(57)【要約】  熱絶縁の利点を利用する複数のコンパクトで高効率かつ高出力密度の熱電システムについて記載する。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。一部の構成では、必要な熱電材料の量の実質的な削減を示す。
2007503121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電モジュールと、
複数の第１の熱伝達装置および第２の熱伝達装置と、を備え、前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかは少なくとも２つの熱電モジュール同士の間に挟まれ、前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかは少なくとも２つの熱電モジュール同士の間に挟まれ、第１の熱伝達装置および第２の熱伝達装置を交互に配置した熱電モジュールの少なくとも１つのスタックを形成し、前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかおよび前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかが異なる方向において前記少なくとも１つのスタックから突出し、前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかおよび前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかが作動媒体の移動方向において熱絶縁を提供するように配置される熱電システム。
【請求項２】
前記スタックに電気的に接続される電流源をさらに備え、電流が前記熱伝達装置の少なくともいくつかおよび熱電モジュールの少なくともいくつかに直列に流れる請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
前記熱伝達装置は、前記熱電モジュールの少なくともいくつかを前記熱電モジュールの別の少なくともいくつかから熱絶縁される請求項１に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記作動媒体は、作動流体を含む請求項１に記載の熱電システム。
【請求項５】
前記熱伝達装置の少なくともいくつかは、複数の熱交換器素子を有する熱交換器である請求項１に記載の熱電システム。
【請求項６】
前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかは、シャント部分から電気的に絶縁され、かつシャント部分に熱接触される電極部分から構成される請求項１に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記熱電モジュールの少なくともいくつかは、熱電素子を備える請求項１に記載の熱電システム。
【請求項８】
前記熱電素子は、交互に配置されるＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を備える請求項７に記載の熱電システム。
【請求項９】
作動媒体の移動方向は、第１のスタックから第２のスタックへの方向である請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１０】
作動媒体の移動方向は一般に、前記少なくとも１つのスタックの方向である請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１１】
複数の熱電モジュールと、
複数の第１の熱伝達装置および第２の熱伝達装置と、を備え、前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかは少なくとも２つの熱電モジュール同士の間に挟まれ、前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかは少なくとも２つの熱電モジュール同士の間に挟まれ、第１の熱伝達装置および第２の熱伝達装置を交互に配置した熱電モジュールの少なくとも１つのスタックを形成し、前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかおよび前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかが前記少なくとも１つのスタックから離れる方向に突出し、前記第１の熱伝達装置および前記第２の熱伝達装置の少なくともいずれかが少なくとも１つの媒体を収容し、前記媒体が液体および／または固体である熱電システム。
【請求項１２】
前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかおよび前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかは、異なる方向において前記少なくとも１つのスタックから突出する請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１３】
前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかは第１の媒体を収容し、前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかは第２の媒体を収容し、前記第１の媒体が液体および／または固体であり、前記第２の媒体は、液体、固体、気体または液体、固体および気体の任意の組み合わせからなる群から選択される請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１４】
前記第１の媒体は液体であり、前記第２の媒体は気体である請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの媒体は移動し、前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかまたは前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかは、前記少なくとも１つの媒体の移動方向において熱絶縁を提供するように配置される請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１６】
前記スタックに電気的に接続される電流源をさらに備え、前記電流が前記熱伝達装置および熱電モジュールを通って流れる請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１７】
前記第１の熱電モジュールの少なくともいくつかはＰ型熱電素子を備え、前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかはＮ型熱電素子を備え、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１８】
前記少なくとも１つの媒体は、移動作動媒体である請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの熱伝達装置は、熱交換器素子を有する熱交換器である請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項２０】
前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかは、シャント部分から電気的に絶縁され、かつシャント部分に熱接触される電極部分から構成される請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項２１】
複数の熱電モジュールを備え、前記熱電モジュールの少なくともいくつかが高い出力密度動作を与えるようなサイズであり、
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、前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかが前記熱電モジュールの少なくとも２つの間に挟まれ、前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかが前記熱電モジュールの少なくとも２つの間に挟まれ、熱電モジュールのスタック構成を形成し、前記第１の熱伝達装置および前記第２の熱伝達装置が交互に配置されている熱電システム。
【請求項２２】
前記複数の熱電モジュールの少なくともいくつかはＮ型熱電素子であり、前記熱電モジュールの少なくともいくつかはＰ型熱電素子である請求項２１に記載の熱電システム。
【請求項２３】
前記Ｎ型熱電素子またはＰ型熱電素子の少なくともいくつかは５ミクロン〜１．２ミリメートルの厚さであり、前記熱電素子の電流方向における長さに対する面積の比が比較的大きい請求項２２に記載の熱電システム。
【請求項２４】
前記比が、約６対１である請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２５】
前記Ｎ型熱電素子またはＰ型熱電素子の少なくともいくつかは、２０ミクロン〜３００ミクロンの厚さである請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２６】
前記Ｎ型熱電素子またはＰ型熱電素子の少なくともいくつかは、２０ミクロン〜２００ミクロンの厚さである請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２７】
前記Ｎ型熱電素子またはＰ型熱電素子の少なくともいくつかは、２０ミクロン〜１００ミクロンの厚さである請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２８】
前記Ｎ型熱電素子またはＰ型熱電素子の少なくともいくつかは、１００ミクロン〜６００ミクロンの厚さである請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２９】
前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかまたは前記第２の熱伝達装置の少なくともいくつかは、作動流体の流れる方向において熱絶縁を提供するように配置される請求項２１に記載の熱電システム。
【請求項３０】
前記スタックに電気的に接続される電流源をさらに備え、電流が前記熱伝達装置および熱電モジュールを通って直列に流れる請求項２１に記載の熱電システム。
【請求項３１】
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２２に記載の熱電システム。
【請求項３２】
前記熱伝達装置の少なくともいくつかは移動作動流体を収容する請求項２１に記載の熱電システム。
【請求項３３】
前記熱伝達装置の少なくともいくつかは、内部に熱交換器素子を有するハウジングを備える熱交換器である請求項３２に記載の熱電システム。
【請求項３４】
前記第１の熱伝達装置の少なくともいくつかは、シャント部分から電気的に絶縁され、かつシャント部分に熱接触される電極部分から構成される請求項２１に記載の熱電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
継続出願データ
本出願は、２００２年８月２３日に出願された米国特許出願公開第１０／２２７，３９８号明細書の一部継続出願であり、２００１年２月９日に出願された米国特許仮出願第６０／２６７，６５７号明細書に関連し、その出願日の利益を主張する２００１年４月２７日に出願された米国特許第６，５３９，７２５号明細書の継続出願である２００３年３月３１日に出願された米国特許出願公開第１０／４０５，００１号明細書の一部継続出願である。
【０００２】
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】
【０００３】
