(57)【要約】効率改善型熱電システムおよびそのような熱電システムを製造する方法を開示する。熱電エレメント７０４間の、熱電システム７００に沿った少なくとも１つの方向における有効な熱的な分離により、従来の熱電アレイに勝る、優れた効率が提供される。また、有効な熱的な分離は、熱電エレメントに接合された少なくとも１つの熱交換器７０５にも提供される。また、一実施の形態では、例えば抵抗または電流などの熱電エレメントの特性が、熱電アレイに沿った少なくとも１つの方向で変化する。さらに、一実施の形態では、熱電エレメントの機械的な構成が、動的調整基準に従って変化する。【選択図】図７Ａ
2004526930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却または加熱される少なくとも１つの媒体を用いる熱電システムであって、
冷却側および加熱側を備えた熱電アレイを形成するとともに、前記熱電アレイに沿った少なくとも１つの方向において、相互に実質的に熱的に分離された複数の熱電エレメントと、
少なくとも前記冷却側および／または前記加熱側で、少なくとも１つの前記熱電エレメントと熱的に接触し、前記熱電エレメントの熱的な分離を有効に維持するように構成された少なくとも１つの熱交換器とを備えていることを特徴とする熱電システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの媒体が、前記熱電アレイの少なくとも一方の側の少なくとも一部に沿って、少なくとも１つの方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
いくつかの前記熱電エレメントの少なくとも１つの特性が、媒体が移動する方向で変化していることを特徴とする請求項２に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの特性が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの少なくとも電気抵抗を含むことを特徴とする請求項３に記載の熱電システム。
【請求項５】
前記電気抵抗が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの長さの相違によって変化するものであることを特徴とする請求項４に記載の熱電システム。
【請求項６】
前記電気抵抗が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの断面積の相違によって変化するものであることを特徴とする請求項４に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記電気抵抗が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの機械的な構成によって変化するものであることを特徴とする請求項４に記載の熱電システム。
【請求項８】
前記電気抵抗が、少なくとも１つの熱電材料の電気抵抗率によって変化するものであることを特徴とする請求項４に記載の熱電システム。
【請求項９】
前記熱電エレメントを流れる電流が、前記熱電アレイ内の少なくともいくつかの前記熱電エレメント間で異なることを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１０】
前記熱交換器が複数の部分で構成され、少なくともいくつかの部分が少なくとも１つの前記熱電エレメントと熱的に接触し、少なくともいくつかの前記部分が、前記媒体が移動する方向で、前記部分以外の部分から実質的に熱的に分離されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電システム。
【請求項１１】
少なくともいくつかの前記部分が、ポストであることを特徴とする請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１２】
少なくともいくつかの前記部分が、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１３】
少なくともいくつかの前記部分が、フィンであることを特徴とする請求項１０に記載の熱電システム。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記熱交換器が、前記冷却側および前記加熱側の両方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１５】
一方の側にヒートシンクを有し、もう一方の側に少なくとも１つの前記熱交換器を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１６】
前記ヒートシンクが、一方の端部が前記熱電アレイの一方の側と熱的に接触し、もう一方の端部が前記ヒートシンクと熱的に接触した少なくとも１つのヒートパイプを備えていることを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項１７】
前記熱電エレメントに、少なくとも１つの磁界が印加されることを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１８】
前記媒体が、少なくとも１つの流体であることを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項１９】
前記媒体が、少なくとも１つの固体であることを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２０】
前記媒体が、少なくとも１つの流体と少なくとも１つの固体との組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの特性が、前記熱電システムの機械的な構成を調整することにより、動的に調整されるものであることを特徴とする請求項３に記載の熱電システム。
【請求項２２】
前記機械的な構成が、前記熱電システムに接続された制御システムによって、該制御システムへの少なくとも１つの入力に基づいて調整されるものであることを特徴とする請求項２１に記載の熱電システム。
【請求項２３】
前記制御システムが、少なくとも１つのアルゴリズムに従って動作するものであることを特徴とする請求項２２に記載の熱電システム。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの特性が、前記熱電システムに接続された前記制御システムによって、該制御システムへの少なくとも１つの入力に基づいて調整されるものであることを特徴とする請求項３に記載の熱電システム。
【請求項２５】
前記制御システムが、少なくとも１つのアルゴリズムに従って動作するものであることを特徴とする請求項２４に記載の熱電システム。
【請求項２６】
冷却または加熱される少なくとも１つの媒体の方向付けられた移動を利用する熱電システムであって、
冷却側および加熱側を備えた熱電アレイを形成している複数の熱電エレメントを備え、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの少なくとも１つの特性が、前記媒体が移動する方向で変化しているることを特徴とする熱電システム。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの特性が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントが備える少なくとも電気抵抗であることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項２８】
前記電気抵抗が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの長さの相違によって変化するものであることを特徴とする請求項２７に記載の熱電システム。
【請求項２９】
前記電気抵抗が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの断面積の相違によって変化するものであることを特徴とする請求項２７に記載の熱電システム。
【請求項３０】
前記電気抵抗が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの機械的な構成によって変化するものであることを特徴とする請求項２７に記載の熱電システム。
【請求項３１】
前記電気抵抗が、少なくとも１つの熱電材料の抵抗率によって変化するものであることを特徴とする請求項２７に記載の熱電システム。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの特性が、前記熱電システムの機械的な構成を調整することにより、動的に調整されるものであることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３３】
前記機械的な構成が、前記熱電システムに接続された制御システムによって、制御システムへの少なくとも１つの入力に基づいて調整されるものであることを特徴とする請求項３２に記載の熱電システム。
【請求項３４】
前記制御システムが、少なくとも１つのアルゴリズムに従って動作するものであることを特徴とする請求項３３に記載の熱電システム。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの特性が、前記熱電エレメントを流れる少なくとも電流であることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３６】
前記熱電アレイが、少なくとも前記冷却側または前記加熱側に、少なくとも１つの熱交換器を有することを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項３７】
前記熱交換器が、複数の部分で構成され、少なくともいくつかの部分が少なくとも１つの前記熱電エレメントと熱的に接触し、少なくともいくつかの部分が、前記媒体が移動する方向で前記部分以外の部分から実質的に熱的に分離されていることを特徴とする請求項３６に記載の熱電システム。
【請求項３８】
少なくともいくつかの前記部分が、ポストで構成されていることを特徴とする請求項３７に記載の熱電システム。
【請求項３９】
少なくともいくつかの前記部分が、ヒートパイプで構成されていることを特徴とする請求項３７に記載の熱電システム。
【請求項４０】
少なくともいくつかの前記部分が、フィンで構成されていることを特徴とする請求項３７に記載の熱電システム。
【請求項４１】
少なくとも１つの熱交換器が、前記冷却側および前記加熱側の両方に設けられていることを特徴とする請求項３６に記載の熱電システム。
【請求項４２】
一方の側にヒートシンク、もう一方の側に前記熱交換器を備えることを特徴とする請求項３６に記載の熱電システム。
【請求項４３】
前記熱電エレメントに、少なくとも１つの磁界が印加されることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項４４】
前記媒体が、少なくとも１つの流体であることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項４５】
前記媒体が、少なくとも１つの固体であることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの媒体が、少なくとも１つの流体と少なくとも１つの固体との組合せであることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項４７】
前記少なくとも１つの特性が、前記熱電システムに接続された制御システムによって、該制御システムへの少なくとも１つの入力に基づいて調整されるものであることを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項４８】
前記制御システムが、少なくとも１つのアルゴリズムに従って動作するものであることを特徴とする請求項４７に記載の熱電システム。
【請求項４９】
冷却または加熱される少なくとも１つの媒体を用いる改良型熱電システムを製造する方法であって、
