JP7252692B2 - 熱電デバイス、デバイスを冷却するための方法、および電気的エネルギーを発生させるための方法 - Google Patents

Description

本発明の態様は、全体として熱電素子、モジュールおよびデバイスに関する。さらなる態様は、熱電素子によりデバイスを冷却するための方法ならびに熱電素子により電気的エネルギーを発生させるための方法に関する。

冷却用の熱電デバイスは、例えば、電子デバイスから余分な熱を移動させるために使用される。多くの電子デバイスは低パワー消失であるので、追加の冷却手段が望まれる。熱電冷却は、ジョン・チャールス・ペルチェ（John Charles Peltier）により最初に発見された。ペルチェは、ｎ型半導体またはｐ型半導体などの異なる導電体同士の間の接合を通り流れる電流が、接合を通り流れる電流に応じて発熱または冷却を誘起できることを観察した。この効果は、ペルチェ効果または熱電効果と呼ばれる。温度は、接合を通る電流方向に応じて高くなることも低くなることもある。

熱電デバイスは、熱源とヒート・シンクとの間に設置されたヒート・ポンプとしてしばしば使用される。熱源は電気部品であってもよく、そしてヒート・シンクは時には表面プレートまたは対流ヒート・シンクである。従来型の熱電冷却デバイスは、対象物を段階的に冷却するためまたは熱源から熱を逃がすために多数の段階を使用する。このような多段モジュールは、互いに積み重ねられた別々の熱電モジュールから主に構成される。このことが、含まれる複数の熱電部品およびその複雑さのためにさらなるスペースの必要性および経費の増加につながる。

固体デバイスにおいて高い冷却能を実現することは、量子コンピューティング、検知およびチップ上の熱管理などの様々な用途にとって難題のままである。

熱電デバイスの他の用途は、例えば、デバイスの自給自足電源のために、環境温度の差から電気的エネルギーを発生させることを含む。

Shuang Jia, Su-Yang Xu and M.Zahid Hasan Weyl;"Weyl semimetals, Fermi arcs and chiral anomalies", 1140 NATURE MATERIALS, VOL15, NOVEMBER 2016

これゆえ、熱電デバイスの効率を高めることが一般に望ましい。

第１の態様によれば、発明は、熱電素子を備える熱電デバイスとして具現化される。熱電素子は、ワイル半金属および複数の磁化された素子を備える。複数の磁化された素子は、ワイル半金属に管理された磁場をかけるように構成される。

このような具現化された熱電デバイスは、熱電デバイスの冷却用途またはエネルギー取入れ用途に関する効率を高めることを提供することができる。特に、磁化された素子との組み合わせでのワイル半金属の使用は、テルル化ビスマス、ＰｅＴｅ、シリサイド、スクッテルド鉱または半ホイスラ合金などの従来の熱電材料と比較して性能指数としての増加したＺＴ値を有する熱電デバイスを提供することができる。ＺＴ値は、熱源（冷却しようとするデバイス／部品の高温側）の絶対温度ＴとＺとの積であり、ここでは
Ｚ＝σＳ^２／ｋ、
であり、ここでσが使用した材料の導電率であり、Ｓがゼーベック係数であり、そしてｋが使用した材料の熱伝導率である。

ワイル半金属についての現在の研究の概要は、文書“Weyl semimetals, Fermi arcs and chiral anomalies”, 1140 NATUREMATERIALS, VOL15, NOVEMBER 2016でShuang Jia、Su-Yang XuおよびM.Zahid Hasan Weylにより与えられている。この文書によれば「ワイル半金属は、その準粒子励起がワイル・フェルミオン、量子場理論では重要な役割を演じたが真空中では基本粒子として観測されていない粒子である、半金属または金属である。ワイル・フェルミオンは、左手または右手のいずれかの確定的なキラリティを有する。ワイル半金属では、キラリティを、位相幾何学的に保護されたキラル電荷として理解することができる。反対のキラリティのワイル・ノードは、運動量空間では切り離されており、エキゾチック非閉表面状態、フェルミ・アークにより結晶境界を介してのみ接続される。ワイル・フェルミオンは、電流を運び、非常に高い移動度を生じさせながら強固である。そのスピンは、運動量空間磁気単極子構成(momentum-space magnetic monopole configuration)のその特性のために、その運動量方向に固定されている。キラル異常のために、平行な電場および磁場の存在は、キラル電荷の見掛け上の保存を中断することができ、通常の非磁性金属とは違い、大きくなる磁場でワイル金属をさらに導電性にすることができる。」

