(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼーベック効果を有した少なくとも２つの異なる材料から成る熱電脚部材を備えた少なくとも２つの好ましくは複数の熱電対であって加熱される接点を有した熱電対を直列または並列に接続し、或いは、二対の熱電脚部材の組合せを相互接続し、熱電効果によって熱を電気エネルギーに変換する方法において、
ａ）前記加熱される接点が、以下の式で求められる前記熱電脚部材の「平均導体全断面積」の５％未満の接触面を有し、
ｂ）前記接点または該接点によって画成される前記接触面にのみ外部から熱エネルギーを直接供給し、
ｃ）外部から前記接点または該接点によって画成される前記接触面に供給される熱エネルギーが、各熱電対によって生成される電力に、隣接する熱電脚部材への熱散逸によって生じる損失を加えたエネルギーに一致する限定的エネルギー量であるようにした方法。
【数１】
0005438125.tif 000017
ここで、
VA＝熱電脚部材Ａの体積
VB＝熱電脚部材Ｂの体積
lA＝熱電脚部材Ａの導体長さ
lB＝熱電脚部材Ｂの導体長さ
である。
【請求項２】
熱流（Ｑ）および電流（７、７′）のための前記熱電対の第１の通過面（F1）の側部周辺に断熱要素を配設した請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記断熱要素は、断熱材料から成る層（６）にて設けられている請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の通過面（F1）が、前記２つの熱電脚部材（Ａ、Ｂ）を電気的に接続する第１の接点ブリッジ（１）の表面にて形成される請求項１〜３の何れか1項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の通過面（F1）が熱ブリッジ（１１）に連結されており、該熱ブリッジ（１１）の熱伝導率と、前記断熱要素の熱伝導率との比率が１０5よりも大きな値である請求項１〜３の何れか1項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の通過面（F1）および熱流（Ｑ）および電流（７、７′）のための第２の通過面（Ｆ）に交差する平面による前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）の断面が、少なくとも略弓形の凸状輪郭を有している請求項１〜５の何れか1項に記載の方法。
【請求項７】
第１の通過面（F1）および第２の通過面（Ｆ）と交差する平面による断面において、前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）は台形形状を呈する請求項１〜５の何れか1項に記載の方法。
【請求項８】
前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）は、前記第１の通過面（F1）および前記第２の通過面（Ｆ）をベース面および頂面とする切頭角錐状に形成されている請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記熱ブリッジ（１１）は板状（「熱舌片」状）に形成され、細い側面によって前記第１の通過面（F1）に接続されている請求項５〜８の何れか1項に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）の少なくとも一方の材料が、金属、半導体および鉱物類から成る群から選択される請求項１〜９の何れか1項に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）の少なくとも一方の材料が、天然スクッテルドまたは合成スクッテルドから選択される請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）が薄膜技術を用いて形成される請求項１〜１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）が、最も低い直列電気抵抗のために断面を最適化する原理によって形成される請求項１〜１２の何れか1項に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱電脚部材（Ａ、Ｂ）が、最も高い並列熱抵抗のために断面を最適化する原理によって形成される請求項１〜１２の何れか1項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の導入部分に記載されるタイプの熱電対によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電効果、特に、ゼーベック効果やペルティエ効果を用いる本発明に基づき熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。これらの効果は、温度差の存在によって導入され（ゼーベック効果）或いは反対に温度差を作り出すことによって（ペルティエ効果）導入される。
【０００３】
電気エネルギーを生成する従来の方法は、ゼーベック効果として知られる現象を用いる。異なる導電性および熱伝導性を備えた２つの異なる導電性材料の少なくとも一端が互いに導電性を備えるように接続される。この互いに接続された端部と、反対側の端部との間に温度勾配が存在すると、２つの導電性材料の間に電位差つまり電圧が生じる。従って、この２つの異なる材料は、電気的には直列に接続されているが、熱的には並列に接続されていることとなる。複数の熱電対を電気的に直列に、熱的に並列に接続することによって、熱電発電器（ＴＥＧ）が形成される。ＴＥＧは、温度差から電気エネルギーを生成するために用いれ、こうした温度差は、通常、熱源と冷却装置との間から得られる。効率ηは、公知のように電力Ｐと全熱流Ｐとの比に基づいて以下のように演算される。
η＝Ｐ／Ｑまたはη＝（発電量）／（単位時間あたりの熱エネルギー入力）
【０００４】
現在公知のＴＥＧの欠点は、この形態のエネルギー変換の効率が相対的に低い（半導体ＴＥＧの場合４〜６％）点である。従って、この現在あまり高くない効率を改善し、そして、過去、周知の熱機関その他電気エネルギーを生成する装置ために蓄積されてきた熱電エネルギー生成分野での応用を急いで開発する必要性がある。これによって、コスト要因を考慮しても、環境に優しい発電の可能性が拡大するであろう。
【０００５】
熱エネルギーは種々の方法で容易に生成可能であり、例えば化石燃料のような特定の燃料に基づく必要はない。過去には、あまり使われてこなかったり、完全に見過ごされてきた多くの利用可能な熱源がある。例えば、産業プロセスからの排熱、内燃機関からの放射熱、地球から熱を生成する熱源、太陽熱エネルギーなどが利用可能である。
