(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのセルを有する熱電システムであって、
前記少なくとも１つのセルは、
第１の方向に沿って延びる第１の複数の導電性のシャントと、
前記第１の方向に非平行な第２の方向に沿って延びる第２の複数の導電性のシャントと、
第１の複数の熱電（ＴＥ）素子と、を含み、
前記第１の複数のＴＥ素子は、
前記第１の複数のシャントのうちの第１のシャントと前記第２の複数のシャントのうちの第２のシャントとの間に位置し、かつ前記第１のシャントおよび前記第２のシャントと電気的に導通する第１のＴＥ素子と、
前記第２のシャントと前記第１の複数のシャントのうちの第３のシャントとの間に位置し、かつ前記第２のシャントおよび前記第３のシャントと電気的に導通する第２のＴＥ素子と、
前記第３のシャントと前記第２の複数のシャントのうちの第４のシャントとの間に位置し、かつ前記第３のシャントおよび前記第４のシャントと電気的に導通する第３のＴＥ素子と、を有し、
電流が、前記第１のシャントを通って前記第１の方向に実質的に平行に流れ、前記第１のＴＥ素子を通過し、前記第２のシャントを通って前記第２の方向に実質的に平行に流れ、前記第２のＴＥ素子を通過し、前記第３のシャントを通って前記第１の方向に実質的に平行に流れ、前記第３のＴＥ素子を通過し、前記第４のシャントを通って前記第２の方向に実質的に平行に流れ、
前記少なくとも１つのセルは、前記第１の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡している少なくとも１つの熱交換器をさらに有し、
前記第１の複数のＴＥ素子のうちの複数の前記ＴＥ素子は、互いに実質的に平行な第１の列および第２の列をなすように配置され、前記第１のＴＥ素子および前記第２のＴＥ素子が前記第１の列をなすように配置され、前記第３のＴＥ素子が前記第２の列をなすように配置されており、
前記少なくとも１つの熱交換器は、前記第１の列の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡する第１の熱交換器と、前記第２の列の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡する第２の熱交換器と、を有する
熱電システム。
【請求項２】
前記第１の熱交換器は第１の側および第２の側を有し、前記第１の熱交換器の前記第１の側が、前記第１の列の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡しており、前記第２の熱交換器は第１の側および第２の側を有し、前記第２の熱交換器の前記第１の側は、前記第２の列の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡しており、
前記熱電システムは、
前記第１の方向に沿って延び、かつ前記第１の熱交換器の前記第２の側および前記第２の熱交換器の前記第２の側の少なくとも一方と熱的に連絡している第３の複数の導電性のシャントと、
前記第２の方向に沿って延びる第４の複数の導電性のシャントと、
第２の複数のＴＥ素子であって、前記第３の複数のシャントの第５のシャントと前記第４の複数のシャントの第６のシャントとの間に位置し、かつ前記第５のシャントおよび前記第６のシャントと電気的に導通する第４のＴＥ素子と、前記第６のシャントと前記第３の複数のシャントの第７のシャントとの間に位置し、かつ前記第６のシャントおよび前記第７のシャントと電気的に導通する第５のＴＥ素子と、前記第７のシャントと前記第４の複数のシャントの第８のシャントとの間に位置し、かつ前記第７のシャントおよび前記第８のシャントと電気的に導通する第６のＴＥ素子と、を含み、電流が、前記第５のシャントを通って前記第１の方向に実質的に平行に流れ、前記第４のＴＥ素子を通過し、前記第６のシャントを通って前記第２の方向に実質的に平行に流れ、前記第５のＴＥ素子を通過し、前記第７のシャントを通って前記第１の方向に実質的に平行に流れ、前記第６のＴＥ素子を通過し、前記第８のシャントを通って前記第２の方向に実質的に平行に流れる、第２の複数のＴＥ素子と、を有する
請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
前記第２の複数のＴＥ素子のうちの複数のＴＥ素子は、互いに実質的に平行でありかつ前記第１および第２の列に実質的に平行な第３の列と第４の列をなすように配置され、前記第４のＴＥ素子および前記第５のＴＥ素子は前記第３の列をなすように配置され、前記第６のＴＥ素子は前記第４の列をなすように配置され、前記第１の熱交換器は、前記第３の列の複数のＴＥ素子と熱的に連絡し、前記第２の熱交換器は、前記第４の列の複数のＴＥ素子と熱的に連絡する、請求項２に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記第１の複数のＴＥ素子と熱的に連絡し、かつ作動媒体が内部を通って流れるのを可能にするように構成された第３の熱交換器と、前記第２の複数のＴＥ素子と熱的に連絡し、かつ作動媒体が内部を通って流れるのを可能にするように構成された第４の熱交換器をさらに有する、請求項３に記載の熱電システム。
【請求項５】
前記第２のシャントは複数の層を有し、
前記第１のＴＥ素子は、前記第２のシャントの第１の側に位置し、かつ前記第２のシャントと電気的に導通するとともに熱的に連絡し、
前記第２のＴＥ素子は、前記第２のシャントの前記第１の側に位置し、かつ前記第２のシャントと電気的に導通するとともに熱的に連絡し、
前記少なくとも１つの熱交換器は、前記第２のシャントの第２の側に位置し、かつ前記第２のシャントと熱的に連絡する、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項６】
前記複数の層は第１の層と少なくとも１つの第２の層とを有し、前記少なくとも１つの第２の層は、前記シャントの前記第１の側の少なくとも一部を含む、請求項５に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記第１の層は軽量で導電性の材料を含み、前記第２の層の少なくとも一部ははんだ付け可能な材料を含む、請求項６に記載の熱電システム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの熱交換器が、作動媒体が第１の導管と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された第１の導管と、作動媒体が少なくとも１つの第２の導管と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された少なくとも１つの第２の導管と、を含み、
互いに直列に電気的に導通する前記第１の複数のＴＥ素子が、前記第１の導管の第１の側と熱的に連絡し、かつ前記少なくとも１つの第２の導管から熱的に実質的に分離された第１の数のＴＥ素子と、前記少なくとも１つの第２の導管の第１の側と熱的に連絡し、かつ前記第１の導管から熱的に実質的に分離された第２の数のＴＥ素子と、を含み、
互いに直列に電気的に導通する第２の複数のＴＥ素子が、前記第１の導管の第２の側と熱的に連絡し、かつ前記少なくとも１つの第２の導管から熱的に実質的に分離された第３の数のＴＥ素子と、前記少なくとも１つの第２の導管の第２の側と熱的に連絡し、かつ前記第１の導管から熱的に実質的に分離された第４の数のＴＥ素子と、を含み、
前記第１の複数のＴＥ素子の少なくともいくつかが前記第２の複数のＴＥ素子の少なくともいくつかと並列に電気的に導通するように、複数の導電素子が、前記第１の数のＴＥ素子および前記第３の数のＴＥ素子と電気的に導通している
請求項２に記載の熱電システム。
【請求項９】
前記第１の複数のＴＥ素子は互いに直列に電気的に導通し、前記第１の複数のＴＥ素子は、前記第１および第２の複数の導電性のシャントによって互いに直列に電気的に接続されており、
前記第２の複数のＴＥ素子は互いに直列に電気的に導通し、前記第２の複数のＴＥ素子は、前記第３および第４の複数の導電性のシャントによって互いに直列に電気的に接続されており、
少なくとも１つの導電素子が、前記第１または第２の複数の導電性のシャントのうちの少なくとも１つおよび前記第３または第４の複数の導電性のシャントのうちの少なくとも１つと電気的に導通し、
前記第１の複数のＴＥ素子の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの導電素子によって、前記第２の複数のＴＥ素子の少なくとも一部に並列に電気的に接続されている
請求項２に記載の熱電システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの熱交換器の１つまたは複数が、作動媒体が伝熱装置と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成されており、
前記伝熱装置は、作動媒体の流れ方向に第１の熱伝導率を有し作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に第２の熱伝導率を有する不均質な材料を含み、前記第２の熱伝導率が前記第１の熱伝導率よりも高い
請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの熱交換器の１つまたは複数が、作動媒体の流れ方向に沿って延びる第１の複数の糸と、他の方向に沿って延びる第２の複数の糸と、を含むリボンを有し、前記第１の複数の糸は第１の材料を含み、前記第２の複数の糸は、前記第１の材料よりも高い熱伝導率を有する第２の材料を含む、請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの熱交換器の１つまたは複数が、連続的な本体と、前記本体上または前記本体内の複数の層と、を有し、前記複数の層は、作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に沿って延びている、請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの熱交換器の１つまたは複数が、複数の細長い長穴が貫通する熱伝導材料からなる本体を有し、前記長穴は作動媒体の移動方向に概ね垂直であり、前記本体は、複数の折り目と、互いに概ね平行でありかつ作動媒体の移動方向に平行である複数の部分と、を有する、請求項１２に記載の熱電システム。
【請求項１４】
前記伝熱装置の少なくとも一部はウイッキング手段である、請求項１３に記載の熱電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、固体の冷却システム、加熱システム、および発電システムの改良された構成に関する。
【０００２】
本願は、２００８年８月１日に出願され、引用によって本明細書に組み込まれる米国仮出願６１／１３７７４７号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００３】
