(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
庫または面の設定点温度または設定点温度範囲を維持するよう配置された熱輸送システムであり、前記システムは、
少なくとも１つの熱交換器と、
前記少なくとも１つの熱交換器と熱的連動関係にある熱輸送流体を含む流体導管と、
前記少なくとも１つの熱交換器に関連して対流熱輸送を向上するために選択的に動作可能な少なくとも１つの強制対流ユニットと、
コントローラーと、を備え、前記コントローラーは、
前記熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）と前記庫または面の温度（ｉｉ）を示す温度データを受信するためと、
前記庫または面の温度が前記設定点温度または設定点温度範囲を含む待機状態の温度範囲を超えた状態（ａ）及び周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を超えた状態（ｂ）を示す状態を検知した場合、前記少なくとも１つの強制対流ユニットを起動するためと、
前記庫または面の温度が前記待機状態温度範囲内にある状態（Ｉ）及び周囲環境の温度が前記周囲環境限界温度かまたは周囲環境限界温度範囲以下の状態（ＩＩ）を示す状態の検知をもって前記少なくとも１つの強制対流ユニットの動作を停止するために配置され、
受信された前記熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）と前記庫または面の温度（ｉｉ）を示す前記温度データに基づいて、前記少なくとも１つの熱交換器に供給される電力を調整し、または、前記少なくとも１つの強制対流ユニットを起動／停止する、前記熱輸送システム。
【請求項２】
前記熱輸送流体が、前記流体導管内に液相及び気相を含み、前記流体導管内の受動流のために配置される、請求項１に記載の前記熱輸送システム。
【請求項３】
前記流体導管が、熱サイフォンまたはヒートパイプを含む、請求項２に記載の前記熱輸送システム。
【請求項４】
前記熱輸送流体は液体を含み、前記熱輸送システムは、ポンプを含む、請求項１に記載の前記熱輸送システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの熱交換器と、前記流体導管と、前記熱輸送流体が、前記周囲環境の前記温度が前記周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を超えない時、待機状態動作中に前記強制対流ユニットの動作なしで前記庫または面の設定点温度または設定点温度範囲を維持するために配置される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の前記熱輸送システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記周囲環境へさらされる排出熱交換器を含み、
前記少なくとも１つの強制対流ユニットが、前記排出熱交換器から前記周囲環境への熱消散を向上するために配置される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の前記熱輸送システム。
【請求項７】
前記排出熱交換器が、複数のフィンを含み、前記流体導管が前記複数のフィンと対流熱的連動関係にある、請求項６に記載の前記熱輸送システム。
【請求項８】
前記熱輸送システムが、前記流体導管からの熱を受け、前記排出熱交換器へ熱を輸送するために配置された少なくとも１つの熱電ヒートポンプを含み、前記少なくとも１つの熱電ヒートポンプが前記庫または面の温度に応じて動作する、請求項６に記載の前記熱輸送システム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの熱電ヒートポンプが、複数の熱電ヒートポンプを含み、前記コントローラーが、前記複数の熱電ヒートポンプの少なくとも２つの熱電ヒートポンプを個別に制御するために配置される、請求項８に記載の前記熱輸送システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記庫または面と前記流体導管の間に配置された受入熱交換器を含み、前記少なくとも１つの強制対流ユニットが、前記庫または面から前記受入熱交換器への熱輸送を向上するために配置される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の前記熱輸送システム。
【請求項１１】
周囲環境の温度が周囲環境限界温度範囲の周囲環境限界温度を超えるということを示す状態が、前記少なくとも１つの熱交換器の温度を検知することで検出される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の前記熱輸送システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの強制対流ユニットが、電気的に動作されるファンを含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載の前記熱輸送システム。
【請求項１３】
庫または面の設定点温度または設定点温度範囲を維持するために熱輸送システムを制御する方法であり、前記熱輸送システムは、少なくとも１つの熱交換器と、前記少なくとも１つの熱交換器と熱的連動関係にある熱輸送流体を含む流体導管と、前記少なくとも１つの熱交換器に関連して対流熱輸送を向上するために選択的に動作可能な少なくとも１つの強制対流ユニットと、を含み、前記方法は、
前記熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）と前記庫または面の温度（ｉｉ）を示す温度データを受信することと、
前記庫または面の温度が前記設定点温度または設定点温度範囲を含む待機状態の温度範囲を超えた状態（ａ）及び周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を超えた状態（ｂ）を示す状態を検知した場合、前記少なくとも１つの強制対流ユニットを起動することと、
前記庫または面の温度が前記待機状態温度範囲内にある状態（Ｉ）及び周囲環境の温度が前記周囲環境限界温度かまたは周囲環境限界温度範囲以下の状態（ＩＩ）を示す状態の検知をもって前記少なくとも１つの強制対流ユニットの動作を停止することと、
受信された前記熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）と前記庫または面の温度（ｉｉ）を示す前記温度データに基づいて、前記少なくとも１つの熱交換器に供給される電力を調整し、または、前記少なくとも１つの強制対流ユニットを起動／停止することを含む前記方法。
【請求項１４】
前記熱輸送流体は液体を含み、前記熱輸送システムはポンプを含み、前記方法はさらに前記流体導管内の前記熱輸送流体を含む、請求項１３に記載の前記方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記周囲環境へさらされる排出熱交換器を含み、
前記少なくとも１つの強制対流ユニットが、前記排出熱交換器から前記周囲環境への熱消散を向上するために配置され、
前記熱輸送システムが、前記流体導管から熱を受け、前記排出熱交換器から熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの熱電ヒートポンプを含み、
前記方法はさらに、前記庫または面の温度に応じて前記少なくとも１つの強制対流ユニットを選択的に制御することを含む、請求項１３に記載の前記方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記庫または面と前記流体導管の間に配置された受入熱交換器を含み、
前記少なくとも１つの強制対流ユニットが、前記庫または面から前記受入熱交換器への熱輸送を向上するために配置され、
前記熱輸送システムが、前記受入熱交換器から熱を受けるよう配置された少なくとも１つの熱電ヒートポンプを含み、
前記方法はさらに、前記庫または面の温度に応じて前記少なくとも１つの強制対流ユニットを選択的に制御することを含む、請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１３年９月１６日に出願された、米国特許出願番号６１／８７８，１５６及び米国特許出願番号６２／０２７，０７１の権利を主張するものである。前述の出願における開示は、引用によりそれぞれの全体を本明細書に包含する。
【０００２】
本開示は、概して熱電冷却素子を利用した冷却システム及び冷凍システムを含む、庫及び／または面から熱を除去し消散するための冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
冷却する庫または面からの熱移動及び周囲媒質（例えば空気）より高温な熱を排除することを含む冷却プロセス。蒸気圧縮ベースの冷却システムは、高い性能係数（ＣＯＰ）を有し、一般に冷却庫及び冷却面に用いられる。従来の蒸気圧縮ベースの冷却システムは、サーモスタット調整されたデューティサイクル制御を利用する。そういったシステムの動力は、待機状態及び一過的な需要（プルダウン中または復帰時など）の両方を満たすには不十分であり、ひいては、待機状態動作中に必要な熱除去要求をはるかに超える過度の冷却能力を含む。過度の冷却能力は、プルダウン効率を改善するが、制御、熱力学的限界、及び製品成果の需要の性質により、従来の蒸気圧縮システムの効率は最善ではない。過度の冷却能力さらに、起動時に大きな過電流を引き起こし、高価な電気部品を必要とする。
【０００４】
蒸気圧縮ベースの冷却システムにおける準最適な効率は、冷却庫内の温度を正確に制御するためのそういったシステムの要望に関する。一般に、冷却庫内の温度が特定値を超えた時、蒸気圧縮ベースの冷却システムは起動し、冷却庫の温度が蒸気圧縮ベースの冷却システムの電源が切れる特定値を下回るまで動作し続ける。このタイプの制御スキームは、エネルギー消費量を最小化し、多様な周囲状態における動作を可能にする、比較的大きな制御帯域と比較的大きな内部温度成層を有する。絞りまたは能力変化は、蒸気圧縮サイクルに実装するには難しくかつ高価であり、絞りまたは能力変化は堆積効率低下として限られた有効性を供給するため、こういった制御スキームは最もよく利用される。
【０００５】
蒸気圧縮ベースのシステムは、フロンガス（ＣＦＣ）ベースの冷媒に多く用いられるが、ＣＦＣベースの冷媒を使用することは、そのような物質の放出により地球のオゾン層破壊につながり得るため、環境に脅威をもたらす。
【０００６】
