KR20170091620A - 하이브리드 열전달 시스템 - Google Patents

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KR20170091620A
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heat transfer
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아비섹 야다브
제시 더블유. 에드워즈
제임스 크리스토퍼 케일러
테드 도넬리
마이클 제이. 브루노
앨런 엘. 그레이
데번 뉴먼
알렉스 알. 귀샤르드
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포노닉 디바이시즈, 인크.
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Abstract

일 태양에 따르면, 하이브리드 열전달 시스템은 부하 온도(TL)를 갖는 부하와 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경 사이에서 열을 수동적으로 전달하도록 구성된 제1 열전도성 경로, 및 부하와 주변 환경 사이에서 열을 능동적으로 전달하도록 구성된 제2 열전도성 경로 - 제2 경로는 열 펌프를 포함함 - 를 포함한다.

Description

하이브리드 열전달 시스템 {HYBRID HEAT TRANSFER SYSTEM}
본 출원은 그 전체가 본원에 참고로 병합된 발명의 명칭이 "고효율의 하이브리드 열 제거 시스템"인 2014년 12월 5일자로 출원된 미국 가출원 제62/088,362호의 우선권을 주장한다.
본 발명의 분야는 일반적으로 열 제거 시스템에 관한 것이며, 특히 하이브리드 열전달 시스템에 관한 것이다.
제한된 자원 및 환경에 대한 우려로 인해 에너지 보존에 대한 요구가 크게 증가했다. 이는 에너지 효율적인 기기의 발전으로 이어졌다. 예를 들어, 현재 에너지 효율적인 냉장고는 15년 이상 전의 모델에 비해 에너지를 거의 40% 덜 사용한다. 에너지 효율적인 냉장고의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 능력은 다양한 성능에 대한 필요성으로 인해 제한된다. 예를 들어, 소비자는 넓은 온도 범위에서 작동하고 정확한 온도 제어를 유지하면서 격한 변화에 적응하는 냉장고를 필요로 한다.
기존의 냉동 기술은 수동적 또는 능동적 냉각 기술을 사용한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "수동적"은 가열 또는 냉각과 관련하여 사용될 때, 예를 들어 전도, 대류, 복사 등과 같은 자연적 과정을 통해 추가적인 에너지를 요구하지 않고 발생하는 열전달을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "능동적"은 가열 또는 냉각과 관련하여 사용될 때, 예를 들어 압축기, 열 펌프, 펠티어 정크션(Peltier junctions) 등과 같은 전력 소비 장치의 사용을 통해 추가적인 에너지(예를 들어, 전기)가 발생하는 것을 필요로 하는 열전달을 지칭한다. 이와 같이, 능동적 냉각 시스템은 에너지를 소비하지 않는 수동적 냉각과 달리, 어떤 것을 냉각시키기 위해 에너지를 소비하는 시스템이다.
에너지 효율적인 냉장고의 가장 일반적인 유형은 증기 압축 시스템을 사용한다. 이러한 시스템에서, 기계적 구성 요소는 능동적으로 열을 운반하기 위해 에너지를 소비한다. 이러한 구성 요소는 압축기, 응축기, 열 팽창 밸브, 증발기, 작동 유체(예를 들어, 냉매)를 순환시키는 배관 및 서모스탯을 포함할 수 있다. 구성 요소들은 냉각 챔버로부터 외부 환경으로 열을 운반하기 위해 강제된 위상 변화를 겪는 냉매를 순환시킨다. 보편적이지 않은 냉동 시스템에는 열전 냉각 시스템이 포함된다. 이러한 시스템에서, 열전 열 펌프는 냉각 챔버로부터 열을 수용하는 수동적 서브시스템으로부터, 외부 환경에 대한 열을 거부하는 다른 수동적 서브시스템으로 열을 능동적으로 운반하기 위해 에너지를 소비한다.
냉동 시스템은 일반적으로 많이 절연되어 있기 때문에, 수동적인 전송만으로 냉각 챔버로부터 외부 환경으로 열을 전달할 수 있는 열전도성 경로가 설계 상으로 존재하지 않는다. 이러한 이유로, 이러한 냉각 시스템은 능동적 구성 요소가 고장 나면 냉각 챔버로부터 열을 거부할 수 있는 수단이 없다.
이러한 문제점은 또한 외부 환경의 온도에 관계없이 설정된 온도에서 내부 챔버를 유지하도록 설계된 능동적 시스템을 괴롭히고 있다: 능동적 구성 요소가 고장 나면, 필요에 따라 내부 챔버를 가열하거나 또는 냉각시키기 위해 열을 전달할 수 있는 열전도성 경로가 존재하지 않는다. 또한, 대안적인 수동적 경로가 없다는 것은 전력 소비를 감소시키기 위해 외부 환경 조건을 활용할 수 없다는 것을 의미한다. 예를 들어, 챔버가 약간 워밍업될 필요가 있고 외부 환경이 챔버보다 더 따뜻할 경우, 대안적인 수동적 경로의 존재로 인해 능동적인 장치를 통하는 것 대신에 수동적 열전달을 통해 챔버가 워밍업될 수 있고, 이에 따라 능동적 장치가 사용했을 에너지를 소비할(그리고 이에 대해 지불할) 필요성을 제거한다. 외부 환경이 챔버보다 더 차가우면 약간 냉각될 필요가 있는 챔버에도 동일한 방법이 적용된다: 수동적 경로는 열 펌프, 압축기 등을 작동시키기 위해 추가의 에너지를 소비할 필요 없이 챔버로부터 외부 환경으로 열을 전달하는데 사용될 수 있다.
이와 같이, 성능의 다양성을 유지하면서 낮은 비용으로 더 높은 에너지 효율을 제공하는 열전달 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
하이브리드 열 전달 시스템을 위한 시스템 및 방법이 개시된다.
일 태양에 따르면, 하이브리드 열전달 시스템은 부하 온도(TL)를 갖는 부하와 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경 사이에서 열을 수동적으로 전달하도록 구성된 제1 열전도성 경로, 및 부하와 주변 환경 사이에서 열을 능동적으로 전달하도록 구성된 제2 열전도성 경로 - 제2 경로는 열 펌프를 포함함 - 를 포함한다.
일 태양에 따르면, 열 펌프는 활성화 상태 또는 비활성화 상태에 있고, 열 펌프가 활성화 상태에 있을 때, 열은 제2 열전도성 경로를 통해 능동적으로 전달되고, 열 펌프가 비활성화 상태에 있을 때, 열은 제2 열전도성 경로를 통해 능동적으로 전달되지 않는다.
일 태양에 따르면, 열 펌프가 비활성화에 있을 때, 열은 제2 열전도성 경로를 통해 수동적으로 전달된다.
일 태양에 따르면, 제1 및 제2 경로의 각각은 부하로 또는 부하로부터 열을 전달하기 위한 자체의 별도의 열교환 구성 요소를 포함한다. 일 태양에 따르면, 제1 및 제2 경로는 부하로 또는 부하로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환 구성 요소를 공유한다.
일 태양에 따르면, 제1 및 제2 경로의 각각은 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 자체의 별도의 열교환 구성 요소를 포함한다. 일 태양에 따르면, 제1 및 제2 경로는 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환 구성 요소를 공유한다.
일 태양에 따르면, 제1 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드를 직렬로 포함한다. 일 태양에 따르면, 열 다이오드는 부하로부터 주변 환경으로의 열전달을 허용하고, 주변 환경으로부터 부하로의 열전달을 차단한다. 일 태양에 따르면, 열 다이오드는 열 사이펀을 포함한다.
일 태양에 따르면, 제2 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드를 직렬로 포함한다. 일 태양에 따르면, 열 다이오드는 부하와 열 펌프 사이에 직렬로 존재한다.
일 태양에 따르면, 제2 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 캐패시터를 직렬로 포함한다. 일 태양에 따르면, 제2 열전도성 경로는 부하와 열 펌프 사이에 열 캐패시터를 직렬로 포함한다. 일 태양에 따르면, 열 캐패시터는 상 변화 재료 및/또는 열 질량을 포함한다.
일 태양에 따르면, 제2 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드, 열 캐패시터 및 열 펌프를 직렬로 포함한다. 일 태양에 따르면, 제2 열전도성 경로는 부하와 열 펌프 사이에 열 다이오드 및 열 캐패시터를 직렬로 포함한다.
일 태양에 따르면, 제1 열전도성 경로는 또한 열 펌프를 포함한다.
일 태양에 따르면, 하이브리드 열전달 시스템은 부하 온도(TL)를 갖는 부하로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경으로 열을 전달하기 위한 열전도성 경로를 포함하고, 상기 열전도성 경로는 저장 온도(TS)를 갖는 열 캐패시터, 열 펌프에 의해 열이 능동적으로 전달되는 활성화 상태, 및 열 펌프에 의해 열이 능동적으로 전달되지 않는 비활성화 상태를 갖는 열 펌프, 및 열 다이오드를 포함하고, 이들은 부하와 주변 환경 사이에 직렬로 연결된다.
일 태양에 따르면, 열 캐패시터는 상 변화 재료 및/또는 열 질량을 포함한다.
일 태양에 따르면, 열 캐패시터의 제1 측은 부하와 접촉하고, 열 펌프의 제1 측은 열 캐패시터의 제2 측과 접촉하고, 열 다이오드의 제1 측은 열 펌프의 제2 측과 접촉하고, 열 다이오드의 제2 측은 주변 환경으로 열을 전달한다.
