(57)【要約】  熱電などアクティブ冷却技術は、冷却システムに熱「利得」を導入するために使用されることが可能であり、強制流式液体金属冷却ループと組み合わせて利用される場合には、高熱流束密度デバイスおよび／または構成要素を冷却するための魅力のある解決策を提供することができる。複数の熱電素子を利用することによって総冷却能を増大することができる。実際、たとえば薄膜技術を含める現代の半導体技術を利用することによって、熱電素子をコスト的に効率よく利用することが可能となり、大型アレイに構成することが可能となる。
2008528912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電モジュールであって、それぞれが少なくとも１つの熱電素子を含み共に熱電アレイを画成し、前記熱電素子の個々の熱電素子がそれぞれの第１および第２の側を有し、動作中にそれぞれの温度差を示す、複数の熱電モジュールと、
前記熱電素子の前記第１の側と熱的に連通している、第１の密閉した流体ループ経路部分と、
前記熱電素子の前記第２の側と熱的に連通している、第２の密閉した流体ループ経路部分と、
を備える熱電システムであって、
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の向流トポロジが、動作中に前記それぞれの温度差が熱伝達流体とほぼ均一になることを保証するように構築される、熱電システム
【請求項２】
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の少なくとも１つの内に配置される熱伝達流体をさらに備える、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
前記熱伝達流体が、液体金属、伝導性流体および伝導性スラリのうちの１つ以上を含む、請求項２に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記第１および第２の密閉流体ループ経路部分の一方または両方を通る前記熱伝達流体の流れを動機付けるための少なくとも１つの電磁ポンプをさらに備える、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項５】
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分が、前記熱伝達流体を前記熱電アレイから離れて運び、再び戻すためのそれぞれの密閉した流体ループの各部品である、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項６】
前記熱伝達流体を前記熱電アレイから離れて運び、再び戻すための２つの別個の密閉した流体ループと、
前記第１の密閉した流体ループ経路部分を含み、前記熱電素子の前記第１の側と熱的に連通している、前記第１の密閉した流体ループと、
前記第２の密閉した流体ループ経路部分を含み、前記熱電素子の前記第２の側と熱的に連通している、前記第２の密閉した流体ループと、
をさらに備える、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記第１の密閉流体ループ経路部分を通る液体金属の熱伝達流体の流れを動機付けるための少なくとも１つの電磁ポンプをさらに備える、請求項６に記載の熱電システム。
【請求項８】
前記第２の密閉流体ループ経路部分を通る液体金属の熱伝達流体の流れを動機付けるための少なくとも１つの電磁ポンプをさらに備える、請求項７に記載の熱電システム。
【請求項９】
前記熱電素子の前記第１および第２の側の両方と熱的に連通している単一の閉ループであって、前記単一の密閉した流体ループが前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の両方を含む、単一の閉ループをさらに備える、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１０】
単一の電磁ポンプが、前記第１および第２の密閉流体ループ経路部分の両方を通る熱伝達流体の流れを動機付けるために前記単一の閉ループ内に配置される、請求項９に記載の熱電システム。
【請求項１１】
前記熱伝達流体を前記熱電アレイから離れて運び、再び戻すための２つの少なくとも部分的に重なり合う密閉した流体ループと、
前記第１の密閉した流体ループ経路部分を含み、前記熱電素子の前記第１の側と熱的に連通している、前記第１の密閉した流体ループと、
前記第２の密閉した流体ループ経路部分を含み、前記熱電素子の前記第２の側と熱的に連通している、前記第２の密閉した流体ループと、
をさらに備え、
前記第１および第２の密閉した流体ループからの熱伝達流体が、前記重なり合う密閉した流体ループの少なくとも１つの位置で混合される、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１２】
前記重なり合う密閉した流体ループの重合部に配置される少なくとも１つの電磁ポンプをさらに備える、請求項１１に記載の熱電システム。
【請求項１３】
前記流れトポロジが熱電アレイのＮ段を横断し、
熱電モジュールのうちの任意の特定の１つで、衝突する高温側および低温側の流れがそれぞれに前記特定の熱電モジュールへの途中でｘ段およびＮ−１−ｘ段｛ｘ：０≦ｘ＜Ｎ｝を横断するように、前記流れのトポロジが構築される、
請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの電磁ポンプが、磁気流体力学的（ＭＦＤ）ポンプを含む、請求項４に記載の熱電システム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの電磁ポンプが、連続的に作動可能である、請求項４に記載の熱電システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの電磁ポンプが、周期的または間欠的に作動可能である、請求項４に記載の熱電システム。
【請求項１７】
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分に入る前記熱伝達流体の温度を実質的に平衡させる復熱装置をさらに備える、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１８】
前記復熱装置が流体流れを混合する、請求項１７に記載の熱電システム。
【請求項１９】
前記復熱装置が熱交換器を含む、請求項１７に記載の熱電システム。
【請求項２０】
前記熱伝達流体の第１の配合物が前記第１の密閉した流体ループ経路部分内に配置され、
前記熱伝達流体の第２の配合物が前記第２の密閉した流体ループ経路部分内に配置される、
請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２１】
前記第１および第２の配合物が異なる配合物である、請求項２０に記載の熱電システム。
【請求項２２】
前記第１および第２の配合物が実質的に同一の配合物である、請求項２０に記載の熱電システム。
【請求項２３】
以下のうちの１つ以上を行うために構成される、請求項１に記載の熱電システム。
熱源またはターゲットを冷却する；
ターゲットを加熱する；
熱源またはターゲットの温度を少なくとも部分的に調節する；
温度差に応じて電流の流れの生成を高める。
【請求項２４】
第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の一方または両方を含む密閉した流体ループをさらに備える、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２５】
前記密閉した流体ループと熱的に連通しているヒートシンクと、
前記密閉した流体ループと熱的に連通している熱源またはターゲットと、
の一方または両方をさらに備える、請求項２４に記載の熱電システム。
【請求項２６】
前記熱電アレイが、
線形アレイ、または、
２次元アレイ、
を含む、請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２７】
磁気流体力学的（ＭＦＤ）ポンプを使用して第１の密閉した流体ループの液体金属の熱伝達流体の流れを動機付ける、熱電アレイ構造であって、前記動機付けられた流れが、前記熱電アレイのモジュールにわたる温度差が動作中ほぼ均一になることを保証するように構築される向流トポロジの一部である、熱電アレイ構造。
【請求項２８】
前記第１の密閉した流体ループが、前記モジュールの第１の側と熱的に連通している、請求項２７に記載の熱電アレイ構造。
【請求項２９】
前記第１の密閉した流体ループから区別される第２の密閉した流体ループをさらに備え、前記第２の密閉した流体ループが前記モジュールの第２の側と熱的に連通している、請求項２８に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３０】
前記第２の密閉した流体ループを通る前記液体金属の熱伝達流体の流れを動機付けるための少なくとも１つの付加的なＭＦＤポンプをさらに備える、請求項２９に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３１】
前記第１の密閉した流体ループと部分的に重なり合う第２の密閉した流体ループをさらに備え、前記第２の密閉した流体ループが前記モジュールの第２の側と熱的に連通している、請求項２８に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３２】
前記第１および第２の密閉した流体ループからの液体金属の熱伝達流体が、前記第１および第２の密閉した液体ループの重合部の少なくとも１つの位置で混合される、請求項３１に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３３】
