(57)【要約】  電流および／または電圧を生成するための装置が、当該装置の入り口（９）と出口（１０）との間に流体の流れを形成するための手段と、前記流体へと露出された第１の有効面（１１）を有する熱電モジュール（２）とを備えている。前記熱電モジュール（２）が、開口を備えるとともに、当該装置の前記入り口（９）と前記出口（１０）との間の前記流体の経路に配置され、前記第１の有効面（１１）が、前記流体の流れの方向に対して実質的に垂直である。
2013537790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入り口（９）と出口（１０）との間に流体の流れを形成するための手段と、
前記流体へと露出された第１の有効面（１１）を備える熱電モジュール（２）と
を備え、
前記熱電モジュール（２）が、開口を備えるとともに、前記入り口（９）と前記出口（１０）との間の前記流体の経路に配置され、前記第１の有効面（１１）が、前記流体の流れの方向に対して実質的に垂直である、
電流および／または電圧を生成するための装置であって、
前記熱電モジュール（２）が、熱電対（３ａ、３ｂ）を備え、各々の熱電対（３ａ、３ｂ）が、関連した高温側接点または低温側接点を形成するように熱電モジュール（２）の前記第１の有効面（１１）の位置において互いに電気的に接続された２つの導電バンプ（５ａ、５ｂ）を備え、該熱電対（３ａ、３ｂ）が、相補接点を形成するようにモジュールの第２の有効面（１２）の位置において電気的に直列に接続されており、前記熱電対が、熱絶縁性の基材（１４）に一体化され、前記熱電モジュール（２）が、前記基材（１４）に形成された貫通穴（１３）によって貫通されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記熱電モジュール（２）の前記第２の有効面に熱的に接触した熱交換器（７）を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱交換器（７）が、水が循環するヒートシンクを備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の有効面（１１）の位置に配置された熱交換手段（１５）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記モジュール（２）が、前記第１の有効面（１１）を前記第２の有効面（１２）へと接続する穴（１３）の行列を備えており、熱電対のバンプ（５ａ、５ｂ）が、４つの穴（１３）に隣接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記モジュール（２）が、前記第１の有効面（１１）を前記第２の有効面（１２）へと接続する一連の互い違いに配置された穴（１３）を備えており、熱電対のバンプが、３つの穴（１３）に隣接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記モジュール（２）が、前記第１の有効面（１１）を前記第２の有効面（１２）へと接続する穴の行列を備えており、熱電対の４つのバンプ（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）からなる組が、４つの穴（１３）によって囲まれており、各々のバンプ（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）が、前記４つの穴（１３）のうちの２つの穴（１３）に隣接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流および／または電圧を生成するための装置であって、
当該装置の入り口と出口との間に流体の流れを形成するための手段と、
前記流体へと露出された第１の有効面を備える熱電モジュールと
を備えており、前記熱電モジュールが、開口を備えるとともに、当該装置の前記入り口と前記出口との間の前記流体の経路に配置され、前記第１の有効面が、前記流体の流れの方向に対して実質的に垂直である装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
とくには消費されるエネルギの大部分がいかなる有用な目的も果たさない様相で熱のかたちで消散させられる産業の環境において、発電用の熱電気に関心が高まっている。消散させられる熱は、多くの場合に、エネルギ回収のための技術的解決策をかなり非効率かつ実施困難にしてしまう約１００℃の温度の気体または液体の媒体によって運ばれる。
【０００３】
棄てられるエネルギの一部を回収するために、高温の生産物または気体を運ぶ配管を囲むことを可能にする熱電モジュールが開発されている。
【０００４】
図１に示されるように、そのような装置は、横断面について見たとき、熱源を形成する高温の流体が（図１の用紙の平面に対して垂直に）流れるパイプ１を備えている。パイプ１の外面が、複数の要素熱電モジュール２によって覆われ、各々のモジュールが、熱電対３ａ、３ｂを備えており、熱電対３ａ、３ｂが、電気的には直列に接続され、熱的にはモジュールの第１の表面の位置に高温側接点を形成し、モジュールの第１の表面の反対側の第２の表面の位置に低温側接点を形成するように並列に接続されている。高温側接点は、熱電対を形成すべく熱電材料から作られた２つのバンプ（ｂｕｍｐ）５ａ、５ｂを電気的に接続する接続要素４に相当する。低温側接点は、図１において、隣り合う２つの熱電対を直列に接続するリンク要素６によって表わされている。図１において、モジュールの第１の表面は、パイプ１の外面にぴったりと沿うように湾曲している。パイプ１は、冷却液を流すための内部パイプ８を備えている多角形の形状の熱交換器７に挿入されている。各々のモジュール２の第２の表面が、高温側接点と低温側接点との間の温度勾配を最適化するために、この熱交換器７に熱的に接触している。これにより、熱勾配を利用して、ゼーベック効果によって電流を生成することができ、すなわち「エネルギ回収」機能にて負荷への供給を行なうことができ、あるいは「センサ」機能にて電圧を測定することができる。
