Thermoelectric cooling transient and transient heating system

本発明は非平衡条件での動作により、より高い効率の加熱及び/又は冷却条件を得ることができるように改良された熱電技術に関する。

熱電装置（thermoelectric device:ＴＥ）では、電流の存在下で、材料の両端間で温度勾配を発現するある種の材料の特性が利用されている。 従来の熱電装置では、装置の熱電材料として、Ｐ型及びＮ型の半導体が利用されている。 これらの半導体は、物理的、電気的に、加熱又は冷却に必要な機能が提供されるように構成されている。

熱電装置に関するいくつかの利用例には、自動車の座席の冷却システム、携帯用のクーラーや冷蔵庫、調剤システム、科学的な応用、エレクトロニクス及びファイバ光学システムの冷却、赤外線装置及びその他の多くの用途がある。 しかし、従来の熱電装置には、非効率性を招く多くの要因があり、従来の熱電装置の電流効率レベルによって、熱電装置の実用化が制限されている。

冷却及び加熱用の熱電装置に関するいくつかの基本方程式、理論、研究、試験方法及びデータは、Angrist、Stanley W., Direct Energy Conversion, 3d Edition, Allyn & Bacon, Inc., Boston, MA (1976)に記載されている。 図１ Ａは 、現在、熱電装置として使用されている最も一般的な装置構成を示す斜視図である。 一般に、Ｐ型及びＮ型の熱電素子１２は、アセンブリ１０内で、２枚の基板１４の間にサンドイッチにされている。 その熱電素子１２は、熱電素子１２の端部が半田付された銅のシャント(shunt)１６を介して直列に接続されている。 電流Ｉは、２つのタイプの素子を通過する。 直流電圧１８が供給されると、熱電素子の両端間で温度勾配が発生する。

本明細書でさらに詳しく説明するように、非平衡条件で熱電素子を動作させることによって、熱電（ＴＥ）装置におけるロスを減らすことができる。 特定の動作は、図１Ｂを参照することによって理解される。 図１Ｂには、コールド側１０１が位置０、ホット側１０６が位置Ｌである熱電素子の温度プロフィール１００に関する改善効果が示されている。 なお、ホット側１０６は、ヒートシンクであり、温度が時間に従って変化していない。 コールド側１０１の温度は時間とともに低下し、最終的には、時間ｔ _ｓで、時間に依存しない平衡プロフィール１０４、コールド側１０１の温度Ｔ _ＣＳに到達する。 コールド側１０１の平衡温度Ｔ _ＣＳは、コールド側１０１で伝達されたサーマルパワー(thermal power)の量に部分的に依存し、コールド側１０１に位置する作動流体又は対象物が、その温度に冷却される。

熱電素子の温度は、電流が供給される前には、均一な温度Ｔ _Ａであることが示されている。 時間ｔ _１における温度プロフィール１０２は、はじめに電流が供給された直後の温度分布を示しており、平衡となる時間ｔ _Ｓよりかなり前の状態である。 時間ｔ _１におけるコールド側１０１の温度はＴ _Ｃ１である。 Ｘ＝Ｘ _１の位置で、熱電素子内のジュール熱のために、周囲温度Ｔ _Ａより高くなる。 位置Ｘ＝Ｌでは、ヒートシンクが取り付けられているという条件であるので、ホット側１０６の温度はＴ _Ａとなる。 同様に、少し後の時間ｔ _２では、コールド側１０１の温度はＴ _Ｃ２でより低くなり、温度がＴ _Ａである熱電素子内の位置Ｘは、左側の位置Ｘ＝Ｘ _２に移動している。

時間ｔ _５まで、熱電素子内のジュール加熱部は、ホット側１０６のヒートシンクまで移動する。 ｔ _５では、その効果はゼロである。 わずかに時間が経過すると、熱がヒートシンク１０６から熱電素子に伝わる。 このように、時間ｔ _５までは、ホット側１０６のヒートシンクから熱電素子に熱が入らないので、位置Ｘ＝０におけるすべての冷却効果は、素子内に蓄積される。 さらに、ジュール加熱のロスのいくらかが、ホット側１０６から伝達される。 その結果、熱電素子のジュール加熱の量がわずかに減少する。

これらの組み合わされた効果によって、熱電素子からの冷却ロスが減少し、その結果、相殺された効果がもたらされる。 同様の効果が、加熱モードで、作動流体を冷却、加熱するための別々のセクションを備えた熱電システムでも達成される。

上記の効果を利用する装置の代表的な設計について、後に図面を参照して説明する。 なお、同じ又は同様の性能を示すこれらの設計及び関連する設計は、本発明の一部を示すものである。

熱電システムは、少なくとも１つの前記第１側及び少なくとも１つの前記第２側を備え、動作の間に、前記第１側と前記第２側との間で少なくとも１つの温度勾配を示すとともに、少なくとも１つの熱電アレーを形成する複数の熱電素子を備えている。 前記複数の熱電素子は、前記第１側又は前記第２側上の熱交換部と熱的に接触しており、前記熱電アレーの少なくとも一部が、少なくとも第１と第２の異なった電流レベルの間で動作するように構成され、少なくとも前記第１電流レベルが、実質的に最大の定常状態の熱電冷却又は熱電加熱を提供する電流レベル未満である。 一実施の形態では、少なくとも前記第１と第２の電流レベルの間における前記動作が、それぞれのレベルで実質的に過渡的又は非平衡である。 前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、前記第１電流レベルで動作する間、少なくとも１つの作動流体と熱交換するか、又は前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、前記第２電流レベルで動作する間、少なくとも１つの作動流体と熱交換することが好ましい。 前記第１電流レベルが、実質的に最大の定常状態の熱電冷却又は熱電加熱を提供する電流レベル未満、一実施の形態では実質的にゼロであることが好ましい。 一実施の形態では、前記第２電流レベルが、実質的に最大の定常状態の熱電冷却又は熱電加熱を提供する電流レベル未満又は以上である。

