混合热传递系统的制作方法

优先申请

本申请要求于2014年12月5日提交的题为“high-efficiencyhybridheatremovalsystem”的美国临时专利申请序列号62/088,362的优先权，该专利的全部内容通过引用并入本文。

本公开的领域一般涉及除热系统，且特别涉及混合热传递系统。

背景技术：

由于对有限资源和环境的担忧，对节能的需求已经大大增长。这导致了节能电器的发展。例如，与十五年前的模型相比，目前节能冰箱的能源使用量减少了近百分之四十。进一步提高节能冰箱的效率的能力受到通用性能的需求的限制。例如，消费者需要在宽温度范围内操作并且在保持精确温度控制的同时适应快速变化的冰箱。

现有的制冷技术使用被动或主动冷却技术。如本文所使用，当在加热或冷却的情况下使用时，术语“被动”是指例如经由诸如传导、对流、辐射等的自然过程在不需要额外能量的情况下发生的热传递。如本文所使用，当在加热或冷却的情况下使用时，术语“主动”是指需要额外能量(例如电)以例如经由使用诸如压缩机、热泵、珀尔帖(peltier)连接等的耗电装置发生的热传递。因此，主动冷却系统是涉及消耗能量来冷却物体的系统，而不是不消耗能量的被动冷却。

最常见类型的节能冰箱使用蒸气压缩系统。在这些系统中，机械部件消耗能量来主动输送热量。这些部件可包括压缩机、冷凝器、热膨胀阀、蒸发器、使工作流体(例如制冷剂)循环的管道，和恒温器。部件使制冷剂循环，所述制冷剂经受强制相变以将热量从冷却室输送至外部环境。较不常见的制冷系统包括热电冷却系统。在这些系统中，热电热泵消耗能量来将热量从其从冷却室接收热量的被动子系统主动地输送至拒斥热量到外部环境的另一被动子系统。

因为制冷系统通常是高度绝缘的，所以没有设计导热通道(通过该通道，热量可通过单独被动传输从冷却室传递至外部环境)。因此，如果主动部件失效，则这些制冷系统不能拒斥来自冷却室的热量。

这个问题还困扰被设计为将内部室保持在设定温度下而与外部环境温度无关的主动系统：如果主动部件失效，则不存在可通过其传递热量以根据需要加热或冷却内部室的导热通道。此外，缺乏替代的被动通道意味着为了降低功耗，不能利用外部环境条件。例如，如果室需要稍微加热且外部环境比室温暖，则存在替代的被动通道将允许室经由被动热传递而不是经由主动装置而被加热，因此消除了消耗(并支付)主动装置将使用的能量的需要。同样适用于在外部环境比室冷的情况下需要稍微冷却的室：可使用被动通道将热量从室传递至外部环境，而不需要消耗额外能量来运行热泵、压缩机等。

因此，仍然需要用于热传递的系统和方法，其以更低成本提供更高能量效率，同时保持性能的多功能性。

技术实现要素：

本文公开了用于混合热传递系统的系统和方法。

根据一方面，一种混合热传递系统包括：第一导热通道，其被构造为在具有负载温度(tl)的负载和具有环境温度(ta)的周围环境之间被动地传递热量；和第二导热通道，其被构造为在负载和周围环境之间主动地传递热量，第二通道包括热泵。

根据一方面，热泵处于启用状态或停用状态，且当热泵处于启用状态时，通过第二导热通道主动地传递热量，且当热泵处于停用状态时，不会通过第二导热通道主动地传递热量。

根据另一方面，当热泵处于停用状态时，通过第二导热通道被动传递热量。

根据一方面，第一和第二通道中的每个都包括用于向或自负载传递热量的其自己单独的热交换部件。根据另一方面，第一和第二通道共享用于向或自负载传递热量的共用热交换部件。

根据一方面，第一和第二通道中的每个都包括用于向或自周围环境传递热量的其自己单独的热交换部件。根据另一方面，第一和第二通道共享用于向或自周围环境传递热量的共用热交换部件。

根据一方面，第一导热通道包括串联在负载和周围环境之间的热二极管。根据一方面，热二极管允许热量从负载传递至周围环境，并阻止热量从周围环境传递至负载。根据一方面，热二极管包括热虹吸管。

根据一方面，第二导热通道包括串联在负载和周围环境的热二极管。根据一方面，热二极管串联在负载和热泵之间。

根据一方面，第二导热通道包括串联在负载和周围环境之间的热电容器。根据一方面，第二导热通道包括串联在负载和热泵之间的热电容器。根据一方面，热电容器包括相变材料和/或热质量。

根据一方面，第二导热通道包括串联在负载和周围环境之间的热二极管、热电容器和热泵。根据一方面，第二导热通道包括串联在负载和热泵之间的热二极管和热电容器。

根据一方面，第一导热通道还包括热泵。

根据另一方面，一种混合热传递系统包括导热通道，该通道用于将热量从具有负载温度tl的负载传递至具有环境温度ta的周围环境，其中导热通道包括具有储存温度ts的热电容器；热泵，其具有启用状态，在所述启用状态期间，由热泵主动地传递热量；和停用状态，在所述停用状态期间，热泵不会主动地传递热量；和热二极管，其串联连接在负载和周围环境之间。

根据一方面，热电容器包括相变材料和/或热质量。

根据一方面，热电容器的第一侧与负载接触，热泵的第一侧与热电容器的第二侧接触，热二极管的第一侧与热泵的第二侧接触，且热二极管的第二侧将热量传递至周围环境。

根据又另一方面，一种混合式热交换系统包括第一部件，其用于主动加热和/或冷却负载，第一部件的操作由至少一个控制输入控制；和控制系统，其被构造为用于根据算法经由至少一个控制输入来控制第一部件的操作。

