JP2016046502A - 熱電材料、熱電変換素子及び熱電材料から成るπ型モジュール群乃至π型モジュール群以外と熱変電換素子の組み合わせから成るモジュール群 - Google Patents
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Abstract
Description
その濃度に対して熱電性能をよくするには
1)電子あるいはホール濃度を高くしρを小さくする
2)Wiedemann−Franzの法則よりκc∝1/ρであることからκphを小さくする
3)電子あるいはホールの有効質量の大きな材料系でSを大きくする
の3通りが考えられる。
例えば上記の1)の例は、高い電気伝導度を実現する多量のキャリアが必要となる。フラットバンド金属では、大きなフェルミ面と電子−ホール励起の非対称性に起因し、高い電気伝導度と巨大な熱起電力が両立する。このため、熱電変換性能が飛躍的に向上する。その例として、層状コバルト酸化物NaxCoO2は巨大な熱起電力を示すことから熱電材料として注目され、第一原理バンド計算等の“デジタル”なスクリーニング(非特許文献1)による熱電材料の材料探査が行なわれている。
上記のZTは古典系作業物質の伝熱量と電流量に関する熱平衡輸送理論を用いて導出されている。この理論は量子系作業物質にも拡張できる。
、電子と正孔の電気伝導率であり、σは正味の電気伝導率σ=σh+σeである。Seが負であるため電子が正孔と共存するとゼーベック係数の絶対値は小さくなる。(非特許文献2)
Mg2Siの結晶構造は立方晶でCaF2型構造をもち、熱電性能としては650K付近にピークを持つn型の熱電材料である。MgをAgに置換したMg2SiAg0.05のSは250<T<850[K]で−1.8<S<−0.5[mV]である。また(Mg1−xAgx)2Six(x=0.05)は300<T<500[K]で0.8<S<1.2[mV]であることが知られている。(非特許文献10)
Al−Mn−Si系C54型化合物の単相生成領域はごく狭く、AlとSiに対して1at%程度の置換しか許されない。しかし、この僅かな置換により電子濃度が変化し、n型およびp型の熱電材料が得られる。前者の組成はAl32Mn34Si34であり、後者の組成はAl33Mn34Si33である。いずれの化合物も絶対値にして300μV/Kを越える非常に大きなSを示す。しかし、残念ながら、電気抵抗率と熱伝導度が大きいために、ZTは期待したほど大きな値が得られない欠点がある(非特許文献11)。
また、アモルファス/ナノサイズ結晶の混合構造(非特許文献12)等でも、上記のようにZTは大きくならないが、非常に大きなSを示す熱電材料が沢山ある。
ルの脚部の吸熱量は小さくなるので雰囲気への熱伝導、対流の影響を除くため、通常は真空容器が使用され、−100℃程度の低温になると、周辺の物体からの輻射が大きく影響する。熱電材料の外壁材料である絶縁・断熱・外的衝撃緩和・輻射シールド等を担う部材部分に工夫が必要となる。更に、空冷フィン、ファン付き空冷フィン、あるいは水冷などを用いて放熱を行い、そのほかの構造物との熱のやり取りも考慮しなければならない。そして、熱電材料はグリース・接着・はんだづけによって、電極・構造物に取り付けられている。また、はんだの電気化学的溶出がないように、あるいは段落0022に記載の熱電材料から成るモジュールやシステムでグリース・接着剤などの拡散がないように、システム内のモジュール内部への湿気侵入防止のために、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などでシールしている。こういったグリースやシール材によってモジュールの低温部と高温部間の熱伝導が生じて性能が下がっている。
Hをマイクロからナノサイズに小さくすると、必要な断面積は減少し、出力密度が増えることが報告されている。実用用途として、人体と大気間の温度差でP〜10数μWが得られている。
子を電極を兼ねた部材とを直列に圧接し、その電極部材に受・放熱用のフィンなどが付加乃至不付加の一体型モジュール、この例として、エネルギー効率を高くするペルチエ装置がある。これは二組の極性の違う熱電変換素子の間に電極を兼ねた吸熱フィンと放熱フィンを挟み、これらの吸熱フィン列と放熱フィン列の境界に断熱壁を設けて、冷風あるいは温風を得られる構造である。
