JP2000511351A - ギャップの無い矩形格子を備えた熱電モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 間隙のない矩形格子の中に取り付けた熱電素子を含む熱電モジュール（４５）。間隙のない壁を有する矩形格子は射出成形のような技術を使って形成される。この間隙のない矩形格子は、多数のｐ型およびｎ型熱電素子に対して絶縁空間を提供する。空間の壁に間隙をなくすことにより、実質的には電気接続が金属噴射技術によって作られていても、壁内で素子間の短絡が起きる可能性がなくなる。間隙のない矩形格子の製造は、成形および鋳込のようないくつかの利用可能な技術を使って自動化し、熱電矩形格子の製造にかかる賃金を従来の矩形格子製造技術に比較して大幅に減ずることができる。熱電素子（４５）は、ｐ型、ｎ型の両方を製造し、予め決められた方法で、隙間のない矩形格子の中の絶縁空間に挿入し、予め決められたタイプの適用方法に対し、希望の熱電効果を提供する。電気接続はモジュールの高温および低温側の両方で行い、熱電素子を希望により直列あるいは並列に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】 ギャップの無い矩形格子を備えた熱電モジュール 技術分野 本発明は、熱電デバイスかつとくにモジュール式熱電デバイスに関するもので ある。 従来技術 熱電デバイスは良く知られている。これらのデバイスは１８２１年に発見され たゼーベック効果および１８３４年に発見されたペルチェ効果として知られる物 理的原理を利用している。ゼーベック原理は、異なる材料（銅および鉄のごとき ）からなる２本のワイヤが２つの接合部を形成してそれらの端部で接合され、か つ一方の接合部が他方の接合部より高い温度に保持されるならば、電位差が２つ の接合部の間に生起することを我々に教えている。ペルチェ効果は逆の作用を説 明している。電流が異なった材料から作られる回路を通って送られるならば、熱 が一方の接合部において吸収されかつ他方の接合部において放出されるかまたは 導き出される。 電気を発生するためにまたは冷却のために現在使用中の現行の多くの熱電デバ イスは電気の良好な導体であるが熱の不十分な導体である半導体材料（テルル化 ビスマスのごとき）を利用している。これらの半導体は電子の過剰（ｎ型）また は電子の不足（ｐ型）を創出するために代表的には大いにドーピングされている 。ｎ型の半導体は冷たい側に負の電荷を発生させかつｐ型の半導体は冷たい側に 正の電荷を発生させる。 半導体熱電デバイスの各素子は数ミリボルトのみを発生するので電気の発生の ためにより高い電圧を発生するかまたは冷却のためにより高い電圧の使用を許容 するように素子を直列に配置するのが一般に有用である。熱電デバイスにおいて 半導体素子を直列に配置するための幾つかの技術が開発されている。かかる従来 の１つの方法は第２０図に示される。このデバイスにおいてｐおよびｎ型の半導 体が市松模様パターンに配置されかつ電気ジャンパー線が、すべての半導体素子 を互いに直列に並べるように冷たい側および熱い側において、各々２つの異なっ た半導体に半田付けされる。この方法は低コスト方法でかつ良好に確立されるが 幾つかの制限を有している。高い湿度において大気の水分は素子間の空間におい て凝固しかつモジュールを熱的にショートさせるかも知れない。その構造は機械 的に強固でなくかつ容易に壊れる。 他の現在使用されている方法は第２１図に示される所謂、矩形格子設計である 。ここで、絶縁体材料から作られる「矩形格子」は熱電素子を分離はかつ半田付 けなしに良好な電気的接続を設けるために電気ジャンパー線が素子に対して押し 付けられる。また、電気的接続を設けるためにこれらの矩形格子の各側に導体材 料を噴霧することも知られている。従来技術の設計において、矩形格子は精密レ ーザカッターを使用して一連のスロットを有している形状に切断される個々の帯 片から製造されている。帯片は次いでレーザで機械加工されたスロットを組み合 わせることにより矩形格子に組み立てられる。すべての素子は矩形格子の適切な 構成によって直列に接続され得る。明らかなように両方のデバイス中に直列であ るように所望の数の素子を配置することができる。したがって、直列の幾つかの 素子は直列のセットを形成することが可能でかつこのセットは他の同様なセット と並列に配置されることもできる。従来の矩形格子の主要な欠点は第２１図に示 されている。第２１図において明らかであるように、交差する帯片によって形成 された接合部でのギャップはとくに電気ジャンパー線が金属噴霧のごとき技術を 使用して塗布されるならば隣接するセル間に電気的短絡を発生させるかも知れな い。かかる短絡は明らかに実質上性能を低下させ、モジュールのパワー出力を減 少する。 また、従来技術の矩形格子モジュールは、主として、矩形格子を組み立てかつ 素子を格子に取り付けるための労力コストが高いという事実により高価である。 必要とされるものはギャップの無い、より低コストの熱電矩形格子モジュールで ある。 発明の概要 本発明は熱電モジュールを提供する。該熱電モジュールはギャップの無い矩形 格子に取り付けられる熱電素子をを含んでいる。ギャップなしの壁を有する矩形 格子は射出成形のごとき技術を使用して形成される。このギャップの無い矩形格 子は多数のｐ型およびｎ型熱電素子用の絶縁された空間を設けている。空間の壁 内のギャップの不存在は事実上電気的接続が金属噴霧技術によって作られるとき でも素子間の壁間短絡の可能性を除去する。ギャップの無い矩形格子の製造は、 矩形格子を製造する従来の技術に比して熱電矩形格子を製造する労力コストを大 きく減少するために成形および鋳造のごとき幾つかの利用可能な技術を使用して 自動化され得る。熱電素子、ｐ型およびｎ型の両方が製造されかつ予め定めた型 の用途に関して所望の熱電効果を設けるために予め定めた方法においてギャップ の無い矩形格子において絶縁された空間に挿入される。