JPH0786641A - 熱電発電素子 - Google Patents
熱電発電素子Info
- Publication number
- JPH0786641A JPH0786641A JP5228431A JP22843193A JPH0786641A JP H0786641 A JPH0786641 A JP H0786641A JP 5228431 A JP5228431 A JP 5228431A JP 22843193 A JP22843193 A JP 22843193A JP H0786641 A JPH0786641 A JP H0786641A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- high temperature
- low temperature
- thermoelectric power
- power generation
- temperature section
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Primary Cells (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温部から低温部までの素子抵抗が均一とな
るように断面積を可変し、大きな電力を取り出すことが
できるとともに、低温部の温度上昇を抑制して効率低下
を防止し、更に経済化を図った熱電発電素子を提供す
る。 【構成】 内周部に高温熱源となる高温部１が配設さ
れ、外周部に低温部２が設けられている。支持台６上に
ｐタイプ素子３とｎタイプ素子４とをセパレータ５を挟
んで配設し、ｐタイプ素子３およびｎタイプ素子４の最
外側には電極７，８が取り付けられている。高温部１か
ら低温部２までの素子抵抗が均一となるように断面積を
可変して構成されている。
るように断面積を可変し、大きな電力を取り出すことが
できるとともに、低温部の温度上昇を抑制して効率低下
を防止し、更に経済化を図った熱電発電素子を提供す
る。 【構成】 内周部に高温熱源となる高温部１が配設さ
れ、外周部に低温部２が設けられている。支持台６上に
ｐタイプ素子３とｎタイプ素子４とをセパレータ５を挟
んで配設し、ｐタイプ素子３およびｎタイプ素子４の最
外側には電極７，８が取り付けられている。高温部１か
ら低温部２までの素子抵抗が均一となるように断面積を
可変して構成されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも２種類の異
なる金属、半導体、化合物を含む物質を円筒状、中空円
盤状または放射状に配設して構成され、内周部に高温熱
源が接続される高温部および外周部に低温部を有し、ゼ
ーベック効果を利用した熱電発電素子に関する。
なる金属、半導体、化合物を含む物質を円筒状、中空円
盤状または放射状に配設して構成され、内周部に高温熱
源が接続される高温部および外周部に低温部を有し、ゼ
ーベック効果を利用した熱電発電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車用エンジンの排気熱を回収して電
気に変換するような高温熱源を中心に有する熱電発電素
子としては、金属、半導体、金属間化合物等を用いたも
のとして、図５（ａ），（ｂ）に示すような構造のもの
がある。
気に変換するような高温熱源を中心に有する熱電発電素
子としては、金属、半導体、金属間化合物等を用いたも
のとして、図５（ａ），（ｂ）に示すような構造のもの
がある。
【０００３】図５（ａ）に示す従来の熱電発電素子にお
いては、内周側の高温部と外周側の低温部の断面積はほ
ぼ一定である。このような構成において、高温部の温度
をＴh ＝１０００Ｋとし、低温部の温度をＴ1 ＝４００
Ｋとした場合、素子内の温度勾配は図６に示すように高
温部から低温部までの位置によって変化する位置依存性
を有する。このような温度勾配を有する熱電発電素子が
例えばＦｅＳｉ2 のような半導体で構成されている場合
には、高温部から低温部の間の位置ｘにおける単位長当
たりの抵抗は、図７に示すように位置によって変化する
位置依存性を有し、低温側ほど抵抗が高くなる。
いては、内周側の高温部と外周側の低温部の断面積はほ
ぼ一定である。このような構成において、高温部の温度
をＴh ＝１０００Ｋとし、低温部の温度をＴ1 ＝４００
Ｋとした場合、素子内の温度勾配は図６に示すように高
温部から低温部までの位置によって変化する位置依存性
を有する。このような温度勾配を有する熱電発電素子が
例えばＦｅＳｉ2 のような半導体で構成されている場合
には、高温部から低温部の間の位置ｘにおける単位長当
たりの抵抗は、図７に示すように位置によって変化する
位置依存性を有し、低温側ほど抵抗が高くなる。
【０００４】図５（ｂ）に示す熱電発電素子は、円形板
状または中空円筒状の構造を有し、図５（ａ）の場合と
同様に、素子の円盤の中心の高温部から外周の低温部に
向かって図８に示すような温度勾配を有し、またその抵
抗値は図９に示すように低温部ほど高くなっている。
状または中空円筒状の構造を有し、図５（ａ）の場合と