熱電装置（ＴＥ）は、一定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。従来の熱電装置は、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、加熱または冷却の所望の機能が得られるような態様で物理的かつ電気的に構成される。
【０００４】
今日、熱電装置に用いら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に配置される。電流Ｉが、両方の型の素子の中を通過する。素子は、素子１０２の端部に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、気体および物体の物体を冷却するために用いられる。
【０００５】
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用途のために１９６０年代から用いられてきた。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、電力密度が低いため、ＳＳＣＨＰシステムはさらに大型となり、さらに高価で、あまり効率的ではなく、商品化の許容範囲を超える重量だった。
【０００６】
近年の材料の改良によって、効率および出力密度は、本システムの１００倍まで上昇する見込みである。しかし、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きた。
【０００７】
ＴＥ設計ガイド（非特許文献１）から、今日のＴＥ材料におけるＺＴ＝０．５のモジュールによって生成されるピーク効率における冷却出力は、最大冷却出力の約２２％であることが公知である。したがって、最高の可能な効率を達成するために、最大冷却における動作に必要な数に比べて、複数のＴＥモジュールが必要とされる。その結果、効率的な動作のためのＴＥモジュールのコストは著しく高価であり、結果として生じるシステムは実質的に大型である。
【０００８】
参考文献（たとえば、非特許文献２）から周知であるように、最大熱冷却出力は以下のように書くことができる。
2007503121.tif 000003
式中、ｑＣＯＰＴは最適な冷却熱出力であり、
ＩＯＰＴは最適な電流であり、
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率であり、
ΔＴは、高温側と低温側の温度差であり、
ＴＣは低温側の温度である。さらに、非特許文献２によれば、
2007503121.tif 000004
である。式中、
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る。
2007503121.tif 000005
【０００９】
式（２）を（１）代入すると、
2007503121.tif 000006
となる。
【００１０】
式（３）の右側のカッコ内の項は、ＴＥシステムのサイズ（または寸法）に関係ないため、冷却量ｑＯＰＴは材料特性の関数およびＫのみである。図１の幾何構成に関して、Ｋは以下のように書くことができる。
2007503121.tif 000007
式中、λはＮ型材料およびＰ型材料の平均熱伝導率であり、
ＡＣは素子の面積であり、
Ｌは各素子の長さである。
【００１１】
αは固有の材料特性であるため、比ＬＣ／ＡＣが一定である限り、最適な熱出力ｑＯＰＴは等しくなる。ＩＯＰＴに等しい電流の場合には、抵抗は、
2007503121.tif 000008
である。式中、ρＴＥはＴＥ素子の固有平均抵抗であり、
ＲＯＣはＴＥ材料の抵抗であり、
ＲＰＣは寄生抵抗である。
【００１２】
モーメントに関して、ＲＰが０であると仮定すると、Ｒは定数である。ＬＣ／ＡＣが一定であれば、ＩＯＰＴは定数である。比ＬＣ／ＡＣが変化する場合に限り、Ｋ、ｑＣＯＰＴおよびＲＯＣ、ＩＯＰＴが変化する。
【００１３】
一般に、同一の冷却出力に関して装置をより小さく製作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限は、たとえば、長さＬＣが一定のＡＣに関して減少するとき、ＴＥ材料損失に対する寄生抵抗損失の比φＣは比較的大きくなることである。
2007503121.tif 000009
これは、代表的なＴＥ対を示す図１Ｃを参照することによって分かる。複数の寄生損失が生じる場合には、うまく設計されたＴＥの場合の最大の損失の１つは、シャント１０６から生じる。ＴＥ素子１０２当たりのシャント１０６の抵抗は約
2007503121.tif 000010
である。式中、ＧＣはＴＥ素子間の間隙である。
ＢＣはＴＥ素子とシャントの奥行きである。
ＷＣはＴＥ素子とシャント幅である。
ＴＣはシャント厚さである。
ＰＳＣはシャントの抵抗率である。
【００１４】
図１の幾何構成に関して、ＴＥ素子に関する抵抗は、
2007503121.tif 000011
である。式中、ＬＣはＴＥ素子長さである。したがって、式（７）および（８）を（６）に用いると、
2007503121.tif 000012
である。
【特許文献１】米国特許第６，５３９，７３５号明細書
【非特許文献１】メルコア・コーポレーション（Ｍｅｌｃｏｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、「熱電ハンドブック（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、１９９５、１６〜１７頁
【非特許文献２】Ｈ．Ｊ．ゴールドシュミット（Ｈ．Ｊ．Ｇｏｌｄｓｍｉｄ），「電子冷却（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）」，１９８６、９頁
【非特許文献３】Ｗ．Ｍ．キーズ（Ｗ．Ｍ．Ｋｅｙｓ）およびＡ．Ｌ．アレクサンダー（Ａ．Ｌ．Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）著、「小型熱交換器第３版（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ，３ｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ）」
【非特許文献４】アングリスト，Ｓ．Ｗ．（Ａｎｇｒｉｓｔ，Ｓ，Ｗ．）著、「直接エネルギ変換第３版（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，３ｒｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ）、１９７６、第４章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
「熱的な分離を利用した効率改善型熱電システム（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）」という名称の特許文献１に記載されている幾何構成に関する効率の上昇は、多くの重要な用途ではさらに５０％〜１００％改善される。材料改良と組み合わせると、４倍以上のシステム効率の上昇が近い将来可能となると思われる。これらの実質的な改良の見込みは、当該技術に新たな関心を呼び、新しい用途のための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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
一般に、本開示は、ＳＳＣＨＰ構成の新しい系統について記載している。これらの構成は、コンパクトに、かつ高効率の出力変換を達成し、比較的低コストにすることができる。一般に、ＴＥ素子またはモジュール（本明細書では総称して素子と呼ぶ）を熱交換器同士の間に挟んだいくつかの実施形態が開示されている。ＴＥ素子は、熱交換器を間に挟んだ任意の２つの素子に関して、同一の温度タイプ側が熱交換器に面しているように向けられることが好都合である。たとえば、熱交換器を間に挟んだＴＥ素子のそれぞれの比較的低温側は、同一の熱交換器またはシャントに面し、したがって互いに面している。この構成の類型では、少なくとも１つの作動媒体が、少なくとも２つの熱交換器中を連続的に通過し、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。この構成には、上記の参考文献に記載されたように、高いシステム効率および出力密度を示す製造可能なシステムにおいて、特許文献１に記載されているように、熱絶縁の利点を用いるという別の利点がある。特許文献１において説明されているように、一般に、ＴＥ装置は、ＴＥ素子のアセンブリ全体を、熱絶縁されたサブアセンブリまたは一部分にさらに分割することによって、効率の向上または改善を達成する。たとえば、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されてもよい。たとえば、ＴＥシステムは、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、この複数のTE素子は、アレイを横切って少なくとも１つの方向において互いに実質的に分離されている。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。作動流体の流れの方向に熱絶縁される部分を熱交換器が有するように一部分に構成される熱交換器を備えることによって、この熱絶縁を行うことができる。
【００１７】
本開示では、作動流体のために同一の温度タイプの熱交換器を連続して用いることによって、それ自体に一種の熱絶縁を提供する。さらに、熱交換器またはＴＥ素子またはＴＥモジュールあるいは任意の組み合わせは、一連の熱交換器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通過させる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されてもよい。
【００１８】
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り、発電用のアセンブリを製作するための任意の方法において組み合わせてもよい任意の構成、設計の詳細および類似の部品もまた適用可能である。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な態様に調節されてもよいが、一般的な原理を利用している。
【００１９】
この応用に関して記載される実施形態によって、熱絶縁による効率の上昇を依然として維持するか、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を低減させる。
【００２０】
より少ないＴＥ材料を用い、ピーク効率にさらに近い動作を促進することによって、コストを低減するためのいくつかの実施形態もまた、開示される。多くの実施形態は、寄生損失における実質的な減少を達成する（図１２〜図３１参照）。
【００２１】
本発明のこれらの態様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。
【００２２】
開示された実施形態の一態様は、複数のＮ型熱電素子および複数のＰ型熱電素子を有する熱電システムを含む。複数の第１のシャントおよび複数の第２のシャンが提供されることが好ましい。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型熱電素子と少なくとも１つのＰ型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型熱電素子と少なくとも１つのＮ型熱電素子との間に挟まれ、第１のシャントおよび第２のシャントが交互に配置された熱電素子のスタックを形成されるようになっており、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異なる方向においてスタックから離れる方向に突出している。
【００２３】