根据一方面，控制系统包括至少一个温度传感器；和控制器，其具有硬件并被构造为从至少一个温度传感器接收温度信息，以根据算法处理该信息以确定第一部件的期望操作，并控制第一部件的操作。

根据一方面，控制器经由启用和切换控制器和第一部件之间的电路来控制第一部件的操作。

根据又另一方面，一种用于控制混合热传递系统的方法，所述混合热传递系统具有第一导热通道，所述第一导热通道用于在具有负载温度tl的负载和具有环境温度ta的周围环境之间被动地传递热量；并具有第二导热通道，其用于在负载和周围环境之间主动地传递热量，其中第二通道包括热泵，所述方法包括：监测tl和ta的值。在确定tl大于第一阈值tlh时，如果确定ta大于或等于tl，则启用热泵，使得经由第二通道将热量从负载主动地传递至周围环境；然而，如果确定ta小于tl，则停用热泵，使得不会经由第二通道将热量从负载主动地传递至周围环境(例如，经由第一通道将热量从负载被动地传递至周围环境)。在确定tl小于第二阈值tll时，如果确定ta小于或等于tl，则启用热泵，使得经由第二通道将热量从周围环境主动地传递至负载；然而，如果ta大于tl，则停用热泵，使得不会经由第二通道将热量从周围环境主动地传递至负载(例如，经由第一通道将热量从周围环境被动地传递至负载)。在确定tll≤tl≤tlh时，不改变热泵的当前操作状态(启用或停用)。

这里描述的方法和系统以更低成本提供更高效率，同时提高性能的多功能性，诸如在宽温度范围和冷却速度下操作，同时保持温度的精确控制。

本领域技术人员应在阅读与附图相关联的优选实施方案的以下具体实施方式之后，理解本公开的范围并实现其附加方面。

附图说明

并入并形成本说明书的一部分的附图示出本公开的几个方面，并与具体实施方式一起用于解释本公开的原理。

图1a示出根据本公开的实施方案的混合热传递系统的示例结构，其中系统包括用于在负载和周围环境之间传递热量的第一和第二导热通道，第二通道包括热泵；

图1b示出根据本公开的实施方案的示例混合热传递系统的正交图，其中第一通道在第二通道上风向，使得来自主动第二通道的热量不影响被动第一通道的性能；

图1c示出根据本公开的实施方案的图1a中的系统的功能描述；

图1d示出根据本公开的实施方案的用于混合热传递系统的示例方法的流程图；

图2a和图2b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一和第二导热通道共享用于向或自负载传递热量的共用热交换器；

图2c和图2d分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一和第二导热通道共享用于向或自周围环境传递热量的共用热交换器；

图3a和图3b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一导热通道通过热二极管热连接至负载；

图4a和图4b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一导热通道通过热二极管热连接至负载，且其中第一和第二通道共享用于向或自周围环境传递热量的共用热交换器；

图5a和图5b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第二导热通道通过热二极管热连接至负载；

图6a和图6b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第二导热通道通过热电容器热连接至负载；

图7a和图7b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第二导热通道通过热二极管和热电容器热连接至负载；

图8a和图8b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第二导热通道通过热二极管和热电容器热连接至负载，其中所述第一导热通道还包括热泵；

图9a和图9b分别示出根据本公开的又另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中负载和周围环境之间的导热通道包括串联连接的热电容器、热泵和热二极管；和

图10示出根据本公开的另一实施方案的示例混合热交换系统的框图。

具体实施方式

本文公开了用于混合热传递系统的系统和方法。下面阐述的实施方案表示使本领域技术人员能够实践实施方案并说明实践实施方案的最佳方式的必要信息。在参考附图阅读以下描述后，本领域技术人员应理解本公开的概念，并且应认识到这些概念的应用在本文中未具体阐述。应理解，这些概念和应用都落入本公开和所附权利要求的范围内。

应理解，虽然术语第一、第二等可在本文用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，且类似地，第二元件可被称为第一元件。

还应理解，当元件被称为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可直接连接或耦接至另一元件，或者可存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”至另一元件时，不存在中间元件。

还应理解，除非上下文另有明确指出，否则单数形式“不定冠词”和“定冠词”包括复数形式。术语“包括”在本文中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。此外，术语“和/或”包括一个或多个相关联列出的项目中的任何和所有组合。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。应进一步理解，本文所使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，且不会以理想化或过度正式的方式解释，除非本文明确定义。

热传递通道包括可串联热耦接以提供沿通道的热流的一个或多个部件。例如，可从封闭室(例如，冰箱内室)移除热量且热量沿热传递通道移动，以便随后释放至外部环境(即周围环境)。热传递通道可以是除热系统的“接受侧”和/或“拒斥侧”的一部分和/或热耦接至“接受侧”和/或“拒斥侧”。接受侧接受来自热负载的热量(例如，从负载中移除热量)。拒斥侧拒斥热量到外部/周围环境。

根据热传递通道是否提供主动和/或被动热流，热传递通道可以是“主动”和/或“被动”的。例如，热传递通道的部件可引起热传递通道在消耗能量时提供“主动”热传递。另一方面，当相同部件不消耗能量时，相同热传递通道可提供“被动”热传递。因此，主动热传递通道和被动热传递通道之间的区别取决于是否可由通道主动地和/或被动地传递可观量的热量。更具体地，热传递通道可包括至少一个主动热交换部件和一个或多个被动部件。然而，热传递通道是否被称为“主动热传递通道”或“被动热传递通道”取决于热传递通道是否被构造为主动地和/或被动地传递可观量的热量。