あるいは、二組の極性の違う熱電変換素子を薄いシート状に加工し交互に積層後、一体焼成を行う積層一体型モジュールは以下のような特徴
i. 熱電変換素子間を接続する電極が不要、
ii. 熱電変換素子間の絶縁を確保する空間が不要、
iii.熱電変換素子数を増加させても面積効率が高い、
iv. 低い温度差でも高い起電力を得やすい
上記の色々なモジュール段落0021の工夫を持つ熱電変換素子から成るモジュール群に適用されている。
それぞれ低熱源と高熱源からの吸収熱量、Pは電気的仕事を表す。また、絶縁体にセラミックス基盤が用いられるモジュールとセラミック基盤のない(スケルトンタイプ)ものがある。熱源間温度差や基盤の大きさによるがセラミックス基盤では高熱源と低熱源に挟まれた熱電モジュールに生じる熱応力が、スケルトンタイプより大きくなる。また、熱源と絶縁体、絶縁体と電極、電極と熱電材料、複数の異種熱電材料の接合からなるセグメント異種熱電材料、組成比や不純物濃度の最適化を温度分割し、熱流が直列になるように積重ねて一つの素子にするセグメント素子等の界面に生じる熱応力に対する耐久性の向上による耐熱サイクル性の改善と熱電変換素子ではさらに向上が図られている。
足部分の極性がそれぞれ同じ熱電変換素子になるように一枚の皮膜された電極板上に並
異なる対同士が一枚の皮膜された電極板に並ぶ直列配列、またこれらの複合した配列が
の複数の対から組み立てられている。モジュールの性能を向上させるに熱電変換素子対
放出される。この間に電気的仕事Pが外界に作用する。すなわち、
なるエネルギー収支バランスが生じる。システム効率ηは
1)使用するモジュールの能力と目標性能とをバランスさせる。
2)モジュール単体の性能を適当な経済性で最大発揮できるようにする。
を考慮に入れる。
例えば、発電稼動のシステム効率ηgenは
当段落の最適化が熱電変換素子乃至熱電変換素子から成るモジュール群やシステムに適用されている。
になる。更に、モジュール高温部は圧接力から開放されて片持ち梁構造となるために、従来課題とされていた温度差に起因した熱応力ひずみ問題も軽減され、取り付けにおける汎用性の拡大と信頼性向上となる。
1)古典系、量子系あるいは、巨視的量子系作業物質で稼働する空間部分の端子間距離制御と、
2)熱電変換素子の空間および、微細構造物で架橋した空間部分における熱電変換素子系外の電磁場乃至放射線による作業物質流制御により、
3)熱電変換素子乃至熱電変換素子から成るモジュール、システムによる発電、冷却あるいは加熱稼働制御を可能とし、
4)系外からの光や系内にある放射線源等による電荷乃至熱滞留によるダメージを回避するために、作業物質良導体、熱電材料、熱電変換素子等を用い、
ュール以外の熱電変換素子の組み合わせから成るモジュール群(以後、「熱電変換素子の組み合わせからなるモジュール群」と略す。)内に、
6)電荷乃至熱滞留によるダメージを回避し、更に「熱電変換素子の組み合わせからなるモジュール群」内の作業物質流乃至熱流に大きな乱れが生じないように絶縁材料、熱電材料そして、熱電変換素子等を用いて「熱電変換素子の組み合わせからなるモジュール群」の材料が製作される。特許文献1、2工夫が施されていない熱電材料を0世代熱電材料とすると、これを1世代熱電材料となり、
7)特許文献1,2工夫により0世代熱電材料から0世代熱電変換素子を製作するのと同工程である上記の1)〜4)によって1世代熱電材料内の空間部分の輻射エネルギー損失が少なくなるように接合することで1世代熱電変換素子を製作し
8)0世代熱電材料はもちろん内蔵している1世代熱電変換素子に上記5)と6)行程から制作する材料は上記の0世代熱電変換材料から製作されるので、これは1世代熱電材料となり、1世代熱電材料に特許文献1、2の工夫を行い、更に、この手続続けて熱電変換効率がカルノー効率に近い熱電変換システム
9)ここまでは二つの異なる熱源温度の一方が環境雰囲気の温度と一致乃至一致しない場合である基本系を扱った。二つ以上の異なる熱源温度がある場合では基本系の組合わて熱電変換効率がカルノー効率に近いi(i=1、2、・・・自然数で、i=1が従来の基本系に相当する。)種熱電変換システム
