JP3451456B2 - 熱電発電素子とその製造方法，及び熱電発電装置 - Google Patents
熱電発電素子とその製造方法，及び熱電発電装置Info
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- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，熱電発電素子に関し，
詳しくは，多孔質体からなる熱電変換素子と燃焼法と組
み合わせた新規な熱電発電素子とその製造方法，及び熱
電発電装置に関する。
詳しくは，多孔質体からなる熱電変換素子と燃焼法と組
み合わせた新規な熱電発電素子とその製造方法，及び熱
電発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から，ゼーベック効果を利用した半
導体熱電発電素子が良く知られている。また，起電力の
異なる金属対を接合した熱電対が知られている。図４
は，従来の半導体による熱電発電素子の一例を示す図で
ある。図示のように，従来の熱発電素子１００は，ｐ型
の半導体１０１とｎ型の半導体１０２とをΠ型に組み合
わせたものである。一対の半導体１０１，１０２の一端
側，すなわち高温接合部１０６には高温側電極１０３を
共通に設け，一対の半導体１０１，１０２の他端側，す
なわち低温側接合部１０７には低温側電極１０４，１０
５を個別に設けている。このような従来の熱電発電素子
１００によれば，高温側接合部１０６と低温側接合部１
０７とに温度差ΔＴ＝ＴH −ＴL を与えると，これらの
両端には電圧ＶHLが発生する。それ故，低温側電極１０
４と１０５との間に負荷を接続すると，電流が流れ電力
を取り出すことができる。
導体熱電発電素子が良く知られている。また，起電力の
異なる金属対を接合した熱電対が知られている。図４
は，従来の半導体による熱電発電素子の一例を示す図で
ある。図示のように，従来の熱発電素子１００は，ｐ型
の半導体１０１とｎ型の半導体１０２とをΠ型に組み合
わせたものである。一対の半導体１０１，１０２の一端
側，すなわち高温接合部１０６には高温側電極１０３を
共通に設け，一対の半導体１０１，１０２の他端側，す
なわち低温側接合部１０７には低温側電極１０４，１０
５を個別に設けている。このような従来の熱電発電素子
１００によれば，高温側接合部１０６と低温側接合部１
０７とに温度差ΔＴ＝ＴH −ＴL を与えると，これらの
両端には電圧ＶHLが発生する。それ故，低温側電極１０
４と１０５との間に負荷を接続すると，電流が流れ電力
を取り出すことができる。
【０００３】この種の熱電発電素子の最大効率η
max は，次の数１式で表される。
max は，次の数１式で表される。
【０００４】
【数１】
ここで，Ｍは次の数２式で表される。
【０００５】
【数２】
上記数２式の中で，Ｚは熱電発電素子の性能指数と呼ば
れるパラメータであり，次の数３式で表される。
れるパラメータであり，次の数３式で表される。
【０００６】
【数３】
上記数３式の中で，αはゼーベック係数，σは導電率，
λは熱伝導率である。
λは熱伝導率である。
【０００７】ところで，従来の各種半導体を用いた熱電
発電素子の効率は高々１０％程度にすぎない。これは，
高温側接合部１０６に加えられる熱量Ｑ1 のほとんどが
２つの低温接合部１０７から排熱Ｑ2 として系外に捨て
られ，（Ｑ1 −Ｑ2 ）のわずかな熱量が電力に変換され
るにすぎないためである。しかも，発生した電力を取り
出す際には熱電発電素子内にジュール熱が生じて熱損失
が増大する問題もある。これに対し，ジュール熱が小さ
くなるように導電率σの大きな材料を選択すると，一般
に熱伝導率λも大きくなって排熱Ｑ2 を増加させるだけ
ではなく低温側接合部の温度ＴL を上昇させて温度差Δ
Ｔが小さくなり，ゼーベック効果の低下すなわち取り出
し得る出力の低下を招く。ここに，二律相反性の問題が
ある。
発電素子の効率は高々１０％程度にすぎない。これは，
高温側接合部１０６に加えられる熱量Ｑ1 のほとんどが
２つの低温接合部１０７から排熱Ｑ2 として系外に捨て
られ，（Ｑ1 −Ｑ2 ）のわずかな熱量が電力に変換され
るにすぎないためである。しかも，発生した電力を取り
出す際には熱電発電素子内にジュール熱が生じて熱損失
が増大する問題もある。これに対し，ジュール熱が小さ
くなるように導電率σの大きな材料を選択すると，一般
に熱伝導率λも大きくなって排熱Ｑ2 を増加させるだけ
ではなく低温側接合部の温度ＴL を上昇させて温度差Δ
