发明名称 具有动态切换以隔离热传输机构之热电冷却
摘要 使用与脉冲式电源以及到吸热器(cold sink)之选择性致能热耦合有关的热电元件动力学,以供次周围温度冷却(sub- ambient cooling)之用的装置及方法。在一种型式中,使用电源之脉冲来动态致能"帕耳帖"装置(peltier devices);而在帕耳帖装置之冷端与吸热器之间的热路径则被选择性切换,在两个传导状态之间呈现相对同步,以对帕耳帖装置温度动力学作回应。藉着解耦合(decoupling)焦耳热(Joule heating)和用不同方法从帕耳帖装置中传送的诸多传导性热传递损耗(heat transfer losses),在吸热器与帕耳帖装置之间的热连接之交换式耦合会大幅改善效率。较佳建构例会利用MEMS(微机电系统)来达成选择性热切换,因而藉由多重帕耳帖装置及MEMS开关的并联操作来增加次周围温度冷却容量。
申请公布号 TW421984 申请公布日期 2001.02.11
申请号 TW087111865 申请日期 1998.07.21
申请人 万国商业机器公司 发明人 尤塔夏玛林杜多夏尔
分类号 H05K7/20 主分类号 H05K7/20
代理机构 代理人 陈长文 台北巿敦化北路二○一号七楼
主权项 1.一种热电冷却装置,包括:第一标称温度的第一散热器;第二标称温度的第二散热器,第二温度相对大于第一温度;连续耦合到第二散热器之一热电元件;用来将热电元件之一热耦合选择性切换到第一散热器的装置;以及用来选择性切换在热电元件两端之一电压的装置。2.根据申请专利范围第1项所述的装置,其中第二散热器是由第一和第二电隔离部份所组成。3.根据申请专利范围第1项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置和用来选择性切换一电压的装置都可用功能性同步方式操作。4.根据申请专利范围第2项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置和用来选择性切换一电压的装置都可用功能性同步方式操作。5.根据申请专利范围第3项所述的装置,其中热电元件为一帕耳帖装置。6.根据申请专利范围第4项所述的装置,其中热电元件为一帕耳帖装置。7.根据申请专利范围第1项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。8.根据申请专利范围第2项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。9.根据申请专利范围第3项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。10.根据申请专利范围第4项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。11.根据申请专利范围第5项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。12.根据申请专利范围第6项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。13.根据申请专利范围第3项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。14.根据申请专利范围第4项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。15.根据申请专利范围第5项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。16.根据申请专利范围第6项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。17.根据申请专利范围第9项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。18.根据申请专利范围第10项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。19.根据申请专利范围第11项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。20.根据申请专利范围第12项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。21.根据申请专利范围第2项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。22.根据申请专利范围第4项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。23.根据申请专利范围第6项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。24.根据申请专利范围第8项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。25.根据申请专利范围第10项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。26.根据申请专利范围第12项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。27.根据申请专利范围第14项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。28.根据申请专利范围第16项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。29.根据申请专利范围第18项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。30.根据申请专利范围第20项所述的装置,其中藉由用来选择性切换一电压的装置,将第一和第二电隔离部份耦合到一电源供应器。31.