专利名称：热电效应装置、能量直接转换系统、能量转换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及不同形式的能量的相互转换或进行热能传输的装置，特别涉及到将自然界存在的热能直接转换为电能或化学能或是将其传输的热电效应装置，还涉及到能量直接转换系统与能量转换系统。
背景技术：
当前的能量利用形式包括化学燃料、原子能、水力等不可逆的形式，特别是化学燃料的消耗正成为加剧地球变暖与破坏环境的主要原因。作为所谓的清洁能，通过耗用太阳能发电、风力发电的电能或氢气等所作的降低环境负载的努力虽日益实用化，但还未能达到取代化学燃料与原子能等的程度。
作为将自然界存在的热能变换为可直接利用用的电功率等形式的装置已知有利用Seebeck效应的热电转换元件(以下称为Seebeck元件)，正进行研究开发用作上述化学燃料或原子能的替换能。上述Seebeck元件是由Seebeck系数不同的两种导体(或半导体)接触构成，通过两个导电的自由电子数的差使电子移动而在两导体间产生电位差，对此接触点施加热能以激活自由电子的运动即可将热能转换为电能，这种效应称为热电效应。
发明内容
但是由上述Seebeck元件那种直接发电元件不能获得充分的电功率，由于只能用作小规模的能源，它的应用形式在当前也就受到了限制。
一般，上述Seebeck元件是加热部与冷却部整体化的元件，而利用Peltier效应的热电效应元件(以下称作Peltier元件)，它的吸热部与发热部也构成整体元件。
因此，在应用上述的Peltier元件与Seebeck元件来构制大型能量转换设备时，由于其设备等场所在物理上的限制是不现实的。再有，通过一般的Peltier元件与Seebeck元件来利用能量时是单向的，例如形成将一度使用过的能量作再次利用的循环形式的技术设想还几乎不曾有过。
今后的能量开发，如前所述。必须遵循不使地球变暖和不会导致环境破坏且能谋求再利用的方向，而这一方向乃是当前能量开发中绝对必需的大课题。
本发明的目的在于解决上述课题的相关问题，提供通过利用(再利用)自然界无公害且无穷尽存在的自然界的热能，而获得例如热能、电能、化学能等的热电效应装置、能量直接转换系统以及能量转换系统。
为了获得满足上述目的的能源，需要是热的开放系统且具有循环形式。更具体地说，在任意分离开的区域之间本发明提供了这样的电路系统，此系统能由Peltier效应元件进行热能的传送，通过Seebeck效应元件将热能作直接能量转换而转换为电势能，此外可利用电解液与水的电解将电势能变换为化学势能，而容易进行能量的储藏、积累与输送。
本发明还提供了能量直接转换系统，此系统例如不使用化石燃料等，可有效地利用自然界存在的热能和将其再利用，可将这种热能转换为电能而作为电功率利用，还可通过变换为化学能构成开放型的能量再利用系统，由此能够减轻地球变暖影响且可基本消除因公害而带来的环境负载。
图1是以能带说明Peltier效应与Seebeck效应物理结构原理的模式图。
图2是说明第一实施形式的能分开任意间隔的一对Peltier效应热传输电路系统的模式图。
图3是Peltier效应的相对于时间变化的温度变化特性图。
图4是Peltier效应的相对于时间变化的温度变化特性图。
图5是相对于电流变化的温度变化特性图。
图6是相对于电流变化的温度变化量的特性图。
图7是说明第二实施形式的由能分开任意间隔的一对Seebeck效应导致的从热能转换为电能的电路系统的模式图。
图8是说明应用第三实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。
图9是相对于温差变化的电动势特性图。
图10是说明应用第四实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。
图11是说明应用第五实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。
图12是说明应用第六实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。
