(57)【要約】装置は、蒸気チャンバを内包するとともに第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する本体、並びに第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する熱電気モジュールを含む。本体の第２の主表面は熱電気モジュールの第１の主表面と熱接触している。ヒートシンクは熱電気モジュールの第２の主表面と熱接触する第１の主表面を有する。熱電気モジュールは本体とヒートシンクの間の熱の流れを制御するように構成される。
2011523510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
蒸気チャンバを内包し、第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する本体、
第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する熱電気モジュールであって、前記本体の前記第２の主表面が前記熱電気モジュールの前記第１の主表面と熱接触している、熱電気モジュール、及び
前記熱電気モジュールの前記第２の主表面と熱接触する第１の主表面を有するヒートシンクであって、前記熱電気モジュールが前記本体と前記ヒートシンクの間の熱の流れを制御するように構成された、ヒートシンク
を備えた装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記蒸気チャンバ及び前記熱電気モジュールは前記本体が前記熱電気モジュールの基体を形成する一体化アセンブリである、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、さらに、各々が前記本体の前記第２の主表面より小さい面積の第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する複数の熱電気モジュールを備え、各熱電気モジュールの前記第１の主表面が前記本体の前記第２の主表面と熱接触しており、前記複数のうちの第１のサブセット内の熱電気モジュールが単位面積あたり第１のレートの熱移送を有するように構成され、前記複数のうちの第２のサブセット内の熱電気モジュールが単位面積あたり前記第１のレートよりも高い第２のレートの熱移送を有するように構成された装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、前記熱電気モジュールが、前記本体の前記第１の主表面と熱接触しているデバイスによって放散された熱に応じて電力を負荷に供給するように構成された装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、さらに、可変抵抗熱移送デバイスを備え、前記熱電気モジュールの前記第２の主表面及び前記ヒートシンクの前記第１の主表面が前記可変抵抗熱移送デバイスと熱接触している、装置。
【請求項６】
方法であって、
蒸気チャンバを内包するとともに第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する本体を提供するステップ、
第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する熱電気モジュールを提供するステップ、
第１の主表面を有するヒートシンクを提供するステップ、
前記本体の前記第２の主表面を前記熱電気モジュールの前記第１の主表面と熱接触させて配置するステップ、及び
前記ヒートシンクの前記第１の主表面を前記熱電気モジュールの前記第２の主表面と熱接触させて配置するステップを備え、前記熱電気モジュールが前記本体と前記ヒートシンクの間の熱の流れを制御するように構成される、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、さらに、
各々が前記本体の前記第２の主表面より小さい面積を持つ第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する複数の熱電気モジュールを提供し、各熱電気モジュールの前記第１の主表面を前記本体の前記第２の主表面と熱接触させて配置するステップ、及び
前記複数のうちの第１のサブセット内の熱電気モジュールが単位面積あたり第１のレートの熱移送を有するように構成するとともに、前記複数のうちの第２のサブセット内の熱電気モジュールが単位面積あたり前記第１のレートよりも大きい第２のレートの熱移送を有するように構成するステップ
