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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Thermoelektro-Elementeeinrichtung,
die direkt thermische Energie in elektrische Energie oder elektrische Energie
in thermische Energie umwandelt, und ein thermoelektrisches Modul,
das aus einer solchen Thermoelektro-Elementeeinrichtung besteht.
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Im
Allgemeinen besteht eine Thermoelektro-Elementeeinrichtung aus zwei
einander gegenüberliegenden
Elektroden und einem Paar aus einem thermoelektrischen Halbleiterwandler
vom p-Leitungstyp
und einem thermoelektrischen Halbleiterwandler vom n-Leitungstyp,
die zwischen den beiden Elektroden eingefügt sind. In einer solchen Einrichtung
wird ein thermoelektrischer Effekt wie der Thomson-Effekt, der Peltier-Effekt
bzw. der Seebeck-Effekt zum direkten Umwandeln von thermischer Energie
in elektrische Energie und umgekehrt verwendet. In der Praxis wird
ein thermoelektrisches Modul verwendet, das durch Anordnen der thermoelektrischen
Elemente parallel zueinander zusammengesetzt ist.
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Ein
Beispiel einer solchen Thermoelektro-Elementeeinrichtung oder eines
thermoelektrischen Moduls ist in der japanischen Patentanmeldungoffenlegungs-Veröffentlichung
Nr. 2005-64457 offenbart. Diese Veröffentlichung offenbart ein
thermoelektrisches Wandlergerät,
das aus zueinander gegenüberliegenden
Elektroden, thermoelektrischen Direktwandlerhalbleitern des p-Typs
und thermoelektrischen Direktwandlerhalbleitern des n-Typs zusammengesetzt
ist. Die Halbleiter sind jeweils säulenförmig und stehen gemeinsam in
einer großen
Anzahl zwischen den beiden Elektroden. Die Halbleiter werden mit
einer Wärmestrahlungselektrode
verlötet,
die teilweise ein elastisches Gewebeteil hat, das gleitend an die
Halbleiter anstößt.
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In
dem thermoelektrischen Wandlergerät des Standes der Technik wird,
da das Gewebeteil deformiert werden kann und in Bezug auf die Halbleiter gleiten
kann, durch den Unterschied in den Koeffizienten der thermischen
Ausdehnung bedingte thermische Beanspruchung zwischen einer Wärmeabsorptionselektrode
und den thermoelektrischen Halbleitern gemildert, hierdurch einen
Bruch oder eine Zerstörung
des mit der obigen Veröffentlichung übereinstimmenden
thermoelektrischen Wandlergerätes vermeidend.
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Da
jedoch ein Kontaktbereich zwischen dem Gewebeteil und den thermoelektrischen
Halbleitern (thermoelektrische Elemente) gering ist, kann Wärme nicht
gleichförmig
in dem Kontaktbereich verteilt werden, was zu einem Nachteil führt, dass
das thermoelektrische Wandlergerät
keine Effizienz der thermoelektrischen Wandlung bis zu seiner innewohnenden
Leistungsfähigkeit
zeigen kann.
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Zudem
ist keine Korrekturmaßnahme
ergriffen worden, die das Verteilen der thermischen Energie von
dem Gewebeteil über
die Oberfläche
des Kontaktbereichs zwischen dem thermoelektrischen Halbleiter und
dem Gewebeteil unterstützt.
Dies verursacht einen anderen Nachteil, dass eine in dem thermoelektrischen
Element erzeugte elektromotorische Kraft nicht vollständig ausgenutzt
werden kann beim Wandeln der thermischen Energie in elektrische Energie.
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obigen Nachteile auszuräumen und
das Ziel davon liegt in einem Bereitstellen einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung,
die thermische Beanspruchung in der Thermoelektro-Elementeeinrichtung mildert
und Wärme
an der Oberfläche
des thermoelektrischen Elementes gleichmäßig verteilt, wenn die Oberfläche auf
die Elektrode davon trifft, hierdurch eine Leistungsfähigkeit
und eine thermoelektrischen Wandlungseffizienz der Thermoelektro-Elementeeinrichtung
und eines eine solche Thermoelektro-Elementeeinrichtung verwendenden
thermoelektrischen Moduls verbessernd.
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RESÜMME DER
ERFINDUNG
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Thermoelektro-Elementeeinrichtung
bereit, die eine erste Elektrode umfasst einschließlich eines Elektrodenteils,
eines elektrisch leitenden und an (z.B. auf) dem Elektrodenteil
vorgesehenen elastischen Teils und eines elektrisch leitenden und
an (z.B. auf) dem elastischen Teil vorgesehenen Wärmevergleichmäßigungsteil;
wobei ein thermoelektrisches Element, das aus einem Material erstellt
wird mit einem thermoelektrischen Effekt und an (z.B. auf) der ersten
Elektrode angeordnet ist, um das Wärmevergleichmäßigungsteil
zu kontaktieren; und wobei eine zweite Elektrode an (z.B. auf) dem
thermoelektrischen Element angeordnet ist.
