求項１０に記載の熱電冷却システム。
【請求項１２】
前記第１及び第２の排出ループは、前記内壁上に組み込まれる、請求項６に記載の熱電冷却システム。
【請求項１３】
前記第１及び第２の排出ループは、前記内壁内に組み込まれる、請求項６に記載の熱電冷却システム。
【請求項１４】
前記第１の排出ループは、熱サイフォンの原理により動作して、前記第１の熱電熱交換器が稼働中の場合、前記第１の排出ループは、前記第１の排出ループを介して媒体の受動的な二方向輸送を提供するようにして、前記第１の熱電熱交換器によって前記冷却チャンバーから抽出された熱が前記外部環境に排出されるようにし、
前記第２の排出ループは、熱サイフォンの原理により動作して、前記第２の熱電熱交換器が稼働中の場合、前記第２の排出ループは、前記第２の排出ループを介して媒体の受動的な二方向輸送を提供するようにして、前記第２の熱電熱交換器によって前記冷却チャンバーから抽出された熱が前記外部環境に排出されるようにする、請求項１に記載の熱電冷却システム。
【請求項１５】
前記第１及び第２の熱電熱交換器と前記冷却チャンバーの間の断熱材と、前記第１及び第２の熱電熱交換器と前記外部環境の間の断熱材とからなるグループのうちの少なくとも１つを備える断熱材を更に備える、請求項１４に記載の熱電冷却システム。
【請求項１６】
前記第１の排出ループは、前記第１の熱電熱交換器が動作停止される場合、前記冷却チャンバーの中に戻る熱漏洩を阻止するように前記断熱材と共に動作する、熱ダイオードとして動作し、
前記第２の排出ループは、前記第２の熱電熱交換器が動作停止される場合、前記冷却チャンバーの中に戻る熱漏洩を阻止するように前記断熱材と共に動作する、熱ダイオードとして動作する、請求項１５に記載の熱電冷却システム。
【請求項１７】
前記第１の受容ループ及び前記第１の排出ループの両方は、熱サイフォンの原理により動作して、前記第１の熱電熱交換器が稼働中の場合、前記第１の受容ループは、前記第１の受容ループを介して冷却媒体の受動的な二方向輸送を提供して、熱が前記冷却チャンバーから抽出されるようにし、前記第１の排出ループは、前記第１の排出ループを介して熱伝達媒体の受動的な二方向輸送を提供するようにして、前記第１の受容ループによって前記冷却チャンバーから抽出された前記熱が前記外部環境に排出されるようにし、
前記第２の受容ループ及び前記第２の排出ループの両方が、熱サイフォンの原理により動作して、前記第２の熱電熱交換器が稼働中の場合、前記第２の受容ループは、前記第２の受容ループを介して冷却媒体の受動的な二方向輸送を提供して、熱が前記冷却チャンバーから抽出されるようにし、前記第２の排出ループは、前記第２の排出ループを介して熱伝達媒体の受動的な二方向輸送を提供するようにして、前記第２の受容ループによって前記冷却チャンバーから抽出された前記熱が前記外部環境に排出されるようにする、請求項６に記載の熱電冷却システム。
【請求項１８】
前記第１及び第２の熱電熱交換器と前記冷却チャンバーの間の断熱材と、前記第１及び第２の熱電熱交換器と前記外部環境の間の断熱材とを更に備える、請求項１７に記載の熱電冷却システム。
【請求項１９】
前記第１の受容ループ及び前記第１の排出ループは、前記第１の熱電熱交換器が動作停止される場合、前記冷却チャンバーの中に戻る熱漏洩を阻止するように、前記第１の熱電熱交換器と前記冷却チャンバーの間の前記断熱材及び前記第１の熱電熱交換器と前記外部環境の間の前記断熱材と共に動作する熱ダイオードとして動作し、
前記第２の受容ループ及び前記第２の排出ループは、前記第２の熱電熱交換器が動作停止される場合、前記冷却チャンバーの中に戻る熱漏洩を阻止するように、前記第２の熱電熱交換器と前記冷却チャンバーの間の前記断熱材及び前記第２の熱電熱交換器と前記外部環境の間の前記断熱材と共に動作する熱ダイオードとして動作する、請求項１８に記載の熱電冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、以下の特許出願の権利を主張するものであり、これらの開示内容は、これらの全体を参照することにより本明細書に援用される。
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６２２号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６２５号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６２８号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６３１号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６３５号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６４０号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６４４号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６４６号、
・２０１２年５月７日に出願された特許仮出願第６１／６４３，６４９号、
・２０１２年１０月２２日に出願された特許仮出願第６１／７１６，８８２号、
・２０１２年１０月２２日に出願された特許仮出願第６１／７１６，８８５号、
・２０１２年１２月１９日に出願された特許仮出願第６１／７３９，２３９号、
・２０１３年３月１５日に出願された特許出願第１３／８３６，５２５号、
・２０１３年４月２２日特許出願第１３／８６７，５１９号、
・２０１３年４月２２日特許出願第１３／８６７，５６７号、および
・２０１３年４月２２日特許出願第１３／８６７，５８９号。
【０００２】
本開示は、熱電システムにおける二相熱電熱交換器の取り付けに関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、多くの冷却システムは、蒸気圧縮に基づくものであり、またサーモスタットで調節されるデューティサイクル制御を利用する。しかしながら、典型的な蒸気圧縮式の冷却システムは、定常状態と、予冷中または回復中などの過渡的な要求との両方を満たすほどには動的ではない。このため、蒸気圧縮式の冷却システムは、定常状態での動作中に必要とされる抽熱の要求をはるかに超える、過剰な冷却性能を備える傾向がある。過剰な冷却性能によって与えられる余分の容量は予冷性能の高めるものの、起動時に行き渡る大きな電流サージには、その負荷を扱うためにより高い性能が必要となり、ひいてはより高価な構成要素が必要となる。その上、この大きな電流サージと、デューティサイクル制御による負荷とは、構成要素を過度に損耗させ、それによって、早期故障を引き起こす可能性がある。さらに、それらの制御、熱力学的限界、および製品性能要求の特質によって、蒸気圧縮式の冷却システムは、最適な効率ではない。
【０００４】
効率が最適ではないという蒸気圧縮式の冷却システムの欠点は、冷却チャンバー内の温度を正確に制御することに関係している。一般に、冷却チャンバー内の温度が特定の値を超えると、蒸気圧縮式の冷却システムは起動し、そのまま、冷却チャンバーの温度がその特定の値を下回るまで動作し続ける。冷却チャンバーがその特定の値を下回る温度に到達した時点で、蒸気圧縮式の冷却システムは停止する。それにもかかわらず、上述の過度の損耗に加えて、このタイプの制御スキームは、一般に、エネルギー消費を最小化し、多様な周囲条件における動作を可能にするために、比較的大きな制御帯域および比較的大きな内部温度成層を有する。この体制がほとんどの場合用いられており、それは、帯域幅制限または容量変化が、蒸気圧縮サイクル内に実装するには困難かつ高額であるためであり、また体積効率が落ちると有効性が限られるためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、冷却チャンバー内の温度を正確に制御するためのシステムおよび方法が必要とされ、そこでは、冷却チャンバーから熱を抽出するために用いられる構成要素の効率が最大化される。さらに、冷却チャンバーの冷却要求に基づいて、冷却システム内の構成要素を、またそれによって容量を、独立に選択できるようにするシステムおよび方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、熱電システム内の二相熱交換器の取り付けに関する。概して、二相熱交換器は、鉛直方向に対して斜めの角度で取り付けられる。一実施形態では、角度は、鉛直方向から２度以上８８度以下の範囲にある。別の実施形態では、角度は、鉛直方向から６度以上８４度以下の範囲にある。さらに別の実施形態では、角度は、鉛直方向から１２度以上７８度以下の範囲にある。１つの好ましい実施形態では、角度は、作動流体が二相熱交換器内の最高の熱流束領域上に直接衝突するように選択される。このようにして、二相熱交換器の効率は、改善される。
【０００７】
当業者であれば、以下の好適な実施形態の詳細な説明を添付の図面と共に読めば、本開示の範囲を理解し、その追加的な態様を実現するであろう。
【０００８】
本明細書に組み込まれ、その一部分を構成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を図示し、また詳細な説明と併せて、本開示の原理を説明するのに役立つ。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本開示の一実施形態による、冷却チャンバーと、低温側ヒートシンクと高温側ヒートシンクとの間に配置された複数の熱電冷却器（ＴＥＣ）を含むカートリッジを含む熱交換器と、ＴＥＣを制御して、冷却チャンバー内の設定点温度を維持するコントローラとを有する熱電冷却システムを示す図である。
【図２】ＴＥＣの入力電流に対するＴＥＣの冷却容量および冷却効率を示すグラフである。
【図３】本開示の一実施形態による図１のカートリッジのより詳細な図である。ここで、カートリッジは、ＴＥＣのアレイにおける複数の種々のＴＥＣサブセットの選択的制御を可能にする相互接続ボード上に配置されたＴＥＣを含む。
【図４】本開示の別の実施形態による図１のカートリッジのより詳細な図である。ここで、カートリッジは、ＴＥＣのアレイにおける複数の種々のＴＥＣサブセットの選択的制御を可能にする相互接続ボード上に配置されたＴＥＣを含む。
【図５】本開示の別の実施形態による図１のカートリッジのより詳細な図である。ここで、カートリッジは、複数の種々のＴＥＣサブセットの選択的制御を可能にする相互接続ボード上に配置されたＴＥＣを含む。
【図６】本開示の別の実施形態による図１のカートリッジのより詳細な図である。ここで、カートリッジは、相互接続ボード上に配置された単一のＴＥＣを含む。
【図７】本開示の別の実施形態による図１のカートリッジのより詳細な図である。ここで、カートリッジは、相互接続ボード上に配置された４つのＴＥＣを含む。
【図８】本開示の別の実施形態による図１のカートリッジのより詳細な図である。ここで、カートリッジは、相互接続ボード上に配置された６つのＴＥＣを含む。
【図９】本開示の一実施形態による、ＴＥＣを含まない図３の相互接続ボードを示す図である。
【図１０】本開示の別の実施形態による、ＴＥＣを含まない図４の相互接続ボードを示す図である。
【図１１】本開示の一実施形態による、ＴＥＣを含まない図５の相互接続ボードを示す図である。
【図１２】本開示の別の実施形態による、ＴＥＣを含まない図６の相互接続ボードを示す図である。
【図１３】本開示の別の実施形態による、ＴＥＣを含まない図７の相互接続ボードを示す図である。
【図１４】本開示の別の実施形態による、ＴＥＣを含まない図８の相互接続ボードを示す図である。
【図１５】本開示の一実施形態による、図１のコントローラの様々な動作状態、入力、および出力を列挙する、１つのシステム構成要素のレイアウトの例を示す図である。
【図１６】本開示の一実施形態による、図１５の様々な動作状態で動作する場合の、図１のコントローラの動作のより詳細な図である。
【図１７】本開示の一実施形態による、冷却チャンバーの温度を設定点温度で維持するための図１のコントローラの動作方法を示す図である。
【図１８】本開示の別の実施形態による、冷却チャンバーの温度を設定点温度で維持するための図１のコントローラの動作方法を示す図である。
【図１９】本開示の一実施形態による、図１の熱交換器の１つ以上の構成要素の温度を監視して、温度過昇状態を検出し、それに応じて、熱交換器の１つ以上の構成要素の温度を下げるための措置を取るための、図１のコントローラの動作方法を示す図である。
【図２０Ａ】本開示の別の実施形態による複数の並列熱交換器を有する熱電冷却システムを示す図である。
【図２０Ｂ】本開示の別の実施形態による複数の並列熱交換器を有する熱電冷却システムを示す図である。
【図２０Ｃ】本開示の別の実施形態による複数の並列熱交換器を有する熱電冷却システムを示す図である。
【図２１】本開示の別の実施形態による、２つの冷却チャンバーであって、それぞれが別個の熱的に結合したヒートシンクを有する２つの冷却チャンバーを含む熱電冷却システムを示す図である。
【図２２】本開示の一実施形態による図１の熱交換器のより詳細な図である。
【図２３】本開示の一実施形態による、図２２の熱交換器に結合された受容ループおよび排出ループの熱ダイオード効果を視覚的に示す図である。
【図２４】本開示の一実施形態による、図２２の熱交換器に結合された受容ループおよび排出ループの熱ダイオード効果を視覚的に示す図である。
【図２５】本開示の一実施形態によるハイブリッド熱交換器の熱ダイオード効果を示す図である。
【図２６】本開示の一実施形態による図１および図２１の熱交換器の低温側ヒートシンクの構成を示す概略図である。
【図２７】本開示の一実施形態による図１および図２１の熱交換器の低温側ヒートシンクの構成を示す概略図である。
【図２８】本開示の一実施形態による図１および図２１の熱交換器の低温側ヒートシンクの構成を示す概略図である。
【図２９】本開示の一実施形態による図１および図２１の熱交換器の低温側ヒートシンクの構成を示す概略図である。
【図３０】本開示の一実施形態による、熱導管を介して熱的に結合された、物理的に分離された高温側ヒートシンクおよび低温側ヒートシンクを有する熱交換器を示す図である。
【図３１】本開示の一実施形態による図３０の熱交換器における熱の流れを示す概略図である。
【図３２】図３０の熱交換器を利用する熱電冷却システムの実施形態を示す図である。
【図３３】図３０の熱交換器を利用する熱電冷却システムの実施形態を示す図である。
【図３４】本開示の一実施形態による、鉛直方向に対して斜めの角度での二相熱交換器の取り付けを示す図である。
【図３５】図３４の１つの特定の例を示す図である。ここで、二相熱交換器は、二相熱交換器の特定の実施形態のために最適化された特定の角度で取り付けられている。
【図３６Ａ】本開示の一実施形態による図３４の二相熱交換器の封入を示す図である。
【図３６Ｂ】本開示の一実施形態による図３４の二相熱交換器の封入を示す図である。
【図３７Ａ】本開示の一実施形態による、二相熱交換器の角度が維持されるような、図３４、図３６Ａ、および図３６Ｂの二相熱交換器の熱電システムの壁（例えば、熱電冷却システムの内壁）への取り付けを示す図である。
【図３７Ｂ】本開示の一実施形態による、二相熱交換器の角度が維持されるような、図３４、図３６Ａ、および図３６Ｂの二相熱交換器の熱電システムの壁（例えば、熱電冷却システムの内壁）への取り付けを示す図である。
【図３８】本開示の一実施形態による図１のコントローラのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下に説明される実施形態は、当業者が実施形態を実施できるようにするために必要な情報を表し、また実施形態を実施する最善の形態を説明している。以下の説明を添付の図面に照らして読めば、当業者であれば、本開示の概念を理解し、本明細書で特に取り上げられていないこれらの概念の適用を認識し得る。これらの概念および適用が、本開示および添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることを理解されたい。
【００４３】
