(57)【要約】熱電デバイスのマルチモードの動作のためのソリッドステートのスイッチアーキテクチャ、及び、そのようなデバイスの動作方法が、本明細書に提供される。スイッチアーキテクチャは、１つまたは複数の電源から電力を受領するように動作可能である１つまたは複数の入力を含んでいる。スイッチアーキテクチャは、熱電デバイスのそれぞれのチャンネルに電力を供給するように動作可能である複数の出力をも含んでいる。スイッチアーキテクチャは、熱電デバイスのマルチモードの動作を提供するために、１つまたは複数の入力を出力に接続するように動作可能である複数のソリッドステートのスイッチと、ソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能であるコントローラと、をも含んでいる。これにより、熱電デバイスは、小型化して、スイッチアーキテクチャの信頼性を向上させつつ、より効率的な方法で動作され得る。さらに、このことは、標準的で安価な電源を使用することを可能にし得る。それにより、コストを著しく低減し、信頼性を向上させる結果をもたらし得る。
2020510807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電デバイスのマルチモードの動作のためのスイッチアーキテクチャであって、
１つまたは複数の電源から電力を受領するように動作可能である１つまたは複数の入力と、
前記熱電デバイスのそれぞれの複数のチャンネルに電力を供給するように動作可能である複数の出力と、
前記１つまたは複数の入力を前記複数の出力に接続するように動作可能である複数のソリッドステートのスイッチと、
前記熱電デバイスのマルチモードの動作を提供するように、前記複数のソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能であるコントローラと、を備えている、前記スイッチアーキテクチャ。
【請求項２】
前記コントローラが、少なくとも前記複数の出力のサブセットに、直列に、電力を提供するように、前記複数のソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である、請求項１に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項３】
前記コントローラが、少なくとも前記複数の出力のサブセットに、並列に、電力を提供するように、前記複数のソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である、請求項１または請求項２に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項４】
前記コントローラが、前記熱電デバイスの、高能力モードの動作を提供するために、少なくとも前記複数の出力のサブセットに、電力を供給するように、前記複数のソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項５】
前記コントローラが、前記熱電デバイスによって冷却されている領域の温度が、温度設定点を含む定常状態の範囲を超えた際に、前記熱電デバイスの動作の前記高能力モードを提供するように動作可能である、請求項４に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項６】
前記コントローラが、前記熱電デバイスの、高効率モードの動作を提供するために、少なくとも前記複数の出力のサブセットに、電力を供給するように、前記複数のソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項７】
前記コントローラが、前記熱電デバイスによって冷却されている前記領域の前記温度が、前記温度設定点を含む前記定常状態の範囲内にある際に、前記熱電デバイスの動作の前記高効率モードを提供するように動作可能である、請求項６に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項８】
前記熱電デバイスが複数の熱電クーラを備えており、前記熱電デバイスの前記複数のチャンネルが、前記複数の熱電クーラの複数の異なるサブセットの選択的な制御を可能にする相互接続ボード上に配置されている、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項９】
カートリッジが、前記スイッチアーキテクチャ及び前記熱電デバイスを備えている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項１０】
前記複数のソリッドステートのスイッチの各々が、トランジスタである、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項１１】
前記複数のソリッドステートのスイッチの各々が、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタである、請求項１０に記載のスイッチアーキテクチャ。
【請求項１２】
熱電デバイスのマルチモードの動作のためのスイッチアーキテクチャの動作方法であって、
前記熱電デバイスの第１の動作モードを決定することと、
