JP2003060244A

JP2003060244A - 冷却素子と熱電変換材料

Info

Publication number: JP2003060244A
Application number: JP2001244200A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamashita; 治山下
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ペルチェ効果とエッチングスハウゼン効果と
の相乗効果を使用して、熱電変換材料の電気から熱への
変換効率を向上させた却素子の提供。【解決手段】（長辺（ｚ方向）長さ／短辺（ｘ方向）
長さ）が５以上の短冊薄板状の熱電変換材料１のｐ型と
ｎ型とを主面同士を当接させて交互にｎ枚積層して一組
の直方体状となし、これに直方体状永久磁石２を交互に
積層して矩形板状素子に構成され、各材料にはｙ軸とｚ
軸とで形成される一対の対向面における一方面の高温側
と他方の面の低温側の各々に予め電極３，４を形成して
あり、各永久磁石２は該薄板材料１の積層（ｙ）方向に
磁化されて同方向に磁場Ｂを発生し、磁場Ｂの方向と直
行方向となる前記材料１の幅（ｘ）方向に電流が流れる
ように各電極を結線して素子を完成し、該電極に電流Ｉ
を印加して、前記各材料の長手（ｚ）方向に温度勾配▽
Ｔを発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、特定形状の熱電
変換素子を用いてこれに磁場を印加することにより、電
気エネルギーから熱エネルギーへの変換効率を向上させ
た冷却素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ペルチェ素子は、電子機器の小型化及び
コンパクト化において発生する蓄熱を防止するために、
電気から冷熱への変換効率の高効率化が期待されている
デバイスであり、例えば、光通信の半導体レーザー発振
器の温度制御や半導体部品の製造工程における反応槽の
温度制御、保冷庫等、特に精密な温度制御の必要な部品
や装置に使用されている。

【０００３】ペルチェ素子用の熱電変換材料としては、
高性能を有する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、ＳｉＧｅ等のケイ化物が知られてい
る。

【０００４】ペルチェ素子は熱電変換材料に電流に流す
ことにより熱（冷熱）を発生させているが、ペルチェ素
子の変換効率は材料の性能指数（ＺＴ＝Ｓ²／ρκ、こ
こでＳはゼーベック係数、ρは電気抵抗率、κは熱伝導
率）に比例し、上記の熱電変換材料では性能指数は高い
ものでも１前後であり、十分とは言えないものであっ
た。

【０００５】電気エネルギーから熱エネルギーに変換す
るペルチェ素子のエネルギー変換効率はもっとも高い効
率を有するＢｉ₂Ｔｅ₃でもせいぜい数％であり、太陽電
池のそれ（約２０％）等に比べて非常に低く、例えば光
通信の半導体レーザー発振器では発振器に消費されるエ
ネルギーの８０％は冷却に使用されており、この効率の
低さがペルチェ素子の用途を狭めている主な原因であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電流を流した熱電変換
材料に磁場を印加すると冷却効率が向上することはエッ
チングスハウゼン（Ｅｔｔｉｎｇｓｈａｕｓｅｎ）効果
として知られている（Ｌ．Ｌ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ，
”ＧａｌｖａｎｏｍａｇｎｅｔｉｃａｎｄＴｈｅｒ
ｍｏｍａｇｎｅｔｉｃＥｆｆｅｃｔｓ”，（Ｌｏｎ
ｄｏｎ：Ｌｏｎｇｍａｎｓ，Ｇｒｅｅｎ），ｃｈａ
ｐ．９（１９２３））。

【０００７】また、磁場をかけて電気を熱に変換し、も
しくは逆の変換を行なうエッチングスハウゼン素子が、
例えば特開昭６３−２５７２８２号公報に示されてい
る。図７はエッチングスハウゼン素子１１がＮ極とＳ極
を向かい合って設置した磁石１２に挾まれており、これ
が絶縁台１３上に設置されたものである。

【０００８】エッチングスハウゼン効果とは、図７に示
すように、エッチングスハウゼン素子に電流Ｉをｘ軸方
向に流し、その方向と垂直なｙ軸方向に磁場Ｂがかかっ
ている場合、ｚ軸方向に温度勾配▽Ｔが生じるものであ
る。