【０００６】
過去、数少い例外を除いて、蒸気エンジンや蒸気タービン等の従来の熱生成機械によって利用するには、温度レベルまたは周囲温度に対する温度差が低すぎるために、これら熱源の利用は限られてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱電発電器は、こうした未開発のポテンシャルエネルギーをいつでも利用可能で、かつ、この点において、可動部品を用いない単純な構成および本質的にメンテナンスフリーであることに基づく多くの利点がある。然しながら、現在のところ依然として効率は４〜６％と低く、コスト的に非常に大きな欠点となっている。
【０００８】
本発明は、熱電効果を利用する熱電対を用いて、高効率に熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、請求項１の特徴部分に基づく方法によって達成される。
【発明の効果】
【００１０】
こうして、熱電効果を利用した少なくとも１つの熱電対を用いるエネルギーに変換する方法が提供される。熱電対は、電気的に直列に接続された２つの熱電脚部材を具備し、該熱電脚部材の各々は異なる熱電係数を備え、かつ、加熱される接点を有している。前記加熱される接点は、前記熱電脚部材と比較して、該２つの熱電脚部材の「平均導体全断面積」の５％未満の接触面を有している。単位時間あたりに熱電発電器に供給される熱量は、生成される電力に相当するエネルギーに可能な限り制限されるので、熱電エネルギーの生成効率が著しく増加する。
【００１１】
ＴＥＧに必要な熱は利用可能な温度レベルで直接入力されるか、或いは、熱電発電器を構成する異なる熱電材料（Ａ、Ｂ）から成る個々の熱電対の特別に構成された加熱される接点の接触境界面を介して供給される。更に、ゼーベック効果と直接同時的に生じるペルティエ効果によって並列閉回路中で生成される熱は、特別に構成された高温接点にのみ供給され、その大部分が消費され電気エネルギーに変換される。
【００１２】
結局、個々の熱電対を構成する熱電脚部材を流れる損失とみなされる熱は、現時点で周知のシステムの場合よりも非常に少なくなる。
【００１３】
本発明よれば、従来のシステムとは異なり、加熱される接点から冷接点へ流れる高い熱損失は、特別な材料特性によって防止されるのではなく、特別な接触境界面で生じるエネルギー変換に利用されない残余の熱エネルギーが比較的小さく、かつ、該利用されないエネルギーは熱伝導によって放出されるので高効率が達成される。
【００１４】
本明細書中において詳細に後述するように、有利な変換プロセスに加えて、熱電脚部材材料に沿った熱の流れは、更なる特徴によって制限される。これは、熱電対の選択された或いは利用可能な全体的な大きさを変更することなく、個々の熱電対を構成する熱電脚部材材料の導体断面が、予め正確に決定された最適な関係で相対的に配置されることによって達成される。この断面の最適化によって効率が更に増加する。
【００１５】
本発明よれば、ゼーベック効果によって作動する周知の熱電発電器の更なる発展が提案される。これによって、大量に入手可能で、かつ、これまで相対的に高いコストと低い効率のために、この種のエネルギー変換が利用されてこなかった分野で、発電目的で熱電発電器を利用可能とする安価な材料で高い効率が達成される。
【００１６】
本発明による方法は、特にCO2ニュートラルな燃料や未開発の熱源を含む環境に優しい利用可能な資源の利用に適しており、独立して分散されているエネルギー原として多数のタスクを実行可能である。
【００１７】
ゼーベックの発見(1821)以来、同数の熱電対を相互接続することによって実現可能な高電圧を生成し、以て迂遠なアプローチを採ることなく単純な方法で熱から電気エネルギーを得る試みはなされてこなかった。
【００１８】
１９世紀後半に、当時「熱電コラム(thermoelectric column)」として知られる種々のタイプのこうした装置が既に用いられており、それまで用いられていた標準的な酸電池要素が置換えられた。これに関連してノビレ(Nobile)の熱電コラム、ノーエ(Noe)の熱電コラムの熱電コラム、クラモンド(Clamond)の熱電コラム、マルクス(Markus)の熱電コラム、グルシャ(gulcher)の熱電コラム、ラウブ(Raub)の熱電コラムおよびコックス(Cox)の熱電コラムが知られている。ラウブの熱電コラムおよびコックスの熱電コラムは、当時、最大で１％程度の著しく低い有効効率であることは認められていたが、既に、商用に利用可能な十分な電気エネルギーを生成可能であった。２０世紀の初頭に数倍の電圧、電力を生成可能なダイナモがジーメンスにって発明され、熱電コラムは忘れ去られてしまった。
【００１９】
然しながら、２０世紀の中期へ向けて半導体が発見され、一層高い効率で一層高いゼーベック電圧を送出可能な熱電材料が利用可能となった。
今日まで、Ｐ型半導体およびＮ型半導体材料から形成された熱電対を直列に接続し、熱電発電器およびペルティエ素子のために用いらてきた。
【００２０】
技術的、物理的観点からはペルティエ素子と熱電対との間には差は無いので、熱電対の直列接続は、原理的には、熱からのエネルギー生成（熱電発電器）と、加熱または冷却システムとの双方に利用可能である。
【００２１】
半導体熱電対の効率は、当初の金属製熱電対の効率よりも著しく高いが、２０００年紀の末期へ向けて新たな材料を見つけるべく鋭意研究されていても、効率の改善はささやかなものとなろう。現時点で、半導体材料から形成され民生用として利用されている熱電発電器は約４％〜６％の効率しかない。軍用や宇宙旅行用の場合、効率は約７％または７％を僅かに上回る。ここ数年になって、一層高い効率へ向けての新たな解決方法が提案されてきている。
【００２２】
熱電エネルギー変換効率を高めるために、２つの基本的な解決方法がある。
最後に、当初から追求され今日においても広く利用されている方法は、一層高い熱電電圧を生成し、かつ、利用可能な導電率を有しながら、同時にそれに比例して高くなる熱伝導率を備えていない材料を作ることである。近時までそれほど追求されてこなかった他の解決方法は、高いゼーベック係数を達成することではなく、熱伝導性を遮断しながら同時にそれに比例して導電性を低下させないことに絞られている。
【００２３】
これら新規の解決方法のうち最後の解決方法は、現時点で、より好ましいとされる「超格子量子井戸」技術である。「量子井戸」技術は、約１１％のオーダの効率を生み出し、実機テスト段階にある。
【００２４】
この技術は、半導体材料から成る数ナノメートルの非常に薄い膜を、一方で電気伝導性をほんの僅かに低減し、他方で熱伝導性を著しく低減する物理現象に基づいている。この技術を利用して作られた熱電材料は、１mm当たり数万もの平行な層が中間層によって分離された構造を有している。この目的のために用いられる製造プロセスは、非常に複雑でコストが掛かる。未だ実験室段階ではあるが、更に他の新規な解決方法は、ナノ粒子から成る半導体材料を用いて「量子井戸」効果を作るというものである。