熱電式（たとえばＴＥ）の冷却器、加熱器、および発電装置の設計は、高温側と低温側の熱膨張の差によって誘導される熱せん断応力を、早期の故障を生じさせる限界に達しないように維持するという制約によって、妥協させられることが多い。せん断応力が誘導されると、部品が即座に故障（たとえば破壊など）するか、あるいは急速に疲労故障が生じ、それによって、許容できない程度に構造安定性（robustness）が低くなり、かつ動作寿命が短くなることがある。図１Ａは、電力が供給されない状態の一般的なＴＥモジュール１００を示しており、図１Ｂは、電力が印加されている（たとえば冷却／加熱モードで動作している）か、あるいは頂部側と底部側との間に温度差が生じている（たとえば発電モードで動作している）ＴＥモジュール１００を示している。説明すると、図１Ａに示されているＴＥモジュール１００は、冷却／加熱モードで動作するように構成されており、したがって、スイッチ１０２を閉じると上側１０４が加熱される。電流が流れていないときには、ＴＥモジュール１００は、頂部基板１０８および／またはシャント（shunts）１１０と下部基板１１２および／またはシャント１１４とによるＴＥ素子１０６内のせん断応力の誘導が生じていないとみなされる。複数のＴＥ素子１０６の間の温度差によって、図１Ｂに示されているように、基板およびシャントの熱膨張係数（ＣＴＥ）のために上部高温側１０４で寸法変化１１８が生じる。ＴＥモジュール１００の上部高温側１０４と下部低温側１１６との間の、この相対的な動きによって、図１Ｂに点線で示されているようにせん断応力１２０が熱誘導される。幾何学的要因および／または熱的条件のために、誘導される動きが十分大きい場合には、この材料のシステムの応力限界を超えることがあり、温度差が繰り返し生じることによってシステムが即座に故障するかあるいは劣化するおそれがある。
【０００４】
これらの条件は、図２に示されているような一般的なＴＥシステム２００の製造業者によって理解され、これらの条件によって、サイズと、循環温度の最大偏位と、故障までの動作サイクル数とに影響を与える構成上の制限が課される。耐久性を向上させるために、図３に示されているように、第１の基板３０２の分割を含む様々な構成形態が用いられてきており、したがって、ＴＥシステム３００は、事実上、より小さいいくつかのＴＥサブモジュール３０４を支持する第２の基板を有する。この手法や、頂部基板３０２と底部基板３０６との間にある程度の可撓性をもたせる他の手法を用いて、温度差によって誘導される応力を低減させている（たとえば米国特許第６６７２０７６号参照）。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ある実施態様では、熱電システムが少なくとも１つのセルを含む。少なくとも１つのセルは、第１の方向に沿って延びる第１の複数の導電シャント（electrically conductive shunts）と、第１の方向に非平行な第２の方向に沿って延びる第２の複数の導電シャントと、第１の複数の熱電（ＴＥ）素子と、を含んでいてよい。第１の複数のＴＥ素子は、第１の複数のシャント（shunts）のうちの第１のシャントと第２の複数のシャントのうちの第２のシャントとの間に位置し、かつ第１のシャントおよび第２のシャントと電気的に導通する第１のＴＥ素子と、第２のシャントと第１の複数のシャントのうちの第３のシャントとの間に位置し、かつ第２のシャントおよび第３のシャントと電気的に導通する第２のＴＥ素子と、第３のシャントと第２の複数のシャントのうちの第４のシャントとの間に位置し、かつ第３のシャントおよび第４のシャントと電気的に導通する第３のＴＥ素子と、を含んでいてよい。電流が、第１のシャントを通って第１の方向に実質的に平行に流れ、第１のＴＥ素子を通過し、第２のシャントを通って第２の方向に実質的に平行に流れ、第２のＴＥ素子を通過し、第３のシャントを通って第１の方向に実質的に平行に流れ、第３のＴＥ素子を通過し、第４のシャントを通って第２の方向に実質的に平行に流れることができる。
【０００６】
ある実施態様では、熱電システムが、第１の部分および第２の部分を有する第１の伝熱構造を含む。第２の部分は、第１の作動媒体と熱的に連絡するように構成されていてよい。熱電システムは、第１の部分および第２の部分を有する第２の伝熱構造を含んでいてよい。第２の部分は、第２の作動媒体と熱的に連絡するように構成されていてよい。熱電システムは、第１の部分および第２の部分を有する第３の伝熱構造を含んでいてよい。第２の部分は、第１の作動媒体と熱的に連絡するように構成されていてよい。熱電システムは、第１の伝熱構造の第１の部分と第２の伝熱構造の第１の部分との間に挟まれた第１の複数の熱電（ＴＥ）素子と、複数のＴＥ素子および複数の伝熱構造のスタックを形成するように、第２の伝熱構造の第１の部分と第３の伝熱構造の第１の部分との間に挟まれた第２の複数のＴＥ素子と、を含んでいてよい。第１の伝熱構造の第２の部分と第３の伝熱構造の第２の部分が、第１の方向にスタックから離れるように突出し、第２の伝熱構造の第２の部分が、第１の方向と概ね逆の第２の方向にスタックから離れるように突出していてよい。
【０００７】
ある実施態様では、熱電システムが、複数の層を有する細長いシャントと、シャントの第１の側に位置し、かつシャントと電気的に導通するとともに熱的に連絡する第１の熱電（ＴＥ）素子と、シャントの第１の側に位置し、かつシャントと電気的に導通するとともに熱的に連絡する第２のＴＥ素子と、シャントの第２の側に位置し、かつシャントと熱的に連絡する伝熱構造と、を含む。
【０００８】
ある実施態様では、熱電システムが、作動媒体が第１の導管と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された第１の導管、および作動媒体が少なくとも１つの第２の導管と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された少なくとも１つの第２の導管を含む伝熱構造と、互いに概ね直列に電気的に導通する第１の複数の熱電（ＴＥ）素子とを含む。第１の複数のＴＥ素子は、第１の導管の第１の側と熱的に連絡し、かつ少なくとも１つの第２の導管から熱的に実質的に分離された第１の数のＴＥ素子と、少なくとも１つの第２の導管の第１の側と熱的に連絡し、かつ第１の導管から熱的に実質的に分離された第２の数のＴＥ素子と、を含んでいてよい。熱電システムは、互いに概ね直列に電気的に導通する第２の複数のＴＥ素子を含んでいてよい。第２の複数のＴＥ素子は、第１の導管の第２の側と熱的に連絡し、かつ少なくとも１つの第２の導管から熱的に実質的に分離された第３の数のＴＥ素子と、少なくとも１つの第２の導管の第２の側と熱的に連絡し、かつ第１の導管から熱的に実質的に分離された第４の数のＴＥ素子と、を含む。熱電システムは、第１の複数のＴＥ素子の少なくともいくつかが第２の複数のＴＥ素子の少なくともいくつかと並列に電気的に導通するように、第１の数のＴＥ素子および第３の数のＴＥ素子と電気的に導通する第１の複数の導電シャントを含んでいてよい。
【０００９】
ある実施態様では、熱電システムが、互いに概ね直列に電気的に導通する第１の複数の熱電（ＴＥ）素子を含む。第１の複数のＴＥ素子は、第１の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続されている。熱電システムは、互いに概ね直列に電気的に導通する第２の複数のＴＥ素子を含んでいてよい。第２の複数のＴＥ素子は、第２の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続されていてよい。熱電システムは、第１の複数の導電シャントのうちの少なくとも１つおよび第２の複数の導電シャントのうちの少なくとも１つと電気的に導通する少なくとも１つの導電素子を含んでいてよい。第１の複数のＴＥ素子の少なくとも一部は、少なくとも１つの導電素子によって、第２の複数のＴＥ素子の少なくとも一部に並列に電気的に接続されている。
【００１０】
ある実施態様では、熱電システムは、少なくとも１つの熱電（ＴＥ）素子と、少なくとも１つのＴＥ素子と熱的に連絡する伝熱装置と、を含む。伝熱装置は、作動媒体が伝熱装置と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成されていてよい。伝熱装置は、作動媒体の流れ方向に第１の熱伝導率を有し作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に第２の熱伝導率を有する異種材料を含んでいてよい。第２の熱伝導率は第１の熱伝導率よりも高くてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】電力が印加されていない、代表的なＴＥモジュールの図である。
【図１Ｂ】ＴＥ素子にせん断応力が誘導されている状態を示す、電力が印加さられている図１Ａに示されたＴＥモジュールの図である。
【図２】図１Ａおよび１Ｂに示された複数のＴＥモジュールを含む代表的なＴＥシステムの図である。
【図３】図２のＴＥシステムに類似しており、複数のサブモジュールを形成する、分割された頂部基板を含む代表的なＴＥシステムの図である。
【図４Ａ】ＴＥシステムを通る電流の流れを示す、図２のＴＥシステムの側面図である。
【図４Ｂ】ＴＥシステムを通る電流の流れを示す、図２のＴＥシステムの一部切り欠き平面図である。
【図５Ａ】本明細書中で説明する実施形態の、ＴＥシステムを通る電流の流れを示すＴＥシステムの一例の斜視図である。
【図５Ｂ】図５ＡのＴＥシステムの側面図である。
【図５Ｃ】ＴＥシステムを通る電流の流れを示す、図５ＡのＴＥシステムの正面断面図である。
【図６】本明細書中で説明する実施形態の、分割された底部基板を有するＴＥシステムの一例の斜視図である。
【図７】本明細書中で説明する実施形態の、２つのＴＥモジュールの間に基板を有するＴＥシステムの一例の正面断面図である。
【図８Ａ】本明細書中で説明する実施形態の、分割された頂部基板および底部基板を有するＴＥシステムの一例の斜視図である。
【図８Ｂ】図８ＡのＴＥシステムの正面断面図である。
【図９Ａ】本明細書中で説明する実施形態の、伝熱流体の流れを示す、頂部および底部上のフィン付き伝熱構造と、２つのＴＥモジュールの間の伝熱構造とを有するＴＥシステムの一例の側面図である。
【図９Ｂ】本明細書中で説明する実施形態の、シャントに取り付けられたフィン付き伝熱構造の一例の斜視図である。
【図９Ｃ】本明細書中で説明する実施形態の、シャントと一体化されたフィン付き伝熱構造の一例の斜視図である。
【図１０Ａ】本明細書中で説明する実施形態の、ＴＥシステムを通る電流の流れを示すＴＥシステムの一例の側面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａのシャントの斜視図である。
【図１０Ｃ】図１０ＡのＴＥシステムの斜視図である。
【図１１】図１０ＡのＴＥシステムに類似しており、本明細書中で説明する実施形態の、分割されたシャントを含むＴＥシステムの一例の斜視図である。
【図１２】本明細書中で説明する実施形態の、電気的に絶縁された複数のセグメントを有するシャントの一例の斜視図である。
【図１３】本明細書中で説明する実施形態の、ＴＥモジュールの一例の斜視図である。
【図１４】本明細書中で説明する実施形態の、６０個の図１３のＴＥモジュールからなるアレイを有するＴＥモジュールの一例の斜視図である。
【図１５】低温側流体入口温度と高温側流体入口温度の間の、様々な温度差について、図１４のＴＥモジュールの電流に関連して電圧をプロットした図である。
【図１６】低温側流体入口温度と高温側流体入口温度の間の、様々な温度差について、図１４のＴＥモジュールの電流に関連して電力をプロットした図である。
【図１７】様々な低温流体入口温度および流体について、高温流体入口温度に関連して電力をプロットした図である。
【図１８Ａ】本明細書中で説明する実施形態の、１０個の図１４のＴＥモジュールからなるスタックを有するＴＥシステムの一例の斜視図である。
【図１８Ｂ】高温流体入口と低温流体入口との温度差が２０７℃である場合の、図１８ＡのＴＥシステムの電流に関連して測定電力をプロットした図である。
【図１９】本明細書中で説明する実施形態のＴＥモジュールの一例の斜視図である。