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Zudem
ist in dem thermoelektrischen Element vorzuziehen, dass die zweite
Elektrode ein Elektrodenteil einschließt, ein elastisches Teil, das elektrisch
leitfähig
ist und an dem Elektrodenteil vorgesehen ist, und ein Wärmevergleichmäßigungsteil, das
elektrisch leitfähig
ist und an dem elastischen Teil vorgesehen ist; und dass das thermoelektrische
Element an der zweiten Elektrode derart angeordnet ist, dass es
das Wärmevergleichmäßigungsteil
kontaktiert.
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Darüber hinaus
ist die Elastizität
des elastischen Teils vorzugsweise größer als die Elastizität des thermoelektrischen
Elementes und ist gleich oder größer als
die Elastizität
der ersten Elektrode in dem oben erwähnten thermoelektrischen Element. Zudem
hat das Wärmevergleichmäßigungsteil
vorzugsweise eine größere thermische
Leitfähigkeit
als das thermoelektrische Element.
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Das
Wärmevergleichmäßigungsteil
hat vorzugsweise eine thermische Leitfähigkeit, die größer ist
als die des thermoelektrischen Elements.
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Das
Wärmevergleichmäßigungsteil
ist vorzugsweise aus irgendeinem chemischen Element aus der Gruppe
bestehend aus Eisen, Nickel, Tantal, Titan, Wolfram, Kupfer und
Karbon hergestellt; einer Substanz, die irgendeines der chemischen
Elemente als primären
Bestandteil enthält;
einer Legierung, einem Gemisch oder einer Mischung aus zwei oder mehr
der chemischen Elemente und Substanzen; und einem Teil, das durch
Verbinden von zwei oder mehr der chemischen Elemente, der Substanz,
der Legierung, des Gemischs und der Mischung erhalten wird.
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Noch
bevorzugter umfasst das thermoelektrische Element ein Paar thermoelektrischer
Elemente einschließlich
eines n-leitenden
Abschnittes und eines p-leitenden Abschnittes, die voneinander getrennt
vorgesehen sind; und eine von der ersten Elektrode und der zweiten
Elektrode schließt
einen ersten Abschnitt ein, der an dem n-leitenden Abschnitt angeordnet
ist und einen zweiten Abschnitt, der an dem p-leitenden Abschnitt
angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Abschnitt getrennt
voneinander sind.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein thermoelektrisches
Modul bereit, das eine Vielzahl thermoelektrischer Elementeeinrichtungen
umfasst, die jeweils angeordnet sind, um elektrisch mit einer angrenzenden
Thermoelektro-Elementeeinrichtung verbunden zu sein. Jede der Thermoelektro-Elementeeinrichtungen
ist eine der oben erwähnten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, die auf die Thermoelektro-Elementeeinrichtung und das diese verwendende
thermoelektrischen Modul angewendet wird, kann ein in der Thermoelektro-Elementeeinrichtung
durch das elastische Teil verursachte thermische Beanspruchung gemildert
werden und eine Temperatur des thermoelektrischen Elementes auf
gleicher Ebene (in-plane temperature) kann gleichmäßig verteilt
werden, da das thermoelektrische Element mit dem Wärmevergleichmäßigungsteil
versehen ist, das konfiguriert ist zum gleichmäßigen Verteilen thermischer
Energie, die von dem elastischen Teil zweidimensional in das thermoelektrische
Teil eintritt, hierdurch die thermoelektrische Wandlungseffizienz
der Thermoelektro-Elementeeinrichtung und des diese verwendenden
thermoelektrischen Moduls verbessernd.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den beiliegenden Zeichnungen zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Ansicht einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
schematische Ansicht einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
schematische Ansicht einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5A ein
Beispiel eines modifizierten Vergleichmäßigungsteils;
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5B ein
Beispiel eines anderen modifizierten Vergleichmäßigungsteils;
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6A eine
perspektivische Ansicht eines Beispiels noch eine anderen modifizierten
Vergleichmäßigungsteils;
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6B eine
Querschnittsansicht betrachtet entlang der I-I'-Linie
in 6A;
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7A ein
Beispiel noch eines anderen, anders modifizierten Vergleichmäßigungsteils;
und
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7B ein
anderes Beispiel eines anderen modifizierten Vergleichmäßigungsteils.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Bezug
nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen werden bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nachstehend detailliert beschrieben.
In den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Bezugszeichen für gleiche
oder ähnliche Teile
vergeben worden. Zudem zeigen die beiliegenden Zeichnungen eine
Thermoelektro-Elementeeinrichtung und ein diese verwendendes thermoelektrisches
Modul nur zum Zwecke der Erläuterung.
Demnach sollte bemerkt werden, dass die beiliegenden Zeichnungen
nicht zum Festlegen sondern nur zum Erläutern der Ausführungsformen
sind und nicht dazu gedacht sind, die spezifischen Parameter oder die
Aufbaudetails der Ausführungsformen
festzulegen.
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(Erste Ausführungsform)
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, hat eine Thermoelektro- Elementeeinrichtung 100 eine
erste Elektrode 1, ein thermoelektrisches Element 3 und
eine zweite Elektrode 2.
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Die
erste Elektrode 1 besteht aus einem Elektrodenteil 11,
einem elastischen Teil 12, das vorgesehen ist, um gegen
die rückwärtige Oberfläche des
Elektrodenteils 11 anzustoßen, und ein Wärmevergleichmäßigungselement 13,
das vorgesehen ist, um gegen das elastische Teil 12 anzustoßen.
