(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温表面と高温表面とを形成する熱電モジュールにおいて、
ａ）複数の熱電素子用の空間が一体に成形され、前記空間の壁にギャップのない矩形格子と、
ｂ）複数のｐ型熱電素子と、
ｃ）複数のｎ型熱電素子とを備え、前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子は、前記熱電素子の空間の中に位置しており、
さらに、
ｄ）前記低温表面上でｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを接続している前記低温表面上の金属被覆と、
ｅ）前記高温表面上でｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを接続している前記高温表面上の金属被覆とを備え、
複数の前記熱電素子が電気的に直列に接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記矩形格子が射出成形矩形格子であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記射出成形矩形格子が耐熱材料から構成されていることを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記耐熱材料が液晶プラスチックであることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記耐熱材料がシリコーン・プラスチックであることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載の熱電モジュール。
【請求項６】
前記耐熱材料が有機可塑材を含む無機物であることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載の熱電モジュール。
【請求項７】
前記複数の熱電素子の空間が、それぞれ、４枚の壁と、四角形の面を有する熱電素子用の実質的に四角形の空間を形成していることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。
【請求項８】
前記壁の少なくとも２枚が上部の壁部を形成し、前記熱電素子を簡単に取り付けられるように先細になっていることを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の熱電モジュール。
【請求項９】
前記複数の熱電素子の空間のそれぞれが、前記壁が交差して四つの交点を形成しており、さらに、前記交点の少なくとも３箇所に前記熱電素子の挿入の深さを制限するためのストッパを備えていることを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の熱電モジュール。
【請求項１０】
前記矩形格子の外側に少なくとも一つの支持隆起部を備えていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。
【請求項１１】
さらに、二本の電気リード線を備えていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。
【請求項１２】
前記金属被覆がモリブデンの層と、アルミニウムの層とを含むことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。
【請求項１３】
さらに、前記モジュールに接続した二本の電気リード線を備え、前記リード線のうちの一方をｐ型熱電素子に接触するように前記矩形格子に溶接し、前記リード線のうちのもう一方をｎ型熱電素子に接触するように前記矩形格子に溶接してあることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。
【請求項１４】
高温および低温表面が電気絶縁膜で覆われていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。
【請求項１５】
前記電気絶縁膜が金属層で覆われていることを特徴とする、請求の範囲第１４項に記載の熱電モジュール。
【請求項１６】
前記電気絶縁膜が粘着性の膜から構成されていることを特徴とする、請求の範囲第１４項に記載の熱電モジュール。
【請求項１７】
前記膜がポリイミド膜であることを特徴とする、請求の範囲第１６項に記載の熱電モジュール。
【請求項１８】
低温表面と高温表面とを形成する熱電モジュールにおいて、
ａ）電気絶縁セラミック材からなり、複数の熱電素子用の空間が一体に成形され、前記空間の壁にギャップのない矩形格子と、
ｂ）複数のｐ型熱電素子と、
ｃ）複数のｎ型熱電素子とを備え、
前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子は、前記熱電素子の空間の中に位置しており、さらに、
ｄ）前記低温表面上でｐ型熱電素子をｎ型熱電素子と接続している前記低温表面上の金属被覆と、
ｅ）前記高温表面上でｐ型熱電素子をｎ型熱電素子と接続している前記高温表面上の金属被覆とを備え、
複数の前記熱電素子が電気的に直列に接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項１９】
前記熱電素子の空間を形成する壁の少なくとも２枚が上部の壁部を形成し、前記熱電素子を簡単に取り付けられるように先細になっていることを特徴とする、請求の範囲第１８項に記載の熱電モジュール。
【請求項２０】
前記複数の熱電素子の空間のそれぞれが、前記壁が交点して四つの交点を形成しており、さらに、前記交点の少なくとも３箇所に前記熱電素子の挿入の深さを制限するためのストッパを備えていることを特徴とする、請求の範囲第１８項に記載の熱電モジュール。
【請求項２１】
