JP2001185771A - Thermoelectric conversion method and thermoelectric element - Google Patents
Thermoelectric conversion method and thermoelectric elementInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギを電気
エネルギに変換する熱電変換方法と熱電素子に関するも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric conversion method for converting heat energy into electric energy and a thermoelectric element.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より熱電素子材料としては、多結晶
やホットプレス材が利用されることが多い。そしてこれ
らは、単結晶に比べて等方的な材料になりやすい。従っ
て、輸送係数なども空間的に平均化されることになる。
ここで、もし方向によりそれほど輸送係数が異ならなけ
れば、ホットプレス材なども熱電素子材料として使用さ
れるが、方向依存性の強い材料（一般的には、共有結合
を有する材料）においては、輸送係数等が空間的に平均
化されると熱電素子材料として適さなくなる可能性があ
る。2. Description of the Related Art Conventionally, a polycrystalline or hot-pressed material has been often used as a thermoelectric element material. These tend to be isotropic materials compared to single crystals. Therefore, the transport coefficient and the like are also spatially averaged.
Here, if the transport coefficient is not so different depending on the direction, a hot-pressed material or the like is also used as a thermoelectric element material. However, in a material having a strong direction dependency (generally, a material having a covalent bond), If the coefficients and the like are spatially averaged, it may not be suitable as a thermoelectric element material.
【０００３】図１は、Ｂｉ８８Ｓｂ１２に関するゼーベ
ック係数（「熱電能」ともいう。）Ｓの温度依存性を示
すグラフであり、磁場がｃ軸方向に印加された場合の特
性を示す。また、図２は図１と同様にＢｉ８８Ｓｂ１２
に関するゼーベック係数Ｓの温度依存性を示すグラフで
あり、磁場がｃ軸に対して垂直方向に印加された場合の
特性を示す。ここで、図１及び図２に示されるように、
磁場を印加しないとき（印加磁場０Ｔの場合）において
も、ｃ軸に対して垂直な方向のゼーベック係数Ｓは、ｃ
軸に対して平行な方向のゼーベック係数の約二倍となっ
ている。従って、Ｂｉ８８Ｓｂ１２は輸送係数が平均化
されると、そのゼーベック係数は、ｃ軸に垂直な方向の
値より小さくなることを意味する。なお、同様な現象は
ＢｉＴｅ系についても報告されている。[0003] Figure 1 (also referred to as "thermopower".) Seebeck coefficient for Bi 88 Sb 12 is a graph showing the temperature dependence of S, shows the characteristic when a magnetic field is applied in the c-axis direction. FIG. 2 shows Bi 88 Sb 12 as in FIG.
4 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient S with respect to the magnetic field, and shows characteristics when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the c-axis. Here, as shown in FIGS. 1 and 2,
Even when no magnetic field is applied (when the applied magnetic field is 0T), the Seebeck coefficient S in the direction perpendicular to the c axis is c
It is about twice the Seebeck coefficient in the direction parallel to the axis. Therefore, when the transport coefficient is averaged, Bi 88 Sb 12 means that the Seebeck coefficient becomes smaller than the value in the direction perpendicular to the c-axis. A similar phenomenon has been reported for the BiTe system.
【０００４】一般に、結晶軸に対する方向依存性は、共
有結合している材料の方が強く、従って半導体では炭素
やシリコンやゲルマニウムからなる材料において、該方
向依存性が特に強い。In general, the direction dependency on the crystal axis is stronger in a covalently bonded material. Therefore, in a semiconductor, a material made of carbon, silicon, or germanium has a particularly strong direction dependency.
【０００５】また一方では、熱電半導体では有効質量が
大きいと性能指数Ｚが大きくなりやすいため、熱電素子
材料としては原子数の大きい材料が適当であるといわれ
ているが、通常は格子中において有効質量は電子質量よ
り小さくなっている。なお、上記性能指数Ｚはゼーベッ
ク係数Ｓと、電気抵抗率ηと、熱伝導率κとによりＺ＝
Ｓ２／（η・κ）という式で定義される。参考のため、
以下の表１に有効質量の電子質量に対する比を示す。On the other hand, in the case of thermoelectric semiconductors, if the effective mass is large, the figure of merit Z tends to be large. Therefore, it is said that a material having a large number of atoms is suitable as a thermoelectric element material. The mass is smaller than the electron mass. Note that the above-mentioned figure of merit Z is expressed by the following equation: Seebeck coefficient S, electric resistivity η, and thermal conductivity κ.
It is defined by the formula S 2 / (η · κ). For reference,
Table 1 below shows the ratio of the effective mass to the electron mass.
【０００６】[0006]
【表１】 なお、上記表１から、ゲルマニウム（Ｇｅ）の有効質量
は自由電子の質量より大きな値を有し得ることが分か
る。[Table 1] From Table 1, it can be seen that the effective mass of germanium (Ge) can have a larger value than the mass of free electrons.
【０００７】図３は、Ｂｉ８８Ｓｂ１２に関する性能指
数Ｚの温度依存性を示すグラフであり、磁場がｃ軸方向
に印加された場合の特性を示す。また、図４は図３と同
様にＢｉ８８Ｓｂ１２に関する性能指数Ｚの温度依存性
を示すグラフであり、磁場がｃ軸に対して垂直方向に印
加された場合の特性を示す。[0007] Figure 3 is a graph showing the temperature dependence of the figure of merit Z about Bi 88 Sb 12, shows the characteristic when a magnetic field is applied in the c-axis direction. Further, FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of similarly Bi 88 Sb 12 Performance index Z as Fig. 3 shows a characteristic when a magnetic field is applied perpendicularly to the c axis.
【０００８】ここで図３及び図４より、絶対温度１００
Ｋ〜２００Ｋでは、例えば印加磁場が０Ｔのとき、ｃ軸
に対して垂直方向の性能指数Ｚが、ｃ軸方向の性能指数
Ｚに対して２〜３倍の大きさになっていることがわか
る。Here, from FIG. 3 and FIG.
At K to 200 K, for example, when the applied magnetic field is 0T, the figure of merit Z in the direction perpendicular to the c-axis is 2-3 times larger than the figure of merit Z in the c-axis direction. .
【０００９】次に、磁場効果について記す。図３及び図
４に示されるように、磁場を印加すると最終的にはどの
温度領域においても性能指数Ｚは減少する。そして、こ
の原因は磁気効果にある。すなわち、図１及び図２によ
り本来、ゼーベック係数Ｓは磁場を印加することにより
全ての温度領域で増加しているにもかかわらず、図３及
び図４を参照すると性能指数Ｚの値は磁場の印加により
減少している。従って、磁場は熱電素子としての性能を
低下させる因子となる。Next, the magnetic field effect will be described. As shown in FIGS. 3 and 4, when a magnetic field is applied, the figure of merit Z finally decreases in any temperature region. The cause is a magnetic effect. That is, although the Seebeck coefficient S originally increases in all temperature regions by applying a magnetic field according to FIGS. 1 and 2, the value of the figure of merit Z is shown in FIGS. It decreases with the application. Therefore, the magnetic field is a factor that degrades the performance as a thermoelectric element.
