JP5936242B2 - 熱源からヒート・シンクに熱を移動させるための熱電デバイスおよびモジュール - Google Patents

Description

本発明は、一般に熱移動デバイスに関し、詳細には、熱源からヒート・シンクに熱を移動させるための熱電デバイスおよびモジュールに関する。より詳細には、本発明は、加熱または冷却される物体に結合することができる、熱電デバイスに関する。

センサ、能動電気光学構成要素、赤外ＣＣＤチップなどの電子デバイスから過剰な熱を移動させるために、冷却のための熱電デバイスが使用される。多くの電子デバイスが低電力損失を有するので、追加の冷却手段が求められる。電子冷却は、ｎ型またはｐ型半導体など異なる導体間の接合部を通って流れる電流が、接合部を通る電流の関数として加熱または冷却を引き起こすことが可能であることを観測したJohn Charles Peltierにより、最初に発見された。この効果は、ペルチエ効果または熱電効果と呼ばれる。温度は、接合部を通る電流の方向に依存して、上昇または下降することができる。

熱電デバイスは、熱源とヒート・シンクとの間に置かれたヒート・ポンプとしてしばしば使用され、ここで、熱源は、電気構成要素であってよく、ヒート・シンクは、場合によって、表面板（surface plate）または対流型のヒート・シンクである。従来型の熱電冷却デバイスは、しばしば複数のステージを使用して、物体を段階的に冷却する、または熱を熱源から取り去り移動させる。そのような複数ステージのモジュールは、基本的に、互いの上部にスタックされた別個の熱電モジュールからなる。これにより、追加の空間が必要になり、含まれる熱電構成要素が複数で複雑であることに起因して経費が増加することになる。熱電冷却モジュールの効率を向上させることが、一般的に望ましい。

したがって、熱源からヒート・シンクに熱を移動させるための改善された熱電デバイスを提供することが、本開示の態様である。熱電デバイスは、さらなる熱電モジュールまたは構成を実装するのに特に好適であってよい。

本発明の態様の実施形態によれば、熱源からヒート・シンクに熱を移動させるための熱電デバイスが、ｎ型半導体材料を含む第１の脚部、およびｐ型半導体材料を含む第２の脚部を有する少なくとも１つの熱電脚対であって、第１の脚部と第２の脚部が電気的に直列に結合される、少なくとも１つの熱電脚対と、熱源とヒート・シンクの間で、第１の脚部と第２の脚部を電気的に結合する抵抗性要素と、を備える。

対を形成する２つの脚部を、例えば、互いに平行に配置して、それぞれ熱源およびヒート・シンクへの境界面の間に置くことができる。熱電デバイスの動作では、第１および第２の脚部を通して電流を注入することができ、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料の間の接合部で、ペルチエ効果を使用することができる。結果として、熱源に面する脚対の側とヒート・シンクに面する脚対の側との間に、温度勾配が存在する。例えば、熱源は、冷却される必要がある電子デバイスであってよい。ヒート・シンクは、例えば、デシペータであってよい。抵抗性要素によって、ｐｎ接合部から離れた、または遠隔の領域で、第１の脚部と第２の脚部の間の電流が可能になる。

熱電デバイスの実施形態では、第１の脚部と第２の脚部は、熱源とヒート・シンクとの間で並列に熱的に結合される。ｎ型脚部とｐ型脚部が交番する構成も意図することができ、脚部は、電気的には直列に、しかし熱移動に関しては並列に結合される。

少なくとも１つの抵抗性要素は、第１の脚部と第２の脚部との間の接合部を通して少なくとも部分的に電流をバイパスするように構成することができる。抵抗性要素は、接合部または材料境界面において熱電効果のために使用される電流を入れるための、２つの脚部または接触部あるいはその両方の間の電気結合または電気接続よりも高い電気抵抗を有することができる。例えば、バイパス電流は、第１の脚部、金属層または接触部および第２の脚部により形成される回路を通る動作電流よりも小さい。

