JP2009544929A - 大容量熱電温度制御システム - Google Patents

Abstract

熱電システムが、第１の複数の熱電素子および第２の複数の熱電素子を備える。この熱電システムが、さらに複数の熱伝達装置を備える。それぞれの熱伝達装置が、熱電素子と熱伝達装置とからなるスタックを形成すべく、前記第１の複数の熱電素子のうちの２つ以上の熱電素子に熱的に連絡した第１の側と、前記第２の複数の熱電素子のうちの１つ以上の熱電素子に熱的に連絡した第２の側とを有している。前記第１の複数の熱電素子のうちの前記２つ以上の熱電素子が、互いに電気的に並列に連絡するとともに、前記第２の複数の熱電素子のうちの前記１つ以上の熱電素子に電気的に直列に連絡している。
【選択図】図３４

Description

継続出願に関する情報

本出願は、２００５年５月２４日出願の米国特許出願１１／１３６，３３４号の部分継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００３年８月１８日出願の米国特許第６，９５９，５５５号の継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００２年８月２３日出願の米国特許第７，２３１，７７２号の部分継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００３年３月３１日出願の米国特許第７，１１１，４６５号の部分継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００１年４月２７日出願の米国特許第６，５３９，７２５号の継続出願であり、参照としてその全体が本明細書に取り込まれ、２００１年２月９日出願の米国特許仮出願第６０／２６７，６５７号に関連し、その利益を主張し、参照としてその全体が本明細書に取り込まれる。さらに、本出願は、２００６年７月２８日出願の米国特許仮出願第６０／８３４，００５号および２００６年７月２８日付の米国特許仮出願第６０／８３４，００７号の利益を主張し、双方とも参照としてその全体が本明細書に取り込まれる。

発明の背景

発明の分野
本明細書の開示は、半導体冷却／加熱／発電システムのための優れた構成に関する。
関連技術の説明
熱電装置（ＴＥ）は、特定の材料の特性を利用して、電流の存在下で材料にわたって温度勾配を生じさせる。通常の熱電装置は、装置内の熱電材料として、Ｐ型およびＮ型の半導体を用いる。これらが、所望の加熱または冷却機能が得られるような方法で、物理的かつ電気的に構成される。

今日において熱電装置に使用されている最も一般的な構成が、図１Ａに示されている。一般に、Ｐ型およびＮ型の熱電素子１０２が、２つの基板１０４の間の矩形のアセンブリ１００に配列される。電流Ｉが、両方の型の素子を通って流れる。素子は、素子１０２の端部へと配置された銅製のシャント１０６によって直列に接続されている。ＤＣ電圧１０８が印加されると、ＴＥ素子にわたって温度勾配が生じる。ＴＥは、一般に、液体、気体、および固体の物体を冷却するために使用される。

半導体冷却／加熱／発電（ＳＳＣＨＰ）システムが、軍事および航空宇宙の機器、温度制御、ならびに発電の用途において、１９６０年代から使用されてきている。そのようなシステムは、それらが果たす機能に対して高価に過ぎ、かつ出力密度が低いため、商業的な使用は限定的であり、ＳＳＣＨＰシステムは、商業的に受け入れるためには大きすぎ、コストが高すぎ、効率が低すぎ、かつ重すぎであった。

近年の材料の改善により、効率および出力密度は、現在のシステムの最大１００倍まで高められる見込みである。しかしながら、熱電（ＴＥ）装置の利用は、低い効率、低い出力密度、および高いコストによって制限されている。

今日のＴＥ材料において、ＺＴ＝０．９のモジュールによって生み出されるピーク効率での冷却力が、最大冷却力の約２２％であることが、ＴＥ設計ガイド（Ｍｅｌｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの「Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、１９９５年、１６−１７頁）から周知である。すなわち、可能な最高の効率を達成するためには、最大冷却での動作において必要とされる数に比べ、いくつかのＴＥモジュールが必要である。結果として、効率的な動作のためのＴＥモジュールのコストが、大幅に高くなり、結果としてのシステムが、著しく大きくなる。

文献（例えば、Ｇｏｌｄｓｍｉｄ， Ｈ．Ｊ．の「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ」、１９８６年、９頁を参照）から、最大の熱冷却率を

と記述できることが知られており、ここで
ｑ_ＣＯＰＴは、最適冷却熱出力であり、
Ｉ_ＯＰＴは、最適電流であり、
αは、ゼーベック係数であり、
Ｒは、システムの電気抵抗であり、
Ｋは、システムの熱伝導であり、
ΔＴは、高温側温度と低温側温度との間の差であり、
Ｔ_Ｃは、低温側温度である。

さらに、Ｇｏｌｄｓｍｉｄから、

であり、ここで
Ｚは、材料の熱電性能指数であり、
Ｔ_ＡＶＥは、高温側温度および低温側温度の平均であり、

である。

式（２）を（１）に代入すると、

である。

式（３）の右辺の括弧内の項は、ＴＥシステムのサイズ（または寸法）と無関係であり、したがって冷却の量ｑ_ＯＰＴは、材料の特性およびＫのみの関数である。図１の構成について、Ｋを

と記述することができ、ここで、λは、ＮおよびＰの材料の平均の熱伝導率であり、Ａ_Ｃは、素子の面積であり、Ｌは、各素子の長さである。

αが、材料の固有の特性であるため、比Ｌ_Ｃ／Ａ_Ｃが一定である限りにおいて、最適熱出力ｑ_ＯＰＴは同じである。Ｉ_ＯＰＴに等しい電流において、抵抗は

であり、ここで、ρ_ＴＥは、ＴＥ素子の固有の平均抵抗率であり、Ｒ_ＯＣは、ＴＥ材料の抵抗であり、Ｒ_ＰＣは、寄生抵抗である。

とりあえず、Ｒ_Ｐがゼロであると仮定すると、Ｒは一定である。Ｌ_Ｃ／Ａ_Ｃが固定されている場合、Ｉ_ＯＰＴは一定である。比Ｌ_Ｃ／Ａ_Ｃが変化する場合のみ、Ｋ、したがってｑ_ＣＯＰＴが変化し、Ｒ_ＯＣ、したがってＩ_ＯＰＴが変化する。

通常は、同じ冷却出力において、装置をより小さくすることが好都合である。熱電システムにおける重要な制約は、例えば固定のＡ_Ｃに対して長さＬ_Ｃが小さくされるとき、ＴＥ材料の損失に対する寄生抵抗の損失の比φ_Ｃが、比較的大きくなる点にある。

これを、典型的なＴＥ対を示した図１Ｃを参照することによって、理解することができる。いくつかの寄生損失が生じるが、上手く設計されたＴＥにおける最大の寄生損失は、シャント１０６からの寄生損失である。ＴＥ素子１０２ごとのシャント１０６の抵抗は、おおよそ

であり、ここで、Ｇ_Ｃは、ＴＥ素子間のすき間であり、Ｂ_Ｃは、ＴＥ素子およびシャントの広がりであり、Ｗ_Ｃは、ＴＥ素子およびシャントの幅であり、Ｔ_Ｃは、シャントの厚さであり、Ｐ_ＳＣは、シャントの抵抗率である。

図１の構成において、ＴＥ素子の抵抗は、

であり、ここで、Ｌ_Ｃは、ＴＥ素子の長さである。

したがって、式（７）および（８）を（６）に使用して、

である。

特定の実施形態においては、熱電システムが提供される。熱電システムが、第１の複数の熱電素子および第２の複数の熱電素子を備える。この熱電システムが、さらに複数の熱伝達装置を備える。それぞれの熱伝達装置が、熱電素子と熱伝達装置とからなるスタックを形成すべく、前記第１の複数の熱電素子のうちの２つ以上の熱電素子に熱的に連絡した第１の側と、前記第２の複数の熱電素子のうちの１つ以上の熱電素子に熱的に連絡した第２の側とを有している。前記第１の複数の熱電素子のうちの前記２つ以上の熱電素子が、互いに電気的に並列に連絡するとともに、前記第２の複数の熱電素子のうちの前記１つ以上の熱電素子に電気的に直列に連絡している。

特定の実施形態においては、熱電システムが提供される。熱電システムが、複数の熱電モジュールおよび複数の熱伝達装置を備える。それぞれの熱伝達装置が、ハウジングおよび該ハウジングの内側の１つ以上の熱交換器素子を備える。それぞれの熱伝達装置が、作動流体を受け取って通過させる。熱伝達装置の少なくともいくつかが、前記複数の熱電モジュールのうちの少なくとも２つの熱電モジュールの間に挟まれて、該少なくとも２つの熱電モジュールに熱的に連絡し、交互の熱電モジュールおよび熱伝達装置を作動媒体の移動の方向に沿った熱絶縁をもたらすように配置してなるスタックが形成されている。

特定の実施形態においては、熱電システムが提供される。熱電システムが、複数の熱電モジュールおよび複数の熱伝達装置を備える。それぞれの熱伝達装置が、作動流体を受け取って通過させる。熱伝達装置のうちの少なくともいくつかが、前記複数の熱電モジュールのうちの少なくとも２つの熱電モジュールの間に挟まれて、該少なくとも２つの熱電モジュールに熱的に連絡し、交互の熱電モジュールおよび熱伝達装置を作動媒体の移動の方向に沿った熱絶縁をもたらすように配置してなるスタックが形成されている。第１の作動流体が、第１組の熱伝達装置を通って流れることによって冷却され、第２の作動流体が、第２組の熱伝達装置を通って流れることによって加熱される。

本明細書の開示のこれらの態様および他の態様が、図面および以下のさらに詳細な説明から明らかになるであろう。

従来からのＴＥモジュールを示している。 従来からのＴＥモジュールを示している。 従来からのＴＥ対を示している。 熱絶縁および作動媒体の対向流移動を備えるＳＳＣＨＰシステムの全体構成を示している。 作動媒体がシステムを通って進むときに媒体に生じる温度変化を示している。 ３つのＴＥモジュール、４つのフィン熱交換器、および液体作動媒体を備えるシステムを示している。 ３つのＴＥモジュール、４つのフィン熱交換器、および液体作動媒体を備えるシステムを示している。 ２つのＴＥモジュール、単一の熱交換器で或る程度の熱絶縁を達成すべくセグメント化された熱交換器、および液体媒体の対向流を備えるシステムを示している。 ２つのＴＥモジュール、単一の熱交換器で或る程度の熱絶縁を達成すべくセグメント化された熱交換器、および液体媒体の対向流を備えるシステムを示している。 ２つのＴＥモジュールおよび流体の流れを制御するためのダクト付きファンを備える気体媒体のシステムを示している。 性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。 性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。 性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。 性能をさらに向上させるための対向流を備える固体媒体のシステムを示している。さらなる熱絶縁を達成するために、ＴＥ素子の長さの厚さに対する比が大きい。 優れた性能をもたらしつつコスト、重量、およびサイズを小さくするために、電流がアレイを直接通過するように構成されたＴＥ素子を備えるシステムを示している。 簡潔かつ低コストであるＴＥ素子、ヒートパイプ、および熱交換器を備えるシステムを示している。高温側および低温側が、ヒートパイプによる熱の輸送によって隔てられている。 気体からの水分の凝縮あるいは液体または気体からの凝結のための低温を一端において達成するため、流体が熱交換器およびＴＥモジュールのアレイを通って送られる流体システムを示している。このシステムは、アレイの一部分を横切る温度差を小さくすることによって効率を改善するために、作動流体の流れの分流を備える。 作動流体が種々の位置において進入および流出するアレイを示しており、システムの一部が対向流の態様で動作し、一部が平行流の態様で動作する。 寄生の電気抵抗損失を低減してなる積層ＴＥシステムを示している。 積層システムのための好ましい実施形態におけるＴＥ素子および熱交換部材の詳細を示している。 図１３Ａに示した素子から製作された積層システムの断面を示している。 別のＴＥ素子および熱交換器の構成を示している。 さらに別のＴＥ素子および熱交換器の構成を示している。 ＴＥ素子からなる２つの垂直列を電気的に並列に備えるスタック構成を示している。 ２列のＴＥ素子を電気的に並列に備える冷却／加熱アセンブリを示している。 ２つのＴＥ素子を電気的に並列に備える別の構成を示している。 １つの部位を別の部位から電気的に絶縁して備える熱交換器素子を示している。 １つの部位を別の部位から電気的に絶縁して備える熱交換器素子の別の構成を示している。 １つの部位を別の部位から電気的に絶縁して備える熱交換器のさらに別の構成を示している。 電気的および熱的に絶縁された部位からなるアレイに構成された熱交換器セグメントを示している。 図２２の考え方に従って製作される冷却器／加熱器を示している。 ＴＥ素子を流体の流れの方向に整列させて備える熱交換セグメントを示している。 電流が作動媒体の流れにおおむね平行に流れる絶縁素子熱交換器アレイとして構成された図２４Ａのセグメントを示している。 電流が流れの方向におおむね垂直に流れる絶縁素子熱交換器アレイとして構成された設計のセグメントを示している。 図２５Ａのアセンブリの平面図を示している。 比較的高い電圧で動作する寄生の電気抵抗を低減したＴＥ熱交換器モジュールを示している。 図２６ＡのＴＥモジュールを使用する熱交換器アレイの平面図を示している。 移動する固体部材への熱の伝達を備える絶縁された素子およびスタックの構成を示している。 液体と気体との間の熱の伝達を備える絶縁素子スタック・アレイを示している。 図２８のスタック・アレイにおいて使用するための低寄生電気抵抗の熱交換器モジュールを示している。 固体ヒートシンクおよび移動する気体作動流体を有する絶縁素子熱交換器のセグメントを示している。 素子からの熱の伝達を約２倍にするためにおおむね中央にＴＥ素子を備える熱交換器素子を示している。 ＴＥ素子をおおむね中央に有しているおおむね液体用の別の熱伝達素子を示している。 ＴＥ素子をおおむね中央に有しているさらに別の熱交換器を示している。 本明細書に記載の特定の実施形態による典型的な熱伝達装置の部分切断図を概略的に示している。 本明細書に記載の特定の実施形態に適合する典型的な熱電システム・サブアセンブリの図である。 本明細書に記載の特定の実施形態に適合する典型的な熱電システムの熱交換器サブアセンブリまたはスタックの作動流体の経路および電気的接続を概略的に示している。 試験用固定具に取り付けられた典型的なサブアセンブリを示している。 図３３のサブアセンブリの試験について、測定された性能結果をシミュレーションによるモデルの結果と比較して示している。 ΔＴ_ｃ＝１０℃およびΔＴ_ｈ＝５℃（図３６の一番上の曲線）での図３３のサブアセンブリのＣＯＰを、熱絶縁を備えない従来からの熱電モジュール・ベースの設計の性能と比較して示している。 複数のサブアセンブリを備える熱電装置を示している（前側カバーおよび絶縁体は説明のために取り除かれている）。 図３８の装置について、測定された実験結果を計算によるモデルの結果と比較して示している。 ３つの熱電システムについて、作動流体が熱電システムを巡るときの温度プロファイルを概略的に示している。 測定された温度上昇（ΔＴ＝Ｔ_ＯＵＴ−Ｔ_ＩＮ）とモデルから計算される温度上昇との間の相関を示している。 種々の条件下でのモデルの妥当性を検証するために使用した典型的な熱電システムを示している。 熱絶縁の段数をさまざまに変え、達成できる最大のΔＴ_ｃを示している。 熱絶縁が最大出力にもたらす効果を示している。 本明細書に記載の特定の実施形態に適合する流体の相互接続を利用する構成を概略的に示している。 本明細書に記載の特定の実施形態に従い、元の流れの温度に一致する温度の地点で加熱側へと中程度の温度の流体を導入する効果を概略的に示している。 本明細書に記載の特定の実施形態に従い、気体から蒸気を除去（例えば、空気を除湿）するたえの典型的な熱電システムの典型的な温度プロファイルを示している。 空気の流れから水を除去するために、従来からの熱電システムおよび熱絶縁を使用する熱電システムの相対的な能力を示している。 拡大された従来からの熱電システムおよび拡大された熱絶縁付きの熱電システムについて、除湿能力の比較を示している。

好ましい実施形態の詳細な説明

本明細書の文脈において、用語「熱電モジュール」および「ＴＥモジュール」は、（１）従来からの熱電モジュール（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州Ｓａｎ ＤｉｅｇｏのＨｉ Ｚ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．によって製造されているものなど）、（２）量子トンネルコンバータ、（３）熱イオン・モジュール、（４）磁気熱量モジュール、（５）熱電、磁気熱量、量子、トンネリング、および熱イオンの各効果のうちの１つまたは任意の組み合わせを利用する素子、（６）上記（１）〜（６）の任意の組み合わせ、アレイ、アセンブリ、および他の構造、というこれらの用語の通常かつ慣れ親しまれた意味からなる広い感覚で使用される。用語「熱電素子」は、より具体的に、熱電、熱イオン、量子、トンネリング、およびこれらの効果の任意の組み合わせを使用して動作する個々の素子を指す。

以下の説明では、熱電またはＳＳＣＨＰシステムを例として説明する。しかしながら、そのような技術および説明は、すべてのＳＳＣＨＰシステムを包含する。

したがって、本発明は、説明および例示の目的のために、特定の実施形態における実施例を使用して紹介される。以下に記載されるさまざまな実施例が、さまざまな構成を説明し、所望の改善を達成するために使用可能である。本明細書によれば、特定の実施形態および実施例は、あくまでも例示であって、提示される本発明を限定しようとするものではない。さらに、冷却側、加熱側、低温側、高温側、より温度の低い側、およびより温度の高い側、などといった用語が、いかなる特定の温度も指示しておらず、相対的な用語であることを理解すべきである。例えば、熱電素子またはアレイあるいはモジュールの「高温」側が室温であって、「低温」側が室温よりも低い温度であってよい。この反対も、真実であってよい。すなわち、これらの用語は、互いに相対的であって、熱電の片側が、反対の指定の温度の側よりも高い温度または低い温度であることを示している。

Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎという名称の米国特許第６，５３９，７３５号に記載の形状のための効率向上が、多数の重要な用途について、追加の５０％〜１００％の改善をもたらす。なされる材料の改善との組み合わせにおいて、係数４以上のシステムの効率向上が、近い将来において可能であると思われる。このような大きな改善の予想は、新規な用途のためのＳＳＣＨＰシステムを開発するための技術および努力への新規な関心につながっている。

