JPH09298318A - 熱電変換素子 - Google Patents
熱電変換素子Info
- Publication number
- JPH09298318A JPH09298318A JP8146379A JP14637996A JPH09298318A JP H09298318 A JPH09298318 A JP H09298318A JP 8146379 A JP8146379 A JP 8146379A JP 14637996 A JP14637996 A JP 14637996A JP H09298318 A JPH09298318 A JP H09298318A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- alloy
- iron
- thermoelectric
- concn
- electromotive force
- 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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Abstract
(57)【要約】
【課題】 量産のきく導電性材料で、起電力の大きな大
電力の供給できる熱電素子を提供する。 【解決手段】 ２つの異なった導電性物質からなる導体
を互いに２点で接合させて回路を作り、その２つの接合
部を互いに異なった温度に保持し、その開放回路の端子
間に前記異なった温度の温度差に応じて開放電圧を発生
させる熱電素子において、２つの異なった前記導電性物
質の一方の材料をＦｅとし、他方の材料を重量％でアル
ミニウムを４．０乃至１２．０含有させたＦｅとしてい
る。
電力の供給できる熱電素子を提供する。 【解決手段】 ２つの異なった導電性物質からなる導体
を互いに２点で接合させて回路を作り、その２つの接合
部を互いに異なった温度に保持し、その開放回路の端子
間に前記異なった温度の温度差に応じて開放電圧を発生
させる熱電素子において、２つの異なった前記導電性物
質の一方の材料をＦｅとし、他方の材料を重量％でアル
ミニウムを４．０乃至１２．０含有させたＦｅとしてい
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、温度差を有する
空気、水、海水、地熱など低温熱源もしくは自然エネル
ギーを電気エネルギーに変換する機能素子に関するもの
である。
空気、水、海水、地熱など低温熱源もしくは自然エネル
ギーを電気エネルギーに変換する機能素子に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】２つの異なった導電性物質ａ，ｂからな
る導体を図１のように接合して回路を作り、２つの接合
部をそれぞれ異なった温度ＴＨとＴＬ（ＴＨ＞ＴＬ）に
保つと、開放回路の端子間に温度差ΔＴ＝ＴＨ−ＴＬに
応じた開放電圧Ｖａｂが発生する現象を熱電効果とい
う。また一方の接合部の温度の１℃の変化にたいするＶ
ａｂの変化を物質ａにたいする物質ｂの熱電係数とい
う。
る導体を図１のように接合して回路を作り、２つの接合
部をそれぞれ異なった温度ＴＨとＴＬ（ＴＨ＞ＴＬ）に
保つと、開放回路の端子間に温度差ΔＴ＝ＴＨ−ＴＬに
応じた開放電圧Ｖａｂが発生する現象を熱電効果とい
う。また一方の接合部の温度の１℃の変化にたいするＶ
ａｂの変化を物質ａにたいする物質ｂの熱電係数とい
う。
【０００３】大きい開放電圧が得られる物質ａ，ｂの組
み合わせとしては従来、金属間化合物ではＢｉ２Ｔｅ３
（ｐ）・Ｂｉ２Ｔｅ３（ｎ）、合金ではクロメル・コン
スタンタンなどが知られている。前者は銅製錬の副産物
である希有金属からなり、後者の合金成分はクロメルが
９０％Ｎｉ−１０％Ｃｒ，コンスタンタンが４０％Ｎｉ
−６０％Ｃｕなどであり、いずれもニッケルを高濃度に
含有することが特徴であった（ここに記載する％は重量
％の意味であり、以下の記載も同じ意味である）。
み合わせとしては従来、金属間化合物ではＢｉ２Ｔｅ３
（ｐ）・Ｂｉ２Ｔｅ３（ｎ）、合金ではクロメル・コン
スタンタンなどが知られている。前者は銅製錬の副産物
である希有金属からなり、後者の合金成分はクロメルが
９０％Ｎｉ−１０％Ｃｒ，コンスタンタンが４０％Ｎｉ
−６０％Ｃｕなどであり、いずれもニッケルを高濃度に
含有することが特徴であった（ここに記載する％は重量
％の意味であり、以下の記載も同じ意味である）。
【０００４】［発明が解決しようとする課題］図１の開
放電圧Ｖａｂの値はΔＴの関数であり、０℃以下の低い
温度においても素子が導電性物質からなり、かつ２つの
接合部に温度差があれば電気エネルギーの発生が可能で
ある。しかしこの原理により大電力を発生させるために
は、前述のような合金が多量に必要となるので、きわめ