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Das
elastische Teil 12 ist elektrisch leitend und bildet demnach
einen Teil der ersten Elektrode 1. Das elastische Teil 12 hat
eine vorbestimmte Elastizität
und wird vorzugsweise leichter deformiert als das thermoelektrische
Element 3. Speziell hat das elastische Teil 12 in
nützlicher
Weise ein gitterartiges Muster eines Gewebes, eines Netzes, einer
Bienenwabe oder Ähnlichem.
In dieser Ausführungsform
wird das aus verwobenen Drähten
wie einem feinen Metalldrahtgewebe oder Ähnlichem gebildete elastische Teil 12 verwendet.
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Im übrigen,
während
eine dem Material, das das elastische Teil 12 bildet, eigene
Elastizität
vorzugsweise höher
ist als die des Materials, das das thermoelektrische Element 3 und
das Elektrodenteil 11 bildet, muss dies nicht unbedingt
der Fall sein. Beispielsweise kann das elastische Teil 12 eine
höhere
Elastizität
haben als das thermoelektrische Element 3 und eine gleiche
oder höhere
Elastizität
haben als das Elektrodenteil 11 durch Ausbilden des elastischen
Teils 12 in der oben erwähnten Form unabhängig von
der eigenen Elastizität
des Materials.
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Zudem
ist das elastische Teil 12 mit dem Elektrodenteil 11 durch
Diffusionsverbinden in dieser Ausführungsform verbunden.
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Das
Wärmevergleichmäßigungsteil 13 ist elektrisch
leitend und bildet demnach einen Teil der ersten Elektrode 1.
Das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 ist
vorzugsweise zusammengesetzt, um thermisch leitfähiger zu sein als das thermoelektrische Element 3.
Speziell ist das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 aus
einem dünnen
plattenförmigen
Material wie einer Metallfolie oder Ähnlichem gebildet. Spezieller
wird das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 vorzugsweise
aus einem dünnen
Blech aus Eisen, Nickel, Tantal, Titan, Wolfram, Kupfer oder Karbon gebildet,
das relativ preiswert ist und eine hohe Leitfähigkeit hat. Darüber hinaus
kann das Wärmevergleichmäßigungselement 13 unter
Verwendung einer Substanz zusammengesetzt sein, die irgendeines dieser
Metalle/Materialien als Hauptbestandteil hat, aus einer Legierung,
einem Gemisch oder einer zusammengesetzten Mischung der Substanz
und/oder zweier oder mehrerer der obigen Metalle/Materialien. Zudem
kann das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 aus
einem dünnen
Blech erstellt werden, das durch Anbringen von zwei oder mehreren
der Metalle der Materialien, der Legierung oder Ähnlichem erstellt wird. In
diesem Fall wird eine Seite des Wärmevergleichmäßigungsteils 13,
die Seite, die mit dem elastischen Teil 12 zusammentrifft,
vorzugsweise aus derselben Substanz erstellt wie die, die das elastische
Teil 12 bildet.
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Das
Wärmevergleichmäßigungsteil 13 hat vorzugsweise
eine höhere
thermische Leitfähigkeit als
die des elastischen Teils 12 als Ganzes. Um es dem Wärmevergleichmäßigungsteil 13 zu
ermöglichen,
eine höhere
thermische Leitfähigkeit
zu haben als das elastische Teil 12, wird eine dem Material,
das das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 bildet,
eigene thermische Leitfähigkeit
vorzugsweise höher
sein als die der Bestandteile des elastischen Teils 12,
aber dies muss nicht so sein. Unabhängig von einer thermischen
Leitfähigkeit
des Materials per se kann, wenn das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 thermisch
leitfähiger
wird als das elastische Teil 12, weil das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 in
einer Form eines Blechs, eines Blattes oder Ähnlichem gebildet ist wohingegen
das elastische Teil 12 in der Form eines Gewebes oder Ähnlichem
gebildet ist, das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 letztendlich
eine höhere
thermische Leitfähigkeit
haben.
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Zudem
steht das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 in
Kontakt oder ist diffusionsverbunden mit dem elastischen Teil 12.
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Das
thermoelektrische Element 3 besteht aus einem Paar eines
ersten Abschnitts 3A (der nachstehend gegebenenfalls als
thermoelektrisches Element 3A bezeichnet wird) und einem
zweiten Abschnitt 3B (der nachstehend gegebenenfalls als
ein thermoelektrisches Element 3B bezeichnet wird), die voneinander
getrennt sind, wie in 1 gezeigt.
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Die
thermoelektrischen Elemente 3A, 3B bestehen aus
einem thermoelektrischen Material mit einem thermoelektrischen Effekt
wie dem Peltier-Effekt, dem Seebeck-Effekt oder dem Thomson-Effekt. Als
ein typische Substanz mit solchen Wirkungen sind die folgenden Substanzen
als thermoelektrische Halbleiter bekannt: eine Substanz mit einem
primären
Bestandteil eines Gemischs aus Wismuth und Tellur, eine Substanz
mit einem primären
Bestandteil eines Gemischs aus Wismuth und Stibium, eine Substanz
mit einer primären
Phase einer gefüllten
Skutterudite-Struktur, in der Leerstellen in einem CoSb3-Gruppengemischkristall
mit einer Skutterudite-Kristallstruktur
gefüllt
sind mit einem chemischen Element, einer Substanz mit einer primären Phase
eines Halfheusler-Gemischs
mit MgAgAs-typiker Kristallstruktur, und einem Clathrat-Gemisch,
das Barium und Gallium enthält.
