用于流体的开关热电冷却的方法和设备 【技术领域】
本发明通常涉及冷却系统的领域。更具体地， 本发明涉及高效的流体冷却系统及 其操作方法。背景技术
在商业上可获得各种类型的冷却系统。 这些冷却系统的实例包括， 但不限于， 蒸气 压缩系统和热电冷却系统。传统的蒸气压缩系统使用用于冷却目的的氟氯烃 (CFC) 制冷 剂 ( 例如氟利昂 )、 氢氟氯烃 (HCFC) 制冷剂 ( 例如 R134)、 或氢氟烃 (HFC) 制冷剂 ( 例如 R410)。然而， CFC 制冷剂的使用已经逐渐停止， 因为它们对环境有威胁。当暴露于大气时， CFC 制冷剂导致臭氧层的损耗。 这是对环境的主要威胁， 因为没有臭氧层会增加地球上的紫 外线辐射量， 而这可能影响人类和动物的健康。此外， 这些制冷剂 (CFC、 HCFC 和 HFC) 通过 吸收红外线辐射而推进全球变暖。事实上， 它们吸收红外线辐射的量大约是二氧化碳所吸 收的 1000 至 2000 倍。除了对环境造成潜在的威胁以外， 使用这些制冷剂的蒸气压缩系统 笨重、 产生噪音， 且在使用时会产生振动。
热电冷却系统可靠、 重量轻， 且是传统的蒸气压缩系统的环境友好的替代物。 传统 的热电冷却系统使用与直流电源结合的一个或多个热电偶。当断开这些热电冷却系统时， 热量流过热电偶， 从而将冷却室加热至环境温度。结果， 为了将冷却室保持在期望的温度， 需要将传统的热电冷却系统接通较长的时间段， 这增加了能耗。 因此， 传统的热电冷却系统 对于冷藏目的来说效率低。
近十年来， 人们努力提高热电装置的性能系数 (COP)， 包括在热电装置中使用改进 的材料， 例如， 纳米结构的碲化铋块体 (bulk) 材料。然而， 使用这种改进材料的热电装置的 改进的 COP 限于在室温下小于一。另一提高 COP 的尝试包括以下方法 ： 通过使用改进的热 交换器和适当优化的电流来减小热电装置上的温差。这些方法也具有有限的 COP 提高， 并 且， 当达到稳定状态温度时， 所有的优点都丧失。因此， 热电冷却系统的性能仍不像蒸气压 缩制冷系统的性能那样高效。
需要能够有效地调节流过热电偶的热量的改进装置。
因此， 存在对于节能增效且环境友好的冷却系统的需求。 发明内容 在本发明的一个实施方式中， 提供一种冷却系统。 该冷却系统包括 ： 包含第一流体 的第一室、 以及与第一室连接且包含第二流体的第二室。 该冷却系统进一步包括 ： 用于冷却 第二室中的第二流体的热电装置、 以及用作热二极管的第一本体。第一本体的一端与热电 装置的散热器 (heat sink) 连接， 而另一端与第一室连接。
当接通热电装置时， 热电装置的热侧的温度比第一流体的温度高， 并且第一本体 用作热导体。因此， 热量从第二室传递至第一室中的第一流体。当断开热电装置时， 第一本 体用作绝热体， 并防止热量回流到第二室中的第二流体。 因此， 第一本体具有取决于热量流
动的方向依赖性。
在热电装置的散热器处消散的热量通过第一本体传递至第一流体。 第一流体的热 容量比第二流体的热容量大。因此， 当接通热电装置时， 第一流体的温度基本上保持恒定。
根据本发明的一个实施方式， 第一本体包括第一导体和第二导体。第一导体和第 二导体使得第一本体能够从热电装置的热侧吸收热量， 并将该热量高效地传递至第一室中 的第一流体。第一本体在各导体之间还包括一个或多个绝缘部分。第一本体包括在第一本 体内储存工作流体的流体储存器。工作流体将热量从第一导体传递至第二导体。在一个实 施方式中， 第一本体还包括绝缘体块， 其防止工作流体与第二导体接触。因此， 该绝缘体块 通过与流体储存器直接接触而防止热量从第二导体到第一导体的任何逆流。
根据本发明的另一实施方式， 在冷却系统的第一室和第二室中的任一个或此二者 中设置有一个或多个热电容器， 例如多个相变材料装置 ( 替代地叫做一个相变材料装置 )。 这些相变材料装置在冷却系统中的安装有助于限制冷却系统的第一室和第二室之间的温 差， 这提高了冷却系统的效率。此外， 相变材料装置将第二流体保持在期望的温度范围内。
在本发明的另一实施方式中， 冷却系统包括 ： 包含热电冷却器模块的冷却砖、 蒸气 二极管、 和开关电路 ( 替代地叫做电路 )。根据本发明的各种实施方式， 冷却砖用在冷却系 统 ( 例如， 电冰箱、 便携冷却器、 和饮水机 ) 中。
在本发明的一个实施方式中， 提供有开关电路。 该开关电路感测流体的温度， 并且 当流体的温度高于温度上限时， 接通冷却砖。类似地， 当流体的温度低于温度下限时， 开关 电路断开冷却砖。因此， 该开关电路将流体的温度保持在预定范围内。
在本发明的另一实施方式中， 提供有对称蒸气二极管。该对称蒸气二极管包括在 结构上相似的第一表面和第二表面。第一表面和第二表面与热电装置的热侧连接。与不对 称蒸气二极管相比， 对称蒸气二极管由于对称性而能够传导更高的热通量。
在本发明的另一实施方式中， 提供有混合流体蒸气二极管， 其包含两个并联的不 对称蒸气二极管。第一不对称蒸气二极管包含具有低沸点的第一工作流体。第二不对称蒸 气二极管包含具有高沸点的第二工作流体。 混合流体蒸气二极管在低温和高温下都是高效 的。
在本发明的又一实施方式中， 提供有包含冷却室的分隔式热电冷却装置， 主热电 装置和辅热电装置与冷却室连接。主热电装置与主热二极管连接， 该主热二极管将主热电 装置所提取的热量分散至周围环境中。根据冷却室的温度而接通和断开主热电装置。辅热 电装置保持在接通模式， 以克服进入冷却室的热漏失。 在一个实施方式中， 分隔式热电冷却 装置进一步包括与辅热电装置连接的辅热二极管。
在另一实施方式中， 提供有百叶窗式散热器， 其允许热量通过散热器的定向流动， 并用作热二极管。
在本发明的另一实施方式中， 一两级热电冷却装置设置有多级热电冷却器， 例如， 两个主热电装置和两个辅热电装置。
在本发明的另一实施方式中， 提供一种操作热电冷却系统的方法， 该热电冷却系 统包括第一流体、 第二流体、 热电装置和热二极管的。该方法包括 ： 检查第二流体的温度 ； 以及在第二流体的温度等于或大于温度上限时， 接通热电装置。此外， 该方法包括 ： 当第二 流体的温度等于或小于温度下限时， 热电装置断开。附图说明 在下文中， 将结合被提供为示出但并不限制本发明的附图描述本发明的优选实施 方式， 其中， 相似的标记表示相似的元件， 并且附图中 ：
图 1 至图 22 示出了根据本发明的各种实施方式的冷却系统的示意性横截面图 ；
图 23a 至图 25d 是根据本发明的各种实施方式的两级冷却系统的示意图 ；
图 26 示出了根据本发明的一个实施方式的冷却砖的透视图 ；
图 27 示出了根据本发明的一个实施方式的包含冷却砖的冷却系统的分解图 ；
图 28 示出了根据本发明的一个实施方式的具有冷却砖的热电电冰箱的横截面 图；
图 29 示出了根据本发明的一个实施方式的具有冷却砖的热电饮水机的横截面 图；
图 30 示出了描述对于传统的冷却装置和根据本发明的一个实施方式的冷却系统 的温度随时间的变化的示图 ；
图 31 示出了描述对于根据本发明的一个实施方式的冷却系统的温度和电流随时 间的变化的示图 ；
图 32 示出了描述对于根据本发明的另一实施方式的冷却系统的温度和电流随时 间的变化的示图 ；
图 33 示出了描述对于根据本发明的又一实施方式的冷却系统的正比电流反馈的 温度和电流随时间的变化的示图 ；
图 34 示出了描述对于根据本发明的又一实施方式的冷却系统的脉冲宽度调制电 流反馈的温度和电流随时间的变化的示图 ；
图 35 示出了描述对于根据本发明的又一实施方式的具有主热电冷却器和辅热电 冷却器的冷却系统的温度和电流随时间的变化的示图 ；
图 36 是根据本发明的一个实施方式的开关电路的电路图 ；
图 37 是根据本发明的一个实施方式的热电冷却系统的示意图 ；
图 38 示出了根据本发明的一个实施方式的具有绝缘体块的第一本体的横截面 图；
图 39 示出了根据本发明的一个实施方式的具有斜壁的第一本体的横截面图 ；
图 40 示出了根据本发明的一个实施方式的对称蒸气二极管的横截面图 ；
图 41 示出了根据本发明的另一实施方式的混合流体蒸气二极管的横截面图 ；
图 42 示出了根据本发明的一个实施方式的冷却系统的横截面图 ；
图 43 示出了根据本发明的一个实施方式的百叶窗式散热器的槽截面图 ；
图 44 示出了根据本发明的一个实施方式的百叶窗式散热器的框架的侧视图 ；
图 45 示出了描述对于根据本发明的一个实施方式的冷却系统的风扇热阻随气流 的变化的示图。
具体实施方式
在详细描述实施方式之前， 根据本发明， 应该观察到， 这些实施方式主要在于用于流体冷却的方法和设备中。因此， 用方法步骤和系统部件代表来仅示出那些与理解本发明 的实施方式相关的具体细节， 而不示出对于本领域的普通技术人员来说将显而易见的那些 细节。
图 1 示出了根据本发明的一个实施方式的冷却系统 100 的横截面图。冷却系统 100 包括第一室 102、 第二室 104、 热电装置 106、 以及第一本体 108。
在冷却系统 100 中， 第一室 102 包含待冷却的流体， 在下文中叫做第一流体 110。 第一流体 110 包含在第一室 102 的壁 112、 114、 116 和 118 内。可以通过各种方法将流体供 应至第一室 102， 例如， 通过流体管道、 流体容器等。根据本实施方式， 第一室 102 示出为从 流体容器 120 接收第一流体 110。在本发明的一个示例性实施方式中， 第一流体 110 是水。 第一室 102 通过流体管道 122 将第一流体 110 提供给第二室 104。
流体在第二室 104 中冷却。 为了本描述的目的， 第二室 104 中的流体叫做第二流体 124。第二流体 124 包含在第二室 104 的绝缘壁 126、 128、 130 和 132 内。绝缘壁 126、 128、 130 和 132 将第二流体 124 与周围环境隔离， 并且防止断开热电装置 106 时第二流体变热。 根据各种实施方式， 绝缘壁 126、 128、 130 和 132 由具有低导热系数的材料制成， 例如， 聚氨 酯、 泡沫塑料等等。存在于冷却系统 100 中的热电装置 106 用来冷却第二室 104 中的第二 流体 124。通常， 当直流电流流过热电装置 106 时， 热电装置 106 从第二室 104 提取热量， 从 而使得第二流体 124 变冷， 并将所提取的热量和热电装置的焦耳热分散至第一本体 108 的 与热电装置 106 连接的一端， 其叫做散热器 ( 替代地叫做热侧 )。在一个示例性实施方式 中， 热电装置 106 是热电冷却器。根据本发明的各种实施方式， 热电装置 106 冷却存在于第 二室 104 中的第二流体 124， 并将所提取的热量和热电装置 106 的焦耳热分散至存在于热电 装置 106 端部的散热器。结果， 第二流体 124 获得比第一流体 110 低的温度。
根据一个实施方式， 第一流体 110 和第二流体 124 之间的一般温差在 20℃至 25℃ 之间变化。冷却系统 100 通过保持低温差而提高冷却效率。为了本描述的目的， 仅示出了 两个室。然而， 对于本领域的技术人员来说将显而易见的是， 冷却系统 100 可以包括不止两 个室， 并且， 能够级联冷却方案以将流体冷却至低温。另外， 热电装置 106 可以是多级热电 冷却器或多个热电装置的组合。
根据各种实施方式， 热电装置 106 的散热器与包括第一端和第二端的第一本体 108 连接。 该第一端与热电装置 106 的散热器机械地连接， 而第二端以使得第一本体 108 能 够将在热电装置 106 的散热器处分散的热量传递至第一室 102 中的第一流体 110 的方式与 第一室 102 机械地连接。 根据一个实施方式， 第二端包括能够将热量传递至第一流体 110 的 传导部 134。当热电装置 106 的散热器的温度高于第一流体 110 的温度时， 第一本体 108 用 作热导体， 从而使得热量能够从热电装置 106 流至第一流体 110。替代地， 当第一流体 110 的温度高于热电装置 106 的散热器的温度时， 第一本体 108 用作绝热体， 由此防止热量从第 一流体 110 流至热电装置 106 的散热器。因此， 第一本体 108 具有取决于热量流动的方向 依赖性。在本发明的各种实施方式中， 第一流体 110 和第二流体 124 是水。由于与其它液 体相比， 水具有高比热， 所以其最适于在第一室 102 中保持恒温。另外， 第一室 102 中的第 一流体 110 的体积比第二室 104 中的第二流体 124 的体积大。因此， 第一室 102 中的第一 流体 110 比第二室 104 中的第二流体 124 具有更高的载热能力。因此， 当接通热电装置 106 时， 第一流体 110 的温度相对恒定。第一本体 108 包括一个或多个绝缘部分， 例如绝缘体 ( 结合图 38 详细描述 )， 以防 止热量从热电装置 106 的散热器传递至第二流体 124。第一本体 108 的绝缘体可由绝热材 料制成， 例如可机加工陶瓷和薄不锈钢管。当热电装置 106 断开时， 第一本体 108 用作绝热 体， 并防止第二流体 124 的温度升高。
根据一个实施方式， 第二室 104 由绝缘壁 136 包围。绝缘壁 136 有助于防止热量 从周围环境传递至第二流体 124， 从而将第二流体 124 保持在恒温范围内。 在一个示例性实 施方式中， 恒温范围在 5℃至 8℃之间。根据各种实施方式， 绝缘壁 136 由具有低导热系数 的材料制成。具有低导热系数的材料的典型实例包括聚氨酯和泡沫塑料。
图 2 示出了根据本发明的另一实施方式的冷却系统 200 的横截面图。冷却系统 200 包括第一室 102、 第二室 104、 以及热电装置 106， 如参考图 1 所描述的。
根据此实施方式， 冷却系统 200 包括热电装置 106 的变型布置。根据此布置， 第一 本体 108 的第一端与热电装置 106 的散热器机械地连接， 而第二端与第一室 102 机械地连 接。 此外， 第二端在第一室 102 内并暴露于第一流体 110， 以将热量传递至第一流体 110。 此 外， 第二端包括能够将热量传递至第一流体 110 的传导部 134。
此实施方式的优点在于， 其易于将热量从热电装置 106 的散热器有效地传递至第 一室 102 中的第一流体 110。为了防止热量的逆流， 在第一室 102 和第二室 104 的分界处设 置第一本体 108 的绝缘体 ( 结合图 38 详细描述 )。 图 3 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 300 的横截面图。除了参考图 1 描述的元件以外， 冷却系统 300 包括相变材料装置 (PCM)302 和蒸发冷却装置 304。