ある実施形態によれば、ワイル半金属は、熱ヒート・フラックス(thermal heat flux)および電流を案内するように構成される。さらにその上、管理された磁場が、電流に平行な方向に向けられる。これゆえ、磁化された素子により流される電流およびかけられる磁場は、互いに平行である。このような具現化された熱電デバイスは、キラル異常により生じたキラル電荷の保存を中断することができる。結果として、発明の実施形態による熱電素子の導電率を、管理された磁場をかけることにより大きくすることができる。このことは順に、ＺＴ値の増加をもたらす。

ある実施形態によれば、磁化された素子は、熱ヒート・フラックスおよび電流がワイル半金属を通って主に流れるような方法で配置される。

このような実施形態は、磁化された素子の導電率および熱伝導率が、ワイル半金属の導電率および熱伝導率よりも多くの場合に高くなることがあるという発見に基づいている。これゆえ、電流ならびに熱ヒート・フラックスは、ワイル半金属をバイパスすることがあり、代わりに磁化された素子を通って流れることがある。この実施形態によれば、磁化された素子は、このようなバイパスすることが回避されるまたは減少され、そして熱ヒート・フラックスおよび電流がワイル半金属を通って「主に」流れるような方法で配置される。

実施形態によれば、「主に」という用語は、それぞれ全電流および全ヒート・フラックスの５０％超がワイル半金属だけを通って流れること、そしてこれゆえ全電流および全ヒート・フラックスの５０％未満を磁化された素子のうちの１つを通ってバイパスさせることを意味するであろう。他の実施形態によれば、「主に」という用語は、それぞれ全電流および全ヒート・フラックスの６０％超、７０％超、８０％超または９０％超がワイル半金属だけを通って流れることを意味するであろう。磁化された素子を、特にこれらが電流の方向および熱ヒートの方向に予め決められた最大コンタクト長を有するように設計することができる。このような予め決められた最大長は、それぞれ電流および熱ヒート流にとってワイル半金属をバイパスすることを「魅力のないもの」にさせる。実施形態によれば、最大長を有するワイル半金属の熱抵抗がワイル半金属と磁化された素子との間の熱界面抵抗の２倍未満であるように、最大長を選択する。

実施形態によれば、磁化された素子は、別々の個別素子として具現化される。

実施形態によれば、磁化された素子は、ワイル半金属に隣接して、特に相互間で予め決められた間隔に直列方式で配置される。このことが、ワイル半金属に高い磁場を効率的にかけることを可能にする。ワイル半金属に磁化された素子を取り付けることを、例えば、グルーイング、マスクを通した金属堆積、リソグラフィ・プロセス、および自己組み立てプロセスなどの、当業者には知られた製造方法を用いて実行することができる。

他の実施形態によれば、磁化された素子は、ワイル半金属に埋め込まれる。このことが、ワイル半金属に高い磁場を効率的にかけることを可能にする。埋め込まれ磁化された素子を有するこのようなワイル半金属を、例えば、ワイル半金属の結晶成長中における磁性元素でのドーピング、磁気ナノ粒子の取込みなどの当業者には知られた製造方法を用いて製造することができる。

いくつかの実施形態によれば、埋め込まれ磁化された素子は、μｍの範囲内の寸法を有するマイクロ素子である。他の実施形態によれば、埋め込まれ磁化された素子は、原子である。

実施形態によれば、ワイル半金属を、特に、ＴａＡｓ、ＮｂＰまたはＴａＰとすることができる。

他の実施形態によれば、ワイル半金属は、ディラック金属であってもよい。ディラック金属は、特にＣｄ_２Ａｓ_３またはＮａ_３Ｂｉであってもよい。このようなディラック金属は、磁場Ｂをかけることによりワイル半金属へと転じる。