電流をバイパスし、それによりペルチエ効果を呈する接合部と異なる領域に熱を生成することによって、熱電デバイスに、熱源に面する脚部の側とヒート・シンクに面する脚部の側との間で、より大きい温度差を達成可能にすることができる。ヒート・シンクに近い電流を可能にする抵抗性要素によって、ヒート・シンクの近くに熱集中をもたらすことができる。抵抗性要素を、例えば、バイパス電流を可能にするように実装し、それによって、ヒート・シンクに近い領域内の第１および第２の脚部に沿って、より急峻な温度勾配を生成することができる。好ましくは、ｐｎ接合部においてペルチエ効果により生成される熱は、ヒート・シンクに局在化される。

したがって、実施形態では、少なくとも１つの抵抗性要素が第１の脚部と第２の脚部の間に配置され、そのため、電流を変えることにより、脚部のジュール加熱は、ヒート・シンクの側にシフトされる、または集中される。

抵抗性要素は、構造的な支持要素を含むことができる。例えば、抵抗性要素自体またはその一部分が、デバイスを機構的により頑強にすることができる。実施形態では、抵抗性要素は、少なくとも部分的に堅固な材料を含む。

実施形態では、第１の脚部または第２の脚部あるいはその両方の断面は、熱源からヒート・シンクの方向に沿って変わる。

幾何学的に、脚部の断面の厚みを変化させることによって、脚部を通る電流の変調をもたらすことができる。例えば、ヒート・シンクに向かって第１の脚部または第２の脚部あるいはその両方の断面を増加することによって、第１の脚部を第２の脚部に電気的に接続する抵抗性要素が存在する場合に、大きな電流密度をもたらし、そのことによってシンクに熱集中をもたらす。

抵抗性要素は、温度依存性コンダクタンスを示す材料を含むことができる。例えば、抵抗性要素用の材料は、温度の関数で増加するコンダクタンスを有する。結果として、より多くの電流が２つの脚部間の抵抗性要素を流れ、他の領域に対して高い温度が生じる。

熱電デバイスの実施形態では、少なくとも１つの抵抗性要素は材料を含み、この材料は、第１の脚部と第２の脚部との間に配置され、第１の脚部と第２の脚部との間の接合部と、第１の脚部または第２の脚部あるいはその両方に電流を入れるための接触部との間で、第１の脚部および第２の脚部に沿って少なくとも部分的に延在する。

例えば、抵抗性要素は、脚部間の層または充填物として実装することができる。追加で温度依存性コンダクタンスを示してよい、半導体材料、金属、半金属、または酸化物ならびに有機導電性材料またはそれらの組合せを意図することができる。

実施形態では、熱電デバイスは、熱源とヒート・シンクの間で、第１の脚部と第２の脚部を電気的に結合する複数の抵抗性要素を備える。２つの脚部を互いに部分的に結合するブリッジ要素として抵抗性要素を意図することができる。ブリッジ要素は、２つの脚部を互いに対して機構的に安定化させることができる。

複数の抵抗性要素を使用することによって、要素は、抵抗率、導電率、または熱特性に対してそれぞれ構成することができる。したがって、複数の抵抗性要素を使用することによって、脚部および抵抗性要素を通る電流ならびに熱電デバイス内の熱分布をより良く変調することが可能になる。

実施形態では、各抵抗性要素が所定のコンダクタンスを有し、そのため、抵抗性要素のコンダクタンスは、熱源の側に向かって増加する。

実施形態では、抵抗性要素が第１の脚部と第２の脚部との間に延在し、抵抗性要素が、第１の脚部および第２の脚部の長手方向の長さ（extension）に沿って、所定の距離で、互いに対し離間される。距離は、デバイス内で、所望の電流および熱分布を達成するように調整することができる。

実施形態では、第１の脚部と第２の脚部との間の抵抗性要素は、異なる断面を有することができる。断面を調整することにより、抵抗性要素またはブリッジ要素の電気特性および熱特性をチューニングすることができる。