根据一个实施方式， PCM 302 存在于第二室 104 中。而且， PCM302 靠近热电装置 106 的冷端， 从而将第二室 104 中的第二流体 124 保持在恒温范围内。在一个示例性实施 方式中， PCM 302 是纯冰 PCM 的包装。在另一示例性实施方式中， PCM 302 由石蜡制成。用 来制造 PCM 302 的石蜡的典型实例包括二十烷和二十二烷。在另一示例性实施方式中， PCM 302 由水合盐制成。七水合硫酸镁是用来制造 PCM 302 的典型的水合盐的实例。在又一示 例性实施方式中， PCM 302 由液态金属制成。用来制造 PCM 302 的液态金属的典型实例包 括， 但不限于， 镓铟和锡合金。
根据本发明的另一实施方式， 对第一室 102 提供蒸发冷却装置 304。 蒸发冷却装置 304 冷却第一室 102 中的第一流体 110。通常， 蒸发冷却装置通过将来自流体本体的一部分 流体蒸发至周围环境来冷却流体本体， 从而从流体本体吸收潜热。 根据另一实施方式， 第一 流体 110 从第一室 102 穿过多孔板 306 渗出。在本发明的一个示例性实施方式中， 多孔板 由陶瓷制成。多孔板有助于将流体从第一室 102 传递至周围环境。通过使用风扇 308 来蒸 发渗出的流体， 从而产生期望的冷却效果。在另一示例性实施方式中， 蒸发冷却装置 304 由 一次性的可更换的多孔纸网制成。蒸发冷却装置 304 在干燥环境中还用作加湿器。
通过使用 PCM 302， 此布置促进热电装置 106 的长时间工作循环， 从而提高其效 率。该效率由于蒸发冷却装置 304 的存在而进一步提高， 蒸发冷却装置有助于降低第一流 体 110 的温度并在热电装置 106 上产生较低的温差。由于较低的温差提高效率， 所以热电 装置 106 的操作在此实施方式中更有效。 根据一个示例性实施方式， 由于蒸发冷却装置 304 的使用而在热电装置 106 上产生的温差是大约 15℃。
图 4 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 400 的横截面图。冷却系统
400 包括参考图 2 和图 3 描述的元件， 然而， 其中热电装置 106 和 PCM 302 变型布置。根据 此布置， 第一本体 108 的第一端与热电装置 106 的散热器机械地连接， 而第一本体 108 的第 二端与第一室 102 机械地连接以将热量传递至第一流体 110。根据此实施方式， PCM 302 位 于第二室 104 的上部， 并与热电装置 106 接触。根据本发明的一个实施方式， 冷却系统 400 包括蒸发冷却装置 304 以冷却第一流体 110。
图 5 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 500 的横截面图。冷却系统 500 包括冷藏部 502、 冷冻部 504、 第一冷却器 506、 第二冷却器 508、 以及第二本体 510。
根据一个实施方式， 冷藏部 502 包括待冷却的第一输出流体 512。 冷冻部 504 与冷 藏部 502 热隔离， 并包括第二输出流体 514。在一个示例性实施方式中， 第一输出流体 512 和第二输出流体 514 是空气。存在于冷藏部 502 中的第一冷却器 506 冷却第一输出流体 512。此外， 存在于冷冻部 504 中的第二冷却器 508 冷却第二输出流体 514。在另一示例性 实施方式中， 第一冷却器 506 和第二冷却器 508 中的任一个或这二者是两级热电冷却系统。 另外， 根据一种布置， 第一冷却器 506 和第二冷却器 508 均与第二本体 510 连接。
第二本体 510 是具有定向热流的热导体的系统。第二本体 510 包括第一端和第二 端。第二本体 510 的第一端与第一冷却器 506 和第二冷却器 508 的散热器机械地连接。此 外， 第二本体 510 的第二端与储水器 516 机械地连接。 储水器 516 的存在提高了冷却系统的 效率。 然而， 对于本领域的技术人员来说应该显而易见的是， 本发明可以用在蒸气压缩机系 统中， 在该系统中， 冷凝蛇管浸没在储水器中或与这种储水器接触。当接通热电冷却器 506 和 508 时， 第二本体 510 能够将在第一冷却器 506 和第二冷却器 508 的散热器处分散的热 量传递至储水器 516。此外， 第二本体 510 包括绝缘体 ( 参考图 38 详细描述 )。第二本体 510 的定向特性防止热量从储水器 516 传递至第一冷却器 506 和第二冷却器 508 的散热器。 第二本体 510 的工作与第一本体 108 的工作类似， 这结合图 38 详细描述。
根据另一实施方式， 冷冻部 504 包围在绝缘壁 518 中。此外， 绝缘壁 518 有助于防 止热量从周围环境传递至第二输出流体 514， 从而将第二输出流体 514 保持在期望的温度 范围内。
根据本发明的又一实施方式， 提供蒸发冷却装置 304 以冷却储水器 516。 由于来自 第一冷却器 506 和第二冷却器 508 的热量在储水器 516 中分散， 所以蒸发冷却装置 304 将 储水器 516 保持在期望的温度范围内。
图 6 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 600 的横截面图。
根据本发明的一个实施方式， 第一室 102 叫做热储水器， 并且第二室 104 叫做冷储 水器。 除了结合图 1 提到的元件以外， 冷却系统 600 包含第一金属块 602、 冷却散热器 (cold sink)606、 第二金属块 604、 以及散热器 608。
在一个实施方式中， 第一室 102 和第二室 104 都放置在相同的高度。在此布置中， 第一流体 110 在静水压力的帮助下流过流体管道 122。在本发明的另一实施方式中流体容 器 120 处于比第一室 102 和第二室 104 低的高度， 外部泵和软管将水供应给第一室 102。
在一个示例性实施方式中， 第一流体 110 保持在 25℃至 30℃的温度范围内。 此外， 在本发明的一个实施方式中， 热电装置 106 将第二流体 124 保持在期望的温度范围内， 通常 在 5℃至 8℃之间。
根据本发明的各种实施方式， 第一本体 108 是热二极管， 并且热电装置 106 是热电冷却器。第一本体 108 的第一端与热电装置 106 的热侧机械地连接， 在它们之间具有高性 能热界面材料 ( 未示出 )， 热电装置通过第一金属块 602 和冷却散热器 606 进一步与第二 室 104 连接。类似地， 第一本体 108 的第二端以高导热界面材料 ( 未示出 ) 通过第二金属 块 604 和散热器 608 与第一室 102 连接。这确保通过第一本体 108 的有效热传递， 从而冷 却第二室 104 中的第二流体 124。高性能热界面材料的典型实例包括， 但不限于， 热环氧树 脂、 高密度陶瓷基热化合物、 以及低温焊料。
根据本发明的各种实施方式， 第一室 102 相对于第二室 104 的方向示出为是水平 的。然而， 对于本领域的技术人员来说将显而易见的是， 在本发明的其它实施方式中， 第一 室 102 相对于第二室 104 的方向可以是竖直的， 或是任何其它可能的倾斜布置。
图 7 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 700 的横截面图。除了参考图 6 描述的元件以外， 冷却系统 700 包括一个或多个相变材料装置 (PCM)702 和 704、 壁 706、 绝 缘壁 708、 风扇 712 和 714、 散热器 716、 百叶窗 720、 以及金属块 722。
根据此实施方式， 冷却系统 700 包括设置在第一室 102 中的 PCM 702 和 PCM 704。 根据本发明的一个实施方式， 第一室 102 是储水器， 并且第二室 104 是便携式冷藏室。在本 发明的一个实施方式中， 具有高比热的储水器用作热电容器。 PCM 702 和 PCM 704 具有高熔化潜热， 当材料在一定温度下经历相变时， 吸收或释 放该潜热。这种潜热储存系统能够将第一室 102 的温度保持在期望的温度范围内。通常， PCM 702 和 PCM 704 的熔化潜热大于 250KJ/Kg。用作 PCM 702 和 PCM 704 的材料的实例包 括无机水合盐、 石蜡、 烃等。通过单独地或组合地使用不同的相变材料， 能够将相变温度设 定在 18℃至 35℃范围内的任何温度。 根据本发明的各种实施方式， 通过使用 PCM 702 和 PCM 704， 第一室 102 中的第一流体 110 的温度限制为接近室温。为了更好地与流体热接触， 可 以将相变材料封装在设置于第一室 102 中的铝 ( 或其它金属 ) 缸中。PCM 702 和 704 还可 具有在包装内分散热量并提高有效的导热性和毕奥数的导体结构。 对于本领域的技术人员 来说将显而易见的是， 虽然这里仅描述了两个 PCM 702 和 704， 但是， 在第一室 102 中也可使 用单个 PCM 或不止两个 PCM， 以将第一流体 110 的温度保持在给定范围内。
对于本领域的技术人员来说还将显而易见的是， 虽然在第一室 102 中示出了 PCM， 但是， 可在第二室 104 中设置一个或多个 PCM， 以将第二流体 124 的温度保持在给定范围内。 根据本发明的一个实施方式， 多个 PCM( 包括纯冰 ) 可用于将第二室 104 中的温度保持为低 于室温。通常， PCM 的使用能够将第一室 102 中的第一流体 110 和第二室 104 中的第二流 体 124 的温度保持在给定范围内。
根据本发明的本实施方式， 绝缘壁 708 覆盖第二室 104， 并防止冷却系统 700 和环 境之间的任何热交换。
根据一个实施方式， 散热装置 710 设置有第一室 102。散热装置 710 通过金属块 722 和散热器 716 冷却第一室 102 中的第一流体 110。散热器 716 由风扇 714 冷却。另外， 风扇 712 存在于第二室 104 中。热电装置 106 冷却冷却散热器 606， 而风扇 712 通过使空气 移动经过冷却散热器 606 来冷却第二室 104。没有风扇 712 可能导致第二室 104 内的较高 的温度梯度， 在冷却散热器 606 附近具有非常冷的空气， 而在第二室 104 的另一端具有热空 气。当热电装置 106 断开且少量热量泄漏到第二室 104 中时， 可断开风扇 712 以隔离第二 室 104 的其余部分。当风扇 712 断开时， 可关闭风扇 712 前面的百叶窗 720 ； 从而将冷却散
热器 606 与第二室 104 进一步隔离。百叶窗 720 增强冷却系统 700 的热二极管作用。
通过使用 PCM 702 和 PCM 704， 当激活热电装置 106 时， 热电装置 106 的热侧保持 为接近室温， 并且， 当热电装置 106 断开时， 第一本体 108 减少到第二室 104 中的热量泄漏。 此布置使得在热电装置 106 上能够具有更小的温差， 并确保热电装置 106 的较短的工作循 环， 从而显著地提高其能量效率。
图 8 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 800 的横截面图。 除了参考图 6 和图 7 描述的元件以外， 冷却系统 800 包括设置在第二室 104 中的相变材料装置 (PCM)802。
在一个实施方式中， PCM 802 设置于第二室 104 的与热电装置 106 连接的一侧上。 根据此实施方式， PCM 802 仅覆盖热电装置 106 的冷却散热器 606 的一部分， 而冷却散热器 606 的其余部分与第二流体 124 接触。这种部分重叠使得 PCM 802 与冷却散热器 606 平行 地热接触， 从而避免增加第二流体 124 的冷却时间。在一个示例性实施方式中， PCM 802 是 纯冰 PCM 的包装或具有低于室温的相变温度的水合盐基材。七水合硫酸镁是用来制造 PCM 802 的典型水合盐的一个实例。在又一示例性实施方式中， PCM 802 由液态金属制成。用来 制造 PCM 802 的液态金属的典型实例包括， 但不限于， 镓铟和锡合金。
在本发明的本实施方式中， 冷却系统 800 可以是水冷却器， 其中， 第二室 104 中的 第二流体 124 的温度保持在预定温度。为了限制第二室 104 中的温度， 可使用一个或多个 PCM， 例如 PCM 802。例如， PCM 802 将热电装置 106 的冷却散热器 606 的温度限制在大约 5℃， 从而限制两个室之间的温差。由于水是较差的散热体， 所以在全部体积的水冷却的同 时冷却散热器 606 达到更低的温度。 PCM 802 防止冷却散热器 606 的冷却， 并通过相变储存 多余的能量。
图 9 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 900 的横截面图。除了参考 图 6 和图 7 描述的元件以外， 冷却系统 900 包括热管 902 和 904( 替代地叫做一个或多个热 管 )， 安装热管 902 和 904 以保持第一室 102 中的恒温。热管 902 和 904 由诸如铜的材料制 成， 在端部具有翅片 906。翅片 906 用作有效的散热体。此外， 通过使用热管 902 和 904， 可 在冷却系统 900 中使用相对较大的第一室 102， 以保持第一室 102 中的恒温。 根据本发明的 另一实施方式， 在第二室 104 中设置有在低于室温的温度下操作的酒精或氨基的热管。与 热管 902 和 904 相似， 设置于第二室 104 中的热管保持第二室 104 中的恒温。根据本发明 的各种实施方式， 热管 902 和 904 的使用在减小第一室 102 内的热阻 ( 等于增加传热的毕 奥数 ) 方面也是有利的。
图 10 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 1000 的横截面图。冷却系统 1000 包括参考图 6 和图 7 描述的元件， 其中热电装置 106 和第一本体 108 变型布置。本发 明的本实施方式包括与冷却系统 1000 的第二室 104 接触的第一本体 108， 并且， 热电装置 106 的冷端与冷却系统 1000 的第一室 102 接触。根据本实施方式， 第一本体 108 将热量从 第二室 104 中的第二流体 124 传递至热电装置 106 的冷端。热电装置 106 从第一本体 108 提取热量， 并将热量分散至第一室 102 中的第一流体 110。在之前的实施方式中， 第一本体 108 附接至热电装置 106 的热端， 并传递从第二室 104 提取的热量和由于热电装置的能耗而 产生的热量的总和。 当第一本体 108 附接至热电装置 106 的冷端时， 其仅传递从第二室 104 提取的热量。因此， 通过第一本体 108 的热通量大约是之前实施方式的热通量的一半。由 于第一本体 108 具有有限的热阻， 所以， 热通量减半减小了温度损失， 从而导致第二室 104的更有效的冷却。