Zudem kann eine Mischung aus zwei oder mehreren dieser Substanzen
verwendet werden, um das thermoelektrische Element 3 zu
bilden. Darüber
hinaus kann ein Teil, das erhalten wird durch Verbinden eines aus
jeder der obigen Substanzen bestehenden Materials, der Mischung
aus irgendwelchen zwei oder mehr diese Substanzen, oder einem Gemisch
aus irgendwelchen zwei oder mehr dieser Substanzen verwendet werden
zum Erstellen des thermoelektrischen Elementes 3. Diese Substanzen
oder Ähnliches
haben relativ niedrige thermische Leitfähigkeit. Demnach wird, wenn
die thermoelektrischen Elemente 3A, 3B aus jenen
Substanzen oder Ähnlichem
zusammengesetzt sind, ein thermischer Gradient leicht in den thermoelektrischen
Elementen 3A, 3B aufrechterhalten, hierdurch eine
Leistungsfähigkeit
der Thermoelektro-Elementeeinrichtung verbessernd.
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Zudem
haben diese thermoelektrischen Halbleiter zwei Leitfähigkeitstypen:
die n-Leitfähigkeit und
die p-Leitfähigkeit.
Wie in dieser Ausführungsform,
wenn das thermoelektrische Element 3 aus einem Paar des
thermoelektrischen Elementes 3A und des thermoelektrischen
Elementes 3B zusammengesetzt ist, ist es typisch, dass
eines von dem Paar vom n-Typ ist und das andere vom p-Typ.
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Die
thermoelektrischen Elemente 3A, 3B sind derart
angeordnet, dass sie mit dem Wärmevergleichmäßigungsteil 13 der
ersten Elektrode 1 in Kontakt stehen, aber nicht damit
verbunden sind oder daran anhaften. Die thermoelektrischen Elemente 3A, 3B stehen
nämlich
bloß in
Kontakt mit dem Wärmevergleichmäßigungsteil 13.
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Die
zweite Elektrode 2 besteht aus einem ersten Abschnitt 2A (der
nachstehend gegebenenfalls als zweite Elektrode 2A bezeichnet
wird), die so angeordnet ist, dass sie das thermoelektrische Element 3A kontaktiert,
und einem zweiten Abschnitt 2B (der nachstehend gegebenenfalls
als zweite Elektrode 2B bezeichnet wird), der so angeordnet
ist, dass er in Kontakt steht mit dem thermoelektrischen Element 3B in
Entsprechung zu dem aus zwei Abschnitten bestehenden thermoelektrischen
Element 3. In dieser Ausführungsform ist unter Verwendung
eines Verbindungsteils 8 wie z.B. Weichlot die zweite Elektrode 2A mit
dem thermoelektrischen Element 3A verbunden und die zweite
Elektrode 2B mit dem thermoelektrischen Element 3B verbunden.
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Im Übrigen,
da 1 zeigt, wo die erste Elektrode 1 oben
angeordnet ist zum Erleichtern der Erläuterung, ist das elastische
Teil 12 an der unteren Stirnfläche der ersten Elektrode 11 angeordnet.
Jedoch, wenn die in 1 gezeigte Thermoelektro-Elementeeinrichtung
umgedreht wird, ist es ersichtlich, dass das elastische Teil 12 oberhalb
der Elektrode 11 angeordnet ist und das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 oberhalb
des elastischen Teils 12 angeordnet ist. Darüber hinaus
ist auch ersichtlich, dass die thermoelektrischen Elemente 3A, 3B oberhalb
der ersten Elektrode 1 angeordnet sind. Gemäß der obigen Konfiguration,
wenn eine Gleichspannung über
die zweiten Elektroden 2A, 2B angelegt wird, damit
ein Gleichstrom darüber
fließt,
dient entweder die erste Elektrode 1 oder die zweite Elektrode 2 als
Wärmeabstrahlfläche und
die andere dient als Wärmeabsorptionsfläche. Demnach
arbeitet durch Abstimmen des Stroms die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 als
eine Temperatursteuerung bzw. ein Temperaturcontroller. Zudem ist
die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 imstande, als
Temperaturmessausrüstung
zu arbeiten. Da nämlich
eine Spannung über die
erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2A, 2B in Übereinstimmung
mit einer Temperaturdifferenz dazwischen erzeugt wird, kann die
Temperatur durch die Spannung gemessen werden.
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Wie
oben dargelegt, wird, wenn die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 betrieben
wird, eine ungleichmäßige Temperaturverteilung
verursacht, die eine durch den Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 bedingte thermische
Beanspruchung erzeugt.