実施形態では、第１の脚部と第２の脚部との間の抵抗性要素は、異なる長さ／厚みを有することができる。長さ／厚みを調整することにより、抵抗性要素またはブリッジ要素の電気特性および熱特性をチューニングすることができる。

熱電デバイスの実施形態では、基本的に互いに平行に配置される複数の熱電脚対が設けられる。例えば、ｐ型脚部およびｎ型脚部は、ヒート・シンクと熱源との間で、互いに電気的に直列で熱的に並列に交互に接続される。ペルチエ効果は、ｎ型脚部およびｐ型脚部に電圧が印加され、ｎ型領域とｐ型領域との間に直列の電気接合部を通して電流が流れると、生じる。結果として、並列な順方向の接続で、ｎ型脚部およびｐ型脚部にわたって熱移動が生じる。さらに、バイパス電流が、ブリッジまたは抵抗性要素を通って流れることができる。

脚対の数を増加することにより、より多くの熱を移動させることができる。熱電デバイスの実施形態では、複数の熱電脚対が、基板上に配置される脚部の配列を形成する。基板によって、熱電デバイスのより良好な機構的安定性または頑強性をもたらすことができる。

本発明の別の態様の実施形態によれば、上記の熱電デバイスのうちの少なくとも１つを備える熱電モジュールが開示される。実施形態によれば、少なくとも１つの脚対が熱源とヒート・シンクとの間に接着される。さらに良好な熱移動を達成するために、いくつかの熱電モジュールをスタックとして取り付けることを、さらに意図することができる。

提示される熱電デバイスおよびモジュールの特定の実施形態は、例示的な実施形態に関して上記でまたは下記で言及されるような、個別のもしくは組み合わせた特徴または態様を備えることができる。

以下では、熱電デバイスおよびモジュールの実施形態が、添付される図面を参照して記載される。

熱電デバイスの第１の実施形態を示す概略図である。 熱電デバイスのさらなる実施形態を示す概略図である。 熱電デバイスのさらなる実施形態を示す概略図である。 熱電デバイスのさらなる実施形態を示す概略図である。 熱電デバイスのさらなる実施形態を示す概略図である。 熱電デバイスのさらなる実施形態を示す概略図である。 熱電デバイスのさらなる実施形態を示す概略図である。 熱電モジュールの実施形態を示す概略図である。 熱電モジュールのさらなる実施形態を示す斜視図である。

別段の指示がない場合、図面内で、同様のまたは機能的に同様の要素は、同じ参照符号を割り当てられている。

本開示では、用語「熱源」とは、そこから過剰な熱が、例えば熱電デバイスを通して移動されることになる要素または物体のことをいう。用語「ヒート・シンク」とは、熱を放散するまたは取り込むことができる要素または物体のことをいう。一般的に、熱源は熱電デバイスを通して冷却され、ヒート・シンクは加熱される。開示されるような熱電デバイスは、熱源からヒート・シンクに熱を移動させるためのヒート・ポンプと考えることができる。用語「断面」は、要素の断面積を画定するために使用される。「脚部」は、長手方向の長さおよび横方向の長さを有する構造である。脚部は、棒状または柱状の幾何形状を有することができる。場合によっては、長手方向の長さが横方向の長さを超える。しかし、他の縦横比を意図することができる。脚部の実施形態では、長手方向の長さは、熱源からヒート・シンクの方向またはその逆の方向にある。脚部は、電流および熱流を基本的に並列に搬送すると仮定することができる。

「抵抗性要素」は、脚部間でバイパス電流が流れることを可能にすることを意味するものであると理解される。抵抗性要素は、例えば、抵抗性材料または脚部の互いに対する特定の幾何形状あるいはその両方といった、様々な構造手段によって機能的に定義され、実装することができる。脚部間の横方向距離を減らすことによる脚部間の接触領域も、抵抗性要素としての機能を果たすことができる。抵抗性要素は、個別構造要素またはデバイスであってよいが、脚部の一部または脚部に一体化されてもよい。

