(57)【要約】  熱電システムが、互いに電気的に連絡した第１の複数のセグメントを含む第１の熱電素子を備える。さらに熱電システムは、互いに電気的に連絡した第２の複数のセグメントを含む第２の熱電素子を備える。さらに熱電システムは、少なくとも第１の部位および第２の部位を含む熱伝達装置を備える。第１の部位が、第１の熱電素子と第２の熱電素子との間に挟まれている。第２の部位が、第１の部位から離れるように突き出しており、作動媒体に熱的に連絡するように構成されている。【選択図】  図３２  
2009545164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に連絡した第１の複数のセグメントを備える第１の熱電素子、
互いに電気的に連絡した第２の複数のセグメントを備える第２の熱電素子、および
少なくとも第１の部位および第２の部位を備えており、第１の部位が、第１の熱電素子と第２の熱電素子との間に挟まれており、第２の部位が、第１の部位から離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成されている熱伝達装置、
を備える熱電システム。
【請求項２】
前記第１の熱電素子が、第１の方向に第１の厚さを有しており、前記第２の熱電素子が、第２の方向に第２の厚さを有しており、第２の厚さが第１の厚さよりも大きい請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
前記第１の熱電素子が、第１の方向の第１の厚さと、該第１の方向におおむね垂直な平面における第１の断面積と、該第１の断面積を前記第１の厚さで割り算したものに等しい第１のアスペクト比とを有しており、
前記第２の熱電素子が、第２の方向の第２の厚さと、該第２の方向におおむね垂直な平面における第２の断面積と、該第２の断面積を前記第２の厚さで割り算したものに等しい第２のアスペクト比とを有しており、
前記第２のアスペクト比が、前記第１のアスペクト比と異なる請求項１に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記第１のアスペクト比および前記第２のアスペクト比が、動作条件のもとで前記第１の熱電素子および前記第２の熱電素子の両者が最適な効率で動作するように選択されている請求項３に記載の熱電システム。
【請求項５】
前記第１の複数のセグメントの各セグメントが、該第１の複数のセグメントのうちの他のセグメントの厚さとは異なる厚さを有している請求項１に記載の熱電システム。
【請求項６】
前記第２の複数のセグメントの各セグメントが、該第２の複数のセグメントのうちの他のセグメントの厚さとは異なる厚さを有している請求項５に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記第１の複数のセグメントの各セグメントが、該セグメントの厚さを該セグメントの断面積で割り算したものに等しいアスペクト比を有しており、該第１の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比が、互いに異なっている請求項１に記載の熱電システム。
【請求項８】
前記第２の複数のセグメントの各セグメントが、該セグメントの厚さを該セグメントの断面積で割り算したものに等しいアスペクト比を有しており、該第２の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比が、互いに異なっている請求項７に記載の熱電システム。
【請求項９】
前記第１の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比、および前記第２の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比が、動作条件のもとで前記第１の熱電素子および前記第２の熱電素子の両者が最適な効率で動作するように選択されている請求項８に記載の熱電システム。
【請求項１０】
前記第１の複数のセグメントが、少なくとも第１の熱電セグメントおよび第２の熱電セグメントを含んでおり、該第１および第２の熱電セグメントが、異なる材料を含む請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１１】
当該熱電システムが、前記第１の熱電セグメントが第１の温度範囲に曝され、前記第２の熱電セグメントが第２の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第１の熱電セグメントが、前記第１の温度範囲において前記第２の温度範囲よりも効率的に動作し、前記第２の熱電セグメントが、前記第２の温度範囲において前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１２】
前記第１の複数のセグメントが、第３の熱電セグメントを含んでおり、
当該熱電システムが、前記第３の熱電セグメントが第３の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第３の熱電セグメントが、前記第３の温度範囲において前記第２の温度範囲または前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１３】
前記第２の複数のセグメントが、少なくとも第１の熱電セグメントおよび第２の熱電セグメントを含んでおり、該第１および第２の熱電セグメントが、異なる材料を含む請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１４】
当該熱電システムが、前記第１の熱電セグメントが第１の温度範囲に曝され、前記第２の熱電セグメントが第２の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第１の熱電セグメントが、前記第１の温度範囲において前記第２の温度範囲よりも効率的に動作し、前記第２の熱電セグメントが、前記第２の温度範囲において前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１３に記載の熱電システム。
【請求項１５】
前記第１の複数のセグメントが、第３の熱電セグメントを含んでおり、
当該熱電システムが、前記第３の熱電セグメントが第３の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第３の熱電セグメントが、前記第３の温度範囲において前記第２の温度範囲または前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１４に記載の熱電システム。
【請求項１６】
前記第１の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列に連絡しており、前記第２の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列に連絡している請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１７】
前記第１の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列／並列に連絡しており、前記第２の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列／並列に連絡している請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１８】
前記第２の部位が、少なくとも１つの方向において前記第１の部位よりも幅広い請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１９】
前記第２の部位が、作動媒体の移動方向におおむね沿った方向において前記第１の部位よりも幅広い請求項１８に記載の熱電システム。
【請求項２０】
前記第２の部位が、作動媒体に熱的に連絡するように構成されたおおむね平坦な表面を有している請求項１８に記載の熱電システム。
【請求項２１】
前記第１の熱電素子、前記熱交換装置、および前記第２の熱電素子に電気的に連絡した電流源をさらに備えており、該電流源からの電流が、前記第１の熱電素子、前記熱交換装置、および前記第２の熱電素子を直列に横切る請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２２】
前記電流が、前記第１の複数のセグメントを直列に横切り、前記第２の複数のセグメントを直列に横切る請求項２１に記載の熱電システム。
【請求項２３】
前記第１の熱電素子および前記熱交換装置に熱的および電気的に連絡する第１の液体金属ジョイントと、前記熱交換装置および前記第２の熱電素子に熱的および電気的に連絡する第２の液体金属ジョイントとをさらに備える請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２４】
前記第１の液体金属ジョイントおよび前記第２の液体金属ジョイントが、ＳｎＰｂはんだを含む請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２５】
前記第１の熱電素子と前記熱交換装置との間のモリブデン層、および前記熱交換装置と前記第２の熱電素子との間の第２のモリブデン層をさらに備える請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２６】
複数の熱電素子
を備え、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、複数のセグメントを備え、
複数の熱伝達装置を備え、前記熱伝達装置の少なくともいくつかが、少なくとも第１の部位および第２の部位を備えており、第１の部位が、熱電素子および熱伝達装置からなる少なくとも１つのスタックを形成すべく前記複数の熱電素子のうちの少なくとも２つの熱電素子の間に挟まれており、第２の部位が、前記スタックから離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成されている熱電システム。
【請求項２７】
前記熱伝達装置が、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかを、前記熱電素子のうちの少なくとも別のいくつかから熱的に絶縁している請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項２８】
前記複数の熱伝達装置が、作動媒体の流れの方向に熱的な絶縁をもたらすように構成されている請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項２９】
前記熱電素子が、交互のＰ型およびＮ型の熱電素子を含む請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３０】
前記複数の熱伝達装置が、複数の第１の熱伝達装置および複数の第２の熱伝達装置を含んでおり、前記スタックが、交互の第１および第２の熱伝達装置を含んでいて、該第１の熱伝達装置の前記第２の部位が第１の方向に突き出し、該第２の熱伝達装置の前記第２の部位が前記第１の方向とは異なる第２の方向に突き出している請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３１】
前記第２の方向が、前記第１の方向に対しておおむね反対である請求項３０に記載の熱電システム。
【請求項３２】
前記第１の熱伝達装置が、第１の作動媒体に熱的に連絡するように構成されており、前記第２の熱伝達装置が、第２の作動媒体に熱的に連絡するように構成されている請求項３０に記載の熱電システム。
【請求項３３】
少なくとも１つの熱電素子と少なくとも１つの隣接する熱伝達装置との間の少なくとも１つの液体金属ジョイントをさらに備えており、前記少なくとも１つのスタックが、該スタックにおおむね沿った圧縮のもとにある請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３４】
前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、高い出力密度の動作をもたらすように寸法付けられている請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３５】
前記スタックに電気的に連絡した電流源をさらに備えており、該電流源からの電流が、前記熱電素子および前記熱伝達装置を直列に横切る請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３６】
前記電流が、前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子の前記複数のセグメントを直列に横切る請求項３５に記載の熱電システム。
【請求項３７】
熱電システムの製造方法であって、
少なくともいくつかが複数のセグメントを備える複数の熱電素子を用意する工程、
少なくともいくつかが第１の部位および第２の部位を少なくとも備える複数の熱伝達装置を用意する工程、および
前記複数の熱電素子および前記複数の熱伝達装置を、交互の熱電素子および熱伝達装置からなる少なくとも１つのスタックを形成するように組み立てる工程
を含んでおり、
前記熱伝達装置の前記第１の部位が、少なくとも２つの隣接する熱電素子の間に挟まれ、前記熱伝達装置の前記第２の部位が、前記スタックから離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成される方法。
【請求項３８】
前記複数の熱電素子および前記複数の熱伝達装置を組み立てる工程が、少なくとも１つの熱電素子と少なくとも１つの隣接する熱伝達装置との間に液体金属ジョイントを配置して、該少なくとも１つの熱電素子および該少なくとも１つの隣接する熱伝達装置を熱的に連絡させかつ互いに直列に電気的に連絡させる工程を含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子が、アスペクト比を有しており、該熱電素子のアスペクト比は、前記スタックにおおむね垂直な平面における該熱電素子の断面積を前記スタックにおおむね平行な方向の該熱電素子の厚さで割り算したものに等しく、前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子のアスペクト比が、前記スタックにおいて互いに異なっている請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記アスペクト比が、動作条件のもとで前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子が最適な効率で動作するように選択される請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
或る熱電素子の前記複数のセグメントの各セグメントが、前記スタックにおおむね垂直な平面における該セグメントの断面積を前記スタックにおおむね平行な方向の該セグメントの厚さで割り算したものに等しいアスペクト比を有しており、各セグメントのアスペクト比が、該熱電素子において互いに異なっている請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記アスペクト比が、動作条件のもとで前記複数のセグメントの各セグメントが最適な効率で動作するように選択される請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【継続出願の情報】
【０００１】
本出願は、２００５年５月２４日出願の米国特許出願１１／１３６，３３４号の部分継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００３年８月１８日出願の米国特許第６，９５９，５５５号の継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００２年８月２３日出願の米国特許第７，２３１，７７２号の部分継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００３年３月３１日出願の米国特許第７，１１１，４６５号の部分継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００１年４月２７日出願の米国特許第６，５３９，７２５号の継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００１年２月９日出願の米国特許仮出願第６０／２６７，６５７号に関連し、利益を主張し、参照としてその全体が本明細書に取り込まれる。さらに、本出願は、２００６年７月２８日付の米国特許仮出願第６０／８３４，００６号の利益を主張し、参照としてその全体が本明細書に取り込まれる。
【発明の背景】
【０００２】
発明の分野
本明細書の開示は、半導体冷却／加熱／発電システムのための優れた構成に関する。
関連技術の説明
熱電装置（ＴＥ）は、特定の材料の特性を利用して、電流の存在下で材料にわたって温度勾配を生じさせる。通常の熱電装置は、装置内の熱電材料として、Ｐ型およびＮ型の半導体を用いる。これらが、所望の加熱または冷却機能が得られるような方法で、物理的かつ電気的に構成される。
【０００３】
今日において熱電装置に使用されている最も一般的な構成が、図１Ａに示されている。一般に、Ｐ型およびＮ型の熱電素子１０２が、２つの基板１０４の間の矩形のアセンブリ１００に配列される。電流Ｉが、両方の型の素子を通って流れる。素子は、素子１０２の端部へと配置された銅製のシャント１０６によって直列に接続されている。ＤＣ電圧１０８が印加されると、ＴＥ素子にわたって温度勾配が生じる。ＴＥは、一般に、液体、気体、および固体の物体を冷却するために使用される。
【０００４】
半導体冷却／加熱／発電（ＳＳＣＨＰ）システムが、軍事および航空宇宙の機器、温度制御、ならびに発電の用途において、１９６０年代から使用されてきている。そのようなシステムは、それらが果たす機能に対して高価に過ぎ、かつ出力密度が低いため、商業的な使用は限定的であり、ＳＳＣＨＰシステムは、商業的に受け入れるためには大きすぎ、コストが高すぎ、効率が低すぎ、かつ重すぎであった。
【０００５】
近年の材料の改善により、効率および出力密度は、現在のシステムの最大１００倍まで高められる見込みである。しかしながら、熱電（ＴＥ）装置の利用は、低い効率、低い出力密度、および高いコストによって制限されている。
【０００６】
今日のＴＥ材料において、ＺＴ＝０．９のモジュールによって生み出されるピーク効率での冷却力が、最大冷却力の約２２％であることが、ＴＥ設計ガイド（Ｍｅｌｃｏｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの「Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、１９９５年、１６−１７頁）から周知である。すなわち、可能な最高の効率を達成するためには、最大冷却での動作において必要とされる数に比べ、いくつかのＴＥモジュールが必要である。結果として、効率的な動作のためのＴＥモジュールのコストが、大幅に高くなり、結果としてのシステムが、著しく大きくなる。
【０００７】
文献（例えば、Ｇｏｌｄｓｍｉｄ，  Ｈ．Ｊ．の「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ」、１９８６年、９頁を参照）から、最大の熱冷却率を
【０００８】
【数１】
2009545164.tif 000003
【０００９】
と記述できることが知られており、ここで
ｑＣＯＰＴは、最適冷却熱出力であり、
ＩＯＰＴは、最適電流であり、
αは、ゼーベック係数であり、
Ｒは、システムの電気抵抗であり、
Ｋは、システムの熱伝導であり、
ΔＴは、高温側温度と低温側温度との間の差であり、
ＴＣは、低温側温度である。
【００１０】
さらに、Ｇｏｌｄｓｍｉｄから、
【００１１】
【数２】
2009545164.tif 000004
【００１２】
であり、ここで
Ｚは、材料の熱電性能指数であり、
ＴＡＶＥは、高温側温度および低温側温度の平均であり、
【００１３】
【数３】
2009545164.tif 000005
【００１４】
である。
【００１５】
式（２）を（１）に代入すると、
【００１６】
【数４】
2009545164.tif 000006
【００１７】
である。
【００１８】
式（３）の右辺の括弧内の項は、ＴＥシステムのサイズ（または寸法）と無関係であり、したがって冷却の量ｑＯＰＴは、材料の特性およびＫのみの関数である。図１の構成について、Ｋを
【００１９】
【数５】
2009545164.tif 000007
【００２０】
と記述することができ、ここで、λは、ＮおよびＰの材料の平均の熱伝導率であり、ＡＣは、素子の面積であり、Ｌは、各素子の長さである。
【００２１】
αが、材料の固有の特性であるため、比ＬＣ／ＡＣが一定である限りにおいて、最適熱出力ｑＯＰＴは同じである。ＩＯＰＴに等しい電流において、抵抗は
【００２２】
【数６】
2009545164.tif 000008
【００２３】
であり、ここで、ρＴＥは、ＴＥ素子の固有の平均抵抗率であり、ＲＯＣは、ＴＥ材料の抵抗であり、ＲＰＣは、寄生抵抗である。
【００２４】
とりあえず、ＲＰがゼロであると仮定すると、Ｒは一定である。ＬＣ／ＡＣが固定されている場合、ＩＯＰＴは一定である。比ＬＣ／ＡＣが変化する場合のみ、Ｋ、したがってｑＣＯＰＴが変化し、ＲＯＣ、したがってＩＯＰＴが変化する。
【００２５】
通常は、同じ冷却出力において、装置をより小さくすることが好都合である。熱電システムにおける重要な制約は、例えば固定のＡＣに対して長さＬＣが小さくされるとき、ＴＥ材料の損失に対する寄生抵抗の損失の比φＣが、比較的大きくなる点にある。
【００２６】
【数７】
2009545164.tif 000009
【００２７】
これを、典型的なＴＥ対を示した図１Ｃを参照することによって、理解することができる。いくつかの寄生損失が生じるが、上手く設計されたＴＥにおける最大の寄生損失は、シャント１０６からの寄生損失である。ＴＥ素子１０２ごとのシャント１０６の抵抗は、おおよそ
【００２８】
【数８】
2009545164.tif 000010
【００２９】
であり、ここで、ＧＣは、ＴＥ素子間のすき間であり、ＢＣは、ＴＥ素子およびシャントの広がりであり、ＷＣは、ＴＥ素子およびシャントの幅であり、ＴＣは、シャントの厚さであり、ＰＳＣは、シャントの抵抗率である。
【００３０】
図１の構成において、ＴＥ素子の抵抗は、
【００３１】
【数９】
2009545164.tif 000011
【００３２】
であり、ここで、ＬＣは、ＴＥ素子の長さである。
【００３３】
したがって、式（７）および（８）を（６）に使用して、
【００３４】
【数１０】
2009545164.tif 000012
【００３５】
である。
【発明の概要】
【００３６】
特定の実施形態において、熱電システムが提供される。この熱電システムは、互いに電気的に連絡した第１の複数のセグメントを備える第１の熱電素子を備える。さらに熱電システムは、互いに電気的に連絡した第２の複数のセグメントを備える第２の熱電素子を備える。さらに熱電システムは、少なくとも第１の部位および第２の部位を備える熱伝達装置を備える。第１の部位が、第１の熱電素子と第２の熱電素子との間に挟まれている。第２の部位が、第１の部位から離れるように突き出しており、作動媒体に熱的に連絡するように構成されている。
【００３７】
特定の実施形態においては、熱電システムが提供される。この熱電システムは、複数の熱電素子を備えており、熱電素子のうちの少なくともいくつかが複数のセグメントを備える。さらに熱電システムは、複数の熱伝達装置を備えており、熱伝達装置の少なくともいくつかが、少なくとも第１の部位および第２の部位を備える。第１の部位が、熱電素子および熱伝達装置からなる少なくとも１つのスタックを形成すべく、複数の熱電素子のうちの少なくとも２つの熱電素子の間に挟まれている。第２の部位が、スタックから離れるように突き出しており、作動媒体に熱的に連絡するように構成されている。
【００３８】
