JP2011530176A - 熱的な分離が向上した熱電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
通常、従来のTEモジュール200は、概ね一方向に流れる電流を有する。図4Aは、図2の従来のTEモジュール200の側面図を示している。たとえば、電流経路302は、図4Aでは左から右に流れるように示されている。電流経路302は、頂部基板108および底部基板112に概ね垂直であり複数のTE素子106の列に概ね平行な平面内で蛇行している。しかし、電流経路302は、図4Bの一部切り欠き平面図によって示されているように、頂部基板108および底部基板112に概ね平行な平面内では実質的に直線状である。
複数の熱電システム構成の例が、引用によって本明細書に組み込まれる米国特許第6959555号に記載されている。図10Aは、複数のTE素子1006が電流の流れ1012の方向に積み重ねられたTEモジュール1000を示している。各TE素子1006は、第1の伝熱構造1004および第2の伝熱構造1012に隣接しており、したがって、TE素子1006は第1の伝熱構造1004と第2の伝熱構造1012との間に挟まれている。第1の伝熱構造1004および第2の伝熱構造1012は、それぞれ第1の熱交換器1008および第2の熱交換器1010と熱的に連絡するシャントであってよい。ある実施形態では、熱伝導性かつ電気絶縁性の材料が、第1の伝熱構造1004と第1の熱交換器1008との間、および第2の伝熱構造1012と第2の熱交換器1010との間に位置している。たとえば、窒化アルミニウムを熱伝導性かつ電気絶縁性の材料として使用することができる。熱伝導性かつ電気絶縁性の材料は、第1の伝熱構造1004と第1の熱交換器1008との電気的な導通、および第2の伝熱構造1012と第2の熱交換器1010との電気的な導通を防止することができる。TE素子1006、第1の伝熱構造1004、および第2の伝熱構造1012がスタックを形成している。ある実施形態では、スタックの複数のTE素子1006は互いに直列に電気的に導通している。複数のTE素子1006を第1の伝熱構造1004および第2の伝熱構造1012に取り付けることによって応力が誘導される。しかし、図1Bに示されている従来のTEシステム100とは異なり、互いに隣接するTE素子1006同士の間にせん断応力が誘導されることはない。ある実施形態では、第1の伝熱構造1004および第2の伝熱構造1012は、図10Cに示されているように、それぞれ複数のp型TE素子および複数のn型TE素子に隣接している。第1の伝熱構造1004と第2の伝熱構造1012との間に挟まれた複数のTE素子1006は、第1の伝熱構造1004、第2の伝熱構造1012、および/またはTE素子1006を通る電流の流れの方向に概ね垂直な方向に互いに離して配置されている。
動作電圧を高くするには複数のTEシステムを直列に電気的に導通させるように接続すると有利であるが、信頼性を向上させるには並列に電気的に導通させるように接続すると有利である。図1〜11に示されているTEモジュール100、1000は、数種の直列および/または並列の構造として構成することができる。図26Aは、直列に電気的に導通するように電気的に接続された複数のTEモジュール2600を示している。図26Bは、並列に電気的に導通するように電気的に接続された複数のTEモジュール2600を示している。図26Cは、直列に電気的に導通するとともに並列に電気的に導通するように電気的に接続された複数のTEモジュール2600を示している。図26A〜26Cの複数のTEモジュールはそれぞれ、電圧源2602およびグランド2604に接続されている。ある実施形態では、熱電システムは、互いに概ね直列に電気的に導通する第1の複数のTE素子と、互いに概ね直列に電気的に導通する第2の複数のTE素子とを含んでおり、この場合、第1の複数のTE素子は第1の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続され、第2の複数のTE素子は第2の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続される。少なくとも1つの導電素子は、第1の複数の導電シャントの少なくとも1つおよび第2の複数の導電シャントの少なくとも1つと電気的に導通し、第1の複数のTE素子の少なくとも一部は、少なくとも1つの導電素子によって第2の複数のTE素子の少なくとも一部に並列に電気的に接続される。