電気的接続は熱電素子を 所望のごとく直列または並列に接続するためにモジュールの熱いおよび冷たい側 両方に確立される。通常、ほとんどまたはすべての素子は直列に接続される。 本発明の好適な実施例において、ギャップの無い矩形格子は高温プラスチック から形成される。この実施例においてｐ型熱電材料が押出し成形されかつ次いで ｐ型熱電素子を形成するためにスライスされかつ市松模様にされ、そしてｎ型熱 電材料が押出し成形されかつｎ型熱電素子を形成するために市松模様にされる。 ｎおよびｐ型素子はまた鋳造材料または高温圧縮した材料からスライスされかつ 市松模様にされ得る。熱電素子は金属噴霧が熱いおよび冷たい側に塗布されると き熱電素子をすべて直列に並べるような配置において矩形格子内で負荷される。 ２本の電気リード線が利用されかつ熱いおよび冷たい両側の電気的接続が金属熱 噴霧技術を使用して設けられる。モリブデンの薄い層が表面の一方に噴霧されか つ次いでアルミニウムのコーティングがモリブデンの上に噴霧される。次いで表 面は素子間の接続が所望される以外の絶縁矩形格子壁を露出するように研磨され る。この好適な実施例において密封が次いで熱いおよび冷たい両表面上に適用さ れる。この密封はデュポン社のカプトン・フィルムのごとき非常に薄い電気絶縁 層から構成されかつこの電気絶縁層の上にアルミニウムからなる層が設けられる 。 本発明の好適な実施例において、８個のモジュールが約華氏３００°の温度差 で熱いおよび冷たい流体から１２ボルトで約６２ワットの電力を発生することが できる電気発生器を作るように配置される。熱電モジュールはベルビルばねによ って設けられるばね力により熱い側熱源および冷たい側熱シンクと密接して保持 される。 図面の簡単な説明 第１Ａ図および第１Ｂ図は本発明による矩形格子の２つの図をを示す。 第２図ないし第９図および第１１図は上記矩形格子の断面図である。 第１０図は端面図である。 第１２図および第１４図は好適な素子配置を示す図である。 第１３図は矩形格子、素子および金属コーティングの１部分を示しているモジ ュールの断面の１部分の拡大図である。 第１５Ａ図および第１５Ｂ図および第１６Ａ図および第１６Ｂ図は矩形格子を 作るための鋳型を示す図である。 第１７図は我々の射出成形方法を示す図である。 第１８図は嵌合された鋳型を示す図である。 第１９図は我々の金属化方法を示す図である。 第２０図は従来の熱電デバイスを示す図である。 第２１図は従来の矩形格子デバイスの詳細を示す図である。 第２２図は第２４図に示される熱電発生器の詳細図である。 第２３図は第２２図の断面図である。 第２４図は好適な実施例の熱電発生器の外観図である。 第２５図は第２２図に示した熱電発生器が坑口装置乾燥プラントに適合する場 合を示す図である。 第２６図は幾つかの熱いグリコール温度に関してグリコール流量の関数として のパワー出力の曲線を示す図である。 第２７図は絶縁および導電層からなる密封によって被覆された熱電モジュール を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 本発明の好適な実施例は以下に記載されるごとく製造され得る。 矩形格子の製造 射出成形した矩形格子 この好適な実施例の矩形格子は第１５Ａ図および第１５Ｂ図および第１６Ａ図 および第１６Ｂ図に示される鋳型パターンを使用して射出成形される。第１５Ａ 図および第１５Ｂ図は鋳型パターンの底部２０を示しかつ第１６Ａ図および第１ ６Ｂ図はパターンの頂部２２を示している。頂部および底部は第１８図にそれら の成形位置において示される。液晶ポリマー樹脂、デュポン・ゼナイトのごとき 高温プラスチックが第１７図に描かれたような射出成形機２６内に良く知られた プラスチック成形技術を使用して湯口２４を通って注入される。デュポン・ゼナ イトによれば、乾燥機は２７５Ｆで維持されかつバレル温度範囲は後方で６２５ Ｆからノズル近傍で６４０Ｆに維持される。底部鋳型および頂部鋳型双方は約２ ００Ｆの温度に維持される。ゼナイトは５５０°Ｆで溶融する。通常の方法にお いて流体プラスチックは湯口２４、ランナ２８、およびゲート３０を通って金型 キャビティに移動する。通気は第１８図に符号３４で示される。仕上がった部品 は第１７図に示されるように射出ピンによって押し出される。出願人の供給者に よってなされた初期の製造運転は約５０矩形格子／時間の割合で優れた矩形格子 を製造した。この割合は１作業者に関して２００矩形格子／時間まで容易に増加 されることができかつ最終的に本方法は完全に自動化され得る。これは絶縁材料 からなる適宜にスロットが付けられた層から熱電モジュール矩形格子を組み立て る従来の方法による約３矩形格子／時間の１作業者の製造量に匹敵する。 完成した射出成形した矩形格子が第１Ａ図に示される。この実施例は１００個 の熱電素子用の箱（空間）を含んでいる。好適な実施例において隅部空間のうち の２つが電気リード線用のより起用力なベースを作るために除去される。素子の 寸法は５．１ｍｍ×５．１ｍｍ×３．０ｍｍである。矩形格子の底部での空間の 寸法は５．１ｍｍ×５．１ｍｍである。矩形格子の頂面図が第１図に示されてい る。第２図ないし第９図は矩形格子の種々の断面を示している。第１０図は側面 図そして第１１図は矩形格子によって作られる箱の１つの拡大図を示す断面図で ある。留意すべきことは、箱の壁の上方部分が第１１図に符号Ｙで示されるよう に５°テーパが付けられているということである。この実施例において箱の壁の 垂直部分は第１１図に符号Ｘで示されるように０．２平方インチを形成する。こ の寸法は−０．００１の許容誤差で０．２００平方インチである熱電素子の緊密 な嵌合を設けるために＋０．００１の許容誤差に保持される。留意すべきことは 、第１１図および第１２図に示されるような支持隆起部６２が矩形格子の２つの 表面の間の中間面において矩形格子の境界のまわりに設けられるということであ る。