を備える方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、さらに、前記本体の前記第１の主表面と熱接触しているデバイスによって放散された熱に応じて電力を負荷に供給するように前記熱電気モジュールを構成するステップを備える方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法であって、さらに、
前記熱電気モジュールの前記第２の主表面及び前記ヒートシンクの前記第１の主表面を可変抵抗熱移送デバイスと熱接触させて配置するステップ、及び
前記熱電気モジュールがその第２の主表面からその第１の主表面に熱を移送するように構成される場合には前記熱電気モジュールと前記ヒートシンクの間により大きい熱結合を与え、前記熱電気モジュールがその第１の主表面からその第２の主表面に熱を移送するように構成される場合には前記熱電気モジュールと前記ヒートシンクの間により小さい熱結合を与えるように前記可変抵抗熱移送デバイスを構成するステップ
を備える方法。
【請求項１０】
システムであって、
蒸気チャンバを内包し、第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する本体、
第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する熱電気モジュールであって、前記本体の前記第２の主表面が前記熱電気モジュールの前記第１の主表面と熱接触している、熱電気モジュール、
前記本体の前記第１の主表面と熱接触して発熱するように構成されたデバイス、及び
前記熱電気モジュールの前記第２の主表面と熱接触する第１の主表面を有するヒートシンクであって、前記熱電気モジュールが前記本体と前記ヒートシンクの間の熱の流れを制御するように構成された、ヒートシンク
を備えたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略として熱電気モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電気モジュール（ＴＥＭ）は、例えば、対象物を加熱又は冷却するために使用し、又は高温の対象物に接触して設置される場合に電力を生成するために使用することができる半導体ベースのデバイスの一種である。一般に、交互にドーピングするタイプの半導体ペレットは、電気的には直列に、熱的には並列に構成される。電流がペレットに流れると、ＴＥＭの一方の側が冷え、他の側が温まる。逆に、熱的な傾斜に置かれると、ＴＥＭは負荷に電流を流すことができる。ＴＥＭはデバイスを冷却するために、又はフィードバック制御ループの助けを借りて動作温度を維持するために使用されてきた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、蒸気チャンバを内包するとともに第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する本体、並びに第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する熱電気モジュールを含む装置を提供する。本体の第２の主表面は熱電気モジュールの第１の主表面と熱接触している。ヒートシンクは熱電気モジュールの第２の主表面と熱接触する第１の主表面を有する。熱電気モジュールは本体とヒートシンクの間の熱の流れを制御するように構成される。
【０００４】
他の実施例は、蒸気チャンバを内包するとともに第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する本体を提供するステップを含む方法であり、熱電気モジュールは第１の主表面及び対向する第２の主表面を有し、ヒートシンクは第１の主表面を有する。熱電気モジュールの第１の主表面は本体の第２の主表面と熱接触して配置される。ヒートシンクの第１の主表面は熱電気モジュールの第２の主表面と熱接触して配置される。この方法は熱電気モジュールが本体とヒートシンクの間の熱の流れを制御するよう構成することを含む。
【０００５】
他の実施例は、蒸気チャンバを内包するとともに第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する本体を含むシステムである。熱電気モジュールは第１の主表面及び対向する第２の主表面を有する。本体の第２の主表面は熱電気モジュールの第１の主表面と熱接触している。ヒートシンクは熱電気モジュールの第２の主表面と熱接触する第１の主表面を有する。発熱するように構成されたデバイスが本体の第１の主表面と熱接触している。熱電気モジュールは本体とヒートシンクの間の熱の流れを制御するように構成される。
【０００６】
