JP2022041249A - Thermoelectric element and thermoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電素子、及び熱電素子を備えた熱電装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric element and a thermoelectric device including the thermoelectric element.
ヒートポンプは、低温から高温へ熱を輸送するデバイスである。ヒートポンプは、これまで熱媒体を用いたものが支配的であり、気化熱及び凝縮熱による熱のやり取りと熱輸送を行う。近年、オゾン層を破壊しない代替フロンが熱媒体として用いられてきた。しかしながら、代替フロンはCO2に比べてはるかに温室効果が高いため、2016年に制定されたキガリ改正(Kigali Amendment)により、代替フロンの使用量の大幅な削減が求められている。したがって、現行の代替フロンを熱媒体とした機構に代わる新たな仕組みのヒートポンプの開発が急務である。 A heat pump is a device that transports heat from low temperature to high temperature. Until now, heat pumps that use a heat medium have been predominant, and exchange heat and transfer heat by heat of vaporization and heat of condensation. In recent years, CFC substitutes that do not destroy the ozone layer have been used as heat media. However, since CFC substitutes have a much higher greenhouse effect than CO 2 , the Kigali Amendment enacted in 2016 requires a significant reduction in the amount of CFC substitutes used. Therefore, there is an urgent need to develop a heat pump with a new mechanism that replaces the current mechanism that uses CFC substitutes as a heat medium.
ヒートポンプに熱電効果を用いる研究が1950年代から続けられている。例えば、非特許文献1では、熱電効果として、ゼーベック効果(Seebeck effect)の逆過程であるペルチェ効果(Peltier effect)を用いた冷却装置が提案されている。また、別の熱電効果として、ネルンスト効果(Nernst effect)の逆過程であるエッティングスハウゼン効果(Ettingshausen Effect)を用いた冷却装置も提案されている(例えば、非特許文献2及び非特許文献3参照)。
Research on the use of the thermoelectric effect in heat pumps has been ongoing since the 1950s. For example, Non-Patent
しかしながら、熱電効果を用いたヒートポンプは、ほとんど実用化に至っていない。特に、ペルチェ効果では、熱の輸送方向と電流が同じ方向であるため、p型半導体とn型半導体とを交互に設けた立体的で複雑な構造(図3参照)となり、多数のPN接合を必要とする。これにより、ペルチェ効果を用いた現状の冷却装置は、エネルギー効率指標である成績係数(Coefficient Of Performance:COP)が0.5程度の低い値となっている。 However, heat pumps using the thermoelectric effect have hardly been put into practical use. In particular, in the Pelche effect, since the heat transport direction and the current are in the same direction, a three-dimensional and complicated structure in which p-type semiconductors and n-type semiconductors are alternately provided (see FIG. 3) is formed, and a large number of PN junctions are formed. I need. As a result, the current cooling device using the Perche effect has a low coefficient of performance (COP) of about 0.5, which is an energy efficiency index.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、エッティングスハウゼン効果を用いたエネルギー効率の良い熱電素子及び熱電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an energy-efficient thermoelectric element and a thermoelectric device using the Ettingshausen effect.
本発明の一実施形態に係る熱電素子は、半金属又はバンドギャップが0.5eV以下の半導体からなり、一方向に電流を流し、電流と直交する方向に磁場を印加すると、電流と磁場の双方に直交する方向に温度勾配が生じる。 The thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is made of a semi-metal or a semiconductor having a band gap of 0.5 eV or less, and when a current is passed in one direction and a magnetic field is applied in a direction orthogonal to the current, both the current and the magnetic field are applied. A temperature gradient is generated in the direction orthogonal to.
本発明の一実施形態に係る熱電装置は、各々が一方向に延在した形状をなす複数の熱電素子を備える。複数の熱電素子は、それぞれの長手方向が平行になるように配置され、半金属又はバンドギャップが0.5eV以下の半導体からなり、それぞれの長手方向に沿った電流を流し、電流と直交する方向に磁場を印加すると、電流と磁場の双方に直交する方向に温度勾配が生じる。 The thermoelectric device according to the embodiment of the present invention includes a plurality of thermoelectric elements each having a shape extending in one direction. The plurality of thermoelectric elements are arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other, and are made of a semi-metal or a semiconductor having a band gap of 0.5 eV or less. When a magnetic field is applied to, a temperature gradient is generated in the direction orthogonal to both the current and the magnetic field.
本発明によれば、半金属又はバンドギャップが0.5eV以下の半導体からなる熱電素子がエッティングスハウゼン効果を示すことにより、エネルギー効率を向上させることが可能となる。 According to the present invention, a thermoelectric element made of a semimetal or a semiconductor having a bandgap of 0.5 eV or less exhibits an Ettingshausen effect, so that energy efficiency can be improved.
