JP2016119450A - 熱電変換デバイス及びその応用システム - Google Patents

Abstract

【課題】改良された熱電変換デバイス、その応用システム、及びそれらを製造する方法を提供すること。【解決手段】熱電変換デバイス及びその応用システムが開示される。熱電変換デバイスは、第１の熱交換素子及び熱電変換素子を含む。第１の熱交換素子は、第１の熱接触部分及び第１の接続部分を含む。第１の熱接触部分は、熱源／冷熱源と接触するように構成される。第１の接続部分は第１の絶縁面を有する。熱電変換素子は、第１の電極層、第１の熱電材料及び第２の熱電材料を含む。第１の電極層は第１の絶縁面と係合する。第１の熱電材料は第１の電気特性を有し、第２の熱電材料は第２の電気特性を有する。第１の熱電材料及び第２の熱電材料は、第１の電極層を介して電気的に接続される。【選択図】図１Ｅ

Description

本開示は、包括的には、熱電変換デバイス及びその応用システムに関し、より詳細には、固体熱電変換デバイス及びその応用システムに関する。

熱エネルギーを電気に変換したり、又は、電気を受け取るとヒートポンプ効果を発生させたりする固体熱電変換技術は、産業又は輸送車両のための廃熱回収に広く利用され、３Ｃ、移動式発電機等の他の分野に徐々に応用されてきた。例えば、半導体熱電変換モジュールは、１９９２年９月２５日に出願された中国特許出願第９２１１２１１８．０号に開示されている。

典型的な熱電変換デバイスの形成は以下の通りである。複数の小さい切片に薄く切られた熱電材料（通常、Ｐ型半導体材料及びＮ型半導体材料が同時に使用される）を、直列に接続し、２つの対向する側にある２枚のセラミック基板等の２枚の絶縁基板の上に接合する。そして、一方の側に配置されたセラミック基板を、熱を吸収する伝熱媒体によって放熱／伝熱フィン等の熱交換器に接続し、他方の側に配置された他のセラミック基板を、熱を放散する伝熱媒体によって別の熱交換器に接続する。熱電材料の２つの端部の間に温度差が発生する場合に、熱電材料内部の電子が熱によって駆動され、外部回路に接続されたときに電力又はヒートポンプ効果を発生させる。

しかしながら、現時点で市場において入手可能な伝熱媒体は、熱伝導率が低く、熱電材料とセラミック基板との間及びセラミック基板と熱交換器との間に存在する境界面は、あるレベルの熱抵抗をもたらす。さらに、熱交換器の接合面において放熱グリスの被覆が不適切であったり、均一性が不十分であったりすることによって境界面間に間隙が生成される場合には、熱伝導が妨げられ、熱電変換効率が低下することになる。さらに、特に熱源の状態が劣悪な状態（poor condition）にあるが満足のいく効果を望む場合には、通常、熱交換器のコストが高くなる。したがって、熱電変換産業にとって、熱電変換技術の性能／コスト比を増大させるように、熱伝導率が高くかつシステム統合の不確実性リスクが低くなる熱電変換デバイスを提供することが差し迫った課題となっている。

中国特許出願第９２１１２１１８．０号明細書

したがって、一般に知られる技術において直面する問題を解決するために、改良された熱電変換デバイス、その応用システム、及びそれらを製造する方法を提供することが必要とされている。

一実施形態によれば、熱電変換デバイスが開示される。この熱電変換デバイスは、第１の熱交換素子及び熱電変換ユニットを備える。第１の熱交換素子は、第１の熱接触部分及び第１の接続部分を備える。第１の熱接触部分は、熱源／冷熱源と接触するように構成される。第１の接続部分は第１の絶縁面を有する。熱電変換素子は、第１の電極層、第１の熱電材料及び第２の熱電材料を備える。第１の電極層は第１の絶縁面と係合し、第１の絶縁面とコンフォーマル接触（conformal contact）している。第１の熱電材料は第１の電気特性を有する。第２の熱電材料は第２の電気特性を有する。第１の熱電材料及び第２の熱電材料は、第１の電極層を介して電気的に接続されている。

