JP5702280B2

JP5702280B2 - 積層熱電モジュール

Info

Publication number: JP5702280B2
Application number: JP2011518706A
Authority: JP
Inventors: ホデス，マルク，エス．
Original assignee: アルカテル−ルーセントユーエスエーインコーポレーテッド
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: KR20110053426A; EP2313937B1; CN102089895A; KR20130138324A; EP2313937A2; WO2010008495A2; US20100006132A1; CN102089895B; JP2011528189A; WO2010008495A3

Description

本発明は概略として熱電モジュールに関する。

熱電モジュール（ＴＥＭ）は例えば物を加熱又は冷却するために使用されることがあり、又は熱源とヒートシンクの間に配置されたとき電力を発生するように使用されることがある半導体をベースにしたデバイスの１つの部類である。一般に、交互になるドーピング型の半導体ペレットが電気的に直列に、かつ熱的に並列に配列される。これらのペレットを通って電流が流れるときに、ＴＥＭの一方の側がより冷たくなり、他方がより熱くなる。逆に言えば、熱勾配の中に配置されたとき、ＴＥＭは負荷を通して電流を流すことができる。ＴＥＭは、デバイスを冷却若しくは加熱するために、又は帰還制御ループの助けを借りて動作温度を維持するために使用されることがある。

米国特許出願番号第１２／１２８，４７８号米国特許出願番号第１１／６１８，０５６号

一実施形態は、複数のフィンガを持っている第１の熱伝導性物体、及び複数のフィンガを持っている第２の熱伝導性物体を含む装置である。第１及び第２の物体は、第１の物体のフィンガが第２の物体のフィンガと互いにかみ合うように構成されている。複数の熱電モジュールの各々は第１の主表面及び対向する第２の主表面を持っている。第１の主表面は第１の物体のフィンガの１つと熱的に接触し、第２の主表面は第２の物体のフィンガの１つと熱的に接触している。

他の実施形態は、複数のフィンガを持っている第１の熱伝導性物体及び複数のフィンガを持っている第２の熱伝導性物体を設けるステップを含む方法である。第１及び第２の物体は、第１の物体のフィンガが第２の物体のフィンガと互いにかみ合うように構成される。複数の熱電モジュールの各々は第１の主表面及び対向する第２の主表面を持っている。第１の主表面は第１の物体のフィンガの１つと熱的に接触するように構成され、第２の主表面は第２の物体のフィンガの１つと熱的に接触するように構成される。

他の実施形態は、複数のフィンガを持っている第１の熱伝導性物体と、複数のフィンガを持っている第２の熱伝導性物体を含むシステムである。これらの物体は、第１の物体のフィンガが第２の物体のフィンガと互いにかみ合うように構成される。複数の熱電モジュールの各々は第１の主表面及び対向する第２の主表面を持っている。第１の主表面は第１の物体のフィンガの１つと熱的に接触し、第２の主表面は第２の物体のフィンガの１つと熱的に接触している。制御装置は、第１の物体と第２の物体の間の熱輸送速度を複数の熱電モジュールによって制御するように構成されている。

様々な実施形態は、添付の図に関係して読まれるとき、下記の詳細な説明から理解される。様々な特徴は、一定の比で描かれていないことがあり、また議論をはっきりさせるために、サイズが任意に増大又は縮小されていることがある。図の様々な特徴は、それらの特徴を参照する際に、便宜上「垂直」又は「水平」のように説明されることがある。そのような説明は、自然水平線又は重力を基準にしてそのような特徴の向きを限定しない。これから、添付の図面に関連して理解される下記の説明を参照する。

垂直方向に積み重ねられた熱電モジュールを備える装置の例の実施形態を示す図である。水平方向に積み重ねられた熱電モジュールを備える装置の例の実施形態を示す図である。いくつかのフィンガを持っている２つの熱伝導性物体の位置決めを示す図である。いくつかのフィンガを持っている２つの熱伝導性物体の位置決めを示す図である。いくつかのフィンガを持っている２つの熱伝導性物体の位置決めを示す図である。各々蒸気チャンバを含みＴＥＭに熱的に結合されている２つの熱伝導性物体中での作用流体及び蒸気の循環の例を示す図である。２つのフィンガの各々と熱的に接触しているＴＥＭを示す分解組立図である。熱源によって生成された熱に応答して電力を生成するように構成されたＴＥＭ及び４つのフィンガを示す図である。ヒートパイプ及び熱伝導性ブロックが熱伝導性物体のフィンガを形成している例の実施形態を示す図である。ヒートパイプ及び熱伝導性ブロックが熱伝導性物体のフィンガを形成している例の実施形態を示す図である。ヒートパイプ及び熱伝導性ブロックが熱伝導性物体のフィンガを形成している例の実施形態を示す図である。例の方法を示す図である。

