JPH0249480A - 熱電装置 - Google Patents
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- JPH0249480A JPH0249480A JP1106109A JP10610989A JPH0249480A JP H0249480 A JPH0249480 A JP H0249480A JP 1106109 A JP1106109 A JP 1106109A JP 10610989 A JP10610989 A JP 10610989A JP H0249480 A JPH0249480 A JP H0249480A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/81—Structural details of the junction
- H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Devices For Blowing Cold Air, Devices For Blowing Warm Air, And Means For Preventing Water Condensation In Air Conditioning Units (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
- Resistance Heating (AREA)
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。
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〕
本発明は電気的に直列に接続され且つ熱的に並列に接続
されている多数の熱電素子から構成され、該熱電素子の
各々に逆導電型の、電気的に直列に接続され且つ熱的に
並列に接続されている、二つの素子半部が設けられてい
る熱電装置に関する。
されている多数の熱電素子から構成され、該熱電素子の
各々に逆導電型の、電気的に直列に接続され且つ熱的に
並列に接続されている、二つの素子半部が設けられてい
る熱電装置に関する。
このような装置は1970年アメリカ合衆国マサチュー
セッツ州リーディングのアデイソンウエーズリー出版会
社(Addison −Wssl@y Publish
ingcompany )から発行されたM、A11
Kettany著[直接エネルギー変換(Dlrect
Energy Conv@rslon)jp、 15
9 にエリ周知である。
セッツ州リーディングのアデイソンウエーズリー出版会
社(Addison −Wssl@y Publish
ingcompany )から発行されたM、A11
Kettany著[直接エネルギー変換(Dlrect
Energy Conv@rslon)jp、 15
9 にエリ周知である。
既知の装置の場合素子半部は半導体材料の棒から構成さ
れている。
れている。
実際問題として熱電素子は列状に配置する必要はないが
、マトリックスに配置することができ、一方幾つかの熱
電装置は、冷却などを目的とする効果を高めるため、熱
的に直列にすなわち縦続に接続することができる。
、マトリックスに配置することができ、一方幾つかの熱
電装置は、冷却などを目的とする効果を高めるため、熱
的に直列にすなわち縦続に接続することができる。
既知の装置には多数の短所があるが、その幾つかについ
て以下に説明する。
て以下に説明する。
一般に熱電素子は互いに比較的小さな距離だけ隔てられ
た2枚の平行板の間に封入されている。
た2枚の平行板の間に封入されている。
装置が動作しているとき一方の板は冷くなり他方の板は
熱くなる。熱電効果を別にして、2枚の板は、実際互い
に小さな距離だけ隔てられているが、互いに影響し合い
、その結果、熱い板は冷くなり、冷い板は、熱くなり、
これにより熱電装置の効率が下る。
熱くなる。熱電効果を別にして、2枚の板は、実際互い
に小さな距離だけ隔てられているが、互いに影響し合い