冷却側および加熱側を備えた熱電アレイ内に、複数の熱電エレメントを形成するとともに、複数の前記熱電エレメントを、前記熱電アレイの少なくとも１つの方向において、相互に実質的に熱的に分離させるステップと、
前記熱電エレメントの熱的な分離が有効に維持されている状態で、前記熱電アレイの少なくとも一方の側で熱交換が行われるようにするステップとを含むことを特徴とする熱電システムの製造方法。
【請求項５０】
少なくとも１つの媒体が、前記熱電アレイの少なくとも一方の側の少なくとも一部に沿って、少なくとも１つの方向に移動するようにするステップをさらに含むことを特徴とする請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５１】
前記熱電エレメントの少なくとも１つの特性を、前記媒体が移動する方向で変化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項５０に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５２】
前記熱電エレメントの少なくとも１つの特性を変化させるステップが、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの少なくとも電気抵抗を変化させることを含む請求項５１に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５３】
前記電気抵抗を変化させるステップが、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの長さを変化させるものである請求項５２に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５４】
前記熱電エレメントの前記電気抵抗を変化させるステップが、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの断面積を変化させるものである請求項５２に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５５】
前記熱電エレメントの前記電気抵抗を変化させるステップが、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの機械的な構成を変化させるものである請求項５２に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５６】
前記熱電エレメントの前記電気抵抗を変化させるステップが、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの抵抗率を変化させることを含む請求項５２に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５７】
前記熱電アレイ内の少なくともいくつかの前記熱電エレメントを流れる電流を変化させるステップを、さらに含むことを特徴とする請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５８】
前記熱交換が行われるようにするステップが、複数の部分を含む前記熱交換器の各々の部分が少なくとも１つの熱電エレメントと熱的に接触し、少なくともいくつかの部分が、媒体が移動する方向において、他の部分から実質的に熱的に分離した熱交換器を形成することを含む請求項５０に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項５９】
少なくともいくつかの前記部分が、ポストであることを特徴とする請求項５８に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６０】
少なくともいくつかの前記部分が、ヒートパイプであることを特徴とする請求項５８に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６１】
少なくともいくつかの前記部分が、フィンであることを特徴とする請求項５８に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６２】
前記熱交換が行われるようにするステップが、前記冷却側および前記加熱側の両方の熱を交換するようにすることを含む請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６３】
前記熱電アレイの少なくとも一方の側から熱を放熱させるステップを、さらに含むことを特徴とする請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６４】
前記熱電エレメントに、少なくとも１つの磁界を印加するステップを、さらに含むことを特徴とする請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６５】
前記媒体が、少なくとも１つの流体であることを特徴とする請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６６】
前記媒体が、少なくとも１つの固体であることを特徴とする請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６７】
前記少なくとも１つの媒体が、少なくとも１つの流体と少なくとも１つの固体との組み合わせであることを特徴とする請求項４９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６８】
前記熱電エレメントの少なくとも１つの特性を変化させるステップが、前記熱電システムの機械的な構成を調整することによって、前記少なくとも１つの特性を動的に調整することを含む請求項５１に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項６９】
前記動的に調整するステップが、少なくとも１つのパラメータを評価し、かつ、その評価に応じて調整することを含む請求項６８に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項７０】
前記動的に調整するステップが、前記少なくとも１つのパラメータを表す少なくとも１つの感覚入力に応答して、アルゴリズムに従って進行するものである請求項６９に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項７１】
前記少なくとも１つのパラメータの評価に応答して、前記少なくとも１つの特性を動的に調整するステップを、さらに含むことを特徴とする請求項５１に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項７２】
前記動的に調整するステップが、前記少なくとも１つのパラメータを表す前記少なくとも１つの感覚入力に応答するアルゴリズムに従って進行するものである請求項７１に記載の熱電システムの製造方法。
【請求項７３】
冷却または加熱される少なくとも１つの媒体を用いる熱電システムであって、
前記冷却側および前記加熱側を備えた熱電アレイ内に複数の熱電エレメントを形成するとともに、該複数の熱電エレメントを、前記熱電アレイに沿った少なくとも１つの方向において、相互に実質的に熱的に分離させる手段と、
前記熱電エレメントの熱的な分離が有効に維持された状態で、前記熱電アレイの少なくとも一方の側における熱交換が行われるようにする手段とを備えていることを特徴とする熱電システム。
【請求項７４】
前記少なくとも１つの媒体が、前記熱電アレイの少なくとも一方の側の少なくとも一部を通り、少なくとも１つの方向に移動するように構成されていることを特徴とする請求項７３に記載の熱電システム。
【請求項７５】
前記熱電エレメントの少なくとも１つの特性が、前記媒体が移動する方向で変化するものであることを特徴とする請求項７４に記載の熱電システム。
【請求項７６】
前記少なくとも１つの特性が、少なくともいくつかの前記熱電エレメントの電気抵抗であることを特徴とする請求項７５に記載の熱電システム。
【請求項７７】
前記少なくとも１つの特性が、前記熱電アレイ内の少なくともいくつかの前記熱電エレメントを流れる電流であることを特徴とする請求項７５に記載の熱電システム。
【請求項７８】
前記熱交換が行われるようにするための手段が、熱交換器を含むことを特徴とする請求項７４に記載の熱電システム。
【請求項７９】
前記熱交換器が、複数の部分を使用して構成され、各部分が少なくとも１つの熱電エレメントと熱的に接触し、前記熱交換器の少なくともいくつかの部分が、前記媒体が移動する方向で、前記熱交換器の他の部分から実質的に熱的に分離されていることを特徴とする請求項７８に記載の熱電システム。
【請求項８０】
少なくともいくつかの前記部分が、ポストであることを特徴とする請求項７９に記載の熱電システム。
【請求項８１】
少なくともいくつかの前記部分が、フィンであることを特徴とする請求項７９に記載の熱電システム。
【請求項８２】
少なくともいくつかの前記部分が、ヒートパイプであることを特徴とする請求項７９に記載の熱電システム。
【請求項８３】
前記熱電アレイの少なくとも一方の側から熱を放熱させるための手段を、さらに備えていることを特徴とする請求項７３に記載の熱電システム。
【請求項８４】
前記媒体が、少なくとも１つの流体であることを特徴とする請求項７３に記載の熱電システム。
【請求項８５】
前記媒体が、少なくとも１つの固体であることを特徴とする請求項７３に記載の熱電システム。
【請求項８６】
前記少なくとも１つの媒体が、少なくとも１つの流体と少なくとも１つの固体との組み合わせであることを特徴とする請求項７３に記載の熱電システム。
【請求項８７】
前記少なくとも１つの特性が、動的な調整によって変化するものであることを特徴とする請求項７５に記載の熱電システム。
【請求項８８】
前記動的な調整が、少なくとも１つのパラメータを表す少なくとも１つの感覚入力に応答して、アルゴリズムに従って進行することを特徴とする請求項８７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、より効率の高いヒートコンディションおよび／またはコールドコンディションを構成するための改良型熱電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電デバイス（ＴＥ）には、電気が流れると材料の両端間に熱勾配が発生するという特殊な材料の特性が利用されている。従来の熱電デバイスには、その内部に、熱電材料としてＰ型およびＮ型半導体が利用されている。これらの熱電デバイスは、目標とする加熱機能または冷却機能が得られるように、物理的かつ電気的に構成されている。
【０００３】
ＴＥに関係する、冷却および加熱のためのいくつかの基本的な方程式、理論、研究、試験方法およびデータが開示されている（例えば、非特許文献１参照）。図１Ａ、１Ｂは、現在、熱電デバイスに採用されている最も一般的な構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分拡大正面図である。通常、Ｐ型およびＮ型熱電エレメント１０２は、２枚の基板１０４の間に挟まれており、長方形のアセンブリ１００内に配列されている。Ｐ型およびＮ型の両方の熱電エレメントを通って、電流Ｉが流れる。熱電エレメント１０２は、熱電エレメント１０２の端部にはんだ付けされた銅シャント１０６を介して、直列に接続されている。ＤＣ電圧１０８が印加されると、ＴＥエレメントの両端間に温度勾配が発生する。図２および図３は、いずれも図１に示したＴＥアセンブリ１００を使用したシステムの概要を示す図で、図２は液体の流れを示す図、図３は冷却または加熱対象物を示す図である。
【０００４】
熱電エレメントを通って電流が流れると、熱電エレメントの一方の端部がクーラになり、もう一方の端部がウォーマになる。ＴＥは、液体、気体およびその他の対象物の冷却に広く使用されている。
【０００５】
ＴＥデバイスに関する最も一般的な形の基本方程式は、以下の通りである。
（１）  ｑc＝αＩＴc−(1/2)Ｉ2Ｒ−ＫΔＴ
（２）  ｑin＝αＩΔＴ＋Ｉ2Ｒ
（３）  ｑh＝αＩΔＴh−(1/2)Ｉ2Ｒ−ＫΔＴ
上記の式で、ｑcは冷却率（コールド側からの熱含量除去率）であり、ｑinは、システムに入力される電力である。また、ｑhはシステムの熱出力である。ここで、
α＝ゼーベック係数
Ｉ＝電流
Ｔc＝コールド側絶対温度