熱電モジュール（ＴＥＭ）は通常、電気的に直列にかつ熱的に並列に接続された、いくつかのｎ型にドープされたペレットとｐ型にドープされたペレットから組み立てられる。外部から加えられた電位によって電子及び／又は正孔がペレットを通って流れるとき、ペレットの両端間に温度差が維持される。電流の流れに応答してＴＥＭの一方の側がより冷たくなり他方の側がより熱くなるように、これらのペレットは、交互になる態様で互いに電気的に直列に接続される。従って、ＴＥＭはヒートポンプとして使用されることがある。ＴＥＭのペレットの両端間に熱勾配が課されたとき仕事を生じさせるために利用することができる電位が生成されるという意味で、ＴＥＭの動作は可逆的である。

ペレットを通って電流が流れるときに、ジュール熱（Ｉ^２Ｒ）によって電力がペレット中で消散する。消散された電力はペレットの温度を上昇させ、ポンピング効率を低下させる。消散された電力は、また、ＴＥＭによって除去されるべき熱を増加させる。従って、一般に、より大きなポンピング電流の場合よりもより小さなポンピング電流の場合に、ＴＥＭの効率がより高くなる。しかし、ポンピング電流が小さければ小さいほど、それだけ熱伝達の速度が小さくなる。このトレードオフは通常、特定のシステム設計の要求条件に特有の設計上の妥協につながる。

各ペレットを流れる電流が減少するようにＴＥＭの面積を増大することによって、及び／又はペレットの熱い側と冷たい側をより高度に熱的に分離する例えば絶縁することによって、ＴＥＭの効率は向上する可能性がある。あたかもその全体が本明細書に複写されたかのように参照して本明細書に組み込まれるＨｏｄｅｓ等の米国特許出願番号第１２／１２８，４７８号は、例えば蒸気チャンバのような熱伝導性基板を使用して熱源からの熱を横方向に広げる装置を開示している。横方向伝導性基板はより大きなＴＥＭの使用を可能にし、このことは、ＴＥＭを通過する単位面積当たりの熱流束（単位熱流束）を減少させることができ、従ってＴＥＭがより高い効率で動作することができるようになる。しかし、この手法では、冷却又は温度制御用途において、又は例えば自動車排気システムなどの廃熱再生利用用途において、回路組立基板（例えば、プリント回路基板）のより大きな面積を使用することが不可欠である可能性がある。そのような場合には、より大きな面積をＴＥＭに与えてより高い動作効率を達成することは、法外な費用がかかり、及び／又は非現実的である可能性がある。必要とされるものは、ＴＥＭペレットを流れる電流密度を減少させ、回路組立基板のより小さな面積を費やす代替え方法である。

ＴＥＭを積み重ねるが熱的に並列に動作させて、必要な回路組立基板の面積を減少させながらＴＥＭを通過する単位熱流束を減少させることができるという認識から、説明される実施形態は利益を得ている。従って、ＴＥＭを水平方向ではなく基板に対して垂直方向に延ばすことによって、例えば熱生成デバイスからの熱を広げるために使用される実効面積が増大される。垂直方向の組立は、さらに下で説明されるように、熱伝導性物体を利用してＴＥＭを熱的に並列に構成する。

最初に図１Ａを参照すると、図示されているのは、例の装置１００の断面図である。装置１００は熱源１１０及びヒートシンク１２０を含む。熱源１１０は第１の熱伝導性物体１３０と熱的に接触している。ヒートシンク１２０は第２の熱伝導性物体１４０と熱的に接触している。本明細書で使用されるときに、第１の要素と第２の要素の間の熱的接触は、第１の要素からの熱が、第１の要素が第２の要素と物理的に接触している面積を実質的に通って流れることを意味する。