【図２０】様々な高温流体入口温度について、図１９のＴＥモジュールの電流に関連して、電力の測定値と電力のコンピュータモデル計算値とをプロットした図である。
【図２１】様々な高温流体入口温度について、図１９のＴＥモジュールの電流に関連して、電力の測定値と電力のコンピュータモデル計算値とをプロットした図である。
【図２２】高温側流体温度が５０℃と１９０℃との間で循環する、図１９のＴＥモジュールの熱サイクルに関連して測定電力をプロットした図である。
【図２３】様々な低温側流体入口温度と高温側流体入口温度について、６０個の図１９のＴＥモジュールからなる単層アレイの電流に関連して測定電圧をプロットした図である。
【図２４】様々な低温側流体入口温度と高温側流体入口温度について、６０個の図１９のＴＥモジュールからなる単層アレイの電流に関連して測定電力をプロットした図である。
【図２５】図１９のＴＥモジュールの６０個からなる単層アレイの電力出力に関連して、変換器の測定電力出力および変換効率をプロットした図である。
【図２６Ａ】電気的に直列に接続された複数のＴＥ素子を概略的に示す図である。
【図２６Ｂ】電気的に並列に接続された複数のＴＥ素子を概略的に示す図である。
【図２６Ｃ】電気的に直列および並列に接続された複数のＴＥ素子を概略的に示す図である。
【図２７】本明細書中で説明する実施形態の、２つのＴＥモジュールを含むＴＥシステムであって、各ＴＥモジュールでは複数のＴＥ素子が電気的に直列に接続されており、ＴＥモジュールは各々の間に選択的な電気的接続部を有する、ＴＥシステムの一実施形態の上面図である。
【図２８Ａ】本明細書中で説明する実施形態の、ＴＥモジュールが基板の両側に位置し、かつＴＥモジュールは各々の間に少なくとも１つの電気的接続部を有する、ＴＥシステムの一例の正面断面図である。
【図２８Ｂ】本明細書中で説明する実施形態の、２つのＴＥモジュールが基板の両側に位置し、基板の同じ側のＴＥモジュールが各々の間に少なくとも１つの電気的接続部を有し、反対側のＴＥモジュールが各々の間に少なくとも１つの電気的接続部を有している、ＴＥシステムの一例の正面断面図である。
【図２９】冷却時のＴＥシステムの複数の構成部材の収縮の差によって誘導されるせん断応力を示す、従来のＴＥシステムの側面図である。
【図３０】本明細書中で説明する実施形態の、複数の層を含む複数のシャントを有するＴＥシステムの一例の側面図である。
【図３１Ａ】本明細書中で説明する実施形態の、内部に複数の長穴が形成されたシートの一例の平面図である。
【図３１Ｂ】本明細書中で説明する実施形態の、フィン付き伝熱構造を形成するように折り畳まれた、図３１Ａのシートの一例の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ＴＥシステムのコストを削減し、（たとえば、高出力密度かつ高熱出力（high power density high thermal power）の構成（たとえばＨＶＡＣ）および廃熱回復システムの）性能を向上させるために、新しい解決手段が求められている。このような構成では、複数のＴＥ素子の断面積が比較的大きいことがあり、したがって、素子自体の内部で熱的に誘導される応力が大きくなる。基板は、押し出し成形されたチューブやろう付けされたシートフィン構造などのような複数のプラットフォームと交換することができる。ある種の用途では、性能を向上させたり、重量および／または製造コストを減らしたりするため、また、その他の有益な理由のために、複数のプラットフォームをアルミニウムまたは銅で作ることができる。しかし、銅やアルミニウムのような有用な複数の基板交換材料は、従来のアルミナ基板の４倍〜６倍の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。これらの構成と、衝撃および振動にさらされたときの耐久性を向上させる要件に関係するその他の構成は、せん断応力の低下に対処する新しい構成から利益を得ることができる。
【００１３】
本明細書で説明する特定の複数の実施形態は、熱膨張差の悪影響に対処する。たとえば、ＴＥモジュールの電流経路を再構成することができる。熱膨張差によって誘導される応力を低下させるように、複数の伝熱構造を構成することもできる。任意の代表的な熱電材料を使用することができ、たとえばドープされたｎ型およびｐ型のテルル化ビスマスを使用することができる。
【００１４】
温度差誘導応力が小さい熱電システム
通常、従来のＴＥモジュール２００は、概ね一方向に流れる電流を有する。図４Ａは、図２の従来のＴＥモジュール２００の側面図を示している。たとえば、電流経路３０２は、図４Ａでは左から右に流れるように示されている。電流経路３０２は、頂部基板１０８および底部基板１１２に概ね垂直であり複数のＴＥ素子１０６の列に概ね平行な平面内で蛇行している。しかし、電流経路３０２は、図４Ｂの一部切り欠き平面図によって示されているように、頂部基板１０８および底部基板１１２に概ね平行な平面内では実質的に直線状である。
【００１５】
それに対して、ある実施形態では、電流経路３０２は少なくとも２つの平面内で蛇行している。図５Ａは、少なくとも１つのセルを有し、電流経路５０２が少なくとも２つの平面内で蛇行している、ＴＥシステム５００の一例の斜視図を示している。セルは、複数のＴＥ素子と、動作可能に結合された複数の導電シャント（electrically conductive shunts）とを含んでよい。１つ以上のセルを、ＴＥシステムを形成するように１つ以上の他のセルと電気的に導通させることができる。たとえば、複数のセルを、ＴＥシステムを形成するように互いに電気的に直列および／または並列に導通させることができる。
【００１６】
ある実施形態では、第１の複数の導電シャント５１４が第１の方向に沿って延びており、第２の複数の導電シャント５１０が、第１の方向に非平行な第２の方向に沿って延びている。ある実施形態では、第１の複数の導電シャント５１０と第２の複数の導電シャント５１４は互いに実質的に垂直である。第１の複数のシャント（shunts）５１４は、互いに実質的に平行な２つの列に配置することができる。同様に、第２の複数のシャント５１４は、互いに実質的に平行な２つの列に配置することができる。たとえば、熱電材料は、（電流の流れの方向における）長さが約２ｍｍで、他の寸法が約３ｍｍ×３ｍｍであって断面積が約９ｍｍ2である、適切にドープされたｎ型およびｐ型のテルル化ビスマスであってよい。あるいは、複数のＴＥ素子５０６をより長くし、約２５０℃から５００℃の間の温度にさらされる部分についてはテルル化鉛の複数のセグメントで作り、温度が最高で約２５０℃の部分についてはテルル化ビスマスの複数のセグメントで作ることができる。
【００１７】
ある実施形態では、ＴＥシステムは、第１の複数の導電シャント５１０および第２の複数の導電シャント５１４と電気的に導通する第１の複数のＴＥ素子５０６を有するセルを含んでいる。ある実施形態では、第１のＴＥ素子５０６ａは、第１の複数のシャント５１０のうちの第１のシャント５１０ａと、第２の複数のシャント５１４のうちの第２のシャント５１４ａとの間に位置し、かつ第１のシャント５１０ａおよび第２のシャント５１４ａと電気的に導通している。第２のＴＥ素子５０６ｂは、第２のシャント５１４ａと、第１の複数のシャント５１０のうちの第３のシャント５１０ｂとの間に位置し、かつ第２のシャント５１４ａおよび第３のシャント５１０ｂと電気的に導通している。第３のＴＥ素子５０６ｃは、第３のシャント５１０ｂと、第２の複数のシャント５１４のうちの第４のシャント５１４ｂとの間に位置し、かつ第３のシャント５１０ｂおよび第４のシャント５１４ｂと電気的に導通している。電流５０２は、第１のシャント５１０ａを通って第１の方向に実質的に平行に流れ、第１のＴＥ素子５０６ａを通過し、第２のシャント５１４ａを通って第２の方向に実質的に平行に流れ、第２のＴＥ素子５０６ｂを通過し、第３のシャント５１０ｂを通って第１の方向に実質的に平行に流れ、第３のＴＥ素子５０６ｃを通過し、第４のシャント５１４ｂを通って第２の方向に実質的に平行に流れる。ある実施形態では、セルは、第４のシャント５１４ｂと電気的に導通する第４のＴＥ素子５０６ｄをさらに含んでおり、電流が第４のＴＥ素子５０６ｄを通って流れる。
【００１８】
ある実施形態では、電流経路３０２は、図５Ａ〜５Ｃに示されているように、第１の基板５０８および／または第２の基板５１２に概ね垂直な２つの平面内で蛇行していてよい。ある実施形態では、第１の基板５０８は頂部基板であり、第２の基板５１２は底部基板である。たとえば、電流５０２は、第１のシャント５１０ａおよび第３のシャント５１０ｂを通って互いに実質的に平行な方向に流れ、かつ電流５０２は、第２のシャント５１４ａおよび第４のシャント５１４ｂを通って互いに実質的に逆平行な方向に流れる。
【００１９】
図５Ａ〜５Ｃに示されているＴＥモジュール５００は、従来のＴＥモジュール２００と比べて向上した、温度勾配に対する耐久性を有することができる。第１の複数のシャント５１０は、第１の複数のシャント５１０の長さ方向に垂直な、第１の複数のシャント５１０の平面内の方向（たとえば、電流の流れの方向に垂直な方向または図５Ｂの左右方向）において誘導されるせん断応力を最小にするように、互いに実質的に独立に移動することができる。それぞれの第１の複数のシャント５１０は、図３のサブモジュール３０４と同様に働くことができる。第２の基板５１２が比較的大きい表面である場合、熱膨張差は依然として、第１の複数のシャント５１０の長さ方向における因子（factor）となる可能性がある。逆に、第１の基板５０８が比較的大きい表面である場合、熱膨張差は依然として、第２の複数のシャント５１４の長さ方向における因子となる可能性がある。これは、第１の複数のシャント５１０の長さまたは複数のＴＥ素子５０６同士の間の距離が数ミリメートルを超え、かつ基板が比較的高いＣＴＥを有する（たとえばアルミニウムや銅）場合に、重大な問題となる可能性がある。ＣＴＥがアルミナの４〜６倍である場合、第１の複数のシャント５１０の長さまたは複数のＴＥ素子５０６同士の間の距離が短くても、温度差によって大きい応力が誘導される可能性がある。ＴＥモジュール５００が加熱モードと冷却モードの両方で動作するか、第１の複数のシャント５１０の材料と第２の基板５１２の材料がかなり異なるＣＴＥを有するか、あるいはＴＥモジュール５００を、顕著な温度差（たとえば最高１０００℃）を有する発電機と一緒に使用する場合、応力がずっと大きくなる可能性がある。
【００２０】
第１の複数のシャント５１０は、第１の基板５０８に熱的に連結することができ、第２の複数のシャント５１４は、第２の基板５１２に熱的に連結することができる。たとえば、第１のシャント５１０ａと第３のシャント５１０ｂは、第１の基板５０８と熱的に連絡することができ、第２のシャント５１４ａと第４のシャント５１４ｂは、第２の基板５１２と熱的に連絡することができる。他の実施形態では、図５Ｂに示されているように、第１の複数のシャント５１０と第１の基板５０８との間および／または第２の複数のシャント５１４と第２の基板５１２との間に電気絶縁層５３０を配置することができる。第１の基板５０８と第２の基板５１２は、複数の熱交換器を含むか、あるいは複数の熱交換器に熱的に結合することができる。複数の熱交換器は、作動媒体（たとえば伝熱流体）が熱交換器を通って流れ、かつ熱交換器と熱的に連絡できるように構成することができる。ある実施形態では、少なくとも１つの熱交換器が少なくともいくつかのＴＥ素子と熱的に連絡している。熱交換器は、たとえば、図５Ｃに示されているように伝熱流体を搬送するチューブであってよい。ある実施形態では、作動媒体は、第１の複数のシャント５１０が延びる方向と実質的に平行な方向に流れる。他の実施形態では、作動媒体は、第１の複数の複数のシャント５１０が延びる方向と実質的に垂直な方向に流れる。ある実施形態では、作動媒体は第１の方向に実質的に平行な方向に流れる。他の実施形態では、作動媒体の少なくとも一部は、第２の方向に実質的に平行な方向に流れる。
