专利摘要:

公开号:WO1989001594A1
申请号:PCT/JP1988/000828
申请日:1988-08-19
公开日:1989-02-23
发明作者:Takuji Okumura;Masao Yamashita
申请人:Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho;
IPC主号:H01L35-00
专利说明:
[0001] 明 細 書
[0002] 多段式電子 ク ー ラ ー
[0003] 発明 の技術分野
[0004] 本発明 は、 ペル チ ェ 効果を持つ熱電素子を、 基板を介 し て順次階段状 に積み重ね て縱続 し て な る カ ス ケ一 ド型 の 多段式電子 ク ー ラ 一 に 関す る も の で あ る 。
[0005] 発明 の背景技術
[0006] 上記多段式電子 ク ー ラ ー は、 例 え ば第 1 A 図 に示す よ う に 6 段 に な っ て い て、 真空ペル ジ ャ 5 に収納 さ れてお り 、 各段 に は N 型半導体 1 と P 型半導体 2 と を一対 と す る 熱電素子 A が、 基板 3 に接合 さ れた電極 4 に て接続 さ れて い る 。 そ し て 各段の熱電素子 A に通電す る こ と に よ り 各段の上側の 基板側が吸熱 さ れ、 最上段の基板 (冷却 板) 3 a が最大冷却到達温度 ま で冷却 さ れ る よ う に な つ て い る 。
[0007] 現在、 こ の 種の 多段式電子 ク ー ラ ー の 一例 と し て マ 一 ロ ー 社製の カ ス ケ一 ド型の 6 段型の電子 ク 一 ラ ー が あ り そ の 各性能 は第 1 B 図に示すよ う に な つ て い る 。
[0008] すな わ ち 、 電子 ク ー ラ ー を収納 し た真空ペ ル ジ ャ 5 内 の真空度力 1 ◦ _ 6 T o r r 、 外気温度 T h = 2 7 。C に お い て、 電流 I と 電圧 V の関係 は第 1 B 図中 a で示す よ う に 互い に比例 し 、 ま た真空ペ ル ジ ャ 5 の外側か ら の 流入 熱量 Q - 0 の と き の電流 I に対す る 冷却温度 T c の 関係 は 同図中 b に示す よ う に放物線状 に変化 し 、 さ ら に電流 1 = 3 . 5 A の と き の冷却温度 T c は同図中 c で示す よ う に Q = 0 の理想状態で 一 1 0 0 °C と な り 、 以下 Q に比 例 し て冷却温度 T c は小 さ く な る 。
[0009] 上記 し た よ う な多段式電子 ク ー ラ 一 に あ っ て は、 電流 1 = 3 . 5 A の と き に、 流入熱量 Q = 0 の理想状態で も つ て最大の冷却到達温度 T c は — 1 ◦ 0 °C と な る が、 従 来は真空ペ ル ジ ャ 5 内 に収納 し ただ けの構成であ つ た た め、 外気温度の影響を受けやす く 、 流入熱量 Q があ っ て 到底 一 1 0 0 。C近 く ま で、 冷却す る こ と はで き な力、 つ た すな わ ち 、 真空ペ ル ジ ャ 5 内の多段電子ク ー ラ ー に対 す る 流入熱量 Q には真空ペル ジ ャ 5 内での対流伝熱 と 外 側か ら の放射伝熱 と があ り 、 こ の う ち 対流伝熱はベル ジ ャ 5 内 と 真空にす る こ と に よ り そ の影響を な く し てい る が、 上記 し た よ う に、 多段式電子 ク ー ラ 一が真空べル ジ ャ 5 内 に収納 さ れた だ け の構成 と な っ て い る た め、 外側 か ら の放射伝熱を防 ぐ こ とがで き ず、 こ の放射伝熱に よ る 流入熱量 Q をゼ ロ にす る こ と がで き な 力、 つ た。
[0010] 発明 の概要