前記電流レベルが、少なくとも前記第１レベルと前記第２レベルの中で変化し、これらのレベルの間で変化し、及び／又はプログラムされたレベルの中又は間で変化する。 また、前記電流レベルは、正弦波形などの周期的なパターンを提供するように変化するものである。 また、前記レベルが、定常状態の動作において改善された効率を提供するように選択されている。

一説明例では、前記少なくとも１つの熱電アレーが、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、所定の期間、少なくとも１つの電源に接続され、所定の期間、少なくとも１つの電源から切り離されるように、移動可能に構成されている。 この構成によって、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、電源から切り離されている間、及び／又は電源に接続されている間、少なくとも１つの作動流体と熱交換することができるようになっている。

熱電素子の能動回路又は抵抗が調整されるように熱電素子を構成することによって、さらに優れた効果が達成される。 一実施の形態では、前記熱電アレーが、全体的に環状の構造であり、回転軸の周りで第１の方向に回転するように構成され、少なくとも１つの作動流体が、少なくとも１つの熱交換部に沿って、前記回転方向と反対方向に移動するようになっている。 同様に、少なくとも１つの作動流体が、前記第１の方向に少なくとも１つの熱交換部に沿って移動する。 前記熱電システムは、冷却、加熱又は冷却と加熱の両方に用いられる。

また、複数の熱電素子を備えた熱電システムの効率の改善方法が開示されている。 この方法は、少なくとも１つの第１側及び少なくとも１つの第２側を備え、動作の間に、前記第１側と前記第２側との間で少なくとも１つの温度勾配を示すとともに、少なくとも１つの熱電アレーを形成することを含んでいる。 また、この方法では、少なくとも第１と第２の異なった電流レベルの間で、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかを動作させるために、非定常状態で、前記少なくとも１つの熱電アレーにおける前記熱電素子のうちの少なくともいくつかに電力を供給するステップを含み、少なくとも前記第１電流レベルが、実質的に最大の定常状態の熱電素子の冷却又は加熱を行う電流レベル未満である。

一実施の形態では、熱電素子のうちの少なくともいくつかが、少なくとも１つの作動流体と熱交換を行う。 前記熱電素子のうちの少なくともいくつかが、熱電素子が前記第１電流レベルで動作している間及び／又は熱電素子が前記第２電流レベルで動作している間、少なくとも１つの作動流体と熱交換する。 前記第１電流レベルが、実質的に、最大の定常状態の熱電冷却又は熱電加熱を提供する電流レベル未満であることが好ましい。 一実施の形態では、前記第１電流レベルが実質的にゼロである。

前記電流レベルは、予めプログラムされているか、可変であるか又は別の方法で供給されてもよい。 また、電流は周期的なパターンで供給されてもよい。 一例では、前記熱電素子のうちの少なくともいくつかに電力を供給するステップが、所定の期間、電源に前記熱電素子を接続するステップと、所定の期間、前記熱電素子の接続を遮断するステップとを含んでいる。

さらに別のステップは、前記熱電素子のうちの少なくともくつかの抵抗を調整することを含んでいる。

以下に、説明及び例示を目的として、例及び特定の実施の形態を利用して、本発明を紹介する。 紹介する様々な例は、必要な改良を行うためにはどのような構成を採用することができるかを示すために提示されるものであり、それらの特定の実施の形態は、説明することだけを目的とするものであって、本明細書で説明する本発明を限定することを意図するものではない。 また、本明細書で用いられる用語「熱電素子」(thermoelectric element)は、素子の集合体又は素子のアレーだけではなく、個々の熱電素子をも意味している。 さらに、用語「熱電(thermoelectric)」は限定的ではなく、「熱電子(thermoionic)」及びその他すべてのソリッドステートの冷却装置及び加熱装置を含んで使用されている。 また、用語「ホット」及び「クール」又は「コールド」は、相対的であることを意味し、室温又は類似の温度に関連する特定の温度を意味するものでもない。 最後に、用語「作動流体」は、１つの流体に限定されるのではなく、１つ以上の作動流体を指す場合がある。

特に断りのない限り、以下の説明は、冷却装置の観点に基づいている。 すなわち、主な生成物は冷却された流体であり、廃棄されるものは温かい。 なお、熱電装置への電力供給の極性を逆にすることによって、逆の効果を得ることができる。

図１Ｂは、熱電素子内の過渡温度プロフィールを示すグラフである。 図１Ｂで説明される原理は、以降の説明でも利用される。 また、以下に説明する装置では、素子に過渡的な電力が供給される条件で、図１Ｂに示されている状態が生じ、素子の温度プロフィールは、最終的にｔ _ｓで示されるプロフィールになる。 図示されているように、通常例えば非平衡な電力供給に対して、冷却側の動作温度は、Ｔ _Ａと定常状態の温度Ｔ _ＣＳとの間に降下する。 なお、温度Ｔ _ＣＳは、実質的に、熱電素子の定常状態の電流による動作に対して、もっとも冷却された温度（最低温度）である。 これによって、電力−熱変換が増加し、システム全体の効率が向上するという利点がある。 なお、用語「過渡」は、「パワーオン」及び「パワーオフ」状態に限定されず、あらゆる特定のデューティサイクル(duty cycle)又はオンタイムにも限定されないことが理解されるべきである。 また、「過渡」は、熱電システムにおける非平衡の電力供給又は少なくともいくつかの熱電素子に対する変化する電力供給を表すために単に使用される。

図２Ａ及び２Ｂは、熱電素子の過渡電力供給の効果を示す実施の形態に係る熱電冷却器（熱電装置、熱電システム）２００を示す図であり、図２Ａは全体的な配置、図２Ｂは、図２Ａの面に直角な線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。