前記矩形格子の外側に少なくとも一つの支持隆起部を備えていることを特徴とする、請求の範囲第１８項に記載の熱電モジュール。
【請求項２２】
ａ）射出成形法を使って、電気絶縁材料から、少なくとも四枚のギャップのない絶縁壁を有する複数の熱電素子用の空間が形成された絶縁矩形格子を一体に成形する工程と、
ｂ）それぞれが前記複数の熱電素子の空間のうちの一つに適合するような形状の複数のｐ型熱電素子を製造する工程と、
ｃ）それぞれが前記複数の熱電素子の空間のうちの一つに適合するような形状の複数のｎ型熱電素子を製造する工程と、
ｄ）前記複数の熱電空間に予め決定した形態で前記複数のｐ型熱電素子と前記複数のｎ型熱電素子とを挿入する工程と、
ｅ）前記矩形格子の一方の側面に電気接続を配設して高温側を形成し、他方の側面に電気接続を配設して低温側を形成し、複数の前記熱電素子を直列に接続して、熱電モジュールを作成する工程とを備えた、熱電モジュールの製造方法。
【請求項２３】
前記射出成形法が、液晶プラスチックを前記矩形格子の型の中に射出し、前記プラスチックを該型の湯口を通して該型の型穴の中に流しこむ工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２２項に記載の方法。
【請求項２４】
前記電気接続が、前記高温および低温側上に金属被覆を熱噴射する方法を使って行われることを特徴とする、請求の範囲第２２項に記載の方法。
【請求項２５】
さらに、金属被覆部を矩形格子の表面の縁部が露出するように研摩する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２４項に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、電気絶縁膜で高温および低温表面の両方を被覆する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２２項に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、金属層で前記電気絶縁膜を被覆する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２５項に記載の方法。
【請求項２８】
前記電気絶縁膜が粘着性の膜であることを特徴とする、請求の範囲第２７項に記載の方法。
【請求項２９】
前記矩形格子の型が、電気リード線をしっかりと取り付けるために、体積が０．５ｃｍ3である二つの固形プラスチック部を前記矩形格子の中に配設するように設計されていることを特徴とする、請求の範囲第２２項に記載の方法。
【請求項３０】
前記射出成形方法が有機前駆物質を型の中に射出し、前駆物質を熱して無機物に変換する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２２項に記載の方法。
【請求項３１】
１）少なくとも一台の高温側熱交換器と、
２）少なくとも一台の低温側熱交換器と、
３）前記少なくとも一台の高温側熱交換器と前記少なくとも一台の低温側熱交換器との間に位置する少なくとも一つの熱電モジュールとを備え、前記少なくとも一つの熱電モジュールは高温表面と低温表面とを形成し、
ａ）複数の熱電素子用の空間が一体に成形され、前記空間の壁にギャップのない矩形格子と、
ｂ）複数のｐ型熱電素子と、
ｃ）複数のｎ型熱電素子とを備え、
前記ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は，前記熱電素子の空間の中に位置しており、さらに、
ｄ）前記低温表面上でｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを接続している前記低温表面上の金属被覆と、
ｅ）前記高温表面上でｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを接続している前記高温表面上の金属被覆とを備え、
複数の前記熱電素子が直列に電気接続されている熱電発電機。
【請求項３２】
さらに、前記熱電モジュールと前記熱交換器との間の密接な接触を維持するための圧縮手段を備えていることを特徴とする、請求の範囲第３１項に記載の熱電発電機。
【請求項３３】
前記圧縮手段が少なくとも一組のベルビルばねを備えていることを特徴とする、請求の範囲第３２項に記載の熱電発電機。
【請求項３４】
前記矩形格子が、射出成形矩形格子であることを特徴とする、請求の範囲第３１項に記載の熱電発電機。
【請求項３５】
前記射出成形矩形格子が耐熱材料から構成されていることを特徴とする、請求の範囲第３４項に記載の熱電発電機。
【請求項３６】
前記熱交換器がグリコールで冷却されることを特徴とする、請求の範囲第３１項に記載の熱電発電機。
【請求項３７】
それぞれが高温および低温表面を形成する複数の熱電モジュールを備えた熱電発電機を製造する方法において、
ａ）電気絶縁材料から、少なくとも四枚のギャップのない絶縁壁を有する複数の熱電素子用の空間が形成された絶縁矩形格子を一体に成形する工程と、
ｂ）それぞれが前記複数の熱電素子の空間のうちの一つに適合するような形状を有する複数のｐ型熱電素子を製造する工程と、
ｃ）それぞれが前記複数の熱電素子の空間のうちの一つに適合するような形状を有する複数のｎ型熱電素子を製造する工程と、
ｄ）前記複数の熱電素子の空間に予め決定した形態で前記複数のｐ型熱電素子と前記複数のｎ型熱電素子とを挿入する工程と、
ｅ）前記矩形格子の一方の側面に電気接続を配設して高温側を形成し、他方の側面に電気接続を配設して低温側を形成し、高温表面と低温表面とを形成して、複数の前記熱電素子を直列に接続し、熱電モジュールを作成する工程と、
ｆ）低温側熱交換器と高温側熱交換器とを製造する工程と、
ｇ）前記低温側熱交換器と、前記高温側熱交換器との間に前記熱電モジュールを加圧状態で組み立てる工程とを備えた、熱電発電機を製造する方法。
【請求項３８】
前記ギャップのない矩形格子が射出成形法を使って形成されていることを特徴とする、請求の範囲第３７項に記載の方法。