【０００９】上記特開昭６３−２５７２８２号公報に示
される構成をさらに改良したものが特開平４−２０６８
８４号公報に示されている。図８に示すように、電気絶
縁性基板２３上に、エッチングスハウゼン素子薄膜２１
と磁化された磁性薄膜２２とが交互に帯状に形成されそ
れらをＡｌ薄膜２４で直列接続し、磁性薄膜２２により
発生した磁場方向（ｙ軸方向）に垂直な方向（ｘ軸方
向）でそれぞれが同じ向きに電流が流れるように配置接
続した熱電装置である。

【００１０】上記特開平４−２０６８８４号公報に記載
の構成は、デバイスを小型にすることができる、平面状
に冷却を行なうことができる、大量生産が可能であるな
どの効果を得ることができるが、依然としてエネルギー
変換効率は低く、近年の高効率化を満足するまでには至
っていない。

【００１１】一方、Ｏ’ ＢｒｉｎｅｎとＷａｌｌａｃ
ｅはペルチェ材料がｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｃｙｌｉ
ｎｄｅｒいう特殊な形状を有する時に、冷却効率が向上
することを明らかにし、冷却効率が熱電材料の形状に依
存することを示した（Ｂ．Ｊ．Ｏ’ Ｂｒｉｅｎａ
ｎｄＣ．Ｓ．Ｗａｌｌａｃｅ，Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．２９（１９５８）１０１０）。さら
にＥｒｔｌらは直方体の熱電変換材料のｘ軸方向に電流
を流し、ｙ軸方向に磁場を印加し、さらに発生した温度
勾配の方向をｚ軸とした時に、電気から熱への変換効率
を高めるためには、熱電変換材料に最適なアスペクト比
（ｘ軸長とｚ軸長の比）にする必要があることを指摘し
ている（Ｍ．Ｅ．Ｅｒｔｌ，Ｇ．Ｒ．Ｐｆｉ
ｓｔｅｒａｎｄＨ．Ｊ．Ｇｏｌｄｓｍｉｄ，Ｂ
ｒ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１４（１９６
３）１６１）。

【００１２】しかしながら、これらの実験はいずれも低
温での結果であり、室温でエッチングスハウゼン効果を
利用した素子では、その冷却効率は極めて低いものであ
った。

【００１３】この発明は、ペルチェ効果とエッチングス
ハウゼン効果との相乗効果を使用して、熱電変換材料の
電気から熱への変換効率を向上させることができる冷却
素子の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】発明者は、熱電変換材料
の特性向上を図るだけでは冷却効率の向上に限界がある
ことに鑑み、熱電変換材料の最適な形状について鋭意研
究の結果、熱電変換材料において電流が流れる方向をｘ
軸、磁場の方向をｙ軸、温度勾配の方向をｚ軸とした
時、（ｚ軸の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつ
ｙ軸の長さが１ｍｍ以下の形状とすることにより、冷却
効率が著しく向上することを知見した。

【００１５】また、発明者は、上記形状の熱電変換材料
を複数で一組とし、それを永久磁石と交互に配置するこ
と、電流Ｉを流すための電極の位置並びに結線方法を最
適化することによって、さらに冷却効率が向上すること
を知見し、この発明を完成した。

【００１６】すなわち、この発明は、下記（１）〜（１
２）のいずれかの構成により達成される。

【００１７】（１）電流Ｉが流れる方向をｘ軸、磁場
Ｂの方向をｙ軸、温度勾配▽Ｔの方向をｚ軸とした時、
（ｚ軸の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつｙ軸
の長さが１ｍｍ以下である熱電変換材料を用いた冷却素
子であって、熱電変換材料のｙ軸方向に磁場Ｂを印加す
るための永久磁石を有するとともに、熱電変換材料のｙ
軸とｚ軸とで形成される一対の対向面のそれぞれに電極
を有し、該電極に電流Ｉを流すことによりｚ軸方向に温
度勾配▽Ｔを発生させる冷却素子。

【００１８】（２）磁場Ｂの大きさが０．１Ｔ以上で
ある上記（１）に記載の冷却素子。

【００１９】（３）熱電変換材料と永久磁石とが熱電
変換材料のｙ軸方向に交互に複数配置される上記（１）
に記載の冷却素子。

【００２０】（４）熱電変換材料が複数で一組をなす
上記（３）に記載の冷却素子。

【００２１】（５）熱電変換材料と永久磁石とが熱電
変換材料のｙ軸方向に交互に複数配置された冷却素子を
一組とし、複数組からなる冷却素子のそれぞれの両端部
を磁性材料にて接続して閉磁路回路とした上記（３）に
記載の冷却素子。