主动热传递通道包括通过消耗能量引起热传递的至少一个部件。因此，当至少一个部件消耗能量时，主动热传递通道传递可观量的热量。这种部件在本文中通常称为“主动热交换部件”。主动热交换部件的实施例包括热泵，诸如蒸气压缩机、斯特林(stirling)冷却器、热电装置，以及通过消耗能量传递或调节热量的任何结构、装置和/或材料。因此，当主动热交换部件中的至少一个部件消耗能量时，主动热传递通道都传递可观量的热量。

被动热传递通道包括在不消耗能量的情况下增加自然冷却过程的有效性的一个或多个被动部件。被动部件的实施例包括散热器、热虹吸管、热管、热交换器、相变材料，或在不消耗能量的情况下依赖散热或调整的自然过程的任何结构、装置和/或材料。因此，在不消耗能量的情况下，被动热传递通道传递可观量的热量。

因此，包括主动热交换部件的热传递通道在其消耗能量来主动传递热量时是主动热传递通道，且如果在主动热交换部件不消耗能量时，主动热传递通道被动地传递可观量的热量，则热传递通道可以是被动热传递通道。相反，被动热传递通道可包括主动热交换部件，在被动热传递通道被动地传递可观量的热量时，该主动热交换部件不消耗能量。

用于除热系统的本文公开的实施方案利用形成一个或多个主动和/或被动热传递通道的主动和/或被动部件的组合。这些组合实现了更高效率、宽温度范围、冷却速度、精确的温度控制和更低成本中的一个或多个。

在继续描述本公开的实施方案之前，定义如下一些术语是有益的：

如本文所使用，“部件”是指较大整体的部分或元件。部件可包括任何装置、材料和/或系统。例如，热传递通道的部件是热传递通道的一部分或元件。“通道”由串联连接的多个部件形成，且被构造为提供用于传递热量的方向。

如本文所使用，术语“主动热交换”是指任何部件通过消耗能量来主动移动热量的操作。热量从较低温度下的通道的一个位置(即，“源”)移动至更高温度下的通道的另一位置(即，“散热器”)。主动热交换部件的一个实施例是热泵。当消耗能量时，热泵仅移动可观量的热量。虽然不限于此时，但是在一些实施方案中，热泵是包括一个或多个热电模块的固态热泵，其中每个热电模块包括多个热电装置(参见例如题为“methodforthinfilmthermoelectricmodulefabrication”的美国专利号8,216,871，其据此通过引用并入本文作为其热电模块的教导)。热泵的其它实施例包括蒸气压缩热泵和斯特林循环热泵。因为主动热交换部件主动地移动热量，所以它可通过模拟主动地移动电流的电路的电流源来仿造。

如本文所使用，术语“被动部件”是指在不消耗能量的情况下被动地移动或调整热量的部件。由于被动部件两端的温度差异，热量可由被动部件自然地接受、传递和拒斥。被动部件的实施例包括散热器/热交换器、热虹吸管、热管、相变材料(pcm)等。

图1a示出根据本公开的实施方案的混合热传递系统的示例结构，其中系统包括用于在负载和周围环境之间传递热量的第一和第二导热通道，第二通道包括热泵。

在图1a所示的实施方案中，在本文中也称为“系统10”的混合热传递系统10包括第一导热通道12(在本文中也称为“第一通道12”)，和第二导热通道14(在本文中也称为“第二通道14”)，它们都操作以在具有负载温度(tl)的负载16和具有环境温度(ta)的周围环境18之间传递热量。负载的实施例包括但不限于电气或电子电路、印刷电路板(pcb)、电机、环境控制的空间，例如冰箱、存储单元、家庭和办公楼等。第一通道12被构造为被动地传递热量。第二导热通道14被构造为主动地传递热量且包括用于该目的的热泵20。

在图1a所示的实施方案中，第一通道12包括用于向或自负载16传递热量的热交换器22，和用于向或自周围环境18传递热量的热交换器24。第二通道14同样包括用于向或自负载16传递热量的热交换器26，和用于向或自周围环境18传递热量的热交换器28。在该所示的实施例中，热交换器22、24、26和28是翅片金属热交换器/散热器，但不限于此。可使用其它类型的热交换器/散热器。热交换器的实施例包括但不限于风冷式热交换器、水冷式热交换器等。

在一个实施方案中，热泵20可处于启用状态，在该状态下，在负载16和周围环境18之间主动地传递热量，或处于停用状态，在该状态下，不会在负载16和周围环境18之间主动地传递热量。例如，控制器或控制系统(未示出)可控制热泵20，使得根据期望控制算法将热泵20选择地控制在启用状态或停用状态。在一些实施方案中，即使热泵处于停用状态，热泵20仍可被动地传递热量。在其它实施方案中，热泵20可在其处于停用状态时防止这种热传递，例如用作负载16和周围环境18之间的热绝缘体。

在图1a所示的实施方案中，第一通道12与第二通道14隔有间隙。该间隙使通道分离以防止热量从第二通道14泄漏至或至少减轻热泄漏至第一通道12，并通过热交换器22回到封闭环境。在一些实施方案中，间隙可包括用以进一步防止回漏的绝缘体。在一些实施方案中，如下所述，可完全省略间隙。

