JPH01214073A - 熱電気変換装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発電器に関し、特に温度センサ等に用いられる
、Ｎ型およびＰ型半導体対を基本素子とする熱電気変換
装置に関する。

〔従来の技術〕

ゼーベック効果を原理とする熱電気変換素子の開発は古
くから行われている。熱電気変換素子は異種金属又はＰ
型およびＮ型半導体を接合し、その両端に一定の温度差
をつくり、温度差に応じた一定の起動力を生ザしぬるも
のである。熱電気変換素子の代表例としてＢｉ２　（’
Ｉ’ｅＳｅ）３と（Ｓ　ｂ　Ｂ　ｉ　）　２　Ｔ　ｅ　
ｓのＮ型およびＰ型半導体が知られている。第３図（ａ
）、（ｂ）は、このような従来の熱電気変換装置の基本
素子の構成及び回路図を示している。この図のように基
本素子のＮ型半導体３１ａ及びＰ型半導体３１ｂは並列
状態にてその同じ側の一端部が金属片３２ａが突き当る
状態で接合されており、基本素子３１の他端はそれぞれ
別の金属片３２ｂに接合されている。

この基本素子３１を併設し、その両端面が板状の絶縁部
材３３を介して熱伝導板３４（材質アルミニウム）に挾
まれ、ユニット化され、大電力がとり出される様なｍ遣
を有している。

この熱電気変換装置の形状は用途に応じて、異なるもの
もあるが再熱伝導板３４の間隙は略６ｇに作製されてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、Ａ１熱伝導板３４を通し、熱電気変換基
本素子３１の接合点とこれと対向する端部の温度差を約
２００℃にするためには、ユニットの厚みが薄い（６關
）ので、高熱源側熱伝導板の表面温度差を３００°Ｃ以
上まで上げねばならず、更に冷熱源側に大規模な放熱器
をつけなければならない、したがって従来の熱電気変換
装置がその機能を果すためには、廃熱等による高熱源か
らのエネルギー供給の他冷却放熱のための装置もしくは
その装置を動作するためのエネルギーが投入されねばな
らないという不都合を生ずる。これは本来の廃熱を利用
して発電することを不可能ならしめるばかりでなく、発
電効率も良好ではなかった。

本発明の技術課題は、上述の様な廃熱を利用した高熱源
側熱エネルギーの過剰供給を防ぎ、これを制御し、低熱
源側の複雑な熱吸収部を必要としない熱電気変換素子を
基本素子とし、この基本素子を電気的には直列に熱的に
は並列に結合し、再熱伝導板の温度差を容易に生ぜしむ
る様な構造をもつ熱電気変換装置を提供する事にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、金属片を介して直列に接続されたＰ型
及びＮ型半導体対よりなる基本素子を併設した熱電気変
換部と、一端に前記金属片を接続し他端に外部からの熱
エネルギーを受ける熱伝導部材とを有することを特徴と
する熱電気変換装置が得られる。

本発明によれば、Ｎ型素子の一端を負極とし、Ｐ型素子
の一端を正極とし、該Ｎ型及びＰ型素子の各他端を金属
片を介して直列に接続した基本素子対を併設した熱電気
変換部と、該熱電気変換部と外部に位置する熱源との間
に配置された熱遮蔽板部材と、前記金属片より延在し、
前記熱遮蔽板部材を貫通して前記熱源に接触する熱伝導
部材部と、前記負極と正極とを静電結合する絶縁部材と
、該絶縁部材を冷却する冷却手段とを有することを特徴
とする熱電気変換装置が得られる。

本発明においては、高熱エネルギー供給源はＰ型−Ｎ型
半導体対の接合点近くに設置されるのではなく、接合点
から一定の距離に保たれて設置される。熱伝導部すなわ
ち熱を通して熱エネルギーは用途に応じて制御されて供
給される。

上記の接合点を局部加熱するために、高熱源に熱伝導棒
を接触させ、熱伝導棒を上記半導体の接合点に必要にし
て且つ十分なだけの熱エネルギーを伝達させる。

上記の様な熱伝導棒よりなる熱伝導部材を上記熱電気変
換装置に取り付ける事により過剰熱エネルギーの供給を
制御し、効率よく高熱源側熱エネルギーを供給する事が
出来る様になる。

