(57)【要約】導電型が同じ２本の脚体（２２ａ）を含む少なくとも１つの単極性対素子（２２）を有する熱電装置が提供される。第１温度ステージ（２４）は２本の脚体の一方と接続される。第２温度ステージ（２８）は前記少なくとも１つの単極性対素子の２本の脚体にその間を架橋するように接続される。第３温度ステージ（３０）は２本の脚体の他方に接続される。対象物を冷却するための方法と熱電電力変換を行うための方法では前記少なくとも１つの単極性対素子を利用して対象物の冷却や発電がそれぞれ行われる。
2006507690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電型が同じ２本の脚体を有する少なくとも１つの単極性対素子と、
前記２本の脚体の一方に接続された第１温度ステージと、
前記少なくとも１つの単極性対素子の前記２本の脚体にその間を架橋するように接続された第２温度ステージと、
前記２本の脚体の他方に接続された第３温度ステージと、を具備する熱電装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの単極性対素子はその２本の脚体の中をそれぞれ正反対の方向に電流が流れて各脚体にわたって温度差が設けられるように構成されている、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの単極性対素子はその２本の脚体にわたって設けられた温度差から電位および電流の少なくとも一方が生成されるように構成されている、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの単極性対素子は一対のｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3超格子サーモエレメントから成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項５】
前記ｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3超格子サーモエレメントは３００ＫにおいてＺＴ＞１を有する、請求項４に記載の熱電装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの単極性対素子は一対のｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3／Ｂｉ2Ｔｅ3-xＳｅx超格子サーモエレメントから成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項７】
前記ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3／Ｂｉ2Ｔｅ3-xＳｅx超格子サーモエレメントは３００ＫにおいてＺＴ＞１を有する、請求項６に記載の熱電装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの単極性対素子は一対のｎ型ＰｂＴｅＳｅ／ＰｂＴｅ超格子サーモエレメントから成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項９】
前記ｎ型ＰｂＴｅＳｅ／ＰｂＴｅ超格子サーモエレメントは３００ＫにおいてＺＴが〜１．６を有する一対のｎ型ＰｂＴｅＳｅ／ＰｂＴｅ量子ドット超格子サーモエレメントから成る、請求項８に記載の熱電装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの単極性対素子は一対のｐ型ＰｂＴｅＳｅ／ＰｂＴｅ超格子サーモエレメントから成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの単極性対素子は少なくとも１セットの単極性ｐｐ対素子と少なくとも１セットの単極性ｎｎ対素子とを具備して成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの単極性対素子は１セットのｐｐ対と２本の独立したｎ型脚体とを具備して成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの単極性対素子は１セットのｎｎ対と２本の独立したｐ型脚体とを具備して成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１４】
前記単極性対素子はｐｐバルク対から成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１５】
前記単極性対素子はｎｎバルク対から成る、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１６】
前記単極性対素子は１Ｋ乃至２００Ｋの範囲内の温度差を作り出すように構成されている、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１７】
前記第１温度ステージと前記第３温度ステージとの間に断熱材を更に具備する、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１８】
前記断熱材はエーロゲルシートおよびポリマシートの少なくともいずれか一方から成る、請求項１７に記載の熱電装置。
【請求項１９】
前記第２温度ステージの温度を制御して前記第１温度ステージおよび前記第３温度ステージでそれぞれ所望のソース温度およびドレイン温度を作り出すように構成されたコントローラを更に具備する、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項２０】
前記コントローラは前記電流を制御して前記所望のソース温度およびドレイン温度を作り出すように構成されている、請求項１９に記載の熱電装置。
【請求項２１】
前記２本の脚体の各脚体にわたる温度差は前記第１温度ステージと前記第２温度ステージとの間の温度差の約半分である、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項２２】
前記第１温度ステージと前記第２温度ステージの少なくともいずれか一方はスプリットヘッダを具備する、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項２３】