【請求項３９】
前記射出成形法が、液晶プラスチックを前記矩形格子の型の中に射出し、前記プラスチックを該型の湯口を通って該型の型穴の中に流し込む工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第３８項に記載の方法。
【請求項４０】
前記電気接続が、前記高温および低温側上に金属被覆を熱噴射する工程を利用して行われることを特徴とする、請求の範囲第３７項に記載の方法。
【請求項４１】
さらに、金属被覆部を研磨し、矩形格子の表面縁部を露出する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４２】
さらに、電気絶縁膜で高温および低温表面の両方を被覆する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第４１項に記載の方法。
【請求項４３】
さらに、金属層で前記電気絶縁膜を被覆する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第４２項に記載の方法。
【請求項４４】
前記電気絶縁膜が粘着性の膜であることを特徴とする、請求の範囲第４２項に記載の方法。
【請求項４５】
前記膜がポリイミド膜であることを特徴とする、請求の範囲第４４項に記載の方法。
【請求項４６】
前記電気絶縁膜が有機または無機の被覆を含むことを特徴とする、請求の範囲第４２項に記載の方法。
【請求項４７】
前記ギャップのない絶縁矩形格子が、鋳造、スリップ鋳造、押し出し成形、真空成形、機械加工、鍛造打型鋳造、粉末圧縮成形、および鍛造から選択した一つの方法によって形成されていることを特徴とする、請求の範囲第３７項に記載の方法。
【請求項４８】
前記ギャップのない矩形格子が、三つの型枠を押し出し、前記三つの型枠のそれぞれを適当な薄さの薄切りにし、それらを重ねて完全なギャップのない矩形格子を形成するという押し出し法で形成されていることを特徴とする、請求の範囲第３７項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、熱電デバイスかつとくにモジュール式熱電デバイスに関するものである。
従来技術
熱電デバイスは良く知られている。これらのデバイスは１８２１年に発見されたゼーベック効果および１８３４年に発見されたペルチェ効果として知られる物理的原理を利用している。ゼーベック原理は、異なる材料（銅および鉄のごとき）からなる２本のワイヤが２つの接合部を形成してそれらの端部で接合され、かつ一方の接合部が他方の接合部より高い温度に保持されるならば、電位差が２つの接合部の間に生起することを我々に教えている。ペルチェ効果は逆の作用を説明している。電流が異なった材料から作られる回路を通って送られるならば、熱が一方の接合部において吸収されかつ他方の接合部において放出されるかまたは導き出される。
電気を発生するためにまたは冷却のために現在使用中の現行の多くの熱電デバイスは電気の良好な導体であるが熱の不十分な導体である半導体材料（テルル化ビスマスのごとき）を利用している。これらの半導体は電子の過剰（ｎ型）または電子の不足（ｐ型）を創出するために代表的には大いにドーピングされている。ｎ型の半導体は冷たい側に負の電荷を発生させかつｐ型の半導体は冷たい側に正の電荷を発生させる。
半導体熱電デバイスの各素子は数ミリボルトのみを発生するので電気の発生のためにより高い電圧を発生するかまたは冷却のためにより高い電圧の使用を許容するように素子を直列に配置するのが一般に有用である。熱電デバイスにおいて半導体素子を直列に配置するための幾つかの技術が開発されている。かかる従来の１つの方法は第２０図に示される。このデバイスにおいてｐおよびｎ型の半導体が市松模様パターンに配置されかつ電気ジャンパー線が、すべての半導体素子を互いに直列に並べるように冷たい側および熱い側において、各々２つの異なった半導体に半田付けされる。この方法は低コスト方法でかつ良好に確立されるが幾つかの制限を有している。高い湿度において大気の水分は素子間の空間において凝固しかつモジュールを熱的にショートさせるかも知れない。その構造は機械的に強固でなくかつ容易に壊れる。
他の現在使用されている方法は第２１図に示される所謂、矩形格子設計である。ここで、絶縁体材料から作られる「矩形格子」は熱電素子を分離はかつ半田付けなしに良好な電気的接続を設けるために電気ジャンパー線が素子に対して押し付けられる。また、電気的接続を設けるためにこれらの矩形格子の各側に導体材料を噴霧することも知られている。従来技術の設計において、矩形格子は精密レーザカッターを使用して一連のスロットを有している形状に切断される個々の帯片から製造されている。帯片は次いでレーザで機械加工されたスロットを組み合わせることにより矩形格子に組み立てられる。すべての素子は矩形格子の適切な構成によって直列に接続され得る。明らかなように両方のデバイス中に直列であるように所望の数の素子を配置することができる。したがって、直列の幾つかの素子は直列のセットを形成することが可能でかつこのセットは他の同様なセットと並列に配置されることもできる。従来の矩形格子の主要な欠点は第２１図に示されている。第２１図において明らかであるように、交差する帯片によって形成された接合部でのギャップはとくに電気ジャンパー線が金属噴霧のごとき技術を使用して塗布されるならば隣接するセル間に電気的短絡を発生させるかも知れない。かかる短絡は明らかに実質上性能を低下させ、モジュールのパワー出力を減少する。
また、従来技術の矩形格子モジュールは、主として、矩形格子を組み立てかつ素子を格子に取り付けるための労力コストが高いという事実により高価である。必要とされるものはギャップの無い、より低コストの熱電矩形格子モジュールである。
発明の概要
