JPS58197890A - 新規な熱電気システム及びデバイス - 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】 本発明は発電の為の新規で改良された熱ＥＭ、気デバイ
ス及びその製法に関する。

エネルギー生産の為に化石燃料の供給は世界的にますま
す枯渇しつつある。これによって世界経済が衝撃を受け
るのみならず世界の平和と安定を脅かしている。このエ
ネルギー危機の解決は耕しい燃料とそれを効率的に利用
する技術の開発にかかつている。この目的の為に本発明
はエネルギー保存、電力生成、環境汚染の問題及びより
多くの電力を供給する新しい熱電気デバイスの開発によ
り新しい事業の機会を生み出すことに関連している。

恒久的で経済的なエネルギー変換技術の開発に関する問
題の解決の重要な部分は電力が熱によって生成される熱
電気デバイスの分野にかかっている。例えば自動車の排
気や発電所から我々の全エネルギーの一以上が廃棄され
環境に放出されている。

今′日に至るまでこの熱汚染から来る深刻な気候的影響
は生じていない。しかし世界のエネルギー消費が増大す
るに従いこの熱汚染によって海面上昇を伴うような極冠
氷の部分的融解が生ずる事態にまで至るであろうことが
予測されている。

同様に本発明は発電所、地熱利用施設、トラックやパス
に生成された廃発から電気的エネルギーを生成する為の
低コスト、効率的で経済的な熱電気システムを提供する
。従ってこれら及び他の廃熱源からの廃熱を使用するこ
とによって電気の内生成が行われ、貴重で有限なエネル
ギー資源を保存するのを助ける置方で熱汚染の直接的な
低減を行うことができる。

熱電気デバイスの効率はデバイスを形成する材料につい
てのメリット数Ｚ　（ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｍｅｒｉｔ
）を用いて表わされ、このＺは次式で与えられる。

ここでＺ：単位（ｕｎｊｔ）ｘ　ｌ　Ｏ３ｓ　：　ｖ／
ｌで表わしたゼーベック係数に：ｍＶ／ｃｒｎ・℃で表
わした熱伝導率σ：（Ω・ｃｍ）−’で表わした導電率
上記の関係から判るようにある材料が熱電気電力変換の
目的に適している為には熱電気電力のゼーベック係数（
Ｓ）が大きく、導電率（σ）が−く、そして熱伝導率（
Ｋ）が低くなければならない。更に熱伝導率（Ｋ）には
２つの成分がある。即ち、格子成分ＫＩＪと電気的成分
に、である。非金属の場合にはＫｌ！が支配的でありＫ
の値を主として支配するのはこの成分である。

言い換えればある材料が熱電気電力変換の目的に適して
いる為には温度差を保持じたま箇でキャリアーが高温側
接合部から低温側に容易に拡散することが重要である。

従って低い熱伝導率と共に高い導電率が要求される。

これまで熱電気電力変換に広い用途は見い出されていな
かった。その主な理由は商業的に応用することに非常に
適しているこのまでの熱電気材料は結晶質構造のもので
あったことによる。結晶質の固体では低い熱伝、導率を
保持したままで大きな↑ 導電率を得ることはできない。最っとも重要なこ　　　
　　１とは結晶性故の対称性の為熱伝導率が改質にょっ
て制御できないということである。

従来の多結晶質材料の技術を用いても単結晶質材料の使
用の際の問題が依然として顕著な１１である。そればか
りかこれら材料□に相対的に低い導電率をもたらす多結
晶粒界の為に新しい問題にも遭遇する。更にこれら材料
の製造に際してはそのより複合した結晶構造の結果とし
て制御がやはり難しい。これら材料に対する化学的改質
あるいはドーピングは上述の問題によって特に困難であ
る。

現在量つとも良く知られている多結晶質熱電気材料の中
に（Ｂｉ、　８ｂ　）＊Ｔｅｓ、ＰｂＴｅ、及びＳｉ　
−Ｇｅがある。（Ｂｉ、Ｓｂ）、Ｔｅ、の材料は一１０
℃〜＋１５０℃の領域で使用するに適しており、Ｚの最
良値は８０℃付近で得られる。Ｂｉ、　Ｓ　ｂ　）ｉ７
“ｅ、はＢｉｌ：！：Ｓｂの量がＯチル１００チの間で
連続的に固溶体の系を示す。５ｉ−Ｇｅ材料は６００℃
〜１０００℃の高温領域での使用に最つとも適しており
、７００℃以上で満足すべきＺの値が得られ。