冷却及び加熱用の熱電装置の過渡運転によって、熱電システムの性能が改善される。 この熱電システムは、高い熱束を示す材料で構成されているか、又は高い熱束(thermal flux)を示す熱電素子のディメンジョンを備えている。 そのようなシステムの例には、ヘテロ構造の素子で、通常、厚さが約５μｍである、厚さ０．５ｍｍ未満の素子を備える、従来のビスマス／テルリウム／セレニウム合金で構成されたシステム、及びいくつかのクラスレート(clathrate)や金属合金などの高い熱伝導性材料を使用するシステムがある。 高熱束率で高い効率のシステムとするために、本明細書で説明されるコンセプトを採用する構成が利用される。 すなわち、過渡モードで熱電素子に電力を供給することによって、熱ロスを減少させることができる。 さらに、過渡モードでの動作によって、熱電素子の界面間で、非常にわずかな初期温度の差が生じる。 その温度差によって、定常状態における効率的な動作よりも、より低い電流密度において少なくとも一部の動作サイクルに対する効率的な動作が可能になる。

一般に、過渡動作は、効率を向上させるために採用される。 また、一般に、過渡電力供給は、少なくとも２つの電流レベルの間で起こるが、２つを超える電流レベルを選択することもできる。 第１電流レベルはゼロであるか、又は実質的に最大の定常状態にある熱電冷却となるレベル未満であるゼロ以外のいくつかの電流レベルであることが好ましい。 ゼロ以外の第１電流レベルに関しては、そのレベルは、実質的に最大の定常状態の熱電冷却となるレベル未満であることが好ましい。 少なくとも第２電流レベルは、実質的に最大の定常状態の熱電冷却となる電流レベル未満、又はそれ以上である。

通常、電流レベルは、効率を向上させることができるレベルが選択される。 上述のように、好ましい実施の形態では、電流は、スイッチオン／オフ、又は予めプログラムされているか又は周期的ないくつかの態様で供給される。 その結果、熱電システムへの定常状態の電流供給によって得られる最低温度（Ｔ _ＣＳ 、冷却の場合）に変化させる（冷却に関しては周囲より十分に低いことが好ましい）コールド側（又はホット側）の温度を得ることができる。 以下の説明において、熱電素子は、少なくとも第１電流レベルと第２電流レベルとの間で切り換えられて動作する。 また、３つ以上の電流レベル間の切り換えが利用される。 これは、最大の定常状態における冷却の電流レベルを超える冷却が、実質的に最大の定常状態における冷却（冷却の場合）又は加熱（加熱の場合）を提供する定常状態の電流レベルを超える電流の一時的な増加によって、熱電素子から得られるシステムから区別されるべきである。

熱電装置は、導入口２０２及び排出口２０３を備えたハウジング２０１に囲まれている。 ハウジング２０１内には、熱伝導性の良いセクション２０５と断熱性の良いセクション２０６に分けられた中央のハブ２０４が設けられている。 ハブ２０４とハウジング２０１との間には、熱電素子２０８を含むセクション２１０で構成された実質的に環状のアレー２０７が配置されており、熱電素子２０８は、それらの外側端部が熱交換部（例えば図２Ｂに示されているようなフィン２０９で構成されている）と熱的に良好な接触が維持されている。 セクション２１０同士の間及び熱電素子２０８同士の間には、断熱性材料が配置されている。 また、フローブロッキングシュラウド２１３が、ハウジング２０１のうち円周の一部分２１２に対応する部分に取り付けられている。 その部分２１２によってカバーされる角度は、ハブ２０４の熱伝導性の良いセクション２０５でカバーされた部分と実質的に同じである。 フローブロッキングシュラウド２１３によって、熱交換部のフィン２０９同士の間のスペースが埋められている。 ただし、フローブロッキングシュラウド２１３と熱交換部のフィン２０９との間は接触していない。 フローブロッキングシュラウド２１３とフィン２０９との間のギャップは、熱交換媒体の流れを効果的に妨げることができるように十分狭くなっている。 電力はスライディングコンタクト２１４によって、熱電素子２０８に供給される。 これらのスライディングコンタクト２１４は、すべてのセクション２１０の端子が、そのセクションがフローブロッキングシュラウド２１３内にある間だけ、スライディングコンタクト２１４と電気的な接触が維持されるように配設されている。 冷却の場合には、電流の極性が、熱交換部のフィン２０９と良好な熱的接触が維持されている、熱電素子２０８の端部がより冷却されるように設定される。

ハウジング２０１、フローブロッキングシュラウド２１３及びハブ２０４は固定されている。 環状のアレー２０７は、反時計回りに回転する。 熱交換流体（液体、スラリー又は気体）は、温度Ｔ _Ａで導入口２０２を介して熱電装置内に入り、フローブロッキングシュラウド２１３内に位置するものを除く熱交換部のフィン２０９の間を時計回りに通り抜ける。 また、熱交換流体は、断熱性材料２１１によって、熱電素子２０８の中を流れないように、流れが妨げられている。 熱交換流体は、排出口２０３を通って熱電装置から出ていく。 このように、熱電装置は、２つの領域、すなわち、電力供給領域（フローブロッキングシュラウド２１３が位置する領域）と、電力が供給されない領域２１５とに分けられている。 さらに、例えば、冷却の場合には、電力供給領域では、熱電素子２０８及び熱交換部のフィン２０９は、熱電素子２０８の発熱側が冷却されるように熱伝導性のよいセクション２０５（ 熱伝導性物質）と、第１ 領域の間、熱的に接触し、電力が供給されない領域２１５では、熱電素子２０８及びフィン２０９は、流体が冷却されるように熱交換が行われる熱交換流体（ 熱交換物質）と、第２ 領域の間、熱的に接触する。

図２Ａ及び２Ｂに示した熱電システムには、電力が供給される領域と電力が供給されない領域とがある。 このシステムの場合、２つの異なった領域を、２つ以上の異なった電流レベル、すなわちゼロ及びゼロ以外の電流レベルで構成することも可能なことが理解されるはずである。