前記第３温度ステージは水が水蒸気に相変化して熱を奪うことができるように約１００℃の温度で機能するように構成されており、前記第１温度ステージは４０℃未満の温度で機能するように構成されている、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項２４】
前記第３温度ステージは水が水蒸気に相変化して熱を奪うことができるように約１００℃の温度で機能するように構成されており、前記第１温度ステージは１０℃以下の温度で機能するように構成されている、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項２５】
前記第３温度ステージに接続された、水をベースにした閉サイクル除熱システムを更に具備する、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの単極性対素子は、前記２本の脚体の各脚体が材料組成および構造の少なくともいずれか一方について互いに異なるｐｐ対を構成している、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項２７】
前記ｐｐ対は、
ｐ型Ｂｉ1.0Ｓｂ1.0Ｔｅ3サーモエレメントと、
ｐ型Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3サーモエレメントと、から成る、請求項２６に記載の熱電装置。
【請求項２８】
前記ｐｐ対は、
ｐ型１０Å／３０ÅＢｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3超格子サーモエレメントと、
ｐ型１０Å／５０ÅＢｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3超格子サーモエレメントと、から成る、請求項２６に記載の熱電装置。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの単極性対素子は、前記２本の脚体の各脚体が材料組成および構造の少なくともいずれか一方について互いに異なるｎｎ対を構成している、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項３０】
前記ｎｎ対は、
ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ2.5Ｓｅ0.5サーモエレメントと、
ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15サーモエレメントと、から成る、請求項２９に記載の熱電装置。
【請求項３１】
前記ｎｎ対は、
ｎ型１０Å／３０ÅＢｉ2Ｔｅ3／Ｂｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15超格子サーモエレメントと、
ｎ型１０Å／５０ÅＢｉ2Ｔｅ3／Ｂｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15超格子サーモエレメントと、から成る、請求項２９に記載の熱電装置。
【請求項３２】
導電型が同じ２本の脚体を有する少なくとも１つの単極性対素子と、
前記少なくとも１つの単極性対素子の前記２本の脚体の間で接続された中間温度ステージと、
前記単極性対素子の各脚体に対する電気接触部と、を具備する熱電装置。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの単極性対素子は、その前記２本の脚体の中をそれぞれ正反対の方向に電流が流れて該２本の脚体にわたって温度差が設けられるように構成されている、請求項３２に記載の熱電装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの単極性対素子は、その前記２本の脚体にわたって設けられた温度差から電位および電流の少なくともいずれか一方を生成するように構成されている、請求項３２に記載の熱電装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの単極性対素子は、前記２本の脚体の各脚体が材料組成および構造の少なくともいずれか一方について互いに異なるｐｐ対を構成している、請求項３２に記載の熱電装置。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの単極性対素子は、前記２本の脚体の各脚体が材料組成および構造の少なくともいずれか一方について互いに異なるｎｎ対を構成している、請求項３２に記載の熱電装置。
【請求項３７】
複数のｐ導電型脚体を有する単極性ｐｐ対素子と、
前記単極性ｐｐ対素子の前記ｐ型脚体にそれらの間を架橋するように接続された第１中間温度ステージと、
複数のｎ導電型脚体を有する単極性ｎｎ対素子と、
前記単極性ｎｎ対素子の前記ｎ型脚体にそれらの間を架橋するように接続された、前記第１中間温度ステージとは異なる温度で機能する第２中間温度ステージと、を含む少なくとも１つの４温度端子装置を具備する熱電装置。
【請求項３８】
前記単極性ｐｐ対素子の前記ｐ型脚体と前記単極性ｎｎ対素子の前記ｎ型脚体の各脚体にそれぞれ接続する電気接触部を更に具備し、
前記電気接触部は、前記単極性ｐｐ対素子の各p型脚体と前記単極性ｎｎ対素子の各ｎ型脚体の中をそれぞれ互いに正反対の方向に電流が流れて前記単極性ｐｐ対素子と前記単極性ｎｎ対素子の各素子にわたって温度差が設けられるように接続されている、請求項３７に記載の熱電装置。
【請求項３９】
前記単極性ｐｐ対素子と前記単極性ｎｎ対素子は、前記単極性ｐｐ対素子と前記単極性ｎｎ対素子にわたって設けられた温度差から電位および電流の少なくともいずれか一方を生成するように構成されている、請求項３７に記載の熱電装置。
【請求項４０】
ヒートソースと、
前記ヒートソースと結合しており、導電型が同じ熱電材料から成る２本の脚体の中をそれぞれ正反対の方向に流れる電流を生成するための手段と、
前記２本の脚体と結合しており、当該装置から放熱するように構成されたヒートシンクと、を具備する熱電装置。
【請求項４１】
前記２本の脚体にその間を架橋するように接続された中間温度ステージと、
前記中間温度ステージの温度を制御するように構成された温度コントローラと、を更に具備する請求項４０に記載の熱電装置。
【請求項４２】
前記電流を生成するための手段は、