前記熱電デバイスの前記第１の動作モードを提供するように、複数のソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることと、を含む、前記動作方法。
【請求項１３】
前記第１の動作モードとは異なる、前記熱電デバイスの第２の動作モードを決定することと、
前記熱電デバイスの前記第２の動作モードを提供するように、前記複数のソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることと、をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることが、少なくとも複数の出力のサブセットに、直列に、電力を供給するように、前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることを含んでいる、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることが、少なくとも複数の出力のサブセットに、並列に、電力を供給するように、前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることを含んでいる、請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることが、前記熱電デバイスの動作の高能力モードを提供するように、少なくとも前記複数の出力のサブセットに、電力を供給するように、前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることを含んでいる、請求項１２から請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の動作モードまたは前記第２の動作モードを決定することが、前記熱電デバイスによって冷却されている領域の温度が、温度設定点を含む定常状態の範囲を超えた際に、前記熱電デバイスの動作の前記高能力モードを決定することを含んでいる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることが、前記熱電デバイスの動作の高効率モードを提供するように、前記複数のソリッドステートのスイッチの前記１つまたは複数を切り替えることを含んでいる、請求項１２から請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の動作モードまたは前記第２の動作モードを決定することが、前記熱電デバイスによって冷却されている前記領域の前記温度が、前記温度設定ポイントを含む前記定常状態の範囲内にある時を決定することを含んでいる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数のソリッドステートのスイッチの各々が、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタである、請求項１２から請求項１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
[技術分野]
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年３月１０日に出願された、仮特許出願第６２／４７０，００３号の利益を主張する。その開示は、本明細書により、参照することにより、その全体が、本明細書に組み込まれる。
開示の分野
本開示は、熱電デバイス及びその動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電デバイスは、特定の用途に応じて熱電クーラ（ＴＥＣ）または熱電発電機（ＴＥＧ）となり得る、ソリッドステートの半導体デバイスである。ＴＥＣは、ペルチェ効果を利用して、デバイスの一方側から他方側へ熱を伝導し、それによりデバイスの低温側で冷却効果を生じる、ソリッドステートの半導体デバイスである。熱伝導の方向は印加される電圧の極性によって決定されることから、熱電デバイスは、一般的に温度コントローラとして使用することができる。同様に、ＴＥＧは、ゼーベック効果を利用して、熱（すなわち、デバイスの一方側から他方側への温度差）を電気エネルギに直接変換する、ソリッドステートの半導体デバイスである。熱電デバイスは、少なくとも１つのＮタイプのレッグと、少なくとも１つのＰタイプのレッグとを含む。Ｎタイプのレッグ及びＰタイプのレッグは、熱電材料（すなわち、十分に強力な熱電特性を有する半導体材料）で形成されている。熱電冷却を生じさせるために、電流が、熱電デバイスに印加される。Ｎタイプのレッグ及びＰタイプのレッグにおける電流の移動方向は、熱電デバイス内での熱の移動方向に対応する。結果として、熱電デバイスの頂部表面において冷却が生じ、熱電デバイスの底部表面において熱が放出される。
【０００３】
熱電デバイスを使用する熱電システムが、非熱電システムに比べて有利である。その理由は、熱電システムには移動する機械部品がなく、耐用年数が長く、また、小型で柔軟な形状とすることができるためである。しかし、性能が向上し、耐用年数が延びた熱電デバイスに関する要求が依然として存在する。
【発明の概要】
【０００４】
