JP4781606B2 - 熱電モジュール、熱電モジュールで物質を熱的に変更する方法及び熱電モジュールを製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、熱伝達デバイスに関し、特に、熱電気の熱伝達デバイスに関する。
発明の背景
熱電モジュールは、「ペルチェ効果」として知られる効果の使用によって、電気エネルギーを温度勾配に変換する半導体デバイスである。あるいは熱エネルギーは、デバイスを横断して温度勾配を配置することによってそのようなデバイスに適用されることができ、「ゼーベック効果」として知られる効果により電気エネルギーを発生させる。
【０００２】
電池または他のDC源から熱電モジュールへ適当な電圧が印加されると、モジュールの片方は熱くなる一方で、モジュールのもう片方は冷たくなる。モジュールが「熱い」か「冷たい」かは、デバイスを通る電流に依存する。つまり、モジュールを通る電圧極性が反転されると、それによって電流が反対になり、モジュールの「冷たい」側が、「熱く」なり、逆も同様である。熱電モジュールは、熱源とリキッドプレート、表面プレートまたは対流放熱板といった放熱板との間にそれらを設置することによって通常使われる。熱電モジュールは熱源から「冷たい」側の熱を吸収し、熱を「熱い」側や放熱板へと伝達する。
【０００３】
従来の熱電モジュールは、テルル化ビスマスから通常作られ、Pタイプ及びNタイプで利用可能である「ダイス」と呼ばれる熱電素子の配列から成っている。Pタイプ及びNタイプ物質は同じ温度で異なる自由電子密度を持つビスマスとテルルの配列である。Nタイプは過度の電子を持つ物質から構成される一方で、Pタイプは電子が欠乏している物質から構成される。ほとんどのモジュールは同数のPタイプ及びNタイプダイスを持ち、電気的相互接続を共有するそれぞれの型の一つのダイスは、「カップル」として知られている。電流がカップルを通るとき、物質内に新たな平衡の確立が試みられる。特定の側が冷却されるかまたは熱せられると、電流の方向は決定される。
【０００４】
Pタイプ及びNタイプの熱電素子の配列は、電気接合によって接続された素子の型が交互となるように一連のカップルのチェーンとなって電気的に接続される。そのように接続されて、電力がそのチェーンに印加されると、それぞれの接合部が熱くそして冷たくなる状態でデバイスの熱い側及び冷たい側が形成される。
【０００５】
小型で物理的にしっかりしたモジュールを形成するために、ダイスは従来、機械的剛性と電気絶縁を付与する二つのセラミック基板で挟まれていた。PタイプとNタイプダイスは、通常セラミック基板にめっき加工または接続された導電体、通常は金属パッドによって、電気的に直列接続されている。ダイスは通常機械的に強化するためパッドにはんだづけされている。
【０００６】
そうしたモジュールは、それぞれ熱電モジュール100の断面図と平面図である図１Aと１Bに示されている。図１Aでは、モジュール100はフィン対流型放熱板102と熱源104との間に挟まれていることが示されている。図１Bでは、放熱板102と上部基板106は熱電素子を相互接続したメタルパッドを見せるためにはずされている。
【０００７】
そのような三つの素子110、112及び114は図１Aに示されている。上で述べたように、これらの素子は、PタイプダイスとNタイプダイスを交互にするようにカップルになって接続されている。例えば、熱電素子110と112は熱パッド116によって電気的に相互接続されている。同様に、素子112と114はパッド120によって接続されている。パッド118と122は素子110と114を他の素子（図示されていない）に接続する。
【０００８】
図１Bは、電気相互接続を示すために露出された平面図である。図示されているように、パッド116、120、122、124、126、128、130及び132は直列に8つの熱電素子を接続している。素子134はまた、電気パッド（図示されていない）によって他の素子または電源のどちらかに接続されることとなる。こうした従来の構造は、H.J.ゴールズミッドによる「熱電及び熱電冷却のCRCハンドブック」を含むいくつかの参考文献に開示されている。
【０００９】
そうしたデバイスがうまく機能する一方で、効率性は従来の構造によって限定される。基板106と108を加工するために使われる物質のもっとも一般的な型は96％アルミナである。この物質は例えばおよそ35ワット／ｍ℃といったように熱伝導率が悪い。熱源104から放熱板102へ伝達された熱は、伝導率の悪い二つの基板108、106を通らなければならないので、デバイスの効率性は減少する。
【００１０】
したがって、改良された熱効率を持ち合わせた熱電デバイスが必要となる。
発明の概要
本発明の原理に従って、熱電モジュールのどちらか若しくは両側の電気接合は、熱源またはシンクまたは熱的に変更されるべき（すなわち、熱せられるか冷却される）物質と直接熱接触して置かれている。その結果、従来の基板とそれに関連した耐熱性が排除される。銅、アルミニウム、または比較的高い熱伝導率を持つ他の既知の導電体といったような導電体物質は、一対の熱電素子の間の電気接合として使用することができ、それと同時に素子によって生成される熱エネルギーの移動媒体として機能することができる。