環状のアレー２０７の回転速度は、セクション２１０がフローブロッキングシュラウド２１３（この中では、それらに電力が供給されている）内に位置する時間の間に、それらのセクションが、所定の温度差に到達するように選択される。 また、シュラウドされていない部分を回転し通過するのに、セクション２１０にとって十分な時間が費やされる。 そのため、セクション２１０は、熱交換流体と熱交換部のフィン２０９との間で熱含量の交換が行なわれ、ほぼ周囲温度に戻る。 このように、図２Ａの場合には、熱交換流体は、一端側のセクションＡにある導入口２０２に入る時に冷却され始め、熱交換流体が排出口２０３から出る時に、冷却された温度Ｔ _Ｃに到達する。 廃熱は、ハブ２０４の熱伝導性の良いセクション２０５に集められる。 この廃熱は、ハブ２０４の断熱性の良いセクション２０６によって、熱交換領域（電力が供給されない領域２１５）を通過する時に熱電素子２０８に逆流しないようになっている。

図２Ｂは、スライディングコンタクト２１４を介して、電流がアレー２０７の一端部からもう一方の端部へ流れるように、多数の熱電素子２０８が配列され、電気的に接続された装置の構造を示す断面図である。 一つの方向の電流は熱交換部のフィン２０９を冷却し、その逆方向の電流は熱交換部のフィン２０９を加熱する。 そのように配列された熱電素子２０８の数は１つ以上であり、回転するハブ２０４への電気的な接続が容易なように、偶数であることが好ましい。 このように構成された熱電素子２０８のそれぞれの列には、図２Ｂに示したようにスライディングコンタクト２１４が配置され、また、少なくとも一方の端部が、他の列から電気的に分離されている。 上記のようにデザインすることによって、それぞれの列は、他の列とは独立に電力が供給される。

熱電素子２０８の両端間の温度差が増加するに従って、電流を変化させることが有利である。 上記のように、多くの異なった方法で電流を変化させることができる。 図に示した装置では、電流のレベルは、１つのゼロレベル及び１つ以上のゼロ以外のレベルに限定されるものではない。 上記のように、プログラムされた一連の電流変化によって、また、効果的にゲインを得るための非平衡で電流を変化させるあらゆる方法によって、電流を変化させることができる。 なお、列間の熱的な分離に関しては、２００１年４月２７日に出願された係属中の米国特許出願０９／８４４，８１８号に詳しく開示されており、その内容は、本明細書において参考として組み込まれるものである。 さらに、２００１年５月１８日に出願された「Efficiency Thermoelectric Utilizing Convective Heat Flow」というタイトルの米国特許出願０９／８６０，７２５号に記載されているように、効率の向上は対流によって得ることができる。 その内容は、本明細書において参考として組み込まれるものであり、本明細書で説明される原理及び構成と組み合わされるものである。

図３は、図２Ａ、２Ｂに示した熱電素子２０８のコールド側に位置する熱交換部のフィン２０９における温度カーブ３０６を含む温度プロフィール３００を示すグラフである。 位置Ａ（図２Ａ参照）３０２では、コールド側に位置する熱交換部のフィン２０９の温度がＴ _Ａである。 位置Ｂ（図２Ａ参照）３０３では、コールド側に位置する熱交換部のフィン２０９の温度がＴ _Ｃである。 熱電素子２０８が位置３０４に戻ると、コールド側の熱交換部の温度は再びＴ _Ａに戻る。

熱電素子２０８が位置Ａ３０２から位置Ｂ３０３へ移動すると、熱電素子２０８は温度Ｔ _Ｃに冷却されるので、コールド側に位置する熱交換部のフィン２０９の温度は、Ｔ _ＣまでのΔＴ _Ｃだけ降下する。 位置Ｂ３０３で、熱電素子２０８へ電流が流れなくなり、それらの熱電素子２０８は、反時計回りに回転しながら、排出口２０３の近くで図２Ａに示した流体の流れの中に入る。 コールド側に位置する熱交換部のフィン２０９が位置Ｂ３０３から位置Ａ３０２まで反時計回りに回転すると、フィン２０９は、図２Ａに示した流体の流れから熱を吸収して、カーブ３０６によって示されているように、位置Ａ３０４では温度Ｔ _Ａまで温められる。 位置Ａ３０４で、熱交換部のフィン２０９とともに、その位置の熱電素子２０８は、導入口２０２の近傍の流体から分かれて回転する。 位置Ａ３０４は、位置Ａ３０２と物理的に同じ位置であるので、熱電素子２０８には、それらが位置Ｂ３０３に移動する間に再び電流が供給され、このサイクルが繰り返される。 熱交換領域（電力が供給されない領域２１５）を通り抜ける流体の温度プロフィールは、熱交換流体が、導入口２０２近傍の位置「Ａ」から排出口２０３近傍の位置「Ｂ」まで移動するときに、Ｔ _ＡからＴ _Ｃまでほぼ直線的に変化するものであることが好ましい。

サイクルスピードを決定する主要なパラメータは、供給される電流、熱電素子２０８及び熱交換フィン２０９のアセンブリのサーマルマス(thermal mass)、作動流体の物性及び流体の流速である。

図４Ａは、Ｎ型及びＰ型の熱電素子４０１と、下部電極４０３と、上部の熱交換部４０２（図には実施の形態に係るフィンが示されている）とで構成された熱電素子アセンブリ４００を示す断面図である。 図４Ａに示した例の場合には、熱交換部４０２は、熱電素子４０１を電気的に接続する上部電極を兼ねている。

周知のように、熱電素子アセンブリ４００が動作する場合には、電流（図示されていない）が、左側の下部電極４０３から、左側の熱電素子４０１、熱交換部４０２及び右側の熱電素子４０１を通り、最終的に右側の下部電極４０３に流される。 電流の向きに応じて、熱交換部４０２は、冷却されるか、加熱されるかのいずれかとなる。