を製作することを目的とする。
κph成分とκc成分が同じ場合には、フォノンによる熱伝導だけを抑えて他が変わらなくすると数1の性能指数は容易に2倍になる。性能指数の良い熱電材料にκph成分とκc成分が同程度のものがある。
図3は対峙する端子が双方ともナノメートル・オーダーの尖塔構造でサブマイクロメートル以下のオーダーの長さdだけ離れている場合である。作業物質の放出部と受取部での作業物質流の制御に優れた構造でもある。
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の原理に従った1つ以上の実施例を図示し、本明細書とともに、そのような実施例を模式的に説明するものである。発明の概念図では発明の本質を強調した説明になっている。
失を小さくできる。上記ii)では、図4のように作業物質である荷電粒子受取端子表面44の形状を、作業物質である荷電粒子放出尖塔表面43を囲むように変形することで、最大電界E凸の値を持つ領域は変形する前より増加し、そこでの荷電粒子放出する面積部分は増加する。またその他の作業物質受取端子表面44の尖った部位の電界が最大になる可能性もでてくる。その結果、荷電粒子放出量が増える。このように、表面43、44の形状を変化させることにより、作業物質である荷電粒子の電界放出による空間42での作業物質流が空間を挟む熱伝導材料40、41のいずれかの作業物質流に出来るだけ近づけ、あるいはより増加することで、数1の性能指数を向上させることを可能とする。作業物質流量が小さい場合に段落0010の記載の非常に大きなゼーベック係数を熱電材料を用いるが、図5のよう複数の尖塔構造50、51、52にし、並列にすることで作業物質流量を増やすことができる。この時50、51、52のそれぞれの対応する部分の温度が同一であることが望ましい。
作業物質良導体薄膜の保護部材は、素子を強化することにより、あるいは熱の集中を防ぐことにより劣化の影響を少なくし、効率を増加させる。作業物質受取尖塔の「尖った部材」表面あるいは放出尖塔表面を作業物質良導体を保護することにより作業物質受取る「尖った部材」表面あるいは尖塔表面と熱電材料内部との局在作業物質濃度差に基づいたこれら表面から内部への移動に対する作業物質のポテンシャル障壁を小さくし、あるいは作業物質の濃度が過不足であることに基づく破壊を少なくすることができる。
1)空間部分端子間内の尖塔表面から対峙する「尖った部材」表面間距離がLmax(T)を超えると、この空間部分のフォノン等による熱伝達をほとんど無視できる。このLmax(T)は、段落0035で述べたように尖塔表面と対峙する「尖った部材」を構成する原子間の力と関係があり原子間力顕微鏡と測定表面間距離の実測測定範囲から得ることができる。熱膨張や熱源の熱揺らぎ、特に低温では量子揺らぎを考慮することでLmax(T)を補正できる。
2)稼働中の空間部分内の尖塔表面の近傍の増強電界強度は対峙する尖塔表面とそれに対峙する「尖った部材」表面間での電位差/距離に曲率を考慮に入れた比例係数βをかけて近似できる。あるいは、シミュレーションによって求められる。また対峙する尖塔表面とそれに対峙する「尖った部材」表面間の電位差は空間を挟む両端の熱電材料の起電力に影響を受ける。
3)作業物質の熱励起や低温での量子揺らぎやトンネル透過による作業物質の移動量は作業物質放出する尖塔表面の面積の大きさ・方向に依存する。また段落0008でも述べたように注入された尖塔表面とそれと対峙するの「尖った部材」表面内の、作業物質の移動の方向によって作業物質が注入される熱電材料バルクの作業物質の状態密度が注入前から変わり、その結果微視的な電気伝導度、熱伝導度に影響を与える。尖塔表面とそれに対峙する「尖った部材」表面に至る部位を細線にすることで、これらの伝導度が変化し、性能指数がよくなる。空間の作業物質受取る「尖った部材」面が上記2を満たすように空間形状や空間内で尖塔表面とそれに対峙する「尖った部材」表面間距離を最適化して熱電材料の作業物質流に近づける。このような工夫により段落0008でも述べたようにスムーズで効率的な作業物質の空間移動が可能となる。