[0011] 本発明 は前記 し た事情に かんがみな さ れた も の で、 そ の 目 的 は、 対流伝熱は も ち ろ ん の こ と 、 簡単な構成で も つ て放射伝熱に よ る 流入熱量 Q を極め て小 さ く で き 、 低 ぃ コ ス ト で も っ て最大冷却到達温度を従来よ り 低 く で き る よ う に し た多段式電子 ク ー ラ ー を提供す る こ と であ る こ の 目 的を達成す る た め に 、 本発明 の第一態様に よ れ ば、 真空容器内 に収容 さ れた 多段式電子 ク ー ラ ー で あ つ て、 該多段式電子 ク ー ラ ー の冷却扳 と し て複数段に 積み 重ね ら れた複数枚の基板の そ れぞれ上部を カ バ ー す る た め に 、 前記真空容器内 に 設け ら れた少な く と も 一層 ま た は それ以上の層 の熱遮蔽部材を 含む こ と を特徴 と す る 多 段式電子 ク ー ラ ー が提供 さ れ る 。
[0012] 本発明 の第二態様 に よ れば、 前記第一態様 に お け る 熱 遮蔽部材の そ れぞれの 内外両面に熱反射部材が貼付 さ れ た こ と を特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー が提供 さ れ る 。
[0013] 本発明 の第三態様 に よ れば、 前記第一態様 に お け る 熱 遮蔽部材の そ れぞれの 頂部 に窓穴が形成 さ れて い る こ と を特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ が提供 さ れ る 。
[0014] ま た 前記 目 的を達成す る た め に 、 本発明 の第四態様 に よ れば、 真空容器内 に収容 さ れた多段式電子 ク ー ラ ー で あ っ て、 多段式電子 ク ー ラ ー に組み立て ら れた 各部品 の 表面が熱の放射率の小 さ い物質で被覆せ し め ら れた こ と を特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー が提供 さ れ る 。
[0015] 本発明 の第五態様 に よ れば、 前記第一お よ び第 四態様 に お け る 真空容器が熱の放射率の小 さ い物質か ら 成 る こ と を特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー が提供 さ れ る 。
[0016] さ ら に本発明 の第六態様 に よ れば、 前記第一お よ び第 四態様 に お け る 真空容器が熱の放射率の 小 さ い物質で被 覆せ し め ら れ た こ と を特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ 一 が 提供 さ れ る 。 ま た さ ら に本発明 の第七態様に よれば、 前記第四乃至 第六態様にお け る 熱の放射率の小 さ い物質が A u であ り こ の A u が接着、 圧着、 蒸着 ま た は メ ツ キ等に よ っ て披 覆 さ れ る こ と を特徵 と す る 多段式電子 ク ー ラ ーが提供 さ れ る 。
[0017] 前記な ら びに他の本発明 の 目 的、 態様そ し て利点 は、 本発明 の原理 に合致す る 好適な具体例が実施例 と し て示 さ れて い る 以下の記述お よ び添附の 図面に関連 し て説明 さ れ る こ と に よ り 、 当該技術の熟達者に と っ て明 ら か に な る で あ ろ う 。
[0018] 図面の 簡単な説明
[0019] 第 1 図 は従来の 多段式電子 ク ー ラ ー を示す概略構成説 明 図であ り 、
[0020] 第 1 B 図 は第 1 図図示の従来例の性能を示す グ ラ フ で あ り 、 - 第 2 図 は多段式電子ク 一ラ ー に関す る 本発明 の実施例 を示す概略構成説明図で あ り 、
[0021] 第 3 図 は第 2 図図示の本発明実施例の変形例を示す概 略構成説明 図であ り 、
[0022] 第 4 °図 は放射伝熱の様子を示す説明図であ り 、 第 5 図乃至第 7 図 は そ れぞれ 6 段重ね、 8 段重ね 、 そ し て 1 0 段重ね の 各多段式電子ク ー ラ ー の熱電素子の対 数を示す説明図であ り 、 そ し て
[0023] 第 8 図 は、 E - C s / ( 1 Ζ ε Η + 1 / ε c - 1 ) た だ し C s は ス テ フ ア ン ボル ツ マ ン 定数、 ε H は真空容器 の 熱の 放射率、 £ C は ク ー ラ ー 各部の熱の 放射率、 と し た と き の 該 E と ク ー ラ 一 の最大冷却温度 T c m a x と の 関係 を示す グ ラ フ であ る 。