在一个实施方案中，负载16可位于与周围环境18分离的其自己环境内。在图1a所示的实施方案中，例如，负载16可位于其对负载16提供局部环境的结构30内。在一个实施方案中，结构30可以是气候或温度控制的空间，诸如冰箱、冷冻机、环境控制的封闭室，诸如具有入口防护(ip)等级的封闭室等。同样，热交换器24和28也可位于提供附加条件的结构内或位置中。例如，热交换器24和28可位于在热交换器上方提供持续的空气(或水)流的箱、底盘、框架或其它环境中。这些环境可提供额外益处，如下面参考图1b所述。

图1b示出根据本公开的实施方案的混合热传递系统10的正视图。在图1b所示的实施方案中，都由虚线箭头表示的第一通道12和第二通道14中的每个分别包括翅片热交换器24和28，在一些实施方案中，所述翅片热交换器受益于由其可在一些实施方案中安装在封闭结构36内的一个或多个风扇34提供的气流32。

在图1b所示的实施方案中，热交换器22和26是例如分别在负载16和第一和第二通道12和14之间提供热接口的导热板(例如，金属板)，但是在替代实施方案中，这些结构可能不存在。例如，负载16可例如通过直接接触并经由固定器、螺栓或其它紧固件保持在适当位置来与热交换器24和热泵20直接配合。在配合表面上可存在热膏，以更有效地实现这些与其它配合结构之间的热传递。或者，负载16可间接地(例如，经由中间结构)或甚至远程(例如，通过气隙间的热辐射)耦接至热交换器。还考虑了其它接口连接方法。

在图1b所示的实施方案中，来自负载16的热量qc经由热交换器22被吸入第一通道12中，并经由热交换器24消散至周围环境18中。来自负载16的热量也经由热交换器26被吸入第二通道14中到达热泵20，如果是主动，则热泵将热量传递至热交换器28中。

图1b示出其中来自第一通道12的热交换器24在来自第二通道14的热交换器28的上风向的构造。由于主动热泵可传递比被动传递更多的热量，所以热交换器28可能比热交换器24更热；通过将热交换器28置于热交换器24的下风向，第一通道12不太可能受到由第二通道14产生的热量的影响，因此比热交换器24处于热交换器28下风向更有效。换言之，通过将热交换器28放置在热交换器24的下风向，减轻了从第二通道14至第一通道12的热泄漏。

可例如使用类似于电路原理图的图形表示来描述示例混合热传递系统(诸如图1a和图1b所示的系统)的操作。这种类型的表示在本文中被称为热电路示意图。例如，被动地传导热能的结构类似于电阻器，且因此在本文中被称为热电阻器。如本文所使用，术语“热电阻”是指被动地接受来自较高温度环境的热量并将热量拒斥至较低温度环境的部件。热电阻器的实施例包括热交换器。热交换器通常用流体介质传递热量。流体介质通常是空气，但也可以是水或制冷剂。热阻是特定热交换器的特性。因此，可类似于电路的电阻器来对热交换器建模。

仅在一个方向上传导热量的结构类似于二极管，且因此在本文中被称为热二极管。如本文所使用，术语“热二极管”是指引起热量在通道的一个方向上优先被动地流动的部件。相反，热二极管防止热量在与通道的优选方向相反的方向泄漏。热二极管的实施例包括热虹吸管。热虹吸管使用被动两相热交换来基于自然对流来传输热量。热虹吸管经由使用浮力和重力和/或向心力的工作流体在蒸发器和冷凝器之间传输热量，而不需要机械泵。特别地，在工作流体在蒸发器中加热时，由于加热的工作流体的密度降低，加热的工作流体(例如，气体)经由浮力自然地升高通过热虹吸管到达冷凝器。当工作流体在冷凝器中被冷却时，由于冷却的工作流体的密度增加，冷却的工作流体(例如液体)经由重力和/或向心力自然地下沉通过热虹吸管到达蒸发器。

不像包含吸引介质以引导毛细管力的热管(其促进工作流体的移动来输送热量)，热虹吸管不依赖毛细管力来使工作流体移动。因此，这允许热流从蒸发器到冷凝器区域，并且防止热量泄漏回蒸发器。因此，可通过类似于电路的二极管来对热虹吸管建模。

存储热能或热能不足(例如，在处于冷冻状态的pcm的情况下)的结构类似于电容器，且因此在本文中被称为热电容器。如本文所使用，术语“热电容器”是指被动地存储热量的部件。热电容器的一个实施例是pcm。pcm是在特定温度下从一个相变为另一个相的材料。因此，pcm能够被动地存储并释放大量的热量。当材料变为较高能量状态(例如，固体至液体)时，吸收热量，且当材料变为较低能量状态(例如，液体至固体)时，释放热量。因此，可通过类似于电路的电容器来对pcm建模。

主动传导热能的结构类似于电流源，且因此在本文中被称为热源。应注意，热源可操作来供应热量、可操作来移除热量，或者可被构造为进行两者之一。

因此，热系统可由在电路原理图中使用的等效符号表示，即创建热电路原理图。图1c中示出图1a所示的实施方案的热电路原理图的一个实施例。

图1c示出根据本公开的实施方案的图1a中的系统10的功能描述。在图1c所示的实施方案中，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16至具有环境温度ta的周围环境18的第一通道12和第二通道14的热流qc。在第一通道12中，热交换器22被表示为热电阻rth,l1，且热交换器24被表示为热电阻rth,a1。在第二通道中，热交换器26被表示为热电阻rth,l2，热交换器28被表示为热电阻rth,a2，且热泵20被表示为热源。在一个实施方案中，热泵20可以是可设电力的热电(tec)装置，如图1c中的箭头ptec所示。