この支持隆起部は矩形格子の過剰な強度を設けかつモジュール製造の次の段 階の間中利用されかつ使用のために完成したモジュールを取り付けるのに有用に し得る。 第１２図はＰおよびＮ素子に関して示される位置を有する矩形格子の頂面図を 示す。素子は、各素子が第１図および第１１図に示されるようにストツパ１０に 対して堅固に載置することを保証する取り付け装置によりこれらの位置に配置さ れる。導体材料が次いで矩形格子の頂部および底部に噴霧されかつ次いで頂部お よび底部はすべての絶縁体表面の頂部が導体材料から取り除かれるまで研磨され る。矩形格子を負荷するための好適な方法は後で詳細に議論される。第１３図お よび第１４図は第１２図に示されるような位置１３−１３および１４−１４での 仕上がった製品の断面の例を示す。第１４図において留意すべきことは、どのよ うな実施が熱電素子をすべて電気的に直列に接続することができるかということ である。この特別な断面において熱い表面は頂部上にありかつ電子の流れは左か ら右である。 熱電素子の取り付け 熱電素子 ５．１ｍｍ×５．１ｍｍ×３．０ｍｍの寸法を有する熱電素子が、ニュー・ジ ャージー州パーク・リッジの野イエス・データコーポレイションによって１９７ ０年に発行された、ジィッティッヒにより編集された熱電材料に記載された技術 のごとき幾つかの良く知られた技術のいずれかを使用して製造される。好適な材 料は高温用途に関してテルル化鉛そして低温用途に関してはテルル化ビスマスで ある。これらの素子はまた、ニュー・ジャージー州トレントンに事務所を有する メルコア・コーポレイションのごとき供給者から市場で購入され得る。素子の半 分は”ｎ”素子でかつ半分は”ｐ”素子である。 矩形格子の負荷 第１２図に示されるごとき矩形格子の適切な箱内に”ｐ”素子を配置する。素 子がストツパに対して嵌まり込むことを保証する。”ｎ”素子を第１２図に示さ れるごとく矩形格子の適切な箱内に配置する。各素子がストツパに対して嵌まり 込むことを保証する。長さ２インチ、幅１／８インチの銅製メッシュワイヤリー ド線を第１２図に示されるように位置６１および６３において挿入する。代替的 に、リード線が取着される隅部位置は、これら２つの位置での空間に代えて、空 間が固い矩形格子材料でありかつ固いプラスチックで充填されたこれら２つの位 置により成形されるように変更され得る。したがって、隅部素子は銅製リード線 接続がなされる位置において存在しない。そこでこの実施例においてリード線６ １が取着するＰ位置が固いプラスチック（約０．５立方センチメートル）でかつ リード線６３が取着するＮ位置が固いプラスチック（約０．５立方センチメート ル）である。これは矩形格子への銅製リード線の溶接を自動化する能力を改善す る。モジュールの熱い側でこのプラスチックは矩形格子の高さ全体に延びるが冷 たい側でこのプラスチックは隣接する素子と同一の高さにのみ延びる。銅製リー ド線（第１２図の部品６１および６３）は素子が通常配置されるプラスチック上 に位置決めされかつ銅製リード線がプラスチックが軟化し始める点に加熱される 平行ギャップスポットを使用しそしてリード線は軟化されたプラスチックに押し 付けられる。銅製リード線を結合するための固いプラスチック隅部を有すること は、隅部素子を過度に加熱しかつ「ストツパ」（第１図および第１１図の部品１ ０）を溶融するのを阻止するので重要な利点である。ストツパが溶融すると、平 行ギャップ溶接機からの圧縮力が所定位置から外れて隅部素子を動かすことがで きそれによりモジュールの完全な状態を危うくする。隅部素子になされる困難な 溶接が厳格な仕様を要求するので、本方法は自動化するのが難しい。リード線を プラスチックに溶接するのは簡単でかつ溶接パラメータを変化するのに耐える。 除去される他の問題は隅部素子に銅製リード線を溶接する困難さにより発生され る亀裂の入った隅部脚部および弱い溶接である。 熱電素子用電気接続の備え 熱いおよび冷たい表面の金属化 ばね負荷クランプを仕様して、我々は回転可能なマンドレルに多数のモジュー ルを締め付ける。第１９Ａ図および第１９Ｂ図において、我々はかかるマンドレ ルに締め付けられる２０個のモジュールを示している。我々は次いで５５ｒｐｍ で回転しているマンドレルにより均一なマット仕上げに１８０〜２４０グリット Ａ１２ Ｏ３ によりモジュール／素子表面をグリット吹き付けする。次いで我 々はモジュール／素子表面を綺麗に吹き払うために圧縮空気を使用する。次に、 我々は第１９Ａ図および第１９Ｂ図に示されるような熱噴霧コーティング装置を 仕様して露出された表面に金属熱噴霧コーティングを塗布する。これらの噴霧技 術は良く知られている。さらに他の詳細は、アメリカ金属協会によって発行され た、金属ハンドブック、第９版においてもたらされる。種々の金属が表面を被覆 するのに使用され得る。我々の好適なコーティングは第１の０．００６インチの 厚さのモリブデンコーティングおよび第２の０．０６インチの厚さのアルミニウ ムコーティングからなる２層コーティングである。モリブデンは、表面が熱電表 面の酸化を最小にするためにできるだけ迅速に被覆されるように堆積される。こ の実質的な結合コーティングをなし遂げるためにガンが加工片に非常に近接して 、およそ４インチに保持される。この距離はモリブデンに関する熱噴霧産業にお いて代表的に使用される距離より非常に少ない。モリブデンコーティングはアー クワイヤガンの代表的なモリブデン噴霧パラメータを使用して”およそ０．００ ０５”の増分において０．００６インチまで形成される。１４ゲージモリブデン を備えたメトコ５ＲＧアークワイヤ装置を使用すると、霧化空気圧力は８０ｐｓ ｉ＋／−５ｐｓｉであり、作動電圧は３２ＶＤＣそして作動アンペア数は１７５ ａｍｐｓ＋／−１０ａｍｐｓである。ワイヤクランプは５０ｐｓｉの圧力を使用 する。アルミニウムはこれが完全に密集しかつ強くないように意図的に堆積され る。コーティングが強過ぎるとコーティングは熱電材料に亀裂または欠陥を生じ るかも知れないモリブデン−熱電表面中間面の近くに展開するような顕著な応力 を発生する。