图13是说明应用第七实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。
图14说明实施规模大的本发明的实施形式例。
图15说明实施规模中等的本发明的实施形式例。
具体实施形式下面说明本发明的实施形式。
如上述
发明内容
这部分中所描述的，由于Seebeck元件(或Peltier元件)的加热部与冷却部(或吸热部与发热部)构成整体元件而带来了问题，本发明人为了解决这类问题而着眼于将Seebeck元件(Peltier元件)的加热部与冷却部(吸热部与发热部)分离，并为此进行过试验以确认可否将加热部与冷却部(吸热部与发热部)分离，即可否将加热部与冷却部(吸热部与发热部)分别作为独立机构而不使元件失去其特性。
下面参考附图详细说明本发明的实施形式的热电效应装置。能量直接转换系统以及能量转换系统等。此外应注意，在本实施形式中，利用自然能的能量直接变换系统其整体是在开放系统内工作，因而“只在封闭系统内才成立的熵增加的法则”在此是不适用的。
首先说明本发明的基本技术概念(原理)。图1是以能带说明Peltier效应与Seebeck效应物理结构的模式图，示意地表明在分别具有不同Seebeck系数的导电件A(例如在图1中为P型半导体，以后称为第一导电件)和导电件B(例如图1中为n型半导体，以后称为第二导电件)之间，设有金属等具有导电性的连接件M，而从第二导电件B朝第一导电件A的方向施加有外电场。图1中的斜线部分表示无自由电子的带电粒子带，点划线表示费米能级VF，符号EV表示上述带电粒子带的高能级，符号EC表示导带的低能级，符号EVac表示真空能级。
如图1所示，当从第二导电件B朝第一导电件A方向施加外电场时，对于比第一导电件A的费米能级EF更下面的能级(低能级)，配置有具有有限厚度的连接件M的费米能级EF，而对于其下的能级(低能级)，则设置与第二导电件B的费米能级EF并列的能级。在未施加外电场时，上述导电件A、B的费米能级EF则成为相等的能级。此外，若将外电场从第一导电件A朝第二导电件方向施加时，则上述第一导电件A、连接件M、第二导电件B的各费米能级EF成为与图1所示能级配置相对应的相反状态。
图1中的符号φA(T1)、φM(T1)、φB(T1)分别表示第一导电件A、连接件M、第二导电件B的电位(势垒电位)，它们与外电场的指向无关而是由各自的温度固有地决定的电位。例如为了将具有电荷e的电子逐出到上述第一导电件A、连接件M和第二导电件B的外部，分别需要能量eφA(T1)、eφM(T1)和eφB(T1)。
如上所述，在未施加外电场时，电子移动以使第一导电件A的费米能级EF、连接件M的费米能级EF、第二导电件A的费米能级EF成为相等的能级，第二导电件B与连接件M间的接触电位差VRM成为“φB(T1)-φM(T1)”，而连接件M与第一导电件A的接触电位差VMA成为“φM(T1)-φA(T1)”。在此状态下，当从第二导电件B朝第一导电件A的方向施加外电场而有电流流过时，导带的自由电子流与伴随带电粒子带内空穴移动的电子流分别从第一导电件A流向连接件M的方向，进而从连接件M流向第二导电件B的方向。此外，由于外电场导致的自由电子的漂移速度低于自由电子的热速度，故可以忽视。
在此，如前所述，着眼于从第一导电件A朝连接件M方向流动，再从连接件M流入第二导电件B的自由电子流的电子群，在此所着眼的电子群内各个电子的总能量相当于由电势能与热速度导致的动能总和。这样着眼的电子群从第一导电件流向连接件M再由连接件M流入第二导电件B的物理过程，由于其各个接合面的区域十分狭窄，成为来自外部的能量不能加入到此着眼的电子群的电子断热过程。
具体地说，上述着眼的电子群当从第一导电件流到连接件M的方向再从连接件M流入第二导电件B时，在各个界面(图1中为两个界面)上，在电子的电势能变大的部分其电子的热能将减小，使流入各界面的电子的热速度变小。在上述各界面处变小的所着眼的电子群的热速度，由于从连接件M内与第二导电件B内预先存在的自由电子群与导电材料的原子以极短的能量均匀分配时间吸收了热能，因而在连接件M的第一导电件A侧和第二导电件B的金属M侧的界面附近会产生吸热现象。这样的物理过程是Peltier效应的吸热现象引起的物理机理。此外，在第一导体件A的连接侧M与连接件M的第二导电件侧的界面附近则不会引起上述的吸热现象。