【００１０】なお、上記図１から図４に示されたデータ
を得るために利用した試料の形状は、図５に示される。
ここで、ｘ軸は熱流が流れる方向を示し、温度勾配δＴ
／δｘを有する。また、ｚ軸方向には磁場Ｂｚが印加さ
れ、ｘ軸方向のゼーベック起電力Ｅとｙ軸方向のネルン
スト・エッティングハウゼン起電力Ｅｙが示される。ま
た、試料２３のサイズは、長さ２０ｍｍ、幅４ｍｍで奥
行きが４ｍｍとされる。The shape of the sample used to obtain the data shown in FIGS. 1 to 4 is shown in FIG.
Here, the x-axis indicates the direction in which the heat flow flows, and the temperature gradient δT
/ Δx. A magnetic field Bz is applied in the z-axis direction, and a Seebeck electromotive force E in the x-axis direction and a Nernst-Ettinghausen electromotive force Ey in the y-axis direction are shown. The size of the sample 23 is 20 mm in length, 4 mm in width and 4 mm in depth.
【００１１】図６は、Ｂｉ８５Ｓｂ１５からなる素子に
よる温度降下の電流依存性を示すグラフである。なお、
図６においては磁場が印加されない場合（Ｈ＝０）と、
大きさが約１．１×１０５Ａ／ｍの磁場が印加された場
合におけるデータが示される。ここで、図６に示される
ように、磁場を印加すると上記温度降下ΔＴが大きくな
る。このことは、磁場の印加により熱電変換効率が高く
なることを意味するが、このような結果は先の図３及び
図４に示された結果と一見矛盾する。なお具体的には、
上記図６より８０Ｋ〜６０Ｋの範囲で、印加する磁場Ｈ
が０のとき性能指数Ｚは約７．０×１０−３（Ｋ−１）
であり、印加する磁場Ｈが約１．１×１０５Ａ／ｍのと
き性能指数Ｚは約９．０×１０−３〜１．０×１０−２
（Ｋ−１）と計算され、磁場の印加により性能指数が増
大することがわかる。[0011] Figure 6 is a graph showing current dependency of the temperature drop due to elements consisting of Bi 85 Sb 15. In addition,
In FIG. 6, when no magnetic field is applied (H = 0),
Data is shown when a magnetic field having a magnitude of about 1.1 × 10 5 A / m is applied. Here, as shown in FIG. 6, when a magnetic field is applied, the temperature drop ΔT increases. This means that the application of the magnetic field increases the thermoelectric conversion efficiency, but such results seemingly contradict the results shown in FIGS. 3 and 4. Specifically,
According to FIG. 6, the applied magnetic field H is in the range of 80K to 60K.
Is 0, the figure of merit Z is about 7.0 × 10 −3 (K −1 ).
When the applied magnetic field H is about 1.1 × 10 5 A / m, the figure of merit Z is about 9.0 × 10 −3 to 1.0 × 10 −2.
(K −1 ), which indicates that the figure of merit increases with the application of the magnetic field.
【００１２】上記のような矛盾は、図３及び図４に示さ
れたデータを得るために用いられた試料と、図６に示さ
れたデータを得るために用いられた試料の磁気抵抗が大
きく異なっていることに由来する。そして、磁気抵抗が
このように大きく異なる原因は二つある。すなわち、微
視的にはキャリアの散乱状態が異なることであり、マク
ロ的には試料及び電極の構造が異なることである。The inconsistency described above is caused by the fact that the sample used to obtain the data shown in FIGS. 3 and 4 and the sample used to obtain the data shown in FIG. It comes from being different. And there are two causes of such a large difference in magnetic resistance. That is, microscopically, the scattering state of the carrier is different, and macroscopically, the structures of the sample and the electrode are different.
【００１３】ここで、キャリアの散乱が増大することに
よって抵抗値が増大することは、多くの教科書に記され
ており、電気抵抗率ηは印加磁束密度Ｂの二乗に比例す
る。図７は、ＩｎＳｂにおける電気抵抗率ηの磁束密度
依存性を示すグラフである。この図７は絶対温度２９８
Ｋにおいて得られたものであり、理論値と実験値とが示
される。なお、理論値はボルツマン方程式から求められ
た値であり、実験値はファンデルポー法による抵抗率測
定によって得られたものである。また、用いられた試料
の平面形状は４ｍｍ×４ｍｍ角とされたが、上記のよう
にファンデルポー法が利用されているので、試料は方向
依存性がないことを前提にしている。The fact that the resistance value increases due to the increase in carrier scattering is described in many textbooks, and the electrical resistivity η is proportional to the square of the applied magnetic flux density B. FIG. 7 is a graph showing the magnetic flux density dependence of the electrical resistivity η in InSb. FIG. 7 shows the absolute temperature of 298.
It was obtained at K and shows theoretical and experimental values. Note that the theoretical value is a value obtained from the Boltzmann equation, and the experimental value is obtained by measuring the resistivity by the van der Pauw method. The planar shape of the sample used was 4 mm × 4 mm square, but since the Van der Pauw method is used as described above, it is assumed that the sample has no direction dependency.
【００１４】そして、図７に示されるように、上記実験
値と理論値とは定性的な面だけではなく絶対値も含めて
良く一致していることが分かる。このことは、試料に磁
場を印加することによる抵抗の増大は全て微視的プロセ
スで決まっていることを意味する。As shown in FIG. 7, it can be seen that the experimental values and the theoretical values are in good agreement not only in qualitative terms but also in absolute values. This means that the increase in resistance caused by applying a magnetic field to the sample is all determined by a microscopic process.
【００１５】図８は、図面の垂直方向へ印加された磁束
密度Ｂの磁場中に置かれたＩｎＳｂからなる棒状試料２
７において、電流線（実線）と、等電位線（破線）との
関係を示す図である。なお、図中Ｗは棒状試料２７の幅
を、図中Ｌは棒状試料２７の長さを示す。FIG. 8 shows a rod-like sample 2 made of InSb placed in a magnetic field having a magnetic flux density B applied in the vertical direction of the drawing.
7 is a diagram showing a relationship between a current line (solid line) and an equipotential line (broken line). In the drawing, W indicates the width of the rod-shaped sample 27, and L in the drawing indicates the length of the rod-shaped sample 27.
【００１６】また図９は、ＩｎＳｂからなる試料におい
て純度は同じであるが形状が異なる４つの場合におい
て、相対抵抗値ＲＢ／Ｒ０の磁束密度依存性を示す。こ
こで、ＲＢは磁場Ｂを印加したときの抵抗値を示し、Ｒ
０は磁場を印加しないときの抵抗値を示す。なお、上記
と同様に図中Ｗは棒状試料２７の幅を示す。[0016] FIG. 9 is a purity in a sample consisting of InSb in the case is the same four shapes are different, showing the magnetic flux density dependence of the relative resistance value R B / R 0. Here, RB indicates a resistance value when the magnetic field B is applied, and R B
0 indicates a resistance value when no magnetic field is applied. In the same manner as described above, W in the figure indicates the width of the rod-shaped sample 27.