熱電デバイスは、ペルチエ効果または熱電効果を使用する。ｐ型およびｎ型にドープされた半導体材料を、熱電材料として使用することができる。例えば、ビスマス、アンチモン、テルル化ビスマス、セレン化ビスマス、アンチモン化ビスマス、テルル化アンチモン、テルル化鉛、セレン化鉛、アンチモン化鉛、ケイ化鉄、ケイ化マンガン、ケイ化コバルト、ケイ化マグネシウム、ケイ化クロム、カルシウムマンガン酸化物またはこれらの組合せを使用することができる。熱電効果を示す他の半導体材料を意図することができる。

図１は、熱電デバイス１の第１の実施形態を示す。熱電デバイス１は、例えば、熱を放散する電気デバイスを冷却するために使用される。図１では、熱源２およびヒート・シンク３が示される。熱源は、冷却されることになる電気構成要素または別のデバイスであってよい。ヒート・シンク３は、例えば、デシペータまたは他の冷却要素であってよい。

熱電デバイス１は、脚部４、５の対１０を備える。図１の向きで、上側の脚部４はｎ型半導体であり、下側の脚部５はｐ型半導体である。脚部４、５のｎ型およびｐ型半導体材料は、金属層６を介して互いに取り付けられ、または電気的に接続されており、それによってｐｎ接合部１１を有効に形成する。接合部１１は、熱源２に面している。第１の脚部４に結合された電気的な接触部７および第２の脚部５に結合された電気的な接触部８がある。接触部によって、例えば、電気的な接触部７と電気的な接触部８との間に電圧を印加することにより、脚部４、５を直列に通って電流を入れることが可能になる。

２つの脚部５、４を含む熱電脚対１０は、熱源２とヒート・シンク３との間で、熱的に並列に結合され、電気的に直列に結合される。このことによって、熱源２からヒート・シンク３への熱流を図示する矢印ＨＦにより示される、左から右への熱移動が可能になる。ｐｎ接合部１１から離れて、例えば好適な半導体材料である抵抗性要素９が、２つの脚部４、５間に置かれる。抵抗性要素９によって、ペルチエ効果が使用される接合部１１から離れて２つの脚部４、５間にバイパス電流を流すことが可能になる。抵抗性要素９は、熱源２よりもヒート・シンク３に近い。

抵抗性要素９を追加することにより、脚部、ならびに第１の接触部７、第１の脚部４、接合部１１または金属層６、第２の脚部５および第２の接触部８の間の経路を通る電流分布を調整することができる。例えば、電流が、抵抗性要素９でバイパスを流れ、このことによって、熱電デバイス１の暖かいまたは熱い側で、ジュール加熱を増大させる結果になる。従来型の熱電デバイスと比較して、電気ブリッジまたは抵抗性要素９は、バイパス電流を可能にする。熱源２に面する側とヒート・シンクに面する側の間の温度差を増加することを達成することができる。熱電デバイスの性能は、ジュール加熱をもたらす電流をデバイスの高温側に向けてシフトするまたは集中することにより、改善することができる。

図２は、熱電デバイス１００の第２の実施形態を示す。熱電デバイス１００は、熱源２とヒート・シンク３との間に置かれる。熱電脚対１０は、第１の脚部４および第２の脚部５を有する。図２に示されるセクションでは、第１の脚部がｎ型材料を含み、第２の脚部がｐ型材料を含む２つの脚部４、５は、薄い金属層６により結合される。金属層１５および１６が、接合部１１に対して、脚部４、５の遠位端に設けられる。

