JP2016127278A - 熱電発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】曲線状又はそれ以外の不規則形状の形成を容易に、支持構造体の表面に一致させることができ、ナノスケールの用途で用いることができる熱発電機を提供する。
【解決手段】負荷に電力を供給するための熱電発電機１０２は、第１取付プレート１０８と、第２取付プレート１０６と、第１取付プレート１０８と第２取付プレート１０６との間に設けられた複数の半導体１２６とを含む。複数の粉末または粒状の半導体１２６は、ポジ型又はネガ型の半導体材料の何れか一方を含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、概して、電力を生成するための装置及びシステムに関し、特に、電力を生成するための熱電装置及び方法に関する。

ゼーベック発電機としても知られる熱電発電機（ＴＥＧ）は、ゼーベック効果と呼ばれる現象を利用して、温度差を電気エネルギーに変換する装置である。ＴＥＧの２つの面の間に熱勾配を与えると、ＴＥＧ自体の温度変化に基づいて電力が生成される。熱電発電機は、様々な用途に利用することができる。少なくともいくつかの既知の熱電発電機は、電源用のスペースが限られており他の既知の電源の使用が不可能な場合に、用いられる。熱電発電機は、例えば、宇宙船などの、ほとんど或いは全くメンテナンスを行わなくても連続して動作可能な、信頼性及び耐久性に優れた電源を有することが望ましい用途にも用いられることがある。

少なくともいくつかの既知のＴＥＧは、ポジ型（ｐ型）及びネガ型（ｎ型）の半導体で構成される複数の対を含む。これらの半導体の対は、複数の導電板により直列に接続されており、当該導電板の各々は、一つのｐ型半導体及び一つのｎ型半導体にはんだ付けされている。現状のＴＥＧ技術では、特に大規模な用途において、ｐ型及びｎ型半導体の各々を個別に設置するのに過剰な製造時間及びコストがかかってしまう。また、設置の際に、人間による接続（human interfacing）を必要とするｐ型及びｎ型半導体が肉眼で見えるサイズであるため、ＴＥＧの厚みは制限されている。更に、少なくともいくつかの既知のＴＥＧは、完成後のＴＥＧの形状を実質的にフラットに制限する立方体形状の半導体を含む。少なくともいくつかの既知のＴＥＧにおける他の欠点としては、半導体と接続板との間のはんだ付け接続部には温度限界があり、この限界を超えると、はんだが溶けてしまうことである。最後に、半導体が互いに直列に接続されているため、少なくともいくつかの従来のＴＥＧの冗長性に制限がある。したがって、仮に半導体の１つが機能しなくなった場合、ＴＥＧの全体的なパワー出力に多大な影響が及ぶ可能性がある。半導体を並列に接続すれば冗長性を向上させることができるが、このような構成とするには、より多くの重い配線を含む大規模なアセンブリが必要となる。

したがって、製造がより簡単であり、製造時間及びコストを削減するとともに、支持構造体の表面に一致する、曲線状又はそれ以外の不規則形状の発電機の形成を容易にすることができる熱電発電機が求められている。更に、ナノスケールの用途で用いることができる熱電発電機が求められている。

一態様においては、負荷に電力を供給するための熱電発電機が提供される。上記熱電発電機は、第１取付プレートと、第２取付プレートと、半導体層を形成するために第１取付プレートと第２取付プレートとの間に設けられた複数の半導体と、を含む。半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体の何れか一方を含む。

他の態様においては、熱電発電機を組み立てる方法が提供される。上記方法は、半導体層を形成するために、複数の半導体を第１取付プレートに塗布することを含む。半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体の何れか一方を含む。半導体層が、第１取付プレートと第２取付プレートとの間に配置されるように、第２取付プレートが設けられる。上記方法は、第１取付プレートを第２取付プレートに接続することを更に含む。

更に別の態様においては、熱電発電システムが提供される。上記熱電発電システムは、支持構造体と、当該支持構造体に接続された熱電発電機とを含む。上記熱電発電機は、第１取付プレートと、第２取付プレートと、半導体層を形成するために第１取付プレートと第２取付プレートとの間に設けられた複数の半導体と、を含む。半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体材料の何れか一方を含む。

例示的な熱電発電機を含む例示的な熱電発電システムを示す断面図である。 代替の熱電発電システムを示す断面図である。 他の代替の熱電発電システムを示す断面図である。 さらに他の代替の熱電発電システムを示す断面図である。 他の代替の熱電発電システムを示す断面図である。 図１に示す熱電発電システムを組み立てる方法を示すフロー図である。 図５に示す熱電発電システムを組み立てる方法を示すフロー図である。

開示される実施形態を、添付図面を参照して以下により詳しく述べる。添付図面には、いくつかの開示される実施形態が示されているが、これらが全てではない。実際、いくつかの異なる実施形態を提供することができ、本明細書に記載した実施形態に限定して解釈されるべきではない。少なくとも、これらの実施形態は、本開示を詳細且つ完全に説明するとともに、本開示範囲を当業者に十分に伝えるために提供されているものである。