根据本发明的此实施方式， 具有较低蒸发热的工作流体由于较低的热通量而能够 用于第一本体 108 中的蒸发。具有较低蒸发热的工作流体的实例包括乙醇、 氨水等等。较 低的热通量还允许制造尺寸更小的第一本体 108， 并适合于无法改变热电装置 106 的热侧 的应用场合。在存在管理一个或多个热电装置的热侧的有效流体回路的情况中， 在热电装 置的冷侧上设置第一本体 108 提供了有效的储存方案。
图 11 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 1100 的横截面图。除了参 考图 6、 图 7 和图 9 描述的元件以外， 冷却系统 1100 包括泵 1102、 工作流体 1104、 流体回路 1106、 以及热交换器 1108。流体回路 1106 缠绕在第一室 102 的壁 706 周围。在本实施方式 中， 流体回路 1106 由软铜制成。在本发明的本实施方式中， 泵 1102 用作第一本体 108 的替 代物， 并有助于将热量从热交换器 1108 传递至第一室 102。 在本实施方式中， 包括微通道的 热交换器 1108 与热电装置 106 的热侧连接， 并将热电装置 106 所排出的热量传递至工作流 体 1104。此实施方式使得第一室 102 能够进一步远离第二室 104。通常， 在本实施方式中， 工作流体 1104 是水， 水除了在商业上可获得以外， 在冷却装置工作的同时能够轻松地进行 补充。根据本发明的其它实施方式， 工作流体 1104 是乙二醇和水的合成物， 通常叫做防冻 剂。防冻剂的使用防止在热电装置 106 断开时工作流体结冰。 图 12 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 1200 的横截面图。除了参考 图 6、 图 7、 图 9 和图 11 描述的元件以外， 冷却系统 1200 包括一个或多个具有翅片 1204 的 烧结热管 1202。烧结热管 1202 将第一流体 110 的温度保持为接近室温。泵 1102 使工作 流体 1104 通过柔性的流体回路 1106 在流体容器 120 和热交换器 1108 之间循环。根据此 实施方式， 流体回路 1106 将第一流体 110 分成两部分。一部分第一流体 110 作为工作流体 1104 传递至热交换器 1108， 而另一部分传递至第二室 104。 当第二室 104 中的第二流体 124 达到所需温度时， 关闭泵 1102， 从而防止工作流体 1104 的循环。
图 13 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 1300 的横截面图。冷却系统 1300 包括图 11 中所描述的元件的变型布置。根据本发明的本实施方式， 流体回路 1106 在 第一室 102 和第二室 104 之间分配工作流体 1104。在一个实施方式中， 流体回路 1106 由软 铜制成。根据本实施方式， 工作流体 1104 是第一流体 110 的一部分。流体回路 1106 将第 一流体 110 分成两部分 ： 一部分作为工作流体 1104 被传递至热交换器 1108， 而另一部分被 传递至第二室 104。在本实施方式中， 热交换器 1108 附接至热电装置 106 的冷侧， 因此， 在 每次经过热交换器 1108 的过程中， 流体回路 1106 被冷却。当第二室 104 中的第二流体 124 达到期望的冷却温度时， 泵 1102 关闭， 从而防止第一室 102 和第二室 104 之间的任何进一 步的流体交换。在图 12 和图 13 所描述的实施方式中， 泵 1102 和工作流体 1104 的存在当 接通泵 1102 时允许不定向的热传递， 并且当断开泵 1102 时确保热隔离。因此， 泵 1102 和 工作流体 1104 由此用作热二极管。
图 14 示出了根据本发明的另一实施方式的冷却系统 1400 的横截面图。除了参 考图 6 描述的元件以外， 冷却系统 1400 包括热管 1402、 第一金属块 1404、 以及第二金属块 1406。
在本实施方式中， 第一金属块 1404 与散热装置 710 连接， 并且第二金属块 1406 与 第一本体 108 连接。热管 1402 的端部嵌在每个第一金属块 1404 和第二金属块 1406 中， 从
而将散热装置 710 与第一本体 108 连接。热管 1402 使得热量能够从第一本体 108 直接传 递至散热装置 710。
图 15 示出了根据本发明的另一实施方式的冷却系统 1500 的横截面图。
冷却系统 1500 是分隔式热电冷却器， 其包括主热电装置 1502 和辅热电装置 1504。 主热电装置 1502 和辅热电装置 1504 与冷却室 1506 连接。
在本发明的一个实施方式中， 与主热电装置 1502 相比， 辅热电装置 1504 的尺寸较 小且具有较差的冷却能力。主热电装置 1502 保持接通一定时间， 以在冷却室 1506 中产生 冷却效果。辅热电装置 1504 是小型热电冷却器， 并始终接通。优选地， 辅热电装置 1504 被 偏压以在冷却室 1506 中产生冷却所需的最小电流， 以补偿从冷却室 1506 的热量泄漏。冷 却室 1506 包含需要冷却的流体 1501。在本发明的一个实施方式中， 冷却室 1506 是电冰箱 的冷却室。
蒸气二极管 1514 与主热电装置 1502 的热端连接， 以防止断开主热电装置 1502 时 热量流动至冷却室 1506。热交换器 1518 将主热电装置 1502 所提取的热量分散至周围环 境。在本发明的一个实施方式中， 热交换器 1518 具有散热风扇 1516。当接通主热电装置 1502 和散热风扇 1516 时， 蒸气二极管 1514 和热交换器 1518 的组合向周围环境的净导热性 是大约 5W/℃。然而， 当断开主热电装置 1502 和散热风扇 1516 时， 该组合的净导热性低得 多。 这是因为， 热交换器 1518 的导热性仅是由于自然对流， 并且当断开主热电装置 1502 时， 蒸气二极管 1514 的导热性较差。因此， 热交换器 1518 对冷却系统 1500 增加附加的热阻。 因此， 断开状态中的蒸气二极管 1514 和散热风扇 1516 的组合的净导热性小于 0.1W/℃。 热 交换器 1518 用作二极管， 因为其导热性取决于散热风扇 1516 的接通或断开状态， 并且， 其 增强了热二极管特性。因此， 除了蒸气二极管 1514 以外， 热交换器 1518 有助于防止热量泄 漏回到冷室中。
第一冷风扇 1510 存在于冷却室 1506 中， 以帮助将热量从流体 1501 传递至主热电 装置 1502。此外， 第一冷风扇 1510 有助于在冷却室 1506 内保持均匀的温度。当主热电装 置 1502 断开时， 第一冷风扇 1510 也断开。第一冷风扇 1510 在接通时的导热性比其断开 时的导热性大。因此， 第一冷风扇 1510 在断开时也增加附加的热阻， 从而增强蒸气二极管 1514 和热交换器 1518 的组合的热二极管特性。
第二冷风扇 1512 存在于冷却室 1506 中， 以帮助将热量从流体 1501 传递至辅热电 装置 1504。此外， 第二冷风扇 1512 有助于在冷却室 1506 内保持均匀的温度。用作散热器 的热风扇 1508 附接至辅热电装置 1504， 以将辅热电装置 1504 排出的少量热量分散至周围 环境。在本发明的一个实施方式中， 任何其它类型的散热器可用来代替热风扇 1508。
在本发明的一个实施方式中， 主热电装置 1502 的冷却能力是辅热电装置 1504 的 冷却能力的 5 至 10 倍。辅热电装置 1504 始终保持在接通状态。恒定的电流经过辅热电装 置 1504 以产生冷却， 从而补偿通过冷却室 1506 的热量泄漏。热风扇 1508 与辅热电装置 1504 一起也恒定地保持在接通状态， 以分散辅热电装置 1504 排出的热量。在冷却过程开 始时主热电装置 1502 接通。在达到稳定状态之后， 主热电装置 1502 断开。当主热电装置 1502 断开时， 散热风扇 1516 和第一冷风扇 1510 也断开。
在本发明的一个实施方式中， 当冷却室 1506 的温度上升到超过温度上限时， 主热 电装置 1502 接通。此外， 当主热电装置 1502 接通时， 热交换器 1518 和第一冷风扇 1510 接通。例如， 当打开电冰箱时， 主热电装置 1502 在冷却室 1506 的温度上升到超过温度上限时 接通。当冷却室 1506 的温度下降并达到温度下限时， 主热电装置 1502 断开。当主热电装 置 1502 断开时， 散热风扇 1516 和第一冷风扇 1510 也断开， 并且， 热交换器 1518 和蒸气二 极管 1514 的组合防止热量泄漏。
通常， 在电冰箱中， 每天要打开门大约 20 至 24 次。因此， 主热电装置 1502 平均每 天仅接通大约 20 次， 这意味着， 每年大约 7000 至 8000 次， 或者， 在主热电装置 1502 的使用 寿命中打开 70000 至 80000 次 ( 假设 10 年的使用寿命 )。因此， 热电冷却系统的可靠性提 高。热电冷却系统的能耗也较小， 因为主热电装置 1502 在达到温度下限之后断开， 并且， 仅 有的功率损耗是由于较小的辅热电装置 1504 的原因。
在本发明的一个实施方式中， 改变辅热电装置 1504 的偏压电流， 使得当接通主热 电装置 1502 时辅热电装置被偏压以较高的电流。然后， 对辅热电装置 1504 的偏压电流减 小至主热电装置 1502 断开时补偿进入第三冷却室 406 中的泄漏所必需的最小电流。
图 16 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 1600 的横截面图。除了结合 图 15 提到的元件以外， 冷却系统 1600 包含辅蒸气二极管 1602。
辅蒸气二极管 1602 与辅热电装置 1504 的热侧连接。 在本发明的此实施方式中， 辅 热电装置 1504 以开关循环工作。仅当通过冷却室 1506 的壁的泄漏使流体 1501 的温度上 升到超过温度上限时， 在长时间不工作之后将辅热电装置接通。例如， 在夜晚中， 当电冰箱 长时间保持关闭时， 辅热电装置 1504 断开。 当辅热电装置 1504 断开时， 辅蒸气二极管 1602 防止热量回流至辅热电装置 1504。 在本发明的一个实施方式中， 当辅蒸气二极管 1602 接通 时， 第二冷风扇 1512 和热风扇 1508 接通。类似地， 当辅蒸气二极管 1602 断开时， 第二冷风 扇 1512 和热风扇 1508 断开。此开关循环降低了辅热电装置 1504 的能耗， 并提高了冷却系 统 1600 的效率。
在另一实施方式中， 辅热电装置 1504 由脉冲宽度调制电流源控制， 并且该电流源 取决于冷却室 1506 的温度。
图 17a 和图 17b 分别示出了根据本发明的又一实施方式的第一冷却系统 1700 和 第二冷却系统 1704 的横截面图。
图 17a 中的第一冷却系统 1700 是分隔式热电冷却器的另一结构， 并且包括与冷却 室 1506 连接的主热电装置 1502 和辅热电装置 1504。
在本发明的一个实施方式中， 冷却室 1506 是包含空气的电冰箱的冷却室或水冷 却器的冷却室。
除了结合图 15 提到的元件以外， 第一冷却系统 1700 包含附接至辅热电装置 1504 的铜块 1702。铜块 1702 将辅热电装置 1504 排出的热量传导至热交换器 1518， 热交换器将 该热量分散至周围环境。因此， 热交换器 1518 分散由主热电装置 1502 和辅热电装置 1504 排出的热量。散热风扇 1516 始终保持接通， 以分散辅热电装置 1504 排出的热量。
图 17b 的第二冷却系统 1704 是分隔式热电冷却器的另一结构， 并且包括与冷却室 1506 连接的主热电装置 1502 和辅热电装置 1504。
第二冷却系统 1704 和第一冷却系统 1700 的不同之处在于， 蒸气二极管 1514 与辅 热电装置 1504 平行。第二冷却系统 1704 还包括将主热电装置 1502 和辅热电装置 1504 以 及蒸气二极管 1514 连接的金属板 1706。图 18 示出了根据本发明的另一实施方式的冷却系统 1800 的横截面图。
冷却系统 1800 描述分隔式热电冷却器的另一结构， 其包括主热电装置 1502 和辅 热电装置 1504， 如结合图 15 所提到的。
在本发明的此实施方式中， 流体 1501 是水， 并且冷却系统 1800 是水冷却器。在冷 却室 1506 中， 热水位于冷水的上方。主热电装置 1502 位于冷却室 1506 的顶部。当存在于 冷却室 1506 顶部的热水由主热电装置 1502 冷却时， 水的密度增大， 且冷水如箭头 1802 所 示向下滑动。
辅热电装置 1504 存在于冷却系统 1800 的底部， 并保持存在于冷却室 1506 底部的 冷水的温度。冷水出口 1804 存在于冷却室 1506 的底部。
图 19 示出了根据本发明的另一实施方式的冷却系统 1900 的横截面图。
除了结合图 18 提到的元件以外， 冷却系统 1900 包含辅蒸气二极管 1602。冷却系 统 1900 描述分隔式热电冷却器的另一结构， 其包括主热电装置 1502 和辅热电装置 1504。
辅蒸气二极管 1602 与辅热电装置 1504 的热侧连接。在本发明的此实施方式中， 辅热电装置 1504 以开关循环工作。仅当通过冷却室 1506 的壁的泄漏使流体 1501 的温度 上升到超过温度上限时， 在长时间不工作之后将辅热电装置接通。例如， 在夜晚中， 当水冷 却器长时间保持关闭时， 辅热电装置 1504 断开。当辅热电装置 1504 断开时， 辅蒸气二极管 1602 防止热量回流至辅热电装置 1504。在本发明的一个实施方式中， 辅热电装置 1504 由 脉冲宽度调制电流源控制， 并且该电流源取决于冷却室 1506 的温度。 与第一冷却系统 1700 的效率相比， 断开辅热电装置 1504 进一步提高了冷却系统 1900 的效率。 图 20 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 2000 的横截面图。
冷却系统 2000 描述分隔式热电冷却器的另一结构， 其包括主热电装置 1502 和辅 热电装置 1504。
除了结合图 18 提到的元件以外， 冷却系统 2000 包含电容器 2002， 该电容器包括 热交换器 1518。电容器 2002 具有输入室 2004， 该输入室包含第一流体 2006 和风扇 2010。 电容器 2002 以使得蒸气二极管 1514 分散的热量被传递至第一流体 2006 的方式与蒸气二 极管 1514 的表面机械地连接。在本发明的一个实施方式中， 第一流体 2006 是水。由于水 具有高比热， 所以其有助于在输入室 2004 中保持恒温。此外， 第一流体 2006 的体积比流体 1501 的体积大。因此， 第一流体 2006 具有比流体 1501 更高的热容量。因此， 即使当主热电 装置 1502 接通时， 第一流体 2006 的温度也相对恒定。根据一个实施方式， 第一流体 2006 的通常温度在 30℃， 并且流体 1501 的温度在 5℃。