由图1c所示的热电路示意图表示的结构可不一定完全是相同温度，但在不同位置可具有不同温度。在图1c所示的实施方案中，标记为tl的节点表示与具有负载温度tl；的负载16的热接触；标记为ta的节点表示与具有环境温度ta的周围环境18的热接触。其它标记节点表示第一或第二通道12和14内的位置，其中各个位置处的温度可不同于tl或ta。在图1c所示的实施方案中，例如，tla是负载16和周围环境18之间的第一通道12中的点处的温度，tlhp是负载16和热泵20之间的第二通道14中的点处的温度，且thpa是热泵20和周围环境18之间的第二通道14中的点处的温度。现在将使用图1d来示出系统10的示例操作。

图1d示出根据本公开的实施方案的混合热传递系统(例如，图1a或图1b的混合热传递系统10)的示例方法的流程图。图1d示出混合热传递系统10可以各种模式操作且可基于触发条件来选择或输入这些模式的概念。将参考图1c描述该方法。

在图1d所示的实施方案中，监测一个或多个温度，诸如tl和ta(以及可选地，其它温度，诸如t1、t2,等)(步骤100)。如下面将要更详细描述，某些触发条件的检测可引起系统进入主动冷却模式、被动冷却(或加热)模式或主动加热模式。

仅为了说明的目的，假设在图1d所示的实施方案中，负载16具有从负载低温tll至负载高温tlh的期望操作温度范围。在该实施例中，tll<tlh，且期望tll<tl<tlh。

在该实施方案中，过程检查tl是否高于tlh(步骤102)，这将指示负载16需要被冷却，在这种情况下，该过程然后检查ta是否小于tl(步骤104)。如果是这样，单独的被动冷却可足以降低tl，且因此主动冷却被关闭(或保持关闭)(步骤106)，并且过程返回到步骤100。如果在步骤104，ta大于tl，则由于被动冷却要求ta小于tl以使热量从负载16传递至周围环境18，所以需要主动冷却。在这种情况下，主动冷却被打开(或保持打开)(步骤108)，并且过程返回到步骤100。

在该实施方案中，如果在步骤102，tl不高于上限tlh，则过程检查tl是否低于下限tll(步骤110)，这将指示负载需要被加热，在这种情况下，该过程然后检查ta是否大于tl(步骤112)。如果是这样，则单独的被动加热可足以提高tl，且因此主动加热被关闭(或保持关闭)(步骤114)，且过程返回到步骤100。如果在步骤112，ta小于tl，则由于被动加热要求ta大于tl，所以需要主动加热。在这种情况下，主动加热被打开(或保持打开)(步骤116)，且过程返回到步骤100。

在该实施方案中，如果在步骤110，tl不小于tll，则负载16处于所需温度范围内，且因此在返回到步骤100之前过程不改变(步骤118)。在一个实施方案中，“不改变”意味着保持系统当前正在操作的任何模式(例如，主动冷却、被动冷却、主动加热或被动加热)。例如，如果系统检测到需要主动冷却(即，过程从步骤102移动到步骤104，且然后到步骤106)，则在随后的某个时间点，主动冷却应成功地将tl降低至tll和tlh之间(即，该过程从步骤102移动到步骤110到步骤118)。为了将tl保持在期望温度范围内，可能有必要继续在主动冷却模式下操作。

图1d示出其中第二通道14可主动地加热以及主动地冷却的实施方案。例如，在一个实施方案中，热泵20的操作可相反，即它可通过例如使流过热泵20的电流的方向相反来在任一方向上传递热量。在该实施方案中，热泵20可用于加热负载16。或者，可采用诸如电阻加热器的其它装置来向负载16提供热量和/或补充热泵20的操作。然而，在替代实施方案中，热泵20可仅在一个方向上操作，例如来主动冷却。在这些实施方案中，可省略步骤110、112、114和116。同样，应理解，图1d所示的过程可包括未示出的附加步骤。

通常，图1d示出在一些实施方案中第一通道12和第二通道14提供平行热流通道以在温度tl下移除qc的原理。在一些实施方案中，系统10的操作根据ta与热交换器24和28上游任何节点的温度之间的差变化。tlhp和ta之间的温差可确定热泵20是否被启用以经由第二通道14移除qc。例如，当tlhp等于或小于ta时，热泵20可被启用以经由第二通道14移除qc。当tlhp大于ta时，热泵20可被停用，使得由于温差引起的自然消散而使qc被动地流过第一通道12。因此，第一通道12可降低成本并提高能量效率和/或第二通道14可提供更宽操作温度范围。然而，系统10的操作不限于此。

在一些实施方案中，在tlhp大于ta以提供快速冷却时，热泵20可启用。换言之，在需要快速冷却时，即使tlhp大于ta，热泵20也可启用。在一些实施方案中，当第二通道14失效时，第一通道12可仅用作备用通道。因此，与仅使用主动或被动冷却技术的系统相比，系统10可提供成本有效操作以提高效率和性能。

图1d所示的方法旨在是说明性的而不是限制性的。例如，系统可能不仅是tlh的一个值，而是具有设计为提供一种迟滞形式的一对温度阈值，例如，根据tl当前正在上升(tlhr)还是下降(tlhf)的不同上限。在一个实施方案中，tlhr比tlhf高几度，因此如果tl升高，则热泵20不会打开来冷却负载16，直到tl高于tlhr，但是如果tl下降，则热泵20不会关闭直到tl低于tlhf。当与使热泵20基于单个阈值tlh启用或禁用主动冷却相比，这可导致节能。

