JPH05183196A - 熱電変換素子 - Google Patents
熱電変換素子Info
- Publication number
- JPH05183196A JPH05183196A JP3357816A JP35781691A JPH05183196A JP H05183196 A JPH05183196 A JP H05183196A JP 3357816 A JP3357816 A JP 3357816A JP 35781691 A JP35781691 A JP 35781691A JP H05183196 A JPH05183196 A JP H05183196A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon
- thermoelectric conversion
- conversion element
- impregnated
- converting element
- Prior art date
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 起電力の大きい熱電変換素子を提供する。
【構成】 炭化珪素からなる多孔質の基体に珪素を含浸
させる。
させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、熱電池等に用いられ
る熱電変換素子に関するものである。
る熱電変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、熱電池は、Ｐ型またはＮ型半導
体からなる熱電変換素子の一端と他端との間に温度差を
付与することによって電気を発生させるものであり、排
熱の有効利用等の観点から多大の脚光を浴びている。と
ころで、熱電池の起電力の大きさは、熱電変換素子に付
与する温度差もさることながら、熱電変換素子の起電力
性能に大きく依存する。そこで、起電力性能の大きい熱
電変換素子が各種研究されている。
体からなる熱電変換素子の一端と他端との間に温度差を
付与することによって電気を発生させるものであり、排
熱の有効利用等の観点から多大の脚光を浴びている。と
ころで、熱電池の起電力の大きさは、熱電変換素子に付
与する温度差もさることながら、熱電変換素子の起電力
性能に大きく依存する。そこで、起電力性能の大きい熱
電変換素子が各種研究されている。
【０００３】例えば、多孔質炭化珪素（ＳiＣ）からな
る熱電変換素子が最近開発されている。これは、炭化珪
素の粉末を焼成することによって多孔質構造としたもの
であり、従来の熱電変換素子に比較して大きな単位温度
当たりの起電力が得られる。しかも、耐熱性が高いため
大きな温度差を付与することができ、この点からも大き
な起電力が得られる（１９８９年 ダイヤモンド社発行
ニューセラミックスＶｏｌ.２ ５６頁〜６２頁参
照）。
る熱電変換素子が最近開発されている。これは、炭化珪
素の粉末を焼成することによって多孔質構造としたもの
であり、従来の熱電変換素子に比較して大きな単位温度
当たりの起電力が得られる。しかも、耐熱性が高いため
大きな温度差を付与することができ、この点からも大き
な起電力が得られる（１９８９年 ダイヤモンド社発行
ニューセラミックスＶｏｌ.２ ５６頁〜６２頁参
照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多孔質
炭化珪素からなる熱電変換素子の起電力は、２００μＶ
／°Ｋ程度であり、十分に満足し得るものではなかっ
た。そこで、さらに大きな起電力が得られる熱電変換素
子の開発が要望されていた。
炭化珪素からなる熱電変換素子の起電力は、２００μＶ
／°Ｋ程度であり、十分に満足し得るものではなかっ
た。そこで、さらに大きな起電力が得られる熱電変換素
子の開発が要望されていた。
【０００５】この発明は、上記の要望に応えるためにな
されたもので、起電力の大きな熱電変換素子を提供する
ことを目的とする。
されたもので、起電力の大きな熱電変換素子を提供する
ことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明に係る熱電変換素子は、炭化珪素
からなる多孔質構造の基体に珪素を含浸させてなるもの
である。
めに、請求項１の発明に係る熱電変換素子は、炭化珪素
からなる多孔質構造の基体に珪素を含浸させてなるもの
である。
【０００７】この場合、珪素については、基体に対し重
量比で１０％〜５０％含浸させるのが望ましい。これ
は、珪素の含浸量が１０％以下になると、図１に示すよ
うに、起電力が急激が低下するからである。一方、珪素
の含浸量を５０％以上にすると、それに対応して基体の
空孔率を大きくしなければならない。このため、珪素の