【００２１】
ある実施形態では、第２の基板５１２は２つ以上のセグメントに分離されている。たとえば、図６に示されているように、ＴＥモジュール６００は、第２の複数のシャント５１４の長さに概ね沿って（たとえば、第２の複数のシャント５１４の電流の流れの方向に）延び、かつ第１の複数のシャント５１０の長さに実質的に沿った方向（たとえば、第１の複数のシャント５１０の電流の流れの方向）に互いに分離された２つのセグメントを含む第２の基板５１２を含んでいる。ある実施形態では、第１の複数のＴＥ素子のうちの複数のＴＥ素子５０６は、互いに実質的に平行な第１の列および第２の列として配置され、第１のＴＥ素子５０６ａおよび第２のＴＥ素子５０６ｂが第１の列をなすように配置され、第３のＴＥ素子５０６ｃおよび第４のＴＥ素子５０６ｄが第２の列をなすように配置されている。ある実施形態では、各列の第２の複数のシャント５１４は、（たとえば直接または電気絶縁層を間に挟んで）第２の基板５１２の１つのセグメントに接触しており、第２の基板５１２の他のセグメントには接触していない。ある実施形態では、下部基板５１２の各セグメントは少なくとも１つの熱交換器である。ある実施形態では、少なくとも１つの熱交換器５１２は、第１列の複数のＴＥ素子５０６のうちの少なくともいくつかのＴＥ素子５０６と熱的に連絡する第１の熱交換器と、第２列の複数のＴＥ素子５０６のうちの少なくともいくつかのＴＥ素子５０６と熱的に連絡する第２の熱交換器とを有している。ある実施形態では、ＴＥモジュール７００は、図７に示されているように、第２の基板５１２の一方の側と熱的に連絡する第１のＴＥアセンブリ５２０と、第２の基板５１２の反対側と熱的に連絡する第２のＴＥアセンブリ５２２とを有している。
【００２２】
図８Ａに示されているように、第１の基板５０８は２つ以上のセグメントに分離することもできる。第２の基板５１２の複数のセグメントと同様に、第１の基板５０８の複数のセグメントは、第１の複数のシャント５１０の長さ方向に概ね沿って（たとえば、第１の複数のシャント５１０内の電流の流れの方向に）延び、第２の複数のシャント５１２の長さ方向に実質的に沿った方向（たとえば、第１の複数のシャント５０８内の電流の流れの方向）に互いに分離されている。ある実施形態では、第１の複数のシャント５１０のそれぞれは、（たとえば直接または電気絶縁層を間に挟んで）第１の基板５０８の少なくとも１つのセグメントに接触し、第１の基板５０８の他のセグメントには接触していない。ある実施形態では、図８Ｂに示されているように、第１のＴＥアセンブリ５２０は、第２の基板５１２の一方の側と熱的に連絡しており、第２のＴＥアセンブリ５２２は、第２の基板５１２の反対側である。
【００２３】
ある実施形態では、熱電システムは、第１の側および第２の側を含む第１の熱交換器と、第１の側および第２の側を含む第２の熱交換器とを有している。第１の熱交換器の第１の側は、第１列の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかのＴＥ素子と熱的に連絡しており、第２の熱交換器の第１の側は、第２列の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかのＴＥ素子と（たとえば直接または電気絶縁層を間に挟んで）熱的に連絡している。このような実施形態では、熱電システムは、第１の方向に沿って、第１の熱交換器の第２の側および第２の熱交換器の第２の側の少なくとも一方と熱的に連絡する状態で延びる第３の複数の導電シャントと、第２の方向に沿って延びる第４の複数の導電シャントと、第２の複数のＴＥ素子とをさらに有している。第２の複数のＴＥ素子は、第３の複数のシャントの第５のシャントと第４の複数のシャントの第６のシャントとの間に位置し、かつ第５のシャントおよび第６のシャントと熱的に連絡する第４のＴＥ素子と、第６のシャントと第３の複数のシャントの第７のシャントとの間に位置し、かつ第６のシャントおよび第７のシャントと熱的に連絡する第５のＴＥ素子と、第７のシャントと第４の複数のシャントの第８のシャントとの間に位置し、かつ第７のシャントおよび第８のシャントと熱的に連絡する第６のＴＥ素子とを有している。このような実施形態では、電流が、第５のシャントを通って第１の方向に実質的に平行に流れ、第４のＴＥ素子を通過し、第６のシャントを通って第２の方向に実質的に平行に流れ、第５のＴＥ素子を通過し、第７のシャントを通って第１の方向に実質的に平行に流れ、第６のＴＥ素子を通過し、第８のシャントを通って第２の方向に実質的に平行に流れる。
【００２４】
ある実施形態では、伝熱流体は液体、気体、またはスラリーである。作動媒体５２４は、図９Ａに示されているように、第２の基板５１２などの熱交換器を通って流れることができる。ある実施形態では、第１の基板５０８は、図９Ａ〜９Ｃに示されているように、空気熱交換器（たとえばルーバー型フィンやオフセットフィン）であってよい。ある実施形態では、空気熱交換器は、図９Ａに示されているように、第２の基板５１２を通過する作動媒体５２４の流れ方向と実質的に垂直な方向の空気流のために構成されている。他の実施形態では、空気熱交換器は、第２の基板５１２を通過する作動媒体５２４の流れ方向と実質的に平行な方向の空気流のために構成されている。図９Ｂは、シャント９２０に取り付けられたフィン型熱交換器９１０の一例を示している。図９Ｃは、一体型のシャント−熱交換器の構成部材９３０であるフィン型熱交換器９１０の一例およびシャント９２０を示している。
【００２５】
ある実施形態では、熱交換器は、複数のシャントと比較的適切に熱伝導接触する。たとえば、熱交換器は熱伝導材料（たとえば熱グリース）によって複数のシャントに取り付けることができる。ある実施形態では、熱交換器は複数のシャントと電気的に導通していない（たとえば、熱交換器は複数のシャントから電気的に絶縁されている）。同様の基準（criteria）が、完全な装置を形成するように垂直方向および／または水平方向に積み重ねることができる任意の追加のＴＥアセンブリの構成に当てはまる。
【００２６】
ある実施形態では、ＴＥモジュールは、ＴＥ回路（たとえば複数のシャント）が導電熱交換器材料を短絡させるのを防止するように構成されている。陽極酸化された複数のフィン、複数のシャント、および押し出し成形されたチューブ、（たとえば、埋め込まれたガラス球や、非導電マットや、電気的に絶縁させるように間隔を形成する任意の他の手段を含む）非導電エポキシ、図９Ａ〜９Ｃに示されているように、非導電気体を伝熱媒体として利用する単一のシャントに取り付けられた熱交換器セグメント、または他の任意の適切な構成を含むいくつかの構成によって、シャントと熱交換器材料とを電気的に絶縁しつつ、比較的良好な熱伝達特性を維持することができる。ある実施形態では、非導電層が熱交換器とシャントとの間に配置される。たとえば、熱交換器がアルミニウムである場合、熱交換器を陽極酸化させて熱交換器とシャントとの間に非導電層を形成することができる。窒化アルミニウム、その他の熱伝導セラミック、ガラス繊維が充填されたエポキシ接着剤、高熱伝導率かつ非導電性のウェビング（webbing）およびグリースで構成されたマット、任意の他の高熱伝導率かつ非導電性のバリアのような、他の種類のコーティングを設けることもできる。非導電バリア層は、機械的強度、耐磨耗性、低接触摩擦、腐食防止のような他の望ましい特性を含んでもよい。
【００２７】
積み重ねられた熱電素子構造を有する熱電システム
複数の熱電システム構成の例が、引用によって本明細書に組み込まれる米国特許第６９５９５５５号に記載されている。図１０Ａは、複数のＴＥ素子１００６が電流の流れ１０１２の方向に積み重ねられたＴＥモジュール１０００を示している。各ＴＥ素子１００６は、第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２に隣接しており、したがって、ＴＥ素子１００６は第１の伝熱構造１００４と第２の伝熱構造１０１２との間に挟まれている。第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２は、それぞれ第１の熱交換器１００８および第２の熱交換器１０１０と熱的に連絡するシャントであってよい。ある実施形態では、熱伝導性かつ電気絶縁性の材料が、第１の伝熱構造１００４と第１の熱交換器１００８との間、および第２の伝熱構造１０１２と第２の熱交換器１０１０との間に位置している。たとえば、窒化アルミニウムを熱伝導性かつ電気絶縁性の材料として使用することができる。熱伝導性かつ電気絶縁性の材料は、第１の伝熱構造１００４と第１の熱交換器１００８との電気的な導通、および第２の伝熱構造１０１２と第２の熱交換器１０１０との電気的な導通を防止することができる。ＴＥ素子１００６、第１の伝熱構造１００４、および第２の伝熱構造１０１２がスタックを形成している。ある実施形態では、スタックの複数のＴＥ素子１００６は互いに直列に電気的に導通している。複数のＴＥ素子１００６を第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２に取り付けることによって応力が誘導される。しかし、図１Ｂに示されている従来のＴＥシステム１００とは異なり、互いに隣接するＴＥ素子１００６同士の間にせん断応力が誘導されることはない。ある実施形態では、第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２は、図１０Ｃに示されているように、それぞれ複数のｐ型ＴＥ素子および複数のｎ型ＴＥ素子に隣接している。第１の伝熱構造１００４と第２の伝熱構造１０１２との間に挟まれた複数のＴＥ素子１００６は、第１の伝熱構造１００４、第２の伝熱構造１０１２、および／またはＴＥ素子１００６を通る電流の流れの方向に概ね垂直な方向に互いに離して配置されている。
【００２８】
第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２は、図１０Ｂに示されているように第１の部分１０３０および第２の部分１０３２を有している。ある実施形態の第１の部分１０３０は、第１の部分１０３０を通る電流の流れの方向に概ね垂直な方向に沿って延び、複数のＴＥ素子と熱的に連絡するように構成された少なくとも１つの表面を有している。第１の伝熱構造１００４の第２の部分１０３２は、第１の方向でスタックから離れる方向に突き出ており、第２の伝熱構造１０１２の第２の部分１０３２は、第２の方向でスタックから離れる方向に突き出ている。ある実施形態では、第１の方向と第２の方向は概ね互いに逆である。第１の伝熱構造１００４の第２の部分１０３２は、第１の熱交換器１００８および／または第１の作動媒体と熱的に連絡することができ、第２の伝熱構造１０１２の第２の部分１０３２は、第２の熱交換器１０１０および／または第２の作動媒体と熱的に連絡することができる。ある実施形態では、第２の部分１０３２は第１の部分１０３０より大きい。たとえば、第２の部分１０３２は、第１の方向および／または第２の方向と実質的に垂直な平面において第１の部分１０３０より大きい断面積を有してよく、あるいは第２の部分１０３２は、実質的に電流の流れ１００２の方向に、より大きい寸法を有していてよい。ある実施形態では、伝熱構造１０１４は概ねＴ字形である。
【００２９】