２つの脚部４、５の間で、いくつかの抵抗性要素またはブリッジ９、１２、１３、および１４が、２つの脚部４、５の間にそれらの長手方向の長さに沿って置かれる。ブリッジまたは抵抗性要素９、１２、１３、１４によって、バイパス電流ｊ_９、ｊ_１２、ｊ_１３、ｊ_１４が脚部４、５間を流れることが可能になる。熱電デバイス１００を動作させると、例えば金属層１５を通して上側または第１の脚部４の中に電流ｊが入れられる。電流の一部は、脚部４を通って接合部１１に向かって流れ、第２の脚部５に入り、第２の金属層１６を通って熱電デバイス１００を出る。加えて、バイパス電流ｊ_９、ｊ_１２、ｊ_１３、ｊ_１４は、脚部４、５間のブリッジまたは抵抗性要素９、１２、１３、１４を通って流れる。適切にブリッジまたは抵抗性要素９、１２、１３、１４を分散させることにより、熱電デバイス内の電流密度、最終的には温度分布をチューニングすることができる。

出願人の調査は、図２に示されるような抵抗性要素なしの熱電デバイス１００では、３００Ｋにおいて０．９の熱電材料のＺＴ値を仮定し、０．１７Ｖの電圧を金属層１５および１６の接点間に印加するとき、６８Ｋの温度差を得ることができることを示す。しかし、抵抗性要素９、１２、１３、１４を含み、０．２６Ｖの電圧を印加することによって、図２の下部でグラフにより示される、最小温度１９５Ｋがもたらされる。したがって、熱電デバイス１０１を介して達成可能な温度差が増大される。モデル計算は、導電率１０^５×１／（Ωｍ）、３Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率、ならびにｐ型脚部では３×１０^−４Ｖ／Ｋのゼーベック係数およびｎ型脚部では−３×１０^−４Ｖ／Ｋのゼーベック係数を有するｎ型およびｐ型熱電材料に基づいて、実施された。

ＺＴ値は、熱起電力を効率的に生成する所与の材料の能力を表す数字であり、次式により定義される。

上式は、ゼーベック係数Ｓ、熱伝導率λ、電気伝導率σ、および温度Ｔに依存する。

図３は、図２に示されたものと同様の熱電デバイスの別の実施形態を示す。やはり、熱電材料を含む対１０を形成する２つの脚部４、５が示されており、これらは互いに金属層６を介して結合される。脚部４、５間に複数のブリッジまたは抵抗性要素９、１２、１３、１４が置かれる。抵抗性要素９、１２、１３、１４は、単に例として示される。デバイス１０１内に、描かれた抵抗性要素よりも多くのブリッジがあってよい。ブリッジまたは抵抗性要素９、１２、１３、１４は、互いに対し、距離ｄ_９、ｄ_１２、ｄ_１４だけ離間される。互いに対する距離を調節することにより、熱電デバイス１０１にわたる電流分布を調節することができる。例えば、距離ｄ_９およびｄ_１２は、金属層６により実現される接合部の隣にある、ブリッジ要素１４または抵抗性要素の距離ｄ_１４よりも短い。

ブリッジまたは抵抗性要素９、１２間の距離が、脚部の、ヒート・シンクに面する側から熱源に面する側の距離の関数として増加する実施形態を意図することができる。このことによって、ヒート・シンクに近い領域を通って流れる電流がより多くなり、電流により生成される熱をより容易に取り出すことができる。

ブリッジまたは抵抗性要素の材料または幾何形状を調節することにより、２つの脚部４、５内の電流密度も変更することができる。別の実施形態が図４に示されており、ここでは、熱電デバイス１０２は、金属層６により互いに直列に結合され、電流を入れるための金属層１５、１６を有する２つの脚部４、５を含む。複数のブリッジまたは抵抗性要素９、１４（図４では、そのうちの２つのみが示される）は、熱電脚対１０の２つの脚部４、５を電気的に結合する。ブリッジまたは抵抗性要素９、１４は、所定の断面Ａ_１４、Ａ_９を有する。例えば、ヒート・シンク（図示せず）に近い断面Ａ_９は、ヒート・シンクから遠い断面Ａ_１４よりも大きい。結果として、異なるバイパス電流が２つのブリッジを通る。電流ｊ_９は、通常、電流ｊ_１４よりも大きい。したがって、大きいバイパス電流が生じるところでジュール加熱が特に発生し、そのため、全体の温度勾配は、右手側のヒート・シンクに向かってより急峻になる。