【００１７】ここで図９より、磁気抵抗は試料の形状に
より大きく値が異なり、印加する磁場の大きさが大きい
ほど相対抵抗値は大きくなることがわかる。また、棒状
試料２７の幅Ｗが試料の長さＬに対して大きいほど相対
抵抗値は大きくなることがわかる。この理由は、図８に
示された電極部２５に金属を用いると、電極部２５は等
電位になり磁場の存在によって電流経路が実質的に狭く
なるため、幅Ｗが大きいほど見かけの抵抗値が大きくな
るのである。FIG. 9 shows that the value of the magnetoresistance varies greatly depending on the shape of the sample, and the relative resistance increases as the magnitude of the applied magnetic field increases. Further, it can be seen that the relative resistance value increases as the width W of the rod-shaped sample 27 increases with respect to the length L of the sample. The reason is that when a metal is used for the electrode portion 25 shown in FIG. 8, the electrode portion 25 becomes equipotential and the current path is substantially narrow due to the presence of a magnetic field. Becomes larger.
【００１８】図１０は、上記図９に示されたデータが、
計算機によるシミュレーションにより再現された結果を
示すグラフである。なお図１０に示された結果は、電気
抵抗率ηを定数として差分法において形状効果を考慮し
た上で、二次元の計算をすることにより得られたもので
ある。そして、図１０より、この計算機によるシミュレ
ーション結果は図９に示されたデータを再現しているこ
とがわかる。FIG. 10 shows that the data shown in FIG.
9 is a graph showing a result reproduced by a simulation by a computer. Note that the results shown in FIG. 10 are obtained by performing two-dimensional calculations while taking into account the shape effect in the difference method using the electrical resistivity η as a constant. From FIG. 10, it can be seen that the simulation result by this computer reproduces the data shown in FIG.
【００１９】しかしながら、図１０に示された結果によ
れば、棒状試料の長さＬと幅Ｗの比が１０対１である場
合には、印加する磁束密度Ｂが０〜１．０Ｔではせいぜ
い１０％程度の増大になっているが、微視的な計算及び
実験結果によれば３０〜４０％の増大になる。ここで、
微視的なプロセスにより抵抗が増大するのであれば、上
記のように電気抵抗率ηを定数とする仮定は誤りで、よ
り大きい電気抵抗率ηを計算に用いる必要があることに
なるが、形状効果を考慮するとより大きな磁気抵抗の値
が得られてしまう。従って、このような結果は矛盾して
いるように見える。However, according to the results shown in FIG. 10, when the ratio of the length L to the width W of the rod-shaped sample is 10 to 1, the applied magnetic flux density B is 0 to 1.0T at most. The increase is about 10%, but according to microscopic calculations and experimental results, the increase is 30 to 40%. here,
If the resistance increases due to the microscopic process, the assumption that the electric resistivity η is a constant as described above is incorrect, and it is necessary to use a larger electric resistivity η in the calculation. Considering the effect, a larger value of the magnetoresistance is obtained. Therefore, such results seem inconsistent.
【００２０】また、上記のような研究がなされる一方に
おいて、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子
の工業的な開発も従来から行われているが、この熱電素
子の更なる工業的利用を図るには現存する熱電素子が有
する性能指数をより高める必要がある。On the other hand, while the above-mentioned research has been carried out, thermoelectric elements for converting thermal energy into electric energy have been industrially developed. However, further industrial utilization of this thermoelectric element has been attempted. To achieve this, it is necessary to further increase the figure of merit of existing thermoelectric elements.
【００２１】[0021]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の点に
鑑みてなされたものであり、効率のよい熱電変換を実現
する熱電変換方法と、性能指数が高められた熱電素子と
を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and provides a thermoelectric conversion method for achieving efficient thermoelectric conversion, and a thermoelectric element having an improved figure of merit. The purpose is to:
【００２２】[0022]
【課題を解決するための手段】上記の目的は、互いに直
交する三つの方向において、第一の方向における幅が少
なくとも第二または第三のいずれか一方の方向における
幅よりも狭いと共に、第二の方向に配設される二つの電
極間に挟装された半導体素子を用いた熱電変換方法であ
って、二つの電極間における第二の方向には温度勾配を
生じさせ、かつ第三の方向には磁場を印加することを特
徴とする熱電変換方法を提供することにより達成され
る。このような手段によれば、半導体素子の性能指数を
高め、二つの電極間により高い起電力を生じさせること
ができる。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide, in three directions perpendicular to each other, a width in a first direction smaller than a width in at least one of a second direction and a second direction. A thermoelectric conversion method using a semiconductor element sandwiched between two electrodes disposed in the direction of the second direction, a temperature gradient is generated in a second direction between the two electrodes, and a third direction Is provided by providing a thermoelectric conversion method characterized by applying a magnetic field. According to such means, the figure of merit of the semiconductor element can be increased, and a higher electromotive force can be generated between the two electrodes.
【００２３】ここで、二つの電極はそれぞれ、互いに第
一の方向において対向する部位を備えたものとすれば、
第一の方向に生じる起電力の寄与によるさらに大きな起
電力を上記二つの電極間において得ることができる。Here, assuming that each of the two electrodes has a portion facing each other in the first direction,
A larger electromotive force due to the contribution of the electromotive force generated in the first direction can be obtained between the two electrodes.
【００２４】また、本発明の目的は、二つの電極間に挟
装された半導体素子を用いた熱電変換方法であって、二
つの電極間に温度勾配を生じさせ、かつ温度勾配の方向
と同じ方向に磁場を印加することを特徴とする熱電変換
方法を提供することにより達成される。このような手段
によっても、半導体素子の性能指数を高め、二つの電極
間により高い起電力を生じさせることができる。Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion method using a semiconductor device sandwiched between two electrodes, wherein a temperature gradient is generated between the two electrodes and the temperature gradient is the same as the direction of the temperature gradient. This is attained by providing a thermoelectric conversion method characterized by applying a magnetic field in a direction. By such means, the figure of merit of the semiconductor element can be increased, and a higher electromotive force can be generated between the two electrodes.
【００２５】また、本発明の目的は、熱エネルギーを電
気エネルギーに変換する熱電素子であって、共通電極
と、共通電極に接合された第一導電型半導体素子と、第
一導電型半導体素子に接合され、共通電極に対向するよ
う設けられた第一の電極と、共通電極に接合された第二
導電型半導体素子と、第二導電型半導体素子に接合さ
れ、共通電極に対向するよう設けられた第二の電極と、
共通電極と第一の電極との間の温度勾配、及び共通電極
と第二の電極との間の温度勾配に対して、略垂直方向に
磁場を印加する磁場印加手段とを備えたことを特徴とす
る熱電素子を提供することにより達成される。このよう
な手段によれば、熱エネルギ−から変換された電気エネ
ルギーを、第一の電極と第二の電極との間に生じる電位
差として効率よく得ることができる。Another object of the present invention is to provide a thermoelectric element for converting thermal energy into electric energy, comprising a common electrode, a first conductive semiconductor element joined to the common electrode, and a first conductive semiconductor element. A first electrode joined and provided to face the common electrode, a second conductivity type semiconductor element joined to the common electrode, and a second conductivity type semiconductor element joined to the second conductivity type semiconductor element and provided to face the common electrode; A second electrode,
Magnetic field applying means for applying a magnetic field in a direction substantially perpendicular to the temperature gradient between the common electrode and the first electrode, and the temperature gradient between the common electrode and the second electrode. This is achieved by providing a thermoelectric element. According to such a means, the electric energy converted from the heat energy can be efficiently obtained as a potential difference generated between the first electrode and the second electrode.