本発明のより完全な理解のために、添付図面との関係で以下の説明がここで参照される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１はデバイス及び固体ヒートスプレッダの従来技術の構成を示す。
【図２】図２は本発明によるデバイス及び蒸気チャンバヒートスプレッダの構成を示す。
【図３】図３はＴＥＭを示す。
【図４】図４は本発明による実施例を示す。
【図５Ａ】図５Ａは蒸気チャンバ本体の内部機能を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは蒸気チャンバ本体の内部機能を示す。
【図６Ａ】図６ＡはＴＥＭの動作モードを示す。
【図６Ｂ】図６ＢはＴＥＭの動作モードを示す。
【図６Ｃ】図６ＣはＴＥＭの動作モードを示す。
【図７】図７はデバイス及び蒸気チャンバ本体を示す。
【図８】図８は温度分布を示す。
【図９】図９はＴＥＭの動作特性を示す。
【図１０】図１０は蒸気チャンバ本体に接触して配置された複数のＴＥＭを有する実施例を示す。
【図１１】図１１はＴＥＭに一体化された蒸気チャンバを示す。
【図１２】図１２は可変コンダクタンス熱伝導パイプを含む実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
過去において、設計者らはヒートシンクと蒸気チャンバを内包する物体とを直接熱接触させてきた。ここで使用されるように、熱接触とは、２つの物体間、又は１つの物体と冷却媒体の間の熱の充分な伝導をいう。例えば、大気への偶発的又は僅かな熱移送は、この用語の使用からは明らかに除外される。さらに、この用語は、熱結合を助けるもの（例えば、熱グリース）又は充分に薄い絶縁物のような熱伝導層によって分離された２つの物体間を熱結合することも含む。このような設計では、一般に蒸気チャンバとヒートシンクの間に熱伝導パッド又はグリースを使用することに証明されるように、通常は蒸気チャンバとヒートシンクの間の熱抵抗を最小限にすることに優先順位が与えられる。しかし、この構成におけるヒートシンクと蒸気チャンバの間の熱抵抗は不変である。
【０００９】
他の製品では、固体銅ヒートスプレッダが発熱デバイスに取り付けられていた。あるヒートシンクがヒートスプレッダに直接取り付けられ、他のヒートシンクはヒートスプレッダに取り付けられたＴＥＭに取り付けられた。G.L. Solberkken他、「Heat Driven Cooling of Portable Electronics Using Thermoelectric Technology」、IEEE Trans. Advanced Packaging、２００８年５月、第３１巻、第２号が参照される。従って、Solberkenの文献では、デバイスの冷却は、デバイスから固体ヒートスプレッダ及びヒートシンクを介して大気へ向かう低い熱抵抗の熱移送経路を含んでいた。さらに、発熱デバイスによって生成される熱のうち電力に変換される部分は小さかった。
【００１０】
しかし、固体ヒートスプレッダの有効サイズは有限の横方向熱伝導による拡散抵抗によって制限される。図１は放熱デバイス１１０及び固体ヒートスプレッダ１２０の従来技術の構成を示す。デバイス１１０からヒートスプレッダへの熱流はヒートスプレッダ１２０上のデバイス１１０の実装面内に向けられるが、並行して実装面の外側に流れる。ヒートスプレッダ１２０は有限の熱伝導を有しているので、デバイス１１０からの距離が増大すると熱流のレートは減少していき、結果として有効拡散外周１３０が得られる。外周１３０のサイズはデバイス１１０からの熱流の大きさ並びにヒートスプレッダ１２０の厚さ及び熱伝導性のファクタ等に依存する。しかし、外周１３０の外側では、ヒートスプレッダ１２０と熱接触するヒートシンクは雰囲気への充分な熱移送を与えることはない。従って、ヒートスプレッダ１２０のサイズ及びそれに取り付けられるヒートシンクのサイズは外周１３０までに事実上制限される。従って、例えば、固体ヒートスプレッダがヒートシンクに界面形成できる表面積を有効に増大させて動作中の電子デバイスからの熱を放散する能力は比較的制限されている。
【００１１】
ＴＥＭのポンピング効率は通常、そこを通る熱流速のレート（例えば、Ｗ／ｍ２）が低いと高くなる。ポンピング効率は通常、ここで使用されるように、ＴＥＭに供給される電力で除算されるデバイスへの又はそこからの熱移送のレートをいう。同様に、ＴＥＭによる電力生成の効率は、そこに供給される熱量に対するＴＥＭで生成される電力の比をいう。固体スプレッダの有効部分の横方向範囲が制限されていることによって、所望の効率に対応付けられる充分に低い熱流速を実現しようとする設計者の能力は制限される。
【００１２】