Ｔが小さくなり，ゼーベック効果の低下すなわち取り出
し得る出力の低下を招く。ここに，二律相反性の問題が
ある。
【０００８】この問題を解決するために発明されたの
が，図５に示す熱電発電装置である。図５に示すよう
に，従来の熱電発電装置は，多孔質体のｐ型半導体１１
１とｎ型半導体１１２を絶縁層１１３を介して交互に配
置し，低温側電極１１４および高温側電極１１５で接続
して熱電発電素子としている。このような多孔質熱電発
電素子を収容部１２０に収容し，燃料ガス１１９の供給
部側の上下端面に電極端子を設け，可燃性ガスの燃焼さ
せる加熱手段とを組み合わせた熱電発電装置を構成して
いる。この熱電発電装置は，可燃性ガスを低温側端面１
１６から導入し，他方の高温側端面１１７で排出して燃
焼させて火炎面１１８を形成して低温側電極に近い領域
を最も低い温度ＴL に，他方の高温側電極に近い領域を
最も高い温度ＴH になるような温度分布を前記熱電発電
素子中に形成し，低温側電極１１４と高温側電極１１５
との間に大きな温度差ΔＴをつけて熱電発電電力を取り
出す発電方法である。
が，図５に示す熱電発電装置である。図５に示すよう
に，従来の熱電発電装置は，多孔質体のｐ型半導体１１
１とｎ型半導体１１２を絶縁層１１３を介して交互に配
置し，低温側電極１１４および高温側電極１１５で接続
して熱電発電素子としている。このような多孔質熱電発
電素子を収容部１２０に収容し，燃料ガス１１９の供給
部側の上下端面に電極端子を設け，可燃性ガスの燃焼さ
せる加熱手段とを組み合わせた熱電発電装置を構成して
いる。この熱電発電装置は，可燃性ガスを低温側端面１
１６から導入し，他方の高温側端面１１７で排出して燃
焼させて火炎面１１８を形成して低温側電極に近い領域
を最も低い温度ＴL に，他方の高温側電極に近い領域を
最も高い温度ＴH になるような温度分布を前記熱電発電
素子中に形成し，低温側電極１１４と高温側電極１１５
との間に大きな温度差ΔＴをつけて熱電発電電力を取り
出す発電方法である。
【０００９】このように，多孔質体を用いた燃焼法を組
み合わせると，多孔質体の両接合部の間には高温側接合
部から熱を供給し低温側接合部で排出して熱伝導によっ
て温度差をつける場合の数倍から十数倍の大きな温度差
を形成できることが確認されている。このような大きな
温度差が生じるのは，低温側接合部では可燃性ガスの連
続的供給によって冷却され，高温側接合部では平面状の
火炎によって加熱され，さらに，多孔質体の遮熱効果が
加わるためである。
み合わせると，多孔質体の両接合部の間には高温側接合
部から熱を供給し低温側接合部で排出して熱伝導によっ
て温度差をつける場合の数倍から十数倍の大きな温度差
を形成できることが確認されている。このような大きな
温度差が生じるのは，低温側接合部では可燃性ガスの連
続的供給によって冷却され，高温側接合部では平面状の
火炎によって加熱され，さらに，多孔質体の遮熱効果が
加わるためである。
【００１０】また，従来の熱電発電では，金属は熱伝導
率λが大きいために性能指数Ｚが半導体のそれより１〜
２桁小さく，発電には使用できなかった。多孔質熱電材
料と可燃性ガスの燃焼を組み合わせた熱電発電では，形
成される温度差の熱伝導率λ依存性が小さいため，上記
の制約がなくなり，金属系熱電材料が使用できる利点が
ある。
率λが大きいために性能指数Ｚが半導体のそれより１〜
２桁小さく，発電には使用できなかった。多孔質熱電材
料と可燃性ガスの燃焼を組み合わせた熱電発電では，形
成される温度差の熱伝導率λ依存性が小さいため，上記
の制約がなくなり，金属系熱電材料が使用できる利点が
ある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来の多孔質熱電発電
素子には，図６に示すように２つの多孔質熱電材料１１
１，１１２を接続する多孔質の高温側電極１１５，およ
び低温側電極１１３を有しており，該電極は安定に動作
でき，長時間の使用に耐える導電性および接合強度を持
つ必要があった。この場合，高温側電極１１５では，耐
酸化性や耐熱性が不可欠となる。
素子には，図６に示すように２つの多孔質熱電材料１１
１，１１２を接続する多孔質の高温側電極１１５，およ
び低温側電極１１３を有しており，該電極は安定に動作
でき，長時間の使用に耐える導電性および接合強度を持
つ必要があった。この場合，高温側電極１１５では，耐
酸化性や耐熱性が不可欠となる。
【００１２】そこで，本発明の技術的課題は，多孔質熱
電発電材料を第３の物質からなる多孔質電極とくに高温