4)一つの尖塔では熱電材料バルク以上の作業物質流が得られないときは、図2のように複数の尖塔を配すことにより作業物質流を大きくすることができる。複数の尖塔が電子放出端子表面に密にあると上記2のβの効果が大きく低減される。電界電子放出による作業物質流が分割される前の両端にある熱電材料の作業物質流以上になるか、あるいはできるだけ近づけるように電子放出尖塔端子表面の尖塔密度を含めて最適化する。このようにして適切な空間内で尖塔表面とそれに対峙する「尖った部材」表面間距離が定まる。
上記の結果、1個以上の電極端子表面の形状を含めて最適化された空間部分により、対峙尖塔表面とそれに対峙するマウント形状を含む尖塔の「尖った部材」表面間や、それらと接合する部材表面間温度差による輻射放出エネルギー損失以外の付加損失を大きく低減できる。高温部と低温部の温度差が狭域である発電稼動がある場合は、空間内で尖塔表面とそれに対峙する「尖った部材」表面間距離の最適化ができない。この場合は図6の繋がった空間部分を用いる。冷却の場合は必要なだけの起電力・電流を印加する。上記のように製造されれば、熱電材料の性能指数が最高であっても、熱電変換素子の性能指数は大きく改善される。また冷却稼働は発電稼働の可逆過程なので、冷却稼働でもこのように製造された熱電変換素子の効率は大きく改善される。
モジュールのように、他の熱電変換素子群に依存しない熱電変換素子群は、他の熱電変
となる集合でシステムに実装される。直列あるいは並列、または直列と並列の混成した
及び精神に従って意図される。
ステムを提供することには、数多くの実施形態が採用され得る。
モジュール以外の熱電変換素子の組み合わせから成るモジュール群内に、電荷乃至熱集中が生じないこれらモジュール群から成る熱電材料を含む熱電材料の例は、二組の極性
体が一定で一様な熱流が生じない場合は、二組の極性の違う熱電材料を電極を兼ねた直列に圧接し、その圧接部に受・放熱用のフィンなどの部材を有乃至無の一体型モジュールや、ゼーベック係数が異方性を示す熱電材料等を用いる必要がある。カスケード型の
提示されるものであり、請求項に係る発明に関する限定といて解釈されるべきでない。
、特に断らない限り、本発明に決定的に重要な、あるいは不可欠なものとして解されるべきではない。
ールの輻射エネルギー損失より遥かに大きいが、前者と後者の面積比が遥かに小さいこ
作業物質良導体との接合部分に空間部分乃至繋がった空間部分を装着可能である。
型モジュールでは作業物質良導体138は絶縁物135から熱流を取り入れる。ここで
うまでもない。
11 作業物質放出端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
12 空間
13 作業物質放出端子の尖塔表面
14 作業物質受取端子表面
15 作業物質の導電性原子乃至分子を含む材料を含むコーティング乃至厚み
16 保護部材
20 作業物質受取端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
21 作業物質放出端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
22 空間部分内に構築された構造物間距離d(d≧Lmax(T))
23 作業物質放出端子の尖塔表面
24 作業物質受取端子表面
25 コーティング乃至厚み
30 作業物質受取端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
31 作業物質放出端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
32 空間部分内に構築された構造物間距離d(d≧Lmax(T))
33 保護部材
34、35 コーティング乃至厚み
40 作業物質受取端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
41 作業物質放出端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
42 空間
43 作業物質放出端子の尖塔表面
44 作業物質受取端子表面