同様に、素子の円盤の中心の高温部から外周の低温部に
向かって図８に示すような温度勾配を有し、またその抵
抗値は図９に示すように低温部ほど高くなっている。
【０００５】ところで、熱電発電素子の出力Ｐは、素子
の内部抵抗をｒ、外部抵抗をＲ、素子内部を流れる電流
をＩ、ゼーベック係数をαとすると、次式のように表さ
れる。
の内部抵抗をｒ、外部抵抗をＲ、素子内部を流れる電流
をＩ、ゼーベック係数をαとすると、次式のように表さ
れる。
【０００６】
【数１】 ここで、ｍ＝Ｒ／ｒである。
【０００７】この出力Ｐはｍ＝１の時に最大となる。更
に、素子の内部抵抗が小さいほど、大きな電力を取り出
すことができる。
に、素子の内部抵抗が小さいほど、大きな電力を取り出
すことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の熱電発
電素子では、図７に示したように、温度勾配、すなわち
位置の関数で抵抗値に大きな変化が発生し、低温部の大
きな抵抗値によって素子を流れる電流が制限されるとと
もに、その電流によって発生するジュール熱も低温側で
大きくなるため、低温部の加熱を生じ、素子の効率低下
を招くという問題がある。
電素子では、図７に示したように、温度勾配、すなわち
位置の関数で抵抗値に大きな変化が発生し、低温部の大
きな抵抗値によって素子を流れる電流が制限されるとと
もに、その電流によって発生するジュール熱も低温側で
大きくなるため、低温部の加熱を生じ、素子の効率低下
を招くという問題がある。
【０００９】また、図５（ｂ）に示す従来の熱電発電素
子では、図５（ａ）に示すものよりも低温部の抵抗を小
さく抑えることができるが、最適化されていないため、
余分な材料を使用することになり、コストが上昇すると
いう問題がある。
子では、図５（ａ）に示すものよりも低温部の抵抗を小
さく抑えることができるが、最適化されていないため、
余分な材料を使用することになり、コストが上昇すると
いう問題がある。
【００１０】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、高温部から低温部までの素子
抵抗が均一となるように断面積を可変し、大きな電力を
取り出すことができるとともに、低温部の温度上昇を抑
制して効率低下を防止し、更に経済化を図った熱電発電
素子を提供することにある。
その目的とするところは、高温部から低温部までの素子
抵抗が均一となるように断面積を可変し、大きな電力を
取り出すことができるとともに、低温部の温度上昇を抑
制して効率低下を防止し、更に経済化を図った熱電発電
素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の熱電発電素子は、少なくとも２種類の異な
る金属、半導体、化合物を含む物質を円筒状、中空円盤
状または放射状に配設して構成され、内周部に高温熱源
が接続される高温部および外周部に低温部を有し、ゼー
ベック効果を利用した熱電発電素子であって、前記高温
部から低温部までの素子抵抗が均一となるように断面積
を可変して構成したことを要旨とする。
め、本発明の熱電発電素子は、少なくとも２種類の異な
る金属、半導体、化合物を含む物質を円筒状、中空円盤
状または放射状に配設して構成され、内周部に高温熱源
が接続される高温部および外周部に低温部を有し、ゼー
ベック効果を利用した熱電発電素子であって、前記高温
部から低温部までの素子抵抗が均一となるように断面積
を可変して構成したことを要旨とする。
【００１２】
【作用】本発明の熱電発電素子では、高温部から低温部
までの素子抵抗が均一となるように断面積を可変して構
成している。
までの素子抵抗が均一となるように断面積を可変して構
成している。
【００１３】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。
る。
【００１４】図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の
一実施例に係わる熱電発電素子の構成を示す平面図およ
び断面図である。同図に示す熱電発電素子は、内周部に
高温熱源が接続されるまたは高温熱源となる高温部１が
配設され、外周部に低温部２が設けられている。また、
図１（ｂ）の断面図からわかるように、本熱電発電素子
は、ｐタイプ素子３とｎタイプ素子４とをセパレータ５
を挟んで配設するとともに、その内側においてｐタイプ
素子３とｎタイプ素子４とが接続され、両者は支持台６
上に設けられている。更に、ｐタイプ素子３およびｎタ
イプ素子４の最外側には電極７，８が取り付けられてい
る。
一実施例に係わる熱電発電素子の構成を示す平面図およ
び断面図である。同図に示す熱電発電素子は、内周部に
高温熱源が接続されるまたは高温熱源となる高温部１が
配設され、外周部に低温部２が設けられている。また、
図１（ｂ）の断面図からわかるように、本熱電発電素子
は、ｐタイプ素子３とｎタイプ素子４とをセパレータ５
を挟んで配設するとともに、その内側においてｐタイプ
素子３とｎタイプ素子４とが接続され、両者は支持台６
