JP2015502043A - 界面材料を有する熱電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2011年11月17日に出願された米国仮特許出願整理番号61/561,177、2011年11月17日に出願された米国仮特許出願整理番号61,561,200、2012年5月22日に出願された米国仮特許出願整理番号61/650,385の優先権の利益を享受する権利を主張する。前述の各出願は、本明細書に参照によってその全体において組み入れられる。
図1Aは、本明細書で記述されるある実施形態に従う例示的な熱電デバイス100を概略的に示す。熱電デバイス100は、少なくとも一つのシャント110および少なくとも一つの熱電素子120を含む可能性がある。少なくとも一つの熱電素子120は、少なくとも一つのシャント110と熱的および電気的に連通する可能性がある。熱電デバイス100は、少なくとも一つのシャント110と少なくとも一つの熱電素子120の間の少なくとも一つの界面材料130をも含む可能性がある。さらには、少なくとも一つの界面材料130は、(i)少なくとも一つのシャント110と少なくとも一つの熱電素子120との間の垂直荷重、(ii)少なくとも一つのシャント110と少なくとも一つの熱電素子120との間のせん断荷重から成る群のうちの少なくとも一つの下で変形するように構成することができる。
1章で記述されたように、界面材料130のある実施形態は、熱電素子120とシャント110の間の界面における応力を減少させるように使用される可能性がある。応力の源は、熱電素子120およびシャント110の一つ以上のアセンブリの製造中の熱膨張不整合と同様に、典型的な動作条件下でのシャント110および熱電素子120の熱膨張における不整合を含む可能性がある。1章で記述された界面材料130の利用は、新規の熱電デバイス100を可能とし、本明細書で記述される熱電デバイス100の新規の製造方法の利用を可能とすることができる。
ある実施形態においては、拡散バリアの機能は、シャント110もしくは界面材料130から熱電素子120へ、ならびに熱電素子120からシャント110への原子の拡散を減少させるかまたは防止するためのものである可能性がある。当該拡散が生じる場合、熱電素子120の特性は、典型的には有害な方法において、ある実施形態において改変される可能性がある。当該有害な拡散の一例は、PbTeへのCu拡散である。Cuはイオンコンダクタである。CuはPbTeへと容易に拡散でき、それによって、熱電素子120をn型になるようにドープすることができる。したがって、ある実施形態においては、図7Aおよび図7Bに概略的に示されるように、熱電デバイス100は、シャント110と界面材料130の間もしくは熱電素子120と界面材料130の間の原子拡散を抑制する(例えば、減少させるか実質的に防止する)のに役立つ、シャント110および熱電素子120の間の拡散バリア160を含む可能性がある。図7Aに示された実施例においては、界面材料130は、少なくとも一つのシャント110と少なくとも一つの熱電素子120の間に拡散バリア160を含む。図7Aにおいては、拡散バリア160は熱電素子120の界面近傍に示されているが、拡散バリア160は、シャント110の近傍もしくは界面材料130の至る所の界面に存在する可能性もある。拡散バリア160は、高い熱および電気コンダクタンスを有し、幾つかの実施形態においては、熱電デバイスの性能の低下を防止するのに役立つ可能性がある。
TE機関は、発電用の熱電デバイス(例えば、熱電式発電機もしくはTEG)の機能的ユニットとして定義される可能性がある。図8Aおよび図8Bは、単一のpn対を含む発電用熱電デバイスの二つの例示的構成を概略的に示す。実際のTEGは、複数対を含む可能性がある。
動作条件下での熱電材料の酸素保護および昇華減少を達成するために、積層は外部コーティングを適用することによって保護される可能性がある。例えば、図12Aに示されるようなある実施形態においては、熱電デバイス1200は、少なくとも一つのシャント1210、少なくとも一つの熱電素子1220、少なくとも一つの界面材料1230上の少なくとも一つのコーティング1250をさらに含む可能性がある。本明細書に記述されるような少なくとも一つのコーティングは、単層もしくは複数層のコーティングを称する可能性がある。コーティング1250は、シャント1210、熱電素子1220、界面材料1230を密封するために、積層されたカートリッジの外部表面に対して適用される可能性がある。それに加えて、もしくはその代わりに、熱電デバイス1200のある実施形態においては、少なくとも一つのシャント1210、少なくとも一つの熱電素子1220、少なくとも一つの界面材料1230上の少なくとも一つのコーティング1250は、熱電素子1220の材料の昇華を減少させるように構成される可能性がある。例えば、全ての外部表面に対して適用されるコーティング1250は、熱電素子1220の材料の昇華を減少させるか、主に防止してもよい。他の実施形態においては、コーティング1250は、少なくとも熱電素子1220のみを被覆し、熱電素子1220の材料の昇華を減少させるか、防止する。さらに別の実施形態においては、コーティング1250は、高温(例えば、昇華元素の分圧が高くなる温度)になることが予期される積層の一部を主に被覆してもよい。