50、51、52 尖塔構造
80 熱電材料または作業物質良導体
81 熱電材料または作業物質良導体
82 空間
83 作業物質良導体架橋部材
84、85 保護部材
90 作業物質受取端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
91 作業物質放出端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
92 空間
93 複数の作業物質良導体架橋部材
100 作業物質受取端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
101 作業物質放出端子表面をもつ熱電材料または作業物質良導体
102 空間
103 線源
105 作業物質の導電性原子乃至分子を含む材料を含むコーティング乃至厚み
106 保護部材
110、111 熱電材料または作業物質良導体
112 空間
113 相似形状をもつ面と端子表面との間の空間
114 相似形状をもつ面
115 相似形状をもつ面と端子表面との間を保持し、作業物質が流れるようにする材料
120、121、122 熱電材料または作業物質良導体のセグメント
130、131 i−1世代熱電材料
132 空間
133、134 作業物質良導体
135 絶縁材料
136 熱電材料または作業物質良導体
137 保護部材乃至厚み
138 作業物質良導体
139 i世代熱電変換素子
Claims (9)
- 空間を挟む部材が少なくとも一方が熱電材料で、この熱電材料の端部とこの空間で対峙する部材は同じ又は異なる熱電材料の部材乃至“外界の系と接続するための端板”乃至高・低熱源乃至温部と対峙する部材等を絶縁・断熱・外的衝撃緩和・輻射シールド等を担う部材部分が環境雰囲気の温度等の少なくとも二つの異なる熱源に接触しているとき、この空間の互いに対峙する異なる絶対温度Tを持つ表面間で熱流を遮断するように空間内の熱流方向で対峙する界面間隔がそれぞれの界面構成材料で構成した原子間力顕微鏡で熱雑音を考慮した測定において原子間力の影響のなくなることで決まる長い方の距離を材料に依存する断熱間隔「距離」Lmax(T)で定義し、これ以上に成るようにすると熱流は遮断され、この空間内で作業物質が流れる方向の空間で対峙する部材端面は二つの平行面とは限らない界面上の一方に尖塔、あるいは尖塔の最先端近傍部がコイル形状、あるいはコイル状に形成される尖塔の脚部を脚部が立脚する界面の面形状に合わせて太くできる尖塔の凸先端部表面とこれに対峙するもう一つの界面上に構築される前述と同様に脚部を太くできる尖塔乃至「尖った部材」の凸先端部表面との対間隔がLmax(T)以上であるこの対を一つ以上含む空間に隣接する熱電材料自身による起電力が作用し、作業物質流量が空間に接する熱電材料内と変わらない材料に依存するこの対間隔を端子間距離とし、この対を一つ以上持つ空間である空間部分を一つ以上持つ熱電材料、“外界の系と接続するための端板”、高・低熱源乃至温部と対峙する部材等を絶縁・断熱・外的衝撃緩和・輻射シールド等を担う部材部分が環境雰囲気の温度等の熱浴中にあるとき、これを一括して熱電変換素子と定義し、この熱電変換素子内部にある熱電材料部あるいは空間部分で、(I)正・負電荷のどちらか極性の作業物質、あるいは(II)正・負電荷の極性の作業物質が稼働する熱電変換素子の場合、この熱電変換素子系外の電場、磁場等による、この系内にさらなる温度勾配、作業物質濃度勾配、速度勾配等が生じ、それら生じた勾配によって駆動される古典系作業物質、量子系作業物質あるいは巨視的量子系作業物質が顕著になる温度は違うが、そのような作業物質を含む熱電変換素子に“外界の系と接続するための端板”から電流乃至電圧印加する場合としない場合に
(A)空間部分の作業物質が存在する
A:個々の尖塔等に電磁場、
B:互いに異なる極性の電荷あるいは、同じ極性の電荷の作業物質をもつ隣接する二つの尖塔等が作る
平面で作業物質流に垂直に磁場
C:あるいは前述のAとBを同時
駆動することを可能とし、
(B)前述の(A)に加えて更に空間部分に隣接する熱電材料の作業物質流に垂直磁場制御することを可能とし、
