JPH07221353A

JPH07221353A - 熱電素子

Info

Publication number: JPH07221353A
Application number: JP6014127A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kato; 雅之加藤; Toshikazu Takeda; 敏和竹田; Makoto Ogawa; 誠小川; Hideo Ishiyama; 日出夫石山; Shigeo Takita; 茂生滝田; Eiji Okumura; 英二奥村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【目的】高い発電効率で大きな電力を得ることができ
る、熱源と発電源とを一体化させた熱電素子を提供す
る。【構成】互いに異なる電荷担体を提供する２種の材料
からなるポーラス体１、２を並べ置き、これらのポーラ
ス体内でポーラス体の並び方向に交わる方向に燃焼流体
を流動させ、その下流端で燃焼させる燃焼流体源１０を
設け、この下流端に両ポーラス体に導通する網状に形成
した電極４を設け、上流端より熱起電力を取り出すよう
に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、温度差を利用して起電
力を得る熱電素子に係り、特に、高い発電効率で大きな
電力を得ることができる、熱源と発電源とを一体化させ
た熱電素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ゼーベック効果、ペルチェ効果、トムソ
ン効果等の熱電効果は、異種の材料を接合した構造にお
いて熱エネルギと電気エネルギとの相互変換を生じるも
のであり、熱による起電力の発生、或いは電流による熱
量の発生・吸収を行う熱電素子に応用される。例えば、
Ａ、Ｂの２種の金属又は半導体で２つの接合部を持った
閉回路を構成し、両接合部に温度差を与える。Ａ、Ｂそ
れぞれの内部で接合部間の温度差によって電荷担体の密
度に偏りが生じるため、電荷担体が拡散し、拡散電流が
生じる。ｐ型の電荷担体による拡散電流とｎ型の電荷担
体による拡散電流とは互いに逆方向である。Ａ、Ｂの比
較においてｐ型の電荷担体が優勢であるかｎ型の電荷担
体が優勢であるかが異なるので、主に低温側から高温側
へ電流が流れるものと、主に高温側から低温側へ電流が
流れるものに別れる。従って、閉回路に電流が流れるよ
うになる。

【０００３】一般に、熱電素子は図７のように、Π型に
形成される。即ち、Ｐ型半導体のブロック７１とＮ型半
導体のブロック７２とを並べ置き、両ブロックの同側の
端面を単一の電極７３で覆い、反対の端面にブロック別
の電極７４、７５を設けて、Π字状の構造とする。単一
の電極の側を高熱源（図の上方）に、ブロック別の電極
の側を低熱源（図の下方）に置くことにより、ブロック
別の両電極７４、７５から電力を取り出すことができ
る。７６は負荷、矢印は熱伝導の方向を表す。図の左に
付加されたグラフは、熱伝導の方向に沿った温度分布を
示している。ブロック長さｘにおける温度差はＴであ
り、温度勾配は実線又は破線のようなものになる。

【０００４】ブロックを構成する材料の密度には高いも
のが要求され、従来、そのような密度の高い熱電素子が
開発されている。

【０００５】熱電素子は、温度センサとしての用途がよ
く知られているが、他の素子や装置に電力を供給する電
力源（発電装置）としての用途にも応用が試みられてい
る。例えば、熱電素子を、燃料を燃焼させている燃焼部
に隣接させたり、太陽光等を集光した高温体に隣接さ
せ、片方を冷却して温度差を発生させて起電力を得てい
る。電力源として応用するためには大きな電力が得られ
ることが必要であり、大きな電力を得るためには、温度
差が大きいこと、効率がよいことが条件である。しか
し、温度差を大きくしようとして高温側の温度を上げて
も、熱が低温側に拡散して温度差が開かないという問題
が生じる。温度差を拡げるために、ブロックを長くする
と、そのブロック内部での電気抵抗が増加してしまう。
また、熱の拡散を阻むために、熱伝導率の小さい材料を
使用すると、原理的に熱電変換の効率までが小さくなっ
てしまう。こうした理由から、熱電素子を電力源とする
には困難があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高い発電効
率で大きな電力を得るために、従前にない、熱源と発電
源とを一体化させた熱電素子を提案するものである。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、高い発電効率で大きな電力を得ることができる、熱
源と発電源とを一体化させた熱電素子を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、互いに異なる電荷担体を提供する２種の材
料からなるポーラス体を並べ置き、これらのポーラス体
内でポーラス体の並び方向に交わる方向に燃焼流体を流
動させ、その下流端で燃焼させる燃焼流体源を設け、こ
の下流端に両ポーラス体に導通する網状に形成した電極
を設け、上流端より熱起電力を取り出すように構成した
ものである。

