JP2000236117A - 電気素子 - Google Patents
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Abstract
の状態においても高い出力を得ることができる電気素
子、及び単位体積当たりの発電量が高く、比較的小型の
状態においても高い発電量を得ることができる熱電素子
を提供する。 【解決手段】第1の貫通孔7を構成する少なくとも一部
の壁部である第1の壁部の中央部を絶縁性材料4で構成
する。また、第2の貫通孔8を構成する少なくとも一部
の壁部である第2の壁部の中央部を導体性材料5で構成
する。そして、導電性材料であるp型の半導体材料2と
n型の半導体材料3とを、絶縁性材料4と導体性材料5
とで結合し、これらが交互に積層されてなるハニカム構
造体1から構成されるハニカム型の熱電素子を形成す
る。
Description
するハニカム型の電気素子、及びハニカム型の熱電素子
に関する。
由から、電気素子の一つである熱電素子の開発が急速に
行われている。この熱電素子は、エネルギー変換量を高
める観点から発電量のさらなる向上が望まれている。
は、単一の熱電素子を直列的及び並列的に複数接続し
て、複数の熱電素子から構成される複合型の熱電素子を
形成する方法ある。また、本出願人の特開昭55−53
470号公報に記載されているように、p型あるいはn
型の半導体材料のハニカム構造体から熱電素子を構成
し、前記ハニカム構造体の一部を高温流体の貫通領域と
し、その他の部分を低温流体の貫通領域として、単一の
熱電素子中に大きな温度差を形成し、さらに、これらの
ハニカム構造体を複数直列的に接続することによって大
きな発電量を得る方法などがある。
熱電素子を直列的及び並列的に複数接続する方法は、各
熱電素子の接続部分において接触抵抗が発生し、素子全
体の大きさに対して十分な発電量を得ることができない
という問題があった。また、特開昭55−53470号
公報に記載された方法においても、直列的に接続するこ
とによって熱電素子が大型化するとともに、熱電素子全
体の大きさに比較して十分な発電量が得られないという
問題があった。
く、比較的小型の状態においても高い出力を得ることが
できる電気素子、及び単位体積当たりの発電量が高く、
比較的小型の状態においても高い発電量を得ることがで
きる熱電素子を提供することを目的とする。
電性材料と絶縁性材料とからなり、前記導電性材料と前
記絶縁性材料とから形成された複数の貫通孔を具えたハ
ニカム構造体から構成され、前記ハニカム構造体内に前
記導電性材料及び前記絶縁性材料から形成された複数の
電気素子単位を有するとともに、前記複数の電気素子単
位が直列的及び並列的に接続して回路を形成しているこ
とを特徴とする、ハニカム型の電気素子である。
子において、前記導電性材料がp型及びn型の半導体材
料からなり、前記ハニカム構造体内に前記p型及びn型
の半導体材料と前記絶縁性材料から形成された複数の熱
電素子単位を有するとともに、前記複数の熱電素子単位
が直列的及び並列的に接続して回路を形成していること
を特徴とする、ハニカム型の熱電素子である。
一例を示す断面図である。また、図2は、本発明のハニ
カム型の熱電素子の概略を示す斜視図である。図1に示
すハニカム型の熱電素子は、ハニカム構造体1から構成
されている。また、ハニカム構造体1は第1の貫通孔7
と第2の貫通孔8とを具えている。第1の貫通孔7を構
成する上下の壁部は第1の壁部9からなり、第2の貫通
孔8を構成する上下の壁部は第2の壁部10からなって
いる。
構成され、第2の壁部10の中央部は導体性材料5から
構成されている。したがって、ハニカム構造体1は、p
型の半導体材料2とn型の半導体材料3とが、絶縁性材
料4と導体性材料5とで結合され、これらが交互に積層
された構造を呈している。
に低温ガスを流通させ、第2の貫通孔8に高温ガスを流
通させる。すると、p型の半導体材料2内及びn型の半
導体材料3内のそれぞれにおいて、前記第1の貫通孔7