以下、添付の図面を参照して、本発明の例示の実施形態について説明する。
図面において、同一又は同様の構成要素には同一の参照符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚みとの関係、及び各部材の厚みの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In the drawings, the same or similar components are designated by the same reference numerals. The drawings are schematic, and the relationship between the plane dimensions and the thickness and the ratio of the thickness of each member are different from the actual ones. In addition, it goes without saying that parts having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
まず、図1及び図2を参照して、ネルンスト効果及びゼーベック効果についてそれぞれ説明する。 First, the Nernst effect and the Seebeck effect will be described with reference to FIGS. 1 and 2, respectively.
ネルンスト効果とは、熱電素子に熱流が流れると、熱流及び熱電素子の磁化の双方に垂直な方向に起電力が生じる現象である。例えば、図1に示すように、直方体状の熱電素子(奥行l、幅w、厚みt)において厚み方向に熱流(∝温度差ΔT)が流れると、熱電素子の幅方向における磁化Mによりキャリアの移動方向が曲げられ、磁化Mと熱流の双方に垂直な方向に起電力Vが生じる。熱電素子のネルンスト係数をSNとすると、起電力VはSNΔT(l/t)である。このように、ネルンスト効果により発生する起電力Vは、熱電素子の形状因子l/tに比例する。 The Nernst effect is a phenomenon in which when a heat flow flows through a thermoelectric element, an electromotive force is generated in a direction perpendicular to both the heat flow and the magnetization of the thermoelectric element. For example, as shown in FIG. 1, when a heat flow (∝ temperature difference ΔT) flows in the thickness direction in a rectangular thermoelectric element (depth l, width w, thickness t), the carrier is subjected to magnetization M in the width direction of the thermoelectric element. The direction of movement is bent, and an electromotive force V is generated in a direction perpendicular to both the magnetization M and the heat flow. Assuming that the Nernst coefficient of the thermoelectric element is SN , the electromotive force V is SN ΔT (l / t). As described above, the electromotive force V generated by the Nernst effect is proportional to the shape factor l / t of the thermoelectric element.
一方、ゼーベック効果とは、熱電素子に熱流が流れると、キャリアが熱流に沿って移動し、熱流方向に起電力が生じる現象である。例えば、図2に示すように、直方体状の熱電素子(奥行l、幅w、厚みt)において厚み方向に熱流(∝温度差ΔT)が流れると、熱流に平行に起電力Vが生じる。熱電素子のゼーベック係数をSとすると、起電力VはSΔTである。 On the other hand, the Zeebeck effect is a phenomenon in which when a heat flow flows through a thermoelectric element, carriers move along the heat flow and an electromotive force is generated in the heat flow direction. For example, as shown in FIG. 2, when a heat flow (∝ temperature difference ΔT) flows in the thickness direction in a rectangular parallelepiped thermoelectric element (depth l, width w, thickness t), an electromotive force V is generated in parallel with the heat flow. Assuming that the Seebeck coefficient of the thermoelectric element is S, the electromotive force V is SΔT.
次に、ゼーベック効果の逆過程であるペルチェ効果を用いた従来のヒートポンプ(以下、ペルチェ冷却装置と呼ぶ。)の機構について説明する。 Next, the mechanism of a conventional heat pump (hereinafter referred to as a Pelche cooling device) using the Pelche effect, which is the reverse process of the Zeebeck effect, will be described.
図3に、従来のペルチェ冷却装置1の概略構成を示す。ペルチェ冷却装置1は、2枚の絶縁性基板3a及び3bの間に、棒状のp型半導体5pとn型半導体5nとが交互に連結され、隣接するp型半導体5pとn型半導体5nとは金属電極7で接合されている。図3に示すように直流電圧Vをかけると、n型半導体5nでは-z方向、p型半導体5pでは+z方向に電流Iが流れ、+z方向に熱が移動し、基板3a側の電極において吸熱、基板3b側の電極において放熱が起こる。このようにして、吸熱側(cold)から放熱側(hot)へ熱が輸送される。
FIG. 3 shows a schematic configuration of the conventional
放熱側温度をTh、吸熱側温度をTcとし、一対の隣接するp型及びn型半導体(以下、ペルチェ素子と呼ぶ。)の抵抗をR、熱コンダクタンスをK、ゼーベック係数をSとすると、ペルチェ素子の高温側の放熱量Qh及び低温側の吸熱量Qcは、それぞれ、式(1)及び式(2)のように表される。
式(1)及び式(2)の右辺第1項、第2項、及び第3項は、それぞれ、ペルチェ効果、ジュール熱、及び熱伝導(高温からの熱流入)を表している。 The first, second, and third terms on the right-hand side of equations (1) and (2) represent the Perche effect, Joule heat, and heat conduction (heat inflow from high temperature), respectively.