【０００９】上記両ポーラス体の間に、電気的絶縁性を
有しかつ燃焼流体を通過させないスペーサを設けてもよ
い。

【００１０】上記２種のポーラス体はＰ型及びＮ型の半
導体粒子をそれぞれ集成して固化させたものであっても
よい。

【００１１】上記２種のポーラス体を交互に複数配置
し、これらのポーラス体を直列接続してもよい。

【００１２】

【作用】ポーラス体（ポーラス構造体）は、多孔構造体
であり、微小な、ただし大きさは一定しない球形或いは
不定形の多数の空洞が相互に接合し連通し合う構造を有
している。図８は、その拡大イメージを示している。ポ
ーラス体は、空洞が連通し合っているので通流体性があ
り、ポーラス体の一方より流体を流し込むと、局部的に
は流動方向は定まらないが、全体的には一方より他方へ
流体を流動させることができる。

【００１３】このポーラス体に、燃料を含んだ可燃性混
合気等の燃焼流体を流し込み、ポーラス体内で燃焼させ
ると、自由空間での燃焼とは異なった様相を呈する。即
ち、自由空間ではひとつに連続した燃焼面が自由に拡が
るが、ポーラス体内では空洞の連通部毎に規制された微
細な燃焼面が多数形成され、その局部的な燃焼面での燃
焼流体の移動と消費とのバランスが保たれている。この
ような火炎構造にあっては、全体的には燃焼が行われて
いる位置（以下、燃焼帯という）が燃焼流体の流速に依
存しない。

【００１４】いま、このポーラス体の一側に燃焼流体源
を設け、これより燃焼流体を供給してポーラス体内で燃
焼流体を流動させ、その下流端で燃焼させるようにする
と、その下流端に燃焼帯が安定維持される。

【００１５】このポーラス体内での燃焼流体の燃焼によ
る発熱を熱源に利用することを考えると、上記燃焼帯で
ある下流端が高温側であり、その反対に上流端が低温側
となる。高温側から低温側への熱の伝搬により温度勾配
が形成される。ところが、この構成にあっては、熱の伝
搬とはちょうど逆方向に燃焼流体が流動している。熱の
媒体である燃焼流体がその伝搬方向と逆に流動している
ので、伝搬が妨げられる。そして、低温側から来る低温
の燃焼流体のためにポーラス体が冷却される。このよう
にして、温度勾配は高温側に押し戻され、燃焼帯の近傍
に急峻でかつ温度差の大きい温度勾配が形成される。

【００１６】本発明は、流体燃料をポーラス体で構成し
た熱電素子内に通過させて供給し、その流体燃料が熱電
素子を通過し終わる位置で燃焼が起きるようにし、この
燃焼の熱により熱電素子に温度差を与えて発電するもの
である。

【００１７】即ち、互いに異なる電荷担体（ｐ型とｎ
型）を提供する２種の材料で、それぞれポーラス体が構
成される。これらのポーラス体は熱電変換の動作におい
て、Ｐ型、Ｎ型として作用するものである。これらのポ
ーラス体が並べ置かれる。

【００１８】燃焼流体源が燃焼流体を供給することによ
り、各ポーラス体内でその並び方向に交わる方向に燃焼
流体が流動する。そして、その下流端で燃焼流体が燃焼
する。前に説明したように、この下流端に燃焼帯が安定
維持され、燃焼帯の上流側近傍に急峻でかつ温度差の大
きい温度勾配が形成される。