当然のことながら、様々な要素を表すために、第１、第２、などの語が本明細書において使用される場合があるが、これらの要素は、これらの語によって限定されるべきではない。これらの語は、ある要素を別の要素と区別するためにだけ用いられる。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素は、第２の要素と称し得るし、同様に、第２の要素は、第１の要素と称し得る。本明細書において使用される場合、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」の語は、関連して列挙された項目のうちの１つ以上の任意の組み合わせおよびすべての組み合わせを含む。
【００４４】
「下方（ｂｅｌｏｗ）」または「上方（ａｂｏｖｅ）」または「上部（ｕｐｐｅｒ）」または「下部（ｌｏｗｅｒ）」または「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」または「鉛直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」などの相対語は、図に示されている、ある要素、層、または領域と、別の要素、層、または領域との関係を説明するために、本明細書において使用される場合がある。当然のことながら、これらの語および上述の内容は、図に示された装置の向きに加えて、様々な向きを包含することを意図している。
【００４５】
本明細書において使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであり、本開示を限定するものではない。本明細書において使用される場合、単数形（”ａ，””ａｎ，”および”ｔｈｅ”）は、単数ではないことが文脈上明らかでないかぎり、複数形もまた含むことを意図している。さらに当然のことながら、本明細書において使用される場合、「備える（”ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ，””ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」、「含む（”ｉｎｃｌｕｄｅｓ，””ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”）」の語は、表明された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を規定するが、１つ以上のその他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しない。
【００４６】
特に定義しない限り、本明細書において使用されるすべての語（技術用語および科学用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されているものと同じ意味を有する。さらに当然のことながら、本明細書において使用される語は、本明細書および関連分野の文脈におけるそれらの意味と矛盾のない意味を有するものと解釈すべきであり、本明細書において明示的に定義されていない限り、理想化された意味や過度に形式的な意味では解釈されない。
【００４７】
図１は、本開示の一実施形態による熱電冷却システム１００を示している。図示のように、熱電冷却システム１００は、冷却チャンバー１０２と、熱交換器１０４と、冷却チャンバー１０２内における冷却を制御するコントローラ１０６とを含む。熱交換器１０４は、高温側ヒートシンク１０８と、低温側ヒートシンク１１０と、複数の熱電冷却器（ＴＥＣ）を含むカートリッジ１１２とを含み、ここで、各ＴＥＣは、低温側ヒートシンク１１０と熱的に結合される低温側と、高温側ヒートシンク１０８と熱的に結合される高温側とを有する。ＴＥＣは、好ましくは、薄膜デバイスである。ＴＥＣのうちの１つ以上がコントローラ１０６によって起動されると、起動されたＴＥＣ（複数可）は、高温側ヒートシンク１０８を加熱し、また低温側ヒートシンク１１０を冷却するように動作して、それによって、冷却チャンバー１０２から熱を抽出するための熱伝達を促進する。より具体的には、ＴＥＣのうちの１つ以上が起動されると、高温側ヒートシンク１０８が加熱されて、それによって蒸発器を形成し、また低温側ヒートシンク１１０が冷却されて、それによって凝縮器を形成する。
【００４８】
凝縮器として作用することで、低温側ヒートシンク１１０は、低温側ヒートシンク１１０と結合された受容ループ１１４を介する、冷却チャンバー１０２からの抽熱を促進する。受容ループ１１４は、熱電冷却システム１００の内壁１１５に熱的に結合される。内壁１１５は、冷却チャンバー１０２を画定する。一実施形態では、受容ループ１１４は、内壁１１５内に組み込まれる、または内壁１１５の面上に直接組み込まれる。受容ループ１１４は、冷却媒体（例えば、二相冷却剤）を受容ループ１１４を通して流す、または通過させる任意のタイプの配管によって形成される。受容ループ１１４と内壁１１５との熱結合により、冷却媒体が受容ループ１１４を通って流れる時に、冷却媒体は、冷却チャンバー１０２から熱を抽出する。受容ループ１１４は、例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス鋼管、アルミニウム管などで形成され得る。
【００４９】
低温側ヒートシンク１１０および受容ループ１１４によって形成された凝縮器は、任意の好適な熱交換技術により動作する。１つの好ましい実施形態では、受容ループ１１４は、冷却媒体が低温側ヒートシンク１１０から受容ループ１１４を通って低温側ヒートシンク１１０に戻るように移動して、それによって、二相の受動的な熱輸送を用いて冷却チャンバー１０２を冷却するような、熱サイフォンの原理にしたがって動作する（すなわち、熱サイフォンとして作用する）。特に、受動的な熱交換は、受容ループ１１４内の冷却媒体と、冷却チャンバー１０２との間における自然対流を介して起こる。一実施形態では、冷却媒体が冷却チャンバー１０２と熱接触する際、冷却媒体は液状である。具体的には、受動的な熱交換は、冷却チャンバー１０２内の温度が下降し、また冷却媒体の温度が上昇するおよび／または相変化を経るように、冷却チャンバー１０２内の環境と、受容ループ１１４内の冷却媒体との間で起こる。冷却媒体の温度が上昇すると、蒸発を経るなどして冷却媒体の密度が減少する。その結果、冷却媒体は、受容ループ１１４において熱交換器１０４に向けて、そして特に低温側ヒートシンク１１０に向けて浮力により上向きに移動する。冷却媒体は、低温側ヒートシンク１１０と熱接触し、ここで、冷却媒体と低温側ヒートシンク１１０との間で熱交換が起こる。冷却媒体と低温側ヒートシンク１１０との間で熱交換が起こると、冷却媒体は、凝縮し、そして冷却チャンバー１０２からさらなる熱を抽出するために、重力により再び受容ループ１１４を通って流れる。このように、一部の実施形態では、受容ループ１１４は、冷却チャンバー１０２を冷却する際に、蒸発器として機能する。
【００５０】
上述のように、熱交換器１０４は、高温側ヒートシンク１０８と低温側ヒートシンク１１０との間に配置されるカートリッジ１１２を含む。カートリッジ１１２内のＴＥＣは、高温側ヒートシンク１０８と熱的に結合される高温側（すなわち、ＴＥＣの動作中に高温である側）と、低温側ヒートシンク１１０と熱的に結合される低温側（すなわち、ＴＥＣの動作中に低温である側）とを有する。カートリッジ１１２内のＴＥＣは、低温側ヒートシンク１１０と高温側ヒートシンク１０８との間の熱伝達を効率的に促進する。より具体的には、受容ループ１１４内の冷却媒体と低温側ヒートシンク１１０との間で熱伝達が起こる場合、稼働中のＴＥＣは、低温側ヒートシンク１１０と高温側ヒートシンク１０８との間で熱を伝達する。
【００５１】
蒸発器として作用することで、高温側ヒートシンク１０８は、高温側ヒートシンク１０８に結合された排出ループ１１６を介する、冷却チャンバー１０２の外部の環境への熱の排出を促進する。排出ループ１１６は、熱電冷却システム１００の外壁１１８、または外板に熱的に結合される。外壁１１８は、冷却チャンバー１０２の外部の環境と直接熱接触している。さらに、外壁１１８は、例えば、適切な断熱材によって、受容ループ１１４および内壁１１５（ひいては冷却チャンバー１０２）から熱的に分離されている。一実施形態では、排出ループ１１６は、外壁１１８内に組み込まれる、または外壁１１８の面上に組み込まれる。排出ループ１１６は、熱伝達媒体（例えば、二相冷却剤）を排出ループ１１６を通して流す、または通過させる任意のタイプの配管によって形成される。排出ループ１１６と外部環境との熱結合により、熱伝達媒体が排出ループ１１６を通って流れる時に、熱伝達媒体は、外部環境に熱を排出する。排出ループ１１６は、例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス鋼管、アルミニウム管などで形成され得る。
【００５２】
高温側ヒートシンク１０８および排出ループ１１６によって形成された蒸発器は、任意の好適な熱交換技術により動作する。１つの好ましい実施形態では、排出ループ１１６は、熱伝達媒体が高温側ヒートシンク１０８から排出ループ１１６を通って高温側ヒートシンク１０８に戻るように移動して、それによって、二相の受動的な熱輸送を用いて熱を排出するような、熱サイフォンの原理にしたがって動作する（すなわち、熱サイフォンとして作用する）。特に、高温側ヒートシンク１０８は、低温側ヒートシンク１１０から受け取った熱を排出ループ１１６内の熱伝達媒体に伝達する。熱が熱伝達媒体に伝達されると、熱伝達媒体は、相変化し、排出ループ１１６を通って移動し、熱が冷却チャンバー１０２の外部の環境に排出されるように、外壁１１８と熱接触する。排出ループ１１６内の熱伝達媒体が外壁１１８と直接熱接触すると、排出ループ１１６内の熱伝達媒体と外部環境との間に受動的な熱交換が起こる。良く知られているように、受動的な熱交換は、排出ループ１１６内において熱伝達媒体を凝縮させて、熱伝達媒体が、重力の力で熱交換器１０４に移動して戻るようにする。このように、排出ループ１１６は、冷却チャンバー１０２の外部の環境に熱を排出する場合、凝縮器として機能する。
【００５３】
以下に詳述するように、１つの好ましい実施形態では、熱交換器１０４は、冷却チャンバー１０２と直接熱接触せず、代わりに冷却チャンバー１０２から熱的に分離される。同様に、熱交換器１０４は、外壁１１８と直接熱接触せず、代わりに外壁１１８から熱的に分離される。したがって、以下に詳述するように、熱交換器１０４は、熱電冷却システム１００の冷却チャンバー１０２および外壁１１８の両方から熱的に分離される。重要なことに、このことが、熱ダイオード効果をもたらし、これにより、ＴＥＣが動作停止された場合に、熱が漏れて冷却チャンバー１０２の中に戻ることのないようにされる。
【００５４】
コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２内において所望の設定点温度を維持するために、カートリッジ１１２内のＴＥＣを制御するように動作する。概して、コントローラ１０６は、ＴＥＣを選択的に起動／動作停止する、ＴＥＣの入力電流を選択的に制御する、および／またはＴＥＣのデューティサイクルを選択的に制御するように動作して、所望の設定点温度を維持する。さらに、好ましい実施形態では、コントローラ１０６は、１つ以上、また一部の実施形態では、２つ以上のＴＥＣサブセットを別々に、または独立に制御可能とされ、ここで、各サブセットは、１つ以上の種々のＴＥＣを含む。このように、例として、カートリッジ１１２に４つのＴＥＣがある場合、コントローラ１０６は、第１の単独のＴＥＣ、第２の単独のＴＥＣ、および２つのＴＥＣのグループ（すなわち、第１および第２の単独のＴＥＣならびに２つのＴＥＣのグループ）を別々に制御可能とされる。この方法により、コントローラ１０６は、例えば、要求に応じて、最大化した効率で、１つ、２つ、３つ、または４つのＴＥＣを独立して、選択的に起動し得る。
【００５５】
この例を続けると、コントローラ１０６は、（１）第１の単独のＴＥＣの起動／動作停止、第１の単独のＴＥＣの入力電流、および／または第１の単独のＴＥＣのデューティサイクル、（２）第２の単独のＴＥＣの起動／動作停止、第２の単独のＴＥＣの入力電流、および／または第２の単独のＴＥＣのデューティサイクル、ならびに（３）２つのＴＥＣのグループの起動／動作停止、２つのＴＥＣのグループの入力電流、および／または２つのＴＥＣのグループのデューティサイクルを別々にかつ選択的に制御可能とされ得る。種々のＴＥＣサブセットのこの個別選択的制御を用いて、コントローラ１０６は、好ましくは、ＴＥＣを制御して、熱電冷却システム１００の効率を高める。例えば、冷却チャンバー１０２が設定点温度である、または既定の定常状態温度範囲内にある場合などの定常状態モードで動作する場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣを制御して、効率を最大化し得る。しかしながら、予冷中または回復中においては、コントローラ１０６は、ＴＥＣを制御して、冷却チャンバー１０２からの抽熱を最大化する、予冷／回復の時間および効率の間における妥協点を提供するなど、所望の性能を達成し得る。
【００５６】
先に進む前に、冷却容量対ＴＥＣの入力電流特性および効率対ＴＥＣの入力電流特性に関する簡潔な説明が役立つ。これに関し、図２は、ＴＥＣの冷却容量（Ｑ）および冷却効率（ＣＯＰ）対ＴＥＣの入力電流を示すグラフである。冷却効率は、より具体的には、成績係数（ＣＯＰ）によって表される。図２に示されるように、ＴＥＣの入力電流（Ｉ）が増加するにつれて、ＴＥＣの冷却容量もまた増加する。最大の熱量がＴＥＣによって除去されている場所を表す冷却容量（Ｑ）曲線上の点は、Ｑmaxとして示されている。したがって、ＴＥＣがＱmaxで動作している場合、ＴＥＣは、最大限の熱量を除去している。ＴＥＣは、対応する最大電流ＩmaxがＴＥＣに流される場合、Ｑmaxで動作する。図２はまた、ＴＥＣのＣＯＰを電流の関数として示している。冷却用途では、ＴＥＣのＣＯＰは、熱を除去するためのＴＥＣへの作業入力量に対して除去された熱の比率である。ＴＥＣのＣＯＰが最大化される熱量、または容量（Ｑ）は、ＱCOPmaxとして示されている。ＴＥＣは、電流ＩCOPmaxがＴＥＣに流される場合、ＱCOPmaxで動作する。このように、ＴＥＣの効率、またはＣＯＰは、ＴＥＣがＱCOPmaxで動作するように電流ＩCOPmaxがＴＥＣに流される場合、最大化される。
【００５７】
以下に詳述するように、好ましい実施形態では、コントローラ１０６は、カートリッジ１１２内のＴＥＣを制御して、定常状態での動作中に、ＴＥＣのうちの１つ以上が起動され、かつＱCOPmaxで動作され、また残りのＴＥＣが動作停止されて、それによって、効率を最大化するようにする。起動されるＴＥＣの数、また逆に動作停止されるＴＥＣの数は、要求に応じて決まる。逆に、予冷中または回復中においては、カートリッジ１１２内のＴＥＣの１つ以上および場合によりすべてが、起動され、かつ所望の成績特性で動作される。所望の成績特性の一例では、予冷または回復の時間を最小化するために、ＴＥＣのすべてが起動され、かつＱmaxで動作される。しかしながら、所望の成績特性は、代替的に、予冷または回復の時間および効率の間における妥協点を提供し得、そこでは、例えば、ＴＥＣの全てが起動され、かつＱCOPmaxとＱmaxとの間の点で動作される。以下に説明されるように、ＴＥＣの制御がこれらの例に限定されないことに留意されたい。
【００５８】
上述のように、図２は、単一のＴＥＣの冷却容量および冷却効率を示している。ＴＥＣの数を増加することは、ＴＥＣを用いる熱電冷却システム１００の動作ＣＯＰに影響することなく、熱除去性能を直線的に増加する。したがって、熱電冷却システム１００が４つのＴＥＣを含む場合、この熱電冷却システム１００の熱除去性能は、システム全体を、一部の好ましい実施形態では、オフ、ＱCOPmax、およびＱmaxの間で動作させながら、単一のＴＥＣを含む熱電冷却システム１００の実施形態に比べて、４倍に増加する。
【００５９】
なお、ＴＥＣへの電流印加および図２は、冷却に関する文脈で説明されているが、同じ原理は、熱回収／発電の文脈において適用され、そこでは、ＴＥＣは、熱に応じて電力、または電流を生成するために用いられる。