Ｔh＝ホット側絶対温度
Ｒ＝電気抵抗
Ｋ＝熱伝導係数
である。また、α、ＲおよびＫは仮定定数であるか、または適当な温度範囲に対して適切に平均化された値である。
【０００６】
定常状態下においては、入力エネルギと出力エネルギは、以下のように平衡する。
（４）  ｑc＋ｑin＝ｑh
また、冷凍および加熱業界で使用されている意味での性能を解析するためには、以下の定義が必要である。
（５）  β＝ｑc／ｑin＝性能の冷却係数（ＣＯＰ）
（６）  γ＝ｑh／ｑin＝加熱ＣＯＰ
（７）  ｑc／ｑin＋ｑin／ｑin＝ｑh／ｑin
（８）  β＋１＝γ
したがって、βおよびγは密接に関係しており、γは「１」の数だけ常にβより大きい。これらの式を操作することにより、βまたはγのいずれか、すなわちｑcまたはｑhのいずれかが最大になる条件を求めることができる。
【０００７】
βの最大値をβmで表し、ｑcの最大値対するＣＯＰをβcmで表すと、以下の式が得られる。
【０００８】
【数９】
2004526930.tif 000003
【０００９】
【数１０】
2004526930.tif 000004
上記の式で、ＺおよびＴm、は、下記のとおりである。
（１１）  ＝α2／Ｚ（ＲＫ）＝（α2ρ）／λ＝フィギュアオブメリット
（１２）  Ｔm＝（Ｔc＋Ｔh）／２
ここで、    λ＝材料の熱伝導率
ρ＝材料の電気抵抗率
側面が平行の単純な固体形状の場合、Ｋ＝λ×面積／長さであることに留意されたい。同様に、Ｒ＝（ρ×長さ）／面積である。したがって、ＫおよびＲは共に、あらゆる形状変化、例えば長さ、面積、コナリティ(conality)等の変化に影響される。また、ＫおよびＲは、機械的または他の手段によるフレキシブルエレメントの形状変化にも影響される。
【００１０】
βmおよびｑcmは、Ｚ、ＴcおよびＴhにのみ依存している。したがって、Ｚはフィギュアオブメリット（性能指数）と呼ばれ、ＴＥシステムの性能を特徴付ける基本的なパラメータである。Ｚの大きさが、図１に示す幾何学および他のほとんどの幾何学における熱電性能を左右し、また、今日における熱電エレメントの用途を決定付けている。
【００１１】
最新の材料を使用した熱電デバイスが、特定の航空宇宙産業およびいくつかの商用目的に使用されている。しかし、システムの効率が、フレオン類の流体（例えば、冷蔵庫、自動車ＨＶＡＣシステム、建築物ＨＶＡＣシステム、家庭用空気調和装置等に使用されている）を使用するほとんどの冷凍システムの効率と競争するには、あまりにも悪すぎるため、その用途は限られたものとなっている。
【００１２】
（９）式の最大熱電効率と、カルノーサイクル効率（任意の冷却システムの理論的最大システム効率）であるＣmとを比較すると、限界が明らかになる。
【００１３】
【数１３】
2004526930.tif 000005
検算する場合、Ｚ→∞とすると、β→Ｃmであることに留意されたい。最良の商用ＴＥ材料は、積が、下記の式になるようなＺを有するものである。
【００１４】
ＺＴa≒１
いくつかの商用材料は、ある程度の狭い温度範囲に対してＺＴa＝１であるが、現在の商用材料では、ＺＴaが「１」の数を超えることがない。図４は、ＺＴaが「１」の数を超えないことを示したものである。実験室的な材料の中には、ＺＴa＝２〜４を示す材料もあるが、これらの材料は商業規模では生産されていない。一般的には、より良好な材料を商用的に利用することができるようになっているが、本発明の利点を不要にするほどの材料ではない。
【００１５】
現在、いくつかの構成の熱電デバイスが、自動車座席の冷却システム、携帯型冷却器および冷蔵庫、科学アプリケーション向け高効率液体システム、エレクトロニクスおよび光ファイバシステムの冷却、および赤外線センシングシステムの冷却に使用されている。
【００１６】
これらのすべてのデバイスに共通していることは、ＴhがＴＥのホット側全体にわたって一様であり、同様に、Ｔcがコールド側全体にわたって一様であることである。このようなデバイスはほとんどの場合、ＴＥのホット側およびコールド側エンドプレートにアルミナ基板（良好な熱伝導体）が使用され、また、熱交換器として銅またはアルミニウムのフィンまたはブロックが、少なくとも一方の側に使用されている。
【００１７】
したがって、良好な近似を得るための条件は、図５に示す線図で表すことができる。このケースでは、ΔＴは、ΔＴ＝ΔＴc＋ΔＴhであるΔＴcおよびΔＴhで、それぞれコールド側およびホット側に分割されている。（１）式および（２）式を（５）式に代入すると、下記の（１４）式が得られる。
【００１８】
【数１４】
2004526930.tif 000006
しかし、ΔＴは、ΔＴcとΔＴhの和であるため、例えばΔＴc＝ΔＴhであるとすると、ΔＴ＝２ΔＴcである。効率はΔＴの増加と共に低下するため、ΔＴを可能な限り小さくすることが大いに望ましい。オプションの１つは、ホット側に沿って流れる流体の量を、コールド側に沿って流れる流体の量と比較して、極めて多くすることである。この場合、ホット側からの熱流の方程式は、下記の（１５）式で表される。
（１５）  ｑh＝ＣpＭΔＴh
ＣpＭは、ホット側を通過する流体の単位時間当たり（例えば、１秒当たり）の熱量である。
【００１９】
したがって、ＣpＭが与えられた要求値ｑhに対して極めて大きい場合、ΔＴhは極めて小さくなる。しかし、これには欠点があり、大型ファン、すなわちポンプを必要とし、また、流体が大量に廃棄される（つまり、より効果的な冷却を達成するべく、プロセスの一部として、冷却されることなく流体が廃棄される）。
【００２０】
第２のオプションは、熱が受動的に放熱されるよう、ホット側のヒートシンクを極めて大きくすることである。その例は、ホット側が車両シャーシと極めて良好に熱接触している、自動車における低電力ＴＥ、またはＴＥが外殻、延いては海水と良好に熱接触している、潜水艦におけるＴＥシステムである。しかしながら、これらの方法は一般的には実施が困難であり、またはコスト、重量、サイズまたはその他の条件が、それらの用途を制限している。そのために、ほとんどのデバイスで、ΔＴがΔＴcより実質的に大きくなっており、効率の問題を抱えている。
【非特許文献１】
Ｈ．Ｊ．Ｇｏｌｄｓｍｉｄ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｐｉｏｎ  Ｌｔｄ、２０７  Ｂｒｏｎｄｅｓｂｕｒｙ  Ｐａｒｋ、Ｌｏｎｄｏｎ、ＮＷ２  ５ＪＮ、Ｅｎｇｌａｎｄ（１９８６）
【発明の開示】
【００２１】
全体的には、熱電エレメントのアセンブリ全体を、熱的に分離されたサブアセンブリに細分化することにより、効率改善型熱電デバイスが得られている。熱的な分離を利用し、かつ、熱電エレメントにより冷却または加熱される材料の位置および流れ方向を制御することにより、全体の効率が改善されている。また、ΔＴを変化させ、かつ、熱電デバイス全体における各部の熱電エレメントの物理的、熱的および電気的特性を変化させることによって、効率が改善されている。
【００２２】
本発明に係る一つの態様には、冷却または加熱される少なくとも１つの媒体を用いる熱電システム（熱電デバイス）が包含されている。このシステムは、冷却側および加熱側を備えた熱電エレメントアレイ（以下、熱電アレイと略記する）を形成している複数の熱電エレメントを有しており、これらの複数の熱電エレメントは、熱電アレイに沿った少なくとも１つの方向で、相互に実質的に熱的に分離されている。冷却側および／または加熱側のうちの少なくとも一方の側に、少なくとも１つの熱交換器が設けられており、少なくとも１つの熱電エレメントと熱的に接触している。熱交換器は、熱電エレメントの熱的な分離を有効に維持するように構成されている。
【００２３】
一実施の形態では、流体、固体または流体と固体の組み合わせなどの媒体が、熱電アレイの少なくとも一方の側の少なくとも一部に沿って、少なくとも１つの方向に移動するようになっている。他の実施の形態では、例えば電気抵抗（以下、抵抗と略記する）などの少なくとも１つの熱電エレメントの特性が、媒体の移動方向で変化している。抵抗は、熱電エレメントの長さの変化、熱電エレメントの断面積の変化、各熱電エレメントの機械的構成の変化、または少なくとも１つの熱電材料の抵抗率など、多くの方法によって変化させることができ、また、アプリケーションに適した任意の方法で変化させることができる。
【００２４】
さらに別の実施の形態では、熱電アレイ内の少なくともいくつかの熱電エレメントを流れる電流が、他の熱電エレメントを流れる電流と異なっている。
【００２５】
熱交換器は、ポスト、フィンまたはヒートパイプなどで、複数の部分で構成されており、各々の部分が少なくとも１つの熱電エレメントと熱的に接触し、少なくともいくつかの部分が、媒体が移動する方向で相互に実質的に熱的に分離されていることが好ましい。これらの部分の熱的な分離が熱電エレメントの熱的な分離に対応し、それにより、効果的に熱的に分離されたサブアセンブリが提供されることが好ましい。一実施の形態では、冷却側および加熱側の各々に熱交換器が設けられている。別の実施の形態としては、一方の側にヒートシンクを設け、もう一方の側に熱交換器を設けることもできる。ヒートシンクは、一方の端部で熱電アレイと熱接触し、もう一方の端部でヒートシンクと熱接触しているヒートパイプを介して、熱電アレイの一方の側に接合しているのがよい。また、別の実施の形態では、熱電エレメントに、少なくとも１つの磁界が印加されている。
【００２６】
熱電システムの機械的な構成を調整することにより、熱電システムの少なくとも１つの特性を動的に調整できるようにすることが好ましい。熱電システムに接続された制御システムにより、制御システムへの少なくとも１つの入力に基づいて、機械的な構成が調整される。制御システムは、調整によって効率を動的に改善することができるように動作することが好ましい。そのアルゴリズムが提供されており、制御システムはそのアルゴリズムに従って動作するように構成されている。一実施の形態では、制御システムは、制御システムへの少なくとも１つの入力に基づいて、少なくとも１つの特性を調整するようになっている。
【００２７】
熱的な分離、特性の変化、電流の変化、磁界の印加および制御システムなどの様々な特徴を、個々のアプリケーションに、様々な組み合わせで、または単独で使用することができる。
【００２８】
本発明に係る別の態様には、流体、固体または流体と固体の組み合わせなど、冷却または加熱される少なくとも１つの媒体を用いる熱電システムの製造方法が包含されている。この方法には、冷却側および加熱側を備えた熱電アレイ内に、複数の熱電エレメントを形成するとともに、複数の前記熱電エレメントを、前記熱電アレイの少なくとも１つの方向で、相互に実質的に熱的に分離させるステップと、前記熱電エレメントの熱的な分離が有効に維持される状態で、前記熱電アレイの少なくとも一方の側で熱交換が行われるようにするステップとが含まれている。
【００２９】
この熱電システムの製造方法に係る一実施の形態では、媒体は、熱電アレイの少なくとも一方の側の少なくとも一部に沿って、少なくとも１つの方向に移動するようになっている。この方法に係る別の実施の形態には、さらに、熱電エレメントの抵抗または機械的な構成など、少なくとも１つの特性を媒体が移動する方向で変化させるステップが含まれている。例えば、抵抗は、少なくともいくつかの熱電エレメントの長さ、断面積、機械的な構成または抵抗率の変化など、任意の多くの方法で変化させることができる。一実施の形態では、少なくとも１つの特性を変化させるステップには、少なくとも１つの特性を動的に調整するステップが含まれている。この調整は、感覚入力、すなわちユーザによって入力される少なくとも１つのパラメータの評価に基づいていることが好ましい。この調整は、アルゴリズムによって制御されるようになっている。
【００３０】
一実施の形態では、熱交換するステップには、各々の部分が少なくとも１つの熱電エレメントと熱的に接触し、少なくともいくつかの部分が、媒体が移動する方向で、他の部分から実質的に熱的に分離された複数の部分からなる熱交換器を形成するステップが含まれている。それらの部分は、ポスト、フィンまたはヒートパイプ、またはその他の適切な熱交換器材料など、任意の数で構成することができる。一実施の形態では、熱交換するステップには、冷却側および加熱側の両方で熱交換するステップが含まれている。別法としては、上記方法には、熱電アレイの少なくとも一方の側から熱を放熱させるステップが含まれている。