本発明は熱電モジュールを提供する。該熱電モジュールはギャップの無い矩形格子に取り付けられる熱電素子をを含んでいる。ギャップなしの壁を有する矩形格子は射出成形のごとき技術を使用して形成される。このギャップの無い矩形格子は多数のｐ型およびｎ型熱電素子用の絶縁された空間を設けている。空間の壁内のギャップの不存在は事実上電気的接続が金属噴霧技術によって作られるときでも素子間の壁間短絡の可能性を除去する。ギャップの無い矩形格子の製造は、矩形格子を製造する従来の技術に比して熱電矩形格子を製造する労力コストを大きく減少するために成形および鋳造のごとき幾つかの利用可能な技術を使用して自動化され得る。熱電素子、ｐ型およびｎ型の両方が製造されかつ予め定めた型の用途に関して所望の熱電効果を設けるために予め定めた方法においてギャップの無い矩形格子において絶縁された空間に挿入される。電気的接続は熱電素子を所望のごとく直列または並列に接続するためにモジュールの熱いおよび冷たい側両方に確立される。通常、ほとんどまたはすべての素子は直列に接続される。
本発明の好適な実施例において、ギャップの無い矩形格子は高温プラスチックから形成される。この実施例においてｐ型熱電材料が押出し成形されかつ次いでｐ型熱電素子を形成するためにスライスされかつ市松模様にされ、そしてｎ型熱電材料が押出し成形されかつｎ型熱電素子を形成するために市松模様にされる。ｎおよびｐ型素子はまた鋳造材料または高温圧縮した材料からスライスされかつ市松模様にされ得る。熱電素子は金属噴霧が熱いおよび冷たい側に塗布されるとき熱電素子をすべて直列に並べるような配置において矩形格子内で負荷される。２本の電気リード線が利用されかつ熱いおよび冷たい両側の電気的接続が金属熱噴霧技術を使用して設けられる。モリブデンの薄い層が表面の一方に噴霧されかつ次いでアルミニウムのコーティングがモリブデンの上に噴霧される。次いで表面は素子間の接続が所望される以外の絶縁矩形格子壁を露出するように研磨される。この好適な実施例において密封が次いで熱いおよび冷たい両表面上に適用される。この密封はデュポン社のカプトン・フィルムのごとき非常に薄い電気絶縁層から構成されかつこの電気絶縁層の上にアルミニウムからなる層が設けられる。
本発明の好適な実施例において、８個のモジュールが約華氏３００°の温度差で熱いおよび冷たい流体から１２ボルトで約６２ワットの電力を発生することができる電気発生器を作るように配置される。熱電モジュールはベルビルばねによって設けられるばね力により熱い側熱源および冷たい側熱シンクと密接して保持される。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図および第１Ｂ図は本発明による矩形格子の２つの図をを示す。
第２図ないし第９図および第１１図は上記矩形格子の断面図である。
第１０図は端面図である。
第１２図および第１４図は好適な素子配置を示す図である。
第１３図は矩形格子、素子および金属コーティングの１部分を示しているモジュールの断面の１部分の拡大図である。
第１５Ａ図および第１５Ｂ図および第１６Ａ図および第１６Ｂ図は矩形格子を作るための鋳型を示す図である。
第１７図は我々の射出成形方法を示す図である。
第１８図は嵌合された鋳型を示す図である。
第１９図は我々の金属化方法を示す図である。
第２０図は従来の熱電デバイスを示す図である。
第２１図は従来の矩形格子デバイスの詳細を示す図である。
第２２図は第２４図に示される熱電発生器の詳細図である。
第２３図は第２２図の断面図である。
第２４図は好適な実施例の熱電発生器の外観図である。
第２５図は第２２図に示した熱電発生器が坑口装置乾燥プラントに適合する場合を示す図である。
第２６図は幾つかの熱いグリコール温度に関してグリコール流量の関数としてのパワー出力の曲線を示す図である。
第２７図は絶縁および導電層からなる密封によって被覆された熱電モジュールを示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の好適な実施例は以下に記載されるごとく製造され得る。
矩形格子の製造
射出成形した矩形格子
この好適な実施例の矩形格子は第１５Ａ図および第１５Ｂ図および第１６Ａ図および第１６Ｂ図に示される鋳型パターンを使用して射出成形される。第１５Ａ図および第１５Ｂ図は鋳型パターンの底部２０を示しかつ第１６Ａ図および第１６Ｂ図はパターンの頂部２２を示している。頂部および底部は第１８図にそれらの成形位置において示される。液晶ポリマー樹脂、デュポン・ゼナイトのごとき高温プラスチックが第１７図に描かれたような射出成形機２６内に良く知られたプラスチック成形技術を使用して湯口２４を通って注入される。デュポン・ゼナイトによれば、乾燥機は２７５Ｆで維持されかつバレル温度範囲は後方で６２５Ｆからノズル近傍で６４０Ｆに維持される。底部鋳型および頂部鋳型双方は約２００Ｆの温度に維持される。ゼナイトは５５０°Ｆで溶融する。通常の方法において流体プラスチックは湯口２４、ランナ２８、およびゲート３０を通って金型キャビティに移動する。通気は第１８図に符号３４で示される。仕上がった部品は第１７図に示されるように射出ピンによって押し出される。出願人の供給者によってなされた初期の製造運転は約５０矩形格子／時間の割合で優れた矩形格子を製造した。この割合は１作業者に関して２００矩形格子／時間まで容易に増加されることができかつ最終的に本方法は完全に自動化され得る。これは絶縁材料からなる適宜にスロットが付けられた層から熱電モジュール矩形格子を組み立てる従来の方法による約３矩形格子／時間の１作業者の製造量に匹敵する。