前記ＭＦＤポンプが前記第１および第２の密閉した流体ループの重合部に配置される、請求項３１に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３４】
前記第１の閉ループが、前記モジュールの前記第１および第２の側の両方と熱的に連通している単一の閉ループを構成する、請求項２７に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３５】
前記流れトポロジが前記熱電アレイのＮモジュールを横断し、
前記モジュールのうちの任意の特定の１つで、衝突する高温側および低温側の流れがそれぞれに前記特定のモジュールへの途中でｘ段およびＮ−１−ｘ段｛ｘ：０≦ｘ＜Ｎ｝を横断するように、前記流れのトポロジが構築される、請求項２７に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３６】
前記モジュールの第１および第２の側を、それぞれを横断する前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分に入る前記熱伝達流体の温度を実質的に平衡させる復熱装置をさらに備える、請求項２７に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３７】
前記復熱装置が流体流れを混合する、請求項３６に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３８】
前記復熱装置が熱交換器を含む、請求項３６に記載の熱電アレイ構造。
【請求項３９】
それぞれ少なくとも１つの熱電素子を含み共に熱電アレイを画成し、前記熱電素子の個々の熱電素子がそれぞれの第１および第２の側を有し、動作中にそれぞれの温度差を示す複数の熱電モジュールを含む、熱電システムを作動する方法であって、
前記方法が、
前記熱電素子の前記第１の側と熱的に連通している第１の密閉した流体ループ経路部分を通る第１の熱伝達流体の流れを動機付けることと、
前記熱電素子の前記第２の側と熱的に連通している第２の密閉した流体ループ経路部分を通る第２の熱伝達流体の流れを動機付けることと、
を含み、
前記熱電システムの動作中にほぼ均一な温度差を得るように、動機付けられた流れのトポロジが選択される、方法。
【請求項４０】
前記第１および第２の密閉した流体ループが別個である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１および第２の密閉した流体ループのそれぞれのループを通る熱伝達流体のそれぞれの流れを動機付けることが、それぞれの第１および第２の磁気流体力学的（ＭＦＤ）ポンプの動作による、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１および第２の密閉した流体ループが単一の密閉した流体ループを構成し、
前記第１および第２の熱伝達流体が同じ流体である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１および第２の密閉した流体ループを通る熱伝達流体のそれぞれの流れを動機付けることが、単一の磁気流体力学的（ＭＦＤ）ポンプの動作による、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記第２の密閉した流体ループが前記第１の密閉した流体ループと部分的に重なり合い、
前記第１および第２の熱伝達流体が同じ流体である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１および第２の熱伝達流体を前記第１および第２の密閉した液体ループの重合部の少なくとも１つの位置で混合することをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１および第２の密閉した流体ループを通る熱伝達流体のそれぞれの流れを動機付けることが、前記第１および第２の密閉した流体ループの重合部に配置される少なくとも１つの磁気流体力学的（ＭＦＤ）ポンプの動作による、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
請求項３９に記載の方法であって、前記動機付けられた前記流れのトポロジが熱電モジュールのＮを横断し、前記方法が、
第１の側の流れの一部として特定モジュールへの途中でｘ段を横断することと、
第２の側の流れの一部として前記特定モジュールへの途中でおよびＮ−１−ｘ段を横断すること（ただし、｛ｘ：０≦ｘ＜Ｎ｝）と、
を含む、方法。
【請求項４８】
前記動機付けられた流れの前記トポロジが向流を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分に入る熱伝達流体の温度を実質的に平衡させることをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分に入る熱伝達流体流れを混合することをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分に入る熱伝達流体流れの間の熱を交換することをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項５２】
熱電システム製品を製造する方法であって、前記方法が、
それぞれ少なくとも１つの熱電素子を含み共に熱電アレイを画成し、前記熱電素子のうちの個々の熱電素子がそれぞれの第１および第２の側を有する、複数の熱電モジュールを提供することと、
前記熱電素子の前記第１の側と熱的に連通している第１の密閉した流体ループ経路部分を構成することと、
前記熱電素子の前記第２の側と熱的に連通している第２の密閉した流体ループ経路部分を構成することと、
電磁ポンプを前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の少なくとも１つに結合させることと、
を備える、方法。
【請求項５３】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、前記方法が、
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分のうちの１つを含む第１の密閉した流体ループを閉止することをさらに備える、方法。
【請求項５４】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、前記方法が、
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の両方を含む単一の密閉した流体ループを閉止することをさらに備える、方法。
【請求項５５】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、前記方法が、
２つの部分的に重なり合う密閉した流体ループのうちの少なくとも第１のループを閉止することであって、前記第１の密閉した流体ループが前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分のうちの１つを含む、少なくとも第１のループを閉止することをさらに備える、方法。
【請求項５６】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、前記方法が、
前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の一方または両方を含む密閉した流体ループに熱伝達流体を導入することをさらに含む、方法。
【請求項５７】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、
前記提供することが、前記熱電モジュールのＮを提供することを含み、
前記第１および第２の密閉した流体経路部分を構成することが、
前記第１の密閉した流体経路部分が、前記熱電モジュールのうちの任意の特定の１つへの途中で前記熱電モジュールのｘを横断するようになることと、
前記第２の密閉した流体経路部分が、前記特定のモジュールへの途中で前記熱電モジュールのＮ−１−ｘを横断するようになること（ただし、｛ｘ：０≦ｘ＜Ｎ｝）と、
を含む、方法。
【請求項５８】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、
前記第１および第２の密閉した流体経路部分を構成することが、向流トポロジを画成することを含む、方法。
【請求項５９】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、
前記方法が、前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分のために予定されている熱伝達流体の温度を実質的に平衡させるために、復熱装置を配置することをさらに含む、方法。
【請求項６０】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、
前記方法が、密閉した流体ループを熱源に熱的に結合させることであって、前記密閉した流体ループが、前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の一方または両方を含む、密閉した流体ループを熱的に結合させることをさらに含む、方法。
【請求項６１】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、
前記方法が、密閉した流体ループをヒートシンクに熱的に結合させることであって、前記密閉した流体ループが、前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の一方または両方を含む、密閉した流体ループを熱的に結合させることをさらに含む、方法。
【請求項６２】
請求項５２に記載の熱電システム製品を製造する方法であって、