【００３１】
別の実施の形態に係る方法には、さらに、熱電アレイ内の少なくともいくつかの熱電エレメントを流れる電流を変化させるステップが含まれている。さらに別の実施の形態に係る方法には、さらに、熱電エレメントに、少なくとも１つの磁界を印加するステップが含まれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係る上記の熱電システム、その製造方法およびその他の特徴を、多数の図を参照しながら詳細に説明する。本発明に係る好ましい実施の形態に関する詳細な説明は、添付する図に基づいてなされるものとする。
【００３３】
本発明について、説明用として、図面に示す実施例および特定の実施の形態を使用して紹介する。目的とする改善を達成するために、様々な構成がどのように使用されているかを示すために、様々な実施例が示されているが、これらの特定の実施の形態は説明用であり、本発明の技術的範囲を制限することを意図したものではない。
【００３４】
図６は、ＴＥシステム６００の全体の構成を一般化して示すブロック図である。電源６０２に、ホット側６０３およびコールド側６０４を備えた熱電アセンブリ（熱電エレメント）６０１が電気的に接続されている。熱電アセンブリ６０１は、ホット側６０３上のホット側熱交換器６０７と良好に熱接触し、かつ、コールド側６０４上のコールド側熱交換器６０８と良好に熱接触している。適切なダクトまたはパイプを備える（図示省略）ホット側６０３の流体源６０５およびコールド側６０４の流体源６０６が、それぞれの熱交換器６０７および６０８に流体を送っている。加熱された流体６０９および冷却された流体６１０は、図の右側へ向かってシステムから流出する。特定のアプリケーション（以下に示す実施例を備えている）では、熱交換器６０７または６０８の一方がヒートシンクに置き換えられ、それにより、ヒートシンクに置き換えられた側の流体源または流体の必要性が取り除かれている。
【００３５】
一般的には、本明細書により、さらに詳細に説明するように、本発明は、熱電システムの構成の改良による熱電システムの効率改善に関するものであり、加熱または冷却される媒体が流れる方向において、熱電システムのエレメント間またはステージ間の熱的な分離を提供するものである。以下に示す実施例のほとんどは、冷却に焦点が絞られているが、本発明の原理は、加熱アプリケーションにも適用することができる。
【００３６】
図７Ａは、本発明によって実質的に効率が改善されるＴＥシステム７００に係る第１の実施の形態を示す図である。図７Ａに示したように、ＴＥエレメントアレイ（熱電アレイ）７０１は、複数のＴＥエレメント７０４をサンドイッチしているホット側基板７０２およびコールド側基板７０３を使用して構成されている。複数のピン７０５が、ホット側基板７０２およびコールド側基板７０３の両方に、それらの基板を介してＴＥエレメント７０４と良好に熱接触し、ＴＥシステム７００の熱交換器を構成している。図７Ａに示したように、ピン７０５は、釘に極めて類似した形状を有しており、そのヘッド７０６は、ＴＥエレメント７０４と良好に熱接触している（ホット側およびコールド側）。ピン７０５は、熱伝導率の高い銅または他の材料であることが好ましい。アプリケーションに応じて、または熱伝達が生じる流体に応じて、ピン７０５を他の熱交換器の構成すなわち幾何学的構成に置き換えることができる。例えばヒートパイプまたはフィンなど、このような幾何学的構成のいくつかについて以下で説明する。熱交換器は、ピンからピンへ流体が流れる方向の熱伝達を最小にし、かつ、ＴＥエレメント７０４からピン７０５に対しては良好な熱伝達を維持するものでなければならない。
【００３７】
ホット側基板７０２およびコールド側基板７０３は、ＴＥエレメントアレイ７０１の長さ方向に沿って、流体が流れる方向で熱伝導率が小さくなるような材料でできており、かつ／またはそのように幾何学的に構成されている。基板７０２および７０３は、熱伝導率が比較的小さいので、それよってＴＥエレメント７０４からピン７０５への熱伝達が重大な影響を受けないように、薄いことが好ましい。ホット側基板７０２およびコールド側基板７０３は、ＴＥエレメントアレイ７０１をまとめて保持し、かつ、ＴＥエレメント７０４間において要求される従来の電気的接続を提供する導電部分を有している。その材料は、銅が選択的にクラッドされているか、厚さ約０．０５０ｍｍの銅が両面（回路用およびピン７０５への熱付着用）にクラッドされた導電性材料が選択的にクラッドされていることが好ましい。好ましい材料の１つは、Ｋａｐｔｏｎ  ＭＴまたはその他のフレキシブル電気的絶縁印刷回路材料である。Ｋａｐｔｏｎ  ＭＴの熱伝導率は約０．５Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さは約０．０２５ｍｍである。別法としては、熱伝導率を実質的にもっと大きく、例えば２０Ｗ／ｍ・Ｋとし、かつ、基板７０２および７０３が十分に薄い（一実施の形態では、約０．０５ｍｍ未満）場合、または隣接するピンとピンの間の流れ方向における熱的な分離を提供するような形状である場合に、性能上の有効な効果を得ることができる。ＴＥシステム７００の構成が目指しているのは、それぞれの熱交換器部品と良好に熱接触した状態で、流体が流れる方向において、個々のＴＥエレメント７０４を、実質的に熱的に分離した状態に維持することである。
【００３８】
上記の熱交換器は、特定の熱交換器の１つである。本発明のシステムによって得ることができる効率利得(efficiency gain)を利用するためには、熱交換器が局所ポイントレベルで有効であることが重要である。つまり、熱交換器の各々のポイントで、加熱または冷却すべき媒体の温度が、その位置における熱交換器の温度に近い温度になっていることが重要である。熱電システムに沿って移動する冷却される媒体と、各々の位置における熱交換器との間の温度差が大きい場合に熱効率が低下する。したがって、本発明によれば、熱電エレメントは、流れの方向で実質的に熱的に分離され、熱交換器は、熱電エレメントと良好に熱接触していることが好ましい。このように、熱電エレメントは、実質的に流れの方向で熱的に分離されている。また、熱交換器は、移動媒体の性質を考慮して設計されているため、あらゆる与えられた位置において、熱交換器と、冷却または加熱される媒体との間の温度差が、入力から出力までの全温度差と比較して小さくなっている。
【００３９】
また、熱電エレメント間に提供される熱的な分離のレベルは、トレードオフおよび個々のアプリケーションに応じて様々である。例えば、熱交換器に対しては、熱伝導が良好なことが望ましいが、熱電エレメントから熱電エレメントへの基板に沿った方向では、熱的な分離が要求される。効率は、エレメント間の熱的な分離が良好なほど改善されるが、この効率は、熱電エレメントと熱交換器との間の局部的な熱伝導不良に起因する効率損失、または、熱交換器と冷却または加熱される媒体との間の無効熱伝達によってオフセットされる。したがって、必ずしも最適ではないとしても、個々のアプリケーションに対する実用的な設計を行うためには、各アプリケーションには、相互に関係するこれら３つの特性のバランスを取る必要がある。
【００４０】
図７Ｂおよび７Ｃは、図７Ａに示したＴＥシステムにおける一つの可能な構造を、より詳細に示した図である。図７Ｂは、図７Ａに示したＴＥシステム７００の一部分を拡大して示した部分拡大断面図である。図７Ｃは、図７Ｂに示した基板を直角方向から見た図であり、コールド側基板の底部から見たＴＥ側を示す平面図である。なお、図７Ｃは、ＴＥエレメント７０４のアレイ（４エレメント幅）に関する回路トレースの一つの可能なレイアウトを示した図である。幅すなわち長さ方向のエレメントの数は、アプリケーションに適合するように選択され、任意の数にすることができる。図７Ｂには、コールド側基板７０３が示されている。ホット側基板７０２の構造も、図７Ｂに示した実施の形態と同様である。
【００４１】
図７Ａに示した基板７０３は、電気絶縁層７１４で構成されており、電気絶縁層７１４の上に、ＴＥエレメント７０４を１つに接続するために使用される回路７１５が形成される。電気絶縁層７１４の一面側には、金属パッド７１６（図７Ｂ）が設けられており、金属パッド７１６はピン７０５と良好に熱接触している。この熱接触は、例えば、はんだ付けまたはエポキシボンディングによって達成されるが、他の方法の利用も可能である。ピンが電気絶縁層７１４に直接取り付けられ、良好に熱接触し、かつ、良好な熱エネルギの伝達特性を有している場合には、金属パッド７１６は不要である。ピンを電気絶縁層７１４の拡張部分とすることにより、ピンまたはピンの機能を果たす他の部分を単一ユニット構造にすることができる。
【００４２】
別法として、または組合せとして、電気絶縁層７１４を異方性とすることにより、電気絶縁層７１４の熱伝導率を、ＴＥエレメントからピンの方向に向かってより大きくし、かつ、流れの方向に向かってより小さくすることができる。電気絶縁層７１４における平面に直角な方向の熱伝達を良好にすることができる別の方法は、電気絶縁層７１４を極めて薄くすることである。電気絶縁層７１４は、流れの方向に対しては良好な熱的絶縁体であることが好ましいが、電気絶縁層７１４中のギャップ７１７によって熱絶縁を提供し、または熱絶縁をさらに強化することができる。それにより、電気絶縁層７１４の熱伝導率をＴＥエレメント７０４間の空気または他の媒体の熱伝導率に置き換えることができる。一実施の形態では、熱絶縁性の高い材料がギャップ７１７に充填されている。
【００４３】
図７Ａに示したＴＥシステム７００は、右から左へ向かって流体が流れるように構成されている。適切なダクト７１１を通って、周囲環境(ambient)温度ＴAで、流体７１０が流入し、熱交換器として機能しているピン７０５を通るように流れる。この流体は、冷却器の温度ＴCに冷却された流体７１２、およびより高い温度ＴHに加熱された流体７１３として左側から流出する。この実施の形態では、ヘッド７０６を含むピン７０５は、相互に良好に熱接触していないため、各ピンは、流体が流れる方向では、相互の熱的な分離が効果的に行われている。ＴＥエレメントアレイ７０１および特にホット側およびコールド側の基板７０２、７０３は、流体が流れる方向に対する熱伝導率が低い材料であり、かつ、ＴＥエレメント７０４とピン７０５との間に良好な熱伝達を備えるように設計されることが好ましい。
【００４４】
ＴＥエレメント７０４は従来のＴＥエレメントであるが、図７Ａに示した設計のＴＥエレメントアレイ７０１のＴＥエレメント７０４に改良を施すことにより、効率をさらに改善することができる。一実施の形態では、ＴＥエレメント７０４は、図７Ａの右端部分に、より小さい抵抗を持たせ、図の左側へ向かって抵抗が大きくなるように構成されているか、逆の方向に、抵抗が大きくなる方向と流れの方向とが一致するように構成されている。より大きい抵抗端である最後のＴＥエレメントの抵抗は、従来のＴＥエレメントの抵抗に概ね等しい抵抗であることが好ましい。ｘ方向（図７Ａの右から左へ向かう方向）の抵抗Ｒは、
（１６）    Ｒ（ｘ）(Ｒ0（ｘ／Ｌ）
に近いことが有利である。上式で、ＴＥ全体の電流が一定である場合、
Ｒ0＝従来のＴＥ中のエレメントの電気抵抗
Ｒ（ｘ）＝ｘにおけるＴＥエレメントの電気抵抗
である。
【００４５】
（１６）式は、Ｒ（０）がゼロではないため、正確ではないことに留意されたい。しかしながら、Ｒ（０）がＲ0／２未満である場合、実質的な利点が得られる（電流ＩがＴＥ全体を通して一定であると仮定）。また、流体が流出する端部以外の任意のポイントの効率は、ΔＴ（ｘ）およびＲ（ｘ）の両方が、いずれの場所においてもより小さいため、次の方程式で示すように、従来のデバイスの効率より優れていることに留意されたい。任意のポイントｘにおける効率すなわちＣＯＰは、次の（１７）式により近似することができる。
【００４６】
【数１７】
2004526930.tif 000007
（１７）式で、
（１８）  Ｒ（ｘ）＝ｘにおけるＴＥエレメントの電気抵抗
（１９）  ΔＴ（ｘ）＝ｘにおけるΔＴ
（２０）  βP＝その幾何学に対するＣＯＰ
である。
【００４７】
抵抗Ｒ（ｘ）はＲ0未満であり、したがってＩ2Ｒ（ｘ）はＩ2Ｒ0より小さく、また、ΔＴ（ｘ）はΔＴ（Ｌ）より小さい。Ｌ以外のすべてのポイントｘにおいては、分子が最小値Ｌになるように、Ｒ（ｘ）がＲ0未満であり、かつ、ΔＴ（ｘ）がΔＴ（Ｌ）未満であることが好ましい。同じ理由により、ｘにおける分母が小さく、したがってＬ未満のすべてのｘに対して、β（ｘ）がβ（Ｌ）より大きいことが好ましい。