熱電冷却システムはＣＦＣベースの冷媒を必要としないため、蒸気圧縮システムに取って代わる環境にやさしいシステムである。熱電冷却器（熱電ヒートポンプとしても知られる）は、通電に応じて熱電冷却器の面における温度差を生み出す。冷却する面または庫からの熱は空気といった周囲媒質へと消散するために受け入れられ、排出ヒートシンクへと輸送される（例えば一連の輸送管を通じて）。熱電冷却システムは、熱サイフォンまたはヒートパイプといった、排出ヒートシンクを通じて圧搾クーラントを強制輸送する必要性を省く、受動熱排出サブシステムを含んでもよい。あらゆる冷却システムと同様に、熱電ヒートポンプの温度差が小さくなるにつれ、ヒートポンプの熱輸送がより効率の良いものとなる。熱電冷却システムの環境的恩恵があったとしても、そういったシステムのＣＯＰ値は、一般に蒸気圧縮システムの半分以下である。熱電冷却システムのＣＯＰを向上し、幅広い周囲温度状態においての使用を可能にすることは、そういったシステムの採用増加を促進するために有益である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示の実施形態は、冷却庫及び／または冷却面に用いられるような、より良い効率性及び／または周囲温度状態範囲の増加における利用を可能にする熱輸送システム（熱電冷却システムを含む）に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に従うある実施形態において、少なくとも１つの強制対流ユニットは、庫または面の設定点温度または設定点温度範囲を維持するために、受動熱輸送システム（例えば熱サイフォンまたは熱パイプの利用）と共に利用され、少なくとも１つの強制対流ユニットは、高熱負荷（例えば過渡状態）及び／または高温排出状態中には動作するが、冷却する面または庫から熱を受けるため、及び／または周囲環境へと熱を排出するために受動熱輸送が十分である場合において通常（例えば待機状態）状態時には動作しない。少なくとも１つの強制対流ユニットは、熱輸送流体と熱的連動関係にある少なくとも１つの熱交換器に関連して、対流熱輸送を高めるかまたは促進するために選択的に動作する。少なくとも１つの強制対流ユニットは、熱輸送システムの受入側及び／または排出側にある少なくとも１つの熱交換器の最も近くに配置される。コントローラーは、熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）と、冷却する庫または面の温度（ｉｉ）のうち少なくとも１つを示す温度データを受信する。庫または面の温度が設定点温度または設定点温度範囲を含む待機状態の温度範囲を超えた状態、及び／または周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周辺環境限界温度範囲を超えた状態のうち、少なくとも１つを示す状態を検知した場合、コントローラーは少なくとも１つの強制対流ユニットを起動する。庫または面の温度が待機状態温度範囲内の状態、及び／または周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を下回る状態のうち、少なくとも１つを示す状態を検知した場合、コントローラーは少なくとも１つの強制対流ユニットを停止する。
【０００９】
本開示に従うある実施形態では、熱輸送装置はメイン及びクロスオーバー排出輸送管を介して、複数の熱交換器と共に熱的連動関係において配置された複数の排出ヒートシンクを含み、各熱交換器は複数のフィンを有し、それぞれが少なくとも１つの異なる熱電ヒートポンプに連結される。全ての排出ヒートシンクは、熱電ヒートポンプが個別に動作するか一緒に動作するかにかかわらず、各熱電ヒートポンプからの熱を消散するために配置される。個別の熱交換器（それぞれが専用の熱電冷却器を有する）に特化した排出ヒートシンクの利用と比較すると、複数の排出ヒートシンクに関連するさらに大きな表面積は熱輸送を向上し、動作中の熱電ヒートポンプ（複数可）における温度低下につながる。第一排出熱交換器から第一排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第一メイン排出輸送管と、第一排出熱交換器から第二排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第一クロスオーバー排出輸送管と、第二排出熱交換器から第二排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第二メイン排出輸送管と、第二排出熱交換器から第一排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第二クロスオーバー排出輸送管と、を含む複数の排出輸送管が供給される。
【００１０】
ある実施形態では、本明細書に開示されるあらゆる態様または特徴は、さらなる利益のために組み合わされてもよい。本明細書に開示される様々な特徴及び要素のいずれも、本明細書に反しない限り、１つまたは複数の他に開示された特徴及び要素と組み合わされてもよい。
【００１１】
当業者は、付属の描写図に関連する好適な実施形態の詳細な説明を読んだ後で、本開示の範囲を理解しさらなる態様に気付くであろう。
【００１２】
付属の描写図は、本開示のいくつかの態様を説明する本明細書の一部をなし、そこに包含され、説明と共に本開示の原理を解説する。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】熱電冷却器（ＴＥＣ）における、ＴＥＣへの入力電流機能として冷却能力（Ｑ）及び冷却効率（ＣＯＰ）を説明する折れ線グラフである。
【図２】ＴＥＣの異なるサブセットを選択的に制御可能な内部連結基板上に配置された複数のＴＥＣを含む熱電カートリッジを説明する。
【図３】冷却庫と、低温側ヒートシンクと高温側ヒートシンクの間に配置された複数のＴＥＣを含むカートリッジ（図２のカートリッジのような）を含む熱交換器と、冷却庫内を設定点温度に維持するようＴＥＣを制御するコントローラーと、を含む熱電冷却システムの斜視概略図である。
【図４】本開示の１つの実施形態に従って流体を含むループと熱的連動関係にある熱交換器の冷却を向上するために配置された選択的に動作可能な強制対流ユニットを含む熱輸送システムの少なくとも一部の斜視図である。
【図５】本開示の１つの実施形態に従って熱交換器と熱的連動関係にある流体を含むフィン付きヒートシンクの冷却を向上するために配置された選択的に動作可能な強制対流ユニットを含む熱輸送システムの少なくとも一部の斜視図である。
【図６】本開示の１つの実施形態に従って、冷却庫と、冷却庫内の低温側ヒートシンクへの熱輸送を向上するために配置された第一強制対流ユニットと、ＴＥＣを組み込んだ熱電熱交換アセンブリと、高温側ヒートシンクから出る熱の消散を向上するための第二強制対流ユニットと、を含む熱電冷却または冷凍システムの上面概略図である。
【図７】本開示の１つの実施形態に従う図６のシステムのような熱電冷却または冷凍システムにおける、電源と、センサーと、制御と、ユーザーインターフェースコンポーネントとの間の内部接続を説明する概略図である。
【図８】図７に描写される熱電冷却システムにおけるコントローラーの動作モードを説明する概略図である。
【図９】熱電冷却システムがファンアシストモード（強制対流を用いる）及び受動モード（強制対流を用いない）で動作する状態を説明する棒グラフである。
【図１０】それぞれがヒートシンクと、熱交換パッドと、熱輸送導管を含む、独立した第一及び第二熱輸送装置の正面の立面図であり、熱電冷却または冷凍システムの第一及び第二ＴＥＣでの使用に適しており、結合ヒートシンクを含む熱輸送装置を図１１〜１２に従うクロスオーバー熱交換導管と比較するための基盤を供給する。
【図１１】本開示の１つの実施形態に従う熱電冷却または冷凍システムの第一及び第二ＴＥＣ（または熱電ヒートポンプ）での使用に適したクロスオーバー熱交換器及び熱交換パッドを備えた結合第一及び第二ヒートシンクを含む熱輸送装置の正面の立面図である。
【図１２】図１１における熱輸送装置の斜視図である。
【図１３】本開示の１つの実施形態に従い、図１５〜１６に描写されるような熱電冷凍ユニットでの使用に適した、熱受入装置の流体導管及び熱交換パッドの斜視図である。
【図１４】図１３における熱受入装置の熱交換ブロックの内部構造を示す斜視図である。
【図１５】本開示の１つの実施形態に従う、熱電冷凍ユニットと、クロスオーバー熱交換導管を備えた第一及び第二高熱側ヒートシンクと、冷却ファンと、ヒートシンクと冷却ファンの上に適合するよう配置されたカバーと、の斜視組立図である。
【図１６】図１５に描写される熱電冷凍ユニットの組み立てられた斜視図である。
【発明を実施する形態】
【００２９】
以下に説明される実施形態は、当業者が実施形態を実行できるよう必要な情報を表示し、実施形態の最適な実行モードを説明するものである。付属の描写図を踏まえて以下の説明を読むと、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書に特に記載されていない適用を認識するものと思われる。これらの概念及び適用は本開示の範囲に含まれ、請求範囲に付随すると理解されるべきである。
【００３０】
第一、第二、等の用語は、本明細書においては様々な要素を記述するために用いられ、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきものではないことは、理解されるべきである。これらの用語は、別のものから１つの要素を識別するためにのみ用いられる。例えば、本開示の範囲から逸脱しない範囲で第一要素は、第二要素を称することができ、同様に、第二要素は第一要素を称することができる。本明細書で用いられるように、「及び／または」という用語は、記載された関連アイテムのいずれか、及び１つまたは複数の組み合わせの全てを含む。
【００３１】
本明細書に用いられる技術は、特定の実施形態のみを記載する目的のためであり、本開示の限定を意図するものではない。本明細書に用いられるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに単数形を指し示していない限り、複数形をも同様に含むことを意図する。「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」の用語が、本明細書に用いられる時、表明された特徴、ステップ、動作、要素、及び／または構成要素の存在を記述するが、他の特徴、ステップ、動作、要素、構成要素及び／またはそれらのグループの１つまたは複数の存在または付加を除外するものではないことは、さらに理解されるであろう。
【００３２】
他のものが定義されない限り、本明細書に用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本開示が属する当業者が通常理解するようなものと同様の意味を有する。本明細書に用いられる用語はさらに、本明細書の文脈及び従来技術の意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書にそのように明確に定義されない限りは、理想化された、または過度に形式張った要点に解釈されないということは理解されよう。
【００３３】
冷却能力及びＴＥＣ（熱電ヒートポンプとも呼ばれる）へ供給される効率対入力電流の簡単な議論は、本開示の文脈及び理解補助を供給するのに有効である。図１は、ＴＥＣの冷却能力（Ｑ）及び冷却効率（性能係数（ＣＯＰ）として表される）対ＴＥＣへ供給される入力電流を説明する折れ線グラフである。ＴＥＣの入力電流（Ｉ）が増加する時、ＴＥＣの冷却能力も同様に増加する。最大量の熱がＴＥＣによって取り除かれることを表わす冷却能力（Ｑ）曲線上の点は、Ｑmaxとして示される。従って、ＴＥＣがＱmaxで動作する時、ＴＥＣは最大量の熱を取り除く。対応する最大電流ＩmaxがＴＥＣに供給される時、ＴＥＣはＱmaxで動作する。図１はさらに、入力電流（Ｉ）の機能としてＴＥＣのＣＯＰを説明する。冷却装置のために、ＴＥＣのＣＯＰは熱を取り除くためにＴＥＣへ作業（エネルギー）入力の量以上に取り除かれた熱の比である。ＴＥＣのＣＯＰが最大値であるにある時の熱、または能力（Ｑ）の量は、ＱCOPmaxとして示される。電流ＩCOPmaxがＴＥＣに供給される時、ＴＥＣはＱCOPmaxで動作する。従って、ＴＥＣがＱCOPmaxで動作するように電流ＩCOPmaxがＴＥＣに供給される時、ＴＥＣの効率（またはＣＯＰ）は最大化する。
【００３４】
以下に詳細に記述されるように、好ましい実施形態では、待機状態動作中に１つまたは複数のＴＥＣが起動されＱCOPmaxで動作し、残りのＴＥＣが効率を最大化するために動作停止するよう、コントローラーはＴＥＣ（例えば１つまたは複数のカートリッジ）を制御するよう配置される。起動されるＴＥＣの数、及び逆に動作停止するＴＥＣの数は、要求によって指示される。逆に、プルダウンまたは復帰といった一時的な状態の間は、１つまたは複数（及び場合により場合全て）のＴＥＣは起動し、望ましい性能プロファイルに従って動作する。望ましい性能プロファイルにおける１つの実施例は、プルダウンまたは復帰時間を最小化するために、現在の全てのＴＥＣをＱmaxで起動し動作することを含む。しかしながら、他の望ましい性能プロファイルは、プルダウンまたは復帰時と、例えば現在の全てのＴＥＣが起動しＱCOPmaxとＱmaxの間の点で動作する場合の効率との交換取引を代替的に供給してもよい。ＴＥＣの制御は前述の説明された実施例に限定されるものではないことは理解されるであろう。
【００３５】