前記方法が、密閉した流体ループを温度調節ターゲットに熱的に結合させることであって、前記密閉した流体ループが、前記第１および第２の密閉した流体ループ経路部分の一方または両方を含む、密閉した流体ループを熱的に結合させることをさらに含む、方法。
【請求項６３】
それぞれ少なくとも１つの熱電素子を含み共に熱電アレイを画成する、複数の熱電モジュールと、
電気伝導性の熱伝達流体の流れを、前記熱電アレイから離れて、再び戻すよう動機付けるための手段と、
前記熱電アレイのモジュールにわたるそれぞれの温度差が動作中ほぼ均一になることを保証する流れトポロジを画成するための手段と、
を備える、装置。
【請求項６４】
少なくとも１つの密閉した流体サイクルに前記電気伝導性の熱伝達流体の流れを案内するための手段をさらに備える、請求項６３に記載の装置。
【請求項６５】
前記電気伝導性の熱伝達流体と熱源、ターゲット、またはシンクの間の熱エネルギを交換するための手段をさらに備える、請求項６３に記載の装置。
【請求項６６】
前記熱電アレイのそれぞれの側のために予定されている前記電気伝導性の熱伝達流体の温度を実質的に平衡させるための手段をさらに備える、請求項６３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は熱伝達システムに関し、より詳細には、熱伝達流体の向流が密閉サイクルの熱伝達システムで利用される熱電アレイ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
中央処理装置、映像処理装置およびレーザダイオードなどの電子デバイスは、作動中に相当の熱を生じる可能性がある。このような熱が適切に放散しない場合、温度上昇が生じ得ることとなり、またこのような上昇によってこれらのデバイスの性能に悪影響を及ぼす可能性がある。たとえば、過度の温度上昇はデバイスの機能不良または故障につながる可能性がある。あるいは、安定性または動作特性が悪影響を受ける恐れがある。したがって、これらのデバイスの所望の運転温度を保つために、生成された熱を除去することが重要となる。
【０００３】
多くの難しい科学的および商業的な冷却用途、特に超小型電子技術では、高出力放散密度（たとえば密度＞１００Ｗ／ｃｍ２）の冷却が必要となり得る。さらに悪いことには、これらの密度は将来増加することが予測される。一般に、このような用途には、従来のフィン付きヒートシンク構造体および強制空冷によって提供され得る以上の冷却が必要である。したがって、単相流体冷却システムや２相流体冷却システムなど代替案がより広く実施されている。
【０００４】
低蒸気圧や高熱伝導率などの特性によって、液体金属は高温冷却用途として魅力的になっている。「電気伝導性流体による高出力密度デバイスの冷却（Ｃｏｏｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｆｌｕｉｄｓ）」という名称の、同一の譲受人の米国特許第６，６５８，８６１号は、種々の例示的な液体金属の冷却構成を記載している。いくつかの構成において、熱が高出力密度デバイスから液体金属へ伝達され、液体金属が高出力密度デバイスから離れて運ばれ、熱が都合のよい距離で分配および／または放散される（たとえばヒートシンクを使用して）。
【０００５】
優れた伝熱特性を提供することに加えて、この種類の流体に特有の高電気伝導率によって、効率的でコンパクトなポンピングが可能になる。したがって、液体金属は、現在および将来の高出力密度冷却の課題に対して魅力のある解決策を提供する。しかし、たとえ効率的な強制流式液体金属冷却のすべての利点を備えていても、冷却用途には、液体金属から周囲環境への熱を単に排除することによって簡単に得られることのできるものよりも大きな冷却能が必要であるものもあり得る。周囲環境への放散を向上させるためにますます大きなヒートシンクおよび強制空気の技術が利用されることができるが、形状要因または他の制約によってこれらの解決策が制限される可能性がある。これらおよび他の用途のために、改良された技術が望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の開示
熱電などアクティブ冷却技術は、冷却システムに熱「利得」を導入するために使用されることが可能であり、強制流式液体金属冷却ループと組み合わせて利用される場合には、高熱流束密度デバイスおよび／または構成要素を冷却するための魅力のある解決策を提供
することができる。複数の熱電素子を利用することによって総冷却能を増大することができる。実際、たとえば薄膜技術を含む現代の半導体技術を利用することによって、熱電素子をコスト的に効率よく利用することが可能となり、大型アレイに構成することが可能となる。
【０００７】
このような構成には、動作中に、高温側および低温側の流れがそれぞれの熱電素子にわたってほぼ均一な温度差（またはそのほぼ等温の群）を提供するように、閉ループの流体流れを構成することが有利であると認められているものもある。いくつかの構成（特に線形の構成）では、ほぼ均一な温度差を得るために反対方向の流体流れを利用することができる。いくつかの構成では、他の流れのトポロジ（直交流を含む）を利用することができる。一般に、あらゆる特定の熱電モジュールでも、衝突する高温側および低温側の流れがそれぞれに特定の熱電モジュールへの途中でｘ段およびＮ−１−ｘ段｛ｘ：０≦ｘ＜Ｎ｝を横断するように流れのトポロジが構築される場合、Ｎ段アレイまたはサブアレイはほぼ均一な温度差を提供することができる。本願明細書における説明に基づいて、当業者は所与のアレイジオメトリーに適したな種々の流れのトポロジを理解するであろう。
【０００８】
いくつかの構成では、高温側および低温側の流れは、それぞれに別個の閉ループの一部分である。いくつかの構成では、高温側および低温側の流れは、同じであるか一体化された閉ループの一部分である。いくつかの構成では、高温側および低温側の閉ループ流れは、少なくとも部分的に重なり合う。
【０００９】
いくつかの構成では、高温側および低温側の経路に入る液体金属の流れの温度を実質的に平衡させることが望ましい。種々の適切な復熱装置の設計が記載されており、この設計はそれぞれの流れの混合物による熱交換、およびそれぞれの流れの混合物によらない熱交換を提供するものを含む。
【００１０】
本願明細書において記載される構成は、液体金属（または代替の熱伝達流体）を含む（または充填される）ことができ、あるいは、密閉サイクルシステムでの液体金属（または代替の熱伝達流体）の使用に簡単に適合されることができる。さらに、本発明の実施形態は、本願明細書における説明に基づいて、主として冷却構成に関して記載されているが、記載された技術および構成は、加熱、温度調整、および温度差に基づく発電さえを含む他の伝熱の応用分野に利用可能であるか、または適合可能であることを、当業者は理解するであろう。これらおよび他の実施形態および活用は、後続の本願明細書および特許請求の範囲を参照すると理解されるであろう。
【００１１】
添付の図面を参照することによって、本発明をよりいっそう理解することができ、また、本発明の数多くの目的、特徴および利点が当業者にとって明らかになるであろう。
【００１２】
異なる図面において同じ参照記号を使用することによって、同様であるか同一のアイテムを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を実施するための形態
以下に続く説明において、１つ以上の密閉された流体サイクルのループと関連する熱電モジュールのアレイを利用したシステムを詳述する。このループでは、熱伝達流体（たとえば液体金属の熱伝達流体）の強制流を使用して、熱電モジュールへ、または熱電モジュールから熱エネルギを伝達する。熱伝達流体の流れのトポロジは、熱電モジュールのそれぞれのモジュールにわたってほぼ均一な温度差を提供するように設計される。冷却（または加熱）構成では、このようなトポロジによって、アレイの熱電モジュールにわたりほぼ均一な温度差が提供され、熱電モジュールのそれぞれによって与えられた伝熱を熱伝達流
体の流れに蓄積しつつ、熱電モジュールのそれぞれが所望の効率の型（ｒｅｇｉｍｅ）で作動することが可能となる。
【００１４】
熱電素子および材料は従来技術においてよく知られていて、その多種多様な構成、システムおよび活用は、当業者によって理解されるであろう。一般に、活用は、適切な材料、材料の界面または量子構造体にわたり、熱ポテンシャルが起電力（一般的に電圧）の結果として生じるもの、ならびに、適切な材料、材料界面または量子構造体にわたり、起電力（一般的に電圧）が熱ポテンシャルから生じるものを含む。たいてい、１つ目のタイプの活用はペルチェ効果に基づいて作動する一方、２つ目のタイプの活用はたいていゼーベック効果に基づいて作動する。ペルチェ効果は異なる伝導性（または半導性）の材料間の界面で生じる一方、ゼーベック効果は温度勾配が電流の流れを引き起こす材料において生じる。しかし、さらに一般的には、材料が関連しているか同様の効果（たとえば、トムソン効果、磁気熱量効果、量子トンネル効果および熱電子効果）を含む他の効果または動作を、材料界面で、または量子スケールの閉じ込めの結果として同様に活用することができる。したがって、本説明のために、「熱電」という用語（たとえば、熱電モジュール、熱電対、熱電素子、熱電デバイス、熱電材料など）は、熱ポテンシャルが電磁ポテンシャルと交換される（またはその逆）用語の最も広い意味で表され、したがって、ペルチェ効果またはゼーベック効果を活用するこれらの熱電構成、ならびに、トムソン効果、量子トンネル効果、熱電子効果、磁気熱量効果、または他の同様の効果や効果の組み合わせに基づいて作動するこれらの熱電構成を含む。とはいえ、説明を明確にするために、特定のペルチェ型熱電システムに集中する。しかし、このような説明に基づいて、当業者は、他の熱電型効果が利用される構成に対する記載された発明の概念の適用を理解するであろう。
【００１５】