特定の実施形態においては、熱電システムの製造方法が提供される。この方法は、複数の熱電素子を用意する工程を含んでおり、これらの熱電素子の少なくともいくつかは、複数のセグメントを備える。この方法は、複数の熱伝達装置を用意する工程をさらに含んでおり、これらの熱伝達装置の少なくともいくつかは、少なくとも第１の部位および第２の部位を備える。この方法は、複数の熱電素子および複数の熱伝達装置を、交互の熱電素子および熱伝達装置からなる少なくとも１つのスタックを形成するように組み立てる工程をさらに含む。熱伝達装置の第１の部位が、少なくとも２つの隣接する熱電素子の間に挟まれる。熱伝達装置の第２の部位が、スタックから離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成される。
【００３９】
本明細書の開示のこれらの態様および他の態様が、図面および以下のさらに詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】従来からのＴＥモジュールを示している。
【図１Ｂ】従来からのＴＥモジュールを示している。
【図１Ｃ】従来からのＴＥ対を示している。
【図２】熱絶縁および作動媒体の対向流移動を備えるＳＳＣＨＰシステムの全体構成を示している。
【図３】作動媒体がシステムを通って進むときに媒体に生じる温度変化を示している。
【図４Ａ】３つのＴＥモジュール、４つのフィン熱交換器、および液体作動媒体を備えるシステムを示している。
【図４Ｂ】３つのＴＥモジュール、４つのフィン熱交換器、および液体作動媒体を備えるシステムを示している。
【図５Ａ】２つのＴＥモジュール、単一の熱交換器で或る程度の熱絶縁を達成すべくセグメント化された熱交換器、および液体媒体の対向流を備えるシステムを示している。
【図５Ｂ】２つのＴＥモジュール、単一の熱交換器で或る程度の熱絶縁を達成すべくセグメント化された熱交換器、および液体媒体の対向流を備えるシステムを示している。
【図６】２つのＴＥモジュールおよび流体の流れを制御するためのダクト付きファンを備える気体媒体のシステムを示している。
【図７Ａ】性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。
【図７Ｂ】性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。
【図７Ｃ】性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。
【図７Ｄ】性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。
【図８】優れた性能をもたらしつつコスト、重量、およびサイズを小さくするために、電流がアレイを直接通過するように構成されたＴＥ素子を備えるシステムを示している。
【図９】簡潔かつ低コストであるＴＥ素子、ヒートパイプ、および熱交換器を備えるシステムを示している。高温側および低温側が、ヒートパイプによる熱の輸送によって隔てられている。
【図１０】気体からの水分の凝縮あるいは液体または気体からの凝結のための低温を一端において達成するため、流体が熱交換器およびＴＥモジュールのアレイを通って送られる流体システムを示している。このシステムは、アレイの一部分を横切る温度差を小さくすることによって効率を改善するために、作動流体の流れの分流を備える。
【図１１】作動流体が種々の位置において進入および流出するアレイを示しており、システムの一部が対向流の態様で動作し、一部が平行流の態様で動作する。
【図１２】寄生の電気抵抗損失を低減してなる積層ＴＥシステムを示している。
【図１３Ａ】積層システムのための好ましい実施形態におけるＴＥ素子および熱交換部材の詳細を示している。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示した素子から製作された積層システムの断面を示している。
【図１４】別のＴＥ素子および熱交換器の構成を示している。
【図１５】さらに別のＴＥ素子および熱交換器の構成を示している。
【図１６】ＴＥ素子からなる２つの垂直列を電気的に並列に備えるスタック構成を示している。
【図１７】２列のＴＥ素子を電気的に並列に備える冷却／加熱アセンブリを示している。
【図１８】２つのＴＥ素子を電気的に並列に備える別の構成を示している。
【図１９】１つの部位を別の部位から電気的に絶縁して備える熱交換器素子を示している。
【図２０】１つの部位を別の部位から電気的に絶縁して備える熱交換器素子の別の構成を示している。
【図２１】１つの部位を別の部位から電気的に絶縁して備える熱交換器のさらに別の構成を示している。
【図２２】電気的および熱的に絶縁された部位からなるアレイに構成された熱交換器セグメントを示している。
【図２３】図２２の考え方に従って製作される冷却器／加熱器を示している。
【図２４Ａ】ＴＥ素子を流体の流れの方向に整列させて備える熱交換セグメントを示している。
【図２４Ｂ】電流が作動媒体の流れにおおむね平行に流れる絶縁素子熱交換器アレイとして構成された図２４Ａのセグメントを示している。
【図２５Ａ】電流が流れの方向におおむね垂直に流れる絶縁素子熱交換器アレイとして構成された設計のセグメントを示している。
【図２５Ｂ】図２５Ａのアセンブリの平面図を示している。
【図２６Ａ】比較的高い電圧で動作する寄生の電気抵抗を低減したＴＥ熱交換器モジュールを示している。
【図２６Ｂ】図２６ＡのＴＥモジュールを使用する熱交換器アレイの平面図を示している。
【図２７】移動する固体部材への熱の伝達を備える絶縁された素子およびスタックの構成を示している。
【図２８】液体と気体との間の熱の伝達を備える絶縁素子スタック・アレイを示している。
【図２９】図２８のスタック・アレイにおいて使用するための低寄生電気抵抗の熱交換器モジュールを示している。
【図３０】固体ヒートシンクおよび移動する気体作動流体を有する絶縁素子熱交換器のセグメントを示している。
【図３１Ａ】素子からの熱の伝達を約２倍にするためにおおむね中央にＴＥ素子を備える熱交換器素子を示している。
【図３１Ｂ】ＴＥ素子をおおむね中央に有しているおおむね液体用の別の熱伝達素子を示している。
【図３１Ｃ】ＴＥ素子をおおむね中央に有しているさらに別の熱交換器を示している。
【図３２】本明細書に記載の特定の実施形態による典型的な熱電システムの一部分を概略的に示している。
【図３３Ａ】それぞれ本明細書に記載の特定の実施形態に適合する種々のＰ型およびＮ型の熱電材料について、性能指数（ＺＴ）を温度の関数として示している。
【図３３Ｂ】それぞれ本明細書に記載の特定の実施形態に適合する種々のＰ型およびＮ型の熱電材料について、性能指数（ＺＴ）を温度の関数として示している。
【図３４】種々のレベルのヨウ素でドープされたテルル化鉛の３つの異なる組成について、性能指数ＺＴを温度の関数として示している。
【図３５】流れの方向に直列に構成された３つのＴＥ素子の間の出力曲線の適合性の不一致を示している。
【図３６】本明細書に記載の特定の実施形態による異なるアスペクト比を有する３つのＴＥ素子の出力曲線を示している。
【図３７】従来からの構成の１対のセグメント型ＴＥ素子を概略的に示している。
【図３８】３つの異なる構成について、モデル計算を使用して模擬した平均の効率を示している。
【図３９】熱電システムのモデル解析の例を示しており、変化させられているパラメータはＴＥ厚さである。
【図４０】Ｂｉ２Ｔｅ３製の６つのＴＥ素子を銅製の７つの熱伝達装置の間に挟んで使用して製作された典型的な試作システムを示している。
【図４１】図４０の６つのそれぞれのＢｉ２Ｔｅ３素子について、発電曲線を示すグラフである。
【図４２】セグメント型ＴＥ素子の初期の試験の実験結果を示している。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００４１】
本明細書の文脈において、用語「熱電モジュール」および「ＴＥモジュール」は、（１）従来からの熱電モジュール（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州Ｓａｎ  ＤｉｅｇｏのＨｉ  Ｚ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃ．によって製造されているものなど）、（２）量子トンネルコンバータ、（３）熱イオン・モジュール、（４）磁気熱量モジュール、（５）熱電、磁気熱量、量子、トンネリング、および熱イオンの各効果のうちの１つまたは任意の組み合わせを利用する素子、（６）上記（１）〜（６）の任意の組み合わせ、アレイ、アセンブリ、および他の構造、というこれらの用語の通常かつ慣れ親しまれた意味からなる広い感覚で使用される。用語「熱電素子」は、より具体的に、熱電、熱イオン、量子、トンネリング、およびこれらの効果の任意の組み合わせを使用して動作する個々の素子を指す。
【００４２】
以下の説明では、熱電またはＳＳＣＨＰシステムを例として説明する。しかしながら、そのような技術および説明は、すべてのＳＳＣＨＰシステムを包含する。
【００４３】
したがって、本発明は、説明および例示の目的のために、特定の実施形態における実施例を使用して紹介される。以下に記載されるさまざまな実施例が、さまざまな構成を説明し、所望の改善を達成するために使用可能である。本明細書によれば、特定の実施形態および実施例は、あくまでも例示であって、提示される本発明を限定しようとするものではない。さらに、冷却側、加熱側、低温側、高温側、より温度の低い側、およびより温度の高い側、などといった用語が、いかなる特定の温度も指示しておらず、相対的な用語であることを理解すべきである。例えば、熱電素子またはアレイあるいはモジュールの「高温」側が室温であって、「低温」側が室温よりも低い温度であってよい。この反対も、真実であってよい。すなわち、これらの用語は、互いに相対的であって、熱電の片側が、反対の指定の温度の側よりも高い温度または低い温度であることを示している。
【００４４】
Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｉｃｓ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎという名称の米国特許第６，５３９，７３５号に記載の形状のための効率向上が、多数の重要な用途について、追加の５０％〜１００％の改善をもたらす。なされる材料の改善との組み合わせにおいて、係数４以上のシステムの効率向上が、近い将来において可能であると思われる。このような大きな改善の予想は、新規な用途のためのＳＳＣＨＰシステムを開発するための技術および努力への新規な関心につながっている。
【００４５】
広くには、本明細書の開示は、新規な一群のＳＳＣＨＰ構成を説明する。これらの構成は、コンパクトで高効率なエネルギー変換を実現し、比較的低コストであることができる。一般に、ＴＥ素子またはモジュール（本文においては、まとめて素子と呼ぶ）が熱交換器の間に挟まれている特定の実施形態が開示される。ＴＥ素子は、好都合には、熱交換器を挟んでいる任意の２つの素子について、同じ温度の種類の側が熱交換器に面するように向けられる。例えば、熱交換器を挟んでいるＴＥ素子の各々の低温側が、同じ熱交換器またはシャントに面し、したがってお互いに面する。或る一群の構成においては、少なくとも１つの作動媒体が、もたらされる冷却または加熱が作動媒体にとって付加的であるように、少なくとも２つの熱交換器を順に通過する。この構成は、上記の参考文献に記載のとおり高いシステム効率および出力密度を呈する製造可能なシステムにおいて、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように、熱絶縁の利点を利用するという追加の利益を有している。この特許に説明されているとおり、一般に、ＴＥ装置においては、ＴＥ素子からなるアセンブリの全体を熱的に絶縁されたサブアセンブリまたはセクションへと分割することによって、効率の向上または改善が達成される。例えば、熱交換器を、作動媒体の流れの方向において熱絶縁をもたらすように分割することができる。例えば、ＴＥシステムが、冷却側および加熱側を有するＴＥアレイを形成する複数のＴＥ素子を有しており、これら複数のＴＥ素子が、アレイを横切る少なくとも１つの方向においてお互いから実質的に絶縁される。好ましくは、熱絶縁は、作動媒体の流れの方向である。この熱絶縁を、熱交換器が作動媒体の流れの方向において熱的に絶縁された部位を有するように、セクションにて構成された熱交換器を有することによってもたらすことができる。
【００４６】
本明細書の開示において、作動流体について同じ温度の種類の熱交換器を順に使用することが、それ自身で一種の熱絶縁をもたらす。さらに、熱交換器またはＴＥ素子、あるいはＴＥモジュールまたは任意の組み合わせを、少なくとも１つの作動流体が順に通過する一連または順次の熱交換器を有することによってもたらされる熱絶縁の上または上方に、作動流体の流れの方向の熱絶縁をもたらすように構成することができる。
【００４７】
冷却および／または加熱の用途について開示される原理は、発電の用途にも同様に適用可能であり、発電のためのアセンブリを生成するために任意の方法で組み合わせることができるあらゆる構成、設計の詳細、および類似の部位も、やはり適用可能である。システムを、所与の用途について効率を最大にするような方法で調整することができるが、全体的な原理は生かされる。
【００４８】
本出願において説明される実施形態は、ＳＳＣＨＰ装置の構成の複雑さおよびコストを低くしつつ、依然として熱絶縁からの効率向上を維持または改善する。
【００４９】
さらに、使用されるＴＥ材料を少なくすること、およびピーク効率のより近くでの動作を促進することによって、コストを低減するための特定の実施形態も開示される。多数の実施形態が、寄生損失の大幅な低減を達成する（例えば、図１２〜３１を参照）。
【００５０】
本明細書に開示される実施形態の一態様は、複数のＮ型の熱電素子および複数のＰ型の熱電素子を有する熱電システムを含む。好ましくは、複数の第１のシャントおよび複数の第２のシャントが設けられる。第１のシャントの少なくともいくつかが、少なくとも１つのＮ型の熱電素子と少なくとも１つのＰ型の熱電素子との間に挟まれ、第２のシャントの少なくともいくつかが、少なくとも１つのＰ型の熱電素子と少なくとも１つのＮ型の熱電素子との間に挟まれ、第１および第２のシャントを交互に備える熱電素子のスタックが形成され、第１のシャントの少なくともいくつかおよび第２のシャントの少なくともいくつかが、スタックから離れるように異なる方向に突き出す。
【００５１】
好ましくは、熱電素子は、５ミクロン〜１．２ｍｍ、超格子およびヘテロ構造の熱電設計については２０ミクロン〜２００ミクロン、他の実施形態においては１００〜６００ミクロンなど、きわめて薄く構成される。これらの設計は、熱電材料の使用の大幅な削減をもたらす。
【００５２】
一つの実施形態においては、熱電システムが、スタックへと電気的に接続された電流源をさらに備えており、駆動電流が、直列の熱伝達装置および熱電素子を横切って通過する。他の実施形態においては、熱伝達装置が、Ｐ型の熱電素子の少なくともいくつかをＮ型の熱電素子の少なくともいくつかから熱的に絶縁している。
【００５３】
一つの実施形態においては、熱伝達装置が、熱伝達装置を所定の方向に通過して流れるように作動流体を受け取る。好ましくは、熱伝達装置が熱交換器であり、１つ以上の熱交換器要素を内側に備えるハウジングを有することができる。
【００５４】
別の実施形態においては、第１のシャントの少なくともいくつかが、第２のシャント部分から電気的に絶縁されているが第２のシャント部分へと熱的に接続されている第１の電極部分で構成されている。
【００５５】
図２が、熱電アレイ２００のための好都合な配置構成の第１の一般的な実施形態を示している。アレイ２００が、複数のＴＥモジュール２０１、２１１、２１２、２１３、２１８を、複数の第１の側の熱交換器２０２、２０３、２０５および複数の第２の側の熱交換器２０６、２０７、２０９との良好な熱的連絡にて有している。第１の側の熱交換器および第２の側の熱交換器という呼称は、それらの熱交換器が全ＳＳＣＨＰシステムの一方の側または他方の側にあることを含意も示唆もしておらず、単に、熱交換器が熱電モジュールの低温側または高温側のいずれかに熱的に連絡していることを含意および示唆している。これは、熱交換器が実際に熱電モジュールの間に挟まれているという点で、図から明らかである。その意味で、熱交換器は、熱電モジュールの第１の側または第２の側に熱的に連絡している。第１のＴＥモジュール２０１の低温側が、第１の側の熱交換器２０５に熱的に接しており、ＴＥモジュール２０１の高温側が、入り口の第２の側の熱交換器２０６に熱的に接している。流体などの第２の作動媒体２１５が、図２の右上の角において、入り口の第２の側の熱交換器２０６を通ってアレイ２００に進入し、左下の付近において、最終または出口の第２の側の熱交換器２０９から出る。第１の作動媒体２１６が、左上において、入り口の第１の側の熱交換器２０２を通って進入し、右下の付近において、最終または出口の第１の側の熱交換器２０５から出る。電源（図示されていない）へと接続された電気ワイヤ２１０（他のＴＥモジュールについても同様）が、それぞれのＴＥモジュール２０１へとつながっている。図示のとおり種々の熱交換器２０２、２０３、２０５、２０６、２０７、および２０９を順に通過して、第１の導管２０８（図２においては線として表現されている）が、第２の作動媒体２１５を運び、第２の導管２０４が、第１の作動媒体２１６を運ぶ。
【００５６】
動作時、第２の作動媒体２１５が、入り口の第２の側の熱交換器２０６を通って下方へと通過するときに、ＴＥモジュール２０１から熱を吸収する。第２の作動媒体２１５は、導管２０８を通って第２の側の熱交換器２０７へと上方に通過し、第２の側の熱交換器２０７を通過する。熱交換器２０７に、それぞれの高温側が第２の側の熱交換器２０７を挟むように互いに面しているＴＥモジュール２１１および２１２の高温側が、熱的に良好に接触している。第２の作動媒体２１５は、第２の側の熱交換器２０７を通過するときにさらに加熱される。次いで、第２の作動媒体２１５は、第２の側の熱交換器２０９を通過するが、そこでもやはり、ＴＥモジュール２１３および２１８の高温側が第２の側の熱交換器２０９を挟んで第２の側の熱交換器２０９へと熱を伝達し、第２の側の作動媒体２１５をさらに加熱する。熱交換器２０９から、第２の側の作動媒体２１５は、出口または最終の第２の側の熱交換器２０９からアレイ２００を出る。
【００５７】
同様に、第１の作動媒体２１６は、図２の左上の角において入り口の第１の側の熱交換器２０２に進入する。この熱交換器２０２は、ＴＥモジュール２１８の低温側に熱的に良好に連絡している。第１の作動媒体２１６は、入り口の第１の側の熱交換器２０２を通過し、もう１つの第１の側の熱交換器２０３を通過し、最後に出口の第１の側の熱交換器２０５を通過するときに冷却され、低温の作動媒体２１７として出口の第１の側の熱交換器２０５を出る。
【００５８】
熱電的な冷却および加熱が、配線２１０によるＴＥモジュール２１８への電力、ならびに残りのすべてのＴＥモジュールへの同様の電力によってもたらされる。
【００５９】
このように、要約すると、作動媒体が、アレイの左側のＴＥモジュールの低温側との良好な熱的接触におかれ、熱が媒体から取り出される。次いで、媒体は、第２および第３のＴＥモジュールに接触し、そこでさらに熱が取り出され、媒体がさらに冷却される。この段階的な冷却のプロセスが、媒体が右側へと所望の数のステージを通って進むときに続けられる。媒体は、適切な量の冷却の後で右側から出る。同時に、第２の媒体が、最も右側からシステムに進入し、第１のステージを通過するときに徐々に加熱される。次いで、媒体は、次のステージに進入してさらに加熱され、以下同様である。ステージにおいて入力される熱は、隣接するＴＥモジュールの低温側から抽出された熱、およびそれらのモジュールへの電力の結果である。高温側の媒体は、おおむね右から左の方向に移動するにつれて徐々に加熱される。
【００６０】
上述の形状に加えて、このシステムは、両方の媒体が同じ温度で進入し、徐々に高温または低温になる場合に利益をもたらす。同様に、媒体を、アレイ内の任意の位置において低温側または高温側から取り出すことができ、あるいはアレイ内の任意の位置において低温側または高温側へと加えることができる。アレイは、５、７、３５、６４、およびさらに多数のセグメントなど、任意の有用な数のセグメントからなってよい。
【００６１】
さらに、システムを、ＴＥモジュールに接する高温および低温の媒体に関してプロセスを逆にすることによって、高温および低温の媒体を反対の端部から移動させて動作させることも可能である（図２のように、しかしながら高温の媒体を媒体２１６として進入させ、低温の媒体を媒体２１５として進入させる）。そのようにしてＴＥモジュールにわたってもたらされる温度勾配が、電流および電津を生み出し、すなわち熱の力を電力に変換する。これらの動作の態様および本文中で説明される動作の態様のすべてが、本発明の一部である。
【００６２】
図２に示されているように、熱交換器を一連のステージへと分けることが、ＴＥモジュールからＴＥモジュールへの作動媒体の流れの方向に熱絶縁をもたらす。２００１年４月２７日出願の「Ｆｉｒｓｔ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ」という名称の米国特許第６，５３９，７２５号が、容易な製造のための具体的かつ現実的な例によってこの説明の全体にわたって呈される熱絶縁の原理を詳しく説明している。この特許出願は、その全体がここでの言及によって本明細書に援用される。
【００６３】
米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているとおり、図２に記載されているような対向流の構成の媒体を漸進的に加熱および冷却することは、熱絶縁の利益を有さない単一のＴＥモジュールにおける同じ条件下での熱力学的効率に比べ、より高い熱力学的効率を生み出すことができる。このように、図２に示した構成は、コンパクトかつ容易に製造できる設計にて、熱電モジュールの間に挟まれた熱交換器のセグメントまたはステージによって熱絶縁を得るＳＳＣＨＰシステム２００を提供する。
【００６４】
上述の特徴に加えて、熱電モジュール自身を、媒体の流れの方向に熱絶縁をもたらすように構成することができ、それぞれの熱交換器または熱交換器のうちのいくつかを、図５においてさらに説明される構成または他の適切な構成によって、個々の熱交換器において熱絶縁をもたらすように構成することができる。一般に、熱交換器を、ＴＥモジュール２１８などの単一のＴＥモジュールおよび入り口の熱交換器２０２の流れに沿った熱絶縁を高めるために、流れの方向においてセグメントに分けることができる。
【００６５】
図３は、図２と同じ全体設計のアレイ３００を示しており、複数のＴＥモジュール３０１、ならびに低温側熱交換器３０２、３０５、および３０７で構成されており、低温側熱交換器３０２、３０５、および３０７が、第１の作動媒体３１５が図示の順次の熱交換器から熱交換器への経路に従うように接続されている。同様に、複数の高温側熱交換器３０９、３１１、および３１３が、高温側の作動媒体３１７を、順次または段階的な様相で矢印によって示されている方向に運ぶ。ＴＥモジュール３０１が、図２の説明と同様に配置され、電気的に駆動される。
【００６６】
図３の下半分に、低温側の温度または低温側の作動媒体の温度変化３０３、３０４、３０６、３０８、ならびに高温側の作動媒体の高温側の温度３１０、３１２、３１４が示されている。
【００６７】
低温側の作動媒体３１５は、入り口の低温側熱交換器３０２に進入し、この熱交換器を通過する。入り口の低温側熱交換器３０２を通過する際の作動媒体の温度の低下３０３が、低温側温度曲線Ｔｃの低下３０３によって示されている。低温側の作動媒体３１５は、温度低下３０４によって示されているとおり、次のステージの低温側熱交換器３０５を通過するときにさらに冷却され、さらに温度低下３０６を伴って第３の低温側熱交換器３０７を通過する。低温側の作動媒体３１５は、温度３０８の低温流体３１６として出る。同様に、高温側の作動媒体３１７は、第１または入り口の高温側熱交換器３０９に進入し、図３の高温側温度曲線ＴＨによって示されているとおり第１の温度３１０にて出る。高温側の作動媒体は、図２において述べたように段階的にアレイ３００を通過して進んで、漸進的に高温になり、最後に出口の高温側熱交換器３１３を通過した後に、３１８においてより高い温度３１４で、高温の作動流体として出る。ステージ（すなわち、ＴＥモジュールおよび熱交換器）の数を増すことによって、冷却および加熱力の大きさを増すことができ、それぞれの熱交換器によって生み出される温度変化を小さくすることができ、さらに／またはアレイを通過する媒体の量を増すことができることを、容易に見て取ることができる。米国特許第６，５３９，７２５号に教示されているように、ステージの数を増やすことによって、度合いは徐々に小さくなるが、効率を高めることも可能である。