図４Ｂは、図４Ａに示した熱電素子アセンブリ４００と同じサイズ、同じ幾何学的形状の熱電素子アセンブリを示す図である。 ただし、図４Ｂには、熱交換部４０２をより明確に定義するために、熱交換部４０２の長さＬ _Ｓが追加されている。 また、熱電素子４０１の長さＬ _Ｔも追加されている。

熱交換部４０２の熱容量と重さと共に、長さＬ _Ｓは、熱交換部４０２のサーマルマス及び熱流の特性を定義するのに必要である。 同様に、Ｌ _Ｔは、熱容量及び熱電素子４０１の重さを定義するのに必要であり、Ｌ _Ｔによって、熱電素子４０１のサーマルマス及び熱の流れ特性が決定される。 熱交換部４０２の熱量の割合は、熱電素子４０１の熱量の１〜５０倍であることが好ましい。 実際の値は、サイズ、熱電アセンブリの回転速度、作動流体の流速など、熱電装置全体の目標の動作特性に従うものである。 一般に、上記の割合が大きければ大きいほど、完全なシステムの動作は準平衡に近づく。

図５は、位置Ｘ＝０にホット側５０４、位置Ｘ＝Ｌに温度Ｔ _Ａのコールド側のヒートシンク５０２を備えた熱電素子の温度プロフィール５００を示すグラフである。 電力が供給された直後の時間ｔ _１では、温度プロフィール５０１であり、Ｘ＝０におけるホット側５０４の温度はＴ _Ｈ１ 、その時にホット側５０４からの熱はＸ＝Ｘ _１まで伝導している。 最終的な温度プロフィール５０６はｔ _ｓであり、ホット側５０４の温度はＴ _ＨＳで、その時、定常状態の温度プロフィール５０６が確定される。 中間の時間で、時間ｔ _ｉにおける温度プロフィール５０３は、ホット側５０４の温度Ｔ _Ｈｉであり、位置Ｘ _ｉが、時間ｔ _ｉまでにホット側５０４から熱が拡散した位置である。

加熱モードでは、ヒートシンク５０２に関する温度プロフィール５０１、５０６及び５０３おける傾斜によって示されるように、少しの部分の熱がヒートシンクに失われることを除いて、熱電素子４０１にジュール熱が発生する。 熱電装置には、熱電素子４０１への熱の浸透の深さである位置Ｘ _ｉがＬに到達するまで、電力が供給されることが好ましい。 ただし、熱電装置には、熱電素子が平衡温度プロフィールｔ _ｓ ５０６に到達するように、長時間電力を供給することができる。 このような運転は、例えば、熱電変換を向上させるために、またある場合には、システム全体の効率を高めるために行われる。

図６は、加熱モード及び冷却モードで動作するように、図２Ａ及び２Ｂに示した２つの装置が連結された装置の実施の形態を示す斜視図である。 このような構成とする目的は、熱伝導の良好なセクションで集められた熱を伝達すること、その装置から放出される熱の伝達をマッチさせることである。 冷却側６０１と加熱側６０２との間では、発生したすべての熱は一方側にあり、ハブへ送られる（図２Ａ及び図２Ｂに示したハブ２０４、２０５及び２０６と機能的に等しい）。 冷却側６０１及び加熱側６０２は、共通のハウジング６０３、共通の熱交換流体の導入口６０４及びハブに沿った駆動用モータ６０５を共有することが好ましい。 なお、ハブは加熱側６０２から冷却側６０１へ熱を伝達する役割を果たす。 冷却又は加熱された流体は、それぞれの排出口６０６、６０７を通って装置から出ていく。

図７は、冷却側７０４、加熱側７０５及びヒートシンク７０８を備え、短時間後のｔ _１に、図示した温度プロフィール７０３となるように電力が供給される熱電装置における温度プロフィールを示すグラフである。 時間ｔ _１に対応する位置Ｘ _１は、時間ｔ _１で、冷却が熱電素子に浸透した距離を示している。 プロフィール７０２は、時間ｔ _ｉにおける同様な状態を示している。 温度プロフィール７０１は、定常状態におけるプロフィールである。

このグラフは、過渡的な電力供給操作の間に得ることができる、さらに別の利点を説明するために示されている。 その利点は、熱電素子部における抵抗加熱を防止することによって得られるもので、その抵抗加熱は過渡的な電力供給が行なわれる動作の間には、有効には作用しない。 上記の効果は、時間の関数に従って、加熱又は冷却が熱電素子に浸透した位置を追跡する回路を設けることによって達成することができる。

例えば、時間ｔ _ｉで、熱電素子部の位置Ｘ _ｉの左側におけるジュール抵抗加熱は、電流が熱電素子を通ってＸ _ｉからＬに流れ続けないように、位置Ｘ _ｉで熱電素子の終端となる電気回路を設けることによって無くすことができる。 このように、Ｘ _ｉからＸ＝Ｌの終端への抵抗パスが除かれ、熱電素子のその部分では、冷却（又は加熱モードにおけるジュール抵抗加熱）のための電力の利用が行なわれない。 その部分では、ヒートシンク７０８に熱が失われる。 時間の経過とともに、時間ｔ _ｓの定常状態に到達するまで、その回路により多くの熱電素子が含まれていき、時間ｔ _ｓですべての熱電素子がその回路に含まれる。 いくつかの環境下では、回路パスの長さは、位置Ｘ _１ 、一般的にはＸ _ｉの右に対応しているので、回路設置位置Ｘ _ｉでいくらかの熱損失が生じる。 このことには、サーマルパワーを増加させ、いくつかの場合には、システム全体の効率を高くするように作用するという特長がある。

上記の効果は、例えば、図８Ｂ、９及び１１に示したように設計することによって達成される。 ただし、本発明は、上記のように、熱電素子の幾何学的形状又は回路パスを時間とともに変化させることによって、冷却（又は加熱）される側とは反対側における端部で熱ロスが減少するという特性を示す構造をすべて含んでいる。