上に設けられている。更に、ｐタイプ素子３およびｎタ
イプ素子４の最外側には電極７，８が取り付けられてい
る。
【００１５】このように構成される熱電発電素子の内径
を４０mm、外径を１００mmとし、高温熱源の温度Ｔh を
１０００Ｋ、低温側の温度Ｔ1 を４００Ｋとし、材料と
してＦｅＳｉ2 に不純物としてｐタイプのＣｒをドーピ
ングした場合、円の中心から外周部に向かう位置ｘに対
して単位長さ当たりの素子の抵抗は
を４０mm、外径を１００mmとし、高温熱源の温度Ｔh を
１０００Ｋ、低温側の温度Ｔ1 を４００Ｋとし、材料と
してＦｅＳｉ2 に不純物としてｐタイプのＣｒをドーピ
ングした場合、円の中心から外周部に向かう位置ｘに対
して単位長さ当たりの素子の抵抗は
【数２】 と表され、図９に示すような変化を示す。ここで、ｋb
はボルツマン定数であり、ｅｘｐ中の係数０．１３は材
料の抵抗の温度変化から求まる活性化エネルギである。
この抵抗の変化を相殺するためには、素子の断面積にも
ことれ同様な変化を与える必要がある。円筒座標で示す
と、φo ×Ｒo ×ｄを高温部１の熱電発電素子の断面積
とすると、中心から位置ｘにおける素子の必要角度φ
（ｘ）は図２に示すように次式で与えられる。
はボルツマン定数であり、ｅｘｐ中の係数０．１３は材
料の抵抗の温度変化から求まる活性化エネルギである。
この抵抗の変化を相殺するためには、素子の断面積にも
ことれ同様な変化を与える必要がある。円筒座標で示す
と、φo ×Ｒo ×ｄを高温部１の熱電発電素子の断面積
とすると、中心から位置ｘにおける素子の必要角度φ
（ｘ）は図２に示すように次式で与えられる。
【００１６】
【数３】 図１に示す熱電発電素子は、上述した式に従って中心部
の高温熱源を囲む形に構成したものである。すなわち、
高温部１から低温部２に向かう断面積を上式に従って低
温部２になるほど大きく形成したものである。
の高温熱源を囲む形に構成したものである。すなわち、
高温部１から低温部２に向かう断面積を上式に従って低
温部２になるほど大きく形成したものである。
【００１７】また、ｐタイプ素子３とｎタイプ素子４と
では、その電気伝導度が異なるため、最大出力を得るに
は、その面積比を最適に設計する必要がある。ｐタイプ
素子３とｎタイプ素子４のそれぞれの面積をＳp ，Ｓn
とすると、次式が成立する。
では、その電気伝導度が異なるため、最大出力を得るに
は、その面積比を最適に設計する必要がある。ｐタイプ
素子３とｎタイプ素子４のそれぞれの面積をＳp ，Ｓn
とすると、次式が成立する。
【００１８】
【数４】 ここで、ρp ，ρn ，κp ，κn はそれぞれｐタイプ、
ｎタイプの熱電素子の電気抵抗率と熱伝導率である。
ｎタイプの熱電素子の電気抵抗率と熱伝導率である。
【００１９】また、素子の幅を図１に示すようにｐタイ
プ素子３とｎタイプ素子４とで同一とした場合、厚さは
ｐタイプ素子３およびｎタイプ素子４において上式
（４）で与えられる比に設定する。
プ素子３とｎタイプ素子４とで同一とした場合、厚さは
ｐタイプ素子３およびｎタイプ素子４において上式
（４）で与えられる比に設定する。
【００２０】以上のように構成することにより、高温部
の素子断面積が本実施例の素子と同じ図５（ａ）に示す
従来の素子と比較し、素子抵抗が約１／３になるため、
約３倍の電流を取り出すことができる。また、図５
（ｂ）に示す従来の素子に比較しては約５／３倍の向上
となる。
の素子断面積が本実施例の素子と同じ図５（ａ）に示す
従来の素子と比較し、素子抵抗が約１／３になるため、
約３倍の電流を取り出すことができる。また、図５
（ｂ）に示す従来の素子に比較しては約５／３倍の向上
となる。
【００２１】図３は、本発明の他の実施例に係わる熱電
発電素子の構成を示す図である。
発電素子の構成を示す図である。
【００２２】図３に示す熱電発電素子は、同一面内にｐ
タイプ素子１１およびｎタイプ素子１２を式（３），
（４）に基づいて適切な断面積比で配置したものであ
る。なお、ｐタイプ素子１１とｎタイプ素子１２との間
にはセパレータ１３が配設される。
タイプ素子１１およびｎタイプ素子１２を式（３），
（４）に基づいて適切な断面積比で配置したものであ
る。なお、ｐタイプ素子１１とｎタイプ素子１２との間
にはセパレータ１３が配設される。
【００２３】図３の熱電発電素子では、外周に電極１４
を設け、これにより複数の素子が直列に接続されるよう
に構成し、高い電圧の電力を効率的に取り出せるように
している。
を設け、これにより複数の素子が直列に接続されるよう
に構成し、高い電圧の電力を効率的に取り出せるように
している。
【００２４】図４は、本発明の別の実施例に係わる熱電
発電素子の構成を示す断面図である。同図に示す熱電発
電素子は、図１に示す熱電発電素子を多数重ね合わせて
構成し、これにより高電圧を取り出せ得るようにしたも
のである。同図において、２１はｐタイプ素子、２２は
ｎタイプ素子、２３は電極である。
発電素子の構成を示す断面図である。同図に示す熱電発
電素子は、図１に示す熱電発電素子を多数重ね合わせて
構成し、これにより高電圧を取り出せ得るようにしたも
のである。同図において、２１はｐタイプ素子、２２は
