JPS61500088A - 高効率のサ−モパイル - 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】 のサーモパイル 本発明は、１９８２年３月１５日出願の米国特許出願第０６／３５へ１７６号の 一部継続出願である。

発明の背景 熱電対は通常、２つの異種材料を接合部で接合し、その開放脚部を２つの異種材 料が接合される上記の接合部よシも低い温度で電気的負荷に接続して形成される 。この温度差によシミ子の流れが発生しこの流れは測定することができる。熱電 対は温度を測定するために使用される場合が多い。

サーモパイルは通常は、直列接続の熱電対から、電流および電圧の出力を最大に するために、この直列接続の熱電対の複数列を並列に接続して作られる。

熱電対の導体要素が共に直列接続されてサーモパイルを形成する場合には、一方 の接合部＃は熱が除去される冷却帯域に配され、他方の接合部群は加熱帯域に配 される。電流を担い熱エネルギーを達ぶ電子は、低温接合部で熱を与える。ペル チェ効果は各接合部で互いに反対方向に発生する。熱電対の脚部材に接触する溜 め間に温度差があるので、脚部材の長手軸線方向に温度勾配が発生する。この温 度勾配によシミ流も発生する。この過程はトムソン効果と呼けれる。

実用に供される場合、数百もしくは数千の熱電対が、相当に烏い電圧を発生する ために直列接続される。

次に追加の熱電対列を並列に接続できる。この正味の効果は、高電圧で有効量の 電流源を得ることである。この技術は、ごく小量の電気を発生するために利用さ れてきた。

同様に、このシステムに電気を引くことによる逆の効果を利用し、高温の接合部 を周囲空気にまだ低温の接合部を冷却される包（至）帯域に配すると、冷却装置 を提供するためにペルチェ効果を利用することができるが、やはシ効率が低い。

接合部の断面積が熱電対の脚部材の断面積よシも大きいならば、冷却装置の効率 にある種の改良が得られることが最近詔められた。ゴメズ（Ｑｏｍｅ４　）によ る、米−特許第４，２５１，２９０号、第４．２５１．２９１　＠、第４，２５ Ｚ８２２号明細書はすべてこの特徴を開示する。サーモパイルの脚部材の断面積 は接合部と比較してかなシ小さいので、接合部を横切る熱伝達は非常に小さいす なわち熱流は非常に小さく、熱電接合部間の温度差は非常に大きいので、この間 の発生電圧が高くなることに基づく効率改善が開示の自答である。残念なことに 、ゴメズによる上記特許明細書中では、どの程度の効率改善が得られるかについ ての記載がなされていない。

発明の要約 本発明は、従来のサーモパイルよシも著しく効率の良い新規なサーモパイルに関 する。これは、２つの導体から各々構成される熱電対よシ形成され、接合部の断 面稼を熱電対の脚部材の断面積よシも相当に大きくしまた一方の帯域の接合部の 断面積を他方の帯域の接合部の断面積よシも相当に大きくして成るサーモパイル を提供することによシ実現される。実際には、所望ならは、小さい方の接合部の 断面積を脚部材の断面積と同じかもしくは小さくすることができる。もし電気エ ネルギーを発生するためにサーモパイルを使用するならは、力Ｃ熱される帯域の 接合部の断面積を熱が除去される帯域の接合部よシも相当に大きくする。

もし本発明を逆の仕方で冷却装置として使用するならば、電気エネルギーがサー モパイルに与えられる時に、冷却帯域の接合部の断面積は、周囲空気帯域の接合 部の断面積よシも非常に大きくされまたサーモパイルを形成する熱電対の脚部材 の断面積よシも非常に大きくされる。

トムソン効果を最大限に活用する本発明の他の芙施例では、肺部Ｈの材料には、 断面積の大きい接合部とは異なシかつ互いに異なる材料を選択する。所望に応じ 、断面積の小さい接合部を異種の材料で在るとともできる。

したがって、本発明の目的は、薄膜技術を利用して、電気エネルギー発生効率の 相当に良い改良されたサーモパイルを提供することである。

本発明の他の目的は、電気エネルギーの供給を受けて、最終効率の相当に改良さ れた冷却装置として使用できるサーモパイルを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、量産向きの薄膜法によシ安価にまた効率良くこの種 の装置を版端することである。

本発明のこれらおよびその池の目的および利点は、構成および動作について行な った以下の詳細な説明から明らかとなろう。なお、企図を通じて同一参照番号は 同一部品を示す。

