(57)【要約】【課題】  性能指数を向上させた発電用の熱電変換素子と発電用の熱電モジュールの提供。【解決手段】  熱源に接する熱電材料の表面にメッキした後、金属と半田付けして組み立て、熱電素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.83以下とすることにより、さらに0.20以下にしたときには、高性能な熱電変換素子は熱電変換素子の性能指数が大幅に増加し、x=0.15では7を超えた。ZT=7の値を使ってTc=300KとTh=350Kの温度差の下での最大エネルギー変換効率は約13%になる。【選択図】        図1
2007165463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Bi2Te3を主材とした熱電変換材料の単結晶体あるいは多結晶体を使って、熱電材料(長さ:lB)の両端に金属(長さ:lM)を接合し熱電材料の長さ(lB)と熱電変換素子の全長(lB+2lM)の比率x=lB/(lB+2lM)を0.83以下とすることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
熱電材料(長さ:lB)の両端に金属(長さ:lM)を接合した熱電変換素子を使って、熱電材料の長さ(lB)と熱電変換素子の全長(lB+2lM)の比率x=lB/(lB+2lM)を0.45以下とし、温度勾配の方向が変化しない条件下で発電させることを特徴とする発電用モジュール。
【請求項３】
熱電材料(lB≦0.5mm)の両端に金属(lM≦4mm)を接合した熱電変換素子を使って、熱電材料の長さ(lB)と熱電変換素子の全長(lB+2lM)の比率x=lB/(lB+2lM)を0.63以下とし、周期的に変化する温度勾配を印加して発電させることを特徴とする発電用モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発電用の熱電変換素子及び発電用の熱電モジュールに使用するBi-Te系熱電材料に関し、著しく性能指数を向上させた熱電変換素子並びに発電用モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は電子冷却機、光通信機器や計測機器、培養器の温度制御等に既に使用されており、今後さらに高性能化されればフロンガスを使用しない冷蔵庫や車載用のエアコンの製品化も可能になる。また熱電変換素子は、最近の産業界において要求の高い排熱エネルギーの有効活用の観点から実用化が期待されているデバイスであり、例えば、排熱を利用し電気エネルギーに変換するシステムや、屋外で簡単に電気を得るための小型携帯用発電装置、ガス機器の炎センサー等にも使用が可能である。さらに高性能化すれば、自動車の排ガスの熱エネルギーの回収や車載用の燃料電池の燃料改質装置の温度制御用としての用途も生まれる。
【０００３】
熱電変換素子は、例えば、P型とN型半導体をめっきや半田、あるいは銀ろう等によりPN接合して素子となした構成である。これらの素子を形成するための熱電変換材料として、高性能を有するZn4Sb3、IrSb3、Bi2Te3、PbTe等のカルコゲン系化合物のほか、熱電特性は低いが資源的に豊富なFeSi2、Si-Ge合金等のケイ化物が知られている。
【０００４】
なお、熱電変換素子は、P型とN型の熱電変換材料の両端に温度勾配を設けて熱を電気に直接変換したり、逆に前記材料に電圧を印加して電気を熱に変換したりすることができる素子であり、後者はペルチェ素子としてよく知られている。この素子の特長は可動部を必要としないことである。
【０００５】
熱電変換素子(ペルチェ素子)は、材料に与えた温度勾配(電位差)を利用して熱起電力(温度差)を発生させており、その変換効率は熱電(電熱)変換素子の性能指数(ZT=TS2/ρκ、ここでTは絶対温度、Sはゼーベック係数、ρは電気抵抗率、κは熱伝導率)の関数で表され、現状ではZT=1程度であり、その変換効率は数%と低く十分とは言えないものであった。この変換効率はZTが高い程向上するために、出来る限り高い性能指数を有する材料あるいは熱電変換素子が求められている。
【０００６】
現在、ほとんどのBi-Te系の熱電材料はブリッジマン法、チョクラルスキー法、ゾーンメルト法による単結晶技術を使ってほぼ単結晶に近い結晶状態で作製するか、あるいはホットプレスによる粉末冶金法を使って多結晶体として作製されている。熱電変換素子の製造方法等に関する技術としては、例えば特許文献1には粉末を焼結させて熱電素子を作製することが記載されており、またBi2Te3を主材としSe、Sbを添加することが記載されているが、それぞれBi2Se3、Sb2Te3等の形で含有されるものであり、Bi2Te3の基本構造を崩すものではない。