ペルチェ素子を構成するp型及びn型半導体の各々のx方向における幅をw、y方向における奥行をl、z方向における厚み(高さ)をtとし、ペルチェ素子の電気抵抗率をρ、熱伝導度をκとすると、ペルチェ素子の抵抗R及び熱コンダクタンスKは、式(3)のように表される。
例えば、各ペルチェ素子がBi2Te3からなるものとし、1つあたり1mm×1mm×1mmのサイズのペルチェ素子120組(すなわち、120組のp型及びn型半導体)から構成される40mm×40mm×4mmのサイズのモジュールを用意する。各ペルチェ素子の電気抵抗率ρを約103μΩcm、熱伝導度κを約2W/Km、ゼーベック係数Sを約200μV/Kとすると、モジュール全体での抵抗Rtot、熱コンダクタンスΚtot、及びゼーベック係数Stotは、それぞれ、約3Ω、約0.5W/K、約0.05V/Kとなる。 For example, it is assumed that each Pelche element is composed of Bi 2 Te 3 , and 40 mm × 40 mm each is composed of 120 sets of Pelche elements (that is, 120 sets of p-type and n-type semiconductors) having a size of 1 mm × 1 mm × 1 mm. Prepare a module with a size of × 4 mm. Assuming that the electrical resistivity ρ of each Pelche element is about 103 μΩcm, the thermal conductivity κ is about 2 W / Km, and the Seebeck coefficient S is about 200 μV / K, the resistance R tot , thermal conductance Κ tot , and Seebeck of the entire module The coefficients Shot are about 3Ω , about 0.5W / K, and about 0.05V / K, respectively.
モジュール全体での全吸熱量をQc_totと表記する。モジュールに1Aの電流Iを流し、生じた温度差ΔT(=Th-Tc)を2℃とすると、全吸熱量Qc_totのうち、式(2)の第1項(ペルチェ効果)は約14W、第2項(ジュール熱)は約1.5W、第3項(熱伝導)は約1Wとなる。 The total amount of heat absorbed by the entire module is expressed as Q c_tot . Assuming that a current I of 1 A is passed through the module and the generated temperature difference ΔT (= Th −T c ) is 2 ° C., the first term (Perche effect) of the equation (2) is about in the total heat absorption Q c_tot . 14W, the second term (Joule heat) is about 1.5W, and the third term (heat conduction) is about 1W.
上述のペルチェ素子からなるモジュール全体のCOPの最大値であるCOPmaxは、式(4)に示すように約4となる。
このように、ペルチェ冷却装置1は多数のPN接合を設ける必要があるため、COPが低く、素子性能の低下を招いていることがわかる。また、電流I又は温度差ΔT(=Th-Tc)が大きくなると、COPが大きく減少することがわかる。なお、上述のように、現状のペルチェ冷却装置は、COPが0.5程度である。
As described above, it can be seen that the
次に、図4A~図12を参照して、ネルンスト効果の逆過程であるエッティングスハウゼン効果を用いた本発明の第1、第2及び第3実施形態を説明する。 Next, with reference to FIGS. 4A to 12, the first, second and third embodiments of the present invention using the Ettingshausen effect, which is the reverse process of the Nernst effect, will be described.
<第1実施形態>
まず、図4A~図6を参照して、本発明の第1実施形態を説明する。図4A~図4Cに、第1実施形態に係る熱電装置100の概略構成を示す。
<First Embodiment>
First, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 6. 4A to 4C show a schematic configuration of the
熱電装置100は、エッティングスハウゼン効果を用いたヒートポンプであり、一方向(y方向)に延在した直方体状の熱電素子104を複数備える。図4A~図4Cに示すように、複数の熱電素子104は、基板102上に、それぞれの長手方向(y方向)が平行になるように、長手方向と垂直な方向(x方向)に並列に配置されている。
The
図4Cに示すように、着目する熱電素子104の+y側は、+x側に隣接する熱電素子104の-y側と銅配線106によって接続され、当該着目する熱電素子104の-y側は、-x側に隣接する熱電素子104の+y側と銅配線106によって接続される。このように、複数の熱電素子104は、同じ向き(例えば+y方向)に電流Iが流れるように、電気的に直列に接続されている。
As shown in FIG. 4C, the + y side of the
熱電素子104は、半金属又はバンドギャップが0.5eV以下の半導体からなり、使用温度において、従来のペルチェ素子よりも、移動度(電気抵抗率ρに反比例する。)が高く熱伝導度κが小さい材料からなる。ギャップレスの半金属としては、ディラック半金属(Dirac semimetal)であるCd3As2の他、Ag2Se、Ag2Teなどが挙げられる。半導体材料としては、InSb、Bi0.5Sb1.5Te3、AgCuSe、単体のTe、Ag8SiSe6、又はAg8SnSe6などが挙げられる。
The
その他、本願発明者らが異常ネルンスト効果を観測した、Mn3Sn系、フルホイスラー系Co2MnGa、及びFe3Ga系の熱電材料についても、エッティングスハウゼン効果を用いたヒートポンプの材料候補として期待することができる。 In addition, the Mn 3 Sn-based, Full-Whisler-based Co 2 Mn Ga, and Fe 3 Ga-based thermoelectric materials in which the inventors of the present application have observed the anomalous Nernst effect are also expected as material candidates for heat pumps using the Ettingshausen effect. can do.