ある実施形態では、コントローラー１０６は、ハードウェアプロセッサー及びハードウェアが本明細書に記述されるような様々な制御動作を実行できるように指示を格納するために配置されるような、関連メモリを含む。
【００３６】
上記に記載されるように、図１は単一のＴＥＣにおける冷却能力及び冷却効率を説明する。ＴＥＣの直線的数を増加することは、複数のＴＥＣを採用する熱電冷却（例えば冷凍）システムのＣＯＰの動作に影響を及ぼすことなく熱除去能力を増加させる。従って、熱電冷却システムは４つのＴＥＣを含む場合、それにより熱電冷却システムの熱除去能力は、単一のＴＥＣを含む熱電冷却システムの実施形態と比較して４倍に増加し、いくつかの好ましい実施形態では、その上、全てのシステムがオフ（入力電流＝０の時）、ＱCOPmax（入力電流ＩCOPmaxの時）、Ｑmax（入力電流Ｉmaxの時）の間の様々な状態で動作できるようにする。
【００３７】
詳細を議論し熱電冷却システムを動作するまえに、ＴＥＣを分けて、かつ選択的に制御可能な複数のＴＥＣカートリッジについて議論することが有効である。複数のＴＥＣカートリッジ１１２の描写は、図２に説明される。カートリッジ１１２は複数のＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｆを利用する。様々な状態において望ましい性能を供給するために複数のＴＥＣは個別に制御されるので、複数のより小容量のＴＥＣを利用することは、単一の大容量ＴＥＣを利用することと比較して有効である。一方、プルダウンまたは復帰のために最大の望ましい能力を供給するよう設計された単一の特大ＴＥＣは、１つまたは複数のＴＥＣの動作における柔軟性を供給せず、また、最大効率値（ＱCOPmax）に近づくこともない。言い換えれば、１つまたは複数のより小さいＴＥＣはコントローラーによって起動され、待機状態動作を含む動作状態の広範囲にわたって最大効率値で（またはその付近で）動作するのに対し、最大能力で効率よく動作するよう設計された特大ＴＥＣは、低能力では効果的な動作はできない。ＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｆのうちいずれか１つまたは複数と、ＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｂに組み込まれた全てのカートリッジ１１２は、熱電ヒートポンプとしても称されてもよい。
【００３８】
図２に説明されるカートリッジ１１２は、望ましい制御スキームに従ってＴＥＣの異なるサブセットを個別及び選択的に制御することのできる複数のＴＥＣカートリッジの単なる１つの実施例である。一般に、複数のＴＥＣカートリッジは、任意の数のＴＥＣを保持し、任意の数のＴＥＣのサブセットを個別に制御することを許可するよう構成されてもよく、各サブセットは一般に１つまたは複数のＴＥＣを含む。さらに、異なるサブセットは同じ数または異なる数のＴＥＣを含んでもよい。複数のＴＥＣカートリッジに関する追加の詳細は、米国特許出願公開番号２０１３／０２９１５５５Ａ１、「ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＳＣＨＥＭＥ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ（高効率性能のための熱電冷凍システム制御スキーム）」に開示され、引用によりその全体を本明細書に包含する。
【００３９】
図２に説明されるように、カートリッジ１１２は内部連結基板１２２上に配置されたＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｆ（さらに一般には集団のＴＥＣ１２０として、及び個別のＴＥＣ１２０として本明細書で称される）を含む。ＴＥＣ１２０は薄膜装置である。薄膜ＴＥＣの非限定的ないくつかの実施例は、米国特許出願公開番号８，２１６，８７１、「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＯＤＵＬＥ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ（薄膜熱電モジュール製造のための方法）」に開示され、引用によりその全体を本明細書に包含する。内部連結基板１２２は、ＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｆの４つのサブセットを定義する導電性トレース１２４ａ〜１２４ｄを含む（さらに一般には集団のトレース１２４として、及び個別のトレース１２４として本明細書に称される）。より詳細には、ＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｂは、トレース１２４ａを介して互いに電気的に直列接続され、ＴＥＣ１２０の第一サブセットを形成する。同様に、ＴＥＣ１２０ｃ〜１２０ｄは、トレース１２４ｂを介して互いに電気的に直列接続され、ＴＥＣ１２０の第二サブセットを形成する。ＴＥＣ１２０ｅはトレース１２４ｄに接続され、ＴＥＣ１２０の第三サブセットを形成し、一方で、ＴＥＣ１２０ｆはトレース１２４ｃに接続され、ＴＥＣ１２０の第四サブセットを形成する。本明細書に記述されるようなコントローラーは、トレース１２４ａに流れる電流を制御することでＴＥＣ１２０（すなわちＴＥＣ１２０ａ及び１２０ｂ）の第一サブセットを選択的に制御でき、トレース１２４ｂに流れる電流を制御することでＴＥＣ１２０（すなわちＴＥＣ１２０ｃ及び１２０ｄ）の第二サブセットを選択的に制御でき、トレース１２４ｄに流れる電流を制御することでＴＥＣ１２０（すなわち１２０ｅ）の第三サブセットを選択的に制御でき、トレース１２４ｃに流れる電流を制御することでＴＥＣ１２０（すなわち１２０ｆ）の第四サブセットを選択的に制御できる。従って、実施例のようにＴＥＣ１２０ａ及び１２０ｂを利用して、トレース１２４ａから電流を絶つ（動作停止）またはトレース１２４ａへ電流を流す（起動）ことのいずれかによって、コントローラーはＴＥＣ１２０ａ及び１２０ｂを選択的に起動／動作停止でき、ＴＥＣ１２０ａ及び１２０ｂが起動中に、トレース１２４ａへ流れる電流を選択的に増加または減少でき、及び／またはアクティベーションを監視するＴＥＣ１２０ａ及びＴＥＣ１２０ｂのデューティサイクルを制御するよう、トレース１２４ａへ流れる電流を制御する（例えば電流のパルス幅変調によって）。
【００４０】
内部連結基板１２２は、ＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｆの底面を見えるようにする開口部１２６ａ〜１２６ｂを含む（さらに一般には集団の開口部１２６として、及び個別の開口部１２６として本明細書に称される）。カートリッジ１１２が高温側（排出）熱交換器と低温側（受入）熱交換器の間に配置される時（図３に示されるように）、開口部１２６ａ及び１２６ｂはＴＥＣ１２０ａ〜１２０ｆの面を適切な熱交換器へと熱的連結できる。
【００４１】
本開示の実施形態に従って、本明細書に記述されるようなコントローラーは動作中、対応するトレース１２４ａ〜１２４ｄへ電流を流したり電流を遮断したりすることで、ＴＥＣ１２０のサブセットのいかなる組み合わせをも選択的に起動したり動作停止したりできる。さらにコントローラーは、対応するトレース１２４ａ〜１２４ｄへ供給される電流の量（またはデューティサイクル）を制御することで、起動したＴＥＣ１２０の動作点を制御できる。例えば、ＴＥＣ１２０の第一サブセットが待機状態動作中にＱCOPmaxで起動され、動作しさえすれば、その後コントローラーは、ＴＥＣ１２０ａ及び１２０ｂを起動し、ＴＥＣ１２０ａ及び１２０ｂをＱCOPmaxで動作するよう、トレース１２４ａへＩCOPmaxの値の電流を供給してもよく、一方、他のＴＥＣ１２０ｃ〜１２０ｆを動作停止するよう他のトレース１２４ｂ〜１２４ｄへの電流を絶つ。
【００４２】
図３は、本開示の実施形態を理解できるように熱電冷凍システム１００を説明する。説明されるように、熱電冷凍システム１００は、冷却庫１０２と、熱交換器１０４と、冷却庫１０２内で冷却を制御するコントローラー１０６を含む。熱交換器１０４は、高温側熱交換エレメント１０８と、低温側熱交換エレメント１１０と、複数のＴＥＣ（図２に説明されるカートリッジ１１２とＴＥＣ１２０に対応する）を含むカートリッジ１１２を含み、ＴＥＣはそれぞれ、低温側（受入）熱交換エレメント１１０に熱的に連結した低温側と、高温側（排出）熱交換エレメント１０８と熱的に連結した高温側を有する。そのようなＴＥＣは、望ましい薄膜装置である。１つまたは複数のＴＥＣがコントローラー１０６により起動された時、起動したＴＥＣ（複数可）は高温側熱交換エレメント１０８を熱し、かつ低温側熱交換エレメント１１０を冷却するよう動作することにより、冷却庫１０２から熱を奪うための熱輸送を促進する。より具体的には、１つまたは複数のＴＥＣが起動された時、高温側熱交換エレメント１０８が熱されることにより蒸発器を生成し、低温側熱交換エレメント１１０が冷却されることにより、凝縮器が生成される。
【００４３】
凝縮器の機能として、低温側熱交換エレメント１１０は、低温側熱交換エレメント１１０に連結した受入ループ１１４を介して、冷却庫１０２からの熱除去を助ける。受入ループ１１４は、熱電冷凍システム１００の内壁１１５に熱的に連結される。内壁１１５は冷却庫１０２を定義する。１つの実施形態では、受入ループ１１４は内壁１１５へと結合されるか、内壁１１５の表面上に直接結合されるかのいずれかである。受入ループ１１４は、冷却媒体（例えば二相冷媒）を流すかまたは受入ループ１１４を通すことのできるあらゆるタイプの配管によって形成される。受入ループ１１４と内壁１１５が熱的に連結しているので、冷却媒体が受入ループ１１４を通じて流れる時に、冷却媒体は冷却庫１０２から熱を奪う。受入ループ１１４は例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス管、アルミニウム管、等から形成されてもよい。
【００４４】
低温側熱交換エレメント１１０及び受入ループ１１４によって形成される凝縮器は、あらゆる適切な熱交換技術に従って動作する。１つの好ましい実施形態では、冷却媒体が低温側熱交換エレメント１１０から受入ループ１１４を通って行き、低温側熱交換エレメント１１０へと戻ることで二相の受動熱輸送を用いて冷却庫１０２を冷却するように、受入ループ１１４は熱サイフォンの原理（すなわち熱サイフォンとして機能する）に従って動作する。（あるいは、受入ループ１１４はウィッキング媒体を含むヒートパイプと取って代わられてもよく、それによりウィック内の毛細動力が高温端から低温へと液体が確実に戻るようにし、対照的に熱サイフォンはウィッキング媒体を必要とせず重力で動作する）より詳細には、受動熱交換は、受入ループ１１４及び冷却庫１０２内の冷却媒体間の自然対流を通じて発生する。１つの実施形態では、冷却媒体は、冷却媒体が冷却庫１０２と熱的に接する時に液体状になる。具体的には、受動熱交換は冷却庫１０２と受入ループ１１４内の冷却媒体間の環境において発生し、それにより、冷却庫１０２内の温度が低下し冷却媒体の温度が上昇し及び／または相変化する。冷却媒体の温度が上昇する時、冷却媒体は蒸発するなどして、密度が低下する。結果として、冷却媒体は、受入ループ１１４内を浮力でもって上方に移動し、熱交換器１０４へと向かい、具体的には低温側熱交換エレメント１１０へと向かう。冷却媒体は、低温側熱交換エレメント１１０と熱的に接触する状態となり、冷却媒体と低温側熱交換エレメント１１０間において熱交換が発生する。冷却媒体と低温側熱交換エレメント１１０間で熱交換が発生した時、冷却庫１０２からさらに熱を奪うために、冷却媒体は液化し、重力を受けて再度受入ループ１１４を通じて流れる。従って、いくつかの実施形態では、受入ループ１１４は冷却庫１０２を冷却する時、蒸発器としての機能を持つ。
【００４５】