適切な熱電型効果に関する変形の範囲のみならず、冷却、加熱、加熱冷却、温度調整および／または発電を提供するために、本願明細書において記載される種々の技術および構成を利用することができることを、当業者は（本願明細書における記載に基づいて）理解するであろう。これらおよび他の活用は後続の特許請求の範囲にあることができるが、明確に説明を行うために、いくつかの例示的実施形態に集中することが有用であると考える。それゆえに、冷却能を提供するためにペルチェ効果が活用される例示的な冷却構成に関する記載に集中する。具体的にするために、１つ以上の液体金属の熱伝達流体ループを使用して、熱エネルギが、作動中のマイクロプロセッサ、集積回路、レーザなど、高出力密度デバイスから離れて運ばれるシステムを記載する。他の流体を利用してもよく、また、本願明細書において記載される技術および構成を、冷却、加熱、温度調整および／または発電に利用してもよい。
【００１６】
したがって、上述に鑑みて制限することなく、次に典型的なペルチェ型デバイスの動作を記載し、冷蔵庫のための効率要因を分析し、技術および構成を詳述する。それによって、種々の向流構成を、高出力密度デバイスを冷却するために構成されるシステムで利用することができる。例示的な構成に基づいて、他の冷却用途ならび加熱、温度調整および／または発電の活用に適切に適合することを、当業者は理解するであろう。
【００１７】
ペルチェ型熱電素子、熱電対、および熱電モジュール
図１Ａおよび図１Ｂは、個々のペルチェ型熱電（ＴＥ）素子１００および１７０を表す。具体的には、図１Ａはｐ型半導体または半金属材料から作られるＴＥ素子１００を示す。電流は電気接点１１０Ａからｐ型材料１２０を通って電気接点１１０Ｂに流れる。キャリヤが電気接点１１０Ａ材料とｐ型材料１２０の間にある低温接点または界面１４０で生じ、ＴＥ素子の「低温」端１３０で熱を吸収する。これらのキャリヤはＴＥ素子１００の「高温」端１５０に向かって流れ、高温接点または界面１６０で凝縮し、そこでキャリヤが熱を放出する。ｐ型材料のキャリヤは正に帯電する孔であるので、低温端１３０から高温端１５０へ電流が流れ、そこから電流が第２の電気接点１１０Ｂを通って周囲の電気回
路に流れる。
【００１８】
図１Ｂは、ｎ形半導体または半金属材料から作られるＴＥ素子１７０の類似した構造を示す。電流は、電気接点１１０Ｃからｎ型材料１８０を通って電気接点１１０Ｄに流れる。キャリヤが電気接点１１０Ｄ材料とｎ型材料１８０の間にある低温接点または界面１４１で再び生じ、ＴＥ素子の低温端１３０で熱を吸収する。これらのキャリヤはＴＥ素子の高温端１５０に向かって流れ、高温接点または界面１６１で凝縮し、そこでキャリヤが熱を放出する。ｎ型材料のキャリヤは負に帯電する電子であるので、電流の方向は高温側１５０から低温側１３０に、である。
【００１９】
図２は、ＴＥ素子１００および１７０（上述）など２つの独立した相補型ＴＥ素子を、それらが電気的に直列にかつ熱的に並列である構成で配置することによって形成される、ＴＥ対２００を示す。電流は、ＴＥ素子１００の低温端１３０で電気接点２１０Ａから、ｐ型材料１２０を通り、高温端１５０で電気接点２１０Ｂを通り、ｎ型材料１８０を通って、ＴＥ素子１７０の低温端１３０で電気接点２１０Ｃに流れる。キャリヤ（孔）は、電気接点２１０Ａ材料とｐ型材料１２０の間にある低温接点または界面１４０で生じ、熱を吸収する。これらのキャリヤはＴＥ素子１００の高温端１５０に向かって流れ、ｐ型材料１２０と電気接点２１０Ｂ材料の間にある高温接点または界面１６０で凝縮し、そこでキャリヤが熱を放出する。低温接点または界面１４１で生じた電子は、電気接点２１０Ｂ材料とｎ型材料１８０の間にある高温接点または界面１６１に流れ、そこで電子が凝縮して熱を放出する。
【００２０】
ｐ型１００およびｎ型１７０の両方のＴＥ素子において、それぞれのキャリヤが低温接点または界面（１４０、１４１）で生じ、高温接点または界面（１６０、１６１）に向かって流れ、そこでキャリヤが凝縮するかまたは再結合する。それゆえに、交互のキャリヤ型のＴＥ素子を配置し、電気的に直列の構成でそれらを接続することによって、熱的に並列に作用するＴＥ素子を通る単一の電流の流れを維持する。高温端と低温端の温度ＴHとＴCの間の温度差ΔＴは、ＴＥ対２００の動作中に得られる。
【００２１】
図３は、電気的に直列に接続される３つの（３）ＴＥ対２００を熱的に結合するＴＥモジュール３００を示す。熱接点３１０は、ＴＥ対２００のそれぞれの低温側１３０と熱的に連通して配置され、動作中に低温端温度ＴCを得るほぼ等温の低温端を画成する。同様の熱接点３２０は、ＴＥ対２００のそれぞれの高温側１５０と熱的に連通して配置され、動作中に高温端温度ＴHを得るほぼ等温の高温端を画成する。
【００２２】
熱接点３１０および３２０は、別の方法でＴＥ素子を横断するであろう電流を短絡せずに、ＴＥ対２００のそれぞれの端部に出入りする熱エネルギを結合するように設計されるかまたは構成されるべきである。すなわち、熱接点３１０および３２０は（界面３１１、３２１の任意の中間層と共に）、熱伝導体および電気絶縁体としての役割を果たすべきである。一般に、適切な材料、層および／または被覆の選択は用途によるものであり、当業者は所与の用途に対して適切な選択を認識するであろう。
【００２３】
前述の記載は想定上の一般的なｐ型およびｎ型の半導体または半金属材料であるが、特定の材料または材料システムが特定の熱電型効果を活用する構成で一般的に利用される。一般に、適切な材料選択は活用される特定の熱電型の効果に基づき、運転温度、その他の材料との適合性、および他の要因のために最大限に利用されることができる。説明上、ペルチェ型熱電に集中すると、デバイスは一般に、室温に近い温度で使用するために、テルル化ビスマス（ＢｉＴｅ）やインジウム・アンチモン（ＩｎＳｂ）など半導体を使用してバルク材料のスケールで製作され、関連する材料システムが金属（たとえばＣｕ）でメッキされ、適切な材料界面を画成する。
【００２４】
上述のように、ｐ型およびｎ型の材料は、実用的な構成で利用される。一般にペルチェ型熱電で利用される材料の種類は、ビスマスカルコゲニドとして知られているものである。たとえば、Ｂｉ0.5．Ｓｂ1.5Ｔｅ3はｐ型材料として、Ｂｉ2Ｔｅ3-xＳｅｘはｎ型材料として利用されることができる。その他の材料および材料システムは、設計目標、所望の運転温度、および特に所与の用途に対する材料適合性の問題に応じて、利用されることができる。一般に、本願明細書において記載される構成および技術は、あらゆる適切な設計の熱電モジュールで利用されることができ、あらゆる適切な材料または材料システムに基づくことができる。
【００２５】
適切なペルチェ型の熱電素子、熱電対および熱電モジュールの動作が前述の説明に基づいて理解されるであろうが、多くの実用的な実施が図示した構造体に対応することが可能であることを、当業者は認識するであろう。直線的な構造体もその線形の構成も必要とされない。実際は、多くの実用的な構成は、現代の半導体プロセスを使用して製作されるパターニングされた薄膜または厚膜の構造体を含む。
【００２６】
本願明細書における記載に基づいて、当業者は、図示する構成に一般に対応する種々の適切な集積回路の実現を認識するであろう。２００４年１２月２３日出願、「相補型熱電材料を含む一体式薄膜熱電素子（ＭＯＮＯＬＩＴＨＩＣ  ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＤＥＶＩＣＥ  ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ  ＣＯＭＰＬＥＭＥＮＴＡＲＹ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」という名称の、発明者としてＳａｍａｖｅｄａｍ、Ｇｈｏｓｈａｌ、ＮｇａｉおよびＭｉｎｅｒが挙げられる、同一の譲受人であり共係属中の米国特許出願第１１／０２０５３１号、および、２００４年１月１３日出願、「熱電素子（ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ）」という名称の、発明者としてＧｈｏｓｈａｌが挙げられる、米国特許出願第１０／７５６，６０３号はそれぞれ、適切な半導体集積回路の実現を記載している。
【００２７】
効率分析
ペルチェ型熱電冷却器を含む冷蔵庫すべての効率は、熱力学第２法則によって制限される。この法則は、システムのエントロピが全体としてあらゆるプロセスの結果として減少することは不可能であることを述べるものである。冷蔵庫については、このことはシステムの一部分を冷却することができ、それによってそのサブシステムのエントロピを減少させることができるが、システムの別の部分のエントロピは増加するはずであることを意味する。事実上、平衡温度より低いものを冷却するにはエネルギを必要とする。
【００２８】
図４は、極めて簡潔な冷却システムを示す。熱力学第１法則から、システム全体のエネルギは一定のままでなければならない。それゆえに、システムによって冷却システムの高温側で、温度Ｔhで放散する熱Ｑhは、温度Ｔｃで低温側から除去される熱Ｑtと外部の電源によって追加されるエネルギＱextとの合計と等しい。
このことを代わりに式１として示すことができる。
【００２９】
【数１】
2008528912.tif 000003
【００３０】
冷却システムの効率（ηref）は、冷却能として定義される。すなわち、冷却を達成するために消費される単位電力（Ｑext）当たりの、冷却されるべきアイテムから離れて運ばれる熱量（Ｑc）である。
【００３１】
【数２】
2008528912.tif 000004
【００３２】
完全に可逆的な冷却プロセスの理想的な場合では、この効率は、低温側での絶対温度を高温側と低温側の間の温度差（ΔＴ）で割るのと等しい。すなわち、
【００３３】
【数３】
2008528912.tif 000005
【００３４】