その結果、熱電気変換装置のて低熱源側の大掛りな放熱
器等の熱吸収部は装置小型等の場合によっては不必要に
なる。

ここで、従来の熱電気変換装置の基本素子の場合、供給
される過剰熱エネルギーは低熱源側で吸収されねばなら
ない、ΔＱ＝Ｑｈ−Ｑｊ一方本発明の熱電気変換装置に
用いられる基本素子の場合、従来の基本素子の欠点であ
る過剰熱エネルギーの供給を制御するために、熱伝導棒
が基本素子の接合部に取り付けられている。

ΔＱ＝Ｑ’　ｈ−Ｑ′ＪｌここにおいてＱ、Ｑ″は供給
熱量、ｈ、ｊは夫々高熱源と低熱源である。

本発明は上記基本素子を電気的には直列（静電結合）に
、熱的には並列に結合して発明器の機能をもたせたもの
である。

供給熱量の差ΔＱが等しければ単位はジュールで表わさ
れる発電力は等しくなる。

上記熱伝導棒は下記の関係に基づいて熱エネルギーが伝
導される。熱エネルギーが熱伝導棒の高温先端側に加え
られるとき、高熱源側よりｆｌ！！＠までの距離１′に
おける温度θ′１は次式で与えられる。

θ’　Ｊｌ　＝ｔｏ　＋　（θｈ　　　ｔｏ）ｘｃｏｓ
ｈｍ’Ｊｌ’＋ｓｉｎｈｍ’Ｊ’　　　＜１）ここに於
いて、低温部の温度 ｍ′＝　（ｈＳ／λＡ　’　）　１／２で、ｈはフィン
周囲の媒質での熱伝達係数で、Ｑｗをフィン表面の温度
、Ｑｆをフィンから十分能れたときの温度とすると、ｈ
＝Ｑ　（Ｑｗ−Ｑｆ）−Ａ′で表わされる。

θ、は高温度側熱源温度、七〇はフィン周囲の媒質の温
度Ｓはフィンの周囲の長さ、λはフィン材の熱伝導率、
Ａ′はフィンの断面積、１′はフィンの長さである。

この（１）式により下表の如くのθ′１が求められた。

この表において、Ｄはフィンの径であり、Ｄの値が大き
くなるほど低温度側熱源の温度は高くなる。従って、フ
ィンの径により、接合点での温度制御か可能であること
を示している。

以下憩巳 〔実施例〕 本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図（ａ）は、本発明の実施例に係る熱電気変換装置
の構成を示している。この図において熱電気変換装置は
、静電気変換部１とこの一端に絶縁部を介して形成され
た第１の遮蔽板３と、第１の遮蔽板３から一定距離離れ
て設けられた第２の遮蔽板４よりなる熱遮蔽板と、これ
らを貫通し、熱電機変換部の一端に接続された熱伝導部
５と、冷却板６もしくは冷却板に冷却フィンを設けたも
のを用いた冷却手段によって構成されている。

熱電気変換部１は、基本素子を複数並列して形成されて
おり、この基本素子はＰ型半導体１ａ及びエネルギー半
導体１ｂの一対を一端において、金属片よりなる接合部
１ｃを介して接合し、また他端は金属片１ｄ、ｌｅを各
々に形成したものである。第１の遮蔽板３は、基本素子
の接合部側に板状の絶縁部材２を介して設けられている
。また第１の遮蔽板３から一定距離をおいて第２の遮蔽
板４が設けられている。これら遮蔽板３及び４の熱遮蔽
板部材は熱源からの熱の放射を遮断する。

熱伝導部５は、熱伝導棒材５及びこの棒材５に付随した
断熱材を有し、その一端は基本素子接合部１ａに接触し
、基本素子から離れる方向に絶縁部材２ａ、第１の遮蔽
板３、第２の遮蔽板４をこの順で貫通している。

また基本素子の他端は、板状の絶縁部材２ｂを介して冷
却板６が形成されている。更に基本素子の他端のＰ型半
導体の一金属片には正極の出力端子７、他端のＮ型半導
体の一金属片には負極の出力端子８が設けられている。