広くには、本明細書の開示は、新規な一群のＳＳＣＨＰ構成を説明する。これらの構成は、コンパクトで高効率なエネルギー変換を実現し、比較的低コストであることができる。一般に、ＴＥ素子またはモジュール（本文においては、まとめて素子と呼ぶ）が熱交換器の間に挟まれている特定の実施形態が開示される。ＴＥ素子は、好都合には、熱交換器を挟んでいる任意の２つの素子について、同じ温度の種類の側が熱交換器に面するように向けられる。例えば、熱交換器を挟んでいるＴＥ素子の各々の低温側が、同じ熱交換器またはシャントに面し、したがってお互いに面する。或る一群の構成においては、少なくとも１つの作動媒体が、もたらされる冷却または加熱が作動媒体にとって付加的であるように、少なくとも２つの熱交換器を順に通過する。この構成は、上記の参考文献に記載のとおり高いシステム効率および出力密度を呈する製造可能なシステムにおいて、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように、熱絶縁の利点を利用するという追加の利益を有している。この特許に説明されているとおり、一般に、ＴＥ装置においては、ＴＥ素子からなるアセンブリの全体を熱的に絶縁されたサブアセンブリまたはセクションへと分割することによって、効率の向上または改善が達成される。例えば、熱交換器を、作動媒体の流れの方向において熱絶縁をもたらすように分割することができる。例えば、ＴＥシステムが、冷却側および加熱側を有するＴＥアレイを形成する複数のＴＥ素子を有しており、これら複数のＴＥ素子が、アレイを横切る少なくとも１つの方向においてお互いから実質的に絶縁される。好ましくは、熱絶縁は、作動媒体の流れの方向である。この熱絶縁を、熱交換器が作動媒体の流れの方向において熱的に絶縁された部位を有するように、セクションにて構成された熱交換器を有することによってもたらすことができる。

本明細書の開示において、作動流体について同じ温度の種類の熱交換器を順に使用することが、それ自身で一種の熱絶縁をもたらす。さらに、熱交換器またはＴＥ素子、あるいはＴＥモジュールまたは任意の組み合わせを、少なくとも１つの作動流体が順に通過する一連または順次の熱交換器を有することによってもたらされる熱絶縁の上または上方に、作動流体の流れの方向の熱絶縁をもたらすように構成することができる。

冷却および／または加熱の用途について開示される原理は、発電の用途にも同様に適用可能であり、発電のためのアセンブリを生成するために任意の方法で組み合わせることができるあらゆる構成、設計の詳細、および類似の部位も、やはり適用可能である。システムを、所与の用途について効率を最大にするような方法で調整することができるが、全体的な原理は生かされる。

本出願において説明される実施形態は、ＳＳＣＨＰ装置の構成の複雑さおよびコストを低くしつつ、依然として熱絶縁からの効率向上を維持または改善する。

さらに、使用されるＴＥ材料を少なくすること、およびピーク効率のより近くでの動作を促進することによって、コストを低減するための特定の実施形態も開示される。多数の実施形態が、寄生損失の大幅な低減を達成する（例えば、図１２〜３１を参照）。

本明細書に開示される実施形態の一態様は、複数のＮ型の熱電素子および複数のＰ型の熱電素子を有する熱電システムを含む。好ましくは、複数の第１のシャントおよび複数の第２のシャントが設けられる。第１のシャントの少なくともいくつかが、少なくとも１つのＮ型の熱電素子と少なくとも１つのＰ型の熱電素子との間に挟まれ、第２のシャントの少なくともいくつかが、少なくとも１つのＰ型の熱電素子と少なくとも１つのＮ型の熱電素子との間に挟まれ、第１および第２のシャントを交互に備える熱電素子のスタックが形成され、第１のシャントの少なくともいくつかおよび第２のシャントの少なくともいくつかが、スタックから離れるように異なる方向に突き出す。

好ましくは、熱電素子は、５ミクロン〜１．２ｍｍ、超格子およびヘテロ構造の熱電設計については２０ミクロン〜２００ミクロン、他の実施形態においては１００〜６００ミクロンなど、きわめて薄く構成される。これらの設計は、熱電材料の使用の大幅な削減をもたらす。

一つの実施形態においては、熱電システムが、スタックへと電気的に接続された電流源をさらに備えており、駆動電流が、直列の熱伝達装置および熱電素子を横切って通過する。他の実施形態においては、熱伝達装置が、Ｐ型の熱電素子の少なくともいくつかをＮ型の熱電素子の少なくともいくつかから熱的に絶縁している。

一つの実施形態においては、熱伝達装置が、熱伝達装置を所定の方向に通過して流れるように作動流体を受け取る。好ましくは、熱伝達装置が熱交換器であり、１つ以上の熱交換器要素を内側に備えるハウジングを有することができる。

別の実施形態においては、第１のシャントの少なくともいくつかが、第２のシャント部分から電気的に絶縁されているが第２のシャント部分へと熱的に接続されている第１の電極部分で構成されている。

図２が、熱電アレイ２００のための好都合な配置構成の第１の一般的な実施形態を示している。アレイ２００が、複数のＴＥモジュール２０１、２１１、２１２、２１３、２１８を、複数の第１の側の熱交換器２０２、２０３、２０５および複数の第２の側の熱交換器２０６、２０７、２０９との良好な熱的連絡にて有している。第１の側の熱交換器および第２の側の熱交換器という呼称は、それらの熱交換器が全ＳＳＣＨＰシステムの一方の側または他方の側にあることを含意も示唆もしておらず、単に、熱交換器が熱電モジュールの低温側または高温側のいずれかに熱的に連絡していることを含意および示唆している。これは、熱交換器が実際に熱電モジュールの間に挟まれているという点で、図から明らかである。その意味で、熱交換器は、熱電モジュールの第１の側または第２の側に熱的に連絡している。第１のＴＥモジュール２０１の低温側が、第１の側の熱交換器２０５に熱的に接しており、ＴＥモジュール２０１の高温側が、入り口の第２の側の熱交換器２０６に熱的に接している。流体などの第２の作動媒体２１５が、図２の右上の角において、入り口の第２の側の熱交換器２０６を通ってアレイ２００に進入し、左下の付近において、最終または出口の第２の側の熱交換器２０９から出る。第１の作動媒体２１６が、左上において、入り口の第１の側の熱交換器２０２を通って進入し、右下の付近において、最終または出口の第１の側の熱交換器２０５から出る。電源（図示されていない）へと接続された電気ワイヤ２１０（他のＴＥモジュールについても同様）が、それぞれのＴＥモジュール２０１へとつながっている。図示のとおり種々の熱交換器２０２、２０３、２０５、２０６、２０７、および２０９を順に通過して、第１の導管２０８（図２においては線として表現されている）が、第２の作動媒体２１５を運び、第２の導管２０４が、第１の作動媒体２１６を運ぶ。

動作時、第２の作動媒体２１５が、入り口の第２の側の熱交換器２０６を通って下方へと通過するときに、ＴＥモジュール２０１から熱を吸収する。第２の作動媒体２１５は、導管２０８を通って第２の側の熱交換器２０７へと上方に通過し、第２の側の熱交換器２０７を通過する。熱交換器２０７に、それぞれの高温側が第２の側の熱交換器２０７を挟むように互いに面しているＴＥモジュール２１１および２１２の高温側が、熱的に良好に接触している。第２の作動媒体２１５は、第２の側の熱交換器２０７を通過するときにさらに加熱される。次いで、第２の作動媒体２１５は、第２の側の熱交換器２０９を通過するが、そこでもやはり、ＴＥモジュール２１３および２１８の高温側が第２の側の熱交換器２０９を挟んで第２の側の熱交換器２０９へと熱を伝達し、第２の側の作動媒体２１５をさらに加熱する。熱交換器２０９から、第２の側の作動媒体２１５は、出口または最終の第２の側の熱交換器２０９からアレイ２００を出る。

同様に、第１の作動媒体２１６は、図２の左上の角において入り口の第１の側の熱交換器２０２に進入する。この熱交換器２０２は、ＴＥモジュール２１８の低温側に熱的に良好に連絡している。第１の作動媒体２１６は、入り口の第１の側の熱交換器２０２を通過し、もう１つの第１の側の熱交換器２０３を通過し、最後に出口の第１の側の熱交換器２０５を通過するときに冷却され、低温の作動媒体２１７として出口の第１の側の熱交換器２０５を出る。

熱電的な冷却および加熱が、配線２１０によるＴＥモジュール２１８への電力、ならびに残りのすべてのＴＥモジュールへの同様の電力によってもたらされる。

このように、要約すると、作動媒体が、アレイの左側のＴＥモジュールの低温側との良好な熱的接触におかれ、熱が媒体から取り出される。次いで、媒体は、第２および第３のＴＥモジュールに接触し、そこでさらに熱が取り出され、媒体がさらに冷却される。この段階的な冷却のプロセスが、媒体が右側へと所望の数のステージを通って進むときに続けられる。媒体は、適切な量の冷却の後で右側から出る。同時に、第２の媒体が、最も右側からシステムに進入し、第１のステージを通過するときに徐々に加熱される。次いで、媒体は、次のステージに進入してさらに加熱され、以下同様である。ステージにおいて入力される熱は、隣接するＴＥモジュールの低温側から抽出された熱、およびそれらのモジュールへの電力の結果である。高温側の媒体は、おおむね右から左の方向に移動するにつれて徐々に加熱される。

上述の形状に加えて、このシステムは、両方の媒体が同じ温度で進入し、徐々に高温または低温になる場合に利益をもたらす。同様に、媒体を、アレイ内の任意の位置において低温側または高温側から取り出すことができ、あるいはアレイ内の任意の位置において低温側または高温側へと加えることができる。アレイは、５、７、３５、６４、およびさらに多数のセグメントなど、任意の有用な数のセグメントからなってよい。

さらに、システムを、ＴＥモジュールに接する高温および低温の媒体に関してプロセスを逆にすることによって、高温および低温の媒体を反対の端部から移動させて動作させることも可能である（図２のように、しかしながら高温の媒体を媒体２１６として進入させ、低温の媒体を媒体２１５として進入させる）。そのようにしてＴＥモジュールにわたってもたらされる温度勾配が、電流および電津を生み出し、すなわち熱の力を電力に変換する。これらの動作の態様および本文中で説明される動作の態様のすべてが、本発明の一部である。

図２に示されているように、熱交換器を一連のステージへと分けることが、ＴＥモジュールからＴＥモジュールへの作動媒体の流れの方向に熱絶縁をもたらす。２００１年４月２７日出願の「Ｆｉｒｓｔ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ」という名称の米国特許第６，５３９，７２５号が、容易な製造のための具体的かつ現実的な例によってこの説明の全体にわたって呈される熱絶縁の原理を詳しく説明している。この特許出願は、その全体がここでの言及によって本明細書に援用される。

米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているとおり、図２に記載されているような対向流の構成の媒体を漸進的に加熱および冷却することは、熱絶縁の利益を有さない単一のＴＥモジュールにおける同じ条件下での熱力学的効率に比べ、より高い熱力学的効率を生み出すことができる。このように、図２に示した構成は、コンパクトかつ容易に製造できる設計にて、熱電モジュールの間に挟まれた熱交換器のセグメントまたはステージによって熱絶縁を得るＳＳＣＨＰシステム２００を提供する。

上述の特徴に加えて、熱電モジュール自身を、媒体の流れの方向に熱絶縁をもたらすように構成することができ、それぞれの熱交換器または熱交換器のうちのいくつかを、図５においてさらに説明される構成または他の適切な構成によって、個々の熱交換器において熱絶縁をもたらすように構成することができる。一般に、熱交換器を、ＴＥモジュール２１８などの単一のＴＥモジュールおよび入り口の熱交換器２０２の流れに沿った熱絶縁を高めるために、流れの方向においてセグメントに分けることができる。

図３は、図２と同じ全体設計のアレイ３００を示しており、複数のＴＥモジュール３０１、ならびに低温側熱交換器３０２、３０５、および３０７で構成されており、低温側熱交換器３０２、３０５、および３０７が、第１の作動媒体３１５が図示の順次の熱交換器から熱交換器への経路に従うように接続されている。同様に、複数の高温側熱交換器３０９、３１１、および３１３が、高温側の作動媒体３１７を、順次または段階的な様相で矢印によって示されている方向に運ぶ。ＴＥモジュール３０１が、図２の説明と同様に配置され、電気的に駆動される。

図３の下半分に、低温側の温度または低温側の作動媒体の温度変化３０３、３０４、３０６、３０８、ならびに高温側の作動媒体の高温側の温度３１０、３１２、３１４が示されている。

低温側の作動媒体３１５は、入り口の低温側熱交換器３０２に進入し、この熱交換器を通過する。入り口の低温側熱交換器３０２を通過する際の作動媒体の温度の低下３０３が、低温側温度曲線Ｔｃの低下３０３によって示されている。低温側の作動媒体３１５は、温度低下３０４によって示されているとおり、次のステージの低温側熱交換器３０５を通過するときにさらに冷却され、さらに温度低下３０６を伴って第３の低温側熱交換器３０７を通過する。低温側の作動媒体３１５は、温度３０８の低温流体３１６として出る。同様に、高温側の作動媒体３１７は、第１または入り口の高温側熱交換器３０９に進入し、図３の高温側温度曲線Ｔ_Ｈによって示されているとおり第１の温度３１０にて出る。高温側の作動媒体は、図２において述べたように段階的にアレイ３００を通過して進んで、漸進的に高温になり、最後に出口の高温側熱交換器３１３を通過した後に、３１８においてより高い温度３１４で、高温の作動流体として出る。ステージ（すなわち、ＴＥモジュールおよび熱交換器）の数を増すことによって、冷却および加熱力の大きさを増すことができ、それぞれの熱交換器によって生み出される温度変化を小さくすることができ、さらに／またはアレイを通過する媒体の量を増すことができることを、容易に見て取ることができる。米国特許第６，５３９，７２５号に教示されているように、ステージの数を増やすことによって、度合いは徐々に小さくなるが、効率を高めることも可能である。

実験および上述の説明が、図２および３の構成によって達成することができる熱絶縁ならびに漸進的な加熱および冷却が、大きな効率向上をもたらすことができ、したがって重要であることを示している。そのようなシステムによって、１００％を超える向上が、実験室での試験において達成されている。

図４Ａが、３つのＴＥモジュール４０２、４つの熱交換器４０３、および２つの導管４０５を、図２および３に記載のとおりに構成して備えるアレイ４００を示している。低温側および高温側の作動流体が、それぞれ低温側導入口４０４および高温側導入口４０７において進入し、それぞれ低温側出口４０６および高温側出口４０８において出る。図４Ｂが、熱交換器４０３の一つの実施形態のさらに詳しい図である。流体媒体に適した種類として図示されている。熱交換器アセンブリ４０３は、導入口４１０および出口４１１を備える外側ハウジング４１２と、熱交換器フィン４１４と、流体分配マニホールド４１３とで構成されている。アレイ４００の動作は、基本的に、図２および３において説明した動作と同じである。図４においては、ＴＥモジュール４０２の数が３個であるが、任意の数であってよい。好都合には、ハウジング４１２が、腐食に対して保護された銅またはアルミニウムなどの適切な材料から製作され、熱伝導性である。一つの実施形態においては、熱交換器フィン４１４が、好都合には、ＴＥモジュールへの境界にわたって良好な熱伝導度を達成するために、折り曲げられた銅であり、あるいはハウジング４１２へとはんだ付けまたはろう付けされたアルミニウムである。フィン４１４は、任意の形態であってよいが、好ましくは、システムにとって望まれる熱伝達特性を達成するために好適な設計であってよい。詳しい設計の指針を、Ｗ．Ｍ．ＫａｙｓおよびＡ．Ｌ．Ｌｏｎｄｏｎの「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ」、第３版に見つけることができる。あるいは、穴あきフィン、平行板、ルーバーフィン、ワイヤメッシュ、など、他の任意の適切な熱交換器を使用することができる。そのような構成は、この技術分野において公知であり、図２〜１１の構成のいずれにおいても使用することが可能である。

図５Ａは、熱交換器ステージから熱交換器への流れをもたらすための導管の接続について、図４の構成に対する代案の構成を示している。アレイ５００が、第１および第２のＴＥモジュール５０１および５１０と、３つの熱交換器５０２、５０３、および５０６と、導管５０４とを有している。当然ながら、これまでの実施形態および構成と同様、２つの第１の側の熱交換器５０２、５０３および１つの第２の側の熱交換器５０６という特定の数は、これに限られるわけではなく、他の数も可能である。

図５Ｂは、熱交換器５０２、５０３、５０６の好ましい実施形態の拡大図を示している。この図５Ｂに示したような熱交換器の構成は、他の実施形態においても適切であると考えられ、図２〜８および図１１の構成のいずれにおいても使用可能である。そのような構成における熱交換器の１つ以上にとってのこの好都合な実施形態は、すき間５１３によって隔てられてセグメントに分けられた熱交換器フィン５１１を備える外側ハウジング５１６を有している。作動流体が、導入口５０５を通って進入し、出口５０８を通って出る。すき間の代案として、熱交換器を、熱交換器フィンの間に実際の物理的なすき間を有するのではなく、熱交換器が或るセクションについては熱伝導性であるが、別のセクションについては熱伝導性でないように、異方性であるように製作することができる。要点は、流れの方向において、或る単一の熱交換器セグメントと他の単一の熱交換器セグメントのステージの間に、熱絶縁を得ることにある。これは、図２〜５に記載の実施形態において熱交換器のステージを有することによってもたらされる熱絶縁に加えてもたらされる熱絶縁と考えられる。

好都合には、例えば加熱されることになる第１の作動流体５０７が、導入口５０５に進入し、第１のＴＥモジュール５０１に熱的に連絡している入り口または第１の熱交換器５０２を通って下方へと通過する。作動流体５０７は、底部において出て、導管５０４を通って次の熱交換器５０３へと導かれ、熱交換器５０３において、再び下方へと第２のＴＥモジュール５１０を通過し、高温の作動流体５０８として出る。好ましくは、第２の作動流体５１７が、導入口５１８を通って図５Ａの底部から進入し、ＴＥモジュール５０１および５１０の（この例では）低温側を過ぎて第３の熱交換器５０６を上方へと通過する。熱交換器５０６は、ＴＥモジュール５０１および５１０の低温側に熱的に良好に連絡している。この配置構成によれば、作動流体５０７および５１７が、上述の米国特許第６，５３９，７２５号の教示に沿った対向流の系を形成する。