完成した射出成形した矩形格子が第１Ａ図に示される。この実施例は１００個の熱電素子用の箱（空間）を含んでいる。好適な実施例において隅部空間のうちの２つが電気リード線用のより起用力なベースを作るために除去される。素子の寸法は５．１ｍｍ×５．１ｍｍ×３．０ｍｍである。矩形格子の底部での空間の寸法は５．１ｍｍ×５．１ｍｍである。矩形格子の頂面図が第１図に示されている。第２図ないし第９図は矩形格子の種々の断面を示している。第１０図は側面図そして第１１図は矩形格子によって作られる箱の１つの拡大図を示す断面図である。留意すべきことは、箱の壁の上方部分が第１１図に符号Ｙで示されるように５°テーパが付けられているということである。この実施例において箱の壁の垂直部分は第１１図に符号Ｘで示されるように０．２平方インチを形成する。この寸法は−０．００１の許容誤差で０．２００平方インチである熱電素子の緊密な嵌合を設けるために＋０．００１の許容誤差に保持される。留意すべきことは、第１１図および第１２図に示されるような支持隆起部６２が矩形格子の２つの表面の間の中間面において矩形格子の境界のまわりに設けられるということである。この支持隆起部は矩形格子の過剰な強度を設けかつモジュール製造の次の段階の間中利用されかつ使用のために完成したモジュールを取り付けるのに有用にし得る。
第１２図はＰおよびＮ素子に関して示される位置を有する矩形格子の頂面図を示す。素子は、各素子が第１図および第１１図に示されるようにストツパ１０に対して堅固に載置することを保証する取り付け装置によりこれらの位置に配置される。導体材料が次いで矩形格子の頂部および底部に噴霧されかつ次いで頂部および底部はすべての絶縁体表面の頂部が導体材料から取り除かれるまで研磨される。矩形格子を負荷するための好適な方法は後で詳細に議論される。第１３図および第１４図は第１２図に示されるような位置１３−１３および１４−１４での仕上がった製品の断面の例を示す。第１４図において留意すべきことは、どのような実施が熱電素子をすべて電気的に直列に接続することができるかということである。この特別な断面において熱い表面は頂部上にありかつ電子の流れは左から右である。
熱電素子の取り付け
熱電素子
５．１ｍｍ×５．１ｍｍ×３．０ｍｍの寸法を有する熱電素子が、ニュー・ジャージー州パーク・リッジの野イエス・データコーポレイションによって１９７０年に発行された、ジィッティッヒにより編集された熱電材料に記載された技術のごとき幾つかの良く知られた技術のいずれかを使用して製造される。好適な材料は高温用途に関してテルル化鉛そして低温用途に関してはテルル化ビスマスである。これらの素子はまた、ニュー・ジャージー州トレントンに事務所を有するメルコア・コーポレイションのごとき供給者から市場で購入され得る。素子の半分は”ｎ”素子でかつ半分は”ｐ”素子である。
矩形格子の負荷
第１２図に示されるごとき矩形格子の適切な箱内に”ｐ”素子を配置する。素子がストツパに対して嵌まり込むことを保証する。”ｎ”素子を第１２図に示されるごとく矩形格子の適切な箱内に配置する。各素子がストツパに対して嵌まり込むことを保証する。長さ２インチ、幅１／８インチの銅製メッシュワイヤリード線を第１２図に示されるように位置６１および６３において挿入する。代替的に、リード線が取着される隅部位置は、これら２つの位置での空間に代えて、空間が固い矩形格子材料でありかつ固いプラスチックで充填されたこれら２つの位置により成形されるように変更され得る。したがって、隅部素子は銅製リード線接続がなされる位置において存在しない。そこでこの実施例においてリード線６１が取着するＰ位置が固いプラスチック（約０．５立方センチメートル）でかつリード線６３が取着するＮ位置が固いプラスチック（約０．５立方センチメートル）である。これは矩形格子への銅製リード線の溶接を自動化する能力を改善する。モジュールの熱い側でこのプラスチックは矩形格子の高さ全体に延びるが冷たい側でこのプラスチックは隣接する素子と同一の高さにのみ延びる。銅製リード線（第１２図の部品６１および６３）は素子が通常配置されるプラスチック上に位置決めされかつ銅製リード線がプラスチックが軟化し始める点に加熱される平行ギャップスポットを使用しそしてリード線は軟化されたプラスチックに押し付けられる。銅製リード線を結合するための固いプラスチック隅部を有することは、隅部素子を過度に加熱しかつ「ストツパ」（第１図および第１１図の部品１０）を溶融するのを阻止するので重要な利点である。ストツパが溶融すると、平行ギャップ溶接機からの圧縮力が所定位置から外れて隅部素子を動かすことができそれによりモジュールの完全な状態を危うくする。隅部素子になされる困難な溶接が厳格な仕様を要求するので、本方法は自動化するのが難しい。リード線をプラスチックに溶接するのは簡単でかつ溶接パラメータを変化するのに耐える。除去される他の問題は隅部素子に銅製リード線を溶接する困難さにより発生される亀裂の入った隅部脚部および弱い溶接である。
熱電素子用電気接続の備え
熱いおよび冷たい表面の金属化
ばね負荷クランプを仕様して、我々は回転可能なマンドレルに多数のモジュールを締め付ける。第１９Ａ図および第１９Ｂ図において、我々はかかるマンドレルに締め付けられる２０個のモジュールを示している。我々は次いで５５ｒｐｍで回転しているマンドレルにより均一なマット仕上げに１８０〜２４０グリットＡｌ２  Ｏ３  によりモジュール／素子表面をグリット吹き付けする。次いで我々はモジュール／素子表面を綺麗に吹き払うために圧縮空気を使用する。次に、我々は第１９Ａ図および第１９Ｂ図に示されるような熱噴霧コーティング装置を仕様して露出された表面に金属熱噴霧コーティングを塗布する。これらの噴霧技術は良く知られている。さらに他の詳細は、アメリカ金属協会によって発行された、金属ハンドブック、第９版においてもたらされる。種々の金属が表面を被覆するのに使用され得る。我々の好適なコーティングは第１の０．００６インチの厚さのモリブデンコーティングおよび第２の０．０６インチの厚さのアルミニウムコーティングからなる２層コーティングである。モリブデンは、表面が熱電表面の酸化を最小にするためにできるだけ迅速に被覆されるように堆積される。この実質的な結合コーティングをなし遂げるためにガンが加工片に非常に近接して、およそ４インチに保持される。この距離はモリブデンに関する熱噴霧産業において代表的に使用される距離より非常に少ない。モリブデンコーティングはアークワイヤガンの代表的なモリブデン噴霧パラメータを使用して”およそ０．