[0024] 好 ま し い 具体例 の詳細 な 説明
[0025] 本発明 の第一具体例を、 第 2 図 に基づ い て説明す る 。 な お こ の第一具体例 に お い て、 前記 し た第 1 A 図 に示す 従来例 と 同一部材 は 同一の符号を付 し て説明 を省略す る 実施例 1
[0026] 第 2 図図示 の第一具体例 に お い て、 真空ペ ル ジ ャ 5 内 に収容 さ れ る 多段式電子 ク ー ラ ー に は 、 下か ら 2 段 目 以 上の 各段を カ バ ー す る 3 個の熱遮蔽部材 7 a , 7 b , 7 c 力《取付 け ら れて い る 。 こ の 各熱遮蔽部材 7 a , 7 b , 7 c は 基部を下力、 ら 2 段 目 、 3 段 目 、 5 段 目 の基板 に 固 着 し た 箱状 に 構成 さ れて い る 。
[0027] 上記構成 に お い て、 真空ペ ル ジ ャ 5 内 の 真空度を 2 X 1 0 — 5 T o r r に し 、 外気温度 T h を 2 7 °C 、 電流 3 A の条件で各熱電素子 A に 真流電流を流 し 、 ま た最下段の 基板を空冷、 液冷等 に て常温 ( 2 7 'C ) に保つ と 最上段 の 基板 (冷却板) 3 a は — 1 1 5 °C で冷却 さ れた 。
[0028] 比較例 1
[0029] 前記実施例 1 の条件下で、 熱遮蔽部材 7 a , 7 b を取 り はず し た も の で実験 し た と こ ろ 、 最上段の基板 (冷却 扳) 3 a の最大到達温度 は — 9 8 °C で あ っ た。 こ の 锆果力、 ら 、 熱遮断部材 7 a , 7 b を取付け る こ と に よ り 多段式電子 ク ー ラ ー に おけ る 最大到達温度がよ り 向上す る こ と が明 ら か に な っ た。
[0030] こ の こ と は、 以下の こ と 力、 ら も 証明す る こ と がで き る すな わ ち 、 第 4 図 に お い て、 放射熱量は温度差の 4 乗 に比例 し 、 外気温度を T h 、 多段式電子 ク ー ラ ー の最大 到達温度を T c と した と き に、 両者に お け る 放射熱量 Q 1 は
[0031] Q 1 = C · C T h 4 - T c 4 ) C は定数
[0032] と な る が、 外気温度 T h と 最大到達温度 T c の 間 に熱遮 蔽部材 7 a , 7 b よ る 中 間温度 T m (た だ し T h > T m > T c ) 力くあ る と 、 こ の 中間温度 T m と 最大到達温度 T c 間 に お け る 放射熱量 Q 2 は -
[0033] Q 2 = C · ( T m 4 - T c 4 )
[0034] と な り 、 そ し て Q i 〉 Q 2 であ る こ と に よ り 、 中間 に熱 遮蔽部材 7 a , 7 b , 7 c を 設 け る こ と に よ り 、 冷却板 3 a に入 る 放射熱量が少な く な り 、 比較例 の も の よ り 大 き な最大冷却到達温度を得 る こ と がで き る 。
[0035] 実施例 2
[0036] 上記実施例 1 の構成に お け る 多段式電子 ク 一 ラ ー の 各 熱遮蔽部材 7 a , 7 b を厚さ 1 2 の銅箔にて構成 し 、 こ れ の 内外両面に厚 さ 1 の金箔を接着剤 と し て シ ァ ノ ァ ク リ レ ー ト 系剤 (商品名 ァ ロ ン ァ ノレ フ ァ 、 東亞合成化 学線所有) を用 い て貼 り つ け た。 ま た 、 多段式電子 ク ー ラ ー の 熱電素子 A を構成す る 各 素子対 に は B i — T e 素子 ( 6 A 用 ) を、 基板 に は A J N シ ェ イ ノ、。 ノレ メ タ ラ イ ズ (厚 さ 0 . 6 3 5 ram ) を用 い 、 熱電素子 A の 対数 は最上段か ら 順 に 1 , 2 , 5 , 1 1 , 2 6 , 6 4 対 に し た。
[0037] こ の よ う に 構成 さ れた 多段式電子 ク ー ラ ー を恒温 ス テ ー ジ上 に セ ッ 卜 し てガ ラ ス製の真空ペル ジ ャ 5 内 に 収納 し た。