上記に記載されるように、熱交換器１０４は、高温側熱交換エレメント１０８と低温側熱交換エレメント１１０の間に配置されたカートリッジ１１２を含む。カートリッジ１１２内のＴＥＣは、高温側熱交換エレメント１０８と熱的に連結する高温側（すなわちＴＥＣの動作中に高温となる側）を有し、低温側熱交換エレメント１１０と熱的に連結する低温側（すなわちＴＥＣの動作中に低温となる側）を有する。カートリッジ１１２内のＴＥＣは、低温側熱交換エレメント１１０と高温側熱交換エレメント１０８の間における熱交換を効果的に促進する。より具体的には、受入ループ１１４内の冷却媒体と低温側熱交換エレメント１１０との間に熱交換が発生した時、起動したＴＥＣは低温側熱交換エレメント１１０と高温側熱交換エレメント１０８の間で熱を輸送する。
【００４６】
蒸発器の機能として、高温側熱交換エレメント１０８は、高温側熱交換エレメント１０８に連結した排出ループ１１６を介して、冷却庫１０２の外部環境へと熱を排出するのを助ける。排出ループ１１６は、熱電冷凍システム１００の外壁１１８または外面に熱的に連結される。外壁１１８は、冷却庫１０２の外部環境に直接熱的に接触する。さらに外壁１１８は、例えば適切な断熱材によって、受入ループ１１４及び内壁１１５（よって冷却庫１０２も）から熱的に独立している。１つの実施形態では、排出ループ１１６は外壁１１８へと結合されるか、外壁１１８の表面上に結合されるかのいずれかである。排出ループ１１６は、熱輸送媒体（例えば二相冷媒）を流すかまたは排出ループ１１６を通すことのできるあらゆるタイプの配管で形成される。排出ループ１１６と外部環境が熱的に連結しているので、熱輸送媒体が排出ループ１１６を通じて流れる時に、熱輸送媒体は外部環境へ熱を排出する。排出ループ１１６は例えば、銅管、プラスチック管、ステンレス管、アルミニウム管、等から形成されてもよい。
【００４７】
高温側熱交換エレメント１０８及び排出ループ１１６によって形成される蒸発器は、あらゆる好適な熱交換技術に従って動作する。１つの好ましい実施形態では、熱輸送媒体が高温側熱交換エレメント１０８から排出ループ１１６を通って行き、高温側熱交換エレメント１０８へと戻ることで二相の受動熱輸送を用いて熱を排出するように、排出ループ１１６は熱サイフォンの原理（すなわち熱サイフォンとして機能する）に従って動作する。より詳細には、高温側熱交換エレメント１０８は低温側熱交換エレメント１１０から受けた熱を排出ループ１１６内の熱輸送媒体へと運ぶ。（あるいは、排出ループ１１６はヒートパイプに取って代わられてもよい）一度熱が熱輸送媒体へと運ばれると、熱輸送媒体は相を変え、排出ループ１１６を通じて移動して外壁１１８と熱的に接触するようになり、それにより熱が冷却庫１０２の外部環境（例えば周囲環境）に引き出される。排出ループ１１６内の熱輸送媒体が外壁１１８に直接熱的に接触する時、排出ループ１１６の熱交換媒体と周囲環境との間で受動熱交換が発生する。既知のとおり、受動熱交換は排出ループ１１６内の熱輸送媒体を凝縮させ、それにより熱輸送媒体は重力を受けて熱交換器１０４へと戻っていく。従って、排出ループ１１６は冷却庫１０２の外部環境へと熱を排出する時、凝縮器のとしての機能を持つ。
【００４８】
ある実施形態では、熱交換器１０４は、冷却庫１０２と直接熱的に接触しておらず、代わりに冷却庫１０２から熱的に独立している。同様に、熱交換器１０４は、外壁１１８と直接熱的に接触しておらず、代わりに外壁１１８から熱的に独立している。従って、以下に詳細に記述されるように、熱交換器１０４は冷却庫１０２と熱電冷凍システム１００の外壁１１８の両方から熱的に独立している。重要なことは、ＴＥＣが動作停止している時に熱が漏れて冷却庫１０２へと戻ることを防ぐ効果のある熱ダイオード効果を、これが供給するということである。
【００４９】
コントローラー１０６は、冷却庫１０２内を望ましい設定点温度に保つよう、カートリッジ１１２内のＴＥＣを制御するために動作する。一般に、コントローラー１０６は、ＴＥＣを選択的に起動／動作停止し、ＴＥＣの入力電流を選択的に制御し、及び／または望ましい設定点温度に保つようＴＥＣのデューティサイクルを選択的に制御するために動作する。さらに、好ましい実施形態では、コントローラー１０６は、ＴＥＣのサブセットを１つまたは複数、いくつかの実施形態では２つ以上、個別に、または独立して制御し、各サブセットは１つまたは複数の異なるＴＥＣを含む。従って、実施例として、カートリッジ１１２内に４つのＴＥＣがある場合、コントローラー１０６は第一の単独ＴＥＣと、第二の単独のＴＥＣと、２つのＴＥＣのグループ（すなわち第一、第二の単独ＴＥＣと２つのＴＥＣのグループ）を個別に制御することができる。この方法によって、コントローラー１０６は例えば、要求が指示するように最大の効率でもって１つ、２つ、または４つのＴＥＣを独立して選択的に起動できる。
【００５０】
この実施例を続けて記載すると、コントローラー１０６は、第一の単独ＴＥＣと、第一の単独ＴＥＣにおける入力電流と、及び／または第一の単独ＴＥＣにおけるデューティサイクルの起動／動作停止（１）、第二の単独ＴＥＣと、第二の単独ＴＥＣにおける入力電流と、及び／または第二の単独ＴＥＣにおけるデューティサイクルの起動／動作停止（２）、２つのＴＥＣグループと、２つのＴＥＣグループにおける入力電流と、及び／または２つのＴＥＣグループにおけるデューティサイクルの起動／動作停止（３）を個別にかつ選択的に制御することができる。ＴＥＣの異なるサブセットを個別にかつ選択的に制御し使用することにより、コントローラー１０６は熱電冷凍システム１００の効率を向上するためにＴＥＣを好ましく制御する。例えば、冷却庫１０２が設定点温度にあるか所定の待機状態温度範囲内にあるような待機モードで動作する時、コントローラー１０６は効率を最大化するためにＴＥＣを制御してもよい。しかしながら、プルダウンまたは復帰の間は、例えば冷却庫１０２からの熱除去を最大化し、プルダウン／復帰時間と効率等との交換取引を供給する、といったような望ましい性能を達成するために、コントローラー１０６はＴＥＣを制御してもよい。
【００５１】
図２及び３における先行の議論が単一カートリッジ１１２上で異なるＴＥＣを選択的に制御できる実施形態を記述する一方で、類似の原理が個別のカートリッジ（例えばそれぞれが１つまたは複数のＴＥＣを有する）、または１つまたは複数の熱交換器アセンブリ（例えば第一高温（排出）側熱交換器と対になる第一低温（受入）側熱交換器の間、または第一及び第二高温（排出）側熱交換器のそれぞれと対になる第一及び第二低温（受入）側熱交換器の間）の対になる表面間に配置されたその他の回路基板の上に配置された、複数のＴＥＣを制御するために用いられてもよいことがわかる。
【００５２】
前に記載されるように、図３に関連して記述される熱電冷凍システム１００は、それぞれが熱サイフォンまたはヒートパイプを含む受動熱受入サブシステム及び受動熱排出サブシステムに利用されてもよい。こういった受動サブシステムは、可動部を有益的に欠いており、故に信頼性が高く、静かに動作できる。受動熱受入及び受動熱排出サブシステムは、しかしながら高熱負荷中（例えば過渡状態）に利用可能な表面積が不足することに悩まされ、受動熱排出サブシステムは高温排出状態中に利用可能な表面積が不足することに悩まされる場合があるが、そういったサブシステムは待機状態中に役に立つ完全に適合した熱輸送を供給することができる。
【００５３】
冷却庫または冷却面に用いられる受動熱受入及び／または受動熱排出サブシステムの制限を克服するために、そういったサブシステムは、本開示のある実施形態に従う選択的に動作可能な強制対流ステージの少なくとも１つを増加してもよい。ある実施形態では、強制対流ユニットは、１つまたは複数のファンと、ブロワ―と、排出装置と、他の通気誘導要素と、を含んでもよい。本明細書に開示される、ある実施形態はファンの利用に言及しているが、ファンは単に強制対流ユニットの１つのタイプを表しているに過ぎず、ファンの代わりであれ、またはファンを含むものであれ、あらゆる適切なタイプの強制対流ユニットが採用されてもよいと理解されるべきである。高熱負荷状態及び／または高温熱排出状態の間だけ活性化する強制対流ユニットを少なくとも１つ利用することで、熱受入及び／または熱排出サブシステムは、通常（例えば待機状態）の動作状態中で完全な受動熱輸送の恩恵を維持しながら、一過性高熱負荷処理能力を可能にする十分な能力を供給できる。
【００５４】
ある実施形態では、強制対流促進ステージは、庫または面を冷却するために利用される受動単相排出システムまたは受入システムを増加するために用いられる。ある実施形態では、強制対流促進ステージは、庫または面を冷却するために利用される受動二相排出システムまたは受入システムを増加するために用いられる。ある実施形態では、少なくとも１つの強制対流ユニットは、熱輸送システムの受入側及び／または排出側にある少なくとも１つの熱交換器の最も近くに配置され得る。
【００５５】
ある実施形態では、少なくとも１つの強制対流ユニットは高熱負荷中（例えばプルダウンまたは復帰などの過渡状態）及び／または高温排出状態に動作するが、受動熱輸送サブシステム（複数可）が冷却する庫または面から熱を受けるため、及び／または周囲環境へ熱を排出するために好ましく十分である時は、通常状態中（例えば待機状態を含む熱負荷及び典型的な周囲環境状態）では動作しない。初期のクールダウン中に、上昇した周囲状態では、または異常な内部負荷に応じて、少なくとも１つの強制対流ユニットは、異常状態を取り除くかまたは軽減するために、最初の受動輸送システムを補助して活性化してもよい。標準環境的状態における通常動作中には、強制対流ユニット（複数可）は完全に活性化されていない状態であり、これにより完全な受動動作ができ、かつ強制対流ユニット（複数可）の動作に伴う電力消費及びノイズを防ぐ。したがって、好ましい実施形態では、最初の受動熱輸送サブシステムは全ての状態において動作的負荷を操作するために十分であることが好ましく、一方で１つまたは複数の強制対流ユニットは、要望により性能促進を供給するための二次的なサブシステムとして選択的に動作可能であるが、強制対流ユニット（複数可）は基本システム性能のためには不必要であり、全てのシステム信頼性に影響を及ぼすことはない。
【００５６】
内部及び外部強制対流ユニットが本明細書に記述される一方、ある実施形態は内部強制対流のみに、または外部強制対流のみに利用されてもよい。ある実施形態では、複数の内部強制対流ユニット及び／または複数の外部強制対流ユニットが供給されてもよい。ある実施形態では、複数の内部ファン及び／または複数の外部ファンが供給され、同じ状況のファンが熱的要望または他の要求に合うように、必要に応じて連続して動作するかまたは一緒に動作することができるように単独で制御可能である。ある実施形態では、１つまたは複数の強制対流ユニットは、要望及び／または電力またはノイズ制限に応じて対流を変化できるように、マルチステージまたは可変速度コントローラーで制御されてもよい。
【００５７】
ある実施形態では、コントローラーは、熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）と、冷却する庫または面の温度（ｉｉ）のうち少なくとも１つを示す温度データを受信する。庫または面の温度が設定点温度または設定点温度範囲を含む待機状態の温度範囲を超えた状態、及び周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を超えた状態のうち、少なくとも１つを示す状態を検知した場合、コントローラーは少なくとも１つの強制対流ユニットを起動する。庫または面の温度が待機状態の温度範囲内にある状態、及び／または周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を下回る状態のうち、少なくとも１つを示す状態を検知した場合、コントローラーは少なくとも１つの強制対流ユニットを起動する。
【００５８】