【００２６】また、ここで第二導電型半導体素子は、第
一導電型半導体素子に並設され、磁場印加手段は、第一
導電型半導体素子と第二導電型半導体素子との間に挿設
された磁石からなるものとすることができる。Here, the second conductivity type semiconductor device is provided in parallel with the first conductivity type semiconductor device, and the magnetic field applying means is inserted between the first conductivity type semiconductor device and the second conductivity type semiconductor device. It can be made of a magnet that has been cut.
【００２７】また上記熱電素子は、外気を遮断し、内部
が真空状態とされた容器に囲繞されたものとすることが
できる。このような手段によれば、熱電素子の熱電変換
効率を向上させることができる。[0027] The thermoelectric element may be surrounded by a container in which the outside air is shut off and the inside of which is evacuated. According to such means, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric element can be improved.
【００２８】また上記熱電素子は、第一導電型半導体素
子及び第二導電型半導体素子を貫通する磁力線が閉曲線
を描くように磁気回路が周設されたものとすることがで
きる。このような手段によれば、無用な漏洩磁場を低減
することができる。Further, the thermoelectric element may have a magnetic circuit provided so that a line of magnetic force passing through the first conductive type semiconductor element and the second conductive type semiconductor element draws a closed curve. According to such a means, unnecessary leakage magnetic fields can be reduced.
【００２９】また、第一導電型半導体素子又は第二導電
型半導体素子の少なくとも一方はビスマステルルを含
み、あるいは、第一導電型半導体素子又は第二導電型半
導体素子のいずれか一方はビスマスアンチモンを含むＮ
型半導体素子であるものとすることができる。At least one of the first conductivity type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element contains bismuth tellurium, or one of the first conductivity type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element contains bismuth antimony. Including N
Type semiconductor element.
【００３０】[0030]
【発明の実施の形態】以下において、本発明の実施の形
態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符
号は、同一または相当部分を示す。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The same reference numerals in the drawings indicate the same or corresponding parts.
【００３１】図１１は、本発明の実施の形態に係る熱電
変換方法を説明する図である。図１１に示されるよう
に、本実施の形態に係る熱電変換方法においては、互い
に直交する三つの方向ｘ，ｙ，ｚについて、第一の方向
であるｘ方向における幅Ｗａが少なくとも第二または第
三のいずれか一方の方向、すなわち少なくともｙ方向ま
たはｚ方向のいずれか一方の方向における幅Ｗｂ，Ｗｃ
よりも狭いと共に、ｙ方向に配設される二つの銅電極７
間に挟装された半導体素子１０が用いられる。そして、
上記二つの銅電極７間におけるｙ方向には温度勾配ｇｒ
ａｄＴを生じさせ、かつｚ方向には外部磁場Ｂが印加さ
れる。FIG. 11 is a diagram illustrating a thermoelectric conversion method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, in the thermoelectric conversion method according to the present embodiment, in three directions x, y, and z orthogonal to each other, the width Wa in the x direction, which is the first direction, is at least the second or the second. Widths Wb and Wc in any one of the three directions, ie, at least one of the y direction and the z direction.
Two copper electrodes 7 which are narrower and are arranged in the y-direction.
The semiconductor element 10 sandwiched between them is used. And
A temperature gradient gr in the y direction between the two copper electrodes 7
adT is generated, and an external magnetic field B is applied in the z direction.
【００３２】なお、図１１においては、例として上の銅
電極７が高温側に置かれた場合が示されている。また、
図１１に示されるように二つの銅電極７は、それぞれ半
導体素子１０の高温端と低温端（上面と底面）の全面に
取り付けられている。さらに、上記半導体素子１０とし
ては種類を問わず同様な効果を得ることができるが、例
えばビスマスアンチモンからなるものとすることができ
る。FIG. 11 shows a case where the upper copper electrode 7 is placed on the high temperature side as an example. Also,
As shown in FIG. 11, the two copper electrodes 7 are attached to the entire surface of the high-temperature end and the low-temperature end (top and bottom) of the semiconductor element 10, respectively. Further, the same effect can be obtained regardless of the kind of the semiconductor element 10, but it can be made of, for example, bismuth antimony.
【００３３】上記図１１に示された外部条件下に半導体
素子１０を置くことにより、半導体素子１０の性能指数
を向上させ、銅電極７間により高い起電力を得ることが
できる。従って、従来に比してさらに効率の良い熱電変
換を実現することができる。By placing the semiconductor element 10 under the external conditions shown in FIG. 11, the figure of merit of the semiconductor element 10 can be improved, and a higher electromotive force can be obtained between the copper electrodes 7. Therefore, more efficient thermoelectric conversion can be realized as compared with the related art.
【００３４】ここで、図１１に示された二つの銅電極７
は、それぞれ半導体素子１０の高温端と低温端（上面と
底面）の全面に取り付けられているが、図１２に示され
るように、該二つの銅電極７は半導体素子１０の高温端
（上面）と低温端（下面）において、それぞれ互いにｘ
座標が異なる辺上に、すなわちタスキにかけるよう半導
体素子１０に冠着させることも有効である。Here, the two copper electrodes 7 shown in FIG.
Are mounted on the entire surface of the high-temperature end and the low-temperature end (upper surface and bottom surface) of the semiconductor element 10, respectively. As shown in FIG. At the low-temperature end (lower surface)
It is also effective that the semiconductor element 10 is crowned on the side having different coordinates, that is, on the side where the coordinates are applied.
【００３５】このようにして、図１２に示されるよう
に、各銅電極７が、互いにｘ方向で対向するｘ方向対向
部位７ａを備えた電極構造を有するものとすれば、温度
勾配の方向（ｙ方向）に生じるゼーベック電圧と、温度
勾配および磁場の両方向に垂直な方向（ｘ方向）に生じ
るネルンスト電圧の両電圧のベクトル和に相当する起電
力が、図１２に示された二つの銅電極７間において得ら
れることになる。従って、このような電極構造によれ
ば、二つの銅電極７間にさらに大きな起電力が得られ、
より効率の良い熱電変換を実現することができる。In this way, as shown in FIG. 12, if each copper electrode 7 has an electrode structure having x-direction opposed portions 7a opposed to each other in the x direction, the temperature gradient direction ( The electromotive force corresponding to the vector sum of the Seebeck voltage generated in the y-direction) and the Nernst voltage generated in the direction (x-direction) perpendicular to both the temperature gradient and the magnetic field is the two copper electrodes shown in FIG. 7 will be obtained. Therefore, according to such an electrode structure, a larger electromotive force can be obtained between the two copper electrodes 7,
More efficient thermoelectric conversion can be realized.