好ましくは、図５Ｂに詳しく示されている熱交換器５０２、５０３、および５０６は、ＴＥモジュール５０１、５１０、５１０の面からハウジング５１６を介して熱交換器フィン５１１（４つの分離されたセグメントにて図示されている）へと高い熱伝導性を有するように構成されている。しかしながら、それぞれの熱交換器セグメントを残りの熱交換器セグメントから熱的に絶縁するために、流れの方向においては熱伝導性が低いことが望ましい。絶縁がしっかりしており、ＴＥモジュール５０１および５１０が、それらの垂直方向（作動流体の流れの方向）について大きな内部熱伝導性を呈さない場合、アレイ５００は、熱絶縁からの利益を得、より高い効率で動作することができる。実際に、アレイ５００は、あたかもより多くのＴＥモジュールおよびより多くの熱交換器で構成されたアレイであるかのように応答することができる。

図６は、作動気体によって有益に動作するように設計されたさらに別の加熱器／冷却器・システム６００を示している。加熱器／冷却器６００は、ＴＥモジュール６０１、６０２を、第１の側の熱交換器６０３、６０５および第２の側の熱交換器６０４に熱的に良好に連絡させて有している。空気または他の気体などの第１の作動流体６０６が、ダクト６０７、７０８、６１０によって収容され、第２の作動流体６１６が、ダクト６１５、６１３によって収容されている。ファンまたはポンプ６０９、６１４が、ダクト６０８、６１５内に取り付けられている。

第１の作動流体６０６は、導入ダクト６０７を通ってシステム６００に進入する。作動流体６０６は、第１の熱交換器６０３を通過し、そこで例えば加熱（または、冷却）される。次いで、作動流体６０６は、作動流体６０６をダクト６０８を通って送るように機能するファン６０９を通過し、第２の熱交換器６０５を通過し、そこでさらに加熱（または、冷却）され、出口ダクト６１０から出る。同様に、空気または他の気体などの作動流体が、導入ダクト６１５を通って進入する。作動流体は、第２のファンまたはポンプ６１４によって押されて第３の熱交換器６０４を通過し、そこで、この例では冷却（または、加熱）される。冷却（または、加熱）された作動流体６１６が、出口ダクト６１３を通って出る。

システム６００は、さらなるＴＥモジュールならびに熱交換器および図５Ｂに示されるとおりに絶縁されてセグメント型熱交換器で構成される複数のセグメントを有することができる。また、追加の送り力をもたらすために、複数のファンまたはポンプを有することができる。さらに、１つのダクト（例えば、６０７、６０８）が、１つの流体を有することができ、残りのダクト６１３、６１５が、第２の種類の気体を有することができる。あるいは、片側が、液体の作動流体を有することができ、他方が気体を有することができる。このように、システムは、作動媒体が流体または液体であるかに制限されない。さらに、出口ダクト６１３をファンダクト６０９の周囲に引き回すことができることに、注意すべきである。

図７Ａは、流体における有益な使用のための加熱／冷却システム７００を示している。このアセンブリは、複数のＴＥモジュール７０１を、複数の第１の側の作動媒体７０３および複数の第２の作動媒体７０４とともに有している。この例では、第１の側の作動媒体７０３および第２の側の作動媒体７０４が、ディスクを形成している。第１の側の作動媒体７０３は、第１の側のシャフト７０９へと取り付けられ、第２の側の作動媒体７０４は、第２の側のシャフト７０８へと取り付けられている。次いで、シャフト７０８、７０９が、それぞれ第１の側のモータ７０６および第２の側のモータ７０５および該当のベアリング７０７へと取り付けられている。モータの好ましい回転方向が、矢印７１０および７１１によって示されている。

セパレータ７１７が、アレイを２つの部位へと分割すると同時に、ＴＥモジュール７０１を位置決めしている。セパレータ７１７によって所定の位置に保持されたＴＥモジュール７０１が、第１の側の作動媒体７０３および第２の側の作動媒体７０４を交互に挟むように離間している。任意の２つのＴＥモジュール７０１について、それらモジュールは、先の実施形態と同様に、それらの低温側および高温側が互いに面するように向けられている。作動媒体７０３、７０４は、ＴＥ素子７０１に熱的に良好に連絡している。サーマルグリスなどが、熱電素子７０１と作動媒体７０３、７０４との間の境界に好都合に設けられる。グリスの目的は、作動媒体７０３、７０４の動作に関する以下の検討において明らかになる。第１の側のハウジング部７１４および第２の側のハウジング部７１５が、システム７００によって調整された流体を含む。電気配線７１２，７１３が、ＴＥモジュールのための駆動電流を供給するために、ＴＥモジュール７０１へとつながっている。

図７Ｂは、図７Ａのシステム７００の一部を通過する断面図７Ｂ−７Ｂである。第１の流体７２１および第２の流体７２３が、矢印７２１および７２３によって、それらの流れの方向とともに示されている。第１の流体は、矢印７２２によって表わされるとおりに出、第２の流体は、矢印７２４によって表わされるとおりに出る。システム７００は、電気配線７１２および７１３を通ってＴＥモジュール７０１へと電流を通すことによって動作する。ＴＥモジュール７０１は、図２および３に示されるとおりの方法で配置され、それらの低温側および高温側を互いに面するように有している。例えば、それらの隣接する低温側が、どちらも第１の側の作動媒体７０３に面し、それらの高温側が、第２の側の作動媒体７０４に面する。セパレータ７１７が、ＴＥモジュール７０１の位置決めという機能、および高温側をアレイ７００の被冷却側から隔てる機能という二重の機能を果たす。

動作を理解するために、例えば、第２の流体７２３が冷却されると仮定する。冷却は、第２の側の媒体７０４との熱交換によって生じる。第２の側の媒体７０４が回転するにつれて、第２の側の媒体７０４のうちで任意の所与の時点においてＴＥモジュール７０１の低温側に接している部位が、冷却される。この部位が、第２のモータ７０５の動作によってＴＥモジュール７０１から離れるように回転したとき、第２の媒体７０４が、第２の側の流体を冷却し、次いで第２の側の流体は、出口７２４を出る。第２の流体は、ハウジングの部位７１５およびセパレータ７１７によってアレイ７００内に閉じ込められている。

同様に、第１の流体７２１は、ＴＥモジュール７０１の高温側に熱的に接する第１の側の媒体７０３によって加熱される。回転（矢印７１１によって示されている）によって、第１の媒体７０３の被加熱部分が移動し、そこを第１の流体７２１が通過でき、熱的接触によって加熱される。第１の流体７２１は、ハウジングの部位７１４およびセパレータ７１７の間に封じられ、出口７２２を出る。

上述のように、熱伝導グリスまたは水銀などの液体金属を、ＴＥモジュール７０１と媒体７０３、７０４との間に接触の領域において良好な熱的接触をもたらすために使用することができる。

上述のように、図７Ａおよび７Ｂの構成を、マイクロプロセッサ、レーザダイオード、などの外部の部品を冷却または加熱するために、好都合に使用することもできる。そのような場合には、ディスクが、そのような部品へと熱を伝達し、あるいはそのような部品から熱を伝達するために、サーマルグリスまたは液体金属などを使用して、そのような部品に接することができる。

図７Ｃは、ＴＥモジュール７０１が熱絶縁を達成するためにセグメントに分けられているシステム７００の変種を示している。図７Ｃは、ＴＥモジュール７０１および７０２が熱移動媒体７０４および７０３（この例では、回転ディスク）へと熱の力を伝達するアレイ７００の一部分の詳細図を示している。移動媒体７０４および７０３が、それぞれ軸７３３および７３４を中心にして回転する。

一つの実施形態においては、好都合には、作動媒体７０４および７０３が、矢印７１０および７１１によって示されるとおり反対方向に回転する。移動する媒体７０４、７０３が回転するにつれ、ＴＥモジュール７０１および７０２の異なる部位が移動する媒体７０４、７０３に熱的に接触して熱を伝達し、移動する媒体７０４、７０３の温度を漸進的に変化させる。例えば、第１のＴＥモジュール７２６が、特定の位置において移動媒体７０４を加熱する。この位置の移動媒体７０４の材料が、移動媒体７０４が反時計方向に回転するにつれて、第２のＴＥモジュール７２５に接触する。次いで、この移動媒体７０４の同じ部位は、ＴＥモジュール・セグメント７０１へと移動を続ける。反対の動作が、移動媒体７０３が反時計方向に回転してＴＥモジュール７０１に係合し、続いてＴＥモジュール７２５および７２６に係合するときに生じる。

好都合には、移動媒体７０４、７０３は、半径方向および軸方向に良好な熱伝導性を有しており、角度方向、すなわち移動の方向については、熱伝導性に乏しい。この特性により、移動媒体７０４および７０８を介した伝導性による１つのＴＥモジュール７２５から別のＴＥモジュール７２６への熱伝達は最小限であり、有効な熱絶縁が達成される。

ＴＥモジュールまたはセグメント７０１、７２５、７２６の代案として、ただ１つのＴＥ素子またはいくつかのＴＥ素子セグメントを代替とすることができる。この場合、ＴＥ素子７０１が、移動媒体７０３、７０４の移動の方向における長さに比べてきわめて薄く、かつこの方向において熱伝導性に比較的乏しいならば、ＴＥ素子は、ＴＥ素子の長さにおいて実質的な熱絶縁を呈するであろう。ＴＥ素子が熱を導き、したがって、あたかも別個のＴＥモジュール７０１で構成されているかのように熱的に応答するであろう。この特性が、移動媒体７０４、７０３において移動の方向の熱伝導性が低いことと組み合わさって、有効な熱絶縁を達成することができ、したがって性能向上をもたらす。

図７Ｄは、移動媒体７０４、７０３の別の構成を示しており、媒体が、スポーク７２７および７３１を有する車輪７２９および７３２の形状に構成されている。スポーク７２７および７３１の間の空間に熱交換器材料７２８および７３０が位置し、スポーク７２７および７３１に熱的に良好に接触している。

システム７００は、図７Ｄに示されているさらに別の様相にて動作することができる。この構成においては、作動流体（図示されていない）が、アレイ７００の軸に沿って軸方向に移動して、１つの媒体７０４から次の移動媒体７０４という順序で軸方向に、最後の媒体７０４を通過して出るまで移動媒体７０４、７０３を順次に通過する。同様に、別の作動流体（図示されていない）が、アレイ７００を軸方向に通って個々の移動媒体７０３を通過する。この構成において、ダクト７１４および７１５ならびにセパレータ７１７が、移動媒体７０４、７０３を囲み、かつ媒体７０４を媒体７０３から分離する連続リングを形成するように形作られている。

作動流体が軸方向に流れるとき、熱の力が熱交換器材料７２８および７３０を介して作動流体へと伝えられる。好都合には、例えば高温側の作動流体が、熱交換器７２８を通過し、熱交換器７３０を通過して移動する作動流体の反対の方向にアレイ７００を通過して移動する。この動作の様相においては、アレイ７００が対向流の熱交換器として機能し、連続する一連の熱交換器７２８および７３０が、それらを通過するそれぞれの作動流体を漸進的に加熱および冷却する。図７Ｃについて述べたように、熱的に能動的な部品は、移動媒体７０４、７０３の移動の方向に有効な熱絶縁を有するように構成できるＴＥモジュール７０１であってよい。あるいは、ＴＥモジュール７０１および７０２が、図７Ｃに示されているようなセグメントであってよい。後者の場合には、移動媒体７０４、７０３の外側ディスク７２９および７３２の部位を熱的に絶縁するために、移動媒体７０４、７０３の熱伝導性が移動の方向について小さいことが、さらに好都合である。

あるいは、この設計が、運動の方向の熱の絶縁を達成するために、ＴＥモジュール７０１および７０２からの熱の伝達を受ける部位７２９および７３２に放射状の溝（図示されていない）をさらに含んでもよい。

図８は、第１の側の熱交換器８０３と第２の側の熱交換器８０８との間に複数のＴＥ素子８０１（斜線付き）および８０２（斜線なし）を有している熱電システム８００の別の実施形態を示している。電源８０５が、電流８０４を供給し、配線８０６、８０７によって熱交換器８０８へと接続されている。システム８００は、例えば図２、３、４、５、６、および７に記載のとおりにアレイ８００を通って高温側および低温側の作動媒体を移動させるために、導管ならびにポンプまたはファン（図示されていない）を有している。

この設計において、ＴＥモジュール（多数のＴＥ素子を有している）は、ＴＥ素子８０１および８０２によって置き換えられる。例えば、斜線付きのＴＥ素子８０１は、Ｎ型のＴＥ素子であってよく、斜線なしのＴＥ素子は、Ｐ型のＴＥ素子であってよい。この設計において、熱交換器８０３および８０８を、きわめて高い導電性を有するように構成することが好都合である。例えば、熱交換器８０３、８０８のハウジング、ならびにそれらの内部のフィン、または他の種類の熱交換器部材を、銅または他の高度に熱および電気伝導性の材料で製作することができる。あるいは、熱交換器８０３および８０８が、ＴＥ素子８０１および８０２にきわめて良好に熱的に連絡しているが、電気的には絶縁されてもよい。その場合には、電気シャント（図示されていない）を、図１に示されている方法と同様の方法（ただし、シャントが熱交換器８０３および８０８を通過して巡らされる）でＴＥ素子８０１および８０２を電気的に接続するために、ＴＥ素子８０１および８０２の面へと接続することができる。

いずれの構成であっても、Ｎ型のＴＥ素子８０１からＰ型のＴＥ素子８０２へと通過するＤＣ電流８０４が、例えば、ＴＥ素子８０１およびＴＥ素子８０２の間に挟まれた第１の側の熱交換器８０３を冷却し、Ｐ型のＴＥ素子８０２からＮ型のＴＥ素子８０１へと通過する電流８０４が、ＴＥ素子８０２およびＴＥ素子８０１の間に挟まれた第２の側の熱交換器８０８を加熱する。

アレイ８００は、標準的なＴＥモジュールのシャント、基板、および多数の電気コネクタ配線を除去または削減できるため、最小限のサイズおよび熱損失を呈することができる。さらに、ＴＥ素子８０１および８０２が、部品が高い導電性および容量を有するように設計される場合、大きな電流に対応するヘテロ構造であってよい。そのような構成において、アレイ８００は、高い熱出力密度を生み出すことができる。

図９は、図８に示した熱電システムと同じ全体形式の熱電システム９００を示しており、Ｐ型のＴＥ素子９０１およびＮ型のＴＥ素子９０２を第１の側の熱伝達部材９０３と第２の側の熱伝達部材９０５との間に、これらの熱伝達部材に熱的に良好に接触させて備える。この構成において、熱伝達部材９０３および９０５は、熱伝導ロッドまたはヒートパイプの形態を有している。熱交換器フィン９０４、９０６などが、熱伝達部材９０３および９０５へと取り付けられ、熱的に良好に連絡している。第１の導管９０７が、第１の作動媒体９０８および９０９の流れを閉じ込めており、第２の導管９１４が、第２の作動流体９１０および９１１の流れを閉じ込めている。電気コネクタ９１２および９１３が、図８に示されているとおり交互のＰ型およびＮ型のＴＥ素子９０１、９０２の積層へと電流を導く。

動作時、例えば、電流が第１のコネクタ９１２を通ってアレイ９００に入り、交互のＰ型のＴＥ素子９０１（斜線付き）およびＮ型のＴＥ素子９０２（斜線なし）を通過し、第２の電気コネクタ９１３を通って出る。このプロセスにおいて、第１の作動媒体９０８が、熱伝達フィン９０４（第１の熱伝達部材９０３を介しての伝導によって加熱されている）からの伝導によって加熱されるため、次第に高温になる。第１の導管９０７が、第１の作動媒体９０８が作動流体９０９として変化後の温度で出るように、第１の作動媒体９０８を囲んで閉じ込めている。第１の導管９０７の一部分が、ＴＥ素子９０１および９０２ならびに第２の側の熱伝達部材９０４を、第１の（この場合には高温の）作動媒体９０８および９０９から熱的に絶縁している。同様に、第２の作動媒体９１０は、第２の導管９１４を通って進入し、第２の側の熱交換器９０６を通過するときに（この例では）冷却され、冷却された流体９１１として出る。ＴＥ素子９０１、９０２が、第２の側の熱交換部材９０５、したがって熱交換器フィン９０６に、冷却をもたらす。第２の側の導管９１４が、第２の（この例では冷却される）作動媒体９１０を閉じ込め、アレイ９００の他の部分から絶縁するように機能する。

図８−９の実施形態においては、個々のＴＥ素子について述べたが、ＴＥモジュールでＴＥ素子９０１、９０２を置き換えてもよい。さらに、特定の状況においては、ＴＥ素子９０１、９０２を熱伝達部材９０３、９０５から電気的に絶縁し、シャント（図示されていない）を通って電流を通すことが好都合であるかもしれない。また、熱交換器９０４、９０６は、システムの機能にとって好都合な任意の設計であってよい。他の実施形態のように、図８および９の構成が、比較的容易に製造できるシステムをもたらすとともに、熱絶縁からの効率向上ももたらすことを、理解できるであろう。例えば、図８において、Ｐ型およびＮ型の熱電素子の間に交互に位置する熱交換器８０８、８０３は、より低温またはより高温の熱交換器の種類であるが、お互いから無理なく熱的に絶縁され、ＰおよびＮ型の熱電素子を互いに無理なく熱的に絶縁する。

図１０は、熱絶縁を提供する別の熱電アレイ・システム（１０００）を示している。好都合には、この構成は、除湿、または凝結物、霧、凝縮可能な蒸気、反応生成物、などを除去して、媒体を元の温度よりも若干高い温度へと戻すために、同じ媒体の冷却および加熱を利用するシステムの機能を実行することができる。