若是使外电场反向而逆转电流的流向(从第一导电件A向第二导电件B的方向施加外电场)，则与图1相反，于第一导电件A的费米能级EF上面的能级(高能级)上设置具有有限厚度的连接部件M的费米能级EF，还在其上的能级(高能级)设置与第二导电件B的费米能级EF并列的能级。此第一导电件A、连接件M、第二导电件B的电势能φA(T1)、ΦM(T1)、ΦB(T1)，如前所述，是由第一导电件A、连接件M和第二导电件B各自的温度固有地决定，因而大小关系不变但电子的流向反转。
结果，各界面处的动能在电子的电势能变小的部分增大，使流入各界面的电子的热速度变大而于连接部件M的第二导电部件B侧与第一导电部A的接合部件M侧的各界面附近引起发热现象。但在第二导电件B的连接部件M侧与第一导电件A侧的边界附近则不引起发热现象。
为了让电流流动，必须构成闭电路。在一般的Peltier元件中，如前所述，是“导电件A(T1)、连接件M(T1)、导电件B(T1)”的连接结构，于第一导电件A和第二导电件B之间设置Seebeck绝对系数小的连接件M而构成，于其中使用外部电源让电流流过而构成Peltier元件电路，这样构成的Peltier元件中的第一导电件A与第二导电件B的Seebeck绝对系数的差越大，则因Peltier效应导致的发热量或吸热量也越大。这种Seebeck绝对系数是具有温度依存性的导电件的固有系数。
在依上述构成了闭电路的Peltier元件电路中，若不利用充分大的放热件(放热效应高的部件)除去放热侧的放热能时，则将会例如图1所示情形，由于导电件A(T1)、连接件M(T1)、导电件B(T1)分别具有良好的导热性而使这三个与电带分别具有同等的极高的温度。
结果，带电粒子带的电子便会大量地因热激励而流向导带，致费米能级EF显著升高，最后使电位成为“φA(T1)＝φM(T1)＝φB(T1)”DP样地在所有三个导体中全为相等。在这种状态下，按上述原理说明的Peltier效应消失，从外部所加的电功率会因只用于这三个导带中电阻的焦耳加热而消耗掉。为了不出现这种状态，在内装有Peltier元件电路的一般家电制品与计算机中，采用了于Peltier元件放热侧(放热侧附近)设置大型吸热体或放热材料或设置电风扇来避免消除上述Peltier效应的结构。
与以上所述相反，本发明采用电性能(导热性与导电性等)良好的导电材料(例如两根配线材料)，通过使Peltier元件的放热侧与吸热侧之间分隔一定距离而成为热的开放系统(例如在放热侧与吸热侧之间确保不会有相互热干扰的距离)，让发热侧与吸热侧分别独立，而成为绝对不会消除Peltier效应同时能利用这种效应的结构。
在取这样结构的Peltier元件中，对于未施加有图1的外电场的状态下，随着温度T1的升高因热激励而产生的导带中自由电子数与带电粒子带中空穴数增多。结果使第一导电件A侧的费米能级EF、连接件M的费米能级EF、第二导电件B侧的费米能级EF基本相等，有更多的电子移动，使第一导电件A与连接件M间的接触电位差VAM(即“eφA(T1)-eφM(T1)”)增大。
如前所述，在不加电场时将图1的结构共两组按一行连接，即将“第一导电件A(T1)与第二导电件B(T1)组成的单元”和“第一导电件A(T2)与第二导电件B(T2)组成的单元”通过连续导体在电气上作串联连接，这时随着温度差(T1-T2)的增大，串联电位差电压V也增大。此电压V相当于Seebeck效应的输出电压。
本发明，如前所述，采用了由具有不同Seebeck系数两组导电件组成的单元共两组以导电材料连接的结构，这样，在施加外电场使电流流过的Peltier效应和不加外电场而串联形成接触电位差的Seebeck效应分别具有相同的物理基础。也就是说，本发是的Peltier效应与Seebeck效应是有效地利用同一物理机制的两个方面。