熱電素子は、超格子およびヘテロ構造の熱電設計のために５ミクロン〜１．２ｍｍ、２０ミクロン〜２００ミクロンなど相当薄く構成されることが好ましく、別の実施形態では１００ミクロン〜６００ミクロンである。これらの設計は、熱電材料の使用を著しく減少させる。
【００２４】
一実施形態において、熱電システムは、スタックに電気的に結合された電流源をさらに備え、駆動電流が熱伝達装置および熱電素子を直列に流れる。別の実施形態において、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。
【００２５】
一実施形態において、熱伝達装置は作動流体を受け入れて所定の方向にに流す。熱伝達装置は、熱交換器であり、１つ以上の熱交換器素子を内部に有するハウジングを有することが好ましい。
【００２６】
別の実施形態において、第１のシャントの少なくともいくつかは、第２のシャント部分から電気的に分離され、熱的に結合される第１の電極部分から構成される。
【００２７】
本開示のこれらの態様および他の態様は、以下のさらに詳細な説明から明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本説明の文脈において、熱電モジュールおよびＴＥモジュールなる語は、通常の意味および慣用されている意味を広義で用いるものであって、（１）カリフォルニア州サンディエゴのハイ・ゼット・テクノロジーズ・インコーポレイテッド（Ｈｉ  Ｚ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．（Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ））により製造される熱電変換器などの従来の熱電モジュール、（２）量子トンネリング変換器、（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、量子トンネリングおよび熱電子効果の１つを利用した素子または任意の組み合わせを用いる素子、（６）上記の（１）から（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体である。熱電素子なる語は、熱電気、熱電子、量子トンネリングおよびこれらの効果の任意の組み合わせを用いて動作する個別の素子を示すためのさらに詳細な語である。
【００２９】
以下の説明において、熱電システムまたは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、すべてのＳＳＣＨＰシステムを包含するものと解釈される。
【００３０】
したがって、説明および例示の目的で特定の実施形態における例を用いて、本発明を紹介する。以下に記載される種々の実施例は、さまざまな構成を示し、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実施例は例示に過ぎず、ここに示した本発明を限定することを決して意図していない。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、ならびに同種の用語は、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。たとえば、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り、「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、それらの語は、相互に相対的であり、熱電気の一方の側が、その反対側と指定した側の温度よりも高温または低温であることを示す。
【００３１】
図２は、熱電アレイ２００のための好都合な構成の第１の一般化した実施形態を示す。アレイ２００は複数のＴＥモジュール２０１、２１１、２１２、２１３、２１８を有し、これらのＴＥモジュールは複数の第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、熱交換器が熱電モジュール同士の間に実際に挟まれているという点において図面から明白である。その意味で、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と熱接触状態にあり、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の右手上の隅からアレイ２００内に入り、入口の第２の側の熱交換２０６を通り、左下付近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、右下付近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（他のＴＥモジュールに関しても同様）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されている第１の管路２０８が、第２の作動媒体２１５を運び、第２の管路２０４が、図示した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。
【００３２】
動作中、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から熱を吸収する。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中を通過する。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り、それぞれの比較的高温側が互いに面して第２の側の熱交換器２０７を間に挟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を通過し、この場合も先と同様に、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を挟んでおり、第２の側の熱交換器２０９に熱を伝達して、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を出ていく。
【００３３】
同様に、第１の作動媒体２１６は、図２の左上の隅から入口の第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、比較的低温の作動媒体２１７として出ていく。
【００３４】
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モジュール内に、熱電冷却および熱電加熱が提供される。
【００３５】
したがって、要約して言えば、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で配置され、その結果、熱が媒体から抽出される。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、熱がさらに抽出され、媒体がさらに冷却される。所望の数の段階を通って右へ媒体が進むにつれて、増加分の冷却プロセスが続く。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、徐々に加熱される。次いで、さらに加熱が行われる次の段階などに入る。ある段階における熱入力により、隣接したＴＥモジュールの低温側から熱が抽出され、それらのモジュール内への電力が結果として生じる。高温側媒体は、概ね右から左の方向に移動するにつれて次第に加熱される。
【００３６】
上述の幾何構成に加えて、本システムは、両方の媒体が同一温度で入り、次第に高温および低温になる場合に、利点を提供する。同様に、媒体は、アレイ内の任意の位置における低温側または高温側から除去することもでき、または低温側または高温側に追加することもできる。アレイは、５、７、３５、６４などの任意の有用な数のセグメントであってもよく、またさらに多くの数のセグメントであってもよい。
【００３７】
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対向する端部から移動させて（図２の場合と同様であるが、高温媒体が媒体２１６として入り、低温媒体が媒体２１５として入る点が異なる）、動作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そのように誘発される温度勾配により、電流および電圧が生成され、したがって熱出力が電力に変換される。これらの作動モード、および後述の本文に記載したものはすべて、本発明の一部である。
【００３８】
図２に示されているように、熱交換器を一連の段階へ分けることによって、ＴＥモジュールからＴＥモジュールへ作動媒体が流れる方向における熱絶縁が行われる。「熱的な分離を利用した第１の効率改善型熱電システム（Ｆｉｒｓｔ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）」という名称で、２００１年４月２７日出願の特許文献１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実施例かつ実際の実施例に関して、この説明を通じて示されている。この特許出願は、参照によってその全体が本願明細書に援用されるものとする。
【００３９】
特許文献１に記載したように、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熱力学的効率を高くすることができる。したがって、図２に示された構成は、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挟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。
【００４０】
上述の特徴に加えて、熱電モジュール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、各熱交換器または熱交換器のいくつかは、図５にさらに記載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大させることができる。
【００４１】
図３は、図２の場合と同様の一般的な設計のアレイ３００を示す。このアレイ３００は、複数のＴＥモジュール３０１と、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比較的低温側熱交換器３０２、３０５および３０７とからなる。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する態様または段階的な態様で比較的高温側作動媒体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。
【００４２】
図３の下半分は、比較的低温側作動媒体の低温側温度または温度変化３０３、３０４、３０６、３０８と、比較的高温側作動媒体の高温側温度３１０、３１２、３１４を示している。
【００４３】
比較的低温側作動媒体３１５は、入口の比較的低温側熱交換器３０２に入りその中を流れる。入口の比較的低温側熱交換器３０２を流れる際の作動媒体の温度の低下３０３が、低温側温度曲線ＴＣにおける低下３０３により示されている。比較的低温側作動媒体３１５は、次の段階の比較的低温側熱交換器３０５の中を流れるにつれて、温度低下３０４により示されるようにさらに冷却され、第３の比較的低温側熱交換器３０７を流れるにつれて、この場合も同様に、それに伴い温度低下３０６が生じる。比較的低温側作動媒体３１５は、温度３０８で比較的低温流体３１６として出ていく。同様に、比較的高温側作動媒体３１７は、第１または入口の比較的高温側熱交換器３０９に入り、図３に比較的高温側の温度曲線ＴＨによって示されるように、第１の温度３１０で出ていく。比較的高温側作動流体は、図２に示したように複数の段階でアレイ３００を進み、徐々に高温となり、最後に出口の比較的高温側熱交換器３１３を通過した後、比較的高温側の温度３１４で比較的高温側作動流体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、冷却および加熱の出力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、および／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分かる。特許文献１に教示されるように、たとえ低速度でも、段階が増えると効率は高くなり得る。