本開示においては、ポジ型又はネガ型の何れか一方の、同一型の複数の半導体を有する熱電サンドイッチ構造体の実施形態が提供される。上記構造体および方法の実施形態は、航空機、宇宙船、自動車（motorcraft）、船舶、及び、その他の運送体（craft）に用いることもできるし、ビークル（vehicles）や構造体に用いることもできる。本明細書で開示される熱電発電機により、既知の方法と比較して、製造時間及びコストを削減することができる。更に、半導体が、取付プレートに対して粉末状に塗布されるため、本明細書に記載されている熱電発電機は、支持構造体が、曲線状などの不規則な形状であったり、凸部又は凹部などの不規則な部材を含んでいたりする用途において、より容易に用いることができる。

図１は、例示的な熱電発電機（ＴＥＧ）１０２と、これに接続する支持構造体１０４とを含む、例示的な熱電発電システム１００を示す断面図である。ＴＥＧ１０２は、第１取付プレート１０８と、第２取付プレート１０６と、これらのプレート１０６と１０８との間に配置された半導体層１１０とを含む。例示的な実施形態においては、ＴＥＧ１０２は、支持構造体１０４に接続された第１取付プレート１０８の底面１１２と、第２取付プレート１０６の上面１１４との間における温度差に基づいて、電力を生成するように構成されている。ＴＥＧ１０２は、生成した電力を、蓄積及び／又は消費のためのバッテリー又は電気装置などの負荷（不図示）へ、伝達する。

例示的な実施形態においては、第２取付プレート１０６は、上面１１４と、底面１１６と、互いに反対側に位置する側縁１１８とを含む。同様に、第１取付プレート１０８は、底面１１２と、上面１２０と、互いに反対側に位置する側縁１２２とを含む。更に、第１取付プレート１０８は、当該第１取付プレート１０８を支持構造体１０４の外面１２４に接続できるように、第２取付プレート１０６の長さＬ２よりも長い長さＬ１を有する。例示的な実施形態においては、取付プレート１０６及び１０８は、導電材料で形成されている。例えば、プレート１０６及び１０８は、限定するものではないが、銅、アルミニウム、鋼、又は、これらの任意の組み合わせなどの、金属又は金属合金で形成される。代替の実施形態においては、取付プレートは、本明細書で説明するようなＴＥＧシステム１００の動作を促進する任意の材料で形成される。更に、取付プレート１０６及び１０８は、可撓性を有している。したがって、可撓性支持構造体１０４が曲がったり撓んだりしている場合、取付プレート１０６及び１０８は、支持構造体１０４の形状に一致するように曲がったり撓んだりすることができる。

例示的な実施形態においては、半導体層１１０は、各々が取付プレート１０６及び１０８に接続された複数の半導体１２６を含む。例示的な実施形態においては、複数の半導体１２６は、ポジ型（ｐ型）半導体又はネガ型（ｎ型）半導体の何れか一方であり、半導体層１１０は、同一型の半導体１２６を含む。したがって、各半導体１２６は、取付プレート１０６及び１０８に並列に接続されている。半導体１２６を並列に接続することにより、ＴＥＧ１０２の冗長性が向上するため、取付プレート１０６及び１０８の何れかの部分が、半導体１２６の温度限界を超えている場合、温度ピーク（temperature spike）の部分に位置する半導体１２６のみが影響を受ける。

例示的な実施形態においては、半導体層１１０は、粉末又は粒状の半導体１２６で形成されている。ＴＥＧ１０２は、ｐ型又はｎ型の何れか一方である同一型の半導体のみを含むため、ｐ型及びｎ型の半導体の対をまとめて手作業ではんだ付けする必要がない。したがって、はんだ付けを行うために半導体に課されるサイズ制限を排除することができる。これに代えて、半導体１２６は、どのようなサイズ又は形状であってもよく、例えば、限定するものではないが、本明細書に記載するように、ＴＥＧシステム１００の動作を促進する立方体形状であってもよい。更に、１つの半導体１２６は、他の半導体１２６と異なるサイズであってもよい。半導体１２６は互いに接続されていないため、各半導体１２６が他の半導体１２６と全く同じサイズである必要はない。粉末又は粒状の半導体１２６で形成された半導体層１１０により、ナノスケールの用途においてＴＥＧ１０２を用いることができる。この場合、ＴＥＧ１０２は、１ナノメートル未満の小さい厚みを有しており、ＴＥＧ１０２の厚みが低減したことにより、ＴＥＧ１０２用のスペースが限られている場面においてもＴＥＧ１０２を用いることが可能となる。これに代えて、例えば、限定するものではないが、航空機用コンポーネントでの使用などの大規模用途においては、半導体層１１０は、数インチの厚みを有していてもよい。より具体的には、半導体１２６の各々は、約１０^-9ナノメートルと１．０フィートとの間の範囲内の直径を有する。より具体的には、ＴＥＧ１０２の小規模用途では、半導体１２６は、約１０^-3ナノメートルと約１０．０ナノメートルとの間の範囲内の直径を有する。ＴＥＧ１０２の中規模用途では、半導体１２６は、約０．００１ミリメートルと約４．０ミリメートルとの間の範囲内の直径を有する。ＴＥＧ１０２の大規模用途では、半導体１２６は、約０．１インチと約２．５インチとの間の範囲内の直径を有する。概して、半導体層１１０は、複数の粒状半導体１２６を含み、当該層１１０の厚みは、半導体１２６のサイズによる制限を受けないため、ＴＥＧ１０２の厚みは、用途に応じて最適化される。