熱源１１０は熱のいかなる発生源であってもよい。いくつかの実施形態では、熱源１１０は、例えばマイクロプロセッサ、電力増幅器、又は大出力レーザなどの、通電されたとき熱を生成するように構成された電子デバイスである。他の実施形態では、熱源は、例えば煙突又は自動車の触媒コンバータのような廃熱発生源であることがある。装置１００は、熱源１１０を冷却するように、熱源の温度を維持するように、又は廃熱から電力を再生するように構成されることがある。温度が維持される場合には、例えば能動帰還ループを含む制御装置が使用されることがある。さらに他の実施形態では、熱源１１０は、例えば、熱を放散しないが装置１００によって所望の動作温度に維持されるセンサなどの受動デバイスであることがある。

熱伝導性物体１３０は、フィンガ、例えばフィンガ１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃ（一括してフィンガ１３５と呼ばれる）を含む。熱伝導性物体１４０は、また、フィンガ、例えばフィンガ１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃ（一括してフィンガ１４５）を含む。熱伝導性物体１３０、１４０は、各々、３つのフィンガを持っているように示されているが、もっと少ない又はもっと多くのフィンガを持っている実施形態が考えられる。熱伝導性物体１３０、１４０は、図示のように同じ数のフィンガを持つことがあるが、等しくない数のフィンガを持つ実施形態は、この開示の範囲内である。フィンガ１３５、１４５は、下でより詳細に説明されるように、互いにかみ合っている。ＴＥＭ１５０ａはフィンガ１３５ａと１４５ａの間にある。同様に、ＴＥＭ１５０ｂ、１５０ｃ、１５０ｄ、１５０ｅは、図示のように残りのフィンガ１３５と１４５の間にある。（ＴＥＭ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ、１５０ｄ、１５０ｅは、一括してＴＥＭ１５０と呼ばれる。）従って、ヒートシンク１５０はヒートシンク１２０に対して垂直に積み重ねられている。スペース１８０はＴＥＭか熱伝導性物体かのどちらによっても占められていない。

熱伝導性物体によって形成される熱伝導経路とＴＥＭによって形成される熱絶縁との組合せは、結果的に、コンパクトなスペース充填組立品になる。この熱伝導経路は、予め決められた三次元熱回路で熱を伝導して、別のやり方でこの組立品のフットプリント中に実現可能であるよりも大きなＴＥＭ表面積を、熱をポンピングするために又は廃熱を再生するために、実現するように選ぶことができる。熱源１１０を冷却する場合のために、この構成は、実質上、熱源１１０と熱的に接触している熱伝導性物体１３０の部分に単一蒸発器を設け、さらにＴＥＭ１５０と熱的に接触している熱伝導性物体１４０の部分に複数の凝縮器を設けている。熱が熱源１１０に伝達される場合には、状況は逆になり、実質上、ヒートシンク１２０と熱的に接触している熱伝導性物体１４０の部分が単一蒸発器として作用し、ＴＥＭ１５０と熱的に接触している熱伝導性物体１３０の部分が複数の凝縮器として作用する。

簡単に図２Ａ及び２Ｂを参照すると、図示されているのは、互いに関連した熱伝導性物体２１０と熱伝導性物体２２０の２つの構成の透視図である。各熱伝導性物体２１０、２２０は、ただ説明の目的だけのために３つのフィンガを含む。図２Ａでは、フィンガはまったく重なっていない。この場合、熱伝導性物体２１０のフィンガの組は熱伝導性物体２２０のフィンガの組と無係合である。図２Ｂでは、これらの物体２１０、２２０は、フィンガが少なくとも部分的に重なり合うように構成されている。この場合には、これらのフィンガは互いにかみ合っていると説明される。通常、図２Ｂに示されるように、これらの物体は、重複部分それゆえ一方の熱伝導性物体から他方の熱伝導性物体への熱の流れに利用可能な面積を最大限にするように構成される。図２Ｃは、重複部分が比較的小さい実施形態を平面図で示す。重複部分は小さいが、物体２１０のフィンガと物体２２０のフィンガは互いにかみ合っていると見なされる。この用語が本明細書で使用されるときに、どんなゼロでない重複も「互いにかみ合った」の意味の範囲内にある。重複の程度は２つの自由度を持つことに留意されたい。

