JP2005522893A

JP2005522893A - 両側ペルチェ接合を利用した熱電装置及びその製造方法

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Publication number: JP2005522893A
Application number: JP2003586942A
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Inventors: ラマ・ヴェンカタスブラマニアン; エドワード・ピー・シイヴォラ
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Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2005-07-28
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Abstract

本発明は、反対の導電型の熱電要素（２３，２７）が熱源部材２５の反対側に配備された熱電装置及びその装置の製造方法に関するものである。ヒートシンク（２０，２９）を熱電要素（２３，２７）の両側に装備する。ペルチェ金属コンタクトを、熱源要素と熱源部材のそれぞれとヒートシンクとの間に装備する。複数の装置を熱的に並列でかつ電気的に直列の構成、又は、熱的に並列でかつ電気的に並列の構成で一緒に配備する。要素の構成のために、要素のペアを流れる電流の方向は金属コンタクトを流れる電流の方向と実質的に同じになる。

Description

従来の熱電装置の構成に対して、熱電装置の効率及び製造工程が改良された複数の熱電要素（エレメント）を有する熱電装置に関するものである。

参考文献として本願にその内容が組み込まれている米国特許第６,３００，１５０号明細書において、この特許明細書の図６に示されているように、ヘッダーの同じ側に複数の熱電要素（ｐ，ｎ）を備えた熱電装置及びこの製造方法が開示されている。相互接続部材の表面はヘッダー表面に平行である。この装置の断面を図１に示す。

この装置は、冷却ヘッダーの同じ側に装備された複数の熱電要素を含む。ｐ型熱電要素１３は、第１のヒートシンク１０上の導線（リード）１１にメタライゼーション１２によって一側に接続されている。ペルチェ接合メタライゼーション（例えば、Ｃｒ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕＮｉ／Ａｕ）は導電性である。他方の側には、ｐ型熱電要素１３はペルチェ接合メタライゼーション１６によってヒートシンク（例えば、ヘッダー）に接続されている。要素１４はＣｒ／Ａｕのようなオーミックメタライゼーションであり、要素１５はＮｉのような拡散バリアである。ｎ型熱電要素１９は一側上で、ペルチェ接合メタライゼーション１６によってヒートシンク１０上の導線２１に接続されている。他の側では、ｎ型熱電要素１９は、ペルチェ接合メタライゼーション１６によって熱源１７に接続されている。要素１８は要素１４のようなオーミックメタライゼーションである。電圧の極性（＋，−）は冷却について示している。

ｐ型熱電要素１３及びｎ型熱電要素１９の両方に共通なヒートシンク１０と、熱電要素に共通の熱源（例えば、ヘッダー）１７がある。ｎ型及びｐ型要素は、モジュール作製段階でヘッダー１７の同じ側に混在しており、製造過程を複雑にし得る。

本発明の一の目的は、改良型の熱電装置を提供することである。

本発明の他の目的は、熱電装置の製造工程を簡単にすることである。

これら及び他の目的は、熱源部材と、熱源部材の一側に接続された一の導電型の第１の熱電要素と、熱源部材の一側とは反対側に接続された、一の導電型と反対の導電型の第２の熱電要素とを有する熱電装置によって達成される。

第１のヒートシンクは第１の熱電要素に取り付けられてもよいし、第２のヒートシンクは第２の熱電要素に取り付けられてもよい。

第１及び第２の熱電装置をコンタクトさせてもよい。第１及び第２の熱電要素は、第１及び第２の熱電要素を流れる電流方向が実質的にコンタクトを流れる電流の方向と同じなるように構成されてもよい。

第１及び第２の熱電要素はそれぞれ、バルク要素、薄膜要素又は超格子要素であってもよい。

本発明の目的は、第１の導電型の第１の熱電要素と、第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の熱電要素と、第１の熱電要素と第２の熱電要素との間に配備された熱源部材とを有する熱電装置によって達成されてもよい。

第１及び第２の熱電装置をコンタクトを形成してもよい。第１及び第２の熱電要素とコンタクトとは、第１及び第２の熱電要素を流れる電流方向が実質的にコンタクトを流れる電流の方向と同じなるように構成されてもよい。

本発明の目的は、熱源部材と、熱源部材の一側に接続された一の導電型の複数の第１の熱電要素と、熱源部材の一側とは反対側に接続された、一の導電型と反対の導電型の複数の第２の熱電要素とを有する熱電装置によって達成されてもよい。

第１のヒートシンクは複数の第１の熱電要素のそれぞれにに取り付けられてもよいし、第２のヒートシンクは複数の第２の熱電要素のそれぞれに取り付けられてもよい。

第１及び第２の熱電要素とコンタクトとは、第１及び第２の熱電要素の各ペアを流れる電流方向が実質的にコンタクトを流れる電流の方向と同じなるように構成されてもよい。

本発明の目的はさらに、一の導電型の要素だけが熱源部材のそれぞれ一の側に設けられるように、第１及び第２の熱電要素を熱源部材の反対側に配備する段階を有する熱電装置を作動する方法によって達成されてもよい。電流がコンタクトを流れる電流の方向と実質的に同じに第１及び第２の熱電要素の各ペアを通って流れるように、熱電要素と熱源部材のそれぞれの間にコンタクトを装備してもよい。

