(57)【要約】熱電デバイス、モジュール、及びシステム並びに製作方法を提供する。熱電デバイス(200)は、第１及び第２の素子(202及び204)を有する。第１及び第２の素子(202及び204)は、第１及び第２の部分(206及び208)と第３及び第４の部分(212及び214)とを有し、第１及び第２の領域(210及び216)が第１の部分と第２の部分(206と208)の間及び第３の部分と第４の部分(112と114)の間をそれぞれ接続する。第１の部分と第２の部分(206と208)及び第３の部分と第４の部分(112と114)は、領域(210及び216)により電気的に結合され、第１の部分と第２の部分(206と208)の間及び第３の部分と第４の部分(212と214)の間の熱伝導は、それぞれ領域(110及び116)により妨げられる。熱電素子(203)は、第１及び第２の電極(219, 221)を有し、熱電素子(103)の電極(221)は、電気的及び熱的に部分(208)に結合され、電極(119)は、電気的及び熱的に部分(112)に結合される。
2016503642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部分と第２の部分と第１の領域とを有する第１の素子であって、前記第１の素子の前記第１および第２の部分は導電性であり、前記第１の領域は、前記第１の素子の前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられて導電性でかつ断熱性である、第１の素子、
第３の部分と第４の部分と第２の領域とを有する第２の素子であって、前記第２の素子の前記第３および第４の部分は導電性であり、前記第２の領域は、前記第２の素子の前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられて導電性でかつ断熱性である、第２の素子、および
前記第１の素子の前記第２の部分に設けられるとともに、前記第２の素子の前記第３の部分に設けられる熱電素子
を備える熱電デバイス。
【請求項２】
前記第１および第２の部分は金属から作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項３】
前記金属は銅またはニッケルである、請求項２に記載の熱電デバイス。
【請求項４】
前記第１および第２の部分は金属合金から作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項５】
前記金属は一部、アルミニウムからなる、請求項４に記載の熱電デバイス。
【請求項６】
前記第１の領域は一部をニッケル材料から作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項７】
前記第１の領域は銅材料から作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項８】
前記第１の領域は一部をニッケルめっき銅材料から作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項９】
前記第１の領域は酸化物から作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項１０】
前記酸化物は金属酸化物である、請求項８に記載の熱電デバイス。
【請求項１１】
前記金属酸化物は酸化インジウムスズ（ＩｎＳｂＯ２）からなる、請求項９に記載の熱電デバイス。
【請求項１２】
前記金属酸化物は酸化スズ（ＳｎＯ２）からなる、請求項９に記載の熱電デバイス。
【請求項１３】
前記熱電素子はテルル化鉛（ＰｂＴｅ）から作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項１４】
前記熱電素子はビスマスカルコゲナイドから作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項１５】
前記ビスマスカルコゲナイドはテルル化ビスマスである、請求項１３に記載の熱電デバイス。
【請求項１６】
前記熱電素子はシリコンゲルマニウムから作られている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項１７】
前記第１の部分、前記第２の部分、前記第３の部分、および前記第４の部分は線形である、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項１８】
前記第２および第３の部分は実質的に平行である、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項１９】
前記第１の部分および前記第４の部分は９０度の角度である、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項２０】
第１の部分と第２の部分と第１の領域とを有する第１の素子であって、前記第１の素子の前記第１および第２の部分は導電性であり、前記第１の領域は、前記第１の素子の前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられて導電性でかつ断熱性である、第１の素子、
第３の部分と第４の部分と第２の領域とを有する第２の素子であって、前記第２の素子の前記第３および第４の部分は導電性であり、前記第２の領域は、前記第２の素子の前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられて導電性でかつ断熱性である、第２の素子、および
第１の電極と第２の電極とを有する熱電素子であって、前記第１の電極は、前記第１の素子の前記第２の部分に設けられ、前記第２の電極は、前記第２の素子の前記第３の部分に設けられる、熱電素子
を備える熱電デバイス。
【請求項２１】
第１の部分と第２の部分と第１の領域とを有する第１の素子であって、前記第１の部分は、第１の表面および第２の表面を有し、前記第２の部分は、第３の表面および第４の表面を有し、前記第１の部分および前記第２の部分は、導電性でかつ熱伝導性であり、前記第１の領域は、前記第１の部分から前記第２の部分にまで延びて第１の長さ、第１の幅、および第１の厚さを有し、前記第１の領域は断熱性でかつ導電性である、第１の素子、
第３の部分と第４の部分と第２の領域とを有する第２の素子であって、前記第３の部分は、第６の表面および第７の表面を有し、前記第３の部分および前記第４の部分は導電性でかつ熱伝導性であり、前記第２の領域は、前記第３の部分から前記第４の部分にまで延びて第２の長さ、第２の幅、および第３の厚さを有し、前記第２の領域は断熱性でかつ導電性である、第２の素子、および
第１の接触エリアと第２の接触エリアとを有する第１の熱電デバイスであって、前記第１の熱電デバイスの前記第１の接触エリアは、前記第１の素子の前記第２の部分の前記第３の表面に電気的および機械的に結合され、前記第１の熱電デバイスの前記第２の接触エリアは、前記第２の素子の前記第３の部分の前記第６の表面に電気的および機械的に結合されている、第１の熱電デバイス
を備える熱電デバイス。
【請求項２２】
前記第１の素子の前記第１の部分、前記第２の部分、および前記領域は実質的に平行である、請求項２７に記載の熱電デバイス。
【請求項２３】
前記第１の素子の表面は金属から作られている、請求項２０に記載の熱電デバイス。
【請求項２４】
前記第１の表面の金属は、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ａｇ、鋼、Ｆｅ、単結晶材料、多結晶材料、および非晶質材料のうちの少なくとも１つから構成される、請求項２２に記載の熱電デバイス。
【請求項２５】
第１の基板と第２の基板であって、前記第１の基板は、熱伝導性でかつ、第１の表面と第２の表面と第３の表面とを有し、前記第１および第２の表面は、実質的に平行でかつ、ある量だけずれており、前記第３の表面は、前記第１および第２の表面から前記第１および第２の表面に対してある角度で延びており、前記第２の基板は熱伝導性でかつ、第４の表面と第５の表面と第６の表面とを有しており、前記第４および第５の表面は、実質的に平行でかつ、ある量だけずれており、前記第６の表面は、前記第４および第５の表面から前記第１および第２の表面に対してある角度で延びている、第１の基板と第２の基板、
前記第１および第２の基板の前記第１、第２、第３、第４、第５、および第６の表面に設けられている熱伝導性でかつ電気絶縁性の第１の層と第２の層、
第１の部分と第２の部分と領域とを有する第１の導電性素子であって、前記第１の部分は、第７の表面と第８の表面とを有し、前記第２の部分は、第９の表面と第１０の表面とを有し、前記領域は、第１の導電性素子の前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられており、前記第１の導電性素子は、熱伝導性でかつ電気絶縁性の前記第１の層に設けられている、第１の導電性素子、
前記第１の導電性素子の前記第１の部分の前記第４の表面に設けられる第１の熱電素子、および
第３の部分と第４の部分と第２の領域とを有する第２の導電性素子であって、前記第３の部分は、第１１の表面と第１２の表面とを有し、前記第４の部分は、第１３の表面と第１４の表面とを有し、前記第２の領域は、第２の導電性素子の前記第３の部分と前記第４の部分との間に設けられており、第２の導電性素子の前記第３の部分の前記第１２の表面は、前記第１の熱電素子に設けられ、前記第２の導電性素子は、前記第２の基板の熱伝導性でかつ電気絶縁性の前記第２の層に設けられている、第２の導電性素子
を備える熱電デバイス。
【請求項２６】
前記基板は金属から作られている、請求項２５に記載の熱電デバイス。
【請求項２７】
前記基板の金属は、アルミニウム、銅、およびスズを含むいずれか１つの金属か、あるいはアルミニウム、銅、またはスズを含むいずれか１つの金属から作られている、請求項２６の熱電デバイス。
【請求項２８】
前記基板は合金から作られている、請求項２５の熱電デバイス。
【請求項２９】
前記基板の合金は、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、および青銅を含むいずれか１つの合金か、あるいは鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、または青銅を含むいずれか１つの合金からなる、請求項２８の熱電デバイス。
【請求項３０】
前記基板は半導体材料から作られている、請求項２５の熱電デバイス。
【請求項３１】
前記基板の半導体は、ケイ素、炭素、ダイヤモンド様材料、およびサファイアを含むいずれか１つの半導体か、あるいはケイ素、炭素、ダイヤモンド様材料、またはサファイアを含むいずれか１つの半導体からなる、請求項３０の熱電デバイス。
【請求項３２】
前記基板は、互いに異なる材料から作られている、請求項２５の熱電デバイス。
【請求項３３】
一方の基板はアルミニウムから作られ、もう一方の基板はステンレス鋼から作られている、請求項３２の熱電デバイス。
【請求項３４】
第１の部分と第２の部分と第１の領域とを有する第１の素子を提供するステップであって、前記第１の素子の前記第１および第２の部分は導電性であり、前記第１の領域は、前記第１の素子の前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられて導電性でかつ断熱性である、第１の素子を提供するステップ、
第３の部分と第４の部分と第２の領域とを有する第２の素子を提供するステップであって、前記第２の素子の前記第３および第４の部分は導電性であり、前記第２の領域は、前記第２の素子の前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられて導電性でかつ断熱性である、第２の素子を提供するステップ、および
第１の電極と第２の電極とを有する熱電素子を提供するステップであって、前記第１の電極は、前記第１の素子の前記第２の部分に設けられ、前記第２の電極は、前記第２の素子の前記第３の部分に設けられる、熱電素子を提供するステップ