前記２本の脚体の間にあって前記２本の脚体に接続された金属接触部と、
前記金属接触部とは反対側にある前記２本の脚体のそれぞれの脚体端部に接続された２つの電気接触部と、
前記２つの電気接触部のそれぞれに逆の電位を印加するように構成された電圧印加装置と、を具備する、請求項４０に記載の熱電装置。
【請求項４３】
前記電流を生成するための手段は前記電流を流して前記２本の脚体にわたって温度差が設けられるように構成されている、請求項４０に記載の熱電装置。
【請求項４４】
前記電流を生成するための手段は前記２本の脚体にわたる温度差から電位および電流の少なくともいずれか一方を生成するように構成されている、請求項４０に記載の熱電装置。
【請求項４５】
前記電流を生成するための手段は、前記２本の脚体の各脚体が材料組成および構造の少なくともいずれか一方について互いに異なるｐｐ対を含んで成る、請求項４０に記載の熱電装置。
【請求項４６】
前記電流を生成するための手段は、前記２本の脚体の各脚体が材料組成および構造の少なくともいずれか一方について互いに異なるｎｎ対を含んで成る、請求項４０に記載の熱電装置。
【請求項４７】
被冷却対象物から、導電型が同じ熱電材料から成る２本の脚体を有する単極性対素子を含む熱電装置へ熱を導くステップと、
前記２本の脚体の中をそれぞれ正反対の方向に電流を流して、前記熱を被冷却対象物から離れる方向にそれぞれの脚体を通じて伝導するステップと、
伝導した熱を前記熱電装置からヒートシンクを介して周囲環境に放熱するステップと
を含む対象物を冷却するための方法。
【請求項４８】
前記２本の脚体間で接続された中間温度ステージの温度を制御するステップを更に含む請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記電流を流して熱を伝導するステップは、前記２本の脚体の端部にある２つの電気接触部にそれぞれ逆の電圧を印加するステップを含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記電流を流して熱を伝導するステップで、前記被冷却対象物を冷却するために前記２本の脚体にわたって温度差を設定する、請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
導電型が同じ熱電材料から成る２本の脚体を有する単極性対素子を含む熱電装置に結合したヒートソースから熱を取り出すステップと、
前記熱電装置をわたってヒートシンクまでの温度差を維持して前記熱電装置から電力を生成するステップと、
前記ヒートシンクから周囲環境へ熱を放熱するステップと
を含む熱電電力変換方法。
【請求項５２】
電力を生成するために前記２本の脚体間で接続された中間温度ステージの温度を制御するステップを更に含む請求項５１に記載の熱電電力変換方法。
【請求項５３】
前記ヒートソースに結合した高温ステージから中間温度ステージにかけて流れ抜ける流体を導入することによって該中間温度ステージの温度を制御するステップを更に含む請求項５１に記載の熱電電力変換方法。
【請求項５４】
前記中間温度ステージの温度を制御するステップで、高温ステージから流れ抜ける前記流体をより温度が低い流体と混合する、請求項５３に記載の熱電電力変換方法。
【請求項５５】
前記温度差を維持するステップで、前記熱電装置から電位および電流の少なくともいずれか一方を生成する請求項５１に記載の熱電電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電装置は装置の両端が異なる温度に保たれた場合には電気を発生することが可能である。異なるゼーベック電位またはフェルミ準位を有する２つの材質の異なる金属（導体）または半導体が各端部で接触しているときに、それらの端部が異なる温度に置かれた場合には電圧が得られる（ゼーベック効果）。逆に、電流が印加されると、ペルチエ効果によって両端部の間に温度差を作り出すことができる。このペルチエ効果は、異なる２つの材質の接合部を電流が流れるときに熱の吸収または放出を引き起こす。電子はｐ型半導体からｎ型半導体に流れる際にエネルギーギャップまたは「ハードル」を飛び越える。電子がこのエネルギーハードルを跳び越える際に熱エネルギーが吸収され、この接合部は冷却される。逆に、電子がｎ型半導体からｐ型半導体に流れる際には電子はエネルギーギャップを飛び降りて熱エネルギーが放出される。この放熱によって接合部は局部的に加熱されることになる。
【０００３】
このため、熱電装置は、電流によって熱を輸送する冷却器またはヒートポンプとしての機能を果たすことができる。熱電気の原理は、発電、熱電対、および冷蔵に利用される。熱電装置の効率は無次元性能指数（figure of merit）ＺＴを使って表すことができる。熱電材料の熱電変換効率を高めるには、温度勾配を維持しながら電荷キャリアが複数のペルチエ対を渡って容易に拡散することが重要である。すなわち、ゼーベック係数（Ｓ）の値が比較的高いこと、電気伝導率（ａ）が高いこと、熱伝導率（Ｋ）が低いこと、が必須条件である。しかしながら市販されている熱電装置の最新の設計はどれも広範囲な冷却用途を保証するには熱電変換効率が低すぎる。このため、熱性能が向上した熱電装置を実現させるために熱電材料特性と熱電装置の設計の改良が期待されている。これらの装置は、発電、冷却、および温度制御の用途により適したものになるであろう。
【０００４】
一般に、熱電装置は、例えば上側と下側のフェースプレートまたはキャリアプレートから成る２枚のセラミックプレートの間にサンドウィッチ状に挟み込まれたｐ型半導体材料とｎ型半導体材料を含む。これらのフェースプレートは一般に、高い電気抵抗率と低い熱伝導率を持つ。フェースプレートの間には、ｐ型半導体素子とｎ型半導体素子を接合することにより形成された多数のペルチエ対（Peltier couples）が存在する。これらのペルチエ対は２次元アレイの形で、熱的には並列に、電気的には直列になるように導体（真鍮、ハンダなど）によって接続することが可能である。一般に、被冷却装置は低温側フェースプレートと熱的に接触するように配置され、ヒートシンクは高温側フェースプレートと熱的に接触するように配置される。
【０００５】
