(57)【要約】製造可能なシステムにおいて作動媒体の流れまたは動きの方向に熱絶縁するという利点を用いた、コンパクトで、高効率のいくつかの熱電システムを説明する。そのような構成は、高いシステム効率および出力密度を示す。熱交換器同士の間にはさまれた複数の熱電モジュールまたは熱電素子を用いたいくつかの異なる実施形態および応用を開示する。
2005536976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された熱電システムであって、
複数の熱電モジュールであって、それらの少なくともいくつかが、実質的に相互に熱絶縁されており、各モジュールが、高温側および低温側を有する前記複数の熱電モジュールと、
少なくとも１つの固体作動手段であって、前記複数の熱電モジュールの少なくとも２つと順に熱伝達状態になり、その結果、前記作動手段が、前記熱電モジュールの少なくとも２つによって、複数の段階において徐々に冷却または加熱される前記少なくとも１つの固体作動手段と、
を備える熱電システム。
【請求項２】
前記作動手段は、回転軸に装着された複数のディスク状の手段を含み、前記手段は、前記熱電モジュールで前記ディスク状手段の少なくともいくつかをはさんで、積み重ねた構成である請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
前記作動手段は、熱電モジュールと作動手段とを交互に積み重ねた構成である複数の作動手段を含む請求項１に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記作動手段は、前記複数の熱電モジュールの少なくともいくつかを実質的に熱絶縁する請求項３に記載の熱電システム。
【請求項５】
改良された熱電システムであって、
複数の熱電モジュールであって、それらの少なくともいくつかは、実質的に相互に熱絶縁されており、各モジュールは、高温側および低温側を有する前記複数の熱電モジュールと、
前記複数の熱電モジュールの少なくとも１つとそれぞれ熱伝達状態になる複数の熱伝達装置であって、前記熱伝達装置の少なくとも２つが、前記熱伝達装置を流れる第１の作動流体を受け入れる前記複数の熱伝達装置と、
前記熱伝達装置の少なくとも２つを異なる平面において連結する少なくとも１つの管路であって、前記第１の作動流体が、前記少なくとも２つの熱伝達装置の第１の熱伝達装置を流れ、連続して、前記少なくとも２つの熱伝達装置の第２の熱伝達装置を流れて、前記少なくとも２つの熱伝達装置を流れるにつれて複数の段階において冷却または加熱される、前記少なくとも１つの管路と、
を備える熱電システム。
【請求項６】
前記熱伝達装置の少なくともいくつかは、それぞれ、少なくとも２つの熱電モジュールの間にはさまれている請求項５に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記少なくとも２つの熱電モジュールは、前記はさんだ熱伝達装置に面する低温側を有する請求項６に記載の熱電システム。
【請求項８】
前記複数の熱電モジュールと前記複数の熱伝達装置とは、少なくとも１つの熱伝達装置を間において低温側同士を向き合わせ、また少なくとも１つの熱伝達装置を間において高温側同士を向き合わせて、積み重ねられている請求項５に記載の熱電システム。
【請求項９】
前記熱伝達装置は、熱交換器であって、該熱交換器は、ハウジングと、熱交換器フィンとを備え、該熱交換器フィンは、前記熱交換器と熱伝達状態の前記熱電モジュールの少なくとも１つのための追加の熱絶縁を提供するように、作動流体の流れの方向に段階を形成する請求項５に記載の熱電システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの管路は、前記少なくとも１つの管路により結合されている前記少なくとも２つの熱伝達装置を流れる作動流体の流れが、同じ方向に流れるように構成される請求項５に記載の熱電システム。
【請求項１１】
複数のＮ型熱電素子および複数のＰ型熱電素子と、
複数の熱伝達装置であって、それらの少なくともいくつかが、それぞれ、前記Ｎ型熱電素子の少なくとも１つと、前記Ｐ型熱電素子の少なくとも１つとの間にはさまれて、熱電素子と熱伝達装置との積み重ね構成にされた前記複数の熱伝達装置と、
を備える熱電システム。
【請求項１２】
前記積み重ねに電気的に接続された電流源をさらに備え、前記駆動電流は、連続して前記熱伝達装置と熱電素子とを流れる請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１３】
前記熱伝達装置は、前記Ｐ型熱電素子の少なくともいくつかを前記Ｎ型熱電素子の少なくともいくつかから熱絶縁する請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１４】
前記熱伝達装置は、作動流体を受け入れて所定の方向に流す請求項８に記載の熱電システム。
【請求項１５】
前記熱伝達装置は、熱交換器であり、該熱交換器は、セグメントに形成された熱交換器要素を内部に有するハウジングを備え、前記セグメントの少なくとも１つは、前記セグメントの他の少なくとも１つから実質的に熱絶縁されている請求項１４に記載の熱電システム。
【請求項１６】
第１の熱交換器から第２の熱交換器への流路を提供して、前記第１の熱交換器および第２の熱交換器を流れる作動流体が複数の段階において冷却または加熱される、少なくとも１つの管路をさらに備える請求項１５に記載の熱電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ソリッドステート冷却、加熱および発電システムのための、改良された構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電装置（ＴＥ）は、いくつかの材料の特性を利用して、電流の存在下で材料を横切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。これらは、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】
今日熱電装置に使用されている最も一般的な構成を図１に示す。一般に、Ｐ型とＮ型の熱電素子１０２が、２つの基板１０４同士の間に長方形のアセンブリ１００に配列される。電流Ｉが、両方の素子の型の中を流れる。素子は、素子１０２の端へ付けられた銅のシャント１０６を介して直列に接続される。直流電圧１０８が印加されると、ＴＥ素子を横切る温度勾配が生じる。ＴＥは、一般に、液体、気体および物体を冷却するために使用される。
【０００４】
ソリッドステート冷却、加熱および発電（ＳＳＣＨＰ）システムは、軍事および航空宇宙計器装備、温度制御および発電の適用のために１９６０年代から使用されてきた。そのようなシステムは、果たす役割に対するコストが高過ぎたため、民間での使用には限度があり、また、ＳＳＣＨＰシステムは、電力密度が低いので、大型となり、さらに高価で、それほど効率的ではなく、業務用としての許容範囲を超える重量だった。
【０００５】
最近の材料の改良によって、効率および電力密度は、本システムの１００倍まで上昇する見込みである。
【０００６】