【００４４】
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、効率を著しく上昇させることから、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。
【００４５】
図４Ａは、図２および図３において記載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。比較的低温側作動流体が比較的低温側の入口４０４から、比較的高温側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および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の一実施形態のさらに詳細な図である。この図は、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の動作は、本質的に図２および図３に記載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、任意の数であってもよい。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有利である。一実施形態において、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へ半田付けまたはろう接された銅またはアルミニウムであることが有利である。フィン４１４は、任意の形態であってもよいが、システムに望ましい熱伝達特性を達成することに十分に適した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、非特許文献３において見出すことができる。あるいは、穿孔型フィン、並列型プレート、ルーバ型フィン、ワイヤメッシュ型および同種のものなど任意の他の適切な熱交換器を用いてもよい。そのような構成は、当業界において周知であり、図２〜図１１の任意の図面における任意の構成においても用いることができる。
【００４６】
図５Ａは、管路の連結によって、熱交換器段階から熱交換器への流れを形成する図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。当然のことながら、前の実施形態および構成と同様に、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に関する特定の数は、限定的ではなく、他の数にしてもよい。
【００４７】
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に示されているような熱交換器のこの構成は、他の実施形態に適しており、図２〜図８および図１１における構成のいずれにおいても用いることができる。そのような構成の熱交換器の１つ以上の熱交換器に有利であるこの実施形態は、間隙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を備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。間隙の代わりとして、熱交換器フィン同士の間に物理的な間隙を実際に設けるのではなく、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であるように熱交換器を製作することができる。その目的は、流れの方向において、個別の熱交換器セグメントの段階と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〜図５に記載された実施形態において熱交換器の段階を有す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。
【００４８】
たとえば加熱される第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有利である。作動流体５０７は、底部から出ていき、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、比較的高温の作動流体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の底部から入り、ＴＥモジュール５０１および５１０の（本実施例では）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、上述の特許文献１の教示による向流システムを形成する。
【００４９】
図５Ｂに詳細に示される熱交換器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、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、流れの方向では熱伝導率を低くすることが望ましい。絶縁が著しく、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、さらに高い効率で動作可能である。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には、アレイ５００は応答可能である。
【００５０】
図６は、有利なことに作動気体で作動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を示す。加熱器／冷却器６００は、第１の側の熱交換器６０３、６０５および第２の側の熱交換器６０４と良好な熱伝達状態にあるＴＥモジュール６０１、６０２を有する。空気または他の気体などの第１の作動流体６０６は、ダクト６０７、６０８、６１０によって収容され、第２の作動流体６１６は、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内に装着される。
【００５１】
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、たとえば加熱（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、作動流体６０６をダクト６０８および第２の熱交換器６０５中に流入するように動作するファン６０９を通り抜け、第２の熱交換器６０５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、空気または別の気体などの作動流体が、入口ダクト６１５を通って入る。作動流体は、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、この実施例では、第３の熱交換器６０４で冷却（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。
【００５２】
システム６００は、さらなるＴＥモジュールおよび熱交換器からなる複数のセグメントを有し、図５Ｂに記載したように離隔されセグメントに分割された熱交換器を備えることができる。さらに、追加の流出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有することができる。さらに、１つのダクト、たとえば６０７、６０８は１つの流体を有し、他のダクト６１３、６１５は第２のタイプの気体を有し得る。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してもよい。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の周りを通ることができることに留意すべきである。
【００５３】
図７Ａは、流体と共に用いることが有利である加熱および冷却のシステム７００を示す。アセンブリは、複数の第１の側の作動媒体７０３および複数の第２の側の作動媒体７０４を有する複数のＴＥモジュール７０１を備える。本実施例では、第１の側の作動媒体７０３および第２の側の作動媒体７０４が、ディスクを形成する。第１の側の作動媒体７０３は、第１の側のシャフト７０９に取り付けられ、第２の側の作動媒体７０４は、第２の側のシャフト７０８に取り付けられる。シャフト７０８、７０９は今度はそれぞれ、第１の側のモータ７０６および第２の側のモータ７０５と、対応するベアリング７０７とに取り付けられる。モータ回転の好ましい方向が、矢印７１０および７１１によって示される。
【００５４】
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によって所定の位置に保持されており、第１の側の作動媒体７０３および第２の側の作動媒体７０４を間に交互に挟むように離隔されている。任意の２つのＴＥモジュール７０１に関して、モジュールは、低温側および高温側が前の実施形態の場合のように互いに面するように向けられる。作動媒体７０３、７０４は、ＴＥ素子７０１と良好な熱伝達状態にある。熱グリースまたは同種のものが、熱電素子７０１と作動媒体７０３、７０４との間の境界面に供給されることが有利である。グリースの目的は、作動媒体７０３、７０４の動作に関する以下の説明から明白になる。第１の側のハウジング部分７１４および第２の側のハウジング部分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。
【００５５】
図７Ｂは、図７Ａのシステム７００の一部を通る７Ｂ−７Ｂで切り取った断面図である。第１の流体７２１および第２の流体７２３は、矢印７２１および７２３による流れの方向に沿って表される。第１の流体は矢印７２２で表されるように出ていき、第２の流体は、矢印７２４で表されるように出ていく。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動作する。ＴＥモジュール７０１は、図２および図３に記載したように互いに面するように配置された低温側および高温側を有する。たとえば、それらの隣接した低温側はいずれも、第１の側の作動媒体７０３に面し、高温側は第２の側の作動媒体７０４に面する。セパレータ７１７は、ＴＥモジュール７０１の位置決めおよびアレイ７００の低温側からの高温側の分離という２つの機能を果たす。
【００５６】
動作を理解するために、たとえば、第２の流体７２３が冷却されるものと仮定する。冷却は、第２の側の媒体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から遠ざるように回転するときに、第２の媒体７０４は第２の側の流体を冷却し、次にこの第２の側の流体が出口７２４から出ていく。第２の流体は、ハウジング部分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。
【００５７】
同様に、第１の流体７２１は、第１の側の媒体７０３をＴＥモジュール７０１の比較的高温側と熱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の媒体７０３の加熱される部分は、第１の流体７２１が通り抜けることができ、熱接触によって加熱されることができる場所に移動する。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。
【００５８】
上述したように、熱伝導性のあるグリースまたは水銀などの液体金属を用いて、接触領域でＴＥモジュール７０１と媒体７０３、７０４との間の良好な熱接触を提供することができる。
【００５９】
上述したように、図７Ａおよび図７Ｂの構成はまた、マイクロプロセッサ、レーザダイオードおよび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用いることが有利である。そのような場合には、ディスクは、熱グリースまたは液体金属または同種のものを用いてその部品に接触して、その部品へ熱を伝達するか、またはその部品から熱を伝達する。