【００２５】
圧倒的大多数の刊行物は、従来の半導体技術の分野での熱電発電器に関するものであり、そこでは熱電発電器全体または一部を特定の用途に応用した有利な構成の装置を得ることに主要な焦点があり、エネルギー生成半導体モジュールの効率を改善することには向けられていない。他の刊行物は、場合によってはその小型化を含む、薄膜技術を用いた従来の半導体熱電対の直列接続に関するものである。最後に、他の公知となっている刊行物は、半導体材料の組成物と製造に関連している。
【００２６】
本発明は、熱電脚部材沿いに加熱側の接点から低温側の接点へ向う熱伝導によって生じる損失を可能な限り制限することによって効率を高めるとの現代的な考え方を採用する。公知となっている従来技術とは異なり、使用する熱電材料の熱伝導率を低減する材料技術は用いない。
【００２７】
本発明は、遷移部を構成する小型の接点が、温度勾配を決定する温度が存在する２つの熱電脚部材材料の間に設けられているだけであっても、材料に特定の相対ゼーベック係数に関連する温度勾配によって誘導される熱電電圧が完全な水準で得られるとの事実に基づいている。
【００２８】
然しながら、熱損失は除去することはできず、演算において考慮される。然しながら、こうした除去することのできない熱損失は、公知のシステムの熱損失の僅かな量である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１ａ】断面を最適化していない標準的な熱電対を示す図である。
【図１ｂ】最も低い抵抗を得るために最適化した断面を備えた熱電対を示す図である。
【図１ｃ】最も低い熱流を得るために最適化した断面を備えた熱電対を示す図である。
【図２ａ】「点状」構成に基づく最小化した接触領域の主要な例を示す図である。
【図２ｂ】最小化した接触領域を下側から見た図である。
【図２ｃ】熱入力と共に示す熱電対の断面図である。
【図２ｄ】接点ブリッジおよびその断熱層の図である。
【図３ａ】「直線状」構成に基づく最小化した接触領域の主要な例を示す図である。
【図３ｂ】「直線状」に配向された接点ブリッジを下側から見た図である。
【図３ｃ】熱入力と共に示す熱電対の断面図である。
【図３ｄ】接点ブリッジおよびその断熱層の図である。
【図４】熱担体による２つの熱電対への熱入力を示す図である。
【図５】「直線状」の接触面の「熱舌片」およびその「熱足部」を備えた熱電対を示す図である。
【図６ａ】丸形輪郭の熱電脚部材、「熱舌片」および「熱足部」を備えた熱電対を示す図である。
【図６ｂ】熱入力と共に示す熱電対の断面図である。
【図６ｃ】直列に接続した熱電対を熱入力と共に示す断面図である。
【図７】本発明の原理に基づく円筒形状の熱電発電器を示す図である。
【図８】本発明の原理に基づく平板形状の熱電発電器の一部を示す図である。
【図９】２つの熱電脚部材が概ね楔形に形成されている熱電対の構成の一例を示す図である。
【図１０】接点ブリッジを備え楔形に形成された２つの熱電脚部材Ａ、Ｂを具備する熱電対の構成の一例を示す図である。
【図１１】薄膜技術を用いた熱電対の一例を示す
【図１２】一対の角錐状熱電脚部材Ａ、Ｂを備えた熱電対の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
複数の実施形態を横断して記載される同様の構成要素には同じ参照番号および同じ名称が付されており、本明細書を通じて、同じ参照番号および名称が付された同様の構成要素は開示内容を置き換えることが可能である。更に、上、下、側といった説明上の目的で選択された位置は、特定の図面に関連しており、他の位置を説明する場合には、新たな位置に置き換えることができる。個々の特徴および複数の異なる実施形態からの複数の特徴の組合せは、それ自体、個々の発明の解決手段または発明によって提供される解決手段と解釈されよう。
【００３１】
添付図面において、値域は、例えば１〜１０の範囲は、下限１から上限１０の全ての部分範囲を含む、つまり、例えば１〜１．７、３．２〜８．１または５．５〜１０といった下限１以上から上限１０以下の全ての部分範囲を含むと理解されるべきである。
【００３２】
本発明は、以下のような物理現象および効果に基づいている。
閉じた熱電回路では、ゼーベック効果およびペルティエ効果は表裏一体である。この２つの効果は、熱電対の熱的に接触した表面で同時かつ直接的に生じ、単に同一のエネルギー変換プロセスの一環である。
【００３３】
１つの熱電対において、２つの熱電脚部材の間の加熱される接点の導電性断面が、熱電脚部材の導電性断面によって得られる接触面の全てを用いて得られる導電性断面のほんの僅かな部分であっても、完全な電圧レベルが得られる。
【００３４】
電圧を生成する温度勾配を維持するために、著しく小さくした接触面にのみ必要な熱エネルギーを供給すればよい。
【００３５】
単位時間に供給すべき必要熱量は、直接比例してはいないが、接触面が全導電性断面に供給べき熱量、或いは、より大きな表面に供給すべき熱量のほんの一部である。
【００３６】
熱は、周囲から適当に断熱しながら、２つの熱電脚部材の間の非常に小さな導電性接点に特定的に導入可能である。
【００３７】
これを達成するために、
「点状」または「直線状」構成の最小化した接触領域に、高温ガスまたは流体もしくは集中した有効熱放射によって、熱を直接供給するよう制限する。
【００３８】
「点状」または「直線状」構成の最小化した接触領域に、適当な形状、熱伝導性固体によって、熱を接触、伝導する。
【００３９】
熱的、電気的に高伝導性フィルム（好ましくは薄膜）によって小さな接触領域に直接熱を導入する。このフィルムは、著しく小さくした接触領域の寸法に一致する断面において２つの熱電脚部材の材料に接触し、必ずしも必要ではないが、好ましくは、より長く、幅広く、或いは、厚く、外部から小さな接触面へ熱が吸収されるようになっている。
【００４０】
熱エネルギーは、熱電脚部材の熱的な接触境界面の分子層内でのみ電気エネルギーに変換される。
その理由は、熱的に励起された電子の「平均自由行程長さ」が著しく短い、固体の場合ナノメートル程度である、ためである。
【００４１】
生成された熱電電圧から想定される電流の強さは、偏にオームの法則に従い、よって、閉回路の全抵抗値によってのみ制限される。
閉じた熱電回路内で生成される電圧による電流の強さおよび電流の支配的な方向によって、生成された電力に相当するエネルギーに正確に一致する熱量が、加熱された接触境界面からペルティエ効果のメカニズムによって引出される。
【００４２】