我々は、デバイスと大きなＴＥＭ又は複数並べられたＴＥＭとの間に、単純な金属スラブの代わりに、蒸気チャンバをヒートスプレッダとして使用することによって過去の実用における制限を克服できると認識した。以下に記載する幾つかの実施例では、蒸気チャンバヒートスプレッダがデバイス及びＴＥＭとのみ熱接触する。この新規な構成は、温度制御及び電力生成アプリケーションにおけるＴＥＭにおける大幅かつ予想外の効率の増加を与える。
【００１３】
固体ヒートスプレッダの代わりに蒸気チャンバを使用することで、大きなＴＥＭ又は複数並べられたＴＥＭ（例えば、デバイスのサイズの１０倍以上）及び単一のＴＥＭ又は複数のＴＥＭに取り付けられたヒートシンクの端部を含むように熱流を有効に拡張する手段が与えられる。熱の横方向の流れを拡張する能力によって、ＴＥＭがより効率的な動作手法で動作され得るようにＴＥＭを通る熱流密度を低減する手段が与えられる。従って、例えば、ＴＥＭによる廃熱の発生は、有利なことに加熱又は冷却モードにおいて減らすことができ、あるいは、システムの廃熱からより多くの電力部分が再生されてシステムにおける有用な仕事をもたらす。
【００１４】
図２は蒸気チャンバを内包する本体２２０と熱接触にある発熱デバイス２１０を示す。以下により詳しく記載するように、本体２２０は、作動流体の蒸発−凝縮サイクルを用いることによって動作して、その結果固体ヒートスプレッダ１２０よりも大きい横方向熱伝導性を得る。ヒートスプレッダ２２０の縦方向熱伝導性は通常、銅で形成された固体ヒートスプレッダ１２０のものよりもかなり低いが、固体ヒートシンクの横方向伝導性の、例えば、１０−１００倍となる。高い横方向伝導性の結果として、ヒートスプレッダ２２０の横方向範囲にほぼ等しい有効拡散外周２３０が事実上もたらされる。従って、より大きな横方向熱伝導性によって可能となったヒートシンクの利用可能表面積の増大は、低い縦方向熱伝導性を相殺する以上のものとなる。さらに、熱はデバイス２１０から上表面に向けて、固体ヒートスプレッダ１２０を用いる場合よりも均一な態様で移送される。従って、デバイスと熱接触している表面に対向するヒートスプレッダ２２０の表面がＴＥＭと熱接触して配置されると、例えば、ＴＥＭはその表面にける熱流はより均一な分布となる。
【００１５】
図３に進むと、ＴＥＭ３００の一例が示される。ＴＥＭ３００はｎドープペレット３１０及びｐドープペレット３２０を含む。ペレット３１０、３２０は第１のセットの電極３３０及び第２のセットの電極３４０によって接続される。ペレット３１０、３２０及び電極３３０、３４０は電気的には直列に、熱的には並列に構成される。下部基体３５０及び上部基体３６０は、ＴＥＭ３００が熱接触して配置される対象物からＴＥＭ３００を電気的に絶縁するとともに機械的強度を与える働きを担う。動作中、電流Ｉの流れは、ｎドープペレット３１０を流れる電流の方向において正の熱傾斜を生成し、ｐドープペレット３２０を流れる電流の方向においては逆である。基体３５０、３６０は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びベリリア（ＢｅＯ）のような充分に高い熱伝導性の電気絶縁セラミックで形成され得る。
【００１６】
前述したように、ＴＥＭ３００による熱移送の効率は、ペレット３１０、３２０にわたる熱流速を増加させると減少する。ヒートスプレッダ２２０によって熱移送の均一性及び横方向範囲が増大したことによって、ヒートスプレッダのサイズを拡大して、ペレット３１０、３２０を通る熱流速を効率の増加に対応した値に制限する能力が与えられる。ヒートスプレッダ２２０は非常に低い拡散抵抗を与えるので、固体ヒートスプレッダ１２０を用いる場合よりもヒートスプレッダを大幅に増大させて所望の流速を達成することができる。
【００１７】
図４に進み、前述した認識に従って実施例４００を示す。デバイス４１０は蒸気チャンバを内包する本体４２０に熱接触している。本体４２０は第１の主表面４２２及び対向する第２の主表面４２４を有する。デバイス４１０は本体４２０の第１の主表面４２２と熱接触している。本体４２０の第２の主表面４２４はＴＥＭ４３０の第１の主表面４３２と熱接触している。ＴＥＭ４３０の対向する第２の主表面はヒートシンク４４０の第１の主表面４４２と熱接触している。実施例によっては、ここに示す実施例のように、第２の主表面４２４は第１の主表面４３２と熱接触するのみである。雰囲気におけるＴＥＭ４３０からの放射及び対流熱移送は無視する。ヒートシンク４４０は冷却流体との界面を形成する第２の主表面４４４を有する。ヒートシンク４４０は、例えば、フィン状のヒートシンクとして示され、この場合、冷却流体は雰囲気となる。ヒートシンク４４０は、例えば、液体冷却ヒートシンク又はマイクロチャネルヒートシンク等の他の任意のタイプのサーマルシンクであればよく、フィンを含んでいてもいなくてもよい。ＴＥＭ４３０は長方形状の従来的なＴＥＭであってもよいし、例えば放射状のような非従来的な形状を有していてもよい。例えば、米国特許出願第１１／６１８０５６号が参照され、ここに参照として取り込まれる。
