JPH03155376A - 熱電発電素子 - Google Patents
熱電発電素子Info
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- JPH03155376A JPH03155376A JP1289942A JP28994289A JPH03155376A JP H03155376 A JPH03155376 A JP H03155376A JP 1289942 A JP1289942 A JP 1289942A JP 28994289 A JP28994289 A JP 28994289A JP H03155376 A JPH03155376 A JP H03155376A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、熱電発電装置に用いられる熱電発電素子に関
するものである。
するものである。
第９図は熱電発電の原理の説明図で、同図において、１
１はＰ型熱電素材、１２はＮ型熱電素材、１３は電気絶
縁物、１４は正孔（＋）、１５は電子（−Ｌｉ２は高温
側の導体、１７と１８は低温側の導体、１９は導線、２
０は電球である。
１はＰ型熱電素材、１２はＮ型熱電素材、１３は電気絶
縁物、１４は正孔（＋）、１５は電子（−Ｌｉ２は高温
側の導体、１７と１８は低温側の導体、１９は導線、２
０は電球である。
この熱電発電の原理は、公知の温度測定用の熱電対と同
様に、前記両熱電素材ＩＬ １２の高温側と低温側の温
度差によって、前記両熱電素子１１．１２に起電力が発
生し、これに電球２０を接続すれば、点灯する。
様に、前記両熱電素材ＩＬ １２の高温側と低温側の温
度差によって、前記両熱電素子１１．１２に起電力が発
生し、これに電球２０を接続すれば、点灯する。
二〇熱電発電の熱効率ηは、以下の式で表わされる性能
指数Ｚが大きいほど、理想効率（カルノー効率）に近づ
き、また温度差が大きいほど、熱効率ηが上昇する。こ
れを第１０図に示す。
指数Ｚが大きいほど、理想効率（カルノー効率）に近づ
き、また温度差が大きいほど、熱効率ηが上昇する。こ
れを第１０図に示す。
ここで、熱電発電の熱効率ηを決定する性能指数Ｚは以
下の式で表わされたものの平均として定義される。
下の式で表わされたものの平均として定義される。
前述の熱電素材１１．１２は、熱が流れにくく、その両
端に大きな温度差がついて、大きな起電力を発生すると
ともに、その起電力の素子内部での損失を極力少なくす
るように、電流が通りやすいことが要求される。すなわ
ち、大きな電気伝導度（電気抵抗が小さい）と小さな熱
伝導度（熱抵抗が大きい）が特性として求められている
。
端に大きな温度差がついて、大きな起電力を発生すると
ともに、その起電力の素子内部での損失を極力少なくす
るように、電流が通りやすいことが要求される。すなわ
ち、大きな電気伝導度（電気抵抗が小さい）と小さな熱
伝導度（熱抵抗が大きい）が特性として求められている
。
しかしながら、金属材料の７場合は電気伝導度と熱伝導
度の比率は一定であること（ビープマン・フランツの法
則）が知られており、電気伝導度だけが大きく熱伝導度
の小さい物質を得ることは困難である。
度の比率は一定であること（ビープマン・フランツの法
則）が知られており、電気伝導度だけが大きく熱伝導度
の小さい物質を得ることは困難である。
本発明は上記のような問題点を解決しようとするもので
ある。すなわち、本発明は、電気伝導度の温度依存性が
大きく、それに比較して熱伝導度の温度依存性が小さい
半導体熱電素材を用い、かつ、高温側での熱と電気の通
過断面積を小さ（、低温側ではそれを大きくすることに
よって、材料そのものの物性値として決っている熱伝導
度に対する電気伝導度の比を、全体として大きくし、熱
電発電の熱効率を向上させることができる熱電発電素子
を提供することを目的とするものである。
ある。すなわち、本発明は、電気伝導度の温度依存性が
大きく、それに比較して熱伝導度の温度依存性が小さい
半導体熱電素材を用い、かつ、高温側での熱と電気の通
過断面積を小さ（、低温側ではそれを大きくすることに
よって、材料そのものの物性値として決っている熱伝導