【００６０】
ＴＥＣカートリッジ
ＴＥＣを別々にかつ選択的に制御するコントローラ１０６の動作の詳細を説明する前に、ＴＥＣの個別かつ選択的制御を可能にする図１のカートリッジ１１２の実施形態を説明することが役立つ。以下のカートリッジ１１２の説明は図１の熱電冷却システム１００を対象としているが、カートリッジ１１２は、図１の熱電冷却システム１００における使用にも熱電冷却全般における使用にも限定されるものではないことに留意されたい。例えば、カートリッジ１１２は、熱回収または発電の用途に利用され得る。
【００６１】
上述のように、カートリッジ１１２内のＴＥＣは、冷却チャンバー１０２の温度を調節するために用いられる。多くの冷却用途に関して所望の冷却容量を満たすために、熱電冷却システム１００は、複数のＴＥＣを利用する。複数のＴＥＣを用いることは、単一の大きなＴＥＣを用いることよりも有益である。それは、複数のＴＥＣが、様々な所望の条件下で所望の成績を提供し得るように、別々に制御され得るためである。その一方で、予冷または回復のために最大所望容量を提供するように設計される単一の大きすぎるＴＥＣは、この柔軟性を提供しない。例えば、定常状態条件の間、単一の大きすぎるＴＥＣは、典型的には、低ＣＯＰ値に対応する低容量点で動作する。つまり、大きすぎるＴＥＣは、効率的に動作しない。その一方で、コントローラ１０６は、定常状態条件の間における効率を最大化するために、カートリッジ１１２内のＴＥＣサブセットを別々に制御可能とされる。
【００６２】
図３から図５は、所望の制御スキームにしたがって、コントローラ１０６が種々のＴＥＣサブセットを別々にかつ選択的に制御できるようにする、カートリッジ１１２の実施形態を示している。ただし、図３から図５の実施形態は、例にすぎないことに留意されたい。カートリッジ１１２は、任意の数のＴＥＣを保持し、任意の数のＴＥＣサブセットを別々に制御できるように構成され得る。各サブセットは、概して、１つ以上のＴＥＣを含む。さらに、種々のサブセットは、同数または異なる数のＴＥＣを含み得る。
【００６３】
図３の実施形態では、カートリッジ１１２は、相互接続ボード１２２上に配置されるＴＥＣ１２０ａから１２０ｆ（全般的に本明細書において、集団では複数のＴＥＣ１２０、個別にはＴＥＣ１２０と呼ぶ）を含む。ＴＥＣ１２０は、薄膜デバイスである。薄膜ＴＥＣの一部の非限定的な例は、ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＯＤＵＬＥ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮと題する米国特許第８，２１６，８７１号に開示されており、これはここにその全体を参照することにより本明細書に援用される。相互接続ボード１２２は、ＴＥＣ１２０ａから１２０ｆの４つのサブセットを規定する、導電性の配線１２４ａから１２４ｄ（全般的に本明細書において、集団では複数の配線１２４、個別には配線１２４と呼ぶ）を含む。特に、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂは、配線１２４ａを介して互いに直列に電気的に接続され、それにより、第１のＴＥＣ１２０のサブセットを形成する。同様に、ＴＥＣ１２０ｃおよび１２０ｄは、配線１２４ｂを介して互いに直列に電気的に接続され、それにより、第２のＴＥＣ１２０のサブセットを形成する。ＴＥＣ１２０ｅは、配線１２４ｄに接続され、それにより、第３のＴＥＣ１２０のサブセットを形成し、またＴＥＣ１２０ｆは、配線１２４ｃに接続され、それにより第４のＴＥＣ１２０のサブセットを形成する。コントローラ１０６（図１）は、順不同で、配線１２４ａに流す電流を制御することによって、第１のＴＥＣ１２０のサブセット（すなわち、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂ）を選択的に制御し、配線１２４ｂに流す電流を制御することによって、第２のＴＥＣ１２０のサブセット（すなわち、ＴＥＣ１２０ｃおよび１２０ｄ）を選択的に制御し、配線１２４ｄに流す電流を制御することによって、第３のＴＥＣ１２０のサブセット（すなわち、ＴＥＣ１２０ｅ）を選択的に制御し、配線１２４ｃに流す電流を制御することによって、第４のＴＥＣ１２０のサブセット（すなわち、ＴＥＣ１２０ｆ）を選択的に制御する。したがって、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂを例として用いれば、コントローラ１０６は、配線１２４ａから電流を除去する（動作停止する）または配線１２４ａに電流を流す（起動する）ことによってＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂを選択的に起動／動作停止することができる、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂが起動されている間、配線１２４ａに流す電流を選択的に増加または減少させることができる、および／またはＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂが起動されている間、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂのデューティサイクルを制御するように配線１２４ａに流す電流を制御することができる（例えば、電流のパルス幅変調）。
【００６４】
相互接続ボード１２２は、ＴＥＣ１２０ａから１２０ｆの底面を露出する、開口部１２６ａおよび１２６ｂ（全般的に本明細書において、集団では複数の開口部１２６、個別には開口部１２６と呼ぶ）を含む。高温側ヒートシンク１０８（図１）と低温側ヒートシンク１１０（図１）との間に配置される場合、開口部１２６ａおよび１２６ｂは、ＴＥＣ１２０ａから１２０ｆの底面が適切なヒートシンク１０８または１１０に熱的に結合できるようにする。
【００６５】
本開示の実施形態によれば、動作中、コントローラ１０６は、対応する配線１２４ａから１２４ｄの電流を流したり除去したりすることによって、ＴＥＣ１２０のサブセットの任意の組み合わせを選択的に起動または動作停止し得る。さらに、コントローラ１０６は、対応する配線１２４ａから１２４ｄに与えられる電流量を制御することによって、稼働中のＴＥＣ１２０の動作点を制御できる。例えば、第１のＴＥＣ１２０のサブセットのみが定常状態での動作中に起動され、かつＱCOPmaxで動作される場合、コントローラ１０６は、配線１２４ａに電流ＩCOPmaxを供給して、それによって、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂを起動し、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂをＱCOPmaxで動作させ、またその他の配線１２４ｂから１２４ｄから電流を除去して、それによって、その他のＴＥＣ１２０ｃから１２０ｆを動作停止させる。
【００６６】
図３を参照して示される実施形態では、カートリッジ１１２は、ＴＥＣ１２０ａから１２０ｆを含む。本開示の実施形態によれば、カートリッジ１１２は、任意の数のＴＥＣ１２０を含み得る。例えば、図４を参照して示される実施形態では、カートリッジ１１２は、２つのＴＥＣ１２０のみ、すなわち、ＴＥＣ１２０ｅおよび１２０ｆを有する相互接続ボード１２２を含む。この実施形態では、コントローラ１０６（図１）は、それぞれ対応する配線１２４ｄおよび１２４ｃに与えられる電流を制御することによって、ＴＥＣ１２０ｅおよび１２０ｆを独立に制御できる。別の例として、カートリッジ１１２は、図５を参照して示されるように、ＴＥＣ１２０ｃから１２０ｆなどの４つのＴＥＣ１２０のみを含み得る。この実施形態では、相互接続ボード１２２は、配線１２４ｂから１２４ｄを含み、これらはそれぞれ、ＴＥＣ１２０ｃから１２０ｆに電流を供給する。さらに、対応するＴＥＣ１２０のサブセットは、配線１２４ｂから１２４ｄに適切な電流を供給することによって、コントローラ１０６により制御され得る。
【００６７】
図３から図５は、カートリッジ１１２上の種々のＴＥＣの選択的制御を可能にするカートリッジ１１２の実施形態を示しているが、図６から図８は、選択的制御が不要な場合に利用され得るカートリッジ１１２の実施形態を示している。これらの実施形態では、ＴＥＣの入力電流および／またはＴＥＣのデューティサイクルは、所望の容量、所望の効率、または容量および効率の間におけるいくらかの妥協点を提供するように変化され得る。特に、図６は、相互接続ボード１２８と、相互接続ボード１２８上に配置された単一のＴＥＣ１３０とを含むカートリッジ１１２の実施形態を示している。相互接続ボード１２８の開口部１３１は、ＴＥＣ１３０の底面を露出する。コントローラ１０６（図１）は、相互接続ボード１２８上の導電性の配線１３２を介してＴＥＣ１３０への電流入力を制御することによって、ＴＥＣ１３０の容量および効率を制御できる。
【００６８】
図７は、カートリッジ１１２の実施形態を示しており、これは、図６のものに類似しているが、カートリッジ１１２は４つのＴＥＣを含んでいる。より具体的には、カートリッジ１１２は、相互接続ボード１３４と、相互接続ボード１３４上に配置された４つのＴＥＣ１３６とを含む。相互接続ボード１３４には開口部１３７があって、ＴＥＣ１３６の底面を露出する。同様に、相互接続ボード１３４上の導電性の配線１３８を介してＴＥＣ１３６への電流入力および／またはＴＥＣ１３６のデューティサイクルを制御することによって、コントローラ１１２は、ＴＥＣ１３６の容量および効率を制御できる。
【００６９】
図８は、カートリッジ１１２のさらに別の実施形態を示しており、これは、図６および図７のものに類似しているが、カートリッジ１１２は６つのＴＥＣを含んでいる。より具体的には、カートリッジ１１２は、相互接続ボード１４０と、相互接続ボード１４０上に配置された６つのＴＥＣ１４２とを含む。相互接続ボード１４０には開口部１４３があって、ＴＥＣ１４２の底面を露出する。同様に、相互接続ボード１４０上の導電性の配線１４４を介してＴＥＣ１４２への電流入力および／またはＴＥＣ１４２のデューティサイクルを制御することによって、コントローラ１１２は、ＴＥＣ１４２の容量および効率を制御できる。図６から図８の実施形態は、例にすぎないことに留意されたい。カートリッジ１１２は、任意の数のＴＥＣまたは導電性の配線を直列または並列の構成で含むように構成され得る。
【００７０】
図９から図１４は、図３から図８の相互接続ボード１２２、１２８、１３４、および１４０をそれぞれ示しているが、ＴＥＣが相互接続ボードに取り付けられていない状態である。図９から図１４は、相互接続ボードの開口部１２６、１３１、１３７、および１４３をより明確に示しており、これらは、ＴＥＣの底面を露出する、すなわち、換言すると、ＴＥＣの底面と適切なヒートシンク１０８または１１０との間の熱結合を可能にする。図９から図１４はまた、接点１４６、１４８、１５０、および１５２を示しており、これらは、相互接続ボード１２２、１２８、１３４、および１４０と対応するＴＥＣとの間の電気的かつ機械的接続を可能にする。
【００７１】
ＴＥＣを選択的に制御する
以下は、図１のコントローラ１０６の動作の実施形態の詳細な説明である。この説明では、カートリッジ１１２は、図３のカートリッジ１１２であると想定されており、これは、ＴＥＣ１２０の複数の種々のサブセットの選択的制御を可能にする。ただし、図３のカートリッジ１１２を用いることは、例にすぎないことに留意されたい。
【００７２】
図１５は、本開示の一実施形態によるコントローラ１０６の動作を示している。図示のように、コントローラ１０６は、温度入力１５４および１５６から温度データを受信する。温度入力１５４および１５６は、任意のタイプの温度センサであり得る。温度データは、冷却チャンバー１０２の温度（ＴCH）と、熱交換器１０４の排出側、または高温側の温度（ＴR）とを含む。熱交換器１０４の排出側とは、熱交換器１０４の高温側である。したがって、例えば、温度（ＴR）は、高温側ヒートシンク１０８の温度であり得る。温度データに基づいて、コントローラ１０６は、熱電冷却システム１００の現在の動作モードを判定する。この実施形態では、現在の動作モードとは、予冷モード１５８、定常状態モード１６０、温度過昇モード１６２、および回復モード１６３のうちの１つである。予冷モード１５８は、一般に、熱電冷却システム１００が最初に電源投入された時に生じる。定常状態モード１６０は、冷却チャンバー１０２の温度が所望の設定点温度、またはその付近にある場合に生じる。特に、冷却チャンバー１０２の温度が設定点温度を含む既定の定常状態範囲内にある場合に（例えば、冷却チャンバー１０２の設定点温度±２度）、冷却チャンバー１０２の温度は、所望の設定点温度、またはその付近にある。温度過昇モード１６２は、熱交換器１０４の排出側の温度が、既定の最大許容温度を上回る場合である。温度過昇モード１６２は、安全モードであり、その最中には、ＴＥＣ１２０を損傷から保護するために、熱交換器１０４の排出側の温度、ひいてはＴＥＣ１２０の高温側の温度が下降させられる。最後に、回復モード１６３は、例えば、冷却チャンバー１０２内への熱漏洩、冷却チャンバー１０２の開放などに起因して、冷却チャンバー１０２の温度が定常状態範囲の外側で上昇する場合である。
【００７３】
本開示の一実施形態における種々のモード１５８、１６０、１６２、および１６３におけるコントローラ１０６の動作が図１６に示されている。図１６に示されるように、予冷モード１５８で動作する場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０のすべてに対する電流を制御して、ＴＥＣ１２０のすべてが、所望の成績特性に応じて、ＱCOPmaxおよびＱmaxの間の電力レベルで動作するようにする。換言すると、コントローラ１０６は、ＩCOPmaxおよびＩmaxの間の電流をＴＥＣ１２０のすべてに供給させる。コントローラ１０６は、例えば、熱電冷却システム１００が最初に購入された場合、または熱電冷却システム１００が電源から切り離された後に電源投入された後などの最初に電源投入されたということに基づいて、熱電冷却システム１００が予冷モード１５８にある場合を判定する。コントローラ１０６は、１６４に示されるように、冷却チャンバー１０２の温度が設定点温度に、または設定点温度の許容範囲内に予冷されるまで、ＴＥＣ１２０のすべてをＱCOPmaxおよびＱmaxの間の電力レベルに維持する。冷却チャンバー１０２が設定点温度にまで予冷されたならば、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０の動作を制御して、電流ＩCOPmaxをＴＥＣ１２０のすべてに供給させることによって、ＴＥＣ１２０のすべてがＱCOPmaxで動作するようにする。さらに、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２が設定点温度にまで予冷されると、起動されるＴＥＣ１２０の数を削減し得る。
【００７４】
上述のように、温度データに基づいて、コントローラ１０６はまた、熱電冷却システム１００が定常状態モード１６０にある場合を判定する。冷却チャンバー１０２の温度が設定点温度に等しい、または設定点温度の既定の範囲内にある場合、熱電冷却システム１００は、定常状態モード１６０にある。定常状態モード１６０にある場合、コントローラ１０６は、要求に応じて、必要数のＴＥＣ１２０をＱCOPmaxに設定する。この例では、ＴＥＣ１２０のすべては、定常状態モード１６０において、ＱCOPmaxで動作される。定常状態モード１６０の間、１６６に示されるようにＱCOPmax＞Ｑleakの場合、冷却チャンバー１０２の温度は下降し続ける。この場合、コントローラ１０６は、１６８に示されるように、起動されたＴＥＣ１２０のデューティサイクルを低減する。逆に、１７０に示されるようにＱCOPmax＜Ｑleakの場合、冷却チャンバー１０２の温度は上昇する。この場合、コントローラ１０６は、稼働中のＴＥＣ１２０の数を利用可能な限り増加し、次いで、稼働中のＴＥＣ１２０に供給される電流を、１７２に示されるようにＩCOPmaxおよびＩmaxの間の値まで増加する。特に、Ｑleakは、冷却チャンバー１０２の扉の封止を通過する熱、冷却チャンバー１０２を通る自然な熱伝導など、冷却チャンバー１０２内への熱漏洩量を指す。