【００３６】一方、図１３に示されるように、二つの銅
電極７間に挟装された半導体素子１０を用いて、二つの
銅電極７間に温度勾配ｇｒａｄＴを生じさせ、かつ該温
度勾配ｇｒａｄＴの方向と同じ方向に外部磁場Ｂを印加
することも、有効な熱電変換方法である。なお、図１３
においても、例として上の銅電極７が高温側に置かれた
場合が示されている。また、図１３に示された半導体素
子１０においても、種類を問わず同様な効果を得ること
ができるが、上記と同様に例えばビスマスアンチモンか
らなるものとすることができる。On the other hand, as shown in FIG. 13, a temperature gradient gradT is generated between the two copper electrodes 7 by using the semiconductor element 10 sandwiched between the two copper electrodes 7, and the temperature gradient gradT is generated. Applying the external magnetic field B in the same direction as the above is also an effective thermoelectric conversion method. Note that FIG.
Also, the case where the upper copper electrode 7 is placed on the high temperature side is shown as an example. In addition, the same effect can be obtained regardless of the type in the semiconductor element 10 shown in FIG. 13, but it can be made of, for example, bismuth antimony in the same manner as described above.
【００３７】そして、図１３に示された熱電変換方法に
よっても、半導体素子１０の性能指数を向上させ、銅電
極７間により高い起電力を得ることができ、従来に比し
てさらに効率の良い熱電変換を実現することができる。Further, according to the thermoelectric conversion method shown in FIG. 13, the figure of merit of the semiconductor element 10 can be improved, a higher electromotive force can be obtained between the copper electrodes 7, and the efficiency can be further improved as compared with the related art. Thermoelectric conversion can be realized.
【００３８】以下において、上記の特に図１１に示され
た基本的な実施の形態に基づく熱電素子をより具体的に
説明する。 ［実施の形態１］図１４は、本発明の実施の形態１に係
る熱電素子の構成を示す図である。図１４に示されるよ
うに、この熱電素子はＰ型半導体素子１と、Ｎ型半導体
素子３と、永久磁石５と、銅電極７と、熱絶縁物９と、
セラミック板１１と、端子１５，１７とを含む。ここ
で、銅電極７はセラミック板１１の上に形成される。ま
た、Ｐ型半導体素子１とＮ型半導体素子３とは対向する
よう配設されると共に、隣接するＰ型半導体素子１とＮ
型半導体素子３とはいずれか一方の側において共通する
銅電極７に接合される。そして、隣接するＰ型半導体素
子１とＮ型半導体素子３との間には、磁極の向きが揃え
られ両端に熱絶縁物９が接合された永久磁石５が挿入さ
れる。ここで例えば永久磁石５は、図１４に示されるよ
うに、隣接するＰ型半導体素子１とＮ型半導体素子３と
の間に一つおきに挿入され、磁極の向きはいずれもＰ型
半導体素子７の方にＮ極が向くように配設される。In the following, the thermoelectric element based on the basic embodiment shown in FIG. 11 in particular will be described more specifically. [First Embodiment] FIG. 14 shows a structure of a thermoelectric element according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, this thermoelectric element includes a P-type semiconductor element 1, an N-type semiconductor element 3, a permanent magnet 5, a copper electrode 7, a thermal insulator 9,
It includes a ceramic plate 11 and terminals 15 and 17. Here, the copper electrode 7 is formed on the ceramic plate 11. The P-type semiconductor element 1 and the N-type semiconductor element 3 are disposed so as to face each other, and the adjacent P-type semiconductor element 1 and N
The mold semiconductor element 3 is joined to a common copper electrode 7 on one side. Then, between the adjacent P-type semiconductor element 1 and N-type semiconductor element 3, a permanent magnet 5 whose magnetic poles are aligned and heat insulators 9 are joined at both ends is inserted. Here, for example, as shown in FIG. 14, every other permanent magnet 5 is inserted between adjacent P-type semiconductor elements 1 and N-type semiconductor elements 3, and the direction of the magnetic poles are all P-type semiconductor elements. 7 is arranged so that the N pole faces.
【００３９】なお永久磁石５は、隣接するＰ型半導体素
子１とＮ型半導体素子３との全ての間に挿入しても良
く、磁極の向きが揃えられればＮ型半導体素子３の方に
Ｎ極が向くように配設されてもよい。The permanent magnet 5 may be inserted between all of the adjacent P-type semiconductor element 1 and N-type semiconductor element 3. If the magnetic poles are aligned in the same direction, the N-type semiconductor element 3 is shifted toward N-type semiconductor element 3. It may be arranged so that the pole faces.
【００４０】以上のような構成においては、一対の隣接
するＰ型半導体素子１及びＮ型半導体素子３と、それら
を片側で共通接続する一つの銅電極７とにより最小単位
の熱電素子が形成され、隣接するＰ型半導体素子１及び
Ｎ型半導体素子３が接合される両端の銅電極７が温度勾
配のある空間に置かれることにより、該最小単位の熱電
素子に起電力が生じる。従って、図１４に示された熱電
素子は、該最小単位の熱電素子が直列接続されたもので
あり、銅電極７に接続された両端子１５，１７の電位差
として熱エネルギーから変換された電気エネルギー、す
なわち起電力が得られる。In the above-described configuration, a pair of adjacent P-type semiconductor elements 1 and N-type semiconductor elements 3 and one copper electrode 7 commonly connecting them on one side form a minimum unit thermoelectric element. By placing the copper electrodes 7 at both ends where the adjacent P-type semiconductor element 1 and N-type semiconductor element 3 are joined in a space having a temperature gradient, an electromotive force is generated in the thermoelectric element of the minimum unit. Therefore, the thermoelectric element shown in FIG. 14 has the minimum unit of thermoelectric elements connected in series, and the electric energy converted from the heat energy as a potential difference between the terminals 15 and 17 connected to the copper electrode 7. That is, an electromotive force is obtained.
【００４１】なお、上記Ｐ型半導体素子１及びＮ型半導
体素子３の大きさは設計にもよるが、例えば数ミリ角程
度することができる。また、永久磁石５は熱伝導を下げ
るためにセラミック系の材料が好ましい。また、上記の
セラミック板１１は、熱伝導率及び電気絶縁性が高い材
料であって、熱電素子の片側だけで銅電極７の取り付け
台として使用されても良い。The size of the P-type semiconductor element 1 and the N-type semiconductor element 3 depends on the design, but can be, for example, about several mm square. The permanent magnet 5 is preferably made of a ceramic material to reduce heat conduction. The ceramic plate 11 is made of a material having high thermal conductivity and high electrical insulation, and may be used as a mount for the copper electrode 7 on only one side of the thermoelectric element.
【００４２】以上のような構成を有する熱電素子は、温
度勾配のある図１４の上下方向に対し垂直方向、すなわ
ち、図１４の左右の方向にＰ型半導体素子１及びＮ型半
導体素子３に対して磁場を印加させるものであるため、
性能指数が向上した熱電素子を得ることができる。The thermoelectric element having the above-described structure is arranged so that the P-type semiconductor element 1 and the N-type semiconductor element 3 are perpendicular to the vertical direction in FIG. To apply a magnetic field,
A thermoelectric element with an improved figure of merit can be obtained.