る。ＰｂＴｅ多結晶材料は３００℃〜５００℃の領域で
最良のＺの値を示す。いずれの材料も１ｏ。

℃〜８００℃の領ｉ＝の使用に適していない。これは実
に不都合なことである。何故ならば幅広く棟々の廃熱利
用が見出されるのはこの領域だからである。これら廃熱
利用の中で地熱の廃熱及び例えばトラック、バスや自動
車の内燃機関からの廃熱がある。この種の利用はその熱
が真に廃熱である故に重要である。高温領域の熱は他の
燃料を用いて意図的に作り出されなければならず、従っ
て真の廃熱ではない。

上述の温度領域での使用する為の新規で改良された熱電
気アロイ材料が発見されている。これらの材料はＴｗｒ
ｎｋｕｒ　Ｓ、　ＪａｙａｄｅｖとＯｎ　Ｖａｎ　Ｎｇ
ｕｙｅｎに係るＮＥＷ　　ＭＵＬＴＩＰＨＡＳＥ　　Ｔ
ＨＥＲＭＯｈ：ＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＯＹＳ　　ＡＮＤ
　　ＭＥＴＨＯＤＯＦ　　ＭＡＫＩＮＧ　　ＳＡＭＥな
る発明として１９８２年１月２２日米国特許出願第８４
１．８６４号中に開示されている。上記発明は本発明の
譲受人に譲受られており、ここに参考文献として上げて
おく。

上記出願中に開示されている熱電気材料は本発明のデバ
イス中に利用できる。これら材料は単相の結晶質材料で
はなく無秩序化された材料である。

更にこれら材料はアモルファス相と多結晶相の両方を有
する多相材料である。この型の材料は良好な熱絶縁体で
ある。それらは基質の結晶質組織から種々の相に至るい
ろいろな遷移相を持つ粒界を粒境界領域中に含んでいる
。この粒境界は高い熱抵抗の相を含む遷移相によって高
度に無秩序化されており、熱伝導に対して高い抵抗を与
えることになる。従来の材料きは異なってこの材料は、
粒境界が、実質的に熱伝導率に影響を与えることなく導
電率を増大させる為にバルク材料を貫いて多数の導電路
を含む領域を定めるよう設計される。

要するに望ましい程度に低い熱伝導率と結晶質バルクの
ゼーベック特性を有する点でこれらの材料は多結晶質材
料の長所のすべてを備えている。しかし、従来の多結晶
質材料とは違ってこれら無秩序化された多相材料は望ま
しい程度に高い導電率をも有している。従って前述の引
用された特許出願中に開示されているように熱電気電力
変換の為に望ましい程度に低い熱伝導率の状態でこれら
材料のメリット数についてのｓ２σ体積を独立に増大さ
せることができる。

最高の無秩序性を示すアモルファス材料が熱電気的応用
の為に製造されている。それら材料とその製法は例えば
５ｔａｎｆｏｒｄ　Ｒ，０ｖｓｈｉｎｓｋｙによる米国
特許第４．１７７．４７８号、同第４．１７７．４７４
号中に十分に開示されている。これら特許に開示された
材料は広域性の秩序よりも局所性の秩序を有する構造上
の構成と、１つのエネルギーギャップと１つの電気的励
起エネルギーとを有する電気的構成とを持ったアモルフ
ァスな主基質中に形成される。このアモルファスな主基
質にエネルギーギャップ内に電子状態を形成する為にそ
れら自身間だけでなくアモルファスな主基質とも相互作
用する軌道を有する改質剤が加えられる。この相互作用
によりアモルファスな主基質の電気的構成を改質し励起
エネルギーを減じ、従って材料の導電率を実質的に増加
、さ、、″・得られる導電率９１主基　　　　ｉ質に加
えられる改質剤の量によって制御できる。

アモルファスな主基質は通常の真性状の導電型を持ち、
改質された材料はこれを非真性状の導電型に変える。

また更に開示されている様にアモルファスな主基質は軌
道を持った孤立電子対を持つことができ、そしてこの改
質剤の軌道はそれら孤立電子対の軌道と相互作用しエネ
ルギーギャップ内に新しい電子状態を形成する。別の形
においては主基質は主として四面体結合を持つことがで
き、この場合改質剤物質がその主基質と相互作用する軌
道と共に主として非置換的に加えられる。ホウ素や炭素
と同様にｄ及びｆバンドを持つ物質は多重軌道を付加す
る可能性を有し、エネルギーギャップ内に新しい電子状
態を形成する為の改質剤として使用できる。

上述のことからこれらアモルファスな熱電気材料は実質
的に増大された導電率を有することになる。しかしなが
ら改質後もアモルファスな１まなので低い熱伝導率を保
ち、従ってそれら材料を熱電気的な応用、特に４００℃
以上の温度領域での使用に良く適合したものにする。