側電極を配設することなしに直接接合した熱安定性の高
い熱電発電素子と，その製造方法と，それを用いた熱電
発電装置とを提供することにある。
電発電材料を第３の物質からなる多孔質電極とくに高温
側電極を配設することなしに直接接合した熱安定性の高
い熱電発電素子と，その製造方法と，それを用いた熱電
発電装置とを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明によれば，２種類
の多孔質の熱電材料の一部を互いに接合面を介して直接
接合してなり、前記２種類の多孔質の熱電材料は少なく
とも１対積層され，前記積層された熱電材料の接合され
た部分以外の部分は互いに熱電材料を分離する分離部を
介して対向していることを特徴とする熱電発電素子が得
られる。
の多孔質の熱電材料の一部を互いに接合面を介して直接
接合してなり、前記２種類の多孔質の熱電材料は少なく
とも１対積層され，前記積層された熱電材料の接合され
た部分以外の部分は互いに熱電材料を分離する分離部を
介して対向していることを特徴とする熱電発電素子が得
られる。
【００１４】
【００１５】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
電変換素子において，前記熱電材料は複数対積層され，
前記分離部及び前記接合された部分は，前記複数の熱電
材料の積層方向の両側に夫々交互に形成されていること
を特徴とする熱電発電素子が得られる。
電変換素子において，前記熱電材料は複数対積層され，
前記分離部及び前記接合された部分は，前記複数の熱電
材料の積層方向の両側に夫々交互に形成されていること
を特徴とする熱電発電素子が得られる。
【００１６】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
電発電素子において，前記２種類の多孔質の熱電材料が
熱電変換を行う金属対あるいは半導体対であることを特
徴とする熱電発電素子が得られる。ここで，本発明にお
いて，金属対の場合は，多孔質のアロメルとクロメルの
組み合わせが用いられ，半導体対の場合は，ｐ型とｎ型
のＳｉＧｅや，ｐ型とｎ型のＦｅＳｉ2 が用いられる。
電発電素子において，前記２種類の多孔質の熱電材料が
熱電変換を行う金属対あるいは半導体対であることを特
徴とする熱電発電素子が得られる。ここで，本発明にお
いて，金属対の場合は，多孔質のアロメルとクロメルの
組み合わせが用いられ，半導体対の場合は，ｐ型とｎ型
のＳｉＧｅや，ｐ型とｎ型のＦｅＳｉ2 が用いられる。
【００１７】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
電発電素子において，前記分離部は，前記熱電材料の境
界部に切れ目を形成するか又は絶縁材料を充填すること
によって形成されていることを特徴とする熱電発電素子
が得られる。
電発電素子において，前記分離部は，前記熱電材料の境
界部に切れ目を形成するか又は絶縁材料を充填すること
によって形成されていることを特徴とする熱電発電素子
が得られる。
【００１８】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
電発電素子において，前記熱電発電素子の低温側一端に
前記熱電材料より導電率の高い金属で被覆形成された端
子取付部を有することを特徴とする熱電発電素子が得ら
れる。
電発電素子において，前記熱電発電素子の低温側一端に
前記熱電材料より導電率の高い金属で被覆形成された端
子取付部を有することを特徴とする熱電発電素子が得ら
れる。
【００１９】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
電発電素子と，可燃性ガスの燃焼により前記熱電発電素
子の両端に温度差を与える加熱手段とを組み合わせたこ
とを特徴とする熱電発電装置が得られる。
電発電素子と，可燃性ガスの燃焼により前記熱電発電素
子の両端に温度差を与える加熱手段とを組み合わせたこ
とを特徴とする熱電発電装置が得られる。
【００２０】また，本発明によれば，異種材料粉末を積
層し，焼結して所定の空孔率の多孔質としたのちに，前
記多孔質異種材料の境界面の一部に接合部分を残して分
離するように切れ目を入れることを特徴とする熱電発電
素子の製造方法が得られる。
層し，焼結して所定の空孔率の多孔質としたのちに，前
記多孔質異種材料の境界面の一部に接合部分を残して分
離するように切れ目を入れることを特徴とする熱電発電
素子の製造方法が得られる。
【００２１】また，本発明によれば，異種材料粉末を成