て希有で高価なビスマスおよびテルル、高価なニッケル
を高濃度で含有するこれら化合物、合金の使用は、経済
的に実用性が無かった。
放電圧Ｖａｂの値はΔＴの関数であり、０℃以下の低い
温度においても素子が導電性物質からなり、かつ２つの
接合部に温度差があれば電気エネルギーの発生が可能で
ある。しかしこの原理により大電力を発生させるために
は、前述のような合金が多量に必要となるので、きわめ
て希有で高価なビスマスおよびテルル、高価なニッケル
を高濃度で含有するこれら化合物、合金の使用は、経済
的に実用性が無かった。
【０００５】そこで本願人は、安価で大量に生産されて
いる鉄と組み合わせて良好な熱電効果を示す鉄を基本と
する合金、しかも添加元素が資源的に豊富であり、か
つ、少量添加で効果のある合金を鋭意調査した結果、本
発明のアルミニウムを４．０〜１２．０％含むＦｅ−Ａ
ｌ合金を開発した。
いる鉄と組み合わせて良好な熱電効果を示す鉄を基本と
する合金、しかも添加元素が資源的に豊富であり、か
つ、少量添加で効果のある合金を鋭意調査した結果、本
発明のアルミニウムを４．０〜１２．０％含むＦｅ−Ａ
ｌ合金を開発した。
【０００６】本発明の目的は、鉄と接合して得られる起
電力が、同じ温度および温度差のもとでクロメル・コン
スタンタンの接合により得られる起電力の３分の２に近
く、大電力が容易に得られる鉄を基本とした熱電素子を
提供せんとするものである。
電力が、同じ温度および温度差のもとでクロメル・コン
スタンタンの接合により得られる起電力の３分の２に近
く、大電力が容易に得られる鉄を基本とした熱電素子を
提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本研究に係わる熱電素子は、２つの異なった導電性
物質からなる導体を互いに２点で接合させて回路を作
り、その２つの接合部を互いに異なった温度に保持し、
その開放回路の端子間に前記異なった温度の温度差に応
じて開放電圧を発生させる熱電素子において、２つの異
なった前記導電性物質の一方の材料をＦｅとし、他方の
材料を重量％でアルミニウムを４．０乃至１２．０％含
有させたＦｅ−Ａｌ合金であることを特徴とするもので
ある。
め、本研究に係わる熱電素子は、２つの異なった導電性
物質からなる導体を互いに２点で接合させて回路を作
り、その２つの接合部を互いに異なった温度に保持し、
その開放回路の端子間に前記異なった温度の温度差に応
じて開放電圧を発生させる熱電素子において、２つの異
なった前記導電性物質の一方の材料をＦｅとし、他方の
材料を重量％でアルミニウムを４．０乃至１２．０％含
有させたＦｅ−Ａｌ合金であることを特徴とするもので
ある。
【０００８】
【発明の実施の形態】Ｆｅ−Ａｌ合金にはＡｌの飽和溶
解度が１２．０％のＦｅ−Ａｌ固溶体、およびＦｅＡ
ｌ，ＦｅＡｌ２，Ｆｅ２Ａｌ５．，ＦｅＡｌ３の４種の
金属間化合物がある。本発明の合金はこのうちＦｅ−Ａ
ｌ固溶体である。鉄はアルミニウムの添加により塑性は
減じて硬度が増加する。また鉄はアルミニウム濃度の増
加とともに電気抵抗が増大し、熱伝導率は減少する。
解度が１２．０％のＦｅ−Ａｌ固溶体、およびＦｅＡ
ｌ，ＦｅＡｌ２，Ｆｅ２Ａｌ５．，ＦｅＡｌ３の４種の
金属間化合物がある。本発明の合金はこのうちＦｅ−Ａ
ｌ固溶体である。鉄はアルミニウムの添加により塑性は
減じて硬度が増加する。また鉄はアルミニウム濃度の増
加とともに電気抵抗が増大し、熱伝導率は減少する。
【０００９】熱電発電は機械的駆動部分の全くない極め
て単純な装置による電力への直接変換方式である。また
０℃以下をも含む温度域に存在する恒久的かつ無償の自
然エネルギーおよび低温廃熱源から産業用、家庭用の電
力を獲得できるならば、地球環境保全の観点からも意義
がある。そのための熱電変換素子が満たすべき条件は、
低いエネルギー変換効率を素子の量で補償するため素子
の材料は資源が豊富で安価に製造できること、０℃以下
の温度においても導電性が良好であること、および加工
性に富むことなどであることから、鉄以外には考えられ
ず、次には鉄と接合して大きい熱電係数を有する鉄基合
金の開発が必要とされた。
て単純な装置による電力への直接変換方式である。また
０℃以下をも含む温度域に存在する恒久的かつ無償の自
然エネルギーおよび低温廃熱源から産業用、家庭用の電
力を獲得できるならば、地球環境保全の観点からも意義
がある。そのための熱電変換素子が満たすべき条件は、
低いエネルギー変換効率を素子の量で補償するため素子
の材料は資源が豊富で安価に製造できること、０℃以下
の温度においても導電性が良好であること、および加工
性に富むことなどであることから、鉄以外には考えられ
ず、次には鉄と接合して大きい熱電係数を有する鉄基合
金の開発が必要とされた。
【００１０】
【実施例】以下添付図面を参照し実施例により、本発明