含浸量が５０％を越えると、図２に示すように、基体の
強度が低下し、ひいては熱電変換素子の寿命が大幅に低
下するからである。
量比で１０％〜５０％含浸させるのが望ましい。これ
は、珪素の含浸量が１０％以下になると、図１に示すよ
うに、起電力が急激が低下するからである。一方、珪素
の含浸量を５０％以上にすると、それに対応して基体の
空孔率を大きくしなければならない。このため、珪素の
含浸量が５０％を越えると、図２に示すように、基体の
強度が低下し、ひいては熱電変換素子の寿命が大幅に低
下するからである。
【０００８】また、基体については、珪素を含浸させた
後、その外面をコーティングするのが望ましい。これ
は、基体の外面をコーティング層によって被覆すること
により、珪素を外気に対して遮断し、これによって珪素
が酸化されるのを防止するものである。コーティング層
は炭化珪素から構成するのが望ましく、またその厚さは
１００μｍ程度とするのが望ましい
後、その外面をコーティングするのが望ましい。これ
は、基体の外面をコーティング層によって被覆すること
により、珪素を外気に対して遮断し、これによって珪素
が酸化されるのを防止するものである。コーティング層
は炭化珪素から構成するのが望ましく、またその厚さは
１００μｍ程度とするのが望ましい
【０００９】なお、この発明の熱電変換素子にあって
も、Ｐ型またはＮ型半導体とすために、基体とそれに含
浸する珪素とのうちの少なくとも一方に微量の元素を添
加する。Ｐ型とする場合には、アルミニウム（Ａｌ）、
ボロン（Ｂ）等の３価の元素を添加し、Ｎ型とする場合
には窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）等の５価の元素を添加す
る。
も、Ｐ型またはＮ型半導体とすために、基体とそれに含
浸する珪素とのうちの少なくとも一方に微量の元素を添
加する。Ｐ型とする場合には、アルミニウム（Ａｌ）、
ボロン（Ｂ）等の３価の元素を添加し、Ｎ型とする場合
には窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）等の５価の元素を添加す
る。
【００１０】また、請求項４に記載の発明に係る熱電変
換素子１は、図４示すように、内部に貫通孔１１ａが形
成された炭化珪素からなる本体１１と、この本体１１の
貫通孔１１ａに充填された珪素からなる芯材１２とを備
えている。
換素子１は、図４示すように、内部に貫通孔１１ａが形
成された炭化珪素からなる本体１１と、この本体１１の
貫通孔１１ａに充填された珪素からなる芯材１２とを備
えている。
【００１１】この場合、本体１１については、多孔質で
あるか否かを問わないが、多孔質とし、内部に珪素を含
浸させておくのが望ましい。本体１１に珪素を含浸させ
る場合には、請求項１に記載の発明に係る熱電変換素子
のように、熱電変換素子１の表面全体にコーティング層
を形成するのが望ましい。珪素を含浸させない場合に
は、芯材１２が露出する両端面にのみコーティングを施
せばよい。
あるか否かを問わないが、多孔質とし、内部に珪素を含
浸させておくのが望ましい。本体１１に珪素を含浸させ
る場合には、請求項１に記載の発明に係る熱電変換素子
のように、熱電変換素子１の表面全体にコーティング層
を形成するのが望ましい。珪素を含浸させない場合に
は、芯材１２が露出する両端面にのみコーティングを施
せばよい。
【００１２】また、芯材１２を本体１１の貫通孔１１ａ
に充填するに際しては、予め芯材１２を形成しておき、
それを貫通孔１１ａに挿入してもよいが、芯材１２と本
体１１との接触面積を十分に広くするという観点から、
本体１１を溶融した珪素中に浸漬して貫通孔１１ａに溶
融珪素を充填し、その後貫通孔１１ａ内の珪素を固化さ
せるようにするのがよい。このようにすれば、本体１１
を多孔質構造とした場合、本体１１に対する珪素の含浸
を同時に行うことができる。
に充填するに際しては、予め芯材１２を形成しておき、
それを貫通孔１１ａに挿入してもよいが、芯材１２と本
体１１との接触面積を十分に広くするという観点から、
本体１１を溶融した珪素中に浸漬して貫通孔１１ａに溶
融珪素を充填し、その後貫通孔１１ａ内の珪素を固化さ
せるようにするのがよい。このようにすれば、本体１１
を多孔質構造とした場合、本体１１に対する珪素の含浸
を同時に行うことができる。
【００１３】なお、本体１１および芯材１２について
は、いずれもＰ型またはＮ型とするために、上記微量の
元素を混入させる。この場合、本体１１と芯材１２とを
同一の型にすべきことは勿論である。
は、いずれもＰ型またはＮ型とするために、上記微量の
元素を混入させる。この場合、本体１１と芯材１２とを
同一の型にすべきことは勿論である。
【００１４】