負極と正極は絶縁部材により静電結合されている。

取り出される電力は、接合部への熱伝導棒からの熱供給
量により制御される。尚、この冷却板６には場合により
、冷却フィンが設けられることがある。

第１表及び第２図は本発明の実施例に係る熱電気変換装
置の無負荷時の出力電圧を示す、併せて、局部加熱用熱
伝導棒が形成されていない従来の熱電気変換装置の無負
荷時の出力電圧を測定し、比較検討を行なった。

以下永日 第１表から、実施例に係る熱電気変換装置の出力電圧は
、冷却フィンが有る場合のほうが冷却フィンの無い場合
より大きく、更に冷却フィンの有る場合、従来例の冷却
フィンを有する熱電気変換装置より出力電圧が大きく、
また、冷却フィン無しの場合も、従来例より出力電圧か
大きいことか判明した。ここでθ□は高温熱源側の温度
、θ′Ｈは接合点での温度、ＱＬは低温熱源側の温度で
ある。すなわち（１）式のθ、はθ１゜θ′オはθ′Ｈ
に相当する。

また第２図から、出力電力は熱エネルギー伝達棒接合部
側と低温熱源側の温度差（θ′、−０５）とは原点を通
る直線２１関係を示した。この熱起電能は１　、５　［
ｖｏ　１　ｔ／’Ｃ］であることが判明しな、このよう
な本発明の実施例に係る熱変換装置は次のように製造さ
れた。

Ｎ型半導体Ｂｉ２　＜”ｒ’ｅｓｅ）ｘとＰ型半導体（
３ｉＳｂ）２”ｌ’ｅｉの素材を夫々的６００℃で溶融
し、液体超急冷法によって平均粒径約２０μｍ粒状化合
物をつくる。それらを、外径７ＩｕＩ、内径５ｍ＋、長
さ５鮨の石英細管の中に圧入し、それらを４００℃の温
度で３０分焼結成型する事によって、基本素子をつくり
Ｎ型半導体とＰ型半導体とからなる対をＣｕ板で接続し
、その中央に同じＣｕ棒直径２×長さ１０＋ｍを立てる
。これを局部加熱用熱伝導棒とする０図の様なＰ型およ
びＮ型半導体を５５対直列に継ぎ、熱電気変換部とした
。

〔発明の効果〕

以上述べた通り本発明によれば、廃熱を利用した高熱源
側熱エネルギーの過剰供給を防ぎ、これを制御し、低熱
源側の複雑な熱吸収機構を必要としない熱電気変換素子
とし、この基本素子を電気的には直列に、熱的には並列
に結合し、温度を容易に生ぜしむるエネルギー効率の良
い構造をもつ熱電気変換装置を提供することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例に係る熱電気変換装置の
構成を示す図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の熱電気変
換装置の基本素子の原理図、第２図は本発明の実施例に
係る熱電気変換装置の出力電圧と温度差との関係を示す
図、第３図（ａ）は従来例に係る熱電気変換装置の構成
を示す図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）の熱電気変換装
置の基本素子の原理図である。 図中、１は熱電気変換部、２は絶縁部材、３及び４は熱
遮蔽板部材、５は熱伝導棒、６は冷却板、３１は熱伝導
板、３１は熱電気変換基本素子、３２は金属片、３３は
絶縁部材、３４は熱伝導板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属片を介して直列に接続されたＰ型及びＮ型半導
   体対よりなる基本素子を併設した熱電気変換部と、一端
   に前記金属片を接続し他端に外部からの熱エネルギーを
   受ける熱伝導部材とを有することを特徴とする熱電気変
   換装置。 ２、Ｎ型素子の一端を負極とし、Ｐ型素子の一端を正極
   とし、該Ｎ型及びＰ型素子の各他端を金属片を介して直
   列に接続した基本素子対を併設した熱電気変換部と、該
   熱電気変換部と外部に位置する熱源との間に配置された
   熱遮蔽板部材と、前記金属片より延在し、前記熱遮蔽板
   部材を貫通して前記熱源に接触する熱伝導部材部と、前
   記負極と正極とを静電結合する絶縁部材と、該絶縁部材
   を冷却する冷却手段とを有することを特徴とする熱電気
   変換装置。