これら材料はそれらの原子的構成をこれ筐でに述べてき
た独立に導電率を増大させるように実質的に変えて原子
的乃至微視的なレベルで改質きれる。これとは対照的に
前出の引用特許出願において開示された材料においては
原子的な改質は行われない。そしてそれらは微視的レベ
ルで材料内に無秩序性を持ちこむやり方で製造される。

この無秩序性により導電性の相を含む種々の相が、残り
の相中の無秩序性が低熱伝導率を与える一方で制御され
た高い導電率を与える為に改質と同じやり方で原子的に
アモルファス相材料としてその材料中に導入されること
が許される。それ故これら材料は熱伝導率についてアモ
ルファス材料と多結晶材料の中間にある。

熱電気デバイスはそこに含筐れた材料を横切って温度差
が確立される。ことによって発電を行う。

この熱電気デバイスは一般にｐ型及びｎ型の材料の両方
からなる素子を含む。ｐ型材料中では温度差によって正
に帯電したキャリアーが素子の高温側から低温側へ動か
し、一方ｎ型材料中では温度差によって負に帯電したキ
ャリアが素子の高温側からの低温側へ動かされる。

熱電気デバイスに熱輸送を行う従来の熱交換器は大型で
重く非効率的であった。それらの熱交換器はその中の加
熱された流体の流れによって詰まりを起し易い通路を定
める多数の近接した間隔をとって配置された熱収集面を
含んでいる。また、従来の熱交換器は熱電気デバイスが
一体で分離不能な部分となるよう設計されている。この
熱電気デバイスからの非分離性によってそれらを清掃し
保守することが不可能ではないとしても、困難になる。

従来の熱交換器はまた一般に大量の例えば銅、アルミニ
ウムあるいはステンレススティール１．Ｅから構成され
る。従って製造コストが高くならざるを得ない。それら
は使用される内燃エンジンの排気ライン中に高い背圧を
生起する。これによりそのエンジンの正常な動作を確保
し維持することを困難にする。最後に熱電気デバイスは
熱交換器の一体化された部分であるので熱電気デバイス
は排気ライン中の排気ガスからの汚染の潜在的可能性に
さらきれる。

本発明は廃熱から電気的エネルギーを生成する為の新規
で改良された熱電気システムを提供する。

このシステムは寸法がコンパクトで運動部分を侍だない
。車にこのシステムは内燃エンジンからの廃熱を含めた
種々の発熱源からの１発熱を利用するに適したものとす
ることができる。

本発明の熱電気システムは何らかの発熱源から生成され
る発熱と１つの熱輸送手段を提供する流体流中に配置さ
れた熱収集フィンの形をとった哄収集手段を組み込んで
いる。この熱輸送手段は力０熱された流体流から、その
力ロ熱された流体流からは全体的に分離きれた少なくと
も１つの熱電気デバイスにまで外＄１１１へ延びるに適
している。これにより力ロ熱された流体中に含１れ得る
汚染物からテバイスを分離しつつ少なくとも１つの熱′
電気テバイスの一方側に熱輸送を行うことが５ｒ能とな
る。　　　　　１熱電気デバイスの他方の側は発電をｉ
’Ｔ能とするべくその熱電気デバイスをＩＲ切って温度
差を確立する為に冷却媒体にさらされる。

熱電気デバイスの高温１１ＩＩｌを確保する為に利用さ
れる熱輸送手段は好筐しくは１つあるい：まそれ以上の
パイプを含む熱交換器の形をとる。このヒートパイプは
中空で、内部に作業流体を有する密封されたシリンダー
である。この作業流体は加熱された流体から収集された
熱を熱電気デバイスの高温側へ効率的に運ぶよう機能す
る。これは作業流体の気化と凝縮の熱力学を利用するこ
とによ′−）て達成される。更に、ヒートパイプは暫封
されて０るので、これにより汚染の恐れの無い連続的く
り返しシステムが提供される。

ここに述べた、熱収集フィンと結合されたヒトパイプは
加熱された流体に対して与える背Ｉｆカ低い、低置、コ
ンパクトで高効率熱−辺デバイスを提供する。この熱桶
送手段は長寿命で、熱−気デバイスから取り外すことが
谷易な為に清掃吉昧守がたやすくなる。

本発明のシステムは熱電気デバイスの低温ＩＭＩＩの周
辺に水あるいは他の流体の流れを維持させることによっ
て熱電気デバイスの低温側を冷却する３゜このようにす
る代りに熱７に気テバイスの低温側乞外気にさらすこと
によってそれ全冷却することも可能である。