図８Ａ及び８Ｂは、図２Ａ、２Ｂに示した装置と同様な実施の形態に係る熱電装置を示す断面図である。 ただし、電流が、作動流体に対して熱伝達が生じる場所である、アセンブリの角部を流れる点、有効な長さすなわち抵抗を変化させる機能が追加されている点、図７に関して説明された特長を得るための回転位置の関数としての熱電素子が追加されている点が異なっている。 これは、電力が供給され、熱電素子８０８が回転する際に、時間に伴う温度プロフィールの変化に従って、熱電素子の抵抗を最適化することを目的としている。 図８Ａ、８Ｂに示した装置と図２Ａ、２Ｂに示した装置に関するさらに別の相違点は、図８Ａ、８Ｂに示した装置では、熱交換部のフィンが熱電素子８０８と共に回転しないということである。

図８Ａは、熱電システム（熱電装置）の全体の構成を示す断面図であり、図８Ｂは、図８Ａに示した切断線８Ｂ−８Ｂに沿った位置における断面図である。 熱電システム８００は、導入口８０２と排出口８０３を備えたハウジング８０１内に収められている。 ハウジング８０１には中央ハブ８０４が設けられており、中央ハブ８０４は熱伝導性の良いセクション８０６及び断熱性の良いセクション８０５に分けられている。 また、ハウジング８０１内には、ハウジング８０１に固定され、領域８１６をカバーする部分的にリング状の熱交換部のフィン８０９が設けられている。 ハブ８０４と熱交換部のフィン８０９との間には、熱電素子８０８がリング状に並べられて配置されており、熱電素子８０８の外側端部は、熱伝導性グリース８１０などの熱伝導性材料によって、良好な熱接触が維持されている。 熱電素子８０８同士の間には、電気絶縁性及び好ましくは断熱性の材料８１１（図８Ｂ参照）が配置されている。 領域８１２内は、断熱性材料８１３により、流体の流れが遮断されるようになっていることが好ましい。 熱電システム８００における領域８１２は、ハブ８０４の断熱性の良いセクション８０５と実質的に同じ角度をカバーしている。 電力は、電気回路又はコンタクト８１４によって熱電素子８０８に供給される。 コンタクト８１４は、対応する熱電セクションが流体の流れが遮断される領域８１２の外側に位置する間、端子８１５への電力供給が維持されるように配置されている。 冷却に関しては、電力の極性は熱伝導性のグリース８１０に接する熱電素子８０８の端部が冷却されるように設定される。 図２Ａ及び図５に示したように、逆向きに電流を流すと加熱される。

ハウジング８０１、流れ遮断用の断熱性材料８１３及びハブ８０４は固定されている。 熱電素子８０８で構成されたリング８０７は反時計回りに回転する。 熱交換流体（液体、スラリー又は気体）は、温度Ｔ _Ａで導入口８０２を通って装置内に入り、反時計回りに熱交換部のフィン８０９間を通り抜ける。 また、熱交換流体は、断熱性材料８１１によって、熱電素子８０８の周りを流れないようになっている。 熱交換流体は排出口８０３から、装置の外へ排出される。 上記のように、装置は電力が供給されない領域８１２及び電力が供給される領域８１６の２つの領域に分割されており、電力が供給される領域８１６の間で、熱交換流体との熱交換が行われる。 環状のアレーの回転速度は、熱電素子８０８のセクションが、流れが遮断される断熱性の領域８１２を通過するのに要する時間の間に、実質的に平衡状態に戻るような速度に選択される。 電力が供給される領域８１６では、除かれた熱含量の部分を熱交換部のフィン８０９、さらに熱交換流体と熱交換する間に、もっとも好ましい温度差に到達する。 このように、図８Ａでは、熱交換流体は、導入口８０２に位置したセクションで冷却（加熱）され始め、排出口８０３で最も低い（最も高い）温度に到達する。 廃熱はハブ８０４の熱伝導性の良いセクション８０５に集められる。 この廃熱は、ハブ８０４の断熱性の良いセクション８０６によって、熱交換が行なわれる領域８１６に伝わらないようになっている。

ハブ８０４は、カム面として機能するように、円形でなくてもよく、回転の中心に中心がなくてもよい。 また、その両者でもよい。 熱電素子８０８は、中空であり、素子の有効長さを変化させる機能を備えている。 この有効長さの変化には、有効長さ、すなわち素子の有効抵抗を変化させるためのカム面で動作するピストン８１７を利用することができる。 熱電素子８０８の代表的な構造の詳細に関しては、図９を参照して説明する。

図８Ａ、８Ｂに示されたコンセプトは、図２Ａ、２Ｂ及び６示されたものを組み合わせて構成され、図８Ａ及び８Ｂに示したデザインで、加熱と冷却の両者を行い、位置に応じて電流を変化させ、熱的な分離が行われるようになっている。

図９は、図８Ａ、８Ｂに示した装置で用いられた熱電素子の例を示す拡大断面図である。 熱電素子９０１それ自体は管状である。 中央の中空部９０２内に、導電性のピストン９０３が配置され、ピストン９０３は、その一方の端部がスライディングコンタクト９０４となっており、また導電性のスプリング９０５で支持されている。 スプリング９０５の一端は、スライディングコンタクト９０６の面に押圧されており、ハブ９０７の導電性部と電気的に良好な接触が維持され、熱的な接触も維持されている。 熱電素子９０１の外側の端部には、キャップ９０８が設けられている。 スライディングコンタクト９０４及びキャップ９０８は、熱電素子９０１をシリーズに接続するように作用する。 また、スライディングコンタクト９０４は、ハブ９０７のカム面によって決定され、さらにピストン９０３によって決定される長さの位置に、熱電素子９０１の内部をショートさせる。 スライディングコンタクト９０６の面の形状は、接触角θ及び半径Ｒで決定される。