図１Ａを参照すると、ＴＥＭ１５０を通過する熱の流れは熱源１１０からヒートシンク１２０への正味の熱の流れ１６０をもたらす。熱源１１０からの少なくともいくらかの熱はＴＥＭ１５０ａ〜１５０ｅの各々を通って流れるので、熱源１１０からの熱が流れる実効面積はＴＥＭ１５０ａ〜１５０ｅのどれか１つの面積よりも大きく、ＴＥＭの効率は高められる。いくつかの実施形態では、ＴＥＭ１５０は、各々、熱伝導性物体１３０から熱伝導性物体１４０に熱を運ぶように構成される。他の実施形態では、ＴＥＭ１５０は、各々、熱伝導性物体１４０から熱伝導性物体１３０に熱を運ぶように構成される。例えば、設定された温度を維持するように熱源１１０を加熱することが望ましいことがある。下でさらに説明される他の実施形態では、ＴＥＭ１５０は熱源１１０からの熱に応答して電力を生成するように構成される。

熱伝導性物体１３０、１４０は、熱伝導性として一般に受け入れられる、通常は約２００Ｗ／ｍ−Ｋ以上の任意の材料から形成することができる。この物体は、熱伝導性物体１３０、１４０の表面に対して１以上の方向で熱伝導率を高めるように設計された層を含むことがある。例の材料には、例えば、アルミニウム、銅、銀及び金のような金属、Ａｌ／ＳｉＣのような複合材料、酸化ベリリウム（ベリリア）のようなセラミック、及びダイアモンド膜及び熱分解グラファイトのような炭素ベースの熱導体がある。いくつかの場合には、熱伝導率は、約４００Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。下でさらに説明されるいくつかの場合には、熱伝導性物体１３０、１４０は、蒸気チャンバ又はヒートパイプを含むことがあり、この場合、実効熱伝導率は、少なくともいくつかの方向で約５０００Ｗ／ｍ−Ｋ以上であることがある。熱伝導性物体１３０、１４０は同じ又は異なる材料で形成されることがあり、同じ又は異なる熱伝導率特性を持っていることがあり、さらに、同じ又は異なる幾何学的形態のフィンガ１３５、１４５を持っていることがある。

図１Ｂは、ヒートシンク１２０に対して水平方向に積み重ねられたＴＥＭ１５０ａ及び１５０ｂを備える例の装置１７０を示す。図示された場合には、熱伝導性物体１３０はただ１つのフィンガだけを持ち、熱伝導性物体１４０は２つのフィンガを持っている。この積層は、熱伝導性物体１３０及び／又は熱伝導性物体１４０のフィンガの数を増すことによって、水平方向に延長されることがある。いくつかの場合には、熱伝導性物体１３０及びＴＥＭ１５０ａ、１５０ｂは平面である。他の場合には、フィンガ１４５ａ、１４５ｂは、フィンガ１３５ａを囲繞する単一環状構造の部分である。そのような場合には、ＴＥＭ１５０ａ、１５０ｂは物理的に無係合であることがあり、又はフィンガ１３５ａを囲繞する環状ＴＥＭの部分であることがある。環状ＴＥＭの詳細は、あたかもその全体が本明細書に複写されたかのように参照して本明細書に組み込まれる、Ｈｏｄｅｓ等による米国特許出願番号第１１／６１８，０５６号に開示されている。積層は、ＴＥＭ１５０ａ、１５０ｂのサイズを大きくすることによって垂直方向に延長されることがある。

装置１００及び装置１７０では、所望の場合には、どのＴＥＭでも随意に熱絶縁材料と取り替えることができる。例えば、１つ又はいくつかのＴＥＭ１５０を通過する特定の熱流束値を設計することが望ましいことがある。さらに、絶縁体を、随意に、空きスペース例えばスペース１８０中に配置して熱伝導性物体１３０、１４０の熱分離を高めることができる。絶縁材料の例には、発泡ポリスチレン及びエーロゲルがある。