一种热电冷却装置,包括:第一标称温度的第一散热器;第二标称温度的第二散热器,第二温度相对大于第一温度;第二标称温度的第三散热器,以电方式将第三散热器和第二散热器隔离;热耦合到第二散热器的第一热电元件;热耦合到第三散热器的第二热电元件;用来将第一和第二热电元件之一热耦合选择性切换到第一散热器的装置;以及用来选择性切换在第一和第二热电元件两端之一电压的装置。32.根据申请专利范围第31项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置和用来选择性切换一电压的装置都可用功能性同步方式操作。33.根据申请专利范围第31项所述的装置,其中第一和第二热电元件都是帕耳帖装置。34.根据申请专利范围第33项所述的装置,其中第一和第二热电元件都是相反的杂质型式。35.根据申请专利范围第31项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。36.根据申请专利范围第32项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。37.根据申请专利范围第33项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。38.根据申请专利范围第34项所述的装置,其中用来选择性切换一热耦合的装置为一微机电系统(MEMS)装置。39.根据申请专利范围第31项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。40.根据申请专利范围第32项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。41.根据申请专利范围第33项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。42.根据申请专利范围第34项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。43.根据申请专利范围第35项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。44.根据申请专利范围第36项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。45.根据申请专利范围第37项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。46.根据申请专利范围第38项所述的装置,其中用来选择性切换一电压的装置之工作循环与用来选择性切换一热耦合的装置之工作循环相似。47.一种可以在周围空气中操作的热电冷却装置,包括:用来驱散在高于周围温度之一温度下之热能的第一散热器装置;用来吸收在低于周围温度之一温度下之热能的第二散热器装置;耦合到第一散热器并耦合到第二散热器以传输其间热能之第一热电元件;用来选择性切换在第一热电元件与第二散热器之间的耦合之热导的装置;以及用来选择性致能第一热电元件的装置,它与用来切换热导的装置呈现相对功能性同步。48.根据申请专利范围第47项所述的装置,其中用来选择性切换的装置为一微机电系统(MEMS)装置。49.根据申请专利范围第48项所述的装置,其中用来致能的装置之工作循环相对小于用来选择性切换的装置之工作循环。50.根据申请专利范围第47项所述的装置,其中第一散热器装置由第一和第二电隔离部份所组成。51.根据申请专利范围第50项所述的装置,还包括第二热电元件,第一热电元件被耦合到第一散热器装置的第一部份,而第二热电元件则被耦合到第一散热器装置的第二部份,并且第二热电元件也会耦合到用来选择性切换的装置。52.根据申请专利范围第51项所述的装置,其中用来选择性效能的装置会切换在第一散热器之第一和第二部份两端上所连接之上电源供应器。53.根据申请专利范围第52项所述的装置,其中用来选择性效能的装置会切换在第一散热器之第一和第二部份两端上所连接之一电源供应器。54.根据申请专利范围第53项所述的装置,其中用来选择性致能的装置会切换在第一散热器之第一和第二部份两端上所连接之一电源供应器。55.根据申请专利范围第47项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。56.根据申请专利范围第48项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。57.根据申请专利范围第49项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。58.根据申请专利范围第50项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。59.根据申请专利范围第51项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。60.根据申请专利范围第52项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。61.根据申请专利范围第53项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。62.根据申请专利范围第54项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种食物冷冻系统。63.根据申请专利范围第47项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicle occupant)冷却系统。64.根据申请专利范围第48项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicle occupant)冷却系统。65.根据申请专利范围第49项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicleoccupant)冷却系统。66.