【００１９】この下流端には、両ポーラス体に導通する
網状に形成した電極が設けられている。この電極を網状
に形成したのは、燃焼流体の通過を図るためである。そ
して、この電極が両ポーラス体に導通するにことより、
Π型の熱電素子が形成され、上流端より熱起電力を取り
出すことができる。この熱電素子にあっては、高温側と
低温側とのあいだに、急峻でかつ温度差の大きい温度勾
配が形成されているので、高い発電効率で大きな電力を
得ることができる。

【００２０】上記両ポーラス体の間は空間であっても電
気的絶縁性を図ることができるが、本発明では燃焼流体
をポーラス体内で流動させる構成であるから、ポーラス
体外には燃焼流体を通過させないことが望ましい。従っ
て、両ポーラス体の間に燃焼流体を通過させない程度に
密な構造のスペーサを設けるのがよい。

【００２１】２種のポーラス体の材料としては、導体
（金属、合金）や半導体を使用することができる。好適
には、典型的なＰ型の動作をするＰ型半導体と典型的な
Ｎ型の動作をするＮ型半導体を使用する。これらの半導
体からポーラス体を製造するために、各半導体素材は粒
子で供給される。そして、この半導体粒子を集成して所
望のポーラス体形状に成形した後、固化させる。固化の
方法は、焼結、通電による固化等である。

【００２２】Π型の熱電素子を構成する最小単位には、
Ｐ型のポーラス体とＮ型のポーラス体と網状電極とが、
それぞれ１個あればよい。この最小単位のΠ型の熱電素
子を複数並べてアレイ状の熱電素子発電装置を構成する
こともできる。これによって、燃焼流体流の断面積が大
きくなり、大容量化される。この場合、Π型の各熱電素
子を直列、並列に接続することにより、電圧や電流容量
を大きくすることができる。直列型の構成のためには、
ひとつのΠ型の熱電素子のＰ型のポーラス体の上流端
と、別のΠ型の熱電素子のＮ型のポーラス体の上流端と
を接続すればよい。接続構成を簡単にするには、２種の
ポーラス体を交互に複数配置し、相隣り合うポーラス体
を、順次、直列接続すればよい。

【００２３】

【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００２４】図１に示されるように、本発明の熱電素子
は、主にｐ型の電荷担体を提供する材料からなるほぼ直
方体のブロック１（以下、Ｐ型ブロックという）と、主
にｎ型の電荷担体を提供する材料からなるほぼ直方体の
ブロック２（以下、Ｎ型ブロックという）とが所定の間
隔を隔てて並べ置かれている。これらのブロック１、２
は、いずれもポーラス体であり、通流体性を有してい
る。ブロック１とブロック２との間は、スペーサ３で埋
められている。スペーサ３は、電気的絶縁性を有するも
のであり、かつ通流体性のない密な構造を有している。

【００２５】両ブロック１、２の上面は良導電性の金属
からなる網状の電極４で覆われており、両ブロック１、
２の上面同士は、この電極４によって導通している。両
ブロック１、２と網状の電極４とにより、図２のΠ型の
熱電素子が構成されている。各ブロック１、２の下面
は、それぞれ良導電性の金属からなる網状の電極５、６
で覆われており、これらの電極５、６は、この熱電素子
の熱起電力取り出しのための正負の電極を構成してい
る。ここでは、これらの電極５、６に対し電圧計７が接
続されている。勿論、応用用途に応じて、種々の負荷を
接続することができる。