図３を参照すると、図示されているのは、２つの熱伝導性物体３３０、３４０を含む例の装置３００である。熱伝導性物体３３０、３４０各々は、それぞれ、例えば２つのフィンガを持ち、さらに蒸気チャンバ３６０、３６５を含む。熱伝導性物体３３０、３４０のフィンガは互いにかみ合っている。熱源１１０は熱伝導性物体３２０と熱的に接触し、ヒートシンク１２０は熱伝導性物体３４０と熱的に接触している。ＴＥＭ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃ（一括してＴＥＭ３５０）は熱伝導性物体３３０のフィンガと熱伝導性物体３４０のフィンガの間にある。ＴＥＭ３５０は、この図示された実施形態では、熱を熱伝導性物体３３０から熱伝導性物体３４０にポンピングするように構成されている。従って、熱伝導性物体３３０と接触している各ＴＥＭ３５０の表面は、熱伝導性物体３４０と接触している表面よりも冷たい。後の議論のために、部分３８０の境界線が定められている。

蒸気チャンバの動作は、例えば、‘４７８出願で説明されており、ここでは、ＴＥＭ３５０が熱を熱伝導性物体３３０から熱伝導性物体３４０にポンピングするように構成されている場合について、熱伝導性物体３３０を例として使用して概要を述べる。蒸気チャンバ３６０は、必要な構造支持物を除いて、さもなければ空洞であるチャンバの１以上の内面を覆うウイック３６２を含む。ウイック３６２はアルコール又は水のような作用流体で濡れている。チャンバの外面が熱源と接触しているとき、接触領域の近傍の作用流体は蒸気チャンバ３６０の中へ蒸発し、加熱領域から遠くへ運ばれる。相変化は加熱領域から蒸発熱を運び去る。それから、蒸気はチャンバのより冷たい領域のウイック上で凝縮することがある。相変化はより冷たい領域で凝縮熱を解放する。このようにして、（例えば、被覆された内面に平行な）実効横方向熱伝導率は固体金属熱導体の熱伝導率の１０Ｘ〜１００Ｘである。５，０００〜２０，０００Ｗ／ｍ−Ｋに及ぶ熱伝導率が実現可能である。

熱源１１０からの熱は熱伝導性物体３３０に流れる。熱源１１０のすぐ近くのウイック３６０中の作用流体は蒸発し、蒸気チャンバ３６０の蒸気チャンバ３６０空き体積の中へ入る。蒸気は蒸気チャンバ３６０を通ってＴＥＭ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃのすぐ近くの蒸気チャンバの部分まで拡散する。熱伝導性物体３３０に接触している各ＴＥＭ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃの表面は熱伝導性物体３４０に接触している表面に比べて冷たいので、蒸気はＴＥＭ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃのすぐ近くのウイック３６２上で凝縮する。凝縮熱はＴＥＭ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃによって熱伝導性物体３４０にポンピングされる。

熱伝導性物体３４０では、ＴＥＭ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃによって運ばれた熱によって、ウイック３７０中の作用流体が蒸発するようになる。蒸気はチャンバ３６５を通って拡散し、ヒートシンク１２０のすぐ近くのウイック３７０上で凝縮する。ヒートシンク１２０は、例えば、空気又は液体によって冷却されて、凝縮熱を熱伝導性物体３３０から取り去ることができる。ヒートシンク１２０はＴＥＭ３５０よりも大きなフットプリントを持つことができる。所望なだけ大きな熱を放散する面積を実現するように、熱伝導性物体３４０及びヒートシンク１２０を構成することができるが、それはシステム設計で利用可能な面積によって制限される。

図４を参照すると、明瞭化のために、装置３００の部分３８０がより詳細に分解組立図で示されている。ＴＥＭ３５０ｂの構造上の特徴が、また、議論の目的のために示されている。当業者はＴＥＭ構成をよく知っている。次の説明は、例示であり、ＴＥＭをどんな特定の構成にも限定する意図でない。ＴＥＭ３５０ｂは、導体４３０によって直列の態様で接続されたｎ型ペレット４１０とｐ型ペレット４２０を含む。絶縁層４４０は、熱伝導性物体３３０のフィンガ４３２及び熱伝導性物体３４０のフィンガ４３４から導体４３０を電気的に分離し、かつ基板として作用して機械的支持を行うことができる。あらゆる現存の又は将来開発される材料及びＴＥＭの組立技術もこの開示の範囲内である。

