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熱電変換の紹介と その応用について 埼玉大学 大学院理工学研究科 長谷川 靖洋 hasegawa@mail.saitama-u.ac.jp http://www.env.gse.saitama-u.ac.jp/hasegawa/ Tel&Fax:048-858-3757 2/24 熱電変換とは? 熱を電気に変換します(ゼーベック効果) ー 0 + 温度差があると、 V 起電力発生 電圧計 高温 低温 金属の両端が同じ温度では、 何も起こらない ■ 熱電対の一種 ■ 温度差のあるところから CO2を効果的に削減可 電気エネルギーを回収 能 地球温暖化防止 ■ 局所的な発電が可能 3/24 別の違った使い方も出来ます 簡単に冷やすことが出来ます(ペルチェ効果) 電流 高温 低温 電流(電圧)を流さなければ 電流を流すと、 何も起こらない 温度差が出来る(冷却可能) ■ 局所的な冷却が可能 ■ 温冷庫などで既に実用化 ■ 冷蔵庫などに応用できる ■ CPU冷却素子として注目 4/24 熱電現象の源 熱電変換とは、    電気→温度差(熱)   温度差(熱)→電気 と、固体を利用して自由にエネルギー変換可能な現象を指す 材料物性的な話として、温度差をつけて発生する熱起電力は、 固体中のキャリア密度に差が出来ることによって発生 金属の場合 + 電子 電子 電子 電子 ー 電子 電子の 電子 電子 電子の 電子 数が 数が 電子 電子 粗 電子 電子 密 5/24 素子だけでは使えない ■ 素子を通って熱が流れる構造 ■ 電気的に絶縁する必要有り 熱電変換 ■ 電気回路を構成する モジュール ■ 熱源との接触が必要 一般的な熱電(変換素子)モジュール 絶縁板 ■ P,N型の素子を使用 ■ 素子電極部にはNiメッキ N P N P N P ■ 素子は電極にハンダ付け 型 型 型 型 型 型 ■ 絶縁板で覆う メタライズ 電極 ハンダ 端子 6/24 市販されている熱電変換モジュール Niメッキ BiTe (ハンダ濡れ性○) 熱電変換素子 バルク状BiTe (ハンダ濡れ性×) 市販されてる 熱電変換モジュール 電極 電極 7/24 熱電変換研究の歴史 1821年:ゼーベックによるゼーベック効果の発見 1834年:ペルチェによるペルチェ効果の発見 1851年:トムソンによるトムソン効果に関する実験証明 1929年:ヨッフェによる理論研究(化合物半導体使用の提案) 1940年代:ソ連軍で「パルチザンの飯ごう」の使用(無線 通信用電源) 1954年:BiTe系材料の開発(1960年代から市販) 1961年:熱電変換素子を使用した人工衛星の打ち上げ成功 1977年:ボイジャー2号の打ち上げ成功 1980年代:様々な材料系の開発      ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1990年代前半:量子効果を用いた熱電素子の理論・開発 1990年代後半:酸化物材料を用いた熱電素子の理論・開発 2007年:Si を使った熱電素子の開発 現在・・・開発はどこに向かう? 8/24 熱電変換研究の現状 2012年現在、ざまざまな材料の開発が行われている 客観的な事実 ■ エネルギー変換効率が最大10%程度 ■ 実用化されている(Payできる)材料は、BiTe系のみ ■ 材料の製錬技術,計算機の能力が進化しても、使用できる 材料としてBiTeを大きく越えるものは、ほとんどない ■ 日本でも、エネルギー事情の関係から、経済産業省が主体 となり、熱電変換研究だけで年間数億円の開発費が投じら れている ■ CO2の25%削減の政府目標 さまざまな研究開発が行われているのにも拘わらず、 性能は50年間ほぼ横ばい これはビジネスチャンスか? 9/24 熱電変換の需要  発電素子として  冷却素子として ■ 廃熱発電 ■ 冷蔵庫 ■ 極地での発電 ■ クーラー ■ 

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