従って、熱電装置技術は一般には、図１に示されているように、２つの温度領域と接触する双極性ｐｎ対（bipolar p-n couple）を使用する。図１には、導電型が正反対の２本の脚体（leg）１０ａと１０ｂを有する従来の双極性ｐｎ対が示されている。図にあるように、双極性ｐｎ対１０はヒートソース（熱源）１２を冷却するための極性に構成されている。脚体１０ａと１０ｂは、電気的には直列に、熱的には並列に接続されており、それにより電流が脚体１０ａと１０ｂを直列に流れて熱をヒートシンク１４まで運び、そこで熱電装置から熱が放熱される仕組みになっている。従って双極性ｐｎ対１０はヒートソース１２とヒートシンク１４にそれぞれ接続された２つの温度領域を使用する。また図に示したフィン（fins）１６は必要に応じてヒートソース１２またはヒートシンク１６のいずれか一方の上によく利用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、異なったｎ型とｐ型の材料を利用することで製造工程に複雑さが加わり、しかもｎ型とｐ型の材料のうち一方の熱電能は他方の型の材料の熱電能よりも一般的には低いので、製造される熱電装置は大抵コストの割には効果は低い。
【０００７】
そこで本発明の目的は、相補的なｎ型とｐ型の熱電対の使用は避け、単極性ｐｐ対または単極性ｎｎ対を提供することにある。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、２つの電気端子と３つの温度端子を設けた単極性ｐｐ対またはｎｎ対を提供することにある。従って本発明は、２つの電気端子と２つの温度領域を設けた双極性ｐｎ対を利用する従来の熱電装置製造技術とは一線を画すものである。
【０００９】
本発明の更なる目的は、モジュールの組立の複雑さを低減した装置製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明のなお更なる目的は、より優れた熱電材料特性を有する特定のｎ型またはｐ型の熱電材料を熱電装置に利用することによって、より効率の高い熱電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの側面として新規な熱電装置が提供される。本熱電装置は、導電型が同じ２本の脚体を有する少なくとも１つの単極性対素子と、前記２本の脚体の一方に接続された第１温度ステージと、前記少なくとも１つの単極性対素子の前記２本の脚体にその間を架橋するように接続された第２温度ステージと、前記２本の脚体の他方に接続された第３温度ステージと、を具備する。
【００１２】
本発明のもう１つの側面として、対象物を冷却するための方法が提供される。本方法は、本発明の前記熱電装置と結合した被冷却対象物から熱を取り出し、熱電装置の前記２本の脚体の中をそれぞれ正反対の方向に電流を流して被冷却対象物から離れる方向に熱をそれぞれの脚体を通して伝導し、次いで周囲環境に放熱する。
【００１３】
本発明の更なる側面として、熱電電力変換方法が提供される。本方法では、前記熱電装置と結合したヒートソースから熱を取り出し、熱電装置をわたってヒートシンクまでの温度差を維持し、ヒートシンクから周囲環境に熱を放熱する。前記２本の脚体にわたる温度差を維持することによって熱電装置から電力が生成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
添付図に関連して検討されるとき、参照によって詳細な説明についてより良く理解されるので、本発明および多くの本発明に付随する利点のより完全な認識が容易に得られるだろう。
以下、図面を参照するが、図面の中で同一または類似の符号は同一または類似の構成要素を指す。図２に本発明のトランス熱電装置（trans-thermoelectric device）２０を示す。このトランス熱電装置２０は図２に示すようにヒートソース２４を冷却するための構造を有する３熱端子（Ｔ3）ｐｐ対素子２２を含む。トランス熱電装置２０はｐｐ対を有するものとして示されているが、ｐｐ対の代わりにｎｎ対を有するものも可能である。いずれの場合も、単極性（ユニポーラ）対素子２２は導電型が同じ２本の脚体２２ａを具備する。図２に示すように、単極性対素子２２の一方の側においてこの２本の脚体２２ａのそれぞれの端部に電気端子２６が接続されている。ヒートソース２４は２本の脚体２２ａの一方に接続された第１温度ステージを構成する。ヒートシンクまたはゲート２８は第２温度ステージを構成し、単極性対素子２２の、電気端子２６とは反対側に接続されている。ヒートドレイン３０は第３温度ステージを構成し、図２に示すようにヒートソース２４とは反対側にある単極性対２２のもう一方の脚体に接続されている。電力変換用の構成は図２の構成と似ているが、相違点としてヒートソース２４とヒートドレイン３０の間の温度差を維持することにより電気端子２６に電位を誘起し、単極性対素子２２を通じて電流が流れるようになっている。
【００１５】
本形態のトランス熱電装置２０は、２つの電気端子と３つの温度端子を有する単極性ｐｐ対またはｎｎ対を採用して、それにより単極性対素子２２の各端部間に大きな温度差を実現する。トランス熱電装置２０は３温度領域装置と見なすことができ、２つの電気端子と２つの温度領域（temperature zone）を有する従来の双極性（バイポーラ）ｐｎ対とは大きな隔たりを有するものである。「トランス（Trans）」という語は３端子電子トランジスタ装置における「相互コンダクタンス（transconductance）」と類似する「相互熱効果（transfer thermal effect）」を指すものとしてここでは使用される。このアナロジーで言えば、本発明は２端子ダイオードから３端子トランジスタへの電子装置技術における移り変わりとかなりよく似た熱電装置技術における移り変わりに相当するものである。このアナロジーによって、本発明は、２つの端子温度（ソース温度とシンク温度）を有する従来のｐｎ熱電対（サーマルダイオード）から３つの端子温度（ソース温度、中間的なシンク温度、ドレイン温度）を有するサーマルトリオードへの移り変わりと見なすことができる。
【００１６】