【０００５】
上述の装置においては、熱電モジュールがパイプ１の周囲に位置しており、パイプ１の熱抵抗が、高温側接点の位置の温度の低下の原因となる。したがって、温度勾配が、パイプ１のサイズ、パイプ１の厚さ、および使用される材料に従っておおむね最適化される。
【０００６】
特開２００１−６５８５８号公報が、気体が熱電要素を通って流れる装置を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−６５８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、電流および／またはさらなる電圧を生成するための装置であって、エネルギ源のうちの１つが移動している流体の形態である場合にエネルギの回収を最適にする装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、添付の特許請求の範囲によって達成される傾向にあり、さらに詳しくは、熱電モジュールが熱電対を備え、各々の熱電対が、関連した高温側接点または低温側接点のいずれかを形成するように熱電モジュールの第１の有効面の位置において互いに電気的に接続された２つの導電バンプを備え、これらの熱電対が、他方の接点を形成するようにモジュールの第２の有効面の位置において電気的に直列に接続されており、これらの熱電対が熱絶縁性の基材に一体化され、熱電モジュールが、基材に形成された貫通穴によって貫通されているという事実によって達成される傾向にある。
【００１０】
一実施の形態によれば、モジュールが、前記第１の有効面を前記第２の有効面へと接続する穴の行列を備えており、熱電対のバンプが、４つの穴に隣接している。
【００１１】
別の実施の形態によれば、モジュールが、前記第１の有効面を前記第２の有効面へと接続する一連の互い違いに配置された穴を備えており、熱電対のバンプが、３つの穴に隣接している。
【００１２】
別の実施の形態によれば、モジュールが、前記第１の有効面を前記第２の有効面へと接続する穴の行列を備えており、熱電対の４つのバンプからなる組が、４つの穴によって囲まれており、各々のバンプが、これら４つの穴のうちの２つの穴に隣接している。
【００１３】
他の利点および特徴が、添付の図面に示され、あくまでも本発明を限定するものではない例として提示される本発明の特定の実施の形態についての以下の説明から、さらにはっきりと明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電流を生成するための先行技術による装置を示している。
【図２】本発明による装置の実施の形態を示している。
【図３】本発明による装置の実施の形態を示している。
【図４】本発明による装置の実施の形態を示している。
【図５】コンピュータのラックの筐体における本発明による装置の特定の実施例を示している。
【図６】コンピュータのラックの筐体における本発明による装置の特定の実施例を示している。
【図７】本発明において使用される熱電モジュールの形状の実施の形態を示している。
【図８】本発明において使用される熱電モジュールの形状の実施の形態を示している。
【図９】本発明において使用される熱電モジュールの形状の実施の形態を示している。
【図１０】本発明において使用される熱電モジュールの形状の実施の形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
熱電モジュールが高温または低温源の流れの外側に位置し、流体が流れるパイプを囲んでいる先行技術の装置と異なり、以下で説明される装置は、流体内に直接的に配置された熱電モジュールを備えており、流体の流れの乱れを抑えつつ流体の温度勾配を利用するために、高温または低温の流体が熱電モジュールを通過して流れる。熱電モジュールが、電流および／または電圧をもたらすことができる。用途に応じて、一方のパラメータまたは他方のパラメータあるいは両方のパラメータ（電力）を使用することができる。
【００１６】
装置の縦断面図である図２〜４に示されるとおり、電流および／または電圧を生成するための装置は、装置の入り口９と出口１０との間に流体の流れを形成するための手段を備える。この流体循環手段は、ファン、ポンプ、あるいは流体の流れを可能にするための当業者によって実行される任意の他の種類の手段であってよい。開口を備える熱電モジュール２が、流体がモジュールを通って流れることができ、流体の流れがモジュールによって阻止されることがないように、装置の入り口９と出口１０との間の流体の経路（矢印Ｆ１およびＦ２によって表わされている）に配置されている。熱電モジュール２は、流体へと露出された第１の有効面１１を備えており、この第１の有効面１１が、流体の流れの方向に対して実質的に垂直である。換言すれば、第１の有効面は、流れの方向において流体に直面している。熱電気においては、モジュールの有効面が、ゼーベック効果による電流および／または電圧を生成するために温度勾配を使用するように設計された高温側または低温側接点を備えることができる表面である。