形用金型または治具に交互に充填積層するに際し，前記
多孔質異種材料の境界面の一部に接合部分を残して分離
されるように絶縁性粉末または可燃性物質を充填し，焼
結して所定の空孔率の多孔質体とするとともに，前記多
孔質体の異種材料の一端が接合し，他の部分は前記絶縁
性粉末からなる絶縁性材料あるいは間隙からなる分離部
を介して対向させることを特徴とする熱電発電素子の製
造方法が得られる。
形用金型または治具に交互に充填積層するに際し，前記
多孔質異種材料の境界面の一部に接合部分を残して分離
されるように絶縁性粉末または可燃性物質を充填し，焼
結して所定の空孔率の多孔質体とするとともに，前記多
孔質体の異種材料の一端が接合し，他の部分は前記絶縁
性粉末からなる絶縁性材料あるいは間隙からなる分離部
を介して対向させることを特徴とする熱電発電素子の製
造方法が得られる。
【００２２】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
電発電素子の製造方法により熱電発電素子を製造後，前
記多孔質体に表面処理で熱電材料より導電率の高い金属
を被覆して端子取付部を形成することを特徴とする熱電
発電素子の製造方法が得られる。
電発電素子の製造方法により熱電発電素子を製造後，前
記多孔質体に表面処理で熱電材料より導電率の高い金属
を被覆して端子取付部を形成することを特徴とする熱電
発電素子の製造方法が得られる。
【００２３】
【実施例】以下，本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【００２４】図１（ａ）及び（ｂ）は本発明による多孔
質熱電発電素子の構造例を示す断面図である。図１
（ａ）に示すように，２種類の起電力の異なる多孔質熱
電材料１および２の少なくとも１対を相互に分離して対
向させ，接合部３が第３の物質を介することなく直接接
合するように交互に配置した構造とする。これにより，
一方の接合部端面４から可燃性ガスを導入し，他方の接
合部端面５から排出すると同時に燃焼せしめるように配
置され，両端面の間に大きな温度差が形成される。それ
ぞれの熱電材料としては金属の場合，たとえば多孔質の
アロメルとクロメルの組み合わせが用いられる。また，
半導体の場合は，たとえばｐ型とｎ型のＳｉＧｅや，ｐ
型とｎ型のＦｅＳｉ2 が用いられる。尚，符号６は電
極，符号７は分離部をなす切れ目である。
質熱電発電素子の構造例を示す断面図である。図１
（ａ）に示すように，２種類の起電力の異なる多孔質熱
電材料１および２の少なくとも１対を相互に分離して対
向させ，接合部３が第３の物質を介することなく直接接
合するように交互に配置した構造とする。これにより，
一方の接合部端面４から可燃性ガスを導入し，他方の接
合部端面５から排出すると同時に燃焼せしめるように配
置され，両端面の間に大きな温度差が形成される。それ
ぞれの熱電材料としては金属の場合，たとえば多孔質の
アロメルとクロメルの組み合わせが用いられる。また，
半導体の場合は，たとえばｐ型とｎ型のＳｉＧｅや，ｐ
型とｎ型のＦｅＳｉ2 が用いられる。尚，符号６は電
極，符号７は分離部をなす切れ目である。
【００２５】また，分離された多孔質熱電材料の対向面
の間には補強や絶縁を確実にするために多孔質の絶縁体
や，可燃性ガスの流動に支障がない場合は，緻密な絶縁
体のセラミック薄板やガラス質物質を挿入してもよい。
の間には補強や絶縁を確実にするために多孔質の絶縁体
や，可燃性ガスの流動に支障がない場合は，緻密な絶縁
体のセラミック薄板やガラス質物質を挿入してもよい。
【００２６】上記の説明は，最も基本となる一対の多孔
質熱電材料からなる構造の場合についてであり，複数の
熱電発電素子を直列に接続する場合は，図１（ｂ）に示
すように一対の熱電材料を多数積層し，接合部３が交互
に配置されるように切れ目を入れ，分離した熱電発電素
子構造とすればよい。
質熱電材料からなる構造の場合についてであり，複数の
熱電発電素子を直列に接続する場合は，図１（ｂ）に示
すように一対の熱電材料を多数積層し，接合部３が交互
に配置されるように切れ目を入れ，分離した熱電発電素
子構造とすればよい。
【００２７】次に，本発明による多孔質熱電発電素子の
製造方法の例について説明する。
製造方法の例について説明する。
【００２８】図２（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は多孔質
熱電発電素子の製造方法の概略を示す図である。