別の実施形態によれば、熱電変換システムが開示される。この熱電変換システムは、第１の熱交換素子、熱電変換ユニット、及び第１の流路構造を備える。第１の熱交換素子は、第１の熱接触部分と、第１の絶縁面を有する第１の接続部分とを備える。熱電変換素子は、第１の電極層、第１の熱電材料及び第２の熱電材料を備える。第１の電極層は、第１の絶縁面に係合し、第１の絶縁面とコンフォーマル接触している。第１の熱電材料は第１の電気特性を有する。第２の熱電材料は第２の電気特性を有する。第１の熱電材料及び第２の熱電材料は、第１の電極層を介して電気的に接続されている。第１の流路構造は、少なくとも一つの接合面を有し、接合面は、第１の熱接触部分が接合面を介して流体と接触するのを可能にする。

本開示の上記態様及び他の態様は、好ましいが限定的でない実施形態（複数の場合もある）に関する以下の詳細な説明を参照してよりよく理解されるであろう。以下の説明は添付図面を参照して行う。

本開示の一実施形態に係る熱電変換デバイスを製造する方法を示すフローチャートである。 図１の熱電変換デバイスを製造する処理の構造を示す断面図である。 図１の熱電変換デバイスを製造する処理の構造を示す断面図である。 図１の熱電変換デバイスを製造する処理の構造を示す断面図である。 図１の熱電変換デバイスを製造する処理の構造を示す断面図である。 図１の熱電変換デバイスを製造する処理の構造を示す断面図である。 本開示の別の実施形態に係る熱電変換デバイスを示す構造断面図である。 本開示の代替実施形態に係る熱電変換デバイスを示す構造断面図である。 本開示の更に別の実施形態に係る熱電変換デバイスを示す構造断面図である。 本開示の更に別の実施形態に係る熱電変換システムを示す構造断面図である。 本開示の他の実施形態に係る流路構造の変形例を示す構造上面図である。 本開示の他の実施形態に係る流路構造の変形例を示す構造上面図である。 本開示の他の実施形態に係る流路構造の変形例を示す構造上面図である。 本開示の他の実施形態に係る流路構造の変形例を示す構造上面図である。 本開示の幾つかの他の実施形態に係る流路構造の変形例を示す構造上面図である。 本開示の別の実施形態に係る熱電変換システムを示す構造断面図である。 本開示の一実施形態に係る熱電変換システムの分解構造を示す斜視図である。 本開示の一実施形態に係る熱電変換システムの組立構造を示す斜視図である。 本開示の代替実施形態に係る熱電変換システムの構造断面図である。

以下の詳細な説明では、説明の目的で、開示する実施形態の完全な理解の提供のために、多数の具体的な詳細を示す。しかしながら、これらの具体的な詳細なしに１つ又は複数の実施形態を実施することができることが明らかとなろう。以上の他、図面を簡略化するために、周知の構造及びデバイスは概略的に示す。

本明細書は、低い熱伝導効率、高い構造コスト、及びシステムアセンブリの品質の制御等の、一般に知られる技術において直面する問題を解決するための熱電変換デバイス、その応用システム、及びそれらの製造方法に関する複数の実施形態を開示する。本開示の上記目的、特徴、及び利点の理解を容易にするために、以下、詳細な説明とともに、添付図面を伴った複数の例示的な実施形態について開示する。

これらの実施形態及び方法は、本開示を限定するためのものではないことを留意するべきである。本開示を、他の技術的特徴、要素、方法、及びパラメータを用いることによって実施することもできる。複数の例示的な実施形態は、本開示の請求項を限定するためではなく、本開示の技術的特徴を説明するために開示されている。本開示の技術分野における当業者はいずれも、実際の実施における必要に従って、構造に対して必要な修正又は変更を行うことができる。異なる図面及び実施形態において、同じ要素は同じ符号で表されている。

図１は、本開示の一実施形態に係る熱電変換デバイス１０を製造する方法を示すフローチャートである。図１Ａ〜図１Ｅは、図１の熱電変換デバイス１０を製造する処理の構造を示す断面図である。熱電変換デバイス１０を製造する方法は以下のステップを含む。まず、当該方法はステップＳ１１０で開始し、絶縁面１１ａを有する第１の熱交換素子１１を準備する。第１の熱交換素子１１は、熱伝導効果の優れた基板１０１を備えている。基板１０１は、熱源／冷熱源と接触するように構成された熱接触部分と、絶縁面を有する接続部分とを備えている。本開示の一実施形態では、基板１０１を、絶縁材料から形成された単層構造、又は、絶縁材料及び／又は他の異なる材料から形成された多層構造によって実現することができる。例えば、基板１０１を、誘電体材料、金属半導体、又はそれらの組合せから構成された複合基板によって実現することができる。