本発明の３熱端子ｐｐ対は、従来の２端子ｐｎ対と比較して、最初にヒートソース２４からヒートシンクまたはゲート２８へ、次いでヒートドレイン３０への、２段階のポンピングを利用する。このアプローチを使用することによって、本発明は、ヒートソース２４からヒートシンクまたはゲート２８へ、次いでヒートドレイン３０へ熱を汲み上げるヒートポンプとして機能するときには、ｎ型脚体と比較してＣＯＰ（coefficient of performance；成績係数）がより高いｐ型脚体を利用することができる。ヒートシンクまたはゲート２８はヒートソース２４の温度とヒートドレン３０の温度の間のどこか望ましい温度に維持される。こうして、ヒートシンクまたはゲート２８はいわゆるゲート（バイポーラトランジスタのベースまたは電界効果型トランジスタのゲートの類似物）と見なすことができ、その温度を調節すればトランス熱電装置２０の性能が変わる。従って本発明は「全熱論理型（all thermal-logic）」デバイスまたはそれらの用途に使用することも可能である。相互熱効果（trans-thermal effect）またはゲート制御的効果が存在するという事実は、ゲート２８の温度が熱論理関数（thermal logic funtion）の等価熱入力（equivalent thermal input）になり得ること、そしてヒートソース２４とドレイン３０の温度は熱論理関数の出力になり得ることを意味している。
【００１７】
ヒートシンクまたはゲート２８の一部の役割はトランス熱電装置２０からヒートソース側からの余熱の一部を放熱させることにある。これにより、トランス熱電装置２０のヒートドレイン３０側にある一方の脚体はこの一部の余熱をヒートドレイン３０に汲み上げる必要はなくなる。ヒートシンクまたはゲート２８は熱流路を提供するが電流路を提供するものではない。正確に言えば、電流はヒートソース側のｐ型脚体からヒートドレイン側のｐ型脚体へ流れる。こうして、トランス熱電装置２０は単極性対素子２２の２本の脚体２２ａを通じて能動的な冷却と加熱の両方を同時に使用して単一ステージの対において大きな温度差ΔＴｍａｘを実現し、それにより熱電装置技術の用途が広がり、性能が改善する。
【００１８】
図２のそれぞれの温度領域のフィン（fins）３２はオプションとして使用される。図２にヒートソース２４素子とヒートドレイン３０の間に示されている断熱材３４もオプションである。断熱材３４は実現可能ならヒートソース・低温側素子とヒートドレイン・高温側素子の間の真空から形成することもでき、あるいは、熱伝導率の低い媒体（熱伝導率が〜０．０２乃至０．０５Ｗｍ-1Ｋ-1のエーロゲル（aerogel）など）から形成することもできる。何であれ断熱材３４はヒートドレインとヒートソースとの間の熱移動を小さくする役割を果たす。
【００１９】
本発明のトランス熱電装置は好ましくは、ｐ型またはｎ型サーモエレメント（thermoelement）のいずれか無次元性能指数ＺＴが高い方を利用する。例えば、熱電装置および熱電モジュールは、ｐ型サーモエレメントと、ＺＴが３００Ｋで〜１．２乃至１．９のｎ型のＢｉ2Ｔｅ3をベースとする超格子サーモエレメントとを組み合わせて従来型ｐｎ対を形成するのではなく、本発明ではＺＴが３００Ｋで〜２．５のｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3超格子サーモエレメントのみを使用して構築することができる。同様に、ｎ型サーモエレメントとＺＴが３００Ｋでより低い値のｐ型のＰｂＴｅをベースとする超格子サーモエレメントとを組み合わせるのではなく、本発明はＺＴが３００Ｋで〜１．６のｎ型ＰｂＴｅＳｅ／ＰｂＴｅ量子ドット超格子サーモエレメントのみを使用することができる。同じように、単極性対素子はバルクｐ型ＢｉxＳｂ2-xＴｅ3またはバルクｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3-xＳｅxのみから形成することができる。実際、本発明は熱電装置技術に対し、単一極性（ｐ型またはｎ型）材料というものが関心のある温度範囲においてより高いＺＴを実現するのに優れている熱電材料系にまで道を切り開くものである。
【００２０】
単極性対素子２２の、極性が同じまたは導電型が同じ２本の隣り合う脚体は、同じ材料である必要はない。例えば、一方のｐ型脚体はＢｉ1.0Ｓｂ1.0Ｔｅ3で、隣のｐ型脚体はＢｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3であることが可能である。これらの材料の各材料はそれぞれの温度ステージに最適な特性に基づいて選択することができる。同じように、一方のｐ型脚体は１０Å／３０Å（オングストローム）Ｂｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3超格子で、隣のｐ型脚体は１０Å／５０ÅＢｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3超格子であることが可能である。同様に、一方のｎ型脚体はｎ型Ｂｉ2Ｔｅ2.5Ｓｅ0.5サーモエレメントで、隣の脚体はｎ型Ｂｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15サーモエレメントであることが可能である。同じように、一方のｎ型脚体はｎ型１０Å／３０ÅＢｉ2Ｔｅ3／Ｂｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15超格子サーモエレメントで、隣の脚体はｎ型１０Å／５０ÅＢｉ2Ｔｅ3／Ｂｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15超格子サーモエレメントであることが可能である。
【００２１】
単極性トランス熱電装置を使用すればモジュール組立の複雑さが減り、従来の双極性対でのｐ型とｎ型の脚体の熱性能を完全に整合させる必要性が減る。単極性ｐｐまたはｎｎトランスサーミスタ装置を使用すればｐ型とｎ型の脚体を完全に整合させる必要性が減る。従来のｐｎ型双極性熱電装置では、ｐ型とｎ型の脚体の特性は２本の脚体の幾何学的特性またはアスペクト比を最適化することがよく知られている必要がある。しかしながら、本発明におけるｐｐ型またはｎｎ型単極性対を使用すれば、整合性は両方の脚体に同じ材質の材料を使用することにより担保される。単極性トランス熱電装置を使用すれば素子毎の（つまりｐｐ対の各ｐ型素子にわたる）温度差ΔＴを、同じ高温と低温の端子温度で従来のｐｎ対の各素子に生じるであろう温度差ΔＴと比較して、約半分小さくすることができる。この結果、本発明のトランス熱電装置における熱応力は低温側温度と高温側温度の温度差ΔＴを固定して従来の２端子装置と比較すると小さくなる。あるいは、単極性トランス熱電装置を使用すれば、対毎に到達可能なΔＴｍａｘを従来のｐｎ対の値を超えて著しく大きく増大させることができ、それにより低温側温度と高温側温度の間の固定された温度差ΔＴに対してより高いＣＯＰ（成績係数）を実現することができる。
