JP2004524498A - 対流型熱流を用いる効率の改善された熱電装置 - Google Patents
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Abstract
対流が熱電素子アレイ（８２１）を通るように活動的に促進され、効率の改善された熱電システム（８２０）を開示する。一般に熱電装置は、冷却及び加熱に応用される。熱出力が熱電素子アレイ（８２１）中を、その少なくとも一方の側に向かって対流され、これにより効率が高まる。対流媒体を用いて対流式熱出力輸送を起こす幾つかの異なる構成を開示する。さらに、熱電システム（８２０）を調節するために、１つ又は複数の入力に応答する制御システム（１９００）を開示する。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、より高い効率で加熱及び／又は冷却状態をもたらす改善された熱電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電装置（ＴＥ）は、特定の材料の特性を利用して、電流存在下で材料の両端にわたる温度勾配を発生させる。従来の熱電装置において、該装置内の熱電材料としてＰ型半導体とＮ型半導体とが利用されている。これらは、冷却又は加熱をもたらすように物理的且つ電気的に構成されている。冷却及び加熱用のＴＥに関する幾つかの基本的な数式、理論、研究、試験方法、及びデータが、Ｈ．Ｊ．ゴールドスミス（Ｈ．Ｊ．Ｇｏｌｄｓｍｉｄ）の「電子冷却（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）」、パイオン・エルティディー（Ｐｉｏｎ Ｌｔｄ．）、イギリス国ＮＷ２ ５ＪＮロンドン、ブレナースバリー・パーク（Ｂｒｏｎｄｅｓｂｕｒｙ Ｐａｒｋ）２０７（１９８６年）に記載されている。今日、熱電装置に使用されている最も一般的な構成を図１に示す。一般に、Ｐ型とＮ型の熱電素子１０２は、長方形のアセンブリ１００内で２つの基板１０４の間に配列される。電流Ｉは両方の熱電素子型を通って流れる。熱電素子１０２は、熱電素子１０２の端部にはんだ付けした銅の分路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、熱電素子１０２にわたる温度勾配が生じる。熱電装置は一般に、液体、気体、及び物体を冷却するために使用される。図２は流体用に、そして図３は物体用に、図１の熱電装置のアセンブリ１００を用いたシステムを概略的に示す図である。
【０００３】
最も一般的な形態における熱電装置に関する基本的な数式は次の通りである。
【０００４】
【数１】
【０００５】
【数２】
【０００６】
【数３】
【０００７】
上式でｑcは冷却率（低温端からの熱容量除去率）であり、ｑinはシステムへの電力の入力であり、そしてｑhはシステムの熱出力であり、ここで
α＝ゼーベック係数
Ｉ＝電流
Ｔc＝低温端の絶対温度
Ｔh＝高温端の絶対温度
Ｒ＝電気抵抗
Ｋ＝熱伝導係数
ここでは、α、Ｒ、及びＫは一定であると仮定される、或いは適切な温度域にわたる適切な平均値とする。
【０００８】
定常状態の条件下では、エネルギーの出入りは均衡する。
【０００９】
ｑc＋ｑin＝ｑh ・・・数式４
さらに、冷却及び加熱関係の産業における使用の見地から性能を分析するために、次の定義が必要である。
【００１０】
したがって、βとγとは密接に結びついており、γは常にβより１だけ大きい。
【００１１】
これらの数式を適切に操作すると、β又はγが最大値になる条件、或いはｑc又はｑhが最大値になる条件を見いだすことができる。
【００１２】
βの最大値をβmで示し、ｑcの最大値でのＣＯＰをβcで示すと、結果は次の通りである。
【００１３】
【数９】
【００１４】
【数１０】
【００１５】
上式で、
βm及びβcは、Ｚ、Ｔc、及びＴhのみに依存する。したがって、Ｚを良度指数と呼び、それは熱電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の大きさによって、図１の構成における熱電性能、及び今日の熱電における別のほぼ全ての構成及び使用法における熱電性能が決まる。
【００１６】
今日の材料では、熱電装置は、特定の航空宇宙産業の用途及び幾つかの商業用途がある。しかし、システム効率が低すぎ、フレオンのような流体を用いるほとんどの冷却システム（冷蔵庫、自動車のＨＶＡＣシステム、ビルディングのＨＶＡＣシステム、家庭用空調装置など）の効率とは競合できないので、用途が限定されている。
【００１７】
数式９から最大熱電効率を、Ｃm、即ち、カルノーサイクル効率（任意の冷却システムに関する理論的な最大システム効率）と比較すると、このような限定は当然である。
【００１８】
【数１７】
【００１９】
確認として、Ｚ→∞ならば、β→Ｃmであることに留意されたい。
【００２０】
幾つか商業用の材料は、ある一定の狭い温度域にわたって１に近づくＺＴAを有しているが、ＺＴAは、現在の商業用の材料では１に限定されている。温度の関数としてのＺの典型値を図４に示す。幾つかの実験的な材料では、ＺＴA＝２〜４を示すが、これらは生産の範疇にない。一般には、より適切な材料が市販で入手可能ではあるが、それらは本発明の利益を無にするものではない。
【００２１】
熱電装置の幾つかの構成が、熱電装置の別の性質からの利益がその低効率よりまさる応用例において現在使用されている。使用例には、自動車用座席シートの冷却システム、携帯用のクーラ及び冷蔵庫、科学的応用例向けの液体冷却器／加熱器システム、電子機器及び光ファイバシステムの冷却、及び赤外線検知システムの冷却用がある。
【００２２】
これらの商業用装置のすべてに共通するのは、装置内の熱輸送が熱電素子の材料特性によって完全に制約されていることである。即ち、従来の装置では、条件が図５に示した図のようになっている。図５は、温度ＴCの低温側熱交換器５０２と温度ＴHの高温側熱交換器５０３との間に挟まれた熱電装置５０１を内蔵する熱電熱交換器５００を示している。周囲温度ＴAの流体５０４が、熱交換器５０２及び５０３を通過する。これらの熱交換器５０２及び５０３は、熱電装置５０１の低温端５０５と高温端５０６とのそれぞれ良好に熱接触している。適切な極性の電源（図示せず）からのＤＣ電流が、熱電装置５０１に印加され、流体５０４が熱交換器を通って右から左にポンプ搬送される場合、流体５０４はＴCまで冷却され、且つＴHまで加熱される。流出する流体５０７及び５０８は、熱交換器５０２及び５０３、及び熱電装置の表面５０５及び５０６と同様に、それぞれ温度ＴC及びＴHであると想定される。熱電装置にわたる温度差はΔＴである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２３】
外部から影響を及ぼすことによって熱電装置アセンブリ内部の熱出力輸送を変更する熱電装置アセンブリは存在していない。効率を高めた熱電装置が、その装置自体の内部におけるほぼ定常状態の対流式熱輸送によって実現される。熱電素子が、熱輸送流体の流れに対して透過性であるシステム、熱エネルギーを移動物質に輸送するシステム、又は熱電材料自体を移動させて熱エネルギーを輸送するシステムを設計することによって、全体的な効率を改善することができる。本明細書を通して「熱輸送」という用語を用いることに留意されたい。しかし、熱輸送には、冷却又は加熱の応用例に従って、熱の除去又は熱の追加の両方の熱エネルギーの輸送が含まれる。
【００２４】
本発明の１つの態様は、熱電素子アレイを形成する複数の熱電素子を有する熱電システムを含む。前記熱電素子アレイは、動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有する。本発明によれば、前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、前記熱電素子アレイを通過する対流式熱輸送を促進するように構成されている。これを実現するために、前記熱電素子アレイは、前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、少なくとも１つの対流媒体の流れを前記熱電素子アレイの少なくとも一部に通過させ、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも一方の端に向かうほぼ定常状態の対流式熱輸送を生じさせるように構成されている。該熱電システムを使用して、冷却、加熱、又は冷却及び加熱の両方を行うことができる。
【００２５】
一実施の形態では、前記対流媒体が、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通過して流れるものである、又は熱電素子の長さに沿って流れるものである、熱電素子の間及び／又は周囲を流れるものである。別の実施の形態では、対流媒体が、前記熱電素子に沿って流れると共に前記熱電素子を通過して流れるものである。好ましい一実施の形態では、熱電素子を通過させて流すために、熱電素子が透過性又は中空状である。透過性の熱電素子と中空状の熱電素子との組合せを前記熱電素子アレイに使用することもできる。一実施の形態では、前記熱電素子が、透過性を備えるために多孔性である。別の実施の形態では、前記熱電素子が、管状又はハニカム構造である。
【００２６】
一実施の形態では、対流媒体の流れが、前記第１の端から前記第２の端へ又は前記第１の端と前記第２の端との間の箇所から前記第１の端又は前記第２の端に向かうような、ほぼ単一の方向で生じるものである。別の実施の形態では、前記対流媒体が、前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端及び前記第２の端に向かうような、少なくともほぼ２つの方向に流れるものである。このような流れは、ほぼ前記熱電素子の内部又はその長さに沿って（螺旋状を含めて）又はそれらの組合せで生じるものである。
【００２７】
１つの特定の実施の形態では、前記熱電素子の少なくとも幾つかが、同心チューブを形成し、前記対流媒体が前記同心チューブの間を流れるものである。一実施の形態では、第１組の同心チューブが熱電素子を形成し、それぞれの管状部分が、前記第１組の同心チューブにおける隣の管状部分と同じ導電型の熱電材料から形成されている。このような実施の形態では、第２組の同心チューブが、前記第１組とは異なる導電型の熱電材料から形成されている。或いは、前記チューブが、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料との間で同心に交互にしてもよい。
【００２８】
別の実施の形態では、前記対流媒体の少なくとも一部が熱電材料である。前記対流媒体の熱電材料は、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成している。別の実施の形態では、前記対流媒体の少なくとも一部が熱電材料であり、前記対流媒体の熱電材料が、前記熱電素子の少なくとも幾つかの第１部分を形成し、固体の熱電材料が同じ熱電素子の第２部分を形成している。例えば、固体の熱電材料が管状、或いは中空状であり、対流媒体の熱電材料が、前記固体の熱電材料を通過して流れるものである。この組合せにより、少なくとも幾つかの熱電素子が形成される。一実施の形態では、前記対流媒体が、空気などの流体、固体、又はスラリーなどの流体と固体との組合せである。
【００２９】
１つの構成では、前記熱電素子の第１集合が第１型の対流式熱輸送用に構成されており、前記熱電素子の第２集合が第２型の対流式熱輸送用に構成されている。例えば、前記第１集合の熱電素子は透過性でよく、前記第２集合の熱電素子が、熱電素子アレイを通過して移動する前記対流材料から形成された熱電素子でもよい。熱電素子の区分の一例としては、前記第１集合の熱電素子が第１の導電型の熱電素子であり、前記第２集合の熱電素子が第２の導電型の熱電素子である。別の実施の形態では、前記熱電素子の少なくとも幾つかは対流を利用しないものであるが、別の熱電素子は対流用に構成されている。例えば、対流を利用しない熱電素子が第１の導電型であり、対流を利用する熱電素子が第２の導電型である。
【００３０】
前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、前記対流媒体の少なくとも一部と前記熱電素子の少なくとも幾つかの間の熱輸送を改善させる少なくとも１つの熱輸送における特徴を備えているものであることが好ましい。例えば、熱電素子が管状であるか、或いは中空状である場合、前記熱電素子の少なくとも幾つかが前記熱輸送における特徴を備えているものである。前記対流媒体が前記熱電素子の外側に沿って流れる場合、前記熱電素子の少なくとも幾つかは前記熱輸送における特徴を備えているものである。このような熱輸送における特徴の一例としては、対流媒体の流れ攪乱における特徴が挙げられる。
【００３１】
本発明の別の１つの態様は、熱電素子アレイを形成している複数の熱電素子を備えた熱電システムの効率を改善する方法を含む。前記熱電素子アレイは、熱電素子アレイの動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有している。上記方法は、ほぼ定常状態で熱電素子アレイの少なくとも一部を通して、熱エネルギーを活動的に対流させることを含む。一般に、前記熱エネルギーを対流させるステップは、前記熱電素子アレイの少なくとも一部を通して、少なくとも１つの対流媒体を流すことを含む。前記対流媒体は、流体、固体、又は流体と固体との組合せであり得る。上記方法を使用して、冷却、加熱、又は冷却及び加熱の両方を行うことができる。
【００３２】
１つの有利な実施の形態では、前記流すステップが、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通して前記対流媒体の少なくとも一部を流すことを含む。例えば、前記熱電素子は、透過性又は多孔性に構成される。また、前記熱電素子を、管状又はハニカム構造などの中空状とすることもできる。
【００３３】
一実施の形態では、前記流すステップが、前記熱電素子アレイを通して、ほぼ前記第１の端から前記第２の端に前記対流媒体を流すステップ、又はほぼ第１の端と第２の端との間から第１の端に向かって又は第２の端に向かって対流媒体を流すステップを含む。別の実施の形態では、前記流すステップが、ほぼ第１の端と第２の端との間から第１の端に向かって及び第２の端に向かって前記対流媒体を流すステップのように、少なくともほぼ２つの方向に前記対流媒体を流すステップを含む。この流れは、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通して、前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って、幾つかの熱電素子に通すと共に別の熱電素子に沿って、又は任意の組合せとなり得る。
【００３４】
一実施の形態では、前記熱電材料が、前記対流媒体の少なくとも一部を形成する。この実施の形態では、上記方法が、前記対流材料で前記熱電素子の少なくとも幾つかの第１部分を形成するステップをさらに含む。別のさらなる１つの形態としては、この構成における上記方法が、中空状の別の熱電材料を通して前記対流媒体の熱電材料を流すステップをさらに含み、前記対流媒体の熱電材料を流すことと前記中空状の熱電材料とを組み合わせて、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成する。
【００３５】
上記方法の一実施の形態では、前記活動的に対流させるステップが、第１方式で前記熱電素子アレイの第１部分を通して、及び第２方式で前記熱電素子アレイの第２部分を通して、熱を対流させるステップを含む。例えば、前記熱電素子アレイの前記第１部分が第１導電型の複数の熱電素子であり、前記熱電素子アレイの前記第２部分が第２導電型の複数の熱電素子である。
【００３６】
さらに本発明の別の１つの態様は、複数の熱電素子を有し、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有する熱電素子アレイを備える熱電システムを含む。第１の端及び第２の端は、動作中にそれらの間で温度勾配を示す。前記熱電素子アレイの少なくとも一部は、少なくとも１つの対流媒体の流れを前記熱電素子アレイの少なくとも一部に通過させ、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも一方の端に向かうほぼ定常状態の対流を生じさせるように構成されている。本発明のこの態様によれば、上記システムは、少なくとも１つのコントローラ、該コントローラに結合された少なくとも１つの入力部、及び前記コントローラ及び前記熱電素子アレイに結合された少なくとも１つの出力部を有する少なくとも１つの制御システムを備えている。有利にも、前記出力部は、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも１つの特性を変更するために、コントローラによって制御可能である。前記少なくとも１つの入力部は、少なくとも１つの外部センサ、前記熱電素子アレイに対して内部にある少なくとも１つのセンサ、スイッチ又はサーモスタットなどのユーザ選択可能な入力部、又はこれらの任意の組合せとすることができる。一実施の形態では、前記コントローラが、前記少なくとも１つの出力部を制御するための前記少なくとも１つの入力部に応答する、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。