【００６０】
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の改変版を示す。図７Ｃは、ＴＥモジュール７０１および７０２が、移動媒体７０４および７０３（この実施例では回転ディスク）を加熱するために熱出力を伝達するアレイ７００の部分についての詳細な図を示す。移動媒体７０４および７０３は、それぞれ軸７３３および７３４を中心にして回転する。
【００６１】
一実施形態において、作動媒体７０４および７０３は、矢印７１０および７１１によって示されるように逆方向に回転することが有利である。移動媒体７０４、７０３が回転すると、ＴＥモジュール７０１および７０２の異なる部分からの熱伝達により、移動媒体７０４、７０３に熱接触し、移動媒体７０４、７０３の温度が徐々に変化する。たとえば、第１のＴＥモジュール７２６は、特定の位置で移動媒体７０４を加熱する。その位置における移動媒体７０４の材料は、移動媒体７０４が反時計回りに回転するにつれて、第２のＴＥモジュール７２５と接触するようになる。移動媒体７０４の同じ部分は、さらに別のＴＥモジュールセグメント７０１上に移動する。移動媒体７０３が反時計回りに回転し、ＴＥモジュール７０１および続いて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。
【００６２】
移動媒体７０４、７０３は、半径方向および軸方向には熱伝導率が高く、角度方向、すなわち移動方向には熱伝導率が低いことが有利である。この特性によって、作動媒体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ため、有効な熱絶縁が達成される。
【００６３】
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素子または複数のＴＥ素子セグメントを代用してもよい。この場合には、ＴＥ素子７０１が、移動媒体７０４、７０８の移動方向における長さに比べて厚さが非常に薄く、その方向において熱伝導率が比較的低いのであれば、その長さにわたって有効な熱絶縁を示すことになる。それらは、熱を伝導するため、それらが個別のＴＥモジュール７０１から構成されているように、熱的に応答する。この特性は、移動媒体７０４、７０３内の移動方向において熱伝導率が低いことと組み合わせて、有効な熱絶縁を達成することができることから、性能が強化される。
【００６４】
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移動媒体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移動媒体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同士の間の空間およびスポーク７３１同士の間の空間にあり、スポーク７２７、７３１と良好な熱接触状態にある。
【００６５】
システム７００は、図７Ｄに示すさらに別のモードで動作可能である。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つの媒体７０４から次の移動媒体７０４へ連続して、移動媒体７０４、７０３中を流れ、最後の媒体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中を軸方向に、個別の移動媒体７０３の中を流れる。この構成では、ダクト７１４、７１５およびセパレータ７１７は、移動媒体７０４、７０３を包囲し、媒体７０３から媒体７０４を隔離する連続リングを形成するような形状にされる。
【００６６】
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伝えられる。たとえば、熱交換器７２８を通過する高温側作動流体は、熱交換器７３０中を移動する作動流体とは逆方向にアレイ７００中を流れることが有利である。この動作モードでは、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、中を通過するそれぞれの作動流体を徐々に加熱し冷却する。図７Ｃに関して記載したように、熱能動素子は、移動媒体７０４、７０３の移動方向に有効な熱絶縁を有するように構成することができるＴＥモジュール７０１であってもよい。あるいは、ＴＥモジュール７０１および７０２は、図７Ｃに記載したようなセグメントであってもよい。後者の場合には、移動媒体７０４の外側ディスク７２９の部分および移動媒体７０３の外側ディスク７３２の部分を熱絶縁するように、移動方向では移動媒体７０４、７０３の熱伝導率が低いことがさらに好都合である。
【００６７】
あるいは、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）を含むことができ、これらの半径方向のスロットは、移動方向に熱絶縁を達成するようにＴＥモジュール７０１および７０２から熱伝達を受ける。
【００６８】
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（網掛け部分）およびＴＥ素子８０２（網掛けしていない部分）を有する熱電システム８００の別の実施形態を示す。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、たとえば図２、図３、図４、図５、図６および図７に記載したように、高温側作動媒体および低温側作動媒体をアレイ８００中に移動させるために管路およびポンプまたはファン（図示せず）を有する。
【００６９】
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で置き換えられる。たとえば、網掛けしたＴＥ素子８０１をＮ型のＴＥ素子であってもよいし、網掛けしていないＴＥ素子８０２をＰ型のＴＥ素子であってもよい。この設計に関しては、導電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都合である。たとえば、熱交換器８０３、８０８のハウジングおよびその内部フィンまたは他のタイプの熱交換器部材は、銅または他の熱伝導性および導電性が高い材料から構成することができる。あるいは、熱交換器８０３および８０８は、ＴＥ素子８０１および８０２ときわめて良好な熱伝達にあるが、電気絶縁状態にすることができる。その場合には、図１に示したものと類似の方法で電気的に接続されるが、シャントが熱交換器８０３および８０８を通り過ぎてループを形成するように、ＴＥ素子８０１および８０２の面に電気シャント（図示せず）を接続することができる。
【００７０】
構成に関係なく、Ｎ型ＴＥ素子８０１からＰ型ＴＥ素子８０２へ流れるＤＣ電流８０４が、たとえば、それらの素子の間に挟まれた第１の側の熱交換器８０３を冷却し、次に、Ｐ型ＴＥ素子８０２からＮ型ＴＥ素子８０１へ流れる電流８０４が、それらの素子の間に挟まれた第２の側の熱交換器８０８を加熱する。
【００７１】
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排除するか、または減少させることができるため、アレイ８００は最小のサイズおよび最小の熱損失を示し得る。さらに、ＴＥ素子８０１および８０２は、素子の導電率および電気容量が高くなるように構成要素を設計した場合には、高電流に適応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は、熱出力密度を高くすることができる。
【００７２】
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を示す。この熱電システム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を備える。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を有する。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、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に記載したように、Ｐ型ＴＥ素子９０１およびＮ型ＴＥ素子９０２を交互に配置したスタックに電流を導く。
【００７３】
動作中、例として、電流は、第１のコネクタ９１２からアレイ９００に入り、交互に配置された（網掛けした）Ｐ型ＴＥ素子９０１および（網掛けしていない）Ｎ型ＴＥ素子９０２を通過し、第２の電気コネクタ９１３から出る。このプロセスでは、第１の作動媒体９０８は、熱伝達フィン９０４による伝導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を包囲して閉じ込めるため、この第１の作動媒体９０８は温度の変化した作動流体９０９として出ていく。第１の管路９０７の部分は、第１の（この場合には高温の）作動媒体９０８および９０９から、ＴＥ素子９０１、９０２および第２の側の熱伝達部材９０５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（この実施例では）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および熱交換器フィン９０６を冷却する。第２の側の管路９１４は、第２の（この実施例では冷却された）作動媒体９１０を閉じ込め、アレイ９００の他の部分から絶縁する働きをする。
【００７４】
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を電気的に絶縁し、シャント（図示せず）中に電流を流すことが好都合である場合がある。また、熱交換器９０４、９０６は、システムの機能に好都合な任意の設計であってもよい。他の実施形態の場合と同様に、図８および図９の構成によって、比較的容易に製作可能なシステムを得られ、このシステムはまた熱絶縁により効率が高くなることが分かる。たとえば、図８において、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子との間に交互に配置された熱交換器８０８、８０３は、比較的低温または比較的高温の熱交換器タイプのいずれかであるが、互いに適切に熱絶縁され、それによりＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を互いに適切に熱絶縁する。
【００７５】
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、同一の媒体の冷却および加熱を用いて、除湿するか、あるいは沈澱物、霧、凝縮可能な蒸気、反応生成物および同様のものを除去し、媒体を元の温度より若干高い温度に戻すシステムの機能を果たし得ることが有利である。
【００７６】
システム１０００は、低温側熱伝達素子１００３を点在させたＰ型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とを交互に配置したスタックからなる。示した実施形態では、熱交換器フィン１００５は比較的低温側熱伝達素子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を導き、比較的高温側の管路１０１９は作動流体１００９を導く。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。比較的低温側を流れている間、比較的低温側絶縁体１０１２がＴＥ素子のスタックから作動流体１００７を絶縁することが好ましく、比較的高温側を流れている間、比較的高温側の絶縁体１０２０がＴＥ素子のスタックから作動流体をを絶縁することが好ましい。バッフル１０１０または同種のものが、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において、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、一実施形態において、流路１０１７によって流体１０１６は高温側の流路に入ることができる。