本発明のシステムは出願中の米国特許出願第３４１．８
６４号中、に開示された新規で改良された材料を利用す
ることが好ましい。これらの材料は特に熱電気デバイス
のｐ型素子として利用する（Ｃ有用である。

熱電気デバイスの素子は熱的には並列で電気的には直列
に結合されている。１だ本発明の別の観点から見れば、
熱電気素子の熱的抵抗（ＲＴｏ）はテバイスに要求され
る１つの与えられた量の熱電気材料に対して電力出力を
最大にする為に熱輸送手段又は熱交換器の熱的抵抗（ｕ
ＨＸ）と整合される。

従って、本発明の第１の目的は、温湿された流体流から
′電気的エネルギーを生成する為の熱電気システムを提
供することにある。このシステムはそこに与えられた温
度差に応答して前記電気的エネルギーを生成する為の少
なくとも１つの熱電気デバイスを備え；前記流体内に配
置された少なくとも１つのヒートパイプを含む第１の熱
−送手段を備え、前記第１の熱輸送手段は前記流体流の
熱の少なくとも一部を前記中なくとも１つのデバイス筐
で輸送する為に前記流体流から外側へ姑びると共に前記
中なくとも１つの熱電気デバイスに熱的に結合されてお
り；前記中なくとも１つの熱電気デバイスに前記温度差
を前記第１の熱輸送手段と共に確立する為に前記中なく
とも１つの熱−気デバイスに熱的に結合された第２の熱
＠送手段を備えていることを特徴としている。

本発明の第２の目的は、廃熱流から電気的エネルギーを
生成する為のＰＡ電気システムを提供することにある。

このシステムはそこＶこ与えられた（晶度差に応答して
前記電気的エネルギー′ｆ６：／：＋成する為の熱電気
デバイスと；廃熱の一部を熱電気デバイスへ輸送する為
に発熱流中に一部分を有−ｔ−６ａ共に熱電気デバイス
に結合された複数のヒ　ト・・イブを含む第１の熱輸送
手段と；前記第ｌの熱頓送手段によって輸送されたより
も低い温度を°前６α熱電気デバイス手段へ与えそれに
よって熱電気アバイス手段に温度差を与える為に熱電気
デバイスに結合された第２の熱輸送手段とを備えている
ことを特徴としている。

本発明の第３の目的は、昇温された流体流から電気的エ
ネルギーを生成する為の熱電気システムを提供すること
にある。

このシステムはそこに与えられた温度差に応答して電気
的エネルギーを生成する為の、加熱された流体から隔離
された少なくとも１つの熱電気デバイスを備え；前記流
体流中に配置された第１の熱輸送手段を備え、この第１
の熱輸送手段は、流体流の熱の少なくとも一部を前記中
なくとも１つのデバイスへ輸送する為に、外側へ延びる
と共に前記中なくとも１つの熱電気デバイスに熱的に結
合されており；前記中なくとも１つの熱電気デバイスを
横切って温度差を前記第１の熱輸送手段と共に確立する
為に前記中なくとも１つの熱電気デ　　　　　デバイス
に熱的に結合された第２の熱輸送手段を備えていること
を特徴とする。

以下本発明の好ましい実施例について添付図面を参照し
つつ説明する。

第１図及び第２図を参照すると、本発明の第１の実施例
に従った構造を有する熱電気システム１０が示されてい
る。熱電気システム１０は仕切り壁１８によって熱回収
チャンバー１４と冷却チャンバー１６とに分割された熱
回収ユニット１２を含んでいる。この熱回収ユニット１
２には１対のダクト手段２０及び２２が固定されている
。ダクト手段２０は廃熱により加熱された流体の流れを
熱回収チャンバー１４を通過するように方向付ける為の
ダクト４６及び４８を含む。ダクト手段２２は冷却流体
が冷却チャンバー１６を通過するように方向付ける為の
ダクト５０及び５２を含む。

熱回収チャンバー１４内の流体から回収した熱は熱回収
チャンバー１４かう冷却チャンバー１６内に配置された
多数の熱電気デバイス２４の一方側へ輸送される。こう
して輸送された熱は熱電気デバイスの一方側を昇温状態
に保つ。冷却チャンバー１６を通過する冷却流体流は熱
電気２４の他方側をこれよりやや低い温度に保つ。これ
によりデバイスを横切って温度差が確立され、発電かり
能となる。

発電に適した熱電気デバイス２４は第７、−８、及び９
図に示されている。デバイス２４はｎ型及びｐ型の熱電
気素子２６及び２８を各々含む。ｎ型及びｐ型の素子２
６．２８は熱的には並列で、電気的には直列で交互に接
続されている。