及び前記第2の貫通孔8に流通させた高温ガス及び低温
ガスによる温度差が生じる。この温度差によって、ゼー
ベック効果に基づく起電力が前記各半導体材料内のP1
及びP2間に生じる。すなわち、図1に示す熱電素子で
は、幅Q1又はQ2で示される各p型の半導体材料2と
n型の半導体材料3における、間隔P1又はP2で定義
される部分A1、A2及びB1、B2が熱電素子単位を
構成する。
材料2とn型の半導体材料3のそれぞれは、上述したよ
うに、絶縁性材料4と導体性材料5とで交互に接合され
ているため、各半導体材料内のP1及びP2間で生じた
起電力に基づく電流が、導体性材料5を通じて、隣接す
るp型の半導体材料2とn型の半導体材料3との間を流
通し、ハニカム構造体1内において、図1に示すような
一方向に伝達する波形の電流Iを生じる。この電流は、
ハニカム構造体に接続された銅線などによって外部に取
り出される。
の熱電素子単位は、各半導体材料の長さP1又はP2、
及び幅Q1又はQ2で定義される部分A1、A2及びB
1及びB2である。したがって、図1に示すX方向にお
いては、これらが並列に接続した構成を呈し、Y方向に
おいては、これらが直列に接続した構成を呈している。
すなわち、図1に示す熱電素子は、図3に示す回路と等
価となる。図3に示す起電力Vが、図1における各熱電
素子単位A1などに相当する。
熱電素子は、単一のハニカム構造体1内から構成されて
いる。さらに、この各熱電素子単位は、ハニカム構造体
1を構成する材料から直接に構成され、これらの熱電素
子単位が必然的に直列的及び並列的に接続した構成を呈
している。その結果、前記複数の熱電素子単位はハニカ
ム構造体1内において第2の貫通孔8を共有して存在す
るようになり、単位体積当たりに含有される熱電素子の
数が極めて高くなる。したがって、単位体積当たりの発
電量が従来の熱電素子に比較して高くなり、熱電素子全
体としての発電量も、従来に比較して極めて高くなる。
れた熱電素子は、p型又はn型の半導体材料のみからハ
ニカム構造体を構成し、ハニカム構造体全体で1つの熱
電素子単位を構成している。これに対し、本発明のハニ
カム型の熱電素子は、p型及びn型の半導体材料と絶縁
性材料とからハニカム構造体を構成し、ハニカム構造体
内に複数の熱電素子単位を有する点で、上記特開昭55
−53470号と異なっている。
ながら、発明の実施の形態に則して詳細に説明する。図
1は、電気素子の一つである、本発明のハニカム型の熱
電素子の一例を示す図である。図2は本発明のハニカム
型の熱電素子の概略を示す斜視図である。図1に示すハ
ニカム構造体1は、直方体状の形態をなしているが、本
発明におけるハニカム構造体の形態は特に限定されるも
のではなく、用途に応じてあらゆる形態のものを使用す
ることができる。
及び第2の貫通孔8を含む複数の貫通孔についても、図
1に示す正方形以外に、二等辺三角形、正三角形、長方
形、及び正六角形など、用途に応じてハニカム構造体1
を効率よく使用することのできる、いかなる形状をも使
用することができる。
できる材料は、特に限定されるものではないが、エネル
ギー交換効率の指標となる性能指数が高いことから、酸
化コバルト、ランタンフェライト、ランタンマンガナイ
ト、シリコンゲルマニウム、コバルトアンチモン、ビス
マステルル、鉛テルル、及び鉄シリサイドから選ばれる
少なくとも1種であることが好ましい。
ことのできる材料についても特に限定されるものではな
いが、上記同様の理由から、ランタンコバルタイト、ラ
ンタンクロマイト、シリコンゲルマニウム、コバルトア
ンチモン、ビスマステルル、鉛テルル、及び鉄シリサイ
ドから選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
の半導体材料2及びn型の半導体材料3との結合部分を
効率的に絶縁して、導通による発電量が減少するのを防
止すべく、絶縁性のセラミックス材料から形成すること
が好ましい。絶縁性のセラミックス材料としては、シリ
カ、アルミナ、及びムライトなどを例示することができ