本実施形態では、基板１０１を、誘電体層１０３を含む金属基板１０２によって実現することができる。誘電体層１０３は、金属基板１０２の表面１０２ａを覆う。誘電体層１０３によって覆われる金属基板１０２の部分は、基板１０１の接続部分としての役割を果たすことができる。接続部分に対応する金属基板１０２の反対側は、基板１０１の熱接触部分としての役割を果たすことができる。金属基板１０２を、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ステンレス鋼、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、若しくは他の金属、又はそれらの組合せから形成することができる。好ましくは、金属基板１０２はアルミニウム基板とすることができる。アルミニウム基板の厚さは、概ね１ｍｍ〜５ｍｍの間の範囲であり、好ましくは２ｍｍに等しい。

第１の熱交換素子１１を準備するプロセスは以下のようなステップを含む。すなわち、金属基板１０２の表面１０２ａに対してサンドブラスト処理等の粗化処理１０４を行って、（図１Ａに示すように）金属基板１０２の表面１０２ａに複数の凹部１０２ｂを形成し、金属基板１０２の表面１０２ａの粗さを概ね１０μｍ〜１００μｍとする。そして、誘電体層１０３の表面１０３ａ（以下、接触面１０３ａと呼ぶ）が更に金属基板１０２の表面１０２ａに係合し、かつ、表面１０２ａとコンフォーマル接触するようにして、誘電体層１０３を金属基板１０２の表面１０２ａに形成する。言い換えれば、誘電体層１０３は、金属基板１０２の表面１０２ａを水平に（表面的に）覆うだけでなく、金属基板１０２に形成された凹部１０２ｂ内にその側壁及び底部を覆うために垂直にも延在し、それにより、（図１Ｂに示すように）接触面１０３ａと反対側の誘電体層１０３の表面は、絶縁面１１ａとしての役割を果たす。

本開示の幾つかの実施形態では、堆積プロセスを用いることにより、金属基板１０２の表面１０２ａに誘電体層１０３を形成することができる。誘電体層１０３は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒素酸化ケイ素（nitrogen silicon oxide）、窒化アルミニウム、アルミナ、又はそれらの組合せから形成することができる。本開示の他の幾つかの実施形態では、金属窒化プロセス又は金属酸化プロセスを用いることにより、金属基板１０２の粗面１０２ａの上に形成された窒化金属層又は酸化金属層によって、誘電体層１０３を実現することができる。誘電体層１０３の厚さは、概ね０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの間の範囲であり、好ましくは０．０３ｍｍに等しい。

本実施形態では、誘電体層１０３は、金属窒化プロセス又は金属酸化プロセスを用いることにより金属基板１０２の粗面１０２ａ上に形成された窒化アルミニウム層又はアルミナ層である。誘電体層１０３の形成は、上記例示に限定されず、金属基板１０２とコンフォーマル接触して誘電体層を形成するのに適した任意の方法を使用して、誘電体層１０３を形成することができることを留意するべきである。

次に、上記方法はステップＳ１２０に進み、第１の熱交換素子１１の絶縁面１１ａの上にかつ絶縁面１１ａとコンフォーマル接触して、熱電変換素子１２を形成する。本開示の幾つかの実施形態では、熱電変換素子１２の形成は以下のステップを含む。すなわち、まず、絶縁面１１ａの上にかつ絶縁面１１ａとコンフォーマル接触して、パターニングされた電極層１０５を形成する。本開示の幾つかの実施形態では、堆積プロセス及びエッチングプロセスを用いることにより絶縁面１１ａに形成された、パターニングされた金属層によって、パターニングされた電極層１０５を実現することができる。本開示の他の幾つかの実施形態では、パターニングされた電極層１０５の形成は上記例示に限定されない。パターニングされた電極層１０５を、スタンピングプロセス、電気めっきプロセス、又は他の任意の適切な方法を用いることによって、絶縁面１１ａに形成することもできる。