熱絶縁を用いて効率が改良された熱電気、というタイトルであり同時係属中の特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に記載された形状に対する効率は、さらに改善されて、多くの重要な応用については５０％から１００％へ上昇している。材料の改善が行われていることと合わせて、システム効率を４倍またはそれ以上に上昇させることができる。このように実質的に改善が行われる可能性があることによって、当該技術に新たな関心を呼び、また新しい応用のためのＳＳＣＨＰシステムを開発する取り組みが行われる結果になった。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
全体として、この開示は、ＳＳＣＨＰ構成の新しい系統について説明している。これらの構成では、コンパクトに、かつ高効率のエネルギー変換をすることができ、また比較的低コストにすることができる。概ね、熱電素子またはモジュールを熱交換器同士の間にはさんだいくつかの実施形態を開示する。熱電モジュールは、熱交換器を間にはさんでいる任意の２つのモジュールについて、同じ温度タイプの側が、その熱交換器に面していることが好ましい。例えば、熱交換器を間にはさんだ各熱電気の比較的低温側は、同じ熱交換器に、よって相互に向き合っている。少なくとも１つの作動媒体が、少なくとも２つの熱交換器中に連続して流されて、その結果、冷却または加熱が、作動媒体に追加して行われることが好ましい。この構成には、上の説明において留意されるように、高いシステム効率および出力密度を示し製造可能なシステムにおいて、米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に説明されているように熱絶縁の利点を用いるという別の利点がある。その応用において説明されているように、一般に、熱電装置は、熱電素子のアセンブリ全体を、熱絶縁された半組立品または部分品へさらに分割することによって、効率が高くなるかまたは改善され得る。例えば、熱交換器は、作動媒体の流れの方向に熱絶縁するようにさらに分割可能である。例えば、熱電システムは、冷却側および加熱側を有し熱電アレイを形成する複数の熱電素子を有しており、この複数の熱電素子は、アレイを横切って少なくとも一方向に相互に実質的に分かれている。熱絶縁は、作動媒体の流れの方向に行われることが好ましい。この熱絶縁は、作動流体の流れの方向に熱絶縁された部分を熱交換器が有するように部分品に構成された熱交換器を具えることによって、提供可能である。
【０００８】
本開示では、作動流体のために同じ温度タイプの熱交換器を連続して使用することによって、それ自体に一種の熱絶縁が提供される。さらに、熱交換器またはＴＥ素子、ＴＥ素子の部分、あるいは任意の組み合わせは、一連のまたは連続した熱交換器中に少なくとも１つの作動流体を連続して流すことにより得られる熱絶縁を上回る熱絶縁が、作動流体の流れの方向に提供されるように構成可能である。
【０００９】
冷却および／または加熱を行う応用のために開示した原理は、発電の応用に同様に適用可能である。本システムは、所与の応用のための効率を最大限にするように調節可能であるが、一般的な原理を利用している。
【００１０】
この応用に関して説明する特定の実施形態によって、熱絶縁による効率の上昇をなお維持するかまたは改善すると同時に、ＳＳＣＨＰ装置の構造の複雑さおよびコストが低下する。
【００１１】
本開示の第１の態様は、改良された熱電システムを含み、この熱電システムは、複数の熱電モジュールを有し、それらの少なくともいくつかは、相互に実質的に熱絶縁されており、各モジュールは、高温側および低温側を有している。少なくとも１つの固体作動手段は、連続して複数の熱電モジュールの少なくとも２つと熱伝達状態になり、その結果、作動手段が、熱電モジュールの少なくとも２つにより複数の段階において徐々に冷却または加熱される。
【００１２】
好ましい一実施形態では、作動手段は、回転軸に装着された複数のディスク状手段を含み、これらの手段は、熱電モジュールがディスク状手段の少なくともいくつかを間にはさんで積み重ねられた構成にされる。作動手段は、熱電モジュールと作動手段とを交互に積み重ねた構成にされた複数の作動手段を含み得ることが好ましい。作動手段は、複数の熱電モジュールの少なくともいくつかを実質的に熱絶縁することが好ましい。
【００１３】
本発明の別の態様は、複数の熱電モジュールを有する、改良された熱電システムを含み、複数の熱電モジュールの少なくともいくつかは、実質的に相互に熱絶縁されており、各モジュールは、高温側および低温側を有する。複数の熱伝達装置が、それぞれ複数の熱電モジュールの少なくとも１つと熱伝達状態にあり、熱伝達装置の少なくとも２つは、熱伝達装置を流れる第１の作動流体を受け入れる。少なくとも１つの管路が、異なる平面において熱伝達装置の少なくとも２つを連結して、その結果、第１の作動流体が、少なくとも２つの熱伝達装置の第１の熱伝達装置を流れ、続いて、少なくとも２つの熱伝達装置の第２の熱伝達装置を流れて、少なくとも２つの熱伝達装置を流れるにつれて、複数の段階において冷却または加熱される。
【００１４】
一実施形態では、熱伝達装置の少なくともいくつかの各々が、少なくとも２つの熱電モジュールの間にはさまれる。さらに、少なくとも２つの熱電モジュールは、低温側が、間にはさまれた熱伝達装置に面していることが好ましい。
【００１５】
一実施形態では、熱電モジュールおよび熱伝達装置は、少なくとも１つの熱伝達装置を間において低温側同士を向き合わせ、少なくとも１つの熱伝達装置を間において高温側同士を向き合わせて、積み重ねられている。
【００１６】
一実施形態では、熱伝達装置は、熱交換器であって、該熱交換器は、ハウジングと、熱交換器フィンとを備え、熱交換器フィンは、熱交換器と熱伝達状態の熱電モジュールの少なくとも１つのための追加の熱絶縁を提供するように、作動流体の流れの方向に段階を形成する。少なくとも１つの管路は、管路により結合されている少なくとも２つの熱伝達装置を流れる作動流体同士が同じ方向に流れるように形成されることが好ましい。
【００１７】
本発明のさらに別の態様は、複数のＮ型熱電素子および複数のＰ型熱電素子とを有する熱電システムを含む。複数の熱伝達装置であって、それらの少なくともいくつかが、それぞれ、Ｎ型熱電素子の少なくとも１つと、Ｐ型熱電素子の少なくとも１つとの間にはさまれて、熱電素子と熱伝達装置との積み重ね構成にされている複数の熱伝達装置が提供される。一実施形態では、本システムは、積み重ねに電気的に接続された電流源をさらに具え、駆動電流が、連続して熱伝達装置と熱電素子とを流れる。熱伝達装置は、Ｐ型熱電素子の少なくともいくつかをＮ型熱電素子の少なくともいくつかから熱絶縁することが好ましい。熱伝達装置は、作動流体を受け入れて所定の方向に流すことが好ましい。
【００１８】
一実施形態では、熱伝達装置は、熱交換器であり、該熱交換器は、セグメントに形成された熱交換器要素を内部に有するハウジングを備え、セグメントの少なくとも１つは、セグメントの他の少なくとも１つから実質的に熱絶縁されている。
【００１９】
一実施形態では、少なくとも１つの管路は、第１の熱交換器から第２の熱交換器への流路を提供して、その結果、第１の熱交換器および第２の熱交換器を流れる作動流体が、複数の段階において冷却または加熱される。
【００２０】