【００１８】
本体４２０の主表面４２２、４２４は、本体４２０の外側表面積の大部分を集合的に含む表面である。ＴＥＭ４３０の主表面４３２及び４３４も同様に定義される。ヒートシンク４４０の第１の主表面４４２は、ヒートシンク４４０をＴＥＭ４３０と熱接触して配置するように構成可能な実質的に滑らかな表面である。場合によっては、主表面は実質的に平面であり、本体４２０等の一要素をＴＥＭ４３０等の隣接する要素と熱接触して配置することを容易とする。主表面は平面である必要はなく、例えば、デバイス４１０の形状に合うように湾曲していてもよい。
【００１９】
デバイス４１０は、例えば、動作中に電力を放散するように構成された電子部品のような、熱を放散するように構成された何らかのデバイスとすることができる。限定するわけではないが、そのようなデバイスの例として、電力増幅器、マイクロプロセッサ、光増幅器、及び何らかのレーザが挙げられる。そのようなデバイスによっては１００Ｗ以上を放散し、３００−４００℃の温度に達し得る。
【００２０】
図５Ａ及び５Ｂは本体４２０をより詳細に示す。図５Ａに、ＴＥＭ４３０と協働してデバイス４１０からヒートシンク４４０に熱を移送する本体４２０を示す。壁５１０は、芯５２０及び蒸気チャンバ５３０を備える本体４２０の内容積を画定する。芯５２０はアルコール又は水のような作動流体で湿っている。壁５１０は本体４２０に（場合によっては、不図示の内部の構造的サポートに加えて）構造的なサポートを与えるとともに、本体４２０が主表面４２２、４２４の間で低い熱抵抗を持つことを確実にするために充分な熱伝導性を有する。壁５１０の熱伝導性は、デバイス４１０と芯５２０の間、及び芯５２０とＴＥＭ４３０の間で熱が有効に伝導されるほどに充分高い。壁５１０はまた、熱が芯５２０に伝導される前にある程度の横方向拡散を与え、それは通常かなり低い熱伝導性を有する。壁５１０は、例えば、銅又はアルミニウムのような、約２００Ｗ／ｍ−Ｋ以上の熱伝導性を有する材料で形成され得る。そのような本体４２０の市販の例として、Thermacore International Co., Lancaster PAによって製造されるTherma-Base（登録商標）蒸気スプレッダがある。
【００２１】
壁５１０は芯５２０と少なくとも部分的に沿って配置される。芯５２０は、例えば、焼結銅、金属フォーム若しくはスクリーン、又は有機繊維材料のような多孔質材料とすることができる。ＴＥＭ４３０がデバイス４１０を冷却するように構成される場合、作動流体が芯５２０から蒸気チャンバ５３０内の蒸気に蒸発し、相変化に対応する蒸発熱の作用によってデバイス４１０の付近からエネルギーを搬送する。蒸気は蒸気チャンバ５３０を介して拡散し、第２の主表面４２４付近で芯５２０での液体−蒸気界面において凝縮し、これによって、作動流体の凝縮熱を第２の主表面４２４の広い領域に移送する。凝縮された作動流体はその後、芯５２０において毛管作用によってデバイス４１０付近の領域に循環する。
【００２２】
図５Ｂに、ＴＥＭ４３０がヒートシンク４４０からデバイス４１０に熱を移送するように構成された場合の本体４２０の動作を示す。この場合、作動流体は第２の主表面４２４付近の芯５２０から蒸発し、第１の主表面４２２付近の芯５２０で凝縮する。熱はその後、壁５１０を介して伝導され、それにより熱をデバイス４１０に移送する。デバイス４１０がデバイス４１０の実装面外側の主表面４２２よりも低温のときに、凝縮はデバイス４１０付近の芯５２０の領域でより大きくなると考えられる。従って、この場合、ＴＥＭ４３０によって供給される熱はデバイス４１０の近くに集中する。例えば、デバイス４１０の温度を能動フィードバックによって制御すると、デバイス４１０への移送熱は所望のものとなる。デバイス４１０の温度の能動制御は、それが用いられる場合には、例えば、パルス幅変調又は比例制御のような従来の、又は将来発見される方法を採用することができる。
【００２３】
ＴＥＭ４３０を介した電流の方向は、ＴＥＭ４３０のどちらの側が冷却されるかを決定する。図６Ａを参照すると、電流の方向が（決まり通り、電子の移動方向とは逆に）ｎドープペレットの上部から底部に向くように電源が構成される。ホールの流れはｐドープペレットの上部から底部へ向かう。結果として、図示するＴＥＭの上側が底側よりも冷たくなる。図６Ｂでは電流の方向は逆であり、従って底側が上側よりも冷たくなる。図６Ｃに、ＴＥＭによる電力生成の場合を示す。図示するように構成されたＴＥＭの上側が底側よりも温かくなったとき、ＴＥＭは図示する方向の電流を流すことができる電位を発生する。その電流は、直接に又は所望の電圧への変換後に抵抗性負荷Ｒを駆動して仕事を実行するのに使用することができる。