図面の簡単な説明 第１図はサーモパイルの一例を示す斜視図である。

第２図は、熱を与えるためにタービンからの飽和使用蒸気を利用しまた与えられ た熱を除去するために冷却水を利用して電気を発生する仕方で形成されるサーモ パイルの一応用例を示す模式区である。

第３図は、電気発生システムの主燃焼プロセスからの高温排気ガスカニ、サーモ パイルの高温接合部を加熱するために利用される＠１図のサーモパイルの同様の 使用例である。

第４図は、電気を発生するのではなく電気が供給され、冷却装置として使用され る本発明のサーモパイルの斜視図である。

第５図は、空調システムでの第４図のサーモパイルの使用例を示す。

弔６Ａ図、第６Ｂ図、第６Ｃ図は、本発明によるサーモパイルのｌｌｉ方法を開 示する。

第７図は、トムソン効果を最大にするよう、熱電対の脚部材の材料は接合部の材 料と異なるよう選択される第１図のサーモパイルと同様の斜視図である。

第８図は、トムソン効果を最大にするよう、熱電対の脚部伺の材料は、大きな断 面積をもつ接合部の材料と異なシまた互いに異なる第４区と同様の本発明による サーモパイルの斜視図である。

発明の詳細な説明 図面、特に第１図を参照するとサーモパイルが略示的に参照番号１０で示され、 上側の高温接合部１ｌ−１ｊは、破線１３によシ示される断熱材料により下側の 低温接合部１２−１２から隔てられている。接合部１１−１１の断面積は接合部 １２−１２の断面積よシも非常に大きくまた脚部材１４−１４もしくは脚部材１ ５−１５の断面積よシも非常に大きく、異種の材料で作られることに注意された い。第１囚に例示のサーモパイル１０の上側の接合部１１−１１には熱か加えら れ、サーモパイル１０の下側の小さい接合部１２−１２ｉ・らは熱が除去される 。接合部１１−１１の断面積は脚部材１４−１４および脚部材’１５−１５およ び低温の接合部１２−１２の断面積よシも大きいので、とのサーモパイルは相当 な高効率で動作し大きな電気エネルギーが発生する。

第２図を参照すると、全長が断熱領域１３によシ隔てられる熱交換器１７に接続 するタービン１６からの排気が模式的に例示される。サーモパイルが熱交換器１ ７中に配置され、多数の接合部１１−１１か加熱領域にまた接合部１２−１２が 冷却領域に配され、サーモ７（イルの出力は線１８−１８を介して適当な電気負 荷に接続される。接合部１１−１１および接合部１２−１２は直列接続され、こ の直列接続ユニットの複数列は並列に接続される。電気、ガスなどの公益事業に おいてのように、発電に使用可能なタービン１６からの使用済の飽和蒸気は熱交 換器１７の被加熱領域に流入して、サーモパイルの高温接合部１ｌ−ｉｌを加熱 し、冷却水は熱交換器１７の反対側の断熱された領域に流入してサーモパイルの 低温接合部１２−１２は低温に維持され、そのため温度差が発生する。

第３図を参照すると、ボイラ１９および排気筒２０が模式的に例示され、この排 気筒２０により、高温の排気ガスは熱交換器１７を通過し、適当な断熱材１３に ょシサーモパイルの低温接合部１２−１２から断熱されるサーモパイルの高温接 合部１１−１１に接触する。この場合もまた、発生する電気エネルギーは適当な 負荷に接続され、冷却水によシ低温接合部１２−１２は、高温の排気ガス１９お よび高温接合部１１−１１よシも非常に低い温度に維持され、電気エネルギー出 力が発生する。

第４図を参照すると、冷却装置として使用されるサーモパイルが例示される。こ の場合の高温接合部１１−１１の断面積は低温接合部１２−１２の断面積よシも 小さくまたもちろん脚部材１４−１４および脚部材１５−１５の断面積も小さい 。このサーモパイルの低温接合部１２−１２は冷却帯域に配置され、高温接合部 １１−１１は周囲大気中に配置される。この場合、当然電気を発生するのではな く、電気エネルギーがサーモパイルに賦与されてペルチェ効果にょシ冷却が行わ れる。

第５図を参照すると、第４区で例示のこの種の冷却装置の使用状態が送風機２１ と共に模式的に例示され、この送風機２１は冷却されるべき帯域からの空気を得 て、これを熱交換器２２を通じて送風する。また低温接合部１２−１２は冷却さ れる帯域にあシ、周囲大気中にある高温接合部１１−１１から断熱される。低温 接合部１２−１２を貫流する空気は、冷却され冷却帯域へ送られる。