本発明のこれらおよび他の態様および実施形態を図面に関連してさらに詳細に述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この説明に関して、熱電モジュールまたはＴＥモジュールという用語は、通常のまた慣用されている意味を広義で用いるものであって、（１）通常の熱電モジュール、例えば、カリフォルニア州サンディエゴのハイ  ゼット  テクノロジー  インコーポレイテッド（Hi Z Technologies, Inc.）により製造される熱電モジュール、（２）量子トンネリングコンバータ、（３）熱電子モジュール、（４）磁気熱量モジュール、（５）熱電気、磁気熱量、量子トンネル及び熱電子効果の１つを利用したエレメントまたはそのどれかを組み合わせることによるエレメント、（６）種々の組み合わせ、アレイ、アセンブリ、および上記（１）から（６）の種々を組み合わせた他の構造体である。熱電素子という用語は、熱電気、熱電子、量子トンネリング、およびこれらの効果の種々の組み合わせを用いて作動する別個の素子を示す、さらに詳細な用語である。
【００２２】
以下の説明において、熱電またはＳＳＣＨＰシステムは、例として説明している。しかし、このような技術および説明には、全てのＳＳＣＨＰシステムを含むものと解釈される。
【００２３】
したがって、説明および例示目的で特定の実施形態における例を用いて、本発明を説明する。後述する様々な例は、様々な構成を示し、所望の改良を行うために用いることができる。本説明によって、特定の実施形態および例は、例に過ぎないばかりでなく、ここに示した本発明を限定するようには解釈もされない。さらに、冷却側、加熱側、低温側、高温側、比較的低温側および比較的高温側、並びに同種の用語が、特定の温度を示すものではないが、関連する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またはモジュールの「高温」側は、周囲温度である場合もあるし、「低温」側は、周囲温度より低温である場合もある。その逆が真の場合もある。したがって、それらの用語は、熱電気の一方の側が、それとは逆の温度の側よりも高温または低温であることを示すように相互に相対的である。
【００２４】
図２は、熱電アレイ２００のための好ましい構成の、概括した第１の実施形態を示す。アレイ２００は、複数のＴＥモジュール２０１、２１１、２１２、２１３、２１８を有し、これらＴＥモジュールは、複数の第１の側の熱交換器２０２、２０３、２０５と複数の第２の側の熱交換器２０６、２０７、２０９と良好な熱伝達状態にある。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び方は、熱交換器が、ＳＳＣＨＰシステム全体の一方の側または他方の側にあることではなく、単に熱電モジュールの比較的低温側または比較的高温側のいずれかと熱伝達状態にあることを意味または示唆する。このことは、図面から、熱交換器が熱電モジュール同士の間に実際にはさまれているという点において明らかである。そういう意味で、それらは、熱電モジュールの第１の側または第２の側と熱伝達状態にある。第１のＴＥモジュール２０１の比較的低温側は、第１の側の熱交換器２０５と熱的接触状態にあり、かつＴＥモジュール２０１の高温側は、入口の第２の側の熱交換器２０６と熱的接触状態にある。流体などの第２の作動媒体２１５が、図２の右手上の角からアレイ２００内に入り、入口の第２の側の熱交換２０６を通り、左下近傍の最終または出口の第２の側の熱交換器２０９から出ていく。第１の作動媒体２１６が、左上の入口の第１の側の熱交換器２０２を通って入り、右下近くの最終または出口の第１の側の熱交換器２０５から出ていく。図示していない電源に接続された（同様に他のＴＥモジュール用の）電線２１０が、各ＴＥモジュール２０１に接続されている。図２において線として表わされている第１の管路２０８が、第２の作動媒体２１５を運び、また、第２の管路２０４が、図示するような種々の熱交換器２０２、２０３、２０５、２０６、２０７および２０９の中を連続して第１の作動媒体２１６を運ぶ。
【００２５】
作動時には、第２の作動媒体２１５は、入口の第２の側の熱交換器２０６を下方へ流れるにつれて、ＴＥモジュール２０１から吸熱する。第２の作動媒体２１５は、管路２０８を通り、上方へ向かって第２の側の熱交換器２０７内へその中を通って流れる。熱交換器２０７との良好な熱伝達状態にあるのは、ＴＥモジュール２１１および２１２の比較的高温側であって、それらは、各比較的高温側が相互に向き合って第２の側の熱交換器２０７を間にはさむように構成されている。第２の側の作動媒体２１５は、さらに、第２の側の熱交換器２０７を流れるにつれて加熱される。第２の側の作動媒体２１５は、次に、第２の側の熱交換器２０９を通って流れ、そこで再び、ＴＥモジュール２１３および２１８の比較的高温側が、第２の側の熱交換器２０９をはさんでおり、第２の側の熱交換器２０９へ熱を伝達して、さらに第２の側の作動媒体２１５を加熱する。熱交換器２０９から、第２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を出て行く。
【００２６】
同様に、第１の作動媒体２１６は、図２の左上の角から入口の第１の側の熱交換器２０２に入る。この熱交換器２０２は、ＴＥモジュール２１８の比較的低温側と良好な熱伝達状態にある。第１の作動媒体２１６は、入口の第１の側の熱交換器２０２を流れるにつれて、冷却され、別の第１の側の交換器２０３を通り、最後に出口の第１の側の熱交換器２０５を通って、そこで、さらに低温の作動媒体２１７として出ていく。
【００２７】
配線２１０を通る電力によって、ＴＥモジュール２１８内、および同様にすべての他のＴＥモジュール内へ、熱電冷却および加熱が行われる。
【００２８】
したがって、つまり、作動媒体が、アレイの左手側においてＴＥモジュールの低温側と良好な熱接触状態に置かれて、その結果、熱が、媒体から引き出される。次いで、媒体は、第２および第３のＴＥモジュールと接触し、そこで、さらに熱が、引き出され、さらに媒体が冷却される。所望の数の段階を通って右へ媒体が進んでいくにつれて、増加分の冷却プロセスが、続けられる。媒体は、適切な量が冷却された後、右から出ていく。同時に、第２の媒体が、さらに右からシステムに入り、第１の段階を流れるにつれて、少しずつ加熱される。次いで、さらに加熱が行われる次の段階などに入る。１つの段階において熱を入力することによって、隣接したＴＥモジュールの低温側から熱が引き出され、それらモジュール内への電力が生じる。高温側媒体は、概ね右から左の方向へ流れていくにつれて次第に加熱される。
【００２９】
上述の外形に加えて、本システムは、両方の媒体が、同じ温度で入り次第に高温になり低温になる場合に、利点を提供する。同様に、媒体は、アレイ内のどんな場所の低温または高温側から除去またはそれに追加することもできる。アレイは、５、７、３５、６４などの有用な数のセグメントに、またさらに多くの数のセグメントにすることができる。
【００３０】
本システムはまた、本プロセスを逆にして、高温および低温の媒体をＴＥモジュールに接触させ、かつ高温および低温媒体を、逆の端から流して（図２におけるの同様だが、高温媒体を媒体２１６として入れ、かつ低温媒体を媒体２１５として入れて）、作動させることもできる。したがって、ＴＥモジュールを横切って温度勾配が生じることによって、電流および電圧が生成され、したがって熱の力が電力に変換される。これらの作動モード、および後述のテキストに記載したものはすべて、本発明の一部分である。
【００３１】