熱電デバイスのマルチモードの動作のためのソリッドステートのスイッチアーキテクチャ、及び、そのようなデバイスの動作方法が、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、熱電デバイスのマルチモードの動作のためのスイッチアーキテクチャは、１つまたは複数の電源からの電力を受領するように動作可能である、１つまたは複数の入力を含んでいる。スイッチアーキテクチャは、熱電デバイスのそれぞれのチャンネルに電力を供給するように動作可能である複数の出力をも含んでいる。スイッチアーキテクチャは、熱電デバイスのマルチモードの動作を提供するために、１つまたは複数の入力を出力に接続するように動作可能である複数のソリッドステートのスイッチと、ソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能であるコントローラと、を含んでいる。このようにして、熱電デバイスは、小型化して、スイッチアーキテクチャの信頼性を向上させつつ、より効率的な方法で動作することができる。さらに、このことは、標準の安価な電力供給源を使用することを可能にし得る。それにより、コストを著しく低減し、信頼性を向上させる結果をもたらし得る。
【０００５】
いくつかの実施形態では、コントローラは、少なくとも出力のサブセットに、直列に、電力を供給するようにソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である。いくつかの実施形態では、コントローラは、少なくとも出力のサブセットに、並列に、電力を供給するようにソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である。
【０００６】
いくつかの実施形態では、コントローラは、熱電デバイスの動作の高能力モードを提供するように、少なくとも出力のサブセットに、電力を供給するようにソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である。いくつかの実施形態では、コントローラは、熱電デバイスによって冷却されている領域の温度が、温度設定点を含む定常状態の範囲を超えた際に、熱電デバイスの動作の高能力モードを提供するように動作可能である。
【０００７】
いくつかの実施形態では、コントローラは、熱電デバイスの動作の高効率モードを提供するように、少なくとも出力のサブセットに、電力を供給するようにソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である。いくつかの実施形態では、コントローラは、熱電デバイスによって冷却されている領域の温度が、温度設定点を含む定常状態の範囲内にある際に、熱電デバイスの動作の高効率モードを提供するように動作可能である。
【０００８】
いくつかの実施形態では、熱電デバイスは、複数の熱電クーラを含んでおり、熱電デバイスのチャンネルは、熱電クーラの複数の異なるサブセットを選択的に制御することを可能にする、相互接続ボード上に配置されている。
【０００９】
いくつかの実施形態では、カートリッジは、スイッチアーキテクチャと熱電デバイスとを含んでいる。
いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの各々は、トランジスタである。いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの各々は、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。
【００１０】
いくつかの実施形態では、熱電デバイスのマルチモードの動作のためのスイッチアーキテクチャの動作方法は、熱電デバイスの第１の動作モードを決定することと、熱電デバイスの第１の動作モードを提供するように、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることと、を含んでいる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、本方法は、第１の動作モードとは異なる、熱電デバイスの第２の動作モードを決定することと、熱電デバイスの第２の動作モードを提供するように、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることと、をも含んでいる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることは、少なくとも出力のサブセットに、直列に、電力を供給するように、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることを含んでいる。いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることが、少なくとも出力のサブセットに、並列に、電力を供給するように、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることを含んでいる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることは、熱電デバイスの動作の高能力モードを提供するように、少なくとも出力のサブセットに、電力を供給するように、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることを含んでいる。