【００４８】
β（ｘ）を０からＬまで積分することにより、そのデバイスのＣＯＰが得られる。このＣＯＰは、上記の理由により、、流れの方向における流体流動パターンまたは熱伝導が、従来のＴＥシステムの場合と同様であるので、βが事実上一定であった場合のＣＯＰより大きい。要約すると、図７Ａに示したＴＥシステムは、ＴＥシステム７００の両端間におけるホット側７０２とコールド側７０３との間の平均温度差（ΔＴ）が、従来のシステムの平均温度差より小さいため、従来のＴＥシステムに対して効率が向上している。すなわち、ＴＥシステムの熱力学効率が向上している。図７Ａに示した温度プロファイルを示すグラフは、これを示したものである。ＣＯＰの詳細な計算により、βPは、比較対象の従来のデバイスのＣＯＰより、５０％ないし１５０％大きいことが分かった。
【００４９】
図７Ｄは、一実施の形態に係るＴＥシステムを示す側面図およびグラフであり、デバイスの長さ方向に沿って抵抗が増加するデバイスを実現するためのＴＥシステムの構成７２０を示す図である。この構成の場合も、ＴＥエレメントアレイ（熱電アレイ）７２１は、複数のＴＥエレメント７２４をサンドイッチしているホット側基板７２２およびコールド側基板７２３を使用して構成されている。複数のピン７２５が、ホット側基板７２２およびコールド側基板７２３の両方に、それらの基板を介して、ＴＥエレメント７２４と良好に熱接触し、ＴＥシステム７２０の熱交換器を形成している。この場合も、ＴＥエレメントアレイ７２１の長さ方向の熱伝導率は、図７Ｃに示した実施の形態で示されているように、基板７２２および７２３中のギャップ７２６によって最小化されることが好ましい。流れは、図７Ｄにおける左側から右側であり、適切なダクト７２８を通って、周囲環境温度ＴAの流体７２７が流入し、熱交換器として機能しているピン７２５を通るように流れる。この流体は、温度ＴCに冷却された流体７２９、および温度ＴHに加熱された流体７３０として右側から流出する。この実施の形態では、ＴＥエレメント７２４の抵抗の変化は、抵抗が最小でかつ長さが最短のＴＥエレメント７３１、および抵抗が最大でかつ長さが最長のＴＥエレメント７３２を、それぞれＴＥシステム７２０の流入側および流出側に配置し、それらの長さの変化によって達成されるようにすることが好ましい。ＴＥエレメント７２４の抵抗、つまりそれらの長さは、図７Ｄの下側に示した温度プロファイルの２つの曲線７３４と７３５との差ΔＴ（ｘ）７３３に比例していることが好ましい。これらの２つの曲線７３４および７３５が、図７Ａに示したような直線ではないことに留意されたい。ΔＴ（ｘ）曲線の関数形は、Ｒ（ｘ）、電流および流体の加熱と冷却に影響を及ぼす他の要因の関数である。ΔＴ（ｘ）曲線の関数形がどのようなものであっても、エレメントの抵抗は、その一般形に従っていることが好ましい。
【００５０】
図７Ｅは、本発明のＴＥシステム７４０に係るさらに別の実施の形態を示す側面図およびグラフである。この実施の形態は、ホット側基板７４２が熱交換器である点を除き、図７Ｄに示した実施の形態の場合と同じである。この熱交換器は、ＴＥシステム７４０によって生成される熱の観点からヒートシンクである。ＴＥシステム７４０によって生成される熱の観点から、ヒートシンクは本質的にインフィニット(infinite)であることが好ましい。この構成の場合、ＴＥエレメントアレイ７４１は、複数のＴＥエレメント７４４をサンドイッチしているホット側基板７４２およびコールド側基板７４３を使用して構成されている。複数のピン７４５が、コールド側基板７４３を介してＴＥエレメント７４４と良好に熱接触し、ＴＥシステム７４０のコールド側熱交換器を形成している。
【００５１】
ホット側およびコールド側は、アプリケーションが冷却ではなく加熱を要求している場合、流れる電流の方向を反転させることによって反転させることができる。この場合も、ＴＥエレメントアレイ７４１の長さ方向の熱伝導率は、コールド側基板７４３上で最小化されている。図７Ｄの場合と同様、熱的な分離は、基板７４３中のギャップ７４６によって強化され、または達成されている。前述の実施の形態の場合と同様に、ギャップ７４６には、空気または他の熱伝導率が低い材料を充填することができる。
【００５２】
流れは、図７Ｅの左側から右側であり、適切なダクト７４８を通って、周囲環境温度ＴAの流体７４７が流入し、熱交換器として機能しているピン７４５を通り過ぎるように流れる。この流体は、冷却器温度ＴCに冷却された流体７４９として右側から流出する。ＴＥエレメント７４４の抵抗の変化は、抵抗が最小でかつ長さが最短のＴＥエレメント７５１、および抵抗が最大でかつ長さが最長のＴＥエレメント７５２を、それぞれＴＥシステム７４０の流入側および流出側に配置した構成とし、それらの長さの変化によって実現することが好ましい。
【００５３】
この実施の形態では、図７Ｅに示したＴＥエレメント７４４の抵抗、つまりそれらの長さは、図７Ｄの下側に示した温度プロファイルの２つの曲線７５４と７５５との差ΔＴ（ｘ）７５３に実質的に比例している。また、この実施の形態では、事実上、ホット側基板７４２がインフィニットヒートシンクであるため、曲線７５５は直線である。このようなヒートシンク７４２は容器の壁であり、容器の外側は、外部手段によって一定の温度に維持された大量の流体と接触している。
【００５４】
図８は、本発明に係るＴＥエレメントの熱的な分離を使用したＴＥシステム８００に関するさらに別の構成を示す側面図およびグラフである。図７Ａの場合と同様に、ＴＥエレメントアレイ８０１は、ホット側基板８０２、コールド側基板８０３、複数のＴＥエレメント８０４、およびＴＥエレメント８０４と良好に熱接触した複数のピン８０５を含んで構成されている。この実施の形態の場合にも、同じく流れ方向における熱的な分離が採用されており、周囲環境温度ＴAでコールド側ダクト８０８に流入する流体８０７は、コールド側に沿って流れる。同様に、周囲環境温度ＴAでホット側ダクト８１０に流入する流体８０９は、ＴＥシステム８００の反対側の端部を起点とするホット側に沿って流れる。流体８０７および８０９は、ピン８０５を通るように流れ、それぞれダクト８０８および８１０の反対側の端部から流出する。ＴＥシステム８００のホット側またはコールド側の両端間を流れた後、温度ＴHに加熱された流体８１１が、一方の端部から流出し、温度ＴCに冷却された流体８１２が、もう一方の端部から流出する。
【００５５】
上記の対象とする特定なケースは、ΔＴ（ｘ）およびＲ（ｘ）が一定の場合である。その理由は、このケースが、熱力学的効率の考察、製造の容易さおよび排出側（ホット側）の流れを少なくする必要性をバランスさせる実際的なケースになる傾向にあるからである。仮に、
（２１）  ΔＴ（ｘ）＝ΔＴc＝ΔＴh＝ΔＴ
とすると、近似的に、（２２）式、（２３）式のように表される。
【００５６】
【数２２】
2004526930.tif 000008
（２３）  βc＝その幾何学に対するＣＯＰ
これらの近似結果を、ΔＴh＝ΔＴcである従来のデバイスのＣＯＰに関する方程式と比較すると、（２３）式ではΔＴ＝ΔＴcであり、一方、従来のデバイスでは、下記の（２４）式のとおりである。
（２４）  ΔＴ＝ΔＴc＋ΔＴh
また、ΔＴc＝ΔＴhと仮定すると、
（２５）  ΔＴ＝２ΔＴc
であるため、このシステムはより有効である。したがって（２２）式から、βcは、一例として以下に示す設計パラメータの場合、β（（１４）式）より大きくなる。
【００５７】
α＝１０-1Ｖ／Ｋ
Ｉ＝３Ａ
Ｒ＝２Ω
Ｋ＝２Ｗ／ｍ・Ｋ
Ｔc＝２８０Ｃ
ΔＴc＝ΔＴh＝１０Ｃ
（２２）式から、下記の（２６）式が得られる。
（２６）  βc＝２．１１
ΔＴ＝２ΔＴcである従来の設計の場合、βは下記の（２７）式で表される。
（２７）  β＝１．４０
また、システムの効率がより優れているため、排出側の流体８０９および８１１の総流量の割合が小さい。したがって、この設計では、ｑinからの熱のうち、排出側の流体８０９および８１１として排出される熱は、比較的わずかである。
【００５８】
図８に示した下側のグラフは、ＴＥシステム８００における流体の温度プロファイルを示した図である。
【００５９】
上述の幾何学はすべて、流体が流れる方向へのＴＥエレメントの熱的な分離に関連する本発明に係る別の形態を提供したものである。上記の分離エレメント幾何学には、以下の利点が含まれている。
（１）熱力学効率が実質的に高い。
（２）メイン側（個々のアプリケーションにおけるコールド側またはホット側のうちの重要な方）の流体の流量割合が実質的に多い。
【００６０】
上記の実施の形態は、特定の実施の形態である。上述のような熱的な分離効率が得られる構成は、すべて本発明の技術的範囲に含まれる。また、例えば抵抗を小さくする改善により、上記の実施の形態によって得られる分離効率を、さらに向上させることができる。
【００６１】
図７Ａ〜７Ｅおよび図８には、流れ方向におけるＴＥエレメントの抵抗の増加による性能向上と共に、流れ方向におけるＴＥエレメントの熱的な分離に、重要な特徴があることが示されている。図９Ａないし９Ｅは、別の実施の形態を示す図であり、これらの特徴が組み込まれ、かつ、異なる幾何学の熱交換器およびＴＥエレメントが利用された例を示したものである。
【００６２】
図９Ａおよび９Ｂは、ＴＥシステム９００のこのような実施の形態を示したもので、熱交換器は、ピン以外のフィンを有している。図９Ａは側面図であり、図９Ｂは図９Ａを端面から見た側面図である。図９Ａ、９Ｂに示したように、ＴＥエレメントアレイ９０１は、複数のＴＥエレメント９０４をサンドイッチしているホット側基板９０２およびコールド側基板９０３を使用して構成されている。複数の熱交換器９０５が、ホット側基板９０２およびコールド側基板９０３の両方に、それらの基板を介して、ＴＥエレメント９０４と良好に熱接触している。ＴＥエレメント９０４間は、基板９０２、９０３およびＴＥエレメント９０４に接合された回路９０８を介して電気的に接続されていることが好ましい。
【００６３】
図９Ａ、９Ｂに示したように、熱交換器９０５は、基板９０２または９０３を介して、ＴＥエレメント９０４（ホット側およびコールド側）と良好に熱接触した波形の薄い金属フィン９０６を備えている。熱交換器９０５は、基板９０２および９０３と接触する部分の面積が大きくなるように、可能な限り平らな底部エッジ９０７を有する、熱伝導率が大きい銅またはその他の材料で構成されていることが好ましい。流れ方向（図９Ｂの平面に直角の方向）の熱伝導率は、この実施の形態では、ギャップ９０９によって分離されたＴＥエレメント９０４の列毎に別個の熱交換器９０５を設けることによって最小化されている。
【００６４】
図９Ｃは、別の実施の形態に係るＴＥシステム９２０を示す図であり、ヒートパイプ９２５およびヒートシンク９２６を使用した例を示す側面図である。ＴＥエレメントアレイ９２１は、複数のＴＥエレメント９２４をサンドイッチしているホット側基板９２２およびコールド側基板９２３を使用して構成されている。この場合、ＴＥシステム９２０は冷却用として構成されている。この場合も、コールド側基板９２３の熱伝導率は、流れ方向で小さくなっている。複数のヒートパイプ９２５は、一方の端面がコールド側基板９２３を介してＴＥエレメント９２４と良好に熱接触し、もう一方の端面が例示した熱交換機９２６に接触しており、コールド側基板９２３と、熱交換器９２６との間で熱が伝達されるようになっている。この実施の形態では、流れの方向は、図９Ｃの下から上に向かう方向である。図９Ｃに示したＴＥシステム９２０の場合、ホット側基板９２２は、ヒートシンク９２６と良好に熱接触している。ＴＥシステム９２０によって生成される熱の観点から、事実上、ヒートシンク９２６はインフィニットであることが好ましい。
【００６５】
また、図に示すＴＥシステム９２０には、流れ方向で抵抗が変化するＴＥエレメント９２４が使用されている。最も抵抗の小さいエレメント９２７が流入側９２９に置かれ、最も抵抗の大きいエレメント９２８が流出側９３０に置かれている。この場合、抵抗は、ＴＥエレメント９２４の断面積に反比例し、断面積は、流入側９２９から流出側９３０へ向かって減少しているため、抵抗は、逆に流出側９３０から流入側９２９へ向かって増加している。ＴＥエレメント９２４は、上記のように、回路に電気的接続されているが、分かり易くするために、図９Ｃには示されていない。