図１０Ｃは、図１０ＡのＴＥモジュール１０００の斜視図を示している。複数のＴＥ素子１００６が第１の伝熱構造１００４と第２の伝熱構造１０１２との間に位置している。たとえば、第１の複数のＴＥ素子１００６は、第１の伝熱構造１００４の第１の部分１０３０と第２の伝熱構造１０１２の第１の部分１０３０との間に挟むことができ、第２の複数のＴＥ素子１００６は、第３の伝熱構造１００４の第１の部分１０３０と第２の伝熱構造１０１２の第１の部分１０３０との間に挟むことができる。ある実施形態では、第１の複数のＴＥ素子は互いに並列に電気的に導通しており、第２の複数のＴＥ素子は互いに並列に電気的に導通している。
【００３０】
第１の伝熱構造１００４および／または第２の伝熱構造１０１２は、図１１に示されているように、電流の流れ１０１２の方向に概ね垂直な方向に互いに間隔を置いて配置された複数の熱伝導セグメントであってよい。各熱伝導セグメントは、少なくとも１つのＴＥ素子１００６と熱的に連絡することができる。熱伝導セグメント同士の間の隙間すなわち空間１０４０は、第１の熱交換器１００８と熱的に連絡する各熱伝導セグメントが互いに独立して、および／または第２の熱交換器１０１０と熱的に連絡する熱伝導セグメントから独立して膨張および収縮できるようにするので、温度差による誘導応力を小さくする。したがって、ＴＥ素子１０００は、互いに平行な複数のＴＥ素子１００６の冗長性（redundancy）および耐久性（ruggedness）を有する。
【００３１】
ある実施形態では、伝熱構造の互いに隣接する複数の熱伝導セグメントは、互いに機械的に連結され、互いに電気的に絶縁されている。ある実施形態では、伝熱構造は、図１２に示されているように、複数の熱伝導セグメント同士の間に１つまたは複数の電気絶縁スペーサ１０４２を含んでいる。複数のスペーサ１０４２は、ＴＥ素子１０００に機械的な剛性を付加することができる。スペーサ１０４２は、比較的強度が高く化学的に安定した材料であってよい。ある実施形態では、スペーサは比較的高い可撓性を有している。他の実施形態では、スペーサは比較的高い剛性を有している。スペーサは、エポキシ、ポリマー、ガラス、セラミックスなどを含んでいてよい。複数の絶縁スペーサは、互いに直列に電気的に導通する複数のＴＥ素子および複数の熱伝導セグメントを含む複数の電気回路を電気的に絶縁している。ある実施形態では、複数の電気回路は、電流の流れの方向に概ね平行な方向で互いに電気的に絶縁されている。たとえば、ある電気回路内の電流の流れの方向は、隣接する電気回路と概ね逆であってよい。ＴＥ発電器の電圧出力は、電気的に直列接続された多数のＴＥ素子に概ね比例するため、図１１の構成は、同じサイズでありかつ互いに並列に接続された同じ数のＴＥ素子を有する装置よりも高い電圧出力を有している（かつ概ね比例して小さい電流出力を有している）。
【００３２】
ある実施形態のスタックは、ＴＥ素子１００６より低い弾性係数を有する材料を含んでよい。たとえば、この材料を伝熱構造の少なくとも１つの第１の部分１０３０とスタック内の隣接するＴＥ素子との間に挟むことができる。この材料は、ＴＥシステムの動作時にＴＥ素子１００６の歪みおよび応力を効果的に低減させる。第１の伝熱構造１００４と第２の伝熱構造１０１２との温度差は、スタック内で（たとえば圧縮および／または引っ張りの）歪みおよび応力を生じさせることがある。ＴＥ素子１００６より低い弾性係数を有する材料をスタック内に挟んだ場合、この材料はＴＥ素子１００６より大きく変形し、ＴＥ素子１００６の歪みおよび応力が低下する。ＴＥ素子１００６の歪みおよび応力を低下させることによって、ＴＥ素子１００６の機械的故障を低減させることができる。ＴＥシステム１０００は、圧縮応力の下で概ねスタックに沿う方向にスタックを保持する支持構造を含んでよい。たとえば、圧縮応力は、ねじやばねなどによって加えることができる。通常、ＴＥ素子１００６には、ＴＥ素子１００６が機械的に故障する前に引っ張り応力より大きい圧縮応力がかかる可能性がある。スタックに圧縮応力をかけることによって、ＴＥ素子１００６に作用する引っ張り応力を低下することができ、したがって、ＴＥ素子１００６の機械的故障を低減させることができる。
【００３３】
１つ以上のＴＥモジュールを、１つ以上の追加のＴＥモジュールと電気的に導通させてＴＥシステムを形成することができる。たとえば、図１３に示されているＴＥモジュール１３００は、複数のＴＥ素子１００６と、第１の複数の伝熱構造１００４と、第２の複数の伝熱構造１０１２のスタックを有している。図１３の例示的なスタックでは、第１の伝熱構造１００４と第２の伝熱構造１０１２との間に挟まれた複数のＴＥ素子１００６がそれぞれ、２つのＴＥ素子１００６を含み、第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２と熱的に連絡している。第１の伝熱構造１００４と第２の伝熱構造１０１２との間に挟まれた２つのＴＥ素子１００６は、隙間１０４０によって分離されている。図１３の例示的なスタックでは、第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２は２つの部分に分割されているが、ＴＥモジュール１３００の各端部の第２の伝熱構造１０１２は２つの部分に分割されていない。第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２を分割することによって、第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２を熱膨張させるための隙間１０４４が形成される。
【００３４】
図１３に示されているＴＥモジュール１３００を他の同様のＴＥモジュール１３００と電気的に接続してＴＥシステムを形成することができる。たとえば、図１４は、図１３に示されている６０個のＴＥモジュール１３００のアレイを含むＴＥシステム１４００を示している。互いに電気的に導通する１２個の列があり、各列は直列に電気的に互いに導通する５個のＴＥモジュールを有している。１２個の列は、直列に電気的に導通している。たとえば、第１の列は第２の列と実質的に逆の電流の流れ方向を有していてよく、第３の列は第１の列と実質的に平行な電流の流れ方向を有していてよく、第２の列は第１の列と第３の列との間に位置している。しかし、複数の列は、互いに並列に電気的に導通していてもよく、あるいは、直列に電気的に導通する列と並列に電気的に導通する列が混在していてもよい。たとえば、隣接する列の第１の対は互いに並列に電気的に導通することができ、隣接する列の第２の対は互いに並列に電気的に導通することができる。隣接する列の第１の対は、隣接する列の第２の対に隣接し、かつ第２の対に直列に電気的に導通することができる。列の対は、２つの列を導電シャントに電気的に接続することによって互いに並列に電気的に導通することができる。ある実施形態では、電気的および／または熱的な絶縁材料が１つ以上の列の間に位置している。たとえば、カイティアン（caitian）、マイラー（mylar）、雲母、ガラス繊維などを複数の列の間に配置することができる。
【００３５】
ある実施形態は、第１の複数の伝熱構造１００４と熱的に連絡する第１の熱交換器と、第２の複数の伝熱構造１０１２と熱的に連絡する第２の熱交換器とを含んでいる。ＴＥシステム１４００は、複数のＴＥモジュール１３００の単層アレイを有しているため、単層装置とみなされる。ある実施形態では、２つ以上のＴＥシステム１４００を積み重ねて多層装置を形成することができる。たとえば、第１のＴＥシステム１４００の第１の伝熱構造１００４または第２の伝熱構造１０１２を、第２のＴＥシステム１４００の第１の伝熱構造１００４または第２の伝熱構造１０１２と熱的に連絡させて２層の装置を形成することができる。ある実施形態では、第１のＴＥシステム１４００と第２のＴＥシステム１４００との間に熱交換器を挟むことができる。ある実施形態では、熱伝導性かつ電気絶縁性の材料が、第１の伝熱構造１００４と第１の熱交換器との間、および第２の伝熱構造１０１２と第２の熱交換器との間に位置している。たとえば、熱伝導性かつ電気絶縁性の材料として窒化アルミニウムを使用することができる。熱伝導性かつ電気絶縁性の材料は、第１の伝熱構造１００４と第１の熱交換器との間の電気的導通、および第２の伝熱構造１０１２と第２の熱交換器との間の電気的導通を防止することができる。
【００３６】
図１４に示されているように構成されたＴＥシステム１４００の性能を、第１の側では第１の熱交換器を用い、第２の側では第２の熱交換器を用いて試験した。一方の熱交換器を通して比較的低温の流体を流し、他方の熱交換器を通して比較的高温の流体を流して、第１の側と第２の側との間の温度差を維持した。低温側の入口温度は−５℃から２５℃の範囲であった。高温側の入口温度は９８℃から２００℃の範囲であり、高温入口温度と低温入口温度との最大温度差は２０５℃であった。図１５は、温度差が最大のときに開路電圧が１２Ｖより高くなることを示している。この状態の最大出力は、図１６で１３０Ｗと示されている。図１４〜１６の測定の場合の低温流体は５０／５０の水／エチレングリコール混合物であり、高温流体は有機油であった。ドープされたｎ型およびｐ型のテルル化ビスマスを複数のＴＥ素子１００６に使用した。他の複数の熱電材料も同様に使用可能であった。
【００３７】
図１７は、図１４に示されているように構成されたＴＥシステム１４００についてのピーク出力結果を、高温流体入口温度と関連させて示している。低温側流体は、いくつかの試験では水であり、他の試験では５０／５０の水／エチレングリコールであった。同じ条件の計算データまたはシミュレートデータも、図１７に示されている。測定データの点の、シミュレートされた曲線からの変動は、広範囲の高温側および低温側入口温度にわたって１０％未満である。シミュレートデータは、Crane, D. T.等の「Modeling the Building Blocks of a 10% Efficient Segmented Thermoelectric Power Generator」 International Conference on Thermoelectrics, Corvallis, OR (2008)に記載されたモデルを使用して生成し、複数の熱交換器モデルで積分したデータである。このシミュレーションには、熱電加熱および冷却のモデル化に関する論文（たとえば、Crane, D. T.の「Modeling High-Power Density Thermoelectric Assemblies Which Use Thermal Isolation」 23rd International Conference on Thermoelectrics Adelaide, AU (2004)）に記載されたのと同様に解かれる一連のエネルギー平衡式を含めた。
【００３８】
図１８Ａは、５つの高温流体熱交換器１８１２および６つの低温流体熱交換器１８０８と一緒に積み重ねられた１０個のＴＥシステム１４００を有するＴＥシステム１８００を示している（本明細書では、「高温」および「低温」という用語は、複数の熱交換器を通って流れる複数の流体の相対温度を指す）。各ＴＥシステム１４００は、高温流体熱交換器１８１２と低温流体熱交換器１８０８との間に挟まれている。図１８Ｂは、図１８ＡのＴＥシステム１８００の動作結果を示している。低温入口温度と高温入口温度との温度差は２０７℃であった。ＴＥシステム１８００は、開路電圧が５０Ｖより高く、ピーク出力が５００Ｗより高かった。複数の高温流体熱交換器１８１２を互いに並列に流体連通させた。同様に、複数の低温流体熱交換器１８０８を互いに並列に流体連通させた。
【００３９】