【００１１】
ある実施例では、伝導接合部は、熱せられるか冷却されるべき物質を運搬するコンジットを通る。コンジットでは、導電性材料は非導電性チューブまたはパイプを通って延在するベーンのような効率的に熱移動をすることができる形状に形成されている。
【００１２】
他の実施例では、電気接合を形成する導電体の構成は、熱せられるか冷却されるべき物質が通過させられるパイプまたはチューブを形成する。
進歩したモジュールの使用は、放熱板、リキッドプレート等といった分離型熱交換デバイスに対する必要性を排除する。したがって、デバイス間のインターフェースを排除することで効率性を増加すると共に熱交換器のサイズを縮小することができる。
【００１３】
さらに、本発明は無駄な熱を利用可能な電気エネルギーに変える点において特に効果的である。このデザインのサイズの縮小及び効率性の増加は、熱電デバイスが器具に組み込まれた自動車の排気管やラジエターのような適用に効果的に使用されうる。スチームパイプ、プロセス配管、換気デバイス等を含め他の多くの使用が考えられる。
【００１４】
さらに他の実施例では、高い熱伝導率の保護層は、電解またはイオンの流体が接合部によって通過させられる適用のデバイスの腐食または短絡を防ぐために伝導面に設けることができる。
本発明の上記の及びなお一層の長所は、付随する図と併せて次の内容を参照することでより理解が進むであろう。
【００１５】
詳細な説明
図２A,２B及び２Cはそれぞれ、本発明の第一実施例の、側面図、正面図、及び平面図である。示された方向において、図２Aの側面図と図２Bの正面図は図２Cの平面図に示された線によって示された方向に対応する。この実施例において、熱せられるか冷却されるべき物質は矢印201で記したように、高分子材料または繊維物質のような電気絶縁物からなる、上部202と下部204ウォールを有するコンジット205を通過する。コンジット205はまた、コンジットの中の流体を閉じ込める端壁（図示されていない）を有する。熱電素子206、222、230等の交互配列は、上部壁202に内蔵される（または代わりにその表面に埋め込まれる）。反対の壁204には、熱電素子208、220、232等の他の交互配列が付着または内蔵されている。
【００１６】
素子は、導電体によって接続されて一連の接続を形成し、熱電チェーンを形成するためにPタイプ及びNタイプの熱電素子が交互に接続されている。例えば、素子206と208はコンジット205の中に延在する導電体210によって接続され、素子222と220は導電体221によって接続され、そして素子230と232は導電体231によって接続されている。
【００１７】
同様の方法で、素子208と220はコンジットの外側に延在する導電体214、216及び218によって接続され、素子222と230は導電体224、226及び228によって接続されている。導体234、236、238及び240は、導体242、244、248及び250と同様に接続されている。電気接続は、熱電素子を従来の熱電モジュールと同様の配列で接続している。熱電素子のチェーンは、従来の方法で熱電モジュールに電力を供給するために矢印209の方向に電流が流れるように、導電体247及び203によって電源に接続されている。
【００１８】
垂直のコンダクタ214、218、224、228等は、コンジット205の外側の放熱板の「フィン」を形成するよう配列されており、コンジットの外側を矢印260の方向に第二流体が流れる。放熱板フィンは熱を第二流体に伝達する。
本発明の原理に従って、熱電素子の熱い側か冷たい側かどちらかに接続する導電体は、コンジット205を直接通り、熱せられるか冷却されるべき物質と直接熱的に接触している。例えば、導体210と221はコンジット205を通過し、このようにしてコンジット205の中の物質と直接接触する。導体は、銅、アルミニウムまたは他の金属のような良質の導電体と良質の熱導体の両方である物質から加工されている。したがって、コンジット205の物質の熱は基板を通過することなく、導体を通って熱電素子に直接伝導される。
【００１９】
同様の方法で、熱電素子は放熱板のフィンを形成する導体214、218、224及び228と直接熱的に接触している。先行技術の熱電モジュールにおけるアルミナ基板はそれによって排除され、結果として熱伝達及び熱効率が増加する。
熱効率を更に増加させるために、導体210、221等はコンジット205の中の薄板として示されているが、導体210、221等のうち一つまたはそれ以上は、熱伝達効率を更に上げるためにフィンやベーンのような効果的な熱移動形態に構成される。
【００２０】
他の変形例では、保護層207が、コンジットの中の導体と物質の間の化学的相互作用から導体を保護するためにコンジット205に内蔵された導体210、221等に設けられる。そうしたコーティングが図２Aに例として導体210の片方にある状態が示されている。当業者にとって、そうしたコーティング物質がコンジット205のコンダクタのすべての露出した表面を覆うであろうことは自明であろう。同様の物質もまた、コンジット205の外側のコンダクタに適用されてもよい。このことは、電解物質またはイオン物質がコンダクタによって通過させられる応用デバイスの腐食または短絡を防止するために特に重要である。この保護層は、コンダクタを不動体化することによってまたはいくつか他の保護物質を導電体に適用することによって、生産されてもよい。どちらの場合でも、保護層は、熱伝導体物質から作られるべきか、または導電体と物質の間の熱流を妨げないように薄くすべきである。