【００２２】（６）熱電変換材料がｐ型とｎ型とから
なり、各材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対向面
における一方面の高温側と他方の面の低温側のそれぞれ
に電極が配設され、該電極と隣り合う各材料の同温側の
電極とが結線され、各材料が直列に接続された上記
（１）に記載の冷却素子。

【００２３】（７）熱電変換材料がｐ型またはｎ型か
らなり、各材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対向
面における一方面の高温側と他方の面の低温側のそれぞ
れに電極が配設され、該電極と隣り合う各材料の異温側
の電極とが結線され、各材料が直列に接続された上記
（１）に記載の冷却素子。

【００２４】（８）熱電変換材料がｐ型またはｎ型か
らなり、各材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対向
面における一方面の高温側と他方の面の低温側のそれぞ
れに電極が配設され、該電極と隣り合う各材料の同温側
の電極とを結線し、各材料が並列に接続された上記
（１）に記載の冷却素子。

【００２５】（９）熱電変換材料および／または永久
磁石がその表面に絶縁性被膜を有する上記（１）に記載
の冷却素子。

【００２６】（１０）絶縁性被膜がポリイミド被膜ま
たはアルミナ被膜である上記（９）に記載の冷却素子。

【００２７】（１１）電流Ｉが流れる方向をｘ軸、磁
場Ｂの方向をｙ軸、温度勾配▽Ｔの方向をｚ軸とした
時、（ｚ軸の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつ
ｙ軸の長さが１ｍｍ以下である熱電変換材料を用いた冷
却素子であって、熱電変換材料のｙ軸方向に磁場Ｂを印
加する手段と、熱電変換材料のｙ軸とｚ軸とで形成され
る一対の対向面間に電流Ｉを流す手段とを有し、ｚ軸方
向に温度勾配▽Ｔを発生させる冷却素子。

【００２８】（１２）電流Ｉが流れる方向をｘ軸、磁
場Ｂの方向をｙ軸、温度勾配▽Ｔの方向をｚ軸とした
時、（ｚ軸の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつ
ｙ軸の長さが１ｍｍ以下である冷却素子用熱電変換材
料。

【００２９】

【発明の実施の形態】この発明による、電気から熱へ変
換する冷却素子の原理と構成について以下に説明する。
図１に示す高さａ、幅ｂ、厚さｄ／ｎの直方体の熱電変
換材料１に、図面手前面下から奥面上の方向（ｘ軸方
向）に電流Ｉを印加すると同時に、ｙ軸方向に磁場Ｂを
印加したと過程すると、ｚ軸方向に温度差△Ｔ（Ｔ₁−
Ｔ₂）が発生する。

【００３０】ペルチェ効果の△Ｔとエッチングスハウゼ
ン効果の△Ｔは、個別に理論的には先述したＢ．Ｊ．
Ｏ’ ＢｒｉｅｎａｎｄＣ．Ｓ．Ｗａｌｌａ
ｃｅによって与えられているが、まとめて解析した結果
は今までにはなかった。ペルチェ効果とエッチングスハ
ウゼン効果とによる△Ｔをまとめて一つの式に表したの
が下記式（１）及び式（２）である。

【００３１】

【数１】

【００３２】Ｉ−Ｉｘ＋Ｉｚ …… 式（２）

【００３３】ここで、第一項はエッチングスハウゼン効
果による温度差であり、第二項はペルチェ効果による温
度差を表す。またＰｅはエッチングスハウゼン係数、Ｐ
はペルチェ係数、κは熱伝導率、ρは電気抵抗率、Ｉｘ
とＩｚはそれぞれｘ軸とｚ軸方向の電流の大きさを表
す。さらに簡略化のために式（３）とおくと、電流Ｉの
各成分ＩｘとＩｚは近似的に式（４）式のように表すこ
とができる。