本実施形態では、誘電体層１０３は凹部１０２ｂを完全には満たさないため、金属基板１０２の凹部１０２ｂに概ね重なるようにして絶縁面１１ａの上に形成された複数の凹部１１ｂが、依然として存在している。したがって、パターニングされた電極層１０５を、絶縁面１１ａの表面形状（surface topography）に従って、絶縁面１１ａの上で続けて成長させることができる。言い換えれば、パターニングされた電極層１０５は、絶縁面１１ａを水平に（表面上を）覆うだけでなく、（図１Ｃに示すように）凹部１１ｂ内にその側壁及び底部を覆うように垂直に延在することもできる。結果として、熱電変換素子１２を第１の熱交換素子１１とより堅固に係合させることができる。

そして、複数の熱電変換ユニット１０６を、パターニングされた電極層１０５の上に形成する。各熱電変換ユニット１０６は、少なくとも、パターニングされた電極層１０５とそれぞれ電気的に接触している、第１の電気的特性を有する熱電材料１０６ａと第２の電気的特性を有する熱電材料１０６ｂとを備えている。熱電変換ユニット１０６は、パターニングされた電極層１０５を介して相互に導通している。電気特性が同じである２つの熱電材料は相互に絶縁されていることを留意するべきである。

本開示の幾つかの実施形態では、第１の熱電材料１０６ａ及び第２の熱電材料１０６ｂは、Ｐ型電気特性を有する半導体材料とＮ型電気特性を有する半導体材料とからそれぞれ形成されており、これら２つの型の半導体材料は小さいブロックに分割される。本実施形態では、第１の熱電材料１０６ａ及び第２の熱電材料１０６ｂは、はんだ付けによって、パターニングされた電極層１０５に接続される。パターニングされた電極層１０５を第１の熱電材料１０６ａ及び第２の熱電材料１０６ｂに接続するはんだ１０９もまた、パターニングされた電極層１０５の表面形状に従って電極層１０５の上にコーティングすることができるため、（図１Ｄに示すように）パターニングされた電極層１０５と第１の熱電材料１０６ａ及び第２の熱電材料１０６ｂとの間に形成された接合強度を強化することができる。

そして、複数の熱電変換ユニット１０６の第１の熱電材料１０６ａ及び第２の熱電材料１０６ｂをワイヤ（図示せず）によって直列に接続して、複数のＰ型半導体ブロック及びＮ型半導体ブロックによって構成された熱電変換素子１２を形成する。熱電変換素子１２の各半導体ブロックの２つの端部の間に存在する温度差が、高温側から低温側への熱の流れを引き起こすことがある。一方で、熱電変換素子が外部ワイヤに接続された場合、Ｎ型半導体ブロックの電子キャリア及びＰ型半導体ブロックの正孔キャリアは、直流を発生させるように、熱流によって駆動される。

本開示の幾つかの実施形態では、熱電変換デバイス１０は第２の熱交換素子１３を更に備えている。第２の熱交換素子１３の構造は、第１の熱交換素子１１の構造と概ね同一である。第２の熱交換素子１３もまた、熱電変換素子１２とコンフォーマル接触している絶縁面１３ａを有している。本実施形態では、複数の熱電変換ユニット１０６の第１の熱電材料１０６ａ及び第２の熱電材料１０６ｂを直列に接続するワイヤを、第２の熱交換素子１３の絶縁面１３ａ上のパターニングされた導電性層１０７によって同様に置き換えて、図１Ｅに示すように熱電変換デバイス１０を形成することができる。

熱電変換素子１２を、第１の熱交換素子１１及び第２の熱交換素子１３の粗い絶縁面１１ａ及び１３ａの上にコンフォーマルに形成することができるため、第１の熱交換素子１１と熱電変換素子１２との間の熱伝導性境界面を、熱電変換素子１２と第２の熱交換素子１３との間の熱伝導性境界面と同様、より緊密に係合させることができる。第１の熱交換素子１１と熱電変化素子１２との間の熱流束を、熱電変換素子１２と第２の熱交換素子１３との間の熱流束と同様、有効に増大させることができ、それらの間に、より優れた応力耐性を生成することができる。