ある実施形態においては、界面せん断応力の減少した熱電デバイスとその製造方法が提供される。図14Aおよび図14Bは、界面応力τを概算するために使用される例示的モデルを概略的に示す。熱電デバイス1400は、高温シャント1401、低温シャント1402、熱電素子1403、熱電素子1403と高温および低温シャント1401、1402其々との間の金属被覆1404、1405を含む可能性がある。図14Aに示されるように、aおよびbは、温度T0における熱電素子1403の特徴的寸法、例えば、外径および高さであって、lo’は、シャント1401、1402の特徴的寸法、例えば外径である。図14Bに示されるように、a’およびb’は、動作温度における熱電素子1403の特徴的寸法、例えば、最大外径および高さである。a’およびb’寸法は、a’=a・CTE2(Thot)であり、b’=b・CTE1(Tcold+Thot)・0.5である。したがって、界面応力τは、以下のように概算されうる。
Claims (48)
- 少なくとも一つのシャントと、
前記少なくとも一つのシャントと熱的および電気的に連通する少なくとも一つの熱電素子と、
前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子との間の少なくとも一つの界面材料と、
を含み、
前記少なくとも一つの界面材料は、シェル材料によって包囲され、かつお互いから分離された複数の領域のうちの各領域を有するコア材料を含む前記複数の領域を含み、前記少なくとも一つの界面材料は、(i)前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子との間の垂直荷重、(ii)前記少なくとも一つのシャントと前記なくとも一つの熱電素子との間のせん断荷重から成る群のうちの少なくとも一つの下で変形を経験するように構成され、前記垂直荷重は前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子にほぼ平行な平面にほぼ垂直な方向にあり、前記せん断荷重は、前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子にほぼ平行な前記平面にほぼ平行な方向にあり、前記変形は、前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子の間の界面応力を減少させる、
ことを特徴とする熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの界面材料は、前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子とに強固に結合される、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの熱電素子および前記少なくとも一つのシャントは、異なる熱膨張係数を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの界面材料は合成材料を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記合成材料は、Ni、Co、Mo、FeおよびCuから成る群のうちの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱電デバイス。 - 前記合成材料は、少なくとも一つの金属によって包囲された少なくとも第一の材料を含む、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの金属は、Ni、Mo、W、Ti、Co、Fe、Hf、ZrおよびBiから成る群のうちの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項6に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも第一の材料は、少なくとも一つの熱的および電気的伝導性を有する材料を含む、
ことを特徴とする請求項6に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの熱的および電気的伝導性を有する材料は、カーボン、グラファイト、シリコンカーバイド、Si、W、TiCもしくはWCを含む、
ことを特徴とする請求項8に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも第一の材料は、少なくとも一つの誘電性材料を含む、
ことを特徴とする請求項6に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの誘電性材料は、セラミックおよびガラスから成る群のうちの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項10に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの誘電性材料は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ガラスフリットおよびガラスバブルのうちの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項11に記載の熱電デバイス。 - 前記合成材料は、約60質量パーセントから約95質量パーセントのニッケルでコーティングされたグラファイトを含む、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱電デバイス。 - 前記グラファイトは、ニッケルの複数の金属層の間の複数の間隙を実質的に充填する、