熱電発電素子の製造方法の概略を示す図である。
【００２９】図２（ａ）に示すように，２種類の起電力
の異なる金属系熱電材料たとえばアルメルの粉末とクロ
メルの粉末あるいはｐ型およびｎ型の半導体熱電材料の
異種熱電材料粉末を２層１１，１２が積層するように成
形用金型または治具に充填して２層構造の圧粉体２１を
形成し，この圧粉体２１が変質しない雰囲気中で高温に
加熱して焼結せしめ，十分な強度を持つ焼結体２２とす
る。この焼結体２２の２層界面を接合部とするための一
部分を除いて切れ目７を入れて分離し，一端が直接接合
された多孔質熱電発電素子とする。
の異なる金属系熱電材料たとえばアルメルの粉末とクロ
メルの粉末あるいはｐ型およびｎ型の半導体熱電材料の
異種熱電材料粉末を２層１１，１２が積層するように成
形用金型または治具に充填して２層構造の圧粉体２１を
形成し，この圧粉体２１が変質しない雰囲気中で高温に
加熱して焼結せしめ，十分な強度を持つ焼結体２２とす
る。この焼結体２２の２層界面を接合部とするための一
部分を除いて切れ目７を入れて分離し，一端が直接接合
された多孔質熱電発電素子とする。
【００３０】また，図２（ｂ）に示すように，異種材料
粉末を成形用金型または治具に交互に充填積する工程
で，異種材料接合面の一部を残して分離されるようにセ
ラミック粉末などの絶縁性粉末１３を充填し，焼結して
所定の空孔率の多孔質とするとともに，異種材料の一端
だけが接合し他の部分は絶縁性材料１４が充填された構
造とする。
粉末を成形用金型または治具に交互に充填積する工程
で，異種材料接合面の一部を残して分離されるようにセ
ラミック粉末などの絶縁性粉末１３を充填し，焼結して
所定の空孔率の多孔質とするとともに，異種材料の一端
だけが接合し他の部分は絶縁性材料１４が充填された構
造とする。
【００３１】さらに，図２（ｃ）に示すように，分離部
分に紙などの可燃性物質１５を挿入して一体成形し，焼
結あるいはそれに先立つ前工程で燃焼除去して分離部と
して間隙７´を有する構造とすることができる。この間
隙７´に絶縁体薄板やガラス質物質を挿入して補強する
こともできる。
分に紙などの可燃性物質１５を挿入して一体成形し，焼
結あるいはそれに先立つ前工程で燃焼除去して分離部と
して間隙７´を有する構造とすることができる。この間
隙７´に絶縁体薄板やガラス質物質を挿入して補強する
こともできる。
【００３２】上記したように，本発明の熱電発電素子の
構造例によって，耐熱性を必要とする高温側電極が必要
なくなり，長時間の使用に耐える安定した性能が得られ
る。
構造例によって，耐熱性を必要とする高温側電極が必要
なくなり，長時間の使用に耐える安定した性能が得られ
る。
【００３３】また，低温側接合部にリード線を接合して
電力を取り出す場合，リード線と熱電素子の接合を補助
するために，異種熱電材料の直接接合部端面にたとえば
真空蒸着，イオンプレーティング，スパッタなどの物理
蒸着，あるいは化学蒸着，あるいはめっきなどの各種表
面処理によって燃焼を阻害しない多孔質を維持する程度
に金属を被覆することができる。被覆材料にはたとえば
ＮｉやＡｕが有効である。この場合も，接合部の強度は
熱電材料の直接接合部が保持しており，安定した接合を
維持することができる。
電力を取り出す場合，リード線と熱電素子の接合を補助
するために，異種熱電材料の直接接合部端面にたとえば
真空蒸着，イオンプレーティング，スパッタなどの物理
蒸着，あるいは化学蒸着，あるいはめっきなどの各種表
面処理によって燃焼を阻害しない多孔質を維持する程度
に金属を被覆することができる。被覆材料にはたとえば
ＮｉやＡｕが有効である。この場合も，接合部の強度は
熱電材料の直接接合部が保持しており，安定した接合を
維持することができる。
【００３４】上記の説明では，加熱手段として，多孔質
熱電発電素子の一方の接合部から可燃性ガスを供給し，
他方の接合部で排出すると同時に燃焼せしめて両接合部
に温度差を形成する場合について述べたが，接合部を中
央に配置して１対の熱電材料を対向させて接合し，中央
の接合部近傍に可燃性ガスに着火するための熱源を配置
し，両端部から可燃性ガスを交互に供給して中央の接合
部を高温に，両端の接合部を低温になるようにした加熱
手段を備えた熱電発電装置の場合も同様に構成すること
ができる。
熱電発電素子の一方の接合部から可燃性ガスを供給し，
他方の接合部で排出すると同時に燃焼せしめて両接合部
に温度差を形成する場合について述べたが，接合部を中
央に配置して１対の熱電材料を対向させて接合し，中央
の接合部近傍に可燃性ガスに着火するための熱源を配置