ｎタイプ素子、２３は電極である。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温部から低温部までの素子抵抗が均一となるように断
面積を可変して構成しているので、素子の内部抵抗を小
さくすることができ、必要最小限の原料によって大きな
電力を取り出すことができるとともに、低温部の放熱面
積を大きくすることができるため、低温部での温度上昇
を抑えて、素子の定常状態での効率の低下を防止するこ
とができる。
高温部から低温部までの素子抵抗が均一となるように断
面積を可変して構成しているので、素子の内部抵抗を小
さくすることができ、必要最小限の原料によって大きな
電力を取り出すことができるとともに、低温部の放熱面
積を大きくすることができるため、低温部での温度上昇
を抑えて、素子の定常状態での効率の低下を防止するこ
とができる。
【図１】本発明の一実施例に係わる熱電発電素子の構成
を示す平面図および断面図である。
を示す平面図および断面図である。
【図２】図１に示す熱電発電素子の中心から位置ｘにお
ける素子の必要角度φ（ｘ）を示す図である。
ける素子の必要角度φ（ｘ）を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例に係わる熱電発電素子の構
成を示す平面図である。
成を示す平面図である。
【図４】本発明の別の実施例に係わる熱電発電素子の構
成を示す断面図である。
成を示す断面図である。
【図５】従来の熱電発電素子を示す図である。
【図６】図５（ａ）に示す熱電発電素子の高温部から低
温部までの位置によって変化する素子内の温度勾配を示
す図である。
温部までの位置によって変化する素子内の温度勾配を示
す図である。
【図７】図５（ａ）に示す熱電発電素子の高温部から低
温部までの位置によって変化する単位長さ当たりの抵抗
を示す図である。
温部までの位置によって変化する単位長さ当たりの抵抗
を示す図である。
【図８】図５（ｂ）に示す熱電発電素子の高温部から低
温部までの位置によって変化する素子内の温度勾配を示
す図である。
温部までの位置によって変化する素子内の温度勾配を示
す図である。
【図９】図５（ｂ）に示す熱電発電素子の高温部から低
温部までの位置によって変化する単位長さ当たりの抵抗
を示す図である。
温部までの位置によって変化する単位長さ当たりの抵抗
を示す図である。
１ 高温部 ２ 低温部 ３ ｐタイプ素子 ４ ｎタイプ素子 ５ セパレータ ６ 支持台
Claims (1)
- 【請求項１】 少なくとも２種類の異なる金属、半導
体、化合物を含む物質を円筒状、中空円盤状または放射
状に配設して構成され、内周部に高温熱源が接続される
高温部および外周部に低温部を有し、ゼーベック効果を
利用した熱電発電素子であって、前記高温部から低温部
までの素子抵抗が均一となるように断面積を可変して構
成したことを特徴とする熱電発電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5228431A JPH0786641A (ja) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | 熱電発電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5228431A JPH0786641A (ja) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | 熱電発電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0786641A true JPH0786641A (ja) | 1995-03-31 |
Family
ID=16876382
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5228431A Pending JPH0786641A (ja) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | 熱電発電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0786641A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6894215B2 (en) | 2002-01-25 | 2005-05-17 | Komatsu Ltd. | Thermoelectric module |
-
1993
- 1993-09-14 JP JP5228431A patent/JPH0786641A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6894215B2 (en) | 2002-01-25 | 2005-05-17 | Komatsu Ltd. | Thermoelectric module |
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