もちろん、実際の冷却システムすべての効率はこれよりも低いが、理想的な冷蔵庫のために結果を検査することによって２つの重要な点が明らかになっている。１つ目は、低温側の温度Ｔcが減少すると、効率もまた下がることである。２つ目は、２つの側の間の温度差ΔＴがゼロになると、冷却器の効率は無限大になる傾向があることである。（もちろん、温度差がゼロになると冷却を達成することはできない。）換言すれば、温度差が小さいままであると冷却が最も効率的である。これら両方の理由のために、冷蔵庫はより効率的に機能しない。すなわち、低温側の温度が高温側の温度から広がるので冷蔵庫は作動するのにより多くのエネルギを必要とする。
【００３５】
ペルチェ型熱電冷却器には可動部が全くないので、静かで高信頼性であり、保守がほとんど必要とされない。これらはまた小型でかつ軽量であり、正確な温度を保つために電子的に制御することが可能である。これらの利点のため、ペルチェ型熱電冷却器は多種多様なニッチ的用途において有用である。特に、レーザダイオードおよびコンピュータ電子機器の冷却など電子機器の用途において有用である。不都合にも、現在利用可能な最良の材料を用いても、ペルチェ冷却器の効率は、家庭用冷蔵庫の圧縮機など従来の冷却装置よりもはるかに低い。それゆえに、熱電（ＴＥ）冷却器の動作を修正してそれらの効率を向上させることが、多くの利点となり、かつ、より高い冷却能を必要とされる用途を含むさらなる用途にＴＥ冷却器および冷却システムを使用することができるであろう。
【００３６】
図５は、強くドーピングした半導体または半金属から作られるＴＥ冷却素子の概念的略図を示す。この略図の左部分は電気接続を示す一方、右部分は熱関係を表す。
【００３７】
３つのプロセスが、熱電素子を通る熱流に寄与している。まず、電流が１つの材料から異なる材料に流れるとき、熱が各接合部で生じる。このペルチェ効果の大きさは、電流、接合部の絶対温度、および材料による特性と比例している。式４および５は、数学的にこの寄与を表す。
【００３８】
【数４】
2008528912.tif 000006
【００３９】
【数５】
2008528912.tif 000007
【００４０】
ただし、下付きの「ｈｏｔ」および「ｃｏｌｄ」は熱流が計算されている側を示し、下付きの「ＴＥ」は、熱流の起点（ペルチェ効果または熱電効果）を示し、Ｓはゼーベック係
数（ＴＥ材料の特性）であり、Ｔhは素子の高温側の温度であり、ＴCは素子の低温側の温度であり、Ｉは、電気回路を通って流れる電流である。
【００４１】
あらゆる抵抗体におけるように、ＴＥ素子のバルクにおいて、ジュール加熱が生じる。その大きさは、以下である。
【００４２】
【数６】
2008528912.tif 000008
【００４３】
ただし、下付きの「Ｊｏｕｌｅ」は熱流の起点（ジュール加熱）を示し、Ｒは素子の抵抗である。実験により示されていることは、この熱の約半分が低温側に流れ、半分が素子の高温側に流れることである。
【００４４】
最終的に、熱伝導は、ＴＥ素子のより高温の領域からより低温の領域に熱を運び、その寄与は、以下によって定められる。
【００４５】
【数７】
2008528912.tif 000009
【００４６】
冷却器の効率は電流の強い関数であるので、以下の式１３および１４に示すように、最適な電流（Ｉopt）を見つけ出すことができ、その電流での効率（ηmax）を計算することができる。
【００４７】
【数８】
2008528912.tif 000010
【００４８】
エラー 4  適切な大きさの冷却能を提供するために、独立した素子（またはモジュール）の冷却能寄与を蓄積する方法で、大型アレイの冷却器（たとえば、一般的に熱電モジュールのアレイとしての熱電素子）を構成することが望ましくなり得る。その際には、熱電素子（またはモジュール）のそれぞれが所望の効率の型で作動するシステムを設計することが重要になる。以下に、アレイの熱電素子（またはモジュール）のそれぞれにわたって一様に低いΔＴを得ることのできる種々の向流ループ構成を記載する。
【００４９】
前述の効率の説明が加熱器または発電活用よりも冷蔵庫に集中しているが、当業者は、アレイの要素のそれぞれにわたって概して均一なΔＴを保つことが望ましいのは、このような活用にも同様であることを認識するであろう。一様に低いΔＴはアレイを冷却（または加熱）する用途に対する性能指数であるが、発電に活用する場合、ΔＴを最大にすること（適切なシステムおよび材料の制約内で）が望ましいことがわかる。たとえば、発電に関して、最適な電流での効率はΔＴの関数であることがわかる。
【００５０】
【数９】
2008528912.tif 000011
【００５１】
したがって、説明上、熱電冷却器および向流密閉サイクルの流体ループ構成のアレイに集中しているが、当業者は、加熱、加熱／冷却、温度調整および／または発電の用途への適用および活用を理解するであろう。上述に鑑みて制限することなく、次にいくつかの例示的な構成を記載した。
【００５２】
向流ループ構成
次に、熱電モジュールの配列が１つ以上の密閉サイクルの流体ループと関連して利用される種々の構成を記載する。熱伝達流体の強制流は、熱電モジュールへ、あるいは熱電モジュールから、熱エネルギを伝達するために使用される。いくつかの構成において、熱伝達流体は、液体金属または他の伝導性の流体もしくはスラリであり、磁気流体力学的（ＭＦＤ）ポンプを使用して流れが動機付けられる（ｍｏｔｉｖａｔｅｄ）。
【００５３】
一般に、熱伝達流体の流れのトポロジは、熱電モジュールのそれぞれのモジュールにわたってほぼ均一な温度差を提供するように設計される。冷却または加熱構成において、このようなトポロジは、アレイの熱電モジュールにわたってほぼ均一な温度差を提供し、熱電モジュールのそれぞれが所望の効率の型で作動することが可能になると同時に、熱電モジュールのそれぞれによって寄与される伝熱を熱伝達流体の流れに蓄積する。発電構成において、温度差の均一性は、各熱電モジュールがほぼ同等の効率の型で作動することを保証する。冷却（または加熱）構成において、復熱装置を向流トポロジと組み合わせて利用して、あらゆる所与の熱電モジュールにわたる温度差（ΔＴ）の大きさを制限し、それによって効率を向上させることが可能となる。
【００５４】
説明を明確にするために、図６Ａ、図７、図８および図１１の熱電アレイ構造およびループトポロジを線形で示し、このことによって向流を容易に理解するであろう。しかし、本願明細書での記載に基づいて、曲りくねったトポロジや直交流を含む多次元的アレイでのより複雑なトポロジもまた予想されることを、当業者は認識するであろう。このようなトポロジの一般概念は、以下の説明に基づいてよりいっそう理解されるであろう。しかし、以下の通りより簡潔な線形を示して説明を始める。
【００５５】
図６Ａは例示的な向流熱電冷却器の構成６０１を表し、この構成では、別個の２つの熱伝達流体ループが設けられている。第１のループ６５１は、熱電モジュール６１１Ａ、６１１Ｂ、６１１Ｃおよび６１１Ｄのそれぞれの高温端と熱的に連通しているそれぞれの部分６５１Ａ、６５１Ｂ、６５１Ｃおよび６５１Ｄを含む。ループ６５１を通る熱伝達流体の流れは、ポンプ６２１によって動機付けされる。同様に、第２のループ６５２は、熱電モジュール６１１Ｄ、６１１Ｃ、６１１Ｂおよび６１１Ａのそれぞれの低温端と熱的に連通しているそれぞれの部分６５２Ｄ、６５２Ｃ、６５２Ｂおよび６５２Ａを含む。ループ６５２を通る熱伝達流体の流れは、ポンプ６２２によって動機付けされる。
【００５６】
説明する目的のため、ループ６５１および６５２の一方または両方における熱伝達流体は、液体金属または他の伝導性の流体もしくはスラリであり、ポンプ６２１および／または６２２は本願明細書の他に記載される磁気流体力学的ポンプなど電磁ポンプを含むことを想定する。いくつかの実現では、熱伝達流体はガリウムとインジウムの合金である。しかし、他の熱伝達流体および／またはポンプの構成が他の実現で利用されることができることを、当業者は認識するであろう。
【００５７】
図示された冷却構成において、熱はそれぞれの熱電モジュールの高温端からループ６５１内の液体金属の熱伝達流体の流れに移動する。液体金属の熱伝達流体は、密閉サイクル流体ループ６５１の部分６５１Ａに温度ＴRで入る。流体がループ６５１の部分６５１Ａ、６５１Ｂ、６５１Ｃおよび６５１Ｄを通って流れると、熱はそれぞれの熱電モジュールの高温端から移動し、流体は部分６５１Ｄから温度ＴHで出る。そこから、液体金属の熱伝達流体は熱交換器６３１を通り過ぎるか通って流れて、熱エネルギを捨ててループ６５１の部分６５１Ａに戻って再び入り、密閉サイクル流体ループを終える。次に、復熱装置６４０の動作について説明する。
【００５８】
ここで熱電冷却器構成６０１の低温側の流れに戻る。液体金属の熱伝達流体は、温度Ｔｃで密閉サイクル流体ループ６５２の部分６５２Ａから出て、熱交換器６３２を過ぎるか通って流れて、冷却されたワーク６５０から熱エネルギをピックアップする。このワークは一般的に、マイクロプロセッサ、通信集積回路、光電子デバイスまたはアレイ、レーザまたは高出力密度デバイスである。以下に説明することにするが、復熱装置６４０を通って流れは続き、熱電アレイ６１０に戻る。液体金属の熱伝達流体は、密閉サイクル流体ループ６５２の部分６５２Ｄに温度ＴRで入る。ループ６５１の部分６５１Ａ、６５１Ｂ、６５１Ｃ、および６５１Ｄを通って流体が流れると、熱は流体からそれぞれの熱電モジュールの低温端へ移動し、そして、流体は、最終的には温度ＴHで部分６５１Ｄから出て、密閉サイクルの流体ループを終える。
【００５９】