図２を参照すると、図２は、本開示の別の実施形態に係る熱電変換デバイス２０を示す構造断面図である。熱電変換デバイス２０の第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３がセラミック基板２０１から形成され、接続部分の誘電体層が除かれていること以外は、熱電変換デバイス２０の構造は、図１Ｅに示す熱電変換デバイス１０の構造と概ね同一である。本実施形態では、第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３のセラミック基板２０１の上で粗化処理（サンドブラスト処理等）を行った後、第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３のセラミック基板２０１の粗化された表面は、第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３の接続部分の絶縁面２１ａ及び２３ａとしての役割を果たすことができ、それにより、第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３のセラミック基板２０１を熱電変換素子１２に直接係合させ、熱電変換素子１２とコンフォーマル接触させることができる。セラミック基板２０１の厚さは、概ね０．１ｍｍ〜２ｍｍの間の範囲であり、好ましくは０．５ｍｍに等しい。第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３の接続部分に対応する第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３のセラミック基板２０１の反対側は、それぞれ、第１の熱交換素子２１及び第２の熱交換素子２３の熱接触部分である。

本開示の幾つかの実施形態では、好ましくは、第１の熱交換素子３１及び第２の熱交換素子３３は、熱源を受けるための高温端における熱交換構造及び冷熱源を受けるための低温端における熱交換構造としてそれぞれ使用される少なくとも１つの突起部分３１ａ及び３３ａを有している。図３を参照すると、図３は、本開示の代替実施形態に係る熱電変換デバイス３０を示す構造断面図である。熱電変換デバイス３０の構造は、第１の熱交換素子３１及び第２の熱交換素子３３の放熱／吸熱表面積を増大させるために、熱電変換デバイス３０の第１の熱交換素子３１及び第２の熱交換素子３３の両方が、セラミック基板３０１の熱接触部分において突出した、フィン、指状突起、又は、多孔質表面領域を有するブロック（突起部分３１ａ及び３３ａ）を有していることを除き、図２に示す熱電変換デバイス２０の構造と概ね同一である。

図４を参照すると、図４は、本開示の別の代替実施形態に係る熱電変換デバイス４０を示す構造断面図である。熱電変換デバイス４０の構造は、第１の熱交換素子４１及び第２の熱交換素子４３の放熱／吸熱表面積を増大させるために、熱電変換デバイス４０の第１の熱交換素子４１及び第２の熱交換素子４３の両方が、図１Ｅに示す基板１０１の熱接触部分において突出した、フィン、指状突起、又は、多孔質表面領域を有するブロック（突起部分４１ａ及び４３ａ）を有していることを除き、図１Ｅに示す熱電変換デバイス１０の構造と概ね同一である。フィン、指状突起、又は多孔質表面領域を有するブロックは、図１Ｅに示す金属基板１０２の粗面１０２ａの反対側において突出している。これらのフィン、指状突起、又は多孔質表面領域を有するブロックの表面は、平滑面（すなわち、任意の誘電体層１０３が形成される）とすることもできるし、窒化ケイ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒素酸化ケイ素、窒化チタン、窒化クロム、窒化アルミニウム、アルミナ、又はそれらの組合せを含む腐食防止層を堆積、酸化、又は窒化プロセスによって形成し、金属腐食性物質を含む環境に耐えるために利用可能とすることもできる。

熱電変換デバイスを、流路接続板１４及び１５等の流路構造と統合して、熱電変換システムを形成することができ、そこでは、流路構造が、熱供給流体（高温流体）及び放熱流体（低温流体）が流れる空間を提供する。図５を参照すると、図５は、本開示の一実施形態に係る熱電変換システム４を示す構造断面図である。本実施形態では、熱電変換デバイス２０を２つの流路接続板１４及び１５と一体化して、熱電変換システム４を形成することができる。流路接続板１４及び１５を、それぞれ接合面１４ａ及び１５ａを有する２つの仕切り構造によって実現することができる。気密性及び耐圧性の要件が満足されると、はんだ付け又は他の方法によって、放熱流体１９又は熱供給流体１６の容器又はパイプ１７の側壁に流路接続板１４及び１５を配置して、放熱流体１９及び熱供給流体１６から熱電変換デバイス２０を分離することができる。流路接続板１４の一方の側は、熱電変換デバイス２０の第１の熱交換素子２１と接触し、流路接続板１４の他方の側は、熱供給流体１６と接触する。流路接続板１５の一方の側は、熱電変換デバイス２０の第２の熱交換素子２３と接触し、流路接続板１５の他方の側は、放熱流体１９と直接接触する。