【００６６】
図９Ｄおよび９Ｅは、さらに別の実施の形態に係る冷却用分離エレメントＴＥシステム９４０を示す図である。図９Ｅは側面図であり、図９Ｄは図９Ｅを端面から見た図である。図９Ｄ、９Ｅに示した構造は、フィン付き熱交換器９４５を製造するための好ましい方法の１つを示している。図に示したように、ＴＥエレメントアレイ９４１は、ホット側基板９４２およびコールド側基板９４３を使用して構成されている。少なくともコールド側基板９４３は、流れ方向に小さい熱伝導率を有している。上記のように、回路９４９にまとめて電気的に接続された複数のＴＥエレメント９４４は、これらの基板９４２および９４３によりサンドイッチされている。
【００６７】
単一のフィンアレイ（フィン付き熱交換器）９４５は、コールド側基板９４３を介して、ＴＥエレメント９４４と良好に熱接触している。単一片であるにもかかわらず、流れ方向におけるフィンアレイ９４５の熱伝導率は、隣接するフィンセクション間のギャップ９４６によって小さくなっている。タブ９４７は、アレイ全体を１つに保持している。これらのタブ９４７は、それらが、隣接するフィンセクション間の熱伝達を著しく大きくしないよう、ギャップ９４６と比較して十分に小さいことが好ましい。
【００６８】
図９Ｅは、流れが流入側９５０から流出側９５１へ進むに伴って、ＴＥエレメント９４４の長さを増加させ、ＴＥエレメント９４４の抵抗変化にることによる改善を示した図である。既に示した実施の形態の場合と同様に、抵抗の変化は、他の方法、例えばＴＥエレメント９４４の断面を変化させること、ＴＥエレメント材料の抵抗率を変化させること、またはＴＥエレメントの長さ、断面および抵抗率が相違するものの組合せによって達成することができる。なお、ヒートシンク９４８は、ホット側基板９４２と良好に熱接触している。図７Ｅおよび図９Ｃには、これらのヒートシンクの好ましいタイプを示した。
【００６９】
図１０は、別の実施の形態に係るＴＥシステムを示す図であり、流れ方向におけるＴＥエレメントの抵抗変化（および分離エレメント）によって、既に説明した性能向上と同様の性能向上を達成することができるシステムを示す側面図である。この実施の形態では、ＴＥエレメントの抵抗は、デバイス全体を通して同じであるが、ＴＥエレメントに印加される電圧が、流れ方向で変化している。
【００７０】
図１０には、ＴＥシステム１０００に係る一実施の形態が示されている。ＴＥエレメントアレイ１００１は、複数のＴＥエレメント１００４をサンドイッチしているホット側基板１００２およびコールド側基板１００３を使用して構成されている。複数の熱交換器１００５が、ホット側基板１００２およびコールド側基板１００３の両方に、それらの基板を介して、ＴＥエレメント１００４と良好に熱接触している。熱交換器１００５および基板１００２、１００３は、既に説明した実施の形態に示す任意の構成にすることができる。熱交換器１００５は、図９Ａおよび９Ｂに示した熱交換器と同様、基板１００２または１００３を介して、ＴＥエレメント１００４（ホット側１０１１、コールド側１０１０）と良好に熱接触している。図１０に示したように、ホット側１０１１およびコールド側１０１０の流れは、いずれも左から右である。
【００７１】
流体１００９は、周囲環境温度ＴAで左側から流入し、熱交換器１００５を迂回して、または熱交換器を通って、ＴＥシステム１０００の全長さにわたって徐々に温度変化しながら流れ、コールド側では、ＴCに温度が低下した流体１０１０として右側から流出し、ホット側では、ＴHに温度が上昇した流体１０１１として右側から流出する。ＴＥエレメントとＴＥエレメントとの間は、基板１００２、１００３およびＴＥエレメント１００４に接続された回路１００８を介して電気的に接続されている。既に示した実施の形態の場合のような基板上における相互接続回路とは異なり、基板の回路１００８は、すべてのＴＥエレメント１００４を直列に接続していない。
【００７２】
図１０では、回路１００８は、個々のＴＥエレメント１００４または流れ方向に対して直角方向を向いたＴＥエレメント１００４の列が、電圧が異なる電源を有している。そのために、異なる電流がエレメントまたは列を流れるように構成されている。したがって、図１０に示したように、熱電アレイ（ＴＥエレメントアレイ）１００１の様々なセグメント、すなわちセクションに、様々な制御電圧１０２０が印加される。本実施の形態では、ＴＥシステムをモニタするために、制御システム１０１２に接合された複数のセンサ１０１３、１０１４および１０１５が設けられている。制御システム１０１２は、複数の制御電圧１０２０に接続され、ＴＥエレメントアレイ１００１内の異なるエレメントまたは列に供給される電流を制御している。
【００７３】
ＴＥシステム１０００の長さ方向の電圧は、外部の状態に応じて、またはシステム自体の内部の状態に応じて、制御システム１０１２を介して変化させることができる。これらの状態には、そのうちのいくつか、またはすべてが存在する可能性がある、外部温度または流れ、内部温度または流れ、および個々のＴＥエレメントまたはＴＥエレメントの列による所望の加熱量または冷却量を手動で制御するためのユーザが選択可能な入力が含まれている。
【００７４】
外部温度または流れ、内部温度または流れなどの状態は、センサ１０１３および１０１４などを介してモニタされる。ユーザが選択可能な入力は、制御システム１０１２のノブ、ダイヤル、押しボタンまたは他のプログラム可能な手段により行われる。例えば、ユーザが選択可能な入力またはユーザが構成可能な入力用に、ユーザインタフェース１０１５が設けられている。モニタした状態、またはセンサ１０１３および１０１４を介してモニタした状態をトリップするレベルを、ユーザインタフェース１０１５を介して修正することにより、ＴＥシステムの特定のアプリケーション、またはあらゆる時間にＴＥシステムが置かれる特定の条件に合わせて、ＴＥシステムを個別化することが好ましい。センサ１０１３、１０１４および１０１５は、ハードワイヤードまたはソフトウェア関係（その性質は、アプリケーションによって異なる）を使用して、センサの入力に応じて印加電圧を変化させる制御回路１０１２によってモニタされている。
【００７５】
このタイプのシステムの利点は、効率改善を達成するために、ＴＥエレメント１００４によって生成される熱出力を、必要に応じて変化させることができることである。例えば、刻々と変化する流れの状態に応じて、ＴＥエレメント１００４を流れる電流を調整することができる。この実施の形態に係る効率利得を得るための能力は、ＴＥシステムの長さ方向の任意のポイントｘにおけるＴＥシステムの最適効率に対する電流Ｉopt（ｘ）を求める下記の方程式（２８）式によって理解することができる。
【００７６】
【数２８】
2004526930.tif 000009
（２８）式において、パラメータαおよびＺは、ＴＥ材料の特性値である。Ｒは、ＴＥエレメント１００４の抵抗であり、図１０に示した実施の形態を考察する場合、ＴＥシステム１０００全体を通して一定であると見なすことができる。したがって、（２８）式は、最適効率の場合、ＩoptがΔＴに比例することを示している。Ｉoptを達成するためには、位置ｘにおけるエレメントの両端間の電圧を、Ｉopt（ｘ）とＲとの積にしなければならない。この実施例では、ΔＴは、左側のゼロから増加して右側で最大値になるため、最も左側のエレメントには、実用上可能な小さい電圧を印加し、出口１０１０および１０１１で最大値になるように増加させなければならない。したがって、図１０では、０  Ｖ1＜Ｖ2＜Ｖ3・・・・・Ｖnである。流れの方向に沿った位置ｘにおける電圧は、近似的に、下記の（２９）式であることが好ましい。
【００７７】
【数２９】
2004526930.tif 000010
図１１は、本発明の別の実施の形態に係るＴＥシステム１１００を示す断面図であり、抵抗の変化による性能の向上が、機械的な手段によって達成されている例を示す図である。ＴＥエレメントアレイ１１０１は、複数のＴＥエレメント１１０４をサンドイッチしているホット側基板１１０２およびコールド側基板１１０３を使用して構成されている。この実施の形態では、ＴＥエレメント１１０４は、端部が相互接続回路１１０８とホット側およびコールド側基板１１０２、１１０３との組合せによって密閉されたチューブ１１１０内に充填された液体ＴＥ材料１１０９で構成されている。液体ＴＥ材料の可能な例の１つは、液体になる温度（室温以上）におけるタリウムとテルルの混合物（ｐ型）、および水銀／ルビジウムの混合物（ｎ型）である。他の例は、水銀中でスラリー化されたＰ型ビスマスおよびテルル化物、および水銀中でスラリー化されたＮ型ビスマスおよびテルル化物である。A.F.LoffeのSemiconductor Thermal Elements,and Thermoelectric Cooling,Infoserch,London,1957に、このような材料のいくつかが記載されている。
【００７８】
複数の熱交換器１１０５が、コールド側基板１１０３を介してＴＥエレメント１１０４と良好に熱接触している。図に示したように、この実施の形態における熱交換器１１０５は、図９Ａおよび９Ｂに示した熱交換器９０５と同様であり、コールド側基板１１０３を介してＴＥエレメント１１０４と良好に熱接触している。上記のように、熱交換器１１０５は、釘、フィンまたはヒートパイプなどの多数の異なるタイプの熱交換器とすることができ、または任意の多数の他のタイプの熱交換器とすることができる。上記のように、ＴＥエレメント１１０４は、コールド側１１０３を流体が流れる方向に、実質的に、または少なくとも効果的に熱的に分離されている。
【００７９】
ヒートシンク１１１４（ＴＥシステム１１００の観点から、実質的に、インフィニットである）は、ホット側基板１１０２を介してＴＥエレメント１１０４と良好に熱接触している。この実施の形態では、少なくともいくつか、場合によってはすべてのＴＥエレメント１１０４に、ピストン１１０７が設けられている。ピストンは孔１１０８を有しており、システムコントローラ１１１６に接続されたアクチュエータ１１１５に結合されている。システムコントローラ１１１６は、複数のセンサ１１１７、１１１８および１１１９と接続されている。例えば、センサは、外部センサ１１１７、内部センサ１１１８およびユーザ制御またはユーザ入力デバイス１１１９である。システムコントローラ１１１６は、ハードウェア、すなわちマイクロプロセッサをベースとしたコンピュータ制御をアクチュエータ１１１５に提供することが好ましく、アクチュエータ１１１５に必要な十分な電流を供給することができるように、アクチュエータ１１１５用の電源すなわちドライバを備えている。
【００８０】
ＴＥエレメントとＴＥエレメントとの間の電気的接続は、基板１１０２および１１０３に接続された回路１１０６によって図られ、かつ、回路１１０６は、ＴＥエレメント１１０４の表面およびピストン１１０７とも接続されている。ピストン１１０７からホット側基板１１０２への電気的接続は、スライド接点１１１３を使用して達成されている。ピストン１１０７の中の孔１１０８により、液体ＴＥ材料１１０９は、ピストンが移動する際に孔１１０８を通過することができる。ピストン１１０７は、任意の位置で、液体ＴＥ材料を前方セクション１１１１と後方セクション１１１２とに分けている。この実施の形態では、ピストン１１０７は、導電率が液体ＴＥ材料１１０９の導電率より実質的に大きい導電材料で作製されている。
【００８１】
ピストン１１０７がホット側回路１１０６まで完全に移動していない場合、すなわち後方セクション１１１２に体積が残存している状態では、液体ＴＥ材料１１０９の一部が、事実上、ピストン１１０７によって短絡される。それにより、ＴＥエレメント１１０４の抵抗が、その最大抵抗よりある程度の値だけ小さくなる。したがって、固定スキームまたは時間変化スキームに従って、ＴＥエレメント１１０４の抵抗がＴＥシステム１１００の長さ方向に沿って変化するように、ピストン１１０７の位置を調整することができる。制御スキームは、図１０に関連して説明したスキームと類似している。ただし、上記の制御スキームの場合には、ＴＥエレメント１１０４に印加する電圧を変化させる代わりに、外部センサ１１１７、内部センサ１１１８、ユーザ入力センサ１１１９、または他の信号方式デバイスからの入力の変化に応答して、コントローラ１１１６または他の電源によって制御されるアクチュエータ１１１５を使用することにより、ピストン１１０７の位置を変更することが好ましい点が相違する。