度に対する電気伝導度の比を、全体として大きくし、熱
電発電の熱効率を向上させることができる熱電発電素子
を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明は、電気的にも熱的
にも良導体である高温側電極と、熱電素材と、電気的に
も熱的にも良導体である低温側電極とを順次接合してな
る熱電発電素子において、前記熱電素材は、熱伝導度の
温度依存性に比較して電気伝導度の温度依存性が大きい
半導体熱電素材からなり、かつ、電気と熱の通過断面積
が高温側では小さく、低温側ではそれが大きくなってい
るものとした。
にも良導体である高温側電極と、熱電素材と、電気的に
も熱的にも良導体である低温側電極とを順次接合してな
る熱電発電素子において、前記熱電素材は、熱伝導度の
温度依存性に比較して電気伝導度の温度依存性が大きい
半導体熱電素材からなり、かつ、電気と熱の通過断面積
が高温側では小さく、低温側ではそれが大きくなってい
るものとした。
本発明によれば、熱電素材は、熱伝導度の温度依存性に
比較して電気伝導度の温度依存性が大きい半導体である
ので、上記金属の場合のビープマン・フランツの法則に
従わなく、また熱電素材は、電気と熱の通過断面積が高
温側では小さく、低温側ではそれが太き（なっている形
状にしているので、熱電素材の全体の熱伝導度を小さく
しても、電気伝導度の低下を相対的に極めて低く抑える
ことができる。したがって、該素材で定まっている熱伝
導度に対する電気伝導度の比が形状を変えない場合と比
較して大きくなって、熱電発電素子の熱効率、つまり、
発電効率を向上させることができる。
比較して電気伝導度の温度依存性が大きい半導体である
ので、上記金属の場合のビープマン・フランツの法則に
従わなく、また熱電素材は、電気と熱の通過断面積が高
温側では小さく、低温側ではそれが太き（なっている形
状にしているので、熱電素材の全体の熱伝導度を小さく
しても、電気伝導度の低下を相対的に極めて低く抑える
ことができる。したがって、該素材で定まっている熱伝
導度に対する電気伝導度の比が形状を変えない場合と比
較して大きくなって、熱電発電素子の熱効率、つまり、
発電効率を向上させることができる。
第１図は本発明の第１実施例を示した断面図であり、第
２図は第１図の熱電素材を拡大して示した斜視図である
。
２図は第１図の熱電素材を拡大して示した斜視図である
。
第１図において、１は熱の良導体からなる基板、２は酸
化ベリリウムまたはダイヤモンド薄膜などからなる電気
的には不良導体で熱的には良導体である電気絶縁物、３
は電気的にも熱的にも良導体である低温側電極、４は電
気的にも熱的にも不良導体である絶縁物、５は後述する
熱電素材、６は電気的にも熱的にも良導体である高温側
電極、７は電気的にも熱的にも不良導体である絶縁物、
８は酸化ベリリウムまたはダイヤモンド薄膜などからな
る電気的には不良導体で熱的には良導体である電気絶縁
物である。また第１図にみられる左方の絶縁物４と中央
の絶縁物７の間の熱電素材５がＰ型熱電素材、右方の絶
縁物４と中央の絶縁物７の間の熱電素材５がＮ型熱電素
材である。
化ベリリウムまたはダイヤモンド薄膜などからなる電気
的には不良導体で熱的には良導体である電気絶縁物、３
は電気的にも熱的にも良導体である低温側電極、４は電
気的にも熱的にも不良導体である絶縁物、５は後述する
熱電素材、６は電気的にも熱的にも良導体である高温側
電極、７は電気的にも熱的にも不良導体である絶縁物、
８は酸化ベリリウムまたはダイヤモンド薄膜などからな
る電気的には不良導体で熱的には良導体である電気絶縁
物である。また第１図にみられる左方の絶縁物４と中央
の絶縁物７の間の熱電素材５がＰ型熱電素材、右方の絶
縁物４と中央の絶縁物７の間の熱電素材５がＮ型熱電素
材である。
そして、第２図に示すように、各熱電素材５は、電気と
熱の通過断面積が、高温側では小さく、低温側ではそれ
が徐々に大きくなるように、ピラミッドの頂上を平面に
したような形状になっている。
熱の通過断面積が、高温側では小さく、低温側ではそれ
が徐々に大きくなるように、ピラミッドの頂上を平面に
したような形状になっている。
第３図は本発明の第２実施例を示し、第４図は同じく第