【特許文献１】特開2002-33525
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電熱あるいは熱電の変換素子の変換効率は、太陽電池(約17%)等に比べて非常に低く、現状ではわずか数%にすぎず、これが熱電変換素子あるいはペルチェ素子の用途を狭めている原因であり、また熱電変換素子が普及しない理由でもある。
【０００８】
Bi-Te系熱電材料の単結晶は、石英管内に真空あるいはアルゴンガス封入した原料を温度勾配のある電気炉内で溶湯させた後、石英管を引き上げて結晶成長させることによって作製されている。
【０００９】
特に単結晶体は(001)の碧開面(c面)に沿ってクラックが入りやすいという性質がある。一方、多結晶体ではキャリアーの粒界散乱により電気抵抗率が高くなり性能指数が低下するという問題がある。このため高い性能指数(ZT)を有するモジュールを作製する場合には、単結晶体を使用するが、機械的強度を優先させる場合には多結晶体を使用している。
【００１０】
一般にBi-Te系熱電材料を単結晶に近い状態でペルチェーモジュールとして使用するときには、この機械的強度を優先させるためにモジュールに流す電流の方向が結晶の引き上げ方向、つまり結晶のc軸に垂直になるように組み立てられている。
【００１１】
性能指数と機械的強度の両者を満足させるために、Bi-Teの組成や添加物の種類、添加量、製法等も種々検討されたが、室温での性能指数が1を大きく超えることはなかった。またゼーベック係数は単結晶の方位には敏感でなく、結晶異方性はほとんどないが、熱伝導率はc軸に垂直な方向よりもc軸方向で低く、逆に電気抵抗率はc軸に垂直な方向よりもc軸方向で高くなるので、結晶方位の選択によって性能指数は変化するが、室温での性能指数が1を大きく超えることはなかった。
【００１２】
この発明は、性能指数を向上させた発電用の熱電変換素子と発電用の熱電モジュールとその製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】
【００１３】
上記の課題を解決するためには、ゼーベック係数を飛躍的に向上させることが最も効果的である。最近、P-N接合した半導体では、接合面に垂直方向の温度勾配をかけると、接合界面付近で急激な温度勾配がかかり、熱起電力が増加することがBalmushらによって指摘された(I.I. Balmush et al.,
Semiconductors 29 (1995) 937)。
【００１４】
さらに最近、Bi-Te系熱電材料を所定の厚みの金属と接合することにより、接合した境界の界面効果によりゼーベックが飛躍的に増加することが本発明者らによって発見された(特願2005-092061、特願2005-194040)。
【００１５】
発明者らは、このような界面効果をさらに増大させことを目的に、Bi-Te系熱電材料と金属の長さとBi-Te系熱電変換素子に印加する温度勾配の印加方法を種々検討した結果、発電用の高性能熱電変換素子が得られることを見出した。
【００１６】
本発明の熱電変換素子(図1)の製造方法は、熱源に接する熱電材料の表面にメッキした後、金属と半田付けして組み立てる方法であり、熱電素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.83以下とすることを特徴とするものである。また高性能な発電モジュール(図2)の製造方法はx=0.45以下のP型とN型の熱電素子を交互に直列に連結することを特徴とするものである。
【００１７】
Bi-Te系熱電材料のインゴットは熱電変換材料を石英管の中で溶解した後、石英管を1〜20cm/hrの引上速度で引上げて作製することを特徴とするものである。Bi2Te3系材料は結晶のc面間でVan der Waals結合をしているので、c面間の結合力が弱いという欠点がある。一般に結晶粒径が大きくなるほど材料の機械的強度は低下する。本発明の熱電素材の平均結晶粒径の大きさは規定しないが、熱電変換材料の機械的強度が懸念されるような結晶粒径を有する場合には、組み立てた素子の周囲四側面を熱伝導率の極めて低い樹脂で被覆することによって通常の熱電変換素子よりもむしろ強固にすることができる。
【００１８】