【００２２】
例えば、従来の双極性バルクｐｎ対では、ΔＴｍａｘの数値として最も標準的なバルクＢｉ2Ｔｅ3ベースの熱電技術に一般的な５８．８Ｋが示される。このデータを図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ａおよび図３Ｂのグラフと表は従来の双極性対における、ヒートシンクとヒートソースとの間の温度差ΔＴと電流との関係を示すものである。図３Ａに示されたデータは、アスペクト比（素子の面積に対する素子の高さの比で単位はｃｍ-1）が約３ｃｍ-1のｐｎ対から採取された。図３の例では、ピークのΔＴmaxは期待されるように約１５アンペアのところに生じている。
【００２３】
これとは対照的に、図４Ａと図４Ｂには、図３Ａと図３Ｂで測定された従来型双極性対と同様のアスペクト比素子を有する３熱端子ｐｐ対における、ヒートシンクとヒートソースの間の温度差ΔＴと電流との関係がグラフと表に示されている。図４Ａから、本発明のトランス熱電装置は３端子単極性ｐｐバルク対の温度差ΔＴmaxとして〜１５５．７Ｋを達成することができることが分かる。本発明では、ヒートソースとドレインの間の温度差ΔＴｍａｘ／ｃｙｃｌｅの電流に対する比が性能指数である。低温側（ヒートソース）はこの実験では−６．２℃、高温側（ドレイン）は＋１４９．５℃であった。ヒートシンクまたはゲートは〜２３℃に保たれた。図４Ａと図４Ｂのデータは、ドレインで強制的に排熱せずともヒートシンクまたはゲートを〜２３℃に保つことによって、より線形な応答が実現されることも示している。ドレインの温度が例えばエアフィン方式（air-fin arrangement）を使って〜１００℃に管理し続けられた場合、低温側（ヒートソース）は図４Ａに示された値よりもさらに一層温度が低下することになろう。図４Ｂの表には、バルクｐ型Ｂｉ2-xＳｂxＴｅ3合金サーモエレメントで観測された最大温度差ΔＴmaxが示されている。Ｉ対ΔＴはヒートソースおよびドレイン間のある決まった値の電流で比較するため太字になっている。図４Ａと図４Ｂの結果は、厚さ約１ｍｍとドーピングレベル約３×１９ｃｍ-3を有するＢｉ0.4Ｓｂ1.6Ｔｅ3から成るｐ型単極性対を採用している。本発明では、ヒートソースとドレインの間の温度差ΔＴmax／ｃｙｃｌｅの電流に対する比が性能指数である。
【００２４】
図３Ａと図４Ａから、本発明は３端子単極性ｐｐバルク対の温度差ΔＴmaxとして〜１５５．７Ｋを実現することが可能になっていることが分かる。低温側は−６．２℃、高温側は＋１４９．５℃であった。この結果は、ｐｐ単極性トランスサーミスタ装置の高温側端部から強制的に排熱することなく達成された。これとは対照的に、図３Ａに示された従来型双極性バルクｐｎ対は、最も標準的なバルクＢｉ2Ｔｅ3ベースのＴＥ（熱電）技術に一般的な温度差ΔＴmaxとして５８．８Ｋを示した。
【００２５】
本発明に係る単極性装置はＣＯＰ（成績係数）以外の他の利点を有する。ｐｐ型またはｎｎ型単極性対の高温側はいまや従来よりずっとより高い温度で機能することが可能で、これにより或る与えられた周囲環境温度での排熱がより容易になる。例えば、従来型双極性ｐｎ対では、２アンペアの電流で低温側の温度は３．９℃（電流が流れなければ２２．１℃）になり、高温側の温度は２２℃になるので、その温度差ΔＴは１８．１℃になる。これとは対照的に、単極性ｐｐ対では、２アンペアの電流で低温側の温度は２．５℃（電流が流れなければ２２．４℃）、高温側の温度は６１．９℃になり、従ってその温度差ΔＴは５９．４℃になる。つまり、単極性ｐｐ対の温度差は、従来の双極性ｐｎ対の温度差と同じ電流で比較するとその３倍以上に増大した。こうしたことから、本発明の単極性対素子は（電流の大きさに応じて）１Ｋ乃至２００Ｋまでの範囲の温度差を作り出すことができる。
【００２６】
以下、周囲環境の温度が１８℃の場合を議論する。周囲環境温度１８℃では、単極性ｐｐ対の高温側温度５９．４℃の方が従来の双極性ｐｎ対における高温側温度２２℃よりも放熱がより容易である。ヒートドレインと周囲環境との温度差が大きいほど例えば冷却ファンをより小型化かつ／またはより静音化することができる。その上、ドレイン温度は１４９．５℃といった温度に上げることが可能なので、本発明は、冷凍または空調目的でコールドフィンガー（cold-finger）を冷却するのに十分な−６℃を実現することを可能としつつ、水などの熱伝導率の高い液体を使用する相転移型熱伝達溶液を利用することが可能となる。
【００２７】
本発明のトランス熱電装置は、熱がチップ上の特定の感熱スポットから取られ異なる非感熱スポットに貯められるモノリシックな電子・光電子チップの冷却技術に有用であること、また赤外線対策装置（infrared countermeasure devices）および赤外線シミュレーション装置（infrared simulation devices）を含む赤外線装置の冷却に有用であること、などが期待される。
【００２８】
本発明によれば、ｐｐ単極性対のみまたはｎｎ単極性対のみをモジュール方式（例えば複数セットのｐｐ対またはｎｎ対を使用する方式）で使用することは、伝熱損失が小さくなるように、適切には周囲環境の温度と熱平衡に達した後に電気接続が行われるようにした上で、ドレインとソースを金属線で電気的に任意に相互接続することによって実施することができる。例えば、ドレインからの電気導線は、ヒートシンク（放熱されるところ）とドレインとラベルされた熱電装置ポイントとの間の熱平衡に相当する熱平衡温度ポイントを経由して導かれ、次にヒートソース（吸熱されるところ）とソースとラベルされた熱電装置ポイントとの間の熱平衡に相当する熱平衡温度ポイントを経由して送られる。２つ以上のｐｐ対が電気的に並列（かつ熱的にも並列）に機能するようにした場合、または同様に２つ以上のｎｎ対が電気的に並列（かつ熱的にも並列）に機能するようにした場合には、このような問題は存在しない。
【００２９】
本発明のｐｐ単極性対はモジュール式装置への集積化を容易にするためにｎｎ単極性対と併用して使用することができる。このため、それぞれの単極性対素子のヒートシンク温度は異なっていることがあり得る。この状況下では、本発明は４つの温度端子（ヒートソース、ヒートドレイン、ｎ型ヒートシンク・ゲート、およびｐ型ヒートシンク・ゲート）と２つの電気端子を有することとなる。