３実施例を示し、第５図は同じく第４実施例を示した斜
視図であり、いずれも、熱電素子５だけを示し、他の部
材については、図示を省略している。
３実施例を示し、第５図は同じく第４実施例を示した斜
視図であり、いずれも、熱電素子５だけを示し、他の部
材については、図示を省略している。
そして、第３図では、熱電素材５が截頭円錐形（円錐台
形）になっており、第４図では、熱電素材５の内部に逆
円錐形の空洞を有し、第５図では、底面（低温側）に届
かない円筒状の空洞を有し、いずれも、電気と熱の通過
断面積が熱電素子の高温側では小さく、低温側では大き
くなっている。
形）になっており、第４図では、熱電素材５の内部に逆
円錐形の空洞を有し、第５図では、底面（低温側）に届
かない円筒状の空洞を有し、いずれも、電気と熱の通過
断面積が熱電素子の高温側では小さく、低温側では大き
くなっている。
第６図には、大きなゼーベック係数Ｓを示す・アモルフ
ァス半導体Ｆｅ５ｉｚ熱電素材の電気伝導度σの特性の
一例を示している。
ァス半導体Ｆｅ５ｉｚ熱電素材の電気伝導度σの特性の
一例を示している。
同図の曲線ａ、ｂ、ｃは、（ｘ／１００）原子％Ｍｎを
入れたＦｅｌ−ｘＭｎ、ｔ（ＳｉＯ）ｚの場合で、曲線
ａは０．５原子％Ｍｎ、つまり、Ｆ ｅｏ、 ｗｗｓＭ
ｎｏ、 ｏｓｓ（Ｓｉｎ） ｔであり、曲線すはＭｎが
０原子％、曲線ＣはＭｎが３．９原子％の場合である。
入れたＦｅｌ−ｘＭｎ、ｔ（ＳｉＯ）ｚの場合で、曲線
ａは０．５原子％Ｍｎ、つまり、Ｆ ｅｏ、 ｗｗｓＭ
ｎｏ、 ｏｓｓ（Ｓｉｎ） ｔであり、曲線すはＭｎが
０原子％、曲線ＣはＭｎが３．９原子％の場合である。
第６図の曲線ａの電気伝導度σは、素子の温度が３００
度（絶対温度）から７００度（絶対温度）になるにつれ
て、０．１（Ω−’ｃａ＋−りから２０（Ω−ＩＣ１′
）と、２桁以上大きくなることがわかる。
度（絶対温度）から７００度（絶対温度）になるにつれ
て、０．１（Ω−’ｃａ＋−りから２０（Ω−ＩＣ１′
）と、２桁以上大きくなることがわかる。
一方、半導体の熱伝導度には温度Ｔが大きく変化しても
、一般にあまり変化しないことが知られている。
、一般にあまり変化しないことが知られている。
したがって、第２図〜第５図の実施例の熱電素材５とし
ては、第６図の曲線ａで示される素材、つまり、Ｆｅｏ
、９９５Ｍｎｏ、ｏｏｓ（ＳｉＯ）ｚを用い、すなわち
、熱伝導度にの温度依存性に比較して電気伝導度σの温
度依存性が、きわめて大きい半導体熱電素材を用いた例
である。
ては、第６図の曲線ａで示される素材、つまり、Ｆｅｏ
、９９５Ｍｎｏ、ｏｏｓ（ＳｉＯ）ｚを用い、すなわち
、熱伝導度にの温度依存性に比較して電気伝導度σの温
度依存性が、きわめて大きい半導体熱電素材を用いた例
である。
ここで、もし、電気伝導度σと熱伝導度Ｋが、ともに温
度依存性がない熱電素材を用いた場合には、高温側で前
記断面積を小さくしても、その分だけ、電気伝導度σも
熱伝導度にも同じ割合で小となり、一定であるので、性
能指数Ｚも一定である。したがって、熱効率ηも変化し
ない。
度依存性がない熱電素材を用いた場合には、高温側で前
記断面積を小さくしても、その分だけ、電気伝導度σも
熱伝導度にも同じ割合で小となり、一定であるので、性
能指数Ｚも一定である。したがって、熱効率ηも変化し
ない。
しかし、第６図の曲線ａで示される特性を有する半導体
熱電素材、つまり、第２図〜第５図の熱電素材５の場合
は、熱伝導度Ｋには温度依存性が少なく、電気伝導度σ
に第６図の曲線ａのような大きな温度依存性があるので
、上記のケースとは異なり、以下のようになる。
熱電素材、つまり、第２図〜第５図の熱電素材５の場合
は、熱伝導度Ｋには温度依存性が少なく、電気伝導度σ
に第６図の曲線ａのような大きな温度依存性があるので
、上記のケースとは異なり、以下のようになる。
すなわち、熱伝導度には高温側で前記断面積が小さくな
った分だけ小さくなるが、電気伝導度σは高温側でその
温度依存性により低温側での値よりも大きな値（桁のオ
ーダ）を示すので、前記断面積が小さくなって高温域で
の電気伝導度σが多少低下（数分の−のオーダ）しても
、素子全体の性能指数Ｚも大きくなる。これにより、熱
効率ηも向上する。
った分だけ小さくなるが、電気伝導度σは高温側でその