図４は、本開示の１つの実施形態に従って流体を含む導管またはループ２１４と熱的連動関係にある熱交換器２０８の冷却を向上するために配置された強制対流ユニット（例えばファン）２２１を含む熱輸送システム２００の少なくとも一部の斜視図である。熱輸送システム２００は、熱電冷却システムの一部として好ましく用いられてもよいが、熱電冷却エレメントと共に用いられることに限定はされない。流体を含む導管またはループ２１４は、熱輸送流体の受動運動のために好ましく配置され、熱サイフォンまたはヒートパイプを統合してもよい。接続具２０９は熱輸送流体を追加できるように流体を含む導管またはループ２１４と流体連通で供給されてもよい。熱輸送システム２００は、流体を含む導管またはループ２１４の一部を置くことにより、または冷却する面または庫と熱的連動関係にある熱交換器２０８の表面に置くことにより、といったことで、冷却する庫または面（図示せず）のうち少なくとも１つと熱的連動関係で配置されてもよい。ある実施形態では、熱交換器２０８は、本明細書で前に記述されたように、ＴＥＣまたは熱電カートリッジ（図示せず）のうち少なくとも１つと導電性の熱的連動関係において配置されてもよい。ある実施形態では、流体を含む導管またはループ２１４及び熱交換器２０８は、冷凍または冷却システムの受入（低温）側上で利用されてもよい。ある実施形態では、流体を含む導管またはループ２１４及び熱交換器２０８は、周囲環境に熱を消散するためのヒートシンクとして機能する熱交換器２０８と共に、冷凍または冷却システムの排出（高温）側上で利用されてもよい。好ましい実施形態では、強制対流ユニット２２１は、高熱負荷状態及び／または高温熱排出状態の間でのみ動作するよう、選択的に動作可能であり、流体を含む導管またはループ２１４及び熱交換器２０８が強制対流を介しての熱輸送の向上を必要とせずに受動的に動作する時、強制対流ユニット２２１は、待機状態及び／または通常の周囲状態の間は消勢する。好ましくない実施形態では、流体を含む導管またはループ２１４内の流体の流れは、ポンプまたは他の流体加圧要素（図示せず）によって動機付けられたり、増加されたりする。
【００５９】
図５は、本開示の１つの実施形態に従って、流体を含む導管またはループ２６４を通って熱交換器２５８と熱的連動関係にある流体を含むフィン付きヒートシンク２７７の冷却を向上するために配置された選択的に動作可能な強制対流ユニット２７１を含む熱輸送システム２５０の少なくとも一部の斜視図である。熱輸送システム２５０は、熱電冷却システムの一部として好ましく用いられてもよいが、熱電冷却エレメントと共に用いられることに限定はされない。流体を含む導管またはループ２６４は、熱輸送流体の受動運動のために好ましく配置され、熱サイフォンまたはヒートパイプを統合してもよい。接続具２５９は熱輸送流体を追加できるように流体を含む導管またはループ２６４と流体連通で供給されてもよい。熱輸送システム２５０は、流体を含む導管またはループ２６４の一部を置くことにより、または冷却する面または庫と熱的連動関係にある熱交換器２５８の表面に置くことにより、といったことで、冷却する庫または面（図示せず）のうち少なくとも１つと熱的連動関係で配置されてもよい。ある実施形態では、熱交換器２５８は、本明細書で前に記述されたように、ＴＥＣまたは熱電カートリッジ（図示せず）のうち少なくとも１つと導電性の熱的連動関係において配置されてもよい。ある実施形態では、流体を含む導管またはループ２６４及び熱交換器２５８は、冷凍または冷却システムの受入（低温）側上で利用されてもよい。ある実施形態では、流体を含む導管またはループ２６４及び熱交換器２５８は、周囲環境に熱を消散するためのヒートシンクとして機能する流体を含むフィン付きヒートシンク２７７と共に、冷凍または冷却システムの排出（高温）側上で利用されてもよい。好ましい実施形態では、強制対流ユニット２７１は、高熱負荷状態及び／または高温熱排出状態の間でのみ動作するよう、選択的に動作可能であり、流体を含む導管またはループ２６４と、熱交換器２５８と、フィン付きヒートシンク２７７が強制対流を介しての熱輸送の向上を必要とせずに受動的に動作する時、強制対流ユニット２７１は、待機状態及び／または通常の周囲状態の間は消勢する。好ましくない実施形態では、流体を含むループ２６４内の流体の流れは、ポンプまたは他の流体加圧要素（図示せず）によって動機付けられたり、増加されたりする。
【００６０】
図６は、本開示の１つの実施形態に従う熱電冷却または冷凍システム３００を説明する。冷却または冷凍システム３００は、内壁３０３で囲まれた冷却庫３０２を含み、内壁３０３は外壁３０１または外装に囲まれる。断熱材（図示せず）は、内壁３０３と外壁３０１の間に好ましく供給される。最初の受入ループまたは導管３０８は、内壁３０３に接するように、または内壁３０３の表面上に直接結合するように、冷却庫３０２と熱的連動関係において配置される。第二の受入ループまたは導管３０９は、冷却庫３０２内に配置された内部強制対流ユニット３１１からの空気を受けるよう配置された少なくとも１つの受入側熱交換器３０７（フィン３０５を含んでもよい）を任意に含んでもよい。内部強制対流ユニット３１１は、プルダウンまたは復帰中は望ましい状態であるように、冷却庫３０２から第二の受入ループまたは導管３０９への熱輸送を向上するために選択的に動作してもよいが、内部強制対流ユニット３１１は待機状態中には消勢してもよい。内部強制対流ユニット３１１は、冷却庫３０２または内壁３０３と熱的連動関係にある複数の温度センサー（図示せず）によって検知されるように、冷却庫３０２内における温度の層化を減少するために代替的に（または追加的に）動作してもよい。受入ループまたは導管３０８、３０９は、低温（受入）側熱交換器３１０と接触するよう配置される。
【００６１】
図６の言及を続けて、熱電熱交換アセンブリは、低温（受入）側熱交換器３１０と、ＴＥＣを組み込んだ少なくとも１つの熱電カートリッジ３１２と、高温（排出）側熱交換器３１４と、を含む。高温（排出）側熱交換器３１４は、複数のフィン列３１７Ａ、３１７Ｂを含む高温（排出）側熱交換器３１５へ熱を消散するよう配置された流体を含む導管またはループ３１６Ａ、３１６Ｃ（それぞれは熱輸送流体の受動運動のために好ましく配置され、熱サイフォンまたはヒートパイプに統合されるような）と熱的連動関係にある。高温（排出）側ヒートシンク３１５内で、第一の流体を含むループまたは導管３１６Ａは、第一列のフィン３１７Ａと導電性の熱的連動関係にあり、第二の流体を含むループまたは導管３１６Ｂは、第二列のフィン３１７Ｂと導電性の熱的連動関係にある。少なくとも１つの外部強制対流ユニット３２１は、高温（排出）側ヒートシンク３１５からの熱消散を向上するよう配置される。外部強制対流ユニット３２１は、プルダウンまたは復帰中、及び／または異常な高排出温度状態には望ましい状態であるように、高温（排出）側ヒートシンク３１５から周囲環境への熱輸送を向上するために選択的に動作してもよいが、外部強制対流ユニット３２１は待機状態中には消勢してもよい。熱電カートリッジ３１２及び強制対流ユニット３１１、３２１は、熱電冷却または冷凍システム３００に関連するコントローラー３０６によって制御される。図６は単一の熱電熱交換アセンブリ（例えば低温（受入）側熱交換器３１０と、ＴＥＣを組み込んだ少なくとも１つの熱電カートリッジ３１２と、高温（排出）側熱交換器３１４と、を含む）と、単一の高温（排出）側ヒートシンク３１５と、単一の内部強制対流ユニット３１１と、単一の外部強制対流ユニット３２１と、を説明したが、ある実施形態においては例えば、増加した冷却能力と、異なる冷却庫または冷却庫の区域（または部分）の分離制御を供給し、及び／または信頼性を向上するために、前述のアセンブリまたは構成要素の２つ以上が供給されることが理解されよう。
【００６２】
図７は、本開示の１つの実施形態に従って、電源と、センサーと、制御と、図６のシステム３００のような熱電冷却または冷凍システムのユーザーインターフェースコンポーネントとの間の内部接続を説明する概略図である。図６に示されるコントローラー３０６及び熱電カートリッジ３１２に加えて、図７では、ユーザーインターフェース３７６と、電源３７８と、アクセサリー（ＡＣＣ）３８０と、パワーエレクトロニクス３８２、温度センサー３５４〜３５６と、ファン（または他の強制対流ユニット）３１１、３２１と、を含む熱電冷却または冷凍システムを説明する。ユーザーインターフェース３７６は、ユーザーが冷却庫３０２の設定点温度を少なくとも１つ含む熱電冷却または冷凍システム３００に関連する様々な制御パラメーターを入力できるようにする。ある実施形態では、入力制御パラメーターは、温度の待機状態範囲のための値を追加的に含んでもよい。ある実施形態では、ユーザーインターフェース３７６は、ユーザーまたは熱電冷凍システムの製造会社が、高温（排出）側熱交換器３１４と、ＩCOPmax及びＩmax及び／または他のパラメーターに関連する電流値のための最大許容温度を定義できるようにする。ある実施形態では、いくつかまたは全ての制御パラメーターは、コントローラー３０６にプログラムされるか、またはハードコードされていてもよい。
【００６３】
電源３７８は、コントローラー３０６と、アクセサリー３８０と、パワーエレクトロニクス３８２に電力を供給する。アクセサリー３８０は、拡張機能のための庫内灯及び／または通信モジュールを含んでもよい。アクセサリー３８０が通信モジュールであるという実施形態において、アクセサリー３８０は、限定はされないが、携帯電話、遠隔位置にあるコンピューティング装置、他の電化製品及び熱電冷却または冷凍システム、といった遠隔装置と通信してもよい。アクセサリー３８０が携帯電話または遠隔位置にあるコンピューティング装置と通信するという実施形態において、アクセサリー３８０は、熱電冷却または冷凍システム３００及び冷却庫３０２の操作パラメーター（例えば温度データ）を遠隔装置または離れた存在へ向けて供給できる。アクセサリー３８０が他の熱電冷凍システムと通信するという実施形態において、アクセサリー３８０は、設定点温度、設定点温度の上限及び下限、冷却庫３０２の最大許容温度、高温（排出）側熱交換器３１４の最大許容温度、等の熱電冷却または冷凍システム３００の操作パラメーターを他の熱電冷凍システムと交換してもよい。
【００６４】
パワーエレクトロニクス３８２は一般に、コントローラー３０６からの制御信号に応じて熱電カートリッジ３１２及びＴＥＣ３２０に電流を供給するよう動作する。ある実施形態では、パワーエレクトロニクス３８２は、ＴＥＣ３２０の異なるサブセットへ電流を独立して供給する。ある実施形態では、ＴＥＣ３２０の異なるサブセットにおけるデューティサイクルは、同様に制御される。このケースでは、ＴＥＣ３２０の異なるサブセットにおけるデューティサイクルが制御されることによって、パワーエレクトロニクス３８２はパルス幅変調機能を供給してもよい。
【００６５】
図７に示されるように、コントローラー３０６は、温度センサー３５４〜３５６から温度データを受け取るよう配置され、温度データは、第一温度センサー３５４で検知された冷却庫３０２の温度（ＴCH）と、第二温度センサー３５５で検知された周囲環境の温度（ＴAmb）と、第三温度センサー３５６で検知された高温（排出）側熱交換器３１４（または高温（排出）側ヒートシンク３１５）の温度（ＴR）と、のうちの１つまたは複数を含んでもよい。温度データに基づき、コントローラー３０６は熱電冷却または冷凍システム３００の現在の動作モードを決定する。図７に説明されるように、ある実施形態に従う動作の潜在モードは、プルダウンモード３５８と、待機状態モード３６０と、過温度モード３６２と、復帰モード３６３と、を含む。プルダウンモード３５８は一般に、熱電冷却または冷凍システム３００が最初に電源を入れられた時に発生し、冷却庫３０２内の温度を減少（または「プルダウン」）するために必要である。待機状態モード３６０は、冷却庫３０２の温度が望ましい設定点温度にあるかまたはそれに近いときに発生する。より詳細には、冷却庫３０２が設定点温度（例えば冷却庫の設定点温度３０２±２℃）を含む所定の待機状態範囲内にある時、冷却庫３０２の温度は、望ましい設定点温度にあるかまたはそれに近い。過温度モード３６２は、例えば周囲温度状態が通常の範囲を超える時、及び／または冷却庫３０２が適切なクールダウンをしない時（例えば冷却庫３０２のドアが閉まっていない場合）に発生するといったように、高温（排出）側熱交換器３１４上の温度が所定の最大許容温度を超える時に検知される。過温度モード３６２は、例えばＴＥＣ３２０を損傷から保護するためにＴＥＣ３２０の高温側温度を減少するよう、高温（排出）側熱交換器３１４の温度を減少するために、外部ファン３２１（複数可）が高温（排出）側ヒートシンク３１５から周囲環境への熱輸送を向上するよう起動される間の安全モードである。外部ファン３２１（複数可）の動作が、高温（排出）側熱交換器３１４（及びＴＥＣ３２０の高温側）の温度を減少するためには不十分である場合、ＴＥＣへの電流供給はＴＥＣ３２０を損傷から守るためにＴＥＣへの熱入力を減少するよう制限されてもよい。最後に、復帰モード３６３は例えば、冷却庫３０２へ熱が漏れ入ったり、冷却庫３０２のドアが開いている、等によって冷却庫３０２の温度が待機状態範囲外へ増加する時のモードである。