一般に、熱交換器６３１および６３２は、記載された向流熱電冷却器の構成の特定の活用に適した熱交換器の任意の形である。たとえば、いくつかの実現では、熱交換器６３１は、熱電モジュールから幾分離れたところにある外気熱交換器（たとえばフィン付きヒートシンクや選択的に強制ブロワまたはファンを含む）である。いくつかの実現では、熱交換器６３２は固体−流体熱交換器であり、この熱交換器は、液体金属の熱伝達流体が通って流れることのできるハウジングと共に冷却されたワーク６５０と近接して熱的に連通している熱伝導性表面を含む。プロセッサチップを冷却する用途として、熱伝導性表面は、薄膜のタングステン、プロセッサの背面上のニッケル層、または、チップの背面に半田づけされるタングステン、ニッケル、陽極処理アルミニウムまたはニッケルがコーティングされたアルミニウムの別個の表面であってもよい。適したハウジング材料は一般に、不活性ポリマー（テフロン（登録商標）、ポリウレタンなど）、ガラス、または、タングステン、ニッケル、ニッケルがコーティングされたアルミニウム、陽極処理アルミニウム、ニッケルがコーティングされた銅のなどの熱伝導性材料を含む。
【００６０】
復熱装置６４０は、ループ６５１および６５２のそれぞれの部分６５１Ａおよび６５２Ｄに入る熱伝達流体の流れの温度（ＴRで）を実質的に平衡させる流体−流体熱交換器を含む。一般に、タングステン、ニッケル、ニッケルがコーティングされたアルミニウム、陽極処理アルミニウム、ニッケルがコーティングされた銅など任意の種々の熱伝導性表面が利用されてもよい。復熱装置６４０を利用することによって、図示した熱電冷却器の構成６０１が、あらゆる所与の熱電モジュールにわたって比較的小さな温度差（ΔＴ）を保証する。
【００６１】
効率分析に関して上述する通り、ΔＴの減少によって、図示されたＴＥモジュールの個々のペルチェ型熱電素子が、（熱電冷却または加熱の構成で利用されるとき）利用される特定の材料システムおよびデバイスの理想効率に近づく効率で動作可能となる。もちろん、図示した設計および技術の他の熱電システム（たとえば、高温側の流れと低温側の流れの間の熱ポテンシャルが電力を発生させるために活用される熱電システム）の活用における熱電効率は、ΔＴへの同様の逆依存を示してはならない。実際に、いくつかのこのような構成では、ΔＴを増加させる（または適切なシステムおよび／または材料の制限内で最大にする）ことが望ましくなり得る。したがって、このような構成では、復熱装置６４０が削除されてもよい。同様に、高出力密度デバイス（ＨＰＤＤ）が、いくつかの図示した構成での高温側の流れと低温側の流れの間の温度差の実質的な熱源を構成してもよいが、他の活用では、冷却または加熱のターゲットはＨＰＤＤを含む必要はない。実際は、熱ポンプおよび冷凍の構成が予想され、熱源がＨＰＤＤを構成する必要のない発電構成がすべて予想される。
【００６２】
図６Ｂは、あらゆる所与の熱電モジュールまたは素子にわたる熱伝達流体の流れの温度および温度差（ΔＴ）に関する、復熱した向流の効果を概略図に無次元に示す図である。図６Ｂは概して、図３で示すように構成される複数素子の熱電モジュールの等温の高温端
および低温端の温度を無視する傾向があるが、図６Ｃは、熱電モジュール６１１Ｄ、６１１Ｃ、６１１Ｂおよび６１１Ａにわたる温度差に関してより詳細に示している。いずれの場合でも、向流を使用することによって熱電モジュールにわたり概して均一な温度差（ΔＴ）が提供され、復熱装置６４０を含めることによって、その概して均一なΔＴの大きさが最小になる傾向がある。
【００６３】
前述のように、あらゆる種々の熱伝達流体および／またはポンプの構成が、図６Ａの密閉サイクルの向流の他の実現で利用されてもよい。しかし、電気伝導性の熱伝達流体によって磁気流体力学（ＭＦＤ）タイプの電磁ポンプを直接使用することができる点で、電気伝導性の熱伝達流体は魅力的である。ＭＦＤポンプは一般的に可動部（もちろん、伝導性の流体自体を除く）を有しないので、ＭＦＤポンプはたいてい他の種類のポンプよりも高信頼性であり、典型的なＭＦＤポンプの構成は配向が独立していて振動に無反応であるので、ＭＦＤポンプはいくつかのシステムの利点を提供することができる。
【００６４】
一般に、ポンプ６２１および６２２に適した設計には、伝導性の流体が通って流れることのできるチャンバまたは経路と、流体入口と流体出口とを含むＭＦＤポンプ設計が含まれる。このようなＭＦＤポンプの動作は次のように理解されるであろう。磁界が少なくともチャンバ経路の一部分内で発生し、流体流れの所望の方向に対してほぼ垂直な方向に配向している。電極間の伝導性の流体を通って流れる電流が、磁界および流体流れの所望の方向の両方にほぼ垂直となる方向に流れるように、それぞれの電極はチャンバまたは経路のほぼ対向する側に配置される。
【００６５】
あらゆる種々のＭＦＤのポンプ設計が利用されることができ、特定のＭＦＤポンプ構成が一般に、特定用途向けの要因に基づいて選択されるが、いくつかの適した設計の詳細は、２００４年１２月２３日出願、「一体式電磁ポンプおよび電源モジュール（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｐｕｍｐ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ  Ｍｏｄｕｌｅ）」という名称の、Ｕｔｔａｍ  Ｇｈｏｓｈａｌ、Ｋｅｙ  ＫｏｌｌｅおよびＡｎｄｒｅｗ  Ｃａｒｌ  Ｍｉｎｅｒが発明者として挙げられる、共係属中の米国特許出願第１１／０２０５３０号に記載されている。この開示内容は全体として本願明細書に組み込むものとする。
【００６６】
ここで熱伝達流体の配合物に戻る。任意の種々の配合物が図６Ａ、図７、図８、図９および図１１の密閉サイクル向流の実現に利用することができる。それでもなお、いくらかの液体金属の配合物が本願明細書において記載されるような実現に魅力的である。具体的には、ガリウムとインジウムの合金が利用可能である。
【００６７】
６５％から７５％（質量で）にわたるガリウムと２０％から２５％（質量で）にわたるインジウムとの組成物が一般に適していて、すず、銅、亜鉛およびビスマスなどの材料がわずかな割合で存在してもよい。適した液体金属の熱伝達流体のためのこのような組成物の１つは、６６％のガリウム、２０％のインジウム、１１％のすず、１％の銅、１％の亜鉛、および１％のビスマスである。
【００６８】
適切な熱伝達流体の選択は一般に用途ごとに変化するが、ＧａＩｎ（ガリウムインジウム）合金が本願明細書に記載されるような構成にたいてい適している１つの理由は、このような合金は、広範囲の温度にわたり高い熱伝導率および高電気伝導率で十分に機能する傾向があるためである。−１５°Ｃから３０℃にわたる融解温度をたいてい得ることができ、典型的なＧａＩｎ合金は２０００℃の温度まで蒸気が生じない。このような合金は一般的に無毒性で、比較的安価であり、また、ポリイミド、ポリカーボネート、ガラス、アルミナ、テフロン（登録商標）、ならびに、タングステン、モリブデンおよびニッケルなどの導電性金属に不活性である。その結果、このような材料を密閉サイクルの流体ループ
６５１および６５２の形成に使用することができる。
【００６９】
他の液体金属を含む多くの他の熱伝達流体を利用することが可能であることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、高熱伝導率、高電気伝導率および高容積熱容量を有する液体金属を使用することができる。本発明の一実施形態において使用されることのできる液体金属のいくつかの例には、水銀、ガリウム、ナトリウム・カリウム共晶合金（質量で７８％のナトリウム、２２％のカリウム）、ビスマスすず合金（質量で５８％のビスマス、４２％のすず）、ビスマス鉛合金（５５％のビスマス、４５％の鉛）などが含まれる。一般に、ビスマスを主成分とする合金は高温（４０℃から１４０℃）で使用される。純インジウムは、１５６℃（すなわちインジウムの融点）より上の温度で使用されることができる。
【００７０】
図６Ａの構成では、ポンプ６２１および６２２の配置が図示されている。一般に、種々のあらゆる配置が適している。一般的に、形状要因、電源装置の近接性、ＥＭＩ、熱的適合性、および特定の設計に特定される他の要素によって、適切な配置が提案されることになる。
【００７１】
図７は、単一の密閉サイクルの熱伝達流体ループが熱電アレイの高温端および低温端の両方を横断する向流熱電冷却器の構成７０１を表す。説明の効率のために、前述の構成に関して記載された（またはそこに含有するのに適した）ものと同一で、共通であり、または概して同様である構造体および構成は、図７に関しては再度記載されていない。代わりに、主要な構造上および／または動作中の変化を強調する。
【００７２】
図示された構成において、単一の密閉サイクルの熱伝達流体ループは、熱電アレイの高温端および低温端の両方を横断する。その結果、この構成によって、ポンプ７２０など単一ポンプを使用して熱伝達流体の動機付けが可能となる。すでに述べたように、ループ７５１の熱伝達流体は液体金属や他の伝導性の流体またはスラリであり、ポンプ７２０は、本願明細書の他に記載されている磁気流体力学的ポンプなど電磁ポンプを含むことを想定している。いくつかの実現において、熱伝達流体はガリウムとインジウムとの合金である。しかし、すでに述べたように、他の熱伝達流体および／またはポンプの構成を他の実現において利用することが可能であると、当業者は認識するであろう。
【００７３】
図７を参照する。密閉サイクル流体ループ７５１は、それぞれの熱電モジュール７１１Ａ、７１１Ｂ、７１１Ｃおよび７１１Ｄの高温端と熱的に連通している部分７５１Ａ、７５１Ｂ、７５１Ｃおよび７５１Ｄと、低温端と熱的に連通している部分７５１Ｅ、７５１Ｆ、７５１Ｇおよび７５１Ｈとを含む。図示した冷却構成において、熱は密閉サイクル流体ループ内でそれぞれの熱電モジュールの高温端から液体金属の熱伝達流体の流れに移動する。液体金属の熱伝達流体は、温度ＴRで密閉サイクル流体ループ７５１の部分７５１Ａに入る。部分７５１Ａ、７５１Ｂ、７５１Ｃおよび７５１Ｄを通って流体が流れると、熱はそれぞれの熱電モジュールの高温端から移動して、流体は温度ＴHで部分７５１Ｄから出る。そこから、熱交換器７３１を通り過ぎるかまたは通って液体金属の熱伝達流体が流れ、熱エネルギを捨てて、最終的に密閉サイクルのループ７５１の低温側の部分に到着する。
【００７４】