【００２６】両ブロック１、２の側面は、４面ともガラ
ス等からなる外壁８で覆われている。外壁８は、ブロッ
ク１、２の下面の方向に延出されており、外壁８で囲ま
れた中空部が流体通路９を形成している。両ブロック
１、２は、この流体通路９の出口近傍に位置し、ブロッ
ク１、２の並び方向と流体の流動方向（矢印）とが直交
していることになる。この流体通路９は、図外の燃料タ
ンク、吸気装置等から取り入れて混合された燃焼流体を
供給するための燃焼流体源１０を構成している。燃焼流
体源１０から供給される燃焼流体は、ポーラス体内の流
体の流動特性に応じて、ブロック１、２の下面（上流
端）から上面（下流端）へ流動することができる。ま
た、燃焼流体は、下流端、即ち電極４の位置するブロッ
ク１、２の上面近傍で燃焼帯１１を形成して燃焼するよ
うになっている。

【００２７】燃焼流体は、互いに燃焼反応する複数の物
質からなる流体であり、通常には、燃料と空気（酸素）
とを混合した可燃性混合気である。例えば、燃料として
都市ガス等の燃料ガスを使用することもできるし、未燃
成分を含む排気ガスを燃焼させてもよい。ここでは、ア
セチレンと空気とを所定の混合比で混合したものを用い
る。

【００２８】次に、熱電素子の詳細を製造方法と共に述
べる。

【００２９】まず、ポーラス体の材料には、鉄珪素合
金、シリコンゲルマ、鉛テルル、ビスマステルル、アン
チモンテルルなどがあげられる。本実施例では、鉄珪素
合金を主体とする。この鉄珪素合金に所定の添加元素成
分を加え、Ｐ型、Ｎ型の半導体を各々構成する。Ｐ型に
は主にＭｎ（マンガン）、Ｎ型には主にＣｏ（コバル
ト）を添加する。

【００３０】上記Ｐ型、Ｎ型の半導体材料を、直径２０
〜１０００μｍの粒状或いは球状の粒子で供給する。粒
度分布は±５０％でよい。図３に示されるように、所望
の熱電素子の形状に合わせて底面及び側面をダイ３１で
囲った雌型３２を構成する。この雌型３２の底面に電極
用の金網３３を敷き、その中央を仕切り板３４で仕切
る。仕切り板３４の両側に上記Ｐ型、Ｎ型の半導体材料
３５、３６を投入し、それぞれの上部に電極用の金網３
７、３８を載せる。その金網３７、３８の上方よりパン
チ３９を押し下げ、所定圧で加圧する。この状態で通放
電を行うことにより、粒子を相互に接合させてポーラス
体として固化させる。

【００３１】このようにして、図４に示すようなＰ型、
Ｎ型のブロックを１対有するΠ型の熱電素子４１が成形
される。４２はＰ型ブロック、４３はＮ型ブロック、４
４は共通電極、４５、４６は個別電極である。図４に示
されるものは、１００〜１５０μｍの各粒子を用い、金
網には平織５０メッシュ、線径０．２３ｍｍのｓｕｓ３
０４を用い、加圧力５０Ｋｇ／ｃｍ²、通放電電流密度
１０００Ａ／ｃｍ²の条件下で製造されたものであり、
１０ｍｍ×１０ｍｍ×高さ５ｍｍの直方体で、気孔率３
５％となっている。

【００３２】なお、粒状固化の方法には、通電による固
定化法の他に焼結法を用いることができる。また、電極
は、金網を用いる他に、良導電性の金属を上記と同様の
方法で粒状固化しても構成しうる。

【００３３】次に実施例の作用を述べる。

【００３４】図１において、燃焼流体源１０が流体通路
９を介して矢印方向に燃焼流体を供給する。両ブロック
１、２はポーラス体であるから、燃焼流体は両ブロック
１、２内を下面（上流端）から上面（下流端）へ流動す
る。スペーサ３は燃焼流体を通さない。燃焼流体は下流
端で燃焼する。ポーラス体特有の燃焼により、この下流
端に燃焼帯が安定維持され、燃焼帯の近傍に急峻でかつ
温度差の大きい温度勾配が形成される。

【００３５】この下流端には、電極４が設けられてい
る。電極４は網状に形成されているので、燃焼流体及び
その燃焼による排気ガスを通過させることができる。両
ブロック１、２と網状の電極４とからなるΠ型の熱電素
子にあっては、高温側と低温側とのあいだに、急峻でか
つ温度差の大きい温度勾配が形成されているので、高い
発電効率で大きな電力を得ることができる。即ち、電極
５、６から電力を取り出すことができる。