を含む、熱電デバイスの製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電材料、熱電デバイス、熱電素子等に関し、より具体的には、熱電デバイスの設計、モジュール、およびその製作に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱電デバイスは、トムソン効果、ペルチェ効果、およびゼーベック効果などの熱電効果を示す熱電材料として周知の種類の材料を使用して、熱エネルギーを電気エネルギー流に直接変換するか、あるいはその逆に直接変換する。熱電材料は、相対する２つの端部があるように形成され、相対する２つの端部は、ゼーベック効果を用いて発電するための熱接点および電気接点を有し、熱電材料は一端を低温に、他端を高温にした熱勾配下に置かれる。２つの端部の温度差により、熱電材料は電流および電圧を発生する。
【０００３】
図１は先行技術に一致する簡略な斜視図であり、上部基板の一部を切り取ってモジュール１００の内部構造を露出させている。熱がモジュール１００を垂直に流れる一方で、電流は、モジュールの全体にわたって直列に接続されている各熱電対の中を上下に流れる。従来の熱電モジュールは、熱電対１０４および１０６で例示される複数の熱電デバイス１０２を使用しており、Ｐ型熱電材料１１０およびＮ型熱電材料１０８の両方を使用する。従来のＰ型熱電材料１１０およびＮ型熱電材料１０８を同じ温度勾配に曝すと、Ｎ型およびＰ型の熱電材料は、互いに反対方向の電流を発生する。図１に示す従来の熱電モジュールは、この特性を利用するために、共通の高温プレート１１２と共通の低温プレート１１４との間に挟まれて交互に並んだＰ型およびＮ型の材料１１０および１０８を、金属ストラップ１２０および１２２を例とする第１および第２の複数の金属ストラップを用いて直列回路内で電気的に接続して組み立てられている。矢印１２４および１２６で示す熱フラックスは、連続して電力が発生している間、ＰおよびＮの熱電材料を平行に通過し、交互に並んだＰ型およびＮ型の熱電材料１０８および１１０により発生する電圧は付加的である。
【０００４】
モジュール１００で示す従来の熱電モジュールは、その設計と機能にいくつかの固有の問題を有する。従来の設計には、前述したように熱電対１０４および１０６などのＮ型およびＰ型の両方のデバイスが必要である。ＰおよびＮの熱電材料、例えば、熱電材料１１０および１０８は、電気的に整合しなければならず、そのために個々の熱電材料の物理的なサイジングを別々にすることがしばしば必要である。従来のモジュール設計では、Ｐ型およびＮ型のデバイスは直列に電気的に結合されるので、各デバイスはモジュールの性能を最適化するために、同じ個別電流を発生しなければならない。Ｐ型およびＮ型のデバイスの製作に使用される熱電材料は、通例、固有の異なる電流発生能力を有し、これはＰ型およびＮ型の熱電材料を異なるサイズで製作することにより緩和することができる。熱電材料のサイジングにより、モジュールの設計および製造はより複雑に、かつ高価になる。その結果、ほとんどのモジュール製造業者は、ＰおよびＮのデバイスを同じサイズにするのがよりコスト効果的であることに気づき、それがモジュールの最適ではない発電に繋がっている。
【０００５】
ＰおよびＮのデバイスは熱膨張に関しても整合しなければならない。Ｐ型およびＮ型のデバイスはそれぞれ、異なる熱膨張係数を有する異なる半導体材料で作られることがあるが、それが機械的応力を生じさせて、モジュールの信頼性と耐用期間を減じる結果となっている。
【０００６】
ＰおよびＮの両方の熱電材料の温度依存性能は、最適な性能のためには整合しなければならない。しかし、Ｐ型およびＮ型の熱電材料のピーク電力動作温度は異なることがあり、共通のモジュールに押し込むと最適ではない発電性能に繋がる。
【０００７】
電流モジュール設計の製作には、Ｐ型およびＮ型の熱電材料を選択して、それをモジュールアレイに交互に精密に配置することが必要である。このためには、１つの熱電材料および／またはデバイスの置き違えがモジュールの機能を損なうので、熱電デバイスを構築する２種類の熱電材料（Ｐ型およびＮ型の材料）およびその配置を慎重に追跡する必要がある。Ｐ型およびＮ型のデバイスを接合する別々の接点構造も必要となることがあり、それは製造プロセスをより複雑かつ高価にする。
【０００８】
現在の熱電デバイスの設計と熱電モジュールの設計およびこれらの製作方法には厳しい制限と問題があることは容易に分かる。また、熱電デバイスおよびモジュールを構築するための現在の製作方法は複雑であって、信頼性不足を免れないことは明らかである。そのため、大量生産環境においてコスト効果的で簡単で製造容易な熱電デバイスおよびモジュールの組立品、設計および方法があれば非常に望ましい。
【０００９】
発明の概要
前述の欠点を是正した熱電モジュールの製作方法を説明する。本発明は、Ｎ型またはＰ型のいずれか１つの型の熱電材料を使用する。本発明により、すべての熱電デバイスは、電流に関して電気的に整合し、熱膨張に関して整合し、温度動作点に関して整合する。電流、熱膨張および温度動作点を整合することにより、最適なモジュール性能を設計して達成することができる。しかも、１種類の熱電型を使用することにより、製造の複雑さが大幅に単純になり、その結果、コストが低減する。
【００１０】
簡単に述べると、様々な代表的な態様において、本発明は、熱電デバイスおよびモジュールの製品とその製作する方法を提供する。第１の部分と第２の部分と領域とを有する第１の素子が形成されている。第１および第２の部分は、それぞれ第１および第２の部分上に第１および第２の表面を有し、第１および第２の表面は導電性でかつ熱伝導性である。第１の領域は、第１の部分から第２の部分まで延びており、第１の領域は断熱性でかつ導電性である。第２の素子は、第３の部分と第４の部分と第２の領域とを有する。第３の部分および第４の部分は第６および第７の表面をそれぞれ有し、第６および第７の表面は熱伝導性でかつ導電性である。第２の領域は、第３の部分から第４の部分まで延びており、この領域は断熱性でかつ導電性である。熱電素子は第１および第２の電極を有する。熱電素子の第１および第２の電極は、第１および第２の素子の第２および第３の部分の第２の表面および第６の表面に機械的および電気的にそれぞれ結合されている。
【００１１】
別の実施形態においては、熱電モジュールの製品およびその製作方法が提供される。第１の基板は、熱伝導性でかつ、第１の表面と第２の表面と第３の表面とを有し、第１の表面および第２の表面は互いに実質的に平行であり、第１の表面および第２の表面はある量だけずれて通常、変位しており、第３の表面は、第１および第２の表面から第１および第２の表面に対してある角度で延びている。第２の基板は、熱伝導性でかつ、第４の表面と第５の表面と第６の表面とを有し、第４の表面および第５の表面は実質的に平行でかつ、ある量だけずれており、第６の表面は、第４および第５の表面から第１および第２の表面に対してある角度で延びている。第１の部分と第２の部分と領域とを有する第１の素子が形成されている。第１および第２の部分は、第１および第２の部分上に第７、第８、第９および第１０の表面をそれぞれ有し、第７および第８の表面は導電性でかつ熱伝導性である。第１の領域は、第１の部分から第２の部分まで延びており、第１の領域は断熱性でかつ導電性である。第２の素子は、第３の部分と第４の部分と第２の領域とを有する。第３の部分および第４の部分は第１１、第１２、第１３および第１４の表面をそれぞれ有し、第３および第４の部分の表面は熱伝導性でかつ導電性である。第２の領域は、第３の部分から第４の部分まで延びており、この領域は断熱性でかつ導電性である。熱電素子は、第１および第２の素子の第１の部分と第３の部分との間に設けられて、電気的に結合されており、第２の導電性素子は、第２の基板の熱伝導性でかつ電気絶縁性の第２の層上に設けられる。
【００１２】
本発明の追加の利点は、以下の詳細な説明に記載しており、詳細な説明から明らかであるか、あるいは本発明の例示的な実施形態の実施により知ることができる。本発明のさらに他の利点は、請求項で具体的に挙げる手段、方法または組合せのいずれかによって実現できる。
【００１３】
本発明の代表的な要素、動作特性、用途、および／または利点は、特に以下でより完全に図示し、説明し、請求される構造および動作の細部にある。これの一部をなす添付の図面を参照するが、同じ記号は全体を通して同じ部品である。他の要素、動作特性、用途、および／または利点は、詳細な説明で列挙する一定の例示的な実施形態に鑑みて当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】先行技術における熱電モジュールを拡大したものである。
【図２】本発明の熱電デバイスの基本構成要素を大幅に簡略化して示す分解斜視図である。
【図３】異なる幾何学デザインを有する素子、部分、および熱電材料の種々の構成を大幅に簡略化して示す分解図である。
【図４】線形の熱電モジュールを形成するように直列に接続された複数の熱電デバイスの電気コンポーネントを大幅に簡略化して示す分解図である。
【図５】絶縁部材を有する直列に接続された複数の熱電デバイスを有する熱電モジュールを大幅に簡略化して示す斜視断面図であり、内部構造を詳細に見せるために一定の部分を取り除いている。
【図６】熱電モジュールを大幅に簡略化して示す斜視断面図であり、熱電モジュールを簡略化して示す斜視内部断面図として示されるように一部を取り除いており、一部は熱電モジュールの外面を示す熱電モジュールの簡略斜視図である。
【図７】本発明の熱電デバイスの代替実施形態を大幅に簡略化して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面中の各要素が単純化および明確化のために示されたものであって、必ずしも縮尺通りに描かれていないことを当業者は認識するであろう。例えば、本発明の様々な実施形態をよりよく理解する助けとなるように、図面中のいくつかの要素の寸法を他の要素と比べて大きくしていることがある。また、本明細書中の「第１」、「第２」などの用語は、類似の要素を区別するために特に使用されており、必ずしも順序または時系列を記述しているものではない。さらに、説明および／または請求項の中の前、後、上部、底部、上、下などの用語は、説明の目的で概して採用されたものであり、必ずしも排他的な相対位置を包括的に記述しているものではない。したがって、このように使用される前述のいずれの用語も適切な状況下では入れ替えが可能であり、本明細書中で説明される本発明の様々な実施形態が、例えば、明示的に図示またはその他で説明されているのとは別の配置で動作できることを当業者は理解するであろう。
【００１６】
以下の説明は、本発明の例示的な実施形態および発明者らの最良の形態の概念であり、本発明の範囲、適用性、または構成を制限することを一切意図していない。むしろ、以下の説明は、本発明の様々な実施形態を実施するための便宜上の例示を提示することを意図している。これから明らかになるように、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、開示される例示的な実施形態で説明される要素のいずれかの機能および／または配置に変更を行うことができる。
【００１７】
電力を感知および発生するための使用に適切に適合された熱電デバイスを提供することによる例示的な用途、すなわちシステムとデバイスおよびその製作方法の詳細な説明は、当業者が本発明の様々な実施形態に従って開示されるシステムおよび方法のいずれかの用途に容易に一般化できる具体的に実施可能な程度の開示として提示される。
【００１８】
以下に説明する図面の詳細を取り上げる前に、いくつかの用語を定義および／または明確にする。
「熱電デバイス」という用語は、熱電材料に電気的および機械的に結合された少なくとも２つの導電素子間に位置する熱電材料のあらゆる実装を意味することが意図される。
【００１９】
「熱電材料」という用語は、トムソン効果、ペルチェ効果、およびゼーベック効果など、熱エネルギーを電気エネルギーに、またその逆に直接変換する熱電効果を示すあらゆる材料を意味することが意図される。「熱電素子」という用語は、熱電材料が電気的に効率の良い接点を有することができるように形成された熱電材料のあらゆる集合を意味することが意図される。材料系に合わせて作られる電極もまた設計に組み込むことができることは理解されるべきである。