【００３７】
前記少なくとも１つの特性が対流式熱輸送に影響を与え、前記特徴を調節することによって効率又は出力が改善されることが好ましい。例えば、前記制御システムは、前記入力部に応答して前記対流媒体の少なくとも一部の動きを変化させる。別の実施の形態では、前記制御システムが、少なくとも、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通過する電流などの別の特徴を調節するものである。対流以外の特徴は、単独で又は対流の調節と組み合わせて調節され得るものである。
【００３８】
これらの及び別の態様を後述の図に関連して以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
特定の実施の形態を使用して本発明を示すが、これは説明のためである。様々な実施の形態を示し、望ましい改善を実現するためには、どのように様々な構成を用いることができるかを示す。本発明によれば、特定の実施の形態は、例示であるに過ぎず、示した発明を限定しようとするものではない。さらに、冷却側、加熱側、低温端、高温端、より低温端、より高温端などの用語は、特定の温度を指すものではなく、相対的な用語であることを理解されたい。例えば、熱電素子又は熱電素子アレイの「高温」側、「加熱」側、又は「より高温」側が周囲温度であり、「低温」側、「冷却」側、又は「より低温」側が周囲よりも低い温度であり得る。逆に、「低温」側、「冷却」側、又は「より低温」側が周囲温度で、「高温」側、「加熱」側、又は「より高温」側が周囲よりも高い温度の場合もある。したがって、これらの用語は互いに相対的であり、熱電の一方の側が、その反対側として指定した側よりも高い又は低い温度であることを示す。同様に、「冷却側」及び「加熱側」という用語は、所与の応用例における熱電システムのための特定の使用状況を指定しようとするものではない。
【００４０】
図６に全体的な熱電システム６００のブロック図を示す。高温端６０３と低温端６０４を有する熱電アセンブリ６０１が電源６０２に電気的に接続されている。この熱電アセンブリ６０１は、高温端６０３で高温側熱交換器６０７と、また低温端６０４で低温側熱交換器６０８と適切に熱接触されている。適切なダクト又はパイプを備えた、高温側６０３の流体源６０５、及び低温側６０４の流体源６０６が、それらの流体を送ってそれぞれの熱交換器６０７及び６０８を通過させる。加熱された流体６０９と冷却された流体６１０とが、図６におけるシステムの右側から流出する。特定の応用例（例を以下に示す）では、熱交換器６０７又は６０８の一方をヒートシンクとすることができ、それによって１つの流体源又はそちら側流体を不要とすることができる。
【００４１】
本発明は、Ｋ及びＲを含む数式１及び数式３における伝導／損失熱輸送の項は、システム性能に対するそれらの効果全体を小さくするように熱電素子アレイを通過する定常状態の対流を用いることによって、変更され得るという基本的な構想に基づいている。これがどのようにして達成可能であるかは、最初に、従来の熱電装置における熱の生成及び流れを決定する数式を見ることによって理解することができる。簡潔化のため、材料の特性は電流及び温度に伴って変化せず、熱の流れ及び電流は一次元であり、そして条件は時間に伴って変化しないものと仮定する。この場合では、
【００４２】
【数１８】
【００４３】
上式で、
Ｉ2Ｒ／Ｌ＝単位長さ当たりの抵抗加熱の発生 ・・・数式１９
典型的な境界条件を有する熱電システムでは、数式１８は解として数式１及び数式３を有する。数式３から、加熱源の項（αＩＴh）は、１／２Ｉ2Ｒ、即ち、熱電素子の抵抗加熱の２分の１と同様に、高温端の熱出力に寄与する。他方の２分の１は、数式１（そこでは冷却側から引くので、マイナスとなる）で分かるように、低温端から出ていくことに留意されたい。さらに、高温端の熱出力は、伝導損失、即ち、ＫΔＴだけ減少する。したがって、数式３は、ｑhが、ＫΔＴと熱電素子内部のＩ2Ｒ熱の１／２だけ減少することを示す。
【００４４】
従来の熱電加熱と定常状態の対流式熱輸送を用いるシステムとの間の比較を考慮されたい。対流が加わり且つ別の仮定がそのままであれば、数式１８は次のようになる。
【００４５】
【数２０】
【００４６】
上式で、
ＣｐＭ＝単位時間当たりに輸送される流体の熱質量 ・・・数式２１
追加項は、伝導による熱輸送に対する対流による熱輸送の比率である新たなパラメータδをもたらす。前記対流輸送が、加熱モードで高温端及び冷却モードで低温端に向かうと仮定し、且つ適切な境界条件を使用すると、冷却及び加熱に関する数式２０の解は次のようになる。
【００４７】
【数２１】
【００４８】
【数２２】
【００４９】
上式で、
【００５０】
【数２３】
【００５１】
【数２４】
【００５２】
【数２５】
【００５３】
Ｋ（δ）は、δの関数であり、δ→０で伝導値Ｋに近づくことに留意されたい。また、δ＞０では、Ｉ2Ｒ熱のより大部分が高温端（加熱における）又は低温端（冷却における）に輸送される。予想通り、δ→０のとき、ξ（δ）／２の項→１／２であった。ξ（δ）及びＫ（δ）／Ｋに対する近似値を表１に示す。数式２から、ｑinはδの直接的な関数ではないことに留意されたい。また、ＣｐＭΔＴ（流体の加熱又は冷却に必要な電力）はｑh（熱電装置によって生成された熱）又はｑc（熱電装置によって吸収された熱）を超えることはできないというエネルギー均衡要件によって、δに条件が課される。典型的には、これによってδが５未満に制約される。δに関する許容値に対して、ＣＯＰは実際にはほぼ１００％まで改善される。同様に、ｑcは約５０％まで改善される。
【００５４】
【表１】
【００５５】
加熱モードでは、対流は２つの方式で性能を高められる。即ち、第１に、δ＞０ではξ（δ）＞１なので、加えられた熱のより大部分が高温端に輸送される、また第２に、δ＞０ではＫ（δ）＜Ｋであり、したがって伝導に失われる熱出力がより少なくなる。
【００５６】
冷却では状況がより複雑である。冷却動作を最も適切に理解するために、廃棄側が周囲温度のシートシンクである場合を考える。対流媒体は、廃熱側に進入し冷却側から流出する。したがって、熱電素子は、この媒体から熱容量を抽出し、それによってそれが低温端に向かって移動するときそれを冷却する。加熱の場合と同様に、δ＞０ではパラメータＫ（δ）＜Ｋであり、したがって伝導項は、加熱の場合と同様にδが増加するに伴って小さくなる。しかし、この利点は、Ｉ2Ｒ熱による低温端に輸送される熱の一部分の増加によって部分的に相殺される。しかしながら、増加するδでは、Ｋ（δ）の変化はξ（δ）よりも大きくなり得るので、ほとんどの条件下で、ｑcは対流の増加に伴って増加する。電流Ｉが高い値から最小最適値まで減少することによって、この効果をさらに高めることができる。熱冷却はＩの減少に比例して低下するが、抵抗加熱項はＩの二乗で、したがってより急速に減少する。このような電流の減少を利用して、対流からの抵抗加熱の項の増加をさらに相殺することができる。正味の結果としては、多くの重要な実際の動作条件下で冷却効率が向上する。具体的な熱電システムに関する計算には、対流輸送を利用するときの利得を示す条件を決定することが必要である。
【００５７】
熱電素子アレイを通過する定常状態の対流式熱輸送によって効率を改善する基本構想を図７及び８を用いて説明する。図７Ａは、対流式熱輸送がない従来の熱電システム７００を示す。熱電装置の熱電素子アレイ７０１は、回路７０５によって直列に電気接続された複数の熱電素子７０４を挟んでいる高温側基板７０２と低温側基板７０３とで構成されている。電源７１０は熱電素子アレイ７０１にわたって印加される。熱電素子７０４及び回路７０５は、相互に、高温側基板７０２及び低温側基板７０３と適切に熱接触している。冷却側では、ヒートシンク７０６が低温側基板７０３と適切に熱接触している。この熱電システムから見ると、ヒートシンク７０６は事実上無限である。高温端では、熱交換器７０７が高温側基板７０２と適切に熱接触している。この実施の形態では、熱交換器はフィンアセンブリである。ファン７０８は熱交換器７０７のための空気７０９の供給源である。動作時には、電源７１０からの電力によって、熱電素子７０４と基板７０２及び７０３上の回路７０５を通って電流が流れる。高温側基板７０２が熱を帯びて熱交換器のフィン７０７を加熱するように、熱電素子７０４は接続されている。ファン７０８によって熱交換器７０７のフィン（明示せず）を通して空気７０９がポンプ搬送され、周囲温度ＴAの左側に進入して温度ＴHの右側から流出する。
【００５８】
アセンブリ７０１の部分７Ｂ−７Ｂの拡大図を図７Ｂに示すが、ここには熱電素子７０４内部の対応する温度曲線７１１（任意尺度）を付している。位置ｘ＝０は、熱電素子７０４と低温側基板７０３上の回路７０５との間の界接面である。同様に、ｘ＝Ｌは、熱電素子７０４と高温側基板７０２上の回路７０５との間の界接面である。温度曲線７１１は、ｘ＝０でＴAであり、ｘ＝ＬでＴHである。
【００５９】
図８Ａは、本発明の一実施の形態に係る熱電システム８２０を示す。熱電システム８２０は、熱電システム７００に似ているが、対流式熱輸送を備えている。熱電システム８２０は、図７Ａに示した熱電システム７００の部品に対応する、同じ参照符号が付けられている多くの部品を有する。
【００６０】
熱電システム８２０は、透過性又は多孔性の熱電素子８２４、低温端ヒートシンク８２６内部の分技管８２８、及び分技管８２８から低温側基板８２３を通り、さらに回路８２５を通って延びた穴８２７を有する熱電素子アレイ８２１を有する。同様の穴８３５が、熱交換器の分技管８２９から高温側基板８２２を通り、さらに高温端回路８２５を通って延びている。熱電素子８２４の間には、熱的及び電気的に絶縁する材料８３０が設けられていることが好ましい。本実施の形態では、空気（又は別の流体）７０９が、分技管８２８によって導かれ、多孔性の熱電素子８２４を通る。次いで空気７０９は、分技管８２９を通って外に導かれる。図では、空気７０９が温度ＴAの左下に進入し、温度ＴHの右上から流出する。空気流量と熱電素子８２４の孔隙率が調和して、空気７０９及び熱電素子８２４の温度は、熱電素子８２４の作用面積内の任意の位置でほぼ平衡となることが好ましい。ファン７０８は流量を制御する。空気７０９は、熱電素子８２４を通り抜けるとき、熱電素子８２４から熱容量を吸収して、分技管８２９を通して熱電システム８２０によって生成された熱を輸送する。
【００６１】
α、Ｒ、及びＫは熱電システム７００及び熱電システム８２０において同じであると仮定すると、図８の空気７０９の動きは３つの重大な変化を引き起こす。第１に、熱電素子８２４がＩ2Ｒ（抵抗加熱）によって加熱されると、熱の一部が高温端に向かって対流し、したがってＩ2Ｒ／２よりも多いＩ2Ｒ熱の部分が高温端に移動する。結果として、Ｉ2Ｒ熱のより多くが、数式３のｑh項に寄与し、加熱された流体への熱輸送がさらに増加する。第２に、温度曲線の勾配が、ｘ＝０でより小さいので、ｘ＝０での伝導損失はより低下する。第３に、ｘ＝Ｌでシステムから流出する空気によって輸送される熱容量がｑh全体に達する。幾つかの重要な場合では、空気はすべての熱容量を運ぶが、そのとき、効率利得が最大となる。
【００６２】
図８Ｂは、熱電素子アレイのアセンブリ８２１の部分８Ｂ−８Ｂに沿った拡大部分を示す図であるが、この構成に関する熱電素子８２４の長さに沿った位置に対する温度のグラフを共に示している。熱電素子８２４を通過する空気７０９の流れを示す。空気７０９と多孔性熱電素子８２４との対応する温度曲線８３１を右側に示す（好ましくは、全ての位置ｘでほぼ均衡又は均衡であると仮定する）。図８Ｂのグラフの温度曲線８３１では、ちょうど図７Ｂの熱電システム７００に関する曲線７１１と同様に、温度がＬにおいてＴhに達するが、熱電システム８２０に関するその形状はより大きな曲率を有し、ｘ＝０付近でより温度上昇が小さくなっている。したがって通常、本熱電システム８２０は、図７Ａのシステムに比べて、同じ空気流量で温度ＴHに達するので、より高い効率を提供し、電力消費及び動作費用をより低減させることができる。
【００６３】
図８の実施の形態に関して、本明細書における別の実施の形態と同様に、単一のより高温側基板と単一のより低温側基板を一般的に示すが、本発明に係る熱電システムは、熱電素子アレイを積層するか、或いは複数のより低温側基板と複数のより高温側基板を備え得ることに留意されたい。
【００６４】
本発明の別の実施の形態に係る対流式熱輸送を利用する熱電システム９００を図９に示す。この実施の形態は、熱電素子９０２、高温側基板９２２及び低温側基板９２３、回路９２５、ヒートシンク９０６、熱交換器９０７、ポンプ９０９、及び回路及び基板９２２、９２３を貫通する穴９２７、９３１を含んで構成された熱電素子アレイ９２１を有する。２つの熱輸送流体９１１、９１２は、熱電素子９０２を構成する熱電材料である。これらの２つの熱輸送流体には、Ｎ型のもの９１２とＰ型のもの９１１とがあり、これらは、低温側基板９２３と高温側基板９２２との間の空隙を占有する。また、熱輸送流体９１１、９１２は相互に電気的に絶縁された２つのフィン付きチューブアレイに連結された熱交換器９０８内部に収容されている。低温端ヒートシンク９０６中には２組のチャンネル９１０がある。
【００６５】
熱輸送流体９１１、９１２は、Ｎ型及びＰ型液体熱電材料からなる。液体熱電材料の一例としては、（室温より高い）液体になる温度におけるテルルとタリウムとの混合物（Ｐ型）及び水銀／ルビジウムの混合物（Ｎ型）が挙げられる。このような材料の幾つかが、Ａ．Ｆ．ロッフェ（Ａ．Ｆ．Ｌｏｆｆｅ）の「半導体熱電素子及び熱電冷却（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ、ａｎｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｉｎｇ）、インフォサーチ（Ｉｎｆｏｓｅａｒｃｈ）、ロンドン」（１９５７年）に説明されている。別の例としては、水銀中でスラリー化したＰ型テルル化ビスマス及び水銀中でスラリー化したＮ型テルル化ビスマスが挙げられる。
【００６６】
図９Ｂは、熱電素子アレイ９２１の拡大部分を示す図である。図９Ｂに示すように、熱電素子９０２を形成する箇所の熱輸送流体は、スリーブ９２４内部に収容されている。有利なことに、これらのスリーブ９２４は、電気的に絶縁されており、さらに熱伝導率が十分に低いので、高温端９２２から低温端９２３へのスリーブ８２４の熱伝導は、ＫΔＴに比べて実質的に無視できる。ここでＫは熱電素子９０２の熱伝導係数である。一実施の形態では、これらのスリーブ９２４が固体の熱電材料から形成される。
【００６７】
ポンプ９０９は、チャンネル９１０を通して熱輸送流体を移動させ、流体が基板９２２、９２３の間を流れるとき熱電素子９０２を形成し、さらにフィン付きの加熱チューブ９０８を通過させる。本実施の形態では、熱輸送流体９１１、９１２の流れが、ポンプ９０９作動の下、低温端ヒートシンク９０６から高温側熱交換器９０７に熱を対流させる。高温端の熱交換器９０７内部では、熱が、温度ＴAの左側に進入し、温度がＴHの右側から流出する空気又は気体９３２へと移動する。これらの２つのポンプ９０９及び相互に電気的に絶縁された２つの別体のフィン付きチューブ９０８が、２つの熱輸送流体９１１、９１２を運ぶ。熱輸送流体９１１、９１２の通路は、それぞれ、幾つかの接続された流体通路間に高い電気抵抗を有するように構成されており、必要な電圧を、重大な寄生損もなく、熱電素子９０２及び回路９２５にわたって印加することができる。
【００６８】
熱電素子アレイの異なる部分は、異なるタイプの対流熱輸送、又は非対流熱輸送によっても構成可能である。例えば、一実施の形態では、図８及び図９の熱輸送機構を組み合わせて、熱電素子アレイの一部に関して図８の定常状態の対流を使用し、且つ熱電素子アレイの別の部分に関して図９の定常状態の対流を使用することができる。一実施の形態では、ｎ型の熱電素子に１つの構成を使用し、且つｐ型の熱電素子には別の構成を用いる。
【００６９】
図１０〜図１５は、図８で説明した多孔性熱電素子の代わりに使用可能な異なる熱電素子を用いた実施の形態を示す。これらの実施の形態では、流体及び固体熱電素子は、これらと、熱電素子内部の位置での対流媒体との間の温度差が最小となるように設計されていることが好ましい。
【００７０】