[0038] 以上の よ う な 状態で、 真空ペ ル ジ ャ 5 内 の 真空度 2 X 1 0 — 5 t o r r 、 外気温度及び恒温 ス テ ー ジ の 設定温度 T h を 2 7 °C 、 電流 3 . 5 A の条件で真流電流を流 し た と こ ろ 、 最大到達温度は 一 1 1 8 °C で あ っ た。
[0039] 比較例 2
[0040] 上記 ¾施例 2 の条件下で、 熱遮蔽部材 7 a , 7 b , 7 c を取付 け な い で実験 し た と こ ろ 、 最大到達温度 は 一 9 7 て で あ っ た。
[0041] 前記支施例 2 で は 各熱遮蔽部材 7 a , 7 b , 7 c の 内 外 面 に 金箔を貼 り つ け た こ と に よ り 、 各熱遮蔽部材相互 間での熱反射が行な われた熱遮蔽部材 に よ る 放射伝熱の 遮蔽効果 は実施'例 1 の も の よ り 向上 さ れ る 。
[0042] 前記本発明 の 実施例 1 お よ び 2 で は 3 個 の熱遮蔽部材 7 a , 7 b , 7 c を多段式電子 ク ー ラ 一 の 中 間段 に取付 け た例を示 し た が、 こ れ は 1 個 あ る い は 3 個以上で も よ い o た第 3 図の変形例 に示す よ う に熱遮蔽部材 7 a , 7 b , 7 c の それぞれの 頂部に最上段の基板 (冷却板) 3 a に測定用 の 赤外線を取 り 入れ る た め の窓 8 a , 8 b ,
[0043] 8 c を設け る こ と に よ り 、 上記多段式電子 ク ー ラ ー を赤 外線デ ィ テ ク 夕 と し て用 い る こ とがで き る 。
[0044] い て本発明 の別の実施例を第 1 図図示の従来例 と の 比較に おい て説明す る 。
[0045] 比 例 3
[0046] 1 図 に示す従来の多段式電子 ク ー ラ ー を、 こ れの基 板 3 を A J2 N で、 熱電素子 A の 構成素子対を B i — T e に てそ れぞれ作成 し 、 ガラ ス製の真空べノレ ジ ャ 5 内で 1 0 - 6 ^ o r r の真空中で作動 さ せた。 こ の と き の外気
[0047] (室温) は 2 7 °Cであ っ た 0
[0048] の と き の最犬の 冷却到達温度は — 9 5 C であ っ た。 施例
[0049] 上記比較例 に お け る 多段式電子 ク 一 ラ ー と 同形の も の で、 組み立て完了済みの 各基板 · 3 の 表面に厚 さ 5 の A を接着 し て同様の 測定を行な っ た と こ ろ 、 最大の冷 却到達温度は - 9 8 °Cであ っ た。
[0050] 施例 4
[0051] 施例 3 に おけ る 多段式電子ク ー ラ ー と 同形かつ 同状 態の も の で、 さ ら に組み立て済みの 各熱電素子 A の側面 に A u メ ツ キを施 し て同様の測定を行な っ た と こ ろ 、 最 大の冷却到達温度は — 1 0 1 °C であ っ た。 実施例 5
[0052] 実施例 3 の ガ ラ ス 製 の真空ペ ル ジ ャ 5 の 代 り に 、 A u メ ツ キ を施 し た C u 製容器を用 い て 同様の 測定を行 な つ た と こ ろ 最大の 冷却到達温度は一 1 0 8 'C で あ っ た。
[0053] 以上の よ う に 実施例 3 〜 5 で の最大の 冷却到達温度 は 比較例 3 の も に比較 し て大 き く す る こ と がで き た 。 こ の こ と は以下の こ と 力、 ら も 説明す る こ と 力 で き る 。 す な わ ち 、 多段式電子 ク ー ラ ー へ の放射流入熱量 Q R
[0054] n
[0055] Q ∑ E A ( T 4 ―
[0056] Η Τ c )
[0057] i 一 1
[0058] 1 1
[0059] た だ し 、 Ε = C s ノ ( —— + —— 1 )
[0060] ε Η £ c
[0061] C s : ス テ フ ア ン ボ ル ツ マ ン 定数
[0062] ε Η : 高温部 (真空容器) の 放射率
[0063] £ C : ク ー ラ ー 各部の放射率
[0064] T H : ク ー ラ ー 作動時の外気温度 (常温)