【００８２】
本技術において理解されるように、適切な磁界を印加することにより、特定のＴＥ材料の性能を改善することができる。図１２は、実施の形態に係るＴＥシステム１２００一構成を示す側面図である。ＴＥエレメント１２０４の材料構成は、磁界がＴＥエレメントのほぼ幅方向全体に印加されるようになっている。図１２に示したように、ＴＥエレメントアレイ１２０１は、複数のＴＥエレメント１２０４をサンドイッチしているホット側基板１２０２およびコールド側基板１２０３を使用して構成されている。熱交換器１２０５は、ホット側およびコールド側基板１２０２、１２０３を介して、ＴＥエレメント１２０４と良好に熱接触している。図１２に示したように、熱交換器１２０５は、図９Ａおよび９Ｂに関連して説明した構成など、任意の適切な構成の熱交換器である。
【００８３】
この実施の形態においても、前述の実施の形態と同様、流れ方向におけるＴＥエレメント１２０４の実質的または効果的な熱的分離が採用されている。ＴＥエレメントの直列電気接続は、ホット側およびコールド側基板１２０２、１２０３およびＴＥエレメント１２０４に接合または固定された回路１２０６によって達成されている。例えば、いくつかのＴＥ材料に対して、永久磁石１２０７から適切な磁界が印加されている。永久磁石１２０７は、それらの極性（図１２では、北はＮで、また、南はＳで示されている）が、すべて同じ方向に配向されている。したがって、磁界１２０８（点線で示す）は、ＴＥエレメント１２０４の幅方向を貫通している。
【００８４】
図１３は、実施の形態に係るＴＥシステム１３００の構成を示す側面図である。ＴＥエレメント１３０４の材料構成は、ＴＥエレメントの長さ方向全体に適切な磁界が印加されるようにすることによって、改善が図られている。図１３に示したように、ＴＥエレメントアレイ１３０１は、複数のＴＥエレメント１３０４をサンドイッチしているホット側基板１３０２およびコールド側基板１３０３を使用して構成されている。この実施の形態では、熱交換器１３０５は、永久磁石１３０７と良好に熱接触している。永久磁石１３０７は、コールド側基板１３０３を介してＴＥエレメント１３０４と良好に熱接触している。一つの実施の形態では、永久磁石が熱交換器を形成している。別法としては、熱交換器１３０５を、図９Ａおよび９Ｂに関連して説明した熱交換器９０５と同様の熱交換器とすることもできる。
【００８５】
この実施の形態では、流れ方向におけるＴＥエレメント１３０４の実質的または効果的な熱的分離が採用されている。ヒートシンク１３０９（ＴＥシステム１３００の観点から、実質的にインフィニットである）は、ホット側基板１３０２を介してＴＥエレメント１３０４と良好に熱接触している。ヒートシンク１３０９は、鉄などの高透磁率材料で作製されている。ＴＥエレメント１３０４の直列電気接続は、ホット側およびコールド側基板１３０２、１３０３およびＴＥエレメント１３０４に接合され、または取り付けられた回路１３０６によって達成されている。磁界は、対毎に極性（図１３では、北はＮで、また、南はＳで示されている）を向き合わせて配向された永久磁石１３０７によって印加されている。磁気回路は、高透磁率のヒートシンク１３０９を介してホット側で完結している。したがって、磁界１３０８（点線で示す）は、実質的にＴＥエレメント１３０４の長さ方向を貫通している。
【００８６】
上記の実施の形態では、熱を伝達する媒体または熱を抽出する媒体が、流体である。図１４は、流体が固体に置換された構造を有するＴＥシステムを示す側面図である。図１４に示したＴＥシステム１４００は、複数のＴＥエレメント１４０４をサンドイッチしているホット側基板１４０２およびコールド側基板１４０３を使用して構成されたＴＥエレメントアレイ１４０１を備えている。ヒートシンク１４０９（ＴＥシステム１４００の観点から、実質的にインフィニットである）は、ホット側基板１４０２を介して、ＴＥエレメント１４０４と良好に熱接触している。ＴＥエレメント１４０４の直列電気接続は、ホット側およびコールド側基板１４０２、１４０３およびＴＥエレメント１４０４に接合され、または取り付けられた回路１４０７によって達成されている。
【００８７】
冷却される固体材料１４０５（図に示すケースの場合）は、図１４の左から右へ向かって移動し、コールド側基板１４０３を介してＴＥエレメント１４０４と良好に熱接触している。固体材料１４０５とコールド側基板１４０３との間の界面における良好な熱伝達率は、例えば、熱グリース１４０６によって達成されている。固体材料１４０５がコールド側基板１４０３に沿って通過すると、固体１４０５は、ＴＥエレメント１４０４によって徐々に冷却される。固体に沿った移動方向ではなく、固体材料１４０５とＴＥエレメント１４０４との間は、基板１４０３およびグリース１４０６を介して良好な熱伝達率を有していることが好ましい。適切な固体材料１４０５は、複合材料(composites)または他の熱異方性材料がよい。また、例えば、固体材料１４０５の移動方向に対する直角方向にスロットが設けられ、そのスロットに熱絶縁体が充填されたものでもよい。
【００８８】
図１５Ａないし図１５Ｇは、分離エレメントＴＥシステムの長さ方向における様々な温度プロファイルの例を示したグラフである。これらの図のすべてにおいて、ホット側の流れは、右側から左側として示され、また、コールド側の流れは、左側から右側として示されている。一方の側にヒートシンクを有しているケースでは、ヒートシンク側には流れが存在しない。ポイントＯは常に左側にあり、コールド側の流れの流入端およびホット側の流れの流出端を表している。ポイントＬは常に右側にあり、コールド側の流れの流出端およびホット側の流れの流入端を表している。水平線は、常に周囲環境温度ＴAを表している。
【００８９】
図１５Ａは、ΔＴC＝ΔＴHのケース、図１５Ｂは、ΔＴC＞ΔＴHのケース、図１５Ｃは、ΔＴC＜ΔＴHのケースを示したグラフである。図１５Ｄは、ホット側にインフィニットヒートシンク(infinite heat sink)を有し、したがって、ΔＴH＝０のケース、図１５Ｅは、コールド側にインフィニットヒートシンクを有し、したがって、ΔＴC＝０のケース、図１５Ｆは、冷たい流体が温度ＴCIN＜ＴAで流入するケースを示したグラフである。図１５Ｇは、熱い流体が温度ＴHIN＞ＴAで流入するケースを示したグラフである。他の温度プロファイルも意図されており、また、デバイスは、本発明の教示に従って、ヒートシンク、流入温度および流出温度の可能なすべての組合せが生成されるように構成されている。
【００９０】
デュアルモード動作の場合、理想化された方程式（９）式は、冷却モードのＣＯＰが最適化されると、加熱モードのＣＯＰも最適化されるが、流量、ＴＥエレメント抵抗値対位置の変化、またはＴＥエレメント電流値対位置の変化は、もはやそのアプリケーションには適切ではないことを示している。熱電気の基本方程式によって導かれるこれらのパラメータを調整することにより、システム全体の性能を最適化することができる。
【００９１】
図１６は、別の実施の形態に係るＴＥシステム１６００を示す側面図およびグラフである。排出側の流れが、セクション１６０９内のＴＥエレメントアレイ１６０１の長さ方向を通り抜けている。既に示した実施の形態の場合と同様、ＴＥエレメントアレイ１６０１は、複数のＴＥエレメント１６０４をサンドイッチしているホット側基板１６０２およびコールド側基板１６０３を使用して構成されている。複数のピン１６０５が、ホット側基板１６０２およびコールド側基板１６０３の両方に、それらの基板を介して、ＴＥエレメント１６０４と良好に熱接触し、ＴＥシステム１６００の熱交換器を形成している。図１６に示したように、ピン１６０５は、釘に極めて類似した形状を有しており、そのヘッドは、ＴＥエレメント１６０４（ホット側およびコールド側）と良好に熱接触している。ピン１６０５は、熱伝導率の大きい銅または他の材料でできていることが好ましい。ピン１６０５は、アプリケーションまたは熱の伝達が行われる流体に応じて、既にいくつかについて説明した他の熱交換器の構成または幾何学に置き換えることができる。
【００９２】
ホット側基板１６０２、コールド側基板１６０３および回路１６０６の構造は、図７Ａないし７Ｃに関連して説明した構造と同じであり、ＴＥアレイ１６０１の長さ方向におけるＴＥエレメント１６０４の熱的な分離特性を維持している。ホット側ダクト１６０７は、流体が、温度ＴAで左側から流入し、ホット側の熱交換器１６０５を通過して温度ＴHで右側から流出するように、ＴＥシステム１６００のホット側に取り付けられている。また、複数のダクト１６０８がＴＥシステム１６００のコールド側に取り付けられており、流体が、熱交換器１６０５の複数のセクション１６０９を通過して流れるようになっている。
【００９３】
温度ＴAの流体が、左側の２つのダクト１６０８のそれぞれ左端から流入し、それぞれ右端から流出する。温度ＴAの流体が、最も右側のダクト１６０８の右端から流入し、その左端から流出する。図１６には、図に示す実施の形態の排出側であるコールド側に３つのセクション１６０９が示されているが、セクションの数は任意であり、また、すべて同じ長さである必要はなく、または同じ方向に流れる必要もない。コールド側の出口温度ＴC1、ＴC2等は、同じ温度にする必要はなく、また、各々を通過する流体の量も同じである必要はない。
【００９４】
コールド側の空気は、温度ＴAで、ＴＥシステム１６００の長さ方向の複数のポイントで導入されるため、ＴＥエレメント１６０４の両端間のΔＴは、コールド側の空気が、排出されるのに先だって、コールド側のすべての熱交換器１６０５を通過する場合のΔＴよりも小さい。（１０）式で示したように、ΔＴが小さくなるとＣＯＰが大きくなるため、ＴＥシステム１６００のホット側は、単一のコールド側ダクトを備えている場合よりも温かくなる。図１６の下側に示したグラフは、これを温度プロファイルで示したものである。
【００９５】
温度ＴAの流体の各導入ポイント（ポイント０、Ｌ1、Ｌ2．．．）では、前のセクションのＣＯＰは、比較的小さくなっている。温度ＴAの新しい流体により、新しい流体が導入されるステージのＣＯＰが大きくなり、それにより、そのセクション全体の追加ΔＴが達成される。一般的に、各セクションによって付加される正味のΔＴは、後続のステージ（Ｌ2等）で導入される流体の温度がＴAより高くない限り、デバイスの長さに従って漸減すること、すなわち後続のステージにおけるヒートシンク性能が極めて高いことに留意されたい。
【００９６】
図１６に示した実施の形態は、加熱モードにおけるＴＥシステムの動作を示したものである。これと同じ手法を使用して、同様に冷却モードで構成された、排出側の流体が複数のポイントから流入するＴＥシステムの性能を向上させることができる。
【００９７】
図１７は、別の実施の形態に係るＴＥシステム１７００を示す側面図およびグラフである。排出側（冷却側）の流れが、セクション１７０９内のＴＥアレイ１７０１の長さ方向を通り抜けている。図１７は、ＴＥシステム１７００の反対側の端部からの流れである点で、図１６と異なっている。ＴＥエレメントアレイ１７０１は、図１６の場合と全く同様に、ホット側基板１７０２、コールド側基板１７０３、複数のピン（熱交換器）１７０５、回路１７０６、ホット側ダクト１７０７、および熱交換器１７０５の複数のセクション１７０９に対応する複数のダクト１７０８を使用して構成されている。
【００９８】
図１７に示した実施の形態に係るＴＥシステムは、この場合も加熱モードで動作している。これと同じ手法を使用して、同様に冷却モードで構成された、排出側の流体が複数のポイントから流入するＴＥシステムの性能を向上させることができる。また、排出側流体のすべてが同じ方向に、同じ温度で流入する必要はなく、また、同じ間隔、すなわち同じ長さのセクションに流入し、または流体の流量が同じである必要もない。
【００９９】
図１８は、他の実施の形態に係るＴＥシステム１８００を示す側面図およびグラフである。排出側の流れが、ＴＥエレメントアレイ１８０１の長さ全体を通り抜けていない。ＴＥエレメントアレイ１８０１は、図１６の場合と全く同様に、ホット側基板１８０２、コールド側基板１８０３および複数のピン１８０５を使用して構成されている。ホット側ダクト１８０７は、流体が、温度ＴAで左側から流入し、ホット側の熱交換器１８０５を通過して温度ＴHで右側から流出するように、ＴＥシステム１８００のホット側に取り付けられている。ダクト１８０８が、ＴＥシステム１８００のコールド側に取り付けられており、流体が、熱交換器１８０５を通過して流出するようになっている。