る。
を構成する少なくとも一部の壁部である第2の壁部10
の中央部を、導体性材料5から構成している。そして、
p型の半導体材料2とn型の半導体材料3とを、絶縁性
材料4に加え、上記導体性材料5で結合している。これ
によって、p型の半導体材料2とn型の半導体材料3と
の接触抵抗を低減し、各熱電素子単位で発生した起電力
によって生じる電流を伝達する際のロスを低減し、発電
効率を向上させることができる。
ル、アルミニウム、モリブデン、及び鉄などの電気導電
性に優れた材料を用いることができる。
要とされるものではない。例えば、コバルト添加鉄シリ
サイドなどのp型の半導体材料とマンガン添加鉄シリサ
イドなどのn型の半導体材料などとを結合する場合にお
いては、これらの界面における接触抵抗はほとんど無視
することができるため、導体性材料を設ける必要はな
い。したがって、この場合においてはp型半導体材料2
とn型半導体材料3とを直接接合することもできる。
いて、p型の半導体材料及びn型の半導体材料の導電性
材料からなるハニカム型の熱電素子について説明した。
しかしながら、本発明のハニカム型の電気素子は熱電素
子に限られるものではなく、ペルチェ素子や電気ヒー
タ、電気化学セルなどの素子についても使用することが
できる。このような場合においては、導電性材料として
p型及びn型の半導体材料の代わりに、ランタンクロマ
イト、ランタンマンガナイト、ジルコニア、チタン酸バ
リウム、及びケイ化モリブデンなどを使用する。
明する。 実施例 本実施例においては、図1に示すような形態の熱電素子
を形成した。p型の半導体材料2としてマンガン及びア
ルミニウムを添加した鉄シリサイドを用い、n型の半導
体材料3としてコバルト及びニッケルを添加した鉄シリ
サイドを用いた。また、絶縁性材料4には、アルミナと
二酸化ケイ素との混合物を用い、導体性材料5には銅を
用いた。
ンガン・アルミニウム添加鉄シリサイドの100重量部
に対して、メチルセルロース3重量部及びポリビニルア
ルコールを混合し、この混合物に対して14重量部の水
を加え、ニーダーを用いて混練物を得た。この混練物を
真空土練機中に収容し、直径50mm、長さ300mm
の円柱形状のP型の半導体材料を含む坏土を製造した。
坏土>上記同様にして、コバルト・ニッケル添加鉄シリ
サイドの100重量部に対して、メチルセルロース3重
量部及びポリビニルアルコールを混合し、この混合物に
対して14重量部の水を加え、ニーダーを用いて混練物
を得た。この混練物を真空土練機中に収容し、直径50
mm、長さ300mmの円柱形状のn型の半導体材料を
含む坏土を製造した。
上記同様にして、アルミナ・二酸化ケイ素混合物の10
0重量部にメチルセルロースを10重量部及びポリビニ
ルアルコールを混合し、20重量部の水を加えることに
よって、直径20mm、長さ300mmの円柱形状の絶
縁性材料を含む坏土を製造した。
ルロースを10重量部及びポリビニルアルコールを混合
し、20重量部の水を加えることによって、直径20m
m、長さ300mmの円柱形状の導体性材料を含む坏土
を製造した。
記のようにして製造した各坏土を、押出成形用の4軸プ
ランジャーの複数のシリンダ内にそれぞれ別個に充填
し、各坏土からの成形体の押出速度がほぼ同じになるよ
うにしてプランジャーの油圧を制御し、押出成形機の先
方に設けられた口金に押し出してハニカム型の成形体を
得た。
この成形体を100℃で乾燥した後、水素雰囲気中、1
100℃で4時間焼結処理を実施し、さらに、900
℃、50時間の熱処理を施すことによって、図1に示す
ようなハニカム構造体1を具えたハニカム型の熱電素子
を得た。熱電素子を構成するハニカム構造体1の高さH
は2.5cmであり、幅Wは4.5cmであった。ま
た、ハニカム構造体1の肉厚dは0.5mmであり、正
方形状の貫通孔7及び8の一辺の長さrは2.5mmあ
った。さらに、この熱電素子の長手方向の長さはLは
5.0cmであった。なお、貫通孔の数は、図1と異な
り、横9列、縦4列に形成した。