【００１７】
図２〜４においては、熱電モジュールがパイプ１の中に位置している。このパイプ１が、矢印Ｆ１およびＦ２によって示される流れの方向に液体または気体状の流体を運ぶことができる。特定の用途においては、パイプ１が実体を有さなくてもよい。さらに、装置が流体の流れの断面よりも小さいサイズを有してもよい。
【００１８】
通常のように、熱電モジュール２は、電気的には直列に接続され、熱的には並列に接続される複数の熱電対３ａ、３ｂを備えることができる。熱電対は、熱電効果を高める導電性材料から製作される２つのバンプ５ａ、５ｂを備えることができる。例えば、２０℃〜２００℃の間に含まれる流体の温度について、ＢｉＴｅ合金が使用され、３００℃〜６００℃の間に含まれる温度について、ＰｂＴｅ合金が使用され、６００℃を超える温度について、ＳｉＧｅ合金が使用される。一般に、１つの同じ熱電対３ａの２つのバンプ５ａ、５ｂは、異なる材料および／または異なるドーピング型（Ｎ型またはＰ型）を有する材料からなる。一般的なやり方においては、各々の熱電対３ａ、３ｂが、関連した高温側接点または低温側接点の一方（流体の温度による）を形成するようにモジュール２の第１の有効面１１の位置において互いに電気的に接続された２つの導電バンプ５ａ、５ｂを備え、熱電対３ａ、３ｂが、他方の接点を形成するように好ましくは第１の有効面１１の反対側のモジュールの第２の有効面１２の位置において電気的に直列に接続される。図２〜４においては、熱電対３ａの２つのバンプ５ａ、５ｂが、パイプ１を流れる流体が高温または低温のいずれであるかに応じて高温側接点または低温側接点を形成するように、好ましくはモジュールの第１の有効面の位置に位置する電気接続要素４によって電気的に直列に接続されている。高温または低温は、熱電モジュールの２つの有効面の間に１０℃よりも大きい温度勾配が確立されるような温度を意味する。典型的には１０℃〜１０００℃超の間の値が使用され、標準的なやり方においては、この値が１０℃〜１００℃の間に含まれる。次いで、熱電対３ａ、３ｂが、第１の有効面１１の位置に位置する接点の種類に応じて低温側接点または高温側接点のうちの他方を形成するように、モジュール２の第２の有効面１２の位置において電気的に直列に接続される。この接続を、第２の有効面１２の位置に位置する導電性のリンク要素６によって達成することができる。図２〜４において、第１の有効面１１は、第２の有効面１２の反対側であり、第２の有効面１２に平行である。
【００１９】
穴あきの熱電モジュール２が、モジュール２の第１の有効面１１をモジュール２の第２の有効面１２へと接続する複数の貫通穴１３を備えることができる。
【００２０】
好ましくは、熱電対３ａ、３ｂは、好ましくは熱電対３ａ、３ｂの高さまたは熱電対３ａ、３ｂのバンプ５ａ、５ｂの高さに実質的に等しい厚さを有する基材１４に一体化される。換言すると、接続要素４およびリンク要素６が、図２〜４のように基材１４の表面と同一面にあってよく、あるいは基材１４の各側に突出部（図示されていない）を形成してもよい。当然ながら、当業者であれば、他の配置を実行することもできる。
【００２１】
したがって、熱電モジュール２を通過する流体の自由な流れを可能にする貫通穴１３を、基材１４に形成することができ、それらの穴は、特定の形状に従って穿孔される。選択される基材１４は、例えばセラミック、酸化物、など、任意の性質であってよい。しかしながら、特定の柔軟性を可能にし、大きな表面の部品の製造を可能にし、穴を形成するための容易な穿孔を可能にするポリマーまたはプラスチックの種類の基材を選択することが好都合である。基材１４に使用される材料は、好ましくは、熱電モジュール２の２つの有効面１１、１２の間に最適な温度勾配を維持すべくバンプ５ａ、５ｂの温度上昇を抑えるために、良好な熱絶縁体である。
【００２２】
実際、図２〜４に示されるように、バンプ５ａ、５ｂは、好都合にはバンプ５ａ、５ｂの長手軸に沿って基材１４によって覆われる。第１の有効面および第２の有効面１１、１２の間の貫通穴１３の内壁は、熱電対とは異なる基材１４によって境界付けられている。換言すると、流体は、熱電モジュール２を通って流れるとき、バンプ５ａ、５ｂの全長にわたってバンプ５ａ、５ｂに触れることがない。
【００２３】
当然ながら、短絡を防止するために、基材１４の材料は電気絶縁性でもある。
【００２４】
図２の実施の形態によれば、電気接続要素４によって第１の有効面１１の位置に形成される高温側または低温側接点が、流体の流れに直接接触する。したがって、第１の有効面１１の位置における温度は、パイプによって温度の喪失が生じる先行技術と異なり、流体の温度により近い。とくには流体が導電性の液体である場合に短絡を防止するために、第１の有効面１１を、例えば陽極酸化アルミニウムから作られた１００μｍ〜５００μｍの薄い箔など、電気絶縁性かつ熱伝導性のフィルムで覆うことができ、当然ながら、当業者であれば、第１の有効面１１の接続要素４の短絡を防止することができる任意の種類の手段を使用することができる。
【００２５】