温度依存性により低温側での値よりも大きな値（桁のオ
ーダ）を示すので、前記断面積が小さくなって高温域で
の電気伝導度σが多少低下（数分の−のオーダ）しても
、素子全体の性能指数Ｚも大きくなる。これにより、熱
効率ηも向上する。
これを定量的に示すため、高温側と低温側の２つの部分
からなるモデル素子を考える。熱電素子の両端の温度は
高温側端部でＴ１、低温側端部でＴｃとし、簡単化のた
め素子の内部ではそれぞれ温度は一定であるとする。ま
た熱伝導度は高温側の温度ＴＮにおいてに８とし、低温
側の温度Ｔｃにおいてに、とし、両者は同じとする。電
気伝導度は高温側の温度ＴＨにおいてσ８とし、低温側
の温度Ｔ、においてσ、とし、また高温側では低温側に
比べ、１００倍大きいとする。すると、Ｋ、＝Ｋｃ
・・・（１）σ、 ＝１００ σ。
・・・（２）ここで、高温側と低温側は、それぞ
れＴ、で加熱、Ｔｃで冷却されているものとする。
からなるモデル素子を考える。熱電素子の両端の温度は
高温側端部でＴ１、低温側端部でＴｃとし、簡単化のた
め素子の内部ではそれぞれ温度は一定であるとする。ま
た熱伝導度は高温側の温度ＴＮにおいてに８とし、低温
側の温度Ｔｃにおいてに、とし、両者は同じとする。電
気伝導度は高温側の温度ＴＨにおいてσ８とし、低温側
の温度Ｔ、においてσ、とし、また高温側では低温側に
比べ、１００倍大きいとする。すると、Ｋ、＝Ｋｃ
・・・（１）σ、 ＝１００ σ。
・・・（２）ここで、高温側と低温側は、それぞ
れＴ、で加熱、Ｔｃで冷却されているものとする。
いま、高温側と低温側の電気および熱の通過断面積を同
じとした場合を第７図に示し、高温側の前記断面積が低
温側のそれの−とした場合を第０ ８図に示し、第７図の場合と第８図の場合を比較する。
じとした場合を第７図に示し、高温側の前記断面積が低
温側のそれの−とした場合を第０ ８図に示し、第７図の場合と第８図の場合を比較する。
第７図の場合、全体の熱伝導度および電気伝導度をそれ
ぞれＫａ、 σ、とすると、第８図の場合、全体の熱
伝導度および電気伝導度をそれぞれに１πとすると、 一σ躬 ０ □σＣ ０ したがって、上記（７）式から次の（９）式が、上記（
８）式から次の（１０）式が得られる。
ぞれＫａ、 σ、とすると、第８図の場合、全体の熱
伝導度および電気伝導度をそれぞれに１πとすると、 一σ躬 ０ □σＣ ０ したがって、上記（７）式から次の（９）式が、上記（
８）式から次の（１０）式が得られる。
したがって、上記（３）式から次の（５）式が、上記（
４）式から次の（６）式が得られる。
４）式から次の（６）式が得られる。
１
・ ・ ・（１０）
ここで、第７図の場合と第８図の場合を比べるることに
よって、 ・ ・ ・ （１１） ０ １ 第７図の場合および第８図の場合とも、ゼーベック係数
Ｓ （Ｔ）は、高温側の温度がＴＮであり、低温側の温
度がＴｃであるので、変わらない。しか合は約５倍大き
くなるため、性能指数Ｚも約５倍太き（なる。
よって、 ・ ・ ・ （１１） ０ １ 第７図の場合および第８図の場合とも、ゼーベック係数
Ｓ （Ｔ）は、高温側の温度がＴＮであり、低温側の温
度がＴｃであるので、変わらない。しか合は約５倍大き
くなるため、性能指数Ｚも約５倍太き（なる。
したがって、熱電素材の熱の通過断面形状を高温側で小
さくすることにより、平均の性能指数を大きくし、熱効
率を向上させることができる。またこれは、熱電素材の
電気伝導度を僅かに低下させるかわりに熱伝導度を著し
く低下させることであり、同じ温度差がついている場合
、電気出力が僅かに低下するが、熱の流入が著しく少な
くなり、大熱量に対する電気出力の割合、すなわち、発
電効率が向上するともいえる。
さくすることにより、平均の性能指数を大きくし、熱効
率を向上させることができる。またこれは、熱電素材の
電気伝導度を僅かに低下させるかわりに熱伝導度を著し
く低下させることであり、同じ温度差がついている場合
、電気出力が僅かに低下するが、熱の流入が著しく少な
くなり、大熱量に対する電気出力の割合、すなわち、発
電効率が向上するともいえる。
以上説明したように、本発明によれば、熱電素材は、熱
伝導度の温度依存性に比較して電気伝導度の温度依存性