し，両端部から可燃性ガスを交互に供給して中央の接合
部を高温に，両端の接合部を低温になるようにした加熱
手段を備えた熱電発電装置の場合も同様に構成すること
ができる。
【００３５】以下，本発明の熱電発電装置の具体的な製
造例について述べる。
造例について述べる。
【００３６】（実施例１）平均粒径約２５０μｍアルメ
ル粉末（２．４％Ｍｎ−１．１％Ａｌ−１．２％Ｓｉ−
０．０２％Ｆｅ−残部Ｎｉ）およびクロメル粉末（９．
８％Ｃｒ−０．５％Ｓｉ−残部Ｎｉ）にそれぞれ成形剤
としてステアリン酸亜鉛を添加した後，金型成形して厚
さ５ｍｍ，幅１２ｍｍ，長さ１５ｍｍのアルメル圧粉体
およびクロメル圧粉体を作製した。成形体の相対密度は
いずれも約７０％，したがって空孔率は約３０％であっ
た。これを真空中で１３５０℃で４時間焼結し，アルメ
ル多孔質体およびクロメル多孔質体を作製した。いずれ
の焼結体の相対密度も約７０％で，焼結によってほとん
ど収縮することなく，圧粉体の空隙率を保持していた。
アルメル多孔質体およびクロメル多孔質体の比抵抗はそ
れぞれ１×１０-6Ω・ｃｍおよび５×１０-6Ω・ｃｍ
で，それぞれ緻密なバルクの比抵抗の約２倍および約５
倍であったが，熱電発電素子として十分な導電率を保持
していた。また，アルメル多孔質体およびクロメル多孔
質体の曲げ強度はいずれも１００ＭＰａで，高い曲げ強
度を持っていた。
ル粉末（２．４％Ｍｎ−１．１％Ａｌ−１．２％Ｓｉ−
０．０２％Ｆｅ−残部Ｎｉ）およびクロメル粉末（９．
８％Ｃｒ−０．５％Ｓｉ−残部Ｎｉ）にそれぞれ成形剤
としてステアリン酸亜鉛を添加した後，金型成形して厚
さ５ｍｍ，幅１２ｍｍ，長さ１５ｍｍのアルメル圧粉体
およびクロメル圧粉体を作製した。成形体の相対密度は
いずれも約７０％，したがって空孔率は約３０％であっ
た。これを真空中で１３５０℃で４時間焼結し，アルメ
ル多孔質体およびクロメル多孔質体を作製した。いずれ
の焼結体の相対密度も約７０％で，焼結によってほとん
ど収縮することなく，圧粉体の空隙率を保持していた。
アルメル多孔質体およびクロメル多孔質体の比抵抗はそ
れぞれ１×１０-6Ω・ｃｍおよび５×１０-6Ω・ｃｍ
で，それぞれ緻密なバルクの比抵抗の約２倍および約５
倍であったが，熱電発電素子として十分な導電率を保持
していた。また，アルメル多孔質体およびクロメル多孔
質体の曲げ強度はいずれも１００ＭＰａで，高い曲げ強
度を持っていた。
【００３７】（実施例２）実施例１と同様の製造方法
で，厚さ２．５ｍｍ，幅１２ｍｍ，長さ１５ｍｍのアル
メル焼結体とクロメル焼結体を交互に４層積層した図３
に示す多孔質体を作製した。４層多孔質体のアルメル多
孔質体とクロメル多孔質体の接合面に沿って放電加工に
よって切れ目７を入れ，接合面の一端３ｍｍが直接接合
した多孔質熱電発電素子を作製した。多孔質体およびそ
の接合部は切断加工およびその後の取扱いに十分耐える
高強度を有していた。この熱電発電素子に，ニッケル箔
をスポット溶接して低温側電極６とし，低温側接合部３
ａから都市ガス（１３，０００ｋｃａｌ／ｍ3 ）を供給
して高温側接合部３ｂ付近で燃焼させた。低温側接合部
３ａおよび高温側接合部３ｂの温度は，それぞれ４１０
℃および７１０℃であった。この時の出力は４５ｍＶで
あった。また，この温度差が生じる過程で，低温側接合
部３ａおよび高温側接合部３ｂがそれぞれ３００℃およ
び５３０℃の時の出力は２７ｍＶであった。
で，厚さ２．５ｍｍ，幅１２ｍｍ，長さ１５ｍｍのアル
メル焼結体とクロメル焼結体を交互に４層積層した図３
に示す多孔質体を作製した。４層多孔質体のアルメル多
孔質体とクロメル多孔質体の接合面に沿って放電加工に
よって切れ目７を入れ，接合面の一端３ｍｍが直接接合
した多孔質熱電発電素子を作製した。多孔質体およびそ
の接合部は切断加工およびその後の取扱いに十分耐える
高強度を有していた。この熱電発電素子に，ニッケル箔
をスポット溶接して低温側電極６とし，低温側接合部３
ａから都市ガス（１３，０００ｋｃａｌ／ｍ3 ）を供給
して高温側接合部３ｂ付近で燃焼させた。低温側接合部
３ａおよび高温側接合部３ｂの温度は，それぞれ４１０
℃および７１０℃であった。この時の出力は４５ｍＶで
あった。また，この温度差が生じる過程で，低温側接合
部３ａおよび高温側接合部３ｂがそれぞれ３００℃およ
び５３０℃の時の出力は２７ｍＶであった。
【００３８】
【発明の効果】以上説明してきたように，本発明によれ
ば，２種類の熱電材料を接合するための電極を取り付け
る必要がなく，とくに高温に曝される金属電極を必要と