【００６８】
実験および上述の説明が、図２および３の構成によって達成することができる熱絶縁ならびに漸進的な加熱および冷却が、大きな効率向上をもたらすことができ、したがって重要であることを示している。そのようなシステムによって、１００％を超える向上が、実験室での試験において達成されている。
【００６９】
図４Ａが、３つのＴＥモジュール４０２、４つの熱交換器４０３、および２つの導管４０５を、図２および３に記載のとおりに構成して備えるアレイ４００を示している。低温側および高温側の作動流体が、それぞれ低温側導入口４０４および高温側導入口４０７において進入し、それぞれ低温側出口４０６および高温側出口４０８において出る。図４Ｂが、熱交換器４０３の一つの実施形態のさらに詳しい図である。流体媒体に適した種類として図示されている。熱交換器アセンブリ４０３は、導入口４１０および出口４１１を備える外側ハウジング４１２と、熱交換器フィン４１４と、流体分配マニホールド４１３とで構成されている。アレイ４００の動作は、基本的に、図２および３において説明した動作と同じである。図４においては、ＴＥモジュール４０２の数が３個であるが、任意の数であってよい。好都合には、ハウジング４１２が、腐食に対して保護された銅またはアルミニウムなどの適切な材料から製作され、熱伝導性である。一つの実施形態においては、熱交換器フィン４１４が、好都合には、ＴＥモジュールへの境界にわたって良好な熱伝導度を達成するために、折り曲げられた銅であり、あるいはハウジング４１２へとはんだ付けまたはろう付けされたアルミニウムである。フィン４１４は、任意の形態であってよいが、好ましくは、システムにとって望まれる熱伝達特性を達成するために好適な設計であってよい。詳しい設計の指針を、Ｗ．Ｍ．ＫａｙｓおよびＡ．Ｌ．Ｌｏｎｄｏｎの「Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ」、第３版に見つけることができる。あるいは、穴あきフィン、平行板、ルーバーフィン、ワイヤメッシュ、など、他の任意の適切な熱交換器を使用することができる。そのような構成は、この技術分野において公知であり、図２〜１１の構成のいずれにおいても使用することが可能である。
【００７０】
図５Ａは、熱交換器ステージから熱交換器への流れをもたらすための導管の接続について、図４の構成に対する代案の構成を示している。アレイ５００が、第１および第２のＴＥモジュール５０１および５１０と、３つの熱交換器５０２、５０３、および５０６と、導管５０４とを有している。当然ながら、これまでの実施形態および構成と同様、２つの第１の側の熱交換器５０２、５０３および１つの第２の側の熱交換器５０６という特定の数は、これに限られるわけではなく、他の数も可能である。
【００７１】
図５Ｂは、熱交換器５０２、５０３、５０６の好ましい実施形態の拡大図を示している。この図５Ｂに示したような熱交換器の構成は、他の実施形態においても適切であると考えられ、図２〜８および図１１の構成のいずれにおいても使用可能である。そのような構成における熱交換器の１つ以上にとってのこの好都合な実施形態は、すき間５１３によって隔てられてセグメントに分けられた熱交換器フィン５１１を備える外側ハウジング５１６を有している。作動流体が、導入口５０５を通って進入し、出口５０８を通って出る。すき間の代案として、熱交換器を、熱交換器フィンの間に実際の物理的なすき間を有するのではなく、熱交換器が或るセクションについては熱伝導性であるが、別のセクションについては熱伝導性でないように、異方性であるように製作することができる。要点は、流れの方向において、或る単一の熱交換器セグメントと他の単一の熱交換器セグメントのステージの間に、熱絶縁を得ることにある。これは、図２〜５に記載の実施形態において熱交換器のステージを有することによってもたらされる熱絶縁に加えてもたらされる熱絶縁と考えられる。
【００７２】
好都合には、例えば加熱されることになる第１の作動流体５０７が、導入口５０５に進入し、第１のＴＥモジュール５０１に熱的に連絡している入り口または第１の熱交換器５０２を通って下方へと通過する。作動流体５０７は、底部において出て、導管５０４を通って次の熱交換器５０３へと導かれ、熱交換器５０３において、再び下方へと第２のＴＥモジュール５１０を通過し、高温の作動流体５０８として出る。好ましくは、第２の作動流体５１７が、導入口５１８を通って図５Ａの底部から進入し、ＴＥモジュール５０１および５１０の（この例では）低温側を過ぎて第３の熱交換器５０６を上方へと通過する。熱交換器５０６は、ＴＥモジュール５０１および５１０の低温側に熱的に良好に連絡している。この配置構成によれば、作動流体５０７および５１７が、上述の米国特許第６，５３９，７２５号の教示に沿った対向流の系を形成する。
【００７３】
好ましくは、図５Ｂに詳しく示されている熱交換器５０２、５０３、および５０６は、ＴＥモジュール５０１、５１０、５１０の面からハウジング５１６を介して熱交換器フィン５１１（４つの分離されたセグメントにて図示されている）へと高い熱伝導性を有するように構成されている。しかしながら、それぞれの熱交換器セグメントを残りの熱交換器セグメントから熱的に絶縁するために、流れの方向においては熱伝導性が低いことが望ましい。絶縁がしっかりしており、ＴＥモジュール５０１および５１０が、それらの垂直方向（作動流体の流れの方向）について大きな内部熱伝導性を呈さない場合、アレイ５００は、熱絶縁からの利益を得、より高い効率で動作することができる。実際に、アレイ５００は、あたかもより多くのＴＥモジュールおよびより多くの熱交換器で構成されたアレイであるかのように応答することができる。
【００７４】
図６は、作動気体によって有益に動作するように設計されたさらに別の加熱器／冷却器・システム６００を示している。加熱器／冷却器６００は、ＴＥモジュール６０１、６０２を、第１の側の熱交換器６０３、６０５および第２の側の熱交換器６０４に熱的に良好に連絡させて有している。空気または他の気体などの第１の作動流体６０６が、ダクト６０７、７０８、６１０によって収容され、第２の作動流体６１６が、ダクト６１５、６１３によって収容されている。ファンまたはポンプ６０９、６１４が、ダクト６０８、６１５内に取り付けられている。
【００７５】
第１の作動流体６０６は、導入ダクト６０７を通ってシステム６００に進入する。作動流体６０６は、第１の熱交換器６０３を通過し、そこで例えば加熱（または、冷却）される。次いで、作動流体６０６は、作動流体６０６をダクト６０８を通って送るように機能するファン６０９を通過し、第２の熱交換器６０５を通過し、そこでさらに加熱（または、冷却）され、出口ダクト６１０から出る。同様に、空気または他の気体などの作動流体が、導入ダクト６１５を通って進入する。作動流体は、第２のファンまたはポンプ６１４によって押されて第３の熱交換器６０４を通過し、そこで、この例では冷却（または、加熱）される。冷却（または、加熱）された作動流体６１６が、出口ダクト６１３を通って出る。
【００７６】
システム６００は、さらなるＴＥモジュールならびに熱交換器および図５Ｂに示されるとおりに絶縁されてセグメント型熱交換器で構成される複数のセグメントを有することができる。また、追加の送り力をもたらすために、複数のファンまたはポンプを有することができる。さらに、１つのダクト（例えば、６０７、６０８）が、１つの流体を有することができ、残りのダクト６１３、６１５が、第２の種類の気体を有することができる。あるいは、片側が、液体の作動流体を有することができ、他方が気体を有することができる。このように、システムは、作動媒体が流体または液体であるかに制限されない。さらに、出口ダクト６１３をファンダクト６０９の周囲に引き回すことができることに、注意すべきである。
【００７７】
図７Ａは、流体における有益な使用のための加熱／冷却システム７００を示している。このアセンブリは、複数のＴＥモジュール７０１を、複数の第１の側の作動媒体７０３および複数の第２の作動媒体７０４とともに有している。この例では、第１の側の作動媒体７０３および第２の側の作動媒体７０４が、ディスクを形成している。第１の側の作動媒体７０３は、第１の側のシャフト７０９へと取り付けられ、第２の側の作動媒体７０４は、第２の側のシャフト７０８へと取り付けられている。次いで、シャフト７０８、７０９が、それぞれ第１の側のモータ７０６および第２の側のモータ７０５および該当のベアリング７０７へと取り付けられている。モータの好ましい回転方向が、矢印７１０および７１１によって示されている。
【００７８】
セパレータ７１７が、アレイを２つの部位へと分割すると同時に、ＴＥモジュール７０１を位置決めしている。セパレータ７１７によって所定の位置に保持されたＴＥモジュール７０１が、第１の側の作動媒体７０３および第２の側の作動媒体７０４を交互に挟むように離間している。任意の２つのＴＥモジュール７０１について、それらモジュールは、先の実施形態と同様に、それらの低温側および高温側が互いに面するように向けられている。作動媒体７０３、７０４は、ＴＥ素子７０１に熱的に良好に連絡している。サーマルグリスなどが、熱電素子７０１と作動媒体７０３、７０４との間の境界に好都合に設けられる。グリスの目的は、作動媒体７０３、７０４の動作に関する以下の検討において明らかになる。第１の側のハウジング部７１４および第２の側のハウジング部７１５が、システム７００によって調整された流体を含む。電気配線７１２，７１３が、ＴＥモジュールのための駆動電流を供給するために、ＴＥモジュール７０１へとつながっている。
【００７９】
図７Ｂは、図７Ａのシステム７００の一部を通過する断面図７Ｂ−７Ｂである。第１の流体７２１および第２の流体７２３が、矢印７２１および７２３によって、それらの流れの方向とともに示されている。第１の流体は、矢印７２２によって表わされるとおりに出、第２の流体は、矢印７２４によって表わされるとおりに出る。システム７００は、電気配線７１２および７１３を通ってＴＥモジュール７０１へと電流を通すことによって動作する。ＴＥモジュール７０１は、図２および３に示されるとおりの方法で配置され、それらの低温側および高温側を互いに面するように有している。例えば、それらの隣接する低温側が、どちらも第１の側の作動媒体７０３に面し、それらの高温側が、第２の側の作動媒体７０４に面する。セパレータ７１７が、ＴＥモジュール７０１の位置決めという機能、および高温側をアレイ７００の被冷却側から隔てる機能という二重の機能を果たす。
【００８０】
動作を理解するために、例えば、第２の流体７２３が冷却されると仮定する。冷却は、第２の側の媒体７０４との熱交換によって生じる。第２の側の媒体７０４が回転するにつれて、第２の側の媒体７０４のうちで任意の所与の時点においてＴＥモジュール７０１の低温側に接している部位が、冷却される。この部位が、第２のモータ７０５の動作によってＴＥモジュール７０１から離れるように回転したとき、第２の媒体７０４が、第２の側の流体を冷却し、次いで第２の側の流体は、出口７２４を出る。第２の流体は、ハウジングの部位７１５およびセパレータ７１７によってアレイ７００内に閉じ込められている。
【００８１】
同様に、第１の流体７２１は、ＴＥモジュール７０１の高温側に熱的に接する第１の側の媒体７０３によって加熱される。回転（矢印７１１によって示されている）によって、第１の媒体７０３の被加熱部分が移動し、そこを第１の流体７２１が通過でき、熱的接触によって加熱される。第１の流体７２１は、ハウジングの部位７１４およびセパレータ７１７の間に封じられ、出口７２２を出る。
【００８２】
上述のように、熱伝導グリスまたは水銀などの液体金属を、ＴＥモジュール７０１と媒体７０３、７０４との間に接触の領域において良好な熱的接触をもたらすために使用することができる。
【００８３】
上述のように、図７Ａおよび７Ｂの構成を、マイクロプロセッサ、レーザダイオード、などの外部の部品を冷却または加熱するために、好都合に使用することもできる。そのような場合には、ディスクが、そのような部品へと熱を伝達し、あるいはそのような部品から熱を伝達するために、サーマルグリスまたは液体金属などを使用して、そのような部品に接することができる。
【００８４】
図７Ｃは、ＴＥモジュール７０１が熱絶縁を達成するためにセグメントに分けられているシステム７００の変種を示している。図７Ｃは、ＴＥモジュール７０１および７０２が熱移動媒体７０４および７０３（この例では、回転ディスク）へと熱の力を伝達するアレイ７００の一部分の詳細図を示している。移動媒体７０４および７０３が、それぞれ軸７３３および７３４を中心にして回転する。
【００８５】
一つの実施形態においては、好都合には、作動媒体７０４および７０３が、矢印７１０および７１１によって示されるとおり反対方向に回転する。移動する媒体７０４、７０３が回転するにつれ、ＴＥモジュール７０１および７０２の異なる部位が移動する媒体７０４、７０３に熱的に接触して熱を伝達し、移動する媒体７０４、７０３の温度を漸進的に変化させる。例えば、第１のＴＥモジュール７２６が、特定の位置において移動媒体７０４を加熱する。この位置の移動媒体７０４の材料が、移動媒体７０４が反時計方向に回転するにつれて、第２のＴＥモジュール７２５に接触する。次いで、この移動媒体７０４の同じ部位は、ＴＥモジュール・セグメント７０１へと移動を続ける。反対の動作が、移動媒体７０３が反時計方向に回転してＴＥモジュール７０１に係合し、続いてＴＥモジュール７２５および７２６に係合するときに生じる。
【００８６】
好都合には、移動媒体７０４、７０３は、半径方向および軸方向に良好な熱伝導性を有しており、角度方向、すなわち移動の方向については、熱伝導性に乏しい。この特性により、移動媒体７０４および７０８を介した伝導性による１つのＴＥモジュール７２５から別のＴＥモジュール７２６への熱伝達は最小限であり、有効な熱絶縁が達成される。
【００８７】
ＴＥモジュールまたはセグメント７０１、７２５、７２６の代案として、ただ１つのＴＥ素子またはいくつかのＴＥ素子セグメントを代替とすることができる。この場合、ＴＥ素子７０１が、移動媒体７０３、７０４の移動の方向における長さに比べてきわめて薄く、かつこの方向において熱伝導性に比較的乏しいならば、ＴＥ素子は、ＴＥ素子の長さにおいて実質的な熱絶縁を呈するであろう。ＴＥ素子が熱を導き、したがって、あたかも別個のＴＥモジュール７０１で構成されているかのように熱的に応答するであろう。この特性が、移動媒体７０４、７０３において移動の方向の熱伝導性が低いことと組み合わさって、有効な熱絶縁を達成することができ、したがって性能向上をもたらす。
【００８８】
図７Ｄは、移動媒体７０４、７０３の別の構成を示しており、媒体が、スポーク７２７および７３１を有する車輪７２９および７３２の形状に構成されている。スポーク７２７および７３１の間の空間に熱交換器材料７２８および７３０が位置し、スポーク７２７および７３１に熱的に良好に接触している。
【００８９】
システム７００は、図７Ｄに示されているさらに別の様相にて動作することができる。この構成においては、作動流体（図示されていない）が、アレイ７００の軸に沿って軸方向に移動して、１つの媒体７０４から次の移動媒体７０４という順序で軸方向に、最後の媒体７０４を通過して出るまで移動媒体７０４、７０３を順次に通過する。同様に、別の作動流体（図示されていない）が、アレイ７００を軸方向に通って個々の移動媒体７０３を通過する。この構成において、ダクト７１４および７１５ならびにセパレータ７１７が、移動媒体７０４、７０３を囲み、かつ媒体７０４を媒体７０３から分離する連続リングを形成するように形作られている。
【００９０】
作動流体が軸方向に流れるとき、熱の力が熱交換器材料７２８および７３０を介して作動流体へと伝えられる。好都合には、例えば高温側の作動流体が、熱交換器７２８を通過し、熱交換器７３０を通過して移動する作動流体の反対の方向にアレイ７００を通過して移動する。この動作の様相においては、アレイ７００が対向流の熱交換器として機能し、連続する一連の熱交換器７２８および７３０が、それらを通過するそれぞれの作動流体を漸進的に加熱および冷却する。図７Ｃについて述べたように、熱的に能動的な部品は、移動媒体７０４、７０３の移動の方向に有効な熱絶縁を有するように構成できるＴＥモジュール７０１であってよい。あるいは、ＴＥモジュール７０１および７０２が、図７Ｃに示されているようなセグメントであってよい。後者の場合には、移動媒体７０４、７０３の外側ディスク７２９および７３２の部位を熱的に絶縁するために、移動媒体７０４、７０３の熱伝導性が移動の方向について小さいことが、さらに好都合である。
【００９１】
あるいは、この設計が、運動の方向の熱の絶縁を達成するために、ＴＥモジュール７０１および７０２からの熱の伝達を受ける部位７２９および７３２に放射状の溝（図示されていない）をさらに含んでもよい。
【００９２】
図８は、第１の側の熱交換器８０３と第２の側の熱交換器８０８との間に複数のＴＥ素子８０１（斜線付き）および８０２（斜線なし）を有している熱電システム８００の別の実施形態を示している。電源８０５が、電流８０４を供給し、配線８０６、８０７によって熱交換器８０８へと接続されている。システム８００は、例えば図２、３、４、５、６、および７に記載のとおりにアレイ８００を通って高温側および低温側の作動媒体を移動させるために、導管ならびにポンプまたはファン（図示されていない）を有している。
【００９３】
この設計において、ＴＥモジュール（多数のＴＥ素子を有している）は、ＴＥ素子８０１および８０２によって置き換えられる。例えば、斜線付きのＴＥ素子８０１は、Ｎ型のＴＥ素子であってよく、斜線なしのＴＥ素子は、Ｐ型のＴＥ素子であってよい。この設計において、熱交換器８０３および８０８を、きわめて高い導電性を有するように構成することが好都合である。例えば、熱交換器８０３、８０８のハウジング、ならびにそれらの内部のフィン、または他の種類の熱交換器部材を、銅または他の高度に熱および電気伝導性の材料で製作することができる。あるいは、熱交換器８０３および８０８が、ＴＥ素子８０１および８０２にきわめて良好に熱的に連絡しているが、電気的には絶縁されてもよい。その場合には、電気シャント（図示されていない）を、図１に示されている方法と同様の方法（ただし、シャントが熱交換器８０３および８０８を通過して巡らされる）でＴＥ素子８０１および８０２を電気的に接続するために、ＴＥ素子８０１および８０２の面へと接続することができる。
【００９４】
いずれの構成であっても、Ｎ型のＴＥ素子８０１からＰ型のＴＥ素子８０２へと通過するＤＣ電流８０４が、例えば、ＴＥ素子８０１およびＴＥ素子８０２の間に挟まれた第１の側の熱交換器８０３を冷却し、Ｐ型のＴＥ素子８０２からＮ型のＴＥ素子８０１へと通過する電流８０４が、ＴＥ素子８０２およびＴＥ素子８０１の間に挟まれた第２の側の熱交換器８０８を加熱する。
【００９５】
アレイ８００は、標準的なＴＥモジュールのシャント、基板、および多数の電気コネクタ配線を除去または削減できるため、最小限のサイズおよび熱損失を呈することができる。さらに、ＴＥ素子８０１および８０２が、部品が高い導電性および容量を有するように設計される場合、大きな電流に対応するヘテロ構造であってよい。そのような構成において、アレイ８００は、高い熱出力密度を生み出すことができる。
【００９６】
図９は、図８に示した熱電システムと同じ全体形式の熱電システム９００を示しており、Ｐ型のＴＥ素子９０１およびＮ型のＴＥ素子９０２を第１の側の熱伝達部材９０３と第２の側の熱伝達部材９０５との間に、これらの熱伝達部材に熱的に良好に接触させて備える。この構成において、熱伝達部材９０３および９０５は、熱伝導ロッドまたはヒートパイプの形態を有している。熱交換器フィン９０４、９０６などが、熱伝達部材９０３および９０５へと取り付けられ、熱的に良好に連絡している。第１の導管９０７が、第１の作動媒体９０８および９０９の流れを閉じ込めており、第２の導管９１４が、第２の作動流体９１０および９１１の流れを閉じ込めている。電気コネクタ９１２および９１３が、図８に示されているとおり交互のＰ型およびＮ型のＴＥ素子９０１、９０２の積層へと電流を導く。
【００９７】
動作時、例えば、電流が第１のコネクタ９１２を通ってアレイ９００に入り、交互のＰ型のＴＥ素子９０１（斜線付き）およびＮ型のＴＥ素子９０２（斜線なし）を通過し、第２の電気コネクタ９１３を通って出る。このプロセスにおいて、第１の作動媒体９０８が、熱伝達フィン９０４（第１の熱伝達部材９０３を介しての伝導によって加熱されている）からの伝導によって加熱されるため、次第に高温になる。第１の導管９０７が、第１の作動媒体９０８が作動流体９０９として変化後の温度で出るように、第１の作動媒体９０８を囲んで閉じ込めている。第１の導管９０７の一部分が、ＴＥ素子９０１および９０２ならびに第２の側の熱伝達部材９０４を、第１の（この場合には高温の）作動媒体９０８および９０９から熱的に絶縁している。同様に、第２の作動媒体９１０は、第２の導管９１４を通って進入し、第２の側の熱交換器９０６を通過するときに（この例では）冷却され、冷却された流体９１１として出る。ＴＥ素子９０１、９０２が、第２の側の熱交換部材９０５、したがって熱交換器フィン９０６に、冷却をもたらす。第２の側の導管９１４が、第２の（この例では冷却される）作動媒体９１０を閉じ込め、アレイ９００の他の部分から絶縁するように機能する。
【００９８】
図８−９の実施形態においては、個々のＴＥ素子について述べたが、ＴＥモジュールでＴＥ素子９０１、９０２を置き換えてもよい。さらに、特定の状況においては、ＴＥ素子９０１、９０２を熱伝達部材９０３、９０５から電気的に絶縁し、シャント（図示されていない）を通って電流を通すことが好都合であるかもしれない。また、熱交換器９０４、９０６は、システムの機能にとって好都合な任意の設計であってよい。他の実施形態のように、図８および９の構成が、比較的容易に製造できるシステムをもたらすとともに、熱絶縁からの効率向上ももたらすことを、理解できるであろう。例えば、図８において、Ｐ型およびＮ型の熱電素子の間に交互に位置する熱交換器８０８、８０３は、より低温またはより高温の熱交換器の種類であるが、お互いから無理なく熱的に絶縁され、ＰおよびＮ型の熱電素子を互いに無理なく熱的に絶縁する。
【００９９】
図１０は、熱絶縁を提供する別の熱電アレイ・システム（１０００）を示している。好都合には、この構成は、除湿、または凝結物、霧、凝縮可能な蒸気、反応生成物、などを除去して、媒体を元の温度よりも若干高い温度へと戻すために、同じ媒体の冷却および加熱を利用するシステムの機能を実行することができる。
【０１００】
システム１０００は、低温側熱伝達素子１００３および高温側熱伝達素子１００４が組み入れられた交互のＰ型のＴＥ素子１００１およびＮ型のＴＥ素子１００２の積層で構成されている。図示の実施形態においては、熱交換器フィン１００５、１００６が、低温側熱伝達素子１００３および高温側熱伝達素子１００４の両者に設けられている。低温側の導管１０１８および高温側の導管１０１９が、アレイ１０００において作動流体１００７、１００８、および１００９を案内する。ファン１０１０が、アレイ１０００を通って作動流体１００７、１００８、および１００９を引っ張る。好ましくは、低温側の絶縁１０１２が、低温側を通って移動する作動流体１００７をＴＥ素子の積層から熱的に絶縁し、高温側の絶縁１０２０が、好ましくは、高温側を通って移動する作動流体をＴＥ素子の積層から熱的に絶縁する。バッフル１０１０などが、低温側と高温側とを隔てている。一好ましい実施形態においては、バッフル１０１０が、作動流体１０２１を通過させるための通路１０１０を有している。同様に、一つの実施形態においては、流体の通路１０１７が、流体１０１６が高温側の流路へと進入できるようにしている。
【０１０１】
スクリーン１０１１または他の多孔質の作動流体流リストリクタが、アレイ１０００の低温側を高温側から隔てている。凝縮物、固体凝固物、および液体１０１３などが、アレイ１０００の底部にたまり、バルブ１０１４を通って口１０１から出ることができる。