일 태양에 따르면, 하이브리드 열전달 시스템은 부하의 능동적인 가열 및/또는 냉각을 위한 제1 구성 요소 - 제1 구성 요소의 동작은 적어도 하나의 제어 입력에 의해 제어됨 - , 및 알고리즘에 따라 적어도 하나의 제어 입력을 통해 제1 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다.
일 태양에 따르면, 제어 시스템은 적어도 하나의 온도 센서, 및 하드웨어를 가지며, 적어도 하나의 온도 센서로부터 온도 정보를 수신하고, 알고리즘에 따라 상기 정보를 처리하여 제1 구성 요소의 원하는 동작을 결정하고, 제1 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다.
일 태양에 따르면, 제어기는 제어기와 제1 구성 요소 사이의 활성화 및 스위칭 회로를 통해 제1 구성 요소의 동작을 제어한다.
또 다른 태양에 따르면, 부하 온도(TL)를 갖는 부하와 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경 사이에서 수동적으로 열을 전달하기 위한 제1 열전도성 경로, 및 부하와 주변 환경 사이에서 능동적으로 열을 전달하기 위한 제2 열전도성 경로를 포함하고, 제2 경로는 열 펌프를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템을 제어하는 방법으로서, 상기 방법은 TL 및 TA의 값을 모니터링하는 단계를 포함한다. TL이 제1 임계값(TLH)보다 큰 것으로 결정되면, TA가 TL보다 크거나 또는 이와 동일하면, 열이 제2 경로를 통해 부하로부터 주변 환경으로 능동적으로 전달되도록 열 펌프를 활성화시키는 단계; 그러나, TA가 TL보다 작다면, 열이 제2 경로를 통해 부하로부터 주변 환경으로 능동적으로 전달되지 않도록 열 펌프를 비활성화시키는 단계가 포함된다(예를 들어, 열은 제1 경로를 통해 부하로부터 주변 환경으로 수동적으로 전달된다). TL이 제2 임계값(TLL)보다 작은 것으로 결정되면, TA가 TL보다 작거나 또는 이와 동일하면, 열이 제2 경로를 통해 주변 환경으로부터 부하로 능동적으로 전달되도록 열 펌프를 활성화시키는 단계; 그러나, TA가 TL보다 크면, 열이 제2 경로를 통해 주변 환경으로부터 부하로 능동적으로 전달되지 않도록 열 펌프를 비활성화시키는 단계가 포함된다(예를 들어, 열은 제1 경로를 통해 주변 환경으로부터 부하로 수동적으로 전달된다). TLL ≤ TL ≤ TLH라고 결정되면, 열 펌프의 현재 작동 상태(활성화 또는 비활성화)를 변경하지 않는 단계를 포함한다.
본 명세서에 기술된 방법 및 시스템은 온도의 정확한 제어를 유지하면서 넓은 온도 범위 및 냉각 속도에서 작동하는 것과 같은 성능의 다양성을 향상시키면서 더 낮은 비용으로 개선된 더 높은 효율을 제공한다.
당업자는 본 발명의 범위를 이해할 것이며, 첨부된 도면과 관련하여 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 읽은 후에 그 추가적인 태양을 실현할 것이다.
본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 개시물의 몇몇 태양을 도시하고, 본 명세서와 함께 본 개시의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조를 도시하며, 시스템은 부하와 주변 환경 사이에서 열을 전달하기 위한 제1 및 제2 열전도성 경로를 포함하며, 제2 경로는 열 펌프를 포함한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 하이브리드 열전달 시스템의 직교도를 도시하며, 제1 경로가 제2 경로로부터 업윈드에 있어, 능동적 제2 경로로부터의 열이 수동적 제1 경로의 성능에 영향을 주지 않는다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1a의 시스템의 기능적 설명을 도시한다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템을 위한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하고, 제1 및 제2 열전도성 경로는 부하로 또는 부하로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환기를 공유한다.
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제1 및 제2 열전도성 경로는 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환기를 공유한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제1 열전도성 경로는 열 다이오드를 통해 부하에 열적으로 연결된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제1 열전도성 경로는 열 다이오드를 통해 부하에 열적으로 연결되고, 제1 및 제2 경로는 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환기를 공유한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제2 열전도성 경로는 열 다이오드를 통해 부하에 열적으로 연결된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제2 열전도성 경로는 열 캐패시터를 통해 부하에 열적으로 연결된다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제2 열전도성 경로는 열 다이오드 및 열 캐패시터를 통해 부하에 열적으로 연결된다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제2 열전도성 경로는 열 다이오드 및 열 캐패시터를 통해 부하에 열적으로 연결되고, 제1 열전도성 경로는 또한 열 펌프를 포함한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 부하와 주변 환경 사이의 열전도성 경로는 직렬로 연결된 열 캐패시터, 열 펌프 및 열 다이오드를 포함한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 예시적인 하이브리드 열전달 시스템의 블록도를 도시한다.
하이브리드 열전달 시스템을 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 이하에서 설명되는 실시예는 당업자가 실시예를 실시할 수 있고 실시예를 실시하는 최상의 모드를 설명하기 위해 필요한 정보를 나타낸다. 첨부 도면에 비추어 다음의 설명을 읽을 때, 당업자는 본 발명의 개념을 이해할 것이고 특별히 여기에서 다루지 않은 이러한 개념의 응용을 인식할 것이다. 이들 개념들 및 응용들은 본 개시 및 첨부된 청구범위의 범위 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
제1, 제2 등의 용어가 본 명세서에서 다양한 요소를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 이들 용어는 요소를 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 범위를 벗어나지 않는다면, 제1 요소는 제2 요소로 지칭될 수 있고, 마찬가지로, 제2 요소는 제1 요소로 지칭될 수 있다.
또한, 요소가 다른 요소에 "연결" 또는 "결합"되는 것으로 언급될 때, 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 또는 결합될 수 있거나, 또는 개재 요소가 존재할 수 있음을 이해해야 한다. 대조적으로, 요소가 다른 요소에 "직접 연결" 또는 "직접 결합"되는 것으로 언급될 때, 개재 요소는 존재하지 않는다.
또한, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확히 다르게 지시하지 않는 한, 복수 형태를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 경우, "포함하는(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하는(includes)" 및/또는 "포함하는(including)"이라는 용어는 명시된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성 요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 존재를 배제하지 않는다. 또한, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 열거된 항목의 임의의 조합 및 모든 조합을 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 개시 내용이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서 및 관련 기술의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본원에서 명시적으로 정의되지 않는 한, 이상적이거나 지나치게 형식적으로 해석되지 않을 것이라는 것이 또한 이해된다.
열전달 경로는 경로를 따라 열 유동을 제공하도록 직렬로 열적으로 결합될 수 있는 하나 이상의 구성 요소를 포함한다. 예를 들어, 열은 엔클로저(예를 들어, 냉장고 캐비닛)로부터 제거될 수 있고, 후속하여 외부 환경(즉, 주변 환경)으로의 방출을 위해 열전달 경로를 따라 이동될 수 있다. 열전달 경로는 열 제거 시스템의 "수용 측(accept side)" 및/또는 "거부 측(reject side)"의 일부일 수 있고 그리고/또는 여기에 열적으로 결합될 수 있다. 수용 측은 열 부하로부터 열을 수용한다 (예를 들어, 부하로부터 열을 제거한다). 거부 측은 외부/주변 환경에 대한 열을 거부한다.
열전달 경로는 열전달 경로가 능동 및/또는 수동 열 유동을 제공하는지 여부에 따라 "능동적" 및/또는 "수동적"일 수 있다. 예를 들어, 열전달 경로의 구성 요소(들)는 에너지를 소비할 때 열전달 경로가 "능동적" 열전달을 제공하도록 할 수 있다. 다른 한편으로, 동일한 열전달 경로는 동일한 구성 요소(들)가 에너지를 소비하지 않을 때 "수동적" 열전달을 제공할 수 있다. 따라서, 능동적 열전달 경로와 수동적 열전달 경로 사이의 구분은 상당한 양의 열이 경로에 의해 능동적으로 및/또는 수동적으로 전달될 수 있는지 여부에 달려있다. 보다 구체적으로, 열전달 경로는 적어도 하나의 능동적 열교환 구성 요소 및 하나 이상의 수동적 구성 요소를 포함할 수 있다. 그러나 열전달 경로가 "능동적 열전달 경로" 또는 "수동적 열전달 경로"인지 여부는 열전달 경로가 상당한 양의 열을 능동적으로 및/또는 수동적으로 전달하도록 구성되어 있는지 여부에 달려있다.
능동적 열전달 경로는 에너지를 소비함으로써 열전달을 일으키는 적어도 하나의 구성 요소를 포함한다. 이와 같이, 적어도 하나의 구성 요소가 에너지를 소비할 때 능동적 열전달 경로는 상당한 양의 열을 전달한다. 이러한 구성 요소는 본 명세서에서 일반적으로 "능동적 열교환 구성 요소"로 지칭된다. 능동적 열교환 구성 요소의 예는 증기 압축기, 스털링 냉각기, 열전 기기 및 에너지를 소비함으로써 열을 전달하거나 조절하는 임의의 구조, 장치 및/또는 재료와 같은 열 펌프를 포함한다. 따라서, 능동적 열교환 구성 요소 중 적어도 하나가 에너지를 소비할 때 능동적 열전달 경로는 상당한 양의 열을 전달한다.