【００７５】
上述のように、コントローラ１０６はまた、温度入力１５６からの温度データに基づいて、冷却チャンバー１０２が温度過昇モード１６２にあるかどうかを判定する。熱電冷却システム１００の動作中、熱交換器１０４の排出側における温度が監視されて、熱交換器１０４の排出側における温度が既定の最大許容温度を決して超えることのないようにする。例えば、冷却チャンバー１０２に続く扉が適切に閉じられていない場合など、冷却チャンバー１０２が冷めない場合、熱交換器１０４の排出側における温度が、既定の最大許容温度を超える場合がある。
【００７６】
コントローラ１０６は、熱交換器１０４の排出側における温度が既定の最大許容温度を超えると判定する場合、動作１７４において、コントローラ１０６は、冷却を促進しているＴＥＣ１２０の一部またはすべてを動作停止させることによって、あるいはＴＥＣ１２０に供給される電流を減らすことによって、熱交換器１０４の排出側における温度を下降させる。例えば、ＴＥＣ１２０のすべてがＱCOPmaxまたはＱmaxで動作している場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０のうちの１つ以上、あるいは好ましくはＴＥＣ１２０のすべてを動作停止し得る。別の例では、ＴＥＣ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｅ、および１２０ｆがＱmaxで動作している場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０ｅおよび１２０ｆを動作停止して、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂのみがＱmaxで動作し、冷却チャンバー１０２からの抽熱を促進するようにし得る。別の例では、ＴＥＣ１２０ａから１２０ｄがＱCOPmaxで動作している場合、カートリッジ１１２を損傷することなく、冷却チャンバー１０２の温度を出来る限り設定点温度の近くとなるように維持するために、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０ｃおよび１２０ｄを動作停止して、次いで、ＴＥＣ１２０ｅを起動し得る。なお、熱交換器１０４の温度が最大許容温度を超えたという判定に応じて、コントローラ１０６は、任意の数の稼働中のＴＥＣ１２０を動作停止し、任意の数の非稼働中のＴＥＣ１２０を起動し得る。
【００７７】
上述のように、熱交換器１０４の温度が既定の最大許容温度を超えることをコントローラ１０６が判定する場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０の一部またはすべてを動作停止することに加えて、あるいはそれに替えて、ＴＥＣ１２０に供給される電流を抑制し得る。この機能をさらに説明すると、ＴＥＣ１２０のすべてがＱCOPmaxまたはＱmaxで動作している場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０のそれぞれに供給される電流量を低減し得る。例えば、ＴＥＣ１２０のすべてがＱmaxで動作している場合、コントローラ１０６は、ＩmaxからＩCOPmaxおよびＩmaxの間である値に電流を抑制し得る。加えて、ＴＥＣ１２０のすべてがＱCOPmaxまたはＱmaxで動作している場合、熱交換器１０４の温度を下降させるために、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０の一部に供給される電流だけを抑制し得る。さらなる実施形態では、熱交換器１０４の温度が既定の最大許容温度を超える場合、コントローラ１０６はまた、ＴＥＣ１２０の一部を動作停止すると同時に、起動されたままのＴＥＣ１２０の一部またはすべてへの電流を低減し得る。
【００７８】
回復モード１６３にある場合、コントローラ１０６は、稼働中のＴＥＣ１２０を、１７５に示されるようにＱCOPmaxでの動作からＱmaxでの動作に切り替える。回復モード１６３は、定常状態での動作中に、冷却チャンバー１０２内の温度が短期間の内に設定点温度を上回って著しく上昇したことを示す温度入力１５４からの温度データを、コントローラ１０６が受信した場合に生じる。具体的には、冷却チャンバー１０２内の温度が、温度の定常状態範囲の上限を上回って上昇する（例えば、所望の定常状態範囲の上限を既定する、いくらかの既定の値を加えた設定点温度を上回って上昇する）場合に、熱電冷却システム１００は、回復モード１６３に入り得る。
【００７９】
様々なモード１５８、１６０、１６２、および１６３に関して図１６に示されている制御１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４、および１７５は、例にすぎないことに留意されたい。コントローラ１０６がＴＥＣ１２０をモード１５８、１６０、１６２、および１６３のそれぞれにおいて制御する方法は、個別の実装に応じて変わり得る。概して、上述のように、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、予冷モード１５８または回復モード１６３の場合に冷却チャンバー１０２の温度を下げる。これがなされる際の的確な方法は変わり得る。例えば、最小の予冷または回復の時間が求められる成績特性の場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０のすべてをＱmaxで１００％デューティサイクル（常時オン）の状態で起動し得る。逆に、予冷または回復の時間および効率の間における妥協点が要求される場合、コントローラ１０６は、例えば、ＴＥＣ１２０のすべてを、ＱCOPmaxで１００％デューティサイクル（常時オン）の状態で、またはＱCOPmaxおよびＱmaxの間のどこかで起動し得る。定常状態モード１６０にある場合、コントローラ１０６は、一般に、効率的に設定点温度を維持するように動作する。例えば、コントローラ１０６は、必要数のＴＥＣ１２０（例えば、すべてのＴＥＣ１２０またはすべてには満たないＴＥＣ１２０）を負荷に基づいてＱCOPmaxで動作し得る。ＴＥＣ１２０のこの既定の数は、ＱCOPmaxで、またはその付近で動作することによって、設定点温度を維持するために必要とされるＴＥＣ１２０の数である。定常状態モード１６０の間、ＴＥＣ１２０のすべてを必要とするのでなければ、不要なＴＥＣ１２０は動作停止される。コントローラ１０６は、起動されたＴＥＣ１２０の動作を微調整して、例えば、起動されたＴＥＣ１２０の入力電流をわずかに増加または減少して、起動されたＴＥＣ１２０がＱCOPmaxのわずかに上で動作するようにすることによって、あるいは起動されたＴＥＣ１２０のデューティサイクルを増加または減少することによって、Ｑleakを補償することによって、設定点温度を正確に維持し得る。
【００８０】
再び図１５を参照すると、熱電冷却システム１００はまた、ユーザインターフェース（ＵＩ）１７６と、電源１７８と、付属装置（ａｃｃ）１８０と、パワーエレクトロニクス１８２とを含む。ユーザインターフェース１７６により、ユーザは、熱電冷却システム１００に関係する様々な制御パラメータを入力できる。これらの制御パラメータは、冷却チャンバー１０２の設定点温度を含む。一部の実施形態では、制御パラメータは、温度が定常状態範囲にある場合の値を追加的に含み得る。一部の実施形態では、ユーザインターフェース１７６により、追加的に、ユーザまたは熱電冷却システム１００の製造業者は、熱交換器１０４の排出側のための最大許容温度、ＩCOPmaxおよびＩmaxに関係する電流値、および／または同様のものを定義できることに留意されたい。なお、しかしながら、制御パラメータの一部またはすべては、コントローラ１０６内にプログラムまたはハードコーディングされ得る。
【００８１】
電源１７８は、コントローラ１０６、付属装置１８０、およびパワーエレクトロニクス１８２に電力を供給する。付属装置１８０は、チャンバー用照明または拡張機能用の通信モジュールであり得る。付属装置１８０が通信モジュールである実施形態では、付属装置１８０は、遠隔の装置、例えば、限定されるものではないが、携帯電話、遠隔にあるコンピューティングデバイス、またはその他の電気器具および熱電冷却システムとさえ通信し得る。付属装置１８０が携帯電話または遠隔にあるコンピューティングデバイスと通信する実施形態では、付属装置１８０は、熱電冷却システム１００および冷却チャンバー１０２の動作パラメータ（例えば、温度データ）を遠隔のデバイスまたはエンティティに提供し得る。付属装置１８０がその他の熱電冷却システムと通信する実施形態では、付属装置１８０は、設定点温度、設定点温度の上限および下限、冷却チャンバー１０２の最大許容温度、熱交換器１０４の排出側の最大許容温度などの、熱電冷却システム１００の動作パラメータを他方の熱電冷却システムに通信し得る。
【００８２】
パワーエレクトロニクス１８２は、概して、コントローラ１０６からの制御入力に応じて電流をＴＥＣ１２０に提供するように動作する。より具体的には、パワーエレクトロニクス１８２は、ＴＥＣ１２０のサブセットのそれぞれに対して電流を独立に提供する。一実施形態では、ＴＥＣ１２０の種々のサブセットのデューティサイクルもまた制御される。この場合、パワーエレクトロニクス１８２は、パルス幅変調機能を提供し得、これにより、ＴＥＣ１２０の種々のサブセットのデューティサイクルが制御される。
【００８３】
図１７を参照すると、本開示の一実施形態による、冷却チャンバー１０２を設定点温度で維持するためのコントローラ１０６の動作方法が示されている。まず、冷却チャンバー１０２内の温度および熱交換器１０４の排出側における温度に対応する温度データが受信される（ステップ１０００）。例えば、熱電対、または任意のその他のタイプの温度センサが用いられて、冷却チャンバー１０２の温度を判定し、ステップ１０００において温度入力１５４を介して、温度を温度データとしてコントローラ１０６に提供し得る。さらに、熱電対、または任意のその他のタイプの温度センサが用いられて、熱交換器１０４の排出側の温度を判定し、ステップ１０００において温度入力１５６を介して、温度を温度データとしてコントローラ１０６に提供し得る。
【００８４】
温度データの受信に応じて、コントローラ１０６は、温度データに基づいてＴＥＣを選択的に制御する（ステップ１００２）。概して、コントローラ１０６は、温度データおよび冷却チャンバー１０２のための設定点温度に基づいて、１つ以上、また一部の好ましい実施形態では、２つ以上の種々のＴＥＣサブセットを選択的に制御する。図３のカートリッジ１１２内のＴＥＣ１２０を例として用いれば、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０の種々のサブセットを選択的に、または別々に制御する。より具体的には、上述のように、コントローラ１０６は、温度データおよび冷却チャンバー１０２のための設定点温度に基づいて、熱電冷却システム１００が予冷モード１５８か、定常状態モード１６０か、または回復モード１６３かを判定する。コントローラ１０６が、熱電冷却システム１００が予冷モード１５８または回復モード１６３にあると判定する場合、コントローラ１０６は、現在動作停止中のＴＥＣ１２０を起動すること、起動されたＴＥＣ１２０に供給される電流を増加すること、および／または起動されたＴＥＣ１２０のデューティサイクルを増加することのいずれかによって、冷却チャンバー１０２の温度を下げるようにＴＥＣ１２０を制御する。コントローラ１０６が、熱電冷却システム１００が定常状態モード１６０にあると判定する場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、設定点温度を維持する。定常状態モード１６０では、コントローラ１０６は、例えば、設定点温度を維持するため、必要に応じて、ＴＥＣ１２０の種々のサブセットを起動または動作停止する、起動されたＴＥＣ１２０の種々のサブセットに供給される電流を増加または減少する、および／または起動されたＴＥＣ１２０の種々のサブセットのデューティサイクルを増加または減少することもできる。
【００８５】
例として、定常状態の動作中、ＴＥＣ１２０ａ、１２０ｂ、および１２０ｅがＱCOPmaxで動作する間に、熱電冷却システム１００が回復モード１６３にあると温度データが示している場合、コントローラ１０６は、追加的な非稼働中のＴＥＣ１２０ｃ、１２０ｄ、および１２０ｆのサブセットを起動し、新たに起動したＴＥＣ１２０をＱCOPmaxで動作し得る。さらなる冷却容量が求められる場合、コントローラ１０６は、できるだけ早く冷却チャンバー１０２の温度を設定点温度まで下げるために、稼働中のＴＥＣ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、および１２０ｆに供給される電流をＩmaxまで増加する。コントローラ１０６がＴＥＣ１２０をＱmaxで動作するように選択的に制御した後、本方法は、ステップ１０００に戻り、コントローラ１０６は、再び温度データを受信する。例に戻ると、冷却チャンバー１０２が設定点温度まで冷却されたことをステップ１０００において受信した温度データが示す場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０ａ、１２０ｂ、および１２０ｅに供給される電流をＩmaxからＩCOPmaxまで減少して、ステップ１００２における定常状態モード１６０の場合に、ＴＥＣ１２０ａ、１２０ｂ、および１２０ｅがＱCOPmaxで動作するようにする。加えて、コントローラ１２０は、この例では定常状態モード１６０において使用されないＴＥＣ１２０ｃ、１２０ｄ、および１２０ｆを動作停止する。コントローラ１０６は、このプロセスを連続的に繰り返して、冷却チャンバー１０２における設定点温度を維持する。
【００８６】
換言すると、一実施形態では、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を複数の制御スキームで制御するように構成される、または制御することができる。制御スキームは、ＴＥＣ１２０の種々のサブセットの起動および動作停止を独立に制御すること、それぞれのＴＥＣ１２０のサブセットに供給される電流を独立に制御すること、および／またはそれぞれのＴＥＣ１２０のサブセットのデューティサイクルを独立に制御することを含む。動作中、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度および、一部の実施形態では、熱交換器１０４の排出側における温度、ならびに所望の成績特性に基づいて、１つ以上の制御スキームを選択する。所望の成績特性は、コントローラ１０６内にプログラム可能であり得る、またはハードコーディングされ得る。所望の成績特性は、種々の動作モードに対して、どのようにＴＥＣ１２０が制御されるかを決める（例えば、最大効率、最大容量、または最大効率および最大容量の間のどこか）。制御スキーム（複数可）が選択されると、コントローラ１０６は、選択された制御スキーム（複数可）にしたがって、ＴＥＣ１２０の種々のサブセットを制御する。このように、コントローラ１０６は、各動作モードに対して、起動／動作停止、電流、およびデューティサイクルの任意の組み合わせを制御できる。
【００８７】