在一个实施方式中， 输入室 2004 和冷却室 1506 通过流体管道 2008 连接， 使得流 体能够从输入室 2004 传递至冷却室 1506。根据一个实施方式， 输入室 2004 和冷却室 1506 保持间隔一定距离， 并通过柔性流体回路和泵连接。可以将柔性流体回路弯成不同形状， 以将输入室 2004 与冷却室 1506 连接。泵有助于将流体从输入室 2004 通过柔性流体回路 传递至冷却室 1506。在本发明的一个实施方式中， 输入室 2004 位于比冷却室 1506 高的位 置， 并且第一流体 2006 由于重力而传递至冷却室 1506。为了本描述的目的， 对于冷却系统 2000 仅示出了两个室。然而， 对于本领域的技术人员来说将显而易见的是， 冷却系统 2000 可以包括不止两个室， 并且， 能够级联冷却方案以将流体冷却至低温。
图 21 示出了根据本发明的又一实施方式的冷却系统 2100 的横截面图。
冷却系统 2100 是两级分隔式热电冷却器， 并且包括一级主热电装置 2102、 一级辅 热电装置 2104、 二级主热电装置 2106、 二级辅热电装置 2108、 蒸气二极管 1514、 以及热交换 器 1518。一级主热电装置 2102 和一级辅热电装置 2104 与冷却室 1506 连接。
冷却室 1506 包含需要冷却的流体 1501。 在本发明的一个实施方式中， 冷却室 1506 是需要冷却至低温 ( 低于 0℃ ) 的电冰箱或冰箱的冷却室。
与一级主热电装置 2102 和二级主热电装置 2106 相比， 一级辅热电装置 2104 和二 级辅热电装置 2108 更小。使用辅热电装置 2104 和 2108， 因为当冷却室 1506 保持在低温 时， 进入冷却室 1506 的热量泄漏非常高。一级主热电装置 2102 与冷却室 1506 和蒸气二极 管 1514 连接。二级主热电装置 2106 与蒸气二极管 1514 和热交换器 1518 连接。在一定周 期内一级主热电装置 2102 和二级主热电装置 2106 保持接通， 以在冷却室 1506 中产生冷却 效果。
一级辅热电装置 2104 和二级辅热电装置 2108 因连续对其供应的小电流而始终保 持接通。
蒸气二极管 1514 与一级主热电装置 2102 的热端连接， 以防止热量回流至冷却室 1506。热交换器 1518 将一级主热电装置 2102 和二级主热电装置 2106 提取的热量分散至 周围环境。在本发明的一个实施方式中， 热交换器 1518 包含散热风扇 1516。当一级主热 电装置 2102、 二级主热电装置 2106 和散热风扇 1516 接通时， 蒸气二极管 1514 的前向导热 性和热交换器 1518 对周围环境的导热性非常高。然而， 当一级主热电装置 2102、 二级主热 电装置 2106 和散热风扇 1516 断开时， 蒸气二极管 1514 的导热性和热交换器 1518 的导热 性较低。这是因为， 热交换器 1518 的导热性仅是由于自然对流而产生的， 并且蒸气二极管 1514 的导热性在相反方向上较低。
第一冷风扇 1510 存在于冷却室 1506 中， 以帮助将热量从流体 1501 传递至一级主 热电装置 2102。此外， 第一冷风扇 1510 有助于在冷却室 1506 中保持均匀的温度。当主热 电装置 2102 和 2106 接通时， 第一冷风扇 1510 接通， 并且当主热电装置 2102 和 2106 断开 时， 第一冷风扇 1510 断开。
第二冷风扇 1512 存在于冷却室 1506 中， 以帮助将热量从流体 1501 传递至一级辅 热电装置 2104。此外， 第二冷风扇 1512 有助于在冷却室 1506 中保持均匀的温度。热风扇 1508 附接至二级辅热电装置 2108， 以将二级辅热电装置 2108 排出的热量分散至周围环境。
在本发明的一个实施方式中， 主热电装置 2102 和 2106 的冷却能力是辅热电装置 2104 和 2108 的冷却能力的 5 至 10 倍。辅热电装置 2104 和 2108 始终保持在接通状态。恒 定的电流经过辅热电装置 2104 和 2108， 以将它们保持接通并补偿进入冷却室 1506 的热量 泄漏。热风扇 1508 与辅热电装置 2104 和 2108 一起也恒定地保持接通， 以分散所排出的热 量。在冷却过程开始时主热电装置 2102 和 2106 接通。在达到稳定状态之后， 主热电装置 2102 和 2106 断开。 当冷却室 1506 的温度上升到超过温度上限时， 主热电装置 2102 和 2106 接通。例如， 当打开电冰箱时， 主热电装置 2102 和 2106 在冷却室 1506 的温度上升到超过 温度上限之后接通。当冷却室 1506 的温度下降至温度下限时， 主热电装置 2102 和 2106 断 开。当主热电装置 2102 和 2106 断开时， 蒸气二极管 1514 防止进入冷却室 1506 的热量泄 漏。
二级主热电装置 2106 将其焦耳热和由蒸气二极管 1514 排出的热量分散至热交换器 1518。 二级主热电装置 2106 能够在开关频率下操作， 该开关频率与一级主热电装置 2102 的频率不同。
通常， 冷却系统 2100 具有两级， 但是其可具有更多数量的级联成实现低温的级。 对于给定的温差， 与一级热电冷却器相比， 两级热电冷却器提供更多冷却并且更有效。 在一 个示例性实施方式中， 冷却室 1506 保持在 -5℃的温度。一级主热电装置 2102 在 -5℃至 20℃之间工作， 而二级主热电装置 2106 在 20℃和环境温度 ( 接近 40℃ ) 之间工作。由于 蒸气二极管 1514 不需要分散二级主热电装置 2106 排出的焦耳热， 所以可使用更小的蒸气 二极管。两级热电冷却装置在较宽的温度范围内有效地工作。
图 22 示出了根据本发明的另一实施方式的冷却系统 2200 的横截面图。
冷却系统 2200 是两级分隔式热电冷却器的另一结构， 并且包括一级主热电装置 2102、 一级辅热电装置 2104、 二级主热电装置 2106、 蒸气二极管 1514、 以及热交换器 1518。 在冷却系统 2200 中， 不使用图 21 中的二级辅热电装置 2108。
一级热电装置 2102 和 2104 与冷却室 1506 连接。一级主热电装置 2102 与蒸气二 极管 1514 连接。二级主热电装置 2106 与蒸气二极管 1514 和热交换器 1518 连接。铜块 1702 附接至一级辅热电装置 2104， 以将由一级辅热电装置 2104 排出的热量传导至二级主 热电装置 2106。 散热风扇 1516 始终保持接通， 以分散由一级辅热电装置 2104 排出的热量。
当需要较大温差来将流体 1501 的温度保持在工作温度范围内时， 一级主热电装 置 2102 接通。二级主热电装置 2106 恒定地接通， 以分散来自一级主热电装置 2102 和一级 辅热电装置 2104 的热量。此外， 热交换器 1518 保持接通， 以将所提取的热量分散至周围环 境。
根据本发明的各种实施方式， 在热电冷却系统中热电装置、 蒸气二极管和热电容 器可以具有不同的布置。图 23a、 图 23b、 图 24a、 图 24b、 图 25a、 图 25b、 图 25c 和图 25d 举 例说明了这些布置。
图 23a 和图 23b 是通过标记描述热电装置和其它元件的示意图。图 23a 代表第 一两级冷却砖 2300 的布置， 而图 23b 代表第二两级冷却砖 2302 的布置。第一两级冷却砖 2300 和第二两级冷却砖 2302 中的每一个均包括两个热电装置， 即第一热电装置 2304 和第 二热电装置 2306， 接着是蒸气二极管 2308 和散热器 2310。
第一热电装置 2304 和第二热电装置 2306 通过第一两级冷却砖 2300 的冷端 2314 提取热量， 并使热量通过蒸气二极管 2308 到达散热器 2310。散热器 2310 将热量排出至周 围环境。
图 23b 中的第二两级冷却砖 2302 包括与第一两级冷却砖 2300 相同的热电装置、 蒸气二极管和散热器的布置。另外， 第二两级冷却砖 2302 包括第一热电容器 2316 和第二 热电容器 2318。第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318 与第二两级冷却砖 2302 的散热 路径并联地设置， 以压制 (clamp) 系统中不同点的温度， 并防止与热电容器 2316 和 2318 的 增加相应的任何附加的温度损失。高热容量材料 ( 例如， 相变材料 ) 通常具有低导热性， 并 能够增加路径的热阻。第一热电容器 2316 压制冷端 2314 的温度， 并且第二热电容器 2318 压制蒸气二极管 2308 的端部的温度。由于与散热器 2310 相比， 第一热电容器 2316 和第二 热电容器 2318 具有非常低的导热性， 所以串联地放置第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318 将导致沿着散热路径的巨大的温度损失。 因此， 并联布置是优选的， 这压制温度并确保沿着散热路径的最小的温度损失。由于 PCM 具有低导热率， 所以扩散第一热电容器 2316 和 第二热电容器 2318 内的热量以增加净导热性是重要的。
第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318 设计成在 PCM 的体积中分配热流， 而不 会导致各个电容器和周围环境之间出现明显的温度下降。在本发明的一个实施方式中， 第 一热电容器 2316 和第二热电容器 2318 具有毕奥数高的导体结构。在瞬时阶段的过程中， 第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318 的使用降低了第二两级冷却砖 2302 上的总温差， 从而导致高 COP。
图 24a 和图 24b 分别代表第三两级冷却砖 2400 和第四两级冷却砖 2402 的布置。 虽然大多数部件与图 23a 和图 23b 中的那些部件相似， 但是在此布置中， 它们的相对位置不 同。尤其是， 蒸气二极管 2308 附接至第一热电装置 2304 的冷侧。
根据本发明的此实施方式， 图 24a 的第三两级冷却砖 2400 包含蒸气二极管 2308， 接着是两个热电装置， 即第一热电装置 2304 和第二热电装置 2306。蒸气二极管 2308 包含 在低温下更有效的流体， 例如， 异丙醇。由于蒸气二极管 2308 存在于第三两级冷却砖 2400 中的冷侧， 所以与蒸气二极管 2308 布置在第一两级冷却砖 2300 的热侧通过的热通量相比， 蒸气二极管 2308 在冷侧通过更少的热通量。散热器 2310 将从冷端 2314 提取的热量以及 第一热电装置 2304 和第二热电装置 2306 的焦耳热排出至周围环境。
图 24b 的第四两级冷却砖 2402 包括与第三两级冷却砖 2400 相同的热电装置、 蒸 气二极管和散热器的布置。 除了第三两级冷却砖 2400 中的元件以外， 第四两级冷却砖 2402 包括第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318。 如结合图 23b 所描述的， 第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318 与第四两级冷却砖 2402 的散热路径并联地设置， 使得没有与热电容 器 2316 和 2318 的增加相应的温度损失。
在本发明的一个实施方式中， 第一热电容器 2316 压制冷端 2314 的温度， 并且第二 热电容器 2318 压制散热器 2310 的温度。
图 25a、 图 25b、 图 25c 和图 25d 分别是描述第五两级冷却砖 2500、 第六两级冷却砖 2502、 第七两级冷却砖 2504 和第八两级冷却砖 2506 的示意图。这些是热电装置、 蒸气二极 管和散热器的相对布置的其它变型。
根据本发明的此实施方式， 图 25a 所示的第五两级冷却砖 2500 包含设置在第一热 电装置 2304 和第二热电装置 2306 之间的蒸气二极管 2308。在此实施方式中， 蒸气二极管 2308 将第一热电装置 2304 和冷端 2314 隔离在第五两级冷却砖 2500 的断开状态中。蒸气 二极管 2308 处理从冷端 2314 提取的热量和第一热电装置 2304 的焦耳热。因此， 通过第五 两级冷却砖 2500 的蒸气二极管 2308 的热通量小于通过第一两级冷却砖 2300 的蒸气二极 管 2308 的热通量。图 25a 的布置能够在蒸气二极管上产生最佳温差， 从而改进其性能。
图 25b 所示的第六两级冷却砖 2502 包括与第五两级冷却砖 2500 相同的热电装 置、 蒸气二极管和散热器的布置。除了第五两级冷却砖 2500 中的元件以外， 第六两级冷却 砖 2502 包括与散热路径并联设置的第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318。如结合图 23b 和图 24b 所说明的， 此布置不仅压制不同点处热流的温度， 而且提高了冷却砖的效率。 在本发明的一个实施方式中， 第一热电容器 2316 压制冷端 2314 的温度， 并且第二热电容器 2318 压制散热器 2310 的温度。
图 25c 所示的第七两级冷却砖 2504 包括与第五两级冷却砖 2500 相同的元件， 但是具有不同的布置。在本发明的此实施方式中， 蒸气二极管 2308 与第二热电装置 2306 并 联。
图 25d 所示的第八两级冷却砖 2506 包括与第七两级冷却砖 2504 相同的热电装 置、 蒸气二极管和散热器的布置。除了第七两级冷却砖 2504 中的元件以外， 第八两级冷却 砖 2506 包括与散热路径并联设置的第一热电容器 2316 和第二热电容器 2318。如结合图 23b 和图 24b 所说明的， 此布置不仅压制不同点处热流的温度， 而且提高了冷却砖的效率。 在本发明的一个实施方式中， 第一热电容器 2316 压制冷端 2314 的温度， 并且第二热电容器 2318 压制散热器 2310 的温度。
图 26 示出了根据本发明的一个实施方式的冷却砖 2600 的透视图。根据本发明的 各种实施方式， 冷却砖 2600 在热电冷却系统 ( 例如， 冷冻器、 电冰箱和饮水机 ) 中用作冷却 发动机。根据本发明的一个实施方式， 冷却砖 2600 是 3 英寸长、 3 英寸宽、 1 英寸高的矩形 块体。然而， 根据应用和通过冷却砖的热通量的量， 冷却砖 2600 可以采用不同的尺寸。