ｐ型素子２８は好ましくは出願中の米国特許出願第３４
１，８６４号に開示されている新規で改良された材料で
ある。上記出願中に特許出願中に記述されているアロイ
は１００℃から３００℃の温度領域にわたって高いメリ
ット数ＣＺ）を示し、約１０％から２０チのビスマス、
約２０％カラ３０」ρアンチモン、約６０チのテルル及
び１％以下の銀を言み、そして好筐しくは（ＢｉＩｏＳ
ｂｓｏＴｅｅ。）９９％＋（Ａｒ２５Ｓ”２ｓ　７’ｇ
ｓｏ）　１％の組成を持つ。更に、上述のアロイＣＢｉ
ＩｏＳｂｓｎＴｅ３ｏ）９９　％　＋ＣＡｔ□５Ｓｂ２
５Ｔｅｓｏ　）　　１％は例えば約０．２％の沃化テル
ル（７’ｅＩ４）をドーパントとして含葦せることによ
ってｐ型にされる。ｎ型素子２６は例えばビスマス（Ｂ
ｉ）、チルＡ／（７’６）及びセレン（Ｓｅ）をｆ３ｉ
４６Ｔｅ５＜５ｅ４６の組成で含む従来の材料からなる
ものとすることができる。

これらｎ型及びｐ型の素子２６及び２８はスクリーン印
刷又は他の手段でそこに与えられた銅リードマトリック
ス又はパターンを有する基板３０上へ半田付けされる。

スクリーン印刷あるいは他の手段で与えられた銅リード
マトリックス又はノ＜′ターンを有するもう１つの基板
３４が素子上に加熱接合又は発汗（ｓｗｅａｔ）により
与えられる。銅リードパターン８２及び３４はｎ型及び
ｐ型の素子を電気的に直列で交互に接続するように配列
される。ｎ型及びｐ型の素子２６及び２８は各々基板３
０と３４の間で熱的には並列な関係で配列されることも
わかる。

基板３０及び８４は素子２６及び２８を横切って温度差
を維持する為に高い熱伝導率を有し、１つの電気絶縁体
として作用しリードパターン間の電気的絶縁を行う為に
低い導電率を有する。基板３０及び８４はアルミナある
いはこれと類似のセラミック材料からなる。

運転中の内燃機関からの排気ガスの形を持つ発熱は熱電
気デバイス２４を横切って２００℃の【晶度差を確立す
ることができる。デバイス２４の素子２６及び２８が０
．１５　ｍＶｆＣのゼーベック係数Ｃ８）を持つならば
各素子によって生成され得る電圧は表式Ｖｔ、　＝ＳΔ
Ｔｔｅから決定できる。ΔＴｔｅが２００℃であればＶ
ｔｅは０．１５　ｍＶｆＣ×２００℃、即ち３０”ｍＶ
となる。自動車やトラック中で利用される電圧である１
４Ｖｆ生成する為に必要な素子２６及び２８の数は以下
の如く決定できる。

従って１４Ｔ／’で必要な電流を得る為には４６７個の
直列に接続された素子からなる組を任意個並列に接続す
れば良い。勿論各熱電気デバイス２４は上記の必要とさ
れる４６７個より少ない数の素子　　　　　！を含むも
のとな、る。１４Ｔ／’を与える為に直列に接続される
デバイスの数は所要素子総数を各デバイス中に含まれる
素子の数で割ったものとなる。例えは各デバイスが３２
個の素子を含めば４６７（３２が必要デバイス数となる
。この場合は４６７÷８２＝１４．６である。従って少
なくとも１４Ｖの出力を保証するには１５個のデバイス
が直列に接続されなければならない。

第２図、３図及び４図に最も良く描かれているように廃
熱は実質的に平行に並び水平方向に間隔をとって配置さ
れた複数の集熱フィン３８によって熱回収チャンバー１
４内で収集される。これら集熱フィン３８はヒートパイ
プ４０にこれと垂直に結合されている。ヒートパイプ４
０は例えば銅、ステンレススティール、アルミニウム又
は類似の材料の良好な熱伝導体から形成されている。そ
れらは熱回収チャンバー１４内で仕切り壁１８を貫通し
冷却チャンバー１６内へ延びている。