他の実施形態によれば、ワイル半金属は、ＲＰｔＢｉまたはＧｄＰｔＢｉであってもよい。これらの材料は、磁場Ｂをかけることによりワイル半金属へと転じる。

実施形態によれば、磁化された素子は、希土類磁石として具現化されることがある。

実施形態によれば、磁化された素子は、ネオジム－鉄－ホウ素、マンガン・アルミニウム、サマリウム・コバルトまたはアルミニウム・ニッケル・コバルトなどの材料を含むことができる。

実施形態によれば、熱電デバイスは、冷却デバイスである。発明の実施形態は、冷却能の増加およびＺＴ値の増加の結果として熱源とヒート・シンクとの間の温度差の増加を提供することができる。

実施形態によれば、熱電デバイスは、熱電デバイスのコンタクト電極同士の間の温度差を電気的エネルギーへと変換するように構成された電気的エネルギー源である。このような具現化されたデバイスは、例えば、電気を発生させるために太陽光エネルギーを使用することができる。このような具現化されたデバイスを、例えば、モノのインターネット（ＩｏＴ）デバイス用の自給自足電源として使用することができる。

実施形態によれば、熱電デバイスは、温度センサである。

実施形態によれば、磁化された素子は、ワイル半金属に少なくとも１テスラの磁場をかけるように構成される。このような高い磁場は、熱電素子のＺＴ値を増加させる。

本発明のもう１つの態様によれば、デバイスを冷却するための方法が提供される。本方法は、熱電素子を備える熱電デバイスを用意するステップを含む。熱電素子は、第１の態様の実施形態にしたがったワイル半金属および複数の磁化された素子を備える。さらなるステップは、熱電デバイスにより、熱電素子に電流を流すことを含む。さらなるステップは、複数の磁化された素子により、電流の方向に平行にワイル半金属に管理された磁場をかけることを含む。さらなるステップは、電流に応じて熱電素子を通るヒート・フラックスを発生させることを含む。

このような方法は、従来の熱電材料を使用する冷却方法と比較して性能指数としての冷却効率を高めることおよびＺＴ値の増加を提供することができる。

本発明のもう１つの態様によれば、電気的エネルギーを発生させるための方法が提供される。本方法は、熱電素子を備える熱電デバイスを用意するステップを含む。熱電素子は、第１の態様の実施形態にしたがったワイル半金属および複数の磁化された素子を備える。さらなるステップは、熱電デバイスに熱ヒート・フラックス、例えば、太陽光ヒート・フラックスを流すことを含む。さらなるステップは、複数の磁化された素子により、熱ヒート・フラックスに平行にワイル半金属に管理された磁場をかけることを含む。さらなるステップは、ヒート・フラックスに応じて熱電素子を通る電流を発生させることを含む。

このような方法は、従来の熱電材料を使用する方法と比較して性能指数としての効率を高めることおよびＺＴ値の増加を提供することができる。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、例示的であり非限定的な例として下記により詳細に説明しよう。

ワイル半金属に隣接した磁化された素子を有する本発明の実施形態による熱電デバイスの模式的断面図である。 ワイル半金属に埋め込まれた磁化されたマイクロ素子を有する本発明の実施形態による熱電デバイスの模式的断面図である。 ワイル半金属に埋め込まれた磁化された原子を有する本発明の実施形態による熱電デバイスの模式的断面図である。 本発明の実施形態による熱電冷却デバイスの図である。 電気的エネルギー源として具現化された熱電デバイスの図である。 温度センサとして具現化された熱電デバイスの図である。 デバイスを冷却するための方法の方法ステップのフロー・チャートである。 電気的エネルギーを発生させるための方法の方法ステップのフロー・チャートである。

図１は、本発明の実施形態による熱電デバイス１００の模式的断面図を示している。熱電デバイス１００は、熱電素子１１０を備える。熱電素子１１０は、ワイル半金属１２０および複数の磁化された素子１３０を熱電材料として備える。磁化された素子１３０の各々は、ワイル半金属１２０に管理された磁場Ｂをかける。磁化された素子１３０を、ワイル半金属１２０に隣接して配置する。とりわけ、磁化された素子１３０を、相互間で予め決められた間隔ｄに長手方向ｘに沿って直列方式で配置する。