根据本发明的各种实施方式， 冷却砖 2600 包括热电冷却器模块 2602、 蒸气二极管 2604、 以及开关电路 ( 在图 27 中标为 2704)。冷却砖 2600 具有两侧 - 第一侧 2608 和第二 侧 2610。根据本发明的一个实施方式， 第一侧 2608 与需要冷却的室连接 ( 结合图 28 和图 29 说明 )， 而第二侧 2610 与散热器连接 ( 结合图 27 说明 )。第一侧 2608 从所述室吸收热 量， 而第二侧 2610 排出热量。
蒸气二极管 2604 用作使通过冷却砖 2600 的热流保持方向依赖性的热二极管。蒸 气二极管 2604 允许热量从所述室流至散热器， 并防止热量从散热器流至所述室。
对于本发明来说， 热二极管的选择取决于热二极管的被称为双极性 (diodicity) γ 的参数。热二极管的双极性定义为前向传导方向上的导热性与反向方向上的导热性之 比。 为了本发明的目的， 热二极管具有尽可能高的双极性， 理想地大于或等于 100。 因此， 蒸 气二极管比其它热二极管更优选， 因为蒸气二极管的双极性大于 150。 根据本发明的其它实 施方式， 使用其它利用机械运动零件 ( 例如， 泵水回路和空气隔膜 ) 的热二极管。
冷却砖 2600 具有端口 2606， 其包括电导线， 以对热电冷却器模块 2602 和开关电 路提供直流电流。根据本发明的一个实施方式， 冷却砖 2600 被能够提供 6A 至 15A 电流的 12V 直流电流源供电。 如果用变压器和整流器将电压转变成 12V 直流至 15V 直流， 那么冷却 砖 2600 可被 110V 交流或 220V 交流供电。结合图 36 详细描述存在于冷却砖 2600 中的开 关电路。
根据本发明的各种实施方式， 冷却砖 2600 的热电冷却器模块 2602 包含能够将热 量从冷却砖 2600 的第一侧 2608 泵至第二侧 2610 的多个热电偶。在本发明的各种实施方 式中， 冷却砖 2600 还包含热元件， 例如热电容器。热电容器是具有高比热液体 ( 例如， 水) 的系统， 其能够用来将温度保持在期望的温度范围内。 在本发明的各种实施方式中， 热电容 器是 PCM 或具有高比热悬浮物的储水器。
除了从用于操作本发明中提到的冷却砖 2600 的方法产生的改进的 COP 以外， 冷却 砖 2600 在具有作为不同元件的热电冷却器模块、 蒸气二极管和开关电路的系统上的优点 是， 冷却砖 2600 使得冷却系统模块化， 与蒸气压缩机相似。因此， 使用冷却砖 2600 的制冷 系统易于装配并集成在电冰箱中， 从而降低制造成本。 因此， 不用任何电的或冷却的专门技 术， 便能够装配电冰箱。此外， 不用任何大的设计修改就可使用冷却砖 2600。此外， 冷却砖2600 具有更少的用于温度传感器和控制电路的外部配线， 并且， 砖的四个绝热侧可与绝热 体 ( 例如， 聚苯乙烯泡沫 ) 绝缘， 以防止热损失。
图 27 示出了根据本发明的一个实施方式的包含冷却砖 2600 的冷却系统 2700 的 分解图。
冷却系统 2700 是包含用于冷却冷却系统 2700 的冷却部分 2702 的电冰箱。 冷却部 分 2702 包含冷却砖 2600。如结合图 26 所说明的， 冷却砖 2600 包含热电冷却器模块 2602、 蒸气二极管 2604、 以及开关电路 2704。 提供热风扇 2706 和散热器 2708， 以便于将热量从冷 却砖 2600 传递至周围环境。提供冷却散热器 2710 和冷风扇 2712， 以便于将热量从待冷却 的流体传递至冷却砖 2600。
图 28 示出了根据本发明的一个实施方式的具有冷却砖 2600 的冷却系统 2800 的 横截面图。除了冷却砖 2600 以外， 冷却系统 2800 包括冷室 2812、 第三热电容器 2806、 包含 热管的金属板 2808、 以及散热器 2810。根据本发明的另一实施方式， 金属板 2808 可包含一 组的一个或多个热管。
在冷却系统 2800 中， 冷室 2812 包含需要冷却的流体 2802。根据本发明的一个实 施方式， 流体 2802 是冷藏库或电冰箱的空气。冷室 2812 由第一绝缘壁 2804 包围， 第一绝 缘壁有助于防止热量从周围环境传递至流体 2802， 从而有助于将流体 2802 保持在期望的 温度范围内。在一个示例性实施方式中， 期望的温度范围在 0℃至 8℃之间。根据本发明的 各种实施方式， 第一绝缘壁 2804 由具有低导热性的材料制成。具有低导热性的材料的典型 实例包括聚亚安酯和泡沫塑料。
通过存在于冷却系统 2800 中的冷却砖 2600 来实现冷室 2812 中的流体 2802 的冷 却。 当直流电流通过冷却砖 2600 时， 冷却砖 2600 通过散热器 2810 和风扇 2814 从流体 2802 提取热量， 从而冷却流体 2802。提供风扇 2814， 以帮助将热量从散热器 2810 分散至周围环 境。所提取的热量和冷却砖 2600 的焦耳热被分散至嵌在金属板 2808 中的热管， 该金属板 与冷却砖 2600 连接。热管将金属板 2808 顶部的温度保持为与金属板底部的温度相同。金 属板 2808 的另一侧在顶部与第三热电容器 2806 连接， 而在底部与散热器 2810 连接。在开 关瞬时的过程中， 第三热电容器 2806 将金属板 2808 的温度保持为接近环境温度的恒定值。 另外， 散热器 2810 和风扇 2814 将热量分散至周围环境， 并且也将金属板 2808 的温度保持 为接近环境温度。散热器 2810 和第三热电容器 2806 的相对位置能够互换， 只要它们与金 属板 2808 热连接即可。
在一个示例性实施方式中， 第三热电容器 2806 是相变温度稍高于 (5℃ ) 环境温度 的 PCM 的包装。在另一示例性实施方式中， 第三热电容器 2806 中的 PCM 由石蜡制成。用来 制造第三热电容器 2806 中的 PCM 的石蜡的典型实例包括二十烷和二十二烷。在又一示例 性实施方式中， 第三热电容器 2806 中的 PCM 由水合盐制成。七水合硫酸镁是用来制造第三 热电容器 2806 中的 PCM 的典型水合盐的一个实例。在又一示例性实施方式中， 第三热电容 2806 器中的 PCM 由液态金属制成。用来制造第三热电容 2806 器中的 PCM 的液态金属的典 型实例包括， 但不限于， 镓、 铟和锡合金。
根据本发明的一个实施方式， 在冷室 2812 中设置有冷侧散热器 2816 和冷风扇 2818。冷侧散热器 2816 和冷风扇 2818 有助于将热量从流体 2802 传递至冷却砖 2600， 并有 助于在冷室 2812 中保持均匀的温度。图 29 示出了根据本发明的一个实施方式的具有冷却砖 2600 的冷却系统 2900 的 横截面图。冷却系统 2900 包括包含第一流体 2902 的第一室 2910、 以及包含第二流体 2904 的第二室 2912。
在冷却系统 2900 中， 第二室 2912 包含需要冷却的第二流体 2904。在本发明的一 个示例性实施方式中， 第二流体 2904 是水。通过冷却砖 2600 来实现第二流体 2904 在第二 室 2912 中的冷却。当直流电流通过冷却砖 2600 时， 其从第二流体 2904 提取热量， 从而冷 却第二流体 2904， 并将所提取的热量和冷却砖 2600 的焦耳热分散至包含于金属板 2808 中 的热管， 该金属板与冷却砖 2600 连接。第二室 2912 由阻止热量从周围环境和第一室 2910 流至第二流体 2904 的第二绝缘壁 2906 包围， 从而有助于将第二流体 2904 保持在恒温范围 内。
金属板 2808 包括第一端和第二端。第一端具有与冷却砖 2600 的热端机械地连 接的第一表面以及与散热器 2810 连接的相对表面。第二端夹在具有 PCM 的第三热电容器 2806 和第一室 2910 的导热壁之间。根据本发明的一个实施方式， 金属板 2808 的第二端以 如下方式与第三热电容器 2806 连接 ： 即金属板 2808 能够将在冷却砖 2600 的热端分散的热 量传递至第三热电容器 2806， 第三热电容器保持在接近环境温度的恒温。 第一室 2910 中的 第一流体 2902 也用作热电容器， 并将金属板 2808 的温度保持为接近环境温度。
第一室 2910 以使得由冷却砖 2600 分散的热量传递至第一流体 2902 的方式与金 属板 2808 的第二端机械地连接。根据一个实施方式， 第一室 2910 包括能够将热量从金属 板 2808 传递至第一流体 2902 的热传导部分 2908。由于水具有高比热， 所以其有助于在第 一室 2910 中保持恒温。因此， 在本发明的一个实施方式中， 第一流体 2902 是水。此外， 第 一流体 2902 的体积比第二流体 2904 的体积大。因此， 第一流体 2902 具有比第二流体 2904 高的热容量。因此， 即使当接通冷却砖 2600 时， 第一流体 2902 的温度也相对恒定。根据一 个实施方式， 第一流体 2902 和第二流体 2904 之间的通常温差在 20℃至 25℃之间变化。
在一个实施方式中， 第一室 2910 和第二室 2912 通过流体管道 2914 连接， 以能够 将流体从第一室 2910 传递至第二室 2912。为了本描述的目的， 对于冷却系统 2900 仅示出 了两个室。然而， 对于本领域的技术人员来说将显而易见的是， 冷却系统 2900 可以包括不 止两个室， 并且， 能够级联冷却方案， 以将流体冷却至低温。
图 30 示出了描述对于 (1) 传统的冷却装置和 (2) 根据本发明的各种实施方式的 冷却系统的温度随时间的变化的两个示图。
示图 1 画出传统的冷却装置在流体的冷却过程中温度和时间的关系。 在示图 1 中， 水平轴线 3002 代表时间， 并且竖直轴线 3004 代表温度。第一虚线 3006 代表恒定的环境温 度， 并且在示图 1 中用 T 环境表示。此外， 第二虚线 3008 对应于流体需要冷却至的目标温度， 并且在示图 1 中用 T 设定表示。另外， 对应于传统的冷却装置的热端的最大温度的第三虚线 3010 在示图 1 中用 TEC(TH1) 的热端表示。当接通传统的冷却装置时， 冷却器的热端快速地 达到平衡温度 TH1， 这取决于散热器的效率和相关的气流。在使用普通散热器的传统的冷却 装置中， TH1 比环境温度高大约 20 度。TH1 和 T 环境之间的差由第一双箭头 3012 表示， 并在示 图 1 中标记为 ΔT 热。此外， TH1 和 T 设定之间的差由第二双箭头 3014 表示， 并在示图 1 中标 记为 ΔT 传统。
在使用传统冷却装置的冷却过程中， 待冷却的流体初始处于 T 环境。在持续时间 τ21101965490 A CN 101965491传统说明书19/32 页之后， 流体的温度降至 T 设定。第一曲线 3016 代表流体温度的时间变化， 并且在示图 1 中 由 T 水表示。由于传统的冷却装置将所提取的热量和装置的相关焦耳热分散至热端， 所以传 统的冷却装置的热端的温度升高。通常， 传统的冷却装置的热端的温度升高在 35℃至 45℃ 的范围内。第二曲线 3018 画出在冷却过程中热端的温度随时间的变化。虽然传统的冷却 装置的热端快速地达到平衡， 但是， 流体仅在时间段 τ 传统之后达到期望的冷温度。
当断开传统的冷却装置时， 热量从传统的冷却装置的热端回流至冷流体中。在示 图 1 中， 第三曲线 3020 代表这种热量通过热电装置的回流， 并且标记为 T 回流。 第三曲线 3020 是已经断开传统的冷却装置之后冷却流体的温度随时间的变化。当断开传统的冷却装置 时， 热量从热端 (TH1) 流至流体 (T 水 )。如示图 1 所示， TH1 示出了下降 ( 在一些情况中， 甚至 低于环境温度 )。在传统的冷却装置中， 冷却模块和散热器之间的导热性最大， 以优化其传 递热量的效率。这通常通过涂敷导热界面糊剂或环氧树脂来实现。虽然， 当断开传统的冷 却装置时， 与散热器的紧密热接触在正常操作过程中是有利的， 但是， 这种高导热性推动热 量回流至冷却流体中。因此， 必须将传统的冷却装置保持操作， 这会增加能耗。
当接通传统的热电冷却装置以冷却流体时， 热电冷却器的热端根据散热器的效率 和相关的气流而快速地达到平衡温度。在使用普通的铝散热器和普通的热侧风扇 ( 大约 40-50c.f.m 气流 ) 的传统的热电冷却装置中， 此平衡温度在 40℃至 45℃的范围内， 这比环 境温度高大约 20℃。当断开传统的热电冷却装置时， 热量从其热端回流至流体中。 此外， 在传统的热电冷却装置中， 散热器的导热性最大， 以降低热电冷却器的热侧 的温度， 从而使其冷却效率最大。通过在热电冷却器和散热器之间涂敷导热界面糊剂或环 氧树脂来增加导热性。 而且， 为了降低传统的热电冷却系统的热侧温度， 较大的散热器和具 有较大气流的风扇是优选的。虽然， 更好的热接触和更大的散热器便于在接通状态更好地 散热， 但是， 这些在断开状态增强了热量的回流。因此， 通常必须将传统的冷却装置保持操 作， 这会导致增加能耗。
示图 2 示出了根据本发明的一个实施方式的热电冷却装置的性能， 并画出了冷却 过程中流体的温度随时间的变化。
根据一个实施方式， 第一本体具有两种不同的导热性。 根据此实施方式， 当接通热 电冷却装置时， 热电装置的热端和第一流体之间的导热性高， 当断开热电冷却装置时， 导热 性低。
在示图 2 中， 水平轴线 3022 代表时间， 并且竖直轴线 3024 代表温度。 在示图 2 中， 第五虚线 3028 代表流体已经冷 第四虚线 3026 代表用 T 环境表示的恒定的环境温度。此外， 却之后的温度下限， 在示图 2 中用 TSL 表示。第六虚线 3030 代表流体的温度上限。此温度 级别在示图 2 中用 TSU 表示， 并对应于需要再次接通冷却系统时的温度阈值。在简单的成比 例的控制系统中， 这两个温度定义了比例范围。
第七虚线 3032 代表对应于瞬时阶段结束的时间， 即， 当将热电装置断开第一时间 时的时间。对应于在瞬时之后接通热电装置时的开关循环阶段的时间在第八虚线 3034 和 第九虚线 3036 之间示出。
在示图 2 中， 热电装置的热端的最大温度和 T 环境之间的差用第三双箭头 3038 代 表， 并且用 ΔT 热表示。在示图 2 中， 环境温度 T 环境和 TSL 之间的差用第四双箭头 3040 代表， 并且用 ΔTSTEC 表示。
在比较这两张示图时， 显而易见的， 示图 1 中的 ΔT 热比示图 2 中的 ΔT 热高。这是 因为， 在根据本发明的实施方式的热电装置的散热器处分散的热量分散在第一流体中。第 一流体的高热容量压制热电装置的散热器的温度上升。在示图 2 中， 热电装置的热端的温 度变化用第四曲线 3042 代表， 并且用 TH2 表示。 此外， 第二流体的温度变化用第五曲线 3044 代表， 并用 T 水表示。在一个示例性实施方式中， 冷却系统的热端的温度上升在 1℃至 3℃的 范围内。这种热端温度的上升明显小于传统的冷却装置情况下的温度的上升。对于本领 域的技术人员来说， 应该显而易见的是， 当热电装置的端部上的温差最小时， 热电装置最有 效。由于 TH2 保持为接近环境温度， 如示图 2 中所示， 所以热电装置比传统设计更快且更有 效地达到 TSL。这使得能够更早地断开冷却装置。另外， 由于防止了热量的回流， 所以能够 将冷却装置保持断开更长的时间段。
