JP2013508983A5

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Publication number: JP2013508983A5
Application number: JP2012535387A
Authority: JP
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2013-12-05

Claims

熱電発電装置であって、
一対の上部および下部プレートと、
前記上部プレートと前記下部プレートとの間に挿置され、基板上面および基板下面を有するとともに、比較的低い熱伝導率を有する電気絶縁材料で形成された基板と、
前記基板上面と前記基板下面との少なくとも一方に少なくとも１列に配置されるとともに交互の異種材料で形成される一連の熱電脚部であって、前記列の軸に対し非平行に配向される脚軸を各々画定する一連の熱電脚部と、
前記熱電脚部の一端が前記上部プレートと熱的に接触し、前記熱電脚部の反対端が前記下部プレートと熱的に接触するように、前記基板の両側に取り付けられるとともに前記列において前記熱電脚部の両端に整列される少なくとも一対の熱伝導性ストリップと
を備え、前記熱伝導性ストリップは前記熱電脚部の間に熱ギャップを画定し、前記上部および下部プレートは前記熱電脚部を通して長手方向に熱の流れを生じさせる、熱電発電装置。
前記基板の平面に平行でかつ前記熱電脚部の各々の脚軸に平行な方向に沿って前記脚部を電流が流れる、請求項１に記載の熱電発電装置。
前記基板上面および前記基板下面の各々は前記熱電脚部の少なくとも１つの列を含む、請求項１に記載の熱電発電装置。
前記熱伝導性ストリップと前記熱電脚部との間に挿置された少なくとも１つの電気絶縁層をさらに含む請求項１に記載の熱電発電装置。
前記基板上に形成された複数の列をさらに備え、該複数の列の熱電脚部は電気的に直列に接続されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
前記基板は複数の前記列を含み、
前記列の１つにおける前記熱電脚部の端部は列間隔を画定するために前記列の隣接する１つにおける前記熱電脚部の端部から離間されており、
前記熱伝導性ストリップの各々は前記列間隔に整列されている、
請求項１に記載の熱電発電装置。
前記熱電脚部の脚軸は前記列の軸に対して実質的に垂直に配向されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
前記列において前記熱電脚部は互いに実質的に平行に配向されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
前記異種材料は前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部を備えるように異種半導体材料を含み、
前記ｎ型およびｐ型脚部の少なくとも一方はＢｉ_２Ｔｅ_３型半導体材料からなる出発材料から形成されている、
請求項１に記載の熱電発電装置。
前記基板上に形成された複数の金属ブリッジをさらに備え、
前記異種材料は前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部を備えるように異種半導体材料を含み、
前記ｎ型およびｐ型脚部の各々は対向する脚部端を有しており、前記ｐ型脚部の両端において前記ｐ型脚部が前記ｎ型脚部の隣接する一つに前記金属ブリッジによって電気的に相互接続されるように前記脚部端が前記金属ブリッジに重なっている、
請求項１に記載の熱電発電装置。
前記金属ブリッジは、タングステン、クロム、金、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、チタン、モリブデン、タンタル、およびドープされた炭化ケイ素のうちの少なくとも１つを備える金属材料で形成される、請求項１０に記載の熱電発電装置。
前記異種材料は、前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部の一方と金属脚部とを備えるように半導体材料と金属材料とを含み、
前記金属脚部の金属材料はタングステン、クロム、金、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、チタン、モリブデン、タンタル、およびドープされた炭化ケイ素のうちの少なくとも１つを備える、
請求項１に記載の熱電発電装置。
前記ｎ型およびｐ型脚部の半導体材料はＢｉ_２Ｔｅ_３型半導体材料からなる、請求項１２に記載の熱電発電装置。
前記金属脚部は前記基板上に形成され、
前記半導体材料からなる半導体脚部は該半導体脚部のほぼ全長に沿って前記金属脚部から電気的に絶縁されており、
前記半導体脚部の脚部端は前記金属脚部の脚部端に重なり合って電気的に接続されている、
請求項１２に記載の熱電発電装置。
前記金属脚部と前記半導体脚部との間に挿置され、前記脚部端を電気的に結合するべく前記脚部端の各々において開口を有する電気絶縁層をさらに含む、請求項１４に記載の熱電発電装置。
前記列における前記一連の熱電脚部がジグザグパターンを形成するように、隣接する複数対の前記熱電脚部の脚軸が鋭角をなしている、請求項１２に記載の熱電発電装置。
前記異種材料は、
前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部の一方と金属脚部とを備えるような半導体材料および金属材料と、
