JPH01248574A - 熱電素子 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、熱電素子に関する。

（従来の技術） 熱電素子は、ゼーベック効果あるいはベルティニー効果
を利用し、温度差をあたえて電力を取り出す、或いは電
流を流して加熱もしくは冷却を行うために広く用いられ
ている。最近、超電導など低温工学の発展によシ低温で
使用できる熱電素子への要望が強くなって来ている。一
般に熱電素子による発電、加熱あるいは冷却の効率は熱
電素子を構成する材料の熱伝導度に、電気抵抗ρ及びゼ
ーベック係数αから次式よシ定められる性能指数Ｚが大
であるほど向上することが知られている。

ここで添字１．２は異種の導電材を区別するために付け
たものである。

ところで、室温付近で大きな性能指数を有し、広く使用
されているＢ１−Ｔｅ系材料から構成される熱電素子の
性能指数は温度が低くなるとともに急激に減少するため
、低温での効率は極めて低くなってしまう。低温で比較
的大きな性能指数を示す材料としてＢ１−８ｂ系材料が
知られている。

しかしながら、この系の材料ではＮｕ材料としては大き
な性能指数を示すものかあシとくに磁場中では高い性能
を示すが、Ｐ型では良い性能のものがなく、従ってその
両者を組み合わせた熱電素子の性能指数は（１）式から
算出されるように低いものとなってしまう。ここで、単
独の材料の性能指数Ｚは次に示す（２）式によって定め
られる。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来の熱電素子ではその性能指数が低温で
は低くなってしまうために、熱電素子を低温で使用した
場合には効率が極めて悪く、例えば熱電冷却を行った場
合では、温度差がほとんど得られないと言う問題点があ
った。

そこでこの発明では低温でも効率よく作動するこの発明
の発明者らは熱電素子の材料としてＰ型、もしくはＮ型
の一方のみで高い性能指数Ｚを示す材料が得られ、もう
一つの型では低い性能指数を示す材料しか得られない場
合において低い性能指数しか示さない材料を代替するた
めの材料について研究を行った。そして、一方の材料と
して使用温度で超電導を示す材料を使用して熱電素子を
構成すれば、その素子の性能指数２は超電導体ではない
ほうの材料の性能指数にほぼ等しくなると言う着想を得
、種々の計算と実験による確認を行った結果、この発明
を完成するに至った。

すなわち、（２）式を超電導体にそのｉｔ適用しようと
すると、超電導体の絶対ゼーベック係数は、Ｈａｎｄｂ
ｕｃｈ　ｄｅｒ　ｐｈｙｓｉｋ、　Ｂａｎｄ　ＸＶ、　
２６９頁に開示されているが如く零であるから分子は零
であシ、比抵抗ρも零であり゛、熱伝導度には有限の値
を示すから分母も零とな５ｚは計算不能である。

る性能指数に等しくなる。

すなわち、この発明の熱電素子は構成する材料のうち少
なくとも一つが使用温度において超電導を示す材料であ
ることを特徴としている。超電導体としては使用温度で
超電導を示すものであればよく、例えば金属、金属間化
合物、酸化物、有機物などの超電導体が使用可能である
。

熱電素子を構成する材料のうち超電導体でないほうの材
料の一つは使用温度においてできるかぎり性能指数Ｚの
高い材料が使用される。例えば、−５０℃〜−２００℃
付近の温度範囲では原子比で１２％のｓｂを含有するＢ
１−８ｂ系合金が高い性能指数を有することが知られて
いる。

この発明の熱電素子はこれらの二種以上の材料を用い、
通常のメタライズやハンダ付けなどの方法で電極などを
用いて構成される。

なお、一定の断面積の超電導体に流せる電流には臨界電
流と称される限界があるために電気抵抗が０でも断面積
をいくらでも小さくするわけにはいかない。そのために
、超電導分枝を通って高温側から低温側に流れる有限の
熱流が存在することさけ任意の値にまで減少させること
ができる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