熱電デバイス１００は、熱電素子１１０に電流Ｉを流すための電流源１４０をさらに備える。電流Ｉを、電気的コンタクト電極１５０を介して熱電素子１１０に流す。熱電デバイス１００は、例えば、セラミック板として具現化することができる熱コンタクト１６０および１６５をさらに備える。熱コンタクト１６０を熱源１７０にそして熱コンタクト１６５をヒート・シンク１７５に結合することができる。熱源１７０を、素子、物体、モジュールまたはデバイスとすることができ、そこから余分な熱がヒート・シンク１７５へ熱電素子１１０を通り移動するだろう。ワイル半金属１２０は、熱ヒート・フラックスＨを熱源１７０からヒート・シンク１７５へ電流Ｉと平行に案内するように構成される。管理された磁場Ｂを、電流Ｉおよび熱ヒート・フラックスＨに平行な方向に向ける。

ヒート・シンク１７５を、熱を散逸させるまたは取り込むことができる素子、モジュール、物体またはデバイスとすることができる。一般に、熱源１７０は、熱電デバイス１００を介して冷却され、そしてヒート・シンク１７５は加熱される。熱電デバイス１００を、熱源１７０からヒート・シンク１７５へ熱を移動させるためのヒート・ポンプとして考えることができる。

熱ヒート・フラックスＨおよび電流Ｉがワイル半金属１２０を通りそして磁化された素子１３０を通らずに主に流れるような方法で、磁化された素子１３０を配置する。このことを特に、磁化された素子１３０同士の間に十分な間隔ｄを設けることによりそしてさらに予め決められた最大長Ｌを有する磁化された素子を設けることにより実現する。磁化された素子１３０の導電率および熱伝導率がワイル半金属１２０の導電率および熱伝導率よりもしばしば高いことがあるので、磁化された素子１３０は、電流Ｉおよび熱ヒート・フラックスＨにとっての並列経路またはバイパス１８５を一般に与えることがある。この実施形態によれば、このようなバイパスすることは、磁化された素子１３０同士の間に適切な間隔ｄを設けることによりそして予め決められた最大長Ｌを有する磁化された素子を設けることにより回避されるまたは減少される。このような予め決められた最大長Ｌは、特に、ワイル半金属１２０と磁化された素子１３０との間の熱界面抵抗のために、バイパス１８５の全熱抵抗が直接熱経路１８０の熱抵抗よりも高くなることを確実にすることができる。結果として、熱ヒート・フラックスＨおよび電流Ｉは、ワイル半金属１２０を主に通って流れる。

熱電デバイス１００は、ペルチェ効果または時にはゼーベック効果とも呼ばれる熱電効果を利用する。熱電デバイス１００をまた、ペルチェ冷却器とも表すことができる。

一般に、ペルチェ冷却器により得ることができる最大温度差ΔＴは：
ΔＴ＝０．５ＺＴ^２
により与えられ、ここで、Ｔが熱源１７０（高温側）の絶対温度であり、そしてＺは
Ｚ＝σＳ^２／ｋ
であり、ここで、σが使用する材料の導電率であり、Ｓがゼーベック係数であり、そしてｋが使用する材料の熱伝導率である。

典型的には、１付近のＺＴの値が、先行技術によるデバイスでは使用されている。

磁化された素子１３０によりかけられる磁場Ｂと組み合わせてワイル半金属１２０は、１よりも大きい性能指数としてのＺＴ値を実施形態にしたがって与える。好ましい実施形態によれば、ＺＴ値は２よりも大きい。さらに好ましい実施形態によれば、ＺＴ値は、３よりも大きい。

いくつかの実施形態によれば、ワイル半金属１２０は、ＴａＡｓ、ＮｂＰまたはＴａＰを含むことができる。

他の実施形態によれば、ワイル半金属は、ディラック金属であってもよい。このようなディラック金属は、磁場Ｂをかけることによりワイル半金属へと転じる。このようなディラック金属は、例えば、Ｃｄ_２Ａｓ_３またはＮａ_３Ｂｉであってもよい。