图2a和图2b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一和第二导热通道共享用于向或自负载传递热量的共用热交换器(其也可被称为“共享”热交换器)。在图2a所示的一个实施方案中，第一导热通道12和第二导热通道14经由共用热交换器38热连接至负载16。元件18、20、24、28、tla、tlhp、thpa的描述与图1a相同，因此这里不再重复。

现在参考图2b，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16至具有环境温度ta的周围环境18的第一通道12和第二通道14的热流qc。共用热交换器38被表示为热电阻rth,l。元件20、24、28、ptec、tla、tlhp和thpa的描述与图1c相同，因此这里不再重复。

图2c和图2d分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一和第二导热通道共享用于向或自周围环境传递热量的共用热交换器。在图2c所示的实施方案中，第一通道12和第二通道14不仅共享共用热交换器38，而且共享共用热交换器40。元件16、18、20和30的描述与图1a相同，因此这里不再重复。

现在参考图2d，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16(未示出)至具有环境温度ta的周围环境18(未示出)的第一通道12和第二通道14的热流qc。共用热交换器38被表示为热电阻rth,l，且共用热交换器40被表示为热电阻rth,a。元件20、ptec、tlhp和thpa的描述与图1c相同，因此这里不再重复。

图3a和图3b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一导热通道通过热二极管串联连接至负载。在图3a所示的实施方案中，热二极管42将共用热交换器38连接至第一通道12的热交换器24。元件16、18、20、28和30的描述与前述相同，因此这里不再重复。

热二极管的特征是它仅在一个方向上有效地传递热量。在一些实施方案中，热二极管42是热虹吸管。典型的热虹吸管是包含在存在热量的情况下从液体状态变为气体状态的冷却剂的管道。在操作中，当冷却剂被加热时，所产生的气体经由浮力上升通过管道到达管道的较冷区域，在该区域，气体冷凝回液体并经由重力流回到管道的较热区域。从液体到气体的状态变化提取热量且从气体到液体的冷凝释放热量。以这种方式，从热虹吸管的一端(例如，在负载端)提取热量并在热虹吸管的另一端(例如，进入周围环境)释放热量。换言之，热虹吸管在一个方向上提供被动两相热传递，即从热虹吸管的蒸发器区域(在该实施例中连接至共用热交换器38)至热虹吸管的冷凝器区域(其在该实施例中连接至热交换器24)。

热二极管42的存在提供了热量可有效地流过从负载16至周围环境18的第一通道12而不是在相反方向上的益处，这免于负载16经由第一通道12接收不期望热量(例如在其中环境温度ta相对于负载温度tl高的条件下)。这种构造的另一优点是第一通道12的热交换器24可被定位或位于距离第二通道14的热交换器28一定距离处，在热泵20的主动操作期间，热交换器可能变得相当热。将热交换器24与热交换器28分离一段距离可将热交换器24与热交换器28热隔离，结果是热交换器28产生的热量不太可能对热交换器24本身(例如，经由传导或辐射热)或对靠近热交换器24的环境(例如，经由对流)产生影响。

在一个实施方案中，一个或多个热虹吸管可串联连接在共用热交换器38和热交换器24之间。热虹吸管的蒸发器区域可热耦接至共用热交换器38，且热虹吸管的冷凝器区域可耦接至单独热交换器24。因此，热虹吸管作为热二极管操作，使得与任何热绝缘体组合的热二极管防止热量从外部环境泄漏回到作为封闭环境的结构30中。

现在参考图3b，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16(未示出)至具有环境温度ta的周围环境18(未示出)的第一通道12和第二通道14的热流qc。tda是热二极管42和周围环境18之间的通道12中的点的温度。元件20、24、28、38、ptec、tlhp和thpa的描述与前述相同，因此这里不再重复。在图3b所示的实施方案中，可看出，第一通道12包括热二极管42。

图4a和图4b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统的示例结构和功能描述，其中第一导热通道通过热二极管热连接至负载，且其中第一和第二通道共享用于向或自周围环境传递热量的共用热交换器。图4a中所示的系统10的实施方案可被认为是图3a所示的系统10的变型，区别在于第一通道12和第二通道14两者都共享共用热交换器40。元件16、18、20、30、38和42的描述与前述相同，因此这里不再重复。

现在参考图4b，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载至具有环境温度ta的周围环境的第一通道12和第二通道14的热流qc。第一通道12包括热二极管42，且第二通道14包括热泵20。公共环境侧热交换被表示为热电阻rth,a。元件38、40、ptec、tlhp和thpa的描述与前述相同，因此这里不再重复。

上面描述并且在图3a、图3b、图4a和图4b中示出的实施方案包括第一导热通道12中的热二极管。在替代实施方案中，热二极管可包括在第二导热通道14中，如图5a和图5b所示。

图5a和图5b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统10的示例结构和功能描述，其中第二导热通道14通过热二极管42热连接至负载16。图5a所示的实施方案可被认为是图2a所示的系统10的变型，区别在于第二通道14包括串联在共用热交换器38和热泵20之间的热二极管42。元件16、18、24、28和30的描述与前述相同，因此这里不再重复。

在该构造中，热泵20可从热二极管42的顶部主动地吸取热量。例如，在热二极管42是热虹吸管的情况下，热泵20可冷却热二极管42的顶部以促进收集在那里的气体的冷凝，并因此提高热二极管42的性能。