ヒートパイプ４０は一般に円筒形、中空で谷喘部が密封
されている。これらヒートパイプ４０の内容積のほぼ５
％〜１０チが例えば水の如き作動流体によって占められ
ている。この構造により固体パイプや他のいずれの公知
の構造゛よりも効率的に熱を熱回収チャンバー１４から
冷却チャンバー１６へ輸送することが見い出されている
。熱回収チャンバー１４から冷却チャンバー１６へ熱輸
送を行う場合には熱回収チャンバー１４内のヒートパイ
プ４０部分で作動流体４２は気化される。次いでこの気
化された作動流体４２は冷却チャンバー１６内のヒート
パイプ４０部分に流れ、そこで熱電気デバイス２４へそ
の熱を引き渡す。作動流体４２′は次に凝縮し熱輸送サ
イクルを繰り返す為に熱回収チャンバー１４内のヒート
パイプ４０部分へ戻る。

取付部材４４が冷却チャンバー１６内でヒートパイプ４
０へ結合されている。それらは取付部材４４は冷却チャ
ンバー１６内で鉛直方向に延び、熱電気デバイス２４′
の高温側と良好な熱的接触を保ちつつ熱回収ユニット１
２内で長さ方向に配置される。取付部材４４も筐だ良好
な熱伝導体から形成されておりヒートパイプから、取付
部材４４上に取付けられた熱電気デバイス２４へ効率的
な熱輸送を行うことを可能にする。

熱電気デバイス２４の低温側はそこに良好な熱接触を保
って結合された板部材４５を有している１３この板部材
４５は冷却チャンバー１６で鉛直に延び熱回収ユニット
１２内で長さ方向に配置されている。板部材４５に近接
して熱電気デバイス２４の低温側を冷却する為に冷却媒
体を冷却チャンバーを通過するよう方向付ける為の通路
４７が設けられている。更に取付部材４４ｃ！：板部材
４５は熱電気デバイス２４を冷却媒体から孤立°させる
為の熱電気デバイスの為の１つの容器を形成する。

熱電気システム１０を運転する場合には運転中の内燃エ
ンジンからの廃棄排気ガスはダクト手段２０のダクト４
６と４８を通して熱回収チャンバー１４を通過するよう
に方向付けられる。そのチャンバー内で熱収集フィン３
８により熱収集が行われ、その熱はヒートパイプ４０へ
伝達される。

作動流体４２は気化しその熱を冷却チャンバー１６内で
取付部材４４に取り付けられた熱電気デバイスの高温側
へ輸送される。

各熱電気デバイス２４の低温側は各デバイスを横切って
温度差を確立する為に冷却媒体によって冷却される。こ
の実施例においては、冷却媒体は水である。水はダクト
手段２２の夕°クト５０及び５２によって冷却チャンバ
ー１６の通路４７を１山るように方向付けされる。この
通路４７はデバイス２４の低温側に露出されている。そ
の１つの結果として水はデバイス２４の低温側と接触し
これを冷却する。

廃熱を利用して熱電気デバイス２４を横切って温度差を
確立するには電気的出力を最大とする低廉なデバイスを
得る為にこれまで採用された設計とは異なった考え方が
必要とされる。熱源が自由にあるかあるいは相対的に低
廉である場合には設計理念はシステムコストを最小化す
る為に使われる熱電気材料の量を最小にして最大の電力
出力を得るようなものでなければならない。

第１０図の電気的模式図に示しているように電　　　　
　！源ｆｆ）、抵抗（Ｒ１）及び抵抗（Ｒ２）を有する
直列回路中の抵抗（Ｒ２）を横切って電力出力を最太り
する為にＲ２の抵抗値はＲ，の抵抗値に等しい。

同様に第１１図は熱電気システムの熱的模式図を表わし
ている。熱電気デバイスの熱抵抗（ＲＴＦ、）が熱交換
器の熱抵抗（ＲＨＸ）と等しい時に、与えられるある量
の熱電気材料と温度差（Δ）に対しで電力出力は最大と
なる。

熱抵抗は次式によって与えられる。

ここでＲ：熱抵抗値 ｅ：材料の厚さ Ａ：材料の面積 に：材料の熱伝導率 従って上述した様に電力出力を最大とする為には次式の
関係が保持されなければならない。

ＲＨｘは計算あるいは測定により求めることができる。

ＫＴｍは測定可能なので７？ＴつとＡＴｆＴｈの頭を種
々に選ぶこ吉ができる。

好１しくけＲＨＸの値は熱輸送を最大とする為にできる
だけ低くあるべきである。上で議論したように最大電気
出力を得る為にはＲＨＸは低くＲＴｏと等しくあるべき
なので’Ｔｌ１ｌ、は小さくＡＴｌは大きくあるべきで
ある。