【００７７】
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る。凝縮した固体沈澱物、液体および同種のもの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から流出されることができる。
【００７８】
図９の説明において述べたように、ＴＥ素子１００１による電流（図示せず）が比較的低温側熱伝達素子１００３を冷却し、ＴＥ素子１００２による電流（図示せず）が比較的高温側熱伝達素子１００４を加熱する。動作中、作動流体１００７が比較的低温側を流れていくにつれて、アレイ１０００の底部で作動流体１００７からの沈澱物、水分または他の凝縮液１０１３を収集することができる。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、または任意の他の適切な手段によって抽出することができる。
【００７９】
比較的低温側から比較的高温側にバイパス通路１０２０を通って、作動流体１０２１のいくらかを流すことができることが有利である。この設計の場合には、比較的低温側の流体１００７の必ずしもすべてが、フローリストリクタ１０１１を流れるわけではないが、その代わりにフローリストリクタ１０１１を利用して、比較的高温側作動流体の温度を局所的に減少させ、それにより、ある状況下でアレイ１０００の熱力学的効率を改善することができる。システムの流れ特性の適切な設計によって、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。たとえば、流れを制御するためにバルブを組み込み、特定の通路を開閉可能にすることができる。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も機能し得る。
【００８０】
比較的高温側作動流体の温度を低下させるため、またはアレイ１０００の効率を向上させるために、さらなる比較的高温側冷却剤１０１６を側方通路１０１７からアレイ１０００に入れることができることが有利である。
【００８１】
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、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備え得る。代替動作モードでは、ファン１０１０への出力を逆にし、作動流体を加熱して冷却状態に戻すように本システムを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、沈澱物、凝縮液、水分、およびそ同様のものの除去に関して好都合となり得る。好都合な一実施形態において、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プロセスを促進、変更、可能にし、妨げ、または影響を及ぼす触媒特性を備えてもよい。液体の作動流体の場合には、好都合な特性を達成するために、１つ以上のポンプをファン／モータ１０１０と置き換えることができる。
【００８２】
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は、熱交換器１１０２同士の間に点在するＴＥモジュール１１０１を有する。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。
【００８３】
動作中、例として、冷却される作動媒体が、第１の入口ポート１１０３から入り、熱交換器１１０２のいくつかを通過し、それにより徐々に（この実施例では）冷却を行い、第１の出口ポート１１０４から出ていく。アレイ１１００から熱を取り除く作動媒体の一部が、第２の入口ポート１１０５から入り、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から出ていく。
【００８４】
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から入り、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から出ていく。
【００８５】
この設計によって、高温側作動媒体がこの実施例では２箇所から流入するため、第１の入口ポート１１０３から第１の出口ポート１１０４へ流れる低温側作動媒体は効率的に冷却され、結果として生じるＴＥモジュール１１０１中の温度差は、作動媒体が単一のポートから流入する場合よりも、平均して小さくなり得る。平均温度勾配が平均より小さい場合には、大部分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を調整して、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ことができる。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を低下させることができる。
【００８６】
従来熱電システム１００に関する基本的で基礎を成す接続が、図１Ｃにさらに詳細に示されている。上述したように、Ｐ型素子１１０およびＮ型素子１１２は、当業界では公知のタイプである。シャント１０６が、Ｐ型素子１１０およびＮ型素子１１２に取り付けられ、Ｐ型素子１１０およびＮ型素子１１２と良好な電気接続状態にある。一般に、図１Ａに示されているように、そのようなＴＥ素子およびシャントが多数、共に接続され、ＴＥモジュールを形成する。
【００８７】
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。
【００８８】
当業界では公知であるように、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、非特許文献４参照）。
【００８９】
図１２に示される設計は、図１の従来の構成を必要な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と複数の第２の側のシャント１２０４との間に直列に挟まれ、交互に配置された導電型からなる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に対して垂直に流れる。図１２の設計の場合には、ＲＯＢに対するＲＰＢの比φＢは
2007503121.tif 000013
である。尚、
2007503121.tif 000014
2007503121.tif 000015
であることから
2007503121.tif 000016
である。式中、
ＴＢはシャントの厚さであり、
ＬＢはＴＥ素子の長さであり、
ＰＳＢ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使用中の奥行きであり、
ＷＢはＴＥ素子およびシャントの使用中の幅である。
【００９０】
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、
（１４）φＣ＝φＢ
またはＢに式（９および１２）を用いて、
2007503121.tif 000017
今日の代表的な熱電モジュールの場合には、
2007503121.tif 000018
であり、
2007503121.tif 000019
と仮定すると、
2007503121.tif 000020
である。
【００９１】
したがって、長さＬＢはＬＣの１／６．４であり、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の設計と同一の動作効率であるが、ＬＢ＝ＬＣ／６．４である点が異なる。
【００９２】
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、体積比は依然として同じままでなければならないことから、
2007503121.tif 000021
であり、
2007503121.tif 000022
（１９）ＡＣ＝６．４ＡＢ
である。
【００９３】
２つの熱電材料の体積比は
（２０）ＶＣ＝ＡＣＬＣ
（２１）ＶＢ＝ＡＢＬＢ
であり、
2007503121.tif 000023
2007503121.tif 000024
したがって、これらの仮定によって、ＴＥ材料の１／４１が必要とされる。この実質的な電位の減少は、行われる仮定の正確さのために十分に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、引いてはコストおよびサイズも減少する際にきわめて有利である場合がある。
【００９４】
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。電流が流れる方向は、矢印１２０９によって示される。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」）がある。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」）がある。ＰＮシャントは、スタック１２００からＮＰシャント１２０３とは略逆方向に延在する。１８０°以外の角度もまた、好都合である。
【００９５】
適切な電流１２０９が示された方向に流れる場合には、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に関する寄生電気抵抗損失は、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、一般に小さい。したがって、ＴＥの長さＬＢ１２０５が減少して２つの構成における寄生的な電気損失の比と同等と見なされる場合には、ＴＥの長さＬＢは小さくなり、図１２の構成は図１の構成より高い出力密度で動作することができる。その結果、図１２の構成１２００はまた、図１の従来の設計の場合より少ない熱電材料を用い、よりコンパクトにすることができる。
【００９６】
シャント１２０３、１２０４は、ＴＥ素子１２０１、１２０２から遠ざかる方向に熱出力を伝達することと、作動流体などの外部物体または媒体と熱出力を交換することという２つの機能を果たすことができる。
【００９７】
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。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に半田などによって電気的に接続されることが好ましい。ＴＥ素子１３０１の取り付けおよび低い抵抗における電流の流れを促進するために、シャント１３０２は、主にアルミニウムなどの優れた熱導体から構成され、銅などの導電率の高い材料から構成される一体型被覆材料１３０４を有することができることが有利である。
【００９８】
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の一部の詳細な側面図を示す。盛り上がった電極面１３０３を備えた複数のシャント１３０２は、交互に配置される導電型のＴＥ素子１３０１に直列に電気的に接続される。
【００９９】
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から遠ざかるように輸送される。盛り上がった電極１３０３は、ＴＥ素子１３０１を取り付けるために、信頼性が高く、低コストで安定な面に役立つことが有利である。実際には、複数のこれらのアセンブリ１３１０のスタックが形成されてもよい。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。
【０１００】
半田がＴＥ素子１３０１からの短絡を防止するように電極１３０３を形成することができることが有利である。また、接触面積、ひいてはＴＥ素子１３０１を通る電流密度を制御するように電極１３０３を形成することができることが有利である。
【０１０１】