図３（図２とまったく同じ参照符号が使用されている）に示されている改善によれば、装置の効率を改善するために、熱交換手段１５が、第１の有効面１１の位置に、好ましくはこの第１の有効面１１の高温側または低温側接点に直接接触させて配置される。これらの熱交換手段１５の役割は、入り口９と出口１０との間を流れる流体の熱流束を可能な限り少ない損失で第１の有効面１１の接点の温度を最大化するように最適なやり方で伝えることである。これらの熱交換手段１５を、流体の熱を吸収するさまざまな形状のフィンによって形成することができる。例えば、直線フィン（ヒートシンクと呼ばれる）または波形フィンを使用することができる。当業者であれば、熱交換手段１５がモジュール２の穴を塞ぐことがないように配置および構成されることを、理解できるであろう。
【００２６】
図４に示されている改善によれば、装置が、熱電モジュール２の第２の有効面１２に熱的に接触した熱交換器７を備える。この熱交換器７が、流体の温度に応じてモジュール２の第２の有効面１２を冷却または加熱する目的を果たす水または他の熱移動流体の流れを有するヒートシンクを備えることができる。熱交換器７は、モジュール２の穴を塞ぐことがないように配置および構成される。
【００２７】
当然ながら、熱電モジュール２の第１および第２の有効面１１、１２の間の温度勾配を最適化するために図３および４の改善を組み合わせることが可能である。
【００２８】
一般的なやり方において、必要であれば、第１の有効面１１を熱交換手段１５から電気的に絶縁し、第２の有効面１２を熱交換器７から電気的に絶縁するために、電気絶縁性かつ熱伝導性の材料を、後者のそれぞれの境界に配置することができる。そのような材料は、例えば上述したものと同じ陽極酸化アルミニウム箔の薄板であってよい。
【００２９】
図４の改善ならびに図３および４の組み合わせを検証するために、内部において機器が約６０℃の温度を有する高温の空気を発生させ、したがって約３０ｋＷの熱出力をもたらす１．８ｍの高さおよび１ｍの幅を有するコンピュータのラックの筐体を製造した。筐体の１つの壁に、筐体の内部から筐体の外部へと空気を流すことができる（すなわち、入り口および出口が形成される）よう、壁の表面（この例では、１．８ｍ２）の約７０％に及ぶ貫通穴を穿孔した。
【００３０】
図５および６が、２種類の実施例を示している。これらの図において、空気の流れを、例えば壁に沿って（例えば、特定の典型的な実施の形態においては筐体の外側に）配置される抽出ファンなどのファン１６によって生成することができる。壁に、７℃の低温の液体の循環にもとづいて電流および／または電圧を生成するための装置の熱交換器７を形成する冷却システムが備えられる。熱電モジュール２が、壁に押し付けられて筐体内に配置され、モジュールの第１の有効面１１が筐体の内部へと向けられ、モジュールの第２の有効面１２が壁、すなわち熱交換器７に接触する。モジュールに形成される穴は、壁の穴の位置に形成され、熱電対の充てん率は、壁の利用可能な表面の３０％について５０％である。
【００３１】
図５に示した第１の場合においては、熱電対３ａ、３ｂの高温側接点（接続要素４によって代表される）が空気の流れに直接接触し、結果として熱抵抗Ｒｔｈｃｏｎｖａｉｒが、Ｒｔｈｃｏｎｖａｉｒ＝１／（ｈ×Ｓ）に従って約０．０６Ｋ／Ｗである（ここで、ｈ＝３０Ｗ／ｍ２／Ｋであり、Ｓ＝１．８ｍ２の３０％である）。熱交換器７の側において、モジュールの第２の有効面１２と冷却用の液体との間の熱抵抗は、Ｒｔｈｅｘｃｈａｎｇｅｒ＝１／（ｈ×Ｓ）＝０．００６Ｋ／Ｗに等しい（ここで、ｈ＝３００Ｗ／ｍ２Ｋであり、Ｓ＝１．８ｍ２の３０％である）。
【００３２】
図６に示した第２の場合においては、図５と比べ、熱交換手段１５が、高温側接点における温度を最適化するために、第１の有効面１１の位置に追加されている。この熱交換手段１５は、熱交換の表面Ｓを２０倍にするフィンであってよい。この構成により、依然として３０Ｗ／ｍ２／Ｋに等しいｈおよびＳ＝１．８ｍ２の３０％の２０倍にて、Ｒｔｈｃｏｎｖａｉｒ＝０．００３Ｋ／Ｗが得られる。
【００３３】
第３の場合（図示されていない）によれば、図６の熱交換器７が、熱電モジュールの低温側接点のすぐ近くに低温の壁、すなわち冷却用の液体の循環を要する熱交換器を使用することによって最適化される。これにより、モジュールと冷却用の液体との間の熱抵抗を例えば１０分の１に減らすことができる。このような手段を、該当の接点に直接接触させたプレート熱交換器によって達成でき、あるいは同じ機能を果たす他の種類の熱交換器によって達成できる。この設計によれば、Ｒｔｈｅｘｃｈａｎｇｅｒｗａｌｌ＝０．１×Ｒｔｈｅｘｃｈａｎｇｅｒ＝０．０００６Ｋ／Ｗが得られる。
【００３４】
第１の場合においては、高温側接点の位置における２１℃の温度および低温側接点の位置における１６℃の温度において、熱出力が１４００Ｗである。生成される熱出力は、３０％の表面被覆率（ｓｕｒｆａｃｅ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）において７．５Ｗであり、５０％の表面被覆率において１５Ｗである。
【００３５】
第２の場合においては、高温側接点の位置における５３℃の温度および低温側接点の位置における３７℃の温度において、熱出力が５２００Ｗである。生成される熱出力は、３０％の表面被覆率において８０Ｗであり、５０％の表面被覆率において１３０Ｗである。
【００３６】
第３の場合においては、高温側接点の位置における５５℃の温度および低温側接点の位置における２５℃の温度において、熱出力が１００００Ｗである。生成される熱出力は、３０％の表面被覆率において２７０Ｗであり、５０％の表面被覆率において４５０Ｗである。
【００３７】