アルミニウムは加工片からおよそ１７インチのガンにより堆積され る。この距離はアルミニウムに関する熱噴霧産業において代表的に使用される距 離より非常に大きい。１４ゲージのアルミニウムワイヤに関して、霧化空気圧力 は５０ｐｓｉ＋／−５ｐｓｉであり、作動電圧は２９ＶＤＣそして作動電流は１ ５０ ＋／−１０ａｍｐｓである。ワイヤクランプは４５ｐｓｉの空気圧力を使用する 。この方法において堆積されたアルミニウムは良好な電気導体として作用するよ うに十分に導電性である。上述したパラメータは断面において約．２００インチ ×．２００インチである熱電素子に関して展開された。断面寸法が減少されとき モリブデン−アルミニウム中間面近くに創り出された熱応力はより小さくかつそ れゆえ亀裂を受け易さが小さいので噴霧パラメータを緩めることができる。両方 のコーティングは、５５ｒｐｍで回転するマンドレルおよび約０．２インチ／秒 で前後に走行する噴霧ガンを備えている第１９Ａ図および第１９Ｂ図に示される 装置を使用して塗布される。表面が塗布された後、我々は噴霧されてない表面を 露出するようにモジュールを再び取り付けかつ上述した方法を繰り返す。 モジュール表面の縮小 噴霧された表面は矩形格子壁を露出するように縮小されねばならない。これを 行うために、我々は表面仕上げまたはラッピング機械の取り付けチャックに噴霧 されたモジュールを位置決めする。我々の好適な仕上げ方法は精密サンドブラス トまたは二重側部ラッピングまたはそれら両方を利用する。我々はモジュールの 表面を第１１図および第１２図に示される矩形格子耳片６２から測定されるよう な適切な高さに減少する。我々は次いでチャックからモジュールを取り除き、モ ジュールを逆にしそしてモジュールの反対面をモジュール表面が矩形格子耳片か ら適切な高さであるまでモジュールの反対面を減少する。 絶縁密封の適用 この点においてモジュールは完成するが素子と矩形格子の壁との間の空間に水 分蓄積を受け易い。この水分は熱短絡でありかつ時間の経過で腐食を生じるかも 知れない。モジュールはデュポンにより創られるポリイミドフィルムを使用して 各面にアルミニウムシートの薄い層を結合することにより密封されることができ る。該フィルムは商標カプトンによって知られておりかつ適切なフィルムの型式 は１００ＫＪである。圧力下で加熱されるとこのフィルムは該フィルムが接触す る表面に結合する。このカプトン片をモジュールの表面とアルミニウムの薄いシ ートとの間に位置決めすることにより、アルミニウムはモジュールに緊密に結合 されるがアルミニウムはカプトンフィルムによって絶縁されるのでモジュールに 電気的に接触しない。カプトン−アルミニウム密封は両方の層の厚さが誇張され ている第２７図に示される。これは好適な実施例を構成するがアルミニウムシー トは銅シートまたは他のいずれかの金属、セラミック、ガラスまたはプラスチッ クシートで置き換えられ得る。自己接着カプトンフィルムがまた同様なフィルム または接着剤とともにまたは接着剤なしで使用されるコーティングと置き換えら れることも可能である。また、それらを結合することなしに絶縁体および導体フ ィルムを使用することもできる。 モジュールの面を密封するこの方法はモジュールの素子を非常に補強する追加 の利点を有している。また、この密封方法はモジュールの表面をモジュールの電 気回路から電気的に絶縁させる。これは、モジュールを熱電発生器または冷却装 置に取り付けるときモジュールを熱源または熱シンクから電気的に絶縁する必要 （かつ関連のコスト）を除去する。 検査 我々はモジュールの熱い表面を２５０℃に加熱しかつモジュールの冷たい側を ５０℃に冷却する。我々は次いでモジュールの開放回路電圧を測定する。回路電 圧はテルル化ビスマス素子を使用して約３．２ボルトにすべきである。我々は次 いで電圧が１．６ボルトに降下するまでモジュールに電気的負荷を印加しかつ電 流を測定する。我々はＰ＝Ｉ×Ｖとしてモジュールによって発生されたパワーを 計算する。我々はテルル化ビスマス素子に関して少なくとも１３ワットのパワー レベルを予想する。 熱電気発生器ユニツト 熱電気発生器２８の概略図面が第２４図に示されそして発生器の詳細な変形例 が第２２図および第２３図に示される。ユニツトは、１つの熱い側熱交換器４０ 、第１の冷たい側熱交換器４２、接続ホース４３、および第２の冷たい側熱交換 器４４、直列に電気的に接続された８個の熱電モジュール４５および４個のばね 負荷圧縮要素４６からなっている。熱いグリコールが符号Ａで熱い側熱交換器４ ０に入りかつ第２４図に示されるように符号Ｂで出る。冷たいグリコールが符号 Ｃで冷たい側熱交換器の一方４２に入り、それおよび接続ホース４３（第２０図 に示される）を通過しかつ次いで他の冷たい側熱交換器４４を通過しそして第２ ４ ４図に示されるように、符号Ｄにおいて出る。 熱交換器 熱い側熱交換器４０はこの実施例において溶接された鋼構造である。熱交換器 の本体は長さ１４ １／２インチ、幅３インチである。基本的には２つの同一の 機械加工されたフィン付き部分４０Ａおよび２０Ｂから構成されている。これら ２つの部分はともに溶接されかつニップル４０Ｃおよび４０Ｄが熱いグリコール 用のフィン付き通路を形成するように第２２に示されるように熱交換器の反対端 で溶接される。冷たい側熱交換器の各々はまた溶接された鋼構造である。該熱交 換器は各々フィン付き部分４２Ａおよび４４Ａおよび冷たいグリコール用フィン 付き通路を形成するようにともにかつニップル４２Ａおよび４２Ａに溶接される カバープレート４２Ｂおよび４２Ｂからなる。 圧縮要素 圧縮要素４６は、基本的に高さ５．６４インチ、幅３ ３／４インチおよび厚 さ１ ３／４インチの外側寸法を有する４辺をもつ矩形フレームである鋼製フレ ームからなる。該フレームは熱交換器および熱電モジュール４５を収容するため に幅３．１２インチおよび高さ５．０２インチの矩形空間を備えている。