수동적 열전달 경로는 에너지 소비 없이 자연 냉각 프로세스의 효율성을 향상시키는 하나 이상의 수동적 구성 요소를 포함한다. 수동적 구성 요소의 예로는 열 싱크, 열사이펀, 히트 파이프, 열교환기, 상-변화 재료, 또는 에너지 소비 없이 자연스런 열 방산 또는 조절 과정에 의존하는 구조, 장치 및/또는 재료를 포함한다. 따라서, 수동적 열전달 경로는 에너지를 소모하지 않고 상당한 양의 열을 전달한다.
따라서, 능동적 열교환 구성 요소를 포함하는 열전달 경로는 열을 능동적으로 전달하기 위해 에너지를 소비하는 동안의 능동적 열전달 경로이며, 능동적 열교환 구성 요소가 에너지를 소비하지 않는 동안 능동적 열전달 경로가 상당한 양의 열을 수동적으로 전달하는 경우 수동적 열전달 경로일 수 있다. 역으로, 수동적 열전달 경로는 수동적 열전달 경로가 상당한 열의 열을 수동적으로 전달하면서 에너지를 소비하지 않는 능동적 열교환 구성 요소를 포함할 수 있다.
열 제거 시스템에 대해 여기에 개시된 실시예는 하나 이상의 능동적 및/또는 수동적 열전달 경로를 형성하는 능동적 및/또는 수동적 구성 요소의 조합을 이용한다. 이러한 조합은 높은 효율, 넓은 온도 범위, 냉각 속도, 정확한 온도 제어 및 낮은 비용 중 하나 이상을 달성한다.
본 개시의 실시예의 설명을 계속하기 전에, 다음과 같이 몇몇 용어를 정의하는 것이 유익하다:
본 명세서에 사용된 바와 같이, "구성 요소"는 더 큰 전체의 일부 또는 요소를 지칭한다. 구성 요소는 임의의 장치, 재료 및/또는 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전달 경로의 구성 요소는 열전달 경로의 일부 또는 요소이다. "경로"는 열전달을 위한 방향을 제공하도록 구성된 직렬로 연결된 복수의 구성 요소로 형성된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "능동적 열교환"은 에너지를 소비함으로써 열을 능동적으로 이동시키는 임의의 구성 요소의 작동을 지칭한다. 열은 더 낮은 온도의 경로의 일 위치(즉, "소스")로부터 더 높은 온도의 경로의 다른 위치(즉, "싱크")로 이동된다. 능동적 열교환 구성 요소의 예는 열 펌프이다. 열 펌프는 오직 에너지를 소비할 때 상당한 양의 열을 이동시킨다. 한정되지는 않지만, 일부 실시예에서, 열 펌프는 하나 이상의 열전 모듈을 포함하는 고체 상태 열 펌프이고, 각각의 열전 모듈은 다수의 열전 장치를 포함한다(예를 들어, 열전 모듈의 교시를 위해 본원에 참고로 병합되는 발명의 명칭이 "박막 열전 모듈 제조를 위한 방법"인 미국 특허 제8,216,871호 참조). 히트 펌프의 다른 예는 증기 압축 열 펌프 및 스털링 사이클 열 펌프를 포함한다. 능동적 열교환 구성 요소는 열을 능동적으로 이동하기 때문에, 전류를 능동적으로 움직이는 전기 회로의 전류 소스와 유사하게 모델링될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "수동적 구성 요소"라는 용어는 에너지를 소모하지 않고 수동적으로 열을 이동시키거나 조절하는 구성 요소를 지칭한다. 열은 수동적 구성 요소에 걸친 온도차의 결과로서 수동적 구성 요소에 의해 자연적으로 수용되고, 전달되고, 거부될 수 있다. 수동적 구성 요소의 예로는 히트 싱크/열교환기, 열사이펀, 열 파이프, 상-변화 재료(PCMs) 등을 포함한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조를 도시하며, 시스템은 부하와 주변 환경 사이에서 열을 전달하기 위한 제1 및 제2 열전도성 경로를 포함하고, 제2 경로는 열 펌프를 포함한다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 본 명세서에서 "시스템(10)"으로도 지칭되는 하이브리드 열전달 시스템(10)은 본 명세서에서 "제1 경로(12)"로도 지칭되는 제1 열전도성 경로(12), 및 본 명세서에서 "제2 경로(14)"로도 지칭되는 열전도성 경로(14)를 포함하고, 이들 둘 모두는 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)와 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18) 사이에서 열을 전달하도록 동작한다. 부하의 예는 전기 또는 전자 회로, 인쇄 회로 기판(PCBs), 전기 기계, 환경 제어 공간, 예를 들어 냉장고, 저장 유닛, 집 및 사무실 건물 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 제1 경로(12)는 수동적으로 열을 전달하도록 구성된다. 제2 열전도성 경로(14)는 열을 능동적으로 전달하도록 구성되며, 이를 위해 열 펌프(20)를 포함한다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 제1 경로(12)는 열을 부하(16)로 또는 부하로부터 전달하기 위한 열교환기(22) 및 주변 환경(18)으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 열교환기(24)를 포함한다. 제2 경로(14)도 마찬가지로 부하(16)로 또는 부하로부터 열을 전달하기 위한 열교환기(26) 및 주변 환경(18)으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 열교환기(28)를 포함한다. 이 도시된 예에서, 열교환기(22, 24, 26 및 28)는 핀 금속 열교환기/열 싱크이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 유형의 열 교환기/싱크가 사용될 수 있다. 열교환기의 예로는 공냉식 열교환기, 수냉식 열교환기 등을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
일 실시예에서, 열 펌프(20)는 열이 부하(16)와 주변 환경(18) 사이에서 능동적으로 전달되는 활성화 상태, 또는 열이 부하(16)와 주변 환경(18) 사이에서 능동적으로 전달되지 않는 비활성화 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 제어기 또는 제어 시스템(도시되지 않음)은 열 펌프(20)가 원하는 제어 알고리즘에 따라 활성화 상태 또는 비활성화 상태로 선택적으로 제어되도록 열 펌프(20)를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 펌프(20)는 그것이 비활성화 상태에 있을 때에도 열을 수동적으로 전달할 수 있다. 다른 실시예에서, 열 펌프(20)는 그것이 예를 들어 부하(16)와 주변 환경(18) 사이의 단열재로서 작용하는, 비활성화 상태에 있을 때 이러한 열전달을 방지할 수 있다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 제1 경로(12)는 갭만큼 제2 경로(14)로부터 분리되어 있다. 갭은 제2 경로(14)로부터 제1 경로(12)로 그리고 열교환기(22)를 통해 동봉된 환경으로 역으로 열 누설을 방지하거나 적어도 열 누설을 완화하도록 경로들을 분리한다. 일부 실시예에서, 갭은 역-누설을 더 방지하도록 절연체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 후술되는 바와 같이, 갭은 모두 생략될 수 있다.
일 실시예에서, 부하(16)는 주변 환경(18)으로부터 분리된 자신의 환경 내에 위치될 수 있다. 도 1a에 도시된 실시예에서, 예를 들어, 부하(16)는 부하(16)에 대한 국부적인 환경을 제공하는 구조(30) 내에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 구조(30)는 냉장고, 냉동기, IP(Ingress Protection) 등급을 갖는 것과 같은 환경적으로 제어되는 인클로저 등과 같은 기후 또는 온도 제어 공간일 수 있다. 마찬가지로, 열교환기(24, 28)는 추가적인 조건을 제공하는 구조 내에 또는 위치에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 열교환기(24, 28)는 열교환기를 통한 공기(또는 물)의 연속적인 흐름을 제공하는 케이스, 섀시, 프레임 또는 다른 환경에 위치될 수 있다. 이러한 환경은 도 1b를 참조하여 이하에서 설명되는 바와 같이 추가적인 이점을 제공할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템(10)의 직각도를 도시한다. 도 1b에 도시된 실시예에서, 점선 화살표로 나타낸 제1 경로(12) 및 제2 경로(14) 각각은 핀 열교환기(24, 28)를 각각 포함하고, 이는 일부 실시예에서는, 일부 실시예에서 둘러싸는 구조(36) 내에 장착될 수 있는 하나 이상의 팬(34)에 의해 제공되는 공기 유동(32)으로부터 이익을 얻을 수 있다.
도 1b에 도시된 실시예에서, 열교환기(22, 26)는 예를 들어 부하(16)와 제1 및 제2 경로(12, 14) 사이의 열 인터페이스를 각각 제공하는 열전도성 플레이트(예를 들어, 금속 플레이트)이지만, 대안적인 실시예에서는 이러한 구조가 없을 수 있다. 예를 들어, 부하(16)는 열교환기(24) 및 열 펌프(20)에 예를 들어 직접 접촉을 통해 직접 접합되어, 클램프, 볼트 또는 다른 체결 구를 통해 제 위치에 유지될 수 있다. 열 페이스트가 이들과 다른 정합된 구조 사이의 열 전달을 보다 효과적으로 수행하기 위해 정합 표면에 존재할 수 있다. 대안적으로, 부하(16)는 열교환기에 간접적으로 (예를 들어, 개재 구조를 통해) 또는 심지어 원격으로 (예를 들어, 공기 갭을 가로지르는 열의 방사에 의해) 결합될 수 있다. 다른 인터페이싱 방법도 고려된다.