せず安定した高効率の熱電発電を行うことができる熱電
発電素子とその製造方法とを提供することができる。
ば，２種類の熱電材料を接合するための電極を取り付け
る必要がなく，とくに高温に曝される金属電極を必要と
せず安定した高効率の熱電発電を行うことができる熱電
発電素子とその製造方法とを提供することができる。
【００３９】また，本発明によれば，多孔質の熱電発電
素子と燃焼による加熱手段とを組み合わせた熱電発電装
置において，前記熱電発電素子を用いたために安定した
高効率の熱電発電を行うことができる熱電発電装置とそ
の製造方法とを提供することができる。
素子と燃焼による加熱手段とを組み合わせた熱電発電装
置において，前記熱電発電素子を用いたために安定した
高効率の熱電発電を行うことができる熱電発電装置とそ
の製造方法とを提供することができる。
【図１】（ａ）本発明の熱電発電素子の一構造例を示し
た図である。 （ｂ）本発明の熱電発電素子の他の構造例を示した図で
ある。
た図である。 （ｂ）本発明の熱電発電素子の他の構造例を示した図で
ある。
【図２】（ａ）本発明の熱電発電素子の製造方法の一例
を示す図である。 （ｂ）本発明の熱電発電素子の製造方法のもう一つの例
を示す図である。 （ｃ）本発明の熱電発電素子の製造方法のさらにもう一
つの例を示す図である。
を示す図である。 （ｂ）本発明の熱電発電素子の製造方法のもう一つの例
を示す図である。 （ｃ）本発明の熱電発電素子の製造方法のさらにもう一
つの例を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る熱電発電素子を示した図
である。
である。
【図４】従来の熱電発電素子の一例を説明するための図
である。
である。
【図５】従来の熱電発電素子を適用する熱電発電方法を
説明するための図である。
説明するための図である。
【図６】従来の熱電発電素子の構造例を示した断面図で
ある。
ある。
１，２ 多孔質熱電材料
３ 接合部
３ａ 低温側接合部
３ｂ 高温側接合部
４，５ 接合部端面
６ 電極
７ 切れ目
７´ 間隙
１１ ｐ型の半導体
１２ ｎ型の半導体
１３ 絶縁性粉末
１４ 絶縁性材料
１５ 可燃性物質
２１ 圧粉体
２２ 焼結体
２３ 絶縁層
２４ 低温側電極
２５ 高温側電極
１００ 熱電発電素子
１０１ ｐ型の半導体
１０２ ｎ型の半導体
１０３ 高温側電極
１０４，１０５ 低温側電極
１０６ 高温側接合部
１０７ 低温側接合部
１１１ 多孔質熱電材料（ｐ型半導体）
１１２ 多孔質熱電材料（ｎ型半導体）
１１３ 絶縁層
１１４ 低温側電極
１１５ 高温側電極
１１６ 低温側端面
１１７ 高温側端面
１１８ 火炎面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 宮崎 武彦
東京都府中市白糸台４の５の13 ホーム
白糸台514号室
(56)参考文献 特開 平６−302867（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 35/32
Claims (9)
- 【請求項１】 ２種類の多孔質の熱電材料の一部を互い
に接合面を介して直接接合してなり、前記２種類の多孔
質の熱電材料は少なくとも１対積層され，前記積層され
た熱電材料の接合された部分以外の部分は互いに熱電材
料を分離する分離部を介して対向していることを特徴と
する熱電発電素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の熱電変換素子において，
前記熱電材料は複数対積層され，前記分離部及び前記接
合された部分は，前記複数の熱電材料の積層方向の両側
に夫々交互に形成されていることを特徴とする熱電発電
素子。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載の熱電発電素子にお
いて，前記２種類の多孔質の熱電材料が熱電変換を行う
金属対あるいは半導体対であることを特徴とする熱電発
電素子。 - 【請求項４】 請求項１乃至３の内のいずれか一つに記
載の熱電発電素子において，前記分離部は，前記熱電材
料の境界部に切れ目を形成するか又は絶縁材料を充填す
ることによって形成されていることを特徴とする熱電発
電素子。 - 【請求項５】 請求項１乃至４の内のいずれか一つに記
載の熱電発電素子において，前記熱電発電素子の低温側
一端に前記熱電材料より導電率の高い金属で被覆形成さ
れた端子取付部を有することを特徴とする熱電発電素