【００４３】一方、熱は図１４の上下方向に流れ，より
具体的には真空ケース１３からセラミック板１１、銅電
極７、Ｐ型半導体素子１又はＮ型半導体素子３、他方の
銅電極７、セラミック板１１を順に通り反対側の真空ケ
ース１３へ至る熱回路を流れる。On the other hand, heat flows in the vertical direction in FIG. 14, and more specifically, from the vacuum case 13 to the ceramic plate 11, the copper electrode 7, the P-type semiconductor element 1 or the N-type semiconductor element 3, and the other copper electrode 7, The heat flows through the ceramic plate 11 in order and reaches the vacuum case 13 on the opposite side.
【００４４】ここで、上記熱電素子は大気中にむき出し
の状態でも利用できるが、この場合には図１４の上下方
向における温度差が、大気の対流による高温側から低温
側への熱伝導により低減されるため、熱エネルギーから
電気エネルギーへの変換効率が悪化する。従ってこれを
回避するため、図１４に示されるように熱電素子の全体
をステンレスやアルミ材からなる真空ケース１３で覆う
ことが有効である。そして、上記真空ケース１３の内部
を排気し真空とすることにより、対流による熱伝達が減
少し、熱絶縁性が良くなるため熱電素子の性能指数が向
上する。Here, the thermoelectric element can be used in a state where it is exposed to the atmosphere. In this case, the temperature difference in the vertical direction in FIG. 14 is reduced by heat conduction from the high temperature side to the low temperature side due to the convection of the air. Therefore, the conversion efficiency from heat energy to electric energy is deteriorated. Therefore, in order to avoid this, it is effective to cover the entire thermoelectric element with a vacuum case 13 made of stainless steel or aluminum as shown in FIG. By evacuating the inside of the vacuum case 13 to create a vacuum, heat transfer due to convection is reduced and thermal insulation is improved, so that the figure of merit of the thermoelectric element is improved.
【００４５】なお、永久磁石５を通して熱が流れること
によっても、熱電素子の熱電変換効率が低下するため、
図１４に示されるように永久磁石５の両端には熱絶縁物
９が接合される。Note that the heat flowing through the permanent magnet 5 also lowers the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric element.
As shown in FIG. 14, a thermal insulator 9 is joined to both ends of the permanent magnet 5.
【００４６】また、上記のように熱電素子の全体を真空
ケース１３で覆うと、大気圧によって、異なった材料が
接合されずに接触する部分、例えば真空ケース１３とセ
ラミック板１１との間などの接圧が向上するため、該接
触部の熱抵抗が減少するので熱電素子の性能指数がさら
に向上する。 ［実施の形態２］上記実施の形態１に係る熱電素子にお
いては、磁力線が熱電素子の両側、すなわち図１４にお
ける左右の方向に漏れる。一方、熱電素子を利用するユ
ーザーとしては、そのような漏洩磁場は悪い影響を与え
ることが想定される場合がある。例えば、この熱電素子
を物の冷却のため冷蔵庫に使用したとき、該冷蔵庫内部
に強磁性材料を保管したり、該冷蔵庫内部に心臓のペー
スメーカーを持った人が入る場合である。Further, when the entire thermoelectric element is covered with the vacuum case 13 as described above, due to the atmospheric pressure, a portion where different materials come into contact with each other without being joined, for example, between the vacuum case 13 and the ceramic plate 11. Since the contact pressure is improved, the thermal resistance of the contact portion is reduced, so that the figure of merit of the thermoelectric element is further improved. [Second Embodiment] In the thermoelectric element according to the first embodiment, the lines of magnetic force leak on both sides of the thermoelectric element, that is, in the left and right directions in FIG. On the other hand, as a user utilizing the thermoelectric element, such a stray magnetic field may be expected to have a bad influence. For example, when the thermoelectric element is used in a refrigerator for cooling an object, a case where a ferromagnetic material is stored in the refrigerator or a person with a heart pacemaker enters the refrigerator.
【００４７】そのような場合を考慮すれば、熱電素子の
片側、より具体的にはユーザーが利用する低温側と反対
の高温側に磁気回路を周設して、永久磁石５から出る磁
力線を閉じ、ユーザーが利用する側への漏洩磁場を著し
く低くする必要がある。In consideration of such a case, a magnetic circuit is provided on one side of the thermoelectric element, more specifically, on the high-temperature side opposite to the low-temperature side used by the user to close the magnetic lines of force coming out of the permanent magnet 5. However, it is necessary to significantly reduce the leakage magnetic field to the user's side.
【００４８】図１５は、本発明の実施の形態２に係る熱
電素子の構成を示す図である。図１５に示されるよう
に、本実施の形態２に係る熱電素子は図１４に示された
熱電素子の高温側にさらに磁気回路２０が周設されたも
のである。そして、このような磁気回路２０により、永
久磁石５から生じた磁力線は閉曲線を形成し、磁気回路
２０の中には矢印２１の向きに磁力線が通ることとな
る。なお、上記磁気回路２０は鉄などの透磁率が大きい
材料からなる。また、磁気回路２０を構成する金属系の
物質は熱伝導率が高いので、温度差のある側面に密着さ
せるとそこから熱が漏れるので、熱電素子の性能が低下
する。従って、図１５に示されるように、磁気回路２０
と真空ケース１３との間にはガラス類などからなる熱絶
縁物２２が挿設される。なお、上記熱絶縁物２２を挿設
することなく磁気回路２０と真空ケース１３との間に隙
間を設けても良い。FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a thermoelectric element according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 15, the thermoelectric element according to the second embodiment is such that a magnetic circuit 20 is further provided on the high temperature side of the thermoelectric element shown in FIG. With such a magnetic circuit 20, the magnetic lines of force generated from the permanent magnet 5 form a closed curve, and the magnetic lines of force pass through the magnetic circuit 20 in the direction of the arrow 21. The magnetic circuit 20 is made of a material having a high magnetic permeability such as iron. In addition, since the metal-based material constituting the magnetic circuit 20 has a high thermal conductivity, if it is brought into close contact with a side surface having a temperature difference, heat leaks therefrom, so that the performance of the thermoelectric element deteriorates. Therefore, as shown in FIG.
A heat insulator 22 made of glass or the like is inserted between the vacuum case 13 and the vacuum case 13. Note that a gap may be provided between the magnetic circuit 20 and the vacuum case 13 without inserting the thermal insulator 22.
【００４９】以上のような実施の形態２に係る熱電素子
によれば、上記実施の形態１に係る熱電素子と同様な効
果を奏すると共に、無用な漏洩磁場を低減して熱電素子
の取り扱いにおける安全性の向上を図ることができる。According to the thermoelectric element according to the second embodiment described above, the same effects as those of the thermoelectric element according to the first embodiment can be obtained, and unnecessary leakage magnetic fields can be reduced to ensure safe handling of the thermoelectric element. Performance can be improved.