【００２４】
図７に、デバイス４１０及び本体４２０の相対面積を示す。正方形のデバイス４１０及び正方形の本体４２０が、限定するわけではなく図示される。本体４２０の一辺の長さはＬ１であり、デバイス４１０の一辺の長さはＬ２である。面積７１０はデバイス４１０と本体４２０間の接触面積を示す。差分面積７２０はデバイス４１０によって接触されていない本体４２０の表面の部分を示す。接触面積７１０に対する差分面積７２０の比はデバイス４１０と本体４２０の組合せに対応付けられる拡散比である。
【００２５】
差分面積７２０は、Δ＝Ｌ１−Ｌ２として、Δ２＋２ΔＬ２で表される。（Δについて）Δ＝２Ｌ２を上回ると、差分面積７２０は概略Δの二乗として増加する。従って、Δが２Ｌ２を上回ると、デバイス４１０からの熱の拡散は急峻に増加する。拡散ファクタは差分面積７２０を面積７１０で除した比として定義される。一実施例では、Ｌ１は約７倍以上であり、その結果少なくとも約５０の拡散ファクタとなる。他の実施例では、Ｌ１はＬ２の約１０倍以上であり、その結果少なくとも約１００の拡散ファクタとなる。同様の結果が円形デバイス４１０及び本体４２０についても得られる。
【００２６】
他の実施例では、熱は、デバイスに電源が入っていない状態でヒートシンク４４０とデバイス４１０の間で移送される。例えば、デバイス４１０は電源投入前に冷却され、又は動作後に温められることができる。例えば、光学デバイスを起動時に校正された温度範囲で動作するように事前に温めておくことが望ましい。ＴＥＭ４３０はまた、望まれる場合には、本体４２０と協働的に動作して温度変化率を制限することができる。デバイス４１０が温かい場合、例えば、ＴＥＭ４３０はヒートシンク４４０からデバイス４１０を熱的に絶縁するのに使用され、及び／又はデバイス４１０とヒートシンク４４０が低抵抗経路で熱的に結合されていた場合の速度よりも遅い速度で熱を除去するように制御され得る。ＴＥＭ４３０が熱をデバイス４１０に移送するように構成された場合では、デバイス４１０を加熱するのに利用できる合計電力は、ＴＥＭ４３０とデバイス４１０が同一面積であった場合に利用できたであろう電力よりも大きい。
【００２７】
図８は、セオリー通り限定されることなく、本体４２２の第１の主表面における温度プロファイルを示す。明瞭化のため、デバイス４１０は円形状のものとして示される。ＴＥＭ４３０が加熱モードで動作すると、即ち、熱が第２の主表面４３４から第１の主表面４３２に流れるようにすると、デバイス４１０の温度は局部的な最小となる。温度はデバイス４１０からの距離とともに上昇する。蒸気チャンバ内の作動流体の凝縮は、低温の領域ほど大きくなるはずである。逆に、ＴＥＭ４３０が冷却モードで動作すると、即ち、熱が第１の主表面４３２から第２の主表面４３４に流れるようにすると、デバイス４１０の温度は局部的な最大となる。温度はデバイス４１０からの距離とともに低下する。蒸気チャンバ内の作動流体の蒸発は低温の領域ほど大きくなるはずである。
【００２８】
一実施例では、ＴＥＭの個々のペレットに課される外部的熱流速は、ＴＥＭがそれ以下の値で効率的に動作するような値に、制限される。例えば、熱流速は、ジュール加熱がそれ以下の値でＴＥＭを介した熱流速に大きく貢献するような値に、制限される。熱流速は、個々のペレット３１０、３２０を通る熱流のレートが最大値を超えないようにデバイス４１０の面積に対する本体４２０の第１の主表面４２２の面積を選択することによって制限できる。熱移送の効率は制御電流によるペレットにおける電力放散によってある程度制限される。電流は、システムから抽出されなければならない熱に加えるジュール（Ｉ２Ｒ）加熱をペレットにもたらし、移送熱におけるペレット３１０、３２０の有効性を減少させる。
【００２９】
これらの競合するファクタが図９に示され、ここでは、任意の単位のＴＥＭ特性がＴＥＭを通る電流Ｉの関数としてプロットされている。電流Ｉが増加する際に、略線形の特性９１０は１つのペレット界面（例えば、ペレット３１０と電極３３０の界面）からのペルチェ熱吸収、及び他のペレット界面（例えば、ペレット３１０と電極３４０の界面）から放出されるペルチェ熱を示す。従って、ペルチェ熱吸収は電流の増加とともに増加する。ジュール加熱は略下弦二乗特性９２０で増加する。従って、デバイス側におけるＴＥＭからの熱移送の総レートは制御電流９５０において最大値９４０となる。制御電流９５０を、以下、Ｉｍａｘという。性能は、例えば、ＴＥＭの温側と冷側の間の温度差ΔＴ、又は冷側にわたってポンピングされる熱のレートｑとなる。Ｉｍａｘにおいて、これらの性能指標をそれぞれΔＴｍａｘ及びｑｍａｘという。
【００３０】