図１０は、熱電素子の過渡的電力供給を利用するさらに別の熱電システム１０００を示す断面図である。 図１０に示した構成の場合には、装置は、ハウジング１００１の中に収められており、主導入口１００２、主排出口１００３、廃棄流体導入口１００４及び廃棄流体排出口１００５を備えている。 また、フローブロッキングシュラウド１００６がハウジング１００１の内側リムに取り付けられ、第２のフローブロッキングシュラウド１００７がハウジング１００１の外側リムに取り付けられている。 これらのシュラウド１００６、１００７は、断熱性の材料で構成され、幾何学的に、図２Ａ、２Ｂに示したシュラウド２１３と同様な機能が得られるように構成されている。 リング状の熱電アセンブリ１００８は、ハウジング１００１内で時計回りに回転する。 この熱電アセンブリ１００８は、主側フィン熱交換部１０１１、廃棄側フィン熱交換部１０１２及びコイルスプリング（図示省略）によって分離された形状をした熱電素子で構成されている。 図１１は、熱電アセンブリ１００８の詳細な構造を示す拡大断面図である。 ハウジング１００１の内側及び外側のリムは、環状でなくても、同心でなくても、その両者でもよい。 それによって、図７で説明した利点が得られるように、角度位置の関数に従って変化する２つのリム間の半径方向の距離が決定される。

リング状の熱電アセンブリ１００８の回転に従って、熱電素子内の熱電材料の異なる量がショートされる。 その量は、ハウジング１００１の内側リムと外側リムとの間の半径方向の距離に依存している。 これによって、リムの幾何学的形状に応じて、熱電素子の抵抗が効果的に変化する。 熱電アセンブリ１００８には、領域１０１０だけで電力が供給され、領域１００９では電力が供給されない。 これは、領域１００９全体の内側リム又は外側リム又はその両者を非導電性にすることによって達成される。 流体は、周囲温度Ｔ _Ａで位置Ａにある廃棄流体導入口１００４から入り、時計回りに移動して、位置Ｃにある廃棄流体排出口１００５から温度Ｔ _Ｈで排出される。 同様に、流体は、周囲温度Ｔ _Ａで位置Ａ'にある主導入口１００２から入り、時計回りに移動して、位置Ｃ'にある主排出口１００３から温度Ｔ _Ｃで排出される。 主流体流、廃棄流体流に対するフローブロッキングシュラウド１００６、１００７によって、シュラウド内、すなわち電力が供給されない領域１００９では、主流体流も廃棄流体流も生じない。 熱電アセンブリ１００８が、Ａ−Ａ'を通過した直後、電力が供給される領域１０１０に入ると、初めの温度は周囲温度Ｔ _Ａであり、内側の熱交換部１０１１のフィンが冷却されはじめ、外側の熱交換部１０１２のフィンが加熱されはじめる。 この作用は、熱電アセンブリ１００８がＣ−Ｃ'を通過する直前の電力が供給される領域１０１０から出るまで、電力が供給される領域１０１０全体で続けられる。 なお、Ｃ−Ｃ'では、アセンブリ全体の温度差が、目標の最高値に到達している。 熱電アセンブリ１００８が、電力が供給される領域１０１０を通過すると、主流体流及び廃棄流体流との熱交換が完了する。 電力が供給されない領域１００９では、熱電アセンブリ１００８は、Ａ−Ａ'に戻るまでの時間の間に、周囲温度の近くまで戻る。 回転速度、材料のサーマルマス及び電流は、目標の性能を達成するように選択されることが好ましい。 このように、主側の流体はＡ'からＣ'へ移動するに従って冷却され、廃棄側の流体は、ＡからＣへ移動するに従って加熱される。 ヒータとして動作する場合には、電流は逆に流され、内側の流体が加熱され、外側の流体が冷却される。

図１１は、図１０に示した熱電アセンブリ１００８の詳細な構造例を示す部分拡大断面図である。 この熱電アセンブリ１００８は、材料１１０８によって熱的、電気的に相互に分離されている。 廃棄流体側の熱電素子１１０１は、外側の端部が廃棄側熱交換部１１０３（通常フィン）と熱的に良好な接触が維持されている。 一方、内側の端部は、導電性の管１１０５における円筒状の孔の中を移動するようになっている。 同様に、主側の熱電素子１１０２は、その内側の端部が主側の熱交換部１１０４（通常フィン）と熱的に良好に接触している。 一方、外側の端部は、導電性の管１１０５における円筒状の孔の中を移動するようになっている。 ２つの熱電素子１１０１と１１０２の端部は、スプリング１１０６によって分離され、負荷がかけられている。 図１０に示したハウジング１００１の内側リムと外側リムとの間の半径方向の距離が変化すると、スプリング１１０６によって、図７に示した抵抗の改善が得られるように、熱電素子１１０１及び１１０２の有効長が調整される。 熱電素子１１０１と１１０２とを通る電気的パスの長さは、導電性の管１１０５の端部における電気コンタクト１１０７との接続によって定まる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、別の実施の形態に係る熱電システムを示す図であり、図１２Ａは全体の構成を示す断面図、図１２Ｂは図１２Ａに示した切断線１２Ｂ−１２Ｂにおける断面図である。 なお、このシステムでは、液体の熱電材料１２０７による過渡電力供給方式が採用されている。 このシステムは、導入口１２０２及び排出口１２０３を備えたハウジング１２０１の中に収められている。 中心部にハブ１２０４が設けられており、ハブ１２０４は、熱伝導性の良いセクション１２０５と断熱性の良いセクション１２０６の２つのセクションに分けられている。 このハブ１２０４は、液体の熱電材料１２０７によって囲まれており、さらにこの熱電材料１２０７は、銅又はその他の導電性及び熱伝導性を有する適切な材料で形成されたリング状の電極１２０８によって囲まれている。 リング状の電極１２０８とハウジング１２０１との間には、電極１２０８と熱的に良好に接触している、リング状の熱交換用のフィンセクション１２０９が配置されている。 フィンセクション１２０９及び電極１２０８は、１つの部品であってもよい。 また、導電性で熱伝導性の多孔質の電極１２１０が、ハブ１２０４とリング状の電極１２０８との間に配置されている。 この多孔質の電極１２１０は、ハブ１２０４の熱伝導性の良いセクション１２０５によって占められた円周の部分に実質的に広がっている。 ギアポンプ１２１１によって、多孔質の電極１２１０を介して、液体の熱電材料１２０７がポンプ移送される。 また、流体又はスラリー状の熱電材料１２０７は、シール１２１２によって、多孔質の電極１２１０を避けて流れないようになっている。 図１２Ｂに示されているように、装置（システム）は、図１２Ａに示した構成の層を備えており、Ｎ型とＰ型の液体の熱電材料１２０７（Ｎ）、（Ｐ）とが交互に配列されている。 シール１２１３、１２１４によって、層間のシールと同様に層の電気的分離が行われる。 電極１２１０は、導電性及び熱伝導性に優れた部材１２１５に接続されており、部材１２１５は、ハブ１２０４の熱伝導性の良いセクション１２０５に熱を伝達する。 部材１２１５は半径方向に形成されたスロットによって分離され、このスロットにより、熱電材料１２０７が電極１２１０とハブ１２０４との間を通り抜けることができるようになっている。 なお、コンタクト１２１７に電源が接続される。