【００５０】また、本実施の形態２に係る熱電素子によ
れば、磁気抵抗が減少することによって熱電素子内部の
磁場をより強くできるため、性能指数の更なる向上を期
待することができる。 ［実施の形態３］図１６は、本発明の実施の形態３に係
る熱電素子の構成を示した図である。図１６に示される
ように、本実施の形態に係る熱電素子は図１４に示され
た実施の形態１に係る熱電素子と同様な構成を有する
が、図１４に示されたＮ型半導体素子３がビスマスアン
チモン（ＢｉＳｂ）系のＮ型半導体素子３ａと、ビスマ
ステルル（ＢｉＴｅ）系のＮ型半導体素子３ｂとから構
成される点で異なるものである。Further, according to the thermoelectric element according to the second embodiment, the magnetic field inside the thermoelectric element can be made stronger by reducing the magnetoresistance, so that a further improvement in the figure of merit can be expected. [Third Embodiment] FIG. 16 shows a structure of a thermoelectric element according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 16, the thermoelectric element according to the present embodiment has a configuration similar to that of the thermoelectric element according to the first embodiment shown in FIG. 14, but includes N-type semiconductor element 3 shown in FIG. Are different in that they are composed of a bismuth antimony (BiSb) -based N-type semiconductor element 3a and a bismuth tellurium (BiTe) -based N-type semiconductor element 3b.
【００５１】一般に、低温ではＢｉＳｂ系材料の性能指
数が大きいが、これはＮ型半導体素子としてのみ用いら
れる。一方、常温付近ではＢｉＴｅ系材料（これはＮ型
とＰ型の両方で用いられる。）の性能指数が大きいもの
となっている。そして、これら二つの材料は同じ結晶構
造を有しているので、共にＣ軸に垂直に磁場を印加する
と性能指数が向上する可能性がある。In general, the BiSb-based material has a large figure of merit at a low temperature, but is used only as an N-type semiconductor device. On the other hand, at around normal temperature, the performance index of the BiTe-based material (which is used in both the N-type and the P-type) is large. And since these two materials have the same crystal structure, when a magnetic field is applied perpendicularly to the C axis, the figure of merit may be improved.
【００５２】また、磁場効果は単結晶に対して強く発現
するので、これらＢｉＳｂ系材料やＢｉＴｅ系材料につ
いては単結晶を利用することが好ましい。もっとも、こ
れらの材料は、強い異方性があるため、一般にはブリッ
ジマン（Bridgemann）法等の多結晶を作る方法により生
成された結晶を利用することによっても、性能指数を向
上させることができる可能性がある。Further, since the magnetic field effect is strongly exerted on single crystals, it is preferable to use single crystals for these BiSb-based materials and BiTe-based materials. However, since these materials have strong anisotropy, the figure of merit can also be improved by using crystals generated by a method of forming polycrystals such as the Bridgemann method in general. there is a possibility.
【００５３】[0053]
【発明の効果】上述の如く、互いに直交する三つの方向
において、第一の方向における幅が少なくとも第二また
は第三のいずれか一方の方向における幅よりも狭いと共
に、第二の方向に配設される二つの電極間に挟装された
半導体素子を用いた熱電変換方法であって、二つの電極
間における第二の方向には温度勾配を生じさせ、かつ第
三の方向には磁場を印加する熱電変換方法によれば、半
導体素子の性能指数を高め、二つの電極間により高い起
電力を生じさせることができるため、熱電変換効率を向
上させることができる。As described above, in the three directions orthogonal to each other, the width in the first direction is smaller than the width in at least one of the second and third directions, and the width in the second direction is smaller. A thermoelectric conversion method using a semiconductor element sandwiched between two electrodes, wherein a temperature gradient is generated in a second direction between the two electrodes, and a magnetic field is applied in a third direction. According to the thermoelectric conversion method described above, since the figure of merit of the semiconductor element can be increased and a higher electromotive force can be generated between the two electrodes, the thermoelectric conversion efficiency can be improved.
【００５４】ここで、二つの電極はそれぞれ、互いに第
一の方向において対向する部位を備えたものとすれば、
第一の方向に生じる起電力の寄与によるさらに大きな起
電力を上記二つの電極間において得ることができるた
め、熱電変換効率をさらに高めることができる。Here, assuming that each of the two electrodes has a portion facing each other in the first direction,
Since a larger electromotive force due to the contribution of the electromotive force generated in the first direction can be obtained between the two electrodes, the thermoelectric conversion efficiency can be further increased.
【００５５】また、二つの電極間に挟装された半導体素
子を用いた熱電変換方法であって、二つの電極間に温度
勾配を生じさせ、かつ温度勾配の方向と同じ方向に磁場
を印加する熱電変換方法によっても、半導体素子の性能
指数を高め、二つの電極間により高い起電力を生じさせ
ることができるため、熱電変換効率を向上させることが
できる。In a thermoelectric conversion method using a semiconductor element sandwiched between two electrodes, a temperature gradient is generated between the two electrodes, and a magnetic field is applied in the same direction as the direction of the temperature gradient. According to the thermoelectric conversion method, the figure of merit of the semiconductor element can be increased and a higher electromotive force can be generated between the two electrodes, so that the thermoelectric conversion efficiency can be improved.
【００５６】また、本発明に係る熱電素子によれば、熱
エネルギ−から変換された電気エネルギーを、第一の電
極と第二の電極との間に生じる電位差として効率よく得
ることができる。According to the thermoelectric element of the present invention, electric energy converted from heat energy can be efficiently obtained as a potential difference generated between the first electrode and the second electrode.
【００５７】またさらに、外気を遮断し内部が真空状態
とされた容器に囲繞されたものとすることにより、該熱
電素子の熱電変換効率をさらに向上させることができ
る。Furthermore, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric element can be further improved by being surrounded by a container in which the outside air is shut off and the inside of which is evacuated.
【００５８】またさらに、第一導電型半導体素子及び第
二導電型半導体素子を貫通する磁力線が閉曲線を描くよ
うに磁気回路を周設することにより、無用な漏洩磁場を
低減して取り扱い上の安全性を高めることができる。Further, by arranging the magnetic circuit so that the magnetic lines of force penetrating the first conductivity type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element draw a closed curve, unnecessary leakage magnetic field is reduced and safety in handling is improved. Can be enhanced.
【００５９】また、第一導電型半導体素子又は第二導電
型半導体素子の少なくとも一方はビスマステルルを含
み、あるいは、第一導電型半導体素子又は第二導電型半
導体素子のいずれか一方はビスマスアンチモンを含むＮ
型半導体素子であるものとすることにより、該熱電素子
の性能指数を向上させることができる。At least one of the first conductivity type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element contains bismuth tellurium, or one of the first conductivity type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element contains bismuth antimony. Including N
By adopting the type semiconductor element, the figure of merit of the thermoelectric element can be improved.
【図１】Ｂｉ８８Ｓｂ１２のｃ軸方向に磁場が印加され
たときにおけるゼーベック係数Ｓの温度依存性を示すグ
ラフである。FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of a Seebeck coefficient S when a magnetic field is applied to Bi 88 Sb 12 in the c-axis direction.
【図２】Ｂｉ８８Ｓｂ１２のｃ軸に対して垂直方向に磁
場が印加されたときにおけるゼーベック係数Ｓの温度依
存性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of a Seebeck coefficient S when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the c-axis of Bi 88 Sb 12 ;
【図３】Ｂｉ８８Ｓｂ１２のｃ軸方向に磁場が印加され
たときにおける性能指数Ｚの温度依存性を示すグラフで
ある。3 is a graph showing the temperature dependence of the figure of merit Z in when a magnetic field is applied in the c-axis direction of the Bi 88 Sb 12.