各フレ ームはまた推力ボタン４６Ａ１および六角ナット整合空間を含むナットプレート ４５Ａ２からなっている。圧縮要素４６は熱交換器および熱電モジュール上に１ ０００ポンドの圧縮を供給する。これはベルビルばね積み重ね体４６Ｂによって なし遂げられ、各ばねは、その各々が順次、第２３図に示されるように２枚の薄 い（厚さ０．０１インチ）アルミナ（Ａ１２ Ｏ３）ウエーハ４６Ｃ間に挟まれ る２つの熱電モジュール４５上で心出しされる。留意されるべきことは、アルミ ナウエーハ４６Ｃは、熱電モジュール４５が第２７図に示されるカプトン−アル ミニウム密封のごとき絶縁密封体によってすでに被覆されているならば必要とさ れないということである。負荷はばね積み重ね体４６Ｂを圧縮するためにナット ４６Ｅを介して調整ネジ４６Ｄを締め付けることにより設けられる。ナット４６ Ｄ上にネジ４６Ｄによって発生されるトルクはナットプレート４６Ａ２によって 抵抗される。ネジ４６Ｄによって発生される上向き推力は調整ナット４６Ｅかつ 次いで支持フレーム４６Ａによって頂部側で圧縮要素４６の反対側に置かれた 推力ボタン４６Ａ１に吸収される。ネジ４６Ｄからの下向き推力は負荷ワッシャ ４６Ｈおよびばね積み重ね体４６Ｂによって底部側で吸収される。したがって、 ２つの熱電モジュール４５は推力ボタン４６Ａ１およびばね積み重ね体４６Ｂに よって設けられる約１０００ポンドの反対の力により熱交換器間に緊密な圧縮に おいて保持される。 坑口装置乾燥装置 本発明の好適な実施例において熱電発生ユニツト２８は坑口装置乾燥プラント に第２５図に示されるように挿入される。この熱電発生器はその熱源としてパイ プ９を通って再沸騰ボイラ１を出ている熱い（３７５°Ｆ）乾燥グリコールを利 用しかつその冷却シンクとしてパイプ１４を通って予備加熱熱交換器８に入って いる冷たい（６０°Ｆ）湿ったグリコールを利用している。 ユニツトの性能 ３７５°Ｆの熱い側温度および約６５°Ｆの冷たい側温度を有する、直列に接 続された８個の熱電モジュールの合計出力は約１２ボルトで約６２ワットの範囲 にある。追加のパワーおよびより高い電圧は追加の熱電発生器ユニツトを付加す ることにより得られることができる。示されるように乾燥プラントの利用可能な 廃棄エネルギの比序用に小さいパーセンテージが上述した装置において利用され た。 第２６図は幾つかの熱いグリコール温度についてのグリコール流量の関数とし てのパワー出力の曲線を示している。１０ｇｐｍより大きい流量に関して、増大 したパワーを提供するために１以上のユニツトを直列に接続することが実現可能 である。３０ｇｐｍ以上の流量に関して発生器は好ましくは並列に接続されるべ きである。これらの範囲外の流量に関してユニツトの再設計が好ましくはユニツ トをより長くまたはより幅広にすることができるかも知れない。 領域に発生器を取り付ける技術者は彼らが発生器をバイパスさせるためにバイ パスラインおよび弁を組み込むように選択するかも知れない。これは必要とされ ないならばまたは修理のために運転から取り除かれるような発生器を許容する。 流量制御弁は、多くの場合に必要とされないけれども所望ならば設けられ得る。 発生器が陰極保護を設けるように使用されるならば、発生器は通常、装置条件に 整合するように装置インピーダンスを自動的に変化する定電流調整器に接続され る。発生器が照明、器具または通信用パワーを供給するのに使用されるならば、 発生器は通常、定電圧分岐調整器に接続される。バッテリは装置を作動するのに 必要とされない。しかしながら、発生器が短期間ピークパワー条件が発生器から の通常のパワー出力より高い通信のごとき装置用のパワー出力を供給するのに使 用されるならば、その場合にバッテリおよびバッテリとバッテリ調整器は短期間 高いピーク負荷を支持するために含まれる。この剰余の設備のすべてが「在庫が あって」得られることが可能である。 本発明の上述した説明は図示のために示されかつ開示された正確な形状に本発 明を制限するように意図されない。理解されることは、多くの変更および変化が 当該技術に熟練した者によってなされ得るということである。例えば、説明され たモジュール以外の熱電モジュールが利用されその場合に熱交換器および圧縮要 素の細部は多分適宜に変更される必要がある。より多くの熱電素子を備えたモジ ュールを創ることを実行することができ、その場合に単一の熱電モジュールが所 定の電圧を供給するのに十分であるかも知れない。熱交換器との良好な熱的接触 に熱電素子を保持する他の公知の方法が使用され得る。記載された位置以外の位 置において熱いおよび冷たいグリコールラインを活用する利点があるかも知れな い。熱交換器は溶接された炭素鋼ユニツトとして記載された。これらの熱交換器 はこの明細書の教示を利用する他の公知の技術により作られることが可能である 。販売がそれを容認するのに十分高いとき、出願人はアルミニウム鋳造を使用し て熱交換器を製造することを計画している。これはコストを非常に低減する。 熱電モジュールに関して、ゼナイトに加えて多くの他の材料が射出成形される 矩形格子に使用され得る。これらはザイダール（Ｘｙｄａｒ）（実質上ゼナイト と同等であるアマコによって製造される）、ポリエチレン、シリコン、テフロン 、および他の多くの物を包含する。ゼナイトは、より高い温度でのその優れた特 性（すなわち、溶融点、熱的安定性等）のため主として選択された。また、「ス リップ」の形においてセラミック材料を使用することを可能にすべきである。（ このスリップは液体中に懸濁された微細なセラミック材料を説明するのに使用さ れる用語である。）成形後、液体は乾燥することにより除去されおよび／または は 鋳型（代表的には焼石膏）が液体を吸収する。構成要素は次いでそれにら強度を 付与するために焼結される。ゼナイトは、事実上、材料コストを低減しかつ他の 材料特性を制御するために微細なガラス粉末充填物を含んでいる。この充填物は 炭素のごとき他の幾つかの材料またはファイバーグラス、グラファイト繊維等か ら作られる細かく切り刻んだ繊維にすることもできる。