図５は、熱電デバイス１０３のさらに別の実施形態を示す。デバイス１０３は、金属層６を介して互いに結合される、２つの熱電脚部４、５を備える。２つの金属層１５、１６が示される。熱電脚対１０の長さはｌにより示される。別個のブリッジまたは抵抗性要素の代わりに、第１の脚部４と第２の脚部５の間の領域は、抵抗性充填材９０で充填される。例えば、抵抗性充填材９０によって、２つの脚部４、５間のバイパス電流が可能になる。好ましくは、抵抗性充填材９０に使用される材料は、例えば、抵抗性充填材９０のための材料のコンダクタンスが温度とともに増加する温度依存特性を示す。逆に、抵抗性充填材９０の、ヒート・シンクに面する側と熱源に面する側との間の抵抗率は、熱源に向かって増加する。このことは、図５の下部に示されており、ここで、実線の曲線Ｔは、長さｌの関数としての温度プロファイルを示し、点線の曲線Ｒは、２つの脚部４、５間の抵抗を指す。例えば、温度依存性抵抗率または伝導率を示す有機材料を意図することができる。温度がヒート・シンクに面する側（右）から熱源に面する側（左）に減少すると、バイパス電流密度は、温度とともに増加する。

別の実施形態が図６に示される。熱電デバイス１０４は、上側の第１の脚部４および下側の第２の脚部５を有する。対１０の熱電脚部４、５は、金属層６により左で結合される。脚部４、５間に抵抗性ブリッジまたは抵抗性要素９、１４が置かれ、前に詳述されたようにバイパス電流が流れることを可能にする。左手側に（熱源に向かって）面する抵抗性要素１４は断面Ａ_１４を有し、一方、右手側（ヒート・シンク）に向かって面する抵抗性要素９は断面Ａ_９を有することがわかる。Ａ_９はＡ_１４よりも大きく、それによって、断面積がコンダクタンス値に換算されるので、バイパス電流を増加することが可能になる。

さらに、脚部４、５の断面自体が、脚部４、５の長手方向の長さに沿って変化する。各脚部４、５は、３つのセクション４１、４２、４３、５１、５２、５３を有し、それにより、各々は、参照番号Ｂ_４１、Ｂ_４２、Ｂ_４３、Ｂ_５１、Ｂ_５２、およびＢ_５３により示される異なる断面を有する。金属層１５および１６が、脚部４、５間に電圧を印加するために設けられる。示された方式で脚部の断面をスケーリングすることにより、ジュール加熱が、大部分は、ヒート・シンク側（図６では右手側）で生じる。したがって、全体の熱移動が、より効果的に生じる。

図６に示されるような脚部断面の段階的な変化を使用する代わりに、脚部は、断面積が連続的に変化することができる。これは、図７による実施形態で示される。熱電デバイス１０５は、金属層６を介して互いに結合された２つの脚部５４および５５を有し、脚部の厚みは、ヒート・シンク（右手側）に向かって、脚部の長さに沿って増加する。脚部５４と脚部５５を電気的に結合するオプションの抵抗性要素とともに、この方策によって、図６に関して上記で説明されたように、温度の広がりをもたらし、それにより、熱電デバイス１０５を特に効率的にする。

１つまたは複数の抵抗性要素は、脚部５４、５５間の別個のブリッジまたは充填材９１あるいはその両方であってよい。図７では、抵抗性材料を含む充填材９１が例として示される。長手方向の長さに沿った脚部５４、５５の厚みの変化は、脚部間の充填材９１の抵抗性材料の「厚み」の変動に換算される。結果として、充填材９１に関して抵抗性要素の抵抗率は、ヒート・シンク（図示せず、図７では右手側）に向かって減少することができる。図７の実施形態に示された脚部５４、５５の漸減および特殊な抵抗分布によって、デバイス１０５内の温度移動および温度分布の改善をもたらすことができる。