本発明のより適切な評価及び多くの利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによって理解されるだろう。

図面を参照するにあたって、同じ符号は同一又は対応する部分を示すことに留意されたい。図２は本発明の第１の実施形態を示す。図２は、冷却に対する電圧極性（＋，−）を示した装置の概略構成図である。図はスケールは正確ではないが、装置の特徴をわかりやすく描いている点に留意されたい。要素の寸法は以下に説明するが、本発明はその特定の寸法に限定されない。装置は、冷却ヘッダーの両側に配置された複数の熱電要素を含んでいる。ｐ型熱電要素２７は一方の側で、ペルチェ接合メタライゼーション２８によって第１のヒートシンク２９上の導線３０に接続されている。ペルチェ接合メタライゼーションは導電性である。他の側では、ｐ型熱電要素２７は、熱源（ヘッダー）２５上で、ペルチェ接合メタライゼーション２６によってコンタクト３１に接続されている。ｎ型熱電要素２３は一方の側で、ペルチェ接合メタライゼーション２２によってヒートシンク２０上の導線２１に接続されている。ｎ型熱電要素２３は熱源２５上で、ペルチェ接合メタライゼーション２４によってコンタクト３１に接続されている。

ｎ型及びｐ型熱電要素は、金属有機化学的気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、及び他のエピタキシー／非エピタキシー法のような手法を用いて基板上に成長、堆積又は転写（トランスファー）された、数ミクロンから数１０ミクロンの範囲の膜厚を有する薄膜である。薄膜は、薄膜超格子又は非超格子熱電材料、量子井戸（２次元量子閉じ込め型）及び量子ドット（３次元量子閉じ込め型）材料、及び非量子閉じ込め型材料からなり得る。また、バルク材料から引き剥がした材料を用いることもできる。

ヘッダー１７の反対側にｐ型熱電要素１３とｎ型熱電要素１９を有することの利点は、熱源ヘッダーの一方側に全ｐ型要素と、対応して熱源ヘッダーの反対側にｎ型要素を配置するのが容易なことである。

熱源２５からのエネルギーはペルチェ接合に結びつけられる（インターフェースされる）／通じる（コミュニケートされる）ことである。これは、空気流又は例えば水又はフルオロカーボン流体のような他の高熱伝達係数液体によって実現され得る。これを図３に示す。
熱は（矢印３２によって図示したように）、例えば、メタライゼーション２４及び２６によって形成されたペルチェ接合において熱源流体から平行に吸収される。ヘッダー２０及び２９上に平行に蓄積した熱は（それぞれ矢印３３及び３４で示したように）除去される。図３の構成では、電流は、金属２８から、ｐ型熱電要素２７を通り、ペルチェ接合を通り、ｎ型熱電要素２３を通り、金属２２に流れる。ｐ型熱電要素２７はＢｉ_２Ｔｅ_３／Ｓｂ_２Ｔｅ_３超格子やＳｉ／Ｇｅ超格子のようなｐ型材料から成ってもよく、ｎ型熱電要素２３はＢｉ_２Ｔｅ_３／Ｂｉ_２Ｔｅ_３−ｘＳｅ_ｘ超格子やＳｉ／Ｇｅ超格子のようなｎ型材料から成ってもよい。本発明では、個々の超格子層間で交互の格子定数を有する熱電材料の他の適当な超格子を用いることもできる。

本発明による構成では、米国特許第６，３００，１５０号明細書で説明されているように、ヘッダーと同じ側にｎ型要素とｐ型要素を混在させる問題を回避する。この回避は、ｐ−ｎカップル及び次いでフルスケールモジュールを作製するために、ｐ型及びｎ型熱電素子のアセンブリにおいて実質的な利点につながり得る。これはまた、ラージスケールのウェハーのより便利な使用にもつながり得る。例えば、同じ型の熱電素子の堆積、堆積された熱電材料のパターニング及びそれに続くメタライゼーションは同じ熱電装置ウェハー上で行うことができる。装置ウェハーは適した熱伝導度を有するならば、ヘッダー自体を構成し得る。さもなければ、堆積された装置層は、装置ウェハーから引き剥がして、ヘッダーに結合できるだろう。

熱電要素は、モジュールを形成するために多くの構成で配備されてよい。一例として、熱的に並列で電気的に直列の両側（ダブルサイド）ペルチェ接合モジュールを図４に示す。ヘッダーの同じ側に形成された同じ導電型の要素を有する３個の熱電装置４０，４１，４２は、熱源４４とヒートシンク（ヘッダー）４３及び４５とに接続されている。熱の移動を矢印で模式的に示した。（＋，−）配置は冷却を示すものである。