如示图 2 中所示， 当断开热电装置时， 第二流体花费更多的时间来达到 TSU。第一 本体中的热流的定向性质防止热量从热电装置的热端的回流， 如第六曲线 3046 所代表的， 并且在示图 2 中用 T 回流表示。这在第一本体不以和热二极管相似的方式工作的传统设计中 通常是不可能的。通常， 断开状态的时间可以是接通状态的时间的 5 倍。这导致进一步提 高了冷却装置的效率。 当不排出第二流体且热电装置长时间运行时， 这尤其有利， 从而节约 了电力。
图 31 示出了描述输入电流随时间的变化的示图 3、 以及描述对于根据本发明的一 个实施方式的热电冷却系统的温度随时间的变化的示图 2( 结合图 30 说明 )。
示图 3 画出了在利用根据本发明的一个实施方式的热电冷却装置冷却流体的过 程中电流和时间的关系。在示图 3 中， 水平轴线 3102 代表时间， 并且竖直轴线 3104 代表电 流。第十虚线 3106 代表最佳电流 IOPT。当最佳电流 IOPT 通过热电冷却系统时， 热电冷却系 统的效率最大。
在本发明的实施方式中， 热电冷却装置具有带有强双极性的蒸气二极管， 这在接 通状态中导致高导热性， 并在断开状态中导致极低的导热性。 因此， 热电冷却装置将热开关 与电开关组合在一起， 以提供有效的制冷系统。在一个实施方式中， 在时间 t 时断开热电装 置， 其中， 时间 t 小于或等于恒定时间的两倍 ( 用 2τ 表示 )， 导致热电冷却装置的 COP 翻 倍。在图 31 中， 用 3108 代表电流随时间的变化。
利用热电冷却装置将流体从环境温度 T 环境冷却并将其温度保持在温度范围 (TSL 至 TSU) 内的过程包括两个阶段一瞬时阶段和开关循环阶段。在瞬时阶段中， 热电冷却装置接 通， 直到流体从环境温度冷却至温度下限 TSL 为止。由于在瞬时阶段完成冷却， 所以热电冷 却装置的热端的温度在此阶段中升高至其最高极限。当达到温度下限时， 热电冷却装置断 开， 并且， 温度由于进入流体的热量泄漏而升高。 通过以规则的间隔接通和断开热电冷却装 置， 即， 开关循环阶段， 将流体的温度保持在温度范围 TSL 至 TSU 内。 在开关循环阶段中， 热电 冷却装置泵出在断开状态泄漏的少量热量。 因此， 在开关循环阶段中， 热电冷却装置的热端 的温度示出了可忽略的或不明显的上升。
对于本领域的技术人员来说， 应该显而易见的是， 当热电冷却装置端部上的温差 最小时， 热电冷却装置最有效。 在本发明的一个实施方式中， 热电容器将热电冷却装置的热 侧温度压制为接近环境温度。 因此， 与传统的热电冷却装置相比， 利用本热电冷却装置流体 可更快且更有效地达到 TSL。 因此， 与传统的热电冷却装置所需的时间相比， 本热电冷却装置保持接通所需的时间少。 这改进了根据本发明的热电冷却装置的工作循环和效率。 另外， 由 于防止了热量的回流， 所以本热电冷却装置能够长时间保持断开， 从而节约了大量的能量。
当本热电冷却装置断开时， 与在传统的热电冷却装置中花费的时间相比， 流体花 费更多的时间来达到 TSU。蒸气二极管中的热流的定向性质防止了热量从热电冷却装置的 热端的回流。
在示图 2 中， 热电冷却装置接通的时间段用 “ON” 表示， 热电冷却装置断开的时间 段用 “OFF” 表示。
为了使瞬时阶段的 COP 最大， 应该在最佳时间时断开热电冷却装置。在一个实施 方式中， 当最佳电流 IOPT 流过热电冷却装置时， 热电冷却装置的效率最大。
根据本发明， 基于由热电装置冷却并由电流阶跃波形供电的冷却系统的分析， 代 表最佳电流 IOPT 的等式是 ：
其中，Z 是热电材料的性能因数 ；
T0 是环境温度， 在该温度下热电装置的热侧被压制 ；
TS 是设定点温度 ； 并且
R 是热电材料的阻值。
此外， 当最佳电流 IOPT 通过热电装置时， 在瞬时阶段之后没有开关循环时所述室达 到的稳定状态温度由以下等式给出 ：
其中，
TC ∞ (IOPT) 是稳定状态温度， 如果没有开关， 那么所述室将在瞬时阶段结束时达到 此温度 ；
T0 是环境温度， 在该温度下热电装置的热侧被压制 ；
K 是热电装置的导热率 ；
KI 是冷室的漏电导 (leakage conductance) ； 并且
S 是热电装置的有效泽贝克系数 (seebeck coefficient)。 用时间的指数衰减函数来估计热电冷却过程， 从而用以下等式来代表冷端温度 ： -t/τ TC(t) ＝ TC ∞ -(TC ∞ -T0)e (3) TC(t) 是冷却材料在时间 t 时的温度 ； TC ∞是冷却材料的稳定状态温度 ； T0 是冷却材料的初始温度 ； 并且 τ 是时间常数， 其与总热容量成正比， 并与 (K+SI) 成反比。 此外， 最佳操作模式下的冷却的时间常数由以下等式给出 ：其中，
m 是所述室中的材料的质量 ； 并且
C 是所述室中的材料的有效热容量。
此外， 工作循环 (D) 代表当冷却器处于接通状态时开关循环周期所占的分数。较 小的工作循环成比例地表示较低的功率耗散， 因为热电装置仅在少量时间时处于 ON。对于 最佳电流的工作循环由以下等式给出 ：
图 32 示出了描述对于根据本发明的一个实施方式的冷却系统的温度和电流随时 间的变化的示图。
示图 4 画出了利用根据本发明的热电冷却装置冷却流体的过程中电流和时间的 关系。 除了结合示图 3 描述的元件以外， 示图 4 包括随后的开关循环过程中电流的变化。 在 第十一虚线 3202 和第十二虚线 3204 之间描述了附加的开关循环。
示图 5 示出了热电冷却装置的性能， 并画出了流体温度在根据本发明的一个实施 方式的冷却过程中的时间变化。除了结合示图 3 描述的要素以外， 示图 4 包括随后的开关 循环过程中热电冷却装置的性能。
图 33 示出了两张示图， 示图 6 描述了输入电流随时间的变化， 并且示图 7 描述了 对于根据本发明的另一实施方式的具有正比电流反馈的热电系统的温度随时间的变化。
示图 6 画出了利用根据本发明的一个实施方式的热电冷却装置冷却流体的过程 中电流和时间的关系。 在示图 6 中， 水平轴线 3302 代表时间， 并且竖直轴线 3304 代表电流。 第十虚线 3106 代表最佳电流 IOPT。当最佳电流 IOPT 通过热电冷却系统时， 热电冷却系统的 效率最大。
在本发明的一个实施方式中， 电流的波形形状由以下等式给出 ：
I(t) ＝ βΔT (6)
其中，
ΔT 是热电冷却器模块上的瞬时温差 ； 并且
β 是比例常数。
因此， 通过热电冷却装置的电流与热电冷却器模块上的温差成正比。在图 33 中， 输入电流随时间的变化用 3306 代表。
示图 7 示出了根据本发明的一个实施方式的具有正比反馈的热电冷却装置的性 能， 并且画出了在冷却过程中流体温度相对于时间的变化。在示图 7 中， 水平轴线 3308 代 表时间， 并且竖直轴线 3310 代表温度。与热电冷却器模块上的温差成正比的通过电流提高 了冷却效率。
在示图 7 中， 具有正比电流反馈的热电装置的热端的温度变化用第七曲线 3312 代 表。此外， 在示图 7 中， 流体温度从 T 环境到 TSL 的变化用第八曲线 3314 代表。
在示图 7 中， 当断开热电装置时， 流体温度从 TSL 到 TSU 的变化用第九曲线 3316 代 表， 并用 T 回流表示。在示图 7 中， 环境温度 T 环境和 TSL 之间的差用第四双箭头 3040 代表， 并 用 ΔTSTEC 表示。
图 34 示出了描述对于根据本发明的又一实施方式的脉冲宽度调制 (PWM) 方案的 温度和电压随时间的变化的示图。 在此实施方式中， 开关 (3602， 结合图 36 说明 ) 在冷却循 环的 ON 周期过程中用不同的脉冲宽度数字地转换整流器 (3710， 结合图 37 说明 ) 的输出， 从而产生随时间变化的平均电流。与热时间常数 ( ＞ 1000 秒 ) 相比， PWM 开关增加和减少 时间短得多 ( ＜ 1 毫秒 )。PWM 技术与利用蒸气二极管的热开关技术相结合的使用能够明 显地降低功率耗散。
在示图 8 中， 水平轴线 3402 代表时间， 并且竖直轴线 3404 代表热电冷却器上的电 压。如示图 8 所示， 脉冲宽度调制电压波形允许以数字方式改变热电冷却装置的有效偏压 电流， 而示图 6 示出了改变其的模拟方式。如示图 8 所示， 第一瞬时 ( 描述为 3408) 过程中 热电冷却装置上的电压的脉冲宽度以短脉冲宽度 / 工作循环开始， 并增加至大脉冲宽度。 这导致通过热电冷却装置的成比例的更高的电流。在流体温度达到设定温度之后， PWM 开 关的脉冲宽度和工作循环在 ON 周期 ( 在第八虚线 3034 和第九虚线 3036 之间描述 ) 过程 中减小。这些减小的脉冲宽度对应于通过热电冷却装置的较小的电流， 并进一步减小平均 时间的能耗。此外， PWM 开关过程中的最大电压电平 ( 描述为 3406) 处于整流的直流电平。
示图 9 示出了根据本发明的一个实施方式的具有脉冲宽度调制电压的热电冷却 装置的性能， 并且画出了在冷却过程中流体温度随时间的变化。 在示图 9 中， 水平轴线 3410 代表时间， 并且竖直轴线 3412 代表温度。除了使用蒸气二极管的热开关循环以外， 用脉冲 宽度调制电压波形对热电冷却装置供电提高了冷却效率。
在示图 9 中， 使用脉冲宽度调制供应的冷却砖的热端的温度变化用第十曲线 3414 代表。此外， 在示图 9 中， 流体温度从 T 环境到 TSL 的变化用第十一曲线 3416 代表。
在示图 9 中， 当断开热电冷却装置时， 流体温度从 TSL 到 TSU 的变化用第十二曲线 3418 代表， 并用 T 回流表示。在示图 9 中， 环境温度 T 环境和 TSL 之间的差用第四双箭头 3040 代表， 并用 ΔTSTEC 表示。
图 35 示出了描述对于根据本发明的一个实施方式的具有主热电冷却器和辅热电 冷却器的冷却系统的温度和电流随时间的变化的示图。
在一个实施方式中， 主热电冷却器是冷却砖 2600， 其在一定周期内保持接通， 以在 室中产生冷却效果， 并且辅热电冷却器是小型热电冷却器。辅热电冷却器始终接通并连续 地供应小电流， 以补偿热量从所述室的泄漏。
在示图 10 中， 水平轴线 3502 代表时间， 并且竖直轴线 3504 代表电流。主热电冷 却器接通， 并且一定时间内提供输入电流 I0， 在该时间之后主热电冷却器断开。在图 35 中， 用 3506 代表供应至主热电冷却器的电流随时间的变化。在示图 10 中， 用 3508 代表经过辅 热电冷却器的泄漏电流。
示图 11 代表具有主热电冷却器和辅热电冷却器的冷却系统的性能。根据本发明 的一个实施方式， 示图 11 画出了冷却过程中所述室中的温度和时间变化。在示图 11 中， 水 平轴线 3510 代表时间， 并且竖直轴线 3512 代表温度。
如结合示图 2 所说明的， 第四虚线 3026 代表环境温度， 如示图 11 中 T 环境所表示的。此外， 第七虚线 3032 代表对应于瞬时阶段结束的时间， 即， 热电装置断开第一时间时的 时间。
在示图 11 中， 本发明的此实施方式中的冷却砖的热端的温度变化用第十三曲线 3514 代表。此外， 在示图 11 中， 流体温度从 T 环境的下降用第十四曲线 3516 代表。
在示图 11 中， 冷却砖 2600 断开时的瞬时之后的流体温度的变化用 3518 代表。在 示图 11 中， 环境温度 T 环境和温度下限 TSL 之间的差用第四双箭头 3040 代表， 并用 ΔTSTEC 表 示。
图 36 是根据本发明的一个实施方式的开关电路 2704 的电路图。开关电路 2704 包括热电冷却器模块 2602、 开关 3602、 以及传感器 3606。 开关电路 2704 的目的是实现一种 开关方案， 该开关方案基于冷却砖 2600 的第一侧 2608 的温度来实现接通和断开热电冷却 器模块 2602。
开关电路 2704 由直流电源操作。 在一个实施方式中， 直流电源是 12V 电源、 24V 电 源、 或任何其它电源。根据本发明的一个实施方式， 传感器 3606 实现与温度传感器电路相 似的电路。根据本发明的一个实施方式， 传感器 3606 利用 Maxim 公司的 MAX6505 来实现与 温度传感器电路相似的电路。此外， 传感器 3606 通常在 5.5V 下工作。此外， 在对应于温度 上限和温度下限的设定温度下对传感器 3606 进行预编程。在本发明的一个实施方式中， 对 应于温度下限的设定温度是 0℃。传感器 3606 具有用于固定传感器 3606 的设定温度的内 部二极管。传感器 3606 具有可编程的工作范围。在一个买施方式中， 传感器 3606 的工作 范围的下限是 0℃， 且上限是 10℃。 开关电路 2704 包括用 R1 表示的第一电阻器 3604 和用 R2 表示的第二电阻器 3608。 R1 和 R2 划分 12V， 以提供能够与传感器 3606 的输入耦合的 5.5V 电源。在本发明的一个实 施方式中， 传感器 3606 获得 18 毫安级的小电流作为输入。传感器 3606 的输出是开放漏极 型输出， 其中用 R3 表示第三电阻器 3610。第三电阻器 3610 用作开放漏极的负载。在本发 明的一个实施方式中， 开关 3602 是具有低的漏极到源极阻抗的功率 MOSFET， 通常小于 10 毫 欧。
热电冷却器模块 2602 用作开关 3602 的负载。在一个典型的冷却砖 2600 中， 传感 器 3606 与冷却砖 2600 的第一侧 2608 接触， 并检测冷却砖 2600 的第一侧 2608 处的温度。 在一个实施方式中， 除了传感器 3606 以外， 开关电路 2704 的元件位于存在于冷却砖 2600 热侧上的印刷电路板上。起初， 当接通电路时， 冷却砖 2600 的第一侧 2608 处的温度高， 并 并且， 开关 断开存在于传感器 3606 的输出处的晶体管。因此， 没有电流流过第三电阻器 R3， 3602 的栅极被上拉至 12V， 从而将其接通。结果， 电流流过热电冷却器模块 2602。热电冷 却器模块 2602 的电阻比开关 3602 的电阻高得多。在本发明的一个实施方式中， 热电冷却 器模块 2602 的电阻在 0.5 欧至 10 欧的范围内， 而开关 3602 的电阻小于 10 毫欧。因此， 几 乎所有 12V 电源供应落在热电冷却器模块 2602 上。这偏压热电冷却器模块 2602， 并且最 佳电流开始流过热电冷却器模块。因此， 热电冷却器模块 2602 开始冷却， 并且冷却砖 2600 的第一侧 2608 处的温度开始下降。当冷却砖 2600 的第一侧 2608 的温度达到温度下限 TSL 时， 存在于传感器 3606 的输出处的晶体管接通， 使得开关 3602 的栅极处的电压小于阈值电 压 (0.5V)， 并且开关 3602 断开。 有限的电流流过第三电阻器 R3， 因而功率耗散是可忽略的。 当开关 3602 断开时， 热电冷却器模块 2602 也断开。因此， 热电冷却器模块 2602 断开， 并且