シャント熱交換器１４００の一部分の実施例が、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、表面積を増大する。ＴＥ素子１４０１が、図１３Ａに示したように、または本願明細書の他の実施形態の場合のように構成されることが好ましいシャント１４０２に取り付けられる。フィンなどの熱交換器１４０３、１４０４が、シャント１４０２にろう接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は、熱交換器１４０３、１４０４を通過する。
【０１０２】
シャント部分１４００は、作動流体１４０５が熱交換器１４０３、１４０４を通り抜けるときに、熱出力が効率的に伝達されるように構成されることが有利である。さらに、図１２および図１３Ｂに記載したようなスタックの中に組み込まれるときに、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。有利なことに、熱交換器１４０３、１４０４はルーバ付きであってもよく、多孔性であってもよく、または非特許文献３に記載されているものなどの上記の目的を達成する任意の他の熱交換器設計に置き換えられてもよい。熱交換器１４０３、１４０４は、エポキシ、半田、ろう接、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に取り付けられることができる。
【０１０３】
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から構成される。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、ろう接されてもよく、リベットで締められてもよく、またはＴＥ素子１５０６からシャント１５０１、１５０２、１５０３および１５０４に、電流を通し、熱抵抗を低くするための電気抵抗の低い経路を提供する任意の他の方法で接続されてもよい。ＴＥ素子１５０６は、ベース部分１５０５またはその付近でセグメント１５００に取り付けられることが有利である。
【０１０４】
シャントセグメント１５００は、図１４のシャントセグメント１４００の代替設計を示す。シャントセグメント１５００は、図１２および図１３に示されているようなスタックに構成されることができ、必要に応じてスタックのアレイに構成されることができる。図１４および図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、自動的に組み立てられることができる。
【０１０５】
シャントセグメントはまた、図１６に示されるようなスタックアセンブリ１６００に形成されることができる。中央シャント１６０２は、中央シャント１６０２の対向する側の各端部にある逆の導電型の第１の側および第２の側のＴＥ素子１６０５の各端部に同一の導電型の第１の側のＴＥ素子１６０１を有する。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、各中央シャント１６０２同士の間に、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の間に挟まれ、良好な熱接触および電気接触状態とな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の間に挟まれ、良好な熱接触および電気接触状態とな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は、アセンブリ１６００を通り抜ける。当然のことながら、図１６に示され、本願明細書に記載されるスタック構成の実施形態の場合には、スタックはスタック中にさらに多くのシャント素子からなってもよく、その可能性は高い。スタックアセンブリ１６００のほんの一部は、読者が理解しやすくするために示しているに過ぎない。そのようなスタックをさらに繰り返すことは、図面から明白である。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形成することが可能である。
【０１０６】
適切な電流がＴＥ素子１６０１、シャント１６０５、１６０４を通る一方向に印加されるときに、中央シャント１６０２は冷却され、左側シャント１６０４および右側シャント１６０６が加熱される。その結果、中央シャント１６０２を通り抜ける第１の作動流体１６０７は冷却され、右側シャント１６０３および左側シャント１６０４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ソリッドステートヒートポンプを形成する。スタック１６００は少数のセグメントまたは多く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、異なる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、好都合である場合がある。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、特許文献１に記載したように、効率を向上させるために、流体の方向に熱絶縁を提供することが好ましい。
【０１０７】
また、性能を向上させるために、シャント１６０２、１６０３、１６０４を図１４および図１５に示したような他の形状に置き換えることができるが、これらの形状に限定されるわけではないことも理解すべきである。
【０１０８】
図１６に示されるスタックアセンブリ１６００の変形が、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。右側シャント１７０３は、左側シャント１７０４のような部分円を形成するために構成されることが有利である。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いかまたは小さいかのいずれかである場合がある。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を留意すべきである。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において直列に電気的に接続される。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は、スタックの一（または両）端に取り付けられてもよい。ポンプ、ブロワまたは同種のものも用いることが可能である。
【０１０９】
電力がファン１７０９に印加されると、アセンブリ１７００を通って作動流体１７１２を流入する。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過熱される。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。
【０１１０】
図１２、図１４、図１５、図１６および図１７の熱電システムの一実施形態において、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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
一定の用途において、図１２〜図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。
【０１１３】
動作中、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。
【０１１４】
電気絶縁の代替形態が、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。
【０１１５】
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。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との間の概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を留意すべきである。２つの第１のＴＥ素子２００１および２つの第２のＴＥ素子２００２は、十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。
【０１１６】
シャント２１００内の電気絶縁を達成する代替方法が、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る。
【０１１７】
機械的な取り付け２１０６がＴＥ素子２１０１とＴＥ素子２１０２との間の略中央に配置され、ＴＥ素子２１０１および２１０２が略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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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、特許文献１に記載したように、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。
【０１２０】
一般に図２２に示されたタイプからなる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は、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。
【０１２１】
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、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。
【０１２２】
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更に高い効率を達成することが可能である。
【０１２３】
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が流体の流れの一般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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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いて、流体２４１８を徐々に加熱する。
【０１２６】
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、完全に示されていないが、一般に同一形状であり、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。
【０１２７】
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、シャントの各ペアの間に設けられることが好ましい。
【０１２８】
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、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、並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、特許文献１に記載したように個別の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。
【０１２９】
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。対向する導電型の第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。
【０１３０】
動作中、適切な電流２６０８は、上面を加熱し、下面を冷却する（またはその逆）ＴＥモジュール２６００を流れる。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、シャントの各ペア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。