【００３４】ｂ／ａ＝Ｘ …… 式（３）

【００３５】Ｉｘ＝Ｉ・ｘ／（１＋ｘ），Ｉｚ＝Ｉ／（１＋ｘ） …… 式（４）

【００３６】式（３）と式（４）を式（１）に代入する
と、式（１）は式（５）のようになる。

【００３７】

【数２】

【００３８】次に、式（５）の温度差を最大にするＸと
ｎを式（６）にて求める。そして、式（６）から式
（７）が得られ、また式（８）から式（９）が得られ
る。

【００３９】

【数３】

【００４０】

【数４】

【００４１】

【数５】

【００４２】

【数６】

【００４３】式（９）を式（７）に代入すると、式
（７）は厳密に求められて式（１０）となる。

【００４４】

【数７】

【００４５】これは温度差△Ｔを最大にするためには、
磁場Ｂの大きさによって熱電変換材料のアスペクト比
（＝ｂ／ａ）を変えなければならないことを表してい
る。

【００４６】次に、式（１０）を式（９）に代入すると
式（１１）となり、式（１０）と式（１１）を式（５）
に代入すると、式（５）は式（１２）となる。

【００４７】ｎ＝ｄＰＸ（１＋Ｘ）／ρＩ …… 式（１１）

【００４８】

【数８】

【００４９】ここで、磁場Ｂと電流Ｉは熱電変換材料の
物性値とアスペクト比（＝Ｘ）を使って、式（１０）と
式（１１）から求めた値であるとすると、磁場がＢ＝
０、すなわち、Ｘ＝０の時は温度差はペルチェ効果のみ
で、△Ｔ＝Ｐ²／２ρκとなり、またＸ≫１の時には△
Ｔがエッチングスハウゼン効果によって飛躍的に向上す
るので、ペルチェ効果を無視すると△Ｔ＝κ（ＰｅＢ）
²／２ρとなる。この結果は従来からペルチェ効果とエ
ッチングスハウゼン効果によって発生する温度差を個別
に求めた結果と一致している。

【００５０】次にｎについて調べる。式（１２）の△Ｔ
は熱電変換材料の厚みｄをｎ等分した時の最適な厚みｔ
（ｄ／ｎ）に対する温度差であり、つまり、各熱電変換
材料の厚みｔは式（１１）から式（１３）となる。

【００５１】ｔ＝ｄ／ｎ＝ρＩ／ＰＸ（１＋Ｘ） …… 式（１３）

【００５２】ここで、ρとＰは熱電変換材料の物性値で
あり、またＸは該材料の幾何学的な値であるために、該
材料の厚みｔは電流値と密接な関係があることが分か
る。できる限り電流値を下げて、できる限り熱電変換材
料の温度差を大きくするためには、個々の熱電変換材料
の厚みを薄くすればよいことがわかる。

【００５３】つまり、厚みｄの熱電変換材料の代わりに
厚みｔのものを使えば、電流はＩ／ｎで同じ効果が得ら
れることになる。今までペルチェ効果とエッチングスハ
ウゼン効果を利用した素子の冷却効率を高めるために、
熱電変換材料のアスペクト比の重要性は指摘されていた
が、その厚みについては全く言及されていなかった。

【００５４】以上の解析式を、例えば多結晶Ｂｉからな
る熱電変換材料に適用するために、該熱電変換材料の室
温の物性値として、ρ＝１．２×１０^-6（Ωｍ）、Ｐｅ
＝２．３×１０^-3（ｍ³Ｋ／Ｗｓ）、κ＝７．９（Ｗ／
ｍＫ）、Ｐ＝３×１０^-2（Ｖ）を採用し、また磁場と電
流としてＢ＝１．２（Ｖｓ／ｍ²）、Ｉ＝３（Ａ）を流
したとすると、式（１０）のＸはＸ＝０．８５となり、
また式（１３）のｔはｔ＝０．０７６（ｍｍ）となる。
これらの値を式（１２）に代入すると、△Ｔ＝７２．６
（Ｋ）が得られる。

【００５５】これはあくまでも厚みｔ＝０．０７６（ｍ
ｍ）の多結晶Ｂｉ材料を使った場合に得られる両端部の
温度差であり、また大気による放熱・吸熱が全くない理
想の状態である。しかし実際には、Ｂｉの薄板が作製で
きない（強度の点で）こと、及び熱電変換材料と周囲の
環境との熱の出入りによる影響があって、このような温
度差を達成することは難しい。