ＴＥＧ１０２は、取付プレート１０６と１０８との間で接続された絶縁材料１２８を更に含む。より具体的には、絶縁材料１２８は、側縁１１８及び１２２の近傍において、第２取付プレート１０６の底面１１６及び第１取付プレート１０８の上面１２０の少なくとも一方に接続されている。例示的な実施形態においては、絶縁材料１２８は、第２取付プレート１０６が第１取付プレート１０８に直接接触しないように、半導体層１１０と隣り合うように配置されている。絶縁材料１２８は、例えば、限定するものではないが、取付プレート１０６及び１０８が互いに電気的に分離されるように、ゴムやプラスチックなどの非導電材料で形成される。

例示的な実施形態においては、ＴＥＧ１０２は、第２取付プレート１０６を第１取付プレート１０８に接続するように構成された複数の留め具１３０を更に含む。より具体的には、図１に示すように、留め具１３０は、当該留め具１３０が絶縁材料１２８を貫通するように、側縁１１８及び１２２の近傍において取付プレート１０６及び１０８を貫通している。これに代えて、留め具１３０は、半導体層１１０を貫通してもよい。留め具１３０は、例えば、限定するものではないが、取付プレート１０６及び１０８が互いに電気的に分離されるように、ゴムやプラスチックなどの非導電材料で形成される。代替の実施形態においては、留め具１３０は、非導電性の絶縁体又は外装（sheath）を含む導電材料で形成される。例示的な実施形態においては、留め具１３０は、半導体層１１０及び絶縁材料１２８に圧力を加えるように構成されており、プレート１０６と１０８との間に半導体１２６を捕捉して、層１１０における半導体１２６を通じて当該プレート１０６と１０８との間で強い電気結合を確保する。

図２は、代替の熱電発電システム２００を示す断面図である。ＴＥＧシステム２００は、ＴＥＧシステム１００（図１に示す）と実質的に類似しているが、ＴＥＧシステム１００が、実質的にフラットな支持構造体１０４を含むのに対し、ＴＥＧシステム２００は、不規則な形状を有する支持構造体２０４を含んでいる点で異なる。したがって、ＴＥＧシステム１００及び２００の両方に共通な要素には、図１と同様の参照符号を付している。

図２に示すように、支持構造体２０４は、少なくとも１つの曲率半径を含んでおり、当該支持構造体２０４の表面２０６が曲がっている。表面２０６は、ＴＥＧ１０２が適合する曲路を形成しており、ＴＥＧ１０２は、支持構造体２０４の曲率半径に基づいて曲がっている。図２には曲がった状態が示されているが、ＴＥＧ１０２は、支持構造体２０４のどのような不規則形状にも適合する。例えば、ＴＥＧ１０２は、角部（angular transitions）、コーナー、開口部、膨隆部、凹部、又は、その他の不規則形状のうち任意の組み合わせを有する支持構造体２０４に適合する。例示的な実施形態においては、半導体１２６の粉粒状構造体により、ＴＥＧ１０２は、不規則形状、すなわち、実質的に平滑且つ平らでない形状を容易に有することができる。一実施形態においては、支持構造体２０４は、例えば、限定するものではないが、少なくとも１つの曲率半径を含むだけでなく、航空機の飛行中に曲がったり撓んだりする航空機の翼などのような航空機のコンポーネントである。上述したように、取付プレート１０６及び１０８もまた可撓性を有しており、支持構造体２０４の曲がりや撓みに適合する。更に、半導体１２６を粉粒状構造体にしたことにより、取付プレート１０６及び１０８の曲がり及び撓み、並びに、支持構造体２０４の曲がり及び撓みに適合する曲線状及び／又は可撓性の半導体層１１０を容易に実現することができる。

更に、図１及び２は、支持構造体１０４又は２０４に設けられたＴＥＧ１０２において、半導体１２６を単一層として示しているが、半導体１２６は、複数の層でＴＥＧ１０２に含まれることも考えられる。より具体的には、ＴＥＧ１０２の積層体は、順番に、取付プレート１０８、半導体層１１０、中間取付プレート（不図示）、もう一つの半導体層１１０、及び、取付プレート１０６を含みうる。ＴＥＧ１０２の積層体は、半導体層１１０及び中間取付プレートをいくつ含んでもよい。更に、このようなＴＥＧ１０２の積層体において、第１半導体層１１０は、ｐ型半導体１２６を含んでもよく、当該積層体における第２半導体層１１０は、ｎ型半導体を含んでもよい。これに代えて、上記積層体における全ての半導体層１１０が、ｐ型又はｎ型の半導体を含んでもよい。

更に、図１及び２に関して、取付プレート１０８、並びに、支持構造体１０４及び２０４は、それぞれ別々のコンポーネントとして示されているが、一実施形態においては、支持構造体１０４及び２０４は、取付プレート１０８としての機能も果たしてもよい。この場合、取付プレート１０８、並びに、支持構造体１０４及び２０４は、一体であり、支持構造体１０４及び２０４に対して、導電性接着剤が直接塗布される。