図５に、熱的に並列で電気的に直列の両側ペルチェ接合モジュールの他の例を示す。モジュールは、熱源（ヘッダー）５４とヒートシンク（ヘッダー）５３及び５５とに接続された熱電装置５０，５１，５２を含む。熱の移動を矢印で模式的に示した。ヘッダーに対する装置のｎ型及びｐ型要素の配向は交互であることに留意されたい。装置５０のｎ型要素が接続されたこの“混在”配置は、図４で提案した両側ペルチェ接合概念でヘッダーの両側に従来型のｐ型及びｎ型を有するものの拡張であり、装置５１のｐ型要素は相互接続（インターコネクト）５６によって接続され、装置５１のｎ型要素は相互接続５７によって装置５２のｐ型要素に接続されている。ここで、導線５６及び５７は隣接する装置間の電気的な相互接続を提供している。これらの導線又は相互接続は、所望ならば、ヘッダー５３及び５５において小型の同軸の電気的ジグを通してルートを決められ得ることに留意されたい。電気的なルーティングは図４のモジュールより簡単である。さらに、同じケースにおいて、これらの導線は、導線がヒートシンク側にある限り、熱の“ラジエータ”として使用できる。例えば、米国特許出願公開第１０／１６９，７２１号明細書は参照されたい。この内容は参考文献として本願に組み込まれている。

米国特許第６，３００，１５０号明細書に記載した片側ペルチェ接合、熱的に並列であって電気的に直列の熱電モジュールと比較した、熱的図５に示したような熱的に並列であって電気的に直列の熱電モジュールの一の潜在的な利点は、ペルチェ接合における相互接続抵抗を大きく低下させ得ることである。ペルチェ接合における相互接続抵抗は、本発明では、ペルチェメタライゼーションを介して流れる電流が熱電要素を通って流れる方向に沿っているということに起因する。これは、面方向に対して、直交する方向における抵抗を低減することの方が容易であることから理解され得る。

図６に、熱的に並列であって電気的にも並列の両側ペルチェ接合モジュールを示す。装置６０，６１，６２は、ヒートシンク（ヘッダー）６３及び６５と、熱源（ヘッダー）６４に接続されている。熱の流れを矢印で示す。装置６０−６２のｐ型要素のそれぞれは相互接続６６に接続され、装置６０−６２のｎ型要素のそれぞれは相互接続６７に接続されている。この構成は、電流条件がより低いので、低Ｔ（周囲（環境）から低い冷却温度条件（要求）又は低い加熱温度条件）系について特に有益だろう。より低い温度条件は、装置の並列構成に合致し得るが、しかしながら、電気的ルーティングも図４の装置と比較するとかなり簡単である。

ｐ型及びｎ型熱電要素はバルク又は薄膜材料から成るのが好ましい。装置は用途に合うようにどんな寸法もとり得る。図７は一般的な熱電要素の寸法で示している。図７では、ｐ型熱電要素はコンタクト７１と７２との間を接続している。薄膜装置については、長さｌは約１．０μmから１０００μmの範囲であり、幅ｗは約１０μmから１０００μmの範囲であり、高さｈは約１．０μmから１０００μmの範囲である。バルク装置については、ｌ、ｈ及びｗはそれぞれ典型的には１ｍｍである。ｎ型熱電要素についての基本的な寸法は、性能指数（ＺＴ）や、熱伝導度（Ｋ）や、ベンカタサブラミアン（Venkatasubramanian）らによりネイチャー（Nature）の第４１３巻５９７−６０２頁（２００１年１０月１１日）に記載されているようなｎ型及びｐ型要素のゼーベック係数（∝）及び電気伝導度（σ）のような他のパラメータに依存して、ｐ型のそれと同様であると推定される。上記ネイチャー（Nature）の論文の内容は参考文献として本願に組み込まれている。ここには矩形断面を示したが、熱電素子の円形断面および他の形状の断面も用いることができる。

図４〜図６の熱電素子の寸法ｌ及びｗ、熱源板の深さ、ヒートシンク板の対応する寸法は、熱伝達（トランスファー）係数を最適化するように設計することができる。例えば、図７に示したようなペルチェメタライゼーション７１及び７２の高さは、より良好な熱移動のために、熱源板の高さと異なるものにすることができる（例えば、要素７１の高さは要素２８と３０を合わせた高さにほぼ等しく、要素７２の高さは要素２２と３１を合わせた高さにほぼ等しい）。例えば、熱源板のより高い高さは（熱源板におけるペルチェ金属の高さを有するチャネルを介しての）流体流れをより容易にすることにつながり得、他方、ペルチェメタライゼーションのより低い高さはペルチェメタライゼーションの電気抵抗をより低くし得る。