【００５６】以上の解析結果から、厚みｔの熱電変換材
料をｎ枚重ねてトータル厚みをｄにすれば、Ｉ／ｎの電
流値で熱電変換材料の温度差△Ｔは熱電材料の厚みｄで
電流Ｉを流した時と同じになる。従って、熱電変換材料
を出来る限り薄くして電気的に絶縁した状態で複数層配
置し、各熱電変換材料の高温側と低温側に設けた電極を
リード線で結線することにより、電気エネルギーから熱
エネルギーへの変換効率を向上させることができる。

【００５７】この発明の特徴は、上記解析結果を元に、
さらに実際の熱電変換材料に適用させるために形状寸法
を最適化した熱電変換材料を用いて冷却素子を構成した
ことにある。すなわち、電流Ｉが流れる方向をｘ軸、磁
場Ｂの方向をｙ軸、温度勾配▽Ｔの方向をｚ軸とした
時、（ｚ軸の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつ
ｙ軸の長さが１ｍｍ以下である熱電変換材料を用いて、
該熱電変換材料のｙ軸方向に磁場Ｂを印加する手段と、
熱電変換材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対向面
間に電流Ｉを流す手段とを有し、ｚ軸方向に温度勾配▽
Ｔを発生させる冷却素子である。

【００５８】より具体的構成としては、上記熱電変換材
料のｙ軸方向に磁場Ｂを印加するための永久磁石を配置
するとともに、熱電変換材料のｙ軸とｚ軸とで形成され
る一対の対向面のそれぞれに電極を有し、該電極に電流
Ｉを流すことによりｚ軸方向に温度勾配▽Ｔを発生させ
る冷却素子である。

【００５９】熱電変換材料の（ｚ軸の長さ／ｘ軸の長
さ）が５未満の場合、あるいはｙ軸の長さが１ｍｍを超
えるある場合は、所定の磁場と電流を熱電変換材料に印
可した際に得られるペルチェ効果とエッチングスハウゼ
ン効果の相乗効果が低下し、冷却効率が著しく低下す
る。従って、熱電変換材料の（ｚ軸の長さ／ｘ軸の長
さ）が５以上であり、かつｙ軸の長さが１ｍｍ以下とす
る。

【００６０】磁場Ｂを印加する手段としては、永久磁石
を用いるほか、電磁コイル、超伝導磁石など公知の磁場
発生装置を用いることも可能であるが、装置の小型化、
軽量化、メインテナンスなどの点から永久磁石を用いる
ことが特に好ましい。

【００６１】例えば、永久磁石としてＳｍ−Ｃｏ系ある
いはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類永久磁石を用いると、冷
却素子として実用化する上で非常に好都合である。５５
０Ｋ以上の高温で冷却を行う場合にはキュリー点の高い
Ｓｍ−Ｃｏ系永久磁石（Ｔｃ＝１１７０Ｋ）が好まし
く、５５０Ｋ未満ではＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石が好ま
しい。

【００６２】磁場Ｂの大きさは０．１Ｔ以上が好まし
く、前記の相乗効果が有効に機能する。さらに好ましい
磁場は０．３Ｔ以上である。すなわち、磁場Ｂを小さく
すると、発生する温度差はほとんどペルチェ効果だけに
なるために大きな温度差は得られない。また電流値を下
げるとペルチェ効果もエッチングスハウゼン効果も小さ
くなるために大きな温度差は得られない。従って、所定
の磁場と電流を熱電材料に印可することによってペルチ
ェ効果とエッチングスハウゼン効果の相乗効果で熱電変
換材料の温度差が飛躍的に大きくなり、冷却効率は著し
く向上する。

【００６３】この発明において、熱電変換材料としては
ＩｒＳｂ₃、Ｂｉ₂Ｔｅ₃、ＰｂＴｅ等のカルコゲン系化
合物や、ＦｅＳｉ₂、ＳｉＧｅ等のケイ化物など、公知
の材料を用いることができるが、キャリアー移動度の大
きいＢｉ基材料が特に好ましい。Ｂｉ基材料を用いるこ
とにより、ペルチェ効果とエッチングスハウゼン効果と
の相乗効果がより発揮され、変換効率を高めることがで
きる。

