JP2005108866A

JP2005108866A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP2005108866A
Application number: JP2003335865A
Authority: JP
Inventors: Sakutaro Yamaguchi; 作太郎山口
Original assignee: YYL KK
Current assignee: YYL KK
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】
ゼーベック効果とネルンスト効果の相乗効果による発電を行い、発電効率を向上する装置の提供。
【解決手段】
熱電変換部材（１０１）に対して一の方向（ｘ軸方向とする）に磁場Bが印加され、磁場Bに直交する方向（ｙ軸方向）に温度勾配が設けられるという条件で、磁場Bと前記温度勾配方向に垂直な方向（ｚ軸方向）に起電力（ネルンスト起電力）が発生する熱電変換装置において、熱電変換部材の温度勾配方向（ｙ軸方向）の両側端部にそれぞれ、第１、第２の電極（１０２、１０３）を備え、第１及び第２の電極（１０２、１０３）は、熱電変換部材の温度勾配方向（ｙ軸）と起電力の発生方向（ｚ軸）とで規定される面において、熱電変換部材の前記温度勾配方向に互いに対向する辺の一部をそれぞれ覆い、対角状に配置されている。
【選択図】
図１

Description

本発明は、熱電変換装置に関し、特に、ネルンスト・ゼーベック素子に関する。

ネルンスト効果に基づく熱発電の基本原理を説明する。図４において、導体又は半導体から成る熱電変換素子材料の上方は高温に加熱され、下部は冷却され、熱電変換素子材料の内部には、図示上方から下方（仮にｙ軸方向とする）に熱流が流れ温度勾配∇Ｔ（∇は「grad」とも表記する）が生じている。磁場Ｈを熱流の方向に垂直な向き(ここでは、磁場Ｈの方向をｘ軸方向とする)、すなわち図の紙面表から裏面方向に作用させると、磁場Ｈと温度勾配∇Ｔの両者に垂直な方向、すなわち図示横方向（ｚ軸に対応）に、Ｎ・Ｈ×∇Ｔで与えられる電場Ｅが生じ、電位差が生じる。これがネルンスト効果である。なお、Ｎはネルンスト係数であり、物質固有の物理量であり、所定の大きさと正負いずれかの符号をとる。例えば、Ａｇでは、−５×１０^-5，Ｓｂでは＋９×１０³Ｖ・ｃｍ^-1Ｋ^-1Ｇ^-1である。熱電変換素子材料の図示左右端部に電極を設けることによって、ネルンスト効果により電圧が取り出せる。

ネルンスト係数Ｎは、古典論に従えば、真性半導体に適用可能な理論金属及び不純物半導体について、N＝（1/2）(ｋB/e)μeのように表わされる（なお、半導体レーザー、エサキ・ダイオード、熱電半導体では所定の量子論的補正が行なわれる）。ただし、ｋBはボルツマン定数（＝1.38041×10^-23Ｊoules／Ｋ）であり、ｅは電子の電荷（＝-1.60210×10^-19Ｃoulomb）、μeは電子のホール移動度（Hall mobility）である。１種類のキャリア、ボルツマン古典統計、音響フォノン散乱を想定して輸送方程式からN＝−（3π／16）・（ｋB／ｅ）μeが導出され、この（3π／16）を略１／２としたものである。以上は、本願発明者による後記特許文献１等が参照される。また、ネルンスト効果を利用した熱電発電装置として、本願発明者による後記特許文献２も参照される。

また、ネルンスト効果の大きい熱電変換材料に磁場を印加しゼーベック計数を向上させた熱電変換素子として、ｐ型及びｎ型のBi基熱電変換材料（添加元素を５％以下で含有）の所要方向（ｘ軸方向）に磁場を印加する手段と、これに直交する方向（ｚ軸方向）に温度勾配∇Ｔを付与する手段と、前記二方向に直交する方向（ｙ軸方向）の面における温度の高温側と低温側のそれぞれに電極材料を取り付けてｐｎ接続し接続端より起電力を導出する手段を備えた熱電変換素子が記載されている（例えば特許文献３参照）。