【０１０２】
ＴＥ素子１００１および１００２を通過する電流（図示されていない）が、図９の説明において述べたように、低温側の作動媒体熱伝達素子１００３を冷却し、高温側の熱伝達素子１００４を加熱する。動作時、作動流体１００７が低温側を下るとき、作動流体１００７からの凝結物、水分、または他の凝縮物１０１３を、アレイ１０００の底部に集めることができる。必要に応じ、バルブ１０１４を開いて、凝結物、水分、または凝縮物１０１３を、口１０１５を通って取り除くことができ、あるいは他の任意の適切な手段によって抽出することができる。
【０１０３】
好都合には、作動流体１０２１の一部を、バイパス通路１０２０を通って低温側から高温側へと通過させることができる。この設計によれば、低温側の流体１００７のすべてが流量制限器１０１１を通過するのではなく、代わりに、高温側の作動流体の温度を局所的に低下させて一部の状況下でアレイ１０００の熱力学的効率を改善するために使用することができる。バイパス通路１０２０と流量制限器１０１１との間の流れの適切な割合は、システムの流れの特性を適切に設計することによって達成される。例えば、流れを制御するためにバルブを取り入れることができ、特定の通路を開放または閉鎖することができる。いくつかの用途においては、流量制限器１０１１が、液体または気体の作動流体１００８から凝結物を取り除き、あるいは気体の作動流体１００８からミストまたは霧を取り除くためのフィルタとしても機能することができる。
【０１０４】
好都合には、さらなる高温側の冷却剤１０１６が、やはり高温側の作動流体の温度の低下またはアレイ１０００の効率の向上という目的のために、横通路１０１７を通ってアレイ１０００に進入できる。
【０１０５】
この構成は、流量制限器にきわめて冷たい状態を生み出すことができ、作動流体１００８が、かなりの大きさの凝結物、凝縮物、または水分の除去能力を有することができる。別の動作の様相においては、ファン１０１０への動力を逆にして、システムを作動流体を加熱し、低温状態へと戻すように動作させることができる。これは、加熱プロセスによって形成される反応生成物、凝結物、凝縮物、水分、などを取り除くために、好都合でありうる。一好都合な実施形態においては、流量制限器１０１１ならびに／あるいは熱交換器１００５および１００６が、システムにおいて生じうるプロセスを増進し、変更し、可能にし、防止し、あるいは他の方法で左右する触媒特性を有することができる。液体の作動流体においては、好都合な性能を達成するために、１つ以上のポンプでファン／モータ１０１０を置き換えることができる。
【０１０６】
図１１は、図２および３と同様の設計であるが、作動媒体がシステムを通過する交互の経路を有している熱電アレイ１１００を示している。アレイ１１００は、ＴＥモジュール１１０１を熱交換器１１０２の間に分布させて有している。複数の導入ポート１１０３、１１０５、および１１０７が、アレイ１１００を通って作動媒体を導く。複数の出口ポート１１０４、１１０６、および１１０８が、アレイ１１００から作動媒体を導く。
【０１０７】
動作時、例えば、冷却されるべき作動媒体が、第１の導入ポート１１０３において進入し、いくつかの熱交換器１１０２を通過することによって徐々に（この例では）冷却され、第１の出口ポート１１０４を通って出る。アレイ１１００から熱を取り去る作動媒体の一部は、第２の導入ポート１１０５を通って進入し、熱交換器１１０２を通過し、このプロセスにおいて徐々に加熱され、第２の出口ポート１１０６を通って出る。
【０１０８】
熱を取り去る作動媒体の第２の部分は、第３の入口ポート１１０７に進入し、熱交換器１１０２のうちのいくつかを通過するときに加熱され、第３の出口ポート１１０８を通って出る。
【０１０９】
この設計では、この例では高温側の作動媒体が２つの位置において進入し、ＴＥモジュール１１０１にわたって得られる温度差が、平均で、作動媒体がただ１つのポートにて進入する場合に比べてより低くなるため、第１の導入ポート１１０３から第１の出口ポート１１０４へと通過する低温側の作動媒体を効率的に冷却できるようになる。平均で、平均の温度勾配がより小さい場合、多くの状況において、得られるシステム効率はより高くなる。第２および第３の導入ポート１１０５および１１０７を通過する相対の流量を、所望の性能を達成するため、または外部の条件の変化に応答するために、調節することができる。例として、第３の導入ポート１１０７を通過する流量がより多く、さらに最も効率的には、この部位を通過する流れの方向が逆であって、すなわち第３の出口ポート１１０８が入り口であると、第１の出口ポート１１０４を出る低温側の作動媒体の出口温度をより低くすることができる。
【０１１０】
従来からの熱電気１００の基礎をなす基本的接続が、図１Ｃにさらに詳しく示されている。上述のように、Ｐ型の素子１１０およびＮ型の素子１１２は、この技術分野において周知の種類の素子である。Ｐ型およびＮ型のＴＥ素子１１０および１１２にシャント１０６が取り付けられ、熱的に良好に連絡している。一般に、図１Ａに示されているように、多数のこのようなＴＥ素子およびシャントが一緒に接続されて、ＴＥモジュールが形成される。
【０１１１】
電流方向におけるＴＥ素子１１０、１１２の長さは、ＬＣ１１６である。その奥行きはＢＣ１１７であり、その幅はＷＣ１１８であり、その離隔距離はＧＣ１２０である。シャント１０６の厚さは、ＴＣ１０９である。
【０１１２】
この技術分野において周知のとおり、寸法ＢＣ、ＷＣ、およびＬＣのほか、ＴＥ材料の性能指数Ｚ、電流１２２および動作温度が、冷却量、加熱量、または生成される電力量を決定する（たとえば、Ａｎｇｒｉｓｔ，Ｓ．Ｗ．の「Ｄｉｒｅｃｔ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、第３版、１９９７年、第４章を参照）。
【０１１３】
図１２に示される設計は、図１の従来の構成を必要となる熱電材料の量およびシャント１０６における寄生抵抗の大きさを削減する態様に改変したものである。ＴＥ構成１２００は、シャント１２０３および複数の第２の側のシャント１２０４との間に直列に挟まれた交互の導電型の複数の第１の側のＴＥ素子１２０１、１２０２を有するため、電流１２０９は、図１Ｃの場合のように奥行きに略平行ではなく、シャントの奥行きＢＢおよび幅ＷＢに対して垂直に通過する。図１２の設計においては、ＲＯＢに対するＲＰＢの比φＢは、
【０１１４】
【数１１】
2009545164.tif 000013
【０１１５】
であり、ここで
【０１１６】
【数１２】
2009545164.tif 000014
【０１１７】
【数１３】
2009545164.tif 000015
【０１１８】
であり、したがって
【０１１９】
【数１４】
2009545164.tif 000016
【０１２０】
であって、
ＴＢは、シャントの厚さであり、
ＬＢは、ＴＥ素子の長さであり、
ρＳＢは、シャントの抵抗率であり、
ＢＢは、ＴＥ素子およびシャントの有効な奥行きであり、
ＷＢは、ＴＥ素子およびシャントの有効な幅である。
【０１２１】
φＣがφＢに等しく設定される場合には、寄生電気抵抗損失は、図１Ｃおよび図１２の構成の性能に同じ比例的な影響を有する。比較の目的のために、２つの構成の材料特性が同一であると仮定すると、
【０１２２】
【数１５】
2009545164.tif 000017
【０１２３】
であり、あるいはＢに式（９）および（１２）を用いて、
【０１２４】
【数１６】
2009545164.tif 000018
【０１２５】
である。
【０１２６】
今日の典型的な熱電モジュールにおいては、
【０１２７】
【数１７】
2009545164.tif 000019
【０１２８】
であり、
【０１２９】
【数１８】
2009545164.tif 000020
【０１３０】
と仮定すると、
【０１３１】
【数１９】
2009545164.tif 000021
【０１３２】
である。
【０１３３】
したがって、長さＬＢは、ＬＣの１／６．４となることができ、図１２の設計において結果として生じる抵抗損失は、従来のＴＥモジュールの抵抗損失を超えない。これが事実であり、他のすべての損失が無視し得るか、または比例的に減少する場合には、図１２の構成を用いるＴＥシステムは、図１Ｃの設計と同じ動作効率を有するが、ＬＢ＝ＬＣ／６．４である。
【０１３４】
この新たな構成の体積を、図１Ｃの体積と比較することができる。同じｑＯＰＴの場合には、面積比が同じままでなければならず、したがって
【０１３５】
【数２０】
2009545164.tif 000022
【０１３６】
であり、
【０１３７】
【数２１】
2009545164.tif 000023
【０１３８】
であるから
【０１３９】
【数２２】
2009545164.tif 000024
【０１４０】
である。
【０１４１】
２つの熱電材料の体積比は、
【０１４２】
【数２３】
2009545164.tif 000025
【０１４３】
であり、
【０１４４】
【数２４】
2009545164.tif 000026
【０１４５】
である。
【０１４６】
したがって、これらの仮定によれば、必要とされるＴＥ材料が１／４１である。この大幅な削減の可能性は、行なった仮定の精密さゆえに完全には実現されない可能性があるが、それでも用いられるＴＥ材料の量、ひいてはコストおよびサイズを削減するうえで、きわめて有利となりうる。
【０１４７】
図１２のＴＥスタック構成１２００は、長さＬＢ１２０５のＰ型ＴＥ素子１２０１およびＮ型ＴＥ素子１２０２を有する。電流の流れの方向は、矢印１２０９によって示されている。ＴＥ素子は、奥行きＢＢおよび幅ＷＢを有する。電流の方向において、Ｐ型ＴＥ素子１２０１とＮ型ＴＥ素子１２０２との間に、第２の側のシャント１２０４（「ＰＮシャント」）が位置している。電流の方向において、Ｎ型ＴＥ素子１２０２とＰ型ＴＥ素子１２０１との間には、第１の側のシャント１２０３（「ＮＰシャント」）が存在している。ＰＮシャント１２０４は、スタック１２００からＮＰシャント１２０３とはおおむね逆方向に延びている。１８０°以外の角度も好都合である。
【０１４８】
適切な電流１２０９が図示の方向に通過する場合には、ＮＰシャント１２０３が冷却され、ＰＮシャント１２０４が加熱される。この構成によって、構成１２００における寄生電気抵抗損失は、典型的には、ＴＥ素子の寸法が同一である場合の図１の従来の構成１００に比べて小さい。したがって、２つの構成における寄生的な電気損失の比を一致させるようにＴＥの長さＬＢ１２０５が短くされる場合、ＴＥの長さＬＢ１２０５がより短くなり、図１２の構成は。好都合に図１の構成よりも高い出力密度で動作することができる。結果として、図１２の構成１２００は、図１の従来の設計の場合よりも使用される熱電材料が少なく、よりコンパクトにすることができる。
【０１４９】
シャント１２０３、１２０４は、ＴＥ素子１２０１、１２０２から遠ざかるように熱出力を伝達する機能、ならびに作動流体などの外部の物体または媒体と熱出力を交換する機能という２つの機能を果たすことができる。
【０１５０】
熱交換器１３０２を形成するために組み合わせられるシャントの好ましい実施形態１３００の図が、図１３Ａに示されている。好ましくは、少なくとも１つのＴＥ素子１３０１が、熱交換シャント１３０２の盛り上がった電極面１３０３にはんだなどによって電気的に接続される。好都合には、ＴＥ素子１３０１の取り付けおよび低い抵抗での電流の流れを促進するために、シャント１３０２を、主にアルミニウムなどの優れた熱導体から構成でき、銅などの導電率の高い材料で構成される一体の被覆材料１３０４、１３０５を有することができる。
【０１５１】
図１３Ｂは、図１３Ａの熱電シャント１３０２およびＴＥ素子１３０１から構成されるスタック熱電アセンブリ１３１０について、一部分の詳細な側面図を示している。盛り上がった電極面１３０３を備えた複数のシャント１３０２が、交互の導電型のＴＥ素子１３０１に電気的に直列に接続される。
【０１５２】
適切な電流が印加されるときに、シャント１３０２は、交互に加熱および冷却される。生成される熱出力は、シャント１３０２によってＴＥ素子１３０１から運び去られる。好都合には、盛り上がった電極１３０３が、ＴＥ素子１３０１を取り付けるための信頼性が高く、低コストで、安定な表面をもたらす。実際には、複数のこれらのアセンブリ１３１０のスタックを設けることができる。スタックのアレイを用いて、熱絶縁もさらに促進することができる。
【０１５３】
電極１３０３を、好都合には、はんだがＴＥ素子１３０１を短絡することがないように形作ることができる。また、電極１３０３を、好都合には、接触面積を制御し、したがってＴＥ素子１３０１を通過する電流密度を制御するように、形成することができる。
【０１５４】
シャント熱交換器１４００の一部分の例が、図１４に示されている。この部分１４００は、熱伝達を促進するために、表面積を増大させている。ＴＥ素子１４０１が、好ましくは図１３Ａに示したように構成され、あるいは本明細書の他の実施形態のように構成されたシャント１４０２へと取り付けられる。フィンなどの熱交換器１４０３、１４０４が、シャント１４０２にろう付けなどによる良好な熱接触によってシャント１４０２に取り付けられる。この実施形態において、作動流体１４０５が、熱交換器１４０３、１４０４を通過する。
【０１５５】
好都合には、シャント部分１４００は、作動流体１４０５が熱交換器１４０３、１４０４を通過するときに熱出力が効率的に伝達されるように構成される。さらに、図１２および図１３Ｂに記載したようなスタックへと組み込まれる場合、シャント１４０２および熱交換器１４０３、１４０４の材料のサイズおよび比率は、動作効率を最適化するように設計される。好都合には、熱交換器１４０３、１４０４はルーバ付きであってよく、多孔性であってよく、あるいはＷ．Ｍ．ＫａｙｓおよびＡ．Ｌ．Ｌｏｎｄｏｎの「Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ」、第３版に記載されている熱交換器など、上述の目的を達成する他の任意の熱交換器設計に置き換えられてもよい。熱交換器１４０３、１４０４を、エポキシ、はんだ、ろう付け、溶接、または良好な熱接触を提供する任意の他の取り付け方法によって、シャント１４０２へと取り付けることができる。
【０１５６】
シャント・セグメント１５００の別の実施例が、図１５に示されている。シャント・セグメント１５００は、複数のシャント素子１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４で構成される。シャント素子１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４は、互いの上に折り畳まれてもよく、ろう付けされてもよく、リベットで締められてもよく、あるいは電流１５０７を通すための電気抵抗の低い経路をもたらし、ＴＥ素子１５０６からシャント１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４への熱抵抗を低くするための経路をもたらす任意の他の方法で接続されてもよい。ＴＥ素子１５０６は、好都合には、ベース部分１５０５またはその付近でセグメント１５００へと取り付けられる。
【０１５７】
シャント・セグメント１５００は、図１４のシャント・セグメント１４００の代替設計を示している。シャント・セグメント１５００を、図１２および１３に示されているようなスタックに構成することができ、次いで、所望であれば、スタックのアレイに構成することができる。図１４および１５の構成はいずれも、これらの設計から製作されたＴＥシステムの人件費を下げるために、自動的に組み立てることが可能である。
【０１５８】
また、シャント・セグメントを、図１６に示されるようなスタック・アセンブリ１６００へと形成することができる。中央シャント１６０２は、中央シャント１６０２の対向する側のそれぞれの端部にある反対の導電型の第１の側および第２の側のＴＥ素子１６０５のそれぞれの端部に同一の導電型の第１の側のＴＥ素子１６０１を有している。シャント１６０２のスタックを形成するために、図１６に示すように、それぞれの中央シャント１６０２の間に、右側シャント１６０３および左側シャント１６０４が配置される。右側シャント１６０３は、左端部がＴＥ素子１６０１、１６０５の間に良好な熱接触および電気接触で挟まれるように配置される。同様に、左側シャント１６０４は、右端部がＴＥ素子１６０１、１６０５の間に良好な熱接触および電気接触で挟まれるように配置される。シャント１６０２、１６０３、および１６０４は、交互に積み重ねられ、電気的に接続されてシャント・スタック１６００を形成する。第１の作動流体１６０７および第２の作動流体１６０８が、アセンブリ１６００を通過する。当然ながら、図１６に示され、本明細書に記載されるスタック構成の実施形態において、スタックを、スタック中のさらに多くのシャント素子で構成でき、おそらくはそのようである。スタック・アセンブリ１６００のほんの一部が、読者の理解のために示されているにすぎない。そのようなスタックをさらに繰り返されることが、図から明白である。さらに、作動流体の方向に熱絶縁されたさらなるスタックを設けることが可能である。
【０１５９】
適切な電流がＴＥ素子１６０１、シャント１６０５、１６０４を通って一方向に印加されるときに、中央シャント１６０２は冷却され、左側および右側シャント１６０４および１６０６は加熱される。結果として、中央シャント１６０２を通過する第１の作動流体１６０７は冷却され、右側および左側シャント１６０３、１６０４を通過する第２の作動流体１６０８は加熱される。スタック・アセンブリ１６００は、流体を調整するための半導体ヒートポンプを形成する。スタック１６００が、少数または多数のセグメントを備えることができ、それによって、印加される電流および電圧の量、構成要素の寸法、およびアセンブリに組み込まれるセグメントの数に応じて、さまざまな出力レベルで動作することができることに留意することが重要である。そのようなスタックのアレイもまた、好都合でありうる。そのようなスタック１６００のアレイが用いられる状況において、効率を向上させるために、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように、流体の流れの方向に熱絶縁をもたらすことが好ましいと考えられる。
【０１６０】
また、性能を向上させるために、シャント１６０２、１６０３、１６０４を、これらに限られるわけではないが図１４および１５に示した形状など、他の形状によって置き換えることができることを理解すべきである。
【０１６１】
図１６に示したスタック・アセンブリ１６００の変種が、図１７に示されている。この構成では、ＴＥアセンブリ１７００は、略円形形状を形成するために右側シャント１７０３および左側シャント１７０４から構成される。好都合には、右側シャント１７０３は、部分円を形成するように構成され、左側シャント１７０４も同様である。好ましい実施形態において、動作中に低温になるシャントは、その装置の特定の目的に応じて、高温になるシャントより大きくても、あるいは小さくてもよい。中央の流れの部分を形成するために、実質的に円形の構成は必要ではなく、図１７に示されたシャントセグメントの他の構成を用いることも可能であることに留意すべきである。たとえば、右側シャントは半矩形または半四角形であってもよく、左側シャント１７０４は半矩形または四角形であってもよい。同様に、一方の側は多面であってもよく、一方の側はアーチ型であってもよい。シャントの具体的な形状は変更可能である。図１６に関して説明したように、交互に配置される導電型からなるＴＥ素子１７０１および１７０２は、スタック・アセンブリ１７００において電気的に直列に接続される。流体１７１２は、シャント１７０３、１７０４によって形成される中央領域の中を流れることが好ましい。流体１７１２の第１の部分１７０７は、右側シャント１７０３同士の間を通り、作動流体１７１２の第２の部分１７０６は、左側シャント１７０４同士の間を通る。電源１７０８は、電線１７１２、１７１３によってＴＥ素子に電気的に接続され、電線は接点１７１０および１７１１でスタックに接続される。ファン１７０９を、スタックの一端（または両端）に取り付けることができる。ポンプ、またはブロワなども同様に使用することが可能である。
【０１６２】
電力がファン１７０９に印加されると、ファン１７０９は、アセンブリ１７００を通って作動流体１７１２を送る。右側シャント１７０３が冷却されるような極性で電流が供給されるとき、作動流体１７１２の第１の流体部分１７０７は右側シャント１７０３を通過するにつれて冷却される。同様に、作動流体の第２の部分１７０６は、加熱された左側シャント１７０４を通過するにつれて加熱される。アセンブリ１７００は、単一のコンパクトな冷却器／加熱器を形成し、その構成において用いられるシャント１７０３、１７０４の数によって、容量および全体サイズを調整することができる。シャント１７０３、１７０４は角ばっていてもよく、楕円形または任意の他の好都合な形状であってもよいことは明白である。さらに、シャントは、図１４、図１５に示された設計または任意の他の有用な構成であってもよい。
【０１６３】
図１２、１４、１５、１６、および１７の熱電システムの一つの実施形態において、図１８に示されるようなアレイの１つ以上の部分に、２つ以上のＴＥ素子を用いることができる。この実施例において、ＴＥ素子１８０１、１８０４は、シャント１８０２、１８０３のそれぞれの側で盛り上がった電極面１８０４に接続される。
【０１６４】
電気的に並列である複数のＴＥ素子１８０１は、機械的安定性を増大し、熱出力をさらにうまく分散し、システムに電気的冗長性を追加することができる。３つ以上のＴＥ素子１８０１を並列に用いることができる。
【０１６５】
一定の用途において、図１２〜１３によるシャントの露出部分を電極部分から電気的に絶縁することが望ましい。そのようなシャントの一実施例が、図１９に示されている。この実施形態において、電気絶縁体１９０５は、シャント１９００の熱交換部分１９０４からシャント１９００の電極部分１９０３を分離する。ＴＥ素子１９０１、１９０２は、電極部分１９０３に装着されることが好ましい。
【０１６６】
動作時に、銅などの導電性および熱伝導率の高い材料から構成される電極部分１９０３を介して対向する導電型のＴＥ素子１９０１、１９０２の間に電位が印加されることが有利である。ＴＥ素子１９０１、１９０２によって生成される熱出力は、シャント電極に沿い、電気絶縁体１９０５を通り、シャント１９００の熱交換部分１９０４に伝導される。電気絶縁体１９０５はアルミナ、熱伝導エポキシまたは同種のものなどのきわめて優れた熱導体であることが有利である。図示されているように、電気絶縁体１９０５によって形成される境界面の形状は、熱抵抗を最小限に抑えるために、浅い「Ｖ」字形状である。適切に低い界面熱抵抗を有する任意の他の形状および材料の組み合わせもまた、用いることができる。そのようなシャント１９００のスタックを前述のように用いることができる。
【０１６７】
電気絶縁の別の形態が、図２０の平面図に示される別のシャントセグメント・アセンブリ２０００に示されている。第１のＴＥ素子２００１は、シャントセグメント・アレイ２０００の左側シャント２００３に接続され、第２のＴＥ素子２００２は、シャントセグメント・アレイ２０００の右側シャント２００４に接続される。電気絶縁体２００５は、左側シャントセグメント２００３と右側シャントセグメント２００４との間に配置される。
【０１６８】
図２０に示される構成は、シャント２０００全体の機械的完全性を保持すると同時に、ＴＥ素子２００１とＴＥ素子２００２との間に電気絶縁を提供する。図示されたようなこの構成において、電気絶縁体２００５は特に良好な熱伝導率を提供する必要はない。電気絶縁体２００５がＴＥ素子２００１とＴＥ素子２００２との間のおおむね中央に配置されるのであれば、熱出力源であるＴＥ素子２００１および２００２は、異なるレベルで左側シャントセグメント２００３および右側シャントセグメント２００４を冷却または加熱することができるためである。２つのＴＥ素子２００１および２つの第２のＴＥ素子２００２が示されているが、それぞれの側により大きなＴＥ素子またはより多数のＴＥ素子を用いることができることに留意すべきである。２つの第１のＴＥ素子２００１および２つの第２のＴＥ素子２００２は、充分に安定な機械構造を図示するために選択されているにすぎない。また、所望の電流経路に応じて、第１のＴＥ素子２００１および第２のＴＥ素子２００２は異なる導電型である必要はないが、異なる導電型であってもよいことも留意すべきである。