【実施例１】請求項１に係る熱電変換素子の実施例とし
て、直径が２.５ｍｍで、長さが５０ｍｍの円柱状の基
体を製造し、これに重量比で３０％の珪素を含浸させ
た。さらに、基体の外面全体に厚さが１００μｍである
炭化珪素のコーティング層を形成した。なお、炭化珪素
のコーティング層については、基体をフェノールの溶液
中に浸漬した後、引き上げて乾燥させ、その後真空中で
１３５０°Ｃ程度に加熱してフェノール中の炭素と基体
に含浸した珪素とを反応させることによって形成するこ
とができる。
て、直径が２.５ｍｍで、長さが５０ｍｍの円柱状の基
体を製造し、これに重量比で３０％の珪素を含浸させ
た。さらに、基体の外面全体に厚さが１００μｍである
炭化珪素のコーティング層を形成した。なお、炭化珪素
のコーティング層については、基体をフェノールの溶液
中に浸漬した後、引き上げて乾燥させ、その後真空中で
１３５０°Ｃ程度に加熱してフェノール中の炭素と基体
に含浸した珪素とを反応させることによって形成するこ
とができる。
【００１５】図４は請求項３に係る熱電変換素子２を用
いた熱電池Ａを示すものであり、熱電池ＡはＰ型の熱電
変換素子２とＮ型熱電変換素子２との一端部を炭化珪素
からなる板材３に接合することによって構成されてい
る。熱電池Ａは２組直列に接続されている。
いた熱電池Ａを示すものであり、熱電池ＡはＰ型の熱電
変換素子２とＮ型熱電変換素子２との一端部を炭化珪素
からなる板材３に接合することによって構成されてい
る。熱電池Ａは２組直列に接続されている。
【００１６】なお、熱電変換素子２と板材３との接合に
ついては、互いの接合面間に珪素の粉末を敷き詰め、接
合部を加熱して敷き詰めた珪素を溶融させた後固化させ
ることによって行うことができる。また、このように接
合する場合には、熱電変換素子２の接合面となる端面が
板材３によって遮蔽されるので、その端面にはコーティ
ングを形成しなくともよい。
ついては、互いの接合面間に珪素の粉末を敷き詰め、接
合部を加熱して敷き詰めた珪素を溶融させた後固化させ
ることによって行うことができる。また、このように接
合する場合には、熱電変換素子２の接合面となる端面が
板材３によって遮蔽されるので、その端面にはコーティ
ングを形成しなくともよい。
【００１７】上記構成の熱電池Ａにおいて、各熱電変換
素子２の板材３と逆側の端部を室温（２９３°Ｋ）に維
持した状態で、板材３側の端部を１０００°Ｋに加熱し
たところ、１.２Ｖの電圧が発生した。
素子２の板材３と逆側の端部を室温（２９３°Ｋ）に維
持した状態で、板材３側の端部を１０００°Ｋに加熱し
たところ、１.２Ｖの電圧が発生した。
【００１８】
【比較例】上記熱電変換素子２の基体（珪素が含浸され
ていない。）を比較すべき従来の熱電変換素子として用
い、これを図３に示す熱電池Ａと同様に接続した。そし
て、上記と同様に加熱したところ、その熱電池による電
圧は０．３Ｖであった。これから明らかなように、この
発明の熱電変換素子２によれば、従来の熱電変換素子に
比して４倍の起電力が得られた。
ていない。）を比較すべき従来の熱電変換素子として用
い、これを図３に示す熱電池Ａと同様に接続した。そし
て、上記と同様に加熱したところ、その熱電池による電
圧は０．３Ｖであった。これから明らかなように、この
発明の熱電変換素子２によれば、従来の熱電変換素子に
比して４倍の起電力が得られた。
【００１９】
【実施例２】また、請求項５に係る熱電変換素子１とし
て、内径が０.５ｍｍである貫通孔１１ａに珪素からな
る芯材１２を充填した点以外、上記熱電変換素子２と同
様に構成したものを用い、熱電池Ａと同様の熱電池を構
成した。そして、同一の条件で加熱したところ、その電
圧は１.５Ｖであり、さらに大きな起電力が得られた。
て、内径が０.５ｍｍである貫通孔１１ａに珪素からな
る芯材１２を充填した点以外、上記熱電変換素子２と同
様に構成したものを用い、熱電池Ａと同様の熱電池を構
成した。そして、同一の条件で加熱したところ、その電
圧は１.５Ｖであり、さらに大きな起電力が得られた。
【００２０】なお、この発明の熱電変換素子１，２は、
熱電池に用いることができるのみならず、熱源または冷
却源として用いることができる。すなわち、図４におい
て、負荷４に代えて電源を接続すれば、各熱電変換素子
２の一端側が加熱され、他端側が冷却される。これを利
用することにより、熱源または冷却源として用いること
ができる。
熱電池に用いることができるのみならず、熱源または冷
却源として用いることができる。すなわち、図４におい
て、負荷４に代えて電源を接続すれば、各熱電変換素子
２の一端側が加熱され、他端側が冷却される。これを利
用することにより、熱源または冷却源として用いること