使用され得る他の成形可 能な材料は有機物から加熱されるとき無機物に変換する有機先駆物質または無機 物それ自体である。この性質の材料は、典型的にほとんどの有機材料についての 上限である３５０℃より高い温度で作動するＰｂＴｅおよびＳｉＧｅのごとき高 温熱電材料により使用されるより高い温度の矩形格子に非常に望ましい。これら の材料は有機材料が代表的にはそれらの強度を失う温度でより高い値に負荷され るような矩形格子を許容する。燐酸塩および珪酸塩ペーストおよびセメントがま た高温用途の矩形格子材料に使用されるかも知れない。 ギャップの無い矩形格子を製造するための他の方法が記載された射出成形方法 に代えて使用され得る。 鋳造 幾つかの鋳造方法が矩形格子の製造に適する。樹脂の２部分のエポキシが記載 された鋳型と同様な鋳型内に注入されかつ矩形格子を形成するために硬化される ことができる。鋳造を使用することにより要素はインサートとして鋳型内に包含 されかつ所定位置において鋳造することができる。鋳造され得る他の材料はプラ スチック、ガラス、セラミックおよび金属合金である。 スリップ鋳造 材料を鋳造するための他の方法はスリップ鋳造である。スリップ鋳造は、通常 焼石膏から作られる鋳型がスリップの外に水を引き出す成形方法である。この方 法は型（矩形格子構造を繰り返す）壁に順応する堆積を後ろに残す。堆積は次い で乾燥されかつ堅固な構造に熱せられる。「スリップ」は製造されるべき構成要 素の微細な粉末から作られかつそれは水中に懸濁される。粉末は有機クリヤラン ス無機材料にすることができる。 吹き付け成形 プラスチックフィルムが鋳型内に挿入されかつ圧縮空気により鋳型の形状に順 応するように吹き付けられる。 押出し成形技術 矩形格子がモジュールの熱いおよび冷たい表面に対して平行な平面において断 面されるとき、３つの異なる輪郭が可能である。これら３つの輪郭は押出し成形 され得る。熱い側の近くで断面の輪郭は熱い側コネクタの位置を定義する。矩形 格子の中心近くで素子の位置を定義しそして矩形格子の冷たい側の近くで輪郭は 冷たい側素子の位置を定義する。輪郭の各々は押し出し型によってプラスチック 喪ガラスまたはセラミック（未焼成のまたは焼かれてない状態において）を押出 し成形することにより形成され得る。押出し成形物は次いで適宜な厚さにスライ スされかつ完成されたギャップの無い矩形格子を形成するためにともに薄片にさ れる。また、可能であることは、単一の押出し成形輪郭が適宜な厚さにスライス されかつ次いでそれに続いて種々の技術を使用して端部上の所望の形状に形成さ れる（ストツパを形成しかつ電極を収納するために）。セラミック押出し成形物 は成形作業後焼かれる。 真空形成 薄いプラスチックシートが所望の形状を採用するように加熱された鋳型上に形 成される。プラスチックはギャップの無い矩形格子を設けるために真空によりま たは幾つかの場合において圧縮空気により鋳型上に強制される。 従来の機械加工 ギャップの無い矩形格子がプラスチック材料のブロツク内に素子用の空間を機 械加工することにより形成され得る。同様に幾つかの機械加工可能なセラミック 材料が、所望の矩形格子構造を形成するために。穿孔され、形作られ、フライス 加工等をされ得る。超音波機械加工、レーザ機械加工およびウォータージェット 機械加工技術がまたプラスチックまたはセラミック材料のブロツクからギャップ の無い矩形格子を形成するのに使用されることができる。 打ち抜き ギャップの無い矩形格子は材料のシートに所定の大きさの正方形の孔を打ち抜 く工具を設計することにより形成され得る。孔の底部でのストツパは次いで材料 の幾つかをストツパとして作用するようにフレームに入れ換える第２の作業にお いて形成され得る。 ダイキャスト 形成されるべき材料（プラスチック、ガラス、セラミックスラリまたは金属） がギャップの無い矩形格子の所望の形状を形成するために金型キャビティに注入 される。 粉末圧縮 金属、プラスチック、セラミックまたはガラス粉末がパンチおよび雌型の組み 合わせの形状（ギャップの無い矩形格子の形状）を採用するために十分な力で雌 型中に圧縮される。未成形の部分が次いで放出されかつ続いて強度を増加するよ うに焼成され得る。 鍛造 形成されるべき材料が鋳型の所望の形状（ギャップの無い矩形格子）が形成さ れている部片に付与されるまで鋳型の２つの半体間で繰り返して鍛造される。 したがって、本発明の精神および範囲内に入るようなすべての変更および変化 をカバーすることが添付の請求の範囲によって意図される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バース，ジョン，シー. アメリカ合衆国 92037―6933 カリフォ ルニア，ラ・ジョラ，ラ・ピンタラ・ドラ イブ 6121 (72)発明者 エルスナー，ノルベルト アメリカ合衆国 92037 カリフォルニア, ラ・ジョラ，ソールダッド・ロード 5656

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 低温表面と高温表面とを形成する熱電モジュールにおいて、 ａ）複数の熱電素子の空間を形成する矩形格子の形状を有する間隙のないクレー トと、 ｂ）複数のｐ型熱電素子と、 ｃ）複数のｎ型熱電素子とを備え、 前記ｐ型および前記ｎ型熱電素子は、前記熱電素子の空間の中に位置しており、 さらに、 ｄ）前記低温表面上でｐ型熱電素子をｎ型熱電素子とを接続している前記低温表 面上の金属被覆と、 ｅ）前記高温表面上でｐ型熱電素子をｎ型熱電素子とを接続している前記高温表 面上の金属被覆とを備え、 前記ｐ型およびｎ型素子の位置、前記矩形格子の形状、および金属被覆は複数の 前記熱電素子を電気的に直列に接続するのに効果的であることを特徴とする熱電 モジュール。 ２． 前記クレートが射出成形クレートであることを特徴とする、請求の範囲第 １項に記載の熱電モジュール。 ３． 