ことを特徴とする請求項13に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのシャントは銅を含み、前記少なくとも一つの熱電素子は方コバルト鉱を含み、前記少なくとも一つの界面材料はニッケルコーティングされたグラファイトを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの界面材料は前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子との間の拡散バリアを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記拡散バリアは金属シェルを含む、
ことを特徴とする請求項16に記載の熱電デバイス。 - 前記拡散バリアは前記シェル材料上の金属コーティングを含む、
ことを特徴とする請求項16に記載の熱電デバイス。 - 前記拡散バリアは前記少なくとも一つの界面材料内に分散された拡散バリア材料を含む、
ことを特徴とする請求項16に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの界面材料は、少なくとも約95%密度である、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの界面材料と前記少なくとも一つの熱電素子との間の少なくとも一つの拡散バリア材料をさらに含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの拡散バリア材料は、Ni、Mo、W、Fe、Co、Zr、HfおよびVから成る群のうちの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項21に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのシャント、前記少なくとも一つの熱電素子、前記少なくとも一つの界面材料上の少なくとも一つのコーティングをさらに含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのコーティングは、酸化物、セラミクス、ガラス、エナメル、塗料、有機材料、エポキシから成る群のうちの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項23に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのコーティングの熱コンダクタンスは、前記少なくとも一つの熱電素子の熱コンダクタンスの約15%よりも小さく、前記少なくとも一つのコーティングの電気コンダクタンスは、前記熱電素子の電気コンダクタンスの約15%よりも小さい、
ことを特徴とする請求項23に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのコーティングは、前記少なくとも一つのシャント、前記少なくとも一つの熱電素子、前記少なくとも一つの界面材料を密封するように構成される、
ことを特徴とする請求項23に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのコーティングは、前記少なくとも一つの熱電素子の材料の昇華を減少させるように構成される、
ことを特徴とする請求項23に記載の熱電デバイス。 - 前記熱電デバイスは、前記少なくとも一つのシャント、前記少なくとも一つの界面材料、前記少なくとも一つの熱電素子、第二の界面材料の積層を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記積層は第二のシャントをさらに含み、前記第二の界面材料は、前記少なくとも一つの熱電素子と前記第二のシャントとの間にある、
ことを特徴とする請求項28に記載の熱電デバイス。 - 前記積層は、
第三の界面材料と、
第二の熱電素子であって、前記第三の界面材料は前記第二のシャントと前記第二の熱電素子との間にある、第二の熱電素子と、
第四の界面材料と、
第三のシャントであって、前記第四の界面材料は前記第二の熱電素子と前記第三のシャントとの間にある、第三のシャントと、
をさらに含み、
前記少なくとも一つの熱電素子はp型熱電素子を含み、前記第二の熱電素子はn型熱電素子を含む、
ことを特徴とする請求項29に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの熱電素子および前記第二の熱電素子は方コバルト鉱を含む、
ことを特徴とする請求項30に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのシャントと前記第二のシャントは同一材料を含む、
ことを特徴とする請求項29に記載の熱電デバイス。 - 前記同一材料は銅を含む、