図２に示したように、熱交換器を一連の段階へ分けることによって、作動媒体がＴＥモジュールからＴＥモジュールへ流れる方向に熱絶縁が提供される。タイトルが熱絶縁を用いて効率が改善された第１の熱電気であり、２００１年４月２７日出願の米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書が、熱絶縁の原理を詳細に説明しており、この原理は、製造しやすくするための種々の特定のかつ実際の例によりこの説明を通じて提示されている。この特許出願は、参照によってその全体が組み込まれる。
【００３２】
タイトルが、熱絶縁を用いて効率が改善された熱電気、である米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に記載されているように、図２に示したような向流構成で媒体を徐々に加熱、冷却することによって、熱力学的効率を、熱絶縁の利点がない単一のＴＥモジュールの同じ条件下におけるものよりも高くすることができる。したがって、図２に示す構成は、容易に製造可能なコンパクトな設計の熱電モジュール同士の間にはさまれた熱交換器のセグメントまたは段階によって熱絶縁を得るＳＳＣＨＰシステム２００を示している。
【００３３】
上述の特徴に加えて、熱電モジュールは、それ自体が、媒体の流れの方向に熱絶縁を提供するように構成可能であり、また各熱交換器、または熱交換器のいくつかは、図５にさらに記述する構成または他の適切な構成によって、個々の熱交換器に熱絶縁を提供するように構成可能である。一般に、熱交換器を流れの方向にセグメントに分割して、ＴＥモジュール２１８などの単一のＴＥモジュールおよび入口熱交換器２０２の流れに沿って熱絶縁を増加させることができる。
【００３４】
図３は、図２におけるのと同様の概略設計のアレイ３００であり、このアレイ３００は、複数のＴＥモジュール３０１と、比較的低温側の熱交換器３０２、３０５および３０７とからなり、これらは、第１の作動媒体３１５が、連続した熱交換器からここに示した熱交換器通路へ流れるように連結されている。同様に、複数の高温側熱交換器３０９、３１１および３１３が、矢印で示した方向に連続してまたは段階的に比較的高温側の作動媒体３１７を送る。ＴＥモジュール３０１は、図２の説明のように配置され電力が供給される。
【００３５】
図３の下半分は、比較的低温側の作動媒体の低温側温度または温度変化３０３、３０４、３０６、３０８と、高温側作動媒体の高温側温度３１０、３１２、３１４を示している。
【００３６】
比較的低温側の作動媒体３１５は、入口の比較的低温側の熱交換器３０２に入りその中を流れる。入口の比較的低温側の熱交換器３０２を流れる際の作動媒体の温度の低下３０３を、低温側温度曲線ＴＣの低下３０３により示している。比較的低温側の作動媒体３１５は、さらに、次の段階の比較的低温側の熱交換器３０５の中を流れるにつれて、温度低下３０４により示すように冷却され、また繰り返し、第３の比較的低温側の熱交換器３０７を流れるにつれて、それに伴い温度低下３０６が生じる。比較的低温側の作動媒体３１５は、温度３０８で低温の流体３１６として出ていく。同様に、比較的高温側の作動媒体３１７は、第１または入口の比較的高温側の熱交換器３０９に入り、図３に比較的高温側の温度曲線ＴＨで示すように、第１の温度３１０で出ていく。比較的高温側の作動流体は、図２に示したように複数の段階でアレイ３００を進んでいき、徐々に高温となり、最終的に、出口の比較的高温側の熱交換器３１３を流れた後、比較的高温側の温度３１４で比較的高温側の作動流体３１８として出ていく。（ＴＥモジュールおよび熱交換器である）段階の数を増加させることによって、冷却および加熱の力の量の増加、および各熱交換器により生じる温度変化の減少が可能となり、かつ／またはアレイを流れる媒体の量が増加することが容易に理解される。米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に教示されるように、効率は、たとえ低速度でも、段階が増えると高くなり得る。
【００３７】
上述の実験および説明は、図２および図３の構成により行うことができる熱絶縁および段階的な加熱および冷却が、効率をかなり上昇させ、したがって重要であることを示す。そのようなシステムでは、実験室のテストで、１００％を超える上昇が達成された。
【００３８】
図４Ａは、図２および図３において説明したように構成された３つのＴＥモジュール４０２と、４つの熱交換器４０３と、２つの管路４０５とを備えたアレイ４００を示す。比較的低温側の作動流体が比較的低温側の入口４０４から、比較的高温側の作動流体が比較的高温側の入口４０７からそれぞれ入り、比較的低温側の出口４０６、比較的高温側の出口４０８からそれぞれ出ていく。図４Ｂは、熱交換器４０３の一実施形態についてのさらに詳細な図である。それは、流体媒体に適するタイプとして示している。熱交換器アセンブリ４０３は、入口４１０および出口４１１を有する外側ハウジング４１２と、熱交換器フィン４１４と、流体分配マニホールド４１３とからなる。アレイ４００の作動は、本質的に図２および図３に説明したものと同じである。ＴＥモジュール４０２の数は、図４では３つであるが、どんな数にしてもよい。ハウジング４１２は、熱伝導性があり、耐腐食性の銅またはアルミニウムなどの適切な材料からなることが好ましい。一実施形態では、熱交換器フィン４１４は、ＴＥモジュールへの境界面を横切って良好な熱伝導率を達成するように、折りたたまれ、ハウジング４１２へ半田付けされた銅またはアルミニウムであることが好ましい。フィン４１４は、どんな形状にしてもよいが、システムに望ましい熱伝達特性を達成することに十分適する設計であることが好ましい。詳細な設計のガイドラインは、Ｗ．Ｍ．ＫａｙｓおよびＡ．Ｌ．Ｌｏｎｄｏｎによる「コンパクトな熱交換器」第３版にある。あるいは、穿孔型フィン、並列型プレート、ルーバー型フィン、ワイヤーメッシュ型およびその他同種のものなど他の適切な熱交換器を使用可能である。そのような構成は、当該技術において知られており、図２から図１１のどの図面におけるどの構成においても使用可能である。
【００３９】
図５Ａは、管路の連結によって、熱交換器の段階から熱交換器への流れが生じる、図４の構成の代替構成を示す。アレイ５００は、第１のＴＥモジュール５０１および第２のＴＥモジュール５１０と、３つの熱交換器５０２、５０３および５０６と、１つの管路５０４とを有する。当然ながら、前の実施形態および構成を用いた場合のように、２つの第１の側の熱交換器５０２、５０３と、１つの第２の側の熱交換器５０６との特定の数は、限定的ではなく、他の数にしてもよい。
【００４０】
図５Ｂは、熱交換器５０２、５０３、５０６のための好ましい実施形態の拡大図を示している。図５Ｂに示すような熱交換器のこの構成は、他の実施形態に適切となり、図２から図８および図１１における構成のどの構成においても使用可能である。そのような構成の熱交換器の１つまたはそれ以上の熱交換器に好ましいこの実施形態は、ギャップ５１３により隔てられセグメントに分割された熱交換器フィン５１１を具えた外側ハウジング５１６を有している。作動流体は、入口５０５から入り、出口５０８から出ていく。ギャップの代わりとして、熱交換器フィン同士の間に物理的なギャップを実際に設けずに、熱交換器を、一部分に対しては熱伝導性がありかつ別の部分に対しては熱伝導性がないような異方性になるように製造可能である。その効果は、個別の熱交換器セグメントの段階と、流れの方向に別の個別の熱交換器セグメントの段階との間に熱絶縁が得られることである。これは、図２から図５に記載された実施形態において熱交換器の段階を具えることにより得られる熱絶縁に追加される熱絶縁である。