第一实施形式图2是说明第一实施形式的能任意设定两个热电转换元件间隔的一对Peltier效应热传输电路系统的模式图。如图2所示，通过导热性与导电性良好的材料(例如铜、金、铂、铝等)组成的连接件d13连接具有不同Seebeck系数的第一导电件A11与第二导电件B12，而形成第一热电转换元件10。此外，与上述第一热电转换元件10相同，通过连接件d23连接具有不同Seebeck系数的第一导电件A21与第二导电件B22，形成了第二热电转换元件20。再将与上述第一导电件A11和第二导电件B12的与连接件d13相对侧的面以及上述第一导电件A21和第二导电件B22的与连接d23相对侧的面，分别用导热性良好的导电材料(例如铜、金、铂、铝等组成的配线材料)连接。然后通过将上述导电材料的一部分(例如将一方的导电材料的中央部分)与直流电源串联，而构成以上述连接件13、23分别为吸热侧、放热侧的一对Peltier效应热传输的电路系统。
上述导电材料至少要长到不使所述第一热电转换元件10与第二热电转元件20相互不产生热干扰的程度，从理论上说，可以在约数μm的微小长度到数百km的长度之间作种种设定。
这样构成的电路系统是将吸热部(即负的热能源)与放热部(即正的热能源)分隔开任意的距离，而能相互独立地利用这两个正与负扫热热源的系统。
在由导电材料连接各个热电转换元件时，在可能情形下可直接连接到各导电件上，但也可根据需要连接到图2(以及图3)中以d14所示的导电板(例如由铜、金、铂、铝等材料构成)上，再于导电板d14上连接端子(例如由铜、金、铂、铝等材料构成)d15。此外，图2(以及图7)的标号中，R1、R2为吸热侧与放热侧或高温侧与低温侧导电件的电阻，IC表示电路电流、RC为连接导电材料部分的电路电阻，Vout表示电压输。对于这各个符号，在以下的实施形式与实施例中的意义相同。
首先，按图2所示构成的电路中，作为第一导电件A11、A21与第二导电件B12、B22，使用了两个一般的π形pn结之件(例如美国MeLCOR公司制的CP-249-06L、CP2-8-31-08L)，在第一热电转换元件10与第二热电转换元件20之间[导电材料(铜线)]的距离分隔1m与50m的情形，当由外部直流电源供给电流时，在这两个π型pn结元件的两端(第一热电转换元件10与第二热电转换元件20的两端；即连接件d13、d23)会产生Peitier效应产生的吸热现象和放热现象，而即使是在吸热侧的第一热电转换元件与发热侧的第二热电转换元件20取分别独立的结构，已确认能继续保持Peltier效应。此外，在反转上述供给电流的方向时，已确认上述两端的吸热现象与放热现象反转。
其次于图2的电路中第一热电转换元件10与第二热电转换元件的距离分隔5mm的情形，当由外部直流电源供给电流时，如图3所示，第二热电转换元件20侧的热传输给第一热电变换元件10，可以读取到第一热电变换元件10的温度T1徐徐上升。另一方面，在上述第一热电转换元件10与第二热电转换元件20之间的距离为2的情形。当如图4所示，第二热电转换元件20侧的热不传送给第一热电转换元件10时，则可以读取到第一热电变换元件10与第二热电变换元件20相互间不发生热干扰。从这一结果可知，图2中的电路与外部的热能下降有关。
再考虑图2电路中第一热电转换元件10的温度T1与第二热电转换元件20的温度T2为平衡的状态，当由外部热源人为地加热(3次加热)该第一热电转换元件10一侧至温度上升10℃后，测定相对于外部直流电源的电流变化的第二热变换元件20侧的温度变化(℃)与温度变化量(ΔT2(℃)。结果如图5所示，随着外部电流电源的电流加大，在人为的加热前与加热后温度上升的同时其温差也变大，于是对应于第一热电转换元件10的热能的大小可读取出热传输量的变化。在图5中，符中“◆”、“■”、“▲”分别表示第一、二、三次加热后的测定值，符号“※”“○”、“+”分别表示第一、二、三次加热前的测定值，符号“●”、“-”分别表示加热前与加热后测定值的平均结果。
再如图6所示，随着外部电流电源的电流增大，可以读取到温度变化量ΔT也增大。同时在图6中，以符号“※”、“●”、“■”分别表示图5中第一、二、三次加热后与加热前的温度差，符号“▲”表示此加热后与加热前温度值的平均结果。