【００２１】
図３に示すのは、多層熱電配列を利用するシステムの斜視図である。熱電ユニット300は、空気やいくつか他の液体が垂直方向に通過するコンジットを有する。上下熱電システム302と304は、それぞれ図2A-２Cに示されるユニットと本質的には同じであり、交互にPタイプとNタイプの熱電素子を介して電流をそれぞれ流す。例えば、システム302の熱電素子は、二つの異なる層の部分であって、その間に流体がコンダクタ310、321等を通過して流れるコンジット303が形成されている。第一の方向に流れる電流と共に、コンジット303の物質は、それぞれの熱電素子の冷たい側にさらされ、ユニット300の後方にたどり着くまでに、温度は減少させられる。熱電システム304は、システム302と同様の方法で作動していて、ここでは詳細は述べない。
【００２２】
図３に示されているように、コンジット303から離れた熱電素子の側面に位置するシステム302の導体部分は、垂直の流路312と314に延在する。同様に、コンジット305から離れた熱電素子の側面に位置するシステム304の導体部分は、垂直の流路314と316に延在する。熱電素子が内蔵され、また熱電素子が取り付けられたそれぞれの表面は、それぞれのコンジットが隣接したコンジットから分離するように働き、それによって流体物質の混合を防ぐ。コンジット312、314と316に延在する導電体はそれぞれの熱電素子の熱い側に取り付けられているので、熱電ユニットのコンジット312、314と316を介して流れる空気は、その中の導体部分によって熱せられる。同様に、コンジット303と305を流れる流体は、それぞれが熱電素子の冷たい側と熱接触しているその中のコンダクタによって冷却される。
【００２３】
図3の実施例は、流体または流体群に所望の加熱及び/または冷却を供給することのできるシステムの例を提供する。このシステムは、コンジット312、314と316を介して流れる流体と明らかに異なる温度でコンジット303と305を介して流れる流体を供給することによって、発電機と同様に容易に使用されることができるということを、この当業者は認識するだろう。こうした流体の流れはそれぞれのシステムの熱電素子に温度勾配をもたらし、その結果、熱い流体と冷たい流体のどちらがどちらのコンジットを流れるかに依存する方向にDC電流が生ずる。システム302とシステム304のような所望の熱電システムがいくらでも、図３に示されるようなユニットで、システムを分離するコンジット312、314と316のようなインターリーブコンジットと共に、組織化されることができることもまた認識されるだろう。こうしたシステムはまた、電流はあるシステムから次のシステムへと続き、単一の電気回路を形成するように配列することができる。さらに、ユニットの小型化によって、数多くの異なる能力に用いられることが可能になりうる。例えば、図３に示されているようなユニットは、ある方向にコンジットを介して熱い排ガスや垂直の方向にコンジットを介して冷たい新鮮な空気を放出することによって自動車の余分な電気エネルギーを供給することができる。当然、そうしたシステムの多くの他の同様な使用が存在する。
【００２４】
本発明の別の実施例の斜視図が、図4に示されている。この実施例では、冷却または熱せられた物質を運搬するコンジットは、熱電モジュールの部分であるコンダクタから形成される。特に、図4に示される実施例と前述の実施例の間の違いは、これらのほかの実施例において、熱電モジュールの一側面の電気接合からなる導電体が物質運搬コンジットを通過し、一方で図4では、電気的接続部はそれ自身でコンジットの壁を形成するといった点である。特に、図4は部分402と404を形成する電気的伝導コンジット400の部分を示す。コンジット部分は、カップリング406を電気的に孤立させることによって分離させられる。熱電素子は、コンジット壁がそれ自身で一対の素子の間に電気接続を構成するような方法でコンジットのいずれかまたは全ての側面に取り付けられている。例えば、コンジット402の壁は、素子412と414と素子410と418とを電気的に接続している。素子は、コネクタ424、426、428と430といった外部電気的接続部によって更に一緒に接続されている。こうした方法で、熱電モジュールの冷たいまたは熱い側面のどちらかを構成する電気接続部は、コンジット部分それ自身を構成する。コンダクタ424と428とその他（図示されていない）が適切な電気エネルギー源に接続されたとき、電流は電流の方向に応じてコンジット壁を熱くまたは冷たくする矢印434、436、438及び440の方向に流れる。物質は矢印432によって示されたようにコンジットを介して移動し、コンジットの壁との直接的熱接触によって、冷却されたり、熱せられる。