【０１６９】
シャント２１００内の電気絶縁を達成する別の方法が、図２１に示されている。２つの第１のＴＥ素子２１０１を有するシャント部分２１０３は、２つの第２のＴＥ素子２１０２を有する第２のシャント部分２１０４に機械的に取り付けられる。電気絶縁体２１０６は、間隙２１０５によって互いから離隔されるシャント部分２１０３および２１０４に機械的に取り付けられる。
【０１７０】
機械的な取り付け２１０６が、ＴＥ素子２１０１とＴＥ素子２１０２との間のほぼ中央に配置され、ＴＥ素子２１０１および２１０２が、ほぼ等しい熱出力を生成する場合には、電気絶縁体２１０６は優れた熱導体である必要はない。ＴＥ素子２１０１および２１０２はそれぞれ、それぞれのシャント部分２１０３および２１０４に熱出力を提供する。電気絶縁体２１０６は、裏面粘着式のカプトンテープ、射出成形プラスチック、熱溶融型接着剤または任意の他の適切な材料であってもよい。図２１の平面図に示されているように、シャント部分２１０３、２１０４は、重ね接合を形成するために重ね合わせない。エポキシまたは他の電気絶縁結合剤によるそのような接合もまた可能である。
【０１７１】
図２２の平面図に示される別のシャントセグメント・アレイ２２００は、矩形のＴＥアレイ２２００中に電気的に絶縁されたシャントセグメントを有する。第１のＴＥ素子２２０１は、第１のシャント部分２２０２に熱接触され、第２のＴＥ素子２２０３は、第２のシャント部分２２０４に熱接触される。各シャント部分は、間隙２２１０、２２１１によって他のシャント部分から電気的に分離される。アセンブリの左側にある電気絶縁体２２０８、中央にある絶縁体２２０７、および右側にある絶縁体２２０９が設けられることが好ましい。矢印２２１２は、作動流体が流れる方向を示す。この構成は、電気絶縁がない類似のアレイより高い電圧かつ低い電流で動作することができる。図２０に関して述べたように、第１のＴＥ素子２２０１および第２のＴＥ素子２２０３は異なる導電型である必要はないが、異なる導電型であってもよい。これは、所望の電流の方向に左右される。しかし、ＴＥ素子２２０２、２２０３は、異なる電位である場合がある。
【０１７２】
間隙２２１０は、第１のシャント部分２２０２を互いから効率的に熱絶縁し、第２のシャント部分２２０４を互いから効率的に熱絶縁するために機能する。同様に、側部の絶縁体２２０８、２２０９は、熱絶縁および電気絶縁の両方を提供すると同時に、シャントに共に機械的に取り付けられる。中央の絶縁体２２０７は、その長さに沿って電気絶縁および熱絶縁を提供する。したがって、アレイ２２００は、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように、矢印２２１２の方向において熱絶縁を形成するように構成される。この構成は、電気絶縁がない類似のアレイより高い電圧かつ低い電流で動作することができる。
【０１７３】
おおむね図２２に示した形式のシャントセグメント・アレイを用いる冷却システム２３００が、図２３に示されている。冷却システム２３００は、テープなどの電気絶縁材料２３２０によって機械的に接続される内側シャントセグメント２３０１、２３０２を有する。内側シャントセグメント２３０２は、電気的かつ熱的な絶縁材料２３２１によって機械的に接続される。同様に、内側セグメント２３０１は、電気的かつ熱的な絶縁材料２３０７によって機械的に接続される。内側シャントセグメント２３０１、２３０２は、図２２に記載した態様では端部のＴＥ素子（図示せず）に別々に接続される。ＴＥは、内側シャントセグメント２３０１、２３０２とそれぞれの外側シャントセグメント２３０３、２３０５との間のスタックに挟まれる。中央のシャントセグメント２３０１は、左外側シャントセグメント２３０５に別々に接続され、内側シャントセグメント２３０２は右外側シャントセグメント２３０３に接続される。右外側シャントセグメント２３０３は同様に、内側シャントセグメント２３０２を接続する電気絶縁材料２３２１に類似の電気的かつ熱的な絶縁材料２３２２によって機械的に接続されることが好ましい。左外側シャントセグメント２３０５も、同様に機械的に接続される。ハウジング２３１１は、シャントセグメントおよびＴＥのスタック・アレイを保持する。端子２３１２および２３１４は、内部セグメント２３０１に電気的に接続される。同様に、端子２３１５および２３１６は、内側シャントセグメント２３０２に接続される。熱的かつ電気的絶縁スペーサ２３０９、２３１０が、それぞれの内側セグメントと外側セグメントとの間に配置されることが好ましい。
【０１７４】
第１の作動流体２３１７は内側領域を通過し、第２の作動流体２３１８、２３１９は外側領域を通過する。適切な極性および大きさの電圧が端子２３１２と端子２３１４との間、および端子２３１５と端子２３１６との間に印加されるときに、内側シャントセグメント２３０１、２３０２が冷却される。また、外側シャントセグメント２３０３、２３０５が加熱される。したがって、内側領域を流れる作動流体２３１７が冷却され、外側シャントセグメント２３０３、２３０５を流れる作動流体２３１８、２３１９が加熱される。ハウジング２３１１および絶縁体２３０９、２３１０は、加熱される流体２３１８、２３１９から冷却される流体２３１７を収容して隔てる。
【０１７５】
システム２３００における各スタックに電圧を印加するための電気接続は、高電圧で動作するために直列であってもよく、約１／２の電圧で動作するために直列／並列であってもよく、約１／４の電圧で動作するために並列であってもよい。内側作動流体２３１７を加熱し、外側作動流体２３１８、２３１９を冷却するために、極性は逆であってもよい。作動流体２３１７、２３１８、２３１９が流れる方向にさらに多くのセグメントを用いて、さらに高い電圧で動作し、結果として生じるさらに有効な熱絶縁によりさらに高い効率を達成することが可能である。
【０１７６】
熱絶縁による性能の向上を達成する別のコンパクトな設計は、図２４Ａおよび図２４Ｂに示されているように組み合わせられたシャントおよび熱伝達セグメント２４００を用いる。この設計は図１４の設計にきわめて類似しているが、ＴＥ素子２４０１、２４０２が流体の流れの全体的な方向に整列されている点が異なる。対向する導電型のＴＥ素子２４０１、２４０２がシャント２４０４の延在部２４０３に接続される。フィンなどの熱交換器２４０５、２４０６が、シャント２４０４と良好な熱接触状態にあることが好ましい。作動流体２４０９は、電流の方向に応じて、熱交換器２４０５、２４０６を流れるにつれて加熱または冷却される。
【０１７７】
図２４Ｂは、図２４Ａに示されているようなＴＥシャントセグメント２４００からなるスタック２４１０の一部分を示す。電流２４１７は、矢印によって示される方向に流れる。複数の第１の側のシャント２４００および複数の第２の側のシャント２４００ａが、ＴＥ素子２４１１に接続される。第１の作動流体２４１８は、スタック２４１０の下部分に沿って図２４Ａの第２の側のシャント２４００ａにある熱交換器を通って流れ、作動流体２４１９は、第１の側のシャント２４００の熱交換器を通って逆方向に流れることが有利である。
【０１７８】
適切な電流２４１７が印加されると、スタック２４１０の上部分は、１つのシャントセグメントから次のシャントセグメントに流れるにつれて、流体２４１９を徐々に冷却し、下部分は、１つのシャントセグメント２４００ａから次のシャントセグメントに流れるにつれて、流体２４１８を徐々に加熱する。
【０１７９】
代わりとなるＴＥスタック構成２５００が、図２５Ａに示されている。このＴＥスタックは、電流２５１２の方向に略垂直に流れる作動流体２５１３に関して熱絶縁という利点を達成する。第１のシャント２５０２は、第１のＴＥ素子２５０１に電気的に接続され、熱交換器２５０３、２５０４と良好な熱接触状態にある。第１の側の第２のシャント２５０６は同様に、熱交換器２５０８と良好な熱接触状態にあり、第１の側の第３のシャント２５０５は熱交換器２５０７と良好な熱接触状態にある。各第１の側のシャント２５０２、２５０６および２５０５の間には、交互に配置されるタイプのＴＥ素子２５０１が点在し、図１２と同様に、第２の側のシャント２５０９、２５１０および２５１１は、略逆方向に突出している。第２の側のシャント２５０９、２５１０および２５１１は、完全には示されていないが、おおむね同じ形状であり、第１の側のシャント２５０２、２５０６および２５０５と同一の空間的関係を有する。作動流体２５１３は、矢印によって示されるようにスタック・アセンブリの中を通り抜ける。適切な電流がＴＥ素子を通って垂直に印加されると、第１の側のシャント２５０２、２５０５および２５０６は加熱され、第２の側のシャント２５０９、２５１０および２５１１は冷却される。作動流体２５１３は最初に熱交換器２５０７を、次に熱交換器２５０８を、最後に熱交換器２５０３を流れるにつれて、徐々に加熱される。完全なスタック・アセンブリが電流の方向においてアレイ２５００の反復部分を有し、熱交換器２５０３の一番上が別のアレイ部分の次に連続する熱交換器２５０４の下に接近して離隔されるように組み立てられる。作動流体２５１３が流れる方向における熱絶縁は、容易に明らかである。
【０１８０】
図２５Ｂは、図２５Ａに示されるアレイ部分２５００の平面図である。交互に配置される導電型の複数のＴＥ素子２５０１の冷却は、複数の第１の側のシャント２５０２、２５０６、２５０５および複数の第２の側のシャント２５１１、２５０９、２５１０によって分散されるため、第１の側のシャント２５０２、２５０６および２５０５は、第２の側のシャント２５１１、２５０９および２５１０と交互に配置される。シャントは、間隙２５３４によって隔てられ、各シャント用の熱交換器と良好な熱接触状態にある。第１の作動流体２５３１は右から左に向かって上部分に沿って流れ、作動流体２５３２は左から右に向かって下部分に沿って流れることが有利である。電流がＴＥおよびシャントを流れる場合を除き、熱および電気の絶縁体２５３３は、シャントの各対の間に設けられることが好ましい。
【０１８１】
適切な電流がアレイ２５００を流れるとき、たとえば、作動流体２５３１は徐々に加熱され、作動流体２５３２は徐々に冷却される。絶縁体２５３３は不必要な熱損失を防止し、作動流体２５３１、２５３２が混合するのを防止する。図示されているように、アレイ２５００は、対向流モードで動作し、熱絶縁を用いて性能を向上する。同じアレイ２５００は、平行流モードにおいて同一の方向に移動する作動流体２５３１、２５３２によって動作することができ、依然として性能を向上するために熱絶縁という利点を有する。いずれの場合も、ＴＥ素子２５２１がすべて同一の抵抗ではないが、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように個別のＴＥ素子同士の温度差および出力差に応じて変化する抵抗を有することが有利である。
【０１８２】
別のＴＥモジュール２６００が、図２６Ａに示される。このＴＥモジュール２６００は、本説明において説明した原理を用い、より高い電圧における動作を達成し、可能であれば、より高い出力密度、コンパクトなサイズ、耐久性、より高い効率という他の利点も達成する。第１のＴＥ素子２６０１は、第１の端部シャント２６０３と第２のシャント２６０４との間に挟まれる。反対の導電型の第２のＴＥ素子２６０２は、第２のシャント２６０４と第３のシャント２６０５との間に挟まれる。このパターンは、最後の端部シャント２６０６まで続く。電流２６０７は、矢印２６０８および２６０９によって示されるように、ＴＥモジュールを通り、第１の端部シャント２６０３から出て、最後の端部シャント２６０６に流れ込む。間隙２６１１は、隣接するシャント間の電気接続を防止し、熱伝導を低減する。一つの実施形態において、第１の端部シャント２６０３および最後の端部シャント２６０６は、電極面２６１２を有する。他のシャントはシャント面２６１４を有し、シャント面２６１４は、シャントの本体から熱伝導するが、電気的には絶縁する。
【０１８３】
動作時、適切な電流２６０８がＴＥモジュール２６００を通過し、上面を加熱し、下面を冷却する（またはその逆）。図２６Ａに示されるＴＥモジュール２６００は、５つのＴＥ素子および６つのシャントからなる。有利なことに、図示されているように、シャントで交互に離隔される任意の奇数のＴＥ素子を用いることができる。さらに、２つ以上のＴＥ素子（図１８に関して説明したものと同種のＴＥ素子）が、シャントの各対の間で並列に接続されてもよい。１つの面の電気絶縁部分に電力を閉じ込めるためなどの別の機能性を達成するために、偶数のＴＥを用いることができる。
【０１８４】
ＴＥモジュール２６００のアレイ２６２０が、図２６Ｂに示される。図２６Ｂは、図２６Ａにした形式であり、第１の側のシャント２６０４同士の間に挟まれた中央熱伝達部材２６３５に関し、互いの上に積み重ねられる２つのＴＥモジュール２６００を示す。外側熱伝達部材２６３２および２６３６は、第２の側のシャント２６０５と熱接触される。シャントおよび熱伝達部材はまた、例えば、図１４および図１５に示されたタイプなどの任意の他の適切なタイプであってもよい。第１のＴＥモジュールの第１の端部シャント２６０３は、外側熱伝達部材２６３２に電気的に接続される。同様に、第１または上部ＴＥモジュールの他端のシャント２６０６は、中央熱伝達部材２６３５に電気的に接続される。同様に、第２のＴＥモジュールの第２の端部シャント２６０６ａは、中央熱伝達部材２６３５に電気的に接続され、図２６Ｂの底部で第２のＴＥモジュールの第１の端部シャント２６０３ａは、外側熱伝達部材２６３６に電気的に接続される。端部シャント２６０３、２６０６、２６０６ａ、および２６０３ａ以外の他のシャント２６０４、２６０５は、熱伝導性の電気絶縁体２６１２を有する。さらに、図２６Ａの配置の場合のように、シャントは、互いに電気的に絶縁するために、間隙２６１１を有する。電流は、矢印２６２８、２６２９、２６３０、２６３１および２６３７によって示される。示されているように、ＴＥ素子２６０１、２６０２は、導電型が交互に配置される。
【０１８５】
適切な電流がアレイ２６２０を通り抜けるとき、第２の側のシャント２６０５および外側熱伝達部材２６３２および２６３６が加熱される。第１の側のシャント２６０４および中央熱伝達部材２６３５は、冷却される。逆向きの電流の場合には、逆になる。ＴＥ素子２６０１、２６０２の寸法および数を調整することによって、対応する電圧と共に、動作電流を調整することができる。同様に、出力密度を調整することができる。より多数のシャントおよびＴＥ素子を用い、図２６Ｂに示される構成より広くすることも可能であることに留意すべきである。さらに、さらなるＴＥモジュール２６００を垂直方向に積み重ねることも可能である。さらに、図２６Ｂの平面へのそのようなスタックのアレイまたは図２６Ｂの平面から出るそのようなスタックのアレイを形成することが可能であり、上記の任意の組み合わせを用いることも可能である。適切なアレイでは、米国特許第６，５３９，７２５号の記載に従って、熱伝達または作動流体の流れの方向における熱絶縁の原理を用いることが可能である。
【０１８６】
図２６ＡのＴＥモジュール２６００に類似のタイプのＴＥモジュール２７００の別の実施形態が、図２７に示されている。端部シャント２７０５、２７０４は、電源２７２０および接地用導体２７０９に電気的に接続される。ＴＥ素子２７０１、２７０２は、一連のシャント２７０３、２７０４、２７０５、２７０６の間に電気的に接続される。この実施形態において、すべてのシャント２７０３、２７０４、２７０５、２７０６は、絶縁体２７１１によって第１の熱伝達部材２７０８および第２の熱伝達部材２７０７から電気的に絶縁される。シャントは、熱伝達部材２７０７、２７０８と良好な熱接触にある。第１の側の熱伝達部材２７０８は、矢印２７１２によって示される方向に移動する。第２の側の熱伝達部材２７０７は、矢印２７１０によって示される逆方向に移動することが有利である。
【０１８７】
適切な電流がＴＥモジュール２７００に印加されると、第２の側の熱伝達部材２７０７が冷却され、第１の側の熱伝達部材２７０８が加熱される。動作は、図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、および７Ｄの説明に関連した動作に類似している。第１の熱伝達部材２７０８および第２の熱伝達部材２７０７は、図２７から推察されるように、矩形形状である必要はなく、ディスク形状または図７Ａに説明した形状などの任意の他の好都合な形状であってもよいことに留意すべきである。効率的な設計では、ＴＥモジュール２７００は、米国特許第６，５３９，７２５号に述べられているような熱絶縁に関連する性能という利点も達成することができる。
【０１８８】
別の実施形態において、熱伝達構成要素２７０７および２７０８は、移動しない。そのような構成では、ＴＥモジュール２７００は、図１に示された標準的なモジュールと類似であるが、高い出力密度で動作することができ、比較的薄いＴＥ素子２７０１、２７０２を用いることができる点で相違する。ＴＥモジュール２７００は、ＴＥ素子２７０１、２７０２に低いせん断応力を誘発することが有利である。このせん断応力は、たとえば、第１の側のシャントと第２の側のシャントとの間の熱膨張の差によって生成される。せん断応力はＴＥ素子２７０１、２７０２を横切る温度差によってＴＥモジュール２７００に生成され、幅の寸法に比例することから、せん断応力はモジュール全体の幅に比例し、標準的なＴＥモジュールのせん断応力よりはるかに小さくなり得る。相違を、図１２を図１に示される標準的なモジュールと比較することで見て取ることができる。図１２の構成におけるものと同一の寸法の３つ以上のＴＥ素子を備えた標準的なモジュールは、不都合なほど高いせん断応力を示す。そのような応力は、熱サイクルの耐久性およびモジュールのサイズを制限する。
【０１８９】
図２７はまた、本明細書に記載された実施形態が発電にも、どのように用いることができるかを示すよい例を提供する。そのような構成では、電力を負荷に提供するために、端子２７０９、２７２０が、電源ではなく負荷に接続される。熱伝達部材２７０８、２７０７は、温度勾配の形で熱出力を提供する。第１の熱伝達部材２７０８と第２の熱伝達部材２７０７との間の温度勾配により、熱電システム２７００は、端子２７０９、２７２０に電流を生成する。端子２７０９、２７２０は今度は、負荷または電力貯蔵システムに接続されることになる。したがって、システム２７００は、発電装置として動作可能である。この詳細に示される他の構成はまた、温度勾配を用い、電流を誘導することによって、発電システムを提供する類似の態様に連結することも可能である。
【０１９０】
気体作動流体２８１０および液体作動流体２８０６を用いるＴＥ熱伝達システム２８００が、図２８に示される。この実施形態において、第１の側のシャント熱交換器２８０３は、図２４Ａおよび図２４Ｂに示される構成からなる。シャント熱交換器２８０３は、気体作動流体２８１０によって熱出力を伝達する。この実施形態において、第２の側のシャント熱交換器２８０４、２８０５は、液体作動媒体２８０６によって熱出力を伝達する。対向する導電型からなる複数のＴＥ素子２８０１は、第２の側のシャント２８０４、２８０５とシャント熱交換器２８０３との間に挟まれる。第２の側のシャント熱交換器２８０４、２８０５は同様に、交互に配置される導電型からなるＴＥ素子２８０１同士の間に挟まれる。電流２８１２、２８１３は、矢印２８１２、２８１３によって表されるように、システム２８００の中を流れる。この実施形態において、管２８１４、２８１５が、液体作動媒体２８０６を１つのシャント熱交換器２８０４、２８０５から次のシャント熱交換器に流す。
【０１９１】
ＴＥ熱伝達システム２８００の動作は、図２４Ｂの説明の動作に類似であり、一方の作動流体２８１０が気体であり、他方の作動流体２８０６が液体である点が異なる。米国特許第６，５３９，７２５号に記載のとおりの熱絶縁の利点は、やはりシステム２８００に示される設計の場合にも達成される。
【０１９２】
図２９は、シャント熱交換器２９００の詳細を示す。アセンブリは、きわめて優れた熱伝導材料から構成される容器２９０１と、きわめて優れた導電性材料から構成される電極２９０２と、容器２９０１の上面および底面と良好な熱接触状態にある熱伝達フィン２９０５および２９０６と、を有することが有利である。一つの実施形態において、容器２９０１および電極２９０２は単一の材料から構成され、一体構成も可能である。容器２９０１の底面と電極２９０２との間の境界面２９０４は、きわめて低い電気抵抗を有することが有利である。流体２９０９は、シャント熱交換器２９００を通り抜ける。
【０１９３】
動作中、ＴＥ素子（図示せず）は、電極２９０２の上部および底部に電気的に接続される。適切な電流がＴＥおよび電極２９０２を介して印加されるときに、容器２９０１およびフィン２９０５、２９０６が加熱または冷却される。シャント熱交換器２９００中を流れる作動流体２９０９が、熱交換器２９００によって加熱または冷却される。シャント熱交換器２９００の導電率は充分に優れており、寄生損失に大きく寄与しないことが有利である。電極２９０２を通る電流経路を最小限に抑え、電流経路全体にわたる導電率を最大限にし、電極２９０２の断面積を増大させることによって、そのような損失を小さくすることができる。
【０１９４】
容器２９０１の上面および底面、ならびにフィン２９０５および２９０６は、電流の方向に充分な導電率を提供し、図４Ｂの実施形態に示されているように、固体電極本体２９０２の断面積を小さくすることができ、あるいは固体電極本体２９０２を完全に排除することができる。
【０１９５】
ヒートシンクおよび流体システム３０００が、図３０に示される。交互に配置される導電型からなるＴＥ素子３００１が、流体熱交換器３００４同士の間に点在され、各流体熱交換器３００４は、シャント部分３００３およびシャント３００２および３００５を有する。電流３００６、３００７は、シャント部分３００３、シャント３００２および３００５、ＴＥ素子３００１を通って流れる。作動流体３００９は、矢印によって示すように流れる。ヒートシンク３０１０はシャント３００２と良好な熱接触にあり、かつシャント３００２から電気的に絶縁されており、ヒートシンク３０１１はシャント３００５と良好な熱接触にあり、かつシャント３００５から電気的に絶縁されている。金属またはそうでない場合には導電性のヒートシンク３０１０、３０１１を用いた実施形態では、充分な熱伝導率を有することが有利である電気絶縁体３００８、３０１２が、示された回路経路に電流３００１、３００７を閉じ込める。
【０１９６】
適切な電流３００６、３００７が印加されるときに、熱出力は、作動流体３００９からヒートシンク３０１０、３０１１に伝達される。シャント熱伝達部材３００４は互いに熱絶縁されているため、この実施形態では熱絶縁による性能の向上が達成される。
【０１９７】
別のシャント熱交換器の実施形態３１００が、図３１Ａに示される。シャント部分３１０１は、ＴＥ素子（図示せず）への接続のための電極３１０２と、フィンなどの熱交換器３１０３と良好な熱接触状態にある熱伝達延在部３１０８と、を有する。流体３１０７は、熱交換器３１０３を通り抜ける。
【０１９８】
シャント熱交換器３１００は、熱伝達延在部３１０８同士の間の略中心に配置された電極３１０２を有することが好ましい。この実施形態において、熱出力は、２つの方向においてＴＥアセンブリに流れ込んでＴＥアセンブリから流れ出ることができるため、図２４Ａに示される実施形態に比べて、ＴＥ素子当たり約２倍の熱伝達力に増大することができる。シャント側は、たとえばヒートパイプ、対流熱の流れを組み込むことによって、または熱伝達を向上する任意の他の方法を用いることによって、熱伝達特性を向上してもよい。
【０１９９】
図３１Ｂは、シャント３１１１と、電極３１１２と、流入流体ポート３１１３、３１１４および流出流体ポート３１１５、３１１６とを備えた熱伝達シャント・アセンブリ３１１０を示す。熱伝達シャント・アセンブリ３１１０は、図２９に示されるシステムより、ＴＥ素子当たりの熱伝達力を増大させることができ、より多くの流体輸送能力を有することができる。
【０２００】
