特許ウォッチ

公開番号2024060023
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-01
出願番号2024035687,2021526725
出願日2024-03-08,2019-11-16
発明の名称性能向上のための熱電発電器における熱レンズ電極
出願人エーティーエスアイピー, エルエルシー
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H10N 10/817 20230101AFI20240423BHJP()
要約【課題】性能向上のための熱電発電器における熱レンズ電極の提供。
【解決手段】例示的な熱電デバイスおよび方法が本明細書に開示される。熱電発電器の性能は、熱電ペレットのバルク内の等温線フィールドを形成することによって向上し、熱電発電器モジュールの電力出力の増加をもたらす。一実施形態では、熱電デバイスは、半導体材料を含むペレットと、ペレットの第一の部分を囲む第一の金属層と、ペレットの第二の部分を囲む第二の金属層とを含む。第一および第二の金属層は、ペレットの周囲の周りに互いに近接して構成される。ペレットは周囲で露出している。また、周囲は、ペレットの周りに側壁高さで構成され、ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって、熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供する。デバイスは、ペレットに熱的に電気的に結合される、金属容器を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
熱電デバイスであって、
半導体ペレットと、
前記半導体ペレットの周りで金属化されている第一の金属層と、
前記第一の金属層の周りで金属化されている第二の金属層と、
前記第一の金属層および前記第二の金属層におけるギャップであって、前記ギャップは、前記半導体ペレットを露出させるために、前記半導体ペレットの周囲の周りの前記第一の金属層および前記第二の金属層を除去することによって形成されており、前記第一の金属層および前記第二の金属層は、前記ギャップの上方および下方で前記半導体ペレットの側壁において残存している、ギャップと、
はんだを介して前記第２の金属層に熱的にかつ電気的に接着されている金属容器と
を備える熱電デバイス。
続きを表示（約 720 文字）【請求項２】
前記ギャップは、前記半導体ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって、前記熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供する側壁高さにおいて構成されている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項３】
前記半導体ペレット内の前記等温線表面曲率は、前記半導体ペレットの前記側壁を通した熱注入を介して前記半導体ペレットの体積内の熱電効果の有効表面積を増加させるように動作可能である、請求項２に記載の熱電デバイス。
【請求項４】
前記金属容器は、前記ギャップの近傍の前記第二の金属層を囲む、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項５】
前記金属容器は、熱レンズ電極構造を提供する、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項６】
前記第一の金属層および前記半導体ペレットは、前記半導体ペレットの前記周囲の近傍の面取りされた縁部を含むことにより、前記第一の金属層および前記第二の金属層を互いに電気的に分離する、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項７】
前記第一の金属層および前記第二の金属層は、前記半導体ペレットよりも高い熱伝導率を含む、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項８】
前記半導体ペレットは、前記熱電デバイスの熱レンズ効果を増加させるように動作可能な形状で構成されている、請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項９】
前記形状は、直方体である、請求項８に記載の熱電デバイス。
【請求項１０】
前記形状は、円筒である、請求項８に記載の熱電デバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）に基づき、２０１８年１１月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／７６８，６７９号の「性能向上のための熱電デバイスにおける熱集束の利点」という題名による優先権を主張するものであり、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 2,500 文字）【０００２】
本明細書の実施形態は、一般に、半導体構成要素から作製された熱電デバイスに関する。より具体的には、これらの実施形態は、熱電発電器の電力出力の増加をもたらす、半導体ペレットと直接接触する電極の性質に関する設計改善に関連する。
【背景技術】
【０００３】