根据申请专利范围第50项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicleoccupant)冷却系统。67.根据申请专利范围第51项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicleoccupant)冷却系统。68.根据申请专利范围第52项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicleoccupant)冷却系统。69.根据申请专利范围第53项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicleoccupant)冷却系统。70.根据申请专利范围第54项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种车辆占有者(vehicleoccupant)冷却系统。71.根据申请专利范围第47项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。72.根据申请专利范围第48项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。73.根据申请专利范围第49项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。74.根据申请专利范围第50项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。75.根据申请专利范围第51项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。76.根据申请专利范围第52项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。77.根据申请专利范围第53项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。78.根据申请专利范围第54项所述的装置,其中热能之驱散是进入周围空气中,而热能之吸收则是来自一种电子积体电路装置。79.一种用来操作一热电冷却装置的方法,该装置具有:可以在第一标称温度下操作的第一散热器,可以在相对大于第一标称温度的第二标称温度下操作的第二散热器,以及耦合到第二散热器之一热电元件,该方法包括以下步骤:经由一连续耦合,将热能从热电元件传送到第二散热器;选择性切换在热电元件与第一散热器之间的热能传输;以及选择性致能在热电元件两端之一电压。80.根据申请专利范围第79项所述的方法,其中选择性切换和选择性致能一电压的步骤都可用功能性同步方式未达成。81.根据申请专利范围第79项所述的方法,其中选择性切换的步骤是利用一种微机电系统(MEMS)装置来达成的。82.根据申请专利范围第80项所述的方法,其中选择性切换的步骤是利用一种微机电系统(MEMS)装置来达成的。83.根据申请专利范围第80项所述的方法,其中选择性致能一电压的步骤之工作循环与选择性切换的步骤之工作循环相似。84.根据申请专利范围第82项所述的方法,其中选择性致能一电压的步骤之工作循环与选择性切换的步骤之工作循环相似。85.一种用来操作一热电冷却装置的方法,该装置具有:可以在第一标称温度下操作的第一散热器;可以在相对大于第一标称温度的第二标称温度下操作的第二散热器;可以在第二标称温度下操作的第三散热器,它和第二散热器呈现电隔离;热耦合到第二散热器之一热电元件;以及热耦合到第三散热器的第二热电元件,该方法包括以下步骤:经由一连续耦合,将热能从第一热电元件传送到第二散热器;经由一连续耦合,将热能从第二热电元件传送到第三散热器;选择性切换在第一和第二热电元件与第一散热器之间的热能传输;以及选择性致能在第一和第二热电元件两端之一电压。86.根据申请专利范围第85项所述的方法,其中选择性切换和选择性致能一电压的步骤都可用功能性同步方式来达成。87.根据申请专利范围第86项所述的方法,其中选择性切换的步骤是利用一微机电系统(MEMS)装置来达成的。88.根据申请专利范围第87项所述的方法,其中选择性效能一电压的步骤之工作循环与选择性切换的步骤之工作循环相似。89.一种用来操作一热电冷却装置的方法,该装置具有:用来驱散在高于周围温度之一温度下之热能的第一散热器,用来吸收在低于周围温度之一温度下之热能的第二散热器,以及耦合在第一与第二散热器间之一热电元件,以便传送其间的热能,该方法包括以下步骤:经由一连续耦合,将热能从热电元件传送到第一散热器;选择性切换在热电元件与第二散热器之间的耦合之热导;以及选择性致能热电元件与热导之选择性切换呈现相对功能性同步。90.根据申请专利范围第89项所述的方法,其中选择性致能的步骤包括在热电元件两端之一电压的切换。91.根据申请专利范围第90项所述的方法,其中选择性切换热导的步骤是利用一种微机电系统(MEMS)装置来达成的。92.根据申请专利范围第91项所述的方法,其中选择性切换一电压的步骤之工作循环与选择性切换热导的步骤之工作循环相似。图式简单说明:第一图概略地绘示:一种传统式可静态操作的帕耳帖装置冷却系统。第二图概略地绘示:本发明的一种单开关,单热电元件实施例。第三图概略地绘示:本发明的一种单热开关,双热电元件实施例。第四图概略地绘示:电源以及由第三图中的实施例传输之热能的相对时序图。第五图概略地绘示:在第三图中的单热开关组态的一种闭回路建构例。第六图概略地绘示:一种微机电系统(microelectromechanical systems,简称MEMS)装置。第七图以概略横截面图方式绘示:诸多MEMS装置及帕耳帖式热电元件的阵列。第八图概略地绘示:可能被用来次周围温度冷却积体电路和电子模组的一种热电冷却器。第九图概略地绘示:将本发明扩充使用于一种食物冷冻系统。第十图概略地绘示:当应利用各种住宅和运输工具时,本发明的诸多可能应用和利益。第十一图概略地绘示:应用一种小型热电冷却器,以便局部冷却积体电路晶片之一被选择部份。
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