子。 - 【請求項６】 請求項１乃至５の内のいずれか一つに記
載の熱電発電素子と可燃性ガスの燃焼により，前記熱電
発電素子の両端に温度差を与える加熱手段とを組み合わ
せたことを特徴とする熱電発電装置。 - 【請求項７】 異種材料粉末を積層し，焼結して所定の
空孔率の多孔質としたのちに，前記多孔質異種材料の境
界面の一部に接合部分を残して分離するように切れ目を
入れることを特徴とする熱電発電素子の製造方法。 - 【請求項８】 異種材料粉末を成形用金型または治具に
交互に充填積層するに際し，前記多孔質異種材料の境界
面の一部に接合部分を残して分離されるように絶縁性粉
末または可燃性物質を充填し，焼結して所定の空孔率の
多孔質体とするとともに，前記多孔質体の異種材料の一
端が接合し，他の部分は前記絶縁性粉末からなる絶縁性
材料あるいは間隙からなる分離部を介して対向させるこ
とを特徴とする熱電発電素子の製造方法。 - 【請求項９】 請求項７又は８記載の熱電発電素子の製
造方法において，さらに，前記熱電発電素子を製造後，
前記多孔質体に表面処理で熱電材料より導電率の高い金
属を被覆して端子取付部を形成することを特徴とする熱
電発電素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10939295A JP3451456B2 (ja) | 1995-05-08 | 1995-05-08 | 熱電発電素子とその製造方法，及び熱電発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10939295A JP3451456B2 (ja) | 1995-05-08 | 1995-05-08 | 熱電発電素子とその製造方法，及び熱電発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08306967A JPH08306967A (ja) | 1996-11-22 |
| JP3451456B2 true JP3451456B2 (ja) | 2003-09-29 |
Family
ID=14509080
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10939295A Expired - Fee Related JP3451456B2 (ja) | 1995-05-08 | 1995-05-08 | 熱電発電素子とその製造方法，及び熱電発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3451456B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19704944A1 (de) * | 1997-02-10 | 1998-08-20 | Hans K Seibold | Effektivitätsverstärker für thermoelektrische Energiewandler |
| JP5360072B2 (ja) * | 2008-12-26 | 2013-12-04 | 富士通株式会社 | 熱電変換素子の製造方法 |
| JP2010206024A (ja) * | 2009-03-04 | 2010-09-16 | Yanmar Co Ltd | 熱電モジュールおよび熱電モジュールの製造方法 |
| JP5418080B2 (ja) * | 2009-09-04 | 2014-02-19 | 富士通株式会社 | 熱電変換素子の製造方法 |
| JP2018046275A (ja) * | 2016-09-08 | 2018-03-22 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 熱電発電デバイス及びその製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3223330B2 (ja) * | 1992-07-23 | 2001-10-29 | 株式会社アライドマテリアル | 熱電発電方法及びその装置 |
-
1995
- 1995-05-08 JP JP10939295A patent/JP3451456B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH08306967A (ja) | 1996-11-22 |
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