[0065] T c i : ク ー ラ 一 i 段の温度
[0066] A i : ク ー ラ ー i 段の受光面積
[0067] で あ ら わ さ れ る 。
[0068] B i — T e 力、 ら な る 熱電素子 A を用 い て第 5 図、 第 6 図、 第 7 図 に示す よ う に 6 段、 8 段、 1 0 段の 多段式電 子 ク ー ラ 一 を構成 し た と き の ク ー ラ ー の最大冷却温度 T c m a x と 上記 E の関係を計算に よ り 求め た。 そ し て そ の結果を第 8 図 に示す。
[0069] な お 各多段式電子 ク ー ラ ー を構成す る 熱電素子の対数 は各図面中 に記載 し た通 り であ る 。 そ し て それぞれの使 用素子の サ イ ズは、 6 段用力 1 . 7 角 X 2 . 3 t 、 8 段 用 カ< 6 角 X 2 . 3 t 、 1 0 段用が 0 . 6 角 X 2 . 3 t で あ る o
[0070] 上記計算 に お い て、 E は ε H 、 e c 力《 0 〜 1 の 値を と る の で、 0 〜 5 . 6 7 の値 と な る 。 Ε = 0 ( ε a = ε c = 0 ) の と き は、 放射流入量 Q R はゼ ロ と な り 、 E = 5
[0071] 6 7 C ε Η = ε c = 1 ) の と き は、 完全黒体の容器内で 完全黒体の ク ー ラ ー を作動 さ せた場合で Q R は最大 と な o
[0072] 従 っ て多段式電子 ク ー ラ ー の最大冷却温度 T c m a X を下げ る に は、
[0073] (1) ク ー ラ 一 の構成部品 に熱の放射率の小 さ い物質を付 着 さ せ る こ と で e c を減少さ せ る 。
[0074] (2) ク ー ラ ー を熱の放射率の小 さ い物質製の容器に収容 し て ε Η を減少 さ せ る こ と で Ε を減少 さ せ る の が有効で あ る こ と 力くわ 力、 る 。
[0075] ま た上記 (1) 、 (2) を併用すれば さ ら に大 き な効果が 得 ら れ る 。
[0076] 前記の実施例 3 乃至 5 で は比較例 3 に比べ、 ε c な い し ε Η の 値を減少 さ せ る 処理が施 さ れた た め、 Ε が減少 し 、 第 8 図 に 示 さ れ る 関係通 り に T c m a x が低温側 に 移行 さ れ る 。
[0077] な お比較例 3 で は E 4 、 実施例 3 で は E 3 、 実施 例 4 で は E 2 . 2 5 、 実施例 5 で は E 0 . 1 ¾ ¾ と 推定で き る 。
[0078] ま た 本発明 に係 る 多段式電子 ク ー ラ 一 で は 、 多段 カ ス ケ一 ド の段数が多 く な る 程 そ の結果が顕著 に あ ら わ れ る 1 0 段の 多段 i;電子 ク ー ラ ー を、 基板を A j N で、 熱電 素子を B i - T e で そ れぞれ構成 し 、 ガラ ス 製の 真空べ ノレ シ ャ に収容 し て測定 し た場合、 最大冷却温度 T c m a X は — 1 0 4 °C で あ る が、 セ ラ ミ ッ ク ス 製 の基板 に A u 箔を接着 し 、 B i 一 T e か ら な る 熱電素子の 側面 に A u メ ツ キ を施 し 、 さ ら に A u メ ツ キ容器内で作動 さ せ る こ と に よ り 上記 T c m a x は — 1 3 4 °C 程度 ま で達す る も の と 推疋 さ れ 。
[0079] ま た 、 上記 A u 萡を接着す る かわ り に A u を蒸着 し て も よ い o さ ら に A u メ ツ キ を施 し た C u 製の容器の 力、 わ り に A u 製 の容器を用 い て も よ い。
[0080] さ ら に 、 第一具体例 と し て前述 し た熱遮蔽部材を用 い た 多段式電子 ク ー ラ ー の 各基板お よ び ま た は 各熱電素 子の 表面 に熱の放射率の小 さ い物質を被覆す る こ と に よ つ て、 冷却能力がよ り 一層大 き く な る 。
权利要求:
Claims
請求の範囲