熱交換器は、比較的コストが安く、かつ押し出し成形プロセス時または押し出し成形プロセス後に伝熱強化部材を形成可能であるため、押し出し成形されたアルミニウム製の中空形状から構成されることが多い。しかし、銅は一般に、複数のTE素子を互いに電気的に接続するシャントに、アルミニウムよりも適している。たとえば、銅は一般に、アルミニウムよりはんだぬれ性が良好であり、電気抵抗率が低く、熱伝導抵抗率が低い。したがって、TEモジュールは一般に、アルミニウム製熱交換器が取り付けられた銅製シャントを有する。しかし、銅は一般に、アルミニウムよりCTEが低く、アルミニウムと銅との熱膨張係数(たとえばCTE)の相違、すなわちCTEの不一致は、一般に、(たとえば、TEモジュールの複数の構成部材が一緒にはんだ付けされ組み立てられた後で温度低下するときに)TEモジュールに残留応力を生じさせるほど大きい。
作動媒体の流れ方向における熱の分離は、TEシステムの性能を向上させることができる。ある実施形態では、TEシステムでは、作動媒体の流れ方向に少なくとも部分的な熱の分離が生じる。ある実施形態では、TEシステムは、少なくとも1つのTE素子と熱的に連絡する伝熱装置を有する少なくとも1つのTE素子を含んでいる。伝熱装置は、作動媒体がその伝熱装置と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成することができる。ある実施形態では、伝熱装置は、作動媒体の流れ方向に第1の熱伝導率を有し、作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に第2の熱伝導率を有している。第2の熱伝導率は一般に第1の熱伝導率より高い。
Claims (43)
- 少なくとも1つのセルを有する熱電システムであって、
前記少なくとも1つのセルは、
第1の方向に沿って延びる第1の複数の導電シャントと、
前記第1の方向に非平行な第2の方向に沿って延びる第2の複数の導電シャントと、
第1の複数の熱電(TE)素子と、を含み、
前記第1の複数のTE素子は、
前記第1の複数のシャントのうちの第1のシャントと前記第2の複数のシャントのうちの第2のシャントとの間に位置し、かつ前記第1のシャントおよび前記第2のシャントと電気的に導通する第1のTE素子と、
前記第2のシャントと前記第1の複数のシャントのうちの第3のシャントとの間に位置し、かつ前記第2のシャントおよび前記第3のシャントと電気的に導通する第2のTE素子と、
前記第3のシャントと前記第2の複数のシャントのうちの第4のシャントとの間に位置し、かつ前記第3のシャントおよび前記第4のシャントと電気的に導通する第3のTE素子と、を有し、
電流が、前記第1のシャントを通って前記第1の方向に実質的に平行に流れ、前記第1のTE素子を通過し、前記第2のシャントを通って前記第2の方向に実質的に平行に流れ、前記第2のTE素子を通過し、前記第3のシャントを通って前記第1の方向に実質的に平行に流れ、前記第3のTE素子を通過し、前記第4のシャントを通って前記第2の方向に実質的に平行に流れる
熱電システム。 - 前記電流は、前記第1のシャントおよび前記第3のシャントを通って、互いに実質的に平行な複数の方向に流れ、かつ前記電流は、前記第2のシャントおよび前記第4のシャントを通って、互いに実質的に逆平行な複数の方向に流れる、請求項1に記載の熱電システム。
- 前記セルは、前記第4のシャントに電気的に導通する第4のTE素子をさらに有し、前記電流は前記第4のTE素子を通って流れる、請求項1に記載の熱電システム。
- 前記少なくとも1つのセルは、互いに電気的に直列の複数のセルを含む、請求項3に記載の熱電システム。