、その結果、熱い板は冷くなり、冷い板は、熱くなり、
これにより熱電装置の効率が下る。
装置の動作中流れる電流は素子半部にジュール熱を発生
し、これも効率の低下を生ずる。
し、これも効率の低下を生ずる。
前記効率の低下は装置を熱的に使用するときおよび装置
を電気的に使用するとき共に生ずることを強調したい。
を電気的に使用するとき共に生ずることを強調したい。
前者で生ずる短所は素子半部を長くすることにより軽減
されるが、こうすることは後者で生ずる短所が著るしく
なるだけである。
されるが、こうすることは後者で生ずる短所が著るしく
なるだけである。
本発明の目的は既知の熱電装置の短所を除くことである
。
。
前述の目的は序文で言及し念形式の装置により達成され
るが、その装置は電気的に直列に接続された二つの半導
電性端部片お工び導電性中間片を備えていることを特徴
とする。
るが、その装置は電気的に直列に接続された二つの半導
電性端部片お工び導電性中間片を備えていることを特徴
とする。
本発明は半導体接合における熱電効果は自由電子の増強
領域および涸渇領域で実質上発生するので、原理上は前
記領域の大きさのものよりはるかに多い半導電性材料は
必要でなく、マた半導体接合は、おそらくは多数の形状
および断面を有する導体により共に接続することができ
、この導体の熱電効果は半導体接合と比較して無視でき
、更にこの導体の抵抗は無視できるので、ジュール熱は
ほとんど発生しないという知見に基く。これにより前記
板を互いに対して大きな距離を隔てて設置することが可
能になる。この間隙は平行である必要はない。その理由
は本発明による中間片を可婦性にすることができ、これ
に工り、それぞれ一方の板に関連している端板全熱的に
並列に接続することができるからである。ま九中間片の
長さを選定することに工9、少くとも一方の板に一定の
輪郭または所定の形状を与えることができる。中間片の
材料および形状を適切に選択することにより板を横切っ
て温度勾配を与えることができ、したがって中間片を異
なる材料のものとすることができる。
領域および涸渇領域で実質上発生するので、原理上は前
記領域の大きさのものよりはるかに多い半導電性材料は
必要でなく、マた半導体接合は、おそらくは多数の形状
および断面を有する導体により共に接続することができ
、この導体の熱電効果は半導体接合と比較して無視でき
、更にこの導体の抵抗は無視できるので、ジュール熱は
ほとんど発生しないという知見に基く。これにより前記
板を互いに対して大きな距離を隔てて設置することが可
能になる。この間隙は平行である必要はない。その理由
は本発明による中間片を可婦性にすることができ、これ
に工り、それぞれ一方の板に関連している端板全熱的に
並列に接続することができるからである。ま九中間片の
長さを選定することに工9、少くとも一方の板に一定の
輪郭または所定の形状を与えることができる。中間片の
材料および形状を適切に選択することにより板を横切っ
て温度勾配を与えることができ、したがって中間片を異
なる材料のものとすることができる。
中間片の適切な材料は銅であり、これは良好な導電体で
ある。
ある。
理論的には電気伝導度が高くて熱伝導度が低い材料を選
ぶべきであるが、実際問題としては電気伝導度が優れて
いることにより得られる長所は熱伝導度が低いことが必
要であるにもかかわらず、熱伝導度が高くなることによ
り相殺される。
ぶべきであるが、実際問題としては電気伝導度が優れて
いることにより得られる長所は熱伝導度が低いことが必
要であるにもかかわらず、熱伝導度が高くなることによ
り相殺される。
この点について金属の熱伝導度は軽くドーピングするこ
とにより既にかなり小さくすることができるということ
に注目することが役立つ。この:うに鋼中にある微量の
砒素により熱伝導度が3分の−に下がる。
とにより既にかなり小さくすることができるということ
に注目することが役立つ。この:うに鋼中にある微量の
砒素により熱伝導度が3分の−に下がる。
本発明によれば、中間片の長さを端部片の長さより実質
上長く選ぶことができる。
上長く選ぶことができる。