【００２５】
これまでの実施例に関して、保護層442は、コンジットとコンジット内の物質の間の化学相互作用からコンジットを保護するために内部コンジット壁に適用される。そうしたコーティング442の小さな部分のみ、図に示されている。この保護層はパッシベーションまたは他の適したコーティング技術によって形成されうる。
【００２６】
本発明の模範的実施例を開示してきたが、当業者にとって、本発明の精神と範囲から逸脱することなく本発明のいくつかの利点を達成するだろうさまざまな変更や修正が行われることは、明白であろう。例えば、描写は特定の形と断面とのコンジットに向けられているが、他のデザインも記述されているのと同じ方法で使用されうることは、当業者にとって明白であろう。発明概念の他の変更と同様に、熱電素子と素子の構成の間の特定の接続のような他の要因は、添付された請求項によって説明されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 基板、熱電素子及び接続部を示す従来の熱電モジュールの断面図である。
【図１Ｂ】 図1Aに示されたデバイスの平面図であり、電気接続部を見せるためにかぶせられている放熱板及び上部基板をはずした状態が示されている。
【図２Ａ】 熱電モジュールの電導接合部が熱せられるか冷却されるべき物質を運搬するコンジットを通過する本発明の第一実施例の正面図である。
【図２Ｂ】 コンジットを通過する接合部を示す図２Aに示された実施例の側面図である。
【図２Ｃ】 コンジットを通過する接合部を示す図２Aに示された実施例の平面図である。
【図３】 図２Aから２Cで示されているようないくつかの組み合わせを用いたシステムの斜視図である。
【図４】 伝導接合部が熱せられるか冷却されるべき物質を運搬するコンジットの壁として形成される本発明の他の実施例の斜視図である。

Claims (10)

1. 物質を熱的に変更するための熱電モジュールであって、前記熱電モジュールは、
   少なくとも上部壁と底壁とを有するコンジットと、
   全体が前記上部壁に埋め込まれた少なくとも一つのＰタイプ熱電素子と、
   全体が前記底壁に埋め込まれた少なくとも一つのＮタイプ熱電素子と、
   前記Ｐタイプ熱電素子と前記Ｎタイプ熱電素子の間の電気的接続部であって、該電気的接続部が前記上部壁と前記底壁の間の前記物質と直接熱接触して配置され、前記Ｐタイプ熱電素子と前記Ｎタイプ熱電素子が前記電気的接続部に当接している、電気的接続部と、
   を備えることを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記物質が当該熱電モジュールによって冷却される物質であることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
3. 前記物質が当該熱電モジュールによって加熱される物質であることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
4. 前記電気的接続部は、前記電気的接続部と前記物質の間の化学的相互作用を防ぐために保護層で覆われていることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
5. 前記電気的接続部が前記コンジットの前記上部壁と前記底壁との間に挟まれていることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
6. 前記コンジットの内側の前記電気的接続部の部分が、該部分と前記物質の間の化学的相互作用を防ぐために保護層で覆われていることを特徴とする請求項５記載の熱電モジュール。
7. 前記電気的接続部が金属から形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
8. 少なくとも一つのＰタイプ熱電素子と、少なくとも一つのＮタイプ熱電素子と、前記Ｐタイプ熱電素子と前記Ｎタイプ熱電素子間の電気的接続部とを有する熱電モジュールで物質を熱的に変更するための方法であって、前記Ｐタイプ熱電素子の全体と前記Ｎタイプ熱電素子の全体とをコンジットの一対の相対する壁に埋め込み、前記電気的接続部を前記物質と直接熱接触させ、前記物質は壁を有するコンジット内に運搬されることを特徴とする方法。
9. 前記電気的接続部と前記物質との間の化学的相互作用を防ぐために保護層により前記電気的接触部を覆う段階をさらに含んだ請求項８記載の方法。
10. 物質を熱的に変更する熱電モジュールを製造する方法であって、
    少なくともＰタイプ熱電素子全体をコンジットの一対の相対する側の一方壁に埋め込み、少なくともＮタイプ熱電素子全体を前記コンジットの一対の相対する側の他方壁に埋め込むことと、
    前記Ｐタイプ熱電素子と前記Ｎタイプ熱電素子の間における電気的接続部であって、前記コンジットの前記一対の相対する壁の間に位置し、前記Ｐタイプ熱電素子及び前記Ｎタイプ熱電素子に当接している電気的接続部を形成することとを含むことを特徴とする方法。

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