- 前記第1の複数のTE素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡している少なくとも1つの熱交換器をさらに有し、前記少なくとも1つの熱交換器は、第1の作動媒体が前記少なくとも1つの熱交換器を通って流れるのを可能にするように構成されている、請求項1に記載の熱電システム。
- 前記第1の作動媒体のうちの少なくとも一部が、前記第2の方向に実質的に平行な方向に流れる、請求項5に記載の熱電システム。
- 前記第1の複数のTE素子のうちの複数の前記TE素子は、互いに実質的に平行な第1の列および第2の列をなすように配置され、前記第1のTE素子および前記第2のTE素子が前記第1の列をなすように配置され、前記第3のTE素子が前記第2の列をなすように配置されている、請求項5に記載の熱電システム。
- 前記少なくとも1つの熱交換器は、前記第1の列の複数のTE素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡する第1の熱交換器と、前記第2の列の複数のTE素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡する第2の熱交換器と、を有する、請求項7に記載の熱電システム。
- 前記第1の熱交換器は第1の側および第2の側を有し、前記第1の熱交換器の前記第1の側が、前記第1の列の複数のTE素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡しており、前記第2の熱交換器は第1の側および第2の側を有し、前記第2の熱交換器の前記第1の側は、前記第2の列の複数のTE素子のうちの少なくともいくつかと熱的に連絡しており、
前記熱電システムは、
前記第1の方向に沿って延び、かつ前記第1の熱交換器の前記第2の側および前記第2の熱交換器の前記第2の側の少なくとも一方と熱的に連絡している第3の複数の導電シャントと、
前記第2の方向に沿って延びる第4の複数の導電シャントと、
第2の複数のTE素子であって、前記第3の複数のシャントの第5のシャントと前記第4の複数のシャントの第6のシャントとの間に位置し、かつ前記第5のシャントおよび前記第6のシャントと熱的に連絡する第4のTE素子と、前記第6のシャントと前記第3の複数のシャントの第7のシャントとの間に位置し、かつ前記第6のシャントおよび前記第7のシャントと熱的に連絡する第5のTE素子と、前記第7のシャントと前記第4の複数のシャントの第8のシャントとの間に位置し、かつ前記第7のシャントおよび前記第8のシャントと熱的に連絡する第6のTE素子と、を含み、電流が、前記第5のシャントを通って前記第1の方向に実質的に平行に流れ、前記第4のTE素子を通過し、前記第6のシャントを通って前記第2の方向に実質的に平行に流れ、前記第5のTE素子を通過し、前記第7のシャントを通って前記第1の方向に実質的に平行に流れ、前記第6のTE素子を通過し、前記第8のシャントを通って前記第2の方向に実質的に平行に流れる、第2の複数のTE素子と、を有する
請求項8に記載の熱電システム。 - 前記第2の複数のTE素子のうちの複数のTE素子は、互いに実質的に平行でありかつ前記第1および第2の列に実質的に平行な第3の列と第4の列をなすように配置され、前記第4のTE素子および前記第5のTE素子は前記第3の列をなすように配置され、前記第6のTE素子は前記第4の列をなすように配置されている、請求項9に記載の熱電システム。
- 前記第1の熱交換器は、前記第3の列の複数のTE素子と熱的に連絡し、前記第2の熱交換器は、前記第4の列の複数のTE素子と熱的に連絡する、請求項10に記載の熱電システム。
- 前記第1の複数のTE素子と熱的に連絡し、かつ第2の作動媒体が内部を通って流れるのを可能にするように構成された第3の熱交換器をさらに有する、請求項11に記載の熱電システム。
- 前記第2の複数のTE素子と熱的に連絡し、かつ第2の作動媒体が内部を通って流れるのを可能にするように構成された第4の熱交換器をさらに有する、請求項12に記載の熱電システム。
- 前記第3の熱交換器は複数のフィンを有する、請求項12に記載の熱電システム。
- 熱電システムであって、
第1の部分および第2の部分を有し、前記第2の部分が、第1の作動媒体と熱的に連絡するように構成された第1の伝熱構造と、