因此，图2的电路在热能传输之中具有对外部热能下降(温度)的相关性和对于电流的相关性，业已确认，随着此电流的变大，热传输量也增大。具体地说，热能从T1侧传送到T2侧(即所谓应用导体内自由电子的热泵送)即证实了导体内的自由电子可以进行热能传输的原理。此外也确认了热能的传送量与电流相关，随着电流的增大，此传送量也变大。
在温度相关性方面，通过确保维持至少是“T1＜T2”关系的距离即可获得Peltier效应，但最好是确保有不使第一热转换元件10与第二热转换元件20相互不发生热干扰的距离。例如在上述导电材料之中，若将上述第一热电转换元件10与第二热电转换元件20保持到至少是不相互作热干扰程度的长度，则从理论上说，可设定为从约数μm的微小长度到数百km或更长长度的种种长度。
第二实施当从上述第一实施形式的图2电路中除去外部直流电源，同时对第一热电转换元件10与第二热电转换元件20的两端(即连接件d13、d23)赋予约80℃的温差，则可以确认在除去电源端子处会产生0.2mv的电动势，而在冷却侧的第一热电转换元件10与加热侧的第二热电转换元件20取相互独立结构时，业已确认能继续保持Seebeck效应。
图7说明第二实施形式的能将两个热电转换元件间隔任意设定的一对Peltier效应热传输电路系统的模式图，其中与图2所示相同的部分采用同一符号而略去其说明。图7所示的电路系统是从与上述图2相同的电路系统中除去直流电源，调整导电材料长度(根据需要例如从约数μm的微小长度调整到数有km的长度)到至少使第一热电转换元件10与第二热电转换元件相互无热干扰的长度，再切断此导电材料的一部分作为输出电压端子。在图7的电路系统中，第一热电转换元件10的端部(连接件d13)与第二热电转换元件20的端部(连接部件d23)分别置于不同的温度环境下，通过将此各自的环境温度T1与T2的温度差(T1-T2)保持为有限的，则可通过Seebeck效应将存在于不同环境下的热能直接转换为电能而能用作电功率源。
在如图7所示结构的电路中，将两个一般的π型pn结元件用作第一导电件A11、A21与第二导电件B12、B22，在第一热电转换元件10与第二热电转换元件20之间(导电材料(铜线))隔1m的距离，切断导电材料的一部分(例如一方导电材料的中央部，由电压测定器测定此切断部的Seebeclk效应的电压输出，同时对上述两个π型pn结元件的两端(第一热电转换元件10与第二热电转换元件20的两端，即连接件d13、d23)的放热端子与吸热端子，能在从外部分别对加热与冷却时测定出正与负的输出电压。此外在加热上述放热端子和冷却吸热端子时，则可以确认有输出电压的正与负反转。
至于Seebeck效应，由于是将温度差直接变换为电能，通过确保至少是维持T1＜T2关系的距离就能获得这种效应，但最好要将第一热电转换元件10与第二热电转换元件保持到相互无热干扰的距离，例如在上述导电材料中，为了将上述第一热电转换元件10与第二热电转换元件20保持到相互无热干扰程度的长度，从理论上说，可以从数μm的微小长度到数百km或更长的长度间作种种设定。
第三实施形式此第三实施形式是基于上述本发明的基本技术概念来说明用于达到本发明目的的具体结构(例如上述第一、第二形式的具体结构)。此外将导体或半导体表述为“导电件”，而将连接的导电材料表述为吸热端子或放热端子。吸热部称作负热源，放热部称作正热源。
为了实现上述目的，与上述第一与第二实施形式相同，通过连接件d13连接具有不同Seebeck系数的第一导电件A与第二导电件B形式第一热电转元件10。此外，与此第一热电转换元件10相同，通过由具有导热性与导电性的材料(例如铜、金、铂、铝等)组成的连接件连接各具有不同Seebeck系数的第一导电件A21与第二导电件B22，形成了第二热电转换元件20。同时将上述第一导电件A11与第二导电件B12的同连接件d13相同侧的面以及上述第一导电件A21与第二导电件B22的同连接部件d23相同侧的面，分别用导热性良好的导电材料(例如铜、金、铝等组成的配线材料)接合。然后通过将直流电源与上述导电材料的一部分(例如一方导电材料的中央部分)，构成以上述连接件13、23分别作为吸热侧、放热侧的一对Peltier效应的热传输电路系统。