【００３６】図４のものを実際に使用して、燃焼及び発
電の試験を行ったところ、高温側で８５０℃、低温側で
２００℃が観測され、その起電力は３００ｍＶであっ
た。

【００３７】次に、他の実施例を説明する。

【００３８】図５に示される熱電素子は、Ｐ型、Ｎ型の
ブロック１、２を縦横に交互に配置したものである。陰
影を付した隣り合う１対のＰ型、Ｎ型のブロック１、２
により、最小単位のΠ型の熱電素子が構成されている。
各ブロックはほぼ等間隔であり、縦横にスペーサ３が充
填されている。

【００３９】各Π型の熱電素子の接続形態が図６に示さ
れる。ブロック１、２の下面の電極６１は、上面の電極
４と互い違いに、隣り合うブロック１、２に掛け渡され
ている。このように、各ブロックを順次、直列接続する
ことにより、Π型の熱電素子を複数段に直列接続した発
電装置が形成される。

【００４０】本発明の熱電素子の用途は、燃焼流体を熱
電素子内で燃焼させるという特色を生かして、燃焼の余
熱のエネルギ利用、排気ガスのエネルギ回生等が考えら
れる。例えば、ガスストーブの燃焼部分に熱電素子を用
い、得られた電力をファンの動力に利用する。また、未
燃成分を含む排気ガス等の有機可燃性ガスを含む環境の
空気を燃焼させ、有機可燃性ガスの除去と発電とを行う
電気回生に利用する。また、燃焼機関と電気機関とを具
備する電気ハイブリッド自動車において、排気ガスの再
燃焼過程で熱電素子による発電を行い機関電源の補充に
あてる。

【００４１】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００４２】（１）熱電素子内で燃料が燃焼するので、
特別な燃焼装置（燃焼室、バーナ等）を設ける必要がな
く、また、熱源と発電源とが一体化しているため、熱源
から発電源までの熱伝導による損失がない。

【００４３】（２）高い発電効率で大きな電力が得られ
るので、熱電素子の電力源としての用途が拡がる。

【００４４】（３）急峻でかつ温度差の大きい温度勾配
が得られるので、熱電素子を薄型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す熱電素子の断面図であ
る。

【図２】本発明の熱電素子の基本構成図である。

【図３】本発明の熱電素子の製造方法を示す断面図であ
る。

【図４】本発明の熱電素子の斜視図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す熱電素子の平面図で
ある。

【図６】図５の熱電素子の断面図である。

【図７】Π型熱電素子の構造及び動作原理を示すブロッ
ク図である。

【図８】ポーラス体の拡大イメージを示す組織構造図で
ある。

【符号の説明】

１Ｐ型ブロック（ポーラス体）２Ｎ型ブロック（ポーラス体）３スペーサ４、５、６電極１０燃焼流体源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石山日出夫神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内 (72)発明者滝田茂生神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内 (72)発明者奥村英二神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに異なる電荷担体を提供する２種の
材料からなるポーラス体を並べ置き、これらのポーラス
体内でポーラス体の並び方向に交わる方向に燃焼流体を
流動させ、その下流端で燃焼させる燃焼流体源を設け、
この下流端に両ポーラス体に導通する網状に形成した電
極を設け、上流端より熱起電力を取り出すように構成し
たことを特徴とする熱電素子。
【請求項２】上記両ポーラス体の間に、電気的絶縁性
を有しかつ燃焼流体を通過させないスペーサを設けたこ
とを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項３】上記２種のポーラス体はＰ型及びＮ型の
半導体粒子をそれぞれ集成して固化させたものであるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の熱電素子。
【請求項４】上記２種のポーラス体を交互に複数配置
し、これらのポーラス体を直列接続したことを特徴とす
る請求項１〜３いずれか記載の熱電素子。