このように、第１の有効面１１の位置における熱交換手段１５を、第２の有効面１２の熱交換器７と組み合わせて使用することで、同じ表面においてより多くの電流および／または電圧を生成することができる。
【００３８】
穴１３の分布および熱電対３ａ、３ｂの配置は、可能な限り流体の流れを乱すことなく電流および／または電圧を生成するための装置を動作させることができるよう、好ましくは特定の形状を順守する。
【００３９】
図７〜１０が、電流および／または電圧を生成するための装置の一部分を構成する熱電モジュールの４つの実施の形態を示している。これらの実施の形態は、モジュールの断面図によって示されており、流体は紙面の平面に垂直な方向にモジュールを通って流れる。
【００４０】
図７が、第１の実施の形態によるモジュールの断面図を示しており、モジュールが、モジュールの第１の有効面をモジュールの第２の有効面へと接続する穴１３（すなわち、貫通穴）の行列を備えており、熱電対のバンプ５ａが、４つの穴に隣接している。この実施の形態は、基材１４を要素格子１７へと実質的に分割することによって実現できる。熱電対は、基材の中に形成される。要素格子は、シリンダの形状を有することができ、シリンダを、平面内の閉じた生成曲線（ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｃｕｒｖｅ）と、生成曲線の各点を通過しながら前記平面に垂直な固定の方向を保つ方向曲線（ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ  ｃｕｒｖｅ）とによって形成することができる。図７においては、格子１７が、各々の格子１７の位置において第１の有効面および第２の有効面に実質的に垂直な格子の４つのエッジを定める正方形を形成する方向曲線を有するシリンダによって形成されている。換言すると、シリンダが、第１および第２の有効面を接続する４つの側面を備えている。熱電対のバンプ５ａ、５ｂが、格子の各々のエッジの位置に位置し、隣り合う２つの格子１７が、２つのバンプを共有している。各々の格子が、好ましくは格子のエッジに平行な長手軸を有しており、好ましくはエッジから等しい距離に位置している貫通穴を備えている。換言すると、貫通穴１３が、真っ直ぐな円柱の形状を有することができる。リンク要素および接続要素（図示されていない）が、それぞれ第１の有効面および第２の有効面の位置に位置している。
【００４１】
形状を最適化するために、図７の実施の形態の各々の要素格子１７は、ｘ２という図７の紙面の平面における格子断面の表面を有しており、同じ平面におけるバンプの断面の表面が、π×ｒ２によって定められ、ｒは、バンプが円の形態の断面を有する場合のバンプの断面の半径である。バンプの最大半径ｒｍａｘは、バンプ間の横接触を防止するために、ｘ／２よりも小さい。これが、取り入れることができるバンプの最大の表面（すなわち、正方形の断面の格子の場合には、Ｓｍａｘｂｕｍｐ＝π×ｒｍａｘ２＝格子の表面の７８．５％）を定める。
【００４２】
貫通穴１３は、格子において真っ直ぐな円柱の形状を有する場合に、πＲ２の通過の表面を定め、Ｒは基材１４に穿孔された穴１３の半径である。幾何学的な製造限界が、Ｒの値をｘおよびｒの関数として定められる最大値に制限する。すなわち、穴の最大半径Ｒｍａｘは、ｘ／２−ｒに等しい。導電要素が、接続要素およびリンク要素（図７では見て取ることができない）を形成し、バンプを互いに接続するために、第１の有効面および第２の有効面の位置に作られる。幾何学的な理由で、バンプの最大半径ｒｍａｘは、当然ながら厳格にｘ／２未満になる。電気的に直列に接続された２つのバンプを隔てている距離に相応する長手寸法を有するリンク要素または接続要素を考えると、そのような要素は、好ましくはバンプの断面の半径の２倍よりも小さい幅を有し、貫通穴を塞ぐことがないように配置される。
【００４３】
図８が、第２の実施の形態による熱電モジュールの断面図を示しており、モジュールが、モジュールの第１の有効面をモジュールの第２の有効面へと接続する一連の互い違いに配置された穴１３（すなわち、貫通穴）を備えており、熱電対のバンプ５ａ、５ｂ（モジュールの縁のバンプを除く）が、３つの穴１３に隣接している。この実施の形態は、熱電対が形成される基材１４を要素格子１７へと実質的に分割することによって実現できる。図８においては、格子１７が、各々の格子１７の位置において第１の有効面を第２の有効面に接続する格子の６つのエッジを定める正六角形を形成する方向曲線を有するシリンダによって形成されている。換言すると、各々の格子が、第１の有効面を第２の有効面へと接続する６つの側面を備えている。熱電対のバンプ５ａ、５ｂが、格子の各々のエッジの位置に位置し、隣り合う２つの格子が、２つの隣接する側面および２つのバンプ５ａ、５ｂを共有している。各々の格子１７が、好ましくは格子のエッジに平行かつ好ましくは格子のエッジから等しい距離に位置する長手軸を有する貫通穴を備えている。換言すると、貫通穴が、真っ直ぐな円柱の形状を有することができる。
【００４４】
第１の実施の形態の格子表面と同一の格子表面において、格子表面ｘ２＝３３／２ａ２÷２、すなわちａ＝２１／２ｘ÷３３／４が得られ、ａは１つの同じ格子側面の隣り合う２つのエッジを隔てている距離、すなわち六角形の辺の長さである。
【００４５】