도 1b에 도시된 실시예에서, 부하(16)로부터의 열(QC)은 열교환기(22)를 통해 제1 경로(12)로 유입되고, 열교환기(24)를 통해 주변 환경(18)으로 소산된다. 부하(16)로부터의 열은 또한 열교환기(26)를 통해, 능동적이라면 열교환기(28)로 열을 전달하는 열 펌프(20)로 제2 경로(14) 내로 유입된다.
도 1b는 제1 경로(12)로부터의 열교환기(24)가 제2 경로(14)로부터의 열교환기(28)로부터 업윈드에 있는(upwind) 구성을 도시한다. 능동적 열 펌프는 수동적으로 전달될 수 있는 열보다 많은 열을 전달할 수 있기 때문에, 열교환기(28)는 열교환기(24)보다 더 뜨거울 것이다; 열 교환기(28)를 열교환기(24)의 다운윈드에 배치함으로써, 제1 경로(12)는 제2 경로(14)에 의해 생성되는 열에 의해 영향을 덜 받을 것이고, 따라서 열 교환기(24)가 열교환기(28)로부터 다운윈드에 있는(downwind) 경우보다 더 효율적일 것이다. 즉, 열교환기(28)를 열교환기(24)로부터 다운윈드에 배치함으로써, 제2 경로(14)로부터 제1 경로(12)로의 열 누설이 완화된다.
예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 시스템과 같은 예시적인 하이브리드 열전달 시스템의 동작은 전기 회로도와 유사한 그래픽 표현을 사용하여 설명될 수 있다. 이러한 유형의 표현을 본 명세서에서 열 회로도라고 한다. 예를 들어, 열적 에너지를 수동적으로 전도하는 구조는 저항기와 유사하며, 따라서 본 명세서에서 열 저항기로 지칭된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "열 저항기"는 고온 환경으로부터 열을 수동적으로 수용하고 열을 저온 환경으로 거부하는 구성 요소를 지칭한다. 열 저항기의 예로는 열교환기를 포함한다. 열교환기는 일반적으로 유체 매체로 열을 전달한다. 유체 매체는 종종 공기이지만, 물 또는 냉매일 수도 있다. 열 저항은 특정 열교환기의 특성이다. 이와 같이, 열교환기는 전기 회로의 저항기와 유사하게 모델링될 수 있다.
일 방향으로만 열을 전도하는 구조는 다이오드와 유사하므로 본 명세서에서는 열 다이오드라 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "열 다이오드"는 열이 경로의 일 방향으로 우선적으로 수동적으로 유동하게 하는 구성 요소를 지칭한다. 반대로, 열 다이오드는 경로의 바람직한 방향과 반대 방향으로 열이 누설되는 것을 방지한다. 열 다이오드의 예는 열 사이펀을 포함한다. 열 사이펀은 자연 대류를 기반으로 열을 운반하기 위해 수동적 2-상 열 교환을 사용한다. 열 사이펀은 부력과 중력 및/또는 구심력을 사용하여 작동 유체를 통해 증발기와 응축기 사이의 열을 기계식 펌프 없이 운반한다. 특히, 작동 유체가 증발기에서 가열됨에 따라, 가열된 작동 유체(예를 들어, 가스)는 가열된 작동 유체의 밀도 감소로 인한 부력을 통해 열 사이펀을 통해 응축기로 자연적으로 상승한다. 작동 유체가 응축기에서 냉각될 때, 냉각된 작동 유체(예를 들어, 액체)는 냉각된 작동 유체의 증가된 밀도로 인해 중력 및/또는 구심력을 통해 열 사이펀을 통해 증발기로 자연스럽게 내려간다.
열 운반을 위한 작동 유체의 이동을 용이하게 하는 모세관힘을 유도하는 심지 매체(wicking medium)를 포함하는 열 파이프와는 달리, 열 사이펀은 작동 유체를 이동시키기 위해 모세관힘에 의존하지 않는다. 결과적으로, 이는 증발기로부터 응축기 영역으로의 열 유동을 허용하고, 열이 증발기로 다시 누설되는 것을 방지한다. 이와 같이, 열 사이펀은 전기 회로의 다이오드와 유사하게 모델링될 수 있다.
열 에너지 또는 열 에너지 부족(예를 들어, 동결 상태의 PCM의 경우에서와 같이)을 저장하는 구조는 캐패시터와 유사하며, 따라서 본 명세서에서 열 캐패시터로 지칭된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "열 캐패시터"는 열을 수동적으로 저장하는 구성 요소를 지칭한다. 열 캐패시터의 예로는 PCM이 있다. PCM은 특정 온도에서 하나의 상에서 다른 상으로 변화되는 재료이다. 결과적으로, PCM은 많은 양의 열을 수동적으로 저장 및 방출할 수 있다. 재료가 보다 높은 에너지 상태(예를 들어, 고체에서 액체로)로 변할 때 열이 흡수되고, 재료가 보다 낮은 에너지 상태(예를 들어, 액체에서 고체로)로 변할 때 열을 방출한다. 이와 같이, PCM은 전기 회로의 캐패시터와 유사하게 모델링될 수 있다.
능동적으로 열 에너지를 전도하는 구조는 전류 소스와 유사하며, 따라서 본 명세서에서는 열 소스로 지칭된다. 열 소스는 열을 공급하기 위해 작동할 수도 있고, 열을 제거하기 위해 작동할 수도 있고, 또는 어느 하나를 행하도록 구성될 수도 있음을 알아야 한다.
따라서, 열 시스템은 전기 회로 개략도에 사용된 등가 기호, 즉, 열 회로 개략도를 생성하도록 표현될 수 있다. 도 1a에 도시된 실시예에 대한 열 회로 개략도의 예가 도 1c에 도시되어 있다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1a의 시스템(10)의 기능적 설명을 도시한다. 도 1c에 도시된 실시예에서, 시스템(10)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)으로의 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통한 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로 도시된다. 제1 경로(12)에서, 열교환기(22)는 열 저항기(Rth,L1)로 표현되고, 열교환기(24)는 열 저항기(Rth,A1)로 표현된다. 제2 경로에서, 열교환기(26)는 열 저항기(Rth,L2)로 표현되고, 열교환기(28)는 열 저항기(Rth,A2)로 표현되고, 열 펌프(20)는 열 소스로 표현된다. 일 실시예에서, 열 펌프(20)는 도 1c에 화살표(PTEC)로 도시된 바와 같이, 전력을 제공할 수 있는 열전(TEC) 장치일 수 있다.
도 1c에 도시된 열 회로 개략도에 의해 표현된 구조는 전체적으로 동일한 온도가 아닐 수 있지만, 상이한 위치에서 상이한 온도를 가질 수 있다. 도 1c에 도시된 실시예에서, TL로 표시된 노드는 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)와의 열 접촉을 나타낸다; TA로 표시된 노드는 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)과의 열 접촉을 나타낸다. 다르게 표시된 노드는 각각의 위치에서의 온도가 TL 또는 TA와 다를 수 있는 제1 또는 제2 경로(12 및 14) 내의 위치를 나타낸다. 도 1c에 도시된 실시예에서, 예를 들어, TLA는 부하(16)와 주변 환경(18) 사이의 제1 경로(12) 내의 한 지점에서의 온도이고, TLHP는 부하(16)와 열 펌프(20) 사이의 제2 경로(14) 내의 일 지점에서의 온도이고, THPA는 열 펌프(20)와 주위 환경(18) 사이의 제2 경로(14) 내의 한 지점에서의 온도이다. 이제 시스템(10)의 작동 예가 도 1d를 사용하여 예시될 것이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템(예를 들어, 도 1a 또는 도 1b의 하이브리드 열전달 시스템(10))에 대한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다. 도 1d는 하이브리드 열전달 시스템(10)이 다양한 모드로 동작할 수 있고 이들 모드가 트리거 조건에 기초하여 선택되거나 입력될 수 있다는 개념을 도시한다. 이 방법은 도 1c를 참조하여 설명될 것이다.
도 1d에 도시된 실시예에서, TL 및 TA(및 선택적으로 T1, T2 등과 같은 다른 온도)와 같은 하나 이상의 온도가 모니터링된다(단계(100)). 아래에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 특정 트리거 조건의 검출은 시스템이 능동적 냉각 모드, 수동적 냉각(또는 가열) 모드, 또는 능동적 가열 모드로 들어가게 할 수 있다.
오직 설명을 목적으로, 도 1d에 도시된 실시예에서는, 부하(16)는 부하 저온(TLL)으로부터 부하 고온(TLH)까지의 온도의 원하는 동작 범위를 갖는 것으로 상정한다. 이 예에서는, TLL < TLH이며, TLL < TL < TLH가 바람직하다.