熱電脚部材の平均的な導電性断面に関連した加熱された接触領域が小さければ小さいほど、ペルティエ効果のメカニズムによって、一層多くの熱エネルギー量が比例して接触面から単位時間あたりに引出され、熱電回路に供給される電力に相当するエネルギーが得られる。
【００４３】
これは、接触領域の導電性断面が著しく低減され、閉回路中を流れる電流のための断面が著しく細くなることを意味している。従って、この細くなった断面内で電流密度が高くなる。ペルティエ効果のメカニズム、従って、単位時間あたりに接触境界面から引き出す熱量は、接触面の電流密度に比例している。
【００４４】
熱は接触境界面から直接引出され、従って、接触面が直接冷却される。この熱損失は、閉回路中の電力を維持するために不変に置換されなければならない。
隣接する加熱された接触面の分子領域の両面の材料の加熱は、エネルギー変換には直接比例していないが、効率を抑制する熱損失としてみなされる。
【００４５】
加熱すべき最小限の接触断面によって個々の熱電対の内部抵抗が増加し、電力が低減される。然しながら、本発明による熱電対の構成によれば、この電力損失は、予想よりも著しく小さく、４０％〜５０％程度である。それに比べ、著しく低減された加熱すべき隣接する熱電脚部材の接触面の熱損失は非常に小さくなっている。その結果、釣合いは、低い電力と（熱）損失との間で入れ替わり、結局、効率が高くなる。
【００４６】
既述した説明から、熱電効率を高めるためには、複数の熱電対を分散させて熱電発電器を形成し、理想的に配置された各熱電対によって生成された発電量に相当するエネルギーに一致する単位時間あたりの熱量のみを供給するようにした方法が必要となる。これに関して、必要な熱量は、利用可能な最高温度レベルで供給すべきである。理論的には、これによって、非常に高効率化可能となる。本発明による該解決方法は、熱電脚部材の導電性断面と比較して著しく小さくした導電性断面を有した接点によって達成される。必要温度レベルは、この最小化した導電性断面内でのみ利用可能な範囲で可及的に高くできる。
【００４７】
然しながら、実際上は、妥協も必要である。本発明は、そうした妥協策を提案し、高効率化へ向けて著しく前進した。これは、各熱電対の２つの熱電脚部材の間の加熱すべき接続点が１つの接触面のみを有するようにしたことで達成された。この接触面は、各熱電対の２つの熱電脚部材の「平均導体全断面積」よりも小さく、好ましくは最大で５％の割合を占めるている。
【００４８】
熱電対の「平均導体全断面積」ωは、実際の値、或いは、１つの熱電対を構成する２つの熱電脚部材の各々の材料の体積と、電流が流れる導体の長さとが特定の関係がある場合には、そこから得られた仮定的な値である。これは、以下の式から得られる。
【数１】
0005438125.tif 000002
ここで、
ω＝２つの熱電脚部材の平均導体断面積
VA＝熱電脚部材Ａの体積
VB＝熱電脚部材Ｂの体積
lA＝熱電脚部材Ａの導体長さ
lB＝熱電脚部材Ｂの導体長さ
である。
【００４９】
熱電対の特定の構成の所与の目的によって、熱電脚部材は互いに異なる長さを有していたり、断面積が変化することもあるので、本発明では「平均導体全断面積」との語を用いている。
【００５０】
「平均導体全断面積」との語は、本発明が基づく最小化した接触面の寸法を異なる実施形態の熱電対について決定する標準的な演算原理を得るために用いられる。
【００５１】
本発明に関連して既述した法則、原理、作用、すなわち、断面に関して最小化した接触面遷移の原理、この縮小した接触領域に制限した量の熱エネルギーを直接供給するとの原理、非常に小さな接触領域で熱を電気エネルギーに変換し、該変換に同時的、直接的に必要とされる熱エネルギーがペルティエ効果のメカニズムによってのみ該接触領域から引出され、次いで、再びこの部分にのみ供給されるとの実際のプロセスの原理は、本発明の本質的特徴を示している。
【００５２】
然しながら、直接隣接する熱電脚部材の材料部分の熱伝導率のために、常に適正な温度に維持しなければならない最小化接触面遷移の原理では、補填されなけれならない熱損失を生じ効率が低下する。従って、効率は従来の通常の方法、つまり熱電脚部材のために低い熱伝導率の材料を用いる従来の標準的な方法では改善されない。
【００５３】
利用可能な他の方法は、熱電対を形成する２つの熱電脚部材の導体断面積をある比率で相対的に変更し、電気抵抗が最小化されるように、従って電力が最大化されるように、或いは、最大熱抵抗を達成するように上記比率を設定し、熱流による熱損失を可能な限り低減することである。
【００５４】
最も低い電力抵抗に適応する解決方法を採用した場合、電気を通すために適正な容量をもった導電性材料のケーブルの断面積が拡大され、より良い導電性材料の寸法が低減される。
【００５５】
２つの熱電脚部材に用いられる材料が、導電性の観点から著しく異なっている場合、この補助的な方法の利用には実際上の利点がある。２つの熱電脚部材Ａ、Ｂが、同じ長さで同じ断面積を有していると仮定すると、必要な最低抵抗の比例定数は、以下の式を用いて容易に決定される。
【数２】
0005438125.tif 000003
ここで、
Ropti＝２つの熱電脚部材（Ａ、Ｂ）の最適な（最低）直列抵抗
σA＝材料Ａの導電率
σB＝材料Ａの導電率
である。
【００５６】
本発明における単なる演算例を示す一例として銅とコンスタンタン等の周知の材料の組合せに上記数式を適用すれば、以下の結果を得る。
銅（Ａ）…σA＝58.106S/m
コンスタンタン（Ｂ）…σB＝2.106S/m
【数３】
0005438125.tif 000004
【００５７】
互いに直列に同じ熱伝導の断面積、係数0.6794までこの抵抗、直列に接続した同一の導体断面積の２つの熱電脚部材による電気抵抗と比較することによって、得られた値0.6794は、同一の導体断面積を用いることに代えて、導電性の低い材料（本例ではコンスタンタン）の導体断面積を大きくし、導電性の良好な材料（本例では銅）の導体断面積を小さくすることによって、抵抗値を0.6794まで低減、つまり１／３まで低減可能であることを意味している。価値判断に基づかない２桁のオーダで断面積の合計は変わらず、そのように修正された熱電対の全体の大きさも変わらない。
【００５８】
最適な（最低）抵抗値のための比例定数の演算によって、断面積の最適化が有効であるか否かを迅速に決定する助けとなる。然しながら、熱電対全体の大きさが同じである場合には、最適な（最低）抵抗値を得るために、比例定数は、２つの熱電脚部材の断面積の間にどのような関係が必要であるかにつき何等の情報も提供しない。この比率は、以下の式によって演算される。
【数４】
0005438125.tif 000005
【００５９】
上記関数を解くことによって、最終的に二次方程式となる。σAに対して２つの電気伝導度のうち高い方の電気伝導度が熱に用いられる。一例として上述した例では、これは銅の電気伝導度となろう。
【数５】
0005438125.tif 000006