が大きい半導体であるので、温度の上昇に伴なって電気
伝導度が大きくなる割りには、熱伝導度は大きく変化せ
ず、また該熱電素材は、電気と熱の通過断面積が高温側
では小さく、低温側ではそれが太き（なっている形状に
しているので、該熱電素材の平均の熱伝導度を小さくし
ながら、電気伝導度の低下を低（抑えることができる。
伝導度の温度依存性に比較して電気伝導度の温度依存性
が大きい半導体であるので、温度の上昇に伴なって電気
伝導度が大きくなる割りには、熱伝導度は大きく変化せ
ず、また該熱電素材は、電気と熱の通過断面積が高温側
では小さく、低温側ではそれが太き（なっている形状に
しているので、該熱電素材の平均の熱伝導度を小さくし
ながら、電気伝導度の低下を低（抑えることができる。
したがって、該素材で定まっている熱伝導度に対する電
気伝導度の比が全体として大きくなリ、性能指数も大き
くなって熱電発電素子の熱効率、つまり、発電効率を向
上させることができる効果がある。
気伝導度の比が全体として大きくなリ、性能指数も大き
くなって熱電発電素子の熱効率、つまり、発電効率を向
上させることができる効果がある。
第１図は本発明の第１実施例を示した断面図、第２図は
第１図の熱電素材を拡大して示した斜視図、第３図は本
発明の第２実施例を示した斜視図、第４図は同じく第３
実施例を示した斜視図、第５図は同じく第４実施例を示
した斜視図、第６図はアモルファスＦｅ５ｉｚ熱電素材
の電気伝導度の特性の一例を示した説明図、第７図は熱
電素子の１つのモデルの説明図、第８図は同じくもう１
つのモデルの説明図、第９図は熱電発電の原理の説明図
、第１０図は熱電発電の熱効率と性能指数の関係の説明
図である。 １・・・基板、 ２・・・電気絶縁物、３・・・
低温側電極、 ４・・・絶縁物、５・・・熱電素材、
６・・・高温側電極、７・・・絶縁物、 ８・・
・電気絶縁物。 奉 奈 ネ ア 図 峯 図 峯 図 第１０図 高 シビ２４列 （ジ！（”Ｃ）
第１図の熱電素材を拡大して示した斜視図、第３図は本
発明の第２実施例を示した斜視図、第４図は同じく第３
実施例を示した斜視図、第５図は同じく第４実施例を示
した斜視図、第６図はアモルファスＦｅ５ｉｚ熱電素材
の電気伝導度の特性の一例を示した説明図、第７図は熱
電素子の１つのモデルの説明図、第８図は同じくもう１
つのモデルの説明図、第９図は熱電発電の原理の説明図
、第１０図は熱電発電の熱効率と性能指数の関係の説明
図である。 １・・・基板、 ２・・・電気絶縁物、３・・・
低温側電極、 ４・・・絶縁物、５・・・熱電素材、
６・・・高温側電極、７・・・絶縁物、 ８・・
・電気絶縁物。 奉 奈 ネ ア 図 峯 図 峯 図 第１０図 高 シビ２４列 （ジ！（”Ｃ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、電気的にも熱的にも良導体である高温側電極と、熱
電素材と、電気的にも熱的にも良導体である低温側電極
とを順次接合してなる熱電発電素子において、前記熱電
素材は、熱伝導度の温度依存性に比較して電気伝導度の
温度依存性が大きい半導体熱電素材からなり、かつ、電
気と熱の通過断面積が高温側では小さく、低温側ではそ
れが大きくなっていることを特徴とする、熱電発電素子
。 ２、半導体熱電素材が、アモルファス鉄シリサイド半導
体からなる請求項１記載の熱電発電素子。 ３、半導体熱電素材が、アモルファスＦｅ＿０＿．＿９
＿９＿５Ｍｎ＿０＿．＿０＿０＿５（ＳｉＯ）＿２半導
体からなる請求項１記載の熱電発電素子。 ４、半導体熱電素材が、アモルファスＦｅ＿０＿．＿９
＿５Ｃｒ＿０＿．＿０＿５（ＳｉＯ）＿２半導体からな
る請求項１記載の熱電発電素子。 ５、電気と熱の通過断面積が、低温側から高温側にいく
につれて徐々に小さくなっている請求項１、２、３また
は４記載の熱電発電素子。 ６、熱電素材の高温側の電極と接する部分および低温側
の電極と接する部分が、ともに面からなっている請求項
１、２、３または４記載の熱電発電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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