이 실시예에서, 프로세스는 TL이 TLH보다 높은지 여부를 검사하고(단계(102)), 이는 부하(16)가 냉각될 필요가 있음을 나타낼 것이며, 이러한 경우 프로세스는 TA가 TL보다 작은지 여부를 검사한다(단계(104)). 그렇다면, 수동 냉각만으로 TL을 낮추기에 충분할 수 있으며, 따라서 능동 냉각은 턴 오프되고(또는 오프 상태로 유지되고)(단계(106)), 프로세스는 단계(100)로 복귀한다. 단계(104)에서, TA가 TL보다 크면, 수동 냉각은 부하(16)로부터 주변 환경(18)으로 전달되는 열에 대해 TA가 TL보다 작을 것을 요구하기 때문에, 능동 냉각이 필요하다. 이 경우, 능동 냉각이 턴온되고(또는 온 상태로 유지되고)(단계(108)), 프로세스는 단계(100)로 복귀한다.
이 실시예에서, 단계(102)에서 TL이 상한(TLH)보다 높지 않으면, 프로세스는 TL이 하한(TLL)보다 낮은지 여부를 검사하고(단계(110)), 이는 부하가 가열될 필요가 있음을 나타낼 것이며, 이러한 경우 프로세스는 TA가 TL보다 큰지 여부를 검사한다(단계(112)). 그렇다면, 수동 가열만으로 TL을 상승시키는데 충분할 수 있고, 따라서 능동 가열은 턴 오프되고(또는 오프 상태로 유지되고)(단계(114)), 프로세스는 단계(100)로 복귀한다. 단계(112)에서 TA가 TL보다 작으면, 수동 가열은 TA가 TL보다 큰 것을 요구하기 때문에, 능동 가열이 필요하다. 이 경우, 능동 가열이 턴온되고(또는 온 상태로 유지되고)(단계(116)), 프로세스는 단계(100)로 복귀한다.
이 실시예에서, 단계(110)에서 TL이 TLL보다 작지 않다면, 부하(16)는 원하는 온도 범위 내에 있고, 따라서 프로세스는 단계(100)로 복귀하기 전에 어떠한 변화도 일으키지 않는다(단계(118)). 일 실시예에서, "변화 없음"은 시스템이 현재 작동 중인 어떠한 모드(예를 들어 능동 냉각, 수동 냉각, 능동 가열 또는 수동 가열)이든지 이를 유지하는 것을 의미한다. 예를 들어, 시스템이 능동 냉각이 필요함을 검출하면(즉, 프로세스가 단계(102)로부터 단계(104)로 이동한 후 단계(106)로 이동), 이후의 소정 시점에서 능동 냉각은 TL을 TLL과 TLH 사이에 있는 곳으로 성공적으로 낮추어야 한다(즉, 프로세스는 단계(102)로부터 단계(110)로 단계(118)로 이동한다). 원하는 온도 범위 내에서 TL을 유지하기 위해 능동 냉각 모드에서 계속 작동시킬 필요가 있을 수 있다.
도 1d는 제2 경로(14)가 능동적으로 가열될 뿐만 아니라 능동적으로 냉각될 수 있는 실시예를 도시한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 열 펌프(20)의 동작은 역전될 수 있으며, 즉, 예를 들어 열 펌프(20)를 통한 전류 흐름의 방향을 역전시킴으로써 어느 방향으로 열을 전달할 수 있다. 이 실시예에서, 열 펌프(20)는 부하(16)를 워밍업시키는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 저항성 히터와 같은 다른 장치가 부하(16)에 열을 제공하고 그리고/또는 열 펌프(20)의 동작을 보충하기 위해 사용될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 열 펌프(20)는 예를 들어, 능동적으로 냉각시키기 위해 오직 한 방향으로만 동작할 수 있다. 이들 실시예에서, 단계(110, 112, 114 및 116)는 생략될 수 있다. 마찬가지로, 도 1d에 도시된 프로세스는 도시되지 않은 추가적인 단계들을 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
일반적으로, 도 1d는 일부 실시예에서 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)가 온도(TL)에서 Qc를 제거하기 위해 평행한 열 유동 경로를 제공한다는 원리를 도시한다. 일부 실시예에서, 시스템(10)의 동작은 TA와 열교환기(24, 28)의 상류에 있는 임의의 노드의 온도 사이의 차이의 함수이다. TLHP와 TA 사이의 온도차는 열 펌프(20)가 제2 경로(14)를 Qc를 제거하도록 활성화되는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, TLHP가 TA 이하이면, 제2 경로(14)를 통해 Qc를 제거하도록 열 펌프(20)가 활성화될 수 있다. TLHP가 TA보다 크면, 열 펌프(20)는 비활성화될 수 있어, Qc는 온도차에 의해 야기된 자연 소산 때문에 제1 경로(12)를 통해 수동적으로 유동한다. 따라서, 제1 경로(12)는 비용을 감소시키고 에너지 효율을 개선할 수 있고 그리고/또는 제2 경로(14)는 넓은 온도 범위의 동작을 제공할 수 있다. 그러나, 시스템(10)의 동작은 이에 한정되지 않는다.
일부 실시예에서, 열 펌프(20)는 TLHP가 더 큰 TA인 동안 활성화되어 급격한 냉각을 제공할 수 있다. 다시 말하면, TLHP가 급격한 냉각이 필요할 때 더 큰 TA일지라도 열 펌프(20)는 활성화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 경로(12)는 제2 경로(14)가 실패할 때 백업 경로로서만 사용될 수 있다. 따라서, 시스템(10)은 능동적 또는 수동적 냉각 기술만을 사용하는 시스템에 비해 효율 및 성능을 개선하기 위한 비용 효율적인 동작을 제공할 수 있다.
도 1d에 도시된 방법은 예시적인 것이며 제한하려는 것은 아니다. 예를 들어, TLH의 단지 하나의 값이 아니라, TL이 현재 상승 중인지(TLHR) 또는 하강 중인지(TLHF)에 따라 상이한 상한과 같이 히스테리시스의 형태를 제공하도록 설계된 한 쌍의 온도 임계값을 가질 수 있다. 일 실시예에서, TLHR은 TLHF보다 몇 도 더 높으므로, TL이 상승하면, TL이 TLHR 이상이 될 때까지 열 펌프(20)가 부하(16)를 냉각시키도록 턴온되지 않지만, TL이 하강하면, 열 펌프(20)는 TL은 TLHF 이하가 될 때까지 턴오프되지 않는다. 이는 열 펌프(20)가 단일 임계값(TLH)에 기초하여 능동 냉각을 인에이블링 또는 디스에이블링하는 것과 비교할 때 에너지 절감을 발생할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제1 및 제2 열전도성 경로는 부하로 또는 부하로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환기를 공유한다(이는 또한 "공유된" 열 교환기로도 지칭됨). 도 2a에 도시된 일 실시예에서, 제1 열전도성 경로(12) 및 제2 열전도성 경로(14)는 공통 열교환기(38)를 통해 부하(16)에 열적으로 연결된다. 요소들(18, 20, 24, 28, TLA, TLHP, 및 THPA)의 설명은 도 1a와 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
이제 도 2b를 참조하면, 시스템(10)은 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통해 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)으로 열(QC)의 유동을 보여주는 열 회로 개략도로서 도시되어 있다. 공통 열교환기(38)는 열 저항기(Rth,L)로 표현된다. 요소(20, 24, 28, PTEC, TLA, TLHP 및 THPA)의 설명은 도 1c와 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제1 및 제2 열전도성 경로는 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환기를 공유한다. 도 2c에 도시된 실시예에서, 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)는 공통 열교환기(38)를 공유할 뿐만 아니라 공통 열교환기(40)도 공유한다. 요소(16, 18, 20 및 30)의 설명은 도 1a와 동일하므로 여기서 반복하지 않을 것이다.
이제 도 2d를 참조하면, 시스템(10)은 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통해 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)(도시되지 않음)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)(도시되지 않음)으로 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시되어 있다. 공통 열교환기(38)는 열 저항기(Rth,L)로 표현되고, 공통 열교환기(40)는 열 저항기(Rth,A)로 표현된다. 요소(20, PTEC, TLHP 및 THPA)에 대한 설명은 도 1c와 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제1 열전도성 경로는 열 다이오드를 통해 직렬로 부하에 열적으로 연결된다. 도 3a에 도시된 실시예에서, 열 다이오드(42)는 공통 열교환기(38)를 제1 경로(12)의 열 교환기(24)에 연결한다. 요소(16, 18, 20, 28 및 30)의 설명은 전술한 바와 동일하므로 여기서 반복하지 않을 것이다.
열 다이오드의 특성은 효율적으로 한 방향으로 열을 수동적으로 전달한다는 것이다. 일부 실시예에서, 열 다이오드(42)는 열 사이펀이다. 일반적인 열 사이펀은 열의 존재 시에 액체 상태에서 기체 상태로 변경되는 냉각제를 포함하는 튜브입니다. 작동 시, 냉각제가 가열될 때, 생성된 가스는 부력에 의해 튜브를 통해 상승하여 튜브의 더 차가운 영역으로 이동하며, 여기서 가스는 액체로 응축되고 중력을 통해 튜브의 보다 고온 영역으로 역류한다. 액체에서 기체로의 상태 변화는 열을 추출하고, 기체에서 액체로의 응축은 그 열을 방출한다. 이러한 방식으로, 열은 열 사이펀의 한 단부로부터(예를 들어, 부하 단부에서) 추출되고, 열 사이펀의 다른 단부에서(예를 들어, 주변 환경으로) 방출된다. 환언하면, 열 사이펀은 일 방향, 즉 열 사이펀의 증발기 영역(이 예에서는 공통 열교환기(38)에 연결됨)으로부터 열 사이펀의 응축기 영역(이 예에서는 열교환기(24)에 연결됨)으로의 수동적인 2-상 열전달을 제공한다.