【００２０】
「温度勾配」という用語は、低い方の温度と高い方の温度との間の温度差を意味する。通例、熱エネルギーの移動は、高温から低温へ移動するフォノンとして記述される。
「ダイ」という用語は、立方体、長円形、円柱などのあらゆる適切な三次元幾何学形状を有する単一の熱電素子を意味する。
【００２１】
「導電性トレース」という用語は、電圧および電流を伝導することのできる導電材料を意味する。通例、導電性トレースは、電圧および電流を損失がほとんどまたは全くなく伝導可能にすることのできるように作成されたワイヤまたは導電材料である。単なる例として、導電性トレースは、金属、合金、層状導電構造など、これだけに限定されないあらゆる導電材料から作ることができる。
【００２２】
「断熱性」という用語は、熱を妨げるか、あるいは熱を材料に伝達もしくは通過させない材料、材料の再構成および／または材料の組合せを意味する。
「電気絶縁性」という用語は、電流を妨げるか、あるいは電流を材料に伝達もしくは通過させない材料、材料の再構成および／または材料の組合せを意味する。
【００２３】
「電極」という用語は、電流が容易に流れることのできる電気的接続デバイスを意味する。電極は、金属、金属の組合せ、半導体材料、半導体の組合せ、半導体材料とドーパントの組合せ、および／または前述の材料の任意の組合せなど、任意の好適な材料または材料の組合せから作ることができる。
【００２４】
「線形」という用語は、熱電デバイスを直線に沿って並んでいることを意味するように意図される。単なる例として、素子のそれぞれが中心点（質量中心）を有し、素子の中心点が直線に沿って並んでいる場合、その素子は線形に配置されている。ただし、素子が線形に並んでいる場合、熱電デバイスは垂直方向にも離間して階段構造を形成することは理解されるべきである。
【００２５】
「アディティブ法およびサブトラクティブ法」という用語は、第１の材料層、すなわち基板が提供されるプロセスを意味する。基板、すなわち第１の材料層の上にはマスキング層、すなわち第２の材料層が設けられる。その後、マスキング層、すなわち第２の材料層にパターンまたは開口が開けられて、基板または第１の材料層が露出する。通例、マスキング層、すなわち第２の材料層のパターンを基板、すなわち第１の材料層に転写する湿式または乾式の化学エッチプロセスが行われる。
【００２６】
「材料の変態」という用語は、そのオリジナルの特性を別の特性および／または特性の組合せのいずれかに変化させることのできるあらゆる材料を意味することが意図される。例えば、これだけに限定されないが、酸素などの酸化性イオンをスズ（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）などの金属、またはケイ素（Ｓｉ）などの半導体にイオン注入すると、スズを酸化スズ（ＳｂＯ２）に変態させることができ、酸化銅（ＣｕＯ２）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などに変態させることができる。
【００２７】
「延性金属」という用語は、破損なく長く薄い長さに引き延ばすことのできるあらゆる金属を意味することが意図される。
「従来の熱電対」という用語は、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを有するものと定義される。
【００２８】
「単極性の熱電デバイス」とは、ドープされた１種類の（Ｎ型またはＰ型材料）熱電材料を備えてかつ、これを使用する熱電デバイスを意味することが意図される。
図２は、本発明の最も基本的な電気的および物理的な構成要素を表す。熱がデバイスを垂直に流れる一方で、電流は横方向に流れる。図２は、熱電デバイス２００を大幅に簡略化して示す分解斜視図であり、熱電デバイス２００は、素子２０２および２０４と熱電素子２０３と領域２１０および２１６とを備え、素子２０２および素子２０４は部分２０６，２０８及び部分２１２、２１４をそれぞれ有する。図２に示すように、部分２０８および２１２は、導電性でかつ熱伝導性であり、熱電素子２０３を支持して熱電素子２０３の熱エネルギーコレクタ／スプレッダとして作用する。
【００２９】
一般に、素子２０２および２０４は物理的に類似している。しかし、特定の用途に応じて、素子２０２および２０４は互いに実質的に異なることができ、部分２０６、２０８、２１２、２１４並びに領域２１０および２１６内に多様性を有することができる。領域２１０および２１６は、部分２０６と２０８および部分２１２と２１４を電気的に相互に接続しながら、前記部分間の熱の流れを最小限にすることが意図される。さらに、素子２０２および２０４は、部分２０６、２０８、２１２、２１４がどれも熱伝導性でかつ導電性であり、領域２１０および２１６がともに断熱性でかつ導電性である電気特性および熱特性を有する。
【００３０】
一般に、図２に示すように、部分２０６、２０８、２１２および２１４は直方体として形成されており、直方体は、熱電素子２０３の長さ２２７および幅２２５（１ｍｍから数センチメートル）を超える長さ２５２および幅２５０を有し、ほとんど抵抗損なしで電気を伝導する厚さ２４８を有する。しかし、部分２０６、２０８、２１２および２１４は、３Ｄ長円形、円柱など任意の好適なサイズの任意の好適な３Ｄ幾何学形状に作ることができることは理解されるべきである。長さ２５２と長さ２９９との合計は線２４６と同じであることは理解されるべきである。
【００３１】
部分２０６および２０８は、表面２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、および表面２７５、２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４２をそれぞれ有する。一般に、表面２１８および２７５は実質的に平行であり、線２４６で示すように同じ平面上にある。表面２２８および２３２は実質的に平行であるが、図２で線２４６が示すように、表面２１８および２７５とは異なる平面上にすることができる。しかし、いくつかの設計用途では、表面２２８および２３２は非平行面に構成することができる。表面２２４、２３０、２２０と表面２４０、２４２、２３６とは互いに実質的に平行であり、表面２２６、２２２と２３８および２３４も実質的に平行である。平面２２４、２３０、２２０と平面２４０、２４２、２３６、および表面２２６、２２２と表面２３８および２３４は任意の好適な角度２７７で形成することができる。素子２０４は素子２０２と同様に処理できることは理解されるべきである。角度２７７および／または角度２９３は、独立して選択することができるか、あるいは角度２７７および／または２９３がいくつかの表面と繋がるようにいくつかの表面を互いに繋げ合わすことができることは理解されるべきである。
【００３２】
部分２１２および２１４は、表面２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６、および表面２６８、２７０、２７２、２７４、２７６、２７８および２８０をそれぞれ有する。一般に、表面２５４および２６８は実質的に平行で、同じ平面上にあるが、離間している。表面２５６および２７０は実質的に平行であるが、表面２５４および２６８とは異なる平面上にある。表面２６０、２６４、２６６および２７６、２７８および２８０は互いに実質的に平行であり、表面２６２、２５８と２７４および２７２とは互いに実質的に平行であり、表面２６２と２７２とは別の平面上にあり、表面２５８と２７２とは別の平面上にある。表面２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６と、表面２６８、２７０、２７２、２７４、２７６、２７８、２８０は、表面をあらゆる角度２７９および／または２９３で設定できるように作ることができることは理解されるべきである。また、表面の角度２７９および／または２９３は独立して設定することができるか、あるいは角度２７７および／または２９３がいくつかの表面と繋がるようにいくつかの表面を互いに繋げ合わせることができる。
【００３３】
図２に示すように、領域２１０および２１６は一般に直方体として形作られているが、領域２１０および２１６は、円柱、３Ｄ長円形など、これだけに限定されない任意の好適な望ましい３Ｄ形状に形作ることができることは理解されるべきである。図２に示すように、領域２１０および２１６は、それぞれ幅２９６および２８５、厚さ２９８および２９５、長さ２９９および２９７を有する。領域２１０および２１６は、部分２０６と２０８との間、部分２１２と２１４との間にそれぞれ設けられる表面２９１、２８２、２８４、２８６、および表面２８８、２９０、２９２、２９４を含んでおり、電気的および機械的接続が行われるように、表面２９１と２８６とは互いに平行であり、表面２８４と２８２も互いに平行である。しかし、部分２０６と２０８との間、および部分２１２と２１４との間に良好な電気伝導率が達成される一方で、領域２１０および２１６を通る熱伝導は防がれることは理解されるべきである。単なる例として、図２に示すように、領域２１０および２１６は、それぞれ表面２３０／２２０で部分２０６に、表面２４０／２４２で部分２０８に接合され、表面２６６／２６４で部分２１２に、表面２７８／２８０で部分２１４に接合される。
【００３４】
素子２０２および２０４は、金属、金属合金、層状金属構造、半導体材料、そのあらゆる組合せなど、これだけに限定されない任意の好適な導電性材料から作ることができ、および銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、鋼、ステンレス鋼、真鍮、Ｃｕ／Ａｌ、青銅、銅／アルミニウム、ニッケル／銅、炭素素材など、これだけに限定されないあらゆる材料を使用することができ、同様に、鋼、真鍮、銅／アルミニウム、青銅など、これだけに限定されない材料の合金を使用することができる。通例、素子２０２および２０４の材料の選択は用途固有であり、用途によってかなり変えることができる。一般に、上記挙げた材料は、成形、スタンピング、ミリング、微細加工、サブトラクティブプロセス、およびアディティブプロセスなど、これだけに限定されない、素子２０４および２０６の所望の形状、寸法および構成を達成するための任意の好適な方法もしくは手法および／または手法もしくは方法の任意の好適な組合せで形成または加工することができる。
【００３５】
一般に、素子２０２および２０４の部分２０６、２０８、２１２および２１４並びに領域２１０および２１６はそれぞれ、素子２０２および２０４に関して上記説明した任意の好適な材料または材料の組合せから作ることができる。しかし、部分２０６、２０８、２１２および２１４はともに熱伝導性でかつ導電性であり、領域２１０および２１６は断熱性でかつ導電性であることは理解されるべきである。また、部分２０６、２０８、２１２および２１４並びに領域２１０および２１６は、材料およびそれから作られる熱電デバイスの統合性を保護するように、膨張係数に関して合理的に整合されることは理解されるべきである。本発明において、デバイスの設計、材料およびプロセスは、熱電デバイス２００を製作するための材料の要求事項を満たすように部分２０６、２０８、２１２および２１４並びに領域２１０および２１６を構成するために使用される。
【００３６】
さらに、領域２１０および２１６並びに部分２０６、２０８、２１２および２１４は個別の素子として別々に製作して、後で素子２０２および２０４を形成するように組み立てることができる。通例、部分２０６、２０８、２１２および２１４並びに領域２１０および２１６の組み立ては、これだけに限定されないが、はんだ付け、導電性接着剤、溶接、ろう付けなど、任意の好適なプロセスまたは手法によって達成される。さらに、領域２１０および２１６並びに部分２０６、２０８、２１２および２１４は要素２０２および２０４として形成することができ、部分および領域が適切な材料特性を有するように、領域２１０および２１６並びに部分２０６、２０８、２１２および２１４を物理的もしくは化学的方法および／またはプロセスで修飾することができる。
【００３７】