上のようにして形成した熱電素子の第1の貫通孔7に温
度680℃の空気を流通させ、第2の貫通孔8に温度1
00℃の空気を流通させた。これら空気の温度差によっ
て、上記熱電素子中に生じた発電量を求めたところ、1
1.8Wであり、単位体積当たりの発電量は0.21W
/cm3 であることが判明した。
5.0cmであって、肉厚が0.5mmの単一の貫通孔
からなる熱電素子を、横方向に6個接続したものを縦方
向に2列配置して、複合型の熱電素子を形成した。各列
ごとの熱電素子に、それぞれ実施例と同様にして680
℃及び100℃の空気を流通させ、温度差によって生じ
た発電量を求めた。その結果、発電量は6.8Wであ
り、単位体積当たりの発電量は0.12W/cm3 であ
ることが判明した。
ニカム型の熱電素子は、単位体積当たりの発電量が高
く、その結果熱電素子全体としての発電量も極めて高く
なることが分かる。
形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記内容
に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない
範囲内においてあらゆる変更や変形が可能である。
子、及び熱電素子は、ハニカム構造体から構成されてい
る。そして、ハニカム構造体を構成する材料から直接的
に、複数の電気素子単位、あるいは複数の熱電素子単位
を形成している。したがって、本発明の電気素子及び熱
電素子は、前記複数の電気素子単位又は熱電素子単位
が、直列的及び並列的に高密度に接続した構造を呈す
る。そのため、出力密度の高い電気素子及び発電密度の
高い熱電素子を得ることができる。
面図である。
視図である。
を示す図である。
の半導体材料、4 絶縁性材料、5 導体性材料、7
第1の貫通孔、8 第2の貫通孔、9 第1の壁部、1
0 第2の壁部、P1,P2 熱電素子単位の長さ、Q
1,Q2 熱電素子単位の幅、A1,A2,B2,B2
熱電素子単位、I 熱電素子中を伝搬する電流の方向
Claims (5)
- 【請求項1】少なくとも導電性材料と絶縁性材料とから
なり、前記導電性材料と前記絶縁性材料とから形成され
た複数の貫通孔を具えたハニカム構造体から構成され、
前記ハニカム構造体内に前記導電性材料及び前記絶縁性
材料から形成された複数の電気素子単位を有するととも
に、前記複数の電気素子単位が直列的及び並列的に接続
して回路を形成していることを特徴とする、ハニカム型
の電気素子。 - 【請求項2】前記複数の貫通孔は第1の貫通孔を具え、
前記第1の貫通孔を構成する少なくとも一部の壁部の中
央部が、前記絶縁性材料から構成されていることを特徴
とする、請求項1に記載のハニカム型の電気素子。 - 【請求項3】請求項1又は2に記載の電気素子におい
て、前記導電性材料がp型及びn型の半導体材料からな
り、前記ハニカム構造体内に前記P型及びn型の半導体
材料と前記絶縁性材料から形成された複数の熱電素子単
位を有するとともに、前記複数の熱電素子単位が直列的
及び並列的に接続して回路を形成していることを特徴と
する、ハニカム型の熱電素子。 - 【請求項4】前記複数の貫通孔は第2の貫通孔を具え、
前記第2の貫通孔を構成する少なくとも一部の壁部の中
央部が、導体性材料から構成されていることを特徴とす
る、請求項3に記載のハニカム型の熱電素子。 - 【請求項5】前記P型の半導体材料は、酸化コバルト、
ランタンフェライト、ランタンマンガナイト、シリコン
ゲルマニウム、コバルトアンチモン、ビスマステルル、
鉛テルル、及び鉄シリサイドから選ばれる少なくとも1
種であり、前記n型の半導体材料は、ランタンコバルタ
イト、ランタンクロマイト、シリコンゲルマニウム、コ
バルトアンチモン、ビスマステルル、鉛テルル、及び鉄
シリサイドから選ばれる少なくとも1種であることを特
徴とする、請求項3又は4に記載のハニカム型の熱電素
子。
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