【００４１】
例えば加熱される第１の作動流体５０７が、入口５０５から入り、第１のＴＥモジュール５０１と熱伝達状態の入口または第１の熱交換器５０２中を下方向へ流れることが好ましい。作動流体５０７は、底から出ていき、管路５０４を通って次の熱交換器５０３へ導かれ、そこで、再度、第２のＴＥモジュール５１０を下方向に通り過ぎて、高温作動流体５０８として出ていく。第２の作動流体５１７は、入口５１８を通って図５Ａの底から入り、ＴＥモジュール５０１および５１０の（本例では）比較的低温側を通り過ぎて第３の熱交換器５０６中を上方向へ流れることが好ましい。熱交換器５０６は、ＴＥモジュール５０１および５１０の比較的低温側と良好な熱伝達状態にある。この構成によって、作動流体５０７および５１７は、上述の米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書の教示による向流システムを形成する。
【００４２】
図５Ｂに詳細に示す熱交換器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を通り、（４つの分離したセグメントとして示した）熱交換器フィン５１１への熱伝導率が高くなるように構成されることが好ましい。しかしながら、各熱交換器セグメントを他のものから熱絶縁するように、流れの方向には熱伝導率を低くすることが望ましい。絶縁が重要であり、ＴＥモジュール５０１および５１０の内部熱伝導率が、垂直方向（作動流体の流れる方向）には高くない場合、アレイ５００は、熱絶縁による利点を有し、さらに高い効率で作動可能である。実際に、さらに多くのＴＥモジュールおよびさらに多くの熱交換器からなるアレイの場合、アレイ５００は、応答可能である。
【００４３】
図６は、好ましくは作動ガスで作動するように設計された別の加熱器／冷却器システム６００をさらに示す。加熱器／冷却器６００は、第１の側の熱交換器６０３、６０５と第２の側の熱交換器６０４と良好な熱伝達状態のＴＥモジュール６０１、６０２を有する。空気または他のガスなどの第１の作動流体６０６は、ダクト６０７、６０８、６１０により収容され、また第２の作動流体６１６は、ダクト６１５、６１３により収容されている。ファンまたはポンプ６０９、６１４が、ダクト６０８、６１５内に装着される。
【００４４】
第１の作動流体６０６は、入口ダクト６０７からシステム６００に入る。作動流体６０６は、例えば加熱（または冷却）が行われる第１の熱交換器６０３を通過する。次いで、作動流体６０６は、ファン６０９を通り抜け、このファン６０９は、作動流体６０６を、ダクト６０８、それから第２の熱交換器６０５中へポンプ注入するように作動し、そこで、さらに加熱（または冷却）されて、ダクト６１０から出ていく。同様に、空気または別のガスなどの作動流体が、入口ダクト６１５から入る。それは、第２のファンまたはポンプ６１４により、第３の熱交換器６０４中へ押し入れられて、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は、出口ダクト６１３から出ていく。
【００４５】
システム６００は、追加のＴＥモジュールおよび熱交換器からなる多数のセグメントを有し、図５Ｂに記載したように隔離されセグメントに分割された熱交換器を具え得る。さらに、それは、追加のポンプ注入を行う力を提供するために多数のファンまたはポンプを具え得る。さらに、１つのダクト、例えば６０７、６０８は、１つの流体を有し、他のダクト６１３、６１５は、第２の種類の気体を有し得る。あるいは、一方の側は、液体の作動流体を有し、また他方の側は、気体を有する場合がある。したがって、本システムには、作動媒体が流体または液体であるかの制限がない。さらに、出口ダクト６１３が、ファンダクト６０９の周りを通ることに留意すべきである。
【００４６】
図７Ａは、好ましくは流体とともに使用する加熱・冷却システム７００を示す。アセンブリは、複数の第１の側の作動手段７０３と、複数の第２の側の作動手段７０４とを有する複数のＴＥモジュール７０１を具える。本例では、第１の側の作動手段７０３および第２の側の作動手段７０４が、ディスクを形成する。第１の側の作動手段７０３は、第１の側の軸７０９に取り付けられ、また第２の側の作動手段７０４は、第２の側の軸７０８に取り付けられる。軸７０８、７０９は、順に、それぞれ、第１の側のモータ７０６と、第２の側のモータ７０５とに、並びに対応のベアリング７０７へ取り付けられる。モータ回転の好ましい方向を矢印７１０および７１１により示す。
【００４７】
セパレータ７１７が、アレイを２つの部分に分割し、ＴＥモジュール７０１を位置決めする。ＴＥモジュール７０１は、セパレータ７１７により所定位置に保持されており、交互に、第１の側の作動手段７０３および第２の側の作動手段７０４を間にはさむように間隔をあけて配置されている。任意の２つのＴＥモジュール７０１について、モジュールは、低温側と高温側とが前の実施形態におけるように相互に向き合うように配置される。作動手段７０３、７０４は、ＴＥ素子７０１と良好な熱伝達状態にある。サーマルグリースまたはその他同種のものを、熱電素子７０１と作動手段７０３、７０４との間の境界面に供給することが好ましい。グリースの目的は、作動手段７０３、７０４の作動に関する以下の説明から明らかになる。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は、システム７００により調節された流体を含んでいる。電線７１２、７１３は、ＴＥモジュールに駆動電流を供給するようにＴＥモジュール７０１に接続している。
【００４８】
図７Ｂは、図７Ａのシステム７００の一部分７Ｂ−７Ｂを通る横断面図である。第１の流体７２１および第２の流体７２３を、矢印７２１および７２３によって流れの方向に沿って表わす。第１の流体は、矢印７２２で表わすように出ていき、また第２の流体は、矢印７２４で表わすように出ていく。システム７００は、電線７１２および７１３からＴＥモジュール７０１に電流を流すことにより作動する。ＴＥモジュール７０１は、図２および図３に記載したように相互に対向して配置された低温側および高温側を有する。例えば、それらの隣接した低温側は、第１の側の作動手段７０３に面し、また高温側は、第２の側の作動手段７０４に面する。セパレータ７１７は、ＴＥモジュール７０１の位置決めをすること、およびアレイ７００の低温側から高温側を隔てることの２つの機能を果たす。
【００４９】
作動を理解するために、例えば、第２の流体７２３が冷却されるものと仮定する。冷却は、第２の側の手段７０４との熱交換によって行われる。第２の側の手段７０４が回転しているときに、任意の所与の時点でＴＥモジュール７０１の比較的低温側と接触した表面の部分が、冷却される。その部分が、第２のモータ７０５の動きによってＴＥモジュール７０１から遠ざかって回転しているときに、第２の手段７０４は、第２の側の流体を冷却し、次に、この第２の側の流体は、出口７２４から出ていく。第２の流体は、ハウジング部７１５およびセパレータ７１７によってアレイ７００内に閉じ込められる。
【００５０】
同様に、第１の流体７２１は、第１の側の手段７０３をＴＥモジュール７０１の比較的高温側と熱的接触させることによって加熱される。（矢印７１１で示す）回転によって、第１の手段７０３の被加熱部分が、第１の流体７２１が通り抜けることができ熱的接触によって加熱され得る場所に移動する。第１の流体７２１は、ハウジング７１４とセパレータ７１７との間に収容され、出口７２２から出る。