熱電モジュールは数十年にわたって代替発電研究の対象であり、いくつかの製品が廃熱からの電力源に使用される熱電発電器の空間内に存在する。熱電モジュールは、熱流束を電気流束に変換するために、ゼーベックモードでの代替発電に使用することができる。逆に、ペルチェモードでは、電気流束を使用して熱流束を駆動して冷却を提供することができる。そうでなければ、環境に失われてしまう、廃熱は、電気エネルギーにリサイクルして、遠隔地で使用するか、インバータを介して電気グリッドにフィードバックすることができるため、発電用の熱電デバイスは、研究の重要な推進力の一つである。
【０００４】
しかし、この電力発電のアプローチは、太陽光発電技術などの代替発電における他の方法と比較して、基本的なパラメーターであるワット当たりのコストの点で障壁に出くわしている。このコスト障壁の主な理由は、デバイス内の半導体の熱電特性、および熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に必要な高温および低温の表面を提供する熱交換器システムの製造コストに内在する。従って、熱電エネルギー製造法が、クリーンエネルギー変換の生産において、特にメガワット電力範囲以上において、どこにでも存在しかつより大きな電力スケールで進展する場合、熱電発電器（ＴＥＧ）を製造するあらゆる側面における進歩が不可欠である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に提示されるシステムおよび方法は、半導体表面のより多くの面積および熱電ペレットのペレット体積を利用することによって、クリーンエネルギーの大規模生産に対するコスト効率の高いアプローチを提供する。一実施形態では、電気特性および熱特性の好ましい一致を使用する熱電発電器の性能向上のために、新しいタイプの電子コンポーネントが提案される。熱電モジュール（例えば、ゼーベックモードおよび／またはペルチェモードで動作する）を構築する一つの方法は、ピックおよび配置装置を有する構成要素のロボット配置などの自動化された技術を使用した、順次層状アセンブリーに基づく。熱電モジュールは、大量生産のためにこの方法で作製することができる。
【０００６】
一実施形態では、ＴＥＧは、一般に、直方体または円筒形である形状を含む半導体として構成されるが、形状は、長方形の平行パイプ、球形、円錐台、または他のそのような多面体など、熱エネルギーを、半導体ペレットの隣接する側面のコーナーと頂点を使用して方向づけることができる、熱集束効果を可能にする任意の形状にすることができる。二つの金属電極を使用して、各ペレットを電気的および熱的に電気相互接続に接合し、直列回路を形成して、熱勾配の存在下で熱電効果によって生成される電流を流すことができる。従って、このような様式で配置されたペレットのアレイは、モジュール、典型的には平坦なパッケージを形成するように包装され得る。
【０００７】
一般に、ペレットの二つの平坦な金属電極が、ペレットの直接対向する平行な表面上に置かれ、相互接続上にははんだペーストを印刷することによって相互接続に便利に取り付けられる。その後ははんだをリフローして、部品間の接合プロセスを完了させてもよい。より具体的には、本実施形態は、ペレットのバルク内の熱エネルギーの集束を通した熱電デバイスの全体的性能の増加をもたらす、ペレットに密接に結合された電極の幾何学的性質に関する設計改善に関連する。ＴＥＧの電力出力は、ペレット内の等温輪郭の性質から著しく増加し得る。
【０００８】
熱電効果の構成要素は、材料が、それらのドーパントに従って適切な熱電特性を有する、半導体材料のペレットである。通常は、熱電デバイスの作製には、一つは多数電荷キャリア（Ｎ型）として電子を有し、もう一つは多数電荷キャリア（Ｐ型）として穴を有する、二つのタイプの材料が必要である。典型的には、各ペレットは、直方体形状を有し、標準回路レイアウトにおけるホットサイド上の熱および電流注入のため、ペレットの二つの表面上の平行な平面上に、一つはホットおよび一つはコールドである、二つの対向する平面電極を有する。従って、ペレットのホット電極とコールド電極との間のペレット体積で生成される等温線は、電極に対して平面であり平行である。従って、ペレット内の等温線に対して垂直な熱勾配ベクトルは、ペレットの上部から底部まで各ペレットの側壁の平面と平行であり、熱電効果を通して生成される電流のベクトルは、一般に、各ペレットのバルク中の熱勾配ベクトルと平行である。こうした幾何学的配置は、等温線の面積をペレットの電極の面積のそれに固定する。
【０００９】
集合的に、モジュール内のペレット間の電流は、熱伝達および導通性をもたらすために、パッケージの底部および上半分に平面状の電気相互接続を配置することによって直列に接続される。電気相互接続、典型的には銅は、モジュールの出力電極を提供する。従って、熱電モジュールのレイアウトは、表面実装技術の方法に都合の良いデバイス形状を有する。
【００１０】
さらに、ペレットは、典型的には、空間充填形状であるため直方体形状であり、円筒形ペレットはそうではない。活性熱電ペレットの充填密度が高いほど、一般的に、熱を発電器内の電気エネルギーに変換する、および／またはペルチェモードでの活性冷却を提供する、より活性体積がモジュール中に存在する。本明細書では、直方体は、二つの面が等しい長さであり、高さまたは厚さが異なる値を有する、正方形ペレットと呼ばれる。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許