第５図及び第６図に戻ってみると本発明の別の実施例に
従った構造の熱電気システム５４が示されている。この
熱電気システム５４は熱回収チャンバー５８を含む熱回
収ユニット５６を含んでいる。熱回収ユニット５６には
廃熱によって加熱された流体の流れを熱回収チャンバニ
５８を通るように方向付けする為のダクト６０及び６２
が固定されている。

先に述べた実施例の場合と同じ様に熱回収チャンバー５
８はヒートパイプ６６にこれと垂直に結合された集熱フ
ィン６４を含んでいる。フィン６４によって回収された
熱はヒートパイプ６６−＼輸送される一方で熱回収チャ
ンバー５８の外側・頭載へ輸送される。そこで−上述の
種類の熱電気デバイス６８は取付部材７０へ結合されて
いる。デバイス６８はヒートパイプ６６と取付部材７０
を通つて伝えられた熱によってその一方側力靭ロ熱され
る。

冷却用外気が熱電気デバイス６８の他方側を冷却する為
に用いられる。外気を利用した熱電気デバイスの冷却を
助ける為に水平に配置され鉛直方向に間隔を置かれた冷
却フィン７２は熱電気デバイス６８と良好な熱的接触関
係にある板部材７４に水平に取り付けられている。

この実施例の動作は熱電気デバイスの低温側を冷却する
為に外気が利用されるという点を除けば先に述べた実施
例と同様である。これ１で議論された設計及び材料につ
いての考え万はこの変形された実施例においてはデバイ
スの低温側がより商い温度とがる為により高い温度での
運転が要求てれる点を除けば両実施例において同しであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に従って構成された熱電
気システムの側面図。 第２図は第１図の線２−２に沿った断面図。 第８図は第２図の線３−３に沿った断面図。 第４図は第３図の線４−４に沿った断面図。 第５図は本発明の別の実施例に従って構成された熱電気
システムの側面図。 第６図は第５図の線６−６に沿った断面図。 第７図は本発明のシステム中て使用σ、ｉ’１．６に適
しだ熱電気デバイスの部分断面図。 第８図は第７図の線８−８に沿った断面図。 第９図は第７図の線９−９に沿った断面図。 第１０図は本発明のシステムの一部についての電気的関
係を相似的に表わす図。 第１１図は本発明のシステムの一部を示す模式ＩＯ・・
・熱電気システム・ １２．５６・・・熱回収ユニット １４．５８・・・熱回収チャンバー １６　・冷却チャンバー　　　・。 １ ２０．２２・・・ダクト手段　　　　　　　　　　　　
　　　　　１２４．６８・・・熱電気デバイス ２６・・ｎ型熱電気素子 ２８・・・ｐ型繰電気素子 ３８・・・集熱フィン ４０．６６・・・ヒートパイプ ４４・・・取付部材 ４７・・・通路 ６４・・・フィン ７２・・・冷却フィン ％許出Ｍ人　　エナージ−・コンバージョン・テハイセ
ス・インコーポレー１ノ 代　　理　　人　　弁理士　　　湯　　浅　　恭　　二
（外４名 手続補正書 昭和ｑ年ｚ月７日 １、事件の表示 昭和５ｒ年特許願第　７／γＪ３　号 ２、発明の名称 １’ｒｌ！Ｌ　１μｌ’ｆｆｌ　シス仏ノｌ　ひ゛デノ
ぐ′イス６、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所 名ｒＹ−５−７−”ｉ”〆゛２　ンハ’−’／）−／゛
７”ハ’４ｔＬス′イ／クー、１坪−デ、ド ４、代理人 ５、補正の対象 委任状及訳文 出願人の代表音名を記載した願書