【００５１】
上述のように、水銀などの熱伝導性のあるグリースまたは液体金属を使用して、ＴＥモジュール７０１と手段７０３、７０４とを接触領域において十分に熱的接触させることができる。
【００５２】
上述のように、図７Ａおよび図７Ｂの構成は、マイクロプロセッサ、レーザーダイオードおよびその他同種のものなどの外部構成要素を冷却または加熱するために使用することもまた好ましい。そのような例では、ディスクは、サーマルグリースまたは液体金属あるいは同種のものを使用してその部分に接触して、その部分へ熱を伝達し、またその部分から熱を伝達する。
【００５３】
図７Ｃは、ＴＥモジュール７０１が熱絶縁を達成するようにセグメントに分割されたシステム７００の変更版を示す。図７Ｃは、ＴＥモジュール７０１および７０２が、作動手段７０４および７０３（この例では回転ディスク）を加熱するように熱を伝達するアレイ７００の部分についての詳細な図を示す。作動手段７０４および７０３は、それぞれ軸線７３３および７３４周りを回転する。
【００５４】
一実施形態では、作動手段７０４および７０３は、矢印７１０および７１１により示すように逆方向に回転することが好ましい。作動手段７０４、７０３が回転すると、ＴＥモジュール７０１および７０２の異なる部分から熱が伝達されて、熱的接触し、作動手段７０４、７０３の温度が徐々に変化する。例えば、第１のＴＥモジュール７２６は、特定の場所において作動手段７０４を加熱する。その場所の作動手段７０４の材料は、作動手段７０４が反時計廻りに回転すると、第２のＴＥモジュール７２５と接触する。作動手段７０４の同じ部分は、さらに別のＴＥモジュールセグメント７０１上へ動く。作動手段７０３が反時計回りに回転し、ＴＥモジュール７０１と、それからＴＥモジュール７２５および７２６と係合すると、逆の作用が生じる。
【００５５】
作動手段７０４、７０３は、半径および軸方向には熱伝導率が高く、それらの角方向、すなわち動く方向には熱伝導率が低いことが好ましい。この特性によって、作動手段７０４および７０３中の伝導率による、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、最小限となるので、有効な熱絶縁が達成される。
【００５６】
ＴＥモジュールまたはセグメント７０１、７２５、７２６の代わりとして、単一のＴＥ素子またはいくつかのＴＥ素子セグメントを代用してもよい。この場合、ＴＥ素子７０１が、作動手段７０４、７０３の動きの方向における長さに比べて厚さが非常に薄く、その方向に比較的熱伝導率が低い場合、それらは、その長さに渡って有効な熱絶縁を示すことになる。それらは、熱を伝導するので、それらが個別のＴＥモジュール７０１から形成されているように、熱的に応答する。この特性は、作動手段７０４、７０３内において動きの方向に熱伝導率が低いことと組み合わされて、有効な熱絶縁を達成することができ、それによって性能が強化され得る。
【００５７】
図７Ｄは、スポーク７２７を有するホイール７２９の形状に形成された作動手段７０４、およびスポーク７３１を有するホイール７３２の形状に形成された作動手段７０３のための代替構成を示す。熱交換器材料７２８および７３０が、スポーク７２７同士の、スポーク７３１同士の間にあり、かつそれらと良好な熱接触状態にある。
【００５８】
システム７００は、図７Ｄに示すさらに別のモードで作動可能である。この構成では、作動流体（図示せず）が、アレイ７００の軸に沿って軸方向に１つの手段７０４から次の作動手段７０４へ連続して、作動手段７０４、７０３を流れ、それから最後の手段７０４を通過するまで軸方向に流れて、出ていく。同様に、別の作動流体（図示せず）が、アレイ７００を軸方向に、個別の作動手段７０３の中を流れる。この構成では、ダクト７１４および７１５と、セパレータ７１７とは、作動手段７０４、７０３を囲み、手段７０３から手段７０４を隔離する連続したリングを形成するような形状にされる。
【００５９】
作動流体が軸方向に流れると、熱出力は、熱交換器材料７２８および７３０を通って作動流体に送られる。例えば、熱交換器７２８を通過する高温側作動流体は、熱交換器７３０を流れる作動流体とは逆方向にアレイ７００中を流れることが好ましい。この作動モードでは、アレイ７００は、向流型熱交換器として機能し、一連の連続した熱交換器７２８および７３０は、それらを通り抜ける各作動流体を徐々に加熱し冷却する。図７Ｃについて説明したように、熱能動素子をＴＥモジュール７０１にすることができ、このＴＥモジュール７０１は、作動手段７０４、７０３の動く方向に有効な熱絶縁を有するように形成可能である。あるいは、ＴＥモジュール７０１および７０２は、図７Ｃに記載したような部分にすることができる。後者の場合、作動手段７０４の外側ディスク７２９の部分、および作動手段７０３の外側ディスク７３２の部分を熱絶縁するように、作動手段７０４、７０３の熱伝導率が動く方向に低いことがさらに好ましい。
【００６０】
その代わりに、本設計は、部分７２９および７３２内に半径方向のスロット（図示せず）を含ませることができ、これらの半径方向のスロットは、動きの方向に熱絶縁を行うようにＴＥモジュール７０１および７０２から熱が伝達される。
【００６１】
図８は、熱電システム８００の別の実施形態を示し、この熱電システム８００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（ハッチングした）およびＴＥ素子８０２（ハッチングしていない）を有する。電源８０５が、電流８０４を供給し、電線８０６、８０７によって熱交換器８０８に接続されている。システム８００は、例えば図２、図３、図４、図５、図６および図７において述べたように、高温および低温側の作動媒体をアレイ８００中に流すために管路、およびポンプまたはファン（図示せず）を有している。
【００６２】
この設計では、（多数のＴＥ素子を有する）ＴＥモジュールは、ＴＥ素子８０１および８０２と入れ替わっている。例えば、ハッチングしたＴＥ素子８０１をＮ型のＴＥ素子にしてもよいし、またハッチングしていないＴＥ素子８０２をＰ型のＴＥ素子にしてもよい。この設計については、電気伝導率が非常に高くなるように熱交換器８０３および８０８を構成することが好ましい。例えば、熱交換器８０３、８０８のハウジング、およびそれらの内部フィンまたは他のタイプの熱交換器の部材は、銅または他の熱伝導性および電気伝導性が高い材料から作製可能である。あるいは、熱交換器８０３および８０８は、ＴＥ素子８０１および８０２と非常によく熱伝達するが、電気絶縁状態にすることができる。その場合、電気シャント（図示せず）を、図１に示したのと同様だが、シャントを熱交換器８０３および８０８を通り過ぎループ化して、ＴＥ素子８０１および８０２の面に連結してそれらの面を電気的に接続可能である。
【００６３】
構成にかかわらず、Ｎ型ＴＥ素子８０１からＰ型ＴＥ素子８０２へ流れるＤＣ電流８０４が、例えば、それらの間にはさまれた第１の側の熱交換器８０３を冷却し、また、次に、Ｐ型ＴＥ素子８０２からＮ型ＴＥ素子８０１へ流れる電流８０４が、それらの間にはさまれた第２の側の熱交換器８０８を加熱する。
【００６４】