し真空容器内 に収容 さ れた多段式電子 ク ー ラ ー であ っ て 該多段式電子 ク ー ラ ー の冷却板 と し て複数段 に積み重ね ら れた複数枚の 基板の そ れぞれ上部を カ バーす る た め に 前記真空容器内 に設け ら れた少な く と も 一層 ま た はそ れ 以上の層の熱遮蔽部材を含む こ と を特徵 と す る 多段式電 子 ク ー ラ
2 .請求の範囲笫 1 項 に記載の多段式電子 ク ー ラ 一 であ つ て、 前記熱遮蔽部材の そ れぞれの 内外両面に熱反射部材 が貼付 さ れた こ と を特徵 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー。
3 .請求の範囲第 1 項に記載の 多段式電子 ク ー ラ ーであ つ て 、 前記熱遮蔽 材の そ れぞれの頂部 に窓穴が形成 さ れ て い る こ と を特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー。
4 .請求の 範囲第 1 項に記載の多段式電子 ク ー ラ 一であ つ て、 前記熱遮蔽部材が厚 さ 1 2 の銅箔か ら 成 る こ と を 特徵 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー。
5 .請求の範囲第 2 項に記載の多段式電子 ク 一ラ ー であ つ て、 前記熱反射部材が厚 さ 1 の金箔で あ る こ と を特徵 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー 。
6 .請求の範囲第 1 項に記載の多段式電子 ク ー ラ ーであ つ て、 多段式電子 ク ー ラ 一 に組み立て ら れた各部品の 表面 が熱の放射率の小 さ い物質で被覆せ し め ら れた こ と を特 徵 と す る 多段式電子 ク
7 .請求の範囲第 6 項に記載の 多段式電子 ク —で あ つ て、 熱の放射率の小 さ い物質力く A u で あ っ て、 こ の A u が接着、 圧着、 蒸着 ま た は メ ツ キ等 に よ っ て被覆 さ れ た こ と を特徵 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー 。
8 .請求の 範囲第 1 項 に 記載の 多段式電子 ク 一 ラ で あ つ て 前記真空容器が熱の 放射率の 小 さ い物質か ら 成 る こ と を 特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー。
9 .請求の範囲第 8 項に 記載の 多段式電子 ク 一 ラ 一 で あ つ て、 前記熟の放射率の小 さ い物質が A u で あ る こ と を特 徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー 。
1 0 . 請求の 範囲第 1 項 に記載の多段式電子 ク ー ラ ー で あ つ て、 前記真空容器 に熱の 放射率の 小 さ い物質を被覆 し
'た こ と を特徵 と す る 多段式電子 ク ー ラ ー 。
1 1 . 請求の 範囲第 1 0 項 に 記載の 多段式電子 ク ー ラ ー で あ っ て、 熱の放射率の 小 さ い 物質力く A u で あ っ て、 こ の A u が接着、 圧着、 蒸着 ま た は メ ツ キ等 に よ っ て被覆 さ れ た こ と を特徴 と す る 多段式電子 ク ー ラ 一 。
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同族专利:
公开号 | 公开日
EP0377740A1|1990-07-18|
EP0377740A4|1992-12-02|
引用文献:
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法律状态:
1989-02-23| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
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优先权:
申请号 | 申请日 | 专利标题
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