JPH0992889A - ゼーベック素子 - Google Patents
ゼーベック素子Info
- Publication number
- JPH0992889A JPH0992889A JP7247391A JP24739195A JPH0992889A JP H0992889 A JPH0992889 A JP H0992889A JP 7247391 A JP7247391 A JP 7247391A JP 24739195 A JP24739195 A JP 24739195A JP H0992889 A JPH0992889 A JP H0992889A
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- Japan
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- seebeck
- alloy
- different
- seebeck element
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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
電力の供給できるゼーベック素子を提供する。 【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
させるゼーベック素子において、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％
でシリコンを４．０乃至６．０含有させたＦｅとしてい
る。
電力の供給できるゼーベック素子を提供する。 【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
させるゼーベック素子において、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％
でシリコンを４．０乃至６．０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、地熱など自然エネルギを電気エネルギ
に変換する機能素子に関するものである。
空気、水、海水、地熱など自然エネルギを電気エネルギ
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つくり、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が発生する現象をゼーベック効果
という。また一方の接合部の温度の１℃の変化にたいす
るＶabの変化αabを物質ａに対する物質ｂのゼーベック
係数という。
る導体を図１のように接合して回路をつくり、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が発生する現象をゼーベック効果
という。また一方の接合部の温度の１℃の変化にたいす
るＶabの変化αabを物質ａに対する物質ｂのゼーベック
係数という。
【０００３】大きな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、アルメル・クロメル、銅・コン
スタンタン、クロメル・コンスタンタンなどが知られて
いる。これらの合金成分は、アルメルは９０％Ｎｉ−８
％Ａｌ−２％Ｍｎ、クロメルは９０％Ｎｉ−１０％Ｃ
ｒ、コンスタンタンは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、アルメル・クロメル、銅・コン
スタンタン、クロメル・コンスタンタンなどが知られて
いる。これらの合金成分は、アルメルは９０％Ｎｉ−８
％Ａｌ−２％Ｍｎ、クロメルは９０％Ｎｉ−１０％Ｃ
ｒ、コンスタンタンは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
値は温度差ΔＴの関数であり、１００℃以下の常温付近
の低い温度においても２つの接合部に温度差があれば電
気エネルギ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、きわめて高価なニッケルを高濃度で
含有するこれら合金の使用は、経済的に実用性が無かっ
た。
値は温度差ΔＴの関数であり、１００℃以下の常温付近
の低い温度においても２つの接合部に温度差があれば電
気エネルギ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、きわめて高価なニッケルを高濃度で
含有するこれら合金の使用は、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ゼーベック効果を示す鉄を
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、小量添加で効果のある合金を鋭意調査した結
果、本発明のシリコンを４．０〜６．０％含むＦｅ−Ｓ
ｉ合金を開発した。
いる鉄と組み合わせて良好なゼーベック効果を示す鉄を
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、小量添加で効果のある合金を鋭意調査した結
果、本発明のシリコンを４．０〜６．０％含むＦｅ−Ｓ
ｉ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少なくとも３
分の１以上で、大電力が容易に得られる鉄を基本とした
ゼーベック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少なくとも３
分の１以上で、大電力が容易に得られる鉄を基本とした
ゼーベック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、本発明に係るゼーベック素子は、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ゼーベック素子におい
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％でシリコンを４．０乃至６．
０％含有させたＦｅ−Ｓｉ合金であることを特徴とする
ものである。
め、本発明に係るゼーベック素子は、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ゼーベック素子におい
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％でシリコンを４．０乃至６．