【００６６】
本開示のある実施形態に従う、異なるモード３５８、３６０、３６２、３６３（図７に描写されるような）におけるコントローラー３０６の動作は、図８に説明される。プルダウンモード３５８での動作中に、コントローラー３０６は少なくとも１つのカートリッジ３１２に関連する全てのＴＥＣ３２０への電流を制御し、それにより全てのＴＥＣ３２０は、望ましい性能プロファイルが指示するように、ＱCOPmaxとＱmax間の電力レベル（ＩCOPmaxとＩmax間の電流に対応する）で動作し、１つまたは両方のファン（または他の強制対流ユニット）３１１、３２１は対流熱輸送を向上するために動作する。例えば、熱電冷却または冷凍システム３００が初期購入された時または熱電冷却または冷凍システム３００が電源から外された状態の後に、電源を入れられた時、といったように、最初に電源が入れられたことに基づいて、コントローラー３０６は熱電冷却または冷凍システム３００がプルダウンモード３５８にあることを判断する。ブロック３６６を参照して示されるように、コントローラー３０６は、全てのＴＥＣ３２０をＱCOPmaxとＱmax間の電力レベルに維持し、冷却庫３０２の温度が設定点温度まで、または設定点温度の許容範囲内に引き下げられるまで、ファン３１１と３２１を動作状態に維持する。一度冷却庫３０２が設定点温度まで引き下げられたら、コントローラー３０６はファン３１１と３２１の動作を停止し、全ての動作するＴＥＣ３２０へ供給される電流ＩCOPmaxを起こすことで、全てのＴＥＣ３２０がＱCOPmaxで動作するようにＴＥＣ３２０の動作を制御する。コントローラー３０６はさらに、冷却庫３０２が設定点温度までプルダウンするとすぐに起動されるかまたはすぐ起動できる状態となるＴＥＣ３２０の数を削減する。
【００６７】
上記に記載されるように、温度データに基づいてコントローラー３０６は、熱電冷却または冷凍システム３００が待機状態モード３６０（すなわち冷却庫３０２の温度が設定点温度と等しい、または設定点温度の所定範囲内にある時）にある時を判断する。待機状態モード３６０にある時コントローラー３０６は、動作してきた任意のファン３１１、３２１を好ましく動作停止し、要求が指示するように、必要な数のＴＥＣ３２０をＱCOPmaxで動作する。待機状態では、受動熱輸送は、ファン３１１、３２１による強制対流を必要とせずに、冷却する面または庫から受ける熱、及び／または周囲環境へ排出する熱のために十分であることが好ましい。ある実施形態では、ＴＥＣ３２０は全て、待機状態モード３６０ではＱCOPmaxで動作してもよい。待機状態モード３６０の間、ブロック３６７を参照して示されるようにＱCOPmax＞Ｑleakである場合、冷却庫３０２の温度はその後低下し続ける。このケースでは、コントローラー３０６は、ブロック３６８を参照して示されるように、起動したＴＥＣ３２０のデューティサイクルを減少してもよい。逆に、ブロック３６９を参照して示されるようにＱCOPmax＜Ｑleakである場合、冷却庫３０２の温度はその後上昇し続ける。このケースでは、コントローラー３０６は起動するＴＥＣ３２０の数を増加してもよく、ブロック３７０を参照して示されるように、起動するＴＥＣ３２０に供給する電流をＩCOPmaxとＩmax間の値に調整してもよい。この文脈において、Ｑleakは冷却庫３０２のドアシールを通り抜ける熱や、冷却庫３０２を取り囲む壁を通る熱伝導、などといった冷却庫３０２内へ漏れ入る熱の量を参照する。
【００６８】
上記に記述のように、コントローラー３０６は、１つまたは複数の第二温度センサー３５５（ＴAmbに対応する）及び第三温度センサー３５６（（ＴRに対応する）からの温度データに基づき、熱電冷却または冷凍システム３００が過温度モード３６２にあるかどうかを判断する。過温度モード３６２は、例えば周囲温度状態が通常の範囲を超える時、及び／または冷却庫３０２が適切なクールダウンをしない時（例えば冷却庫３０２のドアが閉まっていない場合）に発生し得るといったように、高温（排出）側熱交換器３１４上の温度が所定の最大許容温度を超える時に検知される。ブロック３７１を参照して、過温度モード３６２が検知された時、ＴＥＣ３２０を損傷から保護するために高温（排出）側熱交換器３１４の排出側温度を減少するよう、外部ファン３２１（複数可）が高温（排出）側ヒートシンク３１５から周囲環境への熱輸送を向上するよう起動される。ブロック３７２を参照して、外部ファン３２１（複数可）の動作が高温（排出）側熱交換器３１４（及びＴＥＣ３２０の高温側）における温度を減少するために不十分である場合、コントローラー３０６はその後、冷却を促進するＴＥＣ３２０のいくつかまたは全てへ流れる電流を止めるかまたは削減することにより、または損傷を防ぐためにＴＥＣ３２０に供給される電流を削減することにより、高温（排出）側熱交換器３１４の温度を低下してもよい。例えば、全てのＴＥＣ３２０がＱCOPmaxまたはＱmaxで動作する場合、コントローラー３０６は１つまたは複数のＴＥＣ３２０、または好ましくは全てのＴＥＣ３２０の動作を停止してもよい。他の実施例では、ＴＥＣ３２０における２つのサブセットがＱmaxで動作する場合、コントローラー３０６はその後、ＴＥＣ３２０における他のサブセットだけがＱmaxで動作し、冷却庫３０２からの熱除去を促進するように、ＴＥＣにおける１つのサブセットの動作を停止してもよい。他の実施例では、ＴＥＣ３２０における１つのサブセットがＱCOPmax，で動作する場合、コントローラー３０６はＴＥＣ３２０における起動したサブセットの動作を停止してもよく、その後、熱電カートリッジ３１２に害を与えることなく冷却庫３０２の温度を設定点温度のできるだけ近くで維持できるよう、前に動作停止したＴＥＣ３２０のセットを起動してもよい。コントローラー３０６は、高温（排出）側熱交換器３１４の温度が最大許容温度を超えたことの判断に応じて、任意の数の起動したＴＥＣ３２０の動作を停止してもよく、任意の数の動作停止したＴＥＣ３２０を起動してもよいことに留意するべきである。
【００６９】
上記に記載されるように、高温（排出）側熱交換器３１４の温度が最大許容温度を超えたことをコントローラー３０６が判断した場合、コントローラー３０６はいくつかまたは全てのＴＥＣ３２０の動作の停止に追加的に、または代替的に、いくつかまたは全ての動作するＴＥＣ３２０に供給される電流を削減してもよい。この機能性をさらに説明して、全てのＴＥＣ３２０がＱCOPmaxまたはＱmaxで動作する場合、コントローラー３０６はＴＥＣ３２０のそれぞれに供給される電流量を低下してもよい。例えば、全てのＴＥＣ３２０がＱmaxで動作する場合、コントローラー３０６は、Ｉmaxから、ＩCOPmaxとＩmax間にある値まで電流を削減してもよい。さらに、全てのＴＥＣ３２０がＱCOPmaxまたはＱmaxで動作する場合、コントローラー３０６は、高温（排出）側熱交換器３１４の温度を削減するためにいくつかのＴＥＣ３２０に供給される電流を削減だけしてもよい。さらなる実施形態では、コントローラー３０６はさらに、いくつかのＴＥＣ３２０の動作を停止してもよく、高温（排出）側熱交換器３１４の温度が所定の最大許容温度を超えた場合にまだ動作しているいくつかまたは全てのＴＥＣ３２０への電流を一斉に低下してもよい。
【００７０】
復帰モード３６３にある時、コントローラー３０６は動作するＴＥＣ３２０をＱCOPmaxでの動作からＱmaxでの動作へと切り替え、ブロック３７３に示されるように、さらにファン３１１と３２１を起動する。待機状態動作中、冷却庫３０２内の温度が短時間内に設定点温度を超えて著しく上昇したことを示す温度データをコントローラー３０６が温度センサー３５４から受け取った時に、復帰モード３６３は発生する。具体的には、冷却庫３０２内の温度が、温度の待機状態範囲の上限（例えば設定点温度プラス望ましい待機状態範囲の上限を定義するいくつかの所定の値）を超えて上昇した時、熱電冷却または冷凍システム３００は復帰モード３６３へと入ってもよい。そういった動作は、待機状態に達するまで維持されるのが好ましい。
【００７１】
図８に説明される、異なるモード３５８、３６０、３６２、３６３のための制御ブロック３６６〜３７３は単なる実施例であることは留意されるべきである。コントローラー３０６がＴＥＣ３２０及びファン３１１、３２１を各モード３５８、３６０、３６２、３６３で制御する方法は、特定の実装によって変わる場合がある。一般に、上記に記述されるように、プルダウンモード３５８または復帰モード３６３のどちらかにある時に冷却庫３０２の温度を低下するために、コントローラー３０６はＴＥＣ３２０を制御し、ファン３１１、３２１は起動される。実行されるこれらの動作における正確な方法は変わる場合がある。例えば、最小プルダウンまたは復帰時間である性能プロファイルが望まれる場合、コントローラー３０６は１００％のデューティサイクル（常時起動）と共に全てのＴＥＣ３２０をＱmaxで起動でき、一方でファン３１１、３２１は起動される。逆に、プルダウンまたは復帰時間と効率との間のトレードオフが望まれる場合、コントローラー３０６は例えば、１００％のデューティサイクル（常時起動）と共に全てのＴＥＣ３２０をＱCOPmaxで、またはＱCOPmaxとＱmax間のいずれかにおいて起動できる。他の実施例では、１つまたは複数のファン３１１、３２１の速度は段階的に、または実質上連続的に調整されてもよく、または同様に、ファン３１１、３２１はコントローラー３０６から受け取った信号に従って連続的に動作されてもよい。ファン３１１、３２１における動作の調整は、様々なＴＥＣ３２０における動作の調整の代わりに、または追加的に実行されてもよい。待機状態モード３６０にある時、コントローラー３０６は一般に、設定点温度を効果的に維持するよう動作する。例えば、コントローラー３０６は、負荷に基づいて所望の数のＴＥＣ３２０（例えば全てのＴＥＣ３２０または全てのＴＥＣ３２０より少ない数）をＱCOPmaxで動作できる。この所定の数のＴＥＣ３２０は、ＱCOPmaxで、またはＱCOPmaxの近くで動作することで設定点温度を維持するために必要な数のＴＥＣ３２０である。待機状態モード３６０中に全てのＴＥＣ３２０が必要でない場合、不必要なＴＥＣ３２０の動作は停止される。コントローラー３０６は、例えば、起動したＴＥＣ３２０がＱCOPmaxをわずかに超えて動作するように、起動したＴＥＣ３２０の入力電流をわずかに増加または低下することで、または、Ｑleakを補うために起動したＴＥＣ３２０のデューティサイクルを増加または低下することで、設定点温度を正確に維持するよう、起動したＴＥＣ３２０の動作を微調整できる。
【００７２】