本発明の熱電変換材料は、Bi2Te3をもしくはSb2Te3を主材とし、特にP型半導体である場合には、添加元素として4族元素、6族元素、7族元素の少なくとも1種以上を12wt.%以下含有するものであり、N型半導体であるである場合には、添加元素として6族元素、7族元素、ハロゲン化物の少なくとも1種を0.25wt.%以下含有するものであってもよい。また電極用の金属は電気抵抗率が低く、且つ熱伝導率が高く、しかも耐食性に優れた材料が好ましい。なお、本発明において熱電変換材料とは発電用の熱電変換素子に使用する材料である。
【発明の効果】
【００１９】
現在市販されている熱電変換モジュールは、熱電素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)がx=0.85を超えており、本発明の熱電変換素子の製造方法によって製造される熱電モジュールはxを0.83以下とする点でもそれ自体が新規なものである。
【００２０】
さらに高性能な熱電変換素子は熱電素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.20以下にしたときには、熱電変換素子の性能指数が大幅に増加し、x=0.15では7を超えた。ZT=7の値を使ってTc=300KとTh=350Kの温度差の下での最大エネルギー変換効率を計算すると約13%になる。この変換効率は太陽電池のエネルギー変換効率17%よりも低いが、従来のモジュールの3倍以上である。
【００２１】
このような変換素子を使って発電モジュールを作製し、周期的に変化する温度勾配のもとで使用することにより、出力電力は温度勾配一定ときの約3倍に向上することが分かった。この本発明のモジュールは周期的に変化する温度勾配を印加することを特徴とする発電モジュールである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
この発明は、rhombohedral型結晶構造を有するBi2Te3化合物中のBi原子の一部を5族元素で置換した化合物に、あるいはTe原子の一部を6族元素で置換した化合物に、添加元素として4族元素、6族元素や7族元素を単独もしくは複合添加したBi2Te3系熱電材料に関するものである。熱電変換素子全長に対する熱電材料の長さの割合を所定の比率にした熱電変換素子を使って熱電モジュールを組み立てることにより、金属と熱電材料との間の界面効果によりゼーベック係数Sが飛躍的に増大し、熱電変換素子の性能指数と熱電モジュールの発電効率が大幅に改善できることを知見した。本発明はこれらの知見に基づいてなされたものであり、以下、その実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
Bi-Te系熱電変換材料は石英管の中で溶解した後、石英管を1〜20cm/hrの引上速度で引上げて結晶粒のc面が引き上げ方向に揃うようにして単結晶に近いインゴットを作製しても良いし、また機械的強度を向上させるためにインゴットを粉砕してホットプレス法により多結晶体を作製しても良い。またBi-Te系熱電材料を蒸着法やスパッタリング法により金属板上に薄膜を成膜し、金属と熱電材料の厚みの比率が所定の比率になるようにしたものを多層化して作製しても良い。いずれの方法を採用しても性能指数の高いBi2Te3系熱電変換素子が得られる。
【００２４】
Bi2Te3系熱電材料は、本来はP型の熱電特性を示すが、Bi2Te3は正孔のキャリアー濃度が高すぎるので、正孔のキャリアー濃度を減らすように結晶中に入った時に電子を放出する6族のカルコゲン元素を添加して性能指数を高めている。一方N型半導体に本発明を適用する実施の形態においては、6族のカルコゲン元素、7族のハロゲン元素あるいは金属元素のハロゲン化物を添加して極性を正から負にかえると同時に、その添加量でキャリアー濃度を調整して性能指数を向上させている。
【００２５】
Bi2Te3系熱電材料への添加元素や添加物の添加量は、目的とする極性とキャリアー濃度(〜1019cm-3)を有する半導体となすためには、P型では少なくとも1種を3wt.%以上添加することが望ましく、また15wt.%を越えて添加すると、逆に不純物効果によって電気抵抗率が増加する場合もあるため15wt.%未満であることが好ましく、特に好ましくは3〜12wt.%である。複合して添加する場合には、総添加量で4〜13wt.%にすることが望ましい。またN型では少なくとも1種を0.01wt.%以上の添加が必要であり、また0.10wt.%を越えて添加すると逆に不純物効果によって電気抵抗率が増加する場合もあるため0.10wt.%以下であることが好ましい。複合して添加する場合には、総添加量で0.09〜0.25wt.%にすることが望ましい。