復熱装置７４０を通過した後に、液体金属熱伝達流体は温度ＴRで部分７５１Ｅに入る。ループ７５１の部分７５１Ｅ、７５１Ｆ、７５１Ｇおよび７５１Ｈを通って流体が流れると、熱はこの流体からそれぞれの熱電モジュール７１１Ｄ、７１１Ｃ、７１１Ｂおよび７１１Ａの低温端へ移動する。液体金属の熱伝達流体は温度ＴCでループ７５１の部分７５１Ｈから出て、熱交換器７３２を通り過ぎるか通って流れ、冷却されたワーク７５０から熱エネルギをピックアップする。ワーク７５０は通常はマイクロプロセッサ、通信集積
回路、光電子デバイスまたはアレイ、レーザまたは高出力密度デバイスである。流れは復熱装置７４０を通って続き、熱電アレイ７１０に戻る。復熱装置７４０を通過した後に、液体金属の熱伝達流体は温度ＴEでループ７５１の部分７５１に再び入り、それによって密閉サイクルを終える。
【００７５】
図示した構成において、ループ７５１を通る熱伝達流体の流れは、単一ポンプ７２０によって動機付けられる。すでに述べたように、ポンプ７２０の配置を単に図示するだけである。一般に、あらゆる種々の配置が適している。一般的に、形状要因、電源装置の近接性、ＥＭＩ、熱的適合性、および特定の設計に特定される他の要素によって、適切な配置が提案されることになる。もちろん、図７に示す一般的な設計主体（ｐｒｉｎｃｉｐａｌｓ）から逸脱することなく、必要に応じて多連ポンプを利用することができ、完全なシステムは複数の密閉サイクル流体ループを含むことができる。たとえば、複数の冷却、加熱または熱伝達の段がそれぞれ少なくとも１つの対応する密閉サイクルの流体ループを備えていてもよい。また、図７に示すような複数の構成の例は、それぞれがそのそれぞれの熱電アレイの高温側および低温側の両方を横断する単一の密閉サイクル熱伝達流体ループを含むように、並列に配置されることができる。これらおよび他の変形は、添付の特許請求の範囲の文脈において理解されるであろう。
【００７６】
図８は、密閉サイクルの熱伝達システムを通る高温側および低温側の流れが混合される別の変形を表す。すでに述べたように、前述の構成に関して記載された（またはそこに含有するのに適した）ものと同一で、共通であり、または概して同様である構造体および構成は、図８に関して再度記載されていない。
【００７７】
図示された構成において、熱伝達流体経路の密閉サイクルの流れは、熱電アレイの高温側および低温側の両方を横断する。前の構成と同様に、単一ポンプは熱伝達流体の流れを動機付けするのに十分であり得る。しかし、前の構成とは異なり、動機付けされた流れは、密閉サイクルの流体経路の高温側および低温側の部分に分割され、流れがそれぞれの熱交換器（たとえば、高温側部分から出る流れのための熱交換器８３１や低温側部分から出る流れのための熱交換器８３２）を過ぎた後で再結合される。
【００７８】
図示された構成において、高温側および低温側の部分の流れが混合される復熱装置８４０で、再結合が行われる。一般に、異なる温度の熱伝達流体流れが入り、伝導性および／または対流性の伝熱が生じ、復熱した平均温度ＴRで（またはほぼその温度で）１つ以上の流体流れが出る、簡潔なプール式復熱装置が利用されることができる。しかし、液体金属熱伝達流体の伝熱特性を想定すると、その流れを簡潔に混合する（たとえばポンプ８２０を含む流路で）ことによって、適切に熱交換して実質的に局所的な熱的変形をせずに結果として生じるＴRの流れを得ることができる。
【００７９】
いくつかの実現の結果として、復熱式伝熱は、密閉サイクル流体経路の混合された流れ部分で達成可能なものに移る（ｄｅｖｏｌｖｅ）ことができる（混ぜ合わせているか乱れた流れを強調する流路構造体の有無にかかわらず）。このような場合、別個の復熱装置８４０は不必要であり削除されてもよい。もちろん、復熱装置が設けられている場合、このような任意の復熱装置に入る前に流れの再結合が生じ得る。このような場合、熱電アレイ８０１の高温側および低温側から流れる流体は、入る前であっても少なくとも部分的に混ぜ合わされることになり、このような復熱装置はあらゆる残りの局所的な熱的変形を抑制するように構成されることができる。これらのおよび他の変形は、当業者によって理解されるであろう。
【００８０】
ついで図８を参照する。密閉サイクルの流体ループは、それぞれの熱電モジュール（ＴＥモジュール８１１など）の高温端と熱的に連通している高温側部分と、それぞれの熱電
モジュールの低温端と熱的に連通している低温側部分とを含む。図示された冷却構成において、液体金属の熱伝達流体は温度ＴRで密閉サイクル流体ループの高温側および低温側の両方の部分に入る。流体が高温側部分を通って流れると、熱はそれぞれの熱電モジュールの高温端から移動し、流体は温度ＴHで出る。そこから、液体金属の熱伝達流体は熱交換器８３１を通り過ぎるかまたは通って流れて、熱エネルギを捨てて、最終的には密閉サイクル流体経路の低温側部分からの流れを再結合する。流体が低温側部分を通って流れると、熱は流体からそれぞれの熱電モジュールの低温端へ移動して、流体は温度ＴCで出て、熱交換器８３２を通り過ぎるかまたは通って流れ、冷却されたワーク８５０から熱エネルギをピックアップする。直列の流れの構成での複数のワーク８５０を単純に図示する。単一のワークおよび他の複数のワークの流れのトポロジは、この図や他の図示された熱電ループ構成のもので想定される。図８の特定の構成において、流れは最終的には密閉サイクルの流体経路の高温側部分からの流れを再結合して、温度ＴRで熱電配列８１０に再び到着し、それによって密閉サイクルを終える。
【００８１】
図９は、熱電動作の時間的統合を活用した熱電冷却器構成９０１を表す。リザーバである熱交換器９４１および９４２への強制流体の流れは間欠的であり、それぞれのリザーバに公称温度ＴRの熱伝達流体を導入し、熱伝達流体量をその中に滞留することが可能となり、熱電モジュール９１１のそれぞれの高温側または低温側から、あるいは高温側または低温側に伝熱することが可能となる。すでに述べたように、熱伝達流体は、熱電モジュール９１１と連通して密閉サイクルの流体経路の部分に温度ＴRで入り、温度ＴHまたはＴCで出る。単一の熱電モジュール９１１の熱電動作の統合が時間とともに生ずる（すなわちそれぞれのリザーバ９４１および９４２の熱伝達流体の滞留時間とともに）。単一のほぼ等温のＴＥモジュールだけを図示しているので、向流は不必要であり、したがって図示された流れトポロジは簡略化されている。図１１に示すような他の構成では、向流が望ましくてもよく、また向流が設けられることができる。
【００８２】
高温側および低温側のリザーバ９４１および９４２からの流れは、最終的には復熱装置（たとえば復熱装置９４０）で混合される。すでに述べたように、任意の種々の復熱装置を利用してもよい。たとえば、異なる温度の熱伝達流体流れが入り、伝導性および／または対流性の伝熱が生じ、復熱した平均温度ＴRで（またはほぼその温度で）１つ以上の流体流れが出る、簡潔なプール式復熱装置を利用してもよい。さらに前述の通り、液体金属の熱伝達流体の流れを簡単に混合することによって（たとえば別個のプール式復熱装置構造体なしで）、適切に熱交換して所望の復熱した（ＴR）流れを得ることができる。
【００８３】
前述の通り、熱伝達流体は、液体金属や他の伝導性の流体またはスラリであり、ポンプ９２０は、本願明細書の他に記載されている磁気流体力学的ポンプなど１つ以上の電磁ポンプを含むことを想定している。図示した構成において、ポンプ９２０の動作を熱電モジュール９１１の動作と少なくとも部分的に同期化することが望ましくなり得る。たとえば、いくつかの実現において、熱電モジュール９１１を駆動し、異なる間隔または位相でのポンプ９２０の電磁ポンプを実現することによって、瞬間的な需要電力を減少することができる。図１０は、熱電流（ＩTE）およびポンプ電流（ＩEM）の需要が交互の動作位相で生じるこのような１つの構成または動作モードを示す。
【００８４】
時間的統合の使用を強調するために、単一のＴＥモジュールを図９に示す。しかし、さらに一般的にいえば、いくつかの実現では熱電動作の空間的および時間的両方の統合を活用してもよい。たとえば図１１の説明を参照のこと。図１１では熱電動作の空間的および時間的両方の統合を活用している。
【００８５】
図１１は、熱伝達流体の間欠的または不連続な流れが結果として熱電アレイ１０１０の熱電動作の時間的および空間的両方の統合になる、向流熱電冷却器構成１００１を表す。
この図示された構成は、図８に関してすでに述べた構成の後でパターン化される。図８では、密閉サイクルの熱伝達システムを通る高温側および低温側の流れが混合される。しかし、さらに一般的にいえば、すでに図示したあらゆる向流ループ構成が、時間的統合を組み込むのに適合される（次に記載されるように）ことができる。
【００８６】
図１１に示す特定の構成において、熱伝達流体流れのための密閉サイクル経路は、熱電アレイの高温側および低温側を横断するために分割する。高温側の流れの熱伝達流体はそれぞれの熱交換器リザーバ（１０４１）で瞬間的に滞留し、それぞれの熱電モジュール１０１１の高温側から熱を蓄積する。同様に、低温側の流れの熱伝達流体はそれぞれの熱交換器リザーバ（１０４２）で瞬間的に滞留し、それぞれの熱電モジュール１０１１の低温側に熱を放出する。前述の構成と同様に、単一ポンプは流れを動機付けする（間欠的にまたは断続的に）のに十分であり、熱電流（ＩTE）およびポンプ電流（ＩEM）の需要が交互の動作の位相で生じるように動作することができる。さらに、熱伝達流体構成の、結合されて混合された流れを図示しているが、図６Ａ（別個の高温側および低温側のループ）および図８（高温側および低温側の両方を横断する単一の密閉サイクルのループ）に示されるものに類似しているループ構成が、間欠的または不連続な流体流れに利用されることも可能であることを、当業者は認識するであろう。
【００８７】
トポロジの一般概念
種々の向流熱電アレイ構造を、本願明細書におけるいくつかの発明の概念を明確に説明することの可能な線形の配置に関して図示してきたが、本願明細書に関する説明に基づいて、種々のトポロジの一般概念は、図示した線形の向流の配置に適用可能であることは明らかであろう。熱電モジュールの２次元アレイを図示する。この点に関して、図１２から図１８は、すでに図示した線形の向流配置のように、動作中にそれぞれのアレイ要素にわたり実質的に均一な温度差（またはそのほぼ等温の群）を提供する、種々の２次元の流れトポロジの平面図を示す。