【００６０】
２つのx値のうち、正の値のみが関連する。上述した銅コンスタンタン熱電対の場合で熱電脚部材の長さが等しい場合、上記式から以下の値を得る。
【数６】
0005438125.tif 000007
【数７】
0005438125.tif 000008
【００６１】
この例で銅とコンスタンタンから成る２つの熱電脚部材の最低抵抗値は、銅の断面積：コンスタンタンの断面積の比率が0.313:1.687、つまり1:5.39の場合に得られる。
ここで説明した例における低減された抵抗値から、電力が1.472倍に増加する。
【００６２】
然しながら、熱電脚部材の断面積を変えると、同時に熱電対を通過する熱流が変化する。関連する演算は、通貨熱流が0.3767倍に低減される。つまり、最適化されていない断面積を有した熱電対を通過する熱流（これが100％と見做される）に対して37.67％に低減されることを示している。
【００６３】
この例では、電力が増加するのと同時に熱流が低減され、従って、最適化した断面積を有した銅コンスタンタン熱電対の効率が、同一の寸法を有した熱電脚部材を備えた熱電対の３．９倍となる。本明細書中において説明する演算原理は、熱電脚部材の長さが同一であることを条件に、全ての熱電対材料の組合せについて適用される。これが当てはまらない場合、適当な補正パラメータを２つの熱電脚部材の長い方の材料の特性値に適当な補正パラメータを適用しなければならない。
【００６４】
熱電脚部材の加熱端から低温端への高い損失熱流を可能な限り制限する他の方法は、熱電脚部材の導体断面積を、熱伝導率に反比例するように決定することである。熱電脚部材が同じ長さであるとして、寸法比（比例）は以下の式から得られる。
【数８】
0005438125.tif 000009
【００６５】
それ自体単独で、材料特性（熱伝導率）に応じて、効率が著しく高くなることもある。
図１ａは、従来の構成の熱電対を示している。半導体材料から形成された熱電脚部材Ａ、Ｂは同じサイズであり、接点ブリッジ１によって加熱される側の端部で結合されている。接点ブリッジは、良好な熱伝導、電気伝導性材料であり、ベース面である導体断面３の全面に亘って延設されている。
【００６６】
熱電対の該端部は、高温領域Thに曝される。低温領域Tkに対面する端部には接点ブリッジ２が設けられており、図示されていないが、隣接する熱電対への２つの熱電脚部材Ａ、Ｂの各々のための直列の接続部となる。熱電脚部材は、間隙４によって互いに分離している。図１ｂに、熱電脚部材Ａ、Ｂが、最も低い電気抵抗値を得るために最適化された断面を有している同種の熱電対を示す。図示するサイズの比率は、材料Ａが、材料Ｂよりも４倍良好な熱伝導および電気伝導率を有する場合に、最適な比率となることを示している。図示する比率に基づく効率は、図１ａに示した標準的な比率に基づき得られる効率の１．３６倍であり、つまり３６％増加する。図１ｃは、熱電脚部材Ａ、Ｂが、最も低い熱流を得るために最適化された断面を有している同種の熱電対を示している。すなわち、断面積の比率は、材料の熱伝導率λに反比例している。図１ｃに示す熱電脚部材の比率に基づき得られる効率は、図１ａに示した標準的な比率に基づき達成される効率の１．４６倍であり、つまり４６％増加する。
【００６７】
図２に、本発明による最小化した接触面を備えた熱電対を示す。図２ａに示す例では、熱電脚部材Ａ、Ｂが同じ長さ、同じ形状（正方形）であり、２つの導体断面積の各々はベース面５に一致するので、「平均導体全断面積」は容易に演算される。高温領域Thにおける導体接続部は、著しくサイズを小さくした接点ブリッジ１の形態で提供される。図面では、接点断面積の比率は３％となっている。これは、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂ間の導電性接続部を提供する接触面３の各々が、「平均導体全断面積」、本例では２つのベース面５の合計の３％の面積を占めることを意味している。電流７、７′は、熱電脚部材Ａを流れ、熱電脚部材Ａ側の最小した接触面を通過し、熱電脚部材Ｂ側の接触面３から再び流れ出て、その間、著しく狭くした経路を流れ、そして再び広くなった断面の熱電脚部材Ｂ内を流れる。図２ｂは、下側から見た図である。接点ブリッジ１は、接触面３のみによって２つの熱電脚部材Ａ、Ｂに接続されている。図２ｃに、熱入力９を接点ブリッジ１のみに供給する方法を示す。高温領域Thに向けられる熱電脚部材Ａ、Ｂのベース面は、高温領域Thの影響を受けないように、接点ブリッジ１を除いて、良好な断熱材料から成る層６によって覆われる。断熱層６の開口部８内に配設された接点ブリッジ１のみが高温領域Thからの熱に暴露される。熱源は上述したどのようなタイプの熱源であってもよい。
【００６８】
接点ブリッジ１によって、適切な熱量が、最小化した接触面３、より正確には接点ブリッジの接触境界面に伝達される。小さな境界面内でのみゼーベック効果とペルティエ効果が組合せられる。図２ｄに、断熱層６の開口部８内に配設され熱入力を受ける接点ブリッジ１の底面を示す。
【００６９】
本例では、「平均導体全断面積」のたった３％の表面をなす接触境界面を通して比較的高密度で電流が流れる。熱電対の電力に一致する等価の全熱エネルギーが、小さな表面積のこれら領域から直接引出される。単位時間あたりの必要熱量が接点ブリッジ１から接触境界面に常時供給されるように、熱伝導率、材料の厚さ、温度勾配が選択される。電力に等価なエネルギーに加えて、熱電脚部材Ａ、Ｂにおいて接触境界面に隣接する材料を通して生じる熱損失もまた補填されなければならない。
【００７０】
図３ａに上述した例に類似する熱電対であって、最小化した接触面を「直線状」に形成した本発明の原理を用いた例を示す。これによって、接触面は、非常に細い２本の帯状に形成される。該帯の長さは、熱電脚部材の奥行きに一致している。熱電対の内部抵抗が「点状」構成、つまり図２に示したような小さなスポット構成よりも低くなることが演算によって示される。
【００７１】
図３ａでは、接触面３は、「平均導体全断面積」のたった２％の面積である。２つの熱電脚部材Ａ、Ｂは、接触面を構成する細い帯によって、高温領域Thに暴露される端部において対面する縁部に沿って互いに接続される。これは、上述した「直線状」構成に対応している。接点ブリッジ１は、各縁部を僅かに超えて突出しているだけである。熱電対を流れる電流７、７′は、３軸ではなく、２本の空間軸のみを横断して流れ、「点状」構成の場合と同様に、狭い空間を流れる。図２ｂ、２ｃ、２ｄを参照して説明した構成、機能および応用は、図３ｂ、３ｃ、３ｄにも適用される。
【００７２】