【００３０】
図５はｐｐ対とｎｎ対を集積化した熱電モジュール５０の概略図である。１セットのｐｐ対５２または単極性ｎｎ対５４および６４から構築された熱電モジュールを図５に示す。図面向かって左側にある第１の単極性ｎｎ対５４は３つの温度領域（temperature zones）としてヒートソース５６とヒート部材（heat member）５８とヒートシンクまたはゲート６０とを有する。第１の単極性ｎｎ対５４の右側にある第１の単極性ｐｐ対５２は３つの温度領域としてヒート部材５８ａとヒート部材５８ｂとヒートシンクまたはゲート６２とを有する。第１の単極性ｐｐ対５２の右側にある第２の単極性ｎｎ対６４は３つの温度領域としてヒート部材５８ｂとヒートドレイン６６とヒートシンクまたはゲート６８とを有する。それぞれの温度領域のところにはオプションではあるがフィン７０が取り付けられている。フィン７０は熱伝導率が高いヒートスプレッダ（heat spreader）と置き換えることができる。既に言及したようにｎ型およびｐ型の材料間の性能の非類似性に応じて断熱材７２を使用することができる。この結果、隣り合う２本のｎ型脚体を接合するヒートシンクの温度は隣り合う２本のｐ型脚体を接合するヒートシンクの温度と異なることがあり得る。
【００３１】
このように、本発明は複数の温度ステージを利用することができる。例えば図５に示された例で言えば、例えばヒートシンクまたはゲート６０、６２、および６８に対応する温度領域は物理的に連続している必要はない。それどころか本発明の実施の一形態として、特定の温度領域を成す各ブロックは、基本的にはタイル状になったまたは分割されたステージになる、それぞれの共通するブロックに取り付けられる。こうすれば、様々な温度領域が熱膨張開放により上手く適応して管理ができるので、熱応力問題を抑えるのに有利である。
【００３２】
本発明は最適な伝熱過程を容易にするためにソース側とドレイン側に熱伝導流体のカウンタフロー（counterflow）を利用することができる。すなわち、様々なドレイン接触部を流れる熱伝導流体の流れはそれぞれのソース接触部を流れる方向とは逆の方向にあり、それにより熱電装置の各対毎に温度差ΔＴが最小化される。図４のデータから分かるように、ΔＴの減少は電流の減少、つまりは電力の減少を意味している。こうしたことから、入口と出口の熱伝導流体の或る決まった温度を意味するシステムレベルに必要な同じ外的温度差ΔＴに対して、本発明は個々のｐｐ対またはｎｎ対をより低い温度で機能させることができる。よって本発明では、中間ステージの温度は高温ステージから流れ抜ける流体によって制御することが可能である。その結果、これらの流体は温度が降下してしまうであろうし、そしておそらくはより低い温度の流体と混ざることがあり得る。
【００３３】
本発明が示すコンセプトはバルク熱電技術（３００ＫでＺＴ〜１）に使用すれば、与えられたΔＴに対して従来のｐｎ対ベースのモジュールよりも２倍以上高いＣＯＰ（成績係数）を実現することが可能だと考えられる。同様に、超格子熱電技術（３００ＫでＺＴ〜２．４）を本発明と併せて利用すればフレオン（freon）ベースの機械システムのＣＯＰ（成績係数）に近い数値を実現することが期待される。本発明のアプローチによれば薄膜熱電モジュールの製造において材料利用率が２倍以上高まり得る。本発明は超格子ｐ型サーモエレメントおよび／またはｎ型超格子サーモエレメントを使えば更に向上し得る。本発明は特定のタイプの材料には一切限定されない。それどころか本発明は動作温度に関係なく任意のバルクまたは薄膜の熱電材料に適用可能である。
【００３４】
本発明は冷却および／または加熱を含む数々の熱電装置用途に適用可能である。これらの用途については、米国特許出願第10/118,236号明細書「ＤＮＡゲノム・タンパク質チップ、熱光学スイッチング回路、およびＩＲタグのための薄膜熱電冷却加熱装置（THIN FILM THERMOELECTRIC COOLING AND HEATING DEVICES FOR DNA GENOMIC AND PROTENIC CHIPS, THERMO-OPTICAL SWITCHING CIRCUITS, AND IR TAGS）」を参照されたい。上記特許出願文書の全内容は本願に援用され、その電力変換では、ＤＮＡゲノム・タンパク質チップを設計し、熱光学スイッチング回路を製作し、ＩＲタグを製作するために表面上の局所的選択的な加熱および冷却が利用される。こうした用途において、熱電冷却加熱装置には基板とその基板の一方の側に配置される複数の熱電素子が設けられ、選択的な加熱と冷却の少なくとも一方が行われるように構成される。各熱電素子は、熱電材料と、その熱電材料に接触して被加熱接合部および被冷却接合部の少なくとも一方を電流が流れたときに形成するペルチエ・コンタクト（Peltier contact）と、熱電材料とペルチエ・コンタクトを流れる電流を供給する電極とを含む。こうして、熱電冷却加熱装置は選択的に装置上の各個別の熱電素子にバイアスをかけ、熱電装置の一方の側に、局所化した被加熱接合部および被冷却接合部から成る格子が形成されるようにする。こうした用途において、本発明の単極性対素子はこれらの熱電素子として使用することが可能である。
【００３５】
本発明は、本発明の単極性対素子の脚体に用いられる熱電材料の材料性能を向上させるため、米国特許出願第10/265,409号明細書「フォノンを遮蔽し、電子を伝導する低次元構造（PHONON-BLOCKING, ELECTRON-TRANSMITTING LOW-DIMENSIONAL STRUCTURES）」に記載されたフォノン遮蔽電子構造（phonon-blocking electron structures）を利用することができる。上記特許出願文書の全内容は本願に援用される。フォノン遮蔽構造において、熱電構造は、異なる格子定数を持ち互いに接触するように介在する少なくとも第１および第２の材料系と、その少なくとも第１および第２の材料系がそこでは格子不整合（lattice mismatch）状態に接合されるがその構造的完全性は実質的に維持される物理的接触面と、を含む。第１および第２の材料系はその物理的接触面に対して垂直な電荷キャリアの伝導方向を有し、好ましくは、超格子構造の中に周期的に配置される。互いに接触する第１および第２の材料系は両方の材料系に共通の中心軸に垂直な平面内および／または平行な平面内に格子不整合を有する。少なくとも第１および第２の材料系の周期性はその周期性に沿った方向の熱伝導を小さくするようになっている。垂直な平面は装置の電気キャリアの伝導方向に実質的に垂直で、格子不整合によって音波不整合（acoustic mismatch）が生じて電気キャリアの伝導方向に沿った熱伝導が小さくなる。