前記射出成形クレートが高温材料から構成されていることを特徴とする、 請求の範囲第２項に記載の熱電モジュール。 ４． 前記高温材料が液晶プラスチックであることを特徴とする、請求の範囲第 ３項に記載の熱電モジュール。 ５． 高温液晶プラスチックがデュポン社のゼナイトであることを特徴とする、 請求の範囲第４項に記載の熱電モジュール。 ６． 前記高温プラスチックがシリコーン・プラスチックであることを特徴とす る、請求の範囲第２項に記載の熱電モジュール。 ７． 前記高温材料が有機可塑材を含む無機であることを特徴とする、請求の範 囲第３項に記載の熱電モジュール。 ８． 前記複数の熱電素子の空間が、それぞれ、４枚の壁と、四角形の面を有す る熱電素子用の実質的に四角形の空間を形成していることを特徴とする、請求の 範囲第１項に記載の熱電モジュール。 ９． 前記壁の少なくとも２枚が上部の壁部を形成し、前記熱電素子を簡単に取 り付けられるように先細になっていることを特徴とする、請求の範囲第８項に記 載の熱電モジュール。 １０． 前記複数の熱電空間のそれぞれが、前記壁の交点で四つの交点を形成し ており、さらに、前記交点の少なくとも３箇所に前記熱電素子の挿入の深さを制 限するためのストッパを備えていることを特徴とする、請求の範囲第８項に記載 の熱電モジュール。 １１． 前記高温および低温表面のそれぞれが表面の面と表面の境界を形成して おり、さらに、前記表面の境界の外側で、前記表面の面の間に少なくとも一つの 成形支持うねを備えていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モ ジュール。 １２． さらに、二本の電気リード線を備えていることを特徴とする、請求の範 囲第１項に記載の熱電モジュール。 １３． 前記金属被覆がモリブデンの層と、アルミニウムの層とを含むことを特 徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。 １４． 前記金属被覆がそれぞれニッケル−アルミニウム合金を含むことを特徴 とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。 １５． さらに、前記モジュールに接続した二本の電気リード線を備え、前記リ ード線のうちの一方をｐ型素子に接触するように前記矩形格子に溶接し、前記リ ード線のうちのもう一方をｎ型素子に接触するように前記矩形格子に溶接してあ ることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱電モジュール。 １６．高温および低温表面が電気絶縁膜で覆われていることを特徴とする、請求 の範囲第１項に記載の熱電モジュール。 １７． 前記電気絶縁膜が金属層で覆われていることを特徴とする、請求の範囲 第１６項に記載の熱電モジュール。 １８． 前記電気絶縁膜が粘着性の膜から構成されていることを特徴とする、請 求の範囲第１６項に記載の熱電モジュール。 １９． 前記膜が、デュポン社製のポリイミド膜、カプトンであることを特徴と する、請求の範囲第１８項に記載の熱電モジュール。 ２０． 低温表面と高温表面とを形成する熱電モジュールにおいて、 ａ）複数の熱電素子の空間を形成する矩形格子の形状を有する，電気絶縁セラミ ック材から構成される間隙のないクレートと、 ｂ）複数のｐ型熱電素子と、 ｃ）複数のｎ型熱電素子とを備え、 前記ｐ型および前記ｎ型熱電素子は、前記熱電素子の空間の中に位置しており、 さらに、 ｄ）前記低温表面上でｐ型熱電素子をｎ型熱電素子と接続している前記低温表面 上の金属被覆と、 ｅ）前記高温表面上でｐ型熱電素子をｎ型熱電素子と接続している前記高温表面 上の金属被覆とを備え、 前記ｐ型およびｎ型素子の位置、前記矩形格子の形状、および金属被覆は複数の 前記熱電素子を電気的に直列に接続するのに効果的であることを特徴とする熱電 モジュール。 ２１． 前記壁の少なくとも２枚が上部の壁部を形成し、前記熱電素子を簡単に 取り付けられるように先細になっていることを特徴とする、請求の範囲第２０項 に記載の熱電モジュール。 ２２． 前記複数の熱電空間のそれぞれが、前記壁の交点で四つの交点を形成し ており、さらに、前記交点の少なくとも３箇所に前記熱電素子の挿入の深さを制 限するためのストッパを備えていることを特徴とする、請求の範囲第２０項に記 載の熱電モジュール。 ２３． 前記高温および低温表面のそれぞれが表面の面と表面の境界を形成して おり、さらに、前記表面の境界の外側で、前記表面の面の間に少なくとも一つの 成形支持うねを備えていることを特徴とする、請求の範囲第２０項に記載の熱電 モジュール。 ２４． ａ）射出成形法を使って、電気絶縁材料から、少なくとも四枚の間隙の ない絶縁壁を有する複数の熱電空間を形成する絶縁矩形格子を形成する工程と、 ｂ）それぞれが前記複数の熱電空間のうちの一つに適合するような形状の複数の ｐ型熱電素子を製造する工程と、 ｃ）それぞれが前記複数の熱電空間のうちの一つに適合するような形状の複数の ｎ型熱電素子を製造する工程と、 ｄ）前記複数の熱電空間に予め決定した形態で前記複数のｐ型熱電素子と前記複 数のｎ型熱電素子とを挿入する工程と、 ｅ）前記矩形格子の一方の側面に電気接続を配設して高温側を形成し、他方の側 面に電気接続を配設して低温側を形成し、複数の前記素子を直列に接続して、熱 電モジュールを作成する工程とを備えた、熱電モジュールの製造方法。 ２５． 前記射出成形法が、高温プラスチックを前記矩形格子の型の中に射出し 、前記プラスチックを前記型のスプルーを通して前記型の型穴の中に流しこむ工 程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２４項に記載の方法。 ２６． 前記電気接続が、前記高温および低温側上に金属被覆を熱噴射する方法 を使って行われることを特徴とする、請求の範囲第２４項に記載の方法。 ２７． さらに、前記金属被覆部を矩形格子の表面の縁部が露出するように研摩 する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２４項に記載の方法。 ２８． 前記複数の空間に対し、それぞれ三つの表面の縁部を露出させることを 特徴とする、請求の範囲第２４項に記載の方法。 ２９． さらに、電気絶縁膜で高温および低温表面の両方を被覆する工程を含む ことを特徴とする、請求の範囲第２７項に記載の方法。 ３０． さらに、金属層で前記電気絶縁膜を被覆する工程を含むことを特徴とす る、請求の範囲第２９項に記載の方法。 ３１．前記電気絶縁膜が粘着性の膜であることを特徴とする、請求の範囲第３０ 項に記載の方法。 ３２． 前記型が、電気リード線をしっかりと取り付けるために、体積が約０． ５ｃｍ²である二つの固形プラスチック部を前記矩形格子の中に配設するように 設 計されていることを特徴とする、請求の範囲第２４項に記載の方法。 ３３． 前記射出成形方法が有機前駆物質を型の中に射出し、前駆物質を熱して 無機状態に変換する工程を含むことを特徴とする、請求の範囲第２４項に記載の 方法。 ３４． １）少なくとも一台の高温側熱交換器と、 ２）少なくとも一台の低温側熱交換器と、 ３）前記少なくとも一台の高温側熱交換器と前記少なくとも一台の低温側熱交換 器との間に位置する少なくとも一つの熱電モジュールとを備え、前記少なくとも 一つの熱電モジュールは高温表面と低温表面とを形成し、 ａ）複数の熱電素子の空間を形成する矩形格子の形状を有する間隙のないクレー トと、 ｂ）複数のｐ型熱電素子と、 ｃ）複数のｎ型熱電素子とを備え、 前記ｐ型およびｎ型熱電素子は，前記熱電素子の空間の中に位置しており、さら に、 ｄ）前記低温表面上でｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを接続している前記低温表 面上の金属被覆と、 ｅ）前記高温表面上でｐ型熱電素子をｎ型熱電素子とを接続している前記高温表 面上の金属被覆とを備え、 前記ｐ型およびｎ型素子の位置、前記矩形格子の形状および金属被覆は複数の前 記熱電素子を直列に電気接続するのに効果的である熱電発電機。 ３５． さらに、前記モジュールと前記熱交換器との間の密接な接触を維持する ための圧縮手段を備えていることを特徴とする、請求の範囲第３４項に記載の熱 電発電機。 ３６． 前記圧縮手段が少なくとも一組のベルビルばねを備えていることを特徴 とする、請求の範囲第３５項に記載の熱電発電機。 ３７． 前記クレートが、射出成形クレートであることを特徴とする、請求の範 囲第３４項に記載の熱電発電機。 ３８． 前記射出成形クレートが高温材料から構成されていることを特徴とす る、 請求の範囲第３７項に記載の熱電発電機。 ３９． 前記吸熱器手段がグリコールで冷却されることを特徴とする、請求の範 囲第３４項に記載の熱電発電機。 ４０． それぞれが高温および低温表面を形成する複数の熱電モジュールを備え た熱電発電機を製造する方法において、 ａ）電気絶縁材から、少なくとも四枚の間隙のない絶縁壁をする複数の熱電空間 を形成する間隙のない絶縁矩形格子を形成する工程と、 ｂ）それぞれが前記複数の熱電空間のうちの一つに適合するような形状を有する 複数のｐ型熱電素子を製造する工程と、 ｃ）それぞれが前記複数の熱電空間のうちの一つに適合するような形状を有する 複数のｎ型熱電素子を製造する工程と、 ｄ）前記複数の熱電空間に予め決定した形態で前記複数のｐ型熱電素子と前記複 数のｎ型熱電素子とを挿入する工程と、 ｅ）前記矩形格子の一方の側面に電気接続を配設して高温側を形成し、他方の側 面に電気接続を配設して低温側を形成し、高温表面と低温表面とを形成して、複 数の前記素子を直列に接続し、熱電モジュールを作成する工程と、 ｆ）低温側熱交換器と高温側熱交換器とを製造する工程と、 ｇ）前記低温側熱交換器と、前記高温側熱交換器との間に前記モジュールを圧縮 して組み立てる工程とを備えた、熱電発電機を製造する方法。 ４１． 前記間隙のない矩形格子が射出成形法を使って形成されていることを特 徴とする、請求の範囲第４０項に記載の方法。 ４２． 前記射出成形法が、高温プラスチックを前記矩形格子の型の中に射出し 、前記プラスチックを前記型のスプルーを通って前記型の型穴の中に流し込む工 程を含むことを特徴とする、請求の範囲第４１項に記載の方法。 ４３． 前記電気接続が、前記高温および低温側上に金属被覆を熱噴射する工程 を利用して行われることを特徴とする、請求の範囲第４０項に記載の方法。 ４４． さらに、前記金属被覆部を研磨し、矩形格子の表面縁部を露出する工程 を含むことを特徴とする、請求の範囲第４３項に記載の方法。 ４５． 前記複数の空間に対し、それぞれ三つの表面の縁部を露出させることを 特徴とする、請求の範囲第４４項に記載の方法。 ４６． さらに、電気絶縁膜で高温および低温表面の両方を被覆する工程を含む ことを特徴とする、請求の範囲第４４項に記載の方法。 ４７． さらに、金属層で前記電気絶縁膜を被覆する工程を含むことを特徴とす る、請求の範囲第４６項に記載の方法。 ４８． 前記電気絶縁膜が粘着性の膜であることを特徴とする、請求の範囲第４ ６項に記載の方法。 ４９． 前記膜が、デュポン社製のポリイミド膜、カプトンであることを特徴と する、請求の範囲第４８項に記載の方法。 ５０． 前記電気絶縁膜が有機または無機の被覆を含むことを特徴とする、請求 の範囲第４６項に記載の方法。 ５１． 前記間隙のない絶縁矩形格子が、次に示す方法、すなわち、鋳込、スリ ップ鋳込、ブロー成形、押し出し、真空成形、従来の機械加工、鍛造打型鋳込、 粉末圧縮成形、および鍛造から選択した一つの方法によって形成されていること を特徴とする、請求の範囲第４０項に記載の方法。 ５２． 前記間隙のない矩形格子が、三つの型枠を押し出し、前記三つの型枠の それぞれを適当な薄さの薄切りにし、それらを重ねて完全な隙間のない矩形格子 を形成するという押し出し法で形成されていることを特徴とする、請求の範囲第 ４０項に記載の方法。