図１０は、図８に示したようなシステムで使用される熱電素子アレイの一部１００１を示しており、それは、高温側基板１００２、低温側基板１００３、回路１００６、これらの基板及び回路を貫通する穴１００５、及び複数の中空固体の熱電素子１００４を備えている。熱輸送液（液体熱電材料でもよく、或いは別の非熱電材料液でもよい）は、温度ＴAの低温端の穴に進入して、温度ＴHの高温端から流出する。熱電素子１００４（任意尺度）は、内部穴１００７の直径に比べて十分な大きさの内部表面積を有し、その熱電素子は、（例えば、図示した線１００８のような）流体の流れ方向に沿った選択位置で、この熱電素子の壁と内部穴１００７中の対流媒体との間の温度差が最小であるような壁厚を有する。
【００７１】
図１１は、図１０の熱電素子アレイと同様の熱電素子アレイの一部１１０１を示しており、それは、高温側基板１１０２、低温側基板１１０３、回路１１０６、これらの基板と回路を貫通する穴１１０５、及び複数の中空の熱電素子１１０４を有する。図１１は熱輸送における特徴を示す。１つの特定の例は、中空の（例えば、管状の）熱電素子１１０４の内側に配置された螺旋羽根１１０８など、流れを混合するための流れ攪乱における特徴を有する。これらの羽根は、熱輸送流体１１０９の回転及び混合に役立ち、それによって熱電素子１１０４から熱輸送流体１１０９への熱輸送を増大させる。流れ攪乱における特徴を有する別の例としては、銃の旋条のような、中空の熱電素子９０４の内側に設けられた溝が挙げられる。対流媒体が熱電素子を通過又は貫通して流れる際に、熱電素子と対流媒体との間の熱輸送を改善させるあらゆる特徴は、大きく流れを阻害するものでなければ、十分となる。
【００７２】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、熱電素子が同心チューブ１２１４〜１２１６を構成する熱電素子アレイ１２０１の構造を示す。図１２Ａは、熱電素子１２１４、１２１５及び１２１６のみの上面図を示す。図１２Ｂは、図１２Ａの１２Ｂ−１２Ｂを通る断面を示し、底部から上部までの流体の流れと共に、基板１２０２、１２０３及び回路１２０６を追加した図である。熱電素子アレイ１２０１は、高温側基板１２０２及び低温側基板１２０３、回路１２０６、及び同心チューブ１２１４、１２１５、及び１２１６を備えている。回路及び基板１２０５中の穴は、同心チューブ１２１４、１２１５、１２１６間の管状間隙１２１７で位置合わせされている。熱輸送流体１２１８は、管状空隙１２１７を通過する。図１２では、一例として３つの同心チューブを示す。この例では、チューブがＰ型とＮ型との間で同心に交互となっている。或いは、これらの同心チューブが、それぞれ同じ導電型であり、反対型の熱電素子からなる別の１組の同心チューブから形成された対向する型の熱電材料を備えている。同心チューブの数は、任意の実用的な数とすることができる。さらに、熱輸送流体１２１８は、最大のチューブの外径に沿っても誘導され得る。また、これらのチューブ１２１４、１２１５、及び１２１６は、基板１２０２と１２０３との間で且つそれらに平行な任意の線１２１９に沿って、流体１２１８と熱均衡に近づくように設計されている。
【００７３】
図１３は、熱輸送流体１３０７が周囲を流れる複数の固体の熱電素子１３０４で構成された熱電素子アレイ１３０１を示す。この熱電素子アレイ１３０１は、上で説明した熱電素子アレイと同様に構成されており、高温側基板１３０２及び低温側基板１３０３、回路１３０６、及び熱輸送流体（対流媒体）１３０７を熱電素子アレイに通す、回路と基板の中の穴１３０５を有する。
【００７４】
図１４Ａ及び１４Ｂは、図１３の熱電素子アレイと同様に構成された熱電素子アレイ１４０１の一部を示しており、熱輸送における特徴が追加されている。この実施の形態では、熱輸送における特徴は熱電素子１３０４の間にある。図では、熱輸送における特徴が、羽根１４０７などの流れを攪乱するものである。一例を図１４Ｂに示す。これらの羽根１４０７は、熱輸送流体１４０８を螺旋通路内に導き、それによって熱輸送を増加させるのに役立つ。熱絶縁部１４０９は、羽根１４０７を取り囲む空間に配設されており、流体１４０８をさらに導き、熱輸送を高めることができる。図１１の場合と同様に、熱電素子と対流媒体との間の熱輸送を高める別の特徴も利用可能である。
【００７５】
図１５は、図１０の熱電素子アレイと同様に構成された熱電素子アレイ１５０１の一部を示しており、この熱電素子アレイは、高温側基板１００２及び低温側基板１００３、回路１００６を有するが、図１５Ｂに示したようなハニカム構造で熱電素子１５０４が構成されており、これによって、流体が熱電素子１５０４を通過することができるようになっている。この蜂の巣の大きな表面積によって、熱輸送流体１５０５への熱輸送が増加させる。
【００７６】
熱交換器を説明する上記の実施の形態では、フィン及びフィン付きチューブを例として使用した。しかし、例えば、カイス・ウイリアム・Ｍ．（Ｋａｙｓ、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｍ．）とロンドン・Ａ．Ｌ．（Ｌｏｎｄｏｎ，Ａ．Ｌ．）の「コンパクトな熱交換器（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ）、マグローヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）」、１９８４年に説明されている熱交換器など、多くの他の熱交換器の設計を使用することができる。
【００７７】
図９で説明した実施の形態では、熱輸送流体が液体熱電材料であるが、別の実施の形態では、熱輸送流体が、空気又は水などの幾つかの別の流体、或いは熱電材料と適切な媒体のスラリーである。さらには、固体の熱輸送材料を用いることもできる。図１６Ａ及び１６Ｂは、固体の熱輸送材料を用いる一実施の形態を示す。図１６Ａは、この装置の上面図を示す。図１６Ｂは、図１６Ａの１６Ｂ−１６Ｂからの断面図である。熱電素子アレイ１６０１は、回路１６０６と直列に接続されている熱電素子１６０５によって構成されている。電圧Ｖが直列回路の両端間に印加される。複数の熱電素子１６０５は、それらの間に空隙を設けて配列されている。それぞれの空隙は、熱電素子１６０５の間の空隙内にフィットする複数の外周リッジ１６０８（歯状）を有する熱輸送リング１６０４で満たされている。熱電素子１６０５と熱輸送リングのリッジ１６０８との間に残存する空隙には、熱伝導性の潤滑剤１６０７が充填されている。熱輸送リング１６０４は、軸方向に且つ径方向に高い熱伝導率を有し、さらに周方向に低い熱伝導率を有する金属エポキシ複合材料などの材料から形成されている。図１６Ａに示すように、リング１６０４は、その中心の回りを反時計方向に回転する。加熱するべき流体１６１０用の入口１６０２及び出口１６０３を有するダクト１６０９が、熱電素子アレイ１６０１と熱接触していない熱輸送リング１６０４の一部を取り囲む。それによってダクトは、流体１６１０が熱電素子アレイ領域１６１１を通過するのを防止するような障壁を形成している。温度ＴAで流体１６１０が、ダクト１６０９の入口１６０２に進入し、図１６Ａにおける時計回りに熱輸送リングを回流して温度ＴHで出口１６０３から流出する。したがって、リング１６０４とダクト１６０９とは、逆流の熱交換器を形成している。熱輸送リング１６０４が反時計回りに回転する場合、熱輸送リング１６０４は熱電素子アレイ１６０１の領域内で加熱される。流体１６１０の流量及び熱輸送リング１６０４の回転速度は、流体１６１０が時計回りに流れる場合、熱が熱輸送リング１６０４から流体１６１０に移動し、それによって、熱電素子アレイ１６０１に再進入しようとする熱輸送リング１６０４の一部をＴA付近の温度に再び冷却するようになっている。加熱パイプ１６１２は、外部ヒートシンクから熱電素子１６０５の低温端まで熱を対流させる。
【００７８】
図１１〜図１６の構成では、効率利得上、熱電素子の間を通過する対流媒体の温度と、流れの方向にほぼ直交な位置における熱電装置の温度との間には、ほとんど又は全く温度差がないことが好ましい。また、追加された構成要素全体の熱伝導率によって、熱電素子の熱伝導率が増加し、これらの構成要素源に起因する性能損失が許容可能となっていることが好ましい。これによってシステム効率が改善される。
【００７９】
加熱の場合を改善する上記の構想は、冷却の場合を改善するようにも変更可能である。上記のように、冷却用の数式２１は加熱用の数式２２に似ているが、Ｉ2Ｒの項におけるマイナス符号によって、改善が生じる条件が制限され、その大きさが限定される。
【００８０】
ゴールドシュミット（Ｇｏｌｄｓｍｉｄ）の分析に類似する理論的な分析に基づいて、最適な理論的ＣＯＰ、即ち、φcm（δ）を次のように表すことができる。
【００８１】
【数２６】
【００８２】
【数２７】
【００８３】
上式で、
【００８４】
【数２８】
【００８５】
【数２９】
【００８６】
同様に、ＣＯＰ、即ち、最大冷却ｑc（δ）のためのφcc（δ）を次のように表すことができる。
【００８７】
【数３０】
【００８８】
数式２６及び数式３０において、δが０に近づくと、その結果は数式９及び数式１０となり、したがって予想通り、差はδによるものである。
【００８９】
上記のように、δは、冷却熱出力ｑcがＣｐＭΔＴc、即ち、流体流量に必要な冷却熱出力に等しいか、又はそれよりも大きくなければならないという条件によって、制約されている。これによって、従来設計と比べると、実用上重要な状況の殆どで約５０％までの効率利得が可能になる。冷却のための構成は、図８Ｂから図１５に示した加熱型のための構成に類似し得る。ただし、電子は加熱の方向とは反対の方向に流れる、或いは、熱出力は反対（冷却）側から抜き出されることに留意されたい。
【００９０】
一般に、熱電システムは、低温端及び高温端の両方の熱出力を生成する。加熱の場合、低温端の廃棄熱出力に対処しなければならず、冷却の場合、高温端の廃棄熱出力を処理しなければならない。例えば、アメリゴン・インコーポレイテッド（Ａｍｅｒｉｇｏｎ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）社の空気調和座席シート（ＣＣＳ）システムでは、ファンからの空気が分割され、一部、即ち、ｍは、座席シートの着座者を冷房又は暖房する側に送られ、残余部分、即ち、１−ｍは、座席シート及び着座者から除去されるように導かれる。
【００９１】
このようなＣＣＳ熱電システム１７００を図１７に示す。ここでは、冷却（又は加熱）されて着座者に供給される空気１７０９がメイン側として識別され、除去されるように導かれるべき熱出力を含む空気１７１０を廃棄側としている。この設計では、図１に示したアセンブリと同様の熱電装置アセンブリ１７０１が、メイン側の銅製フィン１７０２及び廃棄側の銅製フィン１７０３と適切に熱接触している。電圧Ｖ１７１１が熱電装置アセンブリ１７０１に印加される。電圧１７１１の極性によって、メイン側が冷却されるのか、又は加熱されるのかが決定される。ファン１７０４は周囲温度ＴAの空気１７１２を入口ダクト１７０５に強制搬送するものである。熱電システム１７００は、全流量を分割して、メイン側フィン１７０２を通してメイン出口ダクト１７０６にその一部を送り、廃棄側フィン１７０３を通して廃棄側出ダクト１７０７に幾分多い部分を送るように構成されている。冷却モードで動作する場合、メイン側の空気１７０９が冷却され、廃棄側の空気１７１０が加熱される。ハウジング１７０８は、周囲への熱損失、及びメイン側と廃棄側との間の熱輸送の両方を可能な限り抑えるように構成されている。
【００９２】
図１７に示した熱電システム１７００の効率及びΔＴは、例えば、図１８の熱電システム１８００に示したような、本発明に係る対流式熱輸送を用いることによって大きくなる。図１８では、熱電装置アセンブリ１８０１が、複数の細長い熱電素子１８０４を挟む、メイン側の基板１８０２及び廃棄側の基板１８０３によって構成されている。熱電素子は、多孔性であるか、又は上述した、熱電素子を介して流体を通過させる別の構成とすることもできる。また、上記の別の構成に少しの変形を適用することも可能である。熱電素子１８０４は、回路１８０５に接続されている。電圧Ｖ１８１２は、熱電装置アセンブリ１８０１に印加される。電圧１８１２の極性によって、メイン側を冷却するのか又は加熱するのかが決定される。ファン１８０６は、周囲温度ＴAの空気１８１３を入口１８０７に強制搬送するものである。入口１８０７からの空気は、多孔性の熱電素子１８０４の中心１８０８付近の熱電素子アレイ１８０１、即ち、周囲温度ＴAに近い熱電素子１８０４上の箇所の周囲に導入される。空気１８１４の一部は、分技管及び空気通路１８０９によって、熱電素子１８０４間の空隙を通って導かれ、そして集められて、メイン側の出口１８１０から流出する。空気１８１５の残りの部分は、廃棄側の出口１８１１に導かれる。メイン側の質量の流れ部分及びＣＯＰは、従来設計のものよりも３０〜７０％大きくなり得る。
【００９３】
また、図１８の実施の形態によれば、熱電素子を通過する流れだけではなく、又はその流れに加えて、熱電素子の外側に沿ったより低温端とより高温端との間の、ほぼ周囲温度にある箇所からの流れを提供することもできる。換言すれば、より高温端とより低温端との間の、熱電素子に沿った箇所から、より高温端及びより低温端に向かって対流媒体を流すことができる。同様に、図１８の実施の形態では、より高温端とより低温端との間から対流材料を流入させて、流れを一方又は他方の側に向けることもできる。
【００９４】
上記に例示した実施の形態は、例えば、ユーザ入力、外部条件、又はシステム自体の内部条件に基づいてシステム性能を調節する目的の制御システムに接続可能である。これらの条件においては、その幾つか又はすべてが存在し得るが、外部の温度又は流れ、内部の温度又は流れ、及び所定の又は動的に決定されるシステム性能を手動的で実現するためのユーザ選択可能な入力が含まれる。図１９は、そのような制御システム１９００の一例を示すブロック図である。
【００９５】
上記制御システムは、ユーザ選択可能な入力１９０２に接続された制御回路１９０１、ユーザインターフェース１９０３、外部センサ１９０４、内部センサ１９０５、熱電素子の電力調整器１９０６、アクチュエータ１９０７、及び流量制御器１９０８を備えている。制御回路１９０１に接続された、これらの構成要素のいずれか１つ又は複数の構成要素は、所与の設計において備えられていてもよく、又は備えられていなくてもよい。一般的には、制御回路１９０１は、配線用ハーネスと同程度にシンプルであるか、又は多くの出力部と入力部とを有するプログラム可能なマイクロコントローラ回路と同程度に複雑であり得る電子回路である。事実上、多くの手動入力装置が接続可能であり、例えば、これらの入力装置は、単純なオン／オフスイッチ、多位置スイッチ、ポテンシオメータ、キーボード、又は別のユーザ選択可能な装置とすることができる。例えば、ディスプレイ、表示灯、又は可聴プロンプトを用いるユーザインターフェース１９０３によって、ユーザ選択可能な又は構成可能な入力装置が提供され得る。
【００９６】
外部条件は外部センサ１９０４で検知され得る。これらのセンサは、例えば、周囲条件のセンサ、又は入口又は出口の流体温度センサである。内部条件は、センサによって検知され、例えば、熱電電流、熱電電圧、流体の流量、又は内部流体温度などを含む。
【００９７】
有利にも、ユーザインターフェース１９０３を介して、センサ１９０２及び１９０４によって観測された条件、又は観測された条件のための作動レベルを変更し、所与の時点での条件又は特定の応用例用に、熱電システムをカスタマイズすることができる。センサ１９０２、１９０４、及び１９０５は、ハードウェア又はソフトウェア関係（その性質はアプリケーションに依存する）が用いられる制御回路１９０１によって監視され、これによって、センサ入力に従ったシステムに対する調節が実行される。システムの複雑さによってそれが保証される場合、制御回路又はそのソフトウェア内でアルゴリズムを適用することができる。
【００９８】
制御回路１９０１は、例えば、熱電素子への電力、熱電素子の抵抗、又は流体の流量などを調節することができる様々な装置に電気出力を供給することができる。熱電素子への電力は、同時に全熱電素子に向ける場合、又は個々に向ける場合で異なり得る。例えば、電圧又は電流調整器１９０６が使用可能である。熱電装置抵抗は、機械式アクチュエータ１９０７によって調節可能である。流量は、例えば、羽根、弁、ポンプ速度、又はファン速度１９０８によって調節可能である。また、制御システムは、ユーザが感じる温度に応答して、ユーザがスイッチ又はサーモスタットを調整する程度にシンプルなものとすることもできる。
【００９９】
このタイプのシステムにおける１つの利点は、予想されるユーザの好み又は条件だけでなく、その時々でのそれらの変化をも考慮することによって、効率また出力における改善を実現するように、熱電装置システムで生成される熱出力を所望通りに変更することができることである。感覚入力を達成するために用いられる装置、ユーザインターフェース、流量制御器及び電力調整器は、市販の装置、カスタマイズの容易な装置、又は特別仕様の構成部品とすることができる。
【０１００】