第1の部分および第2の部分を有し、前記第2の部分が、第2の作動媒体と熱的に連絡するように構成された第2の伝熱構造と、
第1の部分および第2の部分を有し、前記第2の部分が、前記第1の作動媒体と熱的に連絡するように構成された第3の伝熱構造と、
前記第1の伝熱構造の前記第1の部分と前記第2の伝熱構造の前記第1の部分との間に挟まれた第1の複数の熱電(TE)素子と、
複数のTE素子および複数の伝熱構造のスタックを形成するように、前記第2の伝熱構造の前記第1の部分と前記第3の伝熱構造の前記第1の部分との間に挟まれた第2の複数のTE素子と、を有し、
前記第1の伝熱構造の前記第2の部分と前記第3の伝熱構造の前記第2の部分が、第1の方向に前記スタックから離れるように突出し、前記第2の伝熱構造の前記第2の部分が、前記第1の方向と概ね逆の第2の方向に前記スタックから離れるように突出している
熱電システム。 - 前記第1の複数のTE素子は互いに並列に電気的に導通し、前記第2の複数のTE素子は互いに並列に電気的に導通する、請求項15に記載の熱電システム。
- 前記第1の伝熱構造は、前記スタックを通る電流の方向に概ね垂直な方向に互いに離れて位置する複数の熱伝導セグメントを有し、前記第3の伝熱構造は、前記スタックを通る電流の方向に概ね垂直な方向に互いに離れて位置する複数の熱伝導セグメントを有する、請求項15に記載の熱電システム。
- 前記第2の伝熱構造は、複数の熱伝導セグメントと、前記第2の伝熱構造の前記セグメント同士の間の1つ以上の電気絶縁スペーサと、を有する、請求項17に記載の熱電システム。
- 前記第1の複数のTE素子のうちの少なくともいくつかは、互いに概ね直列に電気的に導通し、前記第2の複数のTE素子の少なくともいくつかは、互いに概ね直列に電気的に導通する、請求項15に記載の熱電システム。
- 前記第1の複数のTE素子よりも小さい弾性係数を有する材料をさらに含み、前記材料は、前記スタック内の、少なくとも1つの第1の部分と、隣接するTE素子との間に挟まれている、請求項15に記載の熱電システム。
- 概ね前記スタックに沿う方向の圧縮力の下で前記スタックを保持する支持構造をさらに有する、請求項20に記載の熱電システム。
- 熱電システムであって、
複数の層を有する細長いシャントと、
前記シャントの第1の側に位置し、かつ前記シャントと電気的に導通するとともに熱的に連絡する第1の熱電(TE)素子と、
前記シャントの前記第1の側に位置し、かつ前記シャントと電気的に導通するとともに熱的に連絡する第2のTE素子と、
前記シャントの第2の側に位置し、かつ前記シャントと熱的に連絡する伝熱構造と、を有する熱電システム。 - 前記複数の層は第1の層と少なくとも1つの第2の層とを有し、前記少なくとも1つの第2の層は、前記シャントの前記第1の側の少なくとも一部を含む、請求項22に記載の熱電システム。
- 前記少なくとも1つの第2の層は、前記第1の層の湾曲をほとんど歪ませない、請求項23に記載の熱電システム。
- 前記第1の層は軽量で導電性の材料を含み、前記第2の層の少なくとも一部ははんだ付け可能な材料を含む、請求項24に記載の熱電システム。
- 前記第1のTE素子は前記第2のTE素子から離れて位置する、請求項24に記載の熱電システム。
- 前記シャントの少なくとも一部は熱的に活性の材料を含む、請求項24に記載の熱電システム。
- 熱電システムにおいて、
作動媒体が第1の導管と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された第1の導管と、作動媒体が少なくとも1つの第2の導管と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成された少なくとも1つの第2の導管と、を含む伝熱構造と、
互いに概ね直列に電気的に導通する第1の複数の熱電(TE)素子であって、前記第1の導管の第1の側と熱的に連絡し、かつ前記少なくとも1つの第2の導管から熱的に実質的に分離された第1の数のTE素子と、前記少なくとも1つの第2の導管の第1の側と熱的に連絡し、かつ前記第1の導管から熱的に実質的に分離された第2の数のTE素子と、を含む前記第1の複数のTE素子と、