他の実施形態によれば、ワイル半金属１２０は、ＲＰｔＢｉまたはＧｄＰｔＢｉを含むことができる。これらの材料もまた、磁場Ｂをかけることによりワイル半金属へと転じる。

実施形態によれば、磁化された素子１３０は、希土類磁石を含むことができる。他の実施形態によれば、磁化された素子１３０は、ネオジム－鉄－ホウ素、マンガン・アルミニウム、サマリウム・コバルトまたはアルミニウム・ニッケル・コバルトを含むことができる。

熱電素子１１０は、特に、棒の形態を有することができる。棒は、ある実施形態によれば、ｙ方向に０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内の幅ｗ_１を有することができる。磁気素子１３０は、ｙ方向に０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内の幅ｗ_２を有することができる。磁気素子１３０は、ｘ方向に０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内の長さＬを有することができる。さらにその上、磁気素子１３０を、ｘ方向に０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内の相互間の間隔ｄで配置する。好ましくは、幅ｗ_１、幅ｗ_２、間隔ｄおよび長さＬは、同じ大きさまたは類似の大きさを有する。好ましくは、幅ｗ_１、幅ｗ_２、間隔ｄおよび長さＬの大きさは、２０％の範囲内である。

このような寸法は、熱ヒート・フラックスおよび電流が主にワイル半金属１２０を通り流れることを確実にすることができる。

図２は、本発明のもう１つの実施形態による熱電デバイス２００の模式的断面図を示している。熱電デバイス２００は、熱電素子２１０を備える。熱電素子２１０は、ワイル半金属２２０および複数の磁化された素子２３０を熱電材料として備える。磁化された素子２３０の各々は、ワイル半金属２２０に管理された磁場Ｂをかける。磁化された素子２３０を、ワイル半金属２２０に埋め込む。とりわけ、磁化された素子２３０は、マイクロ素子である。マイクロ素子２３０を、分散された方式でワイル半金属内に配置する。マイクロ素子は、複数の原子または分子あるいはその両方を含み、そしてワイル半金属２２０に埋め込まれ磁化されたクラスタを形成する。熱電デバイス２００は、熱電素子２１０に電流Ｉを流すための電流源２４０をさらに備える。電流Ｉを、電気的コンタクト電極２５０を介して熱電素子２１０に流す。熱電デバイス２００は、例えば、セラミック板として具現化することができる熱コンタクト２６０および２６５をさらに備える。熱コンタクト２６０を熱源２７０にそして熱コンタクト２６５をヒート・シンク２７５に結合することができる。

ワイル半金属２２０は、熱ヒート・フラックスＨを熱源２７０からヒート・シンク２７５へ電流Ｉと平行に案内するように構成される。管理された磁場Ｂを、電流Ｉおよび熱ヒート・フラックスＨに平行な方向に向ける。

熱ヒート・フラックスＨおよび電流Ｉが主にワイル半金属２２０を通って流れそして埋め込まれ磁化された素子２３０を通らないような方法で、埋め込まれ磁化された素子２３０をやはり配置する。このことは、磁化された素子２３０同士の間に十分な間隔ｄを設けることによりそして特に磁化された素子２３０の予め決められた最大長Ｌを与えることにより実現される。埋め込まれ磁化された素子２３０（破線により示された例示的な経路２８５）を通る熱ヒート・フラックスＨに関する全熱抵抗が埋め込まれ磁化された素子２３０の周りの（やはり破線により示された）熱経路２８０の熱抵抗よりも高いことを、予め決められた最大長Ｌは確実にできる。このことは、特に、ワイル半金属２２０と磁化された素子２３０との間の熱界面抵抗に起因する。結果として、熱ヒート・フラックスＨおよび電流Ｉは、ワイル半金属２２０を主に通って流れる。