図１９は、第１の複数の伝熱構造１９０４および第２の複数の伝熱構造１９１２を含むＴＥモジュール１９００を示している。これらの伝熱構造１９０４、１９１２は、図１３のＴＥモジュール１３００の第１の伝熱構造１００４および第２の伝熱構造１０１２と比べて小さい容積を有している。各伝熱構造１９０４、１９１２の第２の部分は、図１３のＴＥモジュール１３００の伝熱構造１００４、１０１２と比べて薄い厚さを有している。たとえば、図１３のＴＥモジュール１３００と同じ量のＴＥ材料を図１９のＴＥモジュール１９００に用い、伝熱構造に銅を使用した場合、図１３のＴＥモジュール１３００は重量が９．８８ｇであり、一方、図１９のＴＥモジュールは重量が５．７２ｇである。
【００４０】
図１９のＴＥモジュール１９００の性能を試験した。電圧および電力は、それぞれ図２０および２１に、１００℃、１５０℃、および１９０℃の高温側温度における電流と関連して示されている。低温側水槽温度は２０℃であった。図２０および２１は、ＴＥモジュール１９００のシミュレートされたモデル化データも示している。高温側の各温度ごとの、シミュレートされたモデル化データの、測定データからの逸脱は、０Ａから２０Ａの電流範囲にわたって５％未満である。シミュレートされたモデル化データの電気界面抵抗を、シミュレートされたモデル化データのフィッティングファクターとして使用した。この特定のサブアセンブリの、算出された電気界面抵抗は５．５μΩｃｍ2であった。この推定された電気界面抵抗を、Nolas, G. S.等の「Thermoelectric - Basic Principles and New Materials Development」 Springer-Verlag (Berlin Heidelberg, 2001)に記載された電気界面抵抗と比較することができる。１０μΩｃｍ2未満の電気界面抵抗は妥当であると考えられる。このモデルは、Crane, D. T.等の「Modeling the Building Blocks of a 10% Efficient Segmented Thermoelectric Power Generator」 International Conference on Thermoelectrics, Corvallis, OR (2008)に詳しく記載されている。
【００４１】
図２２は、図１９のＴＥモジュール１９００の熱サイクルによる試験結果を示している。この試験では、サブアセンブリに対する電気負荷を固定するとともに、低温側の５０／５０の水／エチレングリコールの槽の温度を２０℃に固定する。次に、高温側の温度を５０℃から１９０℃の間で循環させる。このグラフは、これらのサイクルの各々のピーク出力を反映している。図２２に示されているように、ピーク出力は少なくとも１１８１サイクルにわたって一定であった。使用したＴＥモジュールは、この試験より１桁か２桁多い量の熱サイクルを受けることがあるが、試験したＴＥモジュール１９００は熱サイクルに対する構造安定性を示している。
【００４２】
図１９に示されているＴＥモジュール１９００を他の同様のＴＥモジュール１９００に電気的に接続して、ＴＥシステムを形成することができる。たとえば、６０個のＴＥモジュール１９００のアレイを有するＴＥシステムを、図１４に示されているＴＥシステム１４００と同様に形成することができる。６０個のＴＥモジュール１９００を有するＴＥシステムについての性能試験結果が、図２３および２４に示されている。試験は、図１４のＴＥシステム１４００の試験と同様に実施された。冷水入口温度は２０℃から３５℃の範囲であり、一方、高温油入口温度は１００℃から２００℃の範囲であった。このＴＥシステムは、流体入口温度差が１８０℃であるときの開路出力が１５Ｖより高く、ピーク出力が１００Ｗより高かった。２５０Ｗ／Ｌを超えかつ８０Ｗ／ｋｇを超えたときに電力が生成され、この場合、容積（たとえばリットル）および質量（たとえばｋｇ）はＴＥシステムおよび複数の熱交換器を含むが、流体や複数の熱交換器に連結された流体マニフォルドは含まない。
【００４３】
手動で電気負荷を変更して、上記した性能試験を完了した。使用時に、手動の動作は通常、様々な出力電圧および電流の条件の範囲にわたって最適な出力を実現するのに実際的ではない。図２５は、図１９の６０個のＴＥモジュール１９００を含むＴＥシステムと一緒に使用された電力変換器の試験性能を示している。電源入力が０Ｗ〜１００Ｗの範囲であるとき、変換器は、９３％から９９％を超えるまでの範囲の効率で出力を生じさせ、出力が大きくなるにつれて効率が高くなった。これらは、Nagayoshi, H.等の「Evaluation of Multi MPPT Thermoelectric Generator System」 International Conference on Thermoelectrics, Jeju, Korea. 2007, pp. 323-326によって報告されたＴＥシステムの効率８５％よりも高い変換効率である。
【００４４】
直列および／または並列に接続された複数の熱電システム
動作電圧を高くするには複数のＴＥシステムを直列に電気的に導通させるように接続すると有利であるが、信頼性を向上させるには並列に電気的に導通させるように接続すると有利である。図１〜１１に示されているＴＥモジュール１００、１０００は、数種の直列および／または並列の構造として構成することができる。図２６Ａは、直列に電気的に導通するように電気的に接続された複数のＴＥモジュール２６００を示している。図２６Ｂは、並列に電気的に導通するように電気的に接続された複数のＴＥモジュール２６００を示している。図２６Ｃは、直列に電気的に導通するとともに並列に電気的に導通するように電気的に接続された複数のＴＥモジュール２６００を示している。図２６Ａ〜２６Ｃの複数のＴＥモジュールはそれぞれ、電圧源２６０２およびグランド２６０４に接続されている。ある実施形態では、熱電システムは、互いに概ね直列に電気的に導通する第１の複数のＴＥ素子と、互いに概ね直列に電気的に導通する第２の複数のＴＥ素子とを含んでおり、この場合、第１の複数のＴＥ素子は第１の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続され、第２の複数のＴＥ素子は第２の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続される。少なくとも１つの導電素子は、第１の複数の導電シャントの少なくとも１つおよび第２の複数の導電シャントの少なくとも１つと電気的に導通し、第１の複数のＴＥ素子の少なくとも一部は、少なくとも１つの導電素子によって第２の複数のＴＥ素子の少なくとも一部に並列に電気的に接続される。
【００４５】
図２７は、図５Ａ〜５ＣのＴＥシステムと同様であるが、ＴＥシステム２７００の電気的接続における直列および並列の冗長性（redundancy）を含むように修正された、第１のＴＥモジュール２７４０および第２のＴＥモジュール２７４２を有するＴＥシステム２７００を示している。第１のＴＥモジュール２７４０は、互いに概ね直列に電気的に導通する第１の複数のＴＥ素子を含んでおり、第２のＴＥモジュール２７４２は、互いに概ね直列に電気的に導通する第２の複数のＴＥ素子を含んでいる。第１のＴＥモジュール２７４０と第２のＴＥモジュール２７４２は、２つのＴＥモジュール２７４０、２７４２がそれぞれ概ね互いに平行な正味の電流の流れ方向（たとえば図２７において左から右へ）を有するように、互いに概ね平行に構成することができる。２つのＴＥモジュール２７４０、２７４２は、並列冗長性がもたらされるように、その長さに沿った様々な位置で互いに電気的に接続することができる。図２７に示されているように、第１のＴＥモジュール２７４０の１つ以上の下部シャント５１０を、複数の電線用導管（electrical conduits）２７５２、２７５４によって、第２のＴＥモジュール２７４２の１つ以上の下部シャント５１０に電気的に接続することができる（たとえば、第１のＴＥモジュール２７４０の下部シャント５１０を、第２のＴＥモジュール２７４２の隣接する下部シャントに電気的に接続することができる）。複数の電線用導管は、複数のワイヤ、複数のストリング、複数の層、またはその他の複数の導電構造を含んでいてよい。たとえば、並列冗長性を示すのに、電気的接続が、領域Ａ２７５０（たとえば、第１のＴＥモジュール２７４０のＴＥ素子とシャントとの間の領域）で失われるか、破壊されるか、あるいは開放された場合に、電流は、第２のＴＥモジュール２７４２の領域Ｄ２７５６を介して、依然として電線用導管Ｂ２７５２およびＣ２７５４を通過することができる。したがって、ある実施形態では、並列冗長性によって、電流が第１のＴＥモジュール２７４０の１つ以上のＴＥ素子を通って流れることができ、他の場合には、第１のＴＥモジュール２７４０に沿った直列電気接続が破壊することによって流れが停止する。そのような電気的接続が失われた場合、第１のＴＥモジュール２７４０の性能が低下するが、ＴＥシステム２７００は第１のＴＥモジュール２７４０の少なくとも一部を用いて引き続き動作し、引き続き性能に寄与する。図２７は、電線用導管Ｅ２７５８およびＦ２７６０によってもたらされる冗長性も示しており、この場合、２つのＴＥモジュール２７４０、２７４２は電気的に並列に接続されている。ある実施形態では、ＴＥシステム２７００は２つ以上のＴＥモジュールを有していてよい。
【００４６】
図２８Ａは、図７のＴＥシステム７００に類似しているが、１つ以上の追加の電気素子２８５０を含むＴＥシステム２８００を示している。ある実施形態では、１つ以上の導電素子２８５０が、第１のＴＥモジュール５２０の１つ以上のＴＥ素子５０６ａ、５０６ｂと第２のＴＥモジュール５２２の１つ以上のＴＥ素子５０６ｃ、５０６ｄとの電気的な導通を生じさせる。ある実施形態では、伝熱構造は、作動媒体が伝熱構造と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された第１の導管５１２ａと、作動媒体が伝熱構造と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された少なくとも１つの第２の導管５１２ｂとを含んでいる。第１の複数のＴＥ素子は、第１の導管５１２ａの第１の側と熱的に連絡し少なくとも１つの第２の導管５１２ｂから実質的に熱的に分離された第１の数のＴＥ素子５０６ａと、少なくとも１つの第２の導管５１２ｂの第１の側と熱的に連絡し第１の導管５１２ａから実質的に熱的に分離された第２の数のＴＥ素子５０６ｂと、を含んでいてよい。第２の複数のＴＥ素子は、第１の導管５１２ａの第２の側と熱的に連絡し、少なくとも１つの第２の導管５１２ｂから実質的に熱的に分離された第３の数のＴＥ素子５０６ｃと、少なくとも１つの第２の導管５１２ｂの第２の側と熱的に連絡し、第１の導管５１２ａから実質的に熱的に分離された第４の数のＴＥ素子５０６ｂとを含んでいてよい。第１の複数の導電素子２８５０は、第１の数のＴＥ素子５０６ａおよび第３の数のＴＥ素子５０６ｃと電気的に連絡しており、したがって、第１の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかは、第２の複数のＴＥ素子のうちの少なくともいくつかと、並列に電気的に導通している。たとえば、図２８Ａに示されているように、第１のＴＥモジュール５２０の第２のシャント５１４は、導電素子２８５０によって、第２のＴＥモジュール５２２の第２のシャント５１４に電気的に接続されている。他の実施形態では、第１のＴＥモジュール５２０の第１のシャント５１０を、導電素子によって、第２のＴＥモジュール５２２の第１のシャント５１０に電気的に接続することができる。
【００４７】