例えば、定常状態モード１６０については、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度ならびに定常状態モード１６０中に効率を最大化する所望の成績特性に基づいて、ＴＥＣ１２０の起動／動作停止の制御スキームを選択し得る。この場合、次いで、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０のサブセットのうちの１つ以上を起動し、一部の実施形態では、その他の１つ以上のＴＥＣ１２０のサブセットをさらに動作停止する。加えて、コントローラ１０６は、定常状態モード１６０中、起動されたＴＥＣ１２０の電流および／またはデューティサイクルを制御するように選択し得、この場合、コントローラ１０６は、起動されたＴＥＣ１２０のサブセットのそれぞれに供給される電流および／または起動されたＴＥＣ１２０のサブセットのそれぞれのデューティサイクルを独立に制御する。この例を続けると、回復モード１６３または予冷モード１５８については、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度ならびに所望の成績特性（例えば、予冷または回復時間の最小化）に基づいて、ＴＥＣ１２０の起動／動作停止の制御スキームを選択し得る。この場合、コントローラ１０６は、定常状態モード１６０の間には起動されていなかった追加的なＴＥＣ１２０のサブセットを起動する。加えて、コントローラ１０６は、予冷モード１５８または回復モード１６３の間、起動されたＴＥＣ１２０のサブセットの電流および／またはデューティサイクルを制御するように選択し得、この場合、コントローラ１０６は、起動されたＴＥＣ１２０のサブセットのそれぞれの電流および／または起動されたＴＥＣ１２０のサブセットのそれぞれのデューティサイクルを独立に制御する。
【００８８】
図１８は、本開示の別の実施形態による、冷却チャンバー１０２を設定点温度に維持するためのコントローラ１０６の動作方法を示すフローチャートである。まず、冷却チャンバー１０２および熱交換器１０４の排出側の温度データが受信される（ステップ１１００）。温度データが受信された後、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度が冷却チャンバー１０２の温度のための定常状態範囲の上限よりも高いかどうかを判定する（ステップ１１０２）。定常状態範囲は、設定点温度を含む、冷却チャンバー１０２のための許容温度範囲である。例として、定常状態範囲は、設定点温度プラスマイナス既定のオフセット（例えば、２度）であり得る。冷却チャンバー１０２の温度が定常状態範囲の上限以下の場合、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度が定常状態範囲の下限よりも高いかどうかを判定する（ステップ１１０４）。
【００８９】
冷却チャンバー１０２の温度が定常状態範囲の下限以下の場合、プロセスは、ステップ１１００に戻る。しかしながら、冷却チャンバー１０２の温度が定常状態範囲の下限未満である場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、冷却チャンバー１０２の温度を上げる（ステップ１１０６）。特定の実施形態に応じて、コントローラ１０６は、ＴＥＣのうちの１つ以上を動作停止すること、ＴＥＣ１２０のうちの１つ以上への電流入力を減少すること、および／またはＴＥＣ１２０のうちの１つ以上のデューティサイクルを減少することによって、冷却チャンバー１０２の温度を上げる。コントローラ１０６がＴＥＣ１２０の種々のサブセットを選択的に制御し得ることから、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度をどのように増加するかについて、かなりの柔軟性を有する。冷却チャンバー１０２の温度を上げるようにＴＥＣ１２０を制御した後、プロセスはステップ１１００に戻り、繰り返される。
【００９０】
ステップ１１０２に戻ると、冷却チャンバー１０２の温度が定常状態範囲の上限よりも高い場合、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度が冷却チャンバー１０２のための既定の最大許容温度よりも高いかどうかを判定する（ステップ１１０８）。その場合、プロセスは、ステップ１１１２に進む。そうでない場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、冷却チャンバー１０２の温度を下げる（ステップ１１１０）。コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、１つ以上の先に動作停止したＴＥＣ１２０を起動すること、起動されたＴＥＣ１２０のうちの１つ以上への電流入力をＩCOPmaxからＩCOPmaxよりも大きい値（例えば、Ｉmax）に増加すること、
および／または起動されたＴＥＣ１２０のうちの１つ以上のデューティサイクルを増加することによって、冷却チャンバー１０２の温度を下げる。図３のカートリッジ１１２の実施形態におけるＴＥＣ１２０を例として用いれば、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０の種々のサブセットを独立に制御する。つまり、例えば、ステップ１１１０に先立って、第１のＴＥＣサブセット（すなわち、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂ）が起動され、ＱCOPmaxで動作するが、残りのＴＥＣ１２０が動作停止する場合、コントローラ１０６は、第１のＴＥＣ１２０のサブセットへの電流入力をＩCOPmaxからＩCOPmaxよりも大きい値（例えば、Ｉmax）に増加すること、第１のＴＥＣ１２０のサブセットのデューティサイクルを増加すること、第２のＴＥＣ１２０のサブセットを起動して、ＱCOPmaxまたはＱCOPmaxよりも大きい容量で所望のデューティサイクルの状態（例えば、常時オン）で動作させること、第３のＴＥＣ１２０のサブセットを起動して、ＱCOPmaxまたはＱCOPmaxよりも大きい容量で所望のデューティサイクルの状態（例えば、常時オン）で動作させること、および／または第４のＴＥＣ１２０のサブセットを起動して、ＱCOPmaxまたはＱCOPmaxよりも大きい容量で所望のデューティサイクルの状態（例えば、常時オン）で動作させることによって、冷却チャンバー１０２の温度を下げ得る。
【００９１】
次に、ステップ１１０８の「はい」の分岐、あるいはステップ１１１０のどちらから進むのであっても、コントローラ１０６は、熱交換器１０４の排出側における温度が、熱交換器１０４の排出側のための既定の最大許容温度よりも高いかどうかを判定する（ステップ１１１２）。その場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、熱交換器構成要素の温度を下げる（ステップ１１１４）。具体的には、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、熱交換器１０４の構成要素の温度を排出側で（例えば、高温側ヒートシンク１０８）下げる。熱交換器１０４の構成要素の温度の下降は、ＴＥＣ１２０の一部またはすべてを動作停止すること、ＴＥＣ１２０の一部またはすべてに供給される電流を抑制すること、またはこれらの組み合わせによって達成され得る。次いで、プロセスは、ステップ１１００に戻り、繰り返される。
【００９２】
しかしながら、熱交換器１０４の排出側における温度が既定の最大許容温度以下の場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣを制御して、冷却チャンバー１０２の温度を下げる（ステップ１１１６）。上述のように、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、１つ以上の先に動作停止したＴＥＣ１２０を起動すること、起動されたＴＥＣ１２０のうちの１つ以上への電流入力をＩCOPmaxからＩCOPmaxよりも大きい値（例えば、Ｉmax）に増加すること、および／または起動されたＴＥＣ１２０のうちの１つ以上のデューティサイクルを増加することによって、冷却チャンバー１０２の温度を下げる。例えば、ステップ１１１６に先立って、第１のＴＥＣサブセット（すなわち、ＴＥＣ１２０ａおよび１２０ｂ）が起動され、ＱCOPmaxで動作するが、残りのＴＥＣ１２０が動作停止する場合、コントローラ１０６は、第１のＴＥＣ１２０のサブセットへの電流入力をＩCOPmaxからＩCOPmaxよりも大きい値（例えば、Ｉmax）に増加すること、第１のＴＥＣ１２０のサブセットのデューティサイクルを増加すること、第２のＴＥＣ１２０のサブセットを起動して、ＱCOPmaxまたはＱCOPmaxよりも大きい容量で所望のデューティサイクルの状態（例えば、常時オン）で動作させること、第３のＴＥＣ１２０のサブセットを起動して、ＱCOPmaxまたはＱCOPmaxよりも大きい容量で所望のデューティサイクルの状態（例えば、常時オン）で動作させること、および／または第４のＴＥＣ１２０のサブセットを起動して、ＱCOPmaxまたはＱCOPmaxよりも大きい容量で所望のデューティサイクルの状態（例えば、常時オン）で動作させることによって、冷却チャンバー１０２の温度を下げ得る。ステップ１１１６において冷却チャンバー１０２の温度を下げた後、プロセスはステップ１１００に戻り、繰り返される。
【００９３】
例として、温度データが、冷却チャンバー１０２が０．９℃であり、熱交換器１０４の排出側が１９℃であることを示していると仮定する。加えて、この例では、冷却チャンバー１０２のための設定点温度が２．２℃、定常状態範囲の上限が５．０℃、定常状態範囲の下限が１．０℃、冷却チャンバー１０２における最大許容温度が１５℃、そして熱交換器１０４の排出側における最大許容温度が２０℃とする。この例を用いると、コントローラ１０６は、まず、冷却チャンバー１０２の温度（０．９℃）が定常状態範囲の上限（５．０℃）を越えていないと判定する。したがって、コントローラ１０６は、ステップ１１０４を実行し、そこで、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度（０．９℃）が定常状態範囲の下限（１．０℃）未満であると判定する。その結果、コントローラ１０６は、ステップ１１０６を実行して、冷却チャンバー１０２の温度を上げる。ステップ１１０６の実行後、コントローラ１０６は、ステップ１１００に戻って、それによって、更新された温度データを受信し、かつプロセスを続行する。
【００９４】
別の例として、温度データが、冷却チャンバー１０２の温度が１４℃であり、熱交換器１０４の排出側における温度が１８℃であることを示していると仮定する。加えて、この例では、冷却チャンバー１０２のための設定点温度が２．２℃、定常状態範囲の上限が５．０℃、定常状態範囲の下限が１．０℃、冷却チャンバー１０２における最大許容温度が１５℃、そして熱交換器１０４の排出側における最大許容温度が２０℃とする。この例を用いると、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度（１４℃）が定常状態範囲の上限（５．０℃）よりも高いと判定する。したがって、コントローラ１０６は、ステップ１１０８を実行し、そこで、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度（１４℃）が冷却チャンバー１０２の最大許容温度（１５℃）未満であると判定する。それに基づいて、コントローラ１０６は、ステップ１１１０を実行して、それによって、冷却チャンバー１０２の温度を下げる。
【００９５】
第３の例では、温度データは、冷却チャンバー１０２の温度が１７℃であり、熱交換器１０４の温度が２２℃であることを示している。加えて、この例では、冷却チャンバー１０２のための設定点温度が２．２℃、定常状態範囲の上限が５．０℃、定常状態範囲の下限が１．０℃、冷却チャンバー１０２における最大許容温度が１５℃、そして熱交換器１０４の排出側における最大許容温度が２０℃とする。ステップ１１０２では、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度が定常状態範囲の上限よりも高いと判定する。したがって、コントローラ１０６は、ステップ１１０８を実行し、そこで、コントローラ１０６は、冷却チャンバー１０２の温度（１７℃）が冷却チャンバー１０２の最大許容温度（１５℃）を超えていると判定する。それに基づいて、コントローラ１０６は、ステップ１１１２を実行し、そこで、コントローラ１０６は、熱交換器１０４の排出側における温度が熱交換器１０４の排出側における最大許容温度を超えるかどうかを判定する。本開示の実施形態によれば、熱交換器１０４の排出側における最大許容温度とは、それを超えると熱交換器１０４の構成要素が過熱し、損傷をうける温度である。熱交換器１０４の排出側における温度が熱交換器１０４の排出側における最大許容温度を超える場合の例は、冷却チャンバー１０２の扉が開放されたままである場合など、冷却チャンバー１０２から大量の熱漏洩がある場合である。冷却チャンバー１０２の扉が開放されたままであるケースでは、熱電冷却システム１００は、冷却チャンバー１０２の温度を設定点温度に下げようとする。この時、大量の熱漏洩があることから、熱交換器１０４の構成要素は、冷却チャンバー１０２の温度を下げることができず、その代わりに過度に動作する場合があり、それによって過熱する（すなわち、熱交換器１０４の排出側における最大許容温度を超える）。熱交換器１０４の排出側における温度が熱交換器１０４の排出側における最大許容温度を超える場合の別の例は、受容ループ１１４内に閉塞がある場合、受容ループ１１４内の冷却媒体に問題がある場合など、受容ループ１１４と冷却チャンバー１０２との間に適切な熱伝達が生じていない場合である。第３の例では、熱交換器１０４の排出側における温度（２２℃）は、熱交換器１０４の排出側における最大許容温度（２０℃）を超えている。それに基づいて、コントローラ１０６は、ステップ１１１４を実行して、そこで、コントローラ１０６は、熱交換器１０４の構成要素の温度を冷ます。
【００９６】
図１９は、本開示の一実施形態による、熱交換器１０４の排出側における温度を監視するためのコントローラ１０６の動作方法を示すフローチャートである。まず、コントローラ１０６は、温度データを受信する（ステップ１２００）。一実施形態では、温度データは、熱交換器１０４の排出側における温度に対応する。温度データの受信後、図１８のステップ１１１２を参照して上述したように、コントローラ１０６は、熱交換器１０４の排出側における温度が熱交換器１０４の排出側における最大許容温度を超えるかどうかを判定する（ステップ１２０２）。熱交換器１０４の排出側における温度が最大許容温度を超えていない場合、プロセスは、ステップ１２００に戻り、繰り返される。しかしながら、熱交換器１０４の排出側における温度が熱交換器１０４の排出側における最大許容温度を超える場合、コントローラ１０６は、ＴＥＣ１２０を制御して、それによって、熱交換器１０４の排出側における温度を下げる（ステップ１２０４）。
【００９７】
多数並列熱交換システム
上述の実施形態では、熱電冷却システム１００は、単一の熱交換システム（すなわち、単一の熱交換器１０４、単一の受容ループ１１４、および単一の排出ループ１１６）を含む。図２０Ａから図２０Ｃは、熱電冷却システム１００の別の実施形態を示しており、これは、２つの並列熱交換システムを含む。図２０Ａから図２０Ｃの実施形態には２つの並列熱交換システムが示されているが、任意の数の２つ以上の並列熱交換システムが用いられ得ることに留意されたい。図２０Ａに示されるように、２つの並列熱交換システムは、図１の熱交換システムと同様のものである。特に、第１の熱交換システムは、熱交換器１０４ａを含み、熱交換器１０４ａは、高温側ヒートシンク１０８ａと、低温側ヒートシンク１１０ａと、高温側および低温側ヒートシンク１０８ａおよび１１０ａの間に配置されるカートリッジ１１２ａと、低温側ヒートシンク１１０ａに結合される受容ループ１１４ａと、高温側ヒートシンク１０８ａに結合される排出ループ１１６ａとを含む。カートリッジ１１２ａは、１つ以上のＴＥＣを含み、好ましくは、コントローラ１０６によって選択的に制御される複数のＴＥＣを含む。一部の好ましい実施形態では、ＴＥＣは、図１のカートリッジ１１２に関して説明した方法で１つ以上、好ましくは２つ以上のＴＥＣサブセットの選択的かつ独立な制御を可能にする相互接続ボード上に配置される。同様に、第２の熱交換システムは、熱交換器１０４ｂを含み、熱交換器１０４ｂは、高温側ヒートシンク１０８ｂと、低温側ヒートシンク１１０ｂと、高温側および低温側ヒートシンク１０８ｂおよび１１０ｂの間に配置されるカートリッジ１１２ｂと、低温側ヒートシンク１１０ｂに結合される受容ループ１１４ｂと、高温側ヒートシンク１０８ｂに結合される排出ループ１１６ｂとを含む。カートリッジ１１２ｂは、１つ以上のＴＥＣを含み、好ましくは、コントローラ１０６によって選択的に制御される複数のＴＥＣを含む。一部の好ましい実施形態では、ＴＥＣは、図１のカートリッジ１１２に関して説明した方法で１つ以上、好ましくは２つ以上のＴＥＣサブセットの選択的かつ独立な制御を可能にする相互接続ボード上に配置される。図２０Ａの２つの並列熱交換システムの動作ならびにカートリッジ１１２ａおよび１１２ｂ内のＴＥＣの制御は、図１の対応する熱交換システムおよびカートリッジ１１２に関して上述したものと同様である。そのため、詳細については繰り返さない。