液体又はスラリー化した熱電素子の抵抗を調節する方式の例を図２０Ａから２０Ｄに示す。これらの例は、図９に示した実施の形態の構成で使用され得る。抵抗を変化させる利点は、参照により本明細書に組み込まれた、本発明者による２００１年４月２７日出願の「熱絶縁を用いる効率の改善された熱電装置（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）」と題した同時係属の米国特許出願第０９／８４４，８１８号に説明されている。
【０１０１】
図２０Ａは、熱電素子２００２の作用長さを調節することによって、熱電素子２００２の抵抗が変化する熱電素子アレイ２００１の一部を示す。この例では、テレスコープ型のスリーブ２００３及び２００４が用いられている。上方部分２００５は、上方基板２００７、電気的に熱電素子に接続された回路２００９、及び上方スリーブ２００３を備えている。下方部分２００６は、下方基板２００８、回路２００９、及び下方スリーブ２００４を備えている。熱電素子２００２は、低熱伝導率で、電気絶縁した上方スリーブ２００３及び下方スリーブ２００４の内部に閉じ込められた液体又はスラリー化した熱電材料である。上方スリーブ２００３の外表面と下方スリーブ２００４の内表面との間にシール部が形成されている。（矢印によって示した）アクチュエータ２０１０が、下方部分２００６を、この例では静止している上方部分２００５に向かって移動させるか（熱電素子の長さが短くなり、したがって抵抗が小さくなる）又は上方部分２００５から離れるように移動させる。
【０１０２】
図２０Ｂは、基板２００７及び２００８、液体又はスラリー化した熱電材料２００２、回路２００９、ポンプ２０３４、及び圧力制御弁２０３５を含んで構成された熱電素子アレイ２０３１の一部を示す。図２０Ｂでは、（図２０Ａに示した装置における）テレスコープ型スリーブが、ポンプ２０３４及び圧力制御弁２０３５の動作下で変形するエラストマーチューブ２０３３に置き換わっている。圧力が上昇するように調節されると、スリーブ２０３３が膨らみ、それによって熱電素子２００２の断面積が拡大し、したがって熱電素子の電気抵抗が小さくなる。これによって次に熱電システム２０３１における効率、熱出力の輸送、及び流体の流量を変化させることができる。
【０１０３】
図２０Ｃは、アクチュエータ２０１０によって印加された軸方向の、圧縮性撓み負荷を受けた場合、チューブ内部から外向きに変形する、複合的な可撓性スリーブ２０４３を備えた熱電素子アレイ２０４１の一部を示す。図２０Ｃでは、下方基板２００８及びその回路２００９の一方の端部のみが動いて、最も右の熱電素子２００２の長さ及び断面積が左側のものより大きく変化する。これによって、最も左の熱電素子以外の全ての熱電素子の抵抗を変化させ、ほぼ線形に抵抗を変化させる。
【０１０４】
図２０Ｄは、図２０Ｃの熱電素子アレイと同様に構成された熱電装置の熱電素子アレイ２０５１の一部を示すが、熱電素子アレイ２０５１は、可撓性の基板２０５２、可撓性の下方回路２０５３、及び複数のアクチュエータ２０１０を備えている。アクチュエータ２０１０は、熱電素子２００２の長さ又は断面積を、個々に又は集団として調節する。
【０１０５】
対流を利用する多くの設計が他にも可能である。その目的は、冷却される及び／又は加熱される材料によって、そちら側の動作を高めるように生成された熱出力を効率的に対流させることである。一般に、効率を改善させるためには、伝導に対する対流の比率、即ち、δが生成された利用可能な熱出力によって許容されるものと同じ大きさでなければならない。電流及び熱電装置の構成は、初期費用及び運転費用の設計上の要求に合うように調節されている。固体、液体、及び気体は、単独で、又は組み合わせて使用可能であり、熱出力を輸送することができる。
【０１０６】
加熱の場合に論じた構想及び設計は、冷却の場合にも適用可能である。多くの設計では、例えあったとしても、システムにごく僅かな物理的な変更を加えるだけで、同じ装置を冷却モード及び加熱モードの両方で使用可能である。例えば、図１８に示した改善したＣＣＳシステムは、電流の流れ及び方向を調節し、ファンの回転数を変更することによって加熱及び冷却の両方で使用可能である。
【０１０７】
冷却及び加熱における全体的な性能動作を最適化するために、設計上のトレードオフを行うか、又は電流と共に、また単独で、低温端及び高温端への流量の割合に伴って、材料の移動又は流量を変化させることが有利である。
【０１０８】
Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は、サイズ及び形状が等しいように引抜き成形された熱電材料で形成され得る。しかし、最適の効率を実現するために、それらのサイズ及び形状を等しくする必要はない。効率的な機能に関する好ましい要件は次の通りである。
【０１０９】
【数３１】
【０１１０】
上式で、
Ｌ＝熱電素子の長さ
ａ＝熱電素子の断面積
ρ＝材料の電気抵抗率
λ＝材料の熱伝導率
最適の効率のためには、数式３１が満足されなければならず、その構成により必要な熱出力が実現されなければならない。Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子の形状は、別の設計上の目的の実現のために異なり得る。例えば、Ｐ型熱電素子のみが液体で、熱出力を対流させることも可能であるし、或いは、Ｎ熱電素子のみが多孔性であってもよい。一般には、すべての熱電素子が対流を利用するとは限らない場合、システム効率が損なわれるが、従来のシステムに勝る効率利得は依然として得られる。費用、材料の可用性などの考慮には、適切な設計上の選択、及び最終的な構成が要求される。
【０１１１】
熱電材料自体が移動し、それによって、その熱出力を輸送する所では、熱出力が１つの部分から別の部分へ移動するときに生じる熱差異（熱遅れ）が排除される。システムの別の幾つかの部分への対応する利得がなければ、このような遅れのために、効率が低下する傾向がある。
【０１１２】
上記のように、本発明に係る幾つかの異なる実施の形態及び構成を説明してきた。これらの実施の形態は、限定的なものではなく代表的なものであることを意図している。本発明から逸脱することなく、上記実施の形態の変形や組合せを行うことができる。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１Ａ】従来の熱電装置を示す図である。
【図１Ｂ】従来の熱電装置を示す図である。
【図２】従来の流体を加熱又は冷却する応用例における従来の熱電装置を示す図である。
【図３】材料又は構成要素を冷却するのに使用する従来の熱電素子を示す図である。
【図４】様々な熱電材料の効率の測定値を示す図である。
【図５】一般化した従来の熱電装置の状態を示す図である。
【図６】一般化した熱電システムを示すブロック図である。
【図７Ａ】従来の一実施の形態に係る熱電システムを示す図である。
【図７Ｂ】従来の一実施の形態に係る熱電システムを示す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施の形態に係る対流式熱輸送を用いる熱電システムを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施の形態に係る対流式熱輸送を用いる熱電システムを示す図である。
【図９Ａ】本発明の別の一実施の形態に係る対流式熱輸送に液体熱電材料を用いる熱電システムを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の別の一実施の形態に係る対流式熱輸送に液体熱電材料を用いる熱電システムを示す図である。
【図１０】管状の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１１】熱輸送特性と共に管状の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１２Ａ】入れ子式の同心チューブから構成された熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１２Ｂ】入れ子式の同心チューブから構成された熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１３】熱電素子の長さに沿う対流を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１４Ａ】熱輸送特性により生成される追加的な混合と共に熱電素子の長さに沿う対流を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１４Ｂ】熱輸送特性により生成される追加的な混合と共に熱電素子の長さに沿う対流を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１５Ａ】ハニカム構造の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１５Ｂ】ハニカム構造の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１６Ａ】本発明の別の実施の形態に係る対流式の熱輸送媒体として、固体材料を用いる熱電システムを示す。
【図１６Ｂ】本発明の別の実施の形態に係る対流式の熱輸送媒体として、固体材料を用いる熱電システムを示す。
【図１７】本発明に係る対流式熱輸送によって効率を改善可能な加熱と冷却との両方に用いる実在の装置を示す図である。
【図１８】本発明の一実施の形態に係る装置を示す図であって、図１７の装置において対流熱輸送を改善したものを示す図である。
【図１９】本発明の熱電システムで用いる制御システムを示す図である。
【図２０Ａ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
【図２０Ｂ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
【図２０Ｃ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
【図２０Ｄ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
【０００１】
本発明は、より高い効率で加熱及び／又は冷却状態をもたらす改善された熱電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電装置（ＴＥ）は、特定の材料の特性を利用して、電流存在下で材料の両端にわたる温度勾配を発生させる。従来の熱電装置において、該装置内の熱電材料としてＰ型半導体とＮ型半導体とが利用されている。これらは、冷却又は加熱をもたらすように物理的且つ電気的に構成されている。冷却及び加熱用のＴＥに関する幾つかの基本的な数式、理論、研究、試験方法、及びデータが、Ｈ．Ｊ．ゴールドスミス（Ｈ．Ｊ．Ｇｏｌｄｓｍｉｄ）の「電子冷却（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）」、パイオン・エルティディー（Ｐｉｏｎ Ｌｔｄ．）、イギリス国ＮＷ２ ５ＪＮロンドン、ブレナースバリー・パーク（Ｂｒｏｎｄｅｓｂｕｒｙ Ｐａｒｋ）２０７（１９８６年）に記載されている。今日、熱電装置に使用されている最も一般的な構成を図１に示す。一般に、Ｐ型とＮ型の熱電素子１０２は、長方形のアセンブリ１００内で２つの基板１０４の間に配列される。電流Ｉは両方の熱電素子型を通って流れる。熱電素子１０２は、熱電素子１０２の端部にはんだ付けした銅の分路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、熱電素子１０２にわたる温度勾配が生じる。熱電装置は一般に、液体、気体、及び物体を冷却するために使用される。図２は流体用に、そして図３は物体用に、図１の熱電装置のアセンブリ１００を用いたシステムを概略的に示す図である。
【０００３】
最も一般的な形態における熱電装置に関する基本的な数式は次の通りである。
【０００４】
【数１】
【数２】
【数３】
上式でｑcは冷却率（低温端からの熱容量除去率）であり、ｑinはシステムへの電力の入力であり、そしてｑhはシステムの熱出力であり、ここで
α＝ゼーベック係数
Ｉ＝電流
Ｔc＝低温端の絶対温度
Ｔh＝高温端の絶対温度
Ｒ＝電気抵抗
Ｋ＝熱伝導係数
ここでは、α、Ｒ、及びＫは一定であると仮定される、或いは適切な温度域にわたる適切な平均値とする。
【０００８】
定常状態の条件下では、エネルギーの出入りは均衡する。
【０００９】
ｑc＋ｑin＝ｑh ・・・数式４
さらに、冷却及び加熱関係の産業における使用の見地から性能を分析するために、次の定義が必要である。
【００１０】
【００１１】
これらの数式を適切に操作すると、β又はγが最大値になる条件、或いはｑc又はｑhが最大値になる条件を見いだすことができる。
【００１２】
βの最大値をβmで示し、ｑcの最大値でのＣＯＰをβcで示すと、結果は次の通りである。
【００１３】
【数９】
【数１０】
上式で、
【００１６】
今日の材料では、熱電装置は、特定の航空宇宙産業の用途及び幾つかの商業用途がある。しかし、システム効率が低すぎ、フレオンのような流体を用いるほとんどの冷却システム（冷蔵庫、自動車のＨＶＡＣシステム、ビルディングのＨＶＡＣシステム、家庭用空調装置など）の効率とは競合できないので、用途が限定されている。
【００１７】
数式９から最大熱電効率を、Ｃm、即ち、カルノーサイクル効率（任意の冷却システムに関する理論的な最大システム効率）と比較すると、このような限定は当然である。
【００１８】
【数１７】
確認として、Ｚ→∞ならば、β→Ｃmであることに留意されたい。
【００２０】
幾つか商業用の材料は、ある一定の狭い温度域にわたって１に近づくＺＴAを有しているが、ＺＴAは、現在の商業用の材料では１に限定されている。温度の関数としてのＺの典型値を図４に示す。幾つかの実験的な材料では、ＺＴA＝２〜４を示すが、これらは生産の範疇にない。一般には、より適切な材料が市販で入手可能ではあるが、それらは本発明の利益を無にするものではない。
【００２１】
熱電装置の幾つかの構成が、熱電装置の別の性質からの利益がその低効率よりまさる応用例において現在使用されている。使用例には、自動車用座席シートの冷却システム、携帯用のクーラ及び冷蔵庫、科学的応用例向けの液体冷却器／加熱器システム、電子機器及び光ファイバシステムの冷却、及び赤外線検知システムの冷却用がある。
【００２２】
これらの商業用装置のすべてに共通するのは、装置内の熱輸送が熱電素子の材料特性によって完全に制約されていることである。即ち、従来の装置では、条件が図５に示した図のようになっている。図５は、温度ＴCの低温側熱交換器５０２と温度ＴHの高温側熱交換器５０３との間に挟まれた熱電装置５０１を内蔵する熱電熱交換器５００を示している。周囲温度ＴAの流体５０４が、熱交換器５０２及び５０３を通過する。これらの熱交換器５０２及び５０３は、熱電装置５０１の低温端５０５と高温端５０６とのそれぞれ良好に熱接触している。適切な極性の電源（図示せず）からのＤＣ電流が、熱電装置５０１に印加され、流体５０４が熱交換器を通って右から左にポンプ搬送される場合、流体５０４はＴCまで冷却され、且つＴHまで加熱される。流出する流体５０７及び５０８は、熱交換器５０２及び５０３、及び熱電装置の表面５０５及び５０６と同様に、それぞれ温度ＴC及びＴHであると想定される。熱電装置にわたる温度差はΔＴである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２３】
外部から影響を及ぼすことによって熱電装置アセンブリ内部の熱出力輸送を変更する熱電装置アセンブリは存在していない。効率を高めた熱電装置が、その装置自体の内部におけるほぼ定常状態の対流式熱輸送によって実現される。熱電素子が、熱輸送流体の流れに対して透過性であるシステム、熱エネルギーを移動物質に輸送するシステム、又は熱電材料自体を移動させて熱エネルギーを輸送するシステムを設計することによって、全体的な効率を改善することができる。本明細書を通して「熱輸送」という用語を用いることに留意されたい。しかし、熱輸送には、冷却又は加熱の応用例に従って、熱の除去又は熱の追加の両方の熱エネルギーの輸送が含まれる。
【００２４】
本発明の１つの態様は、熱電素子アレイを形成する複数の熱電素子を有する熱電システムを含む。前記熱電素子アレイは、動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有する。本発明によれば、前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、前記熱電素子アレイを通過する対流式熱輸送を促進するように構成されている。これを実現するために、前記熱電素子アレイは、前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、少なくとも１つの対流媒体の流れを前記熱電素子アレイの少なくとも一部に通過させ、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも一方の端に向かうほぼ定常状態の対流式熱輸送を生じさせるように構成されている。該熱電システムを使用して、冷却、加熱、又は冷却及び加熱の両方を行うことができる。