Mn3Sn系の熱電材料の異常ネルンスト効果については、日本国特許第6611167号及び以下の論文に開示されている。
Muhammad Ikhlas, Takahiro Tomita, Takashi Koretsune, Michi-To Suzuki, Daisuke Nishio-Hamane, Ryotaro Arita, Yoshichika Otani and Satoru Nakatsuji, “Large anomalous Nernst effect at room temperature in a chiral antiferromagnet.” Nature Physics volume 13, pages 1085-1090 (2017).
フルホイスラー系Co2MnGa、Fe3Ga系熱電材料の異常ネルンスト効果については、それぞれ、国際公開第2019/009308号、PCT/JP2020/018010に開示されている。
The anomalous Nernst effect of Mn 3 Sn thermoelectric materials is disclosed in Japanese Patent No. 6611167 and the following papers.
Muhammad Ikhlas, Takahiro Tomita, Takashi Koretsune, Michi-To Suzuki, Daisuke Nishio-Hamane, Ryotaro Arita, Yoshichika Otani and Satoru Nakatsuji, “Large anomalous Nernst effect at room temperature in a chiral antiferromagnet.” Nature Physics volume 13, pages 1085- 1090 (2017).
The anomalous Nernst effects of full-Whisler-based Co 2 Mn Ga and Fe 3 Ga-based thermoelectric materials are disclosed in International Publication No. 2019/009308 and PCT / JP2020 / 018010, respectively.
図4Aに示すように、複数の熱電素子104の放熱側には、アルミニウム、鉄、又は銅などの高い熱伝導性を有する金属材料からなる放熱板110(ヒートシンク)が設けられており、複数の熱電素子104からの熱を放出する。図4Aでは、放熱板110の一部のみを示しているが、実際の放熱板110は、複数の熱電素子104全体を覆うように設けられている。放熱板110の放熱効率を向上させるため、表面積が広くなるような形状が採用されており、例えば、図4Aのような複数の突起部を有する構造の他、蛇腹状の構造のものがある。
As shown in FIG. 4A, a plurality of heat sinks 110 (heat sinks) made of a metal material having high thermal conductivity such as aluminum, iron, or copper are provided on the heat radiation side of the plurality of
複数の熱電素子104に、例えば、それぞれの長手方向に沿った+y方向に電流Iを流し、電流Iと直交する+x方向に磁場Hを印加すると、各熱電素子104は+x方向に磁化され、電流Iと磁場Hの双方に直交するz方向に温度勾配が生じ、吸熱側(cold)から放熱側(hot)へ(+z方向へ)熱が輸送される。
When a current I is passed through the plurality of
各熱電素子104は、図4Bに示すように、x方向における幅がw、y方向における長さがl、z方向における厚みがtであるものとする。各熱電素子104の放熱側温度をTh、吸熱側温度をTcとし、抵抗をR、熱コンダクタンスをK、ネルンスト係数をSNとすると、各熱電素子104の放熱量Qh及び吸熱量Qcは、それぞれ、式(5)及び式(6)のように表される。
式(5)及び式(6)の右辺第1項、第2項、及び第3項は、それぞれ、エッティングスハウゼン効果、ジュール熱、及び熱伝導(高温からの熱流入)を表している。エッティングスハウゼン効果を表す第1項は、各熱電素子104の形状因子l/tに比例している。
The first, second, and third terms on the right side of equations (5) and (6) represent the Ettingshausen effect, Joule heat, and heat conduction (heat inflow from high temperature), respectively. The first term representing the Ettingshausen effect is proportional to the shape factor l / t of each
各熱電素子104の抵抗R及び熱コンダクタンスKは、式(7)のように表される。
図4Cに示すように、サイズが50mm×50mmの基板102の40mm×40mmの領域に、厚さt=0.5mm、幅w=0.5mm、長さl=40mmの複数の熱電素子104を平行に並べた試料を用意する。ここでは、複数の熱電素子104の長さlの合計が0.8mとなるように、20個の熱電素子104が配置されるものとする。
As shown in FIG. 4C, a plurality of
試料全体での全吸熱量をQc_totと表記する。各熱電素子104の電気抵抗率ρを100μΩcm、熱伝導度κを15W/Km、ネルンスト係数SNを200μV/Kとする。試料に0.5Tの磁場Hを印加し、1Aの電流Iを流したときに生じた温度差ΔT(=Th-Tc)を2℃とすると、全吸熱量Qc_totのうち、式(6)の第1項(エッティングスハウゼン効果)は約96W、第2項(ジュール熱)は約1.5W、第3項(熱伝導)は約24Wとなる。試料全体の抵抗をRtotと表記すると、試料全体のCOPは、式(8)に示すように約15という大きな値をとる。
図5に、各熱電素子104がCd3As2からなる上述のサイズの試料(図4C)に0.5Tの磁場を印加したときの吸熱量Qcの電流依存性を温度差ΔTごとに示す。図5に示すように、同じ電流Iに対し、温度差ΔTが小さいほど吸熱量Qcが大きくなる一方で、温度差ΔTが大きいほど吸熱量Qcが小さくなり、低温から高温への熱輸送が困難になることがわかる。また、同じ温度差ΔTでも電流Iが10Aときに吸熱量Qcが最大値をとることがわかる。この試料では最大で約70℃の温度差をつけられる。
FIG . 5 shows the current dependence of the heat absorption amount Qc when a magnetic field of 0.5 T is applied to a sample of the above size (FIG. 4C) in which each
この試料について、図6に、COPの電流依存性を温度差ΔTごとに示す。図6に示すように、温度差ΔTが小さいほどCOPが高くなり、ΔT=1Kでは、COPが30を超えることがわかる。 For this sample, FIG. 6 shows the current dependence of COP for each temperature difference ΔT. As shown in FIG. 6, it can be seen that the smaller the temperature difference ΔT, the higher the COP, and when ΔT = 1K, the COP exceeds 30.