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In
dieser Ausführungsform
jedoch, da das elastische Teil 12 aus verwobenen Drähten erstellt
ist wie einem feinen Metalldrahtgewebe und demnach eine Elastizität hat, die
höher ist
als die des thermoelektrischen Elementes 3 und gleich oder
höher ist
als die des Elektrodenteils 11, kann die thermische Beanspruchung
gemildert werden. Mit anderen Worten, das elastische Teil 12 dient
zum Abmildern der thermischen Beanspruchung, die durch die Differenz
der thermischen Koeffizienten zwischen dem Elektrodenteil 11 und den
thermoelektrischen Elementen 3A, 3B bedingt ist.
Demnach werden Probleme wie Bruch, der in der Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 bedingt
durch die thermische Beanspruchung verursacht wird, und eine Verschlechterung
der thermoelektrischen Elemente 3A, 3B ausgeräumt werden.
Im übrigen
wird, da das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 das
thermoelektrische Element 3 nur kontaktiert, so dass das
Wärmevergleichmäßigungsteil 13 und das
thermoelektrische Element 3 sich zueinander verschieben
können,
eine Wärmebeanspruchung
zu einem größeren Grad
abgemildert.
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Das
Wärmevergleichmäßigungsteil 13 ist
mit dem elastischen Teil 12 verbunden oder kontaktiert es
und ist kontaktiert das thermoelektrische Element 3. Zudem
ist das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 stärker thermisch
leitfähig
als sowohl das elastische Teil 12 als auch das thermoelektrische
Element 3. Demnach ist das Wärmevergleichmäßigungselement 13 imstande,
die thermische Energie, die von dem elastischen Element 12 kommt,
zweidimensional über
das Wärmevergleichmäßigungsteil 13 selbst
zu verteilen und dann gleichmäßig die
Wärme zu
dem thermoelektrischen Element 3 zu führen. Wenn das elastische Element 12 direkt
die thermoelektrischen Elemente 3A, 3B kontaktieren
könnte,
würde ein
substantiver Kontaktbereich zwischen den thermoelektrischen Elementen 3A, 3B und
dem elastischen Teil 12, welches ein gitterartiges Muster
oder ein Gewebe oder Ähnliches
hat zum Aufrechterhalten seiner Elastizität, kleiner werden, was Probleme
verursachen würde,
die Wärmeleitung
zu hemmen oder die thermische Vergleichmäßigung zu verschlechtern. Die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 kann
jedoch eine thermische Vergleichmäßigung im Kontaktbereich zwischen
den elastischen Teil 12 und den thermoelektrischen Elementen 3A, 3B bedingt
durch das Wärmevergleichmäßigungselement 13 mit
exzellenter thermischer Leitfähigkeit
verbessern, hierdurch die Effizienz eines thermoelektrischen Wandlers
verbessernd.
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Im übrigen,
obwohl die erste Ausführungsform
das Beispiel umsetzt, in dem das thermoelektrische Element 3 aus
einem Paar eines ersten Abschnittes 3A und eines zweiten
Abschnittes 3B gebildet wird, kann das thermoelektrische
Element 3 auch aus einem einzigen Stück unter Verwendung eines thermoelektrischen
Materials gebildet werden und demgemäss kann die zweite Elektrode
aus einem einzigen Stück
gebildet sein. Eine solche Konfiguration kann als Thermoelektro-Elementeeinrichtung
arbeiten und hat keinen Unterschied in Bezug auf die übrigen Komponenten,
hierdurch die oben erwähnten
Wirkungen zeigend.
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(Eine zweite Ausführungsform)
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2 ist
eine schematische Ansicht einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, setzt sich eine Thermoelektro-Elementeeinrichtung 200 gemäß der zweiten
Ausführungsform
aus einer ersten Elektrode 10, einem thermoelektrischen
Element 3 und einer zweiten Elektrode 2 zusammen.
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Die
zweite Elektrode 2 besteht aus einem ersten Abschnitt 2A (nachstehend
gegebenenfalls als zweite Elektrode 2A bezeichnet) und
einem zweiten Abschnitt 2B (nachstehend gegebenenfalls
als zweite Elektrode 2B bezeichnet), die beide getrennt voneinander
sind. Speziell wird die zweite Elektrode 2A durch Anordnen
eines elastischen Teils 22A und eines Vergleichmäßigungsteils 23A in
dieser Reihenfolge auf einem Elektrodenteil 21A gebildet.
In ähnlicher
Weise wird die zweite Elektrode 2B durch Anordnen eines
elastischen Teils 22B und eines Vergleichmäßigungsteils 23B in
dieser Reihenfolge auf einem Elektrodenteil 21B gebildet.
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Die
Elektrodenteile 21A, 21B, die elastischen Teile 22A, 22B und
die Vergleichmäßigungsteile 23A, 23B werden
aus denselben Materialien gebildet wie jene für das Elektrodenteil 11,
das elastische Teil 12 bzw. das Vergleichmäßigungsteil 13 in der ersten
Ausführungsform.
Zudem sind die Elektrodenmaterialien 21A, 21B mit
den elastischen Teilen 22A, 22B jeweils kontaktiert
oder durch Diffusionsverbinden verbunden. Darüber hinaus sind die elastischen
Teile 22A, 22B mit dem Vergleichmäßigungsteil 23A, 23B jeweils
kontaktiert oder durch Diffusionsverbinden verbunden.