いくつかの実施形態では、第１の動作モードまたは第２の動作モードを決定することは、熱電デバイスによって冷却されている領域の温度が、温度設定点を含む定常状態の範囲を超えた際に、熱電デバイスの動作の高能力モードを決定することを含んでいる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることが、熱電デバイスの動作の高効率モードを提供するように、ソリッドステートのスイッチの１つまたは複数を切り替えることを含んでいる。いくつかの実施形態では、第１の動作モードまたは第２の動作モードを判定することは、熱電デバイスによって冷却されている領域の温度が、温度設定ポイントを含む定常状態の範囲内にある時を決定することを含んでいる。
【００１５】
当業者は、添付図面に関連付けて、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、本開示の範囲を理解し、本開示のさらなる態様を認識するであろう。
本明細書に組み込まれるとともに、本明細書の一部を形成する添付図面は、本開示のいくつかの態様を示し、また、記載とともに、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本開示のいくつかの実施形態に係る、冷却チャンバと、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少なくとも１つの熱電モジュール（ＴＥＭ）を含む熱交換器と、ＴＥＭを制御するコントローラとを有する電熱冷却システムの図である。
【図２】ＡからＣは、デバイスの複数のチャンネルを並列に駆動するためのアーキテクチャを示す図である。
【図３】ＡからＣは、デバイスの複数のチャンネルを直列に駆動するためのアーキテクチャを示す図である。
【図４】本明細書に開示のいくつかの実施形態に係る、熱電デバイスのマルチモードの動作のためのソリッドステートのスイッチアーキテクチャを示す図である。
【図５Ａ】本明細書に開示にいくつかの実施形態に係る、デバイスの複数のチャンネルを並列に動作させるための、図４のソリッドステートのスイッチアーキテクチャの構成を示す図である。
【図５Ｂ】本明細書に開示にいくつかの実施形態に係る、デバイスの複数のチャンネルを直列に動作させるための、図４のソリッドステートのスイッチアーキテクチャの構成を示す図である。
【図６】本明細書に開示のいくつかの実施形態に係る、図４の熱電デバイスのマルチモードの動作のためのソリッドステートのスイッチアーキテクチャを動作させるためのプロセスを示す図である。
【図７】本明細書に開示にいくつかの実施形態に係る、ＴＥＣのアレイの、複数の異なるＴＥＣのサブセットを選択的に制御することを可能にする相互接続ボード上に配置された、複数のチャンネルに複数のＴＥＣを含むデバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に説明される実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にするのに必要な情報を示すとともに、実施形態を実施する最良の形態を示す。添付図面に照らして以下の詳細な説明を読むことで、当業者は、本開示の概念を理解し、本明細書で特に述べられていないそれら概念の適用例を認識するであろう。これらの概念及び適用例は、本開示及び添付図面の範囲内にあることを理解されたい。
【００１８】
第１、第２などの用語が本明細書において、様々な要素を記載するために使用される場合があるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるものではないことを理解されたい。これらの用語は、もっぱら、１つの要素を別のものから区別するために使用される。たとえば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素は、第２の要素と称することができ、また、同様に、第２の要素は、第１の要素と称することができる。本明細書で使用される場合、「及び／または」という用語は、関連する列挙された項目の１つまたは複数の、いずれかまたはすべての組合せを含む。
【００１９】
「〜の下」、または「〜の上」、または「上の」、または「下の」、または「水平の」、または「垂直の」などの相対語は、本明細書において、図に示す１つの要素、層、または領域の、別の要素、層、または領域に対する関係を記載するために使用され得る。これらの用語及び上述の用語は、図に示す向きに加え、デバイスの異なる向きを包含することが意図されていることを理解されたい。
【００２０】
本明細書に使用される用語は、特定の実施形態を記載することのみを目的として使用されるものであり、本開示を限定することが意図されるものではない。本明細書に使用される場合、単数の形態「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が別様に明確に示していない限り、複数の形態も含むことが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合、述べられた特徴、完全体、ステップ、操作、要素、及び／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／またはそれらの集合の存在または追加を除外しないことを、さらに理解されたい。