以上のように、エッティングスハウゼン効果を用いた熱電装置100によると、熱電素子104の形状因子l/tによって熱電装置100の冷却性能をコントロールすることができる。これにより、従来のペルチェ素子では実現できなかった高変換効率を実現することが可能となる。
As described above, according to the
<第2実施形態>
次に、図7及び図8を参照して、本発明の第2実施形態を説明する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
第1実施形態では、それぞれの長手方向が平行になるように配置された複数の熱電素子104は、同じ向きの電流Iが流れるように電気的に直列に接続されていたが、隣接する熱電素子に互いに逆向きの電流が流れるような回路構成を採用してもよい。
In the first embodiment, the plurality of
図7に、第2実施形態に係る熱電装置200Aの概略構成を示す。熱電装置200Aは、図7に示すように、直方体状で同一サイズの複数の第1熱電素子204aと複数の第2熱電素子204bとを備え、それぞれの長手方向(y方向)が平行になるように、第1熱電素子204aと第2熱電素子204bが交互に配置されている。第1熱電素子204a及び第2熱電素子204bは、第1実施形態に係る熱電素子104と同じ材料からなる。
FIG. 7 shows a schematic configuration of the
なお、図7には示していないが、熱電装置200Aも、第1実施形態に係る熱電装置100(図4A)と同様に、複数の第1熱電素子204aと複数の第2熱電素子204bの吸熱側(cold)に基板を備え、放熱側(hot)に放熱板を備えている。後述の熱電装置200B(図8)についても同様である。
Although not shown in FIG. 7, the
図7に示すように、着目する第1熱電素子204aの+y側は、+x側に隣接する第2熱電素子204bの+y側と銅配線206によって接続され、当該着目する第1熱電素子204aの-y側は、-x側に隣接する第2熱電素子204bの-y側と銅配線206によって接続される。このように、複数の熱電素子は、+y側同士の接続、-y側同士の接続が交互に繰り返される構造により、隣接する熱電素子に互いに逆向きに電流Iが流れるように、電気的に直列に接続されている。図7では、第1熱電素子204aに+y方向の電流Iが流れ、第2熱電素子204bに-y方向の電流Iが流れる例が示されている。
As shown in FIG. 7, the + y side of the first
第1熱電素子204aと第2熱電素子204bには互いに逆向きに電流Iが流れるため、エッティングスハウゼン効果によって同一方向(+z方向又は-z方向)に温度勾配を生じさせるためには、これらの熱電素子に互いに逆向きの磁場を印加する必要がある。例えば、図7に示すように、吸熱側(cold)から放熱側(hot)への方向が+z方向であるとすると、第1熱電素子204aに対して永久磁石により+x方向の磁場H1を印加し、第2熱電素子204bに対して永久磁石により-x方向の磁場H2を印加することで、第1熱電素子204aを+x方向に磁化させ、第2熱電素子204bを-x方向に磁化させる。すなわち、隣接する熱電素子に対して互いに逆向きの交替磁場が印加される。
Since the current I flows in the opposite directions to the first
このように、熱電装置200Aを構成する複数の第1熱電素子204aと複数の第2熱電素子204bは同一面内にあるため、同一面内で交替磁場H1及びH2を印加する必要がある。しかしながら、同一面内で隣接する熱電素子に逆向きの交替磁場を印加するのは、構造上容易ではない。そこで、第1熱電素子と第2熱電素子が別々の面内に配置されるようにすれば、同一面内で同一方向の磁場を印加することができる。
As described above, since the plurality of first
具体的には、図8に示す熱電装置200Bのように、直方体状で同一サイズの複数の第1熱電素子224aと複数の第2熱電素子224bとを設け、複数の第1熱電素子224aを、+z方向の奇数段(1段目、3段目、…)及び+x方向の奇数列(1列目、3列目、…)に配置し、複数の第2熱電素子224bを、+z方向の偶数段(2段目、4段目、…)及び+x方向の偶数列(2列目、4列目、…)に配置すればよい。すなわち、第1熱電素子224aと第2熱電素子224bは、長手方向(y方向)に垂直な第1方向(z方向)における位置が互いに異なり、且つ長手方向及び第1方向の双方に垂直な第2方向(x方向)における位置も互いに異なるように配置されている。なお、第1熱電素子224a及び第2熱電素子224bも、第1実施形態に係る熱電素子104と同じ材料からなる。
Specifically, as in the
第1熱電素子224a及び第2熱電素子224bには、長手方向に沿って互いに逆向きの電流が流れる。例えば、第1熱電素子224aには、電流Iが+y方向に流れ、第2熱電素子224bには、電流Iがーy方向に流れる。
Currents flowing in opposite directions along the longitudinal direction flow through the first