特開平７−２０２２７７号公報（第１図）特開平７−１４２７６９号公報（第１図、第２図）特開２００２−６４２２８号公報（第１図）

したがって、本発明は、発電効率を高める熱電変換装置を提供することにある。

前記目的を達成する本発明の一つのアスペクトに係る熱電変換装置は、熱電変換部材を有し、前記熱電変換部材に対して一の方向（ｘ軸方向）に磁場が印加され、且つ、前記磁場に直交する方向（ｙ軸方向）に温度勾配が設けられるという条件下で、前記磁場と前記温度勾配方向に垂直な方向（ｚ軸方向）に起電力(ネルンスト起電力)が発生する熱電変換装置において、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の両側端部に、それぞれ、第１、第２の電極を備え、前記第１及び第２の電極は、前記温度勾配方向（ｙ軸）と前記起電力の発生方向（ｚ軸）とで規定される面において、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向に互いに対向する辺の一部をそれぞれ覆い、対角状に配置されている。

本発明の他のアスペクトに係る熱電変換装置は、ｎ型、ｐ型の複数の熱電変換部材を備え、ｎ型、ｐ型の前記熱電変換部材を電極で交互に接続し、前記各熱電変換部材に対して共通に一の方向（ｘ軸方向）に磁場が印加され、且つ、前記磁場に直交する方向（ｙ軸方向）に温度勾配が設けられるという条件下で、前記磁場と前記温度勾配方向に垂直な方向（ｚ軸方向）に起電力(ネルンスト起電力)が発生する熱電変換装置において、前記各熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の両側端部に、それぞれ、第１、第２の電極を備え、前記第１及び第２の電極は、前記温度勾配方向（ｙ軸）と前記起電力の発生方向（ｚ軸）とで規定される面において、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向に互いに対向する辺の一部をそれぞれ覆い、対角状に配置され、相隣る２つの熱電変換部材は、第１の電極同士、又は第２の電極同士が接続されている。

本発明において、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸）とネルンスト起電力の発生方向（ｚ軸）とで規定される面における、熱電変換部材の前記起電力発生方向（ｚ軸方向）の長さ（ａ）は、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の長さ（ｂ）よりも大とされる。

本発明において、前記第１、第２の電極の、ネルンスト起電力発生方向（ｚ軸方向）の長さ（ｄ）は、熱電変換部材のネルンスト起電力発生方向（ｚ軸方向）の長さ（ａ）より小とされ、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の長さ（ｂ）より小さいか、あるいは同程度とされる。

本発明において、複数の前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の長さ（ｂ：厚さ）は、同一とされる。

本発明において、前記電極は、好ましくは、アルミニウムよりなる。

本発明において、第１又は第２の電極は、少なくとも１つの熱電変換素子（ゼーベック素子）の前記温度勾配方向の両側を全て覆う構成としてもよい。

本発明によれば、ネルンスト効果とゼーベック効果の相乗効果を有効に引き出す電極構成としたことにより、熱電変換素子の効率の向上に貢献する。

本発明についてより詳細に説述するため、添付図面を参照して説明する。ネルンスト＋ゼーベック素子の原理について説明する。一般化したオーム法則は、式（１）で表される。

E = η・ J + α・ gradT + RH ・ B × J + N・ B × gradT … (1)

ただし、Eは電場、
η・ Jは、電気抵抗率による電圧降下（Jは電流密度）、
α・ gradTは、ゼーベック効果による電圧の発生、
RH ・ B × J は、ホール効果（RHはホール係数）による電流と磁場（磁束密度B）の方向に垂直方向に発生する電圧、
N・B × gradTは、磁場方向と温度勾配方向に発生するネルンスト電圧が示している。このオーム法則に対応する熱流束未知度は、オンサガー関係から求められ、次式（２）のように表される。

q = -k・gradT+α・T・J + N・T・B × J + L・B ×gradT + φ ・ J …(2)

ゼーベック素子（温度差により起電力を発生する素子）では、電極が高温側と低温側に接続されている。これは、ゼーベック電圧が温度勾配に平行に発生するためである。

図１は、本発明の一実施形態の構成、動作原理を示す図である。図１では、ゼーベック電圧（Seebeck Voltage）は、矢線で示すように、図の上下方向（温度勾配方向）に発生する。磁場Bの向きは、紙面に垂直に表から裏面方向とされる。磁場Ｂの方向（磁場Ｂの方向をｘ軸方向とする）と温度勾配方向（ｙ軸方向）のそれぞれに垂直な方向（ｚ軸方向）に起電力（ネルンスト電圧）が発生する。従って、図１に示す例では、ネルンスト電圧は、矢線（Nernst Voltage）に示すように、図の横方向（ｚ軸方向とする）になる（上式（１）参照）。