端子間距離で対峙する、少なくとも一方が古典系作業物質あるいは量子系作業物質で動作する温度領域、あるいは端子間距離で対峙する双方が巨視的量子系作業物質で動作する温度領域、あるいはこれらの両方の温度領域に渡る広範囲の温度領域の場合は、それぞれの温度領域全体乃至ある温度域、あるいは広範囲の温度領域で動作する一つの熱電材料の無次元性能指数ZTよりもこの温度領域をカバーする互いに異なる狭い温度領域を持つそれぞれの温度領域ではZTが最高値の熱電材料を用いたセグメント化された熱電材料のZTは改善されるが、空間部分を持つ熱電変換素子のZTは空間部分の工夫がないセグメント化された熱電材料より熱伝導率を低減できるために更に改善され、その上熱応力による損傷乃至素材イオンの拡散混入を低減すること、あるいは作業物質の空間部分内の前述の対峙面端部への移動により発生乃至吸収する熱、作業物質の作業物質流方向の運動量分布、作業物質濃度分布乃至スピン分布の変化を利用することを特徴とする熱電変換素子。 - 空間を挟む部材が少なくとも一方が熱電材料であるとき、熱電材料自身の起電力が請求項1記載の熱電材料よりも小さいため、請求項1記載のLmax(T)以上に成るようにすると熱流は遮断されるが、この空間内で対峙する作業物質の少なくとも一方の作業物質が古典系作業物質あるいは量子系作業物質で動作する温度領域で、作業物質が流れる方向でこの空間に接する熱電材料と同等乃至それ以上の作業物質流量になるようにLmax(T)以上の距離で対峙する界面間を架橋部材両端部の脚部が立脚する界面の平面形状に合わせて太くできる架橋部材で架橋し、これを1本以上もつ繋がった空間部分に隣接する部材と架橋部材の脚部との界面と架橋部材内での格子振動散乱によって格子振動による熱伝量を小さくでき、繋がった空間部分を一つ以上持つ熱電材料、“外界の系と接続するための端板”、熱源乃至温部と対峙する部材等を絶縁・断熱・外的衝撃緩和・輻射シールド等の部材部分が環境雰囲気の温度等の少なくとも二つの異なる熱源に接触しているとき、これを請求項1記載と同様に熱電変換素子と定義し、また請求項1記載の(A)と(B)で尖塔等の代わりに架橋部材とする部分で電場・磁場などが駆動し、またこの熱電変換素子は請求項1記載の空間部分をゼロ以上含み、請求項1記載と同様に元来の熱電材料自身や繋がった空間部分がなくセグメント化された熱電材料の性能指数を上回る上、熱応力による損傷乃至素材イオンの拡散混入を低減すること、また作業物質が繋がった空間部分内の架橋部材を伝わる移動により発生乃至吸収する熱、作業物質の作業物質流れ方向の運動量分布、作業物質濃度分布乃至スピン分布を利用することを特徴とする熱電変換素子。
- 請求項1記載の熱電変換素子内の少なくとも1つの空間部分内の少なくとも一つ尖塔の作業物質が流出する凸先端部と、この尖塔の脚部を支える界面、或いは請求項2記載の熱電変換素子内の少なくとも1つの繋がった空間部分内の少なくとも一つの架橋部材の脚部に作業物質を供給する界面に放射線あるいは電磁波を照射可能とする、放射線源あるいは請求項1、2記載の(A)と(B)駆動を兼ねる電磁波源で、照射部位位置と線源位置間がLmax(T)以上、あるいは照射部位位置に対峙する界面と線源位置間がLmax(T)以上でこれら線源を伝わる熱流を遮断する位置にある線源を具備した空間を持つために、これら線源を具備した空間部分あるいは繋がった空間部分と接する熱電材料と同等乃至それ以上の作業物質流量があり、これら空間部分乃至繋がった空間部分の工夫がない熱電材料の場合に比べ作業物質流を大きくし熱伝導率を低減することを特徴とする熱電変換素子。
- 請求項1記載の空間部分内の尖塔の脚部と接合する界面とこれに対峙する界面乃至尖塔乃至「尖った部材」の凸先端部表面等の表面全体、および請求項2記載の繋がった空間部分内の架橋部材の両脚部が接合する両界面に作業物質の導電性原子乃至分子を含む材料であるコーティング乃至厚みのある部材を貼り付ける際に、コーティング乃至厚みのある部材表面とこれに対峙するコーティング乃至厚みのある部材表面乃至尖塔の凸先端部間隔がLmax(T)以上であるようにし、請求項1,2記載の(A)と(B)駆動あるいは、請求項3記載の放射線や雷磁波照射による局部的な帯電乃至作業物質の滞留を防ぐ上記の空間部分乃至繋がった空間部分内の界面のコーティング乃至厚みを具備することを特徴とする熱電変換素子。