図３１Ｃは、シャント部材３１２１と、電極３１２２と、熱交換面３１２３、３１２４とを有するシャント・アセンブリ３１２０を示す。シャント・アセンブリ３１２０は、図２６Ａおよび図２６Ｂに示される実施形態に比べて、ＴＥ素子当たり約２倍の熱伝達力を有することができる。しかし、図２６Ａおよび図２６Ｂに示される用途とは対照的に、シャント・アセンブリ３１２０のスタックは、互いに対して略直角で交互に配置され、互いに対向する面３１２３、３１２４はいずれもたとえば加熱され、加熱された対に対して略直角であるスタックの次の対の面が冷却される。あるいは、面３１２３、３２１４は、１２０°などの他の角度であってもよく、図２６に示されるようにシャント２６０４と相互に点在してもよい。多面シャントの任意の組み合わせは、本発明の一部である。
【０２０１】
熱電材料の削減は相当劇的でありうることに留意すべきである。たとえば、本明細書で説明した熱電素子は、１つの一般的な実施形態では５ミクロン〜１．２ｍｍ程度に薄くてもよい。図３１Ａ〜図３１Ｃ、図２６Ａ〜図２６Ｂおよび図２７の実施形態を用いて実現可能であるような超格子構成およびヘテロ構造構成の場合には、熱電素子は２０ミクロン〜３００ミクロンの厚さであってもよく、２０ミクロン〜２００ミクロンであればさらに好ましく、２０ミクロン〜１００ミクロンではさらに一層好ましい。別の実施形態において、熱電素子の厚さは、１００ミクロン〜６００ミクロンである。熱電素子に関するこれらの厚さは、従来の熱電システムより実質的に薄い。
【０２０２】
記載した構成はＴＥ素子をアレイまたはモジュールに組み立てる必要はないことに留意すべきである。一部の用途では、ＴＥ素子は、熱伝達部材に直接取り付けることが有利であり、それによりシステムの複雑さおよびコストが削減される。上記の特徴は、本発明を逸脱することなく好都合な態様で組み合わせてもよいことも留意すべきである。さらに、ＴＥ素子が類似のサイズであるかのようにさまざまな図面で示されているが、ＴＥ素子はアレイまたはスタックにわたってサイズが変化してもよく、最終的なＴＥ素子タイプはＰ型ＴＥ素子とは異なるサイズおよび形状であってもよく、いくつかのＴＥ素子はヘテロ構造であり、他のＴＥ素子は非ヘテロ構造に設計されてもよいことに留意すべきである。
【０２０３】
一般に、これらの図面に記載されたシステムは、冷却／加熱モードおよび発電モードの両方で動作する。冷却、加熱または発電のための性能を最適化するために、特定の変更を行うことができることが有利である。当業界では公知であるように、発電において高い効率を達成するために、たとえば、大きな温度差（２００〜２０００°Ｆ）が望ましいのに対し、小さな温度差（１０〜６０°Ｆ）は冷却システムおよび加熱システムの特性である。大きな温度差には、異なる構成材料、可能であれば異なる設計寸法および材料からなるＴＥモジュールおよびＴＥ素子が必要である。しかし、異なる動作モードに関して基本的概念は依然として同じままである。図５、図８および図９に記載される設計は、簡単かつ簡素に、かつ低コストの設計を作成する可能性を提供することから、発電に好都合である。しかし、上述の設計はすべて、特定の発電用途に関して利点を有することができ、考慮しないわけにはいかない。
熱電発電システム
本明細書に記載される特定の実施形態は、技術水準の材料技術を最適化された熱管理とともに取り入れてなる新規な熱電発電機（ＴＰＧ）システムを提供する。本明細書に記載される特定の実施形態の数値モデルからの結果が、システムの動作を模擬でき、その設計を促進する。先進の多数パラメータの勾配ベースの最適化技法も、本明細書に記載の特定の実施形態に従って最適なＴＰＧシステムの設計に向かって前進するために、種々の設計変数およびパラメータの間の相互作用をよりよく理解するために使用することができる。
【０２０４】
本明細書に記載の特定の実施形態においては、システムが、セグメント型一連の熱電（ＴＥ）素子（例えば、それぞれのＴＥ素子が最大３つの異なる材料を含む）を備える。特定の実施形態は、好都合には、作動流体の流れの方向の熱絶縁を、熱伝達装置へと直接的に統合された高い出力密度のＴＥ材料に組み合わせる。電流が、特定の実施形態においては熱源およびシンクの表面に平行に流れ、ＴＥ材料の多数の幾何学的自由度への統合を好都合に可能にする。この設計の属性が熱絶縁の熱力学的サイクルに組み合わせられる特定の実施形態においては、システムが、システムのそれぞれのＴＥ素子を半独立に最適化することを好都合に可能にする。特定の実施形態においては、Ｐ型およびＮ型のＴＥ素子のそれぞれが、それぞれのＴＥ素子のＴＥ材料層が動作時にＴＥ層へと加わる温度範囲において充分に高い（例えば、可能な限り最高であり、あるいは所望の効率をもたらすために充分に高い）性能指数（ＺＴ）の値を有するように選択されるさまざまなアスペクト比を有することができる。本明細書に記載される特定の実施形態の高い設計の柔軟性は、通常は性能を低下させるセグメント型ＴＥ素子および流体の流れに関係するＴＥ材料の適合性の問題に対処するうえで、好都合に役に立つ。さらに、熱膨張の不一致の影響を除去しつつ、優秀な熱的および電気的接触を依然として維持することが、本明細書に記載の特定の実施形態によって好都合に達成される。さらに、電気および熱コネクタの設計ならびに界面の抵抗の最小化など、さらなる設計上の考慮事項が、ＴＥシステムの設計を最適化するために、本明細書に記載の特定の実施形態において選択される。特定の実施形態のシステムは、排熱の回収および電源の両方の用途に適している。
【０２０５】
発電のために熱電気を有用に使用する可能性は、近年において大幅に高まっている。１よりも大幅に大きい性能指数（ＺＴ）を有する新規なより高温の材料の進歩が、Ｍｉｃｈｉｇａｎ  Ｓｔａｔｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（例えば、Ｋ．Ｆ．Ｈｓｕらの「Ｃｕｂｉｃ  ＡｇＰｂｍＳｂＴｅ２＋ｍ：Ｂｕｌｋ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  Ｍｅｒｉｔ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第３０３巻、２００４年２月６日、８１８−８２１頁を参照）およびＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＭＩＴ）のＬｉｎｃｏｌｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（例えば、Ｔ．Ｃ．Ｈａｒｍａｎらの「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第２９７巻（２００２年）、２２２９−２２３２頁を参照）などの場所で開発中である。さらに、Ｊｅｔ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＪＰＬ）が、材料のセグメント化の考え方の開発において大きな成功を収めている（例えば、Ｔ．Ｃａｉｌｌａｔらの「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｕｎｉｃｏｕｐｌｅｓ」、２０ｔｈ  Ｉｎｔ’ｌ  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ｂｅｉｊｉｎｇ、Ｃｈｉｎａ、２００１年、２８２−２８５頁を参照）。
【０２０６】
一方で、ＢＳＳＴ，  Ｉｎｃ．が、流れの方向における熱絶縁の利益を実証している（例えば、Ｌ．Ｅ．Ｂｅｌｌの「Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｉｍｐｒｏｖｅ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」、２１ｓｔ  Ｉｎｔ’ｌ  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ｌｏｎｇ  Ｂｅａｃｈ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、２００２年、４７７−４８７頁、およびＲ．Ｗ．Ｄｉｌｌｅｒらの「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｒｅｓｕｌｔｓ  Ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ」、２１ｓｔ  Ｉｎｔ’ｌ  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ｌｏｎｇ  Ｂｅａｃｈ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、２００２年、５４８−５５０頁を参照）。これらの利益は、改善されたＨＶＡＣ性能係数（ＣＯＰ）、ならびに従来のＴＥベースの発電機設計の約１／６のＴＥ材料の使用しか必要としない高い出力密度の設計を含むことができる（例えば、Ｌ．Ｅ．Ｂｅｌｌの「Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」、２３ｒｄ  Ｉｎｔ’ｌ  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ａｄｅｌａｉｄｅ、Ａｕｓｔｒａｌｉａ、２００４年を参照）。
【０２０７】
本明細書に記載の特定の実施形態は、これらの発展を踏まえており、熱電気を使用して熱源から抽出できる電力の量をさらに増すために、さらなる設計の革新を利用する。特定の実施形態は、高い出力密度の考え方に好都合に組み合わせられる（例えば、Ｌ．Ｅ．Ｂｅｌｌの「Ａｌｔｅｒｎａｔｅ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ  Ｃｙｃｌｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ」、２２ｎｄ  Ｉｎｔ’ｌ  Ｃｏｎｆ  ｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ｈｅｒａｕｌｔ、Ｆｒａｎｃｅ、２００３年を参照）。
【０２０８】
図３２は、本明細書に開示の特定の実施形態による典型的な熱電システム３２００の一部分を概略的に示している。特定の実施形態においては、図３２によって概略的に示されている構成が、さらに詳しく後述されるとおり、さまざまな利益を好都合にもたらす。特定の実施形態においては、図３２によって概略的に示される構成が、種々の厚さ、面積、および熱膨張係数のＴＥ素子により容易に対応する。さらに、この構成は、高い出力密度の材料、高い出力密度の動作をもたらすように寸法付け螺得たＴＥ素子、およびの作動流体の流れの方向における熱絶縁の使用にも対応する。
【０２０９】
熱電システム３２００は、互いに電気的に連絡した第１の複数のセグメント３２１２を備える第１の熱電素子３２１０を備える。さらに、熱電システム３２００は、互いに電気的に連絡した第２の複数のセグメント３２２２を備える第２の熱電素子３２２０を備える。さらに、熱電システム３２００は、少なくとも第１の部位３２３２および第２の部位３２３４を備える熱伝達装置３２３０を備える。第１の部位３２３２が、第１の熱電素子３２１０と第２の熱電素子３２２０との間に挟まれている。第２の部位３２３４は、第１の部位３２３２から離れるように突き出しており、作動媒体（図示されていない）に熱的に連絡するように構成されている。
【０２１０】
特定の実施形態においては、第１の複数のセグメント３２１２のうちの少なくともいくつかが、互いに直列に電気的に連絡し、第２の複数のセグメント３２２２のうちの少なくともいくつかが、互いに直列に電気的に連絡する。特定の実施形態においては、第１の複数のセグメント３２１２のうちの少なくともいくつかが、互いに直列／並列に電気的に連絡し、第２の複数のセグメント３２２２のうちの少なくともいくつかが、互いに直列／並列に電気的に連絡する。
【０２１１】
図３２は、３つの熱伝達装置３２３０を第１のＴＥ素子３２１０および第２のＴＥ素子３２２０によって隔てて備える例としてのスタックを概略的に示している。いくつかの別の実施形態は、複数のＴＥ素子（交互のＰ型およびＮ型のＴＥ素子）および熱伝達装置を備える少なくとも１つのスタックを備えており、熱伝達装置が、複数のＴＥ素子のうちの少なくとも２つのＴＥ素子の間に挟まれている。
【０２１２】
特定の実施形態の熱伝達装置３２３０は、第１のＴＥ素子３２１０から第２のＴＥ素子３２２０への電気的経路をもたらして、電流源からの電流が第１のＴＥ素子３２１０、熱伝達装置３２３０、および第２のＴＥ素子３２２０を直列に横切るように、ＴＥのｐ−ｎ対を完成させている。そのような特定の実施形態においては、電流が、第１の複数のセグメント３２１２を直列に横切り、第２の複数のセグメント３２２２を直列に横切る。
【０２１３】
さらに、特定の実施形態の熱伝達装置３２３０は、作動流体からＴＥ素子３２１０、３２２０への熱の経路をもたらす。図３２によって概略的に示されている構成においては、電流が熱源およびシンクの表面に平行に流れるため、ＴＥ材料を多数の幾何学的自由度に融合させることができる。特定の実施形態においては、熱伝達装置３２３０が、ＴＥ素子のうちの少なくともいくつかを、ＴＥ素子のうちの少なくとも別のいくつかから熱的に絶縁する。特定の実施形態においては、複数の熱伝達装置３２３０が、作動媒体の流れの方向に熱絶縁をもたらすように配置される。
【０２１４】
特定の実施形態においては、熱伝達装置３２３０の第２の部位３２３４が、少なくとも１つの方向（例えば、作動媒体の移動方向におおむね沿った方向）において、熱伝達装置３２３０の第１の部位３２３２よりも幅広い。特定の実施形態においては、第２の部位３２３４が、作動媒体に熱的に連絡するように構成されたおおむね平坦な表面である。
【０２１５】
特定の実施形態においては、スタックが、複数の第１の熱伝達装置および複数の第２の熱伝達装置を備えており、第１および第２の熱伝達装置が、スタックに沿って交互に位置している。第１の熱伝達装置が、第１の方向に突き出しており、第２の熱伝達装置が、第１の方向とは異なる第２の方向に突き出している。第２の方向は、特定の実施形態においては、図３２によって概略的に示されているとおり第１の方向とおおむね反対である。特定の実施形態においては、第１の熱伝達装置が、第１の作動媒体（例えば、流れている第１の作動流体）に熱的に連絡するように構成され、第２の熱伝達装置が、第１２の作動媒体（例えば、流れている第２の作動流体）に熱的に連絡するように構成されている。
【０２１６】
特定の実施形態においては、第１の部位３２３２と第１の部位３２３２から離れるように突き出している第２の部位３２３４とを有している熱伝達装置３２３０が、矩形の形状の熱伝達装置を超える１つ以上の利益をもたらす。熱伝達装置３２３０の電気抵抗および重量を小さくするため、第１の部位３２３２の電流の流れの方向の厚さを、好都合に最小化することができる。さらに、電流の流れの方向におおむね垂直な平面における第１の部位３２３２の寸法を、ＴＥ素子３２１０、３２２０への充分な電気および熱伝導をもたらすように、好都合に最適化することができる。作動流体の流れの方向に沿った第２の部位３２３４の表面積および／または厚さを、熱源またはヒートシンクと熱伝達装置３２３０の第１の部位３２３２との間により大きな熱の通路をもたらして熱抵抗が大きくならないようにするために、好都合に増すことができる。また、第２の部位３２３４が、スタックにおおむね沿う方向において幅広く、スタックにおおむね垂直な方向において短いことも、好都合である。第２の部位３２３４をスタックにおおむね垂直な方向において短く保つことは、熱源またはヒートシンクからＴＥ素子の表面への熱抵抗を好都合に小さくする。重量、構造的な安定性、ＴＥの表面積、および界面における温度勾配を、それぞれ、熱伝達装置３２３０の最終寸法の設計において考慮することができる。
【０２１７】
特定の実施形態においては、第１の複数のセグメント３２１２が、２つ、３つ、または４つ以上の異なる熱電材料を含む。特定の実施形態においては、第２の複数のセグメント３２２２が、２つ、３つ、または４つ以上の異なる熱電材料を含む。例えば、図３２に示されているように、第１の複数のセグメント３２１２が、異なるＴＥ材料（例えば、それぞれｐ−ＣｅＦｅ３ＲｕＳｂ１２、ｐ−ＴＡＧＳ、およびｐ−Ｂｉ２Ｔｅ３）からなる３つのＰ型セグメント３２１２ａ、３２１２ｂ、３２１２ｃを有し、第２の複数のセグメント３２２２が、３つのＮ型セグメント３２２２ａ、３２２２ｂ、３２２２ｃを有する（例えば、それぞれｎ−ＣｏＳｂ３、ｎ−ＰｂＴｅ、およびｎ−Ｂｉ２Ｔｅ３）。図３２においては、第１のＴＥ素子３２１０が、高温端が左側である水平方向の温度勾配に曝され、第２のＴＥ素子３２２０が、高温端が右側である水平方向の温度勾配に曝される。さらに詳しく後述されるとおり、ＴＥ材料をセグメントに分けることによって、特定の実施形態のＴＥ素子を、ＴＥ素子全体のうちのそれぞれのＴＥ素子の材料の特性をＴＥ素子全体にわたる動作温度勾配または温度プロファイルに一致させることによって、ＴＥ素子について意図される動作温度範囲にわたってより高い平均ＺＴをより良好に達成するように、設計することができる。
【０２１８】
ＴＥ素子のエネルギー変換効率は、一般に、ＴＥ素子の平均の無次元の性能指数ＺＴが増すにつれて、大きく向上する。図３３Ａおよび３３Ｂが、本明細書に記載の特定の実施形態に適合する種々のＰ型およびＮ型の熱電材料のそれぞれについて、性能指数（ＺＴ）を温度の関数として示している。材料は、所与の温度における材料の性能の効率を決定する１つ以上の熱電特性の組を有することができ、性能指数は、１つ以上の熱電特性の組の特徴を示す典型的なパラメータである。
【０２１９】
例えば、低い温度（例えば、１５０℃未満）においては、Ｂｉ２Ｔｅ３が、Ｐ型およびＮ型の両方のＴＥ材料について最も高いＺＴを有している。中間的な温度（例えば、１５０〜５００℃）においては、ＴＡＧＳが最適なＰ型材料であり、Ｚｎ４Ｓｂ３が、このおおよその温度範囲におけるもう１つの選択肢である。ＰｂＴｅが、Ｎ型材料について、この同じおおよその温度範囲において高いＺＴを有している。より高い温度範囲（例えば、５００〜７００℃）においては、スクッテルド鉱（例えば、ｐ−ＣｅＦｅ４ＳＢ１２、ｎ−ＣｏＳｂ３）が、高いＺＴを有している。本明細書に記載される特定の実施形態は、材料および／または材料の組み合わせが使用の温度範囲にわたって充分に高い（例えば、可能な限り最高、あるいは所望の効率をもたらすために充分に高い）平均ＺＴをもたらしているＴＥ素子を使用する。
【０２２０】
ＴＥ材料の特性の例として、図３４が、ヨウ素で種々のレベルにドープされた３つの異なる組成のテルル化鉛（Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３で指し示されている）について、性能指数ＺＴを温度の関数として示している。図３４は、１つの材料が１００℃〜５７０℃の温度の範囲の全体にわたって最高のＺＴを有するわけではないことを示している。組成Ｍ１が、約１００℃〜約３３５℃の温度において最高のＺＴを有し、組成Ｍ２が、約３３５℃〜約４５５℃の温度において最高のＺＴを有し、組成Ｍ３が、約４５５℃〜約５７０℃の温度において最高のＺＴを有している。ＴＥ素子が１００℃〜５７０℃にわたっていずれか１つの組成で製造される場合、平均のＺＴは、３つの組成のすべてから製造され、各組成またはＴＥセグメントが当該組成またはＴＥセグメントが３つの組成のうちの最高のＺＴを有する範囲の温度に曝されるように適切に構成されている素子の平均のＺＴに比べ、大幅に低くなるであろう。図３４は、ヨウ素でドープされたテルル化鉛の種々の組成に対応しているが、他のＴＥ材料およびドーパントも、本明細書に記載される種々の実施形態に適合する（例えば、図３３Ａおよび３３Ｂを参照）。
【０２２１】
特定の実施形態においては、第１および第２のＴＥ素子３２１０、３２２０のうちの一方が、Ｐ型のＴＥ素子からなり、第１および第２のＴＥ素子３２１０、３２２０のうちの他方が、Ｎ型のＴＥ素子からなる。そのような特定の実施形態においては、第１および第２のＴＥ素子３２１０、３２２０のセグメントの異なるＰ型およびＮ型のＴＥ材料が、第１および第２のＴＥ素子３２１０、３２２０のセグメントの意図される動作温度範囲にわたって、充分に高い（例えば、可能な限り最高、あるいは所望の効率をもたらすために充分に高い）平均ＺＴをもたらすように選択される。
【０２２２】
例えば、第１の複数のセグメント３２１２が、異なる材料からなる少なくとも第１のＴＥセグメントおよび第２のＴＥセグメントを含む。熱電システム３２００を、特定の実施形態においては、第１のＴＥセグメントが第１の温度範囲に曝され、第２のＴＥセグメントが第２の温度範囲に曝されるように、動作するように構成することができる。第１のＴＥセグメントが、第１の温度範囲において第２の温度範囲よりも効率的に動作する。第２のＴＥセグメントが、第２の温度範囲において第１の温度範囲よりも効率的に動作する。
【０２２３】
図３２のシステム３２００を参照すると、特定の実施形態においては、第１のＴＥ素子３２１０が、異なる材料からなる３つのＴＥセグメント３２１２ａ、３２１２ｂ、３２１２ｃを備える。システム３２００が、第１のＴＥセグメント３２１２ａが第１の温度範囲に曝され、第２のＴＥセグメント３２１２ｂが第２の温度範囲に曝され、第３のＴＥセグメント３２１２ｃが第３の温度範囲に曝されるように、動作するように構成される。第１のＴＥセグメント３２１２ａが、第１の温度範囲において、第２または第３の温度範囲よりも効率的に動作する。第２のＴＥセグメント３２１２ｂが、第２の温度範囲において、第１または第３の温度範囲よりも効率的に動作する。第３のＴＥセグメント３２１２ｃが、第３の温度範囲において、第２または第３の温度範囲よりも効率的に動作する。
【０２２４】
同様に、特定の実施形態においては、第２の複数のセグメント３２２２が、第１の温度範囲に曝される第１のＴＥセグメントおよび第２の温度範囲に曝される第２のＴＥセグメントを少なくとも含んでおり、第１および第２のＴＥセグメントは、異なる材料からなっている。第１のＴＥセグメントが、第１の温度範囲において第２の温度範囲よりも効率的に動作する。第２のＴＥセグメントが、第２の温度範囲において第１の温度範囲よりも効率的に動作する。図３２を参照すると、特定の実施形態において、第２のＴＥ素子３２２０は、異なる材料からなる３つのＴＥセグメント３２２２ａ、３２２２ｂ、３２２２ｃを備えており、第１のＴＥセグメント３２２２ａが第１の温度範囲に曝され、第２のＴＥセグメント３２２２ｂが第２の温度範囲に曝され、第３のＴＥセグメント３２２２ｃが第３の温度範囲に曝されるように、動作するように構成されている。第１のＴＥセグメント３２２２ａが、第１の温度範囲において、第２または第３の温度範囲よりも効率的に動作する。第２のＴＥセグメント３２２２ｂが、第２の温度範囲において、第１または第３の温度範囲よりも効率的に動作する。第３のＴＥセグメント３２２２ｃが、第３の温度範囲において、第２または第３の温度範囲よりも効率的に動作する。
【０２２５】
特定の実施形態においては、これらに限られるわけではないが熱的安定性、機械的安定性、およびコストなどといったさまざまな他の因子も、動作温度の関数として使用すべきＴＥ材料を選択する際に、考慮することができる。さらに詳しく後述されるとおり、本明細書に記載の特定の実施形態に適合できるＴＥ素子の設計における他の因子は、個々の素子セグメントが大きく異なる電流密度において効果的に機能する場合に、適合性不一致が最適な出力にもたらす影響である（例えば、Ｊ．Ｇ．Ｓｎｙｄｅｒの「Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ」、Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｍａｃｒｏ  ｔｏ  Ｎａｎｏ、Ｄ．Ｍ．Ｒｏｗｅ，ｐＨ．Ｄ．，Ｄ．Ｓｃ編（２００６年）を参照）。
【０２２６】
ＴＥ材料の出力曲線は、電流が増すにつれておおむね放物線である。異なるＴＥ材料が一緒に使用されているセグメント型ＴＥ素子においては、ＴＥ素子および／またはセグメントの出力曲線が、大きく異なる電流密度にて最適な出力の発生を有する可能性がある。出力曲線におけるこれらの相違が、セグメント型ＴＥ素子の全体としての効率を下げてしまう可能性がある。
【０２２７】