열 다이오드(42)의 존재는 열이 부하(16)로부터 주변 환경(18)으로 제1 경로(12)를 통해 효율적으로 유동할 수 있지만 반대 방향으로는 행해지지 않고, 이는 예를 들어 주변 온도(TA)가 부하 온도(TL)에 비해 높은 조건에서 부하(16)가 제1 경로(12)를 통해 원하지 않는 열을 받는 것으로부터 보호하는 장점을 제공한다. 이러한 구성에 대한 또 다른 장점은 제1 경로(12)의 열교환기(24)가, 열 펌프(20)의 능동적 작동 중에 아주 뜨거워질 수 있는 제2 경로(14)의 열교환기(28)로부터 일정 거리 떨어져 위치되거나 배치될 수 있다는 점이다. 열 교환기(24)를 열교환기(28)로부터 약간의 거리만큼 분리시키는 것은 열교환기(24)를 열교환기(28)로부터 열적으로 격리시킬 수 있으며, 그 결과 열교환기(28)에 의해 생성된 어떤 열도 열교환기(24) 자체에 (예를 들어, 열의 전도 또는 복사를 통해) 또는 열교환기(24)에 근접한 환경 (예를 들어, 대류를 통해)에 영향을 미치기 쉽지 않다.
일 실시예에서, 하나 이상의 열 사이펀이 공통 열교환기(38)와 열교환기(24) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 열 사이펀의 증발기 영역은 공통 열교환기(38)에 열적으로 결합될 수 있고 열 사이펀의 응축기 영역은 별도의 열교환기(24)에 결합될 수 있다. 이와 같이, 열 사이펀은 열 다이오드로서 동작하여 임의의 열 절연과 결합된 열 다이오드는 외부 환경으로부터, 동봉된 환경인 구조(30) 내로 열이 역누설되는 것을 방지한다.
이제 도 3b를 참조하면, 시스템(10)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)(도시되지 않음)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)(도시되지 않음)으로 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통해 열(QC)의 유동(도시되지 않음)을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시되어 있다. TDA는 열 다이오드(42)와 주변 환경(18) 사이의 경로(12) 내의 한 지점의 온도이다. 요소(20, 24, 28, 38, PTEC, TLHP 및 THPA)의 설명은 전술한 바와 같으므로 여기에서 반복되지 않을 것이다. 도 3b에 도시된 실시예에서, 제1 경로(12)는 열 다이오드(42)를 포함하는 것을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 여기서 제1 열전도성 경로는 열 다이오드를 통해 부하에 열적으로 연결되고, 제1 및 제2 경로는 열을 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 전달하기 위한 공통 열교환기를 공유한다. 도 4a에 도시된 시스템(10)의 실시예는 도 3a에 도시된 시스템(10)의 변형예로 간주될 수 있으며, 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)가 공통 열교환기(40)를 공유한다는 차이점이 있다. 요소(16, 18, 20, 30, 38 및 42)는 이전에 설명된 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
이제 도 4b를 참조하면, 시스템(10)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경으로 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통해 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시된다. 제1 경로(12)는 열 다이오드(42)를 포함하고 제2 경로(14)는 열 펌프(20)를 포함한다. 공통의 주변-측 열교환은 열 저항기(Rth,A)로 표시된다. 요소(38, 40, PTEC, TLHP 및 THPA)의 설명은 이전에 설명한 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
도 3a, 도 3b, 도 4a 및 도 4b에 도시되고 위에서 설명된 실시예는 제1 열전도성 경로(12) 내의 열 다이오드를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 열 다이오드가 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2 열전도성 경로(14)에 포함될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템(10)의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하고, 제2 열전도성 경로(14)는 열 다이오드(42)를 통해 부하(16)에 열적으로 연결된다. 도 5a에 도시된 실시예는 도 2a에 도시된 시스템(10)의 변형예로 간주될 수 있고, 제2 경로(14)가 공통 열교환기(38)와 열 펌프(20) 사이에 직렬로 열 다이오드(42)를 포함한다는 차이점이 있다. 요소(16, 18, 24, 28 및 30)의 설명은 전술한 바와 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
이 구성에서, 열 펌프(20)는 열 다이오드(42)의 상단으로부터 열을 능동적으로 끌어낼(draw away) 수 있다. 예를 들어 열 다이오드(42)가 열 사이펀인 경우, 열 펌프(20)는 열 다이오드(42)의 상단을 냉각시켜 그곳에 수집되는 가스의 응축을 촉진하여 열 다이오드(42)의 성능을 증가시킬 수 있다.
이제 도 5b를 참조하면, 시스템(10)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)(도시되지 않음)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)으로 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통한 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시되어 있다. 이 실시예에서, 제2 경로(14)는 열 다이오드(42) 및 열 펌프(20)를 직렬로 포함한다. TLD는 부하(16)와 열 다이오드(42) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점의 온도이다. TDHP는 열 다이오드(42)와 열 펌프(20) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점의 온도이다. 요소(24, 28, 38, PTEC, THPA 및 TLA)의 설명은 이전에 기술된 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
다음의 실시예들은 열 캐패시터를 포함하는 구성을 도시한다. 열 캐패시터의 예로는 상 변화 재료 및/또는 열 질량을 포함하거나 함유하는 장치를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 열 캐패시터는 물이 얼음이 될 때까지 능동적으로 냉각될 수 있는 물 저장소를 포함할 수 있으며, 이는 그 후에 부하(16)를 수동적으로 냉각(또는 적어도 이로부터 열을 흡수)하는데 사용된다. 마찬가지로, 열 캐패시터는 능동적으로 가열된 후 부하(16)를 수동적으로 가열(또는 적어도 이에 열을 제공)하는데 사용될 수 있다. 열 캐패시터는 부하로부터 열을 흡수하거나 부하에 열을 제공하기 위해 사용되는 큰 열 질량을 갖는 단지 구성 요소일 수도 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템(10)의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 제2 열전도성 경로(14)는 열 캐패시터를 통해 부하에 열적으로 연결된다. 도 6a에 도시된 실시예는 도 2a에 도시된 시스템(10)의 변형예로 간주될 수 있고, 제2 경로(14)가 공통 열교환기(38)와 열 펌프(20) 사이에 직렬로 열 캐패시터(44)를 포함한다는 차이점이 있다. 열 캐패시터(44)는 일부 실시예에서 PCM이다. 냉각 적용에서, 열 캐패시터(44)는 열 펌프(20)에 의해 충전되어 열 캐패시터(44)가 열에너지 부족을 저장한다(예를 들어, PCM이 동결된다). 그러나, 가열 적용에서, 열 캐패시터(44)는 (냉각보다는 가열하도록 구성되는) 열 펌프(20)에 의해 충전되어 열 캐패시터(44)가 열 에너지를 저장한다(예를 들어, PCM이 해동되거나 또는 액체 상태에 있다). 요소(12, 16, 18, 24, 28 및 30)의 설명은 앞서 설명한 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
일 실시예에서, 열 펌프(20)가 에너지를 소비할 때, 열은 열 캐패시터(44)로부터 추출된다. 결과적으로, 열 펌프(20)는 열 캐패시터(44)를 충전시킨다. 열 캐패시터(44)가 완전히 충전된 후, 열 펌프(20)는 열 캐패시터(44)가 부하로부터 열을 제거하는 것과 동일한 비율로 열 캐패시터(44)로부터 열을 계속해서 추출할 수 있다.
열 펌프(20)가 에너지를 소비하지 않을 때, 열 캐패시터(44)는 열 캐패시터(44)가 완전히 방전될 때까지 수동으로 부하로부터 열을 제거할 수 있다. 열 캐패시터(44)는 열 펌프(20)가 다시 에너지를 소비할 때 재충전될 수 있다. 따라서, 열 캐패시터(44)는 제2 경로(14)가 능동적으로 또는 수동적으로 열을 제거할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 열 캐패시터(44)는 부하(16)의 온도를 조절하기 위한 클램프로서 동작한다. 예를 들어, 열 캐패시터(44)는 PCM을 포함할 수 있다. PCM이 열을 흡수함에 따라, (예를 들어 고체에서 액체, 액체에서 기체로, 또는 고체에서 기체로) 상태가 바뀔 수 있고, 그 동안에 PCM - 및 부하(16) - 의 온도가 그 융점 온도에서 클램핑된다. 한편, 제1 경로(12)는 부하(16)가 열 캐패시터(44)를 압도하는 경우 공통 열교환기(38)로부터 주변 환경(18)으로의 안전한 열 유동 경로를 제공한다.