システム１０００は、低温側熱伝達素子１００３および高温側熱伝達素子１００４が組み入れられた交互のＰ型のＴＥ素子１００１およびＮ型のＴＥ素子１００２の積層で構成されている。図示の実施形態においては、熱交換器フィン１００５、１００６が、低温側熱伝達素子１００３および高温側熱伝達素子１００４の両者に設けられている。低温側の導管１０１８および高温側の導管１０１９が、アレイ１０００において作動流体１００７、１００８、および１００９を案内する。ファン１０１０が、アレイ１０００を通って作動流体１００７、１００８、および１００９を引っ張る。好ましくは、低温側の絶縁１０１２が、低温側を通って移動する作動流体１００７をＴＥ素子の積層から熱的に絶縁し、高温側の絶縁１０２０が、好ましくは、高温側を通って移動する作動流体をＴＥ素子の積層から熱的に絶縁する。バッフル１０１０などが、低温側と高温側とを隔てている。一好ましい実施形態においては、バッフル１０１０が、作動流体１０２１を通過させるための通路１０１０を有している。同様に、一つの実施形態においては、流体の通路１０１７が、流体１０１６が高温側の流路へと進入できるようにしている。

スクリーン１０１１または他の多孔質の作動流体流リストリクタが、アレイ１０００の低温側を高温側から隔てている。凝縮物、固体凝固物、および液体１０１３などが、アレイ１０００の底部にたまり、バルブ１０１４を通って口１０１から出ることができる。

ＴＥ素子１００１および１００２を通過する電流（図示されていない）が、図９の説明において述べたように、低温側の作動媒体熱伝達素子１００３を冷却し、高温側の熱伝達素子１００４を加熱する。動作時、作動流体１００７が低温側を下るとき、作動流体１００７からの凝結物、水分、または他の凝縮物１０１３を、アレイ１０００の底部に集めることができる。必要に応じ、バルブ１０１４を開いて、凝結物、水分、または凝縮物１０１３を、口１０１５を通って取り除くことができ、あるいは他の任意の適切な手段によって抽出することができる。

好都合には、作動流体１０２１の一部を、バイパス通路１０２０を通って低温側から高温側へと通過させることができる。この設計によれば、低温側の流体１００７のすべてが流量制限器１０１１を通過するのではなく、代わりに、高温側の作動流体の温度を局所的に低下させて一部の状況下でアレイ１０００の熱力学的効率を改善するために使用することができる。バイパス通路１０２０と流量制限器１０１１との間の流れの適切な割合は、システムの流れの特性を適切に設計することによって達成される。例えば、流れを制御するためにバルブを取り入れることができ、特定の通路を開放または閉鎖することができる。いくつかの用途においては、流量制限器１０１１が、液体または気体の作動流体１００８から凝結物を取り除き、あるいは気体の作動流体１００８からミストまたは霧を取り除くためのフィルタとしても機能することができる。

好都合には、さらなる高温側の冷却剤１０１６が、やはり高温側の作動流体の温度の低下またはアレイ１０００の効率の向上という目的のために、横通路１０１７を通ってアレイ１０００に進入できる。

この構成は、流量制限器にきわめて冷たい状態を生み出すことができ、作動流体１００８が、かなりの大きさの凝結物、凝縮物、または水分の除去能力を有することができる。別の動作の様相においては、ファン１０１０への動力を逆にして、システムを作動流体を加熱し、低温状態へと戻すように動作させることができる。これは、加熱プロセスによって形成される反応生成物、凝結物、凝縮物、水分、などを取り除くために、好都合でありうる。一好都合な実施形態においては、流量制限器１０１１ならびに／あるいは熱交換器１００５および１００６が、システムにおいて生じうるプロセスを増進し、変更し、可能にし、防止し、あるいは他の方法で左右する触媒特性を有することができる。液体の作動流体においては、好都合な性能を達成するために、１つ以上のポンプでファン／モータ１０１０を置き換えることができる。

図１１は、図２および３と同様の設計であるが、作動媒体がシステムを通過する交互の経路を有している熱電アレイ１１００を示している。アレイ１１００は、ＴＥモジュール１１０１を熱交換器１１０２の間に分布させて有している。複数の導入ポート１１０３、１１０５、および１１０７が、アレイ１１００を通って作動媒体を導く。複数の出口ポート１１０４、１１０６、および１１０８が、アレイ１１００から作動媒体を導く。

動作時、例えば、冷却されるべき作動媒体が、第１の導入ポート１１０３において進入し、いくつかの熱交換器１１０２を通過することによって徐々に（この例では）冷却され、第１の出口ポート１１０４を通って出る。アレイ１１００から熱を取り去る作動媒体の一部は、第２の導入ポート１１０５を通って進入し、熱交換器１１０２を通過し、このプロセスにおいて徐々に加熱され、第２の出口ポート１１０６を通って出る。

熱を取り去る作動媒体の第２の部分は、第３の入口ポート１１０７に進入し、熱交換器１１０２のうちのいくつかを通過するときに加熱され、第３の出口ポート１１０８を通って出る。

この設計では、この例では高温側の作動媒体が２つの位置において進入し、ＴＥモジュール１１０１にわたって得られる温度差が、平均で、作動媒体がただ１つのポートにて進入する場合に比べてより低くなるため、第１の導入ポート１１０３から第１の出口ポート１１０４へと通過する低温側の作動媒体を効率的に冷却できるようになる。平均で、平均の温度勾配がより小さい場合、多くの状況において、得られるシステム効率はより高くなる。第２および第３の導入ポート１１０５および１１０７を通過する相対の流量を、所望の性能を達成するため、または外部の条件の変化に応答するために、調節することができる。例として、第３の導入ポート１１０７を通過する流量がより多く、さらに最も効率的には、この部位を通過する流れの方向が逆であって、すなわち第３の出口ポート１１０８が入り口であると、第１の出口ポート１１０４を出る低温側の作動媒体の出口温度をより低くすることができる。

従来からの熱電気１００の基礎をなす基本的接続が、図１Ｃにさらに詳しく示されている。上述のように、Ｐ型の素子１１０およびＮ型の素子１１２は、この技術分野において周知の種類の素子である。Ｐ型およびＮ型のＴＥ素子１１０および１１２にシャント１０６が取り付けられ、熱的に良好に連絡している。一般に、図１Ａに示されているように、多数のこのようなＴＥ素子およびシャントが一緒に接続されて、ＴＥモジュールが形成される。

電流方向におけるＴＥ素子１１０、１１２の長さは、Ｌ_Ｃ１１６である。その奥行きはＢ_Ｃ１１７であり、その幅はＷ_Ｃ１１８であり、その離隔距離はＧ_Ｃ１２０である。シャント１０６の厚さは、Ｔ_Ｃ１０９である。

この技術分野において周知のとおり、寸法Ｂ_Ｃ、Ｗ_Ｃ、およびＬ_Ｃのほか、ＴＥ材料の性能指数Ｚ、電流１２２および動作温度が、冷却量、加熱量、または生成される電力量を決定する（たとえば、Ａｎｇｒｉｓｔ，Ｓ．Ｗ．の「Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、第３版、１９９７年、第４章を参照）。

図１２に示される設計は、図１の従来の構成を必要となる熱電材料の量およびシャント１０６における寄生抵抗の大きさを削減する態様に改変したものである。ＴＥ構成１２００は、シャント１２０３および複数の第２の側のシャント１２０４との間に直列に挟まれた交互の導電型の複数の第１の側のＴＥ素子１２０１、１２０２を有するため、電流１２０９は、図１Ｃの場合のように奥行きに略平行ではなく、シャントの奥行きＢ_Ｂおよび幅Ｗ_Ｂに対して垂直に通過する。図１２の設計においては、Ｒ_ＯＢに対するＲ_ＰＢの比φ_Ｂは、

であり、ここで

であり、したがって

であって、
Ｔ_Ｂは、シャントの厚さであり、
Ｌ_Ｂは、ＴＥ素子の長さであり、
ρ_ＳＢは、シャントの抵抗率であり、
Ｂ_Ｂは、ＴＥ素子およびシャントの有効な奥行きであり、
Ｗ_Ｂは、ＴＥ素子およびシャントの有効な幅である。

φ_Ｃがφ_Ｂに等しく設定される場合には、寄生電気抵抗損失は、図１Ｃおよび図１２の構成の性能に同じ比例的な影響を有する。比較の目的のために、２つの構成の材料特性が同一であると仮定すると、

であり、あるいはＢに式（９）および（１２）を用いて、

である。

今日の典型的な熱電モジュールにおいては、

であり、

と仮定すると、

である。

したがって、長さＬ_Ｂは、Ｌ_Ｃの１／６．４となることができ、図１２の設計において結果として生じる抵抗損失は、従来のＴＥモジュールの抵抗損失を超えない。これが事実であり、他のすべての損失が無視し得るか、または比例的に減少する場合には、図１２の構成を用いるＴＥシステムは、図１Ｃの設計と同じ動作効率を有するが、Ｌ_Ｂ＝Ｌ_Ｃ／６．４である。

この新たな構成の体積を、図１Ｃの体積と比較することができる。同じｑ_ＯＰＴの場合には、面積比が同じままでなければならず、したがって

であり、

であるから

である。

２つの熱電材料の体積比は、

であり、

である。

したがって、これらの仮定によれば、必要とされるＴＥ材料が１／４１である。この大幅な削減の可能性は、行なった仮定の精密さゆえに完全には実現されない可能性があるが、それでも用いられるＴＥ材料の量、ひいてはコストおよびサイズを削減するうえで、きわめて有利となりうる。

図１２のＴＥスタック構成１２００は、長さＬ_Ｂ１２０５のＰ型ＴＥ素子１２０１およびＮ型ＴＥ素子１２０２を有する。電流の流れの方向は、矢印１２０９によって示されている。ＴＥ素子は、奥行きＢ_Ｂおよび幅Ｗ_Ｂを有する。電流の方向において、Ｐ型ＴＥ素子１２０１とＮ型ＴＥ素子１２０２との間に、第２の側のシャント１２０４（「ＰＮシャント」）が位置している。電流の方向において、Ｎ型ＴＥ素子１２０２とＰ型ＴＥ素子１２０１との間には、第１の側のシャント１２０３（「ＮＰシャント」）が存在している。ＰＮシャント１２０４は、スタック１２００からＮＰシャント１２０３とはおおむね逆方向に延びている。１８０°以外の角度も好都合である。

適切な電流１２０９が図示の方向に通過する場合には、ＮＰシャント１２０３が冷却され、ＰＮシャント１２０４が加熱される。この構成によって、構成１２００における寄生電気抵抗損失は、典型的には、ＴＥ素子の寸法が同一である場合の図１の従来の構成１００に比べて小さい。したがって、２つの構成における寄生的な電気損失の比を一致させるようにＴＥの長さＬ_Ｂ１２０５が短くされる場合、ＴＥの長さＬ_Ｂ１２０５がより短くなり、図１２の構成は。好都合に図１の構成よりも高い出力密度で動作することができる。結果として、図１２の構成１２００は、図１の従来の設計の場合よりも使用される熱電材料が少なく、よりコンパクトにすることができる。

シャント１２０３、１２０４は、ＴＥ素子１２０１、１２０２から遠ざかるように熱出力を伝達する機能、ならびに作動流体などの外部の物体または媒体と熱出力を交換する機能という２つの機能を果たすことができる。

熱交換器１３０２を形成するために組み合わせられるシャントの好ましい実施形態１３００の図が、図１３Ａに示されている。好ましくは、少なくとも１つのＴＥ素子１３０１が、熱交換シャント１３０２の盛り上がった電極面１３０３にはんだなどによって電気的に接続される。好都合には、ＴＥ素子１３０１の取り付けおよび低い抵抗での電流の流れを促進するために、シャント１３０２を、主にアルミニウムなどの優れた熱導体から構成でき、銅などの導電率の高い材料で構成される一体の被覆材料１３０４、１３０５を有することができる。

図１３Ｂは、図１３Ａの熱電シャント１３０２およびＴＥ素子１３０１から構成されるスタック熱電アセンブリ１３１０について、一部分の詳細な側面図を示している。盛り上がった電極面１３０３を備えた複数のシャント１３０２が、交互の導電型のＴＥ素子１３０１に電気的に直列に接続される。

適切な電流が印加されるときに、シャント１３０２は、交互に加熱および冷却される。生成される熱出力は、シャント１３０２によってＴＥ素子１３０１から運び去られる。好都合には、盛り上がった電極１３０３が、ＴＥ素子１３０１を取り付けるための信頼性が高く、低コストで、安定な表面をもたらす。実際には、複数のこれらのアセンブリ１３１０のスタックを設けることができる。スタックのアレイを用いて、熱絶縁もさらに促進することができる。

電極１３０３を、好都合には、はんだがＴＥ素子１３０１を短絡することがないように形作ることができる。また、電極１３０３を、好都合には、接触面積を制御し、したがってＴＥ素子１３０１を通過する電流密度を制御するように、形成することができる。

シャント熱交換器１４００の一部分の例が、図１４に示されている。この部分１４００は、熱伝達を促進するために、表面積を増大させている。ＴＥ素子１４０１が、好ましくは図１３Ａに示したように構成され、あるいは本明細書の他の実施形態のように構成されたシャント１４０２へと取り付けられる。フィンなどの熱交換器１４０３、１４０４が、シャント１４０２にろう付けなどによる良好な熱接触によってシャント１４０２に取り付けられる。この実施形態において、作動流体１４０５が、熱交換器１４０３、１４０４を通過する。

好都合には、シャント部分１４００は、作動流体１４０５が熱交換器１４０３、１４０４を通過するときに熱出力が効率的に伝達されるように構成される。さらに、図１２および図１３Ｂに記載したようなスタックへと組み込まれる場合、シャント１４０２および熱交換器１４０３、１４０４の材料のサイズおよび比率は、動作効率を最適化するように設計される。好都合には、熱交換器１４０３、１４０４はルーバ付きであってよく、多孔性であってよく、あるいはＷ．Ｍ．ＫａｙｓおよびＡ．Ｌ．Ｌｏｎｄｏｎの「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ」、第３版に記載されている熱交換器など、上述の目的を達成する他の任意の熱交換器設計に置き換えられてもよい。熱交換器１４０３、１４０４を、エポキシ、はんだ、ろう付け、溶接、または良好な熱接触を提供する任意の他の取り付け方法によって、シャント１４０２へと取り付けることができる。

シャント・セグメント１５００の別の実施例が、図１５に示されている。シャント・セグメント１５００は、複数のシャント素子１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４で構成される。シャント素子１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４は、互いの上に折り畳まれてもよく、ろう付けされてもよく、リベットで締められてもよく、あるいは電流１５０７を通すための電気抵抗の低い経路をもたらし、ＴＥ素子１５０６からシャント１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４への熱抵抗を低くするための経路をもたらす任意の他の方法で接続されてもよい。ＴＥ素子１５０６は、好都合には、ベース部分１５０５またはその付近でセグメント１５００へと取り付けられる。

シャント・セグメント１５００は、図１４のシャント・セグメント１４００の代替設計を示している。シャント・セグメント１５００を、図１２および１３に示されているようなスタックに構成することができ、次いで、所望であれば、スタックのアレイに構成することができる。図１４および１５の構成はいずれも、これらの設計から製作されたＴＥシステムの人件費を下げるために、自動的に組み立てることが可能である。

また、シャント・セグメントを、図１６に示されるようなスタック・アセンブリ１６００へと形成することができる。中央シャント１６０２は、中央シャント１６０２の対向する側のそれぞれの端部にある反対の導電型の第１の側および第２の側のＴＥ素子１６０５のそれぞれの端部に同一の導電型の第１の側のＴＥ素子１６０１を有している。シャント１６０２のスタックを形成するために、図１６に示すように、それぞれの中央シャント１６０２の間に、右側シャント１６０３および左側シャント１６０４が配置される。右側シャント１６０３は、左端部がＴＥ素子１６０１、１６０５の間に良好な熱接触および電気接触で挟まれるように配置される。同様に、左側シャント１６０４は、右端部がＴＥ素子１６０１、１６０５の間に良好な熱接触および電気接触で挟まれるように配置される。シャント１６０２、１６０３、および１６０４は、交互に積み重ねられ、電気的に接続されてシャント・スタック１６００を形成する。第１の作動流体１６０７および第２の作動流体１６０８が、アセンブリ１６００を通過する。当然ながら、図１６に示され、本明細書に記載されるスタック構成の実施形態において、スタックを、スタック中のさらに多くのシャント素子で構成でき、おそらくはそのようである。スタック・アセンブリ１６００のほんの一部が、読者の理解のために示されているにすぎない。そのようなスタックをさらに繰り返されることが、図から明白である。さらに、作動流体の方向に熱絶縁されたさらなるスタックを設けることが可能である。

適切な電流がＴＥ素子１６０１、シャント１６０５、１６０４を通って一方向に印加されるときに、中央シャント１６０２は冷却され、左側および右側シャント１６０４および１６０６は加熱される。結果として、中央シャント１６０２を通過する第１の作動流体１６０７は冷却され、右側および左側シャント１６０３、１６０４を通過する第２の作動流体１６０８は加熱される。スタック・アセンブリ１６００は、流体を調整するための半導体ヒートポンプを形成する。スタック１６００が、少数または多数のセグメントを備えることができ、それによって、印加される電流および電圧の量、構成要素の寸法、およびアセンブリに組み込まれるセグメントの数に応じて、さまざまな出力レベルで動作することができることに留意することが重要である。そのようなスタックのアレイもまた、好都合でありうる。そのようなスタック１６００のアレイが用いられる状況において、効率を向上させるために、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように、流体の流れの方向に熱絶縁をもたらすことが好ましいと考えられる。

また、性能を向上させるために、シャント１６０２、１６０３、１６０４を、これらに限られるわけではないが図１４および１５に示した形状など、他の形状によって置き換えることができることを理解すべきである。