ＴＥＭのサイズは、熱い側と冷たい側の熱膨張差のために、例えば一辺が約５ｃｍなどの最大に限定されることがある。本明細書で説明される例の実施形態では、使用されるＴＥＭの種類に許される最大よりも大きな寸法のＴＥＭを設計が必要とするとき、適用可能な最大よりも小さな寸法のいくつかのＴＥＭが使用されることがある。そのような実施形態では、複数のＴＥＭの各々は、例えば熱伝導性物体３３０と熱伝導性物体３４０の両方と熱的に接触している。

電流Ｉが、例えば、ＴＥＭ３５０ｂの上主表面４５０を冷却し、かつ対向する下主表面４６０を温める熱勾配３８２を生成するように、ＴＥＭ３５０ｂは構成される。これらの主表面は、ＴＥＭ３５０ｂが動作しているとき運ばれる熱が通過する表面である。ｎ型ペレット４１０及びｐ型ペレット４２０は、比較的小さな熱伝導率、例えば１０〜２０Ｗ／ｍ−Ｋを持っている。従って、ＴＥＭ３５０ｂは熱絶縁体として作用し、これを通過する熱流束は電流Ｉによって変えることができる。

例の実施形態では、一方又は両方の熱伝導性物体３３０、３４０は、ただ一つの一体化構造を形成するようにＴＥＭ３５０ｂに接合される。言い換えれば、熱伝導性物体３３０は、例えば、ペレット４１０、４２０及び導体４３０の基板として作用する。そのような実施形態では、導体４３０の蒸気チャンバからの電気的分離は、例えば、薄い重合体層によって実現されることがある。蒸気チャンバとＴＥＭの一体化についてのさらなる詳細は、あたかもその全体が本明細書に複写されたかのように参照して本明細書に組み込まれるＨｏｄｅｓ等の米国特許出願番号第１２／１２８，４７８号に与えられている。

装置３００では、例えば上主表面４５０はフィンガ４３２の下表面４７０と熱的に接触される。同様に、下主表面４６０は、フィンガ４３４の上表面４８０と熱的に接触される。随意に、例えば熱グリースのような熱伝導助剤がＴＥＭ３５０ｂとフィンガ４３２、４３４の間に使用されることがある。

図５を参照すると、ＴＥＭ５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃ（一括して５１０）が、熱源５２０によって出力された熱に応答して電力を生成するように構成されている例の装置５００が示されている。フィンガ５３０ａ、５３０ｂの部分は、明瞭化のために省略されている。この例の実施形態では、３つのＴＥＭが使用されているが、例えば、一部であるフィンガ５３０ａ、５３０ｂを持つ物体の利用可能な垂直高さ及び有限な熱伝導率に従って、もっと多くのＴＥＭが使用されることがある。熱源５２０からの熱は、３つのＴＥＭ５１０の間に分散されるので、各ＴＥＭ５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃは、より少ないＴＥＭ例えば１つのＴＥＭが使用される場合にそうであるよりも少ない熱流束で動作する。より少ない熱流束を持つＴＥＭの冷却効率向上と同様なやり方で、電力を生成するように構成されたＴＥＭ５１０は、また、より少ない熱流束でより効率的に動作する。従って、より少ないＴＥＭが使用された場合に比べて、熱源５２０から利用可能なパワーのより大きな部分が電力に変換される。さらに、熱流束が減少するとき、比較的より多くの熱が、ＴＥＭを通してポンピングされるのではなく、有用な形態、例えば電力に変換される。

発電の実施形態では、各ＴＥＭ５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃを通過する熱流束がより少ないので、ＴＥＭの２つの側の間の温度差はより大きな流束の場合に比べて減少する。従って、例えば装置５００によって冷却される電気部品は、より大きな熱流束を持つ単一ＴＥＭが電力を発生するために使用される場合よりも低い温度で動作する可能性がある。言い換えれば、いくつかのＴＥＭを通過する電気部品からの同じ全熱流束に関して、装置５００は、熱流束をより多くのペレット全体に広げることによって、電気部品がより低い温度で動作できるようにする。この態様は、高温動作のために部品の寿命を縮める危険を冒すことなしに別の方法で実現可能であるよりも、電気部品によって放散される熱のより大きな部分を、電力を生成するために利用できるようにする。この態様は、熱パワー再生利用における現在の最新技術とは対照的であり、最新技術では、ＴＥＭの熱絶縁特性が原因で、通常は廃熱の比較的小さな部分が電気部品から再生されることがある。