이제 도 6b를 참조하면, 시스템(10)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경으로 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통한 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시된다. 이 실시예에서, 제2 경로(14)는 열 펌프(20)와 직렬인 열 캐패시터(44)를 포함한다. TLC는 부하(16)와 열 캐패시터(44) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점에서의 온도이다. TCHP는 열 캐패시터(44)와 열 펌프(20) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점에서의 온도이다. 요소(24, 28, 38, PTEC, THPA 및 TLA)의 설명은 전술한 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
시스템(10) 내의 열 캐패시터(44)의 존재는 몇 가지 잠재적 장점을 갖는다. 이러한 장점 중 하나는 외부 전력이 이용 가능할 때 열 펌프(20)를 능동 상태로 동작시킴으로써 열 캐패시터(44)가 "충전"(즉, 예를 들어 목표 온도로 능동적으로 냉각 또는 가열)될 수 있어서, 열 캐패시터(44)는 예를 들어 외부 전력이 이용 가능하지 않거나 열 펌프(20)가 다른 방식으로 비활성화되는 조건에서 부하(16)를 냉각 또는 가열할 수 있다. 이러한 능력은, 예를 들어 식품 또는 다른 품목을 포함하는 패키지가 먼 위치로 운송되어야 하는 시나리오에서 유용하다: 운송 전에, 벽 아웃렛에 꽂거나 그렇지 않으면 외부 전원에 연결되는 열 펌프(20)에 의해 열 캐패시터(44)가 능동적으로 충전(냉각)될 수 있다. 일단 열 캐패시터(44)가 완전히 충전되면, 열 펌프(20)는 외부 전원으로부터 분리되고, 현재 냉각된 패키지가 운송된다. 열 캐패시터(44)는 패키지가 운송 중이고 전원에 연결될 수 없는 동안 패키지의 내용물을 수용 가능하게 냉각된 상태로 계속해서 유지할 수 있다.
열 캐패시터(44)를 포함하는 다른 장점은 외부 전력이 지속적으로 이용 가능한 환경에서, 전력 회사는 피크 수요 기간 동안 소비되는 전력에 대한 추가 요금을 일반적으로 청구한다는 것이다. 이 시나리오에서, 열 캐패시터(44)를 포함하는 시스템(10)은 야간 또는 다른 낮은-수요 기간 동안에 늦게 열 캐패시터(44)를 충전(및 가능하게는 능동적으로 부하(16)를 냉각)하기 위해 외부 전력이 사용되도록 구성될 수 있어 피크 수요 기간 동안 청구되는 보다 높은 요금을 지불해야 하는 것을 회피할 수 있다. 열 캐패시터(44)는 피크 시간(의 적어도 일부) 동안 부하(16)를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 또한, 전력 회사는 종종 피크 순간 전력 사용에 따라 사업체에 요금을 부과한다. 열 캐패시터(44)의 사용은 사업체로 하여금, 전체 피크 전력 사용이 감소되도록 열 펌프(20)가 활동하는 시간(또는 가능하게는 시스템(10)의 다수의 열 펌프(20)가 활동하는 시간)에 시차를 두게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 기업체는 전력 비용을 대폭 절감할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템(10)의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하고, 제2 열전도성 경로(14)가 열 다이오드(42) 및 열 캐패시터(44)를 통해 부하(16)에 열적으로 연결된다. 도 7a에 도시된 실시예는 도 5a에 도시된 시스템의 변형예로 간주될 수 있고, 제2 경로(14)가 열 다이오드(42)와 열교환기(28) 사이에 직렬로 열 캐패시터(44)를 포함한다는 차이점이 있다. 요소(12, 16, 18, 24, 30 및 38)의 설명은 앞서 설명한 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않는다.
이제 도 7b를 참조하면, 시스템(10)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)(도시되지 않음)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)(도시되지 않음)으로 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통한 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시되어 있다. 이 실시예에서, 제2 경로(14)는 열 펌프(20)와 직렬로 열 다이오드(42) 및 열 캐패시터(44)를 포함한다. TLD는 부하(16)와 열 다이오드(42) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점에서의 온도이다. TDC는 열 다이오드(42)와 열 캐패시터(44) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점에서의 온도이다. 요소(24, 28, 38, PTEC, TLA, TCHP 및 THPA)의 설명은 앞서 설명한 것과 동일하므로 여기서 반복하지 않을 것이다. 열 다이오드(42)의 부하 측에서의 온도(TLD)는 열 다이오드(42)의 주변 측에서의 온도(TDC)와 다를 수 있다. 마찬가지로, 열 캐패시터(44)의 부하 측에서의 온도(TDC)는 열 캐패시터(44)의 대향 측에서의 온도(TCHP)와 다를 수 있다.
열 캐패시터(44)의 존재는 전술한 장점들의 일부 또는 모두를 제공할 수 있다. 예를 들어, 열 펌프(20)는 열 캐패시터(44)를 능동적으로 충전할 수 있으므로, 열 펌프(20)가 활성화되지 않았거나 외부 전력의 이용 불가능으로 인해 작동 불가능한 때에도 부하(16)로부터 열을 추출하도록 열 다이오드(42)의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 열전달 시스템(10)의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하고, 제2 열전도성 경로(14)는 열 다이오드(42) 및 열 캐패시터(44)를 통해 부하(16)에 열적으로 연결되고, 제1 열전도성 경로(12)는 또한 열 펌프(20)를 포함한다. 도 8a에 도시된 실시예는 도 7a에 도시된 시스템(10)의 변형예로 간주될 수 있으며, 이전 수동적인 제1 경로(12)는 이제 자체 열 펌프(46)를 포함한다는 차이점이 있다. 요소(12, 16, 18, 20, 24, 28, 30, 38, 42 및 44)의 설명은 앞서 설명한 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
이제도 8b를 참조하면, 시스템(10)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)(도시되지 않음)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)(도시되지 않음)으로 제1 경로(12) 및 제2 경로(14)를 통한 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시되어 있다. 이 실시예에서, 제1 경로(12)는 또한 열 펌프(46)를 포함한다. TCHP2는 열 캐패시터(44)와 열 펌프(20) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점에서의 온도이다. THP2는 열 펌프(20)와 주변 환경(18) 사이의 제2 경로(14) 내의 지점에서의 온도이다. TLHP1은 부하(16)와 열 펌프(46) 사이의 제1 경로(12) 내의 지점에서의 온도이다. THP1A는 열 펌프(46)와 주변 환경(18) 사이의 제1 경로(12) 내의 지점에서의 온도이다. 열 펌프(46)의 부하 측에서의 온도(TLHP1)는 온도(THP1A)와 다를 수 있다. 도 8b에 도시된 실시예에서, 2개의 열 펌프(20 및 46) 각각은 다른 것과 독립적으로 제어될 수 있다; 열 펌프(46)에 제공된 전력은 화살표(PTEC1)로 도시되고, 열 펌프(20)로 제공된 전력은 화살표(PTEC2)로 도시된다. 요소(20, 24, 28, 38, 42 및 44)의 설명은 이전에 설명된 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, "시스템(48)"으로도 지칭되는, 하이브리드 열전달 시스템(48)의 예시적인 구조 및 기능적 설명을 각각 도시하며, 본 명세서에서 부하(16)와 주변 환경(18) 사이의 "경로(50)"라고도 지칭되는 열 전도성 경로(50)는 직렬로 연결된 열 캐패시터(44), 열 펌프(20) 및 열 다이오드(42)를 포함한다. 도 9a에 도시된 실시예에서, 시스템(48)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)와 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18) 사이에 열전도성 경로(50)를 포함하고, 경로(50)는 열 캐패시터(44), 열 펌프(20) 및 열 다이오드(42)를 포함한다. 도 9a에 도시된 실시예에서, 열교환기(26)는 부하(16)와 경로(50) 사이의 열 인터페이스를 제공하고, 열교환기(28)는 경로(50)와 주변 환경(18) 사이의 열 인터페이스를 제공한다.
도 9b를 참조하면, 시스템(48)은 부하 온도(TL)를 갖는 부하(16)(도시되지 않음)로부터 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경(18)(도시되지 않음)으로 열전도성 경로(50)를 통한 열(QC)의 유동을 도시하는 열 회로 개략도로서 도시된다. 도 9b에 도시된 실시예에서, 열교환기(26)는 열 저항기(Rth,L)로 표현되고, 열교환기(28)는 열 저항기(Rth,A)로 표현된다. 경로(50)는 또한 열 캐패시터(44), 열 펌프(46) 및 열 다이오드(42)를 포함한다. THPD는 열 펌프(20)와 열 다이오드(42) 사이의 경로(50) 상의 지점에서의 온도이다. TDA는 열 다이오드(42)와 주변 환경(18) 사이의 경로(50) 상의 점에서의 온도이다. 요소(20, 24, 28, 38, 42, 44, PTEC, TLC 및 TCHP)의 설명은 앞서 설명한 것과 동일하므로 여기에서 반복하지 않을 것이다. 열 펌프(46)의 부하 측에서의 온도(TCHP)는 온도(THPD)와 다를 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 본 명세서에서 "시스템(52)"으로도 지칭되는 예시적인 하이브리드 열전달 시스템(52)의 블록도를 도시한다. 도 10에 도시된 실시예에서, 시스템(52)은 본 명세서에서 "능동적 구성 요소(54)"로도 지칭되는 능동적 가열 및/또는 냉각 구성 요소(54) 및 제어 시스템(56)을 포함한다. 일부 실시예에서, 시스템(52)은 본 명세서에서 "수동적 구성 요소(58)"로도 지칭되는 수동적 가열 및/또는 냉각 구성 요소(58)를 선택적으로 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 실시예에서, 제어 시스템(56)은 온도 데이터 및 선택적으로 다른 유형의 데이터를 제어기(62)에 제공하는 하나 이상의 온도 센서(60)를 포함한다. 일 실시예에서, 제어기(62)는 하나 이상의 CPUs(Central Processing Units), ASICs(Application-Specific Integrated Circuits), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays) 등 또는 그들의 임의의 조합으로서 구현될 수 있고, 알고리즘에 따라 센서(60)에 의해 제공된 데이터를 처리한다. 제어기(62)는 활성화 및 스위칭 회로(64)를 통해 능동적 구성 요소(54)의 동작을 제어한다. 시스템(52)은 선택적으로 컴퓨터 프로그램 및/또는 데이터를 저장하기 위한 컴퓨터 메모리(66)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어, 제어 시스템(56)은 하나 이상의 능동적 구성 요소(54)가 활성화된 상태에서 비활성화된 상태로 또는 그 반대로 변경되게 할 것인지를 결정하기 위해, 위에서 설명되고 도 1d에 도시된 프로세스를 구현할 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어, 시스템(52)은 능동적 구성 요소(54) 및 수동적 구성 요소(58) 모두를 포함한다. 그러한 일 실시예에서, 수동적 구성 요소(58)는 수동적으로 열을 지속적으로 전달할 수 있고, 시스템(52)은 주변 환경(18)이 목표 부하 온도(TL)보다 더울 때와 같이 수동적 구성 요소(58)가 충분한 열을 전달할 수 없는 경우에만 능동적 구성 요소(54)를 활성화한다. 다른 실시예에서, 외부 전원의 부재 또는 구성 요소의 고장으로 인해, 능동적 구성 요소(54)가 작동하지 않으면, 수동적 구성 요소(58)는 열을 전달하는 백업 시스템의 역할을 한다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 적어도 하나의 프로세서가 본 명세서에 설명된 실시예들 중 어느 하나에 따른 제어기(62)의 기능을 수행하게 하는 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제공된다. 일 실시예에서, 전술한 컴퓨터 프로그램 제품을 포함하는 캐리어가 제공된다. 캐리어는 전자 신호, 광 신호, 무선 신호 또는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(예를 들어, 컴퓨터 메모리(66)와 같은 비-일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체) 중 하나이다.