【００６４】熱電変換材料としてＢｉ基の単結晶材料を
用いる場合には、Ｃ軸方向に電流を流してｂｉｓｅｃｔ
ｒｉｘ軸方向に磁場を印加しｂｉｎａｒｙ軸方向に温度
差が発生するような配置とすることが好ましい。このよ
うな構成でｂｉｓｅｃｔｒｉｘ軸方向の厚みを薄くすれ
ば低電流で冷却効率の高いモジュールとなり得る。

【００６５】また、Ｂｉ基材料を使用した場合は、材料
の電気抵抗率が１０^-6（Ωｍ）オーダーと低いために、
熱電変換材料のｙ軸方向の厚みを薄くしても低電圧で大
きな電流が得られる利点があり、また、当該材料は半金
属のために同数の電子と正孔をもち、しかもキャリアー
移動度が大きいために低磁場でも比較的大きなエッチン
グスハウゼン効果が得られるので、低磁場・低電流で冷
却効率の高いモジュールになり得る。

【００６６】この発明において、熱電変換材料は、熱電
変換材料のｙ軸方向に沿って永久磁石と交互に配置する
ことが好ましい。特に、図２に示すように、複数で一組
となした熱電変換材料１と永久磁石２とを交互に配置す
ることによって、電気エネルギーから熱エネルギーへの
変換効率をより向上させることができる。

【００６７】熱電変換材料に電流Ｉを流すための電極
は、熱電変換材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対
向面における、一方面の高温側と他方の面の低温側のそ
れぞれに配設されることが好ましい。この配置を採用す
ることによって、変換効率をさらに向上させることがで
きる。

【００６８】電極に用いる材料及び電極と電極とを結線
するためのリード線としては、基本的にいずれの材質、
形態のものであっても使用できるが、融点の低い熱電変
換材料（６００Ｋ未満）の場合には、電極材料として低
融点の材料（例えばＩｎ半田）を用いることが好まし
い。融点の高い熱電変換材料の場合には電極材料を特に
限定する必要はない。

【００６９】図２に示す熱電変換材料は、長辺（ｚ方
向）と短辺（ｘ方向）の比が５以上の短冊薄板状（ｙ方
向厚みｔ、１ｍｍ以下）からなる各熱電変換材料を、ｐ
型とｎ型とを交互にその主面同士を当接させてｎ枚積層
して一組の直方体（積層厚みｄ＝ｎ・ｔ）の熱電変換材
料となしてある。この一組の熱電変換材料を永久磁石２
と交互に複数配置する。各永久磁石２は該薄板状の熱電
変換材料１の積層（ｙ）方向に磁化されて同（ｙ）方向
に磁場Ｂを発生している。

【００７０】各熱電変換材料１にはｙ軸とｚ軸とで形成
される一対の対向面における一方面の高温側と他方の面
の低温側のそれぞれに予め電極３，４を形成してある。
各永久磁石２の磁場Ｂの方向と直行方向となる前記短冊
薄板状の各材料１の短辺幅（ｘ）方向に電流が流れるよ
うに各電極を結線して素子を完成し、該電極に電流Ｉを
印加することにより、前記短冊薄板状の各材料の長手
（ｚ）方向に温度勾配▽Ｔを発生させることができる。
各熱電変換材料の結線方法について以下に説明する。

【００７１】図２左側に位置する４個の熱電変換材料を
例にとると、４個の熱電変換材料の内一番左側のｐ型材
料における奥面下側（高温側）の電極３と左から二番目
のｎ型材料における奥面下側（高温側）の電極３とを接
続し、左から二番目のｎ型材料の手前面上側（低温側）
の電極４と左から三番目のｐ型材料の手前面上側（低温
側）の電極４とを接続するといったように、隣り合う各
材料の同温側の電極とを結線して、各材料を直列に接続
する。

【００７２】一方、熱電変換材料１がｐ型のみあるいは
ｎ型のみからなる場合は、図３に示すように、４個の熱
電変換材料１の内一番左側の材料における奥面下側（高
温側）の電極３と左から二番目の材料における手前面上
側（低温側）の電極４とを接続し、左から二番目のｎ型
材料の奥面下側（高温側）の電極３と左から三番目の材
料の手前面上側（低温側）電極４とを接続するといった
ように、隣り合う各材料の異温側の電極とを結線して、
各材料を直列に接続する。但し、この結線方法ではリー
ド線５を長くとらなければならないという問題がある。