【００２５】
一実施の形態では、前記対流媒体が、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通過して流れるものである、又は熱電素子の長さに沿って流れるものである、熱電素子の間及び／又は周囲を流れるものである。別の実施の形態では、対流媒体が、前記熱電素子に沿って流れると共に前記熱電素子を通過して流れるものである。好ましい一実施の形態では、熱電素子を通過させて流すために、熱電素子が透過性又は中空状である。透過性の熱電素子と中空状の熱電素子との組合せを前記熱電素子アレイに使用することもできる。一実施の形態では、前記熱電素子が、透過性を備えるために多孔性である。別の実施の形態では、前記熱電素子が、管状又はハニカム構造である。
【００２６】
一実施の形態では、対流媒体の流れが、前記第１の端から前記第２の端へ又は前記第１の端と前記第２の端との間の箇所から前記第１の端又は前記第２の端に向かうような、ほぼ単一の方向で生じるものである。別の実施の形態では、前記対流媒体が、前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端及び前記第２の端に向かうような、少なくともほぼ２つの方向に流れるものである。このような流れは、ほぼ前記熱電素子の内部又はその長さに沿って（螺旋状を含めて）又はそれらの組合せで生じるものである。
【００２７】
１つの特定の実施の形態では、前記熱電素子の少なくとも幾つかが、同心チューブを形成し、前記対流媒体が前記同心チューブの間を流れるものである。一実施の形態では、第１組の同心チューブが熱電素子を形成し、それぞれの管状部分が、前記第１組の同心チューブにおける隣の管状部分と同じ導電型の熱電材料から形成されている。このような実施の形態では、第２組の同心チューブが、前記第１組とは異なる導電型の熱電材料から形成されている。或いは、前記チューブが、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料との間で同心に交互にしてもよい。
【００２８】
別の実施の形態では、前記対流媒体の少なくとも一部が熱電材料である。前記対流媒体の熱電材料は、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成している。別の実施の形態では、前記対流媒体の少なくとも一部が熱電材料であり、前記対流媒体の熱電材料が、前記熱電素子の少なくとも幾つかの第１部分を形成し、固体の熱電材料が同じ熱電素子の第２部分を形成している。例えば、固体の熱電材料が管状、或いは中空状であり、対流媒体の熱電材料が、前記固体の熱電材料を通過して流れるものである。この組合せにより、少なくとも幾つかの熱電素子が形成される。一実施の形態では、前記対流媒体が、空気などの流体、固体、又はスラリーなどの流体と固体との組合せである。
【００２９】
１つの構成では、前記熱電素子の第１集合が第１型の対流式熱輸送用に構成されており、前記熱電素子の第２集合が第２型の対流式熱輸送用に構成されている。例えば、前記第１集合の熱電素子は透過性でよく、前記第２集合の熱電素子が、熱電素子アレイを通過して移動する前記対流材料から形成された熱電素子でもよい。熱電素子の区分の一例としては、前記第１集合の熱電素子が第１の導電型の熱電素子であり、前記第２集合の熱電素子が第２の導電型の熱電素子である。別の実施の形態では、前記熱電素子の少なくとも幾つかは対流を利用しないものであるが、別の熱電素子は対流用に構成されている。例えば、対流を利用しない熱電素子が第１の導電型であり、対流を利用する熱電素子が第２の導電型である。
【００３０】
前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、前記対流媒体の少なくとも一部と前記熱電素子の少なくとも幾つかの間の熱輸送を改善させる少なくとも１つの熱輸送における特徴を備えているものであることが好ましい。例えば、熱電素子が管状であるか、或いは中空状である場合、前記熱電素子の少なくとも幾つかが前記熱輸送における特徴を備えているものである。前記対流媒体が前記熱電素子の外側に沿って流れる場合、前記熱電素子の少なくとも幾つかは前記熱輸送における特徴を備えているものである。このような熱輸送における特徴の一例としては、対流媒体の流れ攪乱における特徴が挙げられる。
【００３１】
本発明の別の１つの態様は、熱電素子アレイを形成している複数の熱電素子を備えた熱電システムの効率を改善する方法を含む。前記熱電素子アレイは、熱電素子アレイの動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有している。上記方法は、ほぼ定常状態で熱電素子アレイの少なくとも一部を通して、熱エネルギーを活動的に対流させることを含む。一般に、前記熱エネルギーを対流させるステップは、前記熱電素子アレイの少なくとも一部を通して、少なくとも１つの対流媒体を流すことを含む。前記対流媒体は、流体、固体、又は流体と固体との組合せであり得る。上記方法を使用して、冷却、加熱、又は冷却及び加熱の両方を行うことができる。
【００３２】
１つの有利な実施の形態では、前記流すステップが、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通して前記対流媒体の少なくとも一部を流すことを含む。例えば、前記熱電素子は、透過性又は多孔性に構成される。また、前記熱電素子を、管状又はハニカム構造などの中空状とすることもできる。
【００３３】
一実施の形態では、前記流すステップが、前記熱電素子アレイを通して、ほぼ前記第１の端から前記第２の端に前記対流媒体を流すステップ、又はほぼ第１の端と第２の端との間から第１の端に向かって又は第２の端に向かって対流媒体を流すステップを含む。別の実施の形態では、前記流すステップが、ほぼ第１の端と第２の端との間から第１の端に向かって及び第２の端に向かって前記対流媒体を流すステップのように、少なくともほぼ２つの方向に前記対流媒体を流すステップを含む。この流れは、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通して、前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って、幾つかの熱電素子に通すと共に別の熱電素子に沿って、又は任意の組合せとなり得る。
【００３４】
一実施の形態では、前記熱電材料が、前記対流媒体の少なくとも一部を形成する。この実施の形態では、上記方法が、前記対流材料で前記熱電素子の少なくとも幾つかの第１部分を形成するステップをさらに含む。別のさらなる１つの形態としては、この構成における上記方法が、中空状の別の熱電材料を通して前記対流媒体の熱電材料を流すステップをさらに含み、前記対流媒体の熱電材料を流すことと前記中空状の熱電材料とを組み合わせて、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成する。
【００３５】
上記方法の一実施の形態では、前記活動的に対流させるステップが、第１方式で前記熱電素子アレイの第１部分を通して、及び第２方式で前記熱電素子アレイの第２部分を通して、熱を対流させるステップを含む。例えば、前記熱電素子アレイの前記第１部分が第１導電型の複数の熱電素子であり、前記熱電素子アレイの前記第２部分が第２導電型の複数の熱電素子である。
【００３６】
さらに本発明の別の１つの態様は、複数の熱電素子を有し、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有する熱電素子アレイを備える熱電システムを含む。第１の端及び第２の端は、動作中にそれらの間で温度勾配を示す。前記熱電素子アレイの少なくとも一部は、少なくとも１つの対流媒体の流れを前記熱電素子アレイの少なくとも一部に通過させ、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも一方の端に向かうほぼ定常状態の対流を生じさせるように構成されている。本発明のこの態様によれば、上記システムは、少なくとも１つのコントローラ、該コントローラに結合された少なくとも１つの入力部、及び前記コントローラ及び前記熱電素子アレイに結合された少なくとも１つの出力部を有する少なくとも１つの制御システムを備えている。有利にも、前記出力部は、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも１つの特性を変更するために、コントローラによって制御可能である。前記少なくとも１つの入力部は、少なくとも１つの外部センサ、前記熱電素子アレイに対して内部にある少なくとも１つのセンサ、スイッチ又はサーモスタットなどのユーザ選択可能な入力部、又はこれらの任意の組合せとすることができる。一実施の形態では、前記コントローラが、前記少なくとも１つの出力部を制御するための前記少なくとも１つの入力部に応答する、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。
【００３７】
前記少なくとも１つの特性が対流式熱輸送に影響を与え、前記特徴を調節することによって効率又は出力が改善されることが好ましい。例えば、前記制御システムは、前記入力部に応答して前記対流媒体の少なくとも一部の動きを変化させる。別の実施の形態では、前記制御システムが、少なくとも、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通過する電流などの別の特徴を調節するものである。対流以外の特徴は、単独で又は対流の調節と組み合わせて調節され得るものである。
【００３８】
これらの及び別の態様を後述の図に関連して以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
特定の実施の形態を使用して本発明を示すが、これは説明のためである。様々な実施の形態を示し、望ましい改善を実現するためには、どのように様々な構成を用いることができるかを示す。本発明によれば、特定の実施の形態は、例示であるに過ぎず、示した発明を限定しようとするものではない。さらに、冷却側、加熱側、低温端、高温端、より低温端、より高温端などの用語は、特定の温度を指すものではなく、相対的な用語であることを理解されたい。例えば、熱電素子又は熱電素子アレイの「高温」側、「加熱」側、又は「より高温」側が周囲温度であり、「低温」側、「冷却」側、又は「より低温」側が周囲よりも低い温度であり得る。逆に、「低温」側、「冷却」側、又は「より低温」側が周囲温度で、「高温」側、「加熱」側、又は「より高温」側が周囲よりも高い温度の場合もある。したがって、これらの用語は互いに相対的であり、熱電の一方の側が、その反対側として指定した側よりも高い又は低い温度であることを示す。同様に、「冷却側」及び「加熱側」という用語は、所与の応用例における熱電システムのための特定の使用状況を指定しようとするものではない。
【００４０】
図６に全体的な熱電システム６００のブロック図を示す。高温端６０３と低温端６０４を有する熱電アセンブリ６０１が電源６０２に電気的に接続されている。この熱電アセンブリ６０１は、高温端６０３で高温側熱交換器６０７と、また低温端６０４で低温側熱交換器６０８と適切に熱接触されている。適切なダクト又はパイプを備えた、高温側６０３の流体源６０５、及び低温側６０４の流体源６０６が、それらの流体を送ってそれぞれの熱交換器６０７及び６０８を通過させる。加熱された流体６０９と冷却された流体６１０とが、図６におけるシステムの右側から流出する。特定の応用例（例を以下に示す）では、熱交換器６０７又は６０８の一方をヒートシンクとすることができ、それによって１つの流体源又はそちら側流体を不要とすることができる。
【００４１】
本発明は、Ｋ及びＲを含む数式１及び数式３における伝導／損失熱輸送の項は、システム性能に対するそれらの効果全体を小さくするように熱電素子アレイを通過する定常状態の対流を用いることによって、変更され得るという基本的な構想に基づいている。これがどのようにして達成可能であるかは、最初に、従来の熱電装置における熱の生成及び流れを決定する数式を見ることによって理解することができる。簡潔化のため、材料の特性は電流及び温度に伴って変化せず、熱の流れ及び電流は一次元であり、そして条件は時間に伴って変化しないものと仮定する。この場合では、
【００４２】
【数１８】
上式で、
Ｉ2Ｒ／Ｌ＝単位長さ当たりの抵抗加熱の発生 ・・・数式１９
典型的な境界条件を有する熱電システムでは、数式１８は解として数式１及び数式３を有する。数式３から、加熱源の項（αＩＴh）は、１／２Ｉ2Ｒ、即ち、熱電素子の抵抗加熱の２分の１と同様に、高温端の熱出力に寄与する。他方の２分の１は、数式１（そこでは冷却側から引くので、マイナスとなる）で分かるように、低温端から出ていくことに留意されたい。さらに、高温端の熱出力は、伝導損失、即ち、ＫΔＴだけ減少する。したがって、数式３は、ｑhが、ＫΔＴと熱電素子内部のＩ2Ｒ熱の１／２だけ減少することを示す。
【００４４】
従来の熱電加熱と定常状態の対流式熱輸送を用いるシステムとの間の比較を考慮されたい。対流が加わり且つ別の仮定がそのままであれば、数式１８は次のようになる。
【００４５】
【数２０】
上式で、
ＣｐＭ＝単位時間当たりに輸送される流体の熱質量 ・・・数式２１
追加項は、伝導による熱輸送に対する対流による熱輸送の比率である新たなパラメータδをもたらす。前記対流輸送が、加熱モードで高温端及び冷却モードで低温端に向かうと仮定し、且つ適切な境界条件を使用すると、冷却及び加熱に関する数式２０の解は次のようになる。
【００４７】
【数２１】
【数２２】
上式で、
【００５０】
【数２３】
【数２４】
【数２５】
Ｋ（δ）は、δの関数であり、δ→０で伝導値Ｋに近づくことに留意されたい。また、δ＞０では、Ｉ2Ｒ熱のより大部分が高温端（加熱における）又は低温端（冷却における）に輸送される。予想通り、δ→０のとき、ξ（δ）／２の項→１／２であった。ξ（δ）及びＫ（δ）／Ｋに対する近似値を表１に示す。数式２から、ｑinはδの直接的な関数ではないことに留意されたい。また、ＣｐＭΔＴ（流体の加熱又は冷却に必要な電力）はｑh（熱電装置によって生成された熱）又はｑc（熱電装置によって吸収された熱）を超えることはできないというエネルギー均衡要件によって、δに条件が課される。典型的には、これによってδが５未満に制約される。δに関する許容値に対して、ＣＯＰは実際にはほぼ１００％まで改善される。同様に、ｑcは約５０％まで改善される。
【００５４】
【表１】
加熱モードでは、対流は２つの方式で性能を高められる。即ち、第１に、δ＞０ではξ（δ）＞１なので、加えられた熱のより大部分が高温端に輸送される、また第２に、δ＞０ではＫ（δ）＜Ｋであり、したがって伝導に失われる熱出力がより少なくなる。
【００５６】
冷却では状況がより複雑である。冷却動作を最も適切に理解するために、廃棄側が周囲温度のシートシンクである場合を考える。対流媒体は、廃熱側に進入し冷却側から流出する。したがって、熱電素子は、この媒体から熱容量を抽出し、それによってそれが低温端に向かって移動するときそれを冷却する。加熱の場合と同様に、δ＞０ではパラメータＫ（δ）＜Ｋであり、したがって伝導項は、加熱の場合と同様にδが増加するに伴って小さくなる。しかし、この利点は、Ｉ2Ｒ熱による低温端に輸送される熱の一部分の増加によって部分的に相殺される。しかしながら、増加するδでは、Ｋ（δ）の変化はξ（δ）よりも大きくなり得るので、ほとんどの条件下で、ｑcは対流の増加に伴って増加する。電流Ｉが高い値から最小最適値まで減少することによって、この効果をさらに高めることができる。熱冷却はＩの減少に比例して低下するが、抵抗加熱項はＩの二乗で、したがってより急速に減少する。このような電流の減少を利用して、対流からの抵抗加熱の項の増加をさらに相殺することができる。正味の結果としては、多くの重要な実際の動作条件下で冷却効率が向上する。具体的な熱電システムに関する計算には、対流輸送を利用するときの利得を示す条件を決定することが必要である。
【００５７】
熱電素子アレイを通過する定常状態の対流式熱輸送によって効率を改善する基本構想を図７及び８を用いて説明する。図７Ａは、対流式熱輸送がない従来の熱電システム７００を示す。熱電装置の熱電素子アレイ７０１は、回路７０５によって直列に電気接続された複数の熱電素子７０４を挟んでいる高温側基板７０２と低温側基板７０３とで構成されている。電源７１０は熱電素子アレイ７０１にわたって印加される。熱電素子７０４及び回路７０５は、相互に、高温側基板７０２及び低温側基板７０３と適切に熱接触している。冷却側では、ヒートシンク７０６が低温側基板７０３と適切に熱接触している。この熱電システムから見ると、ヒートシンク７０６は事実上無限である。高温端では、熱交換器７０７が高温側基板７０２と適切に熱接触している。この実施の形態では、熱交換器はフィンアセンブリである。ファン７０８は熱交換器７０７のための空気７０９の供給源である。動作時には、電源７１０からの電力によって、熱電素子７０４と基板７０２及び７０３上の回路７０５を通って電流が流れる。高温側基板７０２が熱を帯びて熱交換器のフィン７０７を加熱するように、熱電素子７０４は接続されている。ファン７０８によって熱交換器７０７のフィン（明示せず）を通して空気７０９がポンプ搬送され、周囲温度ＴAの左側に進入して温度ＴHの右側から流出する。