図３は、本発明のさらにもう１つの実施形態による熱電デバイス３００の模式的断面図を示している。熱電デバイス３００は、熱電素子３１０を備える。熱電素子３１０は、ワイル半金属３２０および複数の磁化された素子３３０を熱電材料として備える。磁化された素子３３０の各々は、ワイル半金属３２０に管理された磁場Ｂをかける。磁化された素子３３０は、ワイル半金属３２０に埋め込まれる。とりわけ、磁化された素子３３０は、原子である。原子を、分散された方式でワイル半金属内に配置する。熱電デバイス３００は、熱電素子３１０に電流Ｉを流すための電流源３４０をさらに備える。電流Ｉを、電気的コンタクト電極３５０を介して熱電素子３１０に流す。熱電デバイス３００は、例えば、セラミック板として具現化することができる熱コンタクト３６０および３６５をさらに備える。熱コンタクト３６０を熱源３７０にそして熱コンタクト３６５をヒート・シンク３７５に結合することができる。

ワイル半金属３２０は、熱ヒート・フラックスＨを熱源３７０からヒート・シンク３７５へ電流Ｉと平行に案内するように構成される。管理された磁場Ｂを、電流Ｉおよび熱ヒート・フラックスＨに平行な方向に向ける。

図４は、冷却デバイスとして具現化された熱電デバイス４００を示している。熱電デバイス４００は、４個の熱電素子４１０、４１１、４１２および４１３を備え、これらはそれぞれワイル半金属および複数の磁化された素子４３０を熱電材料として備える。磁化された素子４３０の各々は、ワイル半金属に管理された磁場Ｂ（図示せず）をかける。熱電素子４１０および熱電素子４１２は、ｐにドープ(p-doped)され、それゆえｐ型ワイル半金属として具現化される。熱電素子４１１および熱電素子４１３は、ｎにドープ(n-doped)され、それゆえｎ型ワイル半金属として具現化される。４個の熱電素子４１０、４１１、４１２および４１３を、直列に電気的に結合する。コンタクト電極４５０は、熱電素子４１０に接触し、コンタクト電極４５１は、熱電素子４１０および４１１を接続し、コンタクト電極４５２は、熱電素子４１１および４１２を接続し、コンタクト電極４５３は、熱電素子４１２および４１３を接続し、そしてコンタクト電極４５４は、熱電素子４１３に接触する。

熱電デバイス４００は、熱電素子４１０～４１３を直列に通る電流Ｉを流すための電流源４４０をさらに備える。

熱電デバイス４００は、例えば、セラミック板として具現化することができる熱コンタクト４６０および４６５をさらに備える。熱コンタクト４６０を熱源（図示せず）にそして熱コンタクト４６５をヒート・シンク（図示せず）に結合することができる。

図５は、電気的エネルギー源として具現化された熱電デバイス５００を示している。熱電デバイス５００は、温度Ｔ_Ｈを有するデバイス５００の高温側と温度Ｔ_Ｃを有するデバイスの低温側との間の温度差を電気的エネルギーへと変換する。

とりわけ、熱電デバイス５００は、４個の熱電素子５１０、５１１、５１２および５１３を備え、これらはそれぞれワイル半金属および複数の磁化された素子５３０を熱電材料として備える。磁化された素子５３０の各々は、ワイル半金属に管理された磁場Ｂ（図示せず）をかける。熱電素子５１０および熱電素子５１２は、ｐにドープされ、それゆえｐ型ワイル半金属として具現化される。熱電素子５１１および熱電素子５１３は、ｎにドープされ、それゆえｎ型ワイル半金属として具現化される。４個の熱電素子５１０、５１１、５１２および５１３を、直列に電気的に結合する。コンタクト電極５５０は、熱電素子５１０に接触し、コンタクト電極５５１は、熱電素子５１０および５１１を接続し、コンタクト電極５５２は、熱電素子５１１および５１２を接続し、コンタクト電極５５３は、熱電素子５１２および５１３を接続し、そしてコンタクト電極５５４は、熱電素子５１３に接触する。コンタクト電極５５０および５５４を、負荷抵抗Ｒ_Ｌに電気的に接続する。

熱電デバイス５００は、例えば、セラミック板として具現化することができる熱コンタクト５６０および５６５をさらに備える。熱コンタクト５６０は、熱、例えば、太陽熱ヒートを受けるように構成され、そしてデバイス５００は、この熱ヒートを電流Ｉへと変換し、これゆえ負荷抵抗Ｒ_Ｌにおいて電気的エネルギーへと変換する。