の実施の形態をより具体的に説明する。鉄の熱電係数は
−３０℃から１００℃の温度範囲においてほぼ一定で＋
１６μＶ／Ｋである。図１の回路の発生電圧を大きくす
るためには、一方の物質を鉄とすれば他方の物質の熱電
係数は正の大きい値をとるか、または負の大きい値を具
備している必要がある。熱電係数が正の物質をｐ型、負
の物質をｎ型と称している。鉄はｐ型導電体であるので
鉄と接合させる相手としてｎ型導電体が必要とされ、鉄
をｎ型に転換させる元素としてアルミニウムを選定し、
Ｆｅ−Ａｌ合金を作製して熱電係数の測定を実施した。
の実施の形態をより具体的に説明する。鉄の熱電係数は
−３０℃から１００℃の温度範囲においてほぼ一定で＋
１６μＶ／Ｋである。図１の回路の発生電圧を大きくす
るためには、一方の物質を鉄とすれば他方の物質の熱電
係数は正の大きい値をとるか、または負の大きい値を具
備している必要がある。熱電係数が正の物質をｐ型、負
の物質をｎ型と称している。鉄はｐ型導電体であるので
鉄と接合させる相手としてｎ型導電体が必要とされ、鉄
をｎ型に転換させる元素としてアルミニウムを選定し、
Ｆｅ−Ａｌ合金を作製して熱電係数の測定を実施した。
【００１１】純度９９．９％の鉄を純度９９．９％のア
ルミニウムとともにアルゴン雰囲気のもとで高周波誘導
加熱により１００ｇの均質なＦｅ−Ａｌ合金を溶製し
た。なお合金中のＡｌの組成範囲は０〜１５重量％とし
た。図２は測定結果で、１２．０％Ａｌで熱電係数は負
で最小値−２５．０μＶ／Ｋとなった。したがって、こ
の組成のＦｅ−Ａｌ合金を選び鉄と接合して回路を形成
するとき最大の電圧が発生する。この電圧は２つの接合
部の温度差が１℃につき３８．０μＶとなり、高い開放
電圧が発生する。
ルミニウムとともにアルゴン雰囲気のもとで高周波誘導
加熱により１００ｇの均質なＦｅ−Ａｌ合金を溶製し
た。なお合金中のＡｌの組成範囲は０〜１５重量％とし
た。図２は測定結果で、１２．０％Ａｌで熱電係数は負
で最小値−２５．０μＶ／Ｋとなった。したがって、こ
の組成のＦｅ−Ａｌ合金を選び鉄と接合して回路を形成
するとき最大の電圧が発生する。この電圧は２つの接合
部の温度差が１℃につき３８．０μＶとなり、高い開放
電圧が発生する。
【００１２】なお、アルミニウム濃度の上限は、１２．
０％である。これは１２．０％を超えると鉄と接合して
起電力が減少する上に、導電率も減少するので、結果的
に出力が低下するために決定されたものである。他方、
アルミニウム濃度の下限は、アルミニウム濃度の減少と
ともに、導電率は増加するが、起電力は減少するので、
結果的に出力が減少するために４．０％と決定したもの
である。
０％である。これは１２．０％を超えると鉄と接合して
起電力が減少する上に、導電率も減少するので、結果的
に出力が低下するために決定されたものである。他方、
アルミニウム濃度の下限は、アルミニウム濃度の減少と
ともに、導電率は増加するが、起電力は減少するので、
結果的に出力が減少するために４．０％と決定したもの
である。
【００１３】また、鉄の純度については、普通鋼に通常
０．２％以下含まれている炭素、酸素、硫黄、燐などの
軽元素、および微量の金属元素などは、起電力にはほと
んど影響しないことが判明している。
０．２％以下含まれている炭素、酸素、硫黄、燐などの
軽元素、および微量の金属元素などは、起電力にはほと
んど影響しないことが判明している。
【００１４】
【表１】
【００１５】一例として、鉄−１２．０％アルミニウム
鉄の熱電係数を、従来知られている金属−合金対と比較
したのが表１である。表から明らかなように本発明の鉄
−１２．０％アルミニウム鉄対の熱電係数は他の金属−
合金対と比較して僅かに劣るものの、１２．０％のＡｌ
以外は実質的にすべて鉄であり、高価な添加元素を必要
としない。経済的な量産という観点から、本発明のもつ
工業的価値は大きいと考えられる。
鉄の熱電係数を、従来知られている金属−合金対と比較
したのが表１である。表から明らかなように本発明の鉄
−１２．０％アルミニウム鉄対の熱電係数は他の金属−
合金対と比較して僅かに劣るものの、１２．０％のＡｌ
以外は実質的にすべて鉄であり、高価な添加元素を必要
としない。経済的な量産という観点から、本発明のもつ
工業的価値は大きいと考えられる。
【００１６】本発明に係わる合金を用いて熱を直接電気
エネルギーに変換できることを利用した製品としては、
地熱発電機、海洋温度差発電機、廃熱利用発電機、太陽
熱利用発電機、火力および原子力発電の廃熱利用発電
機、核分裂熱の直接利用発電機、ゴミ発電機など、商用
電力、自家用電力、遠隔地用電力、非常用電力に利用す
るのが好適である。
エネルギーに変換できることを利用した製品としては、
地熱発電機、海洋温度差発電機、廃熱利用発電機、太陽
熱利用発電機、火力および原子力発電の廃熱利用発電
機、核分裂熱の直接利用発電機、ゴミ発電機など、商用