第６Ａ図、第６Ｂ図および第６Ｃ図を参照すると、この種のサーモパイルの製造 方法が開示される。

第６Ａ図は不導性基板２３を例示する。第６Ｂ図において、適当な金属が、マス クを使用して金属を被着する場所を制限しながら基板２３上に被着される。

金属はスパッタリング、蒸着もしくは他の適当な手段によシ被着される。

マスクは適当ないずれの物質からも作ることができるが、過度の塗料材料の除去 を促進するために酸化金属が好ましい。

第６Ｃ図において、この結果を実現するに適当なマスクを再び使用して、第６Ｂ 図で被着の金楓の一部に重ねて、異種の金ｍを被着する。利用する薄膜技術によ ）、サーモパイルの脚部材１４−１４および脚部材１５−１５間で相対的な断面 積の差がこのように形成され、接合部１１−１１および接合部１２−１２の断面 積は、１０００倍以上に大幅に相違させることができ、この場合、上側の接合部 １１−１１の断面積は、肺部材１４−１４と脚部材１５−１５および下側の接合 部１２−１２よシも非常に広くかつ大きくすることｉ＝できる。

第７図を参照すると、サーモパイルの効率を一層高めた本発明による他の実施例 が例示される。この場合、第７図の上側の接合部１６−１６は、断面において、 脚部材１７−１７と脚部材１８−１８および下側の接合部１９−１９よシも広く かつ大きい。図示されている通シ、脚部材１７−１７は、接合部１６−１６の材 料とは異なる材料で作られる。薄膜技術を利用することがこの製造には特に都合 が良い。同様に、トムソン効果を増進することによシ効率を高めるために、脚部 材１８−１８は接合部１６−１６を作る材料とは異なる材料で作られまた脚部材 １８−１８は脚部材１７−１７とは異なる材料で作られる。同様に、接合部１９ −１９は、脚部材１７−１７および脚部材１８−１８とは異なる材料で作られる 。

上側の高温接合部１６−１６は、破線２０が示す断熱材によシ下側の低湿接合部 １９−１９と隔てられる。

第８図を参照すると、第７図に例示と同様のサーモパイルが例示される。高温接 合部１６−１６の断面は低温接合部１９−１９の断面よシも小さくまた脚部材１ ７−１７および肺部材１８−１８の断面は低温接合部１９−１９の断面よシも小 さい。低温接合部１９−１９は冷却筐される。この場合もちろん電気を発生する のではなく、電気エネルギーがサーモパイルに印加されてペルチェ効果によシ冷 却が行われる。トムソン効果を高めるよう、脚部ｉ’１７−１７および脚部材１ ８−１８を接合部１９−１９を構成する材料とは異なる材料でまた互いに異なる 材料で作ることによシ装置の効率は一層高められる。

また接合部１６−１６は、脚部材１７−１７もしくは脚部材１Ｂ−１８とは異な る材料で作られる。ある種の熱的状態のために、両方の接合部を脚部よりもがな シ大きくすることがよシ適切とされる。

このように、ペルチェ効果を利用して、電気を発生するためもしくは冷却目的の ためのいずれかに使用することができ、従来技術で開示された効率よシも非常に 高い効率を有するサーモパイルが開示されたことが理解されよう。

さらに、電気発生用もしくは冷却用のいずれかに使用でき、トムソン効果の増進 を提供するサーモパイルの一変更例が開示された。

また、この種のサーモパイルを経済的にかつ大量に製造する簡単な方法が開示さ れた。

数個の熱電対をサーモパイルに配列して本発明を例示したが、比較的高い電圧で 有効な電流値を発生させるために、使用状態においてこの種の熱電対を多数接続 して直列のサーモパイルを形成し、これら直列の要素を並列に接続することが理 解されねはならない。