또한, 상기 설명된 실시예들은 이것들에 한정되는 것이 아니라는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 시스템은 임의의 구성 요소를 추가 또는 생략할 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 임의의 개수의 경로를 형성하기 위해 임의의 순서로 구성 요소를 배열할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예는 하나 이상의 열전달 경로를 형성하는 복수의 구성 요소를 이용하는 열 제거 시스템을 포함한다. 복수의 구성 요소는 능동적 구성 요소 및 수동적 구성 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하이브리드 열 제거 시스템은 적어도 하나의 능동적 열전달 경로 및 적어도 하나의 수동적 열전달 경로를 포함하는 복수의 열전달 경로를 형성하는 복수의 구성 요소를 포함한다. 능동적 열전달 경로는 능동적 열교환 구성 요소를 포함하고, 능동적 열교환 구성 요소가 작동할 때 부하로부터의 능동적인 열 제거를 제공하도록 구성된다. 수동적 열전달 경로는 부하로부터 수동적인 열 제거를 제공하도록 구성된다. 수동적 열전달 경로는 능동적 열전달 경로와 평행하다.
당업자는 본 개시의 바람직한 실시예에 대한 개선 및 수정을 인식할 것이다. 이러한 모든 개선 및 수정은 본 명세서에 개시된 개념 및 후속하는 청구항의 범위 내에서 고려된다.

Claims (30)

  1. 하이브리드 열전달 시스템에 있어서,
    부하 온도(TL)를 갖는 부하와 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경 사이에서 열을 수동적으로 전달하도록 구성된 제1 열전도성 경로; 및
    부하와 주변 환경 사이에서 열을 능동적으로 전달하도록 구성된 제2 열전도성 경로 - 제2 경로는 열 펌프를 포함함 - 를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    열 펌프는 활성화 상태 또는 비활성화 상태에 있고;
    열 펌프가 활성화 상태에 있을 때, 열은 제2 열전도성 경로를 통해 능동적으로 전달되고;
    열 펌프가 비활성화 상태에 있을 때, 열은 제2 열전도성 경로를 통해 능동적으로 전달되지 않는 하이브리드 열전달 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 경로의 각각은 부하로 또는 부하로부터 열을 전달하기 위한 자체의 별도의 열교환 구성 요소를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제1 및 제2 경로의 각각은 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 자체의 별도의 열교환 구성 요소를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 경로는 부하로 또는 부하로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환 구성 요소를 공유하는 하이브리드 열전달 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 제1 및 제2 경로의 각각은 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 자체의 별도의 열교환 구성 요소를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 제1 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 제2 열전도성 경로는 부하와 열 펌프 사이에 열 다이오드를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 제2 열전도성 경로는 부하와 열 펌프 사이에 열 캐패시터를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 제2 열전도성 경로는 부하와 열 펌프 사이에 열 다이오드 및 열 캐패시터를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 제1 열전도성 경로는 제2 열 펌프를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  12. 제5항에 있어서, 제1 및 제2 경로는 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환 구성 요소를 공유하는 하이브리드 열전달 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 제1 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 경로는 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 공통 열교환 구성 요소를 공유하는 하이브리드 열전달 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 경로의 각각은 주변 환경으로 또는 주변 환경으로부터 열을 전달하기 위한 자체의 별도의 열교환 구성 요소를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 제1 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 열 다이오드는 열 사이펀을 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 제2 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 열 다이오드는 부하와 열 펌프 사이에 직렬로 존재하는 하이브리드 열전달 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 제2 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 캐패시터를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 열 캐패시터는 상 변화 재료 및/또는 열 질량을 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 제2 열전도성 경로는 부하와 주변 환경 사이에 열 다이오드, 열 캐패시터 및 열 펌프를 직렬로 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  23. 하이브리드 열전달 시스템에 있어서,
    부하 온도(TL)를 갖는 부하로부터 주변 온도(TA)를 갖는 환경으로 열을 전달하기 위한 열전도성 경로를 포함하고,
    상기 열전도성 경로는
    저장 온도(TS)를 갖는 열 캐패시터;
    열 펌프에 의해 열이 능동적으로 전달되는 활성화 상태, 및 열 펌프에 의해 열이 능동적으로 전달되지 않는 비활성화 상태를 갖는 열 펌프; 및
    열 다이오드를 포함하고,
    이들은 부하와 주변 환경 사이에 직렬로 연결되는 하이브리드 열전달 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 열 캐패시터는 상 변화 재료 및/또는 열 질량을 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 열 캐패시터의 제1 측은 부하와 접촉하고, 열 펌프의 제1 측은 열 캐패시터의 제2 측과 접촉하고, 열 다이오드의 제1 측은 열 펌프의 제2 측과 접촉하고, 열 다이오드의 제2 측은 주변 환경으로 열을 전달하는 하이브리드 열전달 시스템.
  26. 하이브리드 열전달 시스템에 있어서,
    부하의 능동적인 가열 및/또는 냉각을 위한 제1 구성 요소 - 제1 구성 요소의 동작은 적어도 하나의 제어 입력에 의해 제어됨 -; 및
    알고리즘에 따라 적어도 하나의 제어 입력을 통해 제1 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 부하의 수동적 가열 및/또는 냉각을 위한 제2 구성 요소를 더 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  28. 제26항에 있어서, 제어 시스템은
    적어도 하나의 온도 센서; 및
    하드웨어를 가지며, 적어도 하나의 온도 센서로부터 온도 정보를 수신하고, 알고리즘에 따라 상기 정보를 처리하여 제1 구성 요소의 원하는 동작을 결정하고, 제1 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 제어기는 제어기와 제1 구성 요소 사이의 활성화 및 스위칭 회로를 통해 제1 구성 요소의 동작을 제어하는 하이브리드 열전달 시스템.
  30. 부하 온도(TL)를 갖는 부하와 주변 온도(TA)를 갖는 주변 환경 사이에서 수동적으로 열을 전달하기 위한 제1 열전도성 경로, 및 부하와 주변 환경 사이에서 능동적으로 열을 전달하기 위한 제2 열전도성 경로를 포함하고, 제2 경로는 열 펌프를 포함하는 하이브리드 열전달 시스템을 제어하는 방법으로서,
    TL 및 TA의 값을 모니터링하는 단계;
    TL이 제1 임계값(TLH)보다 큰 것으로 결정되면:
    TA가 TL보다 크거나 또는 이와 동일한 것으로 결정되면, 열이 제2 열전도성 경로를 통해 부하로부터 주변 환경으로 능동적으로 전달되도록 열 펌프를 활성화시키는 단계; 및
    TA가 TL보다 작은 것으로 결정되면, 열이 제2 열전도성 경로를 통해 부하로부터 주변 환경으로 능동적으로 전달되지 않도록 열 펌프를 비활성화시키는 단계;
    TL이 제2 임계값(TLL)보다 작은 것으로 결정되면,
    TA가 TL보다 작거나 또는 이와 동일한 것으로 결정되면, 열이 제2 경로를 통해 주변 환경으로부터 부하로 능동적으로 전달되도록 열 펌프를 활성화시키는 단계; 및
    TA가 TL보다 큰 것으로 결정되면, 열이 제2 경로를 통해 주변 환경으로부터 부하로 능동적으로 전달되지 않도록 열 펌프를 비활성화시키는 단계; 및
    TLL ≤ TL ≤ TLH라고 결정되면, 열 펌프의 현재 동작 상태를 변경하지 않는 단계를 포함하는 방법.
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