第１のＴＥモジュール５２０と第２のＴＥモジュール５２２との電気的な導通を実現する導電素子の他の複数の構成を用いることもできる。上記したように、シャント５１０、５１４は、熱交換器および／または作動媒体と熱的に連絡することができる。ある実施形態では、第１の複数のＴＥ素子は、実質的に共通の第１の平面内に存在するように構成され、第２の複数のＴＥ素子は、実質的に共通の第２の平面内に存在するように構成される。ある実施形態では、第１の平面と第２の平面は互いに実質的に平行であるかあるいは互いに実質的に非平行である。
【００４８】
ある実施形態では、少なくとも１つの第２の導管は複数の導管を含んでいる。図２８Ｂは、４つのＴＥモジュール５２０ａ、５２０ｂ、５２２ａ、５２２ｂを含むＴＥシステム２８０１を示している。図２８ＢのＴＥシステム２８０１は、図２８ＡのＴＥシステム２８００に類似しているが、少なくとも１つの第２の導管は、第２の導管５１２ｂおよび第３の導管５１２ｃと、第３のＴＥモジュール５２０ｂと、第４のＴＥモジュール５２２ｂと、１つ以上の追加の導電素子２８５２とを含んでいる。ある実施形態では、伝熱構造は、作動媒体が伝熱構造と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された第３の導管５１２ｃをさらに含んでいる。ＴＥシステム２８０１は、互いに概ね直列に電気的に連絡する第３の複数のＴＥ素子と、互いに概ね直列に電気的に連絡する第４の複数のＴＥ素子とを含んでいてよい。第３の複数のＴＥ素子は、第２の導管５１２ｂの第１の側と熱的に連絡し、かつ第３の導管５１２ｃから実質的に熱的に分離された第５の数のＴＥ素子５０６ｅと、第３の導管５１２ｃの第１の側と熱的に連絡し、かつ第２の導管５１２ｂから実質的に熱的に分離された第６の数のＴＥ素子５０６ｆとを含んでよい。第４の複数のＴＥ素子は、第２の導管５１２ｂの第２の側と熱的に連絡し、かつ第３の導管５１２ｃから実質的に熱的に分離された第７の数のＴＥ素子５０６ｇと、第３の導管５１２ｃの第２の側と熱的に連絡し、かつ第２の導管５１２ｂから実質的に熱的に分離された第８の数のＴＥ素子５０６ｈとを含んでいてよい。第２の複数の導電素子２８５２は、第２の数のＴＥ素子５０６ｂおよび第５の数のＴＥ素子５０６ｅと電気的に連絡しており、したがって、第１の複数のＴＥ素子は、第３の複数のＴＥ素子と並列に電気的に導通している。たとえば、図２８Ｂに示されているように、第２の導電素子２８５２は、第１の複数のＴＥモジュール５２０ａを第３のＴＥモジュール５２０ｂに電気的に接続している。第１の複数のＴＥモジュール５２０ａは、第２のモジュール５２２ａとの間にも１つ以上の電気的接続部を有していてよい。たとえば、図２８Ｂに示されているように、第１の電気的接続部２８５０は、第１のＴＥモジュール５２０ａを第２のＴＥモジュール５２２ａに電気的に接続している。
【００４９】
ある実施形態では、第１のＴＥモジュール５２０ａと第３のＴＥモジュール５２０ｂの少なくとも一方は、第２のＴＥモジュール５２２ａまたは第４のＴＥモジュール５２２ｂと電気的に導通している。ある実施形態では、第１のＴＥモジュール５２０ａと第２のＴＥモジュール５２２ａの少なくとも一方は、第３のＴＥモジュール５２０ｂまたは第４のＴＥモジュール５２２ｂと電気的に導通している。たとえば、第３の複数の導電素子は、第４の数のＴＥ素子５０６ｄおよび第７の数のＴＥ素子５０６ｇと電気的に導通することができ、したがって、第２の複数のＴＥ素子は第４の複数のＴＥ素子と並列に電気的に導通している。他の構成も可能である。たとえば、ＴＥシステムは、追加のＴＥモジュール、導管、および／または導電素子を含んでいてよい。ある実施形態では、第３の複数のＴＥ素子は、実質的に共通の第３の平面内に存在するように構成され、第４の複数のＴＥ素子は、実質的に共通の第４の平面内に存在するように構成される。ある実施形態では、第３の平面と第４の平面は互いに実質的に平行であるかあるいは実質的に非平行である。
【００５０】
複合伝熱構造
熱交換器は、比較的コストが安く、かつ押し出し成形プロセス時または押し出し成形プロセス後に伝熱強化部材を形成可能であるため、押し出し成形されたアルミニウム製の中空形状から構成されることが多い。しかし、銅は一般に、複数のＴＥ素子を互いに電気的に接続するシャントに、アルミニウムよりも適している。たとえば、銅は一般に、アルミニウムよりはんだぬれ性が良好であり、電気抵抗率が低く、熱伝導抵抗率が低い。したがって、ＴＥモジュールは一般に、アルミニウム製熱交換器が取り付けられた銅製シャントを有する。しかし、銅は一般に、アルミニウムよりＣＴＥが低く、アルミニウムと銅との熱膨張係数（たとえばＣＴＥ）の相違、すなわちＣＴＥの不一致は、一般に、（たとえば、ＴＥモジュールの複数の構成部材が一緒にはんだ付けされ組み立てられた後で温度低下するときに）ＴＥモジュールに残留応力を生じさせるほど大きい。
【００５１】
図２９は、銅製シャント２９０２とアルミニウム製熱交換器２９０４とのＣＴＥの不一致によって残留応力が生じたＴＥモジュール２９００の一例を示している。はんだは一般に、室温より高い温度で凝固する。銅製シャントとＴＥ素子との間のはんだが凝固した後、複数の構成部材は引き続き温度が低下する。複数の構成部材の温度が低下するにつれて、各構成部材はそのＣＴＥに従って縮小すなわち収縮する。銅製シャント２９０２はアルミニウム製熱交換器２９０４より低いＣＴＥを有し、したがって、温度低下が同じである場合には、銅製シャント２９０２はアルミニウム製の熱交換器２９０４ほど収縮しない。図２９Ａに示されている点線２９５０は、ＣＴＥの不一致によって複数のＴＥ素子２９０６内、およびＴＥ素子とシャントとの界面内に生じる誘導応力を示している。この誘導応力は、ＴＥモジュールを損傷したり故障させたりするおそれがある。上記の例を示すために銅とアルミニウムを用いたが、上記の例は、異なる複数の熱膨張係数を有する任意の２つ以上の材料に適用することができる。
【００５２】
ある実施形態では、熱電システムは、複数の層を含む１つ以上の細長いシャントを含んでいる。図３０は、第１のシャント３０１０および第２の複数のシャント３０１４を含むＴＥモジュール３０００の一部を示している。ＴＥモジュール３０００は、第１のシャント３０１０の第１の側の第１のＴＥ素子３００６ａおよび第２のＴＥ素子３００６ｂを含んでいてよい。第１のＴＥ素子３００６ａおよび第２のＴＥ素子３００６ｂは、第１のシャント３０１０と電気的に導通するとともに熱的に連絡している。第１のＴＥ素子３００６ａは第２のＴＥ素子３００６ｂから離して配置することができる。第１のシャント３０１０の第２の側は、第１のシャント３０１０と熱的に連絡する伝熱構造を含んでいてよい。ある実施形態では、１つ以上のシャント３０１０、３０１４は、他の層とは材料が異なる１つ以上の層を有する複合材である。たとえば、シャント３０１０、３０１４は、第１の材料の第１の層３０３０と、第２の材料の少なくとも１つの第２の層３０４０とを有していてよい。ある実施形態では、シャント３０１０、３０１４はバイメタル複合材である。ある実施形態では、少なくとも１つの第２の層３０４０が、シャント３０１０、３０１４の第１の側の少なくとも一部を含んでおり、および／または、第２の層３０４０が、第１の層３０３０とＴＥ素子３００６ａ、３００６ｂとの間に位置している。ある実施形態では、第１の層３０３０は第２の層３０４０より厚い。ある実施形態では、第１の層３０３０は軽量で導電性の材料（たとえば、アルミニウム、マグネシウム、熱分解黒鉛、リチウム−アルミニウム合金）を含んでおり、第２の層３０４０の少なくとも一部ははんだ付け可能な材料（たとえば、銅、ニッケル、銀、金、またはこれらの元素を含む合金）を含んでいる。ある実施形態では、第２の層３０４０のはんだ付け可能な部分は、インレイ、オーバレイ、または、シャントのはんだ付けすべき部分であってよい。ある実施形態では、第１の層３０３０はアルミニウムを含んでおり、第２の層３０４０は銅を含んでいる。第１の層３０３０は、第１の層３０３０が熱的に連絡する熱交換器と実質的に等しいＣＴＥを有する材料であってよい。たとえば、熱交換器がアルミニウムである場合、第１の層３０３０もアルミニウムであってよい。ある実施形態における少なくとも１つの第２の層３０４０は、第１の層３０３０の湾曲を（たとえば−２００℃から＋７００℃までなどの所定の温度範囲にわたって）ほとんど歪ませることがない。第２の層３０４０は、シャント３０１０、３０１４が第１の層３０３０の熱膨張に実質的に等しい熱膨張を有するのに、および／または、シャント３０１０、３０１４のＣＴＥが第１の層３０３０のＣＴＥに実質的に等しくなるのに、十分な薄さであってよい。したがって、シャント３０１０、３０１４と熱交換器は同程度のＣＴＥを有し、シャントと熱交換器が互いに異なるＣＴＥを有するシステムと比べて誘導応力を低減させることができる。銅は通常はアルミニウムより高価であるため、シャント３０１０、３０１４内の銅層を比較的薄くすることができることが有利である。ある実施形態では、銅層の厚さは、はんだ付けを容易にするような厚さを有している。ある実施形態では、第１の層３０３０と第２の層３０４０は互いに接着される。たとえば、第２の層３０４０は、第１の層３０３０上の金属被覆（metal cladding）または電気めっき層である。シャントの湾曲は、ＴＥモジュール３０００に悪影響を与える形態の応力を生じさせることがあるから、ある実施形態では、シャントが温度変化とともに湾曲することはない。たとえば、恒温バイメタルは、通常は湾曲しないように構成された複合材である。ある実施形態では、シャントの少なくとも一部が、熱的に活性の材料（たとえば、２つ以上の材料の熱膨張特性の差のために寸法が変化するバイメタル）を含んでいる。
【００５３】
熱伝導が分離された伝熱構造
作動媒体の流れ方向における熱の分離は、ＴＥシステムの性能を向上させることができる。ある実施形態では、ＴＥシステムでは、作動媒体の流れ方向に少なくとも部分的な熱の分離が生じる。ある実施形態では、ＴＥシステムは、少なくとも１つのＴＥ素子と熱的に連絡する伝熱装置を有する少なくとも１つのＴＥ素子を含んでいる。伝熱装置は、作動媒体がその伝熱装置と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成することができる。ある実施形態では、伝熱装置は、作動媒体の流れ方向に第１の熱伝導率を有し、作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に第２の熱伝導率を有している。第２の熱伝導率は一般に第１の熱伝導率より高い。
【００５４】
複数のフィン付き熱交換器が伝熱装置として用いられることが多い。しかし、複数のフィン付き熱交換器は、作動媒体の流れ方向に連続し、熱の分離が最小限になることが多い。複数のフィン付き熱交換器を複数の別々の部材に分割し、個々にＴＥ素子に取り付けて別々の部材同士の間に非熱伝導性の隙間を形成することができる。複数のフィン付き熱交換器を有するＴＥモジュールは、非熱伝導性の隙間によって分離された２つ以上の部分を有することができる。各部分は作動媒体の流れ方向に分離することができる。たとえば、代表的な４０ｍｍ×４０ｍｍのＴＥモジュールは、１０ｍｍ×４０ｍｍの４つの部分に分割され各部分の間に約０．７ｍｍの隙間を有するフィン付き熱交換器を有することができる。各部分は、作動媒体の流れ方向における寸法が１０ｍｍであり、隙間によって複数の部分が作動媒体の流れ方向に互いに間隔を置いて配置されるように構成される。したがって、４つの部分は流れ方向に全体で４２．１ｍｍに及び、この余分の２．１ｍｍが、ＴＥモジュールの作動流体入口側および出口側の、１ｍｍ以下の２つの張り出し部に分割される。しかし、分割された複数のフィン付き熱交換器を有するＴＥシステムを作製するのは、単一のフィン付き熱交換器を有する構成よりもコストがかかることが多い。材料の量が同じであっても、複数の部分を入手することが、単一の部材を入手するよりもコストがかかることも多く、かつ複数の部分を組み立てるコストは単一の部分を組み立てるよりも高いことが多い。