上述导电材料至少需要不使上述第一热电转换元件10与第二热电转换元件20相互不发生热干扰程度的长度，从理论上说可以从数μm的微小长度到数百km或更长的长度间作种种设定。
这样地将构成Peltier效应元件与Seebeck效应元件的导电件以导热性良好的导电材料分开任意距离的设想是以往完全没有考虑过的事例。这种结构下的热能传输是以下述物理机制作为基础原理通过上面详述的电子断热现象和以电磁波的速度于导热性良好的导体连接件内传送电流，即使前述电路系统的吸热侧与放热之间的距离远，也能快速地传输热能。
这种热能的传输机理看来并非是导体内电子群自身的运动，而是该电子群在相邻的电子群受电磁场推动时作稍许移动，通过电子群沿导电材料内以电磁波的速度传播而使热能传输的现象。从物理上说，电路系统的放热与吸热在各个场合下虽是相互独立地发生，但根据所构成的电路系统内的电流连续性的法则，有同一大小的电流I流过的吸热部与放热部时的吸收热能和放出热能，结果成为相同的量，能量守恒定律成立。
图8是说明应用此第三实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。图中的VS表示电压输，RC1、RC2表示电路电阻，IC表示电路电流、此外，符号30表示与第一热电转换元件10、第二热电转换元件20相同的热电转换元件。下面的实施例中也与此相同。此自驱动热传输系统由以下步骤操作，即上述结构可按下述方式工作。
1.接通热能传输部GI的开关SW1，应用外部直流电源EX，于应用Peltier效应的电路系统中的任意距离处，朝电功率反馈部的方向，通过传送热能的热能传输G1传送热能。
2.为了升高Seebeck效应的输出电压，将连接件d33连接各自的Seebeck系数不同的第一导电件A31与第二导电件B32构成的热电转换元件30许多个(2n个，n为自然数，图中为6个)按多级串联成的电功率反馈部G2的高温侧，经由导热性良好且具有绝缘性的绝缘材料(例如硅油、表面经铝阳极化处理的金属、绝缘片等)IS，由所传送的热能加热到温度T2，低温侧为环境温度，或根据需要经空气冷却或水冷环境温度而以之为温度T3，保持T2＞T3的状态。如前所述，在电功率反馈部中采用2n个热电转换元件时，于此电功率反馈部中便形成了n个Peltier效应电路。
3.接通开关SW2与开关SW3，断开开关SW1，切断外部直流电源，由电功率反馈部G3将电功率发生部G3发生的输出电压正反馈给热能传输部G1，热能传输部G1在相对于应用Peltier效应的电路系统使电流继续流动的同时，也继续传送热能。
4.图8所示的电路系统是热力学意义下的按开放系统工作的系统，“独立的封闭系统而成立的熵增大法则”不适用于这种系统，应注意到此电路系统决非永动机那样的科学上不可能的系统。
为了研究图8的电路中电功率反馈部G2的Seebeck效应，在相对于T2与T3的温度差“T2-T3”来测定电动势时，如图9所示，可知随着“T2-T3”的增大所获得的电动势也增大。具体地说，根据图8的电路，可以确认，通过保持T2与T3的温度差，可保持以良好的效率产生由Seebeck效应Seebeck效应所致的电动势。
第四实施形式图10说明应用第四实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图，它是将图8的电路系统进一步改进的自驱动热传输系统的示意性电路图。这一改进系统按下述步骤操作。
1.接通开关SW1，将Seebeck效应的电功率发生部G3的热电效应元件30许多个(图中为6个)按多级串联构成电路，以此电路的输出电压构成对热能传输部G1的Peltier效应热传输电路系统作正反馈的电功率反馈部G2。
2.于电功率发生部G3，必要时通过燃烧木材或用小型加热器等辅助加热器50，将Seebeck电路系统高温侧的温度加热到T3，以其低温侧为环境温度或将此环境温度经空气冷却或水冷作为温度T4，保持“T3＞T4”的状态。