脚部の長さに沿った、他の幾何形状および断面変動を意図することができる。実施形態では、脚部は、熱源とヒート・シンクとの間の領域で互いに部分的に取り付けられ、そのようなｐｎ接合部を通るバイパス電流を実装することができる。

図８は、前に描かれたような複数の熱電デバイスを備える熱電モジュールの概略図を示す。図８は、熱電モジュール６０の断面を示す。熱電モジュール６０は、熱源２とヒート・シンク３との間に置かれる。ヒート・シンク３は、例えばデシペータを有する。点線の枠１に示される複数の脚対は、２つの基板１８、１７間に置かれる。基板１８、１７は、特定の機械剛性を保証することができる。図８では、金属結合部６を有する１対の脚４、５だけが参照符号により明示的に示される。それぞれの脚部は、例えば、柱形状を有することができる。図８は、熱源に面する側とヒート・シンクに面する側との間の、複数の直列な交互に結合された脚部を示す。直列に結合された、ｎ型材料およびｐ型材料が交互にある。脚部は、全て電気的に直列に結合されるが、ヒート・シンクと熱源の境界面に対して熱的に並列に結合される。電気的な接触部７および８が、熱電モジュール６０の中に電流を入れるために設けられる。モジュールは、任意の数の、上に記載した熱電デバイスの実施形態を備えることができる。

図９は、熱電モジュール６１のさらなる実施形態の斜視図を示す。図８の図面と同様に、複数の熱電脚対１０、少なくとも対１０から選択されたものは、バイパス電流が流れることを可能にするブリッジまたは抵抗性要素９を有する。脚部は、配列状の方式で基板１８から突出して配置される。ｎ型の脚部４は、斜線で示された面で図示され、ｐ型の脚部５は白い面を有する。上側の基板１７は、破線の外形で図示される。電気的な接触部７および８が設けられて、電流を熱電モジュール６１の中に入れ、上側の金属層６の接触部および下側の金属層６’の接触部が、脚部の直列接続を実施する。

開示される熱電デバイスおよびモジュールは、熱源からヒート・シンクへの効果的な熱移動を可能にすることができる。特に、電気チップ、ＣＣＤチップなどの冷却を必要とする物体は、そのような熱電モジュールに取り付けることができる。本発明による熱電デバイスおよびモジュールの実施形態は、間に熱電脚部を有する多くて２つの基板を必要とする。このことは、同じ性能に到達するために、または劣った性能に到達するためにさえ、いくつかの基板を必要とする従来型の複数ステージの熱電モジュールを超える利点を実現する。

本発明の様々な実施形態の記載が説明のため提示されてきたが、それらの記載は網羅的であること、または開示される実施形態に限定されることを意図していない。記載された実施形態の範囲および精神から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が、当業者に明らかとなるであろう。本明細書で使用された用語は、実施形態の原理、実用的な用途もしくは市場に見られる技術に対する技術的な改善を最も良好に説明するため、またはその他を可能にするために選択された。

１ 熱電デバイス
２ 熱源
３ ヒート・シンク
４ 脚部
５ 脚部
６ 金属層
７ 接触部
８ 接触部
９ 抵抗性要素
１０ 熱電脚対
１１ 接合部
１２ 抵抗性要素
１３ 抵抗性要素
１４ 抵抗性要素
１５ 金属層
１６ 金属層
１７ 基板
１８ 基板
４１ ｎ型脚部のセクション
４２ ｎ型脚部のセクション
４３ ｎ型脚部のセクション
４４ ｎ型脚部
５１ ｐ型脚部のセクション
５２ ｐ型脚部のセクション
５３ ｐ型脚部のセクション
５４ ｐ型脚部
６０ 熱電モジュール
６１ 熱電モジュール
９０ 抵抗性要素
９１ 抵抗性要素
１００ 熱電デバイス
１０１ 熱電デバイス
１０２ 熱電デバイス
１０３ 熱電デバイス
１０４ 熱電デバイス
１０５ 熱電デバイス
ＨＦ 熱流
ｊ 電流
Ｔ 温度
Ｒ 抵抗
Ａ_ｉ 断面
Ｂ_ｉ 断面
ｄ_ｉ 距離
ｌ 長さ