本発明によるｎ型及びｐ型熱電要素の他の例を図８に示す。ｎ型熱電要素８３は（平行線で図示したように）超格子熱電要素であり、ペルチェメタライゼーション８２によってヒートシンク（ヘッダー）８０の導線８１に接続され、かつ、ペルチェメタライゼーション８４によって熱源（ヘッダー）８５の導線９１に接続されている。ｐ型熱電要素８７は
ペルチェメタライゼーション８８によってヒートシンク（ヘッダー）８９の導線９０に接続され、かつ、ペルチェメタライゼーション８６によって熱源（ヘッダー）８５の導線９１に接続された超格子熱電要素である。超格子ｎ型及びｐ型熱電要素では、電流は超格子界面を介して直交若しくはほぼ直交する。電流はペルチェ接合メタライゼーションを介して同じ方向に流れ、ｐ型熱電要素からｎ型熱電要素に進む。超格子型熱電要素は図４から図６に示したような構成において用いてもよい。

本発明による装置は、ペルチェ接合メタライゼーションの抵抗を低下させることができ、作用（熱移動）流体とルチェ接合メタライゼーションとの間で大きな損失なく効果的に熱移動を実現できる。効果的なことに、両側ペルチェ接合構造を用いると、放射性及び対流性の熱損失を低減できる。ｐ型及びｎ型熱電要素は量子閉じ込め型構造又は量子ドット超格子材料であってもよい。これらの材料は図４から図６に示したような多くの構成で備えてもよい。本発明による熱電装置は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイアモンド、ＢｅＯ他の良好な熱伝導度を有する材料の熱スプレッダー／プレートと共に使用してもよい。本発明による装置は、カスケーディング又はマルチステージ熱電クーラーと組み合わせて用いることもできる。米国特許第６，５０５，４６８号明細書を参照されたい。この内容は参考文献として本願に組み込まれている。

冷却以外に、これらの装置は電力変換に応用してもよい。図１から図８において、熱は、ヒートシンク板より厚い熱源板に吸収され、ヒートシンク板に蓄積され、これによって外部電流を生成する。これは、熱電装置がそのモードで作動するときに、外部電源が電流源をクーラー又はヒーターに提供する構成と対照的である。

これらの装置は図９から図１３に示すように製造してもよい。米国特許第６，３００，１５０号明細書に記載されている製造方法は、本発明の装置の製造において適用し及び／又は採用してもよい。図９では、熱電要素１０１−１０３を対応するメタライゼーション１０４−１０６と共に有する基板１００の断面図を示す。熱電要素はｎ型又はｐ型であってもよく、バルク型、薄膜型又は超格子型要素であってもよい。熱電要素は、基板１００上に層を形成するとして典型的に記載される手法を用いて形成される。次いで、ペルチェメタライゼーションの層はその層上に形成してもよい。個々の要素１０１−１０３は、所望の寸法にフォトリソグラフィ及びエッチングのような標準的なパターニング手法を用いて形成してもよい。要素は例えばマトリックスのようないかなるパターンで形成してもよい。

コネクション（接続）１０８，１０９及び１１０を含むコネクションの一パターンを有するヒートシンク（冷却ヘッダー）をペルチェメタライゼーションを介して要素に取り付ける。コネクション１０８−１１０及びメタライゼーション１０４−１０６はできるだけ低い抵抗を有する電気的コンタクトを形成する。ヘッダー１０７上のコネクションは、所望の熱電要素にコネクションを提供し及び／又は熱電要素に相互接続するパターンを形成する。次いで、図１１に示すように、基板を除去し、メタライゼーション１１１，１１２及び１１３を形成する第２のペルチェメタライゼーションを、基板１００が除去される側である熱電要素の側に形成する。その代わりに、少なくとも熱電要素のいくつかはヘッダー１０７上に直接堆積してもよい。本発明の好適な実施形態では、熱電要素が堆積され又はエッチングされる基板を、基板が載置されるクオーツのような低熱伝導度の光透過性材料から成るセパレータを有するサセプターを含む装置内における堆積（デポジッション）によって前駆体（例えば、金属有機の）がクラッキングする温度より低い温度を維持する。サセプターを前駆体クラッキング温度まで加熱する一方、基板はセパレータによってより低い堆積温度に維持する。基板はセパレータを透過して基板に達した黒体放射によって加熱される。上述の米国特許第６，０７１，３５１号明細書に開示したような方法によって、熱電材料をヘッダーに堆積できる。本発明では、ヘッダーは半導体ウェーハ自体を含むことができ、このような低温技術によって、集積型又は電源スイッチ装置を含む加工された半導体ウェーハであり得る。

次いで、コネクション１１５，１１６及び１１７を有する熱源（ヘッダー）１１４は、メタライゼーション１１１−１１３を介して図１２に示したような熱要素に取り付けられている。ヘッダー１１４におけるコネクションは、熱要素１０１−１０３をヘッダー１１４の他の側に配備される熱要素に接続する所望のパターンで配備される。