【００８８】
これらのトポロジの変形を記載する際に、すでに図示した構成のループ構成、熱交換器、ポンプおよび復熱装置の詳細を省略し、その代わりに図６Ａ、図７、図８、図９および図１１に関して上述した熱電システム構成の密閉サイクルの流体ループ（または複数のループ）の小さな部分での流れトポロジに集中する。図示された全体的な流れトポロジの２次元の部分において、それぞれの高温側の流れ（ＴRからＴH）および低温側の流れ（ＴRからＴC）は、その例示的な２次元アレイの熱電モジュールと熱的に連通している。したがって、これらの２次元のトポロジの本願明細書での説明に基づいて、すでに図示した構成の種々の多次元の熱電アレイの一般概念を当業者は理解するであろう。
【００８９】
いくつかの構成（線形の構成および図１２に図示するような２次元の横断を含む）では、反対方向の流体流れをほぼ均一な温度差を得るために利用することができる。いくつかの構成では、他の向流トポロジ（直交流を含む）を利用することができる。一般に、あらゆる特定の熱電モジュールでも、衝突する高温側および低温側の流れが特定の熱電モジュールへの途中でそれぞれｘ段およびＮ−１−ｘ段｛ｘ：０≦ｘ＜Ｎ｝を横断するように向流のトポロジが構築される場合、Ｎ段アレイまたはサブアレイはほぼ均一な温度差を提供することができる。
【００９０】
図１２は、熱電モジュールの２ｘ２のアレイのための簡潔な向流トポロジを示す頂部平面図である。低温側の流れ１２５１および高温側の流れ１２５２は、熱電モジュール１２１１のそれぞれの低温側および高温側と熱的に連通していると理解されるであろう。前述の線形の配置と同様に、図示した流れトポロジに基づいて、ほぼ均一な温度差を図示した熱電モジュール１２１１のそれぞれにわたり得ることができる。
【００９１】
図１３は、熱電素子の簡潔な２×２のアレイのための別の向流トポロジを示す頂部平面図である。低温側の流れ１３５１および高温側の流れ１３５２は、熱電モジュールＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤのそれぞれの低温側および高温側と熱的に連通している。図示した流れトポロジに基づいて、ほぼ均一な温度差を熱電モジュールのそれぞれにわたり得ることができる。
【００９２】
図１４および図１５は、図１３ですでに図示したトポロジに対する向流の２つのトポロジ変換を図示する。この変換によって、より大きなシステム構成で効率的に経路を定めるために、流入および流出を都合よくまとめることが可能となる。すでに述べたように、低温側の流れ１３５１および高温側の流れ１３５２は、熱電モジュールＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤのそれぞれの低温側および高温側と熱的に連通している。
【００９３】
最後に、図１６、図１７および図１８は、すでに図示した向流トポロジを熱電素子のより大きな熱電素子のアレイに一般概念化している。具体的には、図１６は、すでに図示した２×２のアレイのための流れトポロジをｎ×ｎのアレイに適したものに一般概念化している。図１７および図１８は、流れトポロジを等しい数の行および列でないアレイに適したものに一般概念化している。
【００９４】
他の実施形態
本発明を種々の実施および活用に関して記載しているが、これらの実施形態は例示であり、本発明の範囲がこれらに制限されないことが理解されよう。多くの変形、改変、追加および改良が可能である。
【００９５】
たとえば、液体金属の熱伝達流体および磁気流体力学的（ＭＦＤ）ポンプの構成の文脈においていくつかの構成の動作を記載してきたが、伝導性の熱伝達流体（ＭＦＤポンプ構成で有用である）、および非伝導性の熱伝達流体および他のポンプ構成（ＭＦＤ、電磁またはその他）を含む変質する（ａｌｔｅｒａｔｉｖｅ）熱伝達流体が利用されることができることを、当業者は認識するであろう。同様に、高出力密度デバイス（ＨＰＤＤ）の冷却構成の文脈において多くの図示した構成が記載されているが、他の密閉された流体サイクルの向流熱電の伝熱構成（冷却、加熱、冷却／加熱、温度調整、発電などを含む）がすべて予想され、ＨＰＤＤの用途は例示目的のためだけであることは明らかであろう。一般に、実質的な温度差の適した冷却および／または加熱ターゲットおよび／または熱源（たとえば発電構成のための）は多様であり、高密度でもなく熱的でもない熱源のターゲットを含んでいてもよい。特に、記載された熱電システムの活用は、空気調節および冷蔵を含むことができる。
【００９６】
さらに、低温、より低温、高温、より高温などの用語は相対的な用語であり、任意の特定の周囲温度または静止温度に対する任意の特定の温度、温度範囲または温度関係を意味するものではないことを、当業者は理解するであろう。任意の特定の流れタイミング、速度などを考慮せずにループ構成を記載してきたが、当業者は、特定の熱負荷と所与の活用で利用される特定の熱交換器および／または熱伝達流体の伝熱特性とに適切に適合することを理解するであろう。
【００９７】
構成要素（ポンプ、熱交換器、復熱装置などを含む）の種々の交互の配置、および熱電モジュール設計は、前述の説明および後続の特許請求の範囲と一致している
特に、熱電モジュールは、ほぼ等温の構成での１つ以上の熱電素子（または熱電対）を含むことができる。「熱電」という用語（たとえば、熱電モジュール、熱電対、熱電素子、熱電デバイス、熱電材料など）は、熱ポテンシャルが電磁ポテンシャルと交換される（またはその逆）用語の最も広い意味で表され、したがって、ペルチェ効果またはゼーベック効果を活用するこれらの熱電構成、ならびに、トムソン効果、量子トンネル効果、熱電子
効果、磁気熱量効果、または他の同様の効果あるいは効果の組み合わせに基づいて作動するこれらの熱電構成を含む。さらにいくつかの構成を、主として熱伝達流体の連続した一方向の流れに関して記載してきたが、連続的な、半連続的な、一方向の、ほぼ一方向の、可変的な方向の、可変的な流量の、間欠的な、および／またはパルス化された流れを、本発明の精神と範囲から逸脱することなくいくつかの実現において利用することができることが理解されよう。
【００９８】
いくつかの材料または材料システムは、特定の熱電型効果を活用する構成において一般に利用される。一般に、適切な材料選択は、活用した特定の熱電型効果に基づき、運転温度のために最大限に利用されることができ、その他の材料および他の要素に適合する。
【００９９】
さらに一般的にいえば、複数の例は、本願明細書において１つの例として記載されている構成要素、動作または構造体のために提供されることができる。最後に、種々の構成要素と特定の動作の間の境界は、特定の例示の構成の文脈において示される。機能性の他の配分は想定され、本発明の範囲内にある。一般に、例示的な構成の別個の構成要素として示される構造体および機能性は、組み合わせられた構造体または構成要素として実施されることができる。同様に、単一の構成要素として示される構造体および機能性は、別個の構成要素として実施されることができる。これらおよび他の変形、改変、追加および改良は、本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１Ａ】個々のペルチェ型熱電（ＴＥ）素子を表す。特に、図１Ａは、ｐ型材料から作られるＴＥ素子を示す。
【図１Ｂ】個々のペルチェ型熱電（ＴＥ）素子を表す。図１Ｂは、ｎ型材料から作られる類似したＴＥ素子の構造を示す。
【図２】２つの個々の相補型ＴＥ素子をこれらが電気的に直列であり熱的に並列である構成で配置することによって形成されるＴＥ対を示す。
【図３】複数のＴＥ対を含むＴＥモジュールを示す。
【図４】理想的な冷却システムまたは冷蔵庫の作動を示す概念的概略図である。
【図５】図４の理想的な冷却システムに関するＴＥ冷却システムの作動原理を示す概念的概略図である。
【図６Ａ】２つの別個の密閉サイクルの熱伝達流体ループが設けられている、本発明のいくつかの実施形態による向流熱電冷却器の構成を表す。
【図６Ｂ】図６Ａに示すような構成での温度差を示す。
【図６Ｃ】図６Ａに示すような構成での温度差を示す。
【図７】単一の密閉サイクルの熱伝達流体ループが設けられている、本発明のいくつかの実施形態による向流熱電冷却器の構成を表す。
【図８】密閉サイクルの熱伝達システムを通る高温側および低温側の流れが混合される、本発明のいくつかの実施形態による向流熱電冷却器の構成を表す。
【図９】熱電動作の時間的統合が活用される、本発明のいくつかの実施形態による熱電冷却器の構成を表す。
【図１０】熱電の需要電力および電磁ポンプの需要電力が異なる間隔または位相に現れる、本発明のいくつかの実施形態による出力操作技術を表す。
【図１１】熱電動作の時間的統合および空間的な統合の両方が活用されている、本発明のいくつかの実施形態による向流熱電冷却器の構成を表す。
【図１２】熱電素子の２次元アレイでの、ある簡潔な向流トポロジを示す。
【図１３】熱電素子の２次元アレイでの、別の簡潔な向流トポロジを示す。
【図１４】熱電素子の２次元アレイでの、さらに別の簡潔な向流トポロジを示す。
【図１６】特定の図示された向流トポロジを熱電素子の種々のｎ×ｎ、ｎ×ｍ、およびｍ×ｎのアレイに一般概念化する図である。
【図１７】特定の図示された向流トポロジを熱電素子の種々のｎ×ｎ、ｎ×ｍ、およびｍ×ｎのアレイに一般概念化する図である。
【図１８】特定の図示された向流トポロジを熱電素子の種々のｎ×ｎ、ｎ×ｍ、およびｍ×ｎのアレイに一般概念化する図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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