【図４】Ｂｉ８８Ｓｂ１２のｃ軸に対して垂直方向に磁
場が印加されたときにおける性能指数Ｚの温度依存性を
示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the figure of merit Z when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the c-axis of Bi 88 Sb 12 ;
【図５】図１から図４に示されたデータを得るために利
用された試料の形状を示す図である。FIG. 5 is a view showing the shape of a sample used to obtain the data shown in FIGS. 1 to 4;
【図６】Ｂｉ８５Ｓｂ１５からなる素子による温度降下
の電流依存性を示すグラフである。6 is a graph showing current dependency of the temperature drop due to elements consisting of Bi 85 Sb 15.
【図７】ＩｎＳｂにおける電気抵抗率ηの磁束密度依存
性を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing magnetic flux density dependence of electric resistivity η in InSb.
【図８】図面の垂直方向へ印加された磁束密度Ｂの磁場
中に置かれたＩｎＳｂからなる棒状試料において、電流
線（実線）と、等電位線（破線）との関係を示す図であ
る。FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a current line (solid line) and an equipotential line (dashed line) in a rod-shaped sample made of InSb placed in a magnetic field having a magnetic flux density B applied in the vertical direction of the drawing. .
【図９】ＩｎＳｂからなる試料において純度は同じであ
るが形状が異なる４つの場合において、相対抵抗値ＲＢ
／Ｒ０の磁束密度依存性を示す。FIG. 9 shows the relative resistance value R B of four samples of InSb having the same purity but different shapes.
4 shows the magnetic flux density dependency of / R 0 .
【図１０】図９に示されたデータが、計算機によるシミ
ュレーションにより再現された結果を示すグラフであ
る。FIG. 10 is a graph showing a result obtained by reproducing the data shown in FIG. 9 by a computer simulation.
【図１１】本発明の実施の形態に係る熱電変換方法を説
明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a thermoelectric conversion method according to an embodiment of the present invention.
【図１２】本発明の実施の形態に係る他の熱電変換方法
を説明する図である。FIG. 12 is a diagram illustrating another thermoelectric conversion method according to the embodiment of the present invention.
【図１３】本発明の実施の形態に係る他の熱電変換方法
を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating another thermoelectric conversion method according to an embodiment of the present invention.
【図１４】本発明の実施の形態１に係る熱電素子の構成
を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a configuration of the thermoelectric element according to the first embodiment of the present invention.
【図１５】本発明の実施の形態２に係る熱電素子の構成
を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a thermoelectric element according to Embodiment 2 of the present invention.
【図１６】本発明の実施の形態３に係る熱電素子の構成
を示した図である。FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a thermoelectric element according to Embodiment 3 of the present invention.
１ Ｐ型半導体素子 ３，３ａ，３ｂ Ｎ型半導体素子 ５ 永久磁石 ７ 銅電極 ７ａ ｘ方向対向部位 ９，２２ 熱絶縁物 １０ 半導体素子 １１ セラミック板 １３ 真空ケース １５，１７ 端子 ２０ 磁気回路 ２１ 矢印 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 P-type semiconductor element 3, 3a, 3b N-type semiconductor element 5 Permanent magnet 7 Copper electrode 7a X-direction opposing part 9, 22 Thermal insulator 10 Semiconductor element 11 Ceramic plate 13 Vacuum case 15, 17 Terminal 20 Magnetic circuit 21 Arrow
Claims (9)
一の方向における幅が少なくとも第二または第三のいず
れか一方の方向における幅よりも狭いと共に、前記第二
の方向に配設される二つの電極間に挟装された半導体素
子を用いた熱電変換方法であって、 前記二つの電極間における前記第二の方向には温度勾配
を生じさせ、かつ前記第三の方向には磁場を印加するこ
とを特徴とする熱電変換方法。1. In three directions perpendicular to each other, a width in a first direction is smaller than a width in at least one of a second direction and a width in a second direction. A thermoelectric conversion method using a semiconductor element sandwiched between two electrodes, wherein a temperature gradient is generated in the second direction between the two electrodes, and a magnetic field is applied in the third direction. A thermoelectric conversion method.
第一の方向において対向する部位を備えた請求項１に記
載の熱電変換方法。2. The thermoelectric conversion method according to claim 1, wherein each of the two electrodes has a portion facing each other in the first direction.
用いた熱電変換方法であって、 前記二つの電極間に温度勾配を生じさせ、かつ前記温度
勾配の方向と同じ方向に磁場を印加することを特徴とす
る熱電変換方法。3. A thermoelectric conversion method using a semiconductor element sandwiched between two electrodes, wherein a temperature gradient is generated between the two electrodes, and a magnetic field is applied in the same direction as the direction of the temperature gradient. A thermoelectric conversion method characterized by applying a voltage.
る熱電素子であって、 共通電極と、 前記共通電極に接合された第一導電型半導体素子と、 前記第一導電型半導体素子に接合され、前記共通電極に
対向するよう設けられた第一の電極と、 前記共通電極に接合された第二導電型半導体素子と、 前記第二導電型半導体素子に接合され、前記共通電極に
対向するよう設けられた第二の電極と、 前記共通電極と前記第一の電極との間の温度勾配、及び
前記共通電極と前記第二の電極との間の温度勾配に対し
て、略垂直方向に磁場を印加する磁場印加手段とを備え
たことを特徴とする熱電素子。4. A thermoelectric element for converting thermal energy into electric energy, comprising: a common electrode; a first conductive type semiconductor element bonded to the common electrode; A first electrode provided to face the common electrode; a second conductivity type semiconductor element joined to the common electrode; and a second electrode joined to the second conductivity type semiconductor element and provided to face the common electrode. A magnetic field in a direction substantially perpendicular to the temperature gradient between the common electrode and the first electrode, and the temperature gradient between the common electrode and the second electrode. And a magnetic field applying means.
導電型半導体素子に並設され、 前記磁場印加手段は、前記第一導電型半導体素子と前記
第二導電型半導体素子との間に挿設された磁石からなる
請求項４に記載の熱電素子。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductive type semiconductor element is provided in parallel with the first conductive type semiconductor element, and the magnetic field applying means is provided between the first conductive type semiconductor element and the second conductive type semiconductor element. The thermoelectric element according to claim 4, comprising a magnet inserted in the thermoelectric element.
容器に囲繞された請求項４に記載の熱電素子。6. The thermoelectric element according to claim 4, wherein the thermoelectric element is surrounded by a container in which outside air is shut off and the inside of which is evacuated.
導電型半導体素子を貫通する磁力線が閉曲線を描くよう
に磁気回路が周設された請求項４に記載の熱電素子。7. The thermoelectric element according to claim 4, wherein a magnetic circuit is provided so that magnetic lines of force passing through the first conductive type semiconductor element and the second conductive type semiconductor element draw a closed curve.
導電型半導体素子の少なくとも一方は、ビスマステルル
を含む請求項４に記載の熱電素子。8. The thermoelectric element according to claim 4, wherein at least one of the first conductivity type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element contains bismuth tellurium.
導電型半導体素子のいずれか一方は、ビスマスアンチモ
ンを含むＮ型半導体素子である請求項４に記載の熱電素
子。9. The thermoelectric element according to claim 4, wherein one of the first conductivity type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element is an N-type semiconductor element containing bismuth antimony.
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