冷却停止。
图 37 代表根据本发明的一个实施方式的热电冷却系统 3700 的示意图。热电冷却 系统 3700 包括冷室 3702、 冷却砖 2600、 传感器 3606、 第三热电容器 2806、 变压器 3708、 以及 整流器 3710。
提供交流线路电压源 3712， 以对热电冷却系统 3700 供应 110V 或 220V 的电源。变 压器 3708 是将输入电压减小至适合于冷却系统 2700 的功能的电压的降压变压器。整流器 3710 将交流电压转换成直流电压， 然后将该直流电压供应至冷却砖 2600。直流电流沿箭头 3714 指示的方向流过冷却砖 2600。传感器 3606 感测冷室 3702 中的温度， 并且冷却砖 2600 的开关电路基于传感器 3606 的输出而工作。当冷室 3702 中的温度高于温度上限 TSU 时， 开 关 3602 接通， 并且当温度低于温度下限 TSL 时， 开关断开。
图 38 示出了根据本发明的一个实施方式的第一本体 108 的横截面图。第一本体 108 包括室 3800、 第一导体 3802 和第二导体 3804、 一个或多个绝缘体 ( 例如， 绝缘体 3806 和 绝缘体 3808)、 由工作流体 3811 填充的流体储存器 3810、 填充管 3812( 替代地叫做脆性管 (crimped tube)3812)、 联结至第一导体 3802 的一个或多个热管 3814、 以及设置在室 3800 和第二导体 3804 之间且在室的底部处以将工作流体 3811 与第二导体 3804 隔开的绝缘体 块 3816。第一本体 108 具有取决于热量流动的方向依赖性， 并用作热二极管。从热电装置 106 排出的热量使第一导体 3802 的温度上升。联结至第一导体 3802 的热管 3814 具有烧结 内表面 ( 结合图 39 提到 )。这种烧结表面不仅增加了有效的蒸发表面， 而且提供强大的毛 细力， 以沿着竖直方向牵拉工作流体 3811。 当工作流体 3811 在从热电装置 106 的热侧吸收 热量之后而从烧结表面蒸发时， 工作流体通过设置在热管的壁中的微孔 3822 逸入室 3800 中。蒸气在室 3800 的冷凝表面 3824 上冷凝， 并补充流体储存器 3810。
第一导体 3802 和第二导体 3804 由能够沿着蒸发和冷凝表面均匀地分布热量的 导热材料制成。这种导热材料的实例包括， 但不限于 ： 铜； 铝； 导热陶瓷， 例如， 涂有镍的铝 (AlN3) ； 氧化铝 (Al2O3) ； 等等。绝缘体 3806 和绝缘体 3808 将第一导体 3802 和第二导体 3804 热隔离， 从而保持它们之间的温差。此外， 绝缘体 3806 和绝缘体 3808 也将室 3800 与 周围环境隔开， 并对室 3800 提供结构。在绝缘体 3806 和绝缘体 3808 中使用的材料的实例 包括， 但不限于， 阻燃剂 4(FR4)、 具有超薄金属的 FR4 的合成物、 玻璃、 玻璃 / 树脂基体、 可机 加工陶瓷 ( 例如玻璃陶瓷 )、 丙烯酸、 云母 - 陶瓷合成物， 等等。通常， 绝缘体 3806 和 3808 应具有与导体 3802 和 3804 相同的热膨胀系数。这使得绝缘体 3806 和 3808 与导体 3802 和 3804 的热膨胀相似， 从而提高了它们之间的环氧树脂或焊接接头的可靠性。例如， 当导 体 3802 和 3804 由铜制成时， FR4 是优选的绝缘体材料， 因为其具有与铜相同的热膨胀系数。
在一个实施方式中， 通过设置在第一导体 3802 或第二导体 3804 中的填充管 3812 来填充流体储存器 3810 中的工作流体 3811。根据本发明的各种实施方式， 所使用的工作 流体 3811 是水。在本发明的另一实施方式中， 使用具有较低的蒸发潜热的工作流体 3811。 这种流体的实例包括， 但不限于， 氨水、 乙醇、 丙酮、 以及碳氟化合物 ( 例如， 氟利昂 )。 通常， 工作流体的选择以工作温度范围为基础。
在本发明的一个示例性实施方式中， 第一本体 108 连接在热电装置 106 的热端和 第一室 102 之间。当流体储存器 3810 中的工作流体 3811 与连接至热电装置 106 热端的第 一导体 3802 以及相应的烧结表面接触时， 流体获得热量并开始蒸发以形成蒸气 3818。热管 3814 中的微孔允许蒸气 3818 逸入室 3800 中。根据一个实施方式， 热管 3814 联结至设 置于第一本体 108 中的第一导体 3802。 通过毛细管作用， 热管 3814 的烧结表面从流体储存 器 3810 聚集工作流体 3811， 并向上携带工作流体。热管 3814 的烧结表面在第一导体 3802 上提供较大的表面面积。为了使热管 3814 和第一导体 3802 上的热损失最低， 利用薄焊料 或导热环氧树脂将热管 3814 附结至第一导体 3802。
蒸气 3818 将由其携带的热量传递至第二导体 3804， 在第二导体处， 蒸气 3818 损失 热量以凝结成液滴 3820。 在本实施方式中， 液滴 3820 形成在第二导体 3804 的内侧上， 并且 在重力的帮助下， 液滴 3820 向下滚动以补充流体储存器 3810。在本发明的一个实施方式 中， 用疏水涂层涂覆第二导体 3804 的内表面， 以能够更好地聚集在流体储存器 3810。
设置于第二导体 3804 中的填充管 3812 在第一本体 108 的室 3800 内产生低压。 低 压允许工作流体 3811 在接近室温的温度下蒸发。通常， 对于作为工作流体 3811 的水， 在填 充管 3812 的外端处测量的压力小于 20 托。在一个示例性实施方式中， 填充管 3812 由无氧 铜制成， 在室 3800 中产生低压之后无氧铜可变脆 (crimped)。
在本实施方式中， 绝缘体块 3816 附接至绝缘体 3806 的表面， 以将流体储存器 3810 与第二导体 3804 隔开。根据本发明的一个实施方式， 绝缘体块 3816 可以是绝缘体 3806 的 组成部分。通常， 绝缘体块 3816 防止与第二导体 3804 接触的水的蒸发， 并防止之后的反向 热量流动。
根据本发明的一个实施方式， 当断开热电装置 106 时， 流体储存器 3810 中的工作 流体 3811 由于进入绝缘体块 3816 而不与第二导体 3804 接触。因此， 热量通过工作流体 3811 的传导而从第二导体 3804 到第一导体 3802 的回流是可忽略的或不存在的。 这使得第 一本体 108 能够用作绝热体， 并防止热量在后向方向上从第一室 102 中的第一流体 110 传 递至第二室 104 中的第二流体 124。 根据一个示例性实施方式， 第一本体 108 后向方向上的 导热性通常前向方向上的导热性小 100 倍。
图 39 示出了根据本发明的一个实施方式的第一本体 108 的横截面图。图 39 包括 参考图 38 描述的元件， 热管 3814 除外。代替热管 3814， 提供有表面 3902( 其是微槽表面或 烧结铜表面 ) 作为蒸发表面。在本实施方式中， 第一导体 3802 的内表面具有表面 3902， 以 产生沿着表面牵拉工作流体 3811 所必需的毛细力。可通过化学方式蚀刻通道或金属切割 来形成表面 3902。在一个示例性实施方式中， 通道是几十微米深。这些通道应该基于第一 导体 3802 上的热负载来设计， 因为更高的热负载会导致通道中的流体的过早变干。这些微 通道也可由硅晶片构造并附接至第一导体 3802。 微通道的另一便宜且有效的替代方式是烧 结的金属表面。在热管行业中， 蒸发器表面上的烧结铜粉是已确定的实践， 并且， 烧结提供 可沿着竖直方向牵拉工作流体 3811 的最大毛细力。
在一个实施方式中， 第一导体 3802 和第二导体 3804 之间的绝缘部分是 45 度的绝 缘表面 3904。绝缘管的典型实例包括， 但不限于， 丙烯酸、 玻璃、 以及 FR4 管。提供绝缘管 3904， 将第二导体 3804 放置在比第一导体 3802 更高的高度， 从而形成与第二导体 3804 隔 离的流体储存器 3810。在此实施方式中， 由于工作流体 3811 的隔离本质上是内置的， 所以 绝缘体块 3816 不是必需的。
图 40 示出了根据本发明的一个实施方式的对称蒸气二极管 4000 的横截面图。对 称蒸气二极管 4000 包括室 3800、 第一表面 4002、 第二表面 4004、 一个或多个热绝缘体 ( 例如， 绝缘体 3808)、 流体储存器 3810、 填充管 3812、 以及热交换器 4014。
第一表面 4002 和第二表面 4004 由三部分组成一蒸发部分 4006、 绝缘部分 4008、 以及冷凝器部分 4010。在本发明的一个实施方式中， 蒸发部分 4006 是增强蒸发的烧结表 面。对称蒸气二极管 4000 具有取决于热量流动的方向依赖性， 并用作热二极管。第一表面 4002 和第二表面 4004 通过蒸发部分 4006 与两个热电装置的热侧连接 ( 结合图 42 说明 )。 流体储存器 3810 包含工作流体 4012， 并由第一表面 4002、 第二表面 4004 和绝缘体 3808 包 围。
从热电装置排出的热量被引导至第一表面 4002 和第二表面 4004 的蒸发部分 4006， 并提高这些表面的温度。来自第一表面 4002 和第二表面 4004 的蒸发部分 4006 的热 量通过蒸发部分 4006 的烧结表面的毛细管作用传递至工作流体 4012。 当工作流体 4012 在 吸收热电装置的热侧排出的热量之后通过蒸发部分 4006 蒸发时， 其逸入室 3800 而形成蒸 气 3818。 蒸气 3818 损失热量至附接于热交换器 4014 的冷凝器部分 4010， 并形成液滴 3820。 液滴 3820 返回至蒸发部分 4006， 并补充流体储存器 3810。
在本发明的一个实施方式中， 第一表面 4002 和第二表面 4004 的绝缘部分 4008 是 绝热的， 并由这样的材料制成 ： 当断开热电装置时， 该材料防止热量从周围环境传导至附接 于对称蒸气二极管 4000 的第一表面 4002 和第二表面 4004 的热电装置。这种材料的实例 包括， 但不限于， 玻璃、 不锈钢等。绝缘体 3808 是绝热的， 并在一侧上包围室 3800。绝缘体 3808 中使用的材料的实例包括， 但不限于， 具有超薄金属的阻燃剂 4(FR4) 的合成物、 玻璃、 玻璃 / 树脂基体、 不锈钢、 可机加工陶瓷 ( 例如玻璃陶瓷 )、 丙烯酸、 云母 - 陶瓷合成物， 等 等。理想地， 绝缘体 3808 的热膨胀系数与第一表面 4002 和第二表面 4004 的热膨胀系数相 同。这使得绝缘体 3808 的热膨胀与表面 4002 和 4004 的热膨胀相似， 从而提高这些部分之 间的环氧树脂或焊接接头的可靠性。例如， 当表面 4002 和 4004 由铜制成时， FR4 是优选的 绝缘体材料， 因为其具有与铜相同的热膨胀系数。
在一个实施方式中， 通过填充管 3812 填充流体储存器 3810 中的工作流体 4012。 填充管 3812 优选地由铜制成， 并存在于室 3800 的顶面。根据本发明的各种实施方式， 工作 流体 4012 是水。在本发明的另一实施方式中， 工作流体 4012 是任何其它具有比水低的蒸 发潜热的流体。这种流体的实例包括， 但不限于， 氨水、 乙醇、 丙酮、 碳氟化合物 ( 例如， 氟利 昂 )、 水和乙醇的混合物、 以及水和氨水的混合物。 通常， 根据期望的工作温度范围来选择工 作流体 4012。
在本发明的一个示例性实施方式中， 对称蒸气二极管 4000 连接在两个热电装置 的热端之间。当流体储存器 3810 中的工作流体 4012 与连接至热电装置的热端的第一表面 4002 的蒸发部分 4006 接触时， 工作流体 4012 获得热量， 并开始蒸发以形成逸入室 3800 中 的蒸气 3818。类似地， 当流体储存器 3810 中的工作流体 4012 与连接至另一热电装置的热 端的第二表面 4004 的蒸发部分 4006 接触时， 工作流体 4012 获得热量， 并开始蒸发以形成 逸入室 3800 中的蒸气 3818。因此， 热量从两侧对称地引导至工作流体 4012。即使在热电 装置具有高热通量时， 第一表面 4002 和第二表面 4004 的蒸发部分 4006 也始终保持湿润， 因为液滴 3820 在重力的作用下从冷凝器部分 4010 落至蒸发部分 4006， 并补充流体储存器 3810。
蒸气 3818 传递它们所携带的热量， 并在凝结成液滴 3820 之前将热量释放至冷凝器部分 4010。冷凝器部分 4010 附接至将热量传递至周围环境的热交换器 4014。在本实施 方式中， 液滴 3820 形成在第一表面 4002 和第二表面 4004 的内侧上。
如果使用具有附接至第一表面 4002 而不附接至第二表面 4004 的热电装置的不对 称蒸气二极管， 则水从第一表面 4002 蒸发。如果热通量增加， 那么在第一表面 4002 的蒸发 部分 4006 中没有足够的水来传导热量。因此， 经历变干， 并且， 蒸发部分 4006 处的温度升 高。 因此， 不对称蒸气二极管的导热性在高热通量时变低。 因此， 与不对称蒸气二极管相比， 对称蒸气二极管 4000 能够传导更高的热通量。
填充管 3812 在对称蒸气二极管 4000 的室 3800 内形成低压。低压允许工作流体 4012 在接近室温的温度下蒸发。 通常， 对于用作工作流体 4012 的水， 在填充管 3812 的外端 处测量的压力小于 20 托。 在一个示例性实施方式中， 填充管 3812 由无氧铜制成， 在室 3800 中形成低压之后无氧铜可变脆。
当连接至对称蒸气二极管 4000 的热电装置接通时， 蒸发部分 4006 的温度高于处 于环境温度下的热交换器 4014 的温度。在此情况中， 通过工作流体 4012 将热量传导至热 交换器 4014。当连接至对称蒸气二极管 4000 的热电装置断开时， 蒸发部分 4006 的温度低 于接近环境温度的热交换器 4014 的温度。绝缘部分 4008 具有较薄的壁厚， 并由低导热率 的材料制成， 例如， 不锈钢、 玻璃、 或 FR4 与具有在室 3800 中保持高真空的足够强度的金属 的合成物。热阻与横截面面积成反比。对于较薄的壁厚， 壁的横截面面积更小， 因此， 热阻 更高。因此， 当断开热电冷却器时， 绝缘部分 4008 防止将热量从热交换器 4014 传导至蒸发 部分 4006。在本发明的一个实施方式中， 不锈钢 ( 具有大约 15W/mK 的导热率 ) 用作绝缘 部分 4008 的材料， 并且， 绝缘部分 4008 的壁是大约 300 至 500 微米厚。在本发明的另一实 施方式中， 玻璃 ( 具有大约 1.4W/mK 的导热率 ) 用作绝缘部分 4008 的材料， 并且， 绝缘部分 4008 的壁是大约 1 毫米厚。