図１６に示したスタック・アセンブリ１６００の変種が、図１７に示されている。この構成では、ＴＥアセンブリ１７００は、略円形形状を形成するために右側シャント１７０３および左側シャント１７０４から構成される。好都合には、右側シャント１７０３は、部分円を形成するように構成され、左側シャント１７０４も同様である。好ましい実施形態において、動作中に低温になるシャントは、その装置の特定の目的に応じて、高温になるシャントより大きくても、あるいは小さくてもよい。中央の流れの部分を形成するために、実質的に円形の構成は必要ではなく、図１７に示されたシャントセグメントの他の構成を用いることも可能であることに留意すべきである。たとえば、右側シャントは半矩形または半四角形であってもよく、左側シャント１７０４は半矩形または四角形であってもよい。同様に、一方の側は多面であってもよく、一方の側はアーチ型であってもよい。シャントの具体的な形状は変更可能である。図１６に関して説明したように、交互に配置される導電型からなるＴＥ素子１７０１および１７０２は、スタック・アセンブリ１７００において電気的に直列に接続される。流体１７１２は、シャント１７０３、１７０４によって形成される中央領域の中を流れることが好ましい。流体１７１２の第１の部分１７０７は、右側シャント１７０３同士の間を通り、作動流体１７１２の第２の部分１７０６は、左側シャント１７０４同士の間を通る。電源１７０８は、電線１７１２、１７１３によってＴＥ素子に電気的に接続され、電線は接点１７１０および１７１１でスタックに接続される。ファン１７０９を、スタックの一端（または両端）に取り付けることができる。ポンプ、またはブロワなども同様に使用することが可能である。

電力がファン１７０９に印加されると、ファン１７０９は、アセンブリ１７００を通って作動流体１７１２を送る。右側シャント１７０３が冷却されるような極性で電流が供給されるとき、作動流体１７１２の第１の流体部分１７０７は右側シャント１７０３を通過するにつれて冷却される。同様に、作動流体の第２の部分１７０６は、加熱された左側シャント１７０４を通過するにつれて加熱される。アセンブリ１７００は、単一のコンパクトな冷却器／加熱器を形成し、その構成において用いられるシャント１７０３、１７０４の数によって、容量および全体サイズを調整することができる。シャント１７０３、１７０４は角ばっていてもよく、楕円形または任意の他の好都合な形状であってもよいことは明白である。さらに、シャントは、図１４、図１５に示された設計または任意の他の有用な構成であってもよい。

図１２、１４、１５、１６、および１７の熱電システムの一つの実施形態において、図１８に示されるようなアレイの１つ以上の部分に、２つ以上のＴＥ素子を用いることができる。この実施例において、ＴＥ素子１８０１、１８０４は、シャント１８０２、１８０３のそれぞれの側で盛り上がった電極面１８０４に接続される。

電気的に並列である複数のＴＥ素子１８０１は、機械的安定性を増大し、熱出力をさらにうまく分散し、システムに電気的冗長性を追加することができる。３つ以上のＴＥ素子１８０１を並列に用いることができる。

一定の用途において、図１２〜１３によるシャントの露出部分を電極部分から電気的に絶縁することが望ましい。そのようなシャントの一実施例が、図１９に示されている。この実施形態において、電気絶縁体１９０５は、シャント１９００の熱交換部分１９０４からシャント１９００の電極部分１９０３を分離する。ＴＥ素子１９０１、１９０２は、電極部分１９０３に装着されることが好ましい。

動作時に、銅などの導電性および熱伝導率の高い材料から構成される電極部分１９０３を介して対向する導電型のＴＥ素子１９０１、１９０２の間に電位が印加されることが有利である。ＴＥ素子１９０１、１９０２によって生成される熱出力は、シャント電極に沿い、電気絶縁体１９０５を通り、シャント１９００の熱交換部分１９０４に伝導される。電気絶縁体１９０５はアルミナ、熱伝導エポキシまたは同種のものなどのきわめて優れた熱導体であることが有利である。図示されているように、電気絶縁体１９０５によって形成される境界面の形状は、熱抵抗を最小限に抑えるために、浅い「Ｖ」字形状である。適切に低い界面熱抵抗を有する任意の他の形状および材料の組み合わせもまた、用いることができる。そのようなシャント１９００のスタックを前述のように用いることができる。

電気絶縁の別の形態が、図２０の平面図に示される別のシャントセグメント・アセンブリ２０００に示されている。第１のＴＥ素子２００１は、シャントセグメント・アレイ２０００の左側シャント２００３に接続され、第２のＴＥ素子２００２は、シャントセグメント・アレイ２０００の右側シャント２００４に接続される。電気絶縁体２００５は、左側シャントセグメント２００３と右側シャントセグメント２００４との間に配置される。

図２０に示される構成は、シャント２０００全体の機械的完全性を保持すると同時に、ＴＥ素子２００１とＴＥ素子２００２との間に電気絶縁を提供する。図示されたようなこの構成において、電気絶縁体２００５は特に良好な熱伝導率を提供する必要はない。電気絶縁体２００５がＴＥ素子２００１とＴＥ素子２００２との間のおおむね中央に配置されるのであれば、熱出力源であるＴＥ素子２００１および２００２は、異なるレベルで左側シャントセグメント２００３および右側シャントセグメント２００４を冷却または加熱することができるためである。２つのＴＥ素子２００１および２つの第２のＴＥ素子２００２が示されているが、それぞれの側により大きなＴＥ素子またはより多数のＴＥ素子を用いることができることに留意すべきである。２つの第１のＴＥ素子２００１および２つの第２のＴＥ素子２００２は、充分に安定な機械構造を図示するために選択されているにすぎない。また、所望の電流経路に応じて、第１のＴＥ素子２００１および第２のＴＥ素子２００２は異なる導電型である必要はないが、異なる導電型であってもよいことも留意すべきである。

シャント２１００内の電気絶縁を達成する別の方法が、図２１に示されている。２つの第１のＴＥ素子２１０１を有するシャント部分２１０３は、２つの第２のＴＥ素子２１０２を有する第２のシャント部分２１０４に機械的に取り付けられる。電気絶縁体２１０６は、間隙２１０５によって互いから離隔されるシャント部分２１０３および２１０４に機械的に取り付けられる。

機械的な取り付け２１０６が、ＴＥ素子２１０１とＴＥ素子２１０２との間のほぼ中央に配置され、ＴＥ素子２１０１および２１０２が、ほぼ等しい熱出力を生成する場合には、電気絶縁体２１０６は優れた熱導体である必要はない。ＴＥ素子２１０１および２１０２はそれぞれ、それぞれのシャント部分２１０３および２１０４に熱出力を提供する。電気絶縁体２１０６は、裏面粘着式のカプトンテープ、射出成形プラスチック、熱溶融型接着剤または任意の他の適切な材料であってもよい。図２１の平面図に示されているように、シャント部分２１０３、２１０４は、重ね接合を形成するために重ね合わせない。エポキシまたは他の電気絶縁結合剤によるそのような接合もまた可能である。

図２２の平面図に示される別のシャントセグメント・アレイ２２００は、矩形のＴＥアレイ２２００中に電気的に絶縁されたシャントセグメントを有する。第１のＴＥ素子２２０１は、第１のシャント部分２２０２に熱接触され、第２のＴＥ素子２２０３は、第２のシャント部分２２０４に熱接触される。各シャント部分は、間隙２２１０、２２１１によって他のシャント部分から電気的に分離される。アセンブリの左側にある電気絶縁体２２０８、中央にある絶縁体２２０７、および右側にある絶縁体２２０９が設けられることが好ましい。矢印２２１２は、作動流体が流れる方向を示す。この構成は、電気絶縁がない類似のアレイより高い電圧かつ低い電流で動作することができる。図２０に関して述べたように、第１のＴＥ素子２２０１および第２のＴＥ素子２２０３は異なる導電型である必要はないが、異なる導電型であってもよい。これは、所望の電流の方向に左右される。しかし、ＴＥ素子２２０２、２２０３は、異なる電位である場合がある。

間隙２２１０は、第１のシャント部分２２０２を互いから効率的に熱絶縁し、第２のシャント部分２２０４を互いから効率的に熱絶縁するために機能する。同様に、側部の絶縁体２２０８、２２０９は、熱絶縁および電気絶縁の両方を提供すると同時に、シャントに共に機械的に取り付けられる。中央の絶縁体２２０７は、その長さに沿って電気絶縁および熱絶縁を提供する。したがって、アレイ２２００は、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように、矢印２２１２の方向において熱絶縁を形成するように構成される。この構成は、電気絶縁がない類似のアレイより高い電圧かつ低い電流で動作することができる。

おおむね図２２に示した形式のシャントセグメント・アレイを用いる冷却システム２３００が、図２３に示されている。冷却システム２３００は、テープなどの電気絶縁材料２３２０によって機械的に接続される内側シャントセグメント２３０１、２３０２を有する。内側シャントセグメント２３０２は、電気的かつ熱的な絶縁材料２３２１によって機械的に接続される。同様に、内側セグメント２３０１は、電気的かつ熱的な絶縁材料２３０７によって機械的に接続される。内側シャントセグメント２３０１、２３０２は、図２２に記載した態様では端部のＴＥ素子（図示せず）に別々に接続される。ＴＥは、内側シャントセグメント２３０１、２３０２とそれぞれの外側シャントセグメント２３０３、２３０５との間のスタックに挟まれる。中央のシャントセグメント２３０１は、左外側シャントセグメント２３０５に別々に接続され、内側シャントセグメント２３０２は右外側シャントセグメント２３０３に接続される。右外側シャントセグメント２３０３は同様に、内側シャントセグメント２３０２を接続する電気絶縁材料２３２１に類似の電気的かつ熱的な絶縁材料２３２２によって機械的に接続されることが好ましい。左外側シャントセグメント２３０５も、同様に機械的に接続される。ハウジング２３１１は、シャントセグメントおよびＴＥのスタック・アレイを保持する。端子２３１２および２３１４は、内部セグメント２３０１に電気的に接続される。同様に、端子２３１５および２３１６は、内側シャントセグメント２３０２に接続される。熱的かつ電気的絶縁スペーサ２３０９、２３１０が、それぞれの内側セグメントと外側セグメントとの間に配置されることが好ましい。

第１の作動流体２３１７は内側領域を通過し、第２の作動流体２３１８、２３１９は外側領域を通過する。適切な極性および大きさの電圧が端子２３１２と端子２３１４との間、および端子２３１５と端子２３１６との間に印加されるときに、内側シャントセグメント２３０１、２３０２が冷却される。また、外側シャントセグメント２３０３、２３０５が加熱される。したがって、内側領域を流れる作動流体２３１７が冷却され、外側シャントセグメント２３０３、２３０５を流れる作動流体２３１８、２３１９が加熱される。ハウジング２３１１および絶縁体２３０９、２３１０は、加熱される流体２３１８、２３１９から冷却される流体２３１７を収容して隔てる。

システム２３００における各スタックに電圧を印加するための電気接続は、高電圧で動作するために直列であってもよく、約１／２の電圧で動作するために直列／並列であってもよく、約１／４の電圧で動作するために並列であってもよい。内側作動流体２３１７を加熱し、外側作動流体２３１８、２３１９を冷却するために、極性は逆であってもよい。作動流体２３１７、２３１８、２３１９が流れる方向にさらに多くのセグメントを用いて、さらに高い電圧で動作し、結果として生じるさらに有効な熱絶縁によりさらに高い効率を達成することが可能である。

熱絶縁による性能の向上を達成する別のコンパクトな設計は、図２４Ａおよび図２４Ｂに示されているように組み合わせられたシャントおよび熱伝達セグメント２４００を用いる。この設計は図１４の設計にきわめて類似しているが、ＴＥ素子２４０１、２４０２が流体の流れの全体的な方向に整列されている点が異なる。対向する導電型のＴＥ素子２４０１、２４０２がシャント２４０４の延在部２４０３に接続される。フィンなどの熱交換器２４０５、２４０６が、シャント２４０４と良好な熱接触状態にあることが好ましい。作動流体２４０９は、電流の方向に応じて、熱交換器２４０５、２４０６を流れるにつれて加熱または冷却される。

図２４Ｂは、図２４Ａに示されているようなＴＥシャントセグメント２４００からなるスタック２４１０の一部分を示す。電流２４１７は、矢印によって示される方向に流れる。複数の第１の側のシャント２４００および複数の第２の側のシャント２４００ａが、ＴＥ素子２４１１に接続される。第１の作動流体２４１８は、スタック２４１０の下部分に沿って図２４Ａの第２の側のシャント２４００ａにある熱交換器を通って流れ、作動流体２４１９は、第１の側のシャント２４００の熱交換器を通って逆方向に流れることが有利である。

適切な電流２４１７が印加されると、スタック２４１０の上部分は、１つのシャントセグメントから次のシャントセグメントに流れるにつれて、流体２４１９を徐々に冷却し、下部分は、１つのシャントセグメント２４００ａから次のシャントセグメントに流れるにつれて、流体２４１８を徐々に加熱する。

代わりとなるＴＥスタック構成２５００が、図２５Ａに示されている。このＴＥスタックは、電流２５１２の方向に略垂直に流れる作動流体２５１３に関して熱絶縁という利点を達成する。第１のシャント２５０２は、第１のＴＥ素子２５０１に電気的に接続され、熱交換器２５０３、２５０４と良好な熱接触状態にある。第１の側の第２のシャント２５０６は同様に、熱交換器２５０８と良好な熱接触状態にあり、第１の側の第３のシャント２５０５は熱交換器２５０７と良好な熱接触状態にある。各第１の側のシャント２５０２、２５０６および２５０５の間には、交互に配置されるタイプのＴＥ素子２５０１が点在し、図１２と同様に、第２の側のシャント２５０９、２５１０および２５１１は、略逆方向に突出している。第２の側のシャント２５０９、２５１０および２５１１は、完全には示されていないが、おおむね同じ形状であり、第１の側のシャント２５０２、２５０６および２５０５と同一の空間的関係を有する。作動流体２５１３は、矢印によって示されるようにスタック・アセンブリの中を通り抜ける。適切な電流がＴＥ素子を通って垂直に印加されると、第１の側のシャント２５０２、２５０５および２５０６は加熱され、第２の側のシャント２５０９、２５１０および２５１１は冷却される。作動流体２５１３は最初に熱交換器２５０７を、次に熱交換器２５０８を、最後に熱交換器２５０３を流れるにつれて、徐々に加熱される。完全なスタック・アセンブリが電流の方向においてアレイ２５００の反復部分を有し、熱交換器２５０３の一番上が別のアレイ部分の次に連続する熱交換器２５０４の下に接近して離隔されるように組み立てられる。作動流体２５１３が流れる方向における熱絶縁は、容易に明らかである。

図２５Ｂは、図２５Ａに示されるアレイ部分２５００の平面図である。交互に配置される導電型の複数のＴＥ素子２５０１の冷却は、複数の第１の側のシャント２５０２、２５０６、２５０５および複数の第２の側のシャント２５１１、２５０９、２５１０によって分散されるため、第１の側のシャント２５０２、２５０６および２５０５は、第２の側のシャント２５１１、２５０９および２５１０と交互に配置される。シャントは、間隙２５３４によって隔てられ、各シャント用の熱交換器と良好な熱接触状態にある。第１の作動流体２５３１は右から左に向かって上部分に沿って流れ、作動流体２５３２は左から右に向かって下部分に沿って流れることが有利である。電流がＴＥおよびシャントを流れる場合を除き、熱および電気の絶縁体２５３３は、シャントの各対の間に設けられることが好ましい。

適切な電流がアレイ２５００を流れるとき、たとえば、作動流体２５３１は徐々に加熱され、作動流体２５３２は徐々に冷却される。絶縁体２５３３は不必要な熱損失を防止し、作動流体２５３１、２５３２が混合するのを防止する。図示されているように、アレイ２５００は、対向流モードで動作し、熱絶縁を用いて性能を向上する。同じアレイ２５００は、平行流モードにおいて同一の方向に移動する作動流体２５３１、２５３２によって動作することができ、依然として性能を向上するために熱絶縁という利点を有する。いずれの場合も、ＴＥ素子２５２１がすべて同一の抵抗ではないが、米国特許第６，５３９，７２５号に記載されているように個別のＴＥ素子同士の温度差および出力差に応じて変化する抵抗を有することが有利である。

別のＴＥモジュール２６００が、図２６Ａに示される。このＴＥモジュール２６００は、本説明において説明した原理を用い、より高い電圧における動作を達成し、可能であれば、より高い出力密度、コンパクトなサイズ、耐久性、より高い効率という他の利点も達成する。第１のＴＥ素子２６０１は、第１の端部シャント２６０３と第２のシャント２６０４との間に挟まれる。反対の導電型の第２のＴＥ素子２６０２は、第２のシャント２６０４と第３のシャント２６０５との間に挟まれる。このパターンは、最後の端部シャント２６０６まで続く。電流２６０７は、矢印２６０８および２６０９によって示されるように、ＴＥモジュールを通り、第１の端部シャント２６０３から出て、最後の端部シャント２６０６に流れ込む。間隙２６１１は、隣接するシャント間の電気接続を防止し、熱伝導を低減する。一つの実施形態において、第１の端部シャント２６０３および最後の端部シャント２６０６は、電極面２６１２を有する。他のシャントはシャント面２６１４を有し、シャント面２６１４は、シャントの本体から熱伝導するが、電気的には絶縁する。

動作時、適切な電流２６０８がＴＥモジュール２６００を通過し、上面を加熱し、下面を冷却する（またはその逆）。図２６Ａに示されるＴＥモジュール２６００は、５つのＴＥ素子および６つのシャントからなる。有利なことに、図示されているように、シャントで交互に離隔される任意の奇数のＴＥ素子を用いることができる。さらに、２つ以上のＴＥ素子（図１８に関して説明したものと同種のＴＥ素子）が、シャントの各対の間で並列に接続されてもよい。１つの面の電気絶縁部分に電力を閉じ込めるためなどの別の機能性を達成するために、偶数のＴＥを用いることができる。