電力、自家用電力、遠隔地用電力、非常用電力に利用す
るのが好適である。
【００１７】
【発明の効果】以上説明してきたことから明らかなよう
に、本発明によれば、安価で大量に生産されている鉄と
組み合わせて良好な熱電変換電圧が得られる熱電素子を
提供することができ、従って大電力の熱電素子の提供が
可能で、産業、家庭用の電力生産手段として期待される
素子の実現が可能である。
に、本発明によれば、安価で大量に生産されている鉄と
組み合わせて良好な熱電変換電圧が得られる熱電素子を
提供することができ、従って大電力の熱電素子の提供が
可能で、産業、家庭用の電力生産手段として期待される
素子の実現が可能である。
【図１】熱電素子の原理を説明するための図である。
【図２】Ｆｅ・Ｆｅ−Ａｌ合金熱電素子のＡｌ濃度と熱
電係数の関係を示すグラフである。
電係数の関係を示すグラフである。
Claims (1)
- 【請求項１】 ２つの異なった導電性物質からなる導体
を互いに２点で接合させて回路を作り、その２つの接合
部を互いに異なった温度に保持し、その開放回路の端子
間に前記異なった温度の温度差に応じて開放電圧を発生
させる熱電素子において、２つの異なった前記導電性物
質の一方の材料をＦｅとし、他方の材料を重量％でアル
ミニウムを４．０乃至１２．０％含有させたＦｅ−Ａｌ
合金であることを特徴とする熱電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8146379A JPH09298318A (ja) | 1996-05-02 | 1996-05-02 | 熱電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8146379A JPH09298318A (ja) | 1996-05-02 | 1996-05-02 | 熱電変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09298318A true JPH09298318A (ja) | 1997-11-18 |
Family
ID=15406386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8146379A Pending JPH09298318A (ja) | 1996-05-02 | 1996-05-02 | 熱電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09298318A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004119648A (ja) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Toshiba Corp | ｐ型熱電変換材料及びそれを用いた熱電変換素子 |
| JP2011083783A (ja) * | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Honda Motor Co Ltd | 抵抗溶接方法 |
| JP2019019382A (ja) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | 新日鐵住金株式会社 | 低合金鋼 |
| JP2019024044A (ja) * | 2017-07-24 | 2019-02-14 | 学校法人東京理科大学 | 熱電物性測定装置及び熱電物性測定方法 |
-
1996
- 1996-05-02 JP JP8146379A patent/JPH09298318A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004119648A (ja) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Toshiba Corp | ｐ型熱電変換材料及びそれを用いた熱電変換素子 |
| JP2011083783A (ja) * | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Honda Motor Co Ltd | 抵抗溶接方法 |
| JP2019019382A (ja) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | 新日鐵住金株式会社 | 低合金鋼 |
| JP2019024044A (ja) * | 2017-07-24 | 2019-02-14 | 学校法人東京理科大学 | 熱電物性測定装置及び熱電物性測定方法 |
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