【００７３】そこで、図４に示すように、４個の熱電変
換材料の手前面上側（低温側）の電極４を全てを結線す
るとともに、奥面下側（高温側）の電極３を全て結線す
るごとく、並列に接続することも可能である。この結線
方法では、上記の構成よりも入力電圧を高くしなければ
ならないものの、リード線５が永久磁石や熱電変換材料
を横切らずに結線することができるので、構造がシンプ
ルで、より実用的である。

【００７４】熱電変換材料と永久磁石とを交互に配置し
た場合、あるいは複数で一組をなす熱電変換材料と永久
磁石とを交互に配置した場合、熱電変換材料と永久磁石
（特に希土類磁石）は共に金属的な電気伝導性を示すの
で、熱電変換材料同士及び熱電変換材料と永久磁石とを
電気的に絶縁することが好ましい。

【００７５】絶縁被膜としては、電気絶縁性の高いポリ
イミド被膜やアルミナ被膜を被覆することが好ましい。
被膜厚みは数μｍ以下で十分である。被膜厚みを薄くす
ることにより、複数で一組となした熱電変換材料を永久
磁石問に挿入しても磁石問のギャップを熱電変換材料の
みのトータル厚みｄに近づけることができ、磁束低下を
極力抑えることができる。

【００７６】ポリイミド被膜とアルミナ被膜の選択は使
用温度によって適宜選定する。使用温度が７００Ｋ以下
であればいずれの被膜でもよく、７００Ｋを超える場合
にはアルミナ被膜が適している。なお、熱電変換材料へ
の被覆時には電極となる部分に予めマスキング処理して
絶縁被膜が着かないようにしておくとよい。

【００７７】上述した種々構成の冷却素子を用いた閉磁
路回路の構成を図５に示す。熱電変換材料１と永久磁石
２とが熱電変換材料１のｙ軸方向に交互に複数配置され
た冷却素子を一組とし、同様構成のものをもう一組準備
して、それらを並列配置して各組の両端部の永久磁石２
同士を鉄などの磁性材板６で接続することにより、閉磁
路回路にすることができる。

【００７８】図６は上記の閉磁路回路による冷却素子の
一例であるが、図に示すごとく、熱電変換材料１が温度
勾配の方向では永久磁石２より長く、冷却板７や放熱板
８に直接接するようにして永久磁石２を通して熱伝導が
ないように設計することが望ましい。

【００７９】これらの構成を採用することにより、各熱
電変換材料に電流を流すことによって熱電変換材料の上
端と下端に温度差を自動的に与えることができる。

【００８０】

【実施例】ペルチェ効果とエッチングスハウゼン効果と
の相乗効果を確認するために、熱電変換材料としてｐ型
及びｎ型のＢｉ基熱電変換材料を作製した。まず、高純
度Ｂｉ（４Ｎ）に表１に示すような元素を所定の割合で
配合した後、石英管の中に真空封入して高周波溶解し
た。得られた円柱状のインゴットを１０×１０×１ｍｍ
の形状に加工し、極性とキャリアー濃度を確認するため
にホール係数を測定した。その結果を表１に示す。

【００８１】さらに、インゴットを表２に示す加工寸法
形状に切断加工し、熱電変換材料に印可する磁場と電流
を変えて、印可１０秒後に高温部と低温部の温度差を測
定した。磁場と電流値並びに温度差を表２に示す。な
お、加工寸法は図１に示す定義による。また表２におい
て、番号６，７，８，１０，１２が本実施例であり、他
は比較例である。

【００８２】

【表１】

【００８３】

【表２】

【００８４】

【発明の効果】この発明によれば、ペルチェ効果とエッ
チングスハウゼン効果との相乗効果を利用することがで
き、冷却効率を飛躍的に向上させた冷却素子を提供する
ことができる。

【００８５】また、この発明において、磁場Ｂを印加す
る手段として永久磁石を用いると、比較的簡単な構造で
容易に冷却素子を作製することができ、冷却素子の小型
化、軽量化が図れるとともに使用時もメインテナンスフ
リーで使用できる利点がある。さらに、熱電変換材料と
してＢｉ基材料を用いると、低磁場、低電流でも冷却効
率の高い冷却素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による熱電変換材料の原理を説明する
ための斜視説明図である。