【００２１】
別様に規定されていない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本開示が属する分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に使用される用語は、本明細書の文脈及び関連技術におけるその用語の意味に合う意味を有するものと解釈されるものとし、完全なものとされるか、過度に形式的な意味では解釈されることは、本明細書においてそのように明確に規定されていない限りはないことをさらに理解されたい。
【００２２】
特定の実施形態を論じる前に、そのような実施形態が使用され得る、例示的システムを論じる。図１は、本開示のいくつかの実施形態に係る、冷却チャンバ１２と、低温側ヒートシンク２０と高温側ヒートシンク１８との間に配置された、少なくとも１つの熱電モジュール（ＴＥＭ）２２（本明細書では、単一のＴＥＭ２２として、または、複数のＴＥＭ２２として参照される）を含む熱交換器１４と、ＴＥＭ２２を制御するコントローラ１６とを有する熱電冷却システム１０の図である。ＴＥＭ２２が冷却のために使用される場合、ＴＥＭ２２は、時には、熱電クーラ（ＴＥＣ）２２と称される場合がある。
【００２３】
ＴＥＭ２２は、好ましくは薄いフィルムのデバイスである。１つまたは複数のＴＥＭ２２がコントローラ１６によって作動される場合、作動されるＴＥＭ２２は、高温側ヒートシンク１８を加熱するとともに、低温側ヒートシンク２０を冷却するように作動し、それにより、冷却チャンバ１２から熱を抽出するように、熱伝導を促す。より具体的には、本開示のいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数のＴＥＭ２２が作動する場合、高温側ヒートシンク１８は加熱され、それにより、蒸発器を形成し、低温側ヒートシンク２０は冷却され、それにより、凝縮器を形成する。
【００２４】
凝縮器としで作動して、低温側ヒートシンク２０は、低温側ヒートシンク２０に結合された受領ループ２４を介して、冷却チャンバ１２からの熱の抽出を促進する。受領ループ２４は、熱電冷却システム１０の内壁２６に熱的に結合されている。内壁２６は、冷却チャンバ１２を規定している。一実施形態では、受領ループ２４は、内壁２６に組み込まれているか、内壁２６の表面上に直接組み込まれている。受領ループ２４は、冷却媒体（たとえば、２相冷却液）が受領ループ２４を通って流れるか通過することを可能にする、任意のタイプの配管によって形成されている。受領ループ２４と内壁２６との熱的な結合に起因して、冷却媒体は、冷却媒体が受領ループ２４を通って流れる際に、冷却チャンバ１２から熱を抽出する。受領ループ２４は、たとえば、銅のチューブ、プラスチックのチューブ、ステンレス鋼のチューブ、アルミニウムのチューブなどで形成され得る。
【００２５】
蒸発器としで作動して、高温側ヒートシンク１８は、高温側ヒートシンク１８に結合された排出ループ２８を介して、冷却チャンバ１２の外部の環境への熱の排出を促進する。排出ループ２８は、熱電冷却システム１０の外壁３０、または外層に熱的に結合されている。
【００２６】
冷却チャンバ１２から熱を除去するための熱的プロセスまたは機械的プロセスは、さらには論じられない。さらに、図１に示す熱電冷却システム１０は、ＴＥＭ２２の使用及び制御の特定の実施形態に過ぎないことに留意されたい。本明細書に論じられるすべての実施形態は、熱電冷却システム１０、及び、ＴＥＭ２２の任意の他の用途に適用されるものとして理解されるものとする。
【００２７】
引き続き、図１に示す例示的実施形態において、コントローラ１６は、冷却チャンバ１２内の所望の温度設定点を維持するために、ＴＥＭ２２を制御するように動作する。概して、コントローラ１６は、所望の温度設定点を維持するために、ＴＥＭ２２を選択的に作動／停止するように、ＴＥＭ２２に提供される電力量を選択的に制御するように、及び／または、ＴＥＭ２２のデューティサイクルを選択的に制御するように動作する。さらに、好ましい実施形態では、コントローラ１６は、ＴＥＭ２２のサブセットの１つまたは複数、及び、いくつかの実施形態では、ＴＥＭ２２の２つ以上のサブセットを、別々に、または個別に制御することが可能にされており、ここで、各サブセットは、１つまたは複数の異なるＴＥＭ２２を含む。したがって、一実施例として、４つのＴＥＭ２２が存在する場合、コントローラ１６は、第１の個別のＴＥＭ２２、第２の個別のＴＥＭ２２、及び、２つのＴＥＭ２２の集合を別々に制御することを可能にされ得る。この方法により、コントローラ１６は、たとえば、必要性によって決定されるように、１つ、２つ、３つ、または４つのＴＥＭ２２を個別に、最大の効率で、選択的に作動させることができる。
【００２８】
熱電冷却システム１０は例示的な実施態様に過ぎず、本明細書に開示のシステム及び方法は、熱電デバイスの他の用途にも適用可能であることに留意されたい。