- 請求項1、請求項2、請求項3記載の空間部分乃至繋がった空間部分内の尖塔等乃至架橋部材表面と界面及び請求項4記載のコーティング乃至厚みに対する放射線や電磁波照射による作業物質励起あるいは、尖塔等乃至架橋部材表面乃至界面のコーティング乃至厚みの損傷を、原子間力が強く、あるいは原子集団の位相が揃い協調した運動により表面の振動を吸収する材料である保護部材の表面が請求項4記載のLmax(T)以上の条件で接合することで、空間部分乃至繋がった空間部分の照射された界面乃至コーティング乃至厚みの作業物質励起で作業物質エネルギー状態が変化し大きな作業物質流が滞留したり、請求項1、請求項2記載の尖塔等乃至架橋部材に大量に流れる、あるいは前述の界面及びコーティング乃至厚みの照射損傷による劣化しにくいことを特徴とする熱電変換素子。
- 請求項1記載の熱電変換素子で請求項3、請求項4、請求項5記載の工夫の有る無しを考慮し空間部分に操作を可能とする可動部を請求項4記載のLmax(T)以上の条件で持つ熱電変換素子を用いて空間部分のオーミック接合とショットキー接合間の移動、および量子作業物質のトンネル程度や空間部分で隣接する二つの巨視的量子系作業物質秩序パラメータの重なり程度がゼロも含めて程度の変化でき、狭い温度領域は勿論、広範囲温度領域まで発電、冷却、加熱の少なくとも二つの稼
ール以外のモジュール等を集積化することで絶縁・断熱・外的衝撃緩和・輻射シールド等の部材材料使用量を低減することおよび、それらを内蔵する熱電変換システムを作りやすい特徴をも含む、請求項1、請求項3、請求項4、請求項5に記載の熱電変換素子の“外界の系と接続するための端板”の近傍あるいは空間部分に稼動部をもつ熱電変換素子を用いたセグメント素子であることにより、可動部がない場合に比べ調整しやすいことを特徴とする熱電変換モジュールおよび、それらを内蔵する熱電変換システム。 - 請求項1記載の熱電変換素子内の尖塔の凸先端部とこれに対峙する界面乃至尖塔乃至「尖った部材」の凸先端部表面等の表面全体、あるいは作業物質良導体の接合部表面とこれが接合する熱電変換
尖塔の凸先端部と作業物質良導体の接合部表面を前者、尖塔の凸先端部に対峙する尖塔等の表面と“外界の系と接続するための端板”表面を後者とし、含まれる作業物質を前者と後者の一方乃至両方に供給あるいは、吸収する原子乃至分子等濃度に依存して、前者と後者が接合部が作業物質の稼動温度領域に対応してオーミック接合乃至ショットキー接合および量子作業物質トンネル効果乃至巨視的量子系作業物質秩序パラメータの重なり程度の中で、全てが独立に最適に生じる濃度をもつ接続子を後者の表面上につくるために、如何なる二つの接続子間でも互いに離れて干渉しない距離、あるいは干渉をなくす請求項5記載の材料のコーティング乃至厚みで、
(i)後者の尖塔の凸先端部に対峙する尖塔等の表面上にこれら接続子がつくられ、前者の尖塔の凸先端部を、請求項1記載の(A)−aあるいは請求項6記載の可動部操作することで作業物質の稼動温度領域に対応してオーミック接合乃至ショットキー接合間および量子作業物質のトンネル効果乃至巨視的量子系作業物質のトンネル効果の程度を調節しやすい特徴
(ii)後者の“外界の系と接続するための端板”上の複数の接続子をつくり、これら接続子を全て
れらから作られる上位モジュールが発電、冷却、加熱のそれぞれの稼動に合うように組み換えが可能な配線を持つ請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5に記載の熱電変換素子乃至請求項6に記載の熱電変換モジュールおよび、それらを内蔵する熱電変換システム。 - 請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5記載の熱電変換素子乃至請求項6、請求項7記載の熱電変換モジュールのZTを向上させるために、請求項1、請求項2に記載の熱電変換素子を全く含まない熱電材料を0世代熱電材料、そしてそのZTをZ0Tとすると、
0−a)請求項1に記載の熱電変換素子あるいは、起電力が小さいために請求項2に記載の熱電変換素子や、