熱要素１０１−１０３に対して反対の導電型を有する熱要素の他のセットは、図９−図１１においては上述と同じ様式で準備する。図１３に示したように、熱要素１２１，１２２及び１２３の第２のセットは、ペルチェメタライゼーション１２４，１２５及び１２６を介してヒートシンク（ヘッダー）１２７のコンタクト１２８，１２９及び１３０に取り付けられている。熱要素１２１−１２３は、ペルチェメタライゼーション１１８，１１９及び１２０を介してヘッダー１１４のコンタクト１１５−１１７に取り付けられている。代替として、熱要素及びペルチェメタライゼーションのうちの少なくともいくつかはヘッダー１２７上に直接堆積されてもよい。ヘッダーにおけるコネクションの異なるパターンは、熱要素の直列又は並列導電性コネクションを形成することができる。

また、本発明は、熱電装置について、上述の米国仮出願第６０／４２８，７５３号に記載したように、単極カップルの各端部において非常に大きな温度差を付与するために、２個の電気的ターミナルと３個の温度ターミナルを用いて単極ｐ−ｐ又はｎ−ｎカップルを利用するトランスサーミスタを利用することができる。例えば、完成品のモジュールをｐ−ｐ又はｎ−ｎ単極トランスサーミスタカップルのセットで構成できるが、モジュールへ容易に一体にするためにｎ−ｎトランスサーミスタ単極カップルの接続においてｐ−ｐトランスサーミスタ単極カップルを用いてことができる。この単極トランスサーミスタ装置の利点は、ＺＴはより高いが、ｐ型又はｎ型熱要素のような一の極性型の要素を使用することを含むことである。単極要素のペアのそれぞれにおいて温度差を付与するために、単極要素のペア群を通って反対に電流が流れるように駆動する。例えば、本発明では、モジュールは、従来のｐ−ｎカップルを形成するために、３００Ｋで〜１．２から１．９のＺＴを有するｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３を母材とする超格子熱要素と組み合わせるのではなく、３００Ｋで〜２．５のＺＴを有するｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３／Ｓｂ_２Ｔｅ_３超格子熱要素だけを用いて構成することができる。代替として、本発明は、３００Ｋにおいてはるかに低いＺＴを有するｐ型ＰｂＴｅを母材とする超格子熱要素に結合するのでなく、３００Ｋで〜１．６のＺＴを有するｎ型ＰｂＴｅＳｅ／ＰｂＴｅ量子ドット超格子熱要素だけを用いることができる。このアプローチでは、図２に示した熱要素２７はｎ型熱要素であるように構成され、電流は、熱源２５への冷却を保証するために、熱要素２７及び２３を介して反対方向に付与することができる。

本発明の両側ペルチェ接合装置は多くの用途に応用可能である。これらの用途は、室温近傍での冷却用途を含むだけでなく（例えば、冷蔵庫やエアーコンディショナーユニットや他の冷却装置におけるコンプレッションを主とする冷却エンジンの置換、半導体ＩＣ及び電力装置熱管理における強制的空気冷却の置換若しくは増強、及び、液相変化冷却の置換若しくは増強、等）、極低温冷却用途に拡張することができる。例えば、本発明の一の用途は、電気モーター及び発電機に使用されている冷却超伝導コイルである。この場合にいいて、本発明の熱要素装置は超伝導コイルに熱接触して配備される。超伝導コイルへの熱接触は、米国特許第６，５０５，４６８号明細書に開示された手法と同様な手法で実現される。大型電力工業用モーター及び発電機では、超伝導コイルの使用は非常に有効である。工業用モーター及び発電機に超伝導コイルを応用することは、ローターオーミック損失（すなわち、Ｉ^２Ｒ）を実質的に低減する。Ｉ^２Ｒ損失の減少は、超伝導コイルの冷却用に要する追加の電力を補償する以上のものである。いくつかの高温超伝導体は磁場（例えば、電気モータ又は発電機）の存在下で７７Ｋの液体窒素温度で超伝導になるが、これらの液体窒素超伝導体の電流運搬能力が低下する。こうして、より高価な液体ヘリウム（４．２Ｋの温度で）は、３０Ｋから５０Ｋで超伝導コイルを維持するために用いられる。この場合、磁場の存在下でも電流運搬能力は低下しない。

さらに詳細には、本発明の両側ペルチェ接合装置を、、冷却又は電力ヘッダーとして集積回路チップ又は電力スイッチング装置の裏側（バックサイド）に熱接触させて用いることができる。裏側は、特にこれが導電性ならば、電流を熱電要素に閉じ込められるように適切に変形（加工）しておく必要がある。適した準備の一例は、チップの裏側でのｐ−ｎ接合アイソレーションであり、電流は所望の熱電要素を介して流れ、すなわち、要素内に閉じ込められ、チップの導電性裏側によって短絡されない。同様な電流の閉じ込めを達成するための裏側の他の加工も可能である。裏側は、電力発電のような他の目的のために使用できる熱を抽出するために用いてもよい。例えば、熱を用いて生成された電力は、他の回路又は他の冷却装置に電力を供給するために用いることができる。