図３は、代替の熱電発電機３０２と、これに接続された支持構造体３０４とを含む、他の代替の熱電発電システム３００を示す断面図である。ＴＥＧ１０２と同様に、ＴＥＧ３０２は、第１取付プレート３０８と、第２取付プレート３０６と、これらのプレート３０６と３０８との間に配置された半導体層３１０とを含む。ＴＥＧ３０２もまた、支持構造体３０４に接続された第１取付プレート３０８の底面３１２と、第２取付プレート３０６の上面３１４との間における温度差に基づいて、電力を生成するように構成されている。ＴＥＧ３０２は、次に、生成した電力を、蓄積及び／又は消費のためのバッテリー又は電気装置などの負荷（不図示）へ、伝達する。

一実施形態においては、第２取付プレート３０６は、上面３１４と、底面３１６と、互いに反対側に位置する側縁３１８とを含む。同様に、第１取付プレート３０８は、底面３１２と、上面３２０と、互いに反対側に位置する側縁３２２とを含む。更に、第１取付プレート３０８は、当該第１取付プレート３０８を支持構造体３０４の外面３２４に接続できるように、第２取付プレート３０６の長さＬ４よりも長い長さＬ３を有する。ＴＥＧシステム１００と同様に、ＴＥＧシステム３００の取付プレート３０６及び３０８は、導電材料で形成されるとともに、可撓性を有している。したがって、支持構造体３０４が曲がったり撓んだりしている場合、取付プレート３０６及び３０８は、支持構造体３０４の形状に一致するように曲がったり撓んだりすることができる。代替の実施形態においては、取付プレート３０６及び３０８は、実質的に同様の長さを有している。概して、取付プレート３０６及び３０８は、本明細書で記載したようなＴＥＧシステム３００の動作を可能にすることができれば、いかなる長さを有していてもよい。

ＴＥＧ３０２は、以下に詳述するように、複数の半導体３２６を有する半導体層３１０を含み、当該半導体の各々は、取付プレート３０６及び３０８と電気的に接続している。ＴＥＧ１０２の半導体１２６と同様に、ＴＥＧ３０２の複数の半導体は、ポジ型（ｐ型）半導体又はネガ型（ｎ型）半導体の何れか一方であり、半導体層３１０は、同一型の半導体３２６のみを含む。したがって、各半導体３２６は、取付プレート３０６及び３０８に並列に電気接続されている。半導体層３１０もまた、ｐ型又はｎ型の何れか一方の同一型の複数の粉粒状半導体３２６で形成されており、個々に相互にははんだ付けされていない。半導体３２６は、半導体１２６と実質的に類似しており、半導体１２６について先に述べた説明及び利点は、半導体３２６にも当てはまる。

ＴＥＧ３０２は、導電性接着剤３３０の第１層３３２と、導電性接着剤３３０の第２層３２８とを更に含む。より具体的には、ＴＥＧ３０２は、第１取付プレート３０８の上面３２０に設けられる、導電性接着剤３３０の第１層３３２と、第２取付プレート３０６の底面３１６に設けられる、導電性接着剤３３０の第２層３２８とを含む。一実施形態においては、導電性接着剤３３０は、ブラシ又はスプレーを用いて、取付プレート３０６及び３０８の少なくとも一方に塗布された導電性塗料である。代替の実施形態においては、導電性接着剤３３０は、任意の方法で取付プレート３０６及び３０８に塗布される導電材料であり、例えば、限定するものではないが、塗料、エポキシ樹脂、シーラント、鉛などの低温度融解金属、銀、ニッケル、又はグラファイトと混合される接合剤などである。

導電性接着剤３３０の導電特性により、半導体３２６が、取付プレート３０６及び３０８と電気接続される一方で、接着剤３３０の接着特性により、留め具を必要とせずに、取付プレート３０６と取付プレート３０８とが機械的に接続される。代替の実施形態においては、留め具１３０（図１に示す）などの留め具を用いて、取付プレート３０６及び３０８が互いに機械的に接続される。導電性接着剤３３０は、ＴＥＧ３０２に対して、所定位置に半導体３２６を塗布及び固定させるための表面を提供する。図３に示すように、半導体３２６の大きさは様々であり、第１半導体３３４は、接着層３２８と３３２との間で接続されるとともに、プレート３０６及び３０８の何れにも接触していないが、第２半導体３３６は、プレート３０６又は３０８の一方、及び、反対側の接着層３３２又は３２８の一方にそれぞれ接触している。第３半導体３３８は、当該半導体３３８が、両方の層３２８及び３３２を貫通して、両方のプレート３０６及び３０８に接触する程の大きさである。図３に示す半導体３２６の大きさ、並びに、層３１０、３２８、及び３３２の厚みは例示的であるに過ぎず、実際の大きさや厚みを表すものではない。例えば、半導体層３１０は、図３に示すよりも多くの半導体３２６を含みうる。

ＴＥＧ３０２は、組成及び機能の点で、絶縁材料１２８（図１に示す）と類似する絶縁材料（不図示）を更に含みうる。絶縁材料は、プレート３０６及び３０８と接続されており、導電性接着剤３３０で形成された層３２８及び３３２間の接触を防止する厚みを有する。この代替として、又は、これに組み合わせて、半導体層３１０は、導電性接着剤３３０で形成された層３２８及び３３２間の接触を防止する厚みを有する。概して、導電性の接着層３２８及び３３２は、互いの接触が防止されるが、これは、導電性接着剤３３０を介してプレート３０６及び３０８間を流れるとともに半導体３２６を迂回する電気の発生を低減するためである。