０００５”の増分において０．００６インチまで形成される。１４ゲージモリブデンを備えたメトコ５ＲＧアークワイヤ装置を使用すると、霧化空気圧力は８０ｐｓｉ＋／−５ｐｓｉであり、作動電圧は３２ＶＤＣそして作動アンペア数は１７５ａｍｐｓ＋／−１０ａｍｐｓである。ワイヤクランプは５０ｐｓｉの圧力を使用する。アルミニウムはこれが完全に密集しかつ強くないように意図的に堆積される。コーティングが強過ぎるとコーティングは熱電材料に亀裂または欠陥を生じるかも知れないモリブデン−熱電表面中間面の近くに展開するような顕著な応力を発生する。アルミニウムは加工片からおよそ１７インチのガンにより堆積される。この距離はアルミニウムに関する熱噴霧産業において代表的に使用される距離より非常に大きい。１４ゲージのアルミニウムワイヤに関して、霧化空気圧力は５０ｐｓｉ＋／−５ｐｓｉであり、作動電圧は２９ＶＤＣそして作動電流は１５０＋／−１０ａｍｐｓである。ワイヤクランプは４５ｐｓｉの空気圧力を使用する。この方法において堆積されたアルミニウムは良好な電気導体として作用するように十分に導電性である。上述したパラメータは断面において約．２００インチ×．２００インチである熱電素子に関して展開された。断面寸法が減少されときモリブデン−アルミニウム中間面近くに創り出された熱応力はより小さくかつそれゆえ亀裂を受け易さが小さいので噴霧パラメータを緩めることができる。両方のコーティングは、５５ｒｐｍで回転するマンドレルおよび約０．２インチ／秒で前後に走行する噴霧ガンを備えている第１９Ａ図および第１９Ｂ図に示される装置を使用して塗布される。表面が塗布された後、我々は噴霧されてない表面を露出するようにモジュールを再び取り付けかつ上述した方法を繰り返す。
モジュール表面の縮小
噴霧された表面は矩形格子壁を露出するように縮小されねばならない。これを行うために、我々は表面仕上げまたはラッピング機械の取り付けチャックに噴霧されたモジュールを位置決めする。我々の好適な仕上げ方法は精密サンドブラストまたは二重側部ラッピングまたはそれら両方を利用する。我々はモジュールの表面を第１１図および第１２図に示される矩形格子耳片６２から測定されるような適切な高さに減少する。我々は次いでチャックからモジュールを取り除き、モジュールを逆にしそしてモジュールの反対面をモジュール表面が矩形格子耳片から適切な高さであるまでモジュールの反対面を減少する。
絶縁密封の適用
この点においてモジュールは完成するが素子と矩形格子の壁との間の空間に水分蓄積を受け易い。この水分は熱短絡でありかつ時間の経過で腐食を生じるかも知れない。モジュールはデュポンにより創られるポリイミドフィルムを使用して各面にアルミニウムシートの薄い層を結合することにより密封されることができる。該フィルムは商標カプトンによって知られておりかつ適切なフィルムの型式は１００ＫＪである。圧力下で加熱されるとこのフィルムは該フィルムが接触する表面に結合する。このカプトン片をモジュールの表面とアルミニウムの薄いシートとの間に位置決めすることにより、アルミニウムはモジュールに緊密に結合されるがアルミニウムはカプトンフィルムによって絶縁されるのでモジュールに電気的に接触しない。カプトン−アルミニウム密封は両方の層の厚さが誇張されている第２７図に示される。これは好適な実施例を構成するがアルミニウムシートは銅シートまたは他のいずれかの金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックシートで置き換えられ得る。自己接着カプトンフィルムがまた同様なフィルムまたは接着剤とともにまたは接着剤なしで使用されるコーティングと置き換えられることも可能である。また、それらを結合することなしに絶縁体および導体フィルムを使用することもできる。
モジュールの面を密封するこの方法はモジュールの素子を非常に補強する追加の利点を有している。また、この密封方法はモジュールの表面をモジュールの電気回路から電気的に絶縁させる。これは、モジュールを熱電発生器または冷却装置に取り付けるときモジュールを熱源または熱シンクから電気的に絶縁する必要（かつ関連のコスト）を除去する。
検査
我々はモジュールの熱い表面を２５０℃に加熱しかつモジュールの冷たい側を５０℃に冷却する。我々は次いでモジュールの開放回路電圧を測定する。回路電圧はテルル化ビスマス素子を使用して約３．２ボルトにすべきである。我々は次いで電圧が１．６ボルトに降下するまでモジュールに電気的負荷を印加しかつ電流を測定する。我々はＰ＝Ｉ×Ｖとしてモジュールによって発生されたパワーを計算する。我々はテルル化ビスマス素子に関して少なくとも１３ワットのパワーレベルを予想する。
熱電気発生器ユニツト
熱電気発生器２８の概略図面が第２４図に示されそして発生器の詳細な変形例が第２２図および第２３図に示される。ユニツトは、１つの熱い側熱交換器４０、第１の冷たい側熱交換器４２、接続ホース４３、および第２の冷たい側熱交換器４４、直列に電気的に接続された８個の熱電モジュール４５および４個のばね負荷圧縮要素４６からなっている。熱いグリコールが符号Ａで熱い側熱交換器４０に入りかつ第２４図に示されるように符号Ｂで出る。冷たいグリコールが符号Ｃで冷たい側熱交換器の一方４２に入り、それおよび接続ホース４３（第２０図に示される）を通過しかつ次いで他の冷たい側熱交換器４４を通過しそして第２４図に示されるように、符号Ｄにおいて出る。
熱交換器
熱い側熱交換器４０はこの実施例において溶接された鋼構造である。熱交換器の本体は長さ１４  １／２インチ、幅３インチである。基本的には２つの同一の機械加工されたフィン付き部分４０Ａおよび２０Ｂから構成されている。これら２つの部分はともに溶接されかつニップル４０Ｃおよび４０Ｄが熱いグリコール用のフィン付き通路を形成するように第２２に示されるように熱交換器の反対端で溶接される。冷たい側熱交換器の各々はまた溶接された鋼構造である。該熱交換器は各々フィン付き部分４２Ａおよび４４Ａおよび冷たいグリコール用フィン付き通路を形成するようにともにかつニップル４２Ａおよび４２Ａに溶接されるカバープレート４２Ｂおよび４２Ｂからなる。