図４に、図３ａの構成の２つの熱電対を直列に接続した構成を示す。接触面３は、２％である。図４の例は、接点ブリッジ１への熱入力が間接的な方法で実施可能なことを示している。部材１０は、良好な熱伝導性材料から形成され、その表面に断熱層６の開口部８内に突出し、接点ブリッジ１に熱伝導可能に接触する構造を有している。部材１０は、高温ガスまたは高温流体が流通する管または軸の一部とすることができよう。該部材に吸収された熱は、接点ブリッジ１へ直接伝達される。
【００７３】
図５は、本発明の作動原理の好ましい応用例を示している。２つの熱電脚部材Ａ、Ｂは、非常に細い間隙４を以て互いに絶縁、分離された状態で、互いに近傍に配置されている。
間隙４は、電気的絶縁材料から成る分離層によって置換してもよい。その場合、絶縁分離層は、熱電脚部材Ａ、Ｂの表面５まで正確に延設されていなくともよい。
【００７４】
熱舌片１１が、２つの縁部から間隙４内へ突出している。熱舌片は、好ましくは、銅のよな良好な熱伝導、電気伝導材料から成る薄板から形成されている。熱舌片１１のこの間隙内に突出した部分は、熱電脚部材Ａ、Ｂに接続されて良好に電気を通し、従って、上述した接点ブリッジ１を置換している。同時に、これはまた最小化した接触面３を構成している。図５に示す例では、この接触面は「平均導体全断面積」の４％となっている。熱舌片１１において高温領域Thに暴露される端部において、該熱舌片は非常に幅広で厚くすることができる。熱舌片１１のこの部分は、本明細書では熱足部１２と称され、あらゆるタイプの熱源からの十分な量の熱エネルギーを吸収し、熱舌片１１を介して最小化した接触面３へ伝達するための手段となっている。熱舌片１１、および、該熱舌片１１によって形成される接点ブリッジ１の外部の熱足部１２の大きさは、材料の特性値、温度レベルおよび接触面３の要求熱量によって決定される。
【００７５】
図６ａは、本発明の基本原理の好ましい実施形態を示している。熱電脚部材Ａ、Ｂは、最小化した接触面へ向けて細くなる丸形に形成され、従って、熱電脚部材の導体長手方向に断面が変化するようになっている。つまり、熱電脚部材Ａ、Ｂの断面は、接点ブリッジ１、２と交差する平面に関して少なくとも概ね弧状、凸状の輪郭を有している。電流７、７′は、「直線状」の接触面３へ向けて概ね丸形の経路沿いに流れる。図５の例と比較すると、本例によれば、熱電対材料を削減することが可能となる。図５の例では、各熱電脚部材の全ての材料が、電流を流すことに関わっているわけではない。図６ａ、６ｂ、６ｃに示した熱電脚部材Ａ、Ｂの丸形の形態は、この点が考慮されている。熱電脚部材の断面を連続的に低減することによって、また、接触面３から奪われる熱量が低減される。破線１３は、同一の導体長さの丸形形態の熱電脚部材と同じ体積の直方体形態の２つの熱電脚部材の各々を仮想的に示している。図６において、丸形形態の熱電脚部材Ａ、Ｂは、同じサイズ、長さを有しており、その結果、仮想的に示した直方体形態の熱電脚部材も同じサイズを有している。仮想的に示した導電体のベース面５′は、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂの各々の「平均導体断面積」に相当し、上述したωから得られる。２つのベース面５′の合計は、該熱電対の「平均導体全断面積」であり、これから接触面３のサイズおよび％値が決定可能である。図６ａ、６ｂ、６ｃに図示する例では、最小化した接触面３は「平均導体全断面積」の２％となっている。熱舌片１１は、高温領域Th内で拡大され熱足部１２が形成される。
【００７６】
図６ｂに変形例を示す。熱舌片１１および熱足部１２の一部が断熱層６によって包囲されている。熱足部１２は、壁１４の開口部から突出している。壁１４は、高温ガスまたは高温流体が流通する管または軸の一部とすることができよう。熱足部１２によって吸収された熱エネルギー９は、熱舌片１１から接触面３へ伝達される。
【００７７】
図６ｃは、本発明によるこうした熱電対を直列に接続した形態の詳細を示している。熱舌片１１は、一層短い構成となっており、かつ、幅広く平坦な熱足部１２を備えている。熱足部１２は、良好に熱を伝達するように平坦な壁１４に着座している。該壁には、既述した方法（例えば、高温ガスや高温流体によって、或いは、熱放射の吸収）によって温度レベルThとなっている。熱足部１２によって吸収された熱エネルギーは、熱舌片１１を介して接触面３に伝達される。
【００７８】
図７に、本発明の基本原理による熱電発電器のラジアル形態を示す。
複数の熱電対２１が中心管１６の管壁に環状に配設されている。該熱電対は、図６に示した丸形形態の熱電脚部材Ａ、Ｂを備えた構成に対応している。低温領域Tkにある接点ブリッジ２によって、各熱電対は隣接する熱電対に直列に接続される。接点ブリッジ２は、一定間隔で間隙４によって分割される、中心管１６の周囲に同心に配設されたリングを形成する。１つの接点ブリッジ２の任意の位置２２において、該接点ブリッジから直列接続の電圧Ｕが引出される。各熱電対の丸形形態の熱電脚部材Ａ、Ｂは、中心管１６に対面する縁部において熱舌片１１によって電気的に接続され、そこにまた最小化した接触面が配置されている。熱舌片１１の各々は熱足部１２を有しており、該熱足部は、良好に熱を伝えるように中心管１６の外表面に着座している。中心管１６が導電性材料（例えば金属）から形成されている場合には、各熱足部１２は、薄い電気絶縁性中間層１５によって、中心管１６に直接接触しないように保護される。中心管１６、熱足部１２、熱舌片１１および熱電対１２の間の空隙は、良好な断熱性、電気絶縁性材料６によって充填される。分割されている接点ブリッジ２は、薄い電気絶縁性ジャケット７によって包囲されている。ジャケット７は、必須ではないが、好ましくは、冷却フィンを有した環状の冷却体１８によって包囲されている。こうして、関連する全ての部品と共に環状に直列接続した熱電対は、中心管１６と、同心に配設された冷却体１８との間に機械的に結合され包囲される。中心管１６内の高温領域Thは、高温ガス、高温流体その他の発熱体或いは熱輸送体２０によって形成される。このように、中心管１６の壁を加熱することによって、熱は、熱足部１２および熱舌片１１を介して最小化した接触面３へ輸送される。これによって、ゼーベック効果により電圧Ｕが生成される。
【００７９】
電気回路が閉じているとすると、付随するペルティエ効果による高い電流密度を介して電気回路の電力に一致する熱エネルギーが、最小化した接触面の境界層から同時的、直接的に引出される。
【００８０】
図７に示した原理による熱電対から成る複数のリングを直列または並列に接続し、或いは直列、並列の組合せ接続して１つの熱電発電器を形成することができよう。
【００８１】