更に、図３は、支持構造体３０４に設けられたＴＥＧ３０２における半導体３２６を単一層として示しているが、半導体３２６は、複数の層でＴＥＧ３０２に含まれることも考えられる。より具体的には、ＴＥＧ３０２の積層体は、順番に、取付プレート３０８、導電性接着剤３３０、半導体３２６、導電性接着剤３３０、半導体３２６、導電性接着剤３３０、及び、取付プレート３０６を含みうる。ＴＥＧ３０２の積層体は、半導体層３２６及び接着剤３３０の層をいくつ含んでもよい。更に、このようなＴＥＧ３０２の積層体において、第１半導体層３２６は、ｐ型半導体３２６を含んでもよく、当該積層体における第２半導体層３２６は、ｎ型半導体を含んでもよい。これに代えて、上記積層体における全ての半導体層３２６が、ｐ型又はｎ型の半導体を含んでもよい。

図４は、代替の熱電発電システム４００を示す断面図である。ＴＥＧシステム４００は、ＴＥＧシステム３００（図３に示す）と実質的に類似しているが、ＴＥＧシステム４００のＴＥＧ４０２は、導電性接着剤３３０の層３２８及び３３２間に塗布される抵抗性接着剤４０４の層を含む点で異なる。したがって、図４においては、ＴＥＧシステム３００及び４００の両方に共通な要素には、図３と同様の参照符号を付している。一実施形態においては、抵抗性接着剤４０４は、例えば、限定するものではないが、導電性接着剤３３０の層３２８及び３３２が互いに分離されるように、ゴムやプラスチックなどの非導電材料で形成される。導電性接着剤３３０と同様に、１つの用途においては、抵抗性接着剤４０４は、導電性接着層３２８及び３３２の少なくとも一方に対して、ブラシを用いて塗布してもよいし、これに代えて、当該接着剤４０４は、噴霧することにより塗布してもよい。更に、半導体３２６と抵抗性接着剤４０４とを混ぜ合わせたものを、層３２８及び３３２に塗布してもよい。代替の一実施形態においては、ＴＥＧ４０２は、導電性接着層３２８及び３３２を含んでおらず、半導体３２６と抵抗性接着剤４０４と混ぜ合わせたものを、取付プレート３０６及び３０８に直接塗布してもよい。先に図３に関して説明したように、半導体３２６の大きさ、並びに、層３１０、３２８、３３２、及び４０４の厚みは例示的であるに過ぎず、実際の大きさや厚みを表すものではない。

ＴＥＧ４０２は、組成及び機能の点で、絶縁材料１２８（図１に示す）と類似する絶縁材料４４０を更に含みうる。絶縁材料４４０は、側縁３１８及び３２２の近傍において、それぞれプレート３０６及び３０８に接続されており、導電性のプレート３０６及び３０８間の接触を防止する厚みを有する。

更に、図４は、支持構造体３０４に設けられたＴＥＧ４０２における半導体３２６を単一層として示しているが、半導体３２６は、複数の層でＴＥＧ４０２に含まれることも考えられる。より具体的には、ＴＥＧ４０２の積層体は、順番に、取付プレート３０８、導電性接着剤３３０、半導体３２６、抵抗性接着剤４０４、導電性接着剤３３０、半導体３２６、抵抗性接着剤４０４、導電性接着剤３３０、及び、取付プレート３０６を含みうる。ＴＥＧ４０２の積層体は、半導体３２６、抵抗性接着剤４０４、及び導電性接着剤３３０の層をいくつ含んでもよい。更に、このようなＴＥＧ４０２の積層体において、第１半導体層３２６は、ｐ型半導体３２６を含んでもよく、当該積層体における第２半導体層３２６は、ｎ型半導体を含んでもよい。これに代えて、上記積層体における全ての半導体層３２６は、ｐ型又はｎ型の半導体を含んでもよい。

更に、図３及び４に関して、取付プレート３０８及び支持構造体３０４は、別のコンポーネントとして示されているが、一実施形態においては、支持構造体３０４は、取付プレート３０８としての機能も果たしてもよい。この場合、取付プレート３０８及び支持構造体３０４は一体であり、支持構造体３０４に対して、導電性接着剤が直接塗布される。

図５は、代替の熱電発電システム５００を示す断面図である。ＴＥＧシステム５００は、ＴＥＧシステム４００（図４に示す）と実質的に類似しているが、ＴＥＧシステム４００が、実質的にフラットな支持構造体３０４を含むのに対し、ＴＥＧシステム５００は、不規則な形状を有する支持構造体５０４を含んでいる点で異なる。したがって、ＴＥＧシステム５００及び４００の両方に共通な要素には、図４と同様の参照符号を付している。