圧縮要素
圧縮要素４６は、基本的に高さ５．６４インチ、幅３  ３／４インチおよび厚さ１  ３／４インチの外側寸法を有する４辺をもつ矩形フレームである鋼製フレームからなる。該フレームは熱交換器および熱電モジュール４５を収容するために幅３．１２インチおよび高さ５．０２インチの矩形空間を備えている。各フレームはまた推力ボタン４６Ａ１および六角ナット整合空間を含むナットプレート４５Ａ２からなっている。圧縮要素４６は熱交換器および熱電モジュール上に１０００ポンドの圧縮を供給する。これはベルビルばね積み重ね体４６Ｂによってなし遂げられ、各ばねは、その各々が順次、第２３図に示されるように２枚の薄い（厚さ０．０１インチ）アルミナ（Ａｌ２  Ｏ３）ウェーハ４６Ｃ間に挟まれる２つの熱電モジュール４５上で心出しされる。留意されるべきことは、アルミナウエーハ４６Ｃは、熱電モジュール４５が第２７図に示されるカプトン−アルミニウム密封のごとき絶縁密封体によってすでに被覆されているならば必要とされないということである。負荷はばね積み重ね体４６Ｂを圧縮するためにナット４６Ｅを介して調整ネジ４６Ｄを締め付けることにより設けられる。ナット４６Ｄ上にネジ４６Ｄによって発生されるトルクはナットプレート４６Ａ２によって抵抗される。ネジ４６Ｄによって発生される上向き推力は調整ナット４６Ｅかつ次いで支持フレーム４６Ａによって頂部側で圧縮要素４６の反対側に置かれた推力ボタン４６Ａ１に吸収される。ネジ４６Ｄからの下向き推力は負荷ワッシャ４６Ｈおよびばね積み重ね体４６Ｂによって底部側で吸収される。したがって、２つの熱電モジュール４５は推力ボタン４６Ａ１およびばね積み重ね体４６Ｂによって設けられる約１０００ポンドの反対の力により熱交換器間に緊密な圧縮において保持される。
坑口装置乾燥装置
本発明の好適な実施例において熱電発生ユニツト２８は坑口装置乾燥プラントに第２５図に示されるように挿入される。この熱電発生器はその熱源としてパイプ９を通って再沸騰ボイラ１を出ている熱い（３７５°Ｆ）乾燥グリコールを利用しかつその冷却シンクとしてパイプ１４を通って予備加熱熱交換器８に入っている冷たい（６０°Ｆ）湿ったグリコールを利用している。
ユニツトの性能
３７５°Ｆの熱い側温度および約６５°Ｆの冷たい側温度を有する、直列に接続された８個の熱電モジュールの合計出力は約１２ボルトで約６２ワットの範囲にある。追加のパワーおよびより高い電圧は追加の熱電発生器ユニツトを付加することにより得られることができる。示されるように乾燥プラントの利用可能な廃棄エネルギの比序用に小さいパーセンテージが上述した装置において利用された。
第２６図は幾つかの熱いグリコール温度についてのグリコール流量の関数としてのパワー出力の曲線を示している。１０ｇｐｍより大きい流量に関して、増大したパワーを提供するために１以上のユニツトを直列に接続することが実現可能である。３０ｇｐｍ以上の流量に関して発生器は好ましくは並列に接続されるべきである。これらの範囲外の流量に関してユニツトの再設計が好ましくはユニツトをより長くまたはより幅広にすることができるかも知れない。
領域に発生器を取り付ける技術者は彼らが発生器をバイパスさせるためにバイパスラインおよび弁を組み込むように選択するかも知れない。これは必要とされないならばまたは修理のために運転から取り除かれるような発生器を許容する。流量制御弁は、多くの場合に必要とされないけれども所望ならば設けられ得る。発生器が陰極保護を設けるように使用されるならば、発生器は通常、装置条件に整合するように装置インピーダンスを自動的に変化する定電流調整器に接続される。発生器が照明、器具または通信用パワーを供給するのに使用されるならば、発生器は通常、定電圧分岐調整器に接続される。バッテリは装置を作動するのに必要とされない。しかしながら、発生器が短期間ピークパワー条件が発生器からの通常のパワー出力より高い通信のごとき装置用のパワー出力を供給するのに使用されるならば、その場合にバッテリおよびバッテリとバッテリ調整器は短期間高いピーク負荷を支持するために含まれる。この剰余の設備のすべてが「在庫があって」得られることが可能である。
本発明の上述した説明は図示のために示されかつ開示された正確な形状に本発明を制限するように意図されない。理解されることは、多くの変更および変化が当該技術に熟練した者によってなされ得るということである。例えば、説明されたモジュール以外の熱電モジュールが利用されその場合に熱交換器および圧縮要素の細部は多分適宜に変更される必要がある。より多くの熱電素子を備えたモジュールを創ることを実行することができ、その場合に単一の熱電モジュールが所定の電圧を供給するのに十分であるかも知れない。熱交換器との良好な熱的接触に熱電素子を保持する他の公知の方法が使用され得る。記載された位置以外の位置において熱いおよび冷たいグリコールラインを活用する利点があるかも知れない。熱交換器は溶接された炭素鋼ユニツトとして記載された。これらの熱交換器はこの明細書の教示を利用する他の公知の技術により作られることが可能である。販売がそれを容認するのに十分高いとき、出願人はアルミニウム鋳造を使用して熱交換器を製造することを計画している。これはコストを非常に低減する。