【０１３１】
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にしたタイプであり、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、たとえば、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のまたは上部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。
【０１３２】
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を留意すべきである。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、特許文献１の説明に基づき、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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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、図７Ｂ、図７Ｃおよび図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を留意すべきである。効率的な設計では、ＴＥモジュール２７００はまた、特許文献１で説明したような熱絶縁に関連する性能という利点を達成することができる。
【０１３５】
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が異なる。ＴＥモジュール２７００は、ＴＥ素子２７０１、２７０２に低い剪断応力を誘発することが有利である。この剪断応力は、たとえば、前記第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。剪断応力は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、剪断応力はモジュール全体の幅に比例し、標準的なＴＥモジュールの剪断応力よりはるかに小さくなり得る。図１に示される標準的なモジュールと図１２を比較すれば、差異は分かる。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、不都合なほど高い剪断応力を示す。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サイズを制限する。
【０１３６】
図２７はまた、本願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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。特許文献１に記載したような熱絶縁の利点はまた、システム２８００に示される設計の場合にも達成される。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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の導電率は十分に優れており、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。
【０１４１】
容器２９０１の上面および底面、ならびにフィン２９０５および２９０６は、電流の方向に十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か、完全に排除することができる。
【０１４２】
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、十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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
代わりとなる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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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、加熱されたペアに対して略直角であるスタックの次のペアの面が冷却される。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。
【０１４８】
熱電材料における削減は相当劇的であってもよいことを留意すべきである。たとえば、本願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。
【０１４９】
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を留意すべきである。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を留意すべきである。
【０１５０】
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ので動作する。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。
【０１５１】
本特許の開示は本発明の設計、構成および用途を提供することもまた留意すべできある。上記の説明は冷却における特性に関して解析されるが、類似の結果が加熱および発電の場合にも適用され、類似の結論につながる。一部のシステム、特に熱電子型およびヘテロ構造型のシステムは、本質的に高出力密度であってもよく、その場合には本発明はそのようなシステムの特性および可能な高い出力密度に適応させるのにさらに適し得る。
【０１５２】
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、添付の請求の範囲に記載される本発明の幅広い概念の例示に過ぎない。特許請求の範囲において、すべての用語は、通常の慣用的な意味であるものとし、上記の説明では、特に詳細に表さない限り、その用語は任意の特別な意味または特に定義された意味に制限されるわけではない。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１Ａ】従来のＴＥモジュールを示す。
【図１Ｂ】従来のＴＥモジュールを示す。
【図１Ｃ】従来のＴＥ対を示す。
【図２】作動媒体の熱絶縁および向流の移動に関するＳＳＣＨＰシステムの一般的な配置を示す。
【図３】作動媒体がシステムの中を進んでいくにつれて媒体に生じる温度変化を示す。
【図４】３つのＴＥモジュールと、４つの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５】２つのＴＥモジュールと、１つの熱交換器に関してある程度の熱絶縁を達成するためにセグメントに分割された熱交換器と、液体媒体の向流とを有するシステムを示す。
【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テッドファンとを有する気体媒体システムを示す
【図７Ａ】性能をさらに向上するために向流を伴う固体媒体システムを示す。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比を用いる。
【図７Ｂ】性能をさらに向上するために向流を伴う固体媒体システムを示す。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比を用いる。
【図７Ｃ】性能をさらに向上するために向流を伴う固体媒体システムを示す。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比を用いる。
【図７Ｄ】性能をさらに向上するために向流を伴う固体媒体システムを示す。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比を用いる。
【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、性能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を示す。
【図９】ＴＥ素子、ヒートパイプおよび熱交換器を有し、簡素かつ低コストのシステムを示す。高温側および低温側が、ヒートパイプを通る熱輸送により隔てられる。
【図１０】熱交換器およびＴＥモジュールアレイ中に流体が流入出され、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端を低温にする流体システムを示す。システムは、作動流体の流れを分流して、アレイの部分にわたる温度差を減少させることにより効率を改善するように形成される。
【図１１】作動流体が種々の位置で流入出し、システムの一部が向流モードで動作し、別の一部が並流モードで動作するアレイを示す。
【図１２】寄生電気抵抗損失を減少させるスタックＴＥシステムを示す。
【図１３Ａ】スタックシステムに関する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す。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示される素子から構成されるスタックシステムの一部分を示す。
【図１４】別のＴＥ素子および熱交換器の構成を示す。
【図１５】さらに別のＴＥ素子および熱交換器の構成を示す。
【図１６】電気的に並列であるＴＥ素子の２つの垂直列を備えたスタック構成を示す。
【図１７】電気的に並列であるＴＥ素子の２つの列を備えた冷却／加熱アセンブリを示す。
【図１８】電気的に並列である２つのＴＥ素子を備えた別の構成を示す。
【図１９】１つの部分が別の部分から電気的に分離された熱交換器素子を示す。
【図２０】１つの部分が別の部分から電気的に分離された熱交換器素子の別の構成を示す。
【図２１】１つの部分が別の部分から電気的に分離された熱交換器素子のさらに別の構成を示す。
【図２２】電気的かつ熱的に分離される部分のアレイに構成される熱交換器セグメントを示す。
【図２３】図２２の概念によって構成された冷却器／加熱器を示す。
【図２４Ａ】流体の流れの方向に整列されたＴＥ素子を備えた熱交換セグメントを示す。
【図２４Ｂ】電流が作動流体の流れに略並列に流れる分離素子型熱交換器アレイとして構成される図２４Ａのセグメントを示す。
【図２５Ａ】電流が電流の方向に略並列に流れる分離素子型熱交換器アレイとしての設計のセグメントを示す。
【図２５Ｂ】図２５Ａのアセンブリの平面図を示す。
【図２６Ａ】比較的高い電圧で動作し、寄生電気抵抗を減少させるＴＥ熱交換器モジュールを示す。
【図２６Ｂ】図２６ＡのＴＥモジュールを用いる熱交換器アレイの平面図を示す。
【図２７】移動固体部材に対する熱伝達を備えた分離素子およびスタックの構成を示す。
【図２８】液体と気体との間の熱伝達を備えた分離素子スタックアレイを示す。
【図２９】図２８のスタックアレイにおいて用いるための寄生電気抵抗の低い熱交換器モジュールを示す。
【図３０】固体ヒートシンクおよび移動気体作動流体を備えた分離素子型熱交換器のセグメントを示す。
【図３１Ａ】素子から約２倍の熱が伝達する略中央にあるＴＥ素子を備えた熱交換器素子を示す。
【図３１Ｂ】略中央にＴＥ素子を備えた一般に液体用の別の熱伝達素子を示す。
【図３１Ｃ】略中央にＴＥ素子を備えたさらに別の熱交換器を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【国際調査報告】
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