０％含有させたＦｅ−Ｓｉ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−Ｓｉ合金にはＳｉの飽和溶
解度が１８．５％のＦｅ−Ｓｉ固溶体、及びＦｅＳｉ，
ＦｅＳｉ2 等の中間化合物があるが、本発明の合金はＦ
ｅ−Ｓｉ固溶体である。鉄はシリコンの添加により塑性
は減じて硬度は増加する。またＳｉの増加とともに同素
変態の温度が上昇しＳｉ約３％以上では変態が無くなる
ので、焼きなまし温度を高くして結晶粒を大きくし、ヒ
ステリシス損の減少と低磁束密度における透磁率が増大
する。電気抵抗に関しては、Ｓｉが１％増すと鉄の電気
抵抗率は約１０μΩ・ｃｍずつ増加する。
解度が１８．５％のＦｅ−Ｓｉ固溶体、及びＦｅＳｉ，
ＦｅＳｉ2 等の中間化合物があるが、本発明の合金はＦ
ｅ−Ｓｉ固溶体である。鉄はシリコンの添加により塑性
は減じて硬度は増加する。またＳｉの増加とともに同素
変態の温度が上昇しＳｉ約３％以上では変態が無くなる
ので、焼きなまし温度を高くして結晶粒を大きくし、ヒ
ステリシス損の減少と低磁束密度における透磁率が増大
する。電気抵抗に関しては、Ｓｉが１％増すと鉄の電気
抵抗率は約１０μΩ・ｃｍずつ増加する。
【０００９】さて零℃以下の温度も含む生活圏の温度範
囲に存在する小さな温度差から産業用電力を獲得するゼ
ーベック効果発電は、そのエネルギ変換効率は極端に低
いものの、機械的駆動部分の全く無い極めて単純な装置
による電力への直接変換方法である。さらに自然エネル
ギは恒久的でありかつ地球環境保存の観点から、産業、
家庭用の電力の生産手段として意義がある。そのための
エネルギ変換用材料として具備すべき主な要件には 常温付近の温度で導電性が良好であること ゼーベック効果が良好であること 資源が豊富で材料が安価に製造できること 加工性が良好であること などがある。前記，の要件から材料は金属、合金に
限られ、の条件、すなわち量的な問題から鉄以外には
考えられず、次にはの条件を満たす合金の開発が必要
とされた。
囲に存在する小さな温度差から産業用電力を獲得するゼ
ーベック効果発電は、そのエネルギ変換効率は極端に低
いものの、機械的駆動部分の全く無い極めて単純な装置
による電力への直接変換方法である。さらに自然エネル
ギは恒久的でありかつ地球環境保存の観点から、産業、
家庭用の電力の生産手段として意義がある。そのための
エネルギ変換用材料として具備すべき主な要件には 常温付近の温度で導電性が良好であること ゼーベック効果が良好であること 資源が豊富で材料が安価に製造できること 加工性が良好であること などがある。前記，の要件から材料は金属、合金に
限られ、の条件、すなわち量的な問題から鉄以外には
考えられず、次にはの条件を満たす合金の開発が必要
とされた。
【００１０】
【実施例】以下添附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。鉄のゼーベック
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
のゼーベック係数は正の大きな値をとるか、または負の
大きな値を具備している必要がある。ゼーベック係数が
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経済
的なシリコンを選定し、Ｆｅ−Ｓｉ合金を作製してゼー
ベック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。鉄のゼーベック
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
のゼーベック係数は正の大きな値をとるか、または負の
大きな値を具備している必要がある。ゼーベック係数が
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経済
的なシリコンを選定し、Ｆｅ−Ｓｉ合金を作製してゼー
ベック係数の測定を実施した。
【００１１】純度９９．９％の鉄を純度９９．８％のシ
リコン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２００ｇの均質なＦｅ−Ｓｉ合金を溶製した。な
お合金中のＳｉの組成範囲は０〜１０重量％とした。図
２は測定結果で、５．５％Ｓｉでゼーベック係数は負で
最小値−９．３μＶ／Ｋとなった。したがって、この組
成のＦｅ−Ｓｉ合金を選び鉄と接合して回路を構成する
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２５．３μＶとなり、高い開放電圧
を発生する。
リコン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２００ｇの均質なＦｅ−Ｓｉ合金を溶製した。な
お合金中のＳｉの組成範囲は０〜１０重量％とした。図
２は測定結果で、５．５％Ｓｉでゼーベック係数は負で
最小値−９．３μＶ／Ｋとなった。したがって、この組
成のＦｅ−Ｓｉ合金を選び鉄と接合して回路を構成する
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２５．３μＶとなり、高い開放電圧
を発生する。
【００１２】なお、シリコン濃度の上限は、６．０％で
ある。これは５．５％を超えると鉄と接合してゼーベッ
ク電圧が減少する上に、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、
シリコン濃度の下限は、シリコン濃度の減少とともに、
導電率は増加するが、ゼーベック電圧は減少するので、
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。
ある。これは５．５％を超えると鉄と接合してゼーベッ
ク電圧が減少する上に、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、
シリコン濃度の下限は、シリコン濃度の減少とともに、
導電率は増加するが、ゼーベック電圧は減少するので、
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、窒素、酸素、硫黄、燐
などの軽元素、および微量の金属元素などは、ゼーベッ
ク電圧に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、窒素、酸素、硫黄、燐
などの軽元素、および微量の金属元素などは、ゼーベッ
ク電圧にほとんど影響しないことが判明している。
【表１】
【００１４】一例として、鉄−５．５％シリコン鉄のゼ
ーベック係数を、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