形状を最適化するために、図８の実施の形態の各々の要素格子は、ｘ２という図８の紙面の平面における格子表面の断面（第１の実施の形態と変わらない表面）を有しており、この図の平面におけるバンプの断面の表面が、π×ｒ２によって定められ、ｒは、バンプが円の形態の断面を有する場合のバンプの半径である。バンプの最大半径は、２つのバンプの間の接触を防止するために、ａ／２よりも小さい。これが、取り入れることができる熱電対の最大の表面（すなわち、六角形の断面の格子の場合には表面の６０．４％）を定める。
【００４６】
第１の実施の形態と同様に、貫通穴１３は、格子において真っ直ぐな円柱の形状を有する場合に、π×Ｒ２の流れの表面を有する断面を定め、Ｒは基材１４に穿孔された穴の半径である。幾何学的に達成することができる限界が、Ｒの値をｘ、ａ、およびｒの関数として定められる最大値に制限する。すなわち、穴の最大半径Ｒｍａｘは、ａ−ｒに等しく、すなわち０．６２ｘ−ｒに等しい。導電要素（図示されていない）が、接続要素およびリンク要素を形成するために、第１の有効面および第２の有効面の位置に作られる。幾何学的な理由で、バンプの最大半径は、厳格にａ／２未満、すなわち０．３１ｘ未満になる。
【００４７】
したがって、六角形の格子断面は、正方形の格子よりも大きい流体の流れの断面を可能にする。
【００４８】
同じ表面単位ｘ２において、六角形の格子の形態での配置は、正方形の断面の格子の流体の流れの断面積よりも常に大きい流体の流れの断面を達成可能にする。さらに、六角形断面の格子は、正方形断面の格子にもとづく形状よりもコンパクトであり、したがって１つの同じモジュールにより多くの熱電対を取り入れることを可能にする。
【００４９】
熱電モジュールの基材１４は、好ましくは空気の熱伝導率よりも高い熱伝導率ｋを有する（０．０２４Ｗ／ｍ×Ｋという空気の熱伝導率と比べ、最良の性能を有するポリイミドにおいてｋ＝０．１７Ｗ／ｍ×Ｋ）。したがって、流体が基材の伝導率よりも低い伝導率を有する場合、熱電対の充てん比が不変であれば、基材１４の穿孔が多いほど、熱電モジュールの平均の熱伝導率が低くなり、熱電モジュールの２つの有効面の間の熱勾配が大きくなる。したがって、これは、結果として、六角形の断面の格子を有する実施の形態の性能を向上させる。
【００５０】
所与の材料、所与の熱電対の高さ、および所与の温度勾配について、モジュールによってもたらされる出力に関して性能を最適化する最適な熱電充てん比（熱電対の数）が存在できる。この充てん比が、六角形の形状によって定められる６０．４％という最大の比よりも大きくなる可能性がある。したがって、熱電モジュールによって生成される出力と、流体の流れに引き起こされる圧力損失との間に、最適な妥協点を探さなければならない。換言すると、６０．４％よりも低い比を得ようとする場合、六角形断面の格子を有する構造が好ましく、６０．４％よりも大きい比を得ようとする場合、正方形の格子を有する構造が好ましく、実際にはすべてがモジュールおよびバンプに必要とされる形状に依存する。六角形断面を有する形状は、流体の流れの乱れを最大限に抑制する形状である。
【００５１】
正六角形の断面の格子１７にもとづく第２の実施の形態は、自動的な整列の問題を回避する簡単化されたやり方で装置を製造することを可能にする。そのような形状によれば、熱電モジュール２の縁に位置する格子を除いて、同じ格子表面１７の隣り合う２つのバンプ５ａ、５ｂを通過する直線ｄ１が、実際に、他のバンプに再び出会う前にこれら２つのバンプの各側の穴１３に出会う。
【００５２】
モジュールの製造方法を、バルク材または熱電ペーストにもとづいて実行することができる。
【００５３】
バルク材の場合には、将来の熱電モジュール２の種々のバンプ５ａ、５ｂが、まず最初に各々の六角形の格子１７のエッジの位置に配置および形成され、隣り合う２つの格子１７が、共通の２つのバンプと、隣接する２つの側面とを有する。同じ格子表面の２つの隣り合うバンプが、好ましくは異なる材料から形成される。一方の材料が、好ましくはＰ型にドープされ、他方の材料が、好ましくはＮ型にドープされる。このようにして、各々の格子１７が、３つがＰ型にドープされ、３つがＮ型にドープされた６つのバンプを備え、格子のバンプは交互にＰ型およびＮ型にドープされている。
【００５４】
バンプ５ａ、５ｂが形成された後で、これらが、将来の熱電モジュールの２つの有効面の間の熱勾配が最大になるよう、例えば高温エポキシ樹脂（ｋ＜０．５Ｗ／ｍＫ）などの低い熱伝導率ｋを有するように選択されるポリマーに沈められる。例えば固化、焼きなまし、またはＵＶでの架橋などによるポリマーの成形後に、必要であれば、各々のバンプの末端がモジュールの反対向きの２つの表面（将来の有効面）において同一面になるように研磨を行なうことができる。
【００５５】
次いで、電気的な接続を、バンプが同一面に位置しているモジュールの第１の表面に作成することができる。工程は、基材１４の第１の表面に導電性材料から作られる（図８のｄ１の方向の）平行線を製作することからなり、これらの線を、モジュールの材料に適合した印刷または付着の技術によって製作することができる。各々の線の幅は、電流の流れを可能にするために厳密に非ゼロであり、かつバンプの直径以下である。線は、格子の同じ側面に組み合わせられた少なくとも２つのバンプを通過する。隣り合う２つの平行線を隔てるピッチは、
【数１】
2013537790.tif 000003
に等しく、ここでａは、六角形の１つの辺の長さを定める。
【００５６】