熱電デバイスを使用する熱電システムは、非熱電システムに比べて有利である。その理由は、熱電システムには機械的可動部がなく、耐用年数が長く、また、小型で柔軟な形状とすることができるためである。しかし、性能が向上し、耐用年数が延びた熱電デバイスに関する要請が依然として存在する。
【００２９】
図２ＡからＣは、デバイスの複数のチャンネルを並列に駆動するためのアーキテクチャを示す図である。交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）の、オフライン電源３２が、ＤＣ−ＤＣ変換器３４に電力を出力する。ＤＣ−ＤＣ変換器３４は、次いで、デバイス３６に電力を供給する。図示のように、デバイス３６は、並列に電力が与えられる２つのチャンネルを含んでいる。このＤＣ−ＤＣ変換器３４は、大型であるか、高額である場合がある。図２Ａは、ＤＣ−ＤＣ変換器３４が、デバイス３６に電力を供給するために可変ＤＣ電圧を提供することができる実施例を示している。このタイプの可変性は、効率化のための調整に高い費用かかり得、また困難であり得る。図２Ｂ及びＣは、所望の量の電力をデバイス３６に供給するために使用されるパルス幅変調（ＰＷＭ）の実施例を示している。ＰＷＭは、通常は、いくらかの高い値と、いくらかの低い（たとえば、ゼロの）値との間で切り替わることから、デバイス３６の実際の効率は、供給される電力の平均の量ではなく、その高い値と低い値とによって決定される。これにより、電力レベルの効率が低くなり、また、オフの間、熱が漏洩して戻ることに繋がり得る。
【００３０】
図３ＡからＣは、デバイスの複数のチャンネルを直列に駆動するためのアーキテクチャを示す図である。ここでも、ＡＣまたはＤＣの、オフライン電源３２が、ＤＣ−ＤＣ変換器３４に電力を出力する。ＤＣ−ＤＣ変換器３４は、次いで、デバイス３６に電力を供給する。図示のように、デバイス３６は、直列に給電される２つのチャンネルを含んでいる。ここでも、このＤＣ−ＤＣ変換器３４は、大型であるか、高額である場合がある。図３Ａは、ＤＣ−ＤＣ変換器３４が、デバイス３６に電力を供給するために可変ＤＣ電圧を提供することができる実施例を示している。このタイプの可変性は、高額であるとともに、効率化のための調整に高い費用かかり得、また困難であり得る。図３Ｂ及Ｃは、所望の量の電力をデバイス３６に供給するために使用されるＰＷＭの実施例を示している。ここでも、ＰＷＭは、通常は、いくらかの高い値と、いくらかの低い（たとえば、ゼロの）値との間で切り替わることから、デバイス３６の実際の効率は、供給される電力の平均の量ではなく、その高い値と低い値とによって決定される。これにより、電力レベルの効率が低くなり、また、オフの間、熱が漏洩して戻ることに繋がり得る。
【００３１】
冷却用途での熱電デバイスは、ＤＣ電圧を使用して動作する。ヒートポンプの作用を変化させるために、このＤＣ電圧レベルを、増大させるか、減少させるか、ＰＷＭする。電圧レベルを変化させるには、関連する電力レギュレータの制御ループにアクセスする（潜在的に不安定化または複雑化させ得る）か、バルク電圧のための二次的なＤＣ−ＤＣレギュレータ（複数可）を追加する必要がある。ＰＷＭは、最大の性能係数（ＣＯＰ）と、その動作曲線の最大のＱポイントとの両方において、熱電デバイスを動作させることはできない（この理由は、デバイスの性能が、デバイスに印加される瞬間電圧に依存するためである）。
【００３２】
熱電デバイスのマルチモードの動作のためのソリッドステートのスイッチアーキテクチャ、及び、そのようなデバイスの動作方法が、本明細書に提供される。図４は、本明細書に開示のいくつかの実施形態に係る、熱電デバイス４０のマルチモードの動作のためのソリッドステートのスイッチアーキテクチャ３８を示す図である。図示のように、熱電デバイス４０のマルチモードの動作のためのスイッチアーキテクチャ３８は、１つまたは複数の電源４２から電力を受領するように動作可能である、１つまたは複数の入力を含んでいる。スイッチアーキテクチャ３８は、熱電デバイス４０のそれぞれのチャンネルに電力を供給するように動作可能である複数の出力をも含んでいる。
【００３３】
スイッチアーキテクチャ３８は、熱電デバイス４０のマルチモードの動作を提供するために、１つまたは複数の入力を出力に接続するように動作可能である複数のソリッドステートのスイッチ４４と、ソリッドステートのスイッチ４４−１から４４−Ｎ（簡略化のために、これらは、しばしば、複数のスイッチ４４、またはスイッチ４４と称される）を切り替えるように動作可能であるコントローラ４６と、をも含んでいる。このようにして、熱電デバイス４０は、小型化して、スイッチアーキテクチャ３８の信頼性を向上させつつ、より効率的な方法で動作され得る。さらに、このことは、標準的で安価な電源４２を使用することを可能にし得る。それにより、コストを著しく低減し、信頼性を向上させる結果をもたらし得る。
【００３４】
いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの各々は、トランジスタである。いくつかの実施形態では、ソリッドステートのスイッチの各々は、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。