【００５５】
ある実施形態では、単一部分の熱交換器が、作動媒体の流れ方向に大きな熱的分離を生じさせる。ある実施形態では、熱交換器は、細長い複数の長穴が貫通する熱伝導材料からなる本体を含んでいる。複数の長穴は、作動媒体の流れ方向に概ね垂直であってよい。本体は、複数の折り目と、互いに概ね平行でありかつ作動媒体の流れ方向に平行な複数の部分とを有していてよい。本体は、作動媒体の流れ方向に第１の熱伝導率を有し、作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に第２の熱伝導率を有している。ある実施形態では、第２の熱伝導率は第１の熱伝導率より高い。伝熱装置は、熱伝導材料の単一のシートから作製することができる。図３１Ａは、複数の細長い長穴３１０４が形成されたシート３１０２を示している。ある実施形態では、複数の細長い長穴のうちの２つ以上の長穴が、作動媒体の移動方向に概ね垂直な共通線に沿って延びている。共通線に沿う２つ以上の長穴はそれぞれある長さを有し、材料の、幅が長さよりもかなり小さい部分によって互いに離されて位置している。材料の、複数の長穴の間の部分は、本体を１つの部材として保持する連結バー３１０６として働くことができる。図３１Ｂに示されているように、シート３１０２を長穴３１０４に概ね垂直な複数の線に沿って折り畳んで、フィン付き構造３１０８を形成することができる。たとえば、各折り目は約９０度の角度に折り畳まれる。ある実施形態では、細長い長穴と連結バーの長さの比は比較的小さい。ある実施形態では、連結バーは、本体を一部材（one piece）として保持するのに十分な大きさのみを有している。たとえば、連結バーの長さの、細長い長穴の長さに対する比は、図３１Ａおよび３１Ｂに示されている伝熱装置の場合には１：１０である。ある実施形態では、共通線に沿う複数の長穴の間の材料の幅を、長穴の長さで割った値が、約１／１０〜１／１０００である。ある実施形態では、複数の連結バーは、伝熱装置の機械的安定性を維持し、一方、複数の長穴を横切る材料の複数の部分の間の伝熱を最小限に抑えるように構成される。
【００５６】
ある実施形態では、連結バーは、フィンの周期性と同様の周期性で配置されている。連結バーは、連結バーを通る熱伝導が最小限に抑えられるように配置することができる。たとえば、複数の連結バーを、伝熱装置とＴＥモジュールとの間の熱的接触点から最も遠く離れた複数の点に配置することができる。連結バーがそのような点に位置する場合、伝熱装置をＴＥモジュールに取り付けた後で、複数の連結バーを（たとえば機械的に）取り除くことができる。図３１Ａおよび３１Ｂに示されているように、複数の連結バーを無作為に配置するか、あるいは互いにずらして配置することができる。複数の折り目に対する連結バーの位置は周期的であってよいが非周期的であってもよい。
【００５７】
ある実施形態では、伝熱装置は共通線に沿って延びる２つ以上の長穴を含んでいる。ある実施形態では、伝熱装置は複数の長穴群を含んでおり、各長穴群は、対応する共通線に沿って延びる複数の長穴を含み、複数の長穴群の共通線は概ね互いに平行である。
【００５８】
細長い長穴の長さの、細長い長穴同士の間の複数の連結バーの長さに対する比は、変更可能である。たとえば、その比は不定であってよい。細長い長穴および連結バーの長さは変更可能であり、または不定であってよい。材料の、２つの別々の共通線の間の部分の幅も、変更可能であり、または不定であってよい。さらに、複数の長穴の形状およびサイズは変更可能である。
【００５９】
上記したような伝熱装置は、任意の様々な形状およびサイズを有していてよい。たとえば、伝熱装置は、４０ｍｍ×４０ｍｍのＴＥモジュールの場合、複数の長穴からなる３つの列が形成された幅４２．１ｍｍのシートを用いて作製することができる。複数の長穴は幅が０．７ｍｍで長さが５０ｍｍであってよく、共通線上の複数の長穴の間の選択された間隔は５ｍｍであってよい。３つの長穴列または長穴群の互いに平行な複数の共通線は、互いに１０ｍｍだけ離れていてよい。シートを折り畳んで、選択された高さを有する複数のフィンを形成することができる。シートの長さは、伝熱装置の所望の長さおよびフィンの高さによって決めることができる。
【００６０】
上記の伝熱装置は、気体や液体などを含む任意の熱交換流体と一緒に使用することができる。たとえば、熱交換流体は、伝熱装置の上方を流れる空気および／または伝熱装置を通って流れる空気であってよい。複数の長穴は、切り裂き（slitting）、切開（lancing）、せん断、打ち抜き、または、その他の任意の形態の分離（separation）などによって形成することができる。
【００６１】
伝熱装置における熱的分離または複数の長穴の形成は、伝熱装置をＴＥモジュールに取り付けた後に行うこともできる。たとえば、伝熱装置をＴＥモジュールに、接着剤によって接着するか、はんだ付けするか、あるいはろう付けすることができる。次に、伝熱装置の一部を除去して複数の長穴またはその他の複数の熱的分離部分を形成することができる。除去方法は、せん断、レーザ切断、研磨、化学エッチング、または、その他の任意の適切な技術などを含んでいてよい。その他の熱的分離部分は、熱伝導材を局所的に、流れ方向に概ね不連続にすることができる、その他の任意の構造であってよい。熱的分離部分は、オフセット（offsets）、ルーバー（louvers）、ランス（lances）、スカロップ（scallops）、オフセットフィン（off-set fins）、長穴付きフィン（slotted fines）、ルーバー付きフィン（louvred fins）、ピンフィンアレイ（pin fin arrays）、ワイヤ束（bundles of wires）などを含んでいてよい。ある実施形態では、熱的分離部分を伝熱装置内に収めることができ、または、熱的分離部分が伝熱装置の一部であってもよい。
【００６２】
他の複数の種類の構造または部分を含む伝熱装置を用いて異方性伝熱特性を実現し、作動媒体の流れ方向に少なくとも部分的な熱的分離を生じさせることができる。ある実施形態では、シートは、熱伝導材の複数の列の間に第２の材料を含んでいる。第２の材料は、熱伝導率の比較的低い材料であってよい。第２の材料は、熱伝導材料の複数の列をまとめて保持することができる。第２の材料は、たとえばカプトン（Kapton）、マイラー（Mylar）、ノメックス紙（Nomex paper）などであってよい。第２の材料の形態は、たとえばストリップ、ワイヤ、タブなどであってよい。ある実施形態では、伝熱装置をＴＥモジュールに取り付けた後に、第２の材料を除去することができる。たとえば、第２の材料は、銅の複数の列の間に取り付けられたアルミニウムであってよい。アルミニウムは、その後、化学的にあるいは他の方法で除去することができる。熱伝導材料から除去することができるその他の第２の材料を使用することもできる。たとえば、第２の材料は、伝熱装置を加熱することによって除去できるように熱伝導材よりも低い融点を有していてよい。考えられる第２の材料の例には、ろうや低融点プラスチックなどがある。溶剤および他の処理を使用して第２の材料を除去することもできる。
【００６３】
ある実施形態では、複数のフィンを、流れ方向に第１の熱伝導率を有し、流れに概ね垂直な方向に第２の熱伝導率を有し、第２の熱伝導率が第１の熱伝導率よりも高い材料から製造することができる。たとえば、第１の熱伝導率は比較的低い熱伝導率であってよく、第２の熱伝導率は比較的高い熱伝導率であってよい。このような異方性伝熱特性は、互いに隣接する複数の熱電部を少なくとも部分的に熱的に分離することができ、かつ、上述したような物理的に分離された複数の伝熱装置の利点と同様の利点を有することができる。
【００６４】
様々な材料を使用して、異方性熱伝導性の伝熱装置を製造することができる。ある実施形態では、伝熱装置は、もともと異方性熱伝導特性を有する均質材であってよい。たとえば、熱分解黒鉛をベースとする、GrafTech社（オハイオ州クリーブランド）から市販されている熱拡散材料（thermal spreading material）であるeGrafを使用することができる。この材料は、少なくとも１つの方向に最高約５００Ｗ／ｍ-Ｋの熱伝導率を有し、垂直な方向に約５〜１０Ｗ／ｍ-Ｋの熱伝導率を有する、比較的高い異方性熱伝導特性を有している。
【００６５】
ある実施形態では、伝熱装置は、異方性熱伝導特性を有する異種材料であってよい。たとえば、作動媒体の流れ方向（たとえばリボンの長さ方向）に概ね沿って延び、低い熱伝導率を有する複数の糸と、作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向（たとえばリボンの幅の方向）に沿って延び、高い熱伝導率を有する複数の糸とによって織られたリボンを形成することができる。低熱伝導率の糸は、プラスチック（たとえばポリプロピレン、テフロン、ポリイミドなど）、ガラス、接着剤、または、高熱伝導率の糸よりも低い熱伝導率を有するその他の任意の材料で作ることができる。高熱伝導率の糸は、金属（たとえば、銅やアルミニウムなどのワイヤまたはリボン）、セラミック、炭素またはその他の高熱伝導率の繊維（たとえばカーボンナノチューブ）、無機繊維またはシート（たとえば雲母）、あるいは、低熱伝導率の糸よりも高い熱伝導率を有するその他の材料であってよい。
【００６６】
異種材料は、比較的高い熱伝導率を有する材料を内包した、比較的低い熱伝導率を有する連続的な材料を含んでいてよい。高熱伝導率の材料は、作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に延びることができる。低熱伝導率の材料はシートであってよく、プラスチックリボン、プラスチックフィルム、または、高熱伝導率の材料よりも低い熱伝導率を有する任意の材料で作ることができる。高熱伝導率の材料は、たとえば、プレス嵌め、鋳造、接着取り付け、またはその他の接合方法などによって低熱伝導率の材料に内包させることができる。有利なことに、連続的な異方性熱伝導性の伝熱装置は、一般に、物理的に分離した複数の部分を有する伝熱装置よりも製造コストが安い。また、連続的な伝熱装置は、一般に、物理的に分離した複数の部分を有する伝熱装置よりも、製造およびＴＥモジュールとの組み立てが簡単である。
【００６７】
ある実施形態では、熱電システムの少なくとも一部がウイッキング手段（wicking agent）に近接しており、水分をシステムからウイッキング手段に移動させることができる。そのような実施形態では、伝熱装置の少なくとも一部がウイッキング手段である。ある実施形態では、ウイッキング手段は熱電システムによって凝縮された水を制御するように構成された材料（たとえば綿、ポリプロピレン、またはナイロン）を有している。ある実施形態では、ウイッキング手段は、１つ以上のベルト、コード、または糸の形態をしている。ある実施形態では、ウイッキング手段は、抗菌剤または抗真菌剤を含むか、あるいは抗菌剤または抗真菌剤で処理されており、有利なことに、白カビまたはレジオネラ症を防止する。このような抗菌剤または抗真菌剤は当業界で公知である。
【００６８】
以上、様々な実施形態について説明した。本発明について、特定の実施形態について説明したが、説明は例示的なものであって、限定する意図を持つものではない。添付の特許請求の範囲に定義されている本発明の真の趣旨または範囲から逸脱しない限り、当業者には様々な変更および応用が考えられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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