[发明专利]冷却系统和操作热电冷却系统的方法

说明书

本申请是申请日为2009年3月3日、申请号为200980107943.1（国际申请号为PCT/US2009/001348）且发明名称为“用于流体的开关热电冷却的方法和设备”的原案申请的分案申请。

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。