现在参考图5b，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16(未示出)至具有环境温度ta的周围环境18(未示出)的第一通道12和第二通道14的热流qc。在该实施方案中，第二通道14包括串联的热二极管42和热泵20两者。tld是负载16和热二极管42之间的第二通道14中的点的温度。tdhp是热二极管42和热泵20之间的第二通道14中的点的温度。元件24、28、38、ptec、thpa和tla与前述相同，因此这里不再重复。

以下实施方案示出包括热电容器的构造。热电容器的实施例包括但不限于包括或包含相变材料和/或热质量的装置。例如，热电容器可包括可被主动冷却直到水变成冰的水储存器，该水储存器然后用于被动地冷却负载16(或至少从负载16吸收热量)。同样，热电容器可被主动地加热且然后用于被动地加热负载16(或至少向负载16提供热量)。热电容器可以简单地是具有大热质量的部件，其用于从负载吸收热量或向负载提供热量。

图6a和图6b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统10的示例结构和功能描述，其中第二导热通道14通过热电容器热连接至负载。图6a所示的实施方案可被认为是图2a所示的系统10的变型，区别在于第二通道14包括串联在共用热交换器38和热泵20之间的热电容器44。在一些实施方案中，热电容器44是pcm。在冷却应用中，热电容器44由热泵20充电，使得热电容器44存储热能不足(例如，pcm被冻结)。然而，在加热应用中，热电容器44由热泵20(构造为加热而不是冷却)充电，使得热电容器44存储热能(例如，pcm被解冻或处于液体状态)。元件12、16、18、24、28和30的描述与前述相同，因此这里不再重复。

在一个实施方案中，当热泵20消耗能量时，从热电容器44提取热量。因此，热泵20对热电容器44充电。在热电容器44充满电之后，热泵20可以与热电容器44从负载移除热量相同的速率继续从热电容器44提取热量。

当热泵20不消耗能量时，热电容器44可从负载中被动地移除热量，直到热电容器44完全放电。当热泵20再次消耗能量时，热电容器44可再次充电。因此，热电容器44允许第二通道14主动地或被动地移除热量。

在一些实施方案中，热电容器44作为固定器操作以调节负载16的温度。例如，热电容器44可包括pcm。当pcm吸收热量时，其可能会改变状态(例如，从固体至液体，从液体至气体，或从固体至气体)，在该状态过程中，pcm和负载16的温度被固定在其熔点温度下。同时，在负载16淹没热电容器44的事件中，第一通道12提供从共用热交换器38至周围环境18的故障安全热流通道。

现在参考图6b，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载至具有环境温度ta的周围环境的第一通道12和第二通道14的热流qc。在该实施方案中，第二通道14包括与热泵20串联的热电容器44。tlc是负载16和热电容器44之间的第二通道14中的点处的温度。tchp是热电容器44和热泵20之间的第二通道14中的点处的温度。元件24、28、38、ptec、thpa和tla与前述相同，因此这里不再重复。

系统10中的热电容器44的存在具有几个潜在优点。一个这样的优点在于，通过在外部电源可用时在启用状态下操作热泵20，热电容器44可被“充电”(即主动冷却或加热，例如达到目标温度)，使得在例如外部电力不可用或热泵20被以其它方式停用的情况下，热电容器44可冷却或加热负载16。该能力例如在包含食物或其它物品的包装必须运输至远处的场景中是有用的：在运输之前，热电容器44可由热泵20(插入墙壁插座或以其它方式连接至外部电源)主动充电(冷却)。一旦热电容器44完全充电，热泵20即与外部电源断开连接并且运输现在冷却的包装。热电容器44然后可继续保持包装的内容物可接受地冷却，同时包装在运输中且不能连接至电源。

包括热电容器44的另一优点在于，在外部电力持续可用的环境中，电力公司通常对在高峰需求时段期间消耗的电力收取附加费用。在这种情况下，包括热电容器44的系统10可被构造为使得外部电力用于在深夜或其它低需求时段期间对热电容器44充电(并且可能主动地冷却负载16)，以避免须支付在高峰需求时段期间收取较高费率。热电容器44然后可在高峰时间(其至少一部分)期间用于冷却负载16。此外，电力公司通常会基于其高峰瞬时电力使用率来对企业收费。使用热电容器44允许企业错开热泵20处于启用状态的时间(或者可能是系统10的多个热泵20启用的时间)，使得降低总高峰电力使用率。以这种方式，企业实体可大大降低电力成本。

图7a和7b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统10的示例结构和功能描述，其中第二导热通道14通过热二极管42和热电容器44热连接至负载16。图7a所示的实施方案可被认为是图5a所示的系统的变型，区别在于第二通道14包括串联在热二极管42和热交换器28之间的热电容器44。元件12、16、18、24、30和38的描述与前述相同，因此这里不再重复。

现在参考图7b，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16(未示出)至具有环境温度ta的周围环境18(未示出)的第一通道12和第二通道14的热流qc。在该实施方案中，第二通道14包括与热泵20串联的热二极管42和热电容器44。tld是负载16和热二极管42之间的第二通道14中的点处的温度。tdc是热二极管42和热电容器44之间的第二通道14中的点处的温度。元件24、28、38、ptec、tla、tchp和thpa的描述与前述相同，因此这里不再重复。热二极管42的负载侧的温度tld可不同于热二极管42的环境侧的温度tdc。同样，热电容器44的负载侧的温度tdc可不同于热电容器44的相对侧的温度tchp。