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Das
thermoelektrische Element 3 wird aus Materialien gebildet,
die in der ersten Ausführungsform
angeführt
sind und setzt sich zusammen aus einem Paar eines ersten Abschnittes 3A (eines
thermoelektrischen Elementes 3A) und eines zweiten Abschnittes 3B (eines
thermoelektrischen Elementes 3B). In diesem Fall ist eines
der thermoelektrischen Elementen 3A, 3B vom p-Leitfähigkeitstyp
und das andere vom n-Leitfähigkeitstyp.
Das thermoelektrische Element 3A ist auf bzw. an der zweiten
Elektrode 2A angeordnet, um das Vergleichmäßigungsteil 23A zu
kontaktieren; und das thermoelektrische Element 3B ist
auf bzw. an der zweiten Elektrode 2B angeordnet, um das
Vergleichmäßigungsteil 23B zu kontaktieren.
Die thermoelektrischen Elemente 3A, 3B sind nicht
miteinander verbunden oder haften nicht aneinander an aber bleiben
jeweils in Kontakt mit den Vergleichmäßigungsteilen 23A bzw. 23B wie in
dem Fall mit dem thermoelektrischen Element 3 und dem Vergleichmäßigungsteil 12 in
der ersten Ausführungsform.
An der ersten Elektrode 10 ist das thermoelektrische Element 3 durch
Verwendung eines Verbindungsmaterials 8 angebracht.
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Statt
dass die erste Elektrode 1 aus dem ersten Elektrodenteil 11,
dem elastischen Teil 12 und dem Vergleichmäßigungsteil 13 in
der ersten Ausführungsform
gebildet wird, ist es, wie oben dargelegt, die zweite Elektrode 2,
die aus diesen Teilen gebildet wird; und das thermoelektrische Element
kontaktiert das Vergleichmäßigungsteil
in der Thermoelektro-Elementeeinrichtung 200.
Bedingt durch eine solche Konfiguration zeigt die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 200 dieselbe
Wirkung wie die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
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(Eine dritte Ausführungsform)
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung 300 gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, besteht eine erste
Elektrode 1 aus einem Elektrodenteil 11, einem
elastischen Teil 12, das vorgesehen ist, um eine untere
Fläche
des Elektrodenteils 11 zu kontaktieren, einem Vergleichmäßigungsteil 13,
das vorgesehen ist, um das elastische Teil 12 zu kontaktieren.
Eine zweite Elektrode 2 besteht aus einem Paar zweiter
Elektroden 2A, 2B, die beide getrennt voneinander
sind. In der zweiten Elektrode 2A ist eine elastisches
Teil 22A und ein Vergleichmäßigungsteil 23A angeordnet
in dieser Reihenfolge auf einem Elektrodenteil 21A; und
in dem zweiten Elektrodenteil 2B ist ein elastisches Teil 22B und
ein Vergleichmäßigungsteil 23B in
dieser Reihenfolge auf einem Elektrodenteil 21B angeordnet.
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Die
elastischen Teile 12, 22A, 22B sind in Bezug
auf die entsprechenden Elektrodenteile 11, 21A, 21B kontaktiert
oder beispielsweise durch Diffusionsverbindung verbunden. Zudem
sind die Vergleichmäßigungsteile 13, 23A, 23B in
Bezug auf die entsprechenden elastischen Teile 12, 22A, 22B entweder
kontaktiert oder beispielsweise durch Diffusionsverbindung verbunden.
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Das
thermoelektrische Element 3 ist aus demselben Material
erstellt wie jenes, das für
das thermoelektrische Element in den ersten und zweiten Ausführungsformen
verwendet worden ist; und setzt sich zusammen aus einem p-n-Paar
eines ersten Abschnittes 3A (eines thermoelektrischen Elementes 3A)
und eines zweiten Abschnittes 3B (eines thermoelektrischen
Elementes 3B). Das thermoelektrische Element 3A ist
auf bzw. an der zweiten Elektrode 2A angeordnet, um das
Vergleichmäßigungsteil 23A zu kontaktieren;
und das thermoelektrische Element 3B ist auf bzw. an der
zweiten Elektrode 2B angeordnet, um das Vergleichmäßigungsteil 22B zu
kontaktieren. Darüber
hinaus ist die erste Elektrode 1 auf bzw. an den thermoelektrischen
Elementen 3A, 3B derart angeordnet, dass das die
erste Elektrode 1 bildende Wärmevergleichmäßigungsteil 13 auf
die thermoelektrischen Elemente 3A, 3B trifft.
Die thermoelektrischen Elemente 3A, 3B sind nicht
mit den Vergleichmäßigungsteilen 13, 23A, 23B verbunden
oder haften daran an, aber verbleiben damit in Kontakt.
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Wie
oben dargelegt, bestehen in der Thermoelektro-Elementeeinrichtung 300 sowohl
die erste Elektrode 1 als auch die zweite Elektrode 2 jeweils aus
den Elektrodenteil, dem elastischen Teil und dem Wärmevergleichmäßigungsteil;
und die oberen und unteren Flächen
des thermoelektrischen Elementes 3 kontaktieren das Vergleichmäßigungsteil.