領域２１０および２１６の所望の電気特性および熱特性を得るためには、上記した方法、手法、または方法および／または手法の組合せなど、これだけに限定されない任意の好適な方法、手法、または方法もしくは手法の組合せを使用することができる。通例、領域２１０および２１６の材料の質量または容積は、そこから大幅に取り除かれる。これは、長さ２９９および２９７、幅２９６および２８５、厚さ２９８および２９５をそれぞれ含んだ領域２１０および／または２１６のいずれか１つまたはすべての寸法を減じることによって達成することができる。領域２１０および２１６の材料の質量を実質的に取り除くことによって、部分２０６と２０８の間、２１２と２１４との間にそれぞれ十分な電気伝導率を与えながら、熱伝導を妨げる十分な断熱性を提供する。
【００３８】
単なる例として、領域２１０および２１６が金属材料で作られるとき、厚さ２９８および２９５は０．０５ミリメートルから５．０ミリメートルの範囲にすることができ、幅２９６および２８８は０．５ミリメートルから５．０ミリメートルの範囲にすることができ、長さ２９９および２９７は０．５ミリメートルから５．０ミリメートルの範囲にすることができる。また、領域２１０および２１６は同じ寸法を共有する必要はない、つまり長さ２９９、２９７、幅２９６、２８５、厚さ２９８、２９５は特定の用途並びに特定の金属および／またはその材料特性の選択に応じて変えることができることは理解されるべきである。
【００３９】
素子２０２および２０４は、任意の好適な金属材料または材料の組合せから作られるので、領域２１０および２１６の金属を金属酸化物に変換する、領域２１０および２１６の選択的な酸化を行うことができる。そのため、領域２１０および２１６を、部分２０６と２０８との間、および２１２と２１４との間に十分な電気伝導率を与えるとともに、部分２０６と２０８との間、および２１２と２１４との間に十分な断熱性を与えるようにすることができる。当業者には、領域２１０および２１６に断熱性コンポーネントを与えることにより、囲み枠２５９で示す熱が部分２１２を通して囲み枠２６１で示す低温側に誘導されて集束し、次に自由電子が生成される熱電素子２０３を通って、次に熱および自由電子が部分２０８を通過する。このように、熱がより効率的かつより少ない寄生損失で熱電素子２０３を通して誘導されるので、ごく少ない熱の寄生損失でより効率的な熱電素子２０３全体が製作される。
【００４０】
素子２０２および２０４の領域２１０および２１６の選択的な酸化は、過酸化物、水蒸気、熱、圧力、イオン注入などの酸化剤を使用するなど、これだけに限定されない任意の好適な方法、手法またはその組み合わせで実現できる。簡潔にいうと、例として、部分２０６および２０８は、領域２１０および２１６を露出した状態で、窒化物層、酸化物層、フォトレジスト層など、これだけに限定されない、保護被覆または層で被覆される。次に、領域２１０および２１６を、高温、圧力および酸化環境への暴露、イオン注入など、これだけに限定されない、保護される金属を酸化から保護しながら、露出した金属をその酸化物形態に変換する任意の好適な酸化方法または手法によって酸化する。
【００４１】
別の例では、素子２０２の部分２０６および２０８がシリコン材料もしくは金属材料等のいずれかで作られるとき、部分２０６および２０８をフォトレジスト材料、酸化物材料などのマスキング材料で被覆する。そのため、素子２０２の領域２１０は露出されたままで、部分２０６および２０８はマスキング材料によって保護される。次に保護された部分２０６および２０８と保護されていない領域２１０を、酸素イオンによってイオン注入を施す。通例、これらの酸素イオンは、これだけに限定されないが、１０ｋｅＶから５ＭｅＶまでの範囲のエネルギーで注入され、公称エネルギー範囲は１００ｋｅＶから４ＭｅＶである。領域２１０に酸素イオンが注入されたら、保護マスキング材料を除去するように素子２０２を任意の好適な方法で洗浄する。通例、これは湿式化学法、乾式化学法、または湿式および乾式両方の化学法の組合せで行われる。通例、次に素子２０２を、窒素、フォーミングガスなど、これだけに限定されない任意の好適な雰囲気でアニールし、ある場合には、水蒸気および圧力への暴露を使用することができる。異なるガスおよび／または化学物質、温度および時間で暴露すると領域２１０の化学組成を変えることができ、それによって領域２１０の電気伝導率および熱伝導率を所望のレベルに変えることができることは理解されるべきである。
【００４２】
素子２０２および２０４が炭素素材および／または炭素素材の誘導体のいずれかから作られているとき、安定した酸化炭素、炭素繊維、グラファイトなど、これだけに限定されない任意の好適なプロセスまたは方法を使用することができる。異なる各炭素素材は、使用できる非常に多様なプロセスをもつことができることは理解されるべきである。例えば、炭素繊維を成形して素子２０２および２０４に形作ることができる。さらに、電気伝導率および熱伝導率は、炭素繊維に金属粒子または金属イオンを含浸する、セラミックス材料で積層、成形、レイヤリングする等によって変えることができる。
【００４３】
一般に、部分２０６、２０８、２１２および２１４の寸法は同様である。しかし、特定の寸法は用途固有であることは理解されるべきである。したがって、ある部分、例えば部分２０６の寸法は、他の部分のいずれか、例えば部分２０８とは全く異なることができ、または寸法、例えば部分２０６および部分２０８は同じにすることができる。通例、厚さ２４８は抵抗損がほとんどなく電気および熱エネルギーを楽に伝導するようなサイズにしなければならない。部分２０６および２０８の幅２５０および長さ２５２は、熱電素子２０３のそれぞれ長さ２２７および幅２２５を優に超えるようなサイズにされ、熱電素子２０３は１．０平方ｍｍから数平方センチメートルまでの任意の好適な寸法である。
【００４４】
前述したように、領域２１０および２１６は、材料または複数の材料が実質的に導電性で、熱伝導が最小限になるような任意の好適な材料、組合せ材料、材料の変態、または材料のサイジングから作ることができる。図２に示すように、領域２１０は、部分２０６と２０８との間に配置して製作される。さらに、素子２０４の表面２５６は素子２０２の表面２７５の上に設けられ、熱電素子２０３は、素子２０２のそれぞれ表面２７５および２５６が表面２０５および２０７にそれぞれ熱的および電気的に結合するように、表面２７５と表面２５６との間に設けられる。一般に、領域２１０および２１６は同様な幾何学形状および寸法を有する。しかし、単独または組合せのいずれでも任意の好適な幾何学形状を使用できることは理解されるべきである。（図３を参照）。さらに、領域２１０の寸法を述べるが、この考察は同様に領域２１６にも適用できることも理解されるべきである。単なる例として、図２に示すように、領域２１０および２１６は直線構成のブロックとして描かれている。しかし、領域２１０および２１６は、その間に部分２０６、２０８と部分２１２および２１４がある長円形として形作ることもできるであろう。さらに、領域２１０および２１６は、領域２１０および２１６が、それぞれ表面２２０、２３０、２４０および２４２、並びに表面２６４、２６６、２７８、２８０の幅全体２５０にわたって延びるように形成することができるであろう。
【００４５】
領域２１０は、任意の好適な断熱性および導電性の固体形態のアルミニウム、炭素、銅、インコネル、ニッケル、炭化ケイ素、窒化ケイ素、スズ、亜鉛、およびその他から作ることができる。このようなある例が、１０ワット／メートル度ケルビンの熱伝導率と６．５×１０−５オームメートルの電気抵抗率を有するＤｕｏｃｅｌ銅発泡体（ＥＲＧエアロスペース・コーポレーション社（ＥＲＧ  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ））である。別の例は、０．２５ワット／メートル度ケルビンの熱伝導率と１×１０−２オームメートルの電気抵抗率を有する炭素発泡体ＣＦＯＡＭ（タッチストーン・リサーチ・ラボラトリ社（Ｔｈｏｕｃｈｓｔｏｎｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ））である。別の例は０．０９ワット／メートル度ケルビンの熱伝導率と３×１０−２オームメートルの電気抵抗率を有するカーボンナノフォーム（マーケテック・インターナショナル社（ＭａｒｋｅＴｅｃｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ））である。
【００４６】
さらに、導電性添加剤を加えた断熱性ポリマー系材料を使用することができ、このような例は、電気抵抗を１ｅ３オームメートルまで下げるために様々な導電性添加剤を利用した断熱性Ｄｙｎｅｏｎ導電ナイロン、ポリエステルウレタン、またはポリエーテルウレタン（３Ｍカンパニ社（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ））である。別の例は、銅、銀およびアルミニウムなどの金属と同じオーダーの電気伝導率をもつ断熱性材料になる導電性金属ナノクラスタを組み込んだ工学ポリマーから構成されるメタルラバー（ナノ・ソニック社（ＮａｎｏＳｏｎｉｃ  Ｉｎｃ））である。別の例は、ポリマーシリコンを連続気泡金属発泡体と組み合わせた導電性断熱材（ロッキード・マーティン・コーポレーション社（Ｌｏｃｋｈｅｅｄ  Ｍａｒｔｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、ＵＳ２００３／００６４６０６）である。
【００４７】
また、ニッケル、アルミニウム、銅、銀、金、スズ、亜鉛、鉛、テルル、コバルト、モリブデン、チタン、インジウム、プラチナ、パラジウム、およびアンチモンなど、断面積を大幅に減じるように形作られる金属導体は、導電率を保持しながらも、熱伝導率を下げる。
【００４８】
断熱性添加剤と格子方位で調整した格子間カーボングラファイトは、熱伝導率が６〜２４ワット／メートル度ケルビンの範囲に、電気抵抗率が１〜６×１０−５オームメートルになる。また、断熱性で導電性セラミックスおよび層状セラミックス並びに同様なものも使用することができる。
【００４９】
さらに、単なる例として、領域２１０は、素子２０２の部分２０６と２０８との間および素子２０４の部分２１２と２１４との間に、任意の好適な方法、手法又は手段で接合して設けられる酸化インジウムスズ（ＩｎＳｂＯ２）から作ることができる。単なる例として、領域２１０は、銀ペーストなど、これだけに限定されない、導電接着剤、導電ペースト、溶接、ろう付けまたははんだによって、部分２０６と２０８との間の領域２１０を接着することによって設けられる。通例、次に、素子２０２は、窒素、フォーミングガスなど、これだけに限定されない任意の好適な雰囲気でアニールされ、ある場合には水蒸気および圧力への暴露を使用することができる。異なるガスおよび／または化学物質、温度および時間で暴露すると領域２１０の化学組成を変えることができ、それによって領域２１０の電気伝導率および熱伝導率を所望のレベルに変えることができることは理解されるべきである。
【００５０】
さらに別の例では、領域２１０は、シリコーン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポニフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、スルホンなど、これだけに限定されない、高温ポリマーのブレンドから作ることができる。次に、高温ポリマーは、適切な断熱性および適切な電気伝導率をもたらすように、導電粒子および／またはナノ粒子とブレンドすることができる。
【００５１】
図２に示すように、熱電素子２０３は表面２０５、２０７、２０９、２１１、２１３および２１５を有する立方体として形成され、表面２０５が上面２０５を形成し、表面２０７が底面２０７を形成し、表面２０９、２１１、２１３、２１５が立方体の側面を形成する。熱電素子２０３の端部２８３および２２９には、それぞれ電極２１９および２２１が配置および／または製作される。一般に、電極２１９および２２１は、熱電素子２０３から素子２０２および２０４の部分２０８および２１２までの電気的、機械的および熱的な接続が良好になるように製作されるため、図２に示すように熱電素子２０３によって発生する電流および電圧を素子２０２および２０４に流すことができると同時に、領域２１０および２１６は部分２０６と２０８との間、および部分２１２と２１４との間の熱エネルギーの流れを制限し、それによって寄生熱エネルギー損を最小限にしながら熱電素子２０３が発生する電流および電圧を最大限にするように、熱電素子２０３を流れる熱エネルギーを誘導、集束および最大化する。