更にEP−A−0160433からそれぞれ素子半部を
、鋼のような、電気伝導性および熱伝導性が良好な材料
の台座〈設置することはそれ自体既知であることに注意
する。事実この既知の装置の半導電性材料の一部は導電
材料で置き換えられており、その結果、半導電性材料が
節約され、本発明の場合の:うに、ジュール熱による効
率への悪影響が減少する。ただし、温度の差は素子半部
の半導電性材料を横断しなければならないから、台座の
熱伝導度が高くなければ々ら力い。ジュール熱により生
ずる損失を減らした場合低温側と高温側との間の熱抵抗
も減少する。というのはこの熱抵抗は素子半部の半導体
部の長さに正比例するからである。要約すれば、序文に
述べた第1の短所はこの既知の装置では取除かれない。
、鋼のような、電気伝導性および熱伝導性が良好な材料
の台座〈設置することはそれ自体既知であることに注意
する。事実この既知の装置の半導電性材料の一部は導電
材料で置き換えられており、その結果、半導電性材料が
節約され、本発明の場合の:うに、ジュール熱による効
率への悪影響が減少する。ただし、温度の差は素子半部
の半導電性材料を横断しなければならないから、台座の
熱伝導度が高くなければ々ら力い。ジュール熱により生
ずる損失を減らした場合低温側と高温側との間の熱抵抗
も減少する。というのはこの熱抵抗は素子半部の半導体
部の長さに正比例するからである。要約すれば、序文に
述べた第1の短所はこの既知の装置では取除かれない。
換言し要約すれば、本発明に工ればP型またはN型の半
導電性材料から成る従来の素子半部が有効抵抗の低い、
好ましくは熱抵抗の高い、おそらく工9長い半導電性素
子半部で置き換えられている。
導電性材料から成る従来の素子半部が有効抵抗の低い、
好ましくは熱抵抗の高い、おそらく工9長い半導電性素
子半部で置き換えられている。
本発明について以下に更に1必要な限り、本発明による
装置の実施例を図式に示す単一図から成る図面を参照し
て、説明することにする。
装置の実施例を図式に示す単一図から成る図面を参照し
て、説明することにする。
図は本発明による熱電装置の部分断面を図式に示してい
る。熱電素子4はブリッジ5により電気的に直列に接続
されている。更に熱電素子4は電気的に絶縁性で且つ熱
的に伝導性の材料から成る2枚の板2および3の間に熱
的に並列に接続されている。
る。熱電素子4はブリッジ5により電気的に直列に接続
されている。更に熱電素子4は電気的に絶縁性で且つ熱
的に伝導性の材料から成る2枚の板2および3の間に熱
的に並列に接続されている。
ブリッジ5から離れて各熱電素子4はそれぞれ二つの素
子半部6および7から構成されている。
子半部6および7から構成されている。
図において素子半部6はP導電型の二つの半導電性端部
片8お工び、それらの間に接続された、電気伝導性が良
好で且つ好ましくは熱伝導度の低い材料から成る中間片
9から構成されている。素子半部7も同様に電気伝導性
が良好で且つ好ましくは熱伝導度が低い材料から成る中
間片9を備えているが、この場合には、N導電型の半導
電性端部片10を備えている。換言すれば、各素子半部
6゜γは二りの半導電性端部片8,8,01,10およ
び導電性中間片9,9を備えており、これらは電気的に
直列に接続されている。
片8お工び、それらの間に接続された、電気伝導性が良
好で且つ好ましくは熱伝導度の低い材料から成る中間片
9から構成されている。素子半部7も同様に電気伝導性
が良好で且つ好ましくは熱伝導度が低い材料から成る中
間片9を備えているが、この場合には、N導電型の半導
電性端部片10を備えている。換言すれば、各素子半部
6゜γは二りの半導電性端部片8,8,01,10およ
び導電性中間片9,9を備えており、これらは電気的に
直列に接続されている。
P導電型端部片8およびN導電型端部片10はそれぞれ
各ブリッジ5において接続されており、上述の自由電子
の増強および涸渇のプロセスは電流の通路を有するブリ
ッジ5で行われる。それ故結果として熱電効果がブリッ
ジ5に発生する。
各ブリッジ5において接続されており、上述の自由電子