【図２】この発明による熱電変換素子の一構成例を示す
斜視説明図である。

【図３】この発明による熱電変換素子の他の構成例を示
す斜視説明図である。

【図４】この発明による熱電変換素子の他の構成例を示
す斜視説明図である。

【図５】この発明による熱電変換素子の他の構成例を示
す平面説明図である。

【図６】この発明による熱電変換素子の他の構成例を示
す平面説明図である。

【図７】従来例を示す斜視説明図である。

【図８】従来例を示す斜視説明図である。

【符号の説明】

１熱電変換材料２永久磁石３、４電極５リード線６磁性材板７冷却板８放熱板１１エッチングスハウゼン素子１２磁石１３絶縁台２１エッチングスハウゼン素子薄膜２２磁性薄膜２３電気絶縁性基板２４Ａｌ薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電流Ｉが流れる方向をｘ軸、磁場Ｂの方
向をｙ軸、温度勾配▽Ｔの方向をｚ軸とした時、（ｚ軸
の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつｙ軸の長さ
が１ｍｍ以下である熱電変換材料を用いた冷却素子であ
って、熱電変換材料のｙ軸方向に磁場Ｂを印加するため
の永久磁石を有するとともに、熱電変換材料のｙ軸とｚ
軸とで形成される一対の対向面のそれぞれに電極を有
し、該電極に電流Ｉを流すことによりｚ軸方向に温度勾
配▽Ｔを発生させる冷却素子。
【請求項２】磁場Ｂの大きさが０．１Ｔ以上である請
求項１に記載の冷却素子。
【請求項３】熱電変換材料と永久磁石とが熱電変換材
料のｙ軸方向に交互に複数配置される請求項１に記載の
冷却素子。
【請求項４】熱電変換材料が複数で一組をなす請求項
３に記載の冷却素子。
【請求項５】熱電変換材料と永久磁石とが熱電変換材
料のｙ軸方向に交互に複数配置された冷却素子を一組と
し、複数組からなる冷却素子のそれぞれの両端部を磁性
材料にて接続して閉磁路回路とした請求項３に記載の冷
却素子。
【請求項６】熱電変換材料がｐ型とｎ型とからなり、
各材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対向面におけ
る一方面の高温側と他方の面の低温側のそれぞれに電極
が配設され、該電極と隣り合う各材料の同温側の電極と
が結線され、各材料が直列に接続された請求項１に記載
の冷却素子。
【請求項７】熱電変換材料がｐ型またはｎ型からな
り、各材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対向面に
おける一方面の高温側と他方の面の低温側のそれぞれに
電極が配設され、該電極と隣り合う各材料の異温側の電
極とが結線され、各材料が直列に接続された請求項１に
記載の冷却素子。
【請求項８】熱電変換材料がｐ型またはｎ型からな
り、各材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の対向面に
おける一方面の高温側と他方の面の低温側のそれぞれに
電極が配設され、該電極と隣り合う各材料の同温側の電
極とを結線し、各材料が並列に接続された請求項１に記
載の冷却素子。
【請求項９】熱電変換材料および／または永久磁石が
その表面に絶縁性被膜を有する請求項１に記載の冷却素
子。
【請求項１０】絶縁性被膜がポリイミド被膜またはア
ルミナ被膜である請求項９に記載の冷却素子。
【請求項１１】電流Ｉが流れる方向をｘ軸、磁場Ｂの
方向をｙ軸、温度勾配▽Ｔの方向をｚ軸とした時、（ｚ
軸の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつｙ軸の長
さが１ｍｍ以下である熱電変換材料を用いた冷却素子で
あって、熱電変換材料のｙ軸方向に磁場Ｂを印加する手
段と、熱電変換材料のｙ軸とｚ軸とで形成される一対の
対向面間に電流Ｉを流す手段とを有し、ｚ軸方向に温度
勾配▽Ｔを発生させる冷却素子。
【請求項１２】電流Ｉが流れる方向をｘ軸、磁場Ｂの
方向をｙ軸、温度勾配▽Ｔの方向をｚ軸とした時、（ｚ
軸の長さ／ｘ軸の長さ）が５以上であり、かつｙ軸の長
さが１ｍｍ以下である冷却素子用熱電変換材料。