ある実施例では、ＴＥＭ４３０は、ｑｍａｘがデバイス４１０の最大設計電力放散にほぼ等しくなるように選択されるよう構成される。デバイス４１０の最大設計電力放散は、電子部品の最大設計電圧における規格電力放散のような、デバイス４１０からの期待される電力放散である。一般に、ＴＥＭペレットを通る制御電流が低いと、ペレット及び複数のペレットで組み立てられたＴＥＭの動作効率は高く対応付けられる。ある実施例では、ＴＥＭはＩｍａｘの約５０％以下の電流で動作される。他の実施例では、ＴＥＭはＩｍａｘの約１０％以下の電流で動作される。さらに他の実施例では、ＴＥＭはＩｍａｘの約５％以下の電流で動作される。ある場合では、ＴＥＭはＩｍａｘの約１％以下の電流で動作される。一般に、特定のＴＥＭのＩｍａｘ、ΔＴｍａｘ及びｑｍａｘは、そのＴＥＭの具体的設計パラメータに依存する。
【００３１】
電力を生成するように構成されたＴＥＭ４３０の性能特性は、図８に示すものと同様である。従って、電力生成の効率はまた、ＴＥＭの個々のペレットを通る電流を減らすことによって増加する。よって、本体４２０による熱流の拡散は電力生成モードにおいて有利である。
【００３２】
図１０に進むと、各々が第１の主表面及び対向する第２の主表面を持つ複数のＴＥＭ１０１０を有する実施例が示される。ＴＥＭ１０１０は第１のサブセット１０１０ａ（この例では１つのＴＥＭ）及び第２のサブセット１０１０ｂに分けられる。各熱電気モジュールの第１の主表面は本体４２０の第２の主表面４２４と熱接触している。各ＴＥＭ１０１０の第１の主表面の面積は本体４２０の面積よりも小さい。実施例によっては、単一のヒートシンク（不図示）が２以上のＴＥＭ１０１０に取り付けられるが、他の実施例では、各ＴＥＭ１０１０が個々のヒートシンクに取り付けられる。
【００３３】
ＴＥＭは温熱側と冷側の膨張差のために撓ることがある。この効果のために、ＴＥＭは約２インチ×２インチの最大実装面積（これ以上では撓りによって機械的故障を招き得る）に通常は制限される。一実施例では、複数のＴＥＭを使用してそのような機械的故障のリスクを未然に回避する。本実施例では９個の個別のＴＥＭ１０１０が示されているが、特定の設計によって要求されると、より多い又はより少ないＴＥＭが使用され得る。なお、固体ヒートスプレッダは一般に、第１のサブセット１０１０ａとほぼ同じ熱流を第２のサブセット１０１０ｂに与えるのに充分低い拡散抵抗を与えることはない。
【００３４】
複数のＴＥＭを本体４２０に熱接触させた幾つかの実施例では、各ＴＥＭ１０１０ａ、１０１０ｂは、局部化された熱移送特性を有するヒートシンク、例えば、ヒートシンク４４０の一部と熱接触するように構成される。それは、例えば、ヒートシンク４４０が、冷却媒体への第１のレートの熱移送を有するように構成された第１の部分、及び冷却媒体への第１のレートよりも高い第２のレートの熱移送を有するように構成された第２の部分を有するような場合である。例えば、ヒートシンク４４０の周辺部分が内側部分よりも雰囲気への高い熱移送のレートを有するような場合である。一実施例では、ＴＥＭ１０１０ａは単位面積あたり第１のレートｑの熱移送を有するように構成され、ＴＥＭ１０１０ｂは単位面積あたり第１のレートよりも高い第２のレートｑ＋δｑの熱移送を有するように構成される。従って、例えば、発熱デバイスからの熱は、熱をより高いレートで雰囲気に移送して全体的な熱流を増加するように構成されたヒートシンク４４０の部分に向けられる。
【００３５】
ある場合では、ヒートシンクの周辺部分と熱接触しているＴＥＭ、例えば、ＴＥＭ１０１０ｂは、ヒートシンクの内側部分を熱接触しているＴＥＭ、例えば、ＴＥＭ１０１０ａとは異なる効率で動作するように構成され得る。それは、例えば、異なる熱移送レートでのＴＥＭ１０１０ａ、１０１０ｂの動作がペルチェ熱移送特性９１０上の異なる点で行われるような場合である。ＴＥＭ１０１０ａ、１０１０ｂは、そこを通る異なる熱移送レートを生成するように加熱モード及び／又は冷却モードにおいて電気的に個別に制御することができる。従って、ＴＥＭ１０１０ａ、１０１０ｂはヒートシンクの第１の主表面４４２上の熱分布を制御するように構成することができる。電力生成用に構成される場合、各ＴＥＭ１０１０ａ、１０１０ｂは、例えば、所望の電力／電圧関係をもたらすように直列又は並列に構成することができる。
【００３６】