【００３５】
いくつかの実施形態では、（以下に記載のような）関連する熱電ヒートポンプデバイスと組み合わせられた、提案されているソリッドステートの電子回路アーキテクチャにより、最大のＣＯＰと、最大のＱのモードとの両方で、電源４２によって提供されるバルク電圧レベルを変化させる必要なしに、デバイスを動作させることが可能になる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、コントローラ４６は、少なくとも出力のサブセットに、並列に、電力を供給するようにソリッドステートのスイッチを切り替えるように動作可能である。図５Ａは、本明細書に開示のいくつかの実施形態に係る、熱電デバイス４０の複数のチャンネルを並列に動作させるための、図４のソリッドステートのスイッチアーキテクチャ３８の構成を示す図である。この実施例では、スイッチ４４−１及びスイッチ４４−Ｎが閉じており、これらスイッチを通して電流が流れることを可能にしている。逆に、スイッチ４４−２及びスイッチ４４−３が開いており、これらスイッチを通して電流が流れることを妨げている。これにより、熱電デバイス４０のチャンネル１とチャンネルＮとの両方を並列に接続している。この実施例では、これにより、最大の電流がチャンネルの各々に提供され、熱電デバイス４０の動作の高能力モードであるように構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラ４６は、熱電デバイス４０によって冷却されている領域の温度が、温度設定点を含む定常状態の範囲を超えた際に、熱電デバイス４０の動作の高能力モードを提供するように動作可能である。
【００３７】
いくつかの実施形態では、コントローラ４６は、少なくとも出力のサブセットに、直列に、電力を供給するようにソリッドステートのスイッチ４４を切り替えるように動作可能である。図５Ｂは、本明細書に開示にいくつかの実施形態に係る、デバイスの複数のチャンネルを直列に動作させるための、図４のソリッドステートのスイッチアーキテクチャの構成を示す図である。この実施例では、スイッチ４４−２及びスイッチ４４−３が閉じており、これらスイッチを通して電流が流れることを可能にしている。逆に、スイッチ４４−１及びスイッチ４４−４が開いており、これらスイッチを通して電流が流れることを妨げている。これにより、熱電デバイス４０のチャンネル１とチャンネルＮとの両方を直列に接続している。この実施例では、これにより、最小の電流がチャンネルの各々に提供され、熱電デバイス４０の動作の高効率モードであるように構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラは、熱電デバイスによって冷却されている領域の温度が、温度設定点を含む定常状態の範囲内にある際に、熱電デバイスの動作の高効率モードを提供するように動作可能である。
【００３８】
２つのチャンネルのみが示されているが、本明細書に開示の実施形態は、これに限定されない。たとえば、任意の数のチャンネルが存在し得、また、いくつかのチャネルを直列に接続しながら、他のものを並列に接続することができる。これにより、熱電デバイス４０の多くの異なる動作モードを可能にし得る。
【００３９】
図６は、本明細書に開示のいくつかの実施形態に係る、図４の熱電デバイス４０のマルチモードの動作のためのソリッドステートのスイッチアーキテクチャ３８を動作させるためのプロセスを示す図である。第１に、コントローラ４６は、熱電デバイス４０の第１の（または次の）動作モードを決定する（ステップ１００）。次いで、コントローラ４６は、熱電デバイス４０の第１の（または次の）動作モードを提供するように、１つまたは複数のソリッドステートのスイッチ４４を切り替える（ステップ１０２）。図６に示すように、このプロセスは、次いで、コントローラ４６が、熱電デバイス４０の次の（または第２の）動作モードを決定する際に、繰り返すことができる。いくつかの実施形態では、熱電デバイス４０のこれら動作モードは、「ＣＡＲＴＲＩＤＧＥ  ＦＯＲ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＯＤＵＬＥＳ」と題する、米国特許公開第２０１３／０２９１５６０号に論じられる任意のモードとすることができる。この文献は、参照することにより、その全体が、本明細書に組み込まれる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、熱電デバイス４０は、複数の熱電クーラを含んでおり、熱電デバイスのチャンネルは、熱電クーラの複数の異なるサブセットを選択的に制御することを可能にする、相互接続ボード上に配置されている。
【００４１】