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の電線をなくすことができるかまたは減少させることができるので、アレイ８００は、最小のサイズおよび熱損失を示し得る。さらに、ＴＥ素子８０１および８０２は、素子の電気伝導率および容量が高くなるように構成要素を設計した場合、高電流を収容するヘテロ構造にすることができる。そのような構成では、アレイ８００によって、熱出力密度を高くすることができる。
【００６５】
図９は、図８に記載したのと同じ一般的なタイプの熱電システム９００であって、当該熱電システム９００は、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、それらと良好な熱接触状態のＰ型ＴＥ素子９０１およびＮ型ＴＥ素子９０２を有している。この構成では、熱伝達部材９０３および９０５は、熱伝導性ロッドまたはヒートパイプの形態である。熱伝達部材９０３および９０５に取り付けられそれらと良好な熱伝達状態にあるのは、熱交換器フィン９０４、９０６または同種のものである。第１の管路９０７が、第１の作動媒体９０８および９０９の流れを閉じ込め、また、第２の管路９１４が、第２の作動流体９１０および９１１の流れを閉じ込める。電気コネクタ９１２および９１３が、図８において記載したように、Ｐ型ＴＥ素子９０１とＮ型ＴＥ素子９０２とを交互に積み重ねたものに電流を導く。
【００６６】
作動中には、例として、電流は、第１のコネクタ９１２からアレイ９００に入り、（ハッチングした）Ｐ型のＴＥ素子９０１および（ハッチングしていない）Ｎ型のＴＥ素子９０２を交互に通って、第２の電気コネクタ９１３から出る。本プロセスでは、第１の作動媒体９０８は、熱伝達フィン９０４により伝導が行われることによって加熱されるにつれて、次第に高温になり、この熱伝達フィン９０４は、今度は、第１の熱伝達部材９０３により伝導が行われることによって加熱される。第１の管路９０７は、第１の作動媒体９０８を囲み閉じ込めて、この第１の作動媒体９０８は、温度が変化した作動流体９０９として出ていく。第１の管路９０７の部分は、第１の（この場合高温の）作動媒体９０８および９０９から、ＴＥ素子９０１および９０２と、第２の側の熱伝達部材９０５とを熱絶縁する。同様に、第２の作動媒体９１０は、第２の管路９１４から入り、第２の側の熱交換器９０６を通り抜けていくにつれて（この例では）冷却され、冷却された流体９１１として出ていく。ＴＥ素子９０１、９０２は、第２の側の熱伝達部材９０５を、したがって熱交換器フィン９０６を冷却し得る。第２の側の管路９１４は、第２の（この例では冷却された）作動媒体９１０を閉じ込め、アレイ９００の他の部分からそれを絶縁する働きをする。
【００６７】
図８から図９の実施形態において個々のＴＥ素子について説明したが、ＴＥモジュールをＴＥ素子９０１、９０２の代わりに用いてもよい。さらに、ある状況では、熱伝達部材９０３、９０５からＴＥ素子９０１、９０２を電気絶縁し、シャント（図示せず）中に電流を流すことが好ましい場合がある。さらに、熱交換器９０４、９０６は、システムの機能に好ましいどんな設計にしてもよい。他の実施形態による場合、図８および図９の構成によって、比較的容易に製造可能なシステムを得られ、かつ熱絶縁により効率が高くなることが理解される。例えば、図８では、Ｐ型の熱電素子とＮ型の熱電素子との間に交互に配置された熱交換器８０８、８０３は、比較的低温または高温の熱交換器タイプのいずれかであるが、相互に適切に熱絶縁され、それによりＰ型およびＮ型の熱電素子が相互に適切に熱絶縁される。
【００６８】
図１０に、熱絶縁を提供する別の熱電アレイシステム（１０００）を示す。この構成は、同じ媒体を冷却し加熱して、除湿するか、あるいは沈澱物、霧、凝縮し得る蒸気、反応生成物および同様のものを除去し、媒体の温度をもとの温度より少し上の温度に戻すシステムの機能を果たし得ることが好ましい。
【００６９】
システム１０００は、低温側の熱伝達素子１００３を点在させたＰ型のＴＥ素子１００１と、高温側の熱伝達素子１００４を点在させたＮ型のＴＥ素子１００２とを交互に積み重ねたものからなる。ここに示した実施形態では、熱交換器フィン１００５は比較的低温側の熱伝達素子１００３のために、熱交換器フィン１００６は比較的高温側の熱伝達素子１００４のために設けられる。アレイ１０００内において、比較的低温側の管路１０１８は作動流体１００７、１００８を、また比較的高温側の管路１０１９は作動流体１００９を、案内する。ファン１０１０が、アレイ１０００中に作動流体１００７、１００８および１００９を引き入れる。好ましいことに、比較的低温側の絶縁体１０１２が、作動流体１００７を、比較的低温側を流れている間に、ＴＥ素子の積み重ねから絶縁し、また、比較的高温側の絶縁体１０２０が、好ましくは、作動流体を、比較的高温側に流している間に、ＴＥ素子の積み重ねから絶縁する。バッフル１０１０またはその他同様のものが、比較的低温側と比較的高温側とを隔てる。好ましい一実施形態では、バッフル１０１０は、作動流体１０２１を通過させるための通路１０１０を有する。同様に、一実施形態では、流路１０１７によって、流体１０１６が高温側の流路に入り得る。
【００７０】
スクリーン１０１１、または他の多孔性の作動流体フローリストリクタが、アレイ１０００の比較的高温側から比較的低温側を隔てている。凝縮した、固体の沈澱物、液体およびその他同様のもの１０１３が、アレイ１０００の底部に蓄積し、バルブ１０１４を通ってスパウト１０５０から流出され得る。
【００７１】
図９の説明において述べたように、ＴＥ素子１００１電流（図示せず）が比較的低温側の熱伝達素子１００３を冷却し、またＴＥ素子１００２中の電流（図示せず）が、比較的高温側の熱伝達素子１００４を加熱する。作動中において、作動流体１００７が比較的低温側を流れていくにつれて、作動流体１００７からの沈澱物、水分または他の凝縮液１０１３が、アレイ１０００の底部に集まり得る。必要に応じて、バルブ１０１４を開いて、沈澱物、水分または凝縮液１０１３をスパウト１０１５から除去するか、または他の適切な手段によって引き出すことができる。
【００７２】
作動流体１０２１のいくらかを、比較的低温側から比較的高温側にバイパス通路１０２０を通して流し得ることが好ましい。この設計の場合、比較的低温側の流体１００７の必ずしも全てが、フローリストリクタ１０１１を流れるわけではないが、その代わりに、それを利用して、比較的高温側の作動流体の温度を局所的に低減し、それにより、いくつかの状況において、アレイ１０００の熱力学的効率を改善可能である。システムの流れ特性を適切に設計することによって、バイパス通路１０２０の流れとフローリストリクタ１０１１の流れとを適切な割合にすることができる。例えば、流れを調節するためにバルブを組込み、特定の通路を開閉可能である。いくつかの用途では、フローリストリクタ１０１１は、液体または気体の作動流体１００８からの沈澱物、あるいは気体の作動流体１００８からの霧または濃霧を除去するフィルタとして機能し得る。
【００７３】
比較的高温側の作動流体の温度を低下させる、またはアレイ１０００の効率を上昇させるために、追加の比較的高温側の冷却材１０１６を側方通路１０１７からアレイ１０００に入れ得ることが好ましい。
【００７４】