熱電モジュールに関して、ゼナイトに加えて多くの他の材料が射出成形される矩形格子に使用され得る。これらはザイダール（Ｘｙｄａｒ）（実質上ゼナイトと同等であるアマコによって製造される）、ポリエチレン、シリコン、テフロン、および他の多くの物を包含する。ゼナイトは、より高い温度でのその優れた特性（すなわち、溶融点、熱的安定性等）のため主として選択された。また、「スリップ」の形においてセラミック材料を使用することを可能にすべきである。（このスリップは液体中に懸濁された微細なセラミック材料を説明するのに使用される用語である。）成形後、液体は乾燥することにより除去されおよび／またはは鋳型（代表的には焼石膏）が液体を吸収する。構成要素は次いでそれにら強度を付与するために焼結される。ゼナイトは、事実上、材料コストを低減しかつ他の材料特性を制御するために微細なガラス粉末充填物を含んでいる。この充填物は炭素のごとき他の幾つかの材料またはファイバーグラス、グラファイト繊維等から作られる細かく切り刻んだ繊維にすることもできる。使用され得る他の成形可能な材料は有機物から加熱されるとき無機物に変換する有機先駆物質または無機物それ自体である。この性質の材料は、典型的にほとんどの有機材料についての上限である３５０℃より高い温度で作動するＰｂＴｅおよびＳｉＧｅのごとき高温熱電材料により使用されるより高い温度の矩形格子に非常に望ましい。これらの材料は有機材料が代表的にはそれらの強度を失う温度でより高い値に負荷されるような矩形格子を許容する。燐酸塩および珪酸塩ペーストおよびセメントがまた高温用途の矩形格子材料に使用されるかも知れない。
ギャップの無い矩形格子を製造するための他の方法が記載された射出成形方法に代えて使用され得る。
鋳造
幾つかの鋳造方法が矩形格子の製造に適する。樹脂の２部分のエポキシが記載された鋳型と同様な鋳型内に注入されかつ矩形格子を形成するために硬化されることができる。鋳造を使用することにより要素はインサートとして鋳型内に包含されかつ所定位置において鋳造することができる。鋳造され得る他の材料はプラスチック、ガラス、セラミックおよび金属合金である。
スリップ鋳造
材料を鋳造するための他の方法はスリップ鋳造である。スリップ鋳造は、通常焼石膏から作られる鋳型がスリップの外に水を引き出す成形方法である。この方法は型（矩形格子構造を繰り返す）壁に順応する堆積を後ろに残す。堆積は次いで乾燥されかつ堅固な構造に熱せられる。「スリップ」は製造されるべき構成要素の微細な粉末から作られかつそれは水中に懸濁される。粉末は有機クリヤランス無機材料にすることができる。
吹き付け成形
プラスチックフィルムが鋳型内に挿入されかつ圧縮空気により鋳型の形状に順応するように吹き付けられる。
押出し成形技術
矩形格子がモジュールの熱いおよび冷たい表面に対して平行な平面において断面されるとき、３つの異なる輪郭が可能である。これら３つの輪郭は押出し成形され得る。熱い側の近くで断面の輪郭は熱い側コネクタの位置を定義する。矩形格子の中心近くで素子の位置を定義しそして矩形格子の冷たい側の近くで輪郭は冷たい側素子の位置を定義する。輪郭の各々は押し出し型によってプラスチック喪ガラスまたはセラミック（未焼成のまたは焼かれてない状態において）を押出し成形することにより形成され得る。押出し成形物は次いで適宜な厚さにスライスされかつ完成されたギャップの無い矩形格子を形成するためにともに薄片にされる。また、可能であることは、単一の押出し成形輪郭が適宜な厚さにスライスされかつ次いでそれに続いて種々の技術を使用して端部上の所望の形状に形成される（ストツパを形成しかつ電極を収納するために）。セラミック押出し成形物は成形作業後焼かれる。
真空形成
薄いプラスチックシートが所望の形状を採用するように加熱された鋳型上に形成される。プラスチックはギャップの無い矩形格子を設けるために真空によりまたは幾つかの場合において圧縮空気により鋳型上に強制される。
従来の機械加工
ギャップの無い矩形格子がプラスチック材料のブロツク内に素子用の空間を機械加工することにより形成され得る。同様に幾つかの機械加工可能なセラミック材料が、所望の矩形格子構造を形成するために。穿孔され、形作られ、フライス加工等をされ得る。超音波機械加工、レーザ機械加工およびウォータージェット機械加工技術がまたプラスチックまたはセラミック材料のブロックからギャップの無い矩形格子を形成するのに使用されることができる。
打ち抜き
ギャップの無い矩形格子は材料のシートに所定の大きさの正方形の孔を打ち抜く工具を設計することにより形成され得る。孔の底部でのストツパは次いで材料の幾つかをストツパとして作用するようにフレームに入れ換える第２の作業において形成され得る。
ダイキャスト
形成されるべき材料（プラスチック、ガラス、セラミックスラリまたは金属）がギャップの無い矩形格子の所望の形状を形成するために金型キャビティに注入される。
粉末圧縮
金属、プラスチック、セラミックまたはガラス粉末がパンチおよび雌型の組み合わせの形状（ギャップの無い矩形格子の形状）を採用するために十分な力で雌型中に圧縮される。未成形の部分が次いで放出されかつ続いて強度を増加するように焼成され得る。
鍛造
形成されるべき材料が鋳型の所望の形状（ギャップの無い矩形格子）が形成されている部片に付与されるまで鋳型の２つの半体間で繰り返して鍛造される。
したがって、本発明の精神および範囲内に入るようなすべての変更および変化をカバーすることが添付の請求の範囲によって意図される。
【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６】
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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２７】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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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２４】
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【図２５】
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【図２６】
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