Demnach wird durch die Differenz in den Koeffizienten der thermischen
Ausdehnung verursachte thermische Beanspruchung an den oberen und
unteren Flächen davon
gemildert und thermische Gleichförmigkeit wird
verbessert, hierdurch eine höhere
thermoelektrische Wandlungseffizienz bereitstellend.
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(Eine vierte Ausführungsform)
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4 ist
eine schematische Ansicht eines thermoelektrischen Moduls gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, wird das thermoelektrische
Modul 400 gebildet durch zweidimensionales Anordnen einer
Vielzahl Thermoelektro-Elementeeinrichtungen 5. Jede Thermoelektro-Elementeeinrichtung 5 wird
aus einer ersten Elektrode 1, einer zweiten Elektrode 2 und
einem thermoelektrischen Element 3 zusammengesetzt, das
so angeordnet ist, dass es elektrisch und thermisch mit der ersten
Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 verbunden
ist. Die erste Elektrode 1 und/oder die zweite Elektrode 2 bestehen
aus einem Elektrodenteil, einem auf bzw. an dem Elektrodenteil angebrachten
elastischen Teil und einem auf bzw. an dem elastischen Teil angebrachten
Vergleichmäßigungsteil.
Obwohl in 4 gezeigt ist, dass die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 5 dieselbe
ist wie die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 100 gemäß der ersten
Ausführungsform,
kann die Thermoelektro-Elementeeinrichtung 5 auch eine
Thermoelektro-Elementeeinrichtung 200 bzw. 300 gemäß der zweiten
bzw. der dritten Ausführungsform
sein.
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Zudem
wird ein elektrischer Energieübergang
von oder zu dem thermoelektrischen Modul 400 zu oder von
einer externen Schaltung über
vier Drähte 4 durchgeführt, die
so vorgesehen sind, dass sie mit der zweiten Elektrode 2 verbunden
sind. Wie aus 4 ersichtlich, ist jede Thermoelektro-Elementeeinrichtung 5 in
Reihe zu den anderen zwischen den Drähten 4, 4 angeordnet.
Wenn demnach eine Gleichspannung über die Drähte 4, 4 angelegt
wird, fließt
ein elektrischer Strom durch die zweite Elektrode 2, das
thermoelektrische Element 3B, die erste Elektrode 1,
das thermoelektrische Element 3A, die zweite Elektrode 2,
das thermoelektrische Element 3B, ... . In diesem Fall
dient eine von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 als
Wärmeabstrahlfläche, und
die andere dient als Wärmeabsorptionsfläche.
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Wie
oben in dem thermoelektrischen Modul 400, bestehen wie
beschrieben die erste Elektrode 1 und/oder die zweite Elektrode 2 aus
dem Elektrodenteil, dem elastischen Teil, das an dem Elektrodenteil angeordnet
ist und dem Vergleichmäßigungsteil,
das an dem elastischen Teil angeordnet ist, und das thermoelektrische
Element 3 kontaktiert das Vergleichmäßigungsteil. Daher wird thermische
Beanspruchung, die aus der Differenz der Koeffizienten der thermischen
Ausdehnung verursacht wird, bedingt durch das elastische Teil gemildert
und die thermische Gleichförmigkeit
wird bedingt durch das Wärmevergleichmäßigungsteil
verbessert, hierdurch das thermoelektrische Modul mit verbesserter
thermoelektrischer Wandlungseffizienz bereitstellend.
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Die
vorliegende Erfindung ist detailliert unter Bezugnahme auf bevorzugten
Ausführungsformen beschrieben
worden, die nur zu Erläuterungszwecken
gedacht sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzbereich der
Erfindung einzuschränken.
Beispielsweise, während
das elastische Teil mit dem Elektrodenteil diffusionsverbunden wird,
und das Vergleichmäßigungsteil
diffusionsverbunden wird mit dem elastischen Teil, kann die Verbindung
auch unter Verwendung eines Hartlotmaterials mit Silber als primärem Bestandteil
durchgeführt
werden, eines Hartlotmaterials mit Titan als einem Primärbestandteil,
eines Hartlotmaterials mit Kupfer als einem Primärbestandteil, eines Hartlotmaterials
mit Palladium als einem Primärbestandteil,
eine Hartlotmaterials mit Nickel als einem Primärbestandteil, eines Hartlotmaterials,
das Aluminium enthält,
eines Hartlotmaterials, das Magnesium enthält, eines Hartlotmaterials,
das Wismut enthält,
und eines bleifreien Weichlots statt einer Diffusionsverbindung.
Darüber
hinaus ist die Verbindung nicht beschränkt auf die obigen, sofern eine
elektrische und thermische Verbindung nicht verschlechtert wird.
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Obwohl
in der ersten und zweiten Ausführungsform
beispielhaft ein Weichlot als Verbindungsmaterial 8 angeführt wird,
ist das Verbindungsmaterial nicht auf Weichlot beschränkt, sofern
eine Verbindungsqualität
nicht verschlechtert wird bei einer Arbeitstemperatur der Thermoelektro-Elementeeinrichtung.
Beispielsweise kann das Verbindungsmaterial 8 ein leitfähiges Adhäsivum sein
oder ein Hartlotmaterial wie ein Silberwachs oder Ähnliches.