エッティングスハウゼン効果によって同一方向(+z方向又は-z方向)に温度勾配を生じさせるためには、第1熱電素子224aと第2熱電素子224bに互いに逆向きの磁場を印加する必要がある。例えば、図8に示すように、x方向において隣接する2つの第1熱電素子224aの間に、磁化が+x方向の永久磁石226を配置し、x方向において隣接する2つの第2熱電素子224bの間に、磁化が-x方向の永久磁石226を配置すればよい。永久磁石226をこのように配置することで、交替磁場が印加されることとなる。これにより、第1熱電素子224aは+x方向に磁化され、第2熱電素子224bは-x方向に磁化される。
In order to generate a temperature gradient in the same direction (+ z direction or −z direction) by the Ettingshausen effect, it is necessary to apply magnetic fields in opposite directions to the first
なお、各永久磁石226は、第1熱電素子224a及び第2熱電素子224bよりも保磁力が大きな材料からなる。また、温度勾配が生じる方向(z方向)における熱伝導度を均質にするため、各永久磁石226は、第1熱電素子224a及び第2熱電素子224bと同じ熱伝導度の材料であることが好ましい。
Each
以上のように、同一面内で磁場の方向を揃えるように永久磁石226を配置することにより、同一面内での磁化が安定化する。
As described above, by arranging the
<第3実施形態>
次に、図9~図11を参照して、本発明の第3実施形態を説明する。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 11.
非特許文献1には、ペルチェ素子からなる板状のブロックを温度勾配が生じる方向に重ね、放熱側のブロックが吸熱側のブロックよりも幅が広い階段状に構成することで、冷却性能が増強されることが開示されている。しかしながら、上述のように、ペルチェ効果では、多数のPN接合によるロスが極めて高いことから、素子性能の低下を招いている。よって、非特許文献1のように、複数のブロックを多重連結すると、PN接合によるロスが一層大きくなってしまうという問題がある。
In
一方、エッティングスハウゼン効果では、PN接合を必要としないため、板状の熱電素子を上述のように重ねても、素子性能が十分に発揮可能であると考えられる。そこで、第3実施形態では、エッティングスハウゼン効果を示す複数の熱電素子を重ねた構造及びそれに等価な構造について説明する。 On the other hand, since the Ettingshausen effect does not require a PN junction, it is considered that the element performance can be sufficiently exhibited even if plate-shaped thermoelectric elements are stacked as described above. Therefore, in the third embodiment, a structure in which a plurality of thermoelectric elements exhibiting the Ettingshausen effect are stacked and a structure equivalent thereto will be described.
第3実施形態に係る熱電装置300Aは、図9に示すように、温度勾配が生じる方向(x方向)に重ねられた複数の板状の熱電素子310_1、310_2、…、310_N(Nは2以上の整数)を備えており、これらの熱電素子は、いずれも第1実施形態に係る熱電素子104と同じ材料からなる。なお、熱電装置300Aを構成する熱電素子の数は特に限定されない。
As shown in FIG. 9, the
複数の熱電素子310_1、310_2、…、310_Nは、いずれも、温度勾配が生じる方向(x方向)における厚みΔxと、電流Iが流れる方向(z方向;長手方向)における長さlが等しいが、磁場Hが印加される方向(y方向)における幅が互いに異なっている。具体的には、放熱側(hot)の熱電素子は吸熱側(cold)の熱電素子よりも幅が広く、x-y平面における断面は、左右対称な階段形状をなしている。 The plurality of thermoelectric elements 310_1, 310_2, ..., 310_N all have the same thickness Δx in the direction in which the temperature gradient occurs (x direction) and the length l in the direction in which the current I flows (z direction; longitudinal direction). The widths in the direction (y direction) in which the magnetic field H is applied are different from each other. Specifically, the thermoelectric element on the heat dissipation side (hot) is wider than the thermoelectric element on the endothermic side (cold), and the cross section in the xy plane has a symmetrical staircase shape.