互いに概ね直列に電気的に導通する第2の複数のTE素子であって、前記第1の導管の第2の側と熱的に連絡し、かつ前記少なくとも1つの第2の導管から熱的に実質的に分離された第3の数のTE素子と、前記少なくとも1つの第2の導管の第2の側と熱的に連絡し、かつ前記第1の導管から熱的に実質的に分離された第4の数のTE素子と、を含む前記第2の複数のTE素子と、
前記第1の複数のTE素子の少なくともいくつかが前記第2の複数のTE素子の少なくともいくつかと並列に電気的に導通するように、前記第1の数のTE素子および前記第3の数のTE素子と電気的に導通する第1の複数の導電シャントと、を有する
熱電システム。 - 前記少なくとも1つの第2の導管は複数の導管を含む、請求項28に記載の熱電システム。
- 前記少なくとも1つの第2の導管は2つの導管を含む、請求項29に記載の熱電システム。
- 熱電システムであって、
互いに概ね直列に電気的に導通し、第1の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続された第1の複数の熱電(TE)素子と、
互いに概ね直列に電気的に導通し、第2の複数の導電シャントによって互いに直列に電気的に接続された第2の複数のTE素子と、
前記第1の複数の導電シャントのうちの少なくとも1つおよび前記第2の複数の導電シャントのうちの少なくとも1つと電気的に導通する少なくとも1つの導電素子と、を有し、
前記第1の複数のTE素子の少なくとも一部は、前記少なくとも1つの導電素子によって、前記第2の複数のTE素子の少なくとも一部に並列に電気的に接続されている
熱電システム。 - 熱電システムであって、
少なくとも1つの熱電(TE)素子と、
前記少なくとも1つのTE素子と熱的に連絡する伝熱装置であって、作動媒体が前記伝熱装置と熱的に連絡した状態で流れるのを可能にするように構成されており、作動媒体の流れ方向に第1の熱伝導率を有し作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に第2の熱伝導率を有する異種材料を含み、前記第2の熱伝導率が第1の熱伝導率よりも高い伝熱装置と、
を有する熱電システム。 - 前記伝熱装置は、作動媒体の流れ方向に沿って延びる第1の複数の糸と、他の方向に沿って延びる第2の複数の糸と、を含むリボンを有する、請求項32に記載の熱電システム。
- 前記第1の複数の糸は第1の材料を含み、前記第2の複数の糸は、前記第1の材料よりも高い熱伝導率を有する第2の材料を含む、請求項33に記載の熱電システム。
- 前記第1の材料は、プラスチックとガラスと接着剤からなるグループから選択され、前記第2の材料は、金属とセラミックスと炭素と無機の繊維およびシートからなるグループから選択されている、請求項34に記載の熱電システム。
- 前記伝熱装置は、連続的な本体と、前記本体上または前記本体内の複数の層と、を有し、前記複数の層は、作動媒体の流れ方向に概ね垂直な方向に沿って延びている、請求項32に記載の熱電システム。
- 前記伝熱装置は異種材料を含む、請求項32に記載の熱電システム。
- 前記伝熱装置が、複数の細長い長穴が貫通する熱導電材料からなる本体を有し、前記長穴は作動媒体の移動方向に概ね垂直であり、前記本体は、複数の折り目と、互いに概ね平行でありかつ作動媒体の移動方向に平行である複数の部分と、を有する、請求項32に記載の熱電システム。
- 前記本体は単一の材料片である、請求項38に記載の熱電システム。
- 前記伝熱装置の少なくとも一部はウイッキング手段である、請求項38に記載の熱電システム。
- 前記システムの少なくとも一部はウイッキング手段に近接しており、水分が前記システムから前記ウイッキング手段に移動するのを可能にしている、請求項38に記載の熱電システム。
- 前記伝熱装置の少なくとも一部はウイッキング手段である、請求項32に記載の熱電システム。
- 前記システムの少なくとも一部はウイッキング手段に近接しており、水分が前記システムから前記ウイッキング手段に移動するのを可能にしている、請求項32に記載の熱電システム。
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