装置（システム）が動作する際には、フィンセクション１２０９及び電極１２０８が反時計回りに一体的に回転する。 ハウジング１２０１、多孔質の電極１２１０及びハブ１２０４は静止した状態である。 流体又はスラリー状の熱電材料１２０７は、ポンプで移送され、多孔質の電極１２１０を通り抜ける。 多孔質の電極１２１０と電極１２０８との間に位置する熱電流体又はスラリー１２０７に電力が供給され、熱電材料１２０７に温度差が発生し、冷却モードでは、回転する電極１２０８に接触している側の表面が冷却される。 したがって、フィンセクション１２０９は、電力供給領域を通過する時に冷却され、位置Ｃで温度がもっとも低くなる。 熱交換流体は、周囲温度Ｔ _Ａで導入口１２０２を通って入り、時計回りにフィンセクション１２０９を通過して、温度Ｔ _Ｃで排出口１２０３から排出される。 冷却されたフィンセクション１２０９が位置Ｃから出てくる時に、フィンは熱交換流体と熱交換するので、フィンセクション１２０９及びフィンセクション１２０９が取り付けられた電極１２０８は、位置Ａに到達する時までに、実質的に周囲温度Ｔ _Ａに戻る。 流体又はスラリー状の熱電材料１２０７も、ポンプ移送される時にリング状の電極１２０８と接触するので室温に戻る。 熱交換流体は、図２Ａに示したように、シールで遮ることによって、反時計回りに通り抜けないようにすることが好ましい。 アセンブリの回転速度、電極１２０８とフィンセクション１２０９のサーマルマス及び電流は、必要な性能を達成することができるように選択されている。

熱電システム１２００は、加熱モードでも機能する。 図６に示した熱電システム（熱電装置）と同様に、２つのセクション、すなわち加熱と冷却とを組み合わせることができる。

熱電システムに関するその他の変更及び組み合わせも可能であり、個々の素子、流体又はスラリー素子の温度が、図１Ａ〜１２Ｂに示された１つ以上に見られる設計上の特徴と他の図に見られるものとを組み合わせることによって創成される。 例えば、図１２に示されている流体又はスラリーの熱電材料は、図１１に示されている構成の電極の代わりに用いることができる。 なお、その長さは、円筒状のハウジングに収められた熱電材料の一部を置き換える多孔質のピストンによって調整することができる。 別の例として、図８Ａ及び図１０に示した作動流体の流れの向きを逆にすることができる。 また、流れが遮られる領域に電力を供給することが可能である。 さらに、図２Ａに示したように、装置の抵抗が低下する特長を得ることができるように、ハブの断熱性のセクション及び導電性のセクションを逆にすることができる。

また、電極１２０８は、導電性及び熱伝導性の良い別の材料で作製することができる。 フィンセクション１２０９は、相互に熱的、電気的に分離されていることが好ましい。 ただし、フィンセクション１２０９自体は良好な熱伝導体である。

以上、いくつかの例を説明したが、上記の説明は、単に、添付した特許請求の範囲に記載されている本発明に係る広範囲の技術的思想を示したものである。 特許請求の範囲では、すべての用語は通常、通例の意味を表しており、その記載によって用語の意味が限定されるものではない。

従来の熱電装置を示す斜視図である。

熱電素子内の過渡温度プロフィールを示すグラフである。

冷却を行うために過渡効果を利用する熱電装置の構造を示す断面図である。

図２Ａに示した熱電装置の回転シール部の詳細を示す断面図である。

熱電素子が流体中で移動する際の、熱電素子の低温側の代表的な温度プロフィールを示すグラフである。

熱電素子及び取り付けられたサーマルマス／フィンを示す断面図である。

図４Ａに示したアセンブリの寸法を示す図である。

熱電素子による加熱用の過渡温度プロフィールを示すグラフである。

１つ以上の作動流体を冷却及び加熱する熱電装置を示す斜視図である。

時間とともに変化する有効なアクティブ長を有する熱電素子の過渡温度プロフィールを示すグラフである。

有効長が時間とともに変化する熱電素子を利用する熱電装置を示す断面図である。

図８Ａに示した熱電装置の詳細を示す部分拡大断面図である。

さらに詳細に熱電素子を示す部分拡大断面図であり、図８Ａに示したカムの表面との相互作用を示している。

可変有効長素子を用いる冷却／加熱熱電装置を示す断面図である。

図１０に示した熱電装置における熱電素子の詳細を示す部分拡大断面図である。

過渡冷却又は過渡加熱用の流体又はスラリーの熱電材料を用いる熱電装置を示す断面図である。

図１２Ａに示した電極、熱電材料、ヒートシンク及びフィンの構造の詳細を示す部分拡大断面図である。