ができる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の熱電変
換素子によれば、炭化珪素からなる多孔質の基体に珪素
を含浸させたものであるから、起電力を従来の熱電変換
素子に比して著しく大きくすることができるという効果
が得られる。
換素子によれば、炭化珪素からなる多孔質の基体に珪素
を含浸させたものであるから、起電力を従来の熱電変換
素子に比して著しく大きくすることができるという効果
が得られる。
【図１】基体とそれに含浸させる珪素との重量比に対す
る起電力との関係を示す図である。
る起電力との関係を示す図である。
【図２】基体とそれに含浸させる珪素との重量比に対す
る起電力との関係を示す図である。
る起電力との関係を示す図である。
【図３】熱電変換素子を用いた熱電池の一例を示す図で
ある。
ある。
【図４】請求項４に係る熱電変換素子の一例を示す断面
図である。
図である。
１ 熱電変換素子 ２ 熱電変換素子 １１ 本体 １１ａ 貫通孔 １２ 芯材 Ａ 熱電池
Claims (5)
- 【請求項１】 炭化珪素からなる多孔質構造の基体に珪
素を含浸させてなることを特徴とする熱電変換素子。 - 【請求項２】 前記珪素を前記基体に対し重量比で１０
％〜５０％含浸させたことを特徴とする請求項１に記載
の熱電変換素子。 - 【請求項３】 前記基体の外面をコーティング層で被覆
したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変
換素子。 - 【請求項４】 内部に貫通孔が形成された炭化珪素から
なる本体と、この本体の貫通孔に充填された珪素からな
る芯材とを備えたことを特徴とする熱電変換素子。 - 【請求項５】 前記本体は、多孔質構造をなし、内部に
珪素が含浸せしめられていることを特徴とする請求項４
に記載の熱電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3357816A JPH05183196A (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 熱電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3357816A JPH05183196A (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 熱電変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05183196A true JPH05183196A (ja) | 1993-07-23 |
Family
ID=18456073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3357816A Pending JPH05183196A (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 熱電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05183196A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019039320A1 (ja) * | 2017-08-22 | 2019-02-28 | 株式会社白山 | 熱電材料及び熱電モジュール |
-
1991
- 1991-12-26 JP JP3357816A patent/JPH05183196A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019039320A1 (ja) * | 2017-08-22 | 2019-02-28 | 株式会社白山 | 熱電材料及び熱電モジュール |
| CN111033772A (zh) * | 2017-08-22 | 2020-04-17 | 株式会社白山 | 热电材料以及热电模块 |
| JPWO2019039320A1 (ja) * | 2017-08-22 | 2020-12-24 | 株式会社白山 | 熱電材料及び熱電モジュール |
| US11502235B2 (en) | 2017-08-22 | 2022-11-15 | Hakusan, Inc. | Thermoelectric material and thermoelectric module |
| CN111033772B (zh) * | 2017-08-22 | 2023-12-01 | 株式会社白山 | 热电材料以及热电模块 |
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