【００９８】
並列熱交換システムは、カートリッジ１１２ａおよび１１２ｂ内のＴＥＣを制御する場合、コントローラ１０６に追加的な自由度を提供する。より具体的には、１つ以上、また好ましくは２つ以上のカートリッジ１１２ａ内のＴＥＣサブセットを選択的かつ独立に制御することに加えて、コントローラ１０６はまた、カートリッジ１１２ａ内のＴＥＣサブセット（複数可）とは独立に、１つ以上、また好ましくは２つ以上のカートリッジ１１２ｂ内のＴＥＣサブセットを選択的かつ独立に制御できる。一例として、定常状態での動作中、コントローラ１０６は、図２０Ｂに示されるように、カートリッジ１１２ａ内のＴＥＣの一部または場合によりすべてを、好ましくはＱCOPmax、またはその付近で（例えば、わずかに上回って、あるいは場合により下回って）起動し、かつカートリッジ１１２ｂ内のＴＥＣのすべてを動作停止し得る。逆に、予冷中または回復中においては、コントローラ１０６は、図２０Ｃに示されるように、カートリッジ１１２ａ内の先に動作停止したＴＥＣを起動し、かつカートリッジ１１２ｂ内のＴＥＣの一部または場合によりすべてを起動し得る。予冷中または回復中においては、起動されたＴＥＣは、好ましくは、ＱCOPmax、Ｑmax、またはＱCOPmaxおよびＱmaxの間のどこかで動作される。
【００９９】
並列熱交換器１０４ａおよび１０４ｂの１つの非限定的な利点は、稼働中のＴＥＣと同じ熱交換器１０４ａ、１０４ｂ内に配置された動作停止中のＴＥＣに関係する寄生損失を被ることなく、大きな回復容量を提供すると同時に、多数のＴＥＣサブセットを完全に分離する能力である。並列熱交換器１０４ａおよび１０４ｂの別の非限定的な利点は、関係する熱交換器の体積／放熱面積に対する様々な制御体制についてより良くバランスをとることによる効率の最大化に関する。
【０１００】
カスケード式ヒートシンク
本開示のさらなる実施形態では、種々の冷却チャンバーを種々の設定点温度で維持するために、ＴＥＣのアレイは、カスケード接続され得る。一実施形態では、単一の熱電冷却システムは、それぞれが種々の設定点温度を有する第１の冷却チャンバーと第２の冷却チャンバーとを有し得る。一実施形態では、第１組のＴＥＣ（例えば、第１のカートリッジ内のＴＥＣ）は、第１の冷却チャンバーを冷却する。加えて、第２組のＴＥＣ（例えば、第２のカートリッジ内のＴＥＣ）は、第２の冷却チャンバーを冷却し、ここで、第２の冷却チャンバーの設定点温度は、第１の冷却チャンバーの設定点温度よりも低い。この実施形態では、第１組および第２組のＴＥＣは、カスケード接続されたヒートシンクを介して、互いに熱的に結合される。この実施形態では、第１の冷却チャンバーの冷却中、第１組のＴＥＣは、第１の冷却チャンバーから熱を抽出し、抽出した熱を第１の冷却チャンバーの外部の環境に排出するように動作する。この実施形態では、第２の冷却チャンバーの冷却中、第２組のＴＥＣは、第２の冷却チャンバーから熱を抽出し、次いで、抽出した熱を第１組のＴＥＣに排出するように動作する。この時、第１組のＴＥＣは、第２の冷却チャンバーから抽出した熱を第１および第２の冷却チャンバーの外部の環境に排出するように動作する。この実施形態では、第１組のＴＥＣは、第２組のＴＥＣとは独立に動作する。特に、第１の設定点温度は、第２の設定点温度と異なり得る。さらに、冷却チャンバーのそれぞれに対して種々の動作モードが存在し得る（例えば、第１の冷却チャンバーの扉の開放に起因して、第１の冷却チャンバーが予冷中である一方で、第２の冷却チャンバーが定常状態にある場合がある）。
【０１０１】
これに関し、図２１は、本開示の実施形態による、冷却チャンバー１８６および１８８を有する熱電冷却システム１８４を示している。この実施形態では、冷却チャンバー１８６および１８８は、種々の設定点温度を有する。例えば、熱電冷却システム１８４が家庭用冷蔵庫である場合、冷却チャンバー１８６は、冷凍庫に対応し得、冷却チャンバー１８８は、冷蔵庫に対応し得る。熱電冷却システム１８４はまた、本開示の別の実施形態による熱交換器１９０を含む。この時、熱交換器１９０は、高温側ヒートシンク１９２と、２つの低温側ヒートシンク、すなわち、低温側ヒートシンク１９４および低温側ヒートシンク１９６とを含む。高温側ヒートシンク１９２は、排出ループ１９８と熱的に結合し、図１の冷却チャンバー１０２、高温側ヒートシンク１０８、および排出ループ１１６に関して上述した方法と同様の方法で、冷却チャンバー１８６および１８８から熱を排出するように動作する。この例では、熱交換器１９０は、冷却チャンバー１８８を画定する内壁２００と、熱電冷却システム１８４の外壁２０２との間にある。
【０１０２】
熱交換器１９０はまた、カートリッジ２０４および２０６を含む。カートリッジ２０４は、低温側ヒートシンク１９４および低温側ヒートシンク１９６の両方と熱的に結合する。カートリッジ２０４は、図１のカートリッジ１１２に関して説明したようなＴＥＣを含み、ここで、ＴＥＣの低温側は低温側ヒートシンク１９４と熱的に結合し、ＴＥＣの高温側は低温側ヒートシンク１９６と熱的に結合する。さらに、カートリッジ２０４内に配置されるＴＥＣは、図３から図８を参照して上述したように、任意の数のＴＥＣを有し得る。カートリッジ２０４内のＴＥＣは、低温側ヒートシンク１９４と低温側ヒートシンク１９６との間の熱伝達を促進する。低温側ヒートシンク１９４および低温側ヒートシンク１９６の間で伝達される熱は、冷却チャンバー１８６から受容ループ２０８を介して抽出された熱である。
【０１０３】
カートリッジ２０６は、高温側ヒートシンク１９２と低温側ヒートシンク１９６との間に配置される。カートリッジ２０６は、図１のカートリッジ１１２に関して説明したようなＴＥＣを含み、ここで、ＴＥＣの低温側は低温側ヒートシンク１９６と熱的に結合し、ＴＥＣの高温側は高温側ヒートシンク１９２と熱的に結合する。カートリッジ２０６内のＴＥＣは、低温側ヒートシンク１９６と高温側ヒートシンク１９２との間の熱伝達を促進する。さらに、カートリッジ２０６内に配置されるＴＥＣは、図３から図８を参照して上述したように、任意の数のＴＥＣを有し得る。この実施形態では、低温側ヒートシンク１９６および高温側ヒートシンク１９２の間で伝達される熱は、冷却チャンバー１８８から受容ループ２１０を介して抽出された熱であり、またカートリッジ２０４内のＴＥＣが起動された場合、冷却チャンバー１８６から受容ループ２０８を介して抽出された熱である。
【０１０４】
受容ループ２０８および２１０のそれぞれは、図１の受容ループ１１４に関して上述した方法と同様の方法で動作する。特に、受容ループ１１４に関して上述したように、受容ループ２０８および２１０のそれぞれは、冷却されたチャンバー（すなわち、それぞれ、冷却チャンバー１８６または１８８）からの熱の抽出を促進する。カートリッジ２０４および２０６内のＴＥＣは、別々に制御することができる。したがって、換言すると、カートリッジ２０４および２０６のそれぞれにおけるＴＥＣサブセットは、冷却チャンバー１８６および１８８における設定点温度を維持するために、別々に制御することができる。
【０１０５】
上述のように、カートリッジ２０４および２０６のそれぞれは、上述の機能を有するＴＥＣを含む。本開示の一実施形態では、カートリッジ２０６は、カートリッジ２０４よりも多数のＴＥＣを有して、カートリッジ２０６が受容ループ２０８および２１０の両方からの熱を伝達するのを促進し得るようにする。例えば、１つ以上のカートリッジ２０４内のＴＥＣサブセットが起動される場合、カートリッジ２０６内のＴＥＣは、受容ループ２０８によって抽出された熱および受容ループ２１０によって抽出されたあらゆる熱を伝達するのに十分な容量を有するように制御されなければならない。例えば、カートリッジ２０４内の４つのＴＥＣがＱCOPmaxで動作している場合、カートリッジ２０４内の起動されたＴＥＣによって伝達された熱を伝達するのに十分な容量を提供するために、カートリッジ２０６内の５つ以上のＴＥＣもまたＱCOPmaxで動作されなければならない。加えて、熱がまた受容ループ２１０によって抽出される場合、カートリッジ２０６内のＴＥＣは、さらに制御されて、受容ループ２１０を介して所望の熱量を抽出するためのさらなる容量を提供する。
【０１０６】
熱電冷却システム１８４の動作中、コントローラ２１２は、カートリッジ２０４および２０６内に配置されたＴＥＣを制御して、冷却チャンバー１８６および１８８における所望の設定点温度を維持する。特に、冷却チャンバー１８６内の所望の設定点温度を維持するために、コントローラ２１２は、冷却チャンバー１８６内の温度および、一部の実施形態では図１５から図１９に関して上述したように、熱交換器１９０の排出側における温度に基づいて、カートリッジ２０４および２０６内に配置されたＴＥＣを制御する。したがって、一実施形態では、コントローラ２１２は、冷却チャンバー１８６および熱交換器１９０の排出側の両方に関する温度データを受信し、カートリッジ２０４および２０６内に配置されたＴＥＣを選択的に制御して、冷却チャンバー１８６のための所望の設定点温度を維持する。概して、コントローラ２１２は、動作モード（すなわち、定常状態、回復、予冷など）を検出し、次いで、動作モードにしたがって、カートリッジ２０４および２０６内のＴＥＣを起動／動作停止する、カートリッジ２０４および２０６内のＴＥＣのデューティサイクルを増加または減少する、および／またはカートリッジ２０４および２０６内のＴＥＣに供給される電流を増加または減少する。
【０１０７】
例えば、冷却チャンバー１８６が設定点温度にある場合、コントローラ２１２は、カートリッジ２０４内のＴＥＣを制御して、冷却チャンバー１８６のための定常状態での動作に必要な既定数のＴＥＣが、ＱCOPmaxで動作するようにする。この例では、カートリッジ２０４は４つのＴＥＣを有し、４つのＴＥＣのうちの３つは、ＱCOPmaxで動作している。加えて、冷却チャンバー１８６の定常状態での動作中、コントローラ２１２は、カートリッジ２０６内のＴＥＣのうちの３つ以上を制御して、カートリッジ２０６内の稼働中のＴＥＣが、ＱCOPmaxで動作するカートリッジ２０４内の３つのＴＥＣと共に、かつそれを支援して、ＱCOPmaxで動作するようにする。この例では、コントローラ２１２が、引き続いて、冷却チャンバー１８６が回復中であると検出した場合、コントローラ２１２は、冷却チャンバー１８６の温度を設定点温度に下げるために、カートリッジ２０４内のＴＥＣを選択的に制御する。例えば、コントローラ２１２は、カートリッジ２０４内の４つすべてのＴＥＣを起動して、カートリッジ２０４内のすべてのＴＥＣがＱmaxで動作するようにする。さらに、コントローラ２１２がカートリッジ２０４内の４つすべてのＴＥＣをＱmaxで起動する場合、コントローラ２１２はまた、カートリッジ２０６内のより多くのＴＥＣを起動して、カートリッジ２０４内の新たに起動したＴＥＣによって提供される追加的な容量に対応する。
【０１０８】
上述のように、熱電冷却システム１８４はまた、冷却チャンバー１８８を含み、ここにおいて、受容ループ２１０は、図１の受容ループ１１４に関して上述したように、冷却チャンバー１８８からの熱の抽出を促進する。受容ループ２１０は、低温側ヒートシンク１９６と熱的に結合して、低温側ヒートシンク１９６が抽出された熱を冷却チャンバー１８８から排出ループ１９８に、カートリッジ２０６およびその中に配置されるＴＥＣを介して伝達するようにする。このようにして、排出ループ１９８は、抽出された熱を冷却チャンバー１８６および冷却チャンバー１８８から排出するように動作する。上述のように、カートリッジ２０６は、カートリッジ２０４内に配置されたＴＥＣと共に働くＴＥＣを含む。この時、カートリッジ２０６は、冷却チャンバー１８８から高温側ヒートシンク１９２への抽出された熱の伝達を促進する追加的なＴＥＣを含む。
【０１０９】
カートリッジ２０６内に配置されたＴＥＣを制御して、カートリッジ２０４内に配置された起動されたＴＥＣによって熱伝達を支援することに加えて、上述の図１５から図１９の方法により、コントローラ２１２は、カートリッジ２０６内に配置されたＴＥＣを選択的に制御して、冷却チャンバー１８８内において所望の設定点温度を維持する。このように、コントローラ２１２は、冷却チャンバー１８８に関する温度データを受信し、それにしたがって、カートリッジ２０６内に配置されたＴＥＣを選択的に制御する。例えば、定常状態での動作中、コントローラ２１２は、冷却チャンバー１８６に関する熱伝達を促進していないカートリッジ２０６内のＴＥＣを選択して、選択されたＴＥＣがＱCOPmaxで動作するようにする。この例を続けると、コントローラ２１２が、冷却チャンバー１８８が回復中であると検出した場合、一実施形態では、コントローラ２１２は、選択されたＴＥＣを制御して、選択されたＴＥＣがＱmaxで動作するようにする。加えて、コントローラ２１２は、起動されていない追加的なＴＥＣを選択して、これらの追加的なＴＥＣがＱmaxまたはＱCOPmaxおよびＱmaxの間のどこかの点で動作するようにし得る。このケースでは、カートリッジ２０６が１０個のＴＥＣを含み、冷却チャンバー１８８の定常状態での動作中、ＴＥＣのうちの４つが冷却チャンバー１８６に関する熱伝達を促進する場合、６つの残りのＴＥＣについては、コントローラ２１２は、残りのＴＥＣのうちの３つを選択して、ＱCOPmaxで動作するようにし得る。しかしながら、冷却チャンバー１８８が回復中であり、コントローラ２１２が冷却チャンバー１８８の温度を設定点温度に下げる必要がある場合、コントローラ２１２は、ＱCOPmaxで動作する３つのＴＥＣを制御して、これらのＴＥＣがＱmaxで動作し得、次いで、起動されていない３つの残りのＴＥＣについては、コントローラ２１２は、１つ以上の追加的なＴＥＣを起動して、同様にＱmaxで動作するようにし得る。
【０１１０】
上のケースでは、カートリッジ２０６内の起動されたＴＥＣのうち、４つは、冷却チャンバー１８６からの熱の伝達を促進するために、ＱCOPmaxで動作していた。なお、冷却チャンバー１８８が回復中であった上記のケースでは、本開示の実施形態によれば、コントローラ２１２は、冷却チャンバー１８６から抽出された熱の熱伝達を助けていた４つのＴＥＣを制御して、これらの４つのＴＥＣがＱmaxで動作されるようにし得た。この時、４つのＴＥＣは、依然として、冷却チャンバー１８６を設定点温度で維持するように働く（ＴＥＣがＱCOPmaxで動作するだけでよいため）と同時に、冷却チャンバー１８８の温度を設定点温度に冷却するのを助ける（追加的な熱は、図２を参照すればわかるように、ＱCOPmaxおよびＱmaxに関係する点の間で抽出され得る）。なお、冷却チャンバー１８６および冷却チャンバー１８８が回復中である場合、カートリッジ２０６内のすべてのＴＥＣは、Ｑmaxで動作するように制御され得る。
【０１１１】
熱ダイオード効果および熱交換システムの熱的分離
本開示の一部の好ましい実施形態では、本明細書に開示される熱交換システム（複数可）はまた、熱ダイオード効果と、冷却チャンバー（複数可）および外部環境からの熱交換器の熱的分離とを提供する。これは、熱ダイオード効果および熱交換器（複数可）の熱的分離が、外部環境から熱交換器（複数可）を介して冷却チャンバー（複数可）へ戻る熱漏洩を阻止する、または少なくとも最小化することから有益である。これに関し、図２２は、図１の熱交換器１０４の一実施形態を示しており、ここで、熱交換器１０４は、冷却チャンバー１０２および熱電冷却システム１００の外壁１１８から熱的に分離されて、熱交換器１０４が冷却チャンバー１０２からの熱の抽出を積極的に促進していない場合（すなわち、ＴＥＣのすべてが非稼働中である場合）に、熱交換器１０４から冷却チャンバー１０２に戻る熱漏洩が起こらないようにする。