−５．５％シリコン鉄対のゼーベック係数は他の金属−
合金対と比較して劣るものの、５．５％のＳｉ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てい
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。
ーベック係数を、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
−５．５％シリコン鉄対のゼーベック係数は他の金属−
合金対と比較して劣るものの、５．５％のＳｉ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てい
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。
【００１５】本発明に係る合金を用いて熱を直接電気エ
ネルギに変換できることを利用した製品としては、一般
に直流発電機が考えられる。その発電特性から、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、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、ゴミ発電機などの、商用電源、自家用電
源、遠隔地用電源、非常用電源に利用するのが好適であ
る。
ネルギに変換できることを利用した製品としては、一般
に直流発電機が考えられる。その発電特性から、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、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、ゴミ発電機などの、商用電源、自家用電
源、遠隔地用電源、非常用電源に利用するのが好適であ
る。
【００１６】
【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ゼーベック起電力が得られるゼーベ
ック素子を提供することができ、従って大電力のゼーベ
ック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ゼーベック起電力が得られるゼーベ
ック素子を提供することができ、従って大電力のゼーベ
ック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】ゼーベック素子の原理を説明するための図であ
る。
る。
【図２】Ｆｅ・Ｆｅ−Ｓｉ合金ゼーベック素子のＳｉ濃
度とゼーベック係数の関係を示すグラフである。
度とゼーベック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
させるゼーベック素子において、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％
でシリコンを４．０乃至６．０％含有させたＦｅ−Ｓｉ
合金であることを特徴とするゼーベック素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7247391A JP2728201B2 (ja) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | ゼーベック素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7247391A JP2728201B2 (ja) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | ゼーベック素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0992889A true JPH0992889A (ja) | 1997-04-04 |
| JP2728201B2 JP2728201B2 (ja) | 1998-03-18 |
Family
ID=17162737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7247391A Expired - Lifetime JP2728201B2 (ja) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | ゼーベック素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2728201B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6131581A (en) * | 1998-06-23 | 2000-10-17 | Dr.-ing. Hans Leysieffer | Process and device for supply of an at least partially implanted active device with electric power |
| WO2010021313A1 (ja) | 2008-08-18 | 2010-02-25 | 株式会社ダ・ビンチ | 熱電変換素子 |
-
1995
- 1995-09-26 JP JP7247391A patent/JP2728201B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6131581A (en) * | 1998-06-23 | 2000-10-17 | Dr.-ing. Hans Leysieffer | Process and device for supply of an at least partially implanted active device with electric power |
| WO2010021313A1 (ja) | 2008-08-18 | 2010-02-25 | 株式会社ダ・ビンチ | 熱電変換素子 |
| US8586854B2 (en) | 2008-08-18 | 2013-11-19 | Da Vinci Co., Ltd. | Thermoelectric conversion element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2728201B2 (ja) | 1998-03-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
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