【００５２】
熱電素子２０３は、ビスマスカルコゲナイド、テルル化鉛（ＰｂＴｅ）、テルル化ビスマス（ＢｉＴｅ）、無機包接化合物、ケイ化物、シリコンゲルマニウムおよび／またはシリコンゲルマニウム合金、マグネシウム基ＩＶ化合物、スクッテルダイト熱電材料、酸化物熱電材料、ハーフホイスラー合金など、これだけに限定されない任意の好適な熱電材料から作ることができる。
【００５３】
熱電素子２０３の電極２１９および２２１は、任意の好適な方法もしくは手法または方法もしくは手法の組合せによって製作される。一般に、電飾２１９および２２１は、領域の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線が線形で対称形になるように製作され、それによって電子の流れが熱電デバイス２００に容易に通過できる。特定の用途によって、電極２１９および２２１は、ドーピング、アニーリング、注入、蒸着、湿式化学法、電気分解および無電解を含むメッキ手法など、これだけに限定されない、いくつかの手法の組合せにより製作することができる。方法および手法のいくつかはウェハースケールで実施できることは理解されるべきである。しかし、これらのプロセスのいくつかは個別のダイレベルスケールで繰り返されるときがあることも理解されるべきである。
【００５４】
通例、電極２１９および２２１は、熱電素子２０３の適切な面からすべての酸化物、コンタミ等を、湿式もしくは乾式の方法または手法を含むあらゆる適した方法または手法で洗浄することによって製作される。電極２１９および２２１はｐ型またはｎ型のドーパントでドーピングすることができる。ドーピングおよび洗浄が完了したら、電極２１９および２２１には、金属、導電材料、ナノ構造、はんだなど、これだけに限定されない他の材料層を設けることができる。次に、素子２０２および２０４に接合するために接点エリアおよび／または電極を準備する。
【００５５】
熱電素子２０３は、はんだ付け、電気接着剤、超音波溶着、圧縮、もしくはアニーリングによる層の合金化など、これだけに限定されない任意の好適な方法またはプロセスによって、表面２５６および２７５に設けられ、熱的および電気的に結合される。一般に、電極２１９および２２１は、性能を最適にするために、部分２０８および２１２の表面２７５および２５６とそれぞれ良好な電気的、熱的および機械的な接続にする必要がある。
【００５６】
機能的には、図２に示すように、熱電デバイス２００は、熱電素子２０３の電極２１９を素子２０４の部分２１２上に設け、熱電素子２０３の電極２２１を素子２０２の部分２０８上に設けて製作され、電極２１９および２２１はそれぞれ部分２１２および２０８に熱的、電気的および機械的に結合される。その後、熱電デバイス２００は、部分２１２が温度勾配の囲み枠２５９によって示される高温側と接触し、部分２０８が囲み枠２６１によって示される低温側に接触する温度勾配に配置される。熱電デバイス２００を高温側２５９と低温側２６１との間にすることによって、熱電素子２０３から電圧および電流が発生する。電圧および電流は、部分２１２から領域２１６を通して２１４に接続され、同様に部分２０８から領域２１０を通して２０６に接続される。こうして、電流および電圧は線２４５、２７１、２６９、２６５、２６３および２４９を介して部分２１４および２０６から直接出力して、メータ２８１で計測することができる。領域２１０および２１６はともに導電性でかつ断熱性であるので、熱電素子２０３から十分な量の電子が収穫されると同時に、熱エネルギーをほとんど浪費せずに熱エネルギーを熱電素子２０３に集束させて通される。一般に、図２の囲み枠２５９の内部の高温という言葉で示される熱源から利用できる熱、および図２の囲み枠２６１の内部の低温という言葉で示される冷却源からの冷却によって支持できる最も薄く最も大きい表面積をもつことが望ましい。
【００５７】
さらに、図２に示すように、素子２０２および２０４と熱電素子２０３との物理的な関係は、特定の用途に応じて変えることができる。例えば、部分２０８の中心、熱電素子２０３の中心および部分２１２の中心を通ることのできる中心線２８７を使用することによって、部分２０８および２１２並びに熱電素子２０３を互いに重ねて幾何学中心をとることができる。
【００５８】
別の例において、図２に示すように、部分２０８および２１２は、矢印２７３で示すようにずらすことができる。ずれ２７３は、熱電素子２０３が部分２０８および２１２に熱的および電気的に結合される限り、任意の好適な寸法に調整することができる。
【００５９】
さらに別の例では、素子２０２が図２に示すように配置される場合、素子２０４は、矢印２８９で示す３６０度の弧に沿ったどの場所にも配置させることができる。そのため、素子２０２および２０４の配置を可能にすることおよび／または選択することにより、熱電デバイス２００は、素子２０２および２０４の使用および配置に関して設計を容易にできる設計上の回転方向の柔軟性がある。この柔軟性はさらに、熱電デバイス２００の小型化を高め、サイズを縮小する。
【００６０】
図２にも示すように、素子２０２および２０４のそれぞれ部分２０８と２１２とに温度差がある場合、メータ２８１は一定の電圧を測定する。一般に、Ｎ型デバイスの場合、矢印２５１は電流の流れの方向を示す。
【００６１】
図３は、図２に述べる基本構成の様々な代替例を示す。ここで図３を参照すると、素子３０２、３０４、３０６および３０８の部分３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０はそれぞれ、任意の好適な三次元幾何学デザインを有するように製作することができ、部分３１０および３１２は長円体形状を示して、それぞれ厚さ３４２および３４４を有し、部分３１４および３１６は円柱形状を示して、それぞれ厚さ３４６および３４８を有し、部分３１８および３２０は長方形形状を示して、それぞれ厚さ３５０および３５２を有する。また、図３に示すように、厚さ３５４、３５６および３５８をそれぞれ有する熱電素子３２２、３２４および３２６は、任意の好適な三次元形状にも製作または形成することができ、熱電素子３２２は長円形状を示し、熱電素子３２４は円形または円盤状形状を示し、熱電素子３２６は方形形状を示している。
【００６２】
領域３２８、３３０、３３２および３３４も、円形、方形など、これだけには限定されない任意の好適な三次元幾何学形状に形作ることができる。
図３に示すように、例として、熱電素子３２２、３２４、３２６は、それぞれ素子３０２、３０４、３０６および３０８のそれぞれ部分３１０、３１２、３１４、３１６、３１８の特定の幾何学的な表面積を近似するおよび／または埋めるように製作することができる。例えば、熱電デバイス３３６、３３８および３４０によって示される作動熱電デバイスを生成するために任意の好適な厚さ３５４、３５６および３５８を使用することができるが、性能は厚さと表面積に影響される。これらのパラメータの最適な値を選択することはシステムの用途によって決まる。
【００６３】
図４は、外部電気相互接続を含む多脚モジュールの電気的および物理的構成の分解図である。熱エネルギーが構造を垂直に流れ、電流が構造を横方向に流れる階段形状の特徴が示されている。図４は、複数の熱電デバイス４０２が線形に配置された熱電モジュール４００を大幅に簡略化して示す分解図である。図４に示すように、複数の熱電デバイス４０２は熱電デバイス４０４、４０６および４０８を含む。熱電デバイス４０４は、部分４１２および４１６と、部分４２２および４２６をそれぞれ備える素子４１０と４２０とをさらに含み、部分４１６は電気ソケット４４８を受止するように構成されており、部分４１２は表面４０３および４０５を含み、部分４２２および４２６はそれぞれ表面４０７および４１１と表面４０９および４１３を含む。領域４１４および４２４は部分４１２と４１６との間、４２２と４２６との間にそれぞれ設けられ、熱電４１８は電極４３５および４３７を含み、電極４３５および４３７は、それぞれ部分４２６および４１２に電気的、熱的および機械的に結合されている。
【００６４】
熱電デバイス４０６は素子４２０および４３０をさらに含み、部分４２２および４２６並びに部分４３２および４３４はそれぞれ表面４１５および４１７並びに表面４１９および４２１を有する。領域４２４および４３６はそれぞれ部分４２２と４２６との間、４３２と４３４との間に設けられ、熱電素子４２８は電極４３１および４３３を有し、電極４３１および４３３はそれぞれ部分４３４および４２２に電気的、熱的および機械的に結合されている。
【００６５】
熱電デバイス４０８は素子４３０および４４０をさらに含んでおり、部分４３２および４３４並びに部分４４２および４４４は表面４２３および４２５を有し、部分４４２は電気ソケット４５０を受止するように構成されており、領域４３６および４４６は部分４３２と４３４との間、４４２と４４４との間に設けられており、熱電素子４３８は電極４２７および４２９を有し、電極４２７および４２９はそれぞれ部分４４４および４３２に電気的、熱的および機械的に結合されている。
【００６６】
一般に、熱電モジュール４００の複数の熱電デバイス４０２は、階段構造４３９を有するように構成されており、素子４１０、４２０、４３０および４４０並びにその関連熱電素子４１８、４２８および４３８は、独特な垂直、水平および長手状に配置して結合されている。図４に示すように、線４５６で示される垂直軸、線４５０で示される水平軸および線４６０で示される長手軸で、部分４１２の表面４０５は熱電素子４１８の電極４３７に設けられ、部分４２６の表面４０９は熱電素子４１８の電極４３５に設けられていることが分かる。さらに、部分４２２の表面４１１は熱電素子４２８の電極４３３に設けられ、部分４３４の表面４１９は熱電素子４２８の電極４３１に設けられている。また、部分４３２の表面４１７は熱電素子４３８の電極４２９に設けられて、部分４４４の表面４２３は熱電素子４３８の電極４２７に設けられている。追加の熱電素子が追加されると、階段設計４３９が形成されることは容易に分かる。複数の熱電デバイス４０２に任意の好適な数の熱電デバイスを追加できることは理解されるべきである。複数のデバイス４０２に追加の熱電電気デバイスを追加することによって、対応する量の電圧および電流が発生する。例として熱電デバイス４０４および４０６を使用して、熱電素子４１８および４２８が矢印４６０で示す長手方向、および矢印４５０で示す水平方向の両方に、それぞれの表面４０５、４０９、４１１および４１９上のいずれにも移動できることが分かる。表面４０５と表面４０９との間の厚さ４７５は、熱電素子４１８の厚さ４４３に依存することも分かる。
【００６７】
図４に示すように、熱電デバイス４０４、４０６および４０８は囲み枠４５４で示す高温側と、囲み枠４４１で示す低温側とを有し、それによってそれぞれ熱電素子４１８、４２８および４３８に温度勾配が発達する。熱電素子４１８、４２８および４３８に温度勾配があるので、対応する電圧および電流は各熱電デバイス４０４、４０６おび４０８から発達する。熱電デバイス４０４、４０６および４０８は直列に電気的に接続されているので、各熱電デバイスからの各電圧が合計される。単なる例として、熱電デバイス４０４が０．５ボルトを出力し、熱電デバイス４０６が０．７ボルトを出力し、熱電デバイス４０８が０．８ボルトを出力すると、熱電モジュール４００から出力される合計電圧は２．０ボルトである。このように、所望の量の電圧は、直列に接続される熱電デバイスの加減のいずれかによって調整することができることは理解されるべきである。
【００６８】
通例、熱電モジュール４００からの電流の総量は、熱電素子４１８、４２８および４３８の材料特性、熱電素子４１８、４２８および４３８の温度勾配に依存する。しかし、通常の電気原理によると、電流は加法的ではない、つまり、熱電デバイス４０４および４０６からの電流は、熱電デバイス４０４および４０６が直接に接続されているとしても総計されず、電流はどこで測定されても同じである。しかし、当業者には、これだけに限定されないが、素子４０４、４０６および４０８の部分４１２、４２６、４２２、４３４、４３２と接触する熱電素子４１８、４２８および４３８の表面積の総量など、電流を変化できるものがあることは理解されるはずである。代わりに、複数の熱電素子を隣り合わせに取り付けて、表面積を効果的に増やすことができる。