図１１に進むと、一体型ＴＥＭ／蒸気チャンバ１１００の実施例が示される。一体型ＴＥＭ／蒸気チャンバ１１００はＴＥＭ１１１０及び本体４２０を含む。壁５１０はＴＥＭ１１１０の基体を形成し、つまり、壁５１０はＴＥＭの一体化基体として形成される。この構成によって、個別のＴＥＭ４３０と本体４２０とが物理的な接触状態に置かれるときに存在するような熱的界面がなくなる。熱的界面をなくすことによって、本体４２０がＴＥＭ基体に一体化されていない場合と比べて、ＴＥＭ１１１０と本体４２０の間の熱抵抗が低減されるはずである。これによってアセンブリの高さを減少させることもできる。高さの減少は、例えば、通信回路パックについて積載高が制限されるときに有利である。壁５１０がセラミック外部層を含む場合には、ＴＥＭ１１１０の電極３４０は壁５１０に直接形成され得る。壁５１０がコンダクタで形成される場合には、選択的な絶縁薄膜１１２０がＴＥＭ１１１０と本体４２０の間に挿入され得る。膜１１２０は、例えば、Ｋａｐｔｏｎのようなポリイミド膜であればよい。これらの実施例では、電極３４０は製造プロセスの一部として膜１１２０上に直接形成され得る。
【００３７】
先述したように、ＴＥＭ４３０はデバイス４１０によって放散された廃熱から電力を生成するように構成することができる。過去において、電子デバイスのパッケージ温度は一般に約１００℃を超えなかった。ＴＥＭによる電力生成の効率は一般に比較的低く、例えば、約１０％未満である。デバイス４１０の温度が１００℃未満である場合、通常、ＴＥＭを用いる電力変換の効率は低すぎて有効な電力量を再生できない。一方、効率は通常、ペレット−電極の界面における接合部の温度が高いときほど高くなる。また、ＴＥＭの温側と冷側の温度差がより大きいときに、効率は高くなるはずである。
【００３８】
例えば、炭化ケイ素をベースとした最近の電力増幅器等の電子デバイスは約３５０℃から約４００℃の範囲の動作温度を有するように構成されることが想定されている。ＴＥＭ４３０の最大変換効率は、限定するわけではないが、約０．５の性能指数ＺＴ＝２αＴ／（４*ｋ*ρ）の電流熱電気材料について冷側を２０℃として、３５０℃から４００℃の範囲で約５％から７．５％となると予想される。なお、αはｐタイプペレット及びｎタイプペレットのゼーベック係数の差であり、ｋはペレットの熱伝導性であり、ρはペレットの電気抵抗であり、Ｔは温度（ケルビン）である。超格子素子のような最近の熱電気材料については、例えば、最大変換効率はその温度範囲で約２０％となると予想される。実際のＴＥＭは一般に異なる効率特性を有する。この再生可能電力の比は再生の費用を正当化するのに充分高いと考えられる。電流生成モードで動作するＴＥＭ４３０からの電流は従来的な手段によって所望の電圧に変換して、必要に応じてシステムで使用することができる。
【００３９】
図１２に進むと、ＴＥＭ１２１０が可変抵抗熱移送デバイス１２３０によってヒートシンク１２２０に熱結合される実施例１２００が示される。本実施例では、可変抵抗熱移送デバイス１２３０は、例えば、可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＤＨＰ）である。可変抵抗熱移送デバイスの詳細は、米国特許第７２９９８５９Ｂ２号、Bolle他「Temperature Control of Thermooptic Devices」で見ることができ、参照としてここに取り込まれる。本体１２４０は、本体１２４０がＴＥＭ１２１０の基体を形成するようにＴＥＭ１２１０に選択的に一体化される。デバイス１２５０は本体１２４０の主表面に実装される。ＴＥＭ１２１０は、可変抵抗熱移送デバイス１２３０の端部が挿入された熱導電性のブロック１２６０に実装される。
【００４０】
可変抵抗熱移送デバイス１２３０は、アルゴンのような凝縮可能でない気体（ＮＣＧ）と貯蔵部１２７０内の作動流体の蒸気との混合物の体積を変化させて作動流体の純蒸気相１２８０の体積を変化させる原理で動作する。従って、ＴＥＭ１２１０とヒートシンク１２２０との結合は制御可能に変化させることができる。
【００４１】
可変抵抗熱移送デバイス１２３０は、例えば、デバイスの熱放散が減少するときにＴＥＭ１２１０とヒートシンク１２２０の間の熱抵抗を減少させる手段を与える。さらに、ＴＥＭ１２１０とヒートシンク１２２０の間の熱接触の制御された変動性が有利な態様で利用できる。一実施例では、可変抵抗熱移送デバイス１２３０はＴＥＭ１２１０とヒートシンク１２２０の間の熱結合をＴＥＭ１２１０の動作モードに合わせるのに使用される。従って、一実施例では、ＴＥＭ１２１０がデバイス１２５０を冷却するように構成される場合には結合が増大され、ＴＥＭ１２１０がデバイス１２５０を加熱するように構成される場合には結合が低減される。
【００４２】
本発明が関連する技術における当業者であれば、他の及び更なる付加、削除、代替及び変形が、本発明の範囲から離れることなく、記載された実施例に対してなされ得ることが分かるはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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