【００５８】
アセンブリ７０１の部分７Ｂ−７Ｂの拡大図を図７Ｂに示すが、ここには熱電素子７０４内部の対応する温度曲線７１１（任意尺度）を付している。位置ｘ＝０は、熱電素子７０４と低温側基板７０３上の回路７０５との間の界接面である。同様に、ｘ＝Ｌは、熱電素子７０４と高温側基板７０２上の回路７０５との間の界接面である。温度曲線７１１は、ｘ＝０でＴAであり、ｘ＝ＬでＴHである。
【００５９】
図８Ａは、本発明の一実施の形態に係る熱電システム８２０を示す。熱電システム８２０は、熱電システム７００に似ているが、対流式熱輸送を備えている。熱電システム８２０は、図７Ａに示した熱電システム７００の部品に対応する、同じ参照符号が付けられている多くの部品を有する。
【００６０】
熱電システム８２０は、透過性又は多孔性の熱電素子８２４、低温端ヒートシンク８２６内部の分技管８２８、及び分技管８２８から低温側基板８２３を通り、さらに回路８２５を通って延びた穴８２７を有する熱電素子アレイ８２１を有する。同様の穴８３５が、熱交換器の分技管８２９から高温側基板８２２を通り、さらに高温端回路８２５を通って延びている。熱電素子８２４の間には、熱的及び電気的に絶縁する材料８３０が設けられていることが好ましい。本実施の形態では、空気（又は別の流体）７０９が、分技管８２８によって導かれ、多孔性の熱電素子８２４を通る。次いで空気７０９は、分技管８２９を通って外に導かれる。図では、空気７０９が温度ＴAの左下に進入し、温度ＴHの右上から流出する。空気流量と熱電素子８２４の孔隙率が調和して、空気７０９及び熱電素子８２４の温度は、熱電素子８２４の作用面積内の任意の位置でほぼ平衡となることが好ましい。ファン７０８は流量を制御する。空気７０９は、熱電素子８２４を通り抜けるとき、熱電素子８２４から熱容量を吸収して、分技管８２９を通して熱電システム８２０によって生成された熱を輸送する。
【００６１】
α、Ｒ、及びＫは熱電システム７００及び熱電システム８２０において同じであると仮定すると、図８の空気７０９の動きは３つの重大な変化を引き起こす。第１に、熱電素子８２４がＩ2Ｒ（抵抗加熱）によって加熱されると、熱の一部が高温端に向かって対流し、したがってＩ2Ｒ／２よりも多いＩ2Ｒ熱の部分が高温端に移動する。結果として、Ｉ2Ｒ熱のより多くが、数式３のｑh項に寄与し、加熱された流体への熱輸送がさらに増加する。第２に、温度曲線の勾配が、ｘ＝０でより小さいので、ｘ＝０での伝導損失はより低下する。第３に、ｘ＝Ｌでシステムから流出する空気によって輸送される熱容量がｑh全体に達する。幾つかの重要な場合では、空気はすべての熱容量を運ぶが、そのとき、効率利得が最大となる。
【００６２】
図８Ｂは、熱電素子アレイのアセンブリ８２１の部分８Ｂ−８Ｂに沿った拡大部分を示す図であるが、この構成に関する熱電素子８２４の長さに沿った位置に対する温度のグラフを共に示している。熱電素子８２４を通過する空気７０９の流れを示す。空気７０９と多孔性熱電素子８２４との対応する温度曲線８３１を右側に示す（好ましくは、全ての位置ｘでほぼ均衡又は均衡であると仮定する）。図８Ｂのグラフの温度曲線８３１では、ちょうど図７Ｂの熱電システム７００に関する曲線７１１と同様に、温度がＬにおいてＴhに達するが、熱電システム８２０に関するその形状はより大きな曲率を有し、ｘ＝０付近でより温度上昇が小さくなっている。したがって通常、本熱電システム８２０は、図７Ａのシステムに比べて、同じ空気流量で温度ＴHに達するので、より高い効率を提供し、電力消費及び動作費用をより低減させることができる。
【００６３】
図８の実施の形態に関して、本明細書における別の実施の形態と同様に、単一のより高温側基板と単一のより低温側基板を一般的に示すが、本発明に係る熱電システムは、熱電素子アレイを積層するか、或いは複数のより低温側基板と複数のより高温側基板を備え得ることに留意されたい。
【００６４】
本発明の別の実施の形態に係る対流式熱輸送を利用する熱電システム９００を図９に示す。この実施の形態は、熱電素子９０２、高温側基板９２２及び低温側基板９２３、回路９２５、ヒートシンク９０６、熱交換器９０７、ポンプ９０９、及び回路及び基板９２２、９２３を貫通する穴９２７、９３１を含んで構成された熱電素子アレイ９２１を有する。２つの熱輸送流体９１１、９１２は、熱電素子９０２を構成する熱電材料である。これらの２つの熱輸送流体には、Ｎ型のもの９１２とＰ型のもの９１１とがあり、これらは、低温側基板９２３と高温側基板９２２との間の空隙を占有する。また、熱輸送流体９１１、９１２は相互に電気的に絶縁された２つのフィン付きチューブアレイに連結された熱交換器９０８内部に収容されている。低温端ヒートシンク９０６中には２組のチャンネル９１０がある。
【００６５】
熱輸送流体９１１、９１２は、Ｎ型及びＰ型液体熱電材料からなる。液体熱電材料の一例としては、（室温より高い）液体になる温度におけるテルルとタリウムとの混合物（Ｐ型）及び水銀／ルビジウムの混合物（Ｎ型）が挙げられる。このような材料の幾つかが、Ａ．Ｆ．ロッフェ（Ａ．Ｆ．Ｌｏｆｆｅ）の「半導体熱電素子及び熱電冷却（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ、ａｎｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｉｎｇ）、インフォサーチ（Ｉｎｆｏｓｅａｒｃｈ）、ロンドン」（１９５７年）に説明されている。別の例としては、水銀中でスラリー化したＰ型テルル化ビスマス及び水銀中でスラリー化したＮ型テルル化ビスマスが挙げられる。
【００６６】
図９Ｂは、熱電素子アレイ９２１の拡大部分を示す図である。図９Ｂに示すように、熱電素子９０２を形成する箇所の熱輸送流体は、スリーブ９２４内部に収容されている。有利なことに、これらのスリーブ９２４は、電気的に絶縁されており、さらに熱伝導率が十分に低いので、高温端９２２から低温端９２３へのスリーブ８２４の熱伝導は、ＫΔＴに比べて実質的に無視できる。ここでＫは熱電素子９０２の熱伝導係数である。一実施の形態では、これらのスリーブ９２４が固体の熱電材料から形成される。
【００６７】
ポンプ９０９は、チャンネル９１０を通して熱輸送流体を移動させ、流体が基板９２２、９２３の間を流れるとき熱電素子９０２を形成し、さらにフィン付きの加熱チューブ９０８を通過させる。本実施の形態では、熱輸送流体９１１、９１２の流れが、ポンプ９０９作動の下、低温端ヒートシンク９０６から高温側熱交換器９０７に熱を対流させる。高温端の熱交換器９０７内部では、熱が、温度ＴAの左側に進入し、温度がＴHの右側から流出する空気又は気体９３２へと移動する。これらの２つのポンプ９０９及び相互に電気的に絶縁された２つの別体のフィン付きチューブ９０８が、２つの熱輸送流体９１１、９１２を運ぶ。熱輸送流体９１１、９１２の通路は、それぞれ、幾つかの接続された流体通路間に高い電気抵抗を有するように構成されており、必要な電圧を、重大な寄生損もなく、熱電素子９０２及び回路９２５にわたって印加することができる。
【００６８】
熱電素子アレイの異なる部分は、異なるタイプの対流熱輸送、又は非対流熱輸送によっても構成可能である。例えば、一実施の形態では、図８及び図９の熱輸送機構を組み合わせて、熱電素子アレイの一部に関して図８の定常状態の対流を使用し、且つ熱電素子アレイの別の部分に関して図９の定常状態の対流を使用することができる。一実施の形態では、ｎ型の熱電素子に１つの構成を使用し、且つｐ型の熱電素子には別の構成を用いる。
【００６９】
図１０〜図１５は、図８で説明した多孔性熱電素子の代わりに使用可能な異なる熱電素子を用いた実施の形態を示す。これらの実施の形態では、流体及び固体熱電素子は、これらと、熱電素子内部の位置での対流媒体との間の温度差が最小となるように設計されていることが好ましい。
【００７０】
図１０は、図８に示したようなシステムで使用される熱電素子アレイの一部１００１を示しており、それは、高温側基板１００２、低温側基板１００３、回路１００６、これらの基板及び回路を貫通する穴１００５、及び複数の中空固体の熱電素子１００４を備えている。熱輸送液（液体熱電材料でもよく、或いは別の非熱電材料液でもよい）は、温度ＴAの低温端の穴に進入して、温度ＴHの高温端から流出する。熱電素子１００４（任意尺度）は、内部穴１００７の直径に比べて十分な大きさの内部表面積を有し、その熱電素子は、（例えば、図示した線１００８のような）流体の流れ方向に沿った選択位置で、この熱電素子の壁と内部穴１００７中の対流媒体との間の温度差が最小であるような壁厚を有する。
【００７１】
図１１は、図１０の熱電素子アレイと同様の熱電素子アレイの一部１１０１を示しており、それは、高温側基板１１０２、低温側基板１１０３、回路１１０６、これらの基板と回路を貫通する穴１１０５、及び複数の中空の熱電素子１１０４を有する。図１１は熱輸送における特徴を示す。１つの特定の例は、中空の（例えば、管状の）熱電素子１１０４の内側に配置された螺旋羽根１１０８など、流れを混合するための流れ攪乱における特徴を有する。これらの羽根は、熱輸送流体１１０９の回転及び混合に役立ち、それによって熱電素子１１０４から熱輸送流体１１０９への熱輸送を増大させる。流れ攪乱における特徴を有する別の例としては、銃の旋条のような、中空の熱電素子９０４の内側に設けられた溝が挙げられる。対流媒体が熱電素子を通過又は貫通して流れる際に、熱電素子と対流媒体との間の熱輸送を改善させるあらゆる特徴は、大きく流れを阻害するものでなければ、十分となる。
【００７２】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、熱電素子が同心チューブ１２１４〜１２１６を構成する熱電素子アレイ１２０１の構造を示す。図１２Ａは、熱電素子１２１４、１２１５及び１２１６のみの上面図を示す。図１２Ｂは、図１２Ａの１２Ｂ−１２Ｂを通る断面を示し、底部から上部までの流体の流れと共に、基板１２０２、１２０３及び回路１２０６を追加した図である。熱電素子アレイ１２０１は、高温側基板１２０２及び低温側基板１２０３、回路１２０６、及び同心チューブ１２１４、１２１５、及び１２１６を備えている。回路及び基板１２０５中の穴は、同心チューブ１２１４、１２１５、１２１６間の管状間隙１２１７で位置合わせされている。熱輸送流体１２１８は、管状空隙１２１７を通過する。図１２では、一例として３つの同心チューブを示す。この例では、チューブがＰ型とＮ型との間で同心に交互となっている。或いは、これらの同心チューブが、それぞれ同じ導電型であり、反対型の熱電素子からなる別の１組の同心チューブから形成された対向する型の熱電材料を備えている。同心チューブの数は、任意の実用的な数とすることができる。さらに、熱輸送流体１２１８は、最大のチューブの外径に沿っても誘導され得る。また、これらのチューブ１２１４、１２１５、及び１２１６は、基板１２０２と１２０３との間で且つそれらに平行な任意の線１２１９に沿って、流体１２１８と熱均衡に近づくように設計されている。
【００７３】
図１３は、熱輸送流体１３０７が周囲を流れる複数の固体の熱電素子１３０４で構成された熱電素子アレイ１３０１を示す。この熱電素子アレイ１３０１は、上で説明した熱電素子アレイと同様に構成されており、高温側基板１３０２及び低温側基板１３０３、回路１３０６、及び熱輸送流体（対流媒体）１３０７を熱電素子アレイに通す、回路と基板の中の穴１３０５を有する。
【００７４】
図１４Ａ及び１４Ｂは、図１３の熱電素子アレイと同様に構成された熱電素子アレイ１４０１の一部を示しており、熱輸送における特徴が追加されている。この実施の形態では、熱輸送における特徴は熱電素子１３０４の間にある。図では、熱輸送における特徴が、羽根１４０７などの流れを攪乱するものである。一例を図１４Ｂに示す。これらの羽根１４０７は、熱輸送流体１４０８を螺旋通路内に導き、それによって熱輸送を増加させるのに役立つ。熱絶縁部１４０９は、羽根１４０７を取り囲む空間に配設されており、流体１４０８をさらに導き、熱輸送を高めることができる。図１１の場合と同様に、熱電素子と対流媒体との間の熱輸送を高める別の特徴も利用可能である。
【００７５】
図１５は、図１０の熱電素子アレイと同様に構成された熱電素子アレイ１５０１の一部を示しており、この熱電素子アレイは、高温側基板１００２及び低温側基板１００３、回路１００６を有するが、図１５Ｂに示したようなハニカム構造で熱電素子１５０４が構成されており、これによって、流体が熱電素子１５０４を通過することができるようになっている。この蜂の巣の大きな表面積によって、熱輸送流体１５０５への熱輸送が増加させる。
【００７６】
熱交換器を説明する上記の実施の形態では、フィン及びフィン付きチューブを例として使用した。しかし、例えば、カイス・ウイリアム・Ｍ．（Ｋａｙｓ、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｍ．）とロンドン・Ａ．Ｌ．（Ｌｏｎｄｏｎ，Ａ．Ｌ．）の「コンパクトな熱交換器（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ）、マグローヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）」、１９８４年に説明されている熱交換器など、多くの他の熱交換器の設計を使用することができる。
【００７７】
図９で説明した実施の形態では、熱輸送流体が液体熱電材料であるが、別の実施の形態では、熱輸送流体が、空気又は水などの幾つかの別の流体、或いは熱電材料と適切な媒体のスラリーである。さらには、固体の熱輸送材料を用いることもできる。図１６Ａ及び１６Ｂは、固体の熱輸送材料を用いる一実施の形態を示す。図１６Ａは、この装置の上面図を示す。図１６Ｂは、図１６Ａの１６Ｂ−１６Ｂからの断面図である。熱電素子アレイ１６０１は、回路１６０６と直列に接続されている熱電素子１６０５によって構成されている。電圧Ｖが直列回路の両端間に印加される。複数の熱電素子１６０５は、それらの間に空隙を設けて配列されている。それぞれの空隙は、熱電素子１６０５の間の空隙内にフィットする複数の外周リッジ１６０８（歯状）を有する熱輸送リング１６０４で満たされている。熱電素子１６０５と熱輸送リングのリッジ１６０８との間に残存する空隙には、熱伝導性の潤滑剤１６０７が充填されている。熱輸送リング１６０４は、軸方向に且つ径方向に高い熱伝導率を有し、さらに周方向に低い熱伝導率を有する金属エポキシ複合材料などの材料から形成されている。図１６Ａに示すように、リング１６０４は、その中心の回りを反時計方向に回転する。加熱するべき流体１６１０用の入口１６０２及び出口１６０３を有するダクト１６０９が、熱電素子アレイ１６０１と熱接触していない熱輸送リング１６０４の一部を取り囲む。それによってダクトは、流体１６１０が熱電素子アレイ領域１６１１を通過するのを防止するような障壁を形成している。温度ＴAで流体１６１０が、ダクト１６０９の入口１６０２に進入し、図１６Ａにおける時計回りに熱輸送リングを回流して温度ＴHで出口１６０３から流出する。したがって、リング１６０４とダクト１６０９とは、逆流の熱交換器を形成している。熱輸送リング１６０４が反時計回りに回転する場合、熱輸送リング１６０４は熱電素子アレイ１６０１の領域内で加熱される。流体１６１０の流量及び熱輸送リング１６０４の回転速度は、流体１６１０が時計回りに流れる場合、熱が熱輸送リング１６０４から流体１６１０に移動し、それによって、熱電素子アレイ１６０１に再進入しようとする熱輸送リング１６０４の一部をＴA付近の温度に再び冷却するようになっている。加熱パイプ１６１２は、外部ヒートシンクから熱電素子１６０５の低温端まで熱を対流させる。
【００７８】
図１１〜図１６の構成では、効率利得上、熱電素子の間を通過する対流媒体の温度と、流れの方向にほぼ直交な位置における熱電装置の温度との間には、ほとんど又は全く温度差がないことが好ましい。また、追加された構成要素全体の熱伝導率によって、熱電素子の熱伝導率が増加し、これらの構成要素源に起因する性能損失が許容可能となっていることが好ましい。これによってシステム効率が改善される。
【００７９】
加熱の場合を改善する上記の構想は、冷却の場合を改善するようにも変更可能である。上記のように、冷却用の数式２１は加熱用の数式２２に似ているが、Ｉ2Ｒの項におけるマイナス符号によって、改善が生じる条件が制限され、その大きさが限定される。
【００８０】
ゴールドシュミット（Ｇｏｌｄｓｍｉｄ）の分析に類似する理論的な分析に基づいて、最適な理論的ＣＯＰ、即ち、φcm（δ）を次のように表すことができる。
【００８１】
【数２６】
【数２７】
上式で、
【００８４】
【数２８】
【数２９】
同様に、ＣＯＰ、即ち、最大冷却ｑc（δ）のためのφcc（δ）を次のように表すことができる。