热电容器44的存在可提供上述的一些或全部益处。例如，热泵20可对热电容器44主动地充电，使得即使在热泵20未被启用或由于外部电力的不可用性而不能操作的时间期间，热泵也可提高热二极管42从负载16提取热量的效率。

图8a和图8b分别示出根据本公开的另一实施方案的混合热传递系统10的示例结构和功能描述，其中第二导热通道14通过热二极管42和热电容器44热连接至负载16，并且其中第一导热通道12也包括热泵20。图8a所示的实施方案可被认为是图7a所示的系统10的变型，区别在于，先前被动第一通道12现在包括其自己的热泵46。元件12、16、18、20、24、28、30、38、42和44的描述与前述相同，因此这里不再重复。

现在参考图8b，系统10被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16(未示出)至具有环境温度ta的周围环境18(未示出)的第一通道12和第二通道14的热流qc。在该实施方案中，第一通道12还包括热泵46。tchp2是热电容器44和热泵20之间的第二通道14中的点处的温度。thp2是热泵20和周围环境18之间的第二通道14中的点处的温度。tlhp1是负载16和热泵46之间的第一通道12中的点处的温度。thp1a是热泵46和周围环境18之间的第一通道12中的点处的温度。热泵46的负载侧的温度tlhp1可不同于温度thp1a。在图8b所示的实施方案中，两个热泵20和46中的每个都可彼此独立地被控制；提供至热泵46的电力被示为箭头ptec1，且提供至热泵20的电力被示为箭头ptec2。元件20、24、28、38、42和44的描述与前述相同，因此这里不再重复。

图9a和图9b分别示出根据本公开的另一个实施方案的混合热传递系统48(这里也称为“系统48”)的示例结构和功能描述，其中负载16和周围环境18之间的导热通道50(这里也称为通道50)包括串联连接的热电容器44、热泵20和热二极管42。在图9a所示的实施方案中，系统48包括在具有负载温度tl的负载16和具有环境温度ta的周围环境18之间的导热通道50、包括热电容器44、热泵20和热二极管42的通道50。在图9a所示的实施方案中，热交换器26在负载16和通道50之间提供热接口，且热交换器28在通道50和周围环境18之间提供热接口。

现在参考图9b，系统48被示为热电路示意图，其示出通过从具有负载温度tl的负载16(未示出)至具有环境温度ta的周围环境18(未示出)的导热通道50的热流qc。在图9b所示的实施方案中，热交换器26被表示为热电阻rth,l，且热交换器28被表示为热电阻rth,a。通道50还包括热电容器44、热泵46和热二极管42。thpd是热泵20和热二极管42之间的通道50上的点处的温度。tda是热二极管42和周围环境18之间的通道50上的点处的温度。元件20、24、28、38、42、44、ptec、tlc,和tchp的描述与前述相同，因此这里不再重复。热泵46的负载侧的温度tchp可不同于温度thpd。

图10示出根据本公开的另一实施方案的示例混合热传递系统52(这里也称为“系统52”)的框图。在图10所示的实施方案中，系统52包括主动加热和/或冷却部件54(这里也称为“主动部件54”)，和控制系统56。在一些实施方案中，系统52可选地包括被动加热和/或冷却部件58(这里也称为“被动部件58”)。在图10所示的实施方案中，控制系统56包括一个或多个温度传感器60，其也向控制器62提供温度数据和可选地其它类型的数据。在一个实施方案中，可被实现为一个或多个中央处理单元(cpu)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)等或其任意组合的控制器62根据算法处理由传感器60提供的数据。控制器62经由启用和切换电路64来控制主动部件54的操作。系统52可选地包括用于存储计算机程序和/或数据的计算机存储器66。

在一个实施方案中，例如，控制系统56可实施上面描述并在图1d中示出的过程，以确定是否使一个或多个主动部件54从启用状态改变到停用状态，反之亦然。

在一个实施方案中，例如，系统52包括主动部件54和被动部件58两者。在一个这样的实施方案中，被动部件58可不断地被动地传递热量，并且当被动部件58不能传递足够热量时(诸如当周围环境18比目标负载温度tl热时)系统52仅启用主动部件54。在另一个实施方案中，如果主动部件54由于缺少外部电源或由于部件故障而不起作用，则被动部件58用作备用系统来传递热量。

在一个实施方案中，一种包括指令的计算机程序，所述指令在由至少一个处理器执行时使得至少一个处理器根据本文所述的任何一个实施方案实施控制器62的功能。在一个实施方案中，提供了包含上述计算机程序产品的载体。载体是电子信号、光信号、无线电信号或计算机可读存储介质(例如，诸如计算机存储器66的非暂时计算机可读介质)中的一种。

应注意，上述实施方案不限于此。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，系统可添加或省略任何部件并且以任何顺序布置部件以形成任何数量的通道。

如上所述，本公开的一些实施方案包括使用形成一个或多个热传递通道的多个部件的散热系统。多个部件可包括主动部件和被动部件。在一些实施方案中，混合除热系统包括形成多个热传递通道(其包括至少一个主动热传递通道和至少一个被动热传递通道)的多个部件。主动热传递通道包括主动热交换部件，并且被构造为当主动热交换部件有效时从负载提供主动除热。被动热传递通道被构造为提供从自负载被动除热。被动热传递通道与主动热传递通道平行。

本领域技术人员应认识到对本公开的优选实施方案的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为在本文公开的概念和所附权利要求的范围内。