【００３６】
本発明は米国特許出願第09/812,811号明細書「極低温または室温用途のためのカスケード（積層）型極低温熱電冷却器（CASCADE CRYOGENIC THERMOELECTRIC COOLER FOR CRYOGENIC AND ROOM TEMPERATURE APPLICATIONS）」に記載されたカスケード型熱電装置（cascade thermoelectric device）に適用可能である。上記特許出願文書の全内容は本願に援用される。そこでは極低温用途から室温用途までの動作温度範囲を有するカスケード型冷却器を製作するために熱電装置を積層させたものが利用される。こうした用途において、カスケード型熱電冷却器は、高性能・高ＺＴのＢｉxＳｂ2-xＴｅ3とＢｉ2Ｔｅ3-xＳｅxベースの超格子構造薄膜熱電装置を、それぞれの低温ステージが段階的により低い温度にまで冷却することが可能な複数の連続的に積層した低温ステージを含むバルク材料ベースの熱電冷却器と一体化させる。バルク材料熱電冷却器は各低温ステージ毎にヒートソースプレートとヒートシンクプレートとｐ型熱電素子とｎ型ヒートソース素子とを含む。さらに、薄膜熱電冷却器は、それぞれのステージがヒートソースプレートとヒートシンクプレートとｐ型超格子熱電素子とｎ型超格子熱電素子とを含む複数のステージを具備することができる。薄膜熱電冷却器の出力ヒートソースプレートをバルク材料熱電冷却器の入力ヒートシンクに取り付けることによって、薄膜熱電冷却器をバルク材料ベースの熱電冷却器と一体化させてカスケード型熱電冷却器を構成することができる。こうして出来たカスケード型熱電冷却器では、バルク材料ベースの熱電冷却器が１７０Ｋ乃至２００Ｋまで冷却し、薄膜熱電装置が７０Ｋから１２０Ｋの間の極低温まで冷却する。別のレベルの薄膜超格子一体化では５０Ｋ近くの温度を達成することができる。このようなカスケード型冷却器は従来のｐｎ熱電対ではなく本発明の単極性対素子を採用することができる。
【００３７】
本発明の実施の一形態として、対象物を熱電冷却するための方法が提供される。この方法は、本発明のトランス熱電装置に結合した対象物から熱を取り出し、熱電装置の２本の脚体の中をそれぞれ正反対の方向に電流（逆電流）を流して対象物から離れる方向に２本の脚体の各脚体を伝って熱が運ばれるようにし、熱電装置から周囲環境に熱を放出する。さらに、既に指摘したように、２本の脚体に接続された中間温度ステージの温度は熱電装置の動作を適宜に制御することによってコントロールすることができる。２本の脚体の端部にある２つの電気接点にそれぞれ逆の電位を（電圧印加装置を使って）印加することによって逆電流が流れるようにすることができる。この逆電流によって２本の脚体にわたって温度差が生じ、それにより対象物が冷却される。
【００３８】
補足的に、本発明は熱電電力変換のための方法を提供する。この方法は、上記トランス熱電装置と結合したヒートソースから熱を取り出して熱電装置からヒートシンクにかけての温度差を維持し、ヒートシンクから周囲環境に熱を放出する。２本の脚体にわたって温度差を維持することによって熱電装置から電力（すなわち、電位および電流の少なくとも一方）が生み出される。さらに、この方法は、電力を生成するため例えばヒートソースと結合した高温ステージから出て中間ステージへと流れる流体を導入することによって２本の脚体の間に接続された中間温度ステージの温度を制御することができる。その流体温度は例えば高温ステージから出る流体をより温度の低い流体と混合することによって制御することができる。
【００３９】
本発明の更なる実施形態として、ヒートソースと、このヒートソースと結合しており導電型が同じ熱電材料から成る２本の脚体の中をそれぞれ反対方向に流れる電流を生み出すための機構と、この機構と結合しており熱電装置から熱を放出するためのヒートシンクと、を具備する熱電装置が提供される。この熱電装置は、前記２本の脚体の間に接続された中間温度ステージと、この中間温度ステージの温度を制御するための機構とを備えることができる。ヒートソースと結合され逆方向に電流（逆電流）を流すための機構は一例として、前記２本の脚体の間に介在しそれらに接続する金属接触部と、この金属接触部とは２本の脚体の反対側にあって２本の脚体のそれぞれの端部に接続された２つの電気接触部とを備え、この２つの電気接触部のそれぞれには逆の電位が印加される。この例では、２本の脚体を流れる逆方向の電流により２本の脚体にわたり温度差が設けられる。別の例では、２本の脚体にわたる温度差により逆方向の電流が生み出される。
【００４０】
以上の説明に基づいて本発明に関して数々の修正および変更が可能である。したがって、本発明は、特許請求の範囲内であれば、特に本明細書に述べられているもの以外のものを実施してもよいことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ヒートソースを冷却するための極性を備えた構成を有する従来のｐｎ対の概略構成図である。
【図２】ヒートソースを冷却するための極性を備えた構成を有する本発明に係る実施の一形態における３熱端子（Ｔ3）ｐｐ対の概略構成図である。
【図３Ａ】従来の双極性対におけるヒートシンクとヒートソースとの間の温度差ΔＴと電流との関係をグラフに示した図である。
【図３Ｂ】従来の双極性対におけるヒートシンクとヒートソースとの間の温度差ΔＴと電流との関係を表に示した図である。
【図４Ａ】本発明に係る３熱端子ｐｐ対におけるヒートシンクとヒートソースとの間の温度差ΔＴと電流との関係をグラフに示した図である。
【図４Ｂ】本発明に係る３熱端子ｐｐ対におけるヒートシンクとヒートソースとの間の温度差ΔＴと電流との関係を表に示した図である。
【図５】本発明に係る別の実施形態としてｐｐ対およびｎｎ対を集積化した熱電モジュールの概略構成図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
2006507690.tif 000010