【００２６】
添加元素は4族元素としては、Si、Ge、Sn、Pb、6族元素としては、S、Se、Te、7族元素としては、Br、Iが好ましく、複合添加するときにはこれら各種元素の化合物やまた主成分元素との化合物を用いても良い。
【００２７】
一般にペルチェ素子や熱電変換素子の使用温度域は用途によって異なるために、当然要求される温度域で高い性能指数(ZT)を有する材料が求められる。このためBi2Te3系熱電材料の主成分は用途に応じて適宜選択される。たとえば、低温で使用する場合にはP型であれば、BiをSbより多く含有させ、室温付近で使用する場合は逆にBiをSbより少なくする、というように選択する。
【００２８】
結晶の引上速度が20cm/hrを超えると、結晶のc軸配向度が低下してインゴットの引上方向に垂直方向の熱伝導率が増加して性能指数は低下するが、引上速度が2cm/hr未満の場合は大半の添加元素が結晶粒界に析出して引上方向に垂直方向の電気抵抗率が増加し、性能指数が同様に低下する。したがって引上速度は2〜20cm/hrが好ましい。
【００２９】
溶湯から多結晶体インゴットを作製する方法としては、ブリッジマン法、ゾーンメルト法のいずれの方法で作製しても良い。また粉末冶金法で多結晶体を作製する場合は、インゴットを微粉砕して粉末をプレス成形して焼結する方法でもホットプレス法で成形しても良い。本材料は単結晶体でも多結晶体で良いが、低い熱伝導率を与える組成が好ましい。熱伝導率が低いほど、金属に近い熱電材料の内部で発生した温度勾配が増大し、その温度勾配に比例した熱起電力が発生する。
【００３０】
速い結晶成長速度で作製したインゴットの結晶粒界には、添加元素や添加物が多く偏析あるいは析出しており、それらは結晶粒内にはあまり分散しないが、遅い成長速度で作製したインゴットの結晶組織は結晶粒径が大きくしかも添加元素や添加物が結晶粒内にもかなり分散する。添加元素が結晶粒内に適度に分散するとフォノンによる熱伝導率が低下すると同時に、添加元素がイオン化してキャリアーを放出するので、電気抵抗率も低下する傾向を示す。しかし添加元素が偏析しているとこの逆の傾向を示す。したがって電気抵抗率は結晶成長速度によって影響されるので、添加元素が結晶粒内で適度な分散状態になるように結晶成長速度を制御すれば、電気抵抗率の増加はかなり抑えることができる。
【００３１】
粉末冶金法で作製する場合には、焼結条件あるいはホットプレス時の成形温度を制御することによって、添加元素は結晶粒内に適度に分散するので、電気抵抗率の増加はかなり抑えることができる。粉末冶金法による多結晶体の作製条件は粉末粒径、材料の組成、添加元素によって影響を受けるので、用途に応じて作製条件を選べばよい。
【００３２】
インゴットの成長開始温度は、Bi2Te3系化合物が溶けた状態であれば、何度℃でも良いが、溶湯中の雰囲気は真空もしくは不活性ガスが好ましい。
【００３３】
温度勾配の方向を一定にして発電するモジュールに使用する熱電素子の場合には、素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.83以下とし、金属の長さlMが1mm以下で且つ熱電材料の長さlBを3mm以下にすることにより、素子の性能指数を1.3以上に高めることが可能になった。これは市販の熱電素子の性能指数の約2倍に相当する。特にxが0.20以下で且つlBを0.1mm以下にすることにより熱電素子の性能指数は7を超え、特にx=0.143でlB=0.05mmのときには性能指数は13.2になり、Tc=300KとTh=350Kの温度差の下での最大エネルギー変換効率の計算値は15%に達した。これは太陽電池のエネルギー変換効率17%よりも僅かに低いエネルギー変換効率である。
【００３４】
さらにこれらの熱電素子を使って組み立てた発電モジュールの出力電力も上述の結果を裏付けるように、熱電素子の性能指数の向上とともに飛躍的に向上した。このような高い性能指数が得られたのは、使用した熱電材料の極端に低い熱伝導率と界面効果によるゼーベック係数の飛躍的な増加のためである。
【００３５】
さらに本発明のモジュールは、熱電材料と金属の長さが所定の比率を保つ限り、素子長を短くするほど性能指数が向上するという性質がある。これは熱電材料の電気抵抗の低下と熱電材料内での界面効果によるゼーベック係数の増加領域の相対的な拡大による。したがって本発明モジュールは従来モジュールより軽薄短小にできるという利点もある。
【００３６】