【０１１２】
図１に関して上述したように、熱交換器１０４は、低温側ヒートシンク１１０と、高温側ヒートシンク１０８とを含み、ここで、カートリッジ１１２は、低温側ヒートシンク１１０と高温側ヒートシンク１０８との間に配置される。図２２に示されるように、熱交換器１０４を熱的に分離させるために、熱交換器１０４は、内壁１１５から支持棒２２０を介して物理的に分離され、かつ物理的に取り付けられる。特に、支持棒２２０は、低温側ヒートシンク１１０および内壁１１５と連結して、支持棒２２０が熱交換器１０４を内壁１１５から物理的かつ熱的に分離すると同時に、熱交換器１０４を熱電冷却システム１００内に取り付けるようにする。本開示の一実施形態によれば、支持棒２２０は、セラミック、プラスチックなどを含む任意の低熱伝導材料などの、熱伝導係数を最小化する任意のタイプの材料から形成され得る。さらに、図２２に見られ得るように、熱交換器１０４は、内壁１１５と外壁１１８との間（ひいては冷却チャンバー１０２）に配置されており、ここで、熱交換器１０４はまた、内壁１１５および外壁１１８から断熱材２２２によって熱的に分離されている。
【０１１３】
熱交換器１０４の熱的分離が受容ループ１１４および排出ループ１１６によって提供される熱ダイオード効果と組み合わされる場合、熱は、カートリッジ１１２内に配置されたＴＥＣがすべて動作停止中である、またはデューティサイクル制御中、「オフ」状態である場合、外部環境および熱交換器１０４から冷却チャンバー１０２内に戻って漏洩する。一実施形態では、受容ループ１１４および排出ループ１１６は、熱サイフォンの原理により動作し（すなわち、熱サイフォンである）、そのため、熱ダイオード効果を提供する。この熱ダイオード効果は、図２３および図２４に示されている。図２３は、熱交換器１０４内の１つ以上のＴＥＣが起動されている、またはデューティサイクル制御中、「オン」状態にある場合の熱交換システムを介する熱伝達を示している。図示のように、ＴＥＣのうちの１つ以上がオンである場合、受容ループ１１４内の冷却媒体は、熱交換器１０４の低温側ヒートシンク１１０によって凝縮されて、凝縮した冷却媒体が重力により受容ループ１１４を通って流れるようにする。受容ループ１１４を通って流れる際、冷却媒体は、冷却チャンバー１０２から熱を抽出する。抽出された熱は、冷却媒体を蒸発させる。次いで、蒸発した冷却媒体は、浮力により熱交換器１０４の低温側ヒートシンク１１０に戻る。このプロセスは継続して、冷却チャンバー１０２からの抽熱を促進する。逆に、排出側では、排出ループ１１６内の熱交換媒体は、熱交換器１０４の高温側ヒートシンク１０８によって蒸発させられる。蒸発した熱交換媒体は、排出ループ１１６内を浮力により流れて、熱が外部環境に排出されるようにする。熱排出に起因して、熱交換媒体は、凝縮し、凝縮した熱交換媒体は、重力により高温側ヒートシンク１０８に戻る。プロセスは継続して、外部環境への熱排出を提供する。
【０１１４】
熱交換器１０４内のＴＥＣがすべて動作停止する、またはデューティサイクル制御中、「オフ」状態になると、受容および排出ループ１１４および１１６は、図２４に示されるように、受容および排出ループ１１４および１１６を介する冷却チャンバー１０２への熱の伝達を阻止する。より具体的には、ＴＥＣのすべてが動作停止する、またはデューティサイクル制御中、「オフ」状態になる場合、熱交換器１０４の低温側ヒートシンク１１０は、もはや、受容ループ１１４内の冷却媒体を凝縮するのに十分に低温ではない。そのため、受容ループ１１４内の冷却媒体は、蒸発し、低温側ヒートシンク１１０に集まり、それによって、受容ループ１１４を介するさらなる熱伝達を阻止する。したがって、受容ループ１１４は、冷却チャンバー１０２から遠ざかる方向への熱伝達（すなわち、抽熱）を提供するが、冷却チャンバー１０２に向かう方向の熱伝達（すなわち、冷却チャンバー１０２の中に戻る熱漏洩）を阻止することがわかる。このようにして、受容ループ１１４は、熱ダイオード効果を提供する。同様にして、高温側ヒートシンク１０８は、もはや、排出ループ１１６内の熱交換媒体を蒸発させるのに十分に高温ではない。そのため、排出ループ１１６内の熱交換媒体は、凝縮し、高温側ヒートシンク１０８に集まり、それによって、排出ループ１１６を介するさらなる熱伝達を阻止する。したがって、排出ループ１１６は、熱交換器１０４から遠ざかる方向への熱伝達（すなわち、熱排出）を提供するが、熱交換器１０４に向かう方向の熱伝達（すなわち、外部環境から熱交換器１０４の中に戻る熱漏洩）を阻止することがわかる。このようにして、排出ループ１１６は、熱ダイオード効果を提供する。重要なことには、熱交換器１０４の断熱ならびに受容および排出ループ１１４および１１６の熱ダイオード効果は、（１）冷却チャンバー１０２の中に戻る熱漏洩がまったくないか、わずかな状態での、熱交換器１０４内のＴＥＣのすべての動作停止と、（２）冷却チャンバー１０２の中に戻る熱漏洩がまったくないか、わずかな状態での、熱交換器１０４内のＴＥＣのデューティサイクル制御とを可能にする。
【０１１５】
特に、図１の熱交換システムは、受容および排出ループ１１４および１１６の両方を含むが、本開示はそれに限定されない。熱交換システムは、代替的に、熱交換器１０４の受容側上の受容ループ１１４と、熱交換器１０４の排出側上の代替的な熱交換機構（例えば、複数のフィンおよび１つのファン）とを含む、ハイブリッドシステムを含み得る。この代替的な実施形態では、受容ループ１１４は、依然として、図２５に示されるように、熱交換器１０４内のＴＥＣのすべてが動作停止する、またはデューティサイクル制御中、「オフ」状態にある場合、冷却チャンバー１０２の中に戻る熱漏洩を阻止する、熱ダイオード効果を提供する。別の代替策として、熱交換システムは、熱交換器１０４の排出側上の排出ループ１１６と、熱交換器１０４の受容側上の代替的な熱交換機構（例えば、複数のフィンおよび１つのファン）とを含む、ハイブリッドシステムであり得る。この代替的な実施形態では、排出ループ１１６は、外部環境から熱交換器１０４の中に戻る熱漏洩を阻止する、熱ダイオード効果を提供する。
【０１１６】
図２６は、本開示の一実施形態による、図２１の熱交換器１９０の熱的分離を示している。ここで、熱交換器１９０は、冷却チャンバー１８８を画定する内壁２００と支持棒２２０を介して接する。特に、支持棒２２０は、低温側ヒートシンク１９４および内壁２００と連結して、支持棒２２０が熱交換器１９０を冷却チャンバー１８８から物理的かつ熱的に分離すると同時に、熱交換器１９０を熱電冷却システム１８４内に取り付けるようにする。熱交換器１９０の周囲の断熱材２２２は、熱交換器１９０を冷却チャンバー１８８および外壁２０２から熱的に分離する。さらに、上述したものと類似の方法で、排出ループ１９８および受容ループ２０８および２１０は、それぞれ熱ダイオード効果を提供する。特に、この実施形態では、２つの受容ループ、すなわち受容ループ２０８および２１０が存在し、これらはそれぞれ、対応する冷却チャンバー１８６および１８８の中に戻る熱漏洩を阻止する熱ダイオード効果を提供する。したがって、熱交換器１９０が冷却チャンバー１８６または１８８から積極的に熱を抽出していない場合であっても、熱交換器１９０を介する、冷却チャンバー１８６および１８８の中に戻る熱漏洩は起こらない。
【０１１７】
ヒートシンクの構成
図１に関して上述したように、受容ループ１１４は、冷却チャンバー１０２から抽出された熱を低温側ヒートシンク１１０に伝達し、高温側ヒートシンク１０８は、抽出された熱を排出ループ１１６に伝達する。図２７は、本開示の一実施形態による低温側ヒートシンク１１０の構成を示す概略図である。当然のことながら、この説明は、低温側ヒートシンク１１０に注目しているが、この説明は、低温側ヒートシンク１９４および１９６ならびに高温側ヒートシンク１０８および１９２に同じように当てはまる。低温側ヒートシンク１１０は、２つの入口／出口ポート２２６／２２８を含み、それらを介して、冷却チャンバー１０２および／またはカートリッジ１１２内のＴＥＣ１２０のアレイの起動されたＴＥＣのうちの１つとの熱伝達の後、冷却媒体は、低温側ヒートシンク１１０に入り、また出る。具体的には、冷却媒体が入口／出口ポート２２６／２２８に入る場合、冷却媒体は、冷却チャンバー１０２から抽出された熱を含む。冷却チャンバー１０２から抽出された熱は、熱対流、伝動、および放射を介して冷却媒体に伝達され、次いで、冷却媒体と低温側ヒートシンク１１０との間の低熱対流、伝動、および放射を介して低温側ヒートシンク１１０に伝達される。抽出された熱は、次いで、図２８に示されるように、低温側ヒートシンク１１０上で、ＴＥＣ１２０のアレイに熱的に結合されるプレート２３２に配置されたフィン２３０を介して、ＴＥＣ１２０のアレイに伝達される。
【０１１８】
図２７を参照すればわかるように、フィン２３０のそれぞれは、細長い形状を有し、それぞれ、長さＬ1からＬ4の範囲に及ぶ。さらに、図２８を参照して見られるように、フィン２３０は、高さｈだけ伸び、また幅ｗで互いに離間している。このように、フィン２３０のそれぞれは、熱を伝達するための有効表面積を有し、これは、長さＬ1からＬ4と高さｈとの関数である。なお、低温側ヒートシンク１１０は、上述の構成および寸法を有するフィン２３０を有するとして説明されているが、低温側ヒートシンク１１０は、熱負荷および空間的な制約に応じて、任意の構成のフィンを有し得、また任意の寸法を有し得る。一部の実施形態では、フィン２３０の構成および寸法は、受容ループ１１４内で用いられる冷却媒体のタイプと、冷却チャンバー１０２、熱交換器１０４、および周囲温度の間の温度差とに依存し得る。さらに、フィン２３０の寸法および構成はまた、受容ループ１１４および排出ループ１１６内の流圧と、熱電冷却システム１００内のあらゆる熱漏洩とに依存し得る。
【０１１９】
図２９は、ヒートシンク２３４を含む低温側ヒートシンク１１０の別の実施形態を示している。一実施形態では、熱電冷却システム１００は、排出ループ１１６を含まないが、代わりに、ヒートシンク２３４を含み、ここで、熱電冷却システム１００は、ヒートシンク２３４によって吸収された熱を熱電冷却システム１００の外部の環境に逃すファン（図示せず）を含む。さらに、本開示のさらなる実施形態では、熱電冷却システム１００は、ヒートシンク２３４および排出ループ１１６の両方を含み、それによって、ハイブリッド構成を形成し、ここで、ヒートシンク２３４および排出ループ１１６の両方が、冷却チャンバー１０２から抽出された熱を熱電冷却システム１００の外部の環境に排出するように動作する。
【０１２０】
切り離し型の熱交換器
本開示の一部の実施形態では、それぞれ受容および排出ループを介して熱伝達に使用可能な冷却チャンバーの内壁の利用可能な表面積および／または外壁の利用可能な表面積を増やすことによって、熱電冷却システムの抽熱性能を最大化する、または少なくとも増加する。概して、これらの実施形態では、熱導管によって熱的に結合されている、物理的に分離された、または切り離された高温側および低温側ヒートシンクを有する熱交換器を提供する。一実施形態では、ＴＥＣを収容するカートリッジは、低温側ヒートシンクに物理的に取り付けられ、ここで、熱導管が、ＴＥＣの高温側を高温側ヒートシンクに熱的に結合する。別の実施形態では、ＴＥＣを収容するカートリッジは、高温側ヒートシンクに物理的に取り付けられ、ここで、熱導管が、ＴＥＣの低温側を低温側ヒートシンクに熱的に結合する。
【０１２１】
これに関し、図３０は、低温側ヒートシンク１１０の高温側ヒートシンク１０８からの物理的な分離を可能にする熱導管２３６を含む熱交換器の一実施形態を示している。本開示の実施形態によれば、熱導管２３６は、低温側ヒートシンク１１０および高温側ヒートシンク１０８の間の熱の伝導に好適な任意の装置であり得る。熱導管２３６のために使用され得る装置の例には、従来型のヒートパイプが含まれ、ヒートパイプは、低温側ヒートシンク１１０から高温側ヒートシンク１０８へと下方に向かう熱の受動的移動を可能にする。
【０１２２】
代替的な実施形態では、熱導管２３６は、プレナムと共に働く対流型の結合を備えて、低温側ヒートシンク１１０および高温側ヒートシンク１０８の間の熱伝達を促進し得る。さらに、別の実施形態では、熱導管２３６は、熱伝達流体を有する流体ループを含み得、ここで、ポンプが、低温側ヒートシンク１１０および高温側ヒートシンク１０８の間で、熱伝達流体をポンプで送る。熱導管２３６が流体ループを含む実施形態では、熱伝達流体が、熱を低温側ヒートシンク１１０から高温側ヒートシンク１０８に運ぶ。追加的に、熱導管２３６は、直接伝導により熱を伝達し得、ここで、熱導管２３６は、熱を低温側ヒートシンク１１０から高温側ヒートシンク１０８まで伝動的に伝達する。
【０１２３】
熱導管２３６は、スプレッダプレートなどの任意のよく知られた技術を用いてカートリッジ１１２に物理的かつ熱的に結合され、ここで、スプレッダプレートは、カートリッジ１１２内に配置されたＴＥＣ１２０と接する。上述のように、冷却チャンバー１０２の冷却中、冷却チャンバー１０２からの熱は、受容ループ１１４に熱的に伝達する。次いで、受容ループ１１４からの熱は、これも上述のように、カートリッジ１１２内に配置されたＴＥＣ１２０に熱的に伝達される。熱は、ＴＥＣ１２０から熱導管２３６に伝達され、熱導管２３６は、その熱を高温側ヒートシンク１０８に伝達する。さらに、熱導管２３６は、機械的アセンブリ２３７などの任意のよく知られた技術を用いて高温側ヒートシンク１０８と物理的かつ熱的に結合し、ここで、熱導管２３６は、高温側ヒートシンク１０８に直接結合する。代替的な実施形態では、熱導管２３６は、直接高温側ヒートシンク１０８に接続されて、機械的アセンブリ２３７を必要としないことに留意されたい。なお、カートリッジ１１２は、低温側ヒートシンク１１０に熱的に結合されて、熱導管２３６がカートリッジ１１２および高温側ヒートシンク１０８と熱的に結合するようにしているとして示されているが、カートリッジ１１２は、高温側ヒートシンク１０８と熱的に結合されて、熱導管２３６が、カートリッジ１１２が高温側ヒートシンク１０８と結合される場合、低温側ヒートシンク１１０およびカートリッジ１１２と直接熱的に結合するようにし得る。なお、低温側ヒートシンク１１０を高温側ヒートシンク１０８から切り離すために、任意の方法が用いられ得る。ただし、低温側ヒートシンク１１０および高温側ヒートシンク１０８は、互いに熱的に結合される。例えば、低温側ヒートシンク１１０および高温側ヒートシンク１０８は、互いに伝達的かつ対流的に結合され得る。さらに、低温側ヒートシンク１１０および高温側ヒートシンク１０８は、ポンピングされるループを用いて熱的に結合され得る、あるいは、互いに放射的に結合され得る。
【０１２４】
図３１は、本開示の一実施形態による図３０の熱交換器１０４における熱の流れを示す概略図である。特に、熱は、ＱACCEPTINによって示されるように冷却チャンバー１０２から抽出され、次いで、ＱACCEPTOUTによって示されるように熱導管２３６に伝達される。次いで、熱導管２３６は、ＱREJECTINによって示されるように、熱を排出ループ１１６に伝達し、ここで、熱は、ＱREJECTOUTによって示されるように、冷却チャンバー１０２の外部の環境に最終的に排出される。
【０１２５】
熱導管２３６が低温側ヒートシンク１１０を高温側ヒートシンク１０８から分離する実施形態では、低温側ヒートシンク１１０は、高温側ヒートシンク１０８から離間して配置されて、一実施形態では、図３２および図３３を参照すればわかるように、低温側ヒートシンク１１０が、熱電冷却システム１００の上部にあり、また高温側ヒートシンク１０８が、熱電冷却システム１００の下部にあるようにする。低温側ヒートシンク１１０が熱電冷却システム１００の上部に配置される実施形態では、受容ループ２３８は、冷却チャンバー１０２の表面積を広く覆って、冷却チャンバー１０２および受容ループ２３８の間の広い表面積のおかげで、冷却チャンバー１０２および受容ループ２３８内の冷却媒体の間で大量の熱伝達が起こるようにし得る。より具体的には、受容ループ２３８が冷却チャンバー１０２の大部分と熱的に連通していることから、受容ループ２３８は、大量の熱量の抽出を促進し、それによって、受容ループ２３８を実装する装置の加熱効率全体を高め得る。