図８は、本発明の同じ基本原理に基づく他の実施形態の断面図である。一例として示す本実施形態は、平坦構成に基づいている。本例における熱足部１２は細長く形成され、電気的に絶縁され平坦な管または軸１９の壁を貫通している。高温領域Thが、上述した高温ガス、高温流体２３等を用いて管または軸１９内に形成される。熱足部１２は、高温領域Thから熱を吸収し、該熱は熱舌片１１を介して最小化した接触面３に伝達される。管または軸１９は、また、正方形または矩形断面を有しており、複数の熱電対が、管または軸１９の平坦な外表面全体に熱舌片１１および熱足部１２を配置するように取付けられる。細長い熱足部１２は、絶縁され貫通穴を通して管または軸１９の高温領域Thが形成される内側空間に配置される。
【００８２】
これらの例に基づいて、本発明は、この技術分野における非常に大きな前進を可能ならしめる熱エネルギーを直接電力に変換する方法を提供する。その理由は、熱電対の高温端が非常に小さな接触面として構成されている場合、ゼーベック係数および温度勾配に従う熱電電圧は全出力で生成され、そして必要温度は該小さな接触面にのみ提供される。他方で、ゼーベック効果に加えて、閉回路内で同時的、直接電力にペルティエ効果が確実に生じ、前記電力に一致する熱エネルギーが、「高温の」接触面からのみ引出される。必要な熱エネルギーの入力が非常に小さな接触面に限定されると、入力を限定した結果、該熱エネルギーのみが変換される。にも拘らず、接触面と比較して大きな隣接する熱電脚部材の材料で生じ得る熱損失は、全面で接触している場合に生じる熱損失よりも低くなる。熱電対の抵抗が増加することによって生じる電力損失は、熱損失が実質的に低下することによって数倍保証される。これによって、効率が基本的に改善される。
【００８３】
図９に、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂを概ね楔形にした構成の熱電対の例を示す。
２つの熱電脚部材Ａ、Ｂの各々は台形断面を有しており、狭い間隙４を挟んで互いに隣合わせに配置されている。第１の接点ブリッジ１から反対側の接点ブリッジ２へかけて、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂの幅は直線的に大きくなっている。２つの熱電脚部材Ａ、Ｂに隣接した外部領域には、断熱層６が設けられている。こうして、熱電対を通過する熱流Ｑのための、第１の接点ブリッジ１に隣接した第１の通過面F1と、接点ブリッジ２に隣接した第２の通過面Fが設けられる。第１の接点ブリッジ１において、第１の通過面F1は断熱層６に接している。２つの熱電脚部材Ａ、Ｂにおいて２つの接点ブリッジ１、２の間は、図９に示す長さＬとなっている。第１の通過面F1と第２の通過面Ｆの各々は、熱電脚部材Ａ、Ｂの端部を形成し、同時に、また、該端部領域において、電流７、７′のための導電面を形成している。すなわち、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂ内では、電流７、７′の向きは反対である（図２ａ）であるが、熱の流れの方向は同一である。従って、第１の通過面F1および第２の通過面Ｆの約半分が、各々の場合の電流密度を決定する。
【００８４】
２つの熱電脚部材Ａ、Ｂを具備した熱電対の効率を概算するために、位置に依存する温度T(r)のスカラー場が、長さＬに一致する長手方向の長さにのみ依存すると仮定する。図９の座標系において、温度ＴはＸ軸、つまりT(x)のみに依存している。熱流密度ｑに関連する公知の式は、熱伝導率λの負の値と、温度分布T(x)の勾配との積であり、Ｘ軸のみに依存した式になる。
【数９】
0005438125.tif 000010
【００８５】
２つの熱電脚部材Ａ、Ｂの体積のみが全熱流Ｑのために利用可能であると仮定する。これは、上記熱伝導方程式の境界条件に等しく、従って、第１の通過面F1を通過する全熱流Ｑは、第２の通過面Ｆを通過する熱流Ｑに等しくなっていなければならない。該仮定に基づいて、全熱流Ｑは、以下の式から熱電対における温度差Th−Tkに比例する。
【数１０】
0005438125.tif 000011
また、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂが同一の熱伝導率λを有していると仮定する。
熱電対から引出し可能な電力Ｐを演算するために、単純なアプローチを採用して、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂの電気比抵抗ρが同一であると仮定する。電力は、以下の式を用いて、ゼーベック電圧の二乗と、直列に電気的に接続された熱電脚部材Ａ、Ｂの電気抵抗の商から演算される。
【数１１】
0005438125.tif 000012
熱電脚部材Ａ、Ｂでの電流密度ｊがＸ軸のみに依存していると仮定すると、直列に接続された熱電脚部材Ａ、Ｂの全外部抵抗Ｒは以下の式から演算される。
【数１２】
0005438125.tif 000013
【００８６】
電力Ｐと全熱流Ｑとの商に基づき効率ηは以下の式を用いて演算される。
【数１３】
0005438125.tif 000014
従って、第１の通過面F1の第２の通過面Ｆに対する比率が小さければ小さいほど、効率ηが高くなる。これは驚くべきことである。と言うのは、熱流Ｑの式によれば、通過面F1を小さくすると、それにつれ熱流Ｑもまた小さくなるからである。加熱力が時間と共に変化しないような熱源の場合のように、熱流Ｑが一定であるとすると、温度差Th−Tkを設定しなければならず、そしてそれは、上述した効率ηの式に従えば、やはり効率ηの増加につながる。
【００８７】
従って、第１の通過面F1が第２の通過面Ｆに対して実質的に小さな熱電対とすることによって、得られる電力Ｐは熱電脚部材Ａ、Ｂを通過する熱流Ｑに対する比率として増加する。この構成上の特徴を採用し、一層小さな第１の通過面F1を選択することによって、第１の通過面F1の領域にいて熱流密度ｑと電流密度ｊの双方が著しく増加する。
【００８８】
図２〜図９に示した実施形態に関して、接点ブリッジ２は冷却領域または低温領域Tkに対面し、接点ブリッジ１は高温領域Thに対面しているとした。然しながら、第１の接点ブリッジ１、つまり第１の通過面F1を低温領域Tkに対面するようにしてもよい。上述した効率ηの増加は、熱電脚部材Ａ、Ｂをこのように反対に配置または構成することによって達成される。
【００８９】
図１０に、２つの楔形の熱電脚部材Ａ、Ｂを具備した構成の熱電対の例を示す。本実施の形態では、第１の通過面F1は熱ブリッジ１１に接続されている。熱ブリッジ１１は好ましくは平板形状（図５に示した「熱舌片」のように）を呈しており、狭い端面で第１の通過面F1に熱的に接触した状態で、かつ、２つの熱電脚部材Ａ、Ｂの間で間隙４に平行に置かれる。熱電脚部材Ａ、Ｂおよび熱ブリッジ１１の側面には断熱層６が設けられており、熱ブリッジ１１および該熱ブリッジに隣接する２つの熱電脚部材Ａ、Ｂによって、高温領域Thから低温領域Tkへ熱流Ｑが通過するようになっている。図９に示した例とは異なり、第１の通過面F1は一層小さくなり、そして熱ブリッジ１１が全長L1に亘って延設されているので、全熱損失Ｑは第１の通過面F1周囲に集中している。