ＴＥモジュール２６００のアレイ２６２０が、図２６Ｂに示される。図２６Ｂは、図２６Ａにした形式であり、第１の側のシャント２６０４同士の間に挟まれた中央熱伝達部材２６３５に関し、互いの上に積み重ねられる２つのＴＥモジュール２６００を示す。外側熱伝達部材２６３２および２６３６は、第２の側のシャント２６０５と熱接触される。シャントおよび熱伝達部材はまた、例えば、図１４および図１５に示されたタイプなどの任意の他の適切なタイプであってもよい。第１のＴＥモジュールの第１の端部シャント２６０３は、外側熱伝達部材２６３２に電気的に接続される。同様に、第１または上部ＴＥモジュールの他端のシャント２６０６は、中央熱伝達部材２６３５に電気的に接続される。同様に、第２のＴＥモジュールの第２の端部シャント２６０６ａは、中央熱伝達部材２６３５に電気的に接続され、図２６Ｂの底部で第２のＴＥモジュールの第１の端部シャント２６０３ａは、外側熱伝達部材２６３６に電気的に接続される。端部シャント２６０３、２６０６、２６０６ａ、および２６０３ａ以外の他のシャント２６０４、２６０５は、熱伝導性の電気絶縁体２６１２を有する。さらに、図２６Ａの配置の場合のように、シャントは、互いに電気的に絶縁するために、間隙２６１１を有する。電流は、矢印２６２８、２６２９、２６３０、２６３１および２６３７によって示される。示されているように、ＴＥ素子２６０１、２６０２は、導電型が交互に配置される。

適切な電流がアレイ２６２０を通り抜けるとき、第２の側のシャント２６０５および外側熱伝達部材２６３２および２６３６が加熱される。第１の側のシャント２６０４および中央熱伝達部材２６３５は、冷却される。逆向きの電流の場合には、逆になる。ＴＥ素子２６０１、２６０２の寸法および数を調整することによって、対応する電圧と共に、動作電流を調整することができる。同様に、出力密度を調整することができる。より多数のシャントおよびＴＥ素子を用い、図２６Ｂに示される構成より広くすることも可能であることに留意すべきである。さらに、さらなるＴＥモジュール２６００を垂直方向に積み重ねることも可能である。さらに、図２６Ｂの平面へのそのようなスタックのアレイまたは図２６Ｂの平面から出るそのようなスタックのアレイを形成することが可能であり、上記の任意の組み合わせを用いることも可能である。適切なアレイでは、米国特許第６，５３９，７２５号の記載に従って、熱伝達または作動流体の流れの方向における熱絶縁の原理を用いることが可能である。

図２６ＡのＴＥモジュール２６００に類似のタイプのＴＥモジュール２７００の別の実施形態が、図２７に示されている。端部シャント２７０５、２７０４は、電源２７２０および接地用導体２７０９に電気的に接続される。ＴＥ素子２７０１、２７０２は、一連のシャント２７０３、２７０４、２７０５、２７０６の間に電気的に接続される。この実施形態において、すべてのシャント２７０３、２７０４、２７０５、２７０６は、絶縁体２７１１によって第１の熱伝達部材２７０８および第２の熱伝達部材２７０７から電気的に絶縁される。シャントは、熱伝達部材２７０７、２７０８と良好な熱接触にある。第１の側の熱伝達部材２７０８は、矢印２７１２によって示される方向に移動する。第２の側の熱伝達部材２７０７は、矢印２７１０によって示される逆方向に移動することが有利である。

適切な電流がＴＥモジュール２７００に印加されると、第２の側の熱伝達部材２７０７が冷却され、第１の側の熱伝達部材２７０８が加熱される。動作は、図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、および７Ｄの説明に関連した動作に類似している。第１の熱伝達部材２７０８および第２の熱伝達部材２７０７は、図２７から推察されるように、矩形形状である必要はなく、ディスク形状または図７Ａに説明した形状などの任意の他の好都合な形状であってもよいことに留意すべきである。効率的な設計では、ＴＥモジュール２７００は、米国特許第６，５３９，７２５号に述べられているような熱絶縁に関連する性能という利点も達成することができる。

別の実施形態において、熱伝達構成要素２７０７および２７０８は、移動しない。そのような構成では、ＴＥモジュール２７００は、図１に示された標準的なモジュールと類似であるが、高い出力密度で動作することができ、比較的薄いＴＥ素子２７０１、２７０２を用いることができる点で相違する。ＴＥモジュール２７００は、ＴＥ素子２７０１、２７０２に低いせん断応力を誘発することが有利である。このせん断応力は、たとえば、第１の側のシャントと第２の側のシャントとの間の熱膨張の差によって生成される。せん断応力はＴＥ素子２７０１、２７０２を横切る温度差によってＴＥモジュール２７００に生成され、幅の寸法に比例することから、せん断応力はモジュール全体の幅に比例し、標準的なＴＥモジュールのせん断応力よりはるかに小さくなり得る。相違を、図１２を図１に示される標準的なモジュールと比較することで見て取ることができる。図１２の構成におけるものと同一の寸法の３つ以上のＴＥ素子を備えた標準的なモジュールは、不都合なほど高いせん断応力を示す。そのような応力は、熱サイクルの耐久性およびモジュールのサイズを制限する。

図２７はまた、本明細書に記載された実施形態が発電にも、どのように用いることができるかを示すよい例を提供する。そのような構成では、電力を負荷に提供するために、端子２７０９、２７２０が、電源ではなく負荷に接続される。熱伝達部材２７０８、２７０７は、温度勾配の形で熱出力を提供する。第１の熱伝達部材２７０８と第２の熱伝達部材２７０７との間の温度勾配により、熱電システム２７００は、端子２７０９、２７２０に電流を生成する。端子２７０９、２７２０は今度は、負荷または電力貯蔵システムに接続されることになる。したがって、システム２７００は、発電装置として動作可能である。この詳細に示される他の構成はまた、温度勾配を用い、電流を誘導することによって、発電システムを提供する類似の態様に連結することも可能である。

気体作動流体２８１０および液体作動流体２８０６を用いるＴＥ熱伝達システム２８００が、図２８に示される。この実施形態において、第１の側のシャント熱交換器２８０３は、図２４Ａおよび図２４Ｂに示される構成からなる。シャント熱交換器２８０３は、気体作動流体２８１０によって熱出力を伝達する。この実施形態において、第２の側のシャント熱交換器２８０４、２８０５は、液体作動媒体２８０６によって熱出力を伝達する。対向する導電型からなる複数のＴＥ素子２８０１は、第２の側のシャント２８０４、２８０５とシャント熱交換器２８０３との間に挟まれる。第２の側のシャント熱交換器２８０４、２８０５は同様に、交互に配置される導電型からなるＴＥ素子２８０１同士の間に挟まれる。電流２８１２、２８１３は、矢印２８１２、２８１３によって表されるように、システム２８００の中を流れる。この実施形態において、管２８１４、２８１５が、液体作動媒体２８０６を１つのシャント熱交換器２８０４、２８０５から次のシャント熱交換器に流す。

ＴＥ熱伝達システム２８００の動作は、図２４Ｂの説明の動作に類似であり、一方の作動流体２８１０が気体であり、他方の作動流体２８０６が液体である点が異なる。米国特許第６，５３９，７２５号に記載のとおりの熱絶縁の利点は、やはりシステム２８００に示される設計の場合にも達成される。

図２９は、シャント熱交換器２９００の詳細を示す。アセンブリは、きわめて優れた熱伝導材料から構成される容器２９０１と、きわめて優れた導電性材料から構成される電極２９０２と、容器２９０１の上面および底面と良好な熱接触状態にある熱伝達フィン２９０５および２９０６と、を有することが有利である。一つの実施形態において、容器２９０１および電極２９０２は単一の材料から構成され、一体構成も可能である。容器２９０１の底面と電極２９０２との間の境界面２９０４は、きわめて低い電気抵抗を有することが有利である。流体２９０９は、シャント熱交換器２９００を通り抜ける。

動作中、ＴＥ素子（図示せず）は、電極２９０２の上部および底部に電気的に接続される。適切な電流がＴＥおよび電極２９０２を介して印加されるときに、容器２９０１およびフィン２９０５、２９０６が加熱または冷却される。シャント熱交換器２９００中を流れる作動流体２９０９が、熱交換器２９００によって加熱または冷却される。シャント熱交換器２９００の導電率は充分に優れており、寄生損失に大きく寄与しないことが有利である。電極２９０２を通る電流経路を最小限に抑え、電流経路全体にわたる導電率を最大限にし、電極２９０２の断面積を増大させることによって、そのような損失を小さくすることができる。

容器２９０１の上面および底面、ならびにフィン２９０５および２９０６は、電流の方向に充分な導電率を提供し、図４Ｂの実施形態に示されているように、固体電極本体２９０２の断面積を小さくすることができ、あるいは固体電極本体２９０２を完全に排除することができる。

ヒートシンクおよび流体システム３０００が、図３０に示される。交互に配置される導電型からなるＴＥ素子３００１が、流体熱交換器３００４同士の間に点在され、各流体熱交換器３００４は、シャント部分３００３およびシャント３００２および３００５を有する。電流３００６、３００７は、シャント部分３００３、シャント３００２および３００５、ＴＥ素子３００１を通って流れる。作動流体３００９は、矢印によって示すように流れる。ヒートシンク３０１０はシャント３００２と良好な熱接触にあり、かつシャント３００２から電気的に絶縁されており、ヒートシンク３０１１はシャント３００５と良好な熱接触にあり、かつシャント３００５から電気的に絶縁されている。金属またはそうでない場合には導電性のヒートシンク３０１０、３０１１を用いた実施形態では、充分な熱伝導率を有することが有利である電気絶縁体３００８、３０１２が、示された回路経路に電流３００１、３００７を閉じ込める。

適切な電流３００６、３００７が印加されるときに、熱出力は、作動流体３００９からヒートシンク３０１０、３０１１に伝達される。シャント熱伝達部材３００４は互いに熱絶縁されているため、この実施形態では熱絶縁による性能の向上が達成される。

別のシャント熱交換器の実施形態３１００が、図３１Ａに示される。シャント部分３１０１は、ＴＥ素子（図示せず）への接続のための電極３１０２と、フィンなどの熱交換器３１０３と良好な熱接触状態にある熱伝達延在部３１０８と、を有する。流体３１０７は、熱交換器３１０３を通り抜ける。

シャント熱交換器３１００は、熱伝達延在部３１０８同士の間の略中心に配置された電極３１０２を有することが好ましい。この実施形態において、熱出力は、２つの方向においてＴＥアセンブリに流れ込んでＴＥアセンブリから流れ出ることができるため、図２４Ａに示される実施形態に比べて、ＴＥ素子当たり約２倍の熱伝達力に増大することができる。シャント側は、たとえばヒートパイプ、対流熱の流れを組み込むことによって、または熱伝達を向上する任意の他の方法を用いることによって、熱伝達特性を向上してもよい。

図３１Ｂは、シャント３１１１と、電極３１１２と、流入流体ポート３１１３、３１１４および流出流体ポート３１１５、３１１６とを備えた熱伝達シャント・アセンブリ３１１０を示す。熱伝達シャント・アセンブリ３１１０は、図２９に示されるシステムより、ＴＥ素子当たりの熱伝達力を増大させることができ、より多くの流体輸送能力を有することができる。

図３１Ｃは、シャント部材３１２１と、電極３１２２と、熱交換面３１２３、３１２４とを有するシャント・アセンブリ３１２０を示す。シャント・アセンブリ３１２０は、図２６Ａおよび図２６Ｂに示される実施形態に比べて、ＴＥ素子当たり約２倍の熱伝達力を有することができる。しかし、図２６Ａおよび図２６Ｂに示される用途とは対照的に、シャント・アセンブリ３１２０のスタックは、互いに対して略直角で交互に配置され、互いに対向する面３１２３、３１２４はいずれもたとえば加熱され、加熱された対に対して略直角であるスタックの次の対の面が冷却される。あるいは、面３１２３、３２１４は、１２０°などの他の角度であってもよく、図２６に示されるようにシャント２６０４と相互に点在してもよい。多面シャントの任意の組み合わせは、本発明の一部である。

熱電材料の削減は相当劇的でありうることに留意すべきである。たとえば、本明細書で説明した熱電素子は、１つの一般的な実施形態では５ミクロン〜１．２ｍｍ程度に薄くてもよい。図３１Ａ〜図３１Ｃ、図２６Ａ〜図２６Ｂおよび図２７の実施形態を用いて実現可能であるような超格子構成およびヘテロ構造構成の場合には、熱電素子は２０ミクロン〜３００ミクロンの厚さであってもよく、２０ミクロン〜２００ミクロンであればさらに好ましく、２０ミクロン〜１００ミクロンではさらに一層好ましい。別の実施形態において、熱電素子の厚さは、１００ミクロン〜６００ミクロンである。熱電素子に関するこれらの厚さは、従来の熱電システムより実質的に薄い。

記載した構成はＴＥ素子をアレイまたはモジュールに組み立てる必要はないことに留意すべきである。一部の用途では、ＴＥ素子は、熱伝達部材に直接取り付けることが有利であり、それによりシステムの複雑さおよびコストが削減される。上記の特徴は、本発明を逸脱することなく好都合な態様で組み合わせてもよいことも留意すべきである。さらに、ＴＥ素子が類似のサイズであるかのようにさまざまな図面で示されているが、ＴＥ素子はアレイまたはスタックにわたってサイズが変化してもよく、最終的なＴＥ素子タイプはＰ型ＴＥ素子とは異なるサイズおよび形状であってもよく、いくつかのＴＥ素子はヘテロ構造であり、他のＴＥ素子は非ヘテロ構造に設計されてもよいことに留意すべきである。

一般に、これらの図面に記載されたシステムは、冷却／加熱モードおよび発電モードの両方で動作する。冷却、加熱または発電のための性能を最適化するために、特定の変更を行うことができることが有利である。当業界では公知であるように、発電において高い効率を達成するために、たとえば、大きな温度差（２００〜２０００°Ｆ）が望ましいのに対し、小さな温度差（１０〜６０°Ｆ）は冷却システムおよび加熱システムの特性である。大きな温度差には、異なる構成材料、可能であれば異なる設計寸法および材料からなるＴＥモジュールおよびＴＥ素子が必要である。しかし、異なる動作モードに関して基本的概念は依然として同じままである。図５、図８および図９に記載される設計は、簡単かつ簡素に、かつ低コストの設計を作成する可能性を提供することから、発電に好都合である。しかし、上述の設計はすべて、特定の発電用途に関して利点を有することができ、考慮しないわけにはいかない。
大容量熱電温度制御システム
熱電冷却、加熱、および温度制御装置は、それらを成長しつつあるいくつかの市場における使用について非常に興味深いものにする重要な特徴を有している。例えば、電子シャシにおいて必要とされる冷却能力の増大が、２相圧縮機システムでは容易に達成できないフォームファクタを有する小型の冷却システムを使用する。同様に、局所冷却および加熱システム、静かな部屋のヒートポンプ、および他の用途が、２相圧縮機ベースの技術から静かで振動のない半導体による技術的解決策への転換によって利益を受ける。しかしながら、限られたニッチな用途において成功を果たしているものの、この技術の適用は、一部にはそのような半導体システムの３つの欠点ゆえに、ゆっくりとしたものとなっている。
・ＴＥ装置の効率は、通常は、２相圧縮機ベースの冷却システムの約１／４であり、結果として運転コストが４倍になり、熱遮断部品がより大きくなる。
・予想される初期コストが、競合システムのコストの少なくとも２倍である。
・コスト、効率、サイズ、および他の重要なパラメータについてＴＥシステムの設計を最適化することができるシミュレーション用ツールが、利用可能でない。

本明細書に記載される特定の実施形態が、重要な用途において効率を約２倍にすることができる別の熱力学サイクルを好都合に最適化する。特定の実施形態の効率の改善は、ＨＶＡＣおよび温度制御システムなどにおいて見られるように、作動流体の移動と組み合わせられる。結果を、空気ベースの装置および液体ベースの装置において、実験によって検証した。さらに、本明細書に記載される特定の実施形態においては、高い出力密度の熱電気設計が、熱電材料の使用を、現時点の熱電材料の製造および熱伝達技術の制約のもとでの実質的な最少にまで減少させる。材料の使用の削減は、本明細書に記載の特定の実施形態においては、熱伝達技術の改善およびより正確なモデル化ソフトウェアによって可能にされている。本明細書に記載の特定の実施形態は、これらの技術進歩を使用し、大幅な材料の削減を達成する。本明細書に記載の特定の実施形態は、複雑な設計を効率的に最適化する同時多次元最適化アルゴリズムによって正確かつ総合的にモデル化されている。モデルが、設計入力変数を容易な製造および他の目的に適した範囲に制約することを可能にする。また、設計出力を、体積、圧力損失、流量、および他のパラメータに制限を課すことによって制約することができる。

これらの進歩が、これらに限られるわけではないが、８０ワットおよび３５００ワットの熱出力を有する熱電ベースの半導体冷却、加熱、および温度制御システムなど、本明細書に記載の特定の実施形態を設計し、製作し、試験するために使用されている。本明細書に記載の他の特定の実施形態は、他の範囲の熱出力を有する熱電システムを提供する。

本明細書に記載の特定の実施形態は、液体ベースの加熱、冷却、および温度制御システムを含む。本明細書に記載の特定の実施形態は、以下の具体的な技術的設計目標のうちの１つ以上を含む。
・動作効率が、従来の熱電技術による動作効率よりも少なくとも５０％大きいこと。
・使用する熱電材料が、同じ熱出力を有する市販の熱電モジュールの２５％未満であること。
・容易に製造することができ、低コスト、小型、かつ最小限の重量となることが見込まれること。
・電気的冗長性を取り入れること。
・冷却モードにおける３，５００ワットの公称熱ポンプ能力。
・５０〜５，０００ワットの熱能力の間で拡大および縮小が可能なスケーラビリティ。

図３２が、本明細書に記載の特定の実施形態による典型的な熱伝達装置３２００の部分切断図を概略的に示しており、図３３が、本明細書に記載の特定の実施形態に適合する典型的な熱電システム・サブアセンブリ３３００の図である。熱電システムは、複数の熱電モジュール（図３３では見ることができない）および複数の熱伝達装置３２００を備える。それぞれの熱伝達装置３２００は、ハウジング３２１０およびハウジング３２１０の内側の１つ以上の熱交換器素子３２２０を備える。それぞれの熱伝達装置３２００は、作動流体を受け取って通過させる。熱伝達装置３２００のうちの少なくともいくつかは、交互の熱電モジュールおよび熱伝達装置３２００からなるスタックを形成すべく、複数の熱電モジュールのうちの少なくとも２つの熱電モジュールの間に挟まれ、これらの熱電モジュールに熱的に連絡している。スタックは、作動媒体の移動の方向に熱絶縁をもたらすように構成されている。特定の実施形態においては、サブアセンブリ３３００に、機械的安定性を保証するために圧縮が加えられる。