それぞれのＴＥ素子の温度が相違する（例えば、一連のＴＥ素子が作動流体の流れの方向に組み上げられている）特定の実施形態においては、そのような出力曲線の適合性の不一致の影響が大きくなりうる。図２５が、高温側の温度Ｔｈが７００Ｋから５００Ｋへと低下する場合について、流れの方向に直列に構成された３つのＴＥ素子の間の出力曲線の適合性の不一致を示している。第１のＴＥ素子は、高温側温度Ｔｈ＝７００Ｋに曝され、第２のＴＥ素子は、高温側温度Ｔｈ＝６００Ｋに曝され、第３のＴＥ素子は、高温側温度Ｔｈ＝５００Ｋに曝される。これら３つのＴＥ素子のそれぞれの低温側温度Ｔｃは、この例では３００Ｋで一定のままである。理想的には、それぞれのＴＥ素子が、ピーク出力を生み出す電流にて動作すると考えられる。しかしながら、３つのＴＥ素子は電気的に直列に接続されているため、それぞれ同じ電流を使用して動作する。第１のＴＥ素子が、１３０Ａに最大出力を有する一方で、この電流において、残りの２つのＴＥ素子の出力は最適でない（例えば、それぞれの最大出力よりも小さい）。とくには、５００Ｋ〜３００Ｋの間で動作している第３の素子は、１３０Ａにおいて出力がゼロである。この例における総ピーク出力は７．６９Ｗであり、個々のＴＥ素子の個々のピーク出力を大きく下回る。他の例では、第３のＴＥ素子の出力が、第１のＴＥ素子の最適電流において負になる可能性があり、第３のＴＥ素子が、他の２つのＴＥ素子からの出力を取り去る可能性がある。
【０２２８】
特定の実施形態においては、ＴＥ素子のフォームファクタまたは形状が、それぞれのＴＥ素子がピーク出力またはピーク効率をもたらす電流にて動作することによって出力がもたらされるように、好都合に選択される。そのような特定の実施形態においては、ＴＥ素子のアスペクト比が、流れの方向において変化させられることで、ＴＥ素子間のＴＥ適合性の不一致の影響を好都合に小さくする。例えば、図３２を参照すると、特定の実施形態において、第１のＴＥ素子３２１０が、第１の方向（例えば、第１のＴＥ素子３２１０を通過する電流の流れの方向）に沿って第１の厚さを有し、第１の方向におおむね垂直な平面において第１の断面積を有する。第２のＴＥ素子３２２０は、第２の方向（例えば、第２のＴＥ素子３２２０を通過する電流の流れの方向）に沿って第２の厚さを有し、第２の方向におおむね垂直な平面において第２の断面積を有する。特定の実施形態においては、第２の厚さが第１の厚さよりも大きい。他の特定の実施形態においては、第１のＴＥ素子３２１０が、第１の断面積の第１の厚さでの割り算に等しい第１のアスペクト比を有し、第２のＴＥ素子３２２０が、第２の断面積の第２の厚さでの割り算に等しい第２のアスペクト比を有する。そのような特定の実施形態において、第２のアスペクト比が、第１のアスペクト比と相違する。例えば、第１のアスペクト比および第２のアスペクト比を、動作状態のもとで第１のＴＥ素子３２１０および第２のＴＥ素子３２２０の両者が最適効率で動作するように選択することができる。
【０２２９】
図３６は、本明細書に記載の特定の実施形態による典型的な装置について、異なるアスペクト比を有する３つのＴＥ素子の間の出力曲線を示している。図３５と同様、図３６の３つのＴＥ素子は、流れの方向に直列に構成され、３つのＴＥ素子の高温側の温度Ｔｈは、それぞれ７００Ｋ、６００Ｋ、および５００Ｋであり、それぞれのＴＥ素子の低温側の温度Ｔｃは、３００Ｋである。図３５の３つのＴＥ素子のそれぞれは、１ｍｍの厚さを有している。図３６においては、第１のＴＥ素子が、１ｍｍの厚さを有し、第２のＴＥ素子が、０．７７ｍｍの厚さを有し、第３のＴＥ素子が、０．５ｍｍの厚さを有している。図３６によって示されるように、直列である第２および第３のＴＥ素子のアスペクト比を変更することで、ＴＥ素子がそれぞれの最大出力を達成する電流が好都合に一致し、装置の全体の出力密度が向上する。図３６の例の装置の総ピーク出力は、１１．５１Ｗであり、図３５の例の装置の出力に対する５０％の改善である。
【０２３０】
図３７は、従来からの構成３７００における１対のセグメント型ＴＥ素子を概略的に示している。従来からの構成３７００は、第１のＴＥセグメント型ＴＥ素子３７１０および第２のＴＥ素子３７２０を有している。第１および第２のＴＥ素子３７１０、３７２０の各々が、導電性かつ熱伝導性のカプラ３７３０の片面へと接続されている。第１のＴＥ素子３７１０は、３つのＰ型セグメント３７１２ａ、３７１２ｂ、３７１２ｃ（例えば、それぞれｐ−ＣｅＦｅ３ＲｕＳｂ１２、ｐ−ＴＡＧＳ、およびｐ−Ｂｉ２Ｔｅ３）を有しており、第２のＴＥ素子３７２０は、３つのＮ型セグメント３７２２ａ、３７２２ｂ、３７２２ｃ（例えば、それぞれｎ−ＣｏＳｂ３、ｎ−ＰｂＴｅ、ｎ−Ｂｉ２Ｔｅ３）を有している。図３７においては、温度勾配は、縦方向であって高温端が上である。
【０２３１】
図３７に概略的に示されているように、従来からのＴＥ構成においては、ＴＥ素子３７１０、３７２０が、それぞれのＴＥ素子３７１０、３７２０が電流の方向において同じ厚さを有するようにＴＥモジュールへと一体化されている。このような従来からのＴＥ構成３７００においては、異なる厚さ、面積、またはアスペクト比を有するＴＥ素子を使用することが、容易ではない。さらに、このような従来からのＴＥ構成３７００は、ＴＥ素子が同じ厚さであるがＴＥ素子を通過する電流の方向におおむね平行な方向において異なる熱膨張係数を有している場合に、制御が困難である。このような熱膨張の不整合は、動作温度がきわめて高くなる可能性がある発電システムにおいて、とくに問題となりうる。対照的に、熱伝達装置３２３０が２つのＴＥ素子３２１０、３２２０の間に挟まれている本明細書に記載される特定の実施形態（例えば、図３２によって概略的に示されている構成）においては、好都合なことに、異なる厚さ、面積、および／またはアスペクト比のＴＥ素子が容易にシステムに取り入れられる。さらに、このような構成は、ＴＥ素子間の熱膨張係数の相違に関連する問題を好都合に軽減または回避する。
【０２３２】
ＴＥ素子の各セグメントの温度が互いに相違する特定の実施形態（例えば、熱源とヒートシンクとの間にＴＥ素子を有している）においては、セグメント間の出力曲線の適合性の不一致が全体としての出力および／または効率にもたらす影響が、大きくなる可能性がある。特定の実施形態においては、そのようなセグメント間の不適合に、ＴＥ素子の各セグメントについて異なるアスペクト比（例えば、断面積を厚さで割り算した値）を好都合に選択することによって、少なくとも部分的に対処することができる。特定の実施形態においては、電流を最適な出力へとより良好に一致させるために、実質的に一様な断面積を保ちつつ各セグメントの厚さを変えることによって、ＴＥ素子の個々のセグメントに異なるアスペクト比を持たせる。他の特定の実施形態においては、セグメントのアスペクト比を、セグメント間で断面積が非一様であるセグメント化されたＴＥ素子を製作することによって、最適化することができる。
【０２３３】
例えば、図３２の典型的なシステム３２００を参照すると、特定の実施形態においては、第１の複数のセグメント３２１２の各セグメントについて、第１のＴＥ素子３２１０を通過する電流の流れの方向に沿った厚さが、第１の複数のセグメント３２１２のうちの残りのセグメントの厚さとは異なる。そのような特定の実施形態において、第２の複数のセグメント３２２２の各セグメントに関して、第２のＴＥ素子３２２０を通過する電流の流れの方向に沿った厚さが、第２の複数のセグメント３２２２のうちの残りのセグメントの厚さとは異なる。特定の実施形態においては、第１の複数のセグメント３２１２の各セグメントが、或るアスペクト比（セグメントの厚さをセグメントの断面積で割り算した値に等しい）を有しており、第１の複数のセグメント３２１２の各セグメントのアスペクト比が、互いに相違している。そのような特定の実施形態においては、第２の複数のセグメント３２２２の各セグメントが、或るアスペクト比（セグメントの厚さをセグメントの断面積で割り算した値に等しい）を有しており、第２の複数のセグメント３２２２の各セグメントのアスペクト比が、互いに相違している。第１の複数のセグメント３２１２の各セグメントのアスペクト比および第２の複数のセグメント３２２２の各セグメントのアスペクト比は、特定の実施形態においては、動作状態のもとで第１の熱電素子３２１０および第２の熱電素子３２２０の両方が最適効率で動作するように選択される。
【０２３４】
図３８が、モデル計算を使用して模擬された３つの異なる構成の平均効率を示している。モデルは、３つのＴＥ素子および２つの熱伝達装置からなるスタックであって、本明細書に記載の特定の実施形態に従って熱伝達装置が作動流体の流れの方向においてＴＥ素子を互いに熱的に絶縁しているスタックについて、３つの異なる構成の性能を模擬している。ＴＥ素子の高温側の温度が、７００℃から３００℃へと変化する一方で、ＴＥ素子の低温側の温度は、１００℃から１５０℃へと変化し、したがって３つのＴＥ素子を横切る温度差は、それぞれ５５０℃、３７５℃、および２００℃であった。
【０２３５】
第１の構成（図３８において「セグメント化無し、アスペクト比一様」と記されている）においては、３つのＴＥ素子のすべてが、ただ１つの材料から製作されており（セグメント化無し）、それぞれのＴＥ素子の材料が、他のＴＥ素子の材料と同じであり（２つがＮ型となるようにドープされ、１つがＰ型となるようにドープされている）、それぞれのＴＥ素子が、同じアスペクト比を有している。第２の構成（図３８において「一様なセグメント化およびアスペクト比」と記されている）においては、ＴＥ素子が、各ＴＥ素子の動作温度範囲において最適なＺＴをより上手く利用するためにセグメント分けされており、２つのＮ型のＴＥ素子は、同じ方法でセグメント化され、３つのＴＥ素子のすべてが、同じアスペクト比を有している。第３の構成（図３８において「非一様なセグメント化およびアスペクト比」と記されている）においては、２つのＮ型のＴＥ素子が、それぞれのＴＥ素子の個々の温度範囲に合わせて異なってセグメント化され、各ＴＥ素子のアスペクト比が、好都合に変えられている。３つの構成にすべてにおいて、ＴＥ素子は、各ＴＥ素子を同じ電流が横切るように電気的に直列に接続されている。
【０２３６】
図３８は、ＴＥ材料の適合性ならびに流れの方向におけるＴＥ素子の適合性ゆえに、第１の構成は第２の構成よりも効率が３５％低く、第２の構成は第３の構成よりも効率が１５％低いことを示している。これらの差は、流れの方向に沿ってより熱的に絶縁されたＴＥ素子において、さらに劇的になる。図３８は、ＴＥ素子の非一様なセグメント化を流れの方向におけるアスペクト比の最適化に組み合わせる本明細書に記載の特定の実施形態によってもたらされる利点を説明している。
【０２３７】
図３２によって概略的に示されている構成を利用する特定の実施形態においては、それぞれのＴＥ素子を、他のＴＥ素子から或る程度独立して最適化することができる。例えば、それぞれのＰ型およびＮ型のＴＥ素子が、各ＴＥ素子の各セグメントがそれぞれの特定の温度範囲において充分に高いＺＴを有するように、異なる断面積および／または厚さを有することができる。
【０２３８】
特定の実施形態においては、好都合には、熱膨張の不一致を、高温の発電用途のための熱電システムを組み立てるべく熱伝達装置およびＴＥ素子を接合するための材料を選択するときに、考慮に入れることができる。本明細書に記載される特定の実施形態においては、熱電システムの種々の部位の間の熱膨張の不一致に起因する熱応力を少なくとも部分的に緩和するために、剛でない接続を利用する。特定の実施形態においては、剛でない接続が、熱伝達装置とＴＥ素子との間の熱膨張の不一致によって引き起こされる厄介事を、好都合に防止する。さらに、特定の実施形態においては、剛でない接続が、セグメント型ＴＥ素子の高温側および低温側の膨脹の不一致を、好都合に保護する。
【０２３９】
そのような特定の実施形態においては、熱電システムが、少なくとも１つの剛でないが熱的および電気的に伝導性である接続をもたらすために、少なくとも１つのＴＥ素子と少なくとも１つの隣接の熱伝達装置との間の１つ以上の液体金属ジョイントを備える。例えば、図３２によって概略的に示されている熱電システム３２００が、第１のＴＥ素子３２１０および熱伝達装置３２３０に熱的および電気的に連絡した第１の液体金属ジョイントと、熱伝達装置３２３０および第２のＴＥ素子３２２０に熱的および電気的に連絡した第２の液体金属ジョイントとを備えることができる。このジョイントは、室温において液体であっても、システムの動作時にジョイントに加わる温度よりも低い温度で溶けてもよい。例えば、標準的なＳｎＰｂはんだを、このはんだの融点をはるかに超える動作温度を有するＴＥ素子の高温側に使用することができる。
【０２４０】
１つ以上の液体金属ジョイントを利用することで、熱電システムの製造にいくつかの厄介事が持ち込まれる可能性がある。特定の実施形態においては、構造的な一体性をもたらすために、追加の構造が使用されるかもしれない。この追加の構造は、好都合には、熱絶縁性であってよい。特定の実施形態においては、少なくとも１つのスタックが、おおむねスタックに沿った圧縮下におかれる。さらに、特定の実施形態においては、液体金属がジョイントから流出して装置を短絡させることがないように、或る程度の制御を好都合に設けることができる。特定の実施形態においては、液体金属が高温に保たれることに起因する界面での早期の腐食または望ましくない合金化（例えば、接合を脆くし、あるいは熱または電気の伝導を小さくする）を防止するために、適切な材料の組み合わせを好都合に使用することができる。
【０２４１】
特定の実施形態においては、剛でない接合が、熱伝達装置と熱源またはヒートシンクとの間の界面における熱応力の蓄積を軽減または防止するために、好都合に使用される。熱伝達装置３２３０の第２の部位３２３２が、とくには高温側において、熱伝達装置の間のｘ平面に熱応力の蓄積を生じる可能性がある。熱伝達装置の間のＴＥ材料の熱膨張係数を、熱源の熱膨張係数に一致させることは、困難である可能性がある。したがって、特定の実施形態においては、熱伝達装置が、好都合には液体金属を使用して熱源へと接続される。特定の実施形態においては、この界面における液体金属が、２つの熱伝達装置の間の電気的短絡を生むことがないように拘束される。液体金属を、直近のジョイント領域に好都合に封じ込めることができる。特定の実施形態においては、熱伝達装置が、サーマルグリスを使用してヒートシンク（例えば、４００℃未満）へと接合される。特定の実施形態においては、熱電システムが、剛な構造コネクタを使用することなくすべてを所定の位置に保持するために、圧縮下におかれる。この圧縮は、特定の実施形態において、ｙ平面における熱的接触ならびにｘ平面における熱および電気的接触を向上させることもできる。
【０２４２】
特定の実施形態においては、モリブデンを、熱伝導性かつ導電性のジョイントをもたらすために使用することができる。例えば、図３２によって概略的に示されている熱電システム３２００が、第１のＴＥ素子３２１０と熱伝達装置３２３０との間のモリブデン層と、熱伝達装置３２３０と第２のＴＥ素子３２２０との間のモリブデン層とを備えることができる。モリブデンは、銅の導電性および熱伝導性の１／３しか有しておらず、銅よりもわずかに密度が高いが、高温側のコネクタ材料として使用することが可能である。耐熱金属として、モリブデンは、多数の液体金属において銅ほど簡単には腐食せず、銅に比べてきわめて低い熱膨張係数を有している。これらの属性が、熱伝達装置を電気絶縁層（例えば、きわめて低い熱膨張係数を有しているセラミック）へと接合するときに好都合である。特定の実施形態においては、高い熱伝導性かつ非導電性のチッ化アルミニウムを、熱伝達装置と熱源との間のバリアに使用することができる。電気的な絶縁が、電流が作動流体を通って流れることがないようにするため、熱伝達装置と熱源またはヒートシンクとの間に好都合に使用される。電流が一部の作動流体を流れると、熱伝達装置の汚損が大幅に加速される可能性がある。銅上の適切なセラミック層は、熱膨張の大きな不一致ゆえに、高い動作温度において割れるであろう。しかしながら、特定の実施形態においては、モリブデンが良好な妥協をもたらすことができる。モリブデンは、自身の問題点を有している。例えば、モリブデンは、多数の液体金属において濡れ性があまり良好でなく、したがって界面の電気および熱抵抗が大きくなる。モリブデンの濡れ性を改善するために、特定の実施形態においては、モリブデンをニッケルの薄い層でめっきし、その後に金フラッシュを行うことができ、ＴＥ素子の外側の金属化も、同様のニッケル／金の組み合わせであってよい。
【０２４３】
特定の実施形態においては、熱電システムの製造方法が提供される。この方法は、複数の熱電素子を用意する工程を含んでおり、熱電素子の少なくともいくつかが、複数のセグメントを備える。この方法は、複数の熱伝達装置を用意する工程をさらに含んでおり、熱伝達装置の少なくともいくつかが、少なくとも第１の部位および第２の部位を備える。さらに、この方法が、複数の熱電素子および複数の熱伝達装置を組み合わせて、交互の熱線素子および熱伝達装置からなる少なくとも１つのスタックを形成する工程を含む。熱伝達装置の第１の部位が、少なくとも２つの隣り合う熱電素子の間に挟まれる。熱伝達装置の第２の部位が、スタックから離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成される。
【０２４４】
特定の実施形態においては、複数の熱電素子および複数の熱伝達装置を組み合わせる工程が、少なくとも１つの熱電素子と少なくとも１つの隣接する熱伝達装置との間に液体金属ジョイントを配置して、少なくとも１つの熱電素子と少なくとも１つの隣接する熱伝達装置を熱的に連絡かつ互いに電気的に直列に連絡させる工程を含む。
【０２４５】
特定の実施形態においては、熱電素子の少なくともいくつかがアスペクト比を有しており、熱電素子のアスペクト比とは、スタックにおおむね垂直な平面における熱電素子の断面積を、スタックにおおむね平行な方向における熱電素子の厚さで割り算したものに等しい。スタックにおいて熱電素子の少なくともいくつかのアスペクト比がお互いから相違している。そのような特定の実施形態においては、アスペクト比が、動作条件のもとで熱電素子の少なくともいくつかが最適効率で動作するように選択される。
【０２４６】
特定の実施形態においては、熱電素子の複数のセグメントの各セグメントが、スタックにおおむね垂直な平面におけるセグメントの断面積を、スタックにおおむね平行な方向におけるセグメントの厚さで割り算したものに等しいアスペクト比を有している。熱電素子において、各セグメントのアスペクト比が互いに相違してよい。そのような特定の実施形態においては、アスペクト比が、動作条件のもとで複数のセグメントのうちのいくつかのセグメントが最適効率で動作するように選択される。
【０２４７】
本明細書に記載の特定の実施形態が、これまでの研究（例えば、Ｄ．Ｔ．Ｃｒａｎｅの「Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗａｓｔｅ  Ｈｅａｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｆｒｏｍ  ａｎ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」、ＰｈＤ  Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｍａｒｙｌａｎｄ、Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｐａｒｋ、２００３年を参照）に部分的にもとづくＭＡＴＬＡＢベースの定常状態数値モデルを使用してモデル化された。使用されたモデルは、同時に、本明細書に記載の高出力密度のＴＥアセンブリの特定の実施形態を模擬する非線形のエネルギー平衡の方程式を解いた。現在のモデルにおいて使用された原理は、ＢＳＳＴによって開発された先のＴＥモデル（Ｄ．Ｔ．Ｃｒａｎｅの「Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ  Ｗｈｉｃｈ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ」、２３ｒｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ａｄｅｌａｉｄｅ、ＡＵ、２００４年を参照）においても使用された。この先のＴＥモデルは、加熱および冷却の用途について検証済みであり、４つの異なる出力について７％の範囲で正確であることがこれまでに示されている。これら模擬された値のそれぞれの平均誤差は、３％未満であった。
【０２４８】
特定の実施形態のＴＥセグメント化材料の情報を、Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  Ｍａｃｒｏ  Ｔｏ  Ｎａｎｏ、Ｒｏｗｅ，Ｄ．Ｍ．、Ｅｄｉｔｏｒ、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ（Ｂｏｃａ  Ｒａｔｏｎ、ＦＬ、２００６年）、９−１−９−２６頁においてＧ．Ｊ．Ｓｎｙｄｅｒの「Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ」によって説明されたアルゴリズムおよび式を使用してモデルへと取り入れた。モデルを、高温側および低温側温度の所与の組について、最適なＴＥセグメント化を自動的に解くために使用することができる。材料セグメントおよび材料層そのものの厚さを、所与の電気負荷抵抗における最適な性能を割り出すために、変化させることができる。また、モデルは、材料層の厚さを固定することによって基準外の解を解くこともできる。
【０２４９】
モデルを使用して、特定の実施形態におけるさまざまな設計変数を特定し、効率の改善に係わるトレードオフを分析すべく変化させた。先進の多パラメータの勾配ベースの最適化研究を、種々の設計変数、パラメータ、および制約条件の間の相互作用をよりよく理解し、本明細書に記載の特定の実施形態による最適な熱電発電（ＴＰＧ）設計を開発するために使用した。
【０２５０】
特定の実施形態の最適化分析は、パラメータ解析をさらに含むことができる。図３９が、変更されるパラメータがＴＥの厚さである熱電システムのそのような分析の例を示している。図３９は、高い出力密度と高い効率との間のトレードオフを示している。ＴＥの厚さを変化させることは、比較的変わらないままである熱交換器の総出力密度よりも、ＴＥ出力密度に対してより劇的な影響を有している。このようなパラメータ解析を使用して、本明細書に記載の特定の実施形態を、特定の用途に合わせて設計することができる。例えば、自動車の排熱回収の用途においては、可能な限り高い効率を有することが強く望まれるが、高い出力密度を有することも望まれる。
【０２５１】
本明細書に記載の特定の実施形態について初期のモデル化を完了させ、モデルの有効性を完全に確認するために、いくつかの部分試作品装置の製作および試験を行った。これにより、モデルを、本明細書に記載の特定の実施形態による特定の装置設計の分析を完了させるために、より大々的に使用することができる。
【０２５２】
図４０が、Ｂｉ２Ｔｅ３製の６つのＴＥ素子を銅製の７つの熱伝達装置の間に挟んで使用して製作された典型的な試作品システムを示している。Ｂｉ２Ｔｅ３製のＴＥ素子が使用された理由は、試験を明確な特性を有する材料によってより低い温度で実行するためである。これらの試験を、ＴＥ材料のシステムへの取り入れにおける問題領域をよりよく単離するために実行した。温度がより高温の用途において見られる温度よりも低いため、銅製の熱伝達装置をこのシステムの高温側に使用した。より高い温度で使用される特定の実施形態においては、モリブデン製の熱伝達装置で、システムの高温側の銅製の熱伝達装置を置き換えることができる。
【０２５３】
組み立てを簡単にするために、図４０に示したシステムは、本明細書に記載の特定の実施形態において使用されるような第２の部位が第１の部位より幅広い熱伝達装置ではなくて、矩形のＴＥ熱伝達装置を使用している。銅製の熱伝達装置を、システムのヒートシンクとして機能するアルミニウム製の筒に配置した。アルミニウム筒は、銅製の熱伝達装置からの電気的絶縁をもたらすために、陽極酸化処理されている。熱抵抗を最小限にするうえで役立つよう、陽極酸化層をサーマルグリスの層で覆った。２つの１００Ｗのカートリッジ・加熱器を、陽極酸化処理したアルミニウム製ハウジングに収容し、システムの熱源とした。組み立てを簡単にするために、サーマルグリスを、アルミニウム製ハウジングと熱伝達装置との間の熱境界材料として、低温（例えば、４００℃未満）において使用した。より高い温度で使用される特定の実施形態においては、液体金属を代わりに用いることができる。試作品試験固定具を、上述の部分品を試験するために製作した。