Claims (15)

1. 熱源（２）からヒート・シンク（３）に熱を移動させるための熱電デバイス（１）であって、
   ｎ型半導体材料を含む第１の脚部（４）、およびｐ型半導体材料を含む第２の脚部（５）を有する少なくとも１つの熱電脚対（１０）であって、前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）が電気的に直列に結合される、前記少なくとも１つの熱電脚対（１０）と、
   前記熱源（２）と前記ヒート・シンク（３）との間で、前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）を電気的に結合する抵抗性要素（９）と
   を備える熱電デバイス（１）。
2. 前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）が、前記熱源（２）と前記ヒート・シンク（３）との間で並列に熱的に結合される、請求項１に記載の熱電デバイス。
3. 前記少なくとも１つの抵抗性要素（９）が、前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）との間の接合部（１１）を通して流れる電流を少なくとも部分的にバイパスするように構成される、請求項１または２に記載の熱電デバイス。
4. 前記少なくとも１つの抵抗性要素（９）が前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）との間に配置され、前記脚部（４、５）のジュール加熱が、前記ヒート・シンク（３）の側へと集中される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
5. 前記第１の脚部（４）または前記第２の脚部（５）あるいはその両方の断面が、前記熱源（２）から前記ヒート・シンク（３）の方向に沿って変わる、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
6. 前記少なくとも１つの抵抗性要素（９０）が、温度依存性コンダクタンスを有する材料を含む、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
7. 前記少なくとも１つの抵抗性要素（９０）が材料を含み、前記材料は、前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）との間に配置され、前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）との間の接合部（１１）と、前記第１の脚部（４）または前記第２の脚部（５）あるいはその両方に電流（ｊ）を入れるための接触部（７、８）との間で、前記第１の脚部（４）および前記第２の脚部（５）に少なくとも部分的に沿って延在する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
8. 前記熱源（２）と前記ヒート・シンク（３）との間で、前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）を電気的に結合する複数の抵抗性要素（９、１２、１３、１４）を備える、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
9. 各抵抗性要素（９、１２、１３、１４）が所定のコンダクタンスを有し、前記抵抗性要素（９、１２、１３、１４）の前記コンダクタンスが、前記熱源（２）の側に向かって増加する、請求項８に記載の熱電デバイス。
10. 前記抵抗性要素（９、１２、１３、１４）が前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）との間に延在し、前記抵抗性要素（９、１２、１３、１４）が、前記第１の脚部（４）および前記第２の脚部（５）の長手方向への長さに沿って、所定の距離（ｄ９、ｄ１２、ｄ１３）で、互いに対し離間される、請求項８または９に記載の熱電デバイス。
11. 前記抵抗性要素（９、１２、１３、１４）が前記第１の脚部（４）と前記第２の脚部（５）との間に延在し、前記抵抗性要素（９、１２、１３、１４）の少なくとも一部が他とは異なる断面形状を有する、請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
12. 互いに平行に配置される複数の前記熱電脚対（１０）を備える、請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
13. 少なくとも１つのグループの前記熱電脚対（１０）が電気的に直列に結合され、電流が、一連の交互に配置されたｎ型脚部およびｐ型脚部を流れることができる、請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
14. 複数の前記熱電脚対（１０）が、基板（１７、１８）上に配置される脚部の配列を形成する、請求項８ないし１３のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
15. 請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の少なくとも１つの熱電デバイス（１）を備え、少なくとも１つの脚対（１０）が熱源（２）とヒート・シンク（３）との間に接着される、熱電モジュール（６０）。

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