特定の実施形態においては、ハウジング３２１０が銅からなっており、１つ以上の熱交換器素子３２２０が、銅製フィンを備える。特定の実施形態のハウジング３２１０は、ハウジング３２１０を形成すべく一体に組み合わせられる複数の部位（例えば、絞りによる銅製シェル）を備える。他の特定の実施形態においては、ハウジング３２１０が一体構造であり、材料の曲げ、折り曲げ、および／または除去によって作動流体を流すことができる体積が定められている。

特定の実施形態においては、熱交換器素子３２２０が、複数の銅製フィンを備える。特定の実施形態における熱伝達装置３２００の熱交換器素子３２２０は、一体構造であり、材料の曲げ、折り曲げ、および／または除去によって、熱交換器素子３２２０と作動流体との間の熱伝達のために作動流体を流すことができる部位が形成されている。例えば、熱交換器素子３２２０が、折り曲げられた銅製フィンをハウジング３２１０の銅製シェルの内側に配置して備えることができる。特定の実施形態においては、熱交換器素子３２２０が、図３２によって概略的に示されているとおり、２つ以上のフィン・アセンブリを備えることができる。特定の実施形態においては、ハウジング３２１０および１つ以上の熱交換器素子３２２０が、一体構造であり、材料の曲げ、折り曲げ、および／または除去によって熱伝達装置３２００が形成されている。

特定の実施形態においては、ハウジング３２１０が、第１の表面３２１２および第１の表面３２１２におおむね平行な第２の表面３２１４を備える。熱電システムへと組み立てられたとき、第１の表面３２１２が、複数の熱電モジュールのうちの少なくとも第１の熱電モジュールに熱的および電気的に連絡する。さらに、熱電システムへと組み立てられたとき、第２の表面３２１４が、複数の熱電モジュールのうちの少なくとも第２の熱電モジュールに熱的および電気的に連絡する。この第２の熱電モジュールは、さらに少なくとも第２の熱電モジュールに熱的および電気的に連絡する。

例えば、特定の実施形態においては、交互のＮ型およびＰ型の熱電素子が、それぞれ熱伝達装置３２００の第１の表面３２１２および第２の表面３２１４へと直接にはんだ付けまたはろう付けされる。さらに、交互のＮ型およびＰ型の熱電素子は、熱電システムの隣の熱伝達装置３２００へと直接にはんだ付けまたはろう付けされる。そのような特定の実施形態は、基板および他の電気回路部品を含む伝統的な熱電モジュール構成部品を不要にする設計の特徴を好都合に提供する。

特定の実施形態においては、それぞれの熱伝達装置３２００が、熱伝達装置３２００へと進入する作動流体が通過する導入口３２３０と、熱伝達装置３２００を出る作動流体が通過する排出口３２４０とを備える。特定の実施形態においては、作動流体が、第１の表面３２１２におおむね垂直な方向に導入口３２３０を通過して流れ、第２の表面３２１４におおむね垂直な方向に排出口３２４０を通過して流れる。図３３の典型的なサブアセンブリ３３００に示されているとおり、特定の実施形態においては、熱伝達装置３２００の排出口３２４０が、別の熱伝達装置３２００の導入口３２３０へと（例えば、流通ダクトまたは導管３２５０によって）流体を通すことができるように接続されている。特定の実施形態においては、流体管３２５０によって流体を流すことができるように互いに接続された２つの熱伝達装置３２００が、熱電モジュール、もう１つの熱伝達装置３２００、およびもう１つの熱電モジュールによって隔てられており、作動流体が、それぞれの流体が１つおきの熱伝達装置３２００を通過する対向流の様式で移動する。

図３４が、本明細書に記載の特定の実施形態に適合する典型的な熱電システムの熱交換器サブアセンブリ３３００（例えば、スタック）の作動流体の経路および電気的な接続を概略的に示している。図３４において、電流は、熱交換器サブアセンブリ（例えば、スタック）３３００の長さに沿って流れる。特定の実施形態においては、サブアセンブリ３３００が、電気回路を並列な熱電素子を通って取り入れることによって、或る程度の電気的冗長性を達成する。図３４に示した直並列の冗長性を、熱電システムの装置の耐久性、安定性、および信頼性を好都合に高めることができる。

特定の実施形態の熱電システムは、第１の複数の熱電素子３４１０、第２の複数の熱電素子３４２０、および複数の熱伝達装置３２００を備える。それぞれの熱伝達装置３２００は、熱電素子および熱伝達装置のスタックを形成すべく、第１の複数の熱電素子３４１０のうちの２つ以上の熱電素子３４１０に熱的に連絡した第１の側３４３２と、第２の複数の熱電素子３４２０のうちの１つ以上の熱電素子３４２０に熱的に連絡した第２の側３４３４とを有している。第１の複数の熱電素子３４１０のうちの２つ以上の熱電素子３４１０は、互いに電気的に並列に連絡している。第１の複数の熱電素子３４１０のうちの２つ以上の熱電素子３４１０は、第２の複数の熱電素子３４２０のうちの１つ以上の熱電素子３４２０に電気的に直列に連絡している。特定の実施形態においては、第２の複数の熱電素子３４２０のうちの１つ以上の熱電素子３４２０が、互いに電気的に並列に連絡した２つ以上の熱電素子３４２０を含む。

特定の実施形態においては、第１の複数の熱電素子３４１０の熱電素子３４１０が、Ｐ型であり、そのような特定の実施形態においては、第２の複数の熱電素子３４２０の熱電素子３４２０が、Ｎ型である。特定の実施形態においては、それぞれの熱伝達装置３２００が、第１の複数の熱電素子３４１０のうちの２つ以上の熱電素子３４１０を、第２の複数の熱電素子３４２０のうちの２つ以上の熱電素子３４２０から熱的に絶縁する。特定の実施形態においては、スタックが、作動媒体の移動の方向に熱絶縁をもたらすように構成されている。

特定の実施形態においては、それぞれの熱伝達装置３２００が、作動流体を受け取って熱伝達装置３２００の全体的な方向に通過させる。複数の熱伝達装置３２００のうちの２つ以上の熱伝達装置３２００の全体的な方向は、互いに実質的に平行である。例えば、図３４の熱伝達装置３２００の矢印が、熱伝達装置３２００の流体の流れの全体的な方向を示している。特定の実施形態においては、複数の熱伝達装置３２００のうちの少なくも２つの熱伝達装置３２００の全体的な方向が、互いに実質的に反対である。

図３３に関して上述したとおり、熱伝達装置３４３０の排出口３４２０が、他の熱伝達装置３４３０の導入口３２３０へと流体を流すことができるように接続されている。例えば、図３４によって概略的に示されているとおり、第１の作動流体３４４０が、第１組の熱伝達装置３２００を通過して流れることによって冷却され、第２の作動流体３４５０が、第２組の熱伝達装置３２００を通過して流れることによって加熱される。第１の作動流体３４４０は、おおむねスタックに沿って第１の方向に流れ、第２の作動流体３４５０は、おおむねスタックに沿って第２の方向に流れる。第１の方向および第２の方向は、互いにおおむね平行である。特定の実施形態においては、第１の方向および第２の方向が、互いにおおむね反対である。図３４の典型的な構成においては、作動流体が対向流の様式で移動し、それぞれの流体が、２つおきの熱伝達装置３２００を通過する。特定の実施形態の熱電素子３４１０、３４２０は、電流の流れの方向において交互にＰ型およびＮ型であり、したがって交互の熱伝達装置３２００が、熱源およびヒートシンクである。したがって、冷却される作動流体３４４０は、熱伝達装置３２００を通過するにつれて徐々に冷却され、加熱される作動流体３４５０は、熱伝達装置３２００を通過するにつれて徐々に加熱される。

特定の実施形態においては、作動流体３４４０、３４５０が、図３４に概略的に示されているように反対方向に流れることができる。他の特定の実施形態においては、作動流体３４４０、３４５０が、同じ方向に流れることができ、標準的な熱力学サイクルでの動作に比べて、性能の同様の改善を達成することができる。きわめて小さな温度差など、いくつかの状況下では、効率が、対向流によって達成される効率よりもわずかに高くなりうる。特定の実施形態においては、この構成が、余分な部品の追加を必要とすることなく熱絶縁の基本的状態を満足し、実務において、意図される性能特性を達成するために使用される部品の総数を減らすことができる。

図３２によって概略的に示されている熱伝達装置３２００をモデル化する詳細なシミュレーションを使用して、設計のトレードオフおよび基本的な装置の性能を評価した。最終的な装置パラメータを定めるためにモデル化プロセスにおいて使用したパラメータとして、
・熱電素子の面積、厚さ、および数、
・流れの方向において熱的に絶縁されたセグメントの数、
・熱伝達装置のシェルの厚さ、長さ、幅、および構成材料、
・熱伝達装置のフィンの厚さ、長さ、幅、間隔、および構成材料、
・並列な熱電セグメントの数、
・熱伝達装置のろう付けジョイントの厚さおよび材料特性、
・はんだ層の厚さおよび材料特性、ならびに
・熱電電極の界面の電気的および熱的特性
が挙げられる。上述の最初の４つのパラメータ（構成材料を除く）を、後述の設計パラメータをもたらすために同時に最適化した。製造可能性が保証されるように、材料の厚さおよび間隔のパラメータを制約した。液体の流量および温度変化を固定し、すなわち性能係数（ＣＯＰ）を最適化するための最適化手順の際に加えられる制約とした。シミュレーションの出力を、動作電流および電圧、液体の圧力損失、熱電素子の数、熱電材料の量、ならびに装置の重量および体積（マニホールド、電気的および機械的インターフェイスの部品、外部の絶縁、および取り付けブラケットを除く）などとした。

図３３に示されている典型的な実験用回路板サブアセンブリ３３００を、最適化された設計のためのモデル出力に従って製作した。典型的なサブアセンブリ３３００は、８７ｍｍ×３９ｍｍ×１５ｍｍである。２つの熱伝達装置３２００の間に挟まれた各々の熱電セクションは、４つの熱電素子を有しており、各々の熱電素子は、断面積が４ｍｍ×３ｍｍであって、電流の流れの方向の厚さが０．６ｍｍである。４つの熱電素子は、隣り合う熱伝達装置３２００の間で互いに電気的に平行である。性能確認試験のために、水を作動流体として使用した。熱伝達および熱容量特性の一様性が、流量ならびに導入口および排出口温度について、再現性のある測定を容易にした。環境との熱交換および実験の不正確さの他の原因に対処し、これらを最小限にした。装置への入力Ｑ_ｉｎについて２つの独立した計算方法を使用して性能を計算することによって、試験結果の精度を分析した。
・方法１：Ｏ_ｉｎ＝Ｑ_{ｈｅａｔｅｄ}−Ｑ_{ｃｏｏｌｅｄ}
・方法２：Ｑ_ｉｎ＝ＩＶ
ここで、加熱側の熱流速は、Ｑ_{ｈｅａｔｅｄ}＝Ｆｍ_{ｈｅａｔｅｄ}×Ｃｐ×ＤＴ_{ｈｅａｔｅｄ}であり、冷却側の熱流速Ｑ_{ｃｏｏｌｅｄ}＝Ｆｍ_{ｃｏｏｌｅｄ}×Ｃｐ×ＤＴ_{ｃｏｏｌｅｄ}である。流量は、Ｆｍ_{ｈｅａｔｅｄ}およびＦｍ_{ｃｏｏｌｅｄ}であり、対応する導入口および排出口の間の温度変化は、ＤＴ_{ｈｅａｔｅｄ}およびＤＴ_{ｃｏｏｌｅｄ}である。サブアセンブリ３３００を通過する電流がＩであり、サブアセンブリ３３００を横切る電圧がＶである。両方の方法によって計算したＱ_ｉｎについての結果を比較した。

２つの方法によって測定される試験値が互いの少なくとも５％の範囲内にあるように、試験の方法論を開発した。サブアセンブリ３３００を、図３５に示すとおりに試験用固定具に取り付けた。サブアセンブリ３３００を、導入口の水温に維持される２つの電極の間に取り付け、界面の電気的および熱的損失を、典型的な全体システムのはんだ（ＰｂＳｎ）電気接続を模擬するために液体金属（ＧａＩｎＳｎ）外部電気インターフェイスを使用することによって最小限にした。周囲との熱交換を少なくするために、サブアセンブリ３３００を発泡体絶縁構造に配置した。

図３６が、サブアセンブリ３３００の試験において測定された性能結果を、シミュレーションによるモデルの結果と比較して示している。これらの結果は、動作パラメータの幅広い範囲にわたって良好な相関を示している。モデル結果の精度は、試験した温度差のすべてについて、ピークＣＯＰの点およびその右側（より大きな電流）の動作状況において、４％の範囲内であった。ピークＣＯＰの左側の試験点は、この精度の分析には含めていない。そのような動作条状況は、ピークの右側の同じＣＯＰで動作する装置よりもはるかにかさばりかつ高価につく装置を使用する動作状況を表わしているため、典型的には関心の対象でない。さらに、この動作型に係わるきわめて大きな傾斜は、試験誤差および動作の不安定の両方を持ち込む。

イプシロンというパラメータが、最大の冷却力をもたらす計算による電流Ｉ_ｍａｘに対する電流Ｉの秘である。試験した熱電サブアセンブリ３３００においては、Ｉ_ｍａｘ＝４４０アンペアである。サブアセンブリ３３００を、３０〜１５０アンペアの入力電流で試験した。加熱側と冷却側の排出口の温度差は、１５℃〜５５℃の範囲とした。サブアセンブリ３３００への入力電力を、４．８９から８７．４９ワットまで変化させた。

図３７が、ΔＴ_ｃ＝１０℃およびΔＴ_ｈ＝５℃におけるサブアセンブリ３３００のＣＯＰ（図３６の最も上の曲線）を、熱絶縁を備えない従来からの熱電モジュール・ベースの設計の性能と比較して示している。この従来からの設計が、２．２５というＣＯＰを有するのに比べ、図３３の構成においては、ＣＯＰが４．３０であり、約９１％の改善がもたらされている。改善の割合は、温度差がより大きいと増加し、より小さな温度差においてはわずかに減少する。

標準的なＴＥモジュール・システムおよびスタック設計について計算された結果にもとづき、標準的な熱電モジュールの構成および本明細書に記載の特定の実施形態による典型的なサブアセンブリ３３００のサイズ、重量、カラム、および出力の比較を、表１に示す。表１に示されるように、約９１％のＣＯＰ（効率）の改善に加えて、サブアセンブリ３３００は、標準的な熱電モジュールの設計に比べて、大幅な体積、重量、およびコストの低減を呈する。熱電サブアセンブリの体積および重量は、それぞれ約１５％および７０％低減される。熱電材料の使用量、したがって材料のコストは、約４分の１であり、比出力は、約３．３という係数で増加した。

このレベルの設計確認にもとづき、実物大の装置の設計を完了した。その装置が、前部カバーおよび絶縁を取り除いて図３８に示されている。この装置において、熱電素子は、それぞれの熱電層の面積を増加させるため、各層につき３つの素子へと変更されており、それぞれの素子の断面積は１２ｍｍ×３ｍｍであり、厚さは０．６ｍｍである。これは、各段についてより大きな熱電面積を好都合に使用することによって、温度差がより小さい特定の用途のためのニーズに合わせるために行ったものである。図３６および３７の結果を比較することによって示されるとおり、装置は、プロットされた特定の動作条件のもとで熱電サブアセンブリ３３００よりもわずかに高い効率を有すると予想された。装置を、中心の熱電アセンブリが小型であるように、熱電サブアセンブリの間に１．５ｍｍの半剛体の絶縁を備えて９×３のアレイにて製作した。補助的な部品を、熱電対および他の監視装置のためのアクセスを可能にするため、絶縁体で満たされたすき間によって離間させた。補助的な部品として、流体マニホールド、サブアセンブリ間の電気接続、およびサブアセンブリを一様に押し付けるためのばねが挙げられる。補助的な部品の重量または体積を最小にする試みは、行わなかった。

図３８の装置は、以下の公称の設計特性を有している。
・電流：８６アンペア
・電圧：８．７ボルト
・熱冷却力：３５００ワット
・液体の流量：０．１６リットル／秒
・熱電材料の重量：３０６グラム
・装置体積：１．５９リットル
・装置乾燥重量：４．３３キログラム
熱電サブアセンブリ（例えば、図３３を参照）を、流体の流れに関して並列に、電流の流れに関して直列に接続した。流体の流れを導くマニホールドを、上部および下部の構造部材としても機能させた。さらに、電気接続もマニホールドに収容した。

装置を、水を作動流体として使用して試験し、計量された量の水を、装置の冷却側および排熱（加熱）側に通した。電圧、電圧、流量、ならびに導入口および排出口の温度を監視した。図３９が、測定された実験結果を、計算によるモデル結果と比較して示している。実験結果が、設計モデル化ツールを用いたシミュレーションにもとづく予測による結果によく一致している。

図３８の完全な装置の試験は、典型的な熱電サブアセンブリ３３００の試験に比肩する精度を示しているが、使用した試験設備の電源および作動流体の流量の能力ゆえに、より少ない動作条件に試験が限定されている。試験した条件の範囲において、結果は、モデルの性能予測の妥当性を立証している。さらに、完全な装置および熱電サブアセンブリの性能が、それぞれサブアセンブリについての同じ予測結果に一致しているため、システムレベルの損失が、システムレベルの予測性能を無効にすることがないように充分に小さいことが確認された。すなわち、完全な装置についての結果が、熱電サブアセンブリについての予測性能に従う。