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Darüber hinaus,
obwohl die gitterartigen Muster aus Gewebe, Netz oder Honigwabenanordnung
beispielhaft als Form des elastischen Teils angeführt sind,
ist aus der obigen Erläuterung
ersichtlich, dass die Form nicht auf diese Muster beschränkt ist.
Es braucht nicht erwähnt
zu werden, dass selbst eine Blechform als elastisches Teil dieselbe
Wirkung zeigen kann.
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Obwohl
die Blechform in beispielhafter Weise als eine Form des Vergleichmäßigungsteils
angeführt
worden ist, kann das Vergleichmäßigungsteil eine
Form haben, wie sie in 5 und 6 dargestellt ist, sofern nur der Kontaktbereich
davon mit dem thermoelektrischen Element blechförmig ist. Wie in 5A gezeigt,
kann nämlich
das Vergleichmäßigungsteil 130 einen
ersten Blechabschnitt 121 haben, der das thermoelektrische
Element 3A kontaktiert und einen zweiten Blechabschnitt 132,
der das thermoelektrische Element 3B kontaktiert, und einen Verbindungsabschnitt 133,
der zwischen dem ersten Blechabschnitt 131 und dem zweiten
Blechabschnitt 132 vorgesehen ist. Eine solche Form kann
auch die Wärme
gleichförmig
von dem elastischen Teil (nicht gezeigt in 5 und 6) verteilen und hierdurch die Wärme zu dem
thermoelektrischen Element 3 leiten, wie in dem Fall mit
den Vergleichmäßigungsteilen
in den ersten bis vierten Ausführungsformen.
Zudem ist der Verbindungsabschnitt 133 deformierbar ausgebildet,
hierdurch die Abmilderung der thermischen Beanspruchung unterstützend. Im übrigen,
obwohl der Verbindungsabschnitt 133 eine U-Form hat in 5A,
ist die Form des Verbindungsabschnittes 133 nicht auf die
U-Form beschränkt.
Beispielsweise kann der Verbindungsabschnitt 133 auch eine V-Form
oder W-Form haben.
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Darüber hinaus
können
der erste Blechabschnitt 131 und der zweite Blechabschnitt 132 einen herunterhängenden
Abschnitt 134 haben, der sich nach unten entlang eines
Randes erstreckt, der dem mit dem Verbindungsabschnitt 133 vorgesehenen Rand
entgegengesetzt ist, wie in 5B gezeigt. Auch
kann ein zusätzlicher
herabhängender
Abschnitt 135 an jedem der beiden benachbarten Ränder zu
dem Rand hin vorgesehen sein, der mit dem herabhängenden Abschnitt 134 versehen
ist, wie in 6A und 6B gezeigt.
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Auch
kann der herabhängende
Abschnitt 134 für
das blechförmige
Vergleichmäßigungsteil 13, das
in 1 und in 3 gezeigt
ist, vorgesehen sein, wie in 7A gezeigt;
und der herabhängende Abschnitt 134 und
der herabhängende
Abschnitt 135 können
beide in dem blechförmigen
Vergleichmäßigungsteil 13 in 1 und 3 jeweils
vorgesehen sein, wie in 7B gezeigt.
Darüber
hinaus kann nur der herabhängende
Abschnitt 135 daran vorgesehen sein.
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Obwohl 4 das
aus 17 Thermoelektro-Elementeeinrichtungen zusammengesetzte thermoelektrische
Modul darstellt, ist es selbstverständlich, dass die Anzahl der
Thermoelektro-Elementeeinrichtungen,
die in dem thermoelektrischen Modul verwendet werden, nicht auf
17 beschränkt
ist. Auch ist ein Entwurf jeder Thermoelektro-Elementeeinrichtung
nicht auf den dargestellten beschränkt.
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Obwohl
die vierte Ausführungsform
beispielhaft das thermoelektrische Modul anführt, das zweidimensional angeordnete
Thermoelektro-Elementeeinrichtung hat, die aus einem Paar des n-Leitfähigkeitsabschnitts
und des p-Leitfähigkeitsabschnitts bestehen,
kann im übrigen
das thermoelektrische Modul aus einer Thermoelektro-Elementeeinrichtung mit
einem einstückigen
thermoelektrischen Element bestehen. In einer solchen Thermoelektro-Elementeeinrichtung
besteht das thermoelektrische Element nämlich entweder aus einem n-leitfähigen Abschnitt oder
einem p-leitfähigen
Abschnitt; und demgemäß sind die
erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 aus
einem einzigen Stück
gebildet. Wenn das thermoelektrische Modul aus der Thermoelektro-Elementeeinrichtung
mit einer solchen Konfiguration gebildet wird, sollte von Fachleuten
verstanden werden, dass eine Vielzahl thermoelektrischer Elementeeinrichtungen
parallel zueinander angeordnet sind. Zudem kann das thermoelektrische
Modul mit einer solchen Konfiguration leicht thermische Beanspruchung mildern
und die thermoelektrische Wandlungseffizienz verbessern, da die
ersten Elektrode und/oder die zweite Elektrode in jeder Thermoelektro-Elementeeinrichtung
aus dem Elektrodenteil, dem elastischen Teil und dem Vergleichmäßigungsteil
gebildet werden.