3.在上述1的正反馈中，于热能传输部G1的Peltier效应的热传输电路电流过电流而传送热能，借助此热能，温度T2上升，若T2与T3成为基本相同的温度，则断开T3部分的辅助加热器进行的外部加热。
4.图10的电路系统中通过局部地添加初始时投入的能量，与图8的电路系统中初始时于Peltier效应热能传送电路内作为焦耳热损耗而消耗的能量比较。可以消耗较少的能量。特别是在Peltier效应热能的传输电路的热能传输距离长达数十km、数百km或更长的大规模系统的情形，将产生更显著的效应。
第五实施形式图11是说明应用第五实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。具体地说，在应用图8的外部直流电源时的电路系统中，于Seebeck效应的热电效应元件30许多个作多级串联的电功率发生部G2的输出电压的输出端子上，设置与正反馈电路部并联的负载电路61，作为这种情形下的负载电路61的具体例子可举出通过水的电解由电能转换为氢气(H2)与氧气(O2)的化学势能的电解装置。图中的符号IL表示负载电流、RL表示负载电阻，后述实施例中也与此相同，此外，用作上述负载电路61的电解装置可采用一般的市售品。
在第五实施形式中，能将电功率发生部G2所产生的电势能由对电解部G4中设置的水进行电解的装置转换为氢气(H2)与氧气(O2)的化学势能而加以利用。
由于热能传输部G1与电功率发生部G2的结构与图4中的相同，故略去其详细说明。如本实施形式所述，通过从电能变换为化学势能而可确保容易加压、压缩、贮藏、积累、输送的能量。
第六实施形式图12是说明应用第六实施形式的热电效应装置的能量直接变换系统的自驱动传输系统的示意性电路图，与图11相同，设置有水的电解部G4作为改进图10的系统的自驱动热传输系统中负载电路的具体例子。图12的电路系统是在图10说明的系统中设置了利用化学势能的水的电解部G4的系统。具体地说，它是将传送的热能的利用、电功率的利用以及由电解液与水的电解产生的化学势能的利用等共同加以利用时有效的自驱动热传输系统。若将此图12的改进的自驱动热传输系统设置到不仅是日本而是全世界各个地区或地方，则利用由此系统获得的能量来有效地改进各地区或各地方的经济与粮食生产的同时，还能抑制地球的变暖与环境的破坏，显然这对于支持增加到21亿以上的人类以及其他生物是有着重要意义的。
第七实施形式图13是说明应用第七实施形式的热电效应装置的能量直接转换系统的自驱动热传输系统的示意性电路图。这一系统不应用Peltier效应热能传输电路，而是将热源的热能由Seebeck效应的热能直接电功率转换部G5中的热电效应元件30的许多个作多级串联的电路直接转换为电势能，于其输出电压端设置由水的电解等转换为化学势能的水的电解部G4作为负载电路的具体例子。根据第七实施形式的结构，通过能自驱动的直接转换电路系统，可由热能获得电能和化学能。
再有，根据上述图2、7、8、10-13所说明的各结构，能将吸热部与放热部或加热部与冷却部隔预定距离设置，而可从短距离(例如约数μm)直到远距离(例如数百km)地输送热能或电能，从而可构造能对无穷尽有的自然界的热能加以再利用且无公害的循环型能源获得系统。
作为构成上述各实施形式可用的热电效应元件的导电件，低温(室温)领域的热电材料已知例如有Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3等固溶体，温度超过1000K的高温领域热电材料已知例如有SiGe系合金之外的Ce3Te4、La3Te4、Nd3Te4系等，中温领域的热电材料已知例如有PbTe、AgSb与Te-GeTe系的多元化合物以及Mg2Ge-Mg2Si系，最好要考虑使用环境的温度等来选择任意的导电件。
构成成对的热电效应元件的p型、n型各导电件既可使用相同的材料也可采用不同的材料，能够根据使用环境的温度等选择这类材料的适当组合形式。
下面以更具体的实施来说明应用上述第一-第七实施形式的热电变换装置与循环型的能源获得系统的热电效应装置。