代替として、集積回路チップ又は半導体電力スイッチング装置の裏側又は表側（フロントサイド）は熱的に、本発明の両側ペルチェ接合装置に熱的に接続可能である。

本発明の多くの変更及び変形は上述の教示に照らして可能である。従って、特許請求の範囲の範囲内で、本発明がここに特に記載したものと異なるように実施され得ることを理解されたい。

従来の熱電装置の概略構成図である。本発明による熱電装置の概略構成図である。本発明による熱電装置における熱流の模式図である。本発明による熱的に並列でかつ電気的に直列の熱電モジュールの概略構成図である。本発明による熱的に並列でかつ電気的に直列の熱電モジュールの概略構成図である。本発明による熱的に並列でかつ電気的に並列の熱電モジュールの概略構成図である。本発明による熱電装置の概略構成図である。本発明による超格子熱電装置の概略構成図である。本発明による熱電モジュールの製造を図示する概略断面図である。本発明による熱電モジュールの製造を図示する概略断面図である。本発明による熱電モジュールの製造を図示する概略断面図である。本発明による熱電モジュールの製造を図示する概略断面図である。本発明による熱電モジュールの製造を図示する概略断面図である。

符号の説明

２０ヒートシンク
２１導線（リード）
２２，２４，２６，２８ペルチェ接合メタライゼーション
２３ｎ型熱電要素
２５熱源（ヘッダー）
２７ｐ型熱電要素
２９第１のヒートシンク
３１コンタクト
４０，４１，４２熱電装置
４３，４５ヒートシンク（ヘッダー）
４４熱源
５０，５１，５２熱電装置
５３，５５ヒートシンク（ヘッダー）
５４熱源
５６相互接続
６０，６１，６２熱電装置
６３，６５ヒートシンク（ヘッダー）
６４熱源（ヘッダー）
６６，６７相互接続
７１，７２コンタクト
８２，８４，８６，８８ペルチェメタライゼーション
８３ｎ型熱電要素
８５熱源（ヘッダー）
１００基板
１０１−１０３熱電要素
１０４−１０６メタライゼーション
１０８，１０９，１１０コネクション
１１１，１１２，１１３メタライゼーション