図６は、温度センサとして具現化された熱電デバイス６００を示している。

とりわけ、熱電デバイス６００は、２個の熱電素子６１０および６１１を備え、これらはそれぞれワイル半金属および複数の磁化された素子６３０を熱電材料として備える。磁化された素子６３０の各々は、ワイル半金属に管理された磁場Ｂ（図示せず）をかける。熱電素子６１０は、ｐにドープされ、それゆえｐ型ワイル半金属として具現化される。熱電素子６１１は、ｎにドープされ、それゆえｎ型ワイル半金属として具現化される。２個の熱電素子６１０および６１１を、直列に電気的に結合する。コンタクト電極６５０は、熱電素子６１０に接触し、コンタクト電極６５１は、熱電素子６１０および６１１を接続し、コンタクト電極６５２は、熱電素子６１１に接触する。コンタクト電極６５０および６５２を、電圧計６８０に電気的に接続する。

熱電デバイス６００は、例えば、セラミック板として具現化することができる熱コンタクト６６０および６６５をさらに備える。熱コンタクト６６５を、固定の基準温度Ｔ_Ｒｅｆで動作させ、一方で、デバイス６００は、熱コンタクト６６０の側における温度Ｔ_Ｍを測定するように構成される。とりわけ、電圧計６８０において測定した電圧を、基準温度Ｔ_Ｒｅｆに対する温度差へと変換する。

図７は、デバイスを冷却するための方法７００の方法ステップを図示している。

ステップ７１０のところでは、熱電素子を備える熱電デバイスを用意する。熱電素子は、ワイル半金属および複数の磁化された素子を備え、上に説明したように具現化されることがある。

ステップ７２０のところでは、熱電デバイスは、電流源により熱電素子に電流を流す。

ステップ７３０のところでは、複数の磁化された素子は、電流の方向に平行にワイル半金属に管理された磁場をかける。

ステップ７４０のところでは、熱電デバイスが、電流に応じて熱電素子を通るヒート・フラックスを発生させる。

方法７００は、管理された磁場をかけることと組み合わせて熱電材料としてワイル半金属を使用することにより冷却効率の点で利点を与える。

図８は、電気的エネルギーを発生させるための方法８００の方法ステップを図示している。

ステップ８１０のところでは、熱電素子を備える熱電デバイスを用意する。熱電素子は、ワイル半金属および複数の磁化された素子を備え、上に説明したように具現化されることがある。

ステップ８２０のところでは、熱ヒート・フラックスを、例えば、太陽熱の形態で熱電デバイスに提供する。

ステップ８３０のところでは、複数の磁化された素子は、熱ヒート・フラックスに平行にワイル半金属に管理された磁場をかける。

ステップ８４０のところでは、熱電デバイスは、ヒート・フラックスに応じて熱電素子を通る電流を発生させる。

方法８００は、管理された磁場をかけることと組み合わせて熱電材料としてワイル半金属を使用することにより効率的なエネルギー取入れの点で利点を与える。

本発明の様々な実施形態の説明は、例証の目的で提示されてきているが、網羅的なものでも開示した実施形態に限定するものでもない。多くの修正形態および変更形態が、説明した実施形態の範囲および思想から逸脱することなく当業者には明らかであろう。本明細書において使用した用語法は、実施形態の原理、市場において見出される技術よりも実際的な応用または技術的改善を最も良く説明するために、または他の当業者が本明細書において開示した実施形態を理解することを可能にするために選択された。

Claims (25)