0−b)請求項3、請求項4、請求項5記載の熱電変換素子乃至請求項6、請求項7記載の熱電変換モジュールを0世代熱電変換素子あるいは、0世代熱電変換モジュールとし、
0−c)0世代熱電変換素子乃至0世代熱電変換モジュールと作業物質良導体、絶縁材料、0世代熱電材料等を多数含むの集合体を1世代熱電材料、
とすると、そのZTは1世代熱電材料のZ1Tと読替えることになり、Z1T>Z0Tであり、上記の0−a)〜0−c)の手続きをもう一度繰返すと、
1−a)請求項1に記載の1世代熱電変換素子あるいは、起電力が小さいために請求項2に記載の1世代熱電変換素子や、
1−b)請求項3、請求項4、請求項5記載の1世代熱電変換素子乃至請求項6、請求項7記載の1世代熱変換モジュールを1世代熱電変換素子あるいは、1世代熱電変換モジュールとし、
1−c)1世代熱電変換素子乃至1世代熱変換モジュールと作業物質良導体、絶縁材料、0世代熱電材料等を多数含むの集合体を2世代熱電材料、とすると、そのZTを2世代熱電材料のZ2Tと読替えることになり、Z2T>Z1Tであり、更に、この手続きを3、・・・、n回目ではn世代熱電変換素子乃至n世代熱変換モジュールおよび、それらを内蔵するn世代熱電材料乃至n世代熱電変換システムあるいは、無限回繰返すとカルノー効率に近づく準カルノー熱電変換素子乃至準カルノー熱変換モジュールおよび、それらを内蔵する準カルノー熱電変換システム。 - 上記請求項1〜請求項8では、二つの異なる固定した熱源温度の一方が環境雰囲気の温度と一致乃至一致しない基本系を扱い、ここでは三つ以上の異なる固定した熱源温度の中で任意の二つの異なる熱源温度の一方が環境雰囲気の温度と一致乃至一致しない請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5、請求項7、請求項8記載のi(i=1、2、・・・自然数で、最大のiが1のとき従来の基本系に相当する)種n世代熱電変換素子あるいは準カルノーi種熱電変換素子から成るi種n世代熱変換モジュールあるいは準カルノーi種熱電変換モジュールがあり、
(i)それぞれの前述の任意の二つの熱源に絶縁材料を介して全て接触乃至一つ以上非接触している“外界の系と接続するための端板”の温度が上位の種間モジュール化で接続すべき相手方の“外界の系と接続するための端板”の温度とが全て同じ場合と一つ以上違う場合があるが、少なくとも一つ以上異なる温度の場合、一つ以上のi種n世代熱電変換素子あるいは準カルノーi種熱電変換素子から成るi種n世代熱変換モジュールあるいは準カルノーi種熱電変換モジュールのそれぞれの“外界の系と接続するための端板”上の接続子を上位の種間モジュール化の接続子とし、この接続子の温度と異なる温度を持つ違ったiと異なるi’種n世代熱電変換素子あるいは準カルノーi’種熱電変換素子から成るi’種n世代熱変換モジュールあるいは準カルノーi’種熱電変換モジュールのそれぞれの“外界の系と接続するための端板”上の接続子を上位のiとi’種間モジュール化の接続子とし、これらの接続子間の、
(ii)上記(i)記載の上位の種間モジュールを含めたi種n世代熱電変換素子・i種n世代熱電変換モジュールあるいは準カルノーi種熱電変換モジュールの“外界の系と接続するための端板”上の接続子を電流・電圧源乃至外部負荷との接続子とし、これら接続子の温度は電流・電圧源乃至外部負荷が置かれている環境雰囲気の温度等、ある温度の一方乃至両方と異なるの熱浴内にある場合、電流・電圧源乃至外部負荷の電極子と接続子間の温度差を基本系の請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5、請求項7、請求項8記載のn世代熱電変換素子あるいは準カルノー熱電変換素子から成るn世代熱変換モジュールあるいは準カルノー熱電変換モジュールで利用する、最適化i種n世代熱電変換素子あるいは最適化準カルノーi種熱電変換素子から成る最適化i種n世代熱変換モジュールあるいは準カルノー最適化i種熱電変換モジュールおよび、それらを内蔵する最適化熱電変換システム。
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