ことを特徴とする請求項32に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つの界面材料および前記第二の界面材料は同一材料である、
ことを特徴とする請求項28に記載の熱電デバイス。 - 前記同一材料はニッケルコーティングされたグラファイトを含む、
ことを特徴とする請求項34に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのシャントと前記第二のシャントは銅を含み、前記少なくとも一つの界面材料と前記第二の界面材料はニッケルコーティングされたグラファイトを含み、前記少なくとも一つの熱電素子と前記第二の熱電素子は方コバルト鉱を含む、
ことを特徴とする請求項30に記載の熱電デバイス。 - 前記熱電デバイスは、前記少なくとも一つのシャント、前記少なくとも一つの界面材料、前記少なくとも一つの熱電素子の積層を含み、前記積層は、電流の方向と、正方形、円形、環状もしくは環の一部である電流の方向にほぼ垂直な断面とを有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのシャントおよび第二のシャントの各々は、電流の方向と、前記電流の方向にほぼ垂直な断面とを有し、前記少なくとも一つのシャントの断面と前記第二のシャントの断面は異なる形状を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電デバイス。 - 熱電デバイスの形成方法であって、
ダイへと複数の材料を充填するするステップであって、前記複数の材料は少なくとも一つのシャント材料の少なくとも一つの粉末と、熱電材料の少なくとも一つの粉末と、少なくとも一つのコア材料の少なくとも一つの粉末を含む複数の粒子とを含み、前記複数の粒子は少なくとも一つのシェル材料によって包囲される、ステップと、
少なくとも一つのシャント、少なくとも一つの界面材料、少なくとも一つの熱電素子へと前記ダイ内の前記複数の材料を形成するステップと、
を含む、
ことを特徴とする方法。 - 少なくとも一つのシャント、少なくとも一つの界面材料、少なくとも一つの熱電素子へと前記複数の材料を形成するステップは、前記複数の材料を圧縮して焼結するステップを含む、
ことを特徴とする請求項39に記載の方法。 - 少なくとも一つのシャント、少なくとも一つの界面材料、少なくとも一つの熱電素子へと前記複数の材料を形成するステップは、熱間圧縮、HIP、放電プラズマ焼結、金属射出成型、冷間圧縮後の焼結、熱間圧延もしくは冷間圧延、マイクロ波焼結から成る群のうちの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項39に記載の方法。 - 前記少なくとも一つのコア材料はグラファイトを含み、前記少なくとも一つのシェル材料はニッケルを含む、
ことを特徴とする請求項39に記載の方法。 - 前記熱電デバイスは、第一のシャント、第一の界面材料、少なくとも一つの熱電材料、第二の界面材料、第二のシャントの積層を含み、前記第一のシャント、前記第一の界面材料、前記少なくとも一つの熱電材料、前記第二の界面材料、前記第二のシャントは、お互いに同時に形成される、
ことを特徴とする請求項39に記載の方法。 - 前記第一のシャントは銅を含み、前記第一の界面材料はニッケルコーティングされたグラファイトを含み、前記少なくとも一つの熱電材料は少なくとも一つの方コバルト鉱を含み、前記第二の界面材料はニッケルコーティングされたグラファイトを含み、前記第二のシャントは銅を含む、
ことを特徴とする請求項43に記載の方法。 - 少なくとも一つのシャント、少なくとも一つの界面材料、少なくとも一つの熱電素子へと前記複数の材料を形成するステップは、隣接する複数の材料を結合するステップと、前記シェル材料の前記コア材料への実質的に制限された拡散を有する前記少なくとも一つの界面材料内の固体支持構造を形成するステップとを含む、
ことを特徴とする請求項39に記載の方法。 - 少なくとも一つのシャントと、
前記少なくとも一つのシャントと熱的および電気的に連通する少なくとも一つの熱電素子と、
を含み、
前記デバイスは、シェル材料によって包囲され、お互いから分離された複数の領域の各領域を有するコア材料を含む前記複数の領域を含む構造を含み、前記構造は、(i)前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子との間の垂直荷重、(ii)前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子との間のせん断荷重から成る群のうちの少なくとも一つの下で変形を経験するように構成され、前記垂直荷重は前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子との間の界面にほぼ平行な平面にほぼ垂直な方向にあり、前記せん断荷重は前記少なくとも一つのシャントと前記少なくとも一つの熱電素子との間の前記界面にほぼ平行な前記平面にほぼ平行な方向にある、
ことを特徴とする熱電デバイス。 - 前記少なくとも一つのシャントは前記構造を含む、
ことを特徴とする請求項46に記載の方法。 - 電流は、前記界面に垂直な方向に流れる、
ことを特徴とする請求項46に記載の方法。
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