本開示の幾つかの実施形態では、流路接続板１４と熱電変換デバイス２０の第１の熱交換素子２１との間の接触境界面、及び流路接続板１５と熱電変換デバイス２０の第２の熱交換素子２３との間の接触境界面の周辺領域は、接触境界面の周辺領域から低温流体及び高温流体が漏れて熱電変換ユニット１０６の第１の熱電材料１０６ａ及び第２の熱電材料１０６ｂに浸透することがないように、耐熱封止材１８の層によって通常コーティングされている。本開示の幾つかの実施形態では、耐熱封止材１８は、熱電変換デバイス１０の各熱電変換ユニット１０６を完全に包むことができる。耐熱封止材１８の厚さは、概ね１ｍｍ〜５ｍｍの間の範囲であり、好ましくは２ｍｍに等しい。

図６Ａ〜図６Ｅを参照すると、図６Ａ〜図６Ｅは、本開示の他の幾つかの実施形態に係る流路構造の変形例を示す構造上面図である。図６Ａ〜図６Ｅに示す流路構造５４及び図５に示す流路接続板１４又は１５の両方は仕切り構造である。２つのタイプの仕切り構造の相違は以下の点にある。すなわち、各流路構造５４は、図３に示す熱電変換デバイス３０の突起部分３１ａ及び３３ａ又は図４に示す熱電変換デバイス４０の突起部分４１ａ及び４３ａが通り抜けることができる複数の開口部５４ａを有し、それにより、熱電変換デバイス３０の突起部分３１ａ及び３３ａ又は熱電変換デバイス４０の突起部分４１ａ及び４３ａを、放熱流体１９又は熱供給流体１６を搬送する容器又はパイプ１７内に直接埋め込んで、図７に示すような熱電変換システム６を形成することができ、それにより、熱電変換デバイス３０の突起部分３１ａ及び３３ａ又は熱電変換デバイス４０の突起部分４１ａ及び４３ａは、それぞれ放熱流体１９及び熱供給流体１６と直接接触することができる。

流路構造５４の開口部５４ａは、熱電変換デバイス３０（又は４０）の突起部分３１ａ及び３３ａ（又は４１ａ及び４３ａ）の形状及びサイズに基づいて、幾つかの変形例を有することができる。本開示の幾つかの実施形態では、放熱流体１９及び熱供給流体１６が、流路構造５４の開口部５４ａと熱電変換デバイス３０の突起部分３１ａ及び３３ａとの間の境界面から漏れないように、流路構造５４の開口部５４ａの側壁と熱電変換デバイス３０の突起部分３１ａ及び３３ａとの間に、通常、（図７に示すような）耐熱封止材１８の層が挿入される。図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、図８Ａ及び図８Ｂは、本開示の更に別の実施形態に係る熱電変換システム７の分解構造及び組立構造をそれぞれ示す斜視図である。熱電変換システム７の構造は、熱電変換システム７の流路構造７４が、放熱流体１９又は熱供給流体１６を搬送するパイプ２７と相互接続され、流路構造７４の２つの側部が、パイプ２７と相互接続されかつ放熱流体１９又は熱供給流体１６が通過するのを可能にする接合面７４ａをそれぞれ有していることを除き、熱電変換システム６の構造と概ね同一である。さらに、１つの流路構造７４は複数の熱電変換デバイス３０に連結することができる。各熱電変換デバイス３０は独立的に流路構造７４と緊密に係合するため、熱電変換デバイス３０のうちの１つが流路構造７４と緊密に係合していない場合であっても、それは、他の熱電変換デバイス３０と流路構造７４との間の係合に影響を与えない。

熱電変換デバイス３０が埋め込まれた後、熱電変換デバイス３０は、はんだ付け、綿絶縁材の挿入、又は封止材（図示せず）のコーティングにより、２つの流路７４の間の空間に包まれることができ、それにより、熱電変換デバイス３０が外部空気によって酸化されたり、又は、水滴の凝縮によって侵潤されたりすることがないように、熱電変換デバイス３０の周辺部分及び露出部分を隔離することができる。