図１のように、電極１０２、１０３を、上記したＢｉ基等の熱電変換部材１０１に対して対角状に配置すると、電極間１０２、１０３に発生する電圧は、ゼーベック電圧と、ネルンスト電圧の和となる。これが、ネルンスト・ゼーベック素子の動作原理である。

図１を参照して、本実施形態についてさらに説述する。ネルンスト係数Nが温度に対して一定の条件で、ネルンスト電圧ＶNは、次式（３）で与えられる。

ＶN＝Ｎ・ΔＴ・(ａ／ｂ) …(3)

ただし、ΔＴは温度差、ａは素子の横方向の長さ、ｂは素子の縦方向の長さである。ネルンスト電圧ＶNは、長さａに比例して増大する。

よって、図１において、ａはｂより大とされる。あるいは、図１の横の長さ（ネルンスト起電力発生方向の長さ）ａは、好ましくは、縦の長さ（温度勾配方向の長さ）ｂより、大幅に大とされる。

ａ＞ｂまたはａ＞＞ｂ …(4)

図１では、高温側、低温側に、ある幅で電極１０２、１０３が配設されている。この実施例では、電極１０２、１０３を通じて、熱が高温側から低温側に流れないようにしてある。電極を点状とすると、その付近に、電流が集中し、実効的に、熱電変換部材１０１の抵抗が大きくなるからである。電流が、熱電変換部材１０１に沿って流れることから、熱電変換部材１０１の低温側と高温側間の寸法（図１では厚さｂ）よりも大とする必要はない。

また高温側、低温側に電極１０２、１０３を幅広で設けると、ネルンスト電圧を短絡することになり、発生電圧が下がる。したがって、電極１０２、１０３の幅をｄとすると、
ｄは、熱電変換部材（素子）１０１の横方向の長さａより小さく、縦方向の長さ（厚さ）ｂ程度か、またはｂより小とされる。

ｄ＜ａ
ｄ ≒ｂ (5)

実際に、熱電変換素子を作成する場合、電極１０２、１０３の幅ｄは、熱電変換部材１０１の横方向の長さａ（ネルンスト起電力発生方向の長さ）よりも、はるかに小さく設定される。

ゼーベック係数は、物質の極性を示す物性値であり、ホール係数と同じ符号を持つ。

ネルンスト係数Nは、キャリアーの散乱によって符号がきまり、物質の極性にかかわらず、散乱過程が同じであれば、同一符号となる。

図２は、本発明の第２の実施形態の構成を示す図である。熱電変換部材１０１Ａは、ｎ型の材料（Ａ材料）であり、熱電変換部材１０１Ｂはｐ型材料（Ｂ材料）であり、ネルンスト係数Ｎは同じ符号をもつ。材料の特徴を生かすために、熱電変換部材１０１Ａ、熱電変換部材１０１Ｂの縦方向（ｙ軸方向）の長さ（厚さ）ｂは同一であるが、ネルンスト係数の大小によって、熱電変換部材１０１Ａ、熱電変換部材１０１Ｂのそれぞれの横の長さ（ネルンスト電圧発生方向の長さ）ａ、ｅは相違している。

各熱電変換部材の材料としては、ネルンスト係数が電子とホールの移動度が共に高く、大きなバンドギャップを持つ材料が用いられる。

従来のゼーベック材料においては、不純物を多く添加した場合に、メリットが無くなる場合もあるが、本実施例の構成によれば、本来の材料の特徴を生かすことができる。なお、高い性能指数が得られないような部位が存在する場合には、当該部位を、ゼーベック素子として利用するようにしてもよい。

例えば、本発明の第３の実施形態として、図３に示すように、部材１０１Ｂの高温側と低温側の全面を電極１０２、１０３で覆うようにしてもよい。この場合、部材１０１Ｂはゼーベック素子として機能する。

電極１０２、１０３の材料としては、一般に、銅（Ｃｕ）が用いられる。これは、銅が、電気伝導性が高いことと、熱伝導率が高いためである。しかし、高い磁場の中で利用すると、急激に、その電気抵抗率が大きくなる（磁気抵抗効果）。このような材料を、高磁場中で用いることは好ましくない。銅は、ほぼ２０Ｔ（テスラ）近くまで磁場に対して、線形で電気抵抗率が大きくなる。このため、素子の特性を測定する実験において、電極材料に銅を用いると、磁場が印加された状態で、電極の抵抗率が大きくなるような現象も観測されている。