【００９０】
図９に示した例における効率ηを演算するために用いた仮定は、本実施の形態における効率ηを演算するためにも適用可能であるが、熱ブリッジ１１沿いの温度低下によって、生成される熱電電圧を決定する温度差Tc-Tkは、利用可能な全温度差Th-Tkよりも小さくなっていることは考慮しなければならない。ここで、Tcは第１の通過面F1における温度である。熱ブリッジ１１は熱伝導率λ1を有している。２つの熱電脚部材Ａ、Ｂから成る熱電対の温度差Tc-Tkは、以下の式から演算される。
【数１４】
0005438125.tif 000015
【００９１】
こうして、図１０に示す構成の熱電発電器つまり熱電対の効率ηは、以下の式から演算される。
【数１５】
0005438125.tif 000016
【００９２】
第２の通過面Ｆよりも小さく第１の通過面F1を選択することによって、従って、効率ηを非常に高めることが可能となる。
【００９３】
長さＬに亘って一定断面Ｆの熱電対の効率と、上記効率ηとを比較すると、第１の通過面F1に対する第２の通過面Ｆの比率が１０よりも大きな値でる場合に効率は２倍以上となることがわかる。つまり、熱流Ｑのための第１の通過面F1は、第２の通過面Ｆの１０％未満である。第１の通過面F1を第２の通過面Ｆの５％以下から２％の範囲に選択することによって、更に効率ηは著しく改善される。第１の通過面F1を第２の通過面Ｆの２％以下、特に１％以下とすることは好ましい。これに関して、現実的な条件下では、熱流Ｑから断熱層６を通じて利用できない熱損失を生じ、理論的に可能な一層高い効率は達成不能であることは考慮されなければならない。然しながら、断熱層６を構成する材料の熱伝導率に対する熱ブリッジ１１の熱伝導率の比率を１０5以下とすることによって、効率ηが著しく増加することを見出した。
【００９４】
２つの熱電脚部材Ａ、Ｂのために用いる材料は、金属、半導体おおび鉱物類から成る群から選択される。特に適した材料は、例えば合成スクッテルド鉱である。熱ブリッジ１１のために用いられる鉱物は、好ましくは、良好な熱伝導体でかつ良好な電気伝導体である。断熱層６を用いる代わりに、熱電脚部材Ａ、Ｂおよび熱ブリッジ１１の周辺を真空にして、熱損失の大部分を防止するようにしてもよい。
【００９５】
図１１に、薄膜技術に基づく熱電発電器または熱電対の例を示す。熱電脚部材Ａ、Ｂが交互に配置され、接点ブリッジ１、２によって直列に接続されている。個々の熱電脚部材Ａ、Ｂが台形形状に形成されているために、図９に関連して説明したのと同様に効率が高くなる。直列に接続された該熱電対の構成では、熱電脚部材Ａ、Ｂ、Ａ、Ｂ…と配列されているので、それに対応して、熱電脚部材Ａ、Ｂの各対のゼーベック電圧の逓倍の電圧が得られる。図１１において、図面を見易くするために、断熱層は省略し、また、薄膜状に形成した熱電脚部材Ａ、Ｂの厚さも誇張されている。
【００９６】
図１２に角錐型の熱電脚部材Ａ、Ｂを備えた熱電対構成の例を示す。本例の２つの熱電脚部材Ａ、Ｂは、傾斜した切頭形の四角錐形状に基づいている。薄い間隙４によって分離された一対の熱電脚部材Ａ、Ｂは、熱流Ｑのための第１の通過面F1と第２の通過面Ｆとを頂面、ベース面とした切頭形四角錐を形成する。
【００９７】
平坦または丸形（図６〜図８）の熱電脚部材Ａ、Ｂの側面に代えて、他の形状としてもよい。例えば、第１の通過面F1、第２の通過面Ｆと交差する平面における熱電脚部材Ａ、Ｂの断面を放物線状の輪郭や楕円形状の輪郭、或いは、凸状の輪郭とすることができよう。或いは、熱電脚部材Ａ、Ｂの輪郭を凸状ではなく凹状に形成することもできよう。
【００９８】
本発明は、熱電発電器および熱電対の変形例を示す例として説明した実施形態には限定されず、そして、異なる実施形態で使用されている個々の変形例は、互いに異なる組合せで用いることもできよう。そして、これら可能性ある変形例は、ここに開示の技術分野の当業者には理解されよう。従って、既述した変形例の個々の詳細を組み合わせることによって想起される全ての変形例は、本発明の範囲に包含される。
【００９９】
最後に、熱電発電器および熱電対の構成を明確に理解するために、その構成要素は縮尺がある程度不釣合いであったり、拡大されていたり、縮小されていたりする点を付記する。
【０１００】
発明の詳細な説明から本発明の個々の解決方法に隠された目的を見出すことができよう。
特に、図面に示した本発明の個々の実施形態は、それ自体が、本発明によって提供される個別の解決方法を構成する。
【符号の説明】
【０１０１】
１    接点ブリッジ
２    接点ブリッジ
３    接触面
４    間隙
５    ベース面
６    断熱層
６    その表面に断熱層
６    一部が断熱層
７    ジャケット
７    電流
７′    電流
８    開口部
９    熱入力
９    吸収された熱エネルギー
１０    部材
１１    熱舌片
１２    熱足部
１３    破線
１４    壁
１５    電気絶縁性中間層
１６    中心管
１８    冷却体
１９    管または軸
２０    発熱体或いは熱輸送体
２１    熱電対
２２    任意の位置
２３    高温流体
【図１ａ】
0005438125.tif 000018
【図１ｂ】
0005438125.tif 000019
【図１ｃ】
0005438125.tif 000020
【図２ａ】
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【図２ｂ】
0005438125.tif 000022
【図２ｃ】
0005438125.tif 000023
【図２ｄ】
0005438125.tif 000024
【図３ａ】
0005438125.tif 000025
【図３ｂ】
0005438125.tif 000026
【図３ｃ】
0005438125.tif 000027
【図３ｄ】
0005438125.tif 000028
【図４】
0005438125.tif 000029
【図５】
0005438125.tif 000030
【図６ａ】
0005438125.tif 000031
【図６ｂ】
0005438125.tif 000032
【図６ｃ】
0005438125.tif 000033
【図７】
0005438125.tif 000034
【図８】
0005438125.tif 000035
【図９】
0005438125.tif 000036
【図１０】
0005438125.tif 000037
【図１１】
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【図１２】
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