Claims

熱源部材と、
前記熱源部材の一の側に接続された一の導電型の第１の熱電要素と、
前記熱源部材の他の側に接続された前記の一の導電型の反対の導電型の第２の熱電要素と、を備え、
第１及び第２の熱電要素は、前記熱源部材の厚さ方向に接続されている熱電装置。
前記第１の熱電要素に取り付けられた第１のヒートシンクと、
前記第２の熱電要素に取り付けられた第２のヒートシンクと、を備えた請求項１に記載の熱電装置。
前記第１の熱電要素上に形成され、前記第１の熱電要素と前記熱源部材との間を接続する第１の金属コンタクトと、
前記第２の熱電要素上に形成され、前記第２の熱電要素と前記熱源部材との間を接続する第２の金属コンタクトと、を備えた請求項１に記載の熱電装置。
前記熱源部材に形成され、前記第１の金属コンタクト及び前記第２の金属コンタクトに接続された第３のコンタクトを備えた請求項３に記載の熱電装置。
前記第１の金属コンタクト及び前記第２の金属コンタクトのそれぞれがペルチェ金属コンタクトを備えた請求項３に記載の熱電装置。
前記第１の熱電要素に取り付けられた第１のヒートシンクと、
前記第２の熱電要素に取り付けられた第２のヒートシンクと、
前記第１の熱電要素上に形成され、前記第１の熱電要素と前記第１のヒートシンクとの間を接続する第３の金属コンタクトと、
前記第２の熱電要素上に形成され、前記第２の熱電要素と前記第２のヒートシンクとの間を接続する第４の金属コンタクトと、を備えた請求項３に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素と、前記第１及び第２の金属コンタクトとは、前記第１及び第２の熱電要素を通って流れる電流の方向が前記第１及び第２の金属コンタクトを通って流れる電流の方向に実質的に同じであるように配置されている請求項３に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素のうちの少なくとも一方は、バルク要素、薄膜要素及び超格子要素のうちの一つを備えている請求項１に記載の熱電装置。
前記超格子要素は、Ｂｉ_２Ｔｅ_３／Ｓｂ_２Ｔｅ_３超格子及びＳｉ／Ｇｅ超格子のうちの少なくとも一方を備えた請求項８に記載の熱電装置。
前記超格子要素は、熱源部材に平行に配置されかつ１より大きなＺＴを有する異なる熱電材料から成る層を備えた請求項８に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素のうちの少なくとも一方は、量子井戸材料及び量子ドット材料のうちの一方を備えている請求項１に記載の熱電装置。
前記熱源部材は、冷凍ユニット及びエアーコンディショナーユニットのうちの少なくとも一方における熱交換器に熱的に接続されている請求項１に記載の熱電装置。
前記熱源部材が超伝導要素に熱的に接続されている請求項１に記載の熱電装置。
前記熱源部材が集積回路及び超伝導電力スイッチング装置のうちの少なくとも一方に熱的に接続されている請求項１に記載の熱電装置。
第１の導電型の第１の熱電要素と、
前記第１の導電型と反対の導電型の第２の熱電要素と、
前記第１の熱電要素と前記第２の熱電要素との間に配備され熱源部材であって、が該熱源部材の厚さを挟んで前記第１の熱電要素と前記第２の熱電要素とを電気的に接続する熱源部材と、を備えた熱電装置。
前記第１の熱電要素及び前記熱源要素に接触する、前記第１の熱電要素上に形成された第１の金属コンタクトと、
前記第２の熱電要素及び前記熱源要素に接触する、前記第２の熱電要素上に形成された
第２の金属コンタクトと、を備えた請求項１５に記載の熱電装置。
前記熱源部材において形成されかつ前記第１及び第２の金属コンタクトに接続する第３のコンタクトを備えた請求項１６に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の金属コンタクトはそれぞれ、ペルチェ金属コンタクトを備えた請求項１６に記載の熱電装置。
前記第１の熱電要素に取り付けられた第１のヒートシンクと、
前記第２の熱電要素に取り付けられた第２のヒートシンクと、
前記第１の熱電要素上に形成され、前記第１の熱電要素と前記第１のヒートシンクとの間を接続する第３の金属コンタクトと、
前記第２の熱電要素上に形成され、前記第２の熱電要素と前記第２のヒートシンクとの間を接続する第４の金属コンタクトと、を備えた請求項１６に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素と、前記第１及び第２の金属コンタクトとは、前記第１及び第２の熱電要素を通って流れる電流の方向が前記第１及び第２の金属コンタクトを通って流れる電流の方向に実質的に同じであるように配置されている請求項１６に記載の熱電装置。
前記第１の熱電要素に取り付けられた第１のヒートシンクと、
前記第２の熱電要素に取り付けられた第２のヒートシンクと、を備えた請求項１５に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素はそれぞれ、バルク要素、薄膜要素及び超格子要素のうちの一つを備えている請求項１５に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素のうちの少なくとも一方は、バルク要素、薄膜要素及び超格子要素のうちの一つを備えている請求項１５に記載の熱電装置。
前記超格子要素は、Ｂｉ_２Ｔｅ_３／Ｓｂ_２Ｔｅ_３超格子及びＳｉ／Ｇｅ超格子のうちの少なくとも一方を備えた請求項２３に記載の熱電装置。
前記超格子要素は、熱源部材に平行に配置されかつ１より大きなＺＴを有する異なる熱電材料から成る層を備えた請求項２３に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素のうちの少なくとも一方は、量子井戸材料及び量子ドット材料のうちの一方を備えている請求項１５に記載の熱電装置。
前記熱源部材は、冷凍ユニット及びエアーコンディショナーユニットのうちの少なくとも一方における熱交換器に熱的に接続されている請求項１５に記載の熱電装置。
前記熱源部材が超伝導要素に熱的に接続されている請求項１５に記載の熱電装置。