原子比で１２チのｓｂを含有するＢ１−８ｂ合金を熱電
冷却素子の一方の分枝１とし、もう一方やはり高純度の
銅を用いて、第一図に示されるような熱電冷却素子を低
温ノ・ンダによる接合によシ製作した。

、　　、　　　−材一科は銅ρ依浅ｆず４−常の導体、
債Ｐト導体　　　　　　　　。

ここでＢ１−８ｂ合金から成る分枝１の断面積は１（７
）２、超電導セラミックスから成る分枝２の断面積０，
０２α２　でそれぞれ一定として、厚さを０、２ｃｍ〜
２．５αの範囲で変えた数種類の熱電冷却素子を作った
。製作した熱電冷却素子をさらに外壁に冷却用の液体窒
素を流すパイプ１０を巻き付けた真空槽９の中に設置し
た。なお、低温側および高温側の導体にそれぞれ熱電対
１３．１４を溶接し、それらの熱電対はハーメチックシ
ール１２を通して、真空市外に設置した温度記録計１６
に接続した。分枝１および分枝２に接合されている高温
側の導体４および５のそれぞれと直流型、源１８とを導
線２１で接続し、さらに熱電冷却素子に流れる電流と、
かかる電圧とを測定するために、電流計２０と電圧計１
９とを接続した。真空槽の引った状態で、液体窒素冷却
ボックスおよび液体窒素パイプに液体窒素を流して冷却
し、系全体が熱平衡に達して熱電対１３．１４によって
測定された温度が一定になった時点で直流電源１８によ
って熱電冷却素子に直流電流を流し、熱平衡になった時
の低温側の熱電対１３と高温側の熱電対１４とによって
測定された温度差を測定した。厚さを変えた数種類の熱
電冷却素子について、電流を変えながら温度差の測定を
行い、温度差が最大になる条件を求めた。温度差が最大
となったのは、熱電冷却素子の厚す７５Ｚ　Ｏ，４１ｃ
ｍ、　！圧；ｄｉ　ｏ、　０１２　Ｖ。

電流が１４２人の時で、温度差は１０．５　Ｋであった
。

比較例 分枝２の材料として（Ｂ　ｉｏ、２５　Ｓｂ０．７５　
＞　２　（Ｔｅｏ、ｃ＋７Ｓｅｏ、ｏ３）ｓを使い、そ
の他は実施例と同様にして熱電冷却素子を製作した。実
施例と同様にして厚さを変えた熱電冷却素子について、
最大温度差の得られる条件を求めた。最大温度差は熱電
冷却素子（Ｄ厚す０．４３ｍ、　［ＥＥｏ、０１６Ｖ、
　ｔｉｌ　５１Ａの時に得られ、５．８にであった。

〔発明の効果〕

以上述べたように、この発明の熱電素子によれ第１図は
この発明に係わる熱電素子の断面図である。

１、・・・・・・熱電冷却素子の分枝１１２．・・・・
・・熱電冷却素子の分枝２、　３．・・・・・・低温側
の導体、４，５・・・・・・高温側導体兼液体窒素冷却
ボックス、６．・・・・・・絶縁体製の液体窒素流路、
　　７．・・・・・・液体窒素流入口、８、・・・・・
・液体窒素流出口、　　９．・・・・・・真空槽、１０
、・・・・・・真空憎冷却用液体窒素パイプ、　　１１
．・・・・・・絶縁体、１２．・・・・・・ハーメチッ
クシール、１３．１４・・・・・・熱電対、　　１５．
・・・・・・熱シールド、１６、・・・・・・温度記録
計、１７．・・・・・・真空引き口、１８、・・・・・
・直流電源、　　１９．・・・・・・電圧計、２０パ°
°°°°電流計、　２１．・・・・・・導線代理人弁理
士　　則　近　憲　佑 同　　松山光速 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　異種の導電材を直列に接合した回路に電流を流した時
   、あるいは温度差をあたえた時に生ずる熱電効果を利用
   する熱電素子において、前記異種の導電材が超電導材と
   超電導材以外の導電材とで形成されていることを特徴と
   する熱電素子。