次いで、別の電気的な接続が、モジュールの第１の表面の反対側の第２の表面に作成され、これらの接続を、金属（さらに広くには、導電性材料）から製作される線ｄ２によって製作することができ、これらの線ｄ２は、第２の表面の位置において互いに平行である。幾何学的な基準は、第１の表面の幾何学的基準と同一であり、六角形の格子構造の場合には、第１の表面に組み合わせられた線ｄ１が、第２の表面の線ｄ２と
【数２】
2013537790.tif 000004
の角度をなす。
【００５７】
最後に、穴が、好ましくは各々の格子１７の位置において、第１の表面から第２の表面へと基材１４に穿孔される。これらの穴１３の中心は、好ましくは六角形の中心に一致する。結果として、第１の表面および第２の表面の導電性材料から作られた接続線が格子を直径に沿って横切っている場合、穴が第１の表面および第２の表面の導電性材料から作られた接続線を自動的に切断し、上述したモジュールの接続要素およびリンク要素を空間的および自動的に定める。
【００５８】
熱電ペーストが使用される場合、方法は、Ｐ型およびＮ型のバンプの形成の工程ならびに成型の工程に関して上述の方法と異なり、これらの工程が、例えばポリイミド主体の基材（ｋ＜０．１７Ｗ／Ｋ×ｍ）などの低い熱伝導率ｋを有するように選択された基材１４に、将来のバンプ５ａ、５ｂの位置を定めるための開口を穿孔する第１の工程によって置き換えられる。したがって、開口は、各々の格子のエッジに整列させて形成される。隣り合う２つの格子１７が、２つのそれぞれの側面の位置において接合され、２つの開口／将来のバンプ５ａ、５ｂを共通に有する。次いで、好ましくはＰ型およびＮ型のバンプ５ａ、５ｂが、インクジェット、マイクロバルブによる送出、噴霧、またはスクリーン印刷などの印刷技術によってエッジの位置において基材１４に形成された開口に製作される。噴霧またはスクリーン印刷が使用される場合には、充てんされるべき開口を空のままに残されるべき開口から区別するマスクを、前もって形成する必要がある。六角形断面のシリンダの１つの同じ側面の２つの隣り合うバンプ５ａ、５ｂは、好ましくは異なる材料から形成され、一方の材料が好ましくはＰ型にドープされ、他方がＮ型にドープされる。このようにして、各々の格子が、３つがＰ型にドープされ、３つがＮ型にドープされた６つのバンプを備える。
【００５９】
この方法の残りの部分は、第１の表面の位置における電気的な接続の形成の工程から始まって、上述した方法と同一である。
【００６０】
図９に示されている別の実施の形態によれば、モジュール２が、第１の有効面を第２の有効面へと接続する穴の行列を備えている。熱電対の４つのバンプ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる組が、４つの穴１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄによって囲まれており、組の各々のバンプが、これら４つの穴のうちの２つの穴に隣接している。この実施の形態は、図９の特定の配置によって実現できる。すなわち、基材１４を、正方形（第１の有効面と第２の有効面とを接続する４つの側面）を形成する方向曲線を有するシリンダ１７ａと、正八角形（第１の有効面と第２の有効面とを接続する８つの側面）を形成する方向曲線を有するシリンダ１７ｂとによって形成される基本の格子へと実質的に分割することができる。図９において、これらのシリンダが互いに隣接し、一体物の基材を実質的に分割している。したがって、縁に位置するシリンダを除き、八角形のシリンダが、他の４つの八角形のシリンダに隣接し、すなわち２つずつ向かい合う八角形のシリンダの４つの側面が、別の八角形のシリンダの相手方の側面と接触している。第１の２つの向かい合う側面が、互いに平行な平面に位置し、第２の２つの向かい合う側面が、向かい合う第１の表面の平面に対して垂直かつ互いに平行な平面に位置している。八角形のシリンダの残りの側面は、それぞれ正方形断面のシリンダの側面に接している。バンプ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが、八角形のシリンダのエッジの位置にＰ型またはＮ型の材料から形成され、各々のバンプが、隣り合う２つの八角形のシリンダの２つのエッジおよび正方形断面のシリンダのエッジに共通である（縁に位置するシリンダを除く）。八角形のシリンダによって形成される格子の各々が、モジュールの反対向きの２つの表面を接続する貫通穴１３ａを備えている。好ましくは、正方形の形状のシリンダも、図１０に示されるように貫通穴１３ｅを備える。
【００６１】
この実施の形態は、上述した方法によって達成できるが、唯一の相違は、八角形のシリンダの各々が、２つのＮ型のバンプ、１つのＰ型のバンプ、１つのＮ型のバンプ、２つのＰ型のバンプ、１つのＮ型のバンプ、および１つのＰ型のバンプの順にて八角形のシリンダの外周のエッジの位置に配置された８つのバンプを備える点である。次いで、バンプの間の接続が、モジュールの第１の表面に形成され、導電性材料から製作される密な線の２つのアレイを含む。互いに実質的に平行かつ八角形の格子の同じ表面の２つのバンプを通過した後に正方形断面の格子を対角線に沿って通過する線ｄ１からなる第１のアレイにおいては、隣り合う２つの線が、八角形断面のシリンダの向かい合う２つの側面を隔てている距離におおむね等しい距離だけ隔てられている。同じやり方で、互いに実質的に平行かつ八角形の格子の同じ表面の２つのバンプを通過した後に正方形断面の格子を対角線に沿って通過する線ｄ２からなる第２のアレイにおいては、隣り合う２つの線が、八角形断面のシリンダの向かい合う２つの側面を隔てている距離に実質的に等しい距離だけ隔てられている。第１および第２のアレイは、互いに実質的に垂直である。モジュールの第２の表面に形成される接続は、導電性材料から製作される互いに平行な線ｄ３の第３のアレイを備える。第３のアレイの各々の線は、八角形断面のシリンダの同じ表面に組み合わせられた２つのバンプを少なくとも通過する。モジュールの第２の表面の線ｄ３は、モジュールの第１の表面の第１のアレイおよび第２のアレイの線に対して３π／４の角度をなす。第３のアレイの平行な線ｄ３は、順に