【００６９】
熱電モジュール４００は、熱電デバイス４０４、４０６および４０８を含むように示されているが、これは単なる例であり、熱電モジュール４００は任意の好適な数の熱電デバイスを含むことができることは理解されるはずである。図２および図３に関して前述した材料およびプロセスは図４に適用されることは理解されるはずである。さらに、明確にするために、各熱電デバイスは、図４、図５、図６、図７および図８に示すように、階段連鎖で隣にあるデバイスと素子を共有することは理解されるはずである。単なる例として、熱電デバイス４０６は熱電デバイス４０４と４０６との間で素子４２０を共有する。これは完全に機能する熱電デバイスが形成されるように行われ、直列に電気的に接続されている状態が示されている。
【００７０】
図４に示すように、部分４１６および４４２は、電気ソケットまたはプラグ４４８および４５０を受止することができるように形成される。電気プラグまたはソケット４４８および４５０には、導電性ワイヤ、導電性トレースなど、これだけに限定されない、導電手段４５２が取り付けられるので、熱電モジュール４００が発生する電気エネルギーを別の場所に移動することができる。
【００７１】
図５は、すべての絶縁材料および筐体材料を含む完全な構成のモジュールの斜視中心線断面図である。熱が構造を垂直に流れる場合、電流は階段構造を横方向に通過する。ここで図５を参照すると、図５は、熱電モジュール５００の内部構造が見えるように一定の部分を取り除いた熱電モジュール５００を大幅に簡略化して示す斜視断面図である。複数の熱電デバイス５０２は、素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６と、熱電素子５４８、５４９、５５１および５５３として個々に識別され、電極５５０および５５２、５６０および５６２、５６４および５６６、５６８および５７０をそれぞれ有する複数の熱電素子５４７とをさらに含む。素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６のそれぞれは、その間に２つの部分と１つの領域とを含み、図を明確にするためにこれらの特徴は図示されていないが、存在すると想定されることは理解されるべきである。素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６並びに熱電素子５４８、５４９、５５１および５５３は、素子２０２および２０４、熱電素子２０３として上記説明され、特徴付けられており、ここでは詳細に特徴付ける必要がない。領域５５６は図２の領域２１０および２１６、図３の領域３２８、３３０並びに図４の領域４４６、４３６、４２４および４１４として上記説明した。
【００７２】
領域５５６から通常延びているはずの素子５４０の部分（図示せず）、および素子５４０の一部を覆うはずの熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１８の部分（図示せず）、並びに断熱性でかつ電気絶縁性の領域５２０の部分は、本発明をより明確に図示するために取り除いていることは理解されるべきである。
【００７３】
複数の熱電デバイス５０２は、断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１４、５１６、５１８（一部は図示せず）および５２０として個別に識別される複数の断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１２と、この一連の第１の領域を明確にするために図示していないが、熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５２２、５２４および５２６として個別に識別される複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１１と、熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５３０、５３２、５３４および５３６として個別に識別される複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５２８とをさらに含む。
【００７４】
複数の断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１２は、ガス、エアロゲル、エアロゲル誘導体など任意の好適な断熱性でかつ電気絶縁性の材料または材料の組合せを充填することができることは理解されるべきである。複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１１および５２８は、セラミックス（例、窒化ホウ素（ＢＮ）および窒化アルミナ）、陽極酸化層（例、陽極酸化Ａｌ）など、熱伝導性でかつ電気絶縁性の任意の好適な材料および／または材料の組合せで充填できる。囲み枠５２７で示す高温側から熱を集束および／または集中することにより、矢印５０９で示す熱電素子５４８、５４９，５５１および５５３に集束および／または集中させて通して、低温側に移動することで、より効率的に熱収集および処理ができ、その後より大きな電力を発生できる。複数の断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１２並びに複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１１および５２８を充填するために、ピックアンドプレイス、リソグラフィ、蒸着等を含むアディティブ手法およびサブトラクティブ手法など任意の好適な方法または手法を使用することができる。
【００７５】
図５に示すように、自己完結型モジュール５００となるように、層５２３および５２５が複数の熱電デバイス５０２の外面に設けられる。層５２３および５２５は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、Ｒｕｔｈｉｕｍ（Ｒｕ）、マンガン（Ｍｎ）もしくは同様なものなどの金属、鋼（一般式Ｆｅ３Ｃ）、ステンレス鋼、青銅、真鍮（Ｃｕ３Ｚｎ２）、銅アルミニウム（ＣｕＡｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ダイヤモンド様材料など、任意の好適な合金、またはそのあらゆる組合せなど、これだけに限定されない、熱を伝導する任意の好適な材料から作ることができる。さらに、材料は混ぜることもできは理解されるべきであり、層５２３は銅材料で作り、層５２５はアルミニウム材料で作られる。多くの他の材料の選択を行うことができ、選択材料は特定の材料特性および特定の用途に依存することは理解されるべきである。また、層５２３および５２５のそれぞれの厚さ５６７および５６９は、任意の好適な厚さにできることも理解されるべきである。例として、層５２３および５２５の厚さ５６７および５６９は１．０ミクロンから１０．０センチメートル以上の範囲にすることができる。層５２３および５２５の厚さは、階段構造５５８の輪郭に適合する個別の金属片としてより大きくすることができ、これは層５２３および５２５を個別に製作させ、その後一緒にプレスして、複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１１および５２８、複数の断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１２、複数の熱電素子５４７、および素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６を一緒に保持して、それを内蔵する層５２３および５２５を形成することができる。
【００７６】
層５２３および５２５の製作は、スパッタリングや焼結などの蒸着、例えば予め形成された層５２３および５２５のミリング、成形、スタンピング、および／または物理的な塗布などの形成法のような任意の好適な方法または手法によって実現することができる。
【００７７】
一般に、図５に示すように、素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６は、熱電素子５４８、５４９、５５１および５５３が素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６に設けられて、図５に示す階段５５８構造を作るように配置され、熱電素子５４８、５４９、５５１および５５３は素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６によって直列に電気的に接続される。複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１１および５２８の層が、素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６の上およびその周囲に設けられて、断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１２が複数の熱電素子５４７を取り囲んでいるので、熱伝導は複数の熱電素子５４７に効果的に移動する。複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１１が素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６の上面と、複数の断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１２の部分とに設けられるとともに、熱伝導性でかつ電気絶縁性の複数の領域５２８が素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６の底面と、複数の断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１２の部分とに設けられており、複数の熱伝導性でかつ電気絶縁性の領域５１１の部分５２９、５３１、５３３および５３５、並びに５７１および５７３は、素子５３８、５４０、５４２、５４４および５４６の端部に設けられて、さらに複数の絶縁層５１２に密閉することにより素子を絶縁している。
【００７８】
例として熱電デバイス５０２を使用して、熱電素子５５１の電極５４６は素子５４２上に設けられていることが分かる。さらに、熱電素子５５１の電極５６６は、電極５６６が素子５４４に結合するように配置して設けられることになろう。図５では、熱電素子５５１は直方体の形状であるが、あらゆる幾何学形状を使用できるであろうことは理解されるべきである。さらに、図５で分かるように、断熱性でかつ電気絶縁性の層５１６は熱電素子５５１に隣接して、これを取り囲んでいる。断熱性でかつ電気絶縁性の領域５１６を熱電素子５５１に近づけることおよび／または熱電素子５５１と合わせて接合することによって、熱勾配からの熱エネルギーを熱電素子５５１に誘導して通して、熱電素子５５１の減損を制限する。熱電素子５５１を通る熱エネルギーの流れを増大し、厳密に制御することによって、熱電デバイス５０６および熱電モジュール５００の全体としての効率は大幅に高まる。
【００７９】
熱電モジュール５００の電気出力は、素子５４６および５３８の露出部分への電気的接続によって達成される。
図６は、部分６０１および６０３を示す斜視中心線断面図であり、部分６０１は、特に、モジュールの内部および外部を示しており、部分６０３は、特に、部分６０３の外部構成を示している。熱は構造を垂直に流れ、電流は階段６６４および６７０構造を横方向に通過する。図６は、端部６０７および６１３から端部６０９および６１５までを横方向切断し、取り外して分離することにより部分６０１および６０３を形成した熱電モジュール６００を大幅に簡略化して示す斜視断面図である。部分６０１および６０３を離して、熱電モジュール６００の内部構造６３１が見えるようにしている。熱電モジュール６００の内部構造６３１は熱電モジュール５００の内部構造と非常に似ており、そのため熱電モジュール６００の内部構造６３１はそのまま同じ識別名を使い、関係ある部分を除き詳細には述べない。