図５に示すように、支持構造体２０４（図２に示す）と同様に、支持構造体５０４は、少なくとも１つの曲率半径を含んでおり、当該支持構造体５０４の表面５０６が曲がっている。表面５０６は、ＴＥＧ５０２が適合する曲路を形成しており、ＴＥＧ４０２は、支持構造体５０４の曲率半径に基づいて曲がっている。図５には曲がった状態が示されているが、ＴＥＧ５０２は、支持構造体５０４のどのような不規則形状にも適合する。例えば、ＴＥＧ５０２は、角部、コーナー、開口部、膨隆部、凹部、又は、その他の不規則形状のうち任意の組み合わせを有する支持構造体５０４に適合する。例示的な実施形態においては、半導体３２６の粉粒状構造体により、ＴＥＧ５０２は、不規則形状、すなわち、実質的に平滑且つ平らでない形状を容易に有することができる。一実施形態においては、支持構造体５０４は、少なくとも１つの曲率半径を含むだけでなく、航空機の飛行中に曲がったり撓んだりする航空機のコンポーネントであり、例えば、限定するものではないが、航空機の翼などである。上述したように、取付プレート３０６及び３０８もまた可撓性を有しており、支持構造体５０４の曲がりや撓みに適合する。更に、半導体３２６の粉粒状構造体により、取付プレート３０６及び３０８の曲がり及び撓み、並びに、支持構造体５０４の曲がり及び撓みに適合する曲線状及び／又は可撓性半導体層３１０を容易に実現することができる。

更に、図５は、支持構造体５０４に設けられたＴＥＧ５０２における半導体３２６を単一層として示しているが、半導体３２６は、複数の層でＴＥＧ５０２に含まれることも考えられる。より具体的には、ＴＥＧ５０２の積層体は、順番に、取付プレート３０８、導電性接着剤３３０、半導体３２６、抵抗性接着剤４０４、導電性接着剤３３０、半導体３２６、抵抗性接着剤４０４、導電性接着剤３３０、及び、取付プレート３０６を含みうる。ＴＥＧ５０２の積層体は、半導体３２６、抵抗性接着剤４０４、及び導電性接着剤３３０の層をいくつ含んでもよい。更に、このようなＴＥＧ５０２の積層体において、第１半導体層３２６は、ｐ型半導体３２６を含んでもよく、当該積層体における第２半導体層３２６は、ｎ型半導体を含んでもよい。これに代えて、上記積層体における全ての半導体層３２６は、ｐ型又はｎ型の半導体を含んでもよい。

更に、取付プレート３０８及び支持構造体５０４は、別のコンポーネントとして示されているが、一実施形態においては、支持構造体５０４は、取付プレート３０８としての機能も果たしてもよい。この場合、取付プレート３０８及び支持構造体は一体であり、支持構造体５０４に対して、導電性接着剤が直接塗布される。

図６は、ＴＥＧを含むＴＥＧシステム、例えば、ＴＥＧ１０２を含むＴＥＧシステム１００（両方とも図１に示す）を組み立てる方法６００を示すフロー図である。方法６００は、半導体層１１０（図１に示す）などの半導体層を形成するために、取付プレート１０８（図１に示す）などの第１取付プレートに対して、半導体１２６（図１に示す）などの複数の粉粒状半導体を塗布すること６０２を含む。上述したように、半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体の何れか一方を含み、全てが同じ種類の半導体を含む。方法６００は、第１取付プレートの上面、例えば上面１２０（図１に示す）と、第２取付プレートの底面、例えば取付プレート１０６（図１に示す）の底面１１６（図１に示す）とのうち少なくとも一方に対して、絶縁材料１２８（図１に示す）などの絶縁材料を塗布すること６０４を更に含む。より具体的には、絶縁材料は、第２取付プレートの複数の第１の側縁、例えば側縁１１８（図１に示す）の近傍と、第１取付プレートの複数の第２の側縁、例えば、側縁１２２（図１に示す）の近傍とに接続される。

方法６００は、半導体層が第１プレートと第２取付プレートとの間に配置されるように、当該半導体層の上面に第２取付プレートを設けること６０６を更に含む。次に、第２取付プレートを第１取付プレートに接続すること６０８により、ＴＥＧの組み立てを完了する。一実施形態においては、６０８の接続ステップは、非導電性及び絶縁性のうち少なくとも一方を有する留め具、例えば、留め具１３０（図１に示す）を用いて行われる。組み立てが完了すると、６１０において、支持構造体１０４（図１に示す）などの支持構造体にＴＥＧを接続する。代替の実施形態においては、６１０において、ＴＥＧの組み立てを行う前に、支持構造体に第１取付プレートを接続する。上述したように、支持構造体は、支持構造体１０４（図１に示す）などのように、実質的に平滑且つ平らであってもよいし、これに代えて、支持構造体は、支持構造体２０４（図２に示す）などのように曲率半径又はその他の不規則な形状を含んでもよい。

図７は、ＴＥＧを含む代替のＴＥＧシステム、例えば、ＴＥＧ４０２を含むＴＥＧ４００システム（両方とも図４に示す）を組み立てる方法７００を示すフロー図である。方法７００は、取付プレート３０８などの第１取付プレートの所定領域に対して、接着剤３３０などの導電性接着剤で形成された層３２８などの第１層（全て図４に示す）を塗布すること７０２を含む。次に、７０４において、導電性接着剤の外縁の周りにおいて、第１取付プレートに、絶縁材料４４０（図４に示す）などの絶縁材料を塗布する。絶縁材料及び導電性接着剤が少なくとも部分的に固まると、７０６において、半導体層３１０（図４に示す）などの半導体層を形成するために、導電性接着剤の第１層に対して、半導体３２６（図４に示す）などの複数の粉粒状半導体を塗布する。上述したように、半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体の何れか一方を含んでおり、全てが同じ種類の半導体を含む。