【０１００】
温度ＴAの流体が、図の左端からコールド側ダクト１８０８に流入する。バルブ１８０９は、２つの位置を有しており、一方の位置（開位置）で、流体がダクト１８０８全体を通って流れ、温度ＴCで右端１８１１から流出する。バルブ１８０９のもう一方の位置（閉位置）では、流体はダクト１８０８の一部のみを通って流れ、温度ＴC*で中間位置１８１０から流出する。図１８には、２つのセクション１８１２が示されているが、セクションの数は任意であり、また、必ずしも同じ長さである必要はなく、また、流体の流れを同じ方向にする必要も、または同じ温度で流入させる必要もない。
【０１０１】
図１８の下側に示した曲線１８２０および１８２１（長い点線）は、バルブ１８０９が開位置にあり、ＴＥシステム１８００に若干のΔＴを生成させる必要がある場合の温度プロファイルである。出口ポイントＬ2では、コールド側曲線の勾配がゼロではないので、熱流がゼロではないことに留意されたい。したがって、この状況では、ＴＥシステム１８００は、依然としてコールド側から熱を除去し、かつ、依然として熱をホット側に引き渡している。バルブが依然として開位置にある状態で、ＴＥシステム１８００に大きなΔＴを生成させる必要がある場合は、十分なΔＴが発生するように、より多くの電力をＴＥエレメント１８０４に供給することにより、コールド側温度プロファイルが、概ね曲線１８２２および１８２３に従うようにしなければならない。中間ポイントＬ1のいずれかで、コールド側温度の勾配が事実上ゼロであることに留意されたい。
【０１０２】
Ｌ1を通過した後、流れを継続させることができる場合、コールド側温度は、曲線１８２３（短い点線）に沿って継続する。バルブ１８０９が閉じており、したがって流体を出口ポイント１８１０に排出させている場合、事実上、熱損失を除くすべてのジュール加熱を利用して、ホット側温度プロファイル１８２４に従って、さらにホット側温度をＴH*まで上昇させることができる。
【０１０３】
また、ＴＥアレイ１８０１の一部から流れを除去する手法を、対向する端部からの流れで構成されたデバイスに採用することもできる。さらに、バルブ１８０９および単一のコールド側ダクト１８０８を、複数のバルブおよびダクトに置き換えることもできる。
【０１０４】
上記のすべての実施の形態には、図１０および１１に関連して説明したシステムコントローラと同様のシステムコントローラが存在している。これらの説明は、ＴＥエレメントの電圧を調整するためのコントローラ（図１０）およびピストンの位置を調整するためのコントローラ（図１１）の使用に的が絞られている。また、コントローラには、例えば電流（ＴＥエレメントが直列に接続されている場合）またはホット側流量またはコールド側流量を調整することができるように、ハードワイヤードまたはソフトウェア関係と共に、同じまたは類似の感覚入力からの情報が使用されている。その関係は、ルックアップテーブル、数式または他のアルゴリズムプロセスの形態になっている。したがって、このようなコントローラを使用することにより、総合効率を改善する機会が提供され、平均入力電力を小さくし、またはシステムの出力を変更することができる。
【０１０５】
図に示したコントローラには、複数のパラメータをモニタし、これらのパラメータに応答してシステムを動的に調整する可能性が意図されている。このコントロールシステムは、例えばユーザによって制御されるスイッチなどの極めて単純なシステムである。例えば、コントロールシステムは、冷却から加熱へ変化させるために、熱電システムに流れる電流を反転させ、または温度が高すぎること、または低すぎることを決定する人間による感覚入力を使用して電流の量を動的に調整し、それにより冷却量または加熱量を変化させることを目的として、電流を交番させるためのスイッチそのものである。
【０１０６】
以上の説明では、ＴＥエレメントの各列の長さ、面積、抵抗率または印加電力の変更が提案されている。製造性、単純性およびコストの面から、ＴＥエレメントのグループは同一であるか、またはサブモジュールとして構成されている。したがって、すべての列を異なったものにする必要はない。このような単純化にもかかわらず、なおかつ効率が改善され、その改善は、どれだけ多くの様々なサイズ、電力、レベル等を使用するかに依存している。
【０１０７】
ヒートシンクが使用されている上述の実施の形態の場合、ヒートシンクをヒートパイプまたは他の熱移送メカニズムに置き換えることができる。したがって、ヒートシンクまたは類似の手段を離して配置することができ、またはアセンブリを、排出熱出力を抽出する１つまたは複数の他のアセンブリにリンクさせることができる。また、冷却または加熱される媒体として流体および固体について説明したが、スラリーなどの流体と固体の組に合わせも、冷却または加熱すべき媒体として可能である。最後に、効率を改善するための様々な方法について、熱的な分離機能と組み合わせて説明したが、個々のアプリケーションに適切である場合、効率を改善するための、例えば抵抗変化、電流変化、および上記のその他の方法は、組み合わせて一体として使用することができ、または単独でも使用することができる。
【０１０８】
上述の実施の形態は、コールド側すなわちＴＥシステムの冷却特性の考察に的を絞って示したものである。このようなデバイスに流れる電流の方向を反転させることによって、または出力をホット側からコールド側へ反転させることによって、加熱または加熱と冷却を、同じまたは類似の構成で提供することができる。あらゆる特定な用途に対する最適化は、ＴＥシステムの個々のアプリケーションに応じて様々であるが、個々のアプリケーションには、以下に列記するいくつかの潜在的な相違が生じる。
１）自動車用、家庭用および産業用加熱システムの場合、加熱モードでは、例えば必要なΔＴHは、実質的にΔＴCより大きい。
２）性能を最適化するためには、マスフロー比率（排出側に対するメイン側）の調整が必要である。
３）今日のＴＥ熱ポンピング出力の能力により、デバイスの両端間のΔＴが約７０℃に制限されているため、ＣＯＰの大きい高ΔＴHを達成するには、あらゆる特定のアプリケーションによる要求に応じて、構成およびフローパターンを調整しなければならない。
４）要求に応じて、加熱モードまたは冷却モードのいずれかでシステムを動作させる必要がある場合、両方のモードで効果的に動作するように、十分フレキシブルに設計（ＨＶＡＣまたは熱ポンプシステム）することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１Ａ】従来の熱電デバイスを示す斜視図である。
【図１Ｂ】従来の熱電デバイスを示す部分拡大斜視図である。
【図２】従来の流体加熱アプリケーションまたは流体冷却アプリケーションにおける従来の熱電デバイスを示す側面図である。
【図３】材料またはコンポーネントの冷却に使用される従来の熱電エレメントを示す側面図である。
【図４】様々な熱電に対して測定した効率を示すグラフである。
【図５】従来の熱電デバイスの状態を一般化して示す図である。
【図６】熱電システムを一般化して示すブロック図である。
【図７Ａ】本発明の第１の実施の形態に係る熱電システムを示す側面図および付随する温度プロファイルを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示した熱電システムの構造をより詳細に示す部分拡大側面図である。
【図７Ｃ】図７Ａに示した熱電システムの構造をより詳細に示す部分拡大平面図である。
【図７Ｄ】本発明の別の実施の形態に係る熱電システムを示す図であり、図７Ａに示した熱電システムにさらに改善が加えられた熱電システムを示す側面図およびグラフである。
【図７Ｅ】本発明の別の実施の形態に係る熱電システムを示す図であり、図７Ａに示した熱電システムにさらに改善が加えられた熱電システムを示す側面図およびグラフである。
【図８】本発明の実施の形態に係る流体の流れが対向する熱電システムを示す側面図およびグラフである。
【図９Ａ】本発明の実施の形態に係る熱電システムを示す側面図であり、図７Ａ〜７Ｅおよび図８に示した特徴が組み込まれ、かつ、異なる幾何学の熱交換器および熱電エレメントを利用した熱電デバイスを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の実施の形態に係る熱電システムを示す側面図であり、図７Ａ〜７Ｅおよび図８に示した特徴が組み込まれ、かつ、異なる幾何学の熱交換器および熱電エレメントを利用した熱電デバイスを示す図である。
【図９Ｃ】本発明の実施の形態に係る熱電システムを示す側面図であり、図７Ａ〜７Ｅおよび図８に示した特徴が組み込まれ、かつ、異なる幾何学の熱交換器および熱電エレメントを利用した熱電デバイスを示す図である。
【図９Ｄ】本発明の実施の形態に係る熱電システムを示す側面図であり、図７Ａ〜７Ｅおよび図８に示した特徴が組み込まれ、かつ、異なる幾何学の熱交換器および熱電エレメントを利用した熱電デバイスを示す図である。
【図９Ｅ】本発明の実施の形態に係る熱電システムを示す側面図であり、図７Ａ〜７Ｅおよび図８に示した特徴が組み込まれ、かつ、異なる幾何学の熱交換器および熱電エレメントを利用した熱電デバイスを示す図である。
【図１０】本発明の別の実施の形態に係る熱電システムを示す図であり、制御システムを使用した、システムの様々な部分を流れる電流が変化する熱電システムを示す図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態に係る、機械的手段によって熱電エレメントの抵抗変化が達成される熱電システムを示す側面図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る、磁界を印加することによって効率がさらに改善される熱電システムを示す側面図である。
【図１３】本発明の別の実施の形態に係る、ＴＥエレメントの長さ方向の磁界によって効率がさらに改善される熱電システムを示す側面図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る、冷却される材料が流体ではなく固体である熱電システムを示す側面図である。
【図１５Ａ】本発明の実施の形態に係る分離エレメント熱電システムにおける長さ方向の様々な温度プロファイルを示す図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施の形態に係る分離エレメント熱電システムにおける長さ方向の様々な温度プロファイルを示す図である。
【図１５Ｃ】本発明の実施の形態に係る分離エレメント熱電システムにおける長さ方向の様々な温度プロファイルを示す図である。
【図１５Ｄ】本発明の実施の形態に係る分離エレメント熱電システムにおける長さ方向の様々な温度プロファイルを示す図である。
【図１５Ｅ】本発明の実施の形態に係る分離エレメント熱電システムにおける長さ方向の様々な温度プロファイルを示す図である。
【図１５Ｆ】本発明の実施の形態に係る分離エレメント熱電システムにおける長さ方向の様々な温度プロファイルを示す図である。
【図１５Ｇ】本発明の実施の形態に係る分離エレメント熱電システムにおける長さ方向の様々な温度プロファイルを示す図である。
【図１６】本発明のさらに別の実施の形態に係る熱電システムを示す図であり、排出側の流れがセクション中の熱電アレイの長さ方向を通り抜ける熱電システムを示す側面図およびグラフである。
【図１７】本発明のさらに別の実施の形態に係る熱電システムを示す図であり、排出側の流れが対向する端部からの流れである点で図１６の流れとは異なり、その排出側の流れが、セクション中の熱電アレイの長さ方向を通り抜ける熱電システムを示す側面図およびグラフである。
【図１８】本発明のさらに別の実施の形態に係る熱電システムを示す図であり、排出側の流れが熱電アレイの長さ全体を通り抜けない熱電システムを示す側面図およびグラフである。
【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６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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