【００８０】
一般に、熱電モジュール６００は任意の好適な寸法にすることができ、長さ６１７は１０．０ｍｍから５００．０ｍｍの範囲にすることができ、公称範囲は３０．０ｍｍから２５０．０ｍｍであり、好適な範囲は４６．２ｍｍから１０６．２ｍｍである。さらに、熱電モジュール６００は任意の好適な幅６１９にすることができ、幅６１９は３．０ｍｍから３００．０ｍｍの範囲にすることができ、公称範囲は１０．００ｍｍから２００．０ｍｍであり、好適な範囲は１１．０ｍｍから３０．０ｍｍである。図示される熱電モジュール６００は、特定の設計要件に応じて、図６に示すものとは異なる形状にすることができることは理解されるべきである。
【００８１】
図６に示すように、部分６０１および６０３は基板６０５および６１１を含み、基板６０５は表面６５８、６４１、６３９と内面６２２とを含み、基板６１１は表面６２１、６３７，６６０と内面６６８とを含む。一般に、表面６５８、６４１、６３７、６２１、６６０および６３９は部分６０１および６０３の外面であり、任意の好適な形状または形態にすることができる。分かるように、内面６６２および６６８はそれぞれ階段構造６６４および６７０にされて、複数の熱電デバイス６０２を構築している。部分６０１および６０３を合体すると、部分６０１および６０３の表面６５８、６４１、６３７、６２１、６３９および６６０が合わさって、それぞれ連続面を形成することは理解されるべきである。
【００８２】
基板６０５および６１１は、金属、金属合金、複合金属、層状金属、半導体など、これだけには限定されない、熱伝導性の任意の好適な材料から作ることができる。使用できる代表的な金属は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス鋼などであるが、これだけに限定されない。使用できる代表的な金属合金は、鋼、青銅等であるが、これだけに限定されない。使用できる代表的な金属複合材は、銅／アルミニウム、ニッケル／鉄等であるが、これだけに限定されない。使用できる代表的な層状金属は、銅／金、アルミニウム／金、ニッケル／銅等であるが、これだけに限定されない。材料の選択およびプロセスの選択は用途固有であり、すべての材料が同じプロセスで加工できるわけではないことは理解されるべきである。基板６０５および６１１が熱伝導性でかつ電気絶縁性である場合には、熱伝導性でかつ電気絶縁性の層６５４および６５６は省略できることは理解されるべきである。また、基板６０５および６１１を製作するには、成形、ミリング、エッチングなど、これだけに限定されない任意の好適なプロセスまたは方法を使用できることは理解されるべきである。
【００８３】
図６に示すように、内面６６２および６６８は、それぞれ階段構造６６４および６７０に作られている。内面６６２および６６８の階段６６４および６７０構造は、成形、ミリング、エッチングなど、これだけには限定されない任意の好適な方法または手法で製作することができる。例として熱電デバイス６０６および６０８を使用すると、階段６６４および６７０は部分６０１の内面６６２に製作され、長さ６７４および高さ６７８を有する。分かるように、部分６０１では、階段６６４および６７０は表面６５８に対して角度６７９で配置されている。角度６７９は選択される内部コンポーネントの寸法に応じて適した角度に設定することができる。通例、角度６７９は５．０度から４５．０度等の範囲にすることができる。角度６７９をより大きな角度に設定することにより、より多くのスペースができるので、より多くの数の熱電デバイスをモジュールユニットエリアに配置できるようになる。また、より多くの熱電デバイスを配置することができ、表面６５８および６６０を熱エネルギー源もしくはヒートシンクと合わせることができるように、表面６５８および６６０を平らにおよび／または任意の形状にすることができれば、モジュール６００の熱を電気に変換する効率が高まり、それによって熱電モジュール６００全体としての発電量が増加する。図６に示すように、表面６８０および６８４は９０度の角度として示される角度６８８であるように示されている。しかし、角度６８８は所望の任意の好適な角度に変えることができる。通例、角度６８８は６０度から１２０度の範囲にすることができ、９０度が好ましい。
【００８４】
内面６６２および６６８を階段６６４および６７０構造に形成し、内面６６２および６６８を互いに相対して、横方向にずらして配置することにより、複数の熱電デバイス６０２、複数の熱電素子６１８、複数の素子６３４、熱伝導性でかつ電気絶縁性の層６５４および６５６、並びに断熱性でかつ電気絶縁性の複数の領域６３５をその間に形成および／または配置することができるので複数の熱電デバイス６０２を構成する。また、内面６６２および内面６６８を開放しておくことによって、複数の熱電デバイス６０２の構築を容易にする。
【００８５】
個別に６０４、６０６、６０８、６１０、６１２、６１４および６１６として示す複数の熱電デバイス６０２は、階段構造６６４および６７０に配置されており、個別に熱電素子６２０、６２２、６２４、６２６、６２８、６３０および６３２として識別されている複数の熱電素子６１８は、個別に素子６３６、６３８、６４０、６４２、６４４、６４６、６４８および６５０として識別されている複数の素子６３４を介して、熱電素子６２０および６３２の周りに設けられている断熱性でかつ電気絶縁性の領域６５２として例示されている複数の熱電素子６１８の周りに設けられている断熱性でかつ電気絶縁性の複数の領域６３５に電気的に直列に接続される。
【００８６】
熱伝導性でかつ電気絶縁性の層６５４および６５６は、それぞれ基板６０５および６１１の内面６６２および６６８に設けられる。熱伝導性でかつ電気絶縁性の層６５４および６５６は、モジュール６００の基板６０５および６１１と複数の素子６３４との間、複数の熱電素子６１８と断熱性でかつ電気絶縁性の領域６３５との間に電気的な障壁を提供する。しかし、熱伝導性でかつ電気絶縁性の層６５４および６５６は内部構造６３１を基板６０５および６１１から電気的に絶縁しながら、熱エネルギーを熱電モジュール６００に通過させることは理解されるべきである。熱エネルギーを複数の熱電素子６１８に通過させることによって、熱エネルギーの一部は電気エネルギーに変換されて、これが熱電モジュール６００から出て接点６９２に伝導する。
【００８７】
部分６０１および６０３は、熱電モジュール６００の外部構造の一実施形態を示しており、表面６５８および６６０は、複数の熱電デバイス６０２に入って通過して熱電モジュール６００から出る熱伝導用の表面を提供する。この特定の実施形態において、表面６５８および６６０は平らでかつ滑らかであるとして説明されている。しかし、当業者は、表面６５８および６６０を、凹面、凸面など、これだけには限定されないあらゆる望ましい形状にすることができ、および／またはあらゆる所望の形状等に適合できることは理解するはずである。
【００８８】
熱伝導性でかつ電気絶縁性の層６５４および６５６は、ペースト、エポキシ、ポリマーシート、セラミックス（ＢＮ、ＡＩＮ）、陽極酸化Ａｌなど、これだけに限定されない任意の好適な材料から作ることができることも理解されるべきである。図５で説明する作動部分に使用される材料および手法は、図６に示す熱電モジュール６００を製作するための手法および方法に採用し、使用することができることも理解されるべきである。また、複数の熱電デバイス６０２の製作を容易にするために、階段６６４および６７０は、それぞれ基板６０５および６１１の内面６６２および６６８に形成して、階段６６４および６７０を開放して露出することは理解されるべきである。階段６６４および６７０を開放して露出することで、基板の１つ、例、基板６０５、複数の熱電素子６１８、複数の素子６３４、熱伝導性でかつ電気絶縁性の層６５４および６５６、並びに複数の断熱性でかつ電気絶縁性の領域６３５を、手動または自動、例えば、ピックアンドプレイスシステムなど、これだけに限定されない任意の好適な手段で基板６０５上に正確に形成および／または配置され、したがって階段６６４および６７０は熱電モジュール６００の組み立ての基礎として機能する。複数の熱電デバイスを基板６０５上に正確に組み立てたら、次に内部構造６３１を保持するように基板６０５上に基板６１１を固定すると、熱電モジュール６００が完成する。
【００８９】
部分６０１および６０３の上にはサイドキャップ６９０が示して設けられており、サイドキャップは、熱電モジュール６００を設置しようとする環境に配慮して、電気絶縁性で耐熱性の任意の好適な材料から作られる。プラスチック、セラミックス、繊維、ペースト、パテ、エポキシなど、これだけに限定されない材料を使用することができる。本発明では、表面６５８および６６０だけを露出させるように、エンドキャップ６９０の縁を隠すことができるであろうことも考えられる。
【００９０】
電気コネクタ６９２が、負荷（図示せず）に接続するように端部６９４および６９６に配置されている。電気コネクタ６９２は、複数の熱電デバイス６０２が発生する電力を使用できるように、任意の好適な構成にすることができる。
【００９１】
単なる例として、熱電モジュール６００は、平らな外面６５８および６６０を有する２枚のステンレス鋼製の基板６０５および６１１から始まり、角度付きの階段６６４および６７０構造がそれぞれ、図６に示されるように内面６６２および６６８内にミリングされる。図６に示すように、合計で７つの段が階段６６４および６７０に示されており、これが７つの熱電素子６２０、６２２、６２４、６２６、６２８、６３０および６３２を保持する能力を有する。熱電モジュール６００は、約７６．２ｍｍの全長６１７と約１２．７ｍｍの幅とを有する。各段は、約２．５ｍｍの長さ６７４と約１２．７ｍｍの高さを有する。表面６５６および内面６６２には、約１．５９ｍｍの厚さを有するホットプレスされたセラミック窒化ホウ素から作られた電気絶縁層６５４および６５６が重ねられている。
【００９２】
複数の素子６３４は、銅、ニッケルまたは同様な平らな素材から切断することができ、形状および寸法は設計要件に適合させられる。通例、平らな素材の厚さは約０．５ｍｍから２．０ｍｍである。しかし、任意の好適な厚さを使用できることは理解されるべきである。
【００９３】
複数の熱電素子６１８を次に、図６に示すように複数の素子６３４間に置いて位置決めする。図示される複数の熱電素子６１８はドーピングされたＮ型ＰｂＴｅから作られている。複数の熱電素子６１８は約２．０ｍｍ×２．０ｍｍの寸法を有し、高さは約１．８６ｍｍである。次に、複数の熱電素子を部分に結合するために使用される鉛−スズ−銀フラックスコアはんだの組成を有するはんだで、複数の熱電素子６１８を素子の部分に結合する。次に、基板６０５および６１１を図６に示すように重ねて置き、図６に示すように一緒に圧着する。端部６９４および６９６の電気的接続リード６９２は、発生する電力を任意の好適な態様で使用または測定させるために外側に延びている。
【００９４】
このモジュール設計で動作する様々なコンポーネントの様々な寸法および材料がある。単なる例として、電流段の長さ６７４と幅の寸法はそれぞれ７ｍｍ×７ｍｍであり、高さ６７８は約２．２３ｍｍであり、これが６回繰り返された。電気相互接点６３６および６９２は、厚さ０．５０ｍｍのニッケルプレートから製作される。これらの相互接点はニッケルめっき銅などの任意の好適な電気導体を使用して作ることもできる。断熱性でかつ電気絶縁性の複数の領域６３５を製作できる材料は、熱抵抗率が低く、電気抵抗率が高いため、窒化ホウ素が選択された。しかし、熱エポキシおよびセラミックスコーティングなど、これだけに限定されない材料を使用することができる。基板６０５および６１１は、所望の用途の電力仕様に合わせるために、適切な段寸法および段数を有するように最適化することができる。基板６０５および６１１は、銅（Ｃｕ）、真鍮（Ｃｕ３Ｚｎ２）、鋼（ＦｅＣ）、チタン（Ｔｉ）など、これだけに限定されない任意の好適な材料から作ることができる。熱電素子はより大きな寸法にすることができ、３ｍｍ×３ｍｍのダイを使用したが、より大きな表面積のダイは発生する電流を増加させる。
【００９５】