图 41 示出了根据本发明的另一实施方式的混合流体蒸气二极管 4100 的横截面 图。
混合流体蒸气二极管 4100 是不对称蒸气二极管， 并且包括两个并联的小型不对 称蒸气二极管 ( 第一小型蒸气二极管 4101 和第二小型蒸气二极管 4102)。 第一小型蒸气二 极管 4101 具有第一室 4103， 且第二小型蒸气二极管 4102 具有第二室 4104。
第一室 4103 包含第三表面 4106、 第四表面 4108、 热交换器 4014、 以及第一流体储 存器 4110。第一工作流体 4112 存在于第一流体储存器 4110 中。第一工作流体 4112 是具 有低沸点的流体。第一工作流体 4112 的实例包括， 但不限于， 乙醇、 氨水和丁烷。
由绝缘材料制成的第一闭合壁 4114 设置在第一室 4103 上， 以对第一室 4103 提供 一种结构。第一填充管 4116 设置在第四表面 4108 的顶部上。提供第一填充管 4116， 以在 第一室 4103 内形成低压。该低压允许第一工作流体 4112 在接近室温的温度下蒸发。
第二室 4104 包含第五表面 4118、 第六表面 4120、 热交换器 4014、 以及第二流体储 存器 4122。第二工作流体 4124 存在于第二流体储存器 4122 中。第二工作流体 4124 是具 有的沸点比第一工作流体 4112 的沸点高的流体， 例如水。
由绝缘材料制成的第二闭合壁 4126 设置在第二室 4104 中， 以对第二室 4104 提供 一种结构。第二填充管 4128 设置在第六表面 4120 上。提供第二填充管 4128， 以在第二室 4104 内形成低压。该低压允许第二工作流体 4124 在低于室温的温度下蒸发。正常的蒸气二极管仅具有一种工作流体， 例如， 在大气压下在 100℃沸腾的水。优 选地降低工作流体的沸点， 以改进低温下的导热性。因此， 将第一工作流体 4112 和第二工 作流体 4124 保持在低压下， 以降低它们的沸点。 在 20 毫托的降低的压力下， 水在 20℃时沸 腾。然而， 当以水作为工作流体的单级蒸气二极管的工作温度降低至 20℃至 30℃时， 单级 蒸气二极管的前向导热性变低。如果进一步降低单级蒸气二极管的室中的压力， 那么水的 温度接近其三相点， 并且， 在烧结表面中没有用于毛细管作用的液态水。因此， 单级蒸气二 极管的前向导热性变得非常低， 并且， 其在实际应用中通常没有用。
在本发明的一个实施方式中， 混合流体蒸气二极管 4100 是不对称二极管。第一端 表面 4130 附接至热电装置， 并且第二端表面 4132 附接至热交换器 4014。混合流体蒸气二 极管 4100 允许前向方向上 ( 即， 从第一端表面 4130 到第二端表面 4132) 的热传导。 第一端 表面 4130 传导由热电装置排出的热量， 并将该热量分配至第三表面 4106 和第五表面 4118。 第二端表面 4132 将热量从第四表面 4108 和第六表面 4120 传导至热交换器 4014。混合流 体蒸气二极管 4100 在较宽的温度范围上 ( 例如， 0℃至 100℃ ) 具有非常高的前向导热性。 在低温下， 具有第二工作流体 4124 的第二室 4104 提供较高的前向导热性， 同时， 在高温下， 具有第一工作流体 4112 的第一室 4103 提供较高的前向导热性。因此， 在所有温度下实现 更高的前向导热性。 在单个蒸气二极管中具有混合流体通常非常困难， 因为两种流体在填充之前通常 需要处于冷冻状态， 否则， 它们在低压下开始蒸发。因此， 并联地使用两个蒸气二极管是有 利的， 一个以水作为工作流体， 而另一个以乙醇作为工作流体。在本发明的一个实施方式 中， 使用混合流体， 例如， 在第一小型蒸气二极管 4101 中使用水和乙醇， 而在第二小型蒸气 二极管 4102 中使用氨水和水。
在本发明的一个实施方式中， 第一小型蒸气二极管 4101 和第二小型蒸气二极管 4102 能够并联地连接， 以形成对称的混合流体蒸气二极管。
图 42 示出了根据本发明的一个实施方式的热电冷却装置 4200 的横截面图。
热电冷却装置 4200 包含具有第一表面 4002、 第二表面 4004 和热交换器 4014 的对 称蒸气二极管 4000。第一表面 4002 与第一热电装置 4202 的热侧连接， 并且第二表面 4004 与第二热电装置 4204 的热侧连接。第一热电装置 4202 与第一冷却室 4210 连接， 并且第二 热电装置 4204 与第二冷却室 4212 连接。第一热电装置 4202 冷却第一冷却室 4210， 而第二 热电装置 4204 冷却第二冷却室 4212。
第一冷却室 4210 和第二冷却室 4212 包含需要冷却的流体 4214。 在本发明的一个 实施方式中， 第一冷却室 4210 和第二冷却室 4212 是电冰箱的冷却室。第一冷却室 4210 具 有第一冷风扇 4206， 且第二冷却室 4212 具有第二冷风扇 4208。冷风扇 4206 和 4208 有助 于将热量从流体 4214 分别传递至第一热电装置 4202 和第二热电装置 4204。此外， 冷风扇 4206 和 4208 有助于分别在冷却室 4210 和 4212 内保持均匀的温度。
当第一热电装置 4202 接通时， 第一热电装置 4202 的热侧的温度比存在于热交换 器 4014 的环境温度高。在此情况中， 由第一热电装置 4202 从第一冷却室 4210 传递的热量 通过第一表面 4002 传导至对称蒸气二极管 4000。 对称蒸气二极管 4000 将该热量通过热交 换器 4014 传递至周围环境。类似地， 当第二热电装置 4204 接通时， 第二热电装置 4204 的 热侧的温度比存在于热交换器 4014 的环境温度高。在此情况中， 由第二热电装置 4204 从
第二冷却室 4212 传递的热量通过第二表面 4004 传导至对称蒸气二极管 4000。 对称蒸气二 极管 4000 将该热量通过热交换器 4014 传递至周围环境。
当第一热电装置 4202 断开时， 第一表面 4002 的温度变得大约等于第一冷却室 4210 的温度， 该温度小于存在于热交换器 4014 的环境温度。然而， 由于对称蒸气二极管 4000 的工作流体 4012 与热交换器 4014 不接触， 所以不能将热量从热交换器 4014 传递至冷 却室 4210 和 4212。此外， 对称蒸气二极管 4000 的绝缘部分 4008 具有将热交换器 4014 与 蒸发部分 4006 热隔离的薄横截面。这防止热量从周围环境回流到冷却室 4210 和 4212。
图 43 示出了根据本发明的一个实施方式的百叶窗式散热器 4300 的横截面图。
百叶窗式散热器 4300 包含风扇 4302、 框架 4304 和百叶窗 4306。标为 (a) 的左图 描述了百叶窗 4306 打开以允许传导热量的百叶窗式散热器 4300。标为 (b) 的右图描述了 百叶窗 4306 关闭以防止传导热量的百叶窗式散热器 4300。
百叶窗式散热器 4300 主要与热电冷却系统的主热电装置 1502 一起使用。当主热 电装置 1502 接通时， 风扇 4302 也接通。当主热电装置 1502 断开时， 风扇 4302 也断开。当 风扇 4302 接通和断开时， 百叶窗式散热器 4300 的热阻变化。当风扇 4302 接通时， 百叶窗 4306 打开， 并且百叶窗式散热器 4300 的热阻低。当风扇 4302 断开时， 百叶窗 4306 关闭， 并 且百叶窗式散热器 4300 的热阻非常高。当百叶窗 4306 关闭时， 它们挡住百叶窗式散热器 4300 的表面附近的空气， 并且不允许自由的 ( 自然的 ) 空气对流气流。因此， 百叶窗式散 热器 4300 的热阻进一步增加地比没有百叶窗的传统散热器 / 风扇组件的热阻高得多。在 一个实施方式中， 用诸如电磁致动器的机构、 气流中的压降、 以及重力来打开和关闭百叶窗 4306。 在本发明的一个实施方式中， 百叶窗 4306 是存在于框架 4304 上的光帘的形式。 这 些百叶窗 4306 由绝热膜制成， 例如， 聚酰亚胺膜或杜邦 (kapton) 膜。当风扇 4302 接通时， 百叶窗 4306 由于气流作用在百叶窗 4306 上的压力而升高。在此状态中， 空气能够穿过百 叶窗式散热器 4300。当风扇 4302 断开时， 百叶窗 4306 回到将空气与百叶窗式散热器 4300 隔离的正常状态。在此状态中， 防止通过百叶窗式散热器 4300 的对流气流， 从而增加了百 叶窗式散热器 4300 的热阻。
图 44 示出了根据本发明的一个实施方式的百叶窗式散热器 4300 的框架 4304 的 透视图。在本发明的一个实施方式中， 框架 4304 是具有与在其中切割的百叶窗 4306 对应 的窗口的塑料框架。百叶窗 4306 由薄聚酰亚胺膜制成， 并附接至框架 4304 中的每个这种 与百叶窗 4306 对应的窗口是每侧一厘米长的正方形。 窗口。在本发明的一个实施方式中，
图 45 示出了描述对于根据本发明的一个实施方式的热电冷却系统的风扇的热阻 随气流的变化的示图。
该示图画出了在利用根据本发明的一个实施方式的主热电装置 1502 冷却流体的 过程中， 百叶窗式散热器 4300 的热阻和气流的关系。在示图中， 水平轴线 4502 代表气流 ( 单位是米每秒 )， 并且竖直轴线 4504 代表热阻 ( 单位是℃ /W)。
在示图中， 第一曲线 4506 示出了没有百叶窗 4306 的散热器的热阻的变化。第二 曲线 4508 示出了百叶窗式散热器 4300 的热阻的变化。第一虚线 4510 标记了风扇 4302 接 通时的气流。第一点 4512 标记了风扇 4302 接通时的热阻。第二点 4514 标记了风扇 4302 断开时没有百叶窗的散热器的热阻。第三点 4516 代表风扇 4302 断开时百叶窗式散热器
4300 的热阻。
如示图所示， 当风扇 4302 断开时， 散热器的热阻高。对于没有百叶窗 4306 的散热 器， 用第二点 4514 代表热阻 (Roff)。对于百叶窗式散热器 4300， 用第三点 4516 代表此热阻 (Roff- 百叶窗 )。Roff- 百叶窗大于 Roff， 这是因为存在于百叶窗式散热器 4300 中的百叶窗 4306 通 过挡住百叶窗式散热器 4300 内的空气来防止空气的自由 ( 自然 ) 对流。在此情况中， 热量 传递仅通过空气的静态热传导而发生。
当气流增加时， 散热器的热阻减小。在风扇 4302 接通之后， 百叶窗式散热器 4300 和没有百叶窗的散热器的热阻 (Ron) 用第一点 4512 代表。因此， 对于百叶窗式散热器 4300 和没有百叶窗的散热器来说， Ron 几乎相同， 因为在两种情况中都发生气流。
如下所示地定义散热器的双极性 (γ) ：
其中， Kon 是风扇 4302 接通时散热器的导热率 ； Koff 是风扇 4302 断开时散热器的导热率 ；Roff 是风扇 4302 断开时散热器的热阻 ； 并且
Ron 是风扇 4302 接通时散热器的热阻。
在本发明的一个实施方式中， 没有百叶窗的散热器的双极性在 7 至 10 的范围内， 而百叶窗式散热器 4300 的双极性在 20 至 25 的范围内。通过改变通过风扇 4302 的气流， 能够进一步改变双极性。大气流实现高双极性， 而小气流实现低双极性。为了增加双极性， 需要 Koff 的值小 ( 因此需要 Roff 的值大 )。在百叶窗式散热器 4300 中， 空气在非常靠近散 热器处被挡住， 并且， 当关闭百叶窗 4306 时， 自由 ( 自然 ) 对流最小。在此情况中， 热传递 仅通过静态传导而发生， 并且， 外部空气不进入百叶窗式散热器 4300。因此， 在此情况中， Roff 高 ( 在第三点 4516 示出 )。
百叶窗式散热器 4300 用作热二极管， 因此增强了蒸气二极管的性能。通常， 百叶 窗式散热器 4300 与蒸气二极管一起使用。然而， 在本发明的一个实施方式中， 不用蒸气二 极管， 只使用百叶窗式散热器 4300。在本发明的一个实施方式中， 百叶窗式散热器 4300 和 热电冷却装置的热风扇一起使用， 并挡住热风扇的一侧上的热空气。在本发明的另一实施 方式中， 百叶窗式散热器 4300 与热电冷却装置的冷风扇一起使用， 并挡住冷风扇的一侧上 的冷空气。
本发明的冷却系统具有多个优点。在本发明的各种实施方式中， 已经用水作为流 体。由于与其它液体相比， 水具有高比热， 所以水有助于在第一室 102 中保持恒温。第一流 体 110 的高比热压制热电装置 106 的散热器的温度上升， 并减小热电装置 106 上的总温差。 热电装置的冷却效率与其端部上的总温差成反比。因此， 总温差的减下提高了热电装置的 冷却效率。此温度压制特性在传统的设计中通常是不可能的。用水作为流体还使得冷却系 统具有环境友好性。
在本发明的各种实施方式中， 第一本体 108 具有定向热流的特性， 并且其用作热 二极管。当热电装置 106 的散热器的温度高于第一流体 110 的温度时， 第一本体 108 是热 的良导体。替代地， 第一本体 108 用作绝热体， 并且， 当热电装置 106 断开时， 防止热量传递至第二流体 124 中。此独特特性防止热量回流至第二流体 124 中， 并且第二流体 124 的温 度不会突然地上升。这能够将第二流体 124 的温度控制在期望的温度范围内， 并长时间保 持装置断开。这种热量回流的减小在传统的设计中通常是不可能的。另外， 由于冷却系统 是固态装置， 所以其可靠、 自由振动， 且重量轻。
根据本发明的各种其它实施方式， 冷却系统在第一和第二室中使用相变材料装 置， 以减小第一和第二室上的温差， 从而提高冷却系统的效率。为了有效地分布热量， 冷却 系统可以在第一室和第二室中使用热管， 从而在整个储存器中保持恒温。也可将第一本体 放置在热电装置的冷侧， 从而增加设计灵活性。 在已经存在流体泵的系统中， 本发明的示例 性实施方式在特别的布置中使用泵和流体回路， 以用作热二极管， 从而提高冷却效率。 这种 布置在流体室的布置方面提供设计灵活性。
对于本领域的技术人员来说将显而易见的是， 为了本描述的面对， 虽然结合热电 冷却装置说明了本发明， 但是， 上述发明的方法和设备也可应用于蒸气压缩机系统和其它 制冷技术。
虽然已经示出并描述了本发明的各种实施方式， 但是， 将显而易见的是， 本发明不 仅仅限于这些实施方式。对于本领域的技术人员来说， 在不背离本发明的实质和范围的前 提下， 许多修改、 改变、 变化、 替代和等同物都将是显而易见的。