方法７００は、半導体層に対して、抵抗性接着剤４０４（図４に示す）などの抵抗性接着剤の層を塗布すること７０８と、半導体の少なくとも一部を露出させるため、当該抵抗性接着剤の一部を研削すること７１０とを更に含む。７１２において、取付プレート３０６（図４に示す）などの第２取付プレートの所定領域に対して、導電性接着剤の第２層３２８（図４に示す）などの第２層を塗布する。方法７００は、第１取付プレート上に第２取付プレートを設けること７１４を更に含み、このとき、これらのプレート間に、第１及び第２導電性接着層、抵抗性接着層、及び、半導体層が全て挟まれるようにする。次に、接着剤を用いて、第２取付プレートを第１取付プレートに接続すること７１６により、ＴＥＧの組み立てを完了する。一実施形態においては、７１６の接続ステップは、非導電性及び絶縁性のうち少なくとも一方を有する留め具、例えば、留め具１３０（図１に示す）を用いて行われる。組み立てが完了すると、７１８において、支持構造体３０４（図４に示す）などの支持構造体にＴＥＧを接続する。代替の実施形態においては、７１８において、ＴＥＧの組み立てを行う前に、支持構造体に第１取付プレートを接続する。上述したように、支持構造体は、支持構造体３０４（図４に示す）などのように、実質的に平滑且つ平らであってもよいし、これに代えて、支持構造体は、支持構造体５０４（図５に示す）などのように曲率半径又はその他の不規則な形状を含んでもよい。

本明細書における実施形態においては、様々な用途に用いられる改良された熱電発電機が開示されている。本明細書で開示された熱電発電機は、同一型の粉状及び／又は粒状の複数の半導体を含む。より具体的には、全ての半導体は、ポジ型又はネガ型の何れか一方であり、熱電発電機は、一種類の半導体のみを含む。半導体は、上側及び下側の取付プレートと並列に電気接続しており、当該接続は、これらのプレートをまとめて押圧する機械式留め具、及び、導電性接着剤のうち少なくとも一方を用いて実現される。したがって、半導体を、個々に、互いにはんだ付けしたり、取付プレートに対してはんだ付けしたりする必要がない。したがって、改良された熱電発電機により、既知の方法と比較して、製造時間及びコストを大幅に削減することができる。更に、半導体が、粉末で取付プレートに塗布されるため、本明細書に記載されている熱電発電機は、支持構造体が曲線状などの不規則な形状であったり、凸部又は凹部などの不規則な部材を含んでいたりする用途に用いることができる。

更に、本開示は、以下の付記に係る実施形態も含むものとする。

付記１．負荷に電力を供給するための熱電発電機であって、
第１取付プレートと、
第２取付プレートと、
半導体層を形成するために、前記第１取付プレートと前記第２取付プレートとの間に設けられた複数の半導体と、を含み、前記半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体のうち一方を含む、熱電発電機。

付記２．各半導体は、約０．００１ミリメートルと約４．０ミリメートルとの間の範囲内の直径を有する、付記１に記載の熱電発電機。

付記３．前記第１取付プレートを前記第２取付プレートに接続するように構成された少なくとも１つの機械式留め具を更に含む、付記１又は２に記載の熱電発電機。

付記４．前記第１取付プレートは、上面及び複数の第１側縁を含み、前記第２取付プレートは、底面及び複数の第２側縁を含み、前記熱電発電機は、前記複数の第１側縁及び前記複数の第２側縁の近傍において、前記上面及び前記底面のうち少なくとも一方に塗布された絶縁材料を更に含む、付記１〜３のいずれかに記載の熱電発電機。

付記５．前記第１取付プレート及び前記第２取付プレートの少なくとも一方に塗布された導電性接着剤を更に含む、付記１〜４のいずれかに記載の熱電発電機。

付記６．前記第１取付プレートに塗布された導電性接着剤の第１の層と、
前記第２取付プレートに塗布された前記導電性接着剤の第２の層と、
前記導電性接着剤の前記第１の層と前記第２の層との間で接続された抵抗性材料の層と、を更に含む、付記１〜５のいずれかに記載の熱電発電機。

付記７．前記第１取付プレートに接続された支持構造体を更に含み、前記支持構造体は、少なくとも１つの曲率半径を含み、前記熱電発電機は、前記曲率半径に基づいて曲がっている、付記１〜６のいずれかに記載の熱電発電機。

付記８．前記第１取付プレートは、前記支持構造体と一体化している、付記７に記載の熱電発電機。

付記９．熱電発電機を組み立てる方法であって、
ポジ型又はネガ型の半導体のうち一方を含む半導体層を形成するために、複数の半導体を第１取付プレートに塗布することと、
前記半導体層が、前記第１取付プレートと前記第２取付プレートとの間に配置されるように、第２取付プレートを設けることと、
前記第１取付プレートを前記第２取付プレートに接続することと、を含む方法。

付記１０．複数の半導体を塗布することは、各々が約０．００１ミリメートルと約４．０ミリメートルとの間の範囲内の直径を有する複数の半導体を塗布することを含む、付記９に記載の方法。

付記１１．前記第１取付プレートを前記第２取付プレートに接続することは、機械式留め具を用いて、前記第１取付プレートを前記第２取付プレートに接続することを含む、付記９又は１０に記載の方法。