の増強および涸渇のプロセスは電流の通路を有するブリ
ッジ5で行われる。それ故結果として熱電効果がブリッ
ジ5に発生する。
中間片9の両端に同じ導電型の半導電性材料があり、少
くとも実質上増強または涸渇のプロセスは存在しない。
くとも実質上増強または涸渇のプロセスは存在しない。
その結果、それ故、中間片9にはほとんどまたは全く熱
電効果が発生しない。
電効果が発生しない。
本発明による熱電装置と従来のものとの構造の差異は従
来のものの場合中間片6.7は端部片8゜8.10.1
0と同じ半導体材料から成るという点にある。
来のものの場合中間片6.7は端部片8゜8.10.1
0と同じ半導体材料から成るという点にある。
熱電効果に対し次のように書くことができる。
w、 = p・工
ここでW□=輸送される熱量
P =ペルチェ係数
! =熱電装置を通る電流
ジュール熱に対し次のように書くことができる。
W、 = I・ρ・L −A−1(2)ここでw、 =
ジュール熱 ■ =熱電装置を通る電流 ρ =素子半部の電気固有抵抗 L=素子半部の長さ A =素子半部の直径 熱伝導損失に対し次のように書くことができる。
ジュール熱 ■ =熱電装置を通る電流 ρ =素子半部の電気固有抵抗 L=素子半部の長さ A =素子半部の直径 熱伝導損失に対し次のように書くことができる。
”” ’ (31
W、 =ΔT−に−A−L。
ここでw3=輸送される熱量
ΔT=熱電装置を横切る温度の差
K =素子半部の熱伝導度
A =素子半部の直径
L=素子半部の長さ
式(1)から装eを冷却装置として使用するとき装置を
横切る温度差ΔTはペルチェ係数Pおよび装置を通る電
流Iに正比例し、装置を発電機として使用するとき電流
工(短絡電流)は所定のペルチェ係数Pを有する装置を
横切る温度差ΔTに正比例することが明らかである。
横切る温度差ΔTはペルチェ係数Pおよび装置を通る電
流Iに正比例し、装置を発電機として使用するとき電流
工(短絡電流)は所定のペルチェ係数Pを有する装置を
横切る温度差ΔTに正比例することが明らかである。
式(2)から装置を冷却装置として使用するとき損失W
、は電流■と共に二次的に増大し、効率が下がることか
明らかである。前記損失W、は抵抗R=ρ・L−A
が小さいことに注意することにより小さくすることがで
きるi普通の素子半部に対し、ペルチェ係数が大きいこ
とに鑑み、半導体材料を使用するので、所定の構造の場
合電気固有抵抗ρが一定となり、素子半部の長さしおよ
び直径Aだけを最適に設定することができる。
、は電流■と共に二次的に増大し、効率が下がることか
明らかである。前記損失W、は抵抗R=ρ・L−A
が小さいことに注意することにより小さくすることがで
きるi普通の素子半部に対し、ペルチェ係数が大きいこ
とに鑑み、半導体材料を使用するので、所定の構造の場
合電気固有抵抗ρが一定となり、素子半部の長さしおよ
び直径Aだけを最適に設定することができる。
式(3)から装置を冷却装置として使用するとき損失W
8は装Rを横切る温度差ΔTの関数として増大すること
が明らかである。熱伝導度には一旦半導体材料を選択す
れば一定でろるので、素子半部の長さしおよび直径Aを
適切に選択することによってのみ最適に設定することが
できるが、これに工り損失W、およびW8を最適化する
条件が反対であることが注目される。
8は装Rを横切る温度差ΔTの関数として増大すること
が明らかである。熱伝導度には一旦半導体材料を選択す
れば一定でろるので、素子半部の長さしおよび直径Aを
適切に選択することによってのみ最適に設定することが
できるが、これに工り損失W、およびW8を最適化する
条件が反対であることが注目される。
しかし、本発明によれば、中間片9を使用するが、これ
は端部片8tたは10の導電型に応じ、P型ま念はN型
の材料として挙動する。それにより中間片9の材料は熱
伝導度にお工び電気伝導度ρに基いて選択されるのであ
り、それ故、従来技術による場合のように大きいペルチ
ェ係数Pに基いて選択されるのではない。
は端部片8tたは10の導電型に応じ、P型ま念はN型