【数３】
2013537790.tif 000005
に等しく、次いでａに等しい距離にて周期的に隔てられており、ａは八角形の辺の長さである。
【００６２】
八角形断面のシリンダに形成される貫通穴は、好ましくは八角形断面の各々のシリンダの位置においてモジュールの第２の表面の線を切断するために充分な直径を有する。正方形断面のシリンダに形成される穴は、必要であれば第１および第２のアレイの線の切断を可能にする。
【００６３】
上述のとおりの装置は、エネルギ回収のための大きな表面を実現可能にする。低温の熱にもとづくエネルギ回収の用途のための大表面の熱電要素の製造が、相応の効率を達成可能にする。さらに、低コストな印刷技術を用いた製造が、可撓なポリマー基材を含む任意の種類の基材の使用を可能にする。
【図１】
2013537790.tif 000006
【図２】
2013537790.tif 000007
【図３】
2013537790.tif 000008
【図４】
2013537790.tif 000009
【図５】
2013537790.tif 000010
【図６】
2013537790.tif 000011
【図７】
2013537790.tif 000012
【図８】
2013537790.tif 000013
【図９】
2013537790.tif 000014
【図１０】
2013537790.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月6日(2013.3.6)
【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】
入り口（９）と出口（１０）との間に流体の流れを形成するための手段と、
前記流体へと露出された第１の有効面（１１）を備える熱電モジュール（２）と
を備え、
前記熱電モジュール（２）が、開口を備えるとともに、前記入り口（９）と前記出口（１０）との間の前記流体の経路に配置され、前記第１の有効面（１１）が、前記流体の流れの方向に対して実質的に垂直である、
電流および／または電圧を生成するための装置であって、
前記熱電モジュール（２）が、熱電対（３ａ、３ｂ）を備え、各々の熱電対（３ａ、３ｂ）が、関連した高温側接点または低温側接点を形成するように熱電モジュール（２）の前記第１の有効面（１１）の位置において互いに電気的に接続された２つの導電バンプ（５ａ、５ｂ）を備え、該熱電対（３ａ、３ｂ）が、相補接点を形成するようにモジュールの第２の有効面（１２）の位置において電気的に直列に接続されており、前記熱電対が、熱絶縁性の基材（１４）に一体化され、前記熱電モジュール（２）が、前記基材（１４）に形成された貫通穴（１３）によって貫通されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記熱電モジュール（２）の前記第２の有効面に熱的に接触した熱交換器（７）を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱交換器（７）が、水が循環するヒートシンクを備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の有効面（１１）の位置に配置された熱交換手段（１５）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記熱電モジュール（２）が、前記第１の有効面（１１）を前記第２の有効面（１２）へと接続する貫通穴（１３）の行列を備えており、熱電対のバンプ（５ａ、５ｂ）が、４つの貫通穴（１３）に隣接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記モジュール（２）が、前記第１の有効面（１１）を前記第２の有効面（１２）へと接続する一連の互い違いに配置された貫通穴（１３）を備えており、熱電対のバンプが、３つの貫通穴（１３）に隣接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記熱電モジュール（２）が、前記第１の有効面（１１）を前記第２の有効面（１２）へと接続する穴の行列を備えており、熱電対の４つのバンプ（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）からなる組が、４つの貫通穴（１３）によって囲まれており、各々のバンプ（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）が、前記４つの貫通穴（１３）のうちの２つの貫通穴（１３）に隣接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【国際調査報告】
2013537790.tif 000016
2013537790.tif 000017
2013537790.tif 000018
2013537790.tif 000019