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、昇温された流体流から電気的エネルギーを生成する
   為の熱電気システムであって；与えられた温度差に応答
   して前記電気的エネルギーを生成する為の少なくとも１
   つの熱電気デバイス（２４゜６８）を備え；前記流体流
   内に配置された少なくとも１つのヒートパイプ（４０，
   ６６）を含む第１の熱輸送手段（３８，４０，６４，６
   ６）を備え、前記第１の熱輸送手段は前記流体流の熱の
   少なくとも一部を前記少なくとも１つのデバイス壕で輸
   送する為に前記流体流から外側へ延ひると共に前記少な
   くとも１つの熱電気デバイスに熱的に結合されており：
   前記少なくとも１つの熱電気デバイスに前記温度差を前
   記第１の熱輸送手段と共に確立する為に前記少なくとも
   １つの熱電気デバイスに熱的に結合された第２の熱輸送
   手段を備えている前記システム。 ２、特許請求の範囲の第１項に記載されたシステムにお
   いて更に、前記ヒートバイブ（４０，６６）がその中に
   作物流体（４２）を言み、前記作＠流体はそれが完全に
   凝縮された時に前記ヒートパイプの内容積の５％から１
   ０％を占めることを特徴とする前記システム。 ３、特許請求の範囲の第１項に記載されたシステムにお
   いて更に、前記第２の熱輸送手段は前記第１の熱輸送手
   段によって確立されるよりも低い温度を前記少なくとも
   １つのデバイス（６５）に確☆ニする為に空気流冷却手
   段（７２，７４）を含んでいることを特徴とする前記シ
   ステム。 ４、特許請求の範囲の第１項に記載されたシステムにお
   いて史に、前記第２の熱輸送手段は前記第１の熱輸送手
   段によって確立されるよりも低い温度を前記少なくとも
   １つのデバイス（６５）に確立する為に水流冷却手段（
   ２２，４７）を言むことを特徴とする前記７ステム。 ５、特許請求の範囲の第１項から同第４項までのいずれ
   か１ｍに記載されたシステムにおいて史に、前記流体流
   が前記第２の熱輸送手段（７２，７４）から弧立させら
   れていることを特徴とした前記システム。 ６、特許請求の範囲の第１項から同第５項筐でのいずれ
   か１項に記載されたシステムにおいて更Ｖこ、前記流体
   流を前記熱電気デバイス手段（２４，６８）から弧立さ
   せる為の手段（１８）を備えていることを特徴とする前
   記システム。 ７、特許請求の範囲の第１項に記載されたシステムにお
   いて更に、前記流体流を導く為の第１のチャンバー（１
   ４）と前記第２の熱輸送手段と前ｄピ熱電気デバイス手
   段（２４，６８）とを収容する為の、前記第１のチャン
   バーに対して密封された第２のチャンバー（１６）とを
   備えていること（Ｌ−′＋！Ｉｍとする前記システム。 ８、％許請求の範囲の第７項に記載された７４°Ｉムに
   おいて更に、前記ヒー・ドパイブ（４０，６６）が前記
   第１のチャンバー（１４）から前ｄピ第２のノヤンバ−
   （１６）内へ延びていることを特徴とする前記システム
   。 ９、特許請求の範囲の第１項から同蕊８項唸てのいずれ
   か１項に記載されたシステムにおいて史に。 前記少なくとも１つの熱電気デバイス（２４，６８）が
   少なくとも１つのｎ８！！熱電気素子（２６）と少々く
   とも１つのｐ型繰電気素子を含み、前記ｎ型及びｐ型の
   素子は電気的に直列で熱的には並列に接続されており；
   前記ｎ型及びｐ型の素子の寸法は前記熱電気デバイス（
   ２４，６８）から最大の発電敬を得る為に素子の熱的抵
   抗が前記第１及び第２の熱輸送手段の熱的抵抗と実質的
   に整合するよつｒ（シてなることを％徴とする前記シス
   テム。 肚　特許請求の範囲の第９項に記載された７ステムにお
   いて更に、前記熱電気デバイス（２４，６８，）が史に
   前記ｎ型及びｐ型の素子（２６，２８）をはさみ込む、
   高い熱伝導率と低い導電率を有する材料から形成された
   １対の実質的に平坦な楓３０．３４）を言んでいること
   を特徴とする前記システ　　　　１ム。 比　特許請求の範囲の第１０項に記載されたシステムに
   おいて更に、前記板（ａｏ、ａ４）が前記素子（２６，
   ２８）を電気的に直列に＃：続する為の１つのリードパ
   ターン（３２，８６）を有していることを特徴とする前
   記システム。 乏　特許請求の範囲の第９項に記載されたシステムにお
   いて更に、前記ｐ型素子（２８）が約１０％から２０％
   のビスマス、約２０％から３ｏチのアンチモン、約６０
   チのテルル、及び１チ未満の尿を含んでいることを特徴
   とする前Ｓビシステム。 Ｂ、特許請求の範囲の第９項に記載されたシスｒムにお
   いて更に、前記ｐ型素子（２８）が約１０＝１から２０
   ％のビスマス、約２０％〜３０％ツノ′ノチモン、約６
   ０係のテルル、１％未満の銀及びｐ型ドーパントとして
   約０．２％の沃化テルル（′Ｉ’ｅｈ）を含んでいるこ
   とを特徴とする前記システム１゜Ｋ　特許請求の範囲の
   第９項に記載された７４デムにおいて更に前記ｎ型素子
   （２６）が約４０％のビスマス、約５４チのテルル及び
   約６％のセ［５゜を含んでいることを特徴とする前記シ
   ステム。