設計およびモデルの結果が、冷却側および加熱側の温度変化（最大３０℃）の組み合わせの条件下で、液体の作動媒体を有する本明細書に記載の特定の実施形態に適合する熱電冷却器が、高いＣＯＰを有することができることを示している。この範囲において、５０〜３，５００ワットの間の熱出力レベルについて、このようなシステムが、液体ベースの冷却の用途にとって有望な候補である。多数の同一のサブアセンブリが、３，５００ワットでの動作を実証するために使用されたため、きわめて類似の結果が、少なくとも５，０００ワットの熱能力の装置についても観察されると予想することができる。さらに、同様の性能およびモデル精度が、加熱モードでの動作についても得られる。したがって、冷却、加熱、および温度制御の用途の分野が、本明細書に記載の特定の実施形態のＴＥ技術の対象となりうる。
流れの方向の熱絶縁を使用する用途
本明細書に記載の特定の実施形態においては、単一の作動流体の少なくとも一部が、流れの方向の熱絶縁を使用する熱電システムの加熱側および冷却側の両方を循環する。作動流体は、冷却側における第１の通過の際に冷却され、加熱側における戻りの通過の際に元々の温度をいくらか上回る温度へと再び加熱される。従来からの熱電装置においては、熱電回路が取り付けられている基板および熱交換部材の熱伝導が、装置の全表面にわたって温度を或る程度一様にしようとする。本明細書に記載の特定の実施形態は、流れの方向の熱の伝導を最小限にし、熱伝達流体を第１の側を流れるときに冷却し、次いで他方の側を対向流にて流すことによって再び加熱することで、熱電装置のあらゆる部位にわたる温度差を好都合に小さくし、ＣＯＰ、ΔＴ、または両方の大きな改善をもたらす。

図４Ａが、本明細書に記載の特定の実施形態に適合する典型的な熱電システム４００を概略的に示している。特定の実施形態において、熱電システム４００は、複数の熱電モジュール４０２および複数の熱伝達装置４０３を備える。それぞれの熱伝達装置４０３が、作動流体を受け取って通過させる。熱伝達装置４０３のうちの少なくともいくつかが、交互の熱電モジュール４０２および熱伝達装置４０３からなるスタックを形成するために、複数の熱電モジュール４０２のうちの少なくとも２つの熱電モジュール４０２の間に挟まれ、これらの熱電モジュール４０２に熱的に連絡している。第１の作動流体は、第１組の熱伝達装置４０３を通過して流れることによって冷却され、第２の作動流体は、第２組の熱伝達装置４０３を通過して流れることによって加熱される。図３３が、本明細書に記載の特定の実施形態に適合する典型的なサブアセンブリ３３００を示している。

図４０が、３つの熱電システムについて、作動流体が熱電システムを巡るときの温度プロファイルを概略的に示している。特定の実施形態においては、第２の作動流体が、第１組の熱伝達装置を通って流れた後の第１の作動流体からなる。被冷却の負荷を有するそのような特定の実施形態においては、第１の作動流体が、Ｑ_Ｌゆえの負荷からの低温端における温度の上昇を受ける。次いで、第１の作動流体は、第２の作動流体として加熱側へと戻され、入力ＩＶおよび負荷の力Ｑ_Ｌの合計ゆえに、導入口温度から高められた温度で加熱側を出る。

特定の実施形態においては、加熱側へと戻される第１の作動流体の温度が、熱負荷および装置の最低温段の熱を汲み出す能力の相対サイズに応じて決まる。図４０の３つのプロファイルは、（ｉ）小さな熱負荷または熱負荷なし、（ｉｉ）中程度の熱負荷、および（ｉｉｉ）大きな熱負荷について可能性の範囲を示している。第１の作動流体が、導入口温度Ｔ_ＩＮにて冷却側へと導入され、熱負荷が加えられる最終セクションへと冷却側に沿って流れるにつれて徐々に冷却される。第１の作動流体は、熱負荷によって加熱され、第２の作動流体として加熱側へと導入され、排出口へと加熱側に沿って流れるときにさらに徐々に加熱される。第２の作動流体の排出口温度Ｔ_ＯＵＴは、第１の作動流体の導入口温度Ｔ_ＩＮよりも高い。

従来からの熱電装置の性能を、熱絶縁を使用し、同じ作動流体を装置の両側において使用する本明細書に記載の特定の実施形態による装置と比較するために、液体−液体熱電装置のコンピュータ・モデルを使用した。図４１が、測定される温度の上昇（ΔＴ＝Ｔ_ＯＵＴ−Ｔ_ＩＮ）がモデルから計算される温度の上昇によく相関することを示している。

図４２は、種々の条件下でのモデルの妥当性を検証するために使用した典型的な熱電システム４２００を示している。熱電システム４２００は、熱電システム４２００の冷却側に流体を通すように連絡した導入口４２１０と、熱負荷をもたらすべく冷却側の端部４２３０に取り付けられたヒータ４２２０と、熱電システム４２００の加熱側に流体を通すように連絡した排出口４２４０と、熱電システム４２００の熱電素子に電流を加えるための１対の電極４２５０とを備える。絶縁発泡体が、熱電システム４２００を環境から絶縁するために使用されている。

図４３は、熱絶縁段のさまざまな数について、達成できる最大ΔＴ_ｃをプロットすることによって、熱絶縁がΔＴ_ｃへともたらす効果を示している。図４４は、熱絶縁が最大出力へともたらす効果を示している。これらの比較の目的のために、熱電システムに存在する熱絶縁の段数についてのパラメータＮを使用した。熱絶縁を備えない従来からの熱電システムは、Ｎ＝１によって示される。

流れの再案内をさらに複雑にすることによって、ΔＴ_ｃおよび負荷の力の両者において改善を達成できる。特定の実施形態においては、第２の作動流体が、第１組の熱伝達装置の１つ以上の部分を通過した後の第１の作動流体の１つ以上の部分を含むことができる。そのような特定の実施形態においては、第１の作動流体の１つ以上の部分が、第１組の熱伝達装置の複数の部分を通過した後の第１の作動流体の複数の部分を含む。図４５が、本明細書に記載の特定の実施形態に適合する流体の相互接続を利用する構成を概略的に示している。第１の作動流体のいくつかの部分が、熱的に絶縁されたスタックに沿ったいくつかの地点において、冷却側から加熱側の第２の作動流体へとそらされる。この構成は、導入口および排出口における流れを多くし、低温端における流れを少なくする。流れの多い端部における温度差がより小さいことが、性能を改善する要因である。

特定の実施形態においては、第２の作動流体が、第１組の熱伝達装置の少なくとも一部分を通過しない第１の作動流体の一部分を含む。図４６が、本明細書に記載の特定の実施形態に従い、中程度の温度の流体を、元の流れの温度に一致する温度の地点において加熱側へと導入する効果を概略的に示している。このように中程度の温度の第１の作動流体を第２の作動流体へと導入することは、等しい流れという制約を実質的に取り除く。特定の実施形態において冷却された流れを使用する利益は、単純な独立の流れによる性能を超えてさらに性能を向上させるために、低温の流体を利用することにある。

特定の実施形態においては、熱電システムが、従来からのカスケード配置によって達成されるよりもはるかに効率的なやり方で、周囲からの温度差が大きいときの冷却能力の向上をもたらす。カスケードにおいて、それぞれの低温側装置からの排熱は、より高温の支持装置のすべてへと通されなければならず、それらに、最低温の装置の低温面からの熱の除去を超える追加の熱除去の責務が課される。本明細書に記載の特定の実施形態においては、排熱が、１組の熱電素子から次の組の熱電素子へと通過するため蓄積されることがない。熱電システムの両側において同じ流体を使用することで、異なる流量に関する自由度が取り除かれるため、この制限を適用するための外的理由が好都合に存在する。特定の実施形態においては、この理由が、作動流体の性質、ポンプ手段、ポンプの効率またはコスト、あるいは流体に必要な封じ込めの性質、などに起因することができる。

図４７は、気体から蒸気を除去（例えば、空気を除湿）するための本明細書に記載の特定の実施形態による典型的な熱電システムの典型的な温度プロファイルを示している。図４７は、第１の作動流体が蒸気の凝縮点を上回る温度で蒸気を含む例を示している。第１の作動流体が、第１組の熱伝達装置の少なくとも一部分（例えば、熱電システムの冷却側）を通過することによって凝縮点を下回る温度へと冷却され、蒸気の少なくとも一部分が液体へと凝縮する。第２の作動流体は、この蒸気の少なくとも一部分を含まない第１の作動流体を含む。

実例においては、最初に、湿った空気からなる第１の作動流体が、温度Ｔ_ＩＮにて熱電システムの導入口へと導入される。この湿った空気は、熱電システムの冷却側を通って流れるにつれて、除去すべき水蒸気の凝縮点または露点へと冷却される。ひとたび凝縮点に達すると、湿度が１００％になり、熱電システムは、空気を好都合に冷却するだけでなく、空気から水蒸気の少なくとも一部分を凝縮させるために充分な熱を除去し始める。最低の温度において、所望の水蒸気濃度が達成され、今や除湿された空気（水蒸気の一部分を含んでいない）が、熱電システムの加熱側へと案内され、より高い温度へと戻される（例えば、より湿度の低い空気として暖められる）。排出口の空気の温度Ｔ_ＯＵＴは、例えば典型的な曇り止めの用途に必要な暖かさをもたらすために、導入口の空気の温度Ｔ_ＩＮを超えて高められる。他の気体および蒸気も、本明細書に記載の特定の実施形態に適合する。

空気−空気の熱電システムについての数学的モデルを使用し、この除湿用熱電システムを、従来からの熱電システムおよび熱絶縁を備える熱電システムの両者としてシミュレーションした。分析の例として、特定の筋書きを選択し、すなわち４０℃の空気において相対湿度を９０％から減少させることを選択した。電流および流量を、水分を冷却して凝縮するために利用できる出力を最適化するように変化させた。熱絶縁（Ｎ＝７）以外は同一である熱電システムを、シミュレーションに使用した。熱電システムは、１２７の組を有する４０ｍｍ×４０ｍｍのモジュールの相当物とした。熱絶縁の段数は、控えめなＮ＝７とした。図４８は、空気の流れからの水の除去について、従来からの熱電システムおよび熱絶縁を使用する熱電システムの能力の比較を示している。

４０℃において、特定の実施形態においては、相対湿度の１％の低減につき１立方メートルあたり約１／２グラムの水を凝縮させることが好都合である。そのようにすることで、露点が約１／４℃だけ低下する。図４８においてシミュレーションしたモジュールについて、それだけでは能力が小さすぎることが明らかである。しかしながら、図４９に示されるとおり、容量（および、サイズ）を係数５で拡大することによって、熱絶縁を備える熱電システムに、湿度を有意に低下させる能力がもたらされる。図４９の直線は、水の除去と露点の低下との間の上述の関係を表わしている。表示されている範囲は、１０〜２０％の相対湿度の低減に及んでいる。

本特許の開示が、本発明の設計、構成、および用途を提示していることにも、注意すべきである。上述の検討は、冷却における特性に関して分析されているが、同様の結果が、加熱および発電についても当てはまり、同様の結論につながる。いくつかのシステム、とくには熱イオンおよびヘテロ構造型のシステムは、もとより高い出力密度であると考えられ、その場合、本発明は、そのようなシステムの特性および高い出力密度の可能性に対応するためにより好適でありうる。

いくつかの例を図示および上述したが、これらの説明は、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の幅広い考え方を例示したにすぎない。特許請求の範囲において、すべての用語は、それらの通常かつ馴染みの意味に帰し、上述した説明は、具体的かつ明確に述べられない限りは、それらの用語をいかなる特別または具体的に定められた意味にも限定するものではない。

Claims (28)

1. 第１の複数の熱電素子、
   第２の複数の熱電素子、および
   複数の熱伝達装置
   を備える熱電システムであって、
   それぞれの熱伝達装置が、熱電素子と熱伝達装置とからなるスタックを形成すべく、前記第１の複数の熱電素子のうちの２つ以上の熱電素子に熱的に連絡した第１の側と、前記第２の複数の熱電素子のうちの１つ以上の熱電素子に熱的に連絡した第２の側とを有しており、前記第１の複数の熱電素子のうちの前記２つ以上の熱電素子が、互いに電気的に並列に連絡するとともに、前記第２の複数の熱電素子のうちの前記１つ以上の熱電素子に電気的に直列に連絡している熱電システム。
2. 前記第２の複数の熱電素子のうちの前記１つ以上の熱電素子が、互いに電気的に並列に連絡した２つ以上の熱電素子を含む請求項１に記載の熱電システム。
3. 前記第１の複数の熱電素子の熱電素子が、Ｐ型である請求項１に記載の熱電システム。
4. 前記第２の複数の熱電素子の熱電素子が、Ｎ型である請求項３に記載の熱電システム。
5. それぞれの熱伝達装置が、前記第１の複数の熱電素子のうちの前記２つ以上の熱電素子を、前記第２の複数の熱電素子のうちの前記２つ以上の熱電素子から熱的に絶縁している請求項１に記載の熱電システム。
6. 前記スタックが、作動媒体の移動の方向に熱的な絶縁をもたらすように構成されている請求項１に記載の熱電システム。
7. それぞれの熱伝達装置が、作動流体を受け取って、該熱伝達装置の全体的な方向に通過させる請求項１に記載の熱電システム。
8. 前記複数の熱伝達装置のうちの２つ以上の熱伝達装置の前記全体的な方向が、互いに実質的に平行である請求項７に記載の熱電システム。
9. 前記複数の熱伝達装置のうちの少なくとも２つの熱伝達装置の前記全体的な方向が、互いに実質的に反対である請求項８に記載の熱電システム。
10. 第１の作動流体が、第１組の熱伝達装置を通って流れることによって冷却され、第２の作動流体が、第２組の熱伝達装置を通って流れることによって加熱される請求項７に記載の熱電システム。
11. 前記第１の作動流体が、おおむね前記スタックに沿って第１の方向に流れ、前記第２の作動流体が、おおむね前記スタックに沿って第２の方向に流れ、前記第１の方向が前記第２の方向におおむね平行である請求項１０に記載の熱電システム。
12. 前記第１の方向が、前記第２の方向のおおむね反対である請求項１１に記載の熱電システム。
13. それぞれの熱伝達装置が、ハウジングおよび該ハウジングの内側の１つ以上の熱交換器素子を備える請求項１に記載の熱電システム。
14. 複数の熱電モジュール、および
    複数の熱伝達装置
    を備える熱電システムであって、
    それぞれの熱伝達装置が、ハウジングおよび該ハウジングの内側の１つ以上の熱交換器素子を備えており、作動流体を受け取って通過させ、
    熱伝達装置の少なくともいくつかが、前記複数の熱電モジュールのうちの少なくとも２つの熱電モジュールの間に挟まれて、該少なくとも２つの熱電モジュールに熱的に連絡し、交互の熱電モジュールおよび熱伝達装置を作動媒体の移動の方向に沿った熱絶縁をもたらすように配置してなるスタックが形成されている熱電システム。
15. 前記ハウジングが、銅からなり、前記１つ以上の熱交換器素子が、銅製フィンを含む請求項１４に記載の熱電システム。
16. 前記ハウジングおよび前記１つ以上の熱交換器素子が、一体構造である請求項１４に記載の熱電システム。
17. 前記ハウジングが、第１の表面および該第１の表面におおむね平行な第２の表面を備えており、
    該第１の表面が、前記複数の熱電モジュールのうちの少なくとも第１の熱電モジュールに熱的および電気的に連絡しており、該第２の表面が、前記複数の熱電モジュールのうちの少なくとも第２の熱電モジュールに熱的および電気的に連絡している請求項１４に記載の熱電システム。
18. 前記第１の熱電モジュールが、第１のハウジングの前記第１の表面へとはんだ付けされており、前記第２の熱電モジュールが、該第１のハウジングの前記第２の表面へとはんだ付けされている請求項１７に記載の熱電システム。
19. 前記第２の熱電モジュールが、第２のハウジングの前記第１の表面へとはんだ付けされている請求項１８に記載の熱電システム。
20. それぞれの熱伝達装置が、該熱伝達装置に進入する作動流体が通過する導入口と、該熱伝達装置を出る作動流体が通過する排出口とを備える請求項１７に記載の熱電システム。
21. 前記作動流体が、前記第１の表面におおむね垂直な方向に前記導入口を通過して流れ、前記第２の表面におおむね垂直な方向に前記排出口を通過して流れる請求項２０に記載の熱電システム。
22. 複数の熱電モジュール、および
    複数の熱伝達装置
    を備える熱電システムであって、
    それぞれの熱伝達装置が、作動流体を受け取って通過させ、
    熱伝達装置のうちの少なくともいくつかが、前記複数の熱電モジュールのうちの少なくとも２つの熱電モジュールの間に挟まれて、該少なくとも２つの熱電モジュールに熱的に連絡し、交互の熱電モジュールおよび熱伝達装置を作動媒体の移動の方向に沿った熱絶縁をもたらすように配置してなるスタックが形成され、
    第１の作動流体が、第１組の熱伝達装置を通って流れることによって冷却され、第２の作動流体が、第２組の熱伝達装置を通って流れることによって加熱される熱電システム。
23. 前記第２の作動流体が、前記第１組の熱伝達装置の１つ以上の部分を通過して流れた後の前記第１の作動流体の１つ以上の部分を含む請求項２２に記載の熱電システム。
24. 前記第１の作動流体の前記１つ以上の部分が、前記第１組の熱伝達装置の複数の部分を通過して流れた後の前記第１の作動流体の複数の部分を含む請求項２３に記載の熱電システム。
25. 前記第２の作動流体が、前記第１組の熱伝達装置の少なくとも一部分を通過して流れていない前記第１の作動流体の一部分を含む請求項２２に記載の熱電システム。
26. 前記第２の作動流体が、前記第１組の熱伝達装置を通過して流れた後の前記第１の作動流体を含む請求項２２に記載の熱電システム。
27. 前記第１の作動流体が、蒸気を該蒸気の凝縮点よりも高い温度で含み、
    該第１の作動流体が、前記蒸気の少なくとも一部分が液体へと凝縮するよう、前記第１組の熱伝達装置の少なくとも一部分を通過して流れることによって前記凝縮点を下回る温度へと冷却され、前記第２の作動流体が、前記蒸気の前記少なくとも一部分を含まない前記第１の作動流体からなる請求項２６に記載の熱電システム。
28. 前記第１の作動流体が、水蒸気および空気を含み、前記第２の作動流体が、該水蒸気の少なくとも一部分が取り除かれた前記第１の作動流体からなる請求項２７に記載の熱電システム。

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