付記１２．前記第１取付プレートは、上面及び複数の第１側縁を含み、前記第２取付プレートは、底面及び複数の第２側縁を含み、前記方法は、前記複数の第１側縁及び前記複数の第２側縁の近傍において、前記上面及び前記底面のうち少なくとも一方に絶縁材料を塗布することを更に含む、付記９〜１１のいずれかに記載の方法。

付記１３．前記第１取付プレート及び前記第２取付プレートの少なくとも一方に導電性接着剤を塗布することを更に含む、付記９〜１２のいずれかに記載の方法。

付記１４．複数の半導体を塗布することは、当該複数の半導体と非導電媒体との混合物を塗布することを含む、付記９〜１３のいずれかに記載の方法。

付記１５．前記第１取付プレートに対して導電性接着剤の第１層を塗布することと、
前記第２取付プレートに対して前記導電性接着剤の第２の層を塗布することと、
前記導電性接着剤の前記第１の層と前記第２の層との間に、抵抗性材料の層を塗布することと、を更に含む、付記９〜１４のいずれかに記載の方法。

付記１６．前記第１取付プレート及び前記第２取付プレートの少なくとも一方と支持構造体を接続することを更に含む、付記９〜１５のいずれかに記載の方法。

付記１７．支持構造体と、
前記支持構造体に接続された熱電発電機とを含む熱電発電システムであって、前記熱電発電機は、
第１取付プレートと、
第２取付プレートと、
半導体層を形成するために、前記第１取付プレートと前記第２取付プレートとの間に設けられた複数の半導体と、を含み、前記半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体のうち一方を含む、熱電発電システム。

付記１８．前記第１取付プレートに塗布された導電性接着剤の第１の層と、
前記第２取付プレートに塗布された前記導電性接着剤の第２の層と、
前記導電性接着剤の前記第１の層と前記第２の層との間で接続された抵抗性材料の層と、を更に含む、付記１７に記載の熱電発電システム。

付記１９．前記支持構造体は、航空機用コンポーネントを含む、付記１７又は１８に記載の熱電発電システム。

付記２０．前記支持構造体は、少なくとも１つの曲率半径を含み、前記熱電発電機は、前記曲率半径に基づいて曲がっている、付記１７〜１９のいずれかに記載の熱電発電システム。

本明細書では、実施例を用いることによって、ベストモードを含め様々な実施形態を開示しており、さらに、装置又はシステムの製造及び使用、並びに、包含された方法の実行を含めて、当業者が様々な実施形態を実行することができるようにしている。本開示の特許を求める範囲は、特許請求の範囲によって規定されるものであり、当業者が思い付く他の実施例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない均等の構成要素を含む場合において、特許請求の範囲に含まれることを意図している。

Claims (10)

1. 負荷に電力を供給するための熱電発電機であって、
   第１取付プレートと、
   第２の取付プレートと、
   半導体層を形成するために、前記第１取付プレートと前記第２取付プレートとの間に設けられた複数の半導体と、を含み、前記半導体層は、ポジ型又はネガ型の半導体のうち一方を含む、熱電発電機。
2. 各半導体は、約０．００１ミリメートルと約４．０ミリメートルとの間の範囲内の直径を有する、請求項１に記載の熱電発電機。
3. 前記第１取付プレートを前記第２取付プレートに接続するように構成された少なくとも１つの機械式留め具を更に含む、請求項１又は２に記載の熱電発電機。
4. 前記第１取付プレートは、上面及び複数の第１側縁を含み、前記第２取付プレートは、底面及び複数の第２側縁を含み、前記熱電発電機は、前記複数の第１側縁及び前記複数の第２側縁の近傍において、前記上面及び前記底面のうち少なくとも一方に塗布された絶縁材料を更に含む、請求項１〜３に記載の熱電発電機。
5. 前記第１取付プレート及び前記第２取付プレートの少なくとも一方に塗布された導電性接着剤を更に含む、請求項１〜４に記載の熱電発電機。
6. 前記第１取付プレートに塗布された導電性接着剤の第１の層と、
   前記第２取付プレートに塗布された前記導電性接着剤の第２の層と、
   前記導電性接着剤の前記第１の層と前記第２の層との間で接続された抵抗性材料の層と、を更に含む、請求項１〜５に記載の熱電発電機。
7. 前記第１取付プレートに接続された支持構造体を更に含み、前記支持構造体は、少なくとも１つの曲率半径を含み、前記熱電発電機は、前記曲率半径に基づいて曲がっている、請求項１〜６に記載の熱電発電機。
8. 前記第１取付プレートは、前記支持構造体と一体化している、請求項７に記載の熱電発電機。
9. 熱電発電機を組み立てる方法であって、
   ポジ型又はネガ型の半導体のうち一方を含む半導体層を形成するために、複数の半導体を第１取付プレートに塗布することと、
   前記半導体層が、前記第１取付プレートと前記第２取付プレートとの間に配置されるように、第２取付プレートを設けることと、
   前記第１取付プレートを前記第２取付プレートに接続することと、を含む方法。
10. 複数の半導体を塗布することは、各々が約０．００１ミリメートルと約４．０ミリメートルとの間の範囲内の直径を有する複数の半導体を塗布することを含む、請求項９に記載の方法。

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