さらに、熱電変換デバイス及び流路を、封止材によって孔を封止する必要なしに、接合面の構成設計を通して組み込むことができる。図９を参照すると、図９は、本開示の代替実施形態に係る熱電変換システム９を示す構造断面図である。本実施形態では、図６Ｃに示すような流路構造５４の開口部５４ａに対して圧力を加えることによって開口部５４ａを封止することによって、開口部５４ａを封止材で封止するステップを省略して、熱電変換デバイス９０の第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３を流路構造５４の開口部５４ａ内に直接埋め込むことができる。

本実施形態では、熱電変換デバイス９０の構造は、熱電変換デバイス９０の第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３が、前方端に向かって徐々に幅が狭くなる円錐状体（conic cone）として成形されていることを除き、図１Ｅに示すような熱電変換デバイス１０の構造と概ね同じである。流路構造５４の開口部５４ａもまた、第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３の形状と一緒になって、一方の入口から他方の入口に向かって徐々に広がっている形状を有していることを留意するべきである。第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３の寸法は開口部５４ａの寸法よりわずかに大きい。第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３が開口部５４ａと係合するようにしっかり押圧されると、第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３を流路構造５４と緊密に一体化することができる。特に、第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３が、流路構造５４の材料より軟質な材料から形成されている場合、第１の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３を流路構造５４とより緊密に一体化させることができる。例えば、第２の熱交換素子９１及び第２の熱交換素子９３はアルミニウムから形成され、流路構造５４はステンレス鋼から形成される。

上記開示に基づいて、本開示の実施形態は、熱電変換デバイス及びその応用システム並びにそれらの製造方法を開示している。熱電変換ユニットの熱電材料が熱交換素子の放熱フィンの絶縁面とコンフォーマルに接触するのを可能にすることにより、熱電変換ユニット及び熱交換素子が直接的に一体化して１つの部品になり、熱電変換ユニットと熱交換素子との間の熱伝導性境界面を減少させることができる。したがって、熱抵抗が大幅に低下し、熱電変換効率が向上する。

熱電変換ユニット及び熱交換素子は、更に流路構造を組み込んで熱電変換システムを形成することができ、その熱電変換システムでは、熱交換素子を流路構造と緊密に係合させることができ、熱交換素子は流路構造を通り抜けて低温流体又は高温流体と直接接触して、より優れた熱伝導効果を達成し、さらに熱電変換システムの構造を簡略化し、構成コストを低減させる。一方で、個々の熱電変換デバイスは独立的に流路構造と係合しており、個々の熱電変換デバイスが流路構造と緊密に係合し、低温流体及び高温流体が漏れない限り、他の熱電変換デバイスと流路構造との間の係合に影響を与えない。したがって、従来の熱電変換システムにおける、熱交換器と複数の熱電モジュールとの間の接合面の均一性要件を満足させることができる。

一実施形態では、熱電変換デバイスと流路構造との間に封止材が挿入されている。封止材は、硬化する前は軟質材料であり、流路構造と熱電変換デバイスとの間の接合面が均一であるか否かに関らず、熱電変換デバイスと流路構造との間に完全に挿入されて、それらの間の細孔を封止することができる。一般的に知られた熱電変換システムと比較すると、本開示の熱電変換デバイス及びシステムには、構造が簡易であり組立が容易であるという技術的利点がある。一方で、本開示の熱電変換デバイス及びシステムは、熱抵抗を低下させたり、構成コストを低減させたり、熱電変換システムの組立の際の効率に影響を与える熱交換器と熱電モジュールとの間の不均一性を回避したりすることができる。したがって、熱電変換技術の性能／コスト比が大幅に増大する。

当業者には、開示した実施形態に対してさまざまな変更及び変形を行うことができることが明らかであろう。実施形態及び例は、単に例示的なものとしてみなされ、本開示の真の範囲は以下の請求項及びそれらの均等物によって示されることが意図されている。

Claims (16)