前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部を備えるような半導体材料と、
のうちの少なくとも一方を備え、
前記ｎ型およびｐ型脚部の少なくとも一方は、約１５μｍ〜約１００μｍの範囲の脚部厚さと、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲の幅と、約５０μｍ〜約５００μｍの範囲の長さとを有し、
前記金属脚部は、約０．５μｍ〜約５μｍの範囲の脚部厚さと、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲の幅と、約５０μｍ〜約５００μｍの範囲の長さとを有する、
請求項１に記載の熱電発電装置。
前記ｎ型およびｐ型脚部の各々は約２０〜約３５μｍの脚部厚さを有する、請求項１７に記載の熱電発電装置。
前記基板は或る基板厚さを有し、
前記ｎ型およびｐ型脚部の脚部厚さは前記基板厚さの約１〜約１０倍であり、
前記基板厚さは前記金属脚部の脚部厚さの約１〜約５０倍である、
請求項１７に記載の熱電発電装置。
前記ｎ型およびｐ型の脚部厚さの前記基板厚さに対する厚さ比は約２〜約４の範囲内にあり、
前記基板厚さの前記金属脚部の脚部厚さに対する厚さ比は約１０〜約１５の範囲内にある、
請求項１９に記載の熱電発電装置。
前記基板はポリイミド材料で形成される、請求項１９に記載の熱電発電装置。
前記上部および下部プレートの間に約５Ｋの温度勾配で、
約０．２Ｖ〜約２．０Ｖの開放熱電電圧出力、
約０．１Ｖ〜約１．０Ｖの整合負荷における熱電電圧出力、
約０．１ｍＡ〜約５．０ｍＡの電流、
約０．１ｍＷ〜約０．５ｍＷの電力出力、
約０．１ｍＷ／ｃｍ^２〜約０．５ｍＷ／ｃｍ^２の電力出力密度、および
約０．０２％〜約０．２％のエネルギー変換効率、
の特性パラメータのうちの少なくとも１つを有する請求項１に記載の熱電発電装置。
約１０Ｋ／Ｗ〜約２０Ｋ／Ｗの熱抵抗を有する請求項１に記載の熱電発電装置。
熱電発電装置を形成する方法であって、
基板を設けるステップと、
前記基板上に金属ブリッジを形成するステップと、
前記基板上に交互にｎ型およびｐ型脚部を形成して熱電脚部の列を形成することにより、前記ｎ型およびｐ型脚部の端部を前記金属ブリッジに重ね合わせて前記ｎ型およびｐ型脚部を直列に電気的に相互接続させるステップであって、前記熱電脚部の各々が前記列の軸に対して非平行に配向される脚軸を画定する当該ステップと、
前記基板、前記金属ブリッジ、および前記ｎ型およびｐ型脚部を電気絶縁層で覆うステップと、
を備える方法。
前記熱電脚部の対向脚部端に整列された熱伝導性ストリップを用いて上部プレートおよび下部プレートを前記基板に接続することにより、前記基板、前記熱電脚部、および前記上部および下部プレートの間に熱ギャップを形成するステップをさらに備える請求項２４に記載の方法。
前記交互のｎ型およびｐ型脚部が前記熱電脚部の列を画定し、
前記熱電脚部の各々が脚軸を画定し、
前記熱電脚部の脚軸が前記列の軸に対して実質的に垂直に配向されている、
請求項２４に記載の方法。
前記基板上に前記金属ブリッジを形成するステップは、
タングステンの層を前記基板上に形成すること、
アルミニウムの層を前記タングステンの上に形成すること、
タングステンの層を前記アルミニウムの上に形成すること、
を含む、請求項２４に記載の方法。
前記半導体脚部はＢｉ_２Ｔｅ_３型半導体材料を備える材料から形成される、請求項２４に記載の方法。
前記熱ギャップを比較的低い熱伝導率を有する材料で満たすステップをさらに備える請求項２５に記載の方法。
熱電発電装置の箔アセンブリを形成する方法であって、
基板を設けるステップと、
前記基板上で互いに離間させて金属脚部の列を形成するステップと、
前記金属脚部を電気絶縁層で覆うステップと、
前記金属脚部の対向する脚部端において前記電気絶縁層に開口を形成するステップと、
前記基板上に前記金属脚部に対して交互に半導体脚部を形成して、前記列のジグザグパターンを形成するように前記半導体脚部の脚部端を前記金属脚部の脚部端に重ね合わせて電気的に接続するステップと、
前記基板、前記金属ブリッジ、および前記半導体脚部を電気絶縁層で覆うステップと、
を備える方法。
前記半導体脚部の両端および前記金属脚部の両端に整列される熱伝導性ストリップを用いて前記基板に上部プレートおよび下部プレートを接続することにより、前記基板、前記半導体脚部、および前記上部および下部プレートの間に熱ギャップを形成するステップをさらに備え、前記上部および下部プレートは、前記半導体脚部および前記金属脚部を通して長手方向に熱の流れを生じさせる、請求項３０に記載の方法。
前記半導体脚部および前記金属脚部の各々は脚軸を画定し、当該方法は、
隣接する複数対の前記半導体脚部および前記金属脚部の脚軸が鋭角を画定するような向きに前記半導体脚部および前記金属脚部の少なくとも一方を形成するステップをさらに備える、請求項３０に記載の方法。
前記金属脚部はタングステン、クロム、金、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、チタン、モリブデン、タンタル、およびドープされた炭化ケイ素のうちの少なくとも１つで形成され、
前記半導体脚部はＢｉ_２Ｔｅ_３型半導体材料を備える材料から形成されている、
請求項３０に記載の方法。
前記熱ギャップを比較的低い熱伝導率を有する材料で満たすステップをさらに備える請求項３１に記載の方法。