図７は、熱電デバイス７００の代替設計を示す簡略断面図であり、熱エネルギーはデバイスを垂直に流れ、電流はデバイスを上下に流れる。図７は熱電デバイス７００の大幅に拡大した簡略断面図である。図７は熱電デバイス７００の断面図であるため、熱電デバイス７００は、図７の領域７２０および７２２を途中で切断して示しているように、横方向に延びているとともに、図７の内外に延長することができ、それによって、１０個、１００個、１０００個またはそれ以上の熱電デバイスを使用して１つまたは複数のモジュールを製作するために、複数の熱電デバイス（図示せず）を使用する能力を示していることは理解されるべきである。したがって、図７は本発明の一実施形態の例であり、単一の熱電デバイス７００を例示することが意図されており、モジュールの他の多くの熱電デバイスは本発明の範囲内で設計できることは理解されるべきである。
【００９６】
一般に、任意の好適な材料、材料の組合せ、材料の変態、製作する方法および／または手法を使用して、熱電デバイス７００を製作でき、そのうちの一部は上ですでに述べた。上記述べた材料は本明細書に組み込まれ、本出願を通して使用できることは理解されるべきである。また、本特許出願を明確にするために、関係ある部分を除き、一定の材料、手法およびプロセスを再び詳細に述べる必要はない。本特許出願で提示される教唆により、当業者であれば提示される教唆を用いて本発明を製作および使用できるであろう。
【００９７】
ここで図７を参照すると、熱電デバイス７００は、表面７０５、７０７および７０９、７１１をそれぞれ備える基板７０１および７０３と、提示を明確にするために図７では示していないが、電極を設けることのできる表面７６６、７６８および７７０、７７２を有する熱電素子７０２および７０４と、表面７３６、７３８、７４０および７４２、表面７４４、７４６，７４８および７５０、表面７５２、７５４、７５６および７５８、表面７６０、７６２、７６４および７６３をそれぞれ有する部分７０８、７１０および７１２、７１４と、表面７７４、７７５、７７６および７７７、表面７６８、表面７７８をそれぞれ有する領域７１６、７２０および７２２とを含む。
【００９８】
一般に、図７を参照すると、基板７０３および７１１は、セラミックス材料、高温ポリマーなど、これだけに限定されない任意の好適な熱伝導性でかつ電気絶縁性の材料から作られる。導電性基板は図７に示す熱電デバイス７００の製作に使用できないことは理解されるべきである。しかし、基板７０３および７０１のそれぞれの表面７１１および７０５と、部分７１０および７１４のそれぞれの表面７４６および７６２、部分７０８および７１２のそれぞれの表面７４２および７５８との間に絶縁層を追加すると、導電性基板の使用を用いることができる。さらに、基板７０３および７０１のそれぞれの表面７１１および７０５は、部分７１０および７１４の表面７４６および７６２と部分７０８および７１２の表面７４２および７５８との間に物理的および熱的な接続をしやすいように、合理的に平らであることは理解されるべきである。
【００９９】
一般に、部分７０８、７１０、７１２および７１４は、直方体として形作られる。しかし、図２〜図６を参照して説明したのと同様に、他の３Ｄ幾何学形状またはパターンを使用できることは理解されるべきである。部分７０８、７１０、７１２および７１４は長さ７０６、幅（図示せず）、および高さ７１５を有するように製作される。しかし、部分７０８、７１０、７１２および７１４は、任意の好適な寸法に製作できることは理解されるべきである。寸法は設計検討および用途に応じて、かなり変えることができることも理解されるべきである。通例、長さ７０６は１．０ミリメートルから１０．０センチメートルの範囲にすることができ、公称範囲は２．０ミリメートルから２．０センチメートルであり、好適な範囲は２．０ミリメートルから１．０センチメートルである。幅は図２〜図６に近似させることができ、図２〜図６に従う。高さ７１５は０．００１ミリメートルから１．０センチメートルの範囲にすることができ、公称範囲は０．１ミリメートルから２．０ミリメートルであり、好適な範囲は０．２ミリメートルから０．５ミリメートルである。部分７０８、７１０、７１２および７１４の寸法は、部分７０８、７１０、７１２および７１４同士の間で変えることができることも理解されるべきである。
【０１００】
部分７０８、７１０、７１２および７１４は、表面７３６、７３８、７４０および７４２、表面７５２、７５４、７５６および７５８、表面７４４、７４６、７４８および７５０、表面７６０、７６２、７６４および７６３がそれぞれ３Ｄ長方形を形成するように製作され、表面７４２、７５８、７５０および７６６が底面を形成し、表面７４０、７３６と表面７５６、７５２、７４８、７４４、表面７６４、７６０は表面７４２、７５０および７６６、７５８に対してそれぞれ９０度の角度で配置されて３Ｄ長方形の側面を形成し、表面７３８、７５４、７４６および７６２は３Ｄ長方形を完成させるようにそれぞれの側面に置かれる。
【０１０１】
また、熱電素子７０２および７０４は直方体または３Ｄ長方形として製作される。熱電素子７０２および７０４は表面７６６、７６８、７６７および７６９と、表面７７０、７７１、７７２、７７３を有するように製作され、表面７６８および７７０が熱電素子７０２および７０４の底面として機能し、表面７６７、７６９および表面７７１、７７３がそれぞれ側面として機能し、表面７６６および７７２がそれぞれ上面として機能する。
【０１０２】
一般に、領域７１６は、任意の好適な方法または手法で、あらゆる断熱性でかつ導電性の材料または材料の組合せから作ることができる。これらの材料および手法は上記述べており、関係ある部分を除いて詳細に述べる必要はない。
【０１０３】
図７に示すように、領域７１６、７２０および７２２は直方体として形作られている。領域７１６は部分７０８および７１４に物理的および電気的に結合されており、表面７７７が表面７３６に接続され、表面７７６が７６４に接続される。領域７２０および７２２は部分７１０および７１２にも物理的および電気的に接続されている。しかし、領域７２０および７２２は直列の他の部分への物理的および電気的な接続は遮断されているため、各電極は図示していない。
【０１０４】
一般に、領域７１６は、表面７７４、７７５、７７６および７７７によって画定されており、領域７１６の表面７７５は、部分７０８から部分７１４の表面７６４まで延び、領域７１６の表面７７４は、部分７１４から電極７０８の表面７３６まで延び、領域７１６の表面７７７は、部分７０８の表面７３６に隣接し、領域７１６の表面７７６は、部分７１４の表面７６４に隣接している。しかし、熱電デバイス７００の設計、加工および構成に応じて、部分７０８と７１４との間に電気的な接続がなされることを条件として、領域７１６はいくつかのバリエーションを有することができることは理解されるべきである。例えば、領域７１６が部分７０８および７１４の垂直辺に接続されるのに対し、領域７１６は部分７０８および７１４の水平面の延長部に接続することもできる。さらに、領域７１６は基板７０３および７０１の一方または両方に接触することもできることは理解されるべきである。
【０１０５】
一般に、部分７０８および７１２は、表面７３６と表面７５６との間に長さ７２５が設けられて、基板７０１の表面７０５に物理的に接続されている。熱電素子７０２および７０４はそれぞれ部分７０８および７１２に電気的および物理的に接続されており、表面７６８および７７０はそれぞれ表面７３８および７５４に結合されている。さらに、部分７１０および７１４はそれぞれ熱電素子７０２および７０４に電気的および物理的に接続されており、表面７５０および７６３はそれぞれ表面７６６および７７２に結合されている。さらに、部分７１０および７１４は基板７０３の表面７１１に物理的に結合されている。
【０１０６】
図７に示すように、部分７０８および７１２のそれぞれの表面７３６および７５６は、距離７２５だけ離れている。さらに、部分７１０および７１４のそれぞれの表面７４４および７６４も距離７２５だけ離れている。しかし、部分７０８、７１０、７１２および７１４の配置または装着は、設計検討によって独立したものにできることは理解されるべきである。すなわち、距離７２５は各部分ペアで別々にすることができる。例えば、部分７１０および７１４のそれぞれの表面７４４と表面７６４との間の距離７２５が２５ミリメートルであるとする。部分７０８および７１２のそれぞれの表面７３６と７５６との間の距離７２５は３５ミリメートルとすることができるであろう。別の例では、部分７１０および７０８と熱電素子７０２とはスタックとして一緒に固着することができ、部分７１２および７１４と熱電素子７０４とも一緒に固着することができ、別のスタックとして同じ寸法を維持する。部分７０８および７１２のそれぞれの表面７３６と７５６との間の距離７２５が大きくなると、距離７２５が大きくなるとともに、角度７２９、７３３、７３１および７３５は距離７２５の増減に従って変化する。角度７２９および７３５とともに対の角度７３３および７３１は一般に組み合わされて、それぞれ９０度よりも大きい角度から３０度よりも小さい角度まで、ゼロ（０）から６０度よりも大きい角度までの範囲にすることができる。
【０１０７】
一般に、熱電素子７０２および７０４は図２〜図６を参照して上記説明してきたので、ここで詳細に説明する必要はない。寸法、材料およびプロセスは同様であり、当業者であれば、特定の設計要件に合わせて寸法、材料およびプロセスを修正できるであろう。しかし、これらの変更は意図されたものであり、本発明の一部であることは理解されるべきである。
【０１０８】
図７に示すように、断熱性でかつ電気絶縁性の領域７８０および７８１は、部分７０８と７１４との間を横断する領域７１６によって生成される。材料およびその特性は、図５の断熱性でかつ電気絶縁性の複数の領域５１２に関して上記説明してきたので、再び説明する必要はない。
【０１０９】
上記明細書において、本発明は特定の例示的な実施形態を参照して説明してきた。しかし、以下の請求項に記載される本発明の範囲を逸脱することなく、様々な修正および変更を行えることは認識されるであろう。明細書および図面は制限的なものではなく、例示的に見なされるべきであり、あらゆる修正は本発明の範囲内に含まれることが意図される。したがって、本発明の範囲は上記説明した実施例のみによってではなく、これに添付される請求項およびその法的な同等物によって判断されるべきである。例えば、いずれかの方法またはプロセスクレームに挙げられるステップは、いかなる順番でも実行することができ、請求項に提示される特定の順番に制限されない。さらに、いずれかの装置クレームに挙げられるコンポーネントおよび／または要素は、本発明として実質的に同じ結果を生じるように多様な順列で組み立て、またはその他作動的に構成することができ、したがって請求項に挙げられる特定の構成に制限されない。
【０１１０】
利点、他のメリット、および課題解決手段を特定の実施形態に関して上記説明してきた。しかし、特定の利点、メリットまたは解決手段を生じさせるか、あるいはより際立たせる何らかの利点、メリット、課題解決手段策、または何らかの要素を、いずれかまたはすべての請求項の決定的な、必須の、または本質的な特徴または構成要素と解釈してはならない。
【０１１１】
本明細書で使用する用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」またはその変形は、非排他的な包含について言及することが意図されているので、要素のリストを含んだプロセス、方法、物品、組成、またはデバイスは、列挙される要素だけを含むのではなく、明示的に挙げられていないか、あるいは当該プロセス、方法、物品、組成、またはデバイスに本来備わっている他の要素も含むことができる。具体的に列挙されていないものに加えて、本発明の実施で使用される前述した構造、配置、用途、割合、要素、材料、またはコンポーネントの他の組合せおよび／または修正は、その一般的な原理を逸脱することなく、当業者によって変更することができ、あるいは特定の環境、製造仕様、設計パラメータ、または他の動作要件に特に適応させることができる。
【図３】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【国際調査報告】
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