この構成によって、フローリストリクタ１０１１において非常に低温の状態が生じて、その結果、作動流体１００８は、相当量の沈澱物、凝縮液または水分を除去する能力を具え得る。代替作動モードでは、ファン１０１０への動力を逆にし、作動流体を加熱し冷却状態に戻すように本システムを作動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、沈澱物、凝縮液、水分、およびその他同様のものの除去に好ましいものとなり得る。好ましい一実施形態では、フローリストリクタ１０１１、および／または熱交換器１００５および１００６は、本システムにおいて生じ得る作用を、促進、変更、可能にし、妨げ、またはそれに影響を与える触媒特性を具え得る。液体の作動流体については、好ましい特性を達成するように、１つまたはそれ以上のポンプをファン／モータ１０１０と交換可能である。
【００７５】
図１１は、図２および図３の設計と類似しているが、作動媒体が、本システムを通る代替通路を有する熱電アレイ１１００を示す。アレイ１１００では、ＴＥモジュール１１０１が、熱交換器１１０２同士の間に散在されている。複数の入口ポート１１０３、１１０５および１１０７が、アレイ１１００中に作動媒体を導き入れる。複数の出口ポート１１０４、１１０６および１１０８が、アレイ１１００から作動媒体を導き出す。
【００７６】
作動時には、例として、冷却される作動媒体が、第１の入口ポート１１０３から流入し、熱交換器１１０２のいくつかを通過し、それにより徐々に（この例では）冷却を行い、第１の出口ポート１１０４から流出する。アレイ１１００から熱を取り除く作動媒体の一部分が、第２の入口ポート１１０５から流入し、熱交換器１１０２を通過し、本プロセスにおいて徐々に加熱され、第２の出口ポート１１０６から流出する。
【００７７】
熱を取り除くために作動媒体の第２の部分が、第３の入口ポート１１０７から流入し、熱交換器１１０２のいくつかを通り抜けるにつれて加熱され、第３の出口ポート１１０８から流出する。
【００７８】
この設計によって、第１の入口ポート１１０３から第１の出口ポート１１０４へ流れる低温側の作動媒体は、高温側の作動媒体がこの例では２箇所から流入するので、効率的に冷却され、結果として生じるＴＥモジュール１１０１における温度差が、作動媒体が単一のポートから流入する場合よりも、平均して少なくなり得る。平均温度勾配が平均より低い場合、ほとんどの状況下で、システム効率が高くなる。第２の入口ポート１１０５および第３の入口ポート１１０７を流れる相対的流量は、所望の性能を達成するか、または外部の条件の変更に応答するように調節可能である。例として、第３の入口ポート１１０７を通る流量を多くすることによって、最も効率的には、第３の出口ポート１１０８が入口になるようにその部分の流れの方向を逆にすることによって、第１の出口ポート１１０４を出る低温側作動媒体の出口温度が低下し得る。これらの変形のすべて。
【００７９】
本発明から逸脱せずに、上述の特徴を組み合わせ可能であることにさらに留意するべきである。
【００８０】
ＴＥ素子およびモジュールに電力を印加することによって、作動媒体を冷却し加熱することに関して、上記の例を説明してきた。ＴＥ素子およびモジュールに温度勾配をつけることにより電力を抽出する逆のプロセスは、当該技術において周知である。特に、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９および図１１に示す構成は、発電に適している。
【００８１】
一般に、これらの図に描いたシステムは、両方のモードで作動する。冷却、加熱または発電のための性能を最適化するように、特定の変更を行うことができることが好ましい。例えば、（１０から６０°Ｆまでの）小さい温度差は、冷却および加熱システムの特徴であるが、当該技術において周知のように、発電において効率を高くするためには、（２００から２０００°Ｆまでの）大きな温度差が望ましい。大きな温度差には、異なる構造材料と、場合によれば設計および材料の異なるＴＥモジュールおよび素子とが必要である。しかしながら、基本的な構想は、異なる作動モードについては同じままである。図５、図８および図９に記載した設計は、簡易で、頑丈で、低コストの設計および製造になり得ることから、発電に好ましい。しかしながら、上述の設計はすべて、特定の発電の適用のための長所を具え得るが、必ずしもその全てが、そうであるというわけではない。
【００８２】
上述のように、いくつかの例を説明してきたが、上記の説明は、本発明の幅広い構想の単に例示であって、その構想を、添付の特許請求の範囲において述べる。特許請求の範囲において、すべての用語は、慣用されている通常の意味であるものとし、本説明では、その用語を、特に詳細に表わさない限り、どんな特別な意味または特に定義された意味にも制限しない。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１Ａ】通常のＴＥモジュールを示す図である。
【図１Ｂ】通常のＴＥモジュールを示す図である。
【図２】作動媒体の熱絶縁および向流の流れを伴った、ＳＳＣＨＰシステムの概略構成を示す図である。
【図３】作動媒体がシステムの中を進んでいくにつれて生じる媒体の温度変化を示す図である。
【図４Ａ】３つのＴＥモジュールと、フィン型熱交換器と、液体作動媒体とを有するシステムを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａのシステムのフィン型熱交換器を示す図である。
【図５Ａ】２つのＴＥモジュールと、セグメントに分割された熱交換器とを有して、熱絶縁しかつ液体媒体を向流にするシステムを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂのシステムの、セグメントに分割された熱交換器を示す図である。
【図６】２つのＴＥモジュールと、流体の流れを制御するためにダクトに設けられたファンとを有する気体媒体システムを示す図である。
【図７Ａ】特性をさらに高めるために向流を伴う固体媒体システムを示す図である。ＴＥ素子は、熱絶縁を追加するように厚さに対する長さの比が大きい。
【図７Ｂ】図７Ａのシステムの一部分７Ｂ−７Ｂを通る横断面図である。
【図７Ｃ】ＴＥモジュールが熱絶縁を達成するようにセグメントに分割されたシステムの変更版を示す図である。
【図７Ｄ】スポークを有するホイールの形状に形成された作動手段、およびスポークを有するホイールの形状に形成された作動手段のための代替構成を示す図である。
【図８】電流が直接アレイ中を流れるようにＴＥ素子を配置することにより、特性が改良されると同時にコスト、重量およびサイズが低減されるシステムの図である。
【図９】ＴＥ素子、ヒートパイプ、および熱交換器を有し簡易でコストが低いシステムであって、高温側および低温側が、ヒートパイプ中に熱輸送を行うことにより隔てられているシステムを示す図である。
【図１０】熱交換器およびＴＥモジュールアレイ中に流体をポンプ送りして、気体、あるいは液体または気体からの沈澱物から水分を凝縮させるように一方の端部を低温にする流体システムを示す図であって、該システムは、作動流体の流れを分流して、アレイの部分における温度差を減少させることにより効率を改善することができる。
【図１１】作動流体が種々の場所において流入出するアレイであって、本システムの部分が、向流モード、かつ部分的には並行流モードで作動するアレイの図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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