前記熱源部材が集積回路及び超伝導電力スイッチング装置のうちの少なくとも一方に熱的に接続されている請求項１５に記載の熱電装置。
熱源部材と、
前記熱源部材の一の側に接続された一の導電型だけの複数の第１の熱電要素と、
前記熱源部材の他の側に接続された前記の一の導電型の反対の導電型だけの複数の第２の熱電要素と、を備え、
前記の複数の第１及び前記の複数の第２の熱電要素は、前記熱源部材の厚さ方向に接続されている熱電装置。
前記の複数の第１の熱電要素のそれぞれに取り付けられた第１のヒートシンクと、
前記の複数の第２の熱電要素のそれぞれに取り付けられた第２のヒートシンクと、を備えた請求項３０に記載の熱電装置。
前記の複数の第１の熱電要素のそれぞれの上に形成され、前記の複数の第１の熱電要素のそれぞれと前記熱源部材との間を接続する第１の金属コンタクトと、
前記の複数の第２の熱電要素のそれぞれの上に形成され、前記の複数の第２の熱電要素のそれぞれと前記熱源部材との間を接続する第２の金属コンタクトと、を備えた請求項３０に記載の熱電装置。
前記熱源部材において形成され、それぞれが前記第１の金属コンタクト及び前記第２の金属コンタクトに接続された複数の第３のコンタクトを備えた請求項３２に記載の熱電装置。
前記第１の金属コンタクト及び前記第２の金属コンタクトのそれぞれがペルチェ金属コンタクトを備えた請求項３２に記載の熱電装置。
前記の複数の第１の熱電要素のそれぞれに取り付けられた第１のヒートシンクと、
前記の複数の第２の熱電要素のそれぞれに取り付けられた第２のヒートシンクと、
前記の複数の第１の熱電要素のそれぞれの上に形成され、前記の複数の第１の熱電要素のそれぞれと前記第１のヒートシンクとの間を接続する第３の金属コンタクトと、
前記の複数の第２の熱電要素のそれぞれの上に形成され、前記の複数の第２の熱電要素のそれぞれと前記第２のヒートシンクとの間を接続する第４の金属コンタクトと、を備えた請求項３２に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素と、前記第１及び第２の金属コンタクトとは、前記第１及び第２の熱電要素のそれぞれを通って流れる電流の方向が前記第１及び第２の金属コンタクトを通って流れる電流の方向に実質的に同じであるように配置されている請求項３２に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素はそれぞれ、バルク要素、薄膜要素及び超格子要素のうちの一つを備えている請求項３０に記載の熱電装置。
前記の複数の第１及び第２の熱電要素は熱的に並列でかつ電気的に直列に相互接続されている請求項３０に記載の熱電装置。
前記の複数の第１及び第２の熱電要素は熱的に並列でかつ電気的に並列に相互接続されている請求項３０に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素のうちの少なくとも一方は、バルク要素、薄膜要素及び超格子要素のうちの一つを備えている請求項３０に記載の熱電装置。
前記超格子要素は、Ｂｉ_２Ｔｅ_３／Ｓｂ_２Ｔｅ_３超格子及びＳｉ／Ｇｅ超格子のうちの少なくとも一方を備えた請求項４０に記載の熱電装置。
前記超格子要素は、熱源部材に平行に配置されかつ１より大きなＺＴを有する異なる熱電材料から成る層を備えた請求項４０に記載の熱電装置。
前記第１及び第２の熱電要素のうちの少なくとも一方は、量子井戸材料及び量子ドット材料のうちの一方を備えている請求項３０に記載の熱電装置。
前記熱源部材は、冷凍ユニット及びエアーコンディショナーユニットのうちの少なくとも一方における熱交換器に熱的に接続されている請求項３０に記載の熱電装置。
前記熱源部材が超伝導要素に熱的に接続されている請求項３０に記載の熱電装置。
前記熱源部材が集積回路及び超伝導電力スイッチング装置のうちの少なくとも一方に熱的に接続されている請求項３０に記載の熱電装置。
熱源部材と、
前記熱源部材の一の側に接続された所定の導電型の第１の熱電要素と、
前記熱源部材の反対側に接続された異なる導電型の第２の熱電要素と、を備え、
第１及び第２の熱電要素は、前記熱源部材の厚さ方向に接続され、
前記第１の熱電要素及び前記第２の熱電要素は、前記の熱電要素のそれぞれの間の温度差を確保するように、互いに反対に電流が流れる熱電装置。
熱源部材の厚さをはさんで熱源部材の反対側に接続された第１及び第２の熱電要素であって、一の導電型の要素だけが前記の側のそれぞれ一方上で、前記要素のそれぞれと前記部材との間の金属コンタクトになっているところの第１及び第２の熱電要素を有する熱電装置を作動する方法であって、
前記第１及び第２の熱電要素の各ペアを流れる電流が前記金属コンタクト内を流れる電流の方向と実質的に同じ方向に流す段階を備えた方法。
熱源部材と、前記熱源部材の一の側に接続された第１導電型の第１の熱電要素と、前記熱源部材の反対側に備えられ第２導電型の第２の熱電要素であって、前記熱源部材の厚さをはさんで前記第１の熱電要素に接続された第２の熱電要素とを有する熱電装置を製造する方法であって、
第１の熱電材料を、サセプターが前駆体クラッキング温度よりも低い温度に維持されている第１の堆積システムにおいて前記第１の熱電要素の少なくとも一部として堆積する段階と、
第２の熱電材料を、サセプターが前駆体クラッキング温度よりも低い温度に維持されている第２の堆積システムにおいて前記第２の熱電要素の少なくとも一部として堆積する段階と、を備えた方法。
熱源部材と、前記熱源部材の一の側に接続された第１導電型の第１の熱電要素と、前記熱源部材の反対側に備えられ第２導電型の第２の熱電要素であって、前記熱源部材の厚さをはさんで前記第１の熱電要素に接続された第２の熱電要素とを有する熱電装置を製造する方法であって、
第１の熱電材料を、サセプターが前駆体クラッキング温度よりも低い温度に維持されている第１の堆積システムにおいて前記第１の熱電要素の少なくとも一部として堆積する段階と、
第２の熱電材料を、サセプターが前駆体クラッキング温度よりも低い温度に維持されている第２の堆積システムにおいて前記第２の熱電要素の少なくとも一部として堆積する段階と、を備えた方法。