1. 第１の熱交換素子であって、
   熱源及び冷熱源のうちの一方と接触するように構成された第１の熱接触部分と、
   第１の絶縁面を有する第１の接続部分と、を含む第１の熱交換素子と、
   熱電変換素子であって、
   前記第１の絶縁面と係合した第１の電極層と、
   第１の電気特性を有する第１の熱電材料と、
   第２の電気特性を有する第２の熱電材料と、を含み、前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料が前記第１の電極層を介して電気的に接続されている、熱電変換素子と、
   を含む熱電変換デバイス。
2. 前記第１の熱接触部分は、金属基板の第１の部分を含み、
   前記第１の接続部分は、
   前記金属基板の第２の部分であって、粗面を有する第２の部分と、
   前記第２の部分の上に配置され、前記第１の絶縁面及び接触面を有する誘電体層であって、前記接触面が、前記第１の絶縁面の反対側に配置され、前記粗面と係合している、誘電体層と、を含む、
   請求項１に記載の熱電変換デバイス。
3. 前記金属基板はアルミニウムを含み、前記誘電体層はアルミナ又は窒化アルミニウムを含む、
   請求項２に記載の熱電変換デバイス。
4. 前記第１の熱接触部分は、セラミック基板の第１の部分を含み、前記第１の接続部分は、前記セラミック基板の第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記絶縁面としての役割を果たす粗面を有する、
   請求項１に記載の熱電変換デバイス。
5. 第２の熱交換素子を更に含み、
   前記第２の熱交換素子は、
   前記熱電変換素子の第２の電極層と接触するように構成された第２の絶縁面を有する第２の接続部分であって、前記第２の電極層が、前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料のうちの一方と電気的に接続されている、第２の接続部分と、
   前記熱源及び前記冷熱源のうちの他方と接触するように構成された第２の熱接触部分と、を含む、
   請求項１に記載の熱電変換デバイス。
6. 前記第１の熱接触部分は突起部分を有する、
   請求項１に記載の熱電変換デバイス。
7. 前記突起部分は、フィン、指状突起、又は高比表面積の多孔質ブロックを含む、
   請求項６に記載の熱電変換デバイス。
8. 第１の熱交換素子であって、
   熱源及び冷熱源のうちの一方と接触するように構成された第１の熱接触部分と、
   第１の絶縁面を有する第１の接続部分と、を含む第１の熱交換素子と、
   熱電変換素子であって、
   前記第１の絶縁面と係合した第１の電極層と、
   第１の電気特性を有する第１の熱電材料と、
   第２の電気特性を有する第２の熱電材料と、を含み、前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料が前記第１の電極層を介して電気的に接続されている、熱電変換素子と、
   を含む少なくとも１つの熱電変換デバイスと、
   少なくとも接合面を有し、前記接合面が、前記第１の熱接触部分が前記接合面を介して流体と接触するのを可能にする、第１の流路構造と、
   を含む熱電変換システム。
9. 前記第１の熱接触部分は、金属基板の第１の部分を含み、
   前記第１の接続部分は、
   前記金属基板の第２の部分であって、粗面を有する第２の部分と、
   前記第２の部分の上に配置され、前記第１の絶縁面及び接触面を有する誘電体層であって、前記接触面が、前記第１の絶縁面の反対側に配置され、前記粗面と係合している、誘電体層と、を含む、
   請求項８に記載の熱電変換システム。
10. 前記金属基板はアルミニウムを含み、前記誘電体層はアルミナ又は窒化アルミニウムを含む、
    請求項９に記載の熱電変換システム。
11. 前記第１の熱接触部分は、セラミック基板の第１の部分を含み、前記第１の接続部分は、前記セラミック基板の第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記絶縁面としての役割を果たす粗面を有する、
    請求項８に記載の熱電変換システム。
12. 第２の熱交換素子を更に備え、
    前記第２の熱交換素子は、
    前記熱電変換素子の第２の電極層と接触するように構成された第２の絶縁面を有する第２の接続部分であって、前記第２の電極層が、前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料のうちの一方と電気的に接続されている、第２の接続部分と、
    前記熱源及び前記冷熱源のうちの他方と接触するように構成された第２の熱接触部分と、を含む、
    請求項８に記載の熱電変換システム。
13. 前記第１の熱接触部分は突起部分を有する、
    請求項８に記載の熱電変換システム。
14. 前記突起部分は、フィン、指状突起、又は高比表面積の多孔質ブロックを含む、
    請求項１３に記載の熱電変換システム。
15. 前記熱電変換素子と接触している第２の熱交換素子と、
    一端が前記第２の熱交換素子に隣接し、他端が別の流体と接触する第２の流路構造と、を更に含む、
    請求項８に記載の熱電変換システム。
16. 前記接合面は少なくとも１つの開口部を有し、前記開口部は、前記第１の熱接触部分が前記開口部を通り抜けて前記流体と接触するのを可能にする、
    請求項８に記載の熱電変換システム。

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