熱電装置300Aを構成する各熱電素子に、それぞれの長手方向に沿った+z方向に電流Iを流し、電流Iと直交する+y方向に磁場Hを印加すると、各熱電素子は+y方向に磁化され、電流Iと磁場Hの双方に直交するx方向に温度勾配が生じ、吸熱側(cold)から放熱側(hot)へ(+x方向へ)熱が輸送される。
When a current I is passed in the + z direction along the longitudinal direction of each thermoelectric element constituting the
m番目の熱電素子310_m(m=1、2、…、N)の吸熱側の位置xは(m-1)Δxである。この位置xにある熱電素子のy方向における幅をy(x)とする。各熱電素子の電気抵抗率、熱伝導度、及びネルンスト係数を、それぞれ、ρ、κ、及びSNとすると、m番目の熱電素子310_mの吸熱量Qc
m(x)及び放熱量Qh
m(x+Δx)は、それぞれ、式(9)及び式(10)のように表される。
式(9)及び式(10)において、iは電流密度であり、i=I/y(x)Δxと定義される。Tm(x)、Tm(x+Δx)は、それぞれ、m番目の熱電素子310_mの吸熱側(x)での温度、放熱側(x+Δx)での温度である。tm(x)は、m番目の熱電素子310_mにおける温度勾配を表しており、式(11)のように定義される。
厚みΔxの小さな多数の熱電素子を重ねた構造は、図10に示すように、1つの熱電素子300Bが、吸熱側(cold)から放熱側(hot)に向けて、磁場Hが印加される方向における幅が広くなる構造と等価である。
As shown in FIG. 10, in the structure in which a large number of thermoelectric elements having a small thickness Δx are stacked, the direction in which the magnetic field H is applied from the endothermic side (cold) to the heat dissipation side (hot) of one
非特許文献2には、エッティングスハウゼン効果を示す熱電素子について、最大温度差をもたらす最適な形状が、吸熱側(cold)から放熱側(hot)に向けて幅が指数関数的に増加する形状であることが示されている。よって、熱電素子300Bをそのような形状にすればよいと考えられる。なお、熱電素子300Bも、第1実施形態に係る熱電素子104と同じ材料からなる。
In Non-Patent Document 2, for a thermoelectric element exhibiting the Ettingshausen effect, the optimum shape that brings about the maximum temperature difference is a shape in which the width increases exponentially from the endothermic side (cold) to the heat dissipation side (hot). It is shown to be. Therefore, it is considered that the
ここで、熱電素子300Bの厚みをX、x=0での冷却面320における幅をyc、x=Xでの放熱面330における幅をyhとする(yc<yh)。最適な形状の熱電素子300Bを得るためには、温度勾配が生じる方向における位置xでの熱電素子300Bの幅y(x)を式(12)のように定義すればよい。
図11に、熱電素子300Bのyh/ycの値を変化させたときに得られる最大温度差ΔTmaxを示す。ここで、熱電素子300Bのネルンスト係数SNを200μV/K、電気抵抗率ρを100μΩcm、熱伝導度κを15W/Kmとし、放熱側温度Thを300Kに固定した。図11に示すように、yh/ycが大きくなるにつれて最大温度差ΔTmaxが大きくなることがわかる。このように、同じ性能の材料に対し、吸熱側から放熱側に向けて幅y(x)が式(12)のように指数関数的に増加する形状を採用することで、より大きな温度差を実現することができる。
FIG. 11 shows the maximum temperature difference ΔT max obtained when the value of y h / y c of the
以上のように、第1~第3実施形態に係る各熱電素子は、ペルチェ素子よりも素子構造が単純で、形状に自由度がある。特に、図10に示すような形状を採用することで、一層冷却性能を向上させることができる。 As described above, each thermoelectric element according to the first to third embodiments has a simpler element structure than the Pelche element and has a degree of freedom in shape. In particular, by adopting the shape as shown in FIG. 10, the cooling performance can be further improved.