ＴＥＭ５１０は、例えば負荷Ｒに電気的に直列に接続されて、Ｉ^２Ｒワットの電力を生成することができる。前に説明されたように、熱源５２０は電気部品又は熱排出用ダクトであることがある。取り出された電力は、任意の所望の目的のために使用することができる。本明細書の様々な実施形態で説明されるようにＴＥＭ５１０を構成することで、利用可能な廃熱のより大きな部分を有用な電力に変換することが可能になる。図示されない他の実施形態では、ＴＥＭ５１０は電気的に並列に接続される。そのような実施形態では、再生電力は、図示された直列構成よりも大きな電流及び小さな電圧で生成される。

図６Ａは、熱伝導性物体６００がいくつかのヒートパイプ６１０ａ、６１０ｂ、６１０ｃ（一括して、ヒートパイプ６１０）を含む例の実施形態を示す。ヒートパイプ６１０は、熱伝導ブロック６２０ａ、６２０ｂ、６２０ｃの中へ挿入される。この例では３つのヒートパイプ６１０が使用されるが、全体的なシステム要求条件によって要求され、例えばヒートパイプ６１０及び熱伝導ブロック６２０の機械的強度によって制約されるように、任意の数が使用され得る。

作用流体及び蒸気は各ヒートパイプ６１０ａ、６１０ｂ、６１０ｃ中を別々に循環する。実施形態のこの態様は、熱伝導ブロック６２０と熱的に接触しているＴＥＭの異なる領域からの熱の流れを調整する手段を実現する。例えば、ヒートパイプ６１０ｂは、ＴＥＭの内部領域からの熱をそれの端部から取り除くために、ヒートパイプ６１０ａ、６１０ｃよりも高速度に熱を運ぶように構成されることがある。ヒートパイプ６１０ｂは、例えば、ヒートパイプ６１０ａ、６１０ｃと異なる直径で構成されることがある。

図６Ｂは、熱伝導性物体６５０の例の実施形態を示す。この実施形態では、熱伝導ブロック６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃ（一括して、熱伝導ブロック６６０）は支持部材６６５で接合されている。支持部材６６５は熱伝導性物体６５０を機械的に支持するのに役立つことができる。支持部材６６５は熱伝導ブロック６６０と同じ材料又は異なる材料であることがある。実施形態では、支持部材６６５及び熱伝導ブロック６６０は高熱伝導率例えば２００Ｗ／ｍ−Ｋ以上である材料の一体構造である。

図６Ｃは、熱源１１０、２箇の熱伝導性物体６００、５箇のＴＥＭ６７５、及びヒートシンク１２０を含む装置６７０を示す。装置６７０は、前に説明された装置１００と同様に動作すると思われる。

最後に、図７を参照すると、方法７００の流れ図が示されている。ステップ７１０で、第１の熱伝導性物体及び第２の熱伝導性物体が設けられる。一方の熱伝導性物体は、少なくとも１つのフィンガを持つように構成され、他方は複数のフィンガを持つように構成される。ステップ７２０で、第１の熱伝導性物体及び第２の伝導性物体は、一方の熱伝導性物体のフィンガが他方の熱伝導性物体のフィンガと互いにかみ合うように互いに関連して構成される。ステップ７３０で、複数のＴＥＭは、各ＴＥＭの第１の主表面が第１の熱伝導性物体と熱的に接触し、かつ対向する第２の主表面が第２の熱伝導性物体と熱的に接触するように構成される。

他の及びさらなる追加物、削除部分、代替物及び修正物が、本発明の範囲から逸脱することなしに、説明された実施形態に加えられる可能性があることを、本発明が関連する当業者は理解するであろう。