図７は、本明細書に開示にいくつかの実施形態に係る、ＴＥＣのアレイの、複数の異なるＴＥＣのサブセットを選択的に制御することを可能にする相互接続ボード上に配置された、複数のチャンネルに複数のＴＥＣを含むデバイスを示す図である。図７の実施形態では、カートリッジ４８は、相互接続ボード５２上に配置されたＴＥＣ５０ａから５０ｆ（より概略的には、集合的に複数のＴＥＣ５０として、また、個別にＴＥＣ５０として、本明細書で参照される）を含んでいる。ＴＥＣ５０は、薄いフィルムのデバイスである。薄いフィルムのＴＥＣのいくつかの非限定的な実施例が、ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＯＤＵＬＥ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮと題する、米国特許第８，２１６，８７１号に開示されている。この文献は、本明細書により、参照することにより、その全体が、本明細書に組み込まれる。
【００４２】
相互接続ボード５２は、ＴＥＣ５０ａから５０ｆの、４つのサブセットを規定する、導電性チャンネル５４ａから５４ｄ（より概略的には、集合的に複数のチャンネル５４として、また、個別にチャンネル５４として、本明細書で参照される）を含んでいる。具体的には、ＴＥＣ５０ａ及び５０ｂは、チャンネル５４ａを介して互いに直列に電気接続されており、したがって、ＴＥＣ５０の第１のサブセットを形成している。同様に、ＴＥＣ５０ｃ及び５０ｄは、チャンネル５４ｂを介して互いに直列に電気接続されており、したがって、ＴＥＣ５０の第２のサブセットを形成している。ＴＥＣ５０ｅは、チャンネル５４ｄに接続されており、したがって、ＴＥＣ５０の第３のサブセットを形成している。また、ＴＥＣ５０ｆは、チャンネル５４ｃに接続されており、したがって、ＴＥＣ５０の第４のサブセットを形成している。コントローラ４６は、特定の順番なしで、チャンネル５４ａに印加される電流を制御することにより、ＴＥＣ５０の第１のサブセット（すなわち、ＴＥＣ５０ａ及び５０ｂ）を選択的に制御することができ、チャンネル５４ｂに印加される電流を制御することにより、ＴＥＣ５０の第２のサブセット（すなわち、ＴＥＣ５０ｃ及び５０ｄ）を選択的に制御することができ、チャンネル５４ｄに印加される電流を制御することにより、ＴＥＣ５０の第３のサブセット（すなわち、ＴＥＣ５０ｅ）を選択的に制御することができ、チャンネル５４ｃに印加される電流を制御することにより、ＴＥＣ５０の第４のサブセット（すなわち、ＴＥＣ５０ｆ）を選択的に制御することができる。こうして、実施例として、ＴＥＣ５０ａ及び５０ｂを使用すると、コントローラ４６は、チャンネル５４ａから電流を除去する（停止させる）か、チャンネル５４ａに電流を印加する（作動させる）ことにより、ＴＥＣ５０ａ及び５０ｂを選択的に作動／停止させることができ、ＴＥＣ５０ａと５０ｂとが動作している間にチャンネル５４ａに印加される電流を選択的に増大または減少させることができ、及び／または、チャンネル５４ａに印加される電流を制御することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、相互接続ボード５２は、ＴＥＣ５０ａから５０ｆの底部表面を露出させる、開口５６ａ及び５６ｂ（より概略的には、集合的に複数の開口５６として、また、個別に開口５６として、本明細書で参照される）を含んでいる。高温側ヒートシンクと低温側ヒートシンクとの間に配置される場合、開口５６ａ及び５６ｂは、ＴＥＣ５０ａから５０ｆの底部表面が、適切なヒートシンクに熱的に結合することを可能にする。
【００４４】
本開示の実施形態によれば、動作の間、コントローラ４６は、対応するチャンネル５４ａから５４ｄに電流を印加するか、それから電流を除去することにより、ＴＥＣ５０のサブセットの任意の組合せを選択的に作動または停止させることができる。さらに、コントローラ４６は、対応するチャンネル５４ａから５４ｄに提供される電流の量を制御することにより、作動しているＴＥＣ５０の動作点を制御することができる。たとえば、ＴＥＣ５０の第１のサブセットのみが、定常状態の動作の間、作動され、ＱＣＯＰｍａｘで作動することになる場合、コントローラ４６は、電流ＩＣＯＰｍａｘをチャンネル５４ａに提供し、それにより、ＴＥＣ５０ａ及び５０ｂを作動させ、ＴＥＣ５０ａ及び５０ｂをＱＣＯＰｍａｘで作動させ、他方のチャンネル５４ｂから５４ｄから電流を除去し、それにより、他方のＴＥＣ５０ｃから５０ｆを停止する。
【００４５】
図７を参照して示した実施形態では、カートリッジ４８は、ＴＥＣ５０ａから５０ｆを含んでいる。本開示の実施形態によれば、カートリッジ４８は、任意の数のＴＥＣ５０を含み得る。
【００４６】
いくつかの実施形態では、カートリッジ４８は、スイッチアーキテクチャ３８と熱電デバイス４０（たとえば、ＴＥＣ５０）とを含んでいる。これにより、カートリッジ４８が、複雑ではなく、かつ安価とすることができる、標準の電源４２で使用することができる。さらに、スイッチアーキテクチャ３８がソリッドステートであることから、カートリッジ４８に含むことが、カートリッジのサイズまたは耐久性に大きく影響することはないであろう。
【００４７】
当業者は、本開示の好ましい実施形態に対する改良及び変更を認識するであろう。そのような改良及び変更のすべては、本明細書に開示の概念、及び、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるものと見なされる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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