【０２５４】
図４１は、図４０の６つの個々のＢｉ２Ｔｅ３素子について、発電曲線を示したグラフである。Ｂｉ２Ｔｅ３について既知の温度依存のゼーベック係数を使用し、ＴＥ素子を横切る温度差を、測定された開路電圧から導出し、熱電対で測定した温度差と比較することができる。次いで、高温側および低温側の温度測定値と、電流ゼロにおいて計算した高温側および低温側の温度との間の差を、すべての電流における温度のオフセットとして当てはめた。
【０２５５】
Ｂｉ２Ｔｅ３について既知の温度依存の電気抵抗率特性を使用し、電気抵抗によって追随される電気抵抗率を、新たに調節された温度において計算した。バルク接合抵抗を、特定の電流において測定された電圧を、当該特定の電流において測定された温度差における計算による開路電圧から引き算し、測定された電流によって割り算することによって計算できる。このバルク抵抗は、ＴＥ素子の抵抗ならびにはんだおよびＴＥ素子のめっきによって生じる接触抵抗を含む。銅製の熱伝達装置の抵抗は、ＴＥ素子の抵抗および界面の抵抗と比べて、無視できると考えられる。このバルク接合抵抗から計算によるＴＥ素子の抵抗を引き算することで、ＴＥ素子の両側の接合の接触抵抗を明らかにした。次いで、ＴＥ素子の既知の表面積によって、それぞれのＴＥ素子について、界面の電気抵抗率を計算することができる。
【０２５６】
これら計算した界面の温度非依存性の電気抵抗率を、電流に依存しない温度のオフセットとともに使用して、図４１に示されている発電曲線を、標準的な熱電気の式を使用して計算した。図４１の破線は、計算による出力曲線を、実線によって示されている測定された出力曲線と比較して示している。図４１から、この推定方法が、６つの素子のすべてについてきわめて正確でありうることを、見て取ることができる。
【０２５７】
出力曲線が一致したので、これらの高温側および低温側の表面温度ならびに界面の電気抵抗率を受け入れて、それらの絶対値およびＴＥ素子間の一貫性について分析することができる。推定による界面の電気抵抗率を、文献（例えば、Ｇ．Ｓ．Ｎｏｌａｓらの「Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ−Ｂａｓｉｃ  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ｎｅｗ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ（Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ、２００１年）を参照）に記載の電気抵抗率と比較することができる。図４１は、６つのＴＥ素子のすべてにおいて、界面の抵抗率が１０μΩｃｍ２未満であることを示しており、これは妥当な値であると考えることができる。これらの試験は、この界面の抵抗がどれだけ低くなりうるか、およびそれぞれＴＥ素子の間にどの程度の一貫性が達成できるのかを確認するために、行われている。図４１に示した試験において、中間の４つのＴＥ素子は、比較的低くかつ一貫した界面の抵抗率を有している。両端のＴＥ素子は、界面の抵抗が内側のＴＥ素子の２〜３倍である。この作用は、アセンブリの両端に位置することに起因してこれらのＴＥ素子に追加の応力が加わることによるものであろう。
【０２５８】
Ｂｉ２Ｔｅ３素子についてのこれらの試験の結果を、本明細書に記載の特定の実施形態によるより高温な材料のための試験および装置設計へと持ち越すことができる。界面の抵抗率および界面をまたいでの温度低下は、これらのＴＥ素子と同様になることができる。
【０２５９】
図４２は、セグメント型ＴＥ素子の初期の試験の実験結果を示している。図４２に示した寸法および材料を有する２つのＮ型のＴＥ素子を試験した。図４０および４１に関して供述したものと同じ試作固定具およびシステム構成を、この試験においても同様に使用した。低温側層の温度、加熱器の設定、および測定されたＴＥ表面温度も、図４２に挙げられている。図４２の曲線は、Ｔｅ素子および層の厚さにおける設計された差ならびにわずかに異なる温度低下ゆえに異なっている。図４２は、回収される出力の量が、高温側の温度が高くなるにつれて増えることを示している。最適な電流も、温度が高くなるにつれてわずかに増加する。素子１が、１７２℃という高温側温度において８Ａで最大出力を生み出し、３６６℃においては１１．３Ａで最大出力を生み出している。これらおよび他の同様のＰ型およびＮ型のセグメント型素子について、さらなる試験および分析を、Ｂｉ２Ｔｅ３についての試験と同じレベルの予測可能性を見つけ出すために使用することができる。
【０２６０】
本明細書に記載の特定の実施形態は、より高い出力および効率を達成するため、熱電発電の能力を大幅に向上させる。本明細書に記載の特定の実施形態は、素子内だけでなく、流れの方向の素子に関しても、ＴＥの適合性の不一致の問題に対処し、多数の用途のためのＴＥシステムの性能を大きく改善する。特定の実施形態においては、２つのＴＥ素子の間に挟まれた第１の部位から延びる第２の部位であって、第１の部位よりも幅広い第２の部位を備える熱伝達装置を使用することが、流れの方向の熱絶縁および非一様な高い出力密度を使用可能なシステムに取り入れることを好都合に助ける。そのような特定の実施形態は、そのようでなければ種々の厚さの素子を備えるＴＥ装置の構成をより困難にしてしまうと考えられるＴＥ熱膨張の不一致の影響を、好都合に軽減する。本明細書に記載の特定の実施形態は、熱膨張の不一致の影響を軽減して、高い動作温度のもとで一体に保持されるシステムを構成するうえで好都合に役立つよう、液体金属ジョイントを使用する。
【０２６１】
本明細書に記載の先進のモデル化および最適化技法が、特定の実施形態の設計の考え方をＴＰＧシステムの性能の最大化に向かって進むように最適化することを、好都合に助ける。試作品の製作および試験も、設計の考え方およびモデルを検証するうえで役に立つ。本明細書に記載の特定の実施形態による実機規模のＴＰＧシステムを、主要動力の用途のために自動車の排気から排熱を回収するために使用することができ、あるいはＴＥシステムの燃料電池への統合に関する用途など、他の多数のさまざまな排熱回収用途に使用することができる。
【０２６２】
本特許の開示が、本発明の設計、構成、および用途を提示していることにも、注意すべきである。上述の検討は、冷却における特性に関して分析されているが、同様の結果が、加熱および発電についても当てはまり、同様の結論につながる。いくつかのシステム、とくには熱イオンおよびヘテロ構造型のシステムは、もとより高い出力密度であり、その場合、本発明は、そのようなシステムの特性および高い出力密度の可能性に対応するためにより好適でありうる。
【０２６３】
いくつかの例を図示および上述したが、これらの説明は、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の幅広い考え方を例示したにすぎない。特許請求の範囲において、すべての用語は、それらの通常かつ馴染みの意味に帰し、上述した説明は、具体的かつ明確に述べられない限りは、それらの用語をいかなる特別または具体的に定められた意味にも限定するものではない。
【図１Ａ】
2009545164.tif 000027
【図１Ｂ】
2009545164.tif 000028
【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
2009545164.tif 000031
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2009545164.tif 000033
【図５Ａ】
2009545164.tif 000034
【図５Ｂ】
2009545164.tif 000035
【図６】
2009545164.tif 000036
【図７Ａ】
2009545164.tif 000037
【図７Ｂ】
2009545164.tif 000038
【図７Ｃ】
2009545164.tif 000039
【図７Ｄ】
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【図８】
2009545164.tif 000041
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009545164.tif 000044
【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
2009545164.tif 000049
【図１６】
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【図１７】
2009545164.tif 000051
【図１８】
2009545164.tif 000052
【図１９】
2009545164.tif 000053
【図２０】
2009545164.tif 000054
【図２１】
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【図２２】
2009545164.tif 000056
【図２３】
2009545164.tif 000057
【図２４Ａ】
2009545164.tif 000058
【図２４Ｂ】
2009545164.tif 000059
【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
2009545164.tif 000061
【図２６Ａ】
2009545164.tif 000062
【図２６Ｂ】
2009545164.tif 000063
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2009545164.tif 000066
【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
2009545164.tif 000079
【図４０】
2009545164.tif 000080
【図４１】
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【図４２】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月23日(2009.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に連絡した第１の複数のセグメントを備える第１の熱電素子、
互いに電気的に連絡した第２の複数のセグメントを備える第２の熱電素子、および
少なくとも第１の部位および第２の部位を備えており、第１の部位が、第１の熱電素子と第２の熱電素子との間に挟まれており、第２の部位が、第１の部位から離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成されている熱伝達装置、
を備える熱電システム。
【請求項２】
前記第１の熱電素子が、第１の方向に第１の厚さを有しており、前記第２の熱電素子が、第２の方向に第２の厚さを有しており、第２の厚さが第１の厚さよりも大きい請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
前記第１の熱電素子が、第１の方向の第１の厚さと、該第１の方向におおむね垂直な平面における第１の断面積と、該第１の断面積を前記第１の厚さで割り算したものに等しい第１のアスペクト比とを有しており、
前記第２の熱電素子が、第２の方向の第２の厚さと、該第２の方向におおむね垂直な平面における第２の断面積と、該第２の断面積を前記第２の厚さで割り算したものに等しい第２のアスペクト比とを有しており、
前記第２のアスペクト比が、前記第１のアスペクト比と異なる請求項１又は２に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記第１のアスペクト比および前記第２のアスペクト比が、動作条件のもとで前記第１の熱電素子および前記第２の熱電素子の両者が最適な効率で動作するように選択されている請求項３に記載の熱電システム。
【請求項５】
前記第１の複数のセグメントの各セグメントが、該第１の複数のセグメントのうちの他のセグメントの厚さとは異なる厚さを有している請求項１〜４の何れかに記載の熱電システム。
【請求項６】
前記第２の複数のセグメントの各セグメントが、該第２の複数のセグメントのうちの他のセグメントの厚さとは異なる厚さを有している請求項５に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記第１の複数のセグメントの各セグメントが、該セグメントの厚さを該セグメントの断面積で割り算したものに等しいアスペクト比を有しており、該第１の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比が、互いに異なっている請求項１〜６の何れかに記載の熱電システム。
【請求項８】
前記第２の複数のセグメントの各セグメントが、該セグメントの厚さを該セグメントの断面積で割り算したものに等しいアスペクト比を有しており、該第２の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比が、互いに異なっている請求項７に記載の熱電システム。
【請求項９】
前記第１の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比、および前記第２の複数のセグメントの各セグメントのアスペクト比が、動作条件のもとで前記第１の熱電素子および前記第２の熱電素子の両者が最適な効率で動作するように選択されている請求項８に記載の熱電システム。
【請求項１０】
前記第１の複数のセグメントが、少なくとも第１の熱電セグメントおよび第２の熱電セグメントを含んでおり、該第１および第２の熱電セグメントが、異なる材料を含む請求項１〜９の何れかに記載の熱電システム。
【請求項１１】
当該熱電システムが、前記第１の熱電セグメントが第１の温度範囲に曝され、前記第２の熱電セグメントが第２の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第１の熱電セグメントが、前記第１の温度範囲において前記第２の温度範囲よりも効率的に動作し、前記第２の熱電セグメントが、前記第２の温度範囲において前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１２】
前記第１の複数のセグメントが、第３の熱電セグメントを含んでおり、
当該熱電システムが、前記第３の熱電セグメントが第３の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第３の熱電セグメントが、前記第３の温度範囲において前記第２の温度範囲または前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１３】
前記第２の複数のセグメントが、少なくとも第１の熱電セグメントおよび第２の熱電セグメントを含んでおり、該第１および第２の熱電セグメントが、異なる材料を含む請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１４】
当該熱電システムが、前記第１の熱電セグメントが第１の温度範囲に曝され、前記第２の熱電セグメントが第２の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第１の熱電セグメントが、前記第１の温度範囲において前記第２の温度範囲よりも効率的に動作し、前記第２の熱電セグメントが、前記第２の温度範囲において前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１３に記載の熱電システム。
【請求項１５】
前記第１の複数のセグメントが、第３の熱電セグメントを含んでおり、
当該熱電システムが、前記第３の熱電セグメントが第３の温度範囲に曝されるようにして、運転されるように構成されており、
前記第３の熱電セグメントが、前記第３の温度範囲において前記第２の温度範囲または前記第１の温度範囲よりも効率的に動作する請求項１４に記載の熱電システム。
【請求項１６】
前記第１の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列に連絡しており、前記第２の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列に連絡している請求項１〜１５の何れかに記載の熱電システム。
【請求項１７】
前記第１の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列／並列に連絡しており、前記第２の複数のセグメントのうちの少なくともいくつかが、互いに電気的に直列／並列に連絡している請求項１〜１６の何れかに記載の熱電システム。
【請求項１８】
前記第２の部位が、少なくとも１つの方向において前記第１の部位よりも幅広い請求項１〜１７の何れかに記載の熱電システム。
【請求項１９】
前記第２の部位が、作動媒体の移動方向におおむね沿った方向において前記第１の部位よりも幅広い請求項１８に記載の熱電システム。
【請求項２０】
前記第２の部位が、作動媒体に熱的に連絡するように構成されたおおむね平坦な表面を有している請求項１８に記載の熱電システム。
【請求項２１】
前記第１の熱電素子、前記熱交換装置、および前記第２の熱電素子に電気的に連絡した電流源をさらに備えており、該電流源からの電流が、前記第１の熱電素子、前記熱交換装置、および前記第２の熱電素子を直列に横切る請求項１〜２０の何れかに記載の熱電システム。
【請求項２２】
前記電流が、前記第１の複数のセグメントを直列に横切り、前記第２の複数のセグメントを直列に横切る請求項２１に記載の熱電システム。
【請求項２３】
前記第１の熱電素子および前記熱交換装置に熱的および電気的に連絡する第１の液体金属ジョイントと、前記熱交換装置および前記第２の熱電素子に熱的および電気的に連絡する第２の液体金属ジョイントとをさらに備える請求項１〜２２の何れかに記載の熱電システム。
【請求項２４】
前記第１の液体金属ジョイントおよび前記第２の液体金属ジョイントが、ＳｎＰｂはんだを含む請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２５】
前記第１の熱電素子と前記熱交換装置との間のモリブデン層、および前記熱交換装置と前記第２の熱電素子との間の第２のモリブデン層をさらに備える請求項１〜２４の何れかに記載の熱電システム。
【請求項２６】
複数の熱電素子
を備え、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、複数のセグメントを備え、
複数の熱伝達装置を備え、前記熱伝達装置の少なくともいくつかが、少なくとも第１の部位および第２の部位を備えており、第１の部位が、熱電素子および熱伝達装置からなる少なくとも１つのスタックを形成すべく前記複数の熱電素子のうちの少なくとも２つの熱電素子の間に挟まれており、第２の部位が、前記スタックから離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成されている熱電システム。
【請求項２７】
前記熱伝達装置が、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかを、前記熱電素子のうちの少なくとも別のいくつかから熱的に絶縁している請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項２８】
前記複数の熱伝達装置が、作動媒体の流れの方向に熱的な絶縁をもたらすように構成されている請求項２６又は２７に記載の熱電システム。
【請求項２９】
前記熱電素子が、交互のＰ型およびＮ型の熱電素子を含む請求項２６〜２８の何れかに記載の熱電システム。
【請求項３０】
前記複数の熱伝達装置が、複数の第１の熱伝達装置および複数の第２の熱伝達装置を含んでおり、前記スタックが、交互の第１および第２の熱伝達装置を含んでいて、該第１の熱伝達装置の前記第２の部位が第１の方向に突き出し、該第２の熱伝達装置の前記第２の部位が前記第１の方向とは異なる第２の方向に突き出している請求項２６〜２９の何れかに記載の熱電システム。
【請求項３１】
前記第２の方向が、前記第１の方向に対しておおむね反対である請求項３０に記載の熱電システム。
【請求項３２】
前記第１の熱伝達装置が、第１の作動媒体に熱的に連絡するように構成されており、前記第２の熱伝達装置が、第２の作動媒体に熱的に連絡するように構成されている請求項３０に記載の熱電システム。
【請求項３３】
少なくとも１つの熱電素子と少なくとも１つの隣接する熱伝達装置との間の少なくとも１つの液体金属ジョイントをさらに備えており、前記少なくとも１つのスタックが、該スタックにおおむね沿った圧縮のもとにある請求項２６〜３２の何れかに記載の熱電システム。
【請求項３４】
前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、高い出力密度の動作をもたらすように寸法付けられている請求項２６〜３３の何れかに記載の熱電システム。
【請求項３５】
前記スタックに電気的に連絡した電流源をさらに備えており、該電流源からの電流が、前記熱電素子および前記熱伝達装置を直列に横切る請求項２６〜３４の何れかに記載の熱電システム。
【請求項３６】
前記電流が、前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子の前記複数のセグメントを直列に横切る請求項３５に記載の熱電システム。
【請求項３７】
熱電システムの製造方法であって、
少なくともいくつかが複数のセグメントを備える複数の熱電素子を用意する工程、
少なくともいくつかが第１の部位および第２の部位を少なくとも備える複数の熱伝達装置を用意する工程、および
前記複数の熱電素子および前記複数の熱伝達装置を、交互の熱電素子および熱伝達装置からなる少なくとも１つのスタックを形成するように組み立てる工程
を含んでおり、
前記熱伝達装置の前記第１の部位が、少なくとも２つの隣接する熱電素子の間に挟まれ、前記熱伝達装置の前記第２の部位が、前記スタックから離れるように突き出し、作動媒体に熱的に連絡するように構成される方法。
【請求項３８】
前記複数の熱電素子および前記複数の熱伝達装置を組み立てる工程が、少なくとも１つの熱電素子と少なくとも１つの隣接する熱伝達装置との間に液体金属ジョイントを配置して、該少なくとも１つの熱電素子および該少なくとも１つの隣接する熱伝達装置を熱的に連絡させかつ互いに直列に電気的に連絡させる工程を含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子が、アスペクト比を有しており、該熱電素子のアスペクト比は、前記スタックにおおむね垂直な平面における該熱電素子の断面積を前記スタックにおおむね平行な方向の該熱電素子の厚さで割り算したものに等しく、前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子のアスペクト比が、前記スタックにおいて互いに異なっている請求項３７又は３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記アスペクト比が、動作条件のもとで前記熱電素子のうちの前記少なくともいくつかの熱電素子が最適な効率で動作するように選択される請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
或る熱電素子の前記複数のセグメントの各セグメントが、前記スタックにおおむね垂直な平面における該セグメントの断面積を前記スタックにおおむね平行な方向の該セグメントの厚さで割り算したものに等しいアスペクト比を有しており、各セグメントのアスペクト比が、該熱電素子において互いに異なっている請求項３７〜４０の何れかに記載の方法。
【請求項４２】
前記アスペクト比が、動作条件のもとで前記複数のセグメントの各セグメントが最適な効率で動作するように選択される請求項４１に記載の方法。
【国際調査報告】
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