本発明をその好ましい実施例において説明した力１、本発明の正当なＵ［ｆｉ４ と精神に反することなく種々の応用・変更が可能であることが理解されよう。

ｆ７７−６８ ＦＴｒ−６Ｃ ｔ−７ ｒ−８ 国際調査報告 Ｖ Ｆｅ２；１１

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．交互に直列に接続される複数の第１の脚部材および第２の脚部材を有し、 隣接の脚部材間の接続部が接合部を形成し、１つ置きの接合部の断面積が、残り の接合部の断面積および脚部材のいずれの断面積よりも相当に大きいことを特徴 とするサーモパイル。
2. ２．大きい方の接合部は、断熱層により残りの接合部から隔てられる請求の範囲 第１項記載のサーモパイル。
3. ３．１つ置きの接合部は分離した帯域に配され、大きい方の接合部が配されるこ の帯域は、残りの接合部が配される帯域よりも高い温度を有する請求の範囲第２ 項記載のサーモパイル。
4. ４．第１の脚部材の非接続端部および第２の脚部材の非接続端部は電気的負荷に 接続される請求の範囲第３項記載のサーモパイル。
5. ５．大きい方の接合部が配される帯域の高い温度は、適当な源からの排熱により 賦与され、残りの接合部か配される帯域の温度は、冷却液により賦与される請求 の範囲第４項記載のサーモパイル。
6. ６．残りの接合部は周囲大気内に配される請求の範囲第２項記載のサーモパイル 。
7. ７．大きい方の接合部は、冷却される包閉帯域内に配される請求の範囲第６項記 載のサーモパイル。
8. ８．第１の脚部材の非接続端部および第２の脚部材の非接続端部は電源に接続さ れる請求の範囲第７項記載のサーモパイル。
9. ９．残りの接合部の断面積は、これらが接続される最小の断面積をもつ脚部材の 断面積とほぼ等しい請求の範囲第１項記載のサーモパイル。
10. １０．残りの接合部の断面積は、これらが接続される最小の断面積をもつ脚部材 の断面積よりも相当に小さい請求の範囲第１項記載のサーモパイル。
11. １１．第１のマスクを不導性基板上に載置して、材料が熱電対の複数の脚部材お よび各脚部材の一端部に第１の接合部の半分および各脚部材の他端部に第２の接 合部の半分からなるサーモパイルの半分とを構成するように不導性基板上へ材料 の被着が行えるようにし、不導性基板上へ材料を被着させ、 この第１のマスクを除去し不導性基板上に第２のマスクを載置して、異種の材料 が、熱電対の第１の接合部の他の半分を各一端部にまた熱電対の第２の接合部の 他の半分を各他端部にもつサーモパイルの他方の脚部材からなるサーモパイルの 残り部分を構成するように不導性基板上に異種の材料の被着が行えるようにし、 不導性基板上と第１、第２の接合部上へ異種の材料を被着させて、 以上のようにして形成された第１の接合部の断面積は、以上のようにして形成さ れた第２の接合部の断面積および以上のようにして形成された脚部材のいずれの 断面積よりも相当に大きいサーモパイルを提供する諸段階よりなるサーモパイル の製造方法。
12. １２．第１の脚部材は、第１の接合部の材料および第２の脚部材を構成する材料 と異なる材料から作られ、第３の脚部材は第２の脚部材の材料と異なる材料から 作られる請求の範囲第１項記載のサーモパイル。
13. １３．第１の脚部材および第３の脚部材は同様の材料から作られる請求の範囲第 １２項記載のサーモパイル。
14. １４．第２の接合部は、第１の脚部材を構成する材料および第２の脚部材を構成 する材料と異なる材料から作られる請求の範囲第１２項記載のサーモパイル。
15. １５．第１のマスクを不導性基板上に載置して、第１の材料か、熱電対の少なく とも１つの脚部材から構成されるサーモパイルの１要素部分を形成するよう不導 性基板上へ第１の材料の被着が行えるようにし、不導性基板上へ第１の材料を被 着させ、第１のマスクを除去し、 不導性基板上および先に被着された第１の材料上へ第２のマスクを載置して、第 １の材料と異なる第２の材料が、前記脚部材に接続される熱電対の接合部の第一 半分を形成するよう不導性基板上へ第２の材料の被着が行えるようにし、 第２の材料を被着させ、 第２のマスクを除去し、 不導性基板上および熱電対の少なくとも１つの前記脚部材上に第３のマスクを載 置して、第２の材料と異なる第３の材料が、サーモパイルの１要素部分を形成す るようまた接合部の第二半分を構成するよう接合部の第一半分へ第３の材料の被 着が行えるようにし、第３の材料を被着させ、 第３のマスクを除去し、 前記１つの脚部材および接合部および不導性基板の上に第４のマスクを載置して 、接合部材料および第１の材料から作られる前記脚部材と異なる第４の材料が、 接合部に接続するサーモパイルの第２の脚部材を構成するよう第４の材料の被着 が行えるようにし、第４の材料を被着させ、 第４のマスクを除去して、 被着された第４の材料は、サーモパイルの１要素部分および少なくとも熱電対の 他方の脚部材を構成するようにして、 以上の通り形成された接合部の断面積は、サーモパイルの熱電対の脚部材の断面 積と不均等とされるサーモパイルを提供しまた熱電対の２つの脚部材および接合 部はすべて異種の材料で作られる諸段階よりなるサーモパイルの製造方法。