一方、温度勾配の方向を周期的に交互に変化させて発電するモジュールに使用する熱電素子の場合には、金属の長さlMを0.5mm以下で且つ熱電材料の長さlBを3mm以下にして素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.15以下にすることにより、素子の性能指数を1.3以上に高めることが可能になった。特にlBが0.1mm以下でlMが0.3mm以下のときには、熱電素子の性能指数は7を超えた。
【００３７】
これらの熱電素子を使って組み立てた発電モジュールに周期的に変化する電圧(図3)を印加して温度勾配を周期的に変化させたときの出力電力は、温度勾配一定の場合と異なり、xよりもむしろ熱電材料の長さlBと金属の厚みlMに強く依存し、lBが0.5mm以下でlMが4mm以下のときに高い出力電力が得られる。図3に示すような周期的な電圧を発熱用と冷却用モジュールに印加して、周期的な温度勾配を与えることによってモジュールの出力電圧は直流電圧を印加したときよりも高くなり、T=240secの周期電圧では直流電圧印加時の約3倍の出力電圧が得られた。
【００３８】
周期的な温度勾配を与えることによって熱起電力が増加したのは、金属と熱電材料の界面近くの熱電材料内で急激な温度勾配が発生し、ゼーベック係数が飛躍的に向上したためである。つまり熱電材料の熱伝導率が極端に低いときには、熱伝導率の極めて高い金属からの熱流が熱電材料に瞬間的に流れずに、また熱電材料内部にまで熱流は達せずに界面に接した熱電材料の表層部だけに熱が貯まりやすくなるからである。これが界面に近い熱電材料の中で急激な温度勾配を生み出した理由である。したがって界面効果と金属のヒートシンク効果によってゼーベック係数は向上していると考えられる。
【００３９】
熱電素子を構成している金属Mの電気抵抗率が低く且つ熱伝導率が高くて、熱電変換材料Bのゼーベック係数が高く且つ熱伝導率が低くて、各構成材料が所定のlBとlMを有するときに素子の性能指数はもっとも増加する。熱電変換材料としては、性能指数の高い材料を使用した方が素子の性能指数は大きくなる。特に構成材料が適度な寸法を有するときには、最大性能指数は10を超えて、Bi2Te3系熱電材料そのものの10倍以上にも増加する。
【００４０】
このように性能指数を飛躍的に向上させた高性能熱電変換素子(ZT>7)は、素子全長が0.5mm以下であるために、従来素子の厚みの2分の1から3分の1に薄くできる利点がある。これは狭い空間でモジュールを熱源に貼り付けてモジュールの外側を冷却して発電するのに適しているだけでなく、使用原料のコスト削減や熱電モジュールの重量軽減にも効果がある。さらに本提案のモジュールの変換効率はTc=300KとTh=350Kの温度差の下では最大発電効率が10%を超えるために、排熱エネルギー回収が可能になると同時に、多様な用途展開も可能になる。特に車載用には適していることがわかる。
【００４１】
熱電材料を金属で挟んだサンドイッチ型の熱電変換素子のゼーベック係数Sは金属電極と熱電材料との間の界面効果により素材本来のゼーベック係数よりも著しく増大し、性能指数も飛躍的に向上する。このゼーベック係数の増加率は熱電材料と金属の接合方法によっても変化する。つまり半田接合するときに、双方の材料を構成する原子の相互拡散が起こらないようにする必要がある。原子が相互拡散すると、熱電材料の熱伝導率が増加し、界面近くの熱電材料内での温度勾配が著しく低下してゼーベック係数の増加率が低下するからである。
【００４２】
金属としては電気抵抗率が低く且つ熱伝導率が高いものが好ましい、また熱電材料としては界面近くで急激な温度勾配が発生するように、熱伝導率の低い材料が好ましい。使用する金属は耐食性に優れた材料である必要があるために、Cu、Ag、Au等の貴金属の単体もしくは合金が好ましい。熱電変換材料としては、特に規定しないが、性能指数が高く熱伝導率の低い熱電材料を使った方が素子の性能指数は飛躍的に向上する。
【００４３】
ゼーベック効果を利用した従来の熱発電は全て温度勾配の方向は一定であった。それは熱源と冷熱源の位置が決まっているためである。しかしながら熱電素子にかかる温度勾配の方向を周期的に変えることによって、熱電材料と金属との界面での温度勾配が急激になり界面効果によるゼーベック係数を増大させることができることが本発明によって見出された。
【００４４】
熱電材料の長さを金属材料の長さの3分の1以下にして、適度な周期的な温度勾配をモジュールに印加することによりモジュールの出力電力は約3倍にまで向上した。このように高温側と低温側が交互に入れ替わる熱源は実際にはほとんど存在しないが、それを作り出すことは可能である。