の材料として挙動する。それにより中間片9の材料は熱
伝導度にお工び電気伝導度ρに基いて選択されるのであ
り、それ故、従来技術による場合のように大きいペルチ
ェ係数Pに基いて選択されるのではない。
端部片8.10の厚さはほぼ数μmの大きさであり、端
部片はBITeのような普通の半導体材料から構成する
ことができる。層の前記厚さは素子半部の伝統的な長さ
の約0.1%であり、この結果半導体材料のジュール熱
の損失W、は同じ程度の大きさだけ小さく々る。
部片はBITeのような普通の半導体材料から構成する
ことができる。層の前記厚さは素子半部の伝統的な長さ
の約0.1%であり、この結果半導体材料のジュール熱
の損失W、は同じ程度の大きさだけ小さく々る。
中間片9の材料は可能な限り有利な電気固有抵抗ρおよ
び熱伝導度にの値で選択しなければならない。以後、半
導体材料の電気固有抵抗および熱伝導度をそれぞれρ4
およびKAで、中間片9の材料のそれをそれぞれρ、お
よびに、で表わすことにする。中間片9に対する材料が
あり、これに対しρ、−γ・ρA(γ<1)が成立する
と仮定すると、Kt=KA・γ を適用することがで
き、同じ損失W8を素子半部6,7で装置に許容される
とすれば、これから次式が得られる。
び熱伝導度にの値で選択しなければならない。以後、半
導体材料の電気固有抵抗および熱伝導度をそれぞれρ4
およびKAで、中間片9の材料のそれをそれぞれρ、お
よびに、で表わすことにする。中間片9に対する材料が
あり、これに対しρ、−γ・ρA(γ<1)が成立する
と仮定すると、Kt=KA・γ を適用することがで
き、同じ損失W8を素子半部6,7で装置に許容される
とすれば、これから次式が得られる。
式(4)から材料の電気固有抵抗ρと熱伝導度にとの比
の値が小さくなるほど損失Wllが減ることが明らかで
るる。前記比を今後z値と呼ぶことにする。経験によれ
ばBITeの2値は1,46に等しいことがわかってい
る。銀、銅、お工び白金を90チ、イリジウムilo%
含んでいる合金の2値はそれぞれ1.7X10 .1.
7X10 、および3.2×10 (Ω・3・cat
)である。この後の方の三つの2値はB1Teの2
値より何十倍も良好である。
の値が小さくなるほど損失Wllが減ることが明らかで
るる。前記比を今後z値と呼ぶことにする。経験によれ
ばBITeの2値は1,46に等しいことがわかってい
る。銀、銅、お工び白金を90チ、イリジウムilo%
含んでいる合金の2値はそれぞれ1.7X10 .1.
7X10 、および3.2×10 (Ω・3・cat
)である。この後の方の三つの2値はB1Teの2
値より何十倍も良好である。
このことがら銅および銀を選ぶべきであるが、銅の成る
合金は良好なZ値を生ずるがもつと良好なZ値を有する
材料が無いか更に調査すべきであるという指摘がある。
合金は良好なZ値を生ずるがもつと良好なZ値を有する
材料が無いか更に調査すべきであるという指摘がある。
いずれの場合でも熱伝導度には砒素をわずかドープする
ことに工93分の1に減らすことができる。
ことに工93分の1に減らすことができる。
また中間片9は異なる材料から成る二つ以上の構成片、
たとえば、端部片8,10にニッケルー鉄合金のような
、高抵抗のための2値が高く長さの短い材料の構成片、
およびそれらの間に長さが更に長く低抵抗であるがZ値
の更に低い構成片を備えることができる。
たとえば、端部片8,10にニッケルー鉄合金のような
、高抵抗のための2値が高く長さの短い材料の構成片、
およびそれらの間に長さが更に長く低抵抗であるがZ値
の更に低い構成片を備えることができる。
例I
仮に本発明による装置の試作品を銅の中間片9およびB
iTeの端部片8,10から構成し、端部片の長さが
約2.5M 、中間片の長さが150になるようにした
。この試作品では効率が、装置を横切る温度差が80に
のとき、同等の標準熱電装置の3倍も高かった。
iTeの端部片8,10から構成し、端部片の長さが
約2.5M 、中間片の長さが150になるようにした
。この試作品では効率が、装置を横切る温度差が80に