そこで、本実施例では、電極１０２、１０３として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。本実施例によれば、アルミニウム（Ａｌ）電極を用いることで、高い磁場中でも抵抗率があまり上昇せず、熱伝導率も低下しない。アルミニウム（Ａｌ）は、１Ｔ程度までは、抵抗率が磁場の印加によって上昇するが、ほぼ飽和し、それ以上大きな抵抗率とはならない。

以上のように、本発明によれば、ゼーベック効果及びネルンスト効果の相乗効果を利用することで、効率を向上する熱電変換素子構造を提供する。

本発明の第１の実施形態の構成を説明する図である。本発明の第２の実施形態の構成を説明する図である。本発明の第３の実施形態の構成を説明する図である。ネルンスト素子を説明する図である。

符号の説明

１０１部材（熱電変換素子材料）
１０２、１０３電極

Claims

熱電変換部材を有し、
前記熱電変換部材に対して一の方向（ｘ軸方向）に磁場が印加され、且つ、前記磁場と直交する方向（ｙ軸方向）に温度勾配が設けられるという条件下で、前記磁場と、前記温度勾配方向とに垂直な方向（ｚ軸方向）にネルンスト起電力が発生する熱電変換装置において、
前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の両側端部に、それぞれ第１、第２の電極を備え、前記第１及び第２の電極は、前記熱電変換部材の、前記温度勾配方向（ｙ軸）と前記ネルンスト起電力の発生方向（ｚ軸）とで規定される面において、前記温度勾配方向に互いに対向する辺の一部をそれぞれ覆い、対角状に配置されている、ことを特徴とする熱電変換装置。
ｎ型、ｐ型の複数の熱電変換部材を備え、
ｎ型、ｐ型の前記熱電変換部材を電極で交互に接続し、
前記各熱電変換部材に対して共通に一の方向（ｘ軸方向）に磁場が印加され、且つ、前記磁場と直交する方向（ｙ軸方向）に温度勾配が設けられるという条件下で、前記磁場と前記温度勾配方向とに垂直な方向（ｚ軸方向）にネルンスト起電力が発生する熱電変換装置において、
前記各熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の両側端部に、それぞれ第１、第２の電極を備え、
前記第１及び第２の電極は、前記熱電変換部材の、前記温度勾配方向（ｙ軸）と前記ネルンスト起電力の発生方向（ｚ軸）とで規定される面において、前記温度勾配方向に互いに対向する辺の一部をそれぞれ覆い、対角状に配置され、相隣る２つの熱電変換部材は、第１の電極同士、又は第２の電極同士が接続されている、ことを特徴とする熱電変換装置。
前記熱電変換部材の前記温度勾配方向と前記ネルンスト起電力の発生方向とで規定される面における、前記熱電変換部材の前記ネルンスト起電力発生方向（ｚ軸方向）の長さ（ａ）は、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の長さ（ｂ）よりも大とされる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換装置。
前記第１、第２の電極の前記ネルンスト起電力発生方向（ｚ軸方向）の長さ（ｄ）は、前記熱電変換部材の前記ネルンスト起電力発生方向（ｚ軸方向）の長さ（ａ）より小とされ、前記熱電変換部材の前記温度勾配方向の長さ（ｂ）より小さいか、又は、同程度とされる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換装置。
複数の前記熱電変換部材の前記温度勾配方向（ｙ軸方向）の長さ（ｂ）は、同一とされている、ことを特徴とする請求項２記載の熱電変換装置。
前記複数の熱電変換部材は、ネルンスト係数の相違に応じて、前記ネルンスト起電力発生方向（ｚ軸方向）の長さ（ｅ）が互いに異なる、少なくとも２つの熱電変換部材を含む、ことを特徴とする請求項２記載の熱電変換装置。
前記第１、第２電極は、アルミニウムよりなる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換装置。
前記複数の熱電変換部材のうち、前記温度勾配方向と前記ネルンスト起電力の発生方向とで規定される面における、前記熱電変換部材の前記ネルンスト起電力方向（ｚ軸方向）の長さ（ａ）分が、前記第１及び第２の電極で覆われている、熱電変換部材を少なくとも１つ含む、ことを特徴とする請求項２記載の熱電変換装置。
前記第１及び第２の電極からは、ゼーべック電圧とネルンスト電圧の和が取り出される、ことを特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換装置。