【００４５】
周期的に変化する温度勾配を作り出して熱電変換効率を向上させる方法として、図4に示すように、発電用モジュールをある周期で回転させて、モジュールが高温の熱源からのヒートパイプと低温の熱源からのヒートパイプの間に交互に挟まれるようにすれば、固定された熱源からでも周期的に変化する温度勾配をモジュールに印加することができる。高温と低温の熱源を入れ替える時間間隔は1分を超えるので、モジュールを回転させる時間は十分にあり、可動に必要な電気エネルギーも少なく、十分実用化は可能である。
【００４６】
熱電材料と金属の接合は、接合金属が熱電材料や金属と固溶したり、反応したりしなければ、メッキした後半田接合するか、もしくはBiやBi-Sb合金を溶融させて接合材として利用しても良い。メッキ膜厚や接合材の厚みを薄くすれば、いずれの方法でも特性に大きな影響はない。
【実施例】
【００４７】
実施例1
本発明に係る熱電材料およびその製造方法の実施例について説明する。N型とP型のBi-Te系熱電材料を作製するために、使用した主成分および添加元素の各種配合を表1に示す。
【００４８】
このように元素や化合物を所定の割合で配合した後、20φの石英管の中に真空封入して高周波溶解して(使用原料の純度99.99%以上)、材料を溶解後、円柱状のインゴットの中央部から測定用試料を切断加工して25℃で熱電特性を測定した。これら試料の作製条件を表2に、また引き上げ方向の熱電特性の測定結果を表4に示す。
【００４９】
微細な結晶粒径の焼結体は、上記インゴットを粗粉砕した後、ジェットミルで微粉砕し表3中に示す温度でホットプレス法により作製した。作製した試料の平均結晶粒径を表3に、またプレス方向に垂直方向の熱電特性を表4に示す。
【００５０】
実施例2
熱電変換素子の組み立ては、5mm×5mmの形状に切断加工した後、表5に示す長さ寸法に切断した。また電極として使用するCuとAgも同表に示す長さ寸法に加工した。熱電材料の両端にNiメッキした後、CuあるいはAgと共晶半田で接合して図1に示すようなP型とN型の熱電素子を作製した。
【００５１】
作製したP型とN型の熱電変換素子の熱電特性を25℃で測定した結果を表5に示す。表5のP型とN型の熱電素子をπ結合させて図2に示すように作製した一対のモジュールの電気抵抗R、実効熱起電力Veffと出力電力Wの測定結果を表6に示す。
【００５２】
モジュールの出力電力は測定した熱起電力Vと電気抵抗RからW=Veff2/4R(W)を用いて計算して算出した。熱起電力の測定は直列に接続した加熱用と冷却用のモジュール(内部抵抗0.55Ω/ヶ)に1.7V一定の直流電圧を印加して温度差を発生させた場合(T=∞に相当)と振幅1.7Vの電圧を一定周期Tで変化させて温度差を発生させた場合について測定した。なおモジュールの出力電力の合否基準は25(mW)とし、これ以上を合とした。
【００５３】
【表１】
2007165463.tif 000003
【００５４】
【表２】
2007165463.tif 000004
【００５５】
【表３】
2007165463.tif 000005
【００５６】
【表４】
2007165463.tif 000006
【００５７】
【表５】
2007165463.tif 000007
【００５８】
【表６】
2007165463.tif 000008
【産業上の利用可能性】
【００５９】
この発明による、Bi2Te3系熱電材料と金属との組み合わせの場合には、金属と熱電材料の長さを所定の比率にして熱電変換素子を組み立てることにより、熱伝導の良好な金属ヒートシンク効果と金属と熱電材料との間の界面効果によりゼーベック係数Sが飛躍的に増大し、性能指数が大幅に改善できる。
【００６０】
この発明による、Bi2Te3系熱電材料と金属との組み合わせの場合には、熱電モジュールに印加する温度勾配の方向を周期的に変化させることにより、発電効率が大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】熱電変換素子の構成を示す斜視説明図である。
【図２】P型とN型熱電変換素子の組み立て構成を示す説明図である。
【図３】熱電変換素子とモジュールへの電圧印加方法を示す電圧と時間のグラフである。
【図４】周期的に変化する温度勾配の印加方法を示す斜視説明図である。
【図１】
2007165463.tif 000009
【図２】
2007165463.tif 000010
【図３】
2007165463.tif 000011
【図４】
2007165463.tif 000012