次に、無次元性能指数(dimensionless figure of merit)とカルノー効率との関係について説明する。従来のペルチェ素子(図3)の無次元性能指数をZT(=S2T/ρκ)、第1~第3実施形態に示した各熱電素子(新技術)の無次元性能指数をZNT(=SN 2T/ρκ)とし、図12に、無次元性能指数ZT及びZNTとカルノー効率との関係を示す。図12より、ZNTに対するカルノー効率の上昇率は、ZTに対する上昇率よりも大きいことがわかる。具体的には、従来のペルチェ素子はZT=∞で最高性能を示し、各実施形態に係る熱電素子はZNT=1で最高性能を示す。ここで、ZNT=1でのカルノー効率は、高温が800K、低温が300Kのときに定まる値である。 Next, the relationship between the dimensionless figure of merit and Carnot efficiency will be described. The dimensionless figure of merit of the conventional Pelche element (FIG. 3) is ZT (= S 2 T / ρκ ), and the dimensionless figure of merit of each thermoelectric element (new technology) shown in the first to third embodiments is ZNT. (= S N 2 T / ρκ), and FIG. 12 shows the relationship between the dimensionless figure of merit ZT and ZNT and the Carnot efficiency. From FIG. 12, it can be seen that the rate of increase in Carnot efficiency with respect to ZNT is greater than the rate of increase with respect to ZT. Specifically, the conventional Pelche element shows the highest performance at ZT = ∞, and the thermoelectric element according to each embodiment shows the highest performance at ZNT = 1. Here, the Carnot efficiency at ZNT = 1 is a value determined when the high temperature is 800 K and the low temperature is 300 K.
このように、第1~第3実施形態に係るエッティングスハウゼン効果を示す各熱電素子は、ペルチェ素子よりもカルノー効率が格段に良い。 As described above, each thermoelectric element exhibiting the Ettingshausen effect according to the first to third embodiments has much better Carnot efficiency than the Pelche element.
100、200A、200B、300A 熱電装置
102 基板
104、300B 熱電素子
106、206 銅配線
110 放熱板
204a、224a 第1熱電素子
204b、224b 第2熱電素子
226 永久磁石
320 冷却面
330 放熱面
100, 200A, 200B,
Claims (10)
一方向に電流を流し、前記電流と直交する方向に磁場を印加すると、前記電流と前記磁場の双方に直交する方向に温度勾配が生じる、熱電素子。 It consists of a metalloid or a semiconductor with a bandgap of 0.5 eV or less.
A thermoelectric element in which when a current is passed in one direction and a magnetic field is applied in a direction orthogonal to the current, a temperature gradient is generated in a direction orthogonal to both the current and the magnetic field.
前記複数の熱電素子は、
それぞれの長手方向が平行になるように配置され、
請求項1~5の何れか1項に記載の熱電素子と同一の材料からなり、
前記それぞれの長手方向に沿った電流を流し、前記電流と直交する方向に磁場を印加すると、前記電流と前記磁場の双方に直交する方向に温度勾配が生じる、熱電装置。 A thermoelectric device including a plurality of thermoelectric elements, each of which has a shape extending in one direction.
The plurality of thermoelectric elements are
Arranged so that their longitudinal directions are parallel,
It is made of the same material as the thermoelectric element according to any one of claims 1 to 5.
A thermoelectric device in which when a current is passed along each of the longitudinal directions and a magnetic field is applied in a direction orthogonal to the current, a temperature gradient is generated in a direction orthogonal to both the current and the magnetic field.
前記隣接する熱電素子に対し、前記電流と直交する互いに逆向きの交替磁場が印加される、請求項6に記載の熱電装置。 The plurality of thermoelectric elements are electrically connected in series so that the currents flowing in opposite directions to the adjacent thermoelectric elements flow.
The thermoelectric device according to claim 6, wherein an alternating magnetic field orthogonal to the current is applied to the adjacent thermoelectric elements.
前記第1熱電素子及び前記第2熱電素子は、
前記長手方向に垂直な第1方向における位置が互いに異なり、且つ前記長手方向及び前記第1方向の双方に垂直な第2方向における位置が互いに異なるように配置されており、
前記第1熱電素子と前記第2熱電素子に対して、前記長手方向に沿って互いに逆向きの前記電流を流し、且つ、前記第1方向に沿って互いに逆向きの交替磁場を印加すると、前記第1熱電素子と前記第2熱電素子の各々に、前記第2方向に沿った温度勾配が生じる、請求項6に記載の熱電装置。 The plurality of thermoelectric elements include a first thermoelectric element and a second thermoelectric element.
The first thermoelectric element and the second thermoelectric element are
The positions in the first direction perpendicular to the longitudinal direction are different from each other, and the positions in the second direction perpendicular to both the longitudinal direction and the first direction are different from each other.
When the currents in opposite directions are passed along the longitudinal direction to the first thermoelectric element and the second thermoelectric element, and alternating magnetic fields in opposite directions are applied along the first direction. The thermoelectric device according to claim 6, wherein a temperature gradient is generated in each of the first thermoelectric element and the second thermoelectric element along the second direction.
放熱側の熱電素子は吸熱側の熱電素子よりも、前記磁場が印加される方向における幅が広い、請求項6に記載の熱電装置。
The plurality of thermoelectric elements have a plate shape and are stacked in the direction in which the temperature gradient is generated.
The thermoelectric device according to claim 6, wherein the thermoelectric element on the heat dissipation side has a wider width in the direction in which the magnetic field is applied than the thermoelectric element on the endothermic side.
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