ある実施形態では、本明細書に記述のような熱電冷凍システムにおける１つまたは複数の強制対流ユニット（例えばファン）は、設定点温度及び周囲環境の温度を考慮したコントローラーによって動作されてもよい。一般に、周囲温度が上昇する時、及び／または非常に低い設定点温度が選択された時、望ましい設定点が安全な排出温度（すなわちＴＥＣを過熱することなく）で維持できるよう、１つまたは複数の強制対流ユニットの動作はより望ましい状態になる。図９は、熱電冷凍システムがファンアシストモード（強制対流を用いる）及び受動モード（強制対流を用いない）で動作し得る状態の１つの実施例を説明する水平棒グラフである。各水平棒は、設定点及び周囲温度の範囲を説明し、熱電冷凍システムの適切な動作のために、設定点温度は周囲温度以下であることがわかる。本明細書に開示されるような熱電冷凍システムが、受動熱排出のみ（例えば適切なヒートシンクと併せて熱サイフォンまたはヒートパイプを用いること）で望ましい設定点温度に安全に達することができるので、図９の最も低い２つの水平棒は、周囲温度が２１℃以下である時または２５℃以下である時、及び設定点温度が５℃以上である時にはファンアシスト（すなわち強制対流）は不要であることを説明する。しかしながら周囲温度が上昇する時は状況は変化する。図９の３つめに高い水平棒は、周囲温度が３２℃以下である時、及び設定点温度が１２℃以上である時にはファンアシスト（例えば強制対流）が不要であることを説明するが、設定点温度が５℃から１２℃の範囲内にあり、周囲温度が３２℃以下である時、ファンアシスト（強制対流）は必要となる場合がある。図９の一番高い水平棒はさらに、周囲温度が３８℃以下である時、及び設定点温度が１８℃以上である時、ファンアシスト（例えば強制対流）が不要であることを説明するが、設定点温度が８℃から１８℃の範囲内にあり、周囲温度が３８℃以下である時、ファンアシスト（強制対流）は必要となる場合がある。図９は熱電冷凍システムがファンアシストモード（強制対流を用いる）及び受動モード（強制対流を用いない）で動作し得る時の状態における代表的実施例を単に表しているに過ぎず、その他の状態は強制対流が採用される場合を指示するために用いられてもよいことに留意するべきである。
【００７３】
先行の議論と一致して、ある実施形態では、設定点温度または複数のエレメントを含む庫または面における設定点範囲を維持するために配置される熱輸送システムは、少なくとも１つの熱交換器と、少なくとも１つの熱交換器と熱的連動関係にある熱輸送流体が入った、流体を含む導管と、少なくとも１つの熱交換器に関連する対流熱輸送を向上するために選択的に動作可能な少なくとも１つの強制対流ユニットと、コントローラーと、を含む。熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）、及び庫または面の温度（ｉｉ）をのうち少なくとも１つを示す温度データを受信するためと、庫または面の温度が設定点温度または設定点温度範囲を含む待機状態の温度範囲を超えた状態（ａ）、及び周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を超えた状態（ｂ）のうち少なくとも１つを示す状態の検知をもって少なくとも１つの強制対流ユニットを起動するためと、庫または面の温度が待機状態温度範囲内にある状態（Ｉ）、及び周囲環境の温度が周囲環境限界温度かまたは周囲環境限界温度範囲以下の状態（ＩＩ）のうち少なくとも１つを示す状態の検知をもって少なくとも１つの強制対流ユニットの動作を停止するために、コントローラーは配置される。ある実施形態では、少なくとも１つの強制対流ユニットは、１つまたは複数のファンと、ブロワ―と、排出装置と、好ましく電気的に動作され得る他の通気誘導要素と、を含んでもよい。
【００７４】
先行のパラグラフにおける熱輸送システムに関して、ある実施形態では、少なくとも１つの熱交換器と、流体導管と、熱輸送流体が、周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を超えない時、待機状態動作中に強制対流ユニットの動作なしで庫または面の設定点温度または設定点温度範囲を維持するために配置される。ある実施形態では、熱輸送流体は、流体導管内に液相及び気相を含み、熱輸送流体は流体導管内の受動流のために配置される。ある実施形態では、流体導管は、流体の受動流を促進する熱サイフォンまたはヒートパイプを含んでもよい。ある実施形態では、熱輸送流体は液体を含んでもよく、熱輸送システムは、ポンプまたは流体導管内の熱輸送流体の流れに動機付けするか流れを増加するために配置された他の流体圧縮要素を含んでもよい。ある実施形態では、少なくとも１つの熱交換器は、周囲環境にさらされた排出熱交換器を含み、少なくとも１つの強制対流ユニットは、排出熱交換器から周囲環境への熱消散を向上するために配置される。ある実施形態では、排出熱交換器は、複数のフィンを含み、流体導管は複数のフィンと対流熱的連動関係にある。
【００７５】
先行の２つのパラグラフにおける熱輸送システムの参照を続けて、ある実施形態では、熱輸送システムは、流体導管からの熱を受け、排出熱交換器へ熱を輸送するために配置された少なくとも１つの熱電ヒートポンプを含んでもよく、少なくとも１つの熱電ヒートポンプは庫または面の温度に応じて動作する。ある実施形態では、少なくとも１つの熱電ヒートポンプは、複数の熱電ヒートポンプを含み、コントローラーは複数の熱電ヒートポンプの少なくとも２つの熱電ヒートポンプを個別に制御するために配置される。ある実施形態では、少なくとも１つの熱交換器は、庫または面と流体導管の間に配置された受入熱交換器を含み、少なくとも１つの強制対流ユニットは、庫または面から受入熱交換器への熱輸送を向上するために配置される。ある実施形態では、周囲環境の温度が周囲環境限界温度範囲の周囲環境限界温度を超えるということを示す状態は、少なくとも１つの熱交換器の温度を検知することで検出される。
【００７６】
本開示のある実施形態は、少なくとも１つの熱交換器と熱的連動関係にある熱輸送システムと共に、庫または面の設定点温度または設定点温度範囲を維持するための熱輸送システムと、少なくとも１つの熱交換器に関連する対流熱輸送を向上するために選択的に動作可能な少なくとも１つの強制対流ユニットを制御する方法に関する。そういった方法は、熱輸送システムを含む周囲環境の温度（ｉ）、及び庫または面の温度（ｉｉ）のうち少なくとも１つを示す温度データを受信することと、庫または面の温度が設定点温度または設定点温度範囲を含む待機状態の温度範囲を超えた状態（ａ）、及び周囲環境の温度が周囲環境限界温度または周囲環境限界温度範囲を超えた状態（ｂ）の少なくとも１つのうち、少なくとも１つを示す状態の検知をもって少なくとも１つの強制対流ユニットを起動することと、及び、庫または面の温度が待機状態温度範囲内にある状態（Ｉ）、及び周囲環境の温度が周囲環境限界温度かまたは周囲環境限界温度範囲以下の状態（ＩＩ）のうち少なくとも１つを示す状態の検知をもって少なくとも１つの強制対流ユニットの動作を停止すること、などといった複数のステップを含む。ある実施形態では、熱輸送流体は液体を含み、この方法はさらに、流体導管内で熱輸送流体を汲み出すためにポンプ（または他の流体圧縮要素）を用いることを含む。ある実施形態では、少なくとも１つの熱交換器は、周囲環境にさらされた排出熱交換器を含み、少なくとも１つの強制対流ユニットは排出熱交換器から周囲環境への熱消散を向上するよう配置され、熱輸送システムは流体導管から熱を受け排出熱交換器へ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの熱電ヒートポンプを含み、この方法はさらに庫または面の温度に応じて少なくとも１つの強制対流ユニットを選択的に制御することを含む。ある実施形態では、少なくとも１つの熱交換器は、庫または面と流体導管の間に配置された受入熱交換器を含み、少なくとも１つの強制対流ユニットは庫または面から受入熱交換器への熱輸送を向上するよう配置され、熱輸送システムは受入熱交換器から熱を受けるよう配置された少なくとも１つの熱電ヒートポンプを含み、この方法はさらに庫または面の温度に応じて少なくとも１つの強制対流ユニットを選択的に制御することを含む。
【００７７】
本開示の追加的態様は、メイン及びクロスオーバー輸送管を介して第一及び第二排出熱交換器へとそれぞれが連結された第一及び第二排出ヒートシンクを含む排出熱輸送装置を対象とする。より詳細には、複数の排出ヒートシンクは、メイン及びクロスオーバー排出輸送管を介して複数の熱交換器と共に熱的連動関係において配置され、各熱交換器は複数のフィンを有し、それぞれが少なくとも１つの異なる熱電ヒートポンプに連結する。全ての排出ヒートシンクは、熱電ヒートポンプが個別に動作するか一緒に動作するかにかかわらず、各熱電ヒートポンプからの熱を消散するために配置される。第一及び第二ヒートシンクを含む実施形態では、両方のヒートシンクは、第一、第二または第一及び第二ヒートポンプが動作中であるかどうかにかかわらず、第一及び第二熱電ヒートポンプからの熱を消散するために配置される。個別の熱交換器（それぞれが専用の熱電冷却器を有する）に特化した排出ヒートシンクの利用と比較すると、複数の排出ヒートシンクに関連するさらに大きな表面積は熱輸送を向上し、動作中の熱電ヒートポンプ（複数可）における温度低下につながる。
【００７８】
本開示に従う熱輸送装置の１つの実施形態は図１１〜１２に説明され、一方で図１０は図１１〜１２の装置と比較するための基盤を供給する独立した第一及び第二熱輸送装置（それぞれがヒートシンクと、熱交換パッドと、熱輸送導管と、を含む）を説明する。図１１〜１２の熱輸送装置及び図１０の独立装置を議論する前に、そういった要素のための文脈は以下に簡単に説明される。
【００７９】
従来の冷凍システムは、高い使用量／プルダウン（エネルギー効率を超えた高電力入力及び高熱輸送能力に重点を置く）と、待機状態（エネルギー効率にさらなる重点を置いた低電力入力を含む）の２つの一次設計モードを有する。熱電冷凍システムにおいて、高い使用量／プルダウン状態における高熱輸送の要件と、待機状態における高い効率の要件に合うことは、２つの分離したヒートポンプ（それぞれが複数のＴＥＣを含む）を供給するのにどちらかといえば都合がよく、１つの熱電ヒートポンプは待機状態中に用いられ、両方の熱電ヒートポンプは高熱輸送状態中に用いられる。そういった伝統的な設計において、各熱電ヒートポンプは、異なる熱電ヒートポンプに関連する熱消散コンポーネント間に熱的連動関係を持つことなく熱を排出するための、各自専用の熱消散コンポーネント（例えばヒートシンク（複数可））を有する。
【００８０】
図１０は、独立した第一及び第二熱輸送装置４１５、４１５’を説明する。第一熱輸送装置４１５は、第一熱電冷却エレメント（図示せず）の高温側から熱を受けるために配置され得る第一熱交換パッド４１４と、複数のフィン列４１７Ａ、４１７Ｂを統合する第一シートシンクと、第一熱交換パッド４１４から第一ヒートシンク（すなわちフィン列４１７Ａ、４１７Ｂ）へ熱を輸送するよう配置された熱輸送管４１６Ａ〜４１６Ｄと、を含む。第二熱輸送装置４１５’は、第二熱電冷却エレメント（図示せず）の高温側から熱を受けるために配置された第二熱交換パッド４１４’と、複数のフィン列４１７Ａ’、４１７Ｂ’を統合する第二シートシンクと、第二熱交換パッド４１４’から第二ヒートシンク（すなわちフィン列４１７Ａ’、４１７Ｂ’）へ熱を輸送するよう配置された熱輸送管４１６Ａ’〜４１６Ｄ’と、を含む。第二熱輸送装置４１５‘のいかなるコンポーネントと対流熱的連動関係にある第一熱輸送装置４１５のコンポーネントは存在しない。第一及び第二熱輸送装置４１５と４１５’が第一及び第二熱電ヒートポンプ（図示せず）から熱を受けるよう配置される時、個々に、第一及び第二ヒートポンプは活性化され、各ヒートシンクの温度は等しく同じであり、温度差は、上部から底部の位置に応じて一般には０．５℃〜１．０℃の範囲内である。しかしながら、熱電ヒートポンプが１つだけ活性化される時、ヒートシンク間の温度差は、異なる熱電ヒートポンプに関連して５℃〜７℃まで、またはそれ以上まで上昇する。図１０の設計における他の欠点は、熱交換パッド４１４と４１４’が望ましいものとはかけ離れているということである。
【００８１】