Claims

少なくとも１つのフィンガを持っている第１の熱伝導性物体、
複数のフィンガを持っている第２の熱伝導性物体、前記複数のフィンガの少なくとも第１および第２のフィンガが同じ蒸気チャンバの一部を含み、前記第１のフィンガから第２のフィンガへ蒸気を運ぶ通路を提供するように構成され、更に前記第１の熱伝導性物体の少なくとも一つのフィンガが前記第２の熱伝導性物体の前記第１のフィンガおよび第２のフィンガと互いにかみ合うように構成され、
及び
複数の熱電モジュールを備えた装置であって、前記複数の熱電モジュールは前記第１の熱伝導性物体と第２の熱伝導性物体の間に配置され、各熱電モジュールは第１の主表面とそれに対向する第２の主表面の間にその全体が配置された少なくとも一つの半導体ペレットを有し、前記第１の主表面の一つは前記第１の熱伝導性物体の少なくとも一つのフィンガと熱的に接触し、前記第２の主表面の一つは前記第２の熱伝導性物体の前記第１のフィンガ又は前記第２のフィンガと熱的に接触している装置。
請求項１に記載の装置であって、前記第１の熱伝導性物体と熱的に接触している熱源、及び前記第２の熱伝導性物体と熱的に接触しているヒートシンクをさらに備えた装置。
請求項２に記載の装置であって、前記熱電モジュールが、前記熱源によって生成される熱に応答して電力を生成するように構成されている装置。
請求項１に記載の装置であって、前記熱電モジュールが前記第１の熱伝導性物体と第２の熱伝導性物体間で熱を運ぶように構成されている装置。
請求項１に記載の装置であって、前記同じ蒸気チャンバが第２の蒸気チャンバであり、前記第１の熱伝導性物体は第１の蒸気チャンバを含む装置。
少なくとも１つのフィンガを持っている第１の熱伝導性物体を設けるステップ、
複数のフィンガを持っている第２の熱伝導性物体を設けるステップ、前記複数のフィンガの少なくとも第１および第２のフィンガが同じ蒸気チャンバの一部を含み、前記第１のフィンガから第２のフィンガへ蒸気を運ぶ通路を提供するように構成され、
前記第１の熱伝導性物体の少なくとも一つのフィンガが前記第２の熱伝導性物体の前記第１のフィンガおよび第２のフィンガと互いにかみ合うように前記第１の熱伝導性物体と前記第２の熱伝導性物体を構成するステップ、
及び
前記第１の熱伝導性物体と前記第２の熱伝導性物体の間に複数の熱電モジュールを配置するステップを備え、各熱電モジュールは第１の主表面とそれに対向する第２の主表面の間にその全体が配置された少なくとも一つの半導体ペレットを有し、前記第１の主表面の一つは前記第１の熱伝導性物体の少なくとも一つのフィンガと熱的に接触し、前記第２の主表面の一つは前記第２の熱伝導性物体の前記第１のフィンガ又は前記第２のフィンガと熱的に接触する、方法。
請求項６に記載の方法であって、前記同じ蒸気チャンバが第２の蒸気チャンバであり、前記第１の熱伝導性物体は第１の蒸気チャンバを含む方法。
請求項６に記載の方法であって、前記第１の熱伝導性物体と熱的に接触している熱源、及び前記第２の熱伝導性物体と熱的に接触しているヒートシンクをさらに配置することを含む方法。
少なくとも１つのフィンガを持っている第１の熱伝導性物体、
複数のフィンガを持っている第２の熱伝導性物体、前記複数のフィンガの少なくとも第１および第２のフィンガが同じ蒸気チャンバの一部を含み、前記第１のフィンガから第２のフィンガへ蒸気を運ぶ通路を提供するように構成され、更に前記第１の熱伝導性物体の少なくとも一つのフィンガが前記第２の熱伝導性物体の前記第１のフィンガおよび第２のフィンガと互いにかみ合うように構成され、
複数の熱電モジュール、前記複数の熱電モジュールは前記第１の熱伝導性物体と第２の熱伝導性物体の間に配置され、各熱電モジュールは第１の主表面とそれに対向する第２の主表面の間にその全体が配置された少なくとも一つの半導体ペレットを有し、前記第１の主表面の一つは前記第１の熱伝導性物体の少なくとも一つのフィンガと熱的に接触し、前記第２の主表面の一つは前記第２の熱伝導性物体の前記第１のフィンガ又は前記第２のフィンガと熱的に接触し
及び
前記第１の熱伝導性物体と第２の熱伝導性物体の間の熱輸送の速度を前記複数の熱電モジュールによって制御するように構成された制御装置
を備えるシステム。
請求項９に記載のシステムであって、前記第１の熱伝導性物体と第２の熱伝導性物体の
うちの少なくとも１つがヒートパイプを含むシステム。