【０１２６】
加えて、高温側ヒートシンク１０８が熱電冷却システム１００の底部に配置される実施形態では、図３２および図３３に関して示されるように、排出ループ２４０は、熱電冷却システム１００の底部から熱電冷却システム１００の上部まで延在して、排出ループ２４０のかなりの表面積が、冷却チャンバー１０２の外部の環境に曝されるようにし得る。ここで、同様に、排出ループ２４０および冷却チャンバー１０２の外部の環境の間の広い表面積のおかげで、大量の熱伝達が排出ループ２４０および冷却チャンバー１０２の外部の環境の間で起こり得る。なお、図３２および図３３は、熱電冷却システム１００上の上部に配置された低温側ヒートシンク１１０と、熱電冷却システム１００の底部に配置された高温側ヒートシンク１０８とを示しているが、熱導管２３６を含む実施形態では、低温側ヒートシンク１１０は、熱電冷却システム１００上の任意の位置に配置され得、また高温側ヒートシンク１０８は、熱電冷却システム１００上の任意の位置に配置され得、ただし、低温側ヒートシンク１１０および高温側ヒートシンク１０８の間の距離は、本開示の実施形態を実施する装置の物理的寸法に対して最大化される。熱導管２３６に関しては、熱導管２３６は、熱電冷却システム１００に関して図示および説明されてきたが、熱導管２３６はまた、熱電冷却システム１８４と用いられ得、ここでは、熱導管２３６が低温側ヒートシンク１９６および高温側ヒートシンク１９２の間で熱的に結合して、低温側ヒートシンク１９４および１９６が熱電冷却システム１８４の第１の側上（すなわち、熱電冷却システム１８４の上部付近）に配置され、高温側ヒートシンク１９２が、第１の側の反対側の、熱電冷却システム１８４の第２の側上（すなわち、熱電冷却システム１８４の底部付近）に配置されるようにする。
【０１２７】
二相熱交換器の取り付け
従来、熱交換器は、垂直に取り付けられて、重力に補助される二相熱交換システムの流速を最大にする。しかしながら、垂直の構成は、ヒートポンプの排出または受容表面と熱交換器の最も遠くに存在する表面との間で、水平方向への温度勾配を生じる。本発明者らは、熱交換器を鉛直方向から外れた角度で取り付けることによって、この勾配が最小化され、それによって、所与の表面およびシステムデザインの効率が最大化され得ることを見出した。
【０１２８】
図３４から図３７Ｂは、本開示の実施形態による熱電システムにおける二相熱交換器２４２の取り付けに関する。二相熱交換器２４２が取り付けられる熱電システムは、上述のような、またはこれに類似の熱電冷却システム、あるいはなんらかのその他のタイプの熱電システム（例えば、熱電発電機）であり得る。図３４に示されるように、二相熱交換器２４２は、高温側ヒートシンク２４４と、低温側ヒートシンク２４６と、その間に配置された１つ以上のＴＥＣ２４８とを含む。より具体的には、ＴＥＣ２４８は、ＴＥＣ２４８の高温側がヒートスプレッダ２５０に物理的かつ熱的に結合されるように配置され、ここで、ヒートスプレッダ２５０は、高温側ヒートシンク２４４の一部分である、または高温側ヒートシンク２４４に物理的かつ熱的に結合される。同様に、ＴＥＣ２４８の低温側は、ヒートスプレッダ２５２に物理的かつ熱的に結合され、ここで、ヒートスプレッダ２５２は、低温側ヒートシンク２４６の一部分である、または低温側ヒートシンク２４６に物理的かつ熱的に結合される。
【０１２９】
高温側ヒートシンク２４４は、入口ポート２５６を有するチャンバー２５４を含む。この実施形態では、入口管２５８が、入口ポート２５６に接続されている。入口管２５８は、任意の好適な熱交換機構に結合され得る。一実施形態では、入口管２５８は、例えば、上述の排出ループの実施形態など、熱サイフォンの原理により動作する排出ループに結合される。チャンバー２５４は、作動流体２６０で満たされている。動作中、ＴＥＣ２４８が稼働中である場合、ＴＥＣ２４８の高温側は、作動流体２６０を蒸発させ、蒸発した作動流体は、浮力により上方に、入口ポート２５６を通って入口管２５８内に輸送される。入口管２５８を通過した後、蒸発した作動流体は凝縮され、凝縮した作動流体は、重力により、入口管２５８および入口ポート２５６を通って、高温側ヒートシンク２４４のチャンバー２５４に戻る。
【０１３０】
同様に、低温側ヒートシンク２４６は、入口ポート２６４を有するチャンバー２６２を含む。この実施形態では、入口管２６６が、入口ポート２６４に接続されている。入口管２６６は、任意の好適な熱交換機構に結合され得る。一実施形態では、入口管２６６は、例えば、上述の受容ループの実施形態など、熱サイフォンの原理により動作する受容ループに結合される。動作中、ＴＥＣ２４８が稼働中である場合、ＴＥＣ２４８の低温側は、チャンバー２６２内の作動流体を凝縮する。次いで、凝縮した作動流体は、重力によりチャンバー２６２から入口ポート２６４を通って入口管２６６内に流れる。入口管２６６を通過した後、凝縮した作動流体は蒸発され、結果として得られた蒸発した作動流体は、浮力により、入口管２６６および入口ポート２６４を通って、低温側ヒートシンク２４６のチャンバー２６２に戻る。
【０１３１】
図示のように、二相熱交換器２４２は、鉛直方向に対して角度（α）で取り付けられる。まず、角度（α）は、高温側ヒートシンク２４４のチャンバー２５４における作動流体２６０が、ヒートスプレッダ２５０およびＴＥＣ２４８の高温側に隣接する、チャンバー２５４の壁上の最大熱流束領域２６８に、確実に直接衝突するように選択される。より具体的には、角度（α）は、ＴＥＣ２４８が稼働中である場合、チャンバー２５４における作動流体の液位２７０（すなわち、チャンバー２５４における作動流体２６０の液位）が、最大熱流束領域２６８の頂部にある、またはわずかにその上方にあるように選択される。そうすることで、作動流体２６０は、最大熱流束領域２６８の全体に直接衝突するようにされ、このことにより、二相熱交換器２４２の効率が改善される。換言すると、作動流体の液位２７０が最大熱流束領域２６８の頂部またはその上方になるように角度（α）を選択することによって、作動流体２６０と熱接触する最大熱流束領域２６８の表面積が増加され、それにより、ＴＥＣ２４８の高温側からの作動流体２６０へのより効率的な熱伝達を可能にする。それに対して、同量の作動流体において、二相熱交換器２４２が垂直に取り付けられる場合、チャンバー２５４における作動流体の液位２７０は、最大熱流束領域２６８の頂部のかなり下方に落ち、このため、作動流体２６０と接する最大熱流束領域２６８の表面積が減少し、ひいては、ＴＥＣ２４８の高温側から作動流体２６０への熱伝達の効率が低下する。
【０１３２】
作動流体の液位２７０が最大熱流束領域２６８の頂部またはその上方になるように角度（α）を選択することはまた、凝縮した作動流体の流れと、蒸発した作動流体の流れとを分離する。より具体的には、図示のように、凝縮した作動流体の液滴は、入口ポート２５６を通って高温側ヒートシンク２４４のチャンバー２５４に入る。二相熱交換器２４２が取り付けられている角度（α）のおかげで、凝縮した作動流体の液滴は、重力により引かれて、それらが入口ポート２５６の下半分から入り、次いで、ヒートスプレッダ２５０およびＴＥＣ２４８に隣接するチャンバー２５４の壁を流れ落ちる。反対に、蒸発した作動流体は、浮力により、入口ポート２５６の上半分を通って上方に流れる。このようにして、凝縮した作動流体の流れと、蒸発した作動流体の流れとは分離される。
【０１３３】
加えて、角度（α）はまた、低温側ヒートシンク２４６のチャンバー２６２における蒸発した作動流体が、ヒートスプレッダ２５２およびＴＥＣ２４８の低温側に隣接する、チャンバー２６２の壁上の最大熱流束領域２７２に、確実に直接衝突するように選択される。より具体的には、角度（α）のおかげで、重力は、凝縮した作動流体の液滴を、ヒートスプレッダ２５２およびＴＥＣ２４８に隣接するチャンバー２６２の壁の表面から、チャンバー２６２の反対側の壁に落下させる。次いで、液滴は、入口ポート２６４の下半分を通り、入口管２６６内に流れる。逆に、蒸発した作動流体は、入口ポート２６４の上半分を通ってチャンバー２６２に入り、上方に向けて最大熱流束領域２７２まで流れる。凝縮した作動流体の液滴がチャンバー２６２の壁の表面から落ちることから、蒸発した作動流体は、最大熱流束領域２７２上に直接衝突でき、これにより、ＴＥＣ２４８の低温側から蒸発した作動流体への熱伝達の効率を改善する。
【０１３４】
角度（α）の最適値は、二相熱交換器２４２の幾何形状（例えば、二相熱交換器２４２の高さ幅比）と、二相熱交換器２４２内におけるＴＥＣ２４８の位置と、ヒートスプレッダ２５０および２５２の構造と、入口ポート２５８および２６４ならびに入口管２５８および２６６の位置および向きと、二相熱交換器２４２内に存在する任意の拡張された表面積機構の幾何形状とを含む様々なパラメータに依存する。二相熱交換器２４２のそれぞれの特定の実施形態は、それ自体の角度（α）の最適値を有する。一実施形態では、角度（α）は、鉛直方向から２度以上８８度以下の範囲にある。別の実施形態では、角度（α）は、鉛直方向から６度以上８４度以下の範囲にある。さらに別の実施形態では、角度（α）は、鉛直方向から１２度以上７８度以下の範囲にある。
【０１３５】
図３５は、図３４の二相熱交換器２４２の１つの特定の例を示している。この例では、二相熱交換器２４２の高さは、７５ミリメートル（ｍｍ）であり、高温側ヒートシンク２４４と低温側ヒートシンク２４６との間の空間は、１０ｍｍである。この例では、角度（α）の最適値は、２９度である。この例ではまた、ねじ式ポート２７４および２７６と、スペーサ２７５とを示しており、これらを介してボルト２７８がねじ式に装着され得て、高温側ヒートシンク２４４および低温側ヒートシンク２４６を物理的に取り付けることに留意されたい。また、以下に説明するように、ボルト２７８は、二相熱交換器２４２を鉛直方向に対して所望の角度（α）を維持するように熱電システムに取り付けるために用いられ得る。
【０１３６】
ＴＥＣ２４８などのＴＥＣは、モジュールアセンブリの導電性の脚部上への蒸気凝縮物の形成による性能低下および損傷の影響を受けやすい。このため、ＴＥＣ（複数可）は、しばしば、ＴＥＣ（複数可）の周縁を取り囲んで、封止材料で包埋される。この包埋は、ＴＥＣ（複数可）の熱的な短絡をもたらし、これは、ＴＥＣ（複数可）の性能および効率を低下させる。図３６Ａは、二相熱交換器２４２の一実施形態を示しており、これは、ＴＥＣ（複数可）２４８上への蒸気凝縮物の形成からの分離および保護を提供し、これにより、二相熱交換器２４２の性能、熱ポンピング能力、および効率を改善する一方で、製造を簡素化し、コストを抑制する。図３６Ａの概念は、二相熱交換器２４２での使用に限定されるものではないことに留意されたい。そうではなく、図３６Ａの概念は、任意の熱電熱交換器に適用可能である。
【０１３７】
図３６Ａに示されるように、二相熱交換器２４２は、例えば、発泡フォーム絶縁母材などの、好適な防水性の母材２８０に封入されている。この実施形態では、二相熱交換器２４２は、二相熱交換器２４２が防水性の母材２８０内において角度（α）で維持されるように封入されている。さらに、この実施形態では、小さいポケット状２８２の空気もしくは類似の低伝導率気体または減圧空間がＴＥＣ（複数可）２４８の周囲に形成される。防水性の母材２８０は、酸化および蒸気凝縮物からの損傷を最小化するためのＴＥＣ（複数可）２４８の包埋の必要性を排除する。特に、防水性の母材２８０によって提供される隔離によって、ＴＥＣ（複数可）２４８上への蒸気凝縮物の形成がなくなり、したがって、ＴＥＣ（複数可）２４８の包埋の必要性が排除され、熱的に漏洩して戻ることを最小限にしながら、最大の性能を可能にする。
【０１３８】
図３６Ｂは、二相熱交換器２４２が、封入された構造に対しては二相熱交換器２４２が垂直であるように、防水性の母材２８０に封入されている実施形態を示している。この実施形態では、二相熱交換器２４２は、鉛直方向に対して所望の角度（α）を提供する、対応する取り付け構造２８４を用いて取り付けられている。取り付け構造２８４は、好ましくは、熱的に絶縁である（例えば、熱的に絶縁のプラスチック材料で作られている）。
【０１３９】
図３７Ａは、本開示の一実施形態による、熱電システムの壁２８５（例えば、熱電冷却システムの内壁）に取り付けられた、図３６Ａの封入された二相熱交換器２４２を示している。封入された二相熱交換器２４２は、任意の好適な機構を用いて壁２８５に取り付けられ得る。例えば、ボルト２７８は、封入された二相熱交換器２４２から延出し、そして壁２８５または壁２８５上の取り付け板内に延出し得る。しかしながら、同様に、封入された二相熱交換器２４２を壁２８５に取り付けるための任意の好適な機構が用いられ得る。
【０１４０】
図３７Ｂは、図３６Ｂの封入された二相熱交換器２４２の実施形態を示しており、ここで、封入された二相熱交換器２４２は、鉛直方向に対して所望の角度（α）を維持するように熱電システムの壁２８５（例えば、熱電冷却システムの内壁）に取り付けられる。図示のように、封入された二相熱交換器２４２は、封入された二相熱交換器２４２の相対的な向きを維持する取り付け構造２８４を介して、熱電システムに取り付けられている（すなわち、取り付け構造２８４は、鉛直方向に対する角度（α）を維持する）。一実施形態では、取り付け構造２８４は、例えば、熱的に絶縁のプラスチック材料などの好適な材料から形成される熱的に絶縁の取り付け構造２８４である。取り付け構造２８４は、封入された二相熱交換器２４２から分離されていてもよいし、その中に組み込まれていてもよい。例えば、一実施形態では、封入された二相熱交換器２４２は、取り付け構造２８４にボルトで固定され、ここで、取り付け構造２８４が、熱電システムの適切な壁に取り付けられる、またはその中に組み込まれる。別の例として、取り付け構造２８４は、封入された二相熱交換器２４２に取り付けられ、そこで、防水性の母材２８０によって、少なくとも部分的に、封入され得る。次いで、取り付け構造２８４は、鉛直方向に対する所望の角度（α）が維持されるような方法で、熱電システムの壁２８５にボルトで固定される、またはその他の方法で取り付けられる。
【０１４１】
図３８は、本開示の一実施形態によるコントローラ１０６のブロック図である。この説明は、コントローラ２１２に同じように当てはまる。この実施形態では、コントローラ１０６は、ハードウェアプロセッサ２８６と、ハードウェアプロセッサ２８６に関係するメモリ２８８とを含む。一実施形態では、メモリ２８８は、ハードウェアプロセッサ２８６が本開示の様々な実施形態による上記の動作を実行できるようにする命令を記憶する。
【０１４２】
なお、熱電冷却システム１００および１８４を冷却チャンバー１０２および１９６を冷却することに関して説明してきたが、熱電冷却システム１００および１８４はまた、熱回収／発電のために用いられ得、そこでは、ＴＥＣ１２０の動作が反対になって、受容ループ１１４、２０２、および２０４内の冷却媒体から熱を奪うのではなく、ＴＥＣ１２０を通して電流を発生させるためにＴＥＣ１２０に熱が供給されるようにする。より具体的には、熱電冷却システム１００および１８４を参照して開示されたＴＥＣシステムは、ペルティエ効果およびゼーベック効果の過程によって定義されるような、完全に可逆的な熱力学的プロセスであり、そのため、上述の熱電冷却システム１００および１８４は、熱回収／発電用途に用いられ得る。なお、さらに、上述のプロセスは、熱電冷却システム１００を参照して説明されてきたが、これらはまた、熱電冷却システム１８４でも用いられ得る。したがって、図１７から図１９を参照して上に詳述した方法は、熱電冷却システム１８４に用いられ得る。
【０１４３】
当業者であれば、本開示の好適な実施形態への改良および修正を理解するはずである。すべてのこのような改良および修正は、本明細書に開示された概念および以下の特許請求の範囲の範囲内にあるとみなされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８】
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【外国語明細書】
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