図１１及び１２は、本開示の１つの実施形態に従う熱輸送装置５１５を説明する。熱輸送装置５１５は、熱電冷却または冷凍システムの第一及び第二熱電ヒートポンプ（図示せず）の高温側から個々に熱を受けるよう配置され得る第一及び第二熱交換パッド５１４−１〜５１４−２を含む。第一（上部）ヒートシンクは、メイン熱輸送管５１６−１Ａから５１６−１Ｄを介して第一熱交換パッド５１４−１に連結され、クロスオーバー熱輸送管５１８−２Ａ、５１８−２Ｂを介して第二熱交換パッド５１４−２に同様に連結される、複数のフィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂを含む。第二（下部）ヒートシンクは、メイン熱輸送管５１６−２Ａから５１６−２Ｄを介して第二熱交換パッド５１４−２に連結され、クロスオーバー熱輸送管５１８−１Ａ、５１８−２Ｂを介して第一熱交換パッド５１４−１に同様に連結される、複数のフィン列５１７−２Ａ、５１７−２Ｂを含む。先行のフィンは好ましくは水平方向に置かれる。各熱輸送管は好ましくは熱輸送流体を含み、受動熱輸送（例えばヒートパイプまたは熱サイフォンに統合されるような）のために配置されてもよい。図１２に示されるように、上部フィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂの各フィンは、それぞれの列内で他のフィンから横方向にオフセットされ、それぞれのフィンの間で空気が側方運動または側方移動できるように、水平方向に置かれたフィンの面を通じて伸びる複数の穴及び貫通孔５２２−１を含み、平らな底部５１９−１と、平らな側部と、丸み部５２３−１及び角部５２４−１を含む通常弓形の上部と、を含む修正済みの通常長方形型をしている。図１２にさらに示されるように、下部フィン列５１７−２Ａ、５１７−２Ｂの各フィンは、それぞれの列の他のフィンから横方向にオフセットされ、それぞれのフィンの間で空気が側方運動または側方移動できるように、水平方向に置かれたフィンの面を通じて伸びる複数の穴及び貫通孔５２２−２を含み、平らな底部５１９−１と、平らな側部と、平らな上部５２５−２と、を含む通常長方形型をしている。図１１及び１２に説明されるように、通常垂直方向に伸びる中央の窪みまたは谷間は、ファンまたは他の強制対流ユニット（図１５及び１６に説明されるような）がそれぞれの列と第一及び第二熱交換パッド５１４−１、５１４−２に最も近いところの間に配置できるよう、上部フィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂの列と、下部フィン列５１７−２Ａ、５１７−２Ｂの列の間に供給される。
【００８２】
図１１及び１２における熱輸送装置５１５は、熱電ヒートポンプが個別に動作するか一緒に動作するかどうかにかかわらず、全ての排出ヒートシンク（列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂ、５１７−２Ａ、５１７−２Ｂを含む）が、第一及び第二熱交換パッド５１４−１、５１４−２と熱的連動関係にある各熱電ヒートポンプ（図示せず）から熱を消散できるようにする。図１０に従う熱輸送装置４１５、４１５’の利用と比較した時、第一及び第二熱交換パッド５１４−１、５１４−２の両方と熱的連動関係にある複数の排出ヒートシンクに関連するより大きな表面積は、熱消散を向上し、結果的に、動作中、とりわけ単一の熱電ヒートポンプだけが動作する時の状態において、熱電ヒートポンプを低温にする。出願人によって行われた実験において、図１１及び１２に従う熱輸送装置５１５は、図１０に従う２つの熱輸送装置４１４、４１４’の利用と比較して、おおよそ１８％の効率向上を供給することを示した。
【００８３】
先行の議論と一致して、ある実施形態では、設定点温度を維持するよう配置された熱輸送装置は、庫からの熱を受けるよう配置された第一熱電ヒートポンプと対流熱的連動関係にある第一排出熱交換器と、庫からの熱を受けるよう配置された第二熱電ヒートポンプと底流熱的連動関係にある第二排出熱交換器と、複数の第一フィンを備える第一排出ヒートシンクと、複数の第二フィンを備える第二排出ヒートシンクと、複数の排出輸送管と、を含み、複数の排出輸送管は、第一排出熱交換器から第一排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第一メイン排出輸送管と、第一排出熱交換器から第二排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第一クロスオーバー排出輸送管と、第二排出熱交換器から第二排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第二メイン排出輸送管と、第二排出熱交換器から第一排出ヒートシンクへ熱を輸送するよう配置された少なくとも１つの第二クロスオーバー排出輸送管と、を含む。
【００８４】
先行パラグラフにおける熱輸送装置の参照を続けて、ある実施形態では、複数の排出輸送管の各排出輸送管は熱サイフォンまたはヒートパイプを備える。ある実施形態では、この装置はさらに、庫の温度を示す温度データを受けるよう、かつ温度データに応じて第一熱電ヒートポンプ及び第二熱電ヒートポンプを選択的に制御するよう、配置されたコントローラーを含む。ある実施形態では、この装置はさらに、第一排出ヒートシンク及び第二排出ヒートシンクの少なくとも１つに関連する対流熱輸送を向上するよう選択的に動作可能である、少なくとも１つの強制対流ユニットを含む。ある実施形態では、複数の第一フィン及び複数の第二フィンはそれぞれ、１つの列内に配置され、それぞれの列内で他のフィンと関連して横方向にオフセットされ、複数の排出輸送管の複数の排出輸送管と対流熱的連動関係にある、水平方向に置かれたフィンを備える。ある実施形態では、水平方向に置かれたフィンは、水平に置かれたフィンと向かい合って定義された複数の開口部を含む。ある実施形態では、第一熱電ヒートポンプは、複数の第一熱電冷却エレメントを含み、第二熱電ヒートポンプは、複数の第二熱電冷却エレメントを含む。追加的実施形態は、熱輸送装置を含む熱電冷却または冷凍システムを対象とする。
【００８５】
図１３は、熱交換ブロック６１０と、熱交換ブロック６１０に連結する第一及び第二受入ループ６０８、６０９と、本開示の１つの実施形態に従う（図１５及び１６に描写される熱電冷凍ユニットに用いられ得るような）内部連結線６０１と、を含む熱受入装置６００を説明する。図１４は、熱交換ブロック６１０（アルミニウム、銅、または他の適切な金属で形成される）の内部要素を説明する。熱交換ブロック６１０は、掘削または他の適切な空洞形成方法や、縦型流体ポート６１１それぞれの終点６１２で冠型部分を生み出すことで形成される４つの縦型流体ポート６１１を含む。第一及び第二受入ループ６０８、６０９のそれぞれの端部は、４つの縦型流体ポート６１１によって受けられる。終端部６１２の近くで、内部連結ポート６１３は縦型流体ポート６１１を通って縦方向に伸び、掘削または他の適切な空洞形成方法をもって形成されてもよい。内部連結線６０１は、内部連結ポート６１３に連結され、熱輸送流体を受入ループ６０８、６０９へ追加させる（またはそこから取り除かせる）接続具６０２Ａ、６０２Ｂによって反対端で終結する。各受入ループ６０８、６０９は、熱輸送流体の受動輸送のために好ましく配置され、熱サイフォンまたはヒートパイプを統合してもよい。ある実施形態では、第一受入ループ６０８は冷却庫の側面に沿って配置されてもよく、第二受入ループ６０９は、冷却庫の背面に沿って配置されてもよい。
【００８６】
図１５は、熱電冷凍ユニットの斜視組立図であり、図１６は、以下の部品による熱電冷凍ユニット７００を説明する。冷却庫７０２は、内壁７０３及びドア７０４に囲まれる。外壁７０１は、好ましくは内壁７０３と外壁７０１の間に配置される断熱材（図示せず）と共に内壁７０３を取り囲む。外壁７０１は、脚部またはキャスター７９０によって下から支えられる箱またはキャビネットの形状をしていてもよい。冷却庫７０２から熱を受けるために、受入ループ７０８−１、７０９−１は、内壁７０３の上部側面及び上部背面に沿って配置され、受入ループ７０８−２、７０９−２は、内壁７０３の下部側面及び下部背面に沿って配置されてもよい。各受入ループ７０８−１、７０９−１、７０８−２、７０９−２は、熱輸送流体の受動輸送のために好ましく配置されてもよい（例えば熱サイフォンまたはヒートパイプを統合してもよい）。上部受入ループ７０８−１、７０９−１は、本明細書に記述されるようにカートリッジ内に配置され得る複数のＴＥＣを含む第一熱電ヒートポンプ７１２−１と熱的連動関係で配置される（例えば押し付けられている）上部熱交換ブロック（図示せず）に連結される。同様に、下部受入ループ７０８−２、７０９−２は、本明細書に記述されるようにカートリッジ内に配置され得る複数のＴＥＣを含む第二熱電ヒートポンプ７１２−２と熱的連動関係で配置される下部熱交換ブロック（図示せず）に連結される。熱電ヒートポンプ７１２−１、７１２−２は、背面７７１の絶縁部７７２に沿って配置されてもよい。熱輸送装置５１５（図１１及び１２に説明されるような）は、第一熱電ヒートポンプ７１２−１と熱的連動関係で配置される（例えば押し付けられている）第一熱交換パッド５１４−１及び第二熱電ヒートポンプ７１２−２と熱的連動関係で配置される第二熱交換パッド５１４−２と共に、背面７７１の絶縁部７７２に沿って配置されてもよい。第一及び第二ファン７２１−１、７２１−２は、中央の窪みまたは谷間（熱輸送装置５１５における左と右のフィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂ、５１７−２Ａ、５１７−２Ｂの間に通常垂直方向に伸びる）の中に配置されてもよい。カバー７３５は、熱輸送装置５１５及びファン７２１−１、７２１−２の上に配置されてもよい。カバー７３５は、穴の開いた外装パネル部７４０Ａ、７４０Ｂ及びフィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂ、５１７−２Ａ、５１７−２Ｂに隣接するよう配置される側壁７３９Ａ、７３９Ｂを含む。中央パネル部７３６は、ファン７２１−１、７２１−２と中間壁部７３８−１の頂部及び底部の上に適合するよう配置された開口部７３８−１、７３８−２を含む。貫通孔７４１Ａ、７４１Ｂは、中間壁部７３７と側壁７３９Ａ、７３９Ｂの間にあるカバー７３５の頂部及び底部に沿って、上部フィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂのフィンの上面と、下部フィン列５１７−２Ａ、５１７−２Ｂのフィンの底面を露出するよう設置される。
【００８７】
熱電冷凍ユニット７００のファン７２１−１、７２１−２のための最適な構成を決定するために、実験は行われた（２５℃の環境下において、ファンへの入力電力２．４Ｗ（０．１５Ａ１２Ｖ）で熱電ヒートポンプへの総入力電力が〜３５Ｗ）。個別のファンが、風を吹き込んだり吹き出したりする様々な組み合わせが実験された。最終的に、両方のファンが外側に（熱電ヒートポンプから離れて）風を送るよう構成することが、あらゆる他の構成よりも優れた結果を生み出し、最も低い頂部温度、底部温度、平均的な高温側熱電ヒートポンプの表面温度を供給する。
【００８８】
図１５及び図１６の熱電冷凍ユニット７００における動作時に、熱電ヒートポンプ７１２−１、７１２−２は活性化され、それにより冷却庫７０２からの熱を受ける受入ループ７０８−１、７０９−１、７０８−２、７０９−２を冷却する。受入ループ７０８−１、７０９−１、７０８−２、７０９−２によって受けた熱は熱電ヒートポンプ７１２−１、７１２−２へ輸送され、熱輸送装置５１５で受けられ、周囲環境へ消散する（フィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂ、５１７−２Ａ、５１７−２Ｂによって）。ファン７２１−１、７２１−２は、必要に応じて（プルダウン／復帰中または異常な高周囲温度状態など）対流熱輸送を向上するよう、フィン列５１７−１Ａ、５１７−１Ｂ、５１７−２Ａ、５１７−２Ｂにわたって空気を吸い込むために活性化（本明細書に以前記述のように）されてもよいが、ファン７２１−１、７２１−２は、受動熱輸送が冷却庫７０２内の望ましい設定点温度を維持するのに好ましく十分である時、待機状態中には消勢してもよい。
【００８９】
当業者は、本開示の好ましい実施形態への改善と修正を理解するであろう。全てのそういった改善と修正は、本明細書に開示される概念の範囲及び以下の特許請求の範囲内にあると見なされる。本明細書に開示される様々な特徴及び要素のいずれも、本明細書に反しない限り、１つまたは複数の他に開示された特徴及び要素と組み合わされてもよい。
【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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