【００８７】
【数３０】
数式２６及び数式３０において、δが０に近づくと、その結果は数式９及び数式１０となり、したがって予想通り、差はδによるものである。
【００８９】
上記のように、δは、冷却熱出力ｑcがＣｐＭΔＴc、即ち、流体流量に必要な冷却熱出力に等しいか、又はそれよりも大きくなければならないという条件によって、制約されている。これによって、従来設計と比べると、実用上重要な状況の殆どで約５０％までの効率利得が可能になる。冷却のための構成は、図８Ｂから図１５に示した加熱型のための構成に類似し得る。ただし、電子は加熱の方向とは反対の方向に流れる、或いは、熱出力は反対（冷却）側から抜き出されることに留意されたい。
【００９０】
一般に、熱電システムは、低温端及び高温端の両方の熱出力を生成する。加熱の場合、低温端の廃棄熱出力に対処しなければならず、冷却の場合、高温端の廃棄熱出力を処理しなければならない。例えば、アメリゴン・インコーポレイテッド（Ａｍｅｒｉｇｏｎ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）社の空気調和座席シート（ＣＣＳ）システムでは、ファンからの空気が分割され、一部、即ち、ｍは、座席シートの着座者を冷房又は暖房する側に送られ、残余部分、即ち、１−ｍは、座席シート及び着座者から除去されるように導かれる。
【００９１】
このようなＣＣＳ熱電システム１７００を図１７に示す。ここでは、冷却（又は加熱）されて着座者に供給される空気１７０９がメイン側として識別され、除去されるように導かれるべき熱出力を含む空気１７１０を廃棄側としている。この設計では、図１に示したアセンブリと同様の熱電装置アセンブリ１７０１が、メイン側の銅製フィン１７０２及び廃棄側の銅製フィン１７０３と適切に熱接触している。電圧Ｖ１７１１が熱電装置アセンブリ１７０１に印加される。電圧１７１１の極性によって、メイン側が冷却されるのか、又は加熱されるのかが決定される。ファン１７０４は周囲温度ＴAの空気１７１２を入口ダクト１７０５に強制搬送するものである。熱電システム１７００は、全流量を分割して、メイン側フィン１７０２を通してメイン出口ダクト１７０６にその一部を送り、廃棄側フィン１７０３を通して廃棄側出ダクト１７０７に幾分多い部分を送るように構成されている。冷却モードで動作する場合、メイン側の空気１７０９が冷却され、廃棄側の空気１７１０が加熱される。ハウジング１７０８は、周囲への熱損失、及びメイン側と廃棄側との間の熱輸送の両方を可能な限り抑えるように構成されている。
【００９２】
図１７に示した熱電システム１７００の効率及びΔＴは、例えば、図１８の熱電システム１８００に示したような、本発明に係る対流式熱輸送を用いることによって大きくなる。図１８では、熱電装置アセンブリ１８０１が、複数の細長い熱電素子１８０４を挟む、メイン側の基板１８０２及び廃棄側の基板１８０３によって構成されている。熱電素子は、多孔性であるか、又は上述した、熱電素子を介して流体を通過させる別の構成とすることもできる。また、上記の別の構成に少しの変形を適用することも可能である。熱電素子１８０４は、回路１８０５に接続されている。電圧Ｖ１８１２は、熱電装置アセンブリ１８０１に印加される。電圧１８１２の極性によって、メイン側を冷却するのか又は加熱するのかが決定される。ファン１８０６は、周囲温度ＴAの空気１８１３を入口１８０７に強制搬送するものである。入口１８０７からの空気は、多孔性の熱電素子１８０４の中心１８０８付近の熱電素子アレイ１８０１、即ち、周囲温度ＴAに近い熱電素子１８０４上の箇所の周囲に導入される。空気１８１４の一部は、分技管及び空気通路１８０９によって、熱電素子１８０４間の空隙を通って導かれ、そして集められて、メイン側の出口１８１０から流出する。空気１８１５の残りの部分は、廃棄側の出口１８１１に導かれる。メイン側の質量の流れ部分及びＣＯＰは、従来設計のものよりも３０〜７０％大きくなり得る。
【００９３】
また、図１８の実施の形態によれば、熱電素子を通過する流れだけではなく、又はその流れに加えて、熱電素子の外側に沿ったより低温端とより高温端との間の、ほぼ周囲温度にある箇所からの流れを提供することもできる。換言すれば、より高温端とより低温端との間の、熱電素子に沿った箇所から、より高温端及びより低温端に向かって対流媒体を流すことができる。同様に、図１８の実施の形態では、より高温端とより低温端との間から対流材料を流入させて、流れを一方又は他方の側に向けることもできる。
【００９４】
上記に例示した実施の形態は、例えば、ユーザ入力、外部条件、又はシステム自体の内部条件に基づいてシステム性能を調節する目的の制御システムに接続可能である。これらの条件においては、その幾つか又はすべてが存在し得るが、外部の温度又は流れ、内部の温度又は流れ、及び所定の又は動的に決定されるシステム性能を手動的で実現するためのユーザ選択可能な入力が含まれる。図１９は、そのような制御システム１９００の一例を示すブロック図である。
【００９５】
上記制御システムは、ユーザ選択可能な入力１９０２に接続された制御回路１９０１、ユーザインターフェース１９０３、外部センサ１９０４、内部センサ１９０５、熱電素子の電力調整器１９０６、アクチュエータ１９０７、及び流量制御器１９０８を備えている。制御回路１９０１に接続された、これらの構成要素のいずれか１つ又は複数の構成要素は、所与の設計において備えられていてもよく、又は備えられていなくてもよい。一般的には、制御回路１９０１は、配線用ハーネスと同程度にシンプルであるか、又は多くの出力部と入力部とを有するプログラム可能なマイクロコントローラ回路と同程度に複雑であり得る電子回路である。事実上、多くの手動入力装置が接続可能であり、例えば、これらの入力装置は、単純なオン／オフスイッチ、多位置スイッチ、ポテンシオメータ、キーボード、又は別のユーザ選択可能な装置とすることができる。例えば、ディスプレイ、表示灯、又は可聴プロンプトを用いるユーザインターフェース１９０３によって、ユーザ選択可能な又は構成可能な入力装置が提供され得る。
【００９６】
外部条件は外部センサ１９０４で検知され得る。これらのセンサは、例えば、周囲条件のセンサ、又は入口又は出口の流体温度センサである。内部条件は、センサによって検知され、例えば、熱電電流、熱電電圧、流体の流量、又は内部流体温度などを含む。
【００９７】
有利にも、ユーザインターフェース１９０３を介して、センサ１９０２及び１９０４によって観測された条件、又は観測された条件のための作動レベルを変更し、所与の時点での条件又は特定の応用例用に、熱電システムをカスタマイズすることができる。センサ１９０２、１９０４、及び１９０５は、ハードウェア又はソフトウェア関係（その性質はアプリケーションに依存する）が用いられる制御回路１９０１によって監視され、これによって、センサ入力に従ったシステムに対する調節が実行される。システムの複雑さによってそれが保証される場合、制御回路又はそのソフトウェア内でアルゴリズムを適用することができる。
【００９８】
制御回路１９０１は、例えば、熱電素子への電力、熱電素子の抵抗、又は流体の流量などを調節することができる様々な装置に電気出力を供給することができる。熱電素子への電力は、同時に全熱電素子に向ける場合、又は個々に向ける場合で異なり得る。例えば、電圧又は電流調整器１９０６が使用可能である。熱電装置抵抗は、機械式アクチュエータ１９０７によって調節可能である。流量は、例えば、羽根、弁、ポンプ速度、又はファン速度１９０８によって調節可能である。また、制御システムは、ユーザが感じる温度に応答して、ユーザがスイッチ又はサーモスタットを調整する程度にシンプルなものとすることもできる。
【００９９】
このタイプのシステムにおける１つの利点は、予想されるユーザの好み又は条件だけでなく、その時々でのそれらの変化をも考慮することによって、効率また出力における改善を実現するように、熱電装置システムで生成される熱出力を所望通りに変更することができることである。感覚入力を達成するために用いられる装置、ユーザインターフェース、流量制御器及び電力調整器は、市販の装置、カスタマイズの容易な装置、又は特別仕様の構成部品とすることができる。
【０１００】
液体又はスラリー化した熱電素子の抵抗を調節する方式の例を図２０Ａから２０Ｄに示す。これらの例は、図９に示した実施の形態の構成で使用され得る。抵抗を変化させる利点は、参照により本明細書に組み込まれた、本発明者による２００１年４月２７日出願の「熱絶縁を用いる効率の改善された熱電装置（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）」と題した同時係属の米国特許出願第０９／８４４，８１８号に説明されている。
【０１０１】
図２０Ａは、熱電素子２００２の作用長さを調節することによって、熱電素子２００２の抵抗が変化する熱電素子アレイ２００１の一部を示す。この例では、テレスコープ型のスリーブ２００３及び２００４が用いられている。上方部分２００５は、上方基板２００７、電気的に熱電素子に接続された回路２００９、及び上方スリーブ２００３を備えている。下方部分２００６は、下方基板２００８、回路２００９、及び下方スリーブ２００４を備えている。熱電素子２００２は、低熱伝導率で、電気絶縁した上方スリーブ２００３及び下方スリーブ２００４の内部に閉じ込められた液体又はスラリー化した熱電材料である。上方スリーブ２００３の外表面と下方スリーブ２００４の内表面との間にシール部が形成されている。（矢印によって示した）アクチュエータ２０１０が、下方部分２００６を、この例では静止している上方部分２００５に向かって移動させるか（熱電素子の長さが短くなり、したがって抵抗が小さくなる）又は上方部分２００５から離れるように移動させる。
【０１０２】
図２０Ｂは、基板２００７及び２００８、液体又はスラリー化した熱電材料２００２、回路２００９、ポンプ２０３４、及び圧力制御弁２０３５を含んで構成された熱電素子アレイ２０３１の一部を示す。図２０Ｂでは、（図２０Ａに示した装置における）テレスコープ型スリーブが、ポンプ２０３４及び圧力制御弁２０３５の動作下で変形するエラストマーチューブ２０３３に置き換わっている。圧力が上昇するように調節されると、スリーブ２０３３が膨らみ、それによって熱電素子２００２の断面積が拡大し、したがって熱電素子の電気抵抗が小さくなる。これによって次に熱電システム２０３１における効率、熱出力の輸送、及び流体の流量を変化させることができる。
【０１０３】
図２０Ｃは、アクチュエータ２０１０によって印加された軸方向の、圧縮性撓み負荷を受けた場合、チューブ内部から外向きに変形する、複合的な可撓性スリーブ２０４３を備えた熱電素子アレイ２０４１の一部を示す。図２０Ｃでは、下方基板２００８及びその回路２００９の一方の端部のみが動いて、最も右の熱電素子２００２の長さ及び断面積が左側のものより大きく変化する。これによって、最も左の熱電素子以外の全ての熱電素子の抵抗を変化させ、ほぼ線形に抵抗を変化させる。
【０１０４】
図２０Ｄは、図２０Ｃの熱電素子アレイと同様に構成された熱電装置の熱電素子アレイ２０５１の一部を示すが、熱電素子アレイ２０５１は、可撓性の基板２０５２、可撓性の下方回路２０５３、及び複数のアクチュエータ２０１０を備えている。アクチュエータ２０１０は、熱電素子２００２の長さ又は断面積を、個々に又は集団として調節する。
【０１０５】
対流を利用する多くの設計が他にも可能である。その目的は、冷却される及び／又は加熱される材料によって、そちら側の動作を高めるように生成された熱出力を効率的に対流させることである。一般に、効率を改善させるためには、伝導に対する対流の比率、即ち、δが生成された利用可能な熱出力によって許容されるものと同じ大きさでなければならない。電流及び熱電装置の構成は、初期費用及び運転費用の設計上の要求に合うように調節されている。固体、液体、及び気体は、単独で、又は組み合わせて使用可能であり、熱出力を輸送することができる。
【０１０６】
加熱の場合に論じた構想及び設計は、冷却の場合にも適用可能である。多くの設計では、例えあったとしても、システムにごく僅かな物理的な変更を加えるだけで、同じ装置を冷却モード及び加熱モードの両方で使用可能である。例えば、図１８に示した改善したＣＣＳシステムは、電流の流れ及び方向を調節し、ファンの回転数を変更することによって加熱及び冷却の両方で使用可能である。
【０１０７】
冷却及び加熱における全体的な性能動作を最適化するために、設計上のトレードオフを行うか、又は電流と共に、また単独で、低温端及び高温端への流量の割合に伴って、材料の移動又は流量を変化させることが有利である。
【０１０８】
Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は、サイズ及び形状が等しいように引抜き成形された熱電材料で形成され得る。しかし、最適の効率を実現するために、それらのサイズ及び形状を等しくする必要はない。効率的な機能に関する好ましい要件は次の通りである。
【０１０９】
【数３１】
上式で、
Ｌ＝熱電素子の長さ
ａ＝熱電素子の断面積
ρ＝材料の電気抵抗率
λ＝材料の熱伝導率
最適の効率のためには、数式３１が満足されなければならず、その構成により必要な熱出力が実現されなければならない。Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子の形状は、別の設計上の目的の実現のために異なり得る。例えば、Ｐ型熱電素子のみが液体で、熱出力を対流させることも可能であるし、或いは、Ｎ熱電素子のみが多孔性であってもよい。一般には、すべての熱電素子が対流を利用するとは限らない場合、システム効率が損なわれるが、従来のシステムに勝る効率利得は依然として得られる。費用、材料の可用性などの考慮には、適切な設計上の選択、及び最終的な構成が要求される。
【０１１１】
熱電材料自体が移動し、それによって、その熱出力を輸送する所では、熱出力が１つの部分から別の部分へ移動するときに生じる熱差異（熱遅れ）が排除される。システムの別の幾つかの部分への対応する利得がなければ、このような遅れのために、効率が低下する傾向がある。
【０１１２】
上記のように、本発明に係る幾つかの異なる実施の形態及び構成を説明してきた。これらの実施の形態は、限定的なものではなく代表的なものであることを意図している。本発明から逸脱することなく、上記実施の形態の変形や組合せを行うことができる。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１Ａ】従来の熱電装置を示す図である。
【図１Ｂ】従来の熱電装置を示す図である。
【図２】従来の流体を加熱又は冷却する応用例における従来の熱電装置を示す図である。
【図３】材料又は構成要素を冷却するのに使用する従来の熱電素子を示す図である。
【図４】様々な熱電材料の効率の測定値を示す図である。
【図５】一般化した従来の熱電装置の状態を示す図である。
【図６】一般化した熱電システムを示すブロック図である。
【図７Ａ】従来の一実施の形態に係る熱電システムを示す図である。
【図７Ｂ】従来の一実施の形態に係る熱電システムを示す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施の形態に係る対流式熱輸送を用いる熱電システムを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施の形態に係る対流式熱輸送を用いる熱電システムを示す図である。
【図９Ａ】本発明の別の一実施の形態に係る対流式熱輸送に液体熱電材料を用いる熱電システムを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の別の一実施の形態に係る対流式熱輸送に液体熱電材料を用いる熱電システムを示す図である。
【図１０】管状の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１１】熱輸送特性と共に管状の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１２Ａ】入れ子式の同心チューブから構成された熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１２Ｂ】入れ子式の同心チューブから構成された熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１３】熱電素子の長さに沿う対流を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１４Ａ】熱輸送特性により生成される追加的な混合と共に熱電素子の長さに沿う対流を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１４Ｂ】熱輸送特性により生成される追加的な混合と共に熱電素子の長さに沿う対流を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１５Ａ】ハニカム構造の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１５Ｂ】ハニカム構造の熱電素子を示す熱電素子アレイの一部を詳細に示す図である。