のとき、同等の標準熱電装置の3倍も高かった。
例■
例Iと同じであるが、中間片9の銅棒の代りに長さが約
500mの可俟鋼線である。この装置も本発明による動
作を確認した。
500mの可俟鋼線である。この装置も本発明による動
作を確認した。
本発明による熱電装置の効率を上げると、多数の、たと
えば、五つの熱電装置を縦続に接続するとき、以前に可
能だったよりも更に低い温度にすることが可能であり、
これにXり前述の場合、効率を装置あたり3倍改善して
、総合効率が3=243倍改善される。
えば、五つの熱電装置を縦続に接続するとき、以前に可
能だったよりも更に低い温度にすることが可能であり、
これにXり前述の場合、効率を装置あたり3倍改善して
、総合効率が3=243倍改善される。
しばしばベルチェ素子と呼ばれる従来の熱電装置を用い
て150にの温度で熱をIW輸送するためには、ペルチ
ェ素子8個から成る縦続回路が必要であり、7kWのパ
ワーを回路に供給しなければならない。本発明による熱
電装[を用いて念とえば6素子の縦続回路を使用するこ
とができ、これにより必要なパワー人力は7X10 x
3 二IOWにしかならない。
て150にの温度で熱をIW輸送するためには、ペルチ
ェ素子8個から成る縦続回路が必要であり、7kWのパ
ワーを回路に供給しなければならない。本発明による熱
電装[を用いて念とえば6素子の縦続回路を使用するこ
とができ、これにより必要なパワー人力は7X10 x
3 二IOWにしかならない。
前述のように、本発明の熱電装置は、その用途が冷却素
子としてまたは加熱素子としてまたは外電発電機として
使用するかにかかわらず、ベルチェ素子と組合せて使用
することができる。中間片9は剛性でも可撓性でも工く
、またいろいろな形および断面にすることができる。中
間片が可撓性であるときは(高温および低温の)板2,
3は互いに平行である必要はない。
子としてまたは加熱素子としてまたは外電発電機として
使用するかにかかわらず、ベルチェ素子と組合せて使用
することができる。中間片9は剛性でも可撓性でも工く
、またいろいろな形および断面にすることができる。中
間片が可撓性であるときは(高温および低温の)板2,
3は互いに平行である必要はない。
中間片9の材料を次のようなパラメータに合せて選択し
なければならない。
なければならない。
一電気固有抵抗ρを可能な限り低くする。
−熱伝導度を可能な限り低くする。
−2値、すなわち電気固有抵抗ρと熱伝導度にとの比、
を可能な限り低くする。
を可能な限り低くする。
端部片8.10は非常に短くすることができる。
効率が上るため、低温を魅力的に達成することができる
t八この低い温度はこれまでペルチェ素子によって到達
することができなかった。γ線を測定するゲルマニウム
検出器、高速電子回路、半導体、赤外線検出器、および
用途に工らずすべての冷凍器、の冷却についてはこれに
より考えることができる。
t八この低い温度はこれまでペルチェ素子によって到達
することができなかった。γ線を測定するゲルマニウム
検出器、高速電子回路、半導体、赤外線検出器、および
用途に工らずすべての冷凍器、の冷却についてはこれに
より考えることができる。
熱電装置を熱電発電機として使用するときは効率の向上
によV類似の長所が発生する。
によV類似の長所が発生する。
図は本発明による熱電装置の部分断面図である。
5・・・・ブリッジ、6.T・・・・素子半部、8・・
・・端部片、9・・・・中間片。
・・端部片、9・・・・中間片。
Claims (1)
- 電気的に直列に接続され且つ熱的に並列に接続されてい
る多数の熱電素子から構成されている熱電装置であつて
、前記熱電素子の各々には逆導電型の、電気的に直列に
接続され且つ熱的に並列に接続されている、二つの素子
半部が設けられているものにおいて、各素子半部は二つ
の半導電性端部片および導電性中間片とを備えており、
これらが電気的に直列に接続されていることを特徴とす
る熱電装置。
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