1. 熱電素子を備える熱電デバイスであって、前記熱電素子がワイル半金属および複数の磁化された素子を備え、前記複数の磁化された素子が前記ワイル半金属に管理された磁場をかけるように構成され、熱ヒート・フラックスと電流とが互いに平行な方向を向くように構成された、熱電デバイス。
2. 前記ワイル半金属が、前記熱ヒート・フラックスおよび前記電流を案内するように構成され、
   前記管理された磁場が、前記電流に平行な方向に向けられる、
   請求項１に記載の熱電デバイス。
3. 前記磁化された素子は、前記熱ヒート・フラックスおよび前記電流が前記ワイル半金属を通って主に流れるような方法で配置される、
   請求項２に記載の熱電デバイス。
4. 前記磁化された素子が、前記ワイル半金属に隣接して配置される、請求項１に記載の熱電デバイス。
5. 前記磁化された素子が、相互間で予め決められた間隔に直列方式で配置される、請求項４に記載の熱電デバイス。
6. 前記磁化された素子が、前記ワイル半金属に埋め込まれる、請求項１に記載の熱電デバイス。
7. 前記磁化された素子が、マイクロ素子である、請求項６に記載の熱電デバイス。
8. 前記磁化された素子が、原子である、請求項６に記載の熱電デバイス。
9. 前記ワイル半金属が、ＴａＡｓ、ＮｂＰおよびＴａＰからなる群から選択される、請求項１に記載の熱電デバイス。
10. 前記ワイル半金属が、ディラック金属である、請求項１に記載の熱電デバイス。
11. 前記ディラック金属が、Ｃｄ_２Ａｓ_３およびＮａ_３Ｂｉからなる群から選択される、請求項１０に記載の熱電デバイス。
12. 前記ワイル半金属が、ＧｄＰｔＢｉである、請求項１に記載の熱電デバイス。
13. 前記磁化された素子が、希土類磁石を含む、請求項１に記載の熱電デバイス。
14. 前記磁化された素子が、ネオジム－鉄－ホウ素、マンガン・アルミニウム、サマリウム・コバルトまたはアルミニウム・ニッケル・コバルトからなる群から選択される、請求項１に記載の熱電デバイス。
15. 前記熱電デバイスが、冷却デバイスである、請求項１に記載の熱電デバイス。
16. 前記熱電デバイスが、前記熱電デバイスのコンタクト電極同士の間の温度差を電気的エネルギーへと変換するように構成された電気的エネルギー源である、請求項１に記載の熱電デバイス。
17. 前記熱電デバイスが、温度センサである、請求項１に記載の熱電デバイス。
18. 前記磁化された素子が、前記ワイル半金属に少なくとも１テスラの磁場をかけるように構成される、請求項１に記載の熱電デバイス。
19. 前記熱電素子が、コンタクト電極同士の間に配置され、
    前記熱電素子が、前記コンタクト電極同士の間に電流を導くように構成される、
    請求項１に記載の熱電デバイス。
20. 前記熱電素子が、棒の形態を有し、
    前記棒が、０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内の幅を有し、
    前記磁化された素子が、０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内の幅を有し、
    前記磁化された素子が、０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内の長さを有し、
    前記磁化された素子が、相互間の間隔ｄで配置され、前記間隔ｄが０．１μｍと１０μｍとの間の範囲内である、
    請求項１に記載の熱電デバイス。
21. デバイスを冷却するための方法であって、
    熱電素子を備える熱電デバイスを用意することであり、前記熱電素子がワイル半金属および複数の磁化された素子を備える、前記用意することと、
    前記熱電デバイスにより、前記熱電素子に電流を流すことと、
    前記複数の磁化された素子により、前記ワイル半金属に管理された磁場をかけることであり、前記管理された磁場が前記電流の方向に平行にかけられる、前記かけることと、
    前記電流に応じて、前記熱電素子を通る、前記電流の方向と平行な方向を向くヒート・フラックスを発生させることと
    を含む、方法。
22. 前記磁化された素子が、前記ワイル半金属に隣接して配置される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記磁化された素子が、前記ワイル半金属に埋め込まれる、請求項２１に記載の方法。
24. 電気的エネルギーを発生させるための方法であって、
    熱電素子を備える熱電デバイスを用意することであり、前記熱電素子がワイル半金属および複数の磁化された素子を備える、前記用意することと、
    前記熱電デバイスに熱ヒート・フラックスを流すことと、
    前記複数の磁化された素子により、前記ワイル半金属に管理された磁場をかけることであり、前記管理された磁場が前記熱ヒート・フラックスに平行にかけられる、前記かけることと、
    前記熱ヒート・フラックスに応じて、前記熱電素子を通る、前記熱ヒート・フラックスの方向と平行な方向を向く電流を発生させることと
    を含む、方法。
25. 前記磁化された素子が、前記ワイル半金属に隣接して配置されるまたは前記ワイル半金属に埋め込まれる、請求項２４に記載の方法。

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