【図１６Ａ】本発明の別の実施の形態に係る対流式の熱輸送媒体として、固体材料を用いる熱電システムを示す。
【図１６Ｂ】本発明の別の実施の形態に係る対流式の熱輸送媒体として、固体材料を用いる熱電システムを示す。
【図１７】本発明に係る対流式熱輸送によって効率を改善可能な加熱と冷却との両方に用いる実在の装置を示す図である。
【図１８】本発明の一実施の形態に係る装置を示す図であって、図１７の装置において対流熱輸送を改善したものを示す図である。
【図１９】本発明の熱電システムで用いる制御システムを示す図である。
【図２０Ａ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
【図２０Ｂ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
【図２０Ｃ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
【図２０Ｄ】熱的及び電気的特徴を変化させるように構成された熱電素子の幾つかの変更形態を示す図である。
Claims (77)
- 動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と、少なくとも１つの第２の端とを有する熱電素子アレイを形成する複数の熱電素子を備えた熱電システムであって、
前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、少なくとも１つの対流媒体の流れを前記熱電素子アレイの少なくとも一部に通過させ、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも一方の端に向かうほぼ定常状態の対流式熱輸送を生じさせるように構成されている熱電システム。 - 前記少なくとも１つの対流媒体が、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通って流れるものである請求項１記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが透過性である請求項２記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが多孔性である請求項３記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが管状である請求項２記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかがハニカム構造である請求項２記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ単一の方向に前記熱電素子の少なくとも幾つかを通って流れるものである請求項２記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端に向かって又は前記第２の端に向かって流れるものである請求項７記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第１の端から前記第２の端に流れるものである請求項２記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第２の端から前記第１の端に流れるものである請求項２記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、少なくともほぼ２つの方向に前記熱電素子の少なくとも幾つかを通って流れるものである請求項２記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端に向かって及び前記第２の端に向かって流れるものである請求項１１記載の熱電システム。
- 前記熱電素子アレイが、前記対流媒体が前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って流れるように、構成されている請求項１記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ単一の方向に前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って流れるものである請求項１３記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端に向かって又は前記第２の端に向かって流れるものである請求項１４記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第１の端から前記第２の端に流れるものである請求項１３記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第２の端から前記第１の端に流れるものである請求項１３記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、少なくともほぼ２つの方向に前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って流れるものである請求項１３記載の熱電システム。
- 前記対流媒体が、ほぼ前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端に向かって及び前記第２の端に向かって流れるものである請求項１８記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが同心チューブを形成し、前記対流媒体が前記同心チューブの間を流れるものである請求項１３記載の熱電システム。
- 前記同心チューブが、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料との間で同心に交互になっている請求項２０記載の熱電システム。
- 第１組の同心チューブが熱電材料の同じ第１型であり、第２組の同心チューブが熱電材料の同じ第２型である請求項２０記載の熱電システム。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が熱電材料であり、前記対流媒体の熱電材料も、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成している請求項１記載の熱電システム。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が熱電材料であり、前記対流媒体の熱電材料が前記熱電素子の少なくとも幾つかの第１部分を形成し、固体の熱電材料が同じ熱電素子の第２部分を形成している請求項１記載の熱電システム。
- 固体の熱電材料が管状であり、前記対流媒体の熱電材料が固体の管状熱電材料を通って流れ、その組合せが少なくとも幾つかの熱電素子を形成している請求項２４記載の熱電システム。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が流体である請求項１記載の熱電システム。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が空気である請求項２６記載の熱電システム。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が固体である請求項１記載の熱電システム。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が流体と固体との混合物である請求項１記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の第１集合が第１型の対流式熱輸送用に構成されており、前記熱電素子の第２集合が第２型の対流式熱輸送用に構成されている請求項１記載の熱電システム。
- 前記第１集合が第１の導電型の熱電素子であり、前記第２集合が第２の導電型の熱電素子である請求項３０記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが対流を利用しないものである請求項１記載の熱電システム。
- 前記対流を利用しない熱電素子が第１の導電型であり、対流を利用する熱電素子が第２の導電型である請求項３２記載の熱電システム。
- 前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、前記対流媒体の少なくとも一部と前記熱電素子の少なくとも幾つかとの間の熱輸送を改善させる少なくとも１つの熱輸送における特徴を備えているものである請求項１記載の熱電システム。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが管状であり、該管状の熱電素子の少なくとも幾つかが前記熱輸送における特徴を備えているものである請求項３４記載の熱電システム。
- 前記熱輸送における特徴が、前記熱電素子の少なくとも幾つかの間にある請求項３４記載の熱電システム。
- 前記熱輸送における特徴が、前記対流媒体の流れ攪乱における特徴である請求項３４記載の熱電システム。
- 前記システムが冷却のために使用されるものである請求項１記載の熱電システム。
- 前記システムが加熱のために使用されるものである請求項１記載の熱電システム。
- 前記システムが冷却と加熱との両方のために使用されるものである請求項１記載の熱電システム。
- 熱電素子アレイの動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有する熱電素子アレイを形成している複数の熱電素子を備えた熱電システムの効率を改善する方法であって、ほぼ定常状態で前記熱電素子アレイの少なくとも一部を通して、熱を活動的に対流させるステップを含む方法。
- 前記熱を対流させるステップが、前記熱電素子アレイの少なくとも一部を通して、少なくとも１つの対流媒体を流すステップを含む請求項４１記載の方法。
- 前記流すステップが、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通して、前記対流媒体の少なくとも一部を流すステップを含む請求項４２記載の方法。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが透過性である請求項４３記載の方法。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが多孔性である請求項４４記載の方法。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが管状である請求項４３記載の方法。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかがハニカム構造である請求項４３記載の方法。
- 前記流すステップが、ほぼ前記第１の端から前記第２の端に前記対流媒体を流すステップを含む請求項４２記載の方法。
- 前記流すステップが、ほぼ前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端に向かって又は前記第２の端に向かって前記対流媒体を流すステップを含む請求項４２記載の方法。
- 前記流すステップが、少なくともほぼ２つの方向に前記対流媒体を流すステップを含む請求項４２記載の方法。
- 前記流すステップが、ほぼ前記第１の端と前記第２の端との間から前記第１の端に向かって及び前記第２の端に向かって前記対流媒体を流すステップを含む請求項５０記載の方法。
- 前記流すステップが、前記対流媒体の少なくとも一部を前記熱電素子の少なくとも幾つかを通して流すステップを含む請求項５１記載の方法。
- 前記流すステップが、前記対流媒体の少なくとも一部を前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って流すステップを含む請求項５１記載の方法。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかで同心チューブを形成し、前記流すステップが前記同心チューブの間に前記対流媒体の少なくとも一部を流すステップを含む請求項４３記載の方法。
- 熱電材料が前記対流媒体の少なくとも一部を含み、該対流媒体で前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成するステップをさらに含む請求項４２記載の方法。
- 熱電材料が前記対流媒体の少なくとも一部を含み、該対流材料で前記熱電素子の少なくとも幾つかの第１部分を形成するステップをさらに含む請求項４２記載の方法。
- 中空状の別の熱電材料を通して前記対流媒体の熱電材料を流すステップをさらに含み、前記対流媒体の熱電材料を流すことと前記中空状の熱電材料とを組み合わせて、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成する請求項５６記載の方法。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が流体である請求項４２記載の方法。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が空気である請求項５８記載の方法。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が固体である請求項４２記載の方法。
- 前記対流媒体の少なくとも一部が流体と固体との組合せである請求項４２記載の方法。
- 前記熱を活動的に対流させるステップが、第１の方式で前記熱電素子アレイの第１部分を通して、及び第２方式で前記熱電素子アレイの第２部分に通して、熱を対流させるステップを含む請求項４２記載の方法。
- 前記熱電素子アレイの前記第１部分が第１の導電型の複数の熱電素子を含み、前記熱電素子アレイの前記第２部分が第２の導電型の複数の熱電素子を含む請求項６２記載の方法。
- 前記熱電素子の少なくとも幾つかが対流を利用しないものである請求項４１記載の方法。
- 前記対流を利用しない熱電素子が第１の導電型であり、対流を利用する熱電素子が第２の導電型である請求項６４記載の方法。
- 前記熱電素子アレイを冷却のために使用する請求項４１記載の方法。
- 前記熱電素子アレイを加熱のために使用する請求項４１記載の方法。
- 前記熱電素子アレイを冷却と加熱との両方のために使用する請求項４１記載の方法。
- 複数の熱電素子を有し、動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と少なくとも１つの第２の端とを有し、前記熱電素子アレイの少なくとも一部が、少なくとも１つの対流媒体の流れを前記熱電素子アレイの少なくとも一部に通過させ、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも一方の端に向かうほぼ定常状態の対流を生じさせるように構成された前記熱電素子アレイと、
少なくとも１つのコントローラ、
少なくとも１つのコントローラに結合された少なくとも１つの入力部、
少なくとも１つのコントローラ及び前記熱電素子アレイに結合された少なくとも１つの出力部であって、前記熱電素子アレイの少なくとも一部の少なくとも１つの特性を変更するために、前記コントローラによって制御可能な出力部を有する少なくとも１つの制御システムとを備えた熱電システム。 - 前記少なくとも１つの特性が対流式熱輸送に影響を与え、前記特徴を調節することによって効率が改善されるものである請求項６９記載の熱電システム。
- 前記制御システムが、前記入力部に応答して前記対流媒体の少なくとも一部の動きを変化させるものである請求項６９記載の熱電システム。
- 前記制御システムが、少なくとも、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通過する電流を変化させるものである請求項６９記載の熱電システム。
- 少なくとも１つの入力部が、少なくとも１つの外部センサを備えている請求項６９記載の熱電システム。
- 少なくとも１つの入力部が、前記熱電素子アレイに対して内部にある少なくとも１つのセンサを備えている請求項６９記載の熱電システム。
- 少なくとも１つの入力部が、前記熱電素子アレイに対して内部にある少なくとも１つのセンサ、少なくとも１つの外部センサ、及び少なくとも１つのユーザ選択可能な入力部を備えている請求項６９記載の熱電システム。
- 少なくとも１つの入力部が、ユーザ選択可能な入力部である請求項６９記載の熱電システム。
- 少なくとも１つのコントローラが、少なくとも１つの出力部を制御するための少なくとも１つの入力部に応答する、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請求項６９記載の熱電システム。
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