图14是实施规模大的本发明的第一实施例的说明图，示明了社会能量供给上层结构的具体例子。图14中示明了吸热侧的热电效应装置100和发热侧的热电效应装置200。
(1)水面下10m左右的海水是以稳定的温度(恒温)不断地流动而成为稳定的热能源，因而通过将Peltier效应元件组中吸热侧的热电效应装置100设置于海水内同时将放热侧的热电效应装置200设置于陆地上，则基于上述第一实施形式，能相对于放热侧Peltier效应元件组进行海水热能的长距离输送。在此放热侧的Peltier效应元件组上附着有Seebeck效应元件，基于上述第二-第四实施形式可将此长距离输送来的热能转换为电势能，这样例如可在整年间进行发电。于是有可能在日本各地遍建无公害的发电站。
(2)在可以用河水代替上述(1)的海水的情形，能用上述装置(与长距离传输能量中相同的装置)进行中距离的能量传送，将Seebeck效应元件组附着于放热侧的Peltier效应元件组上，通过进行从热能到电能的能量转换，能在各地建设发电站。
(3)也可以利用地热与温泉水的热能来取代上述(1)中的海水与(2)中的河水在各地建设发电站。
(4)能利用上述(1)-(3)各地发电站的电功率对前述的水进行电解，依据上述第五-第七实施形式，进行从电能到氢气与氧气的化学势能的能量转换。将可存储化学势能的上述氢气与氧气分别进行加压压缩存储于高压液化器容器中，便于运送，可将此化学能供给到各地并存储。可以使此氢气与氧气再行反应，转换为动能或驱动能或是用于氢电池，由此来有效地利用能量。
(5)上述(4)中利用氢与氧的化学能时产生的废物(产物)为水，因而实质上不会有成为公害的环境负载。
(6)上述(1)-(5)所利用的来自自然环境的能源是从太阳照射到地球上的阳光转换为热能的一部分，终究会作为辐射能而释放到地球以外。以上的实施例便是利用来自太阳的能量流中一部分的“循环型的可持续利用的能量”。
此外，作为吸热侧的热电效应装置除前面述及的外，还可以应用图14中的从太阳光直接获得热能的热电效应装置100。
图15是实施规模中等的本发明第二实施例的说明图，是个人住宅中能量供给系统的具体例子。图15中示明有吸热侧的热电效应装置100、太阳电池150、放热侧的热电效应装置200、照明器具250。
(1)太阳电池150具有反射大部分太阳能而不能有效利用太阳能的元件。为此，在房顶等处铺设黑色材料来代替设置太阳电池150。然后于此黑色材料之下设置吸热侧的热电效应装置100。这样便吸收黑体能量而将太阳光能的大部分转换为热能。根据上述第一实施形式，将通过上述转换获得的热能经由Peltier效应元件组的电路系统吸热，将放热侧设于中等距离处，由此来进行热能中等距离的传输。这样传送的热能可根据目的而用于取暖设备或加热装置等。本实施例的重要之处在于，不需要大的外部电功率，而能将从太阳光获得的能量根据目的作为热能以各种形式将其利用。
另外，图15所示的实施例是在白天利用热能设想屋外温度比屋内高时，例如在夜间则上述温度关系逆转。为此，例如在图15的能量供给系统中设置转换元件。通过探测屋内与屋外的温度变化的传感器的探测结构或根据居住者的意愿来操作转换元件。通过切换此能量供给系统的吸热侧与发热侧而能进行所希望的热能转换。
(2)分开一定间隔的一对Peltier效应元件组的电路系统，通过反转电流的流向例如能够不更换电路部件而切换吸热侧与放热侧，从而可将放热侧设于外部而将吸热侧设于内部，这样就构成不需大的外部电功率的冷气设备与制冰机(采用本发明的改进型Peltier效应热传输系统，可以不用外部电功率构成空调装置系统)。
(3)通过将Seebeck效应元件组接附到传输热能的放热侧，例如与前述图14说明的规模大的实施例的情形完全相同，能根据前述第二-第四实施形式进行从热能到电能的能量转换，而可以将中等规模的发电机设于各地区或家庭中。
(4)若是使用这种中等规模的发电机进行水的电解，则能根据上述第五-第七实施形式进行从电能到化学势能的能量转换而获得能储藏与运送的氢与氧，与前述规模大的实施例的情形完全相同，能根据目的将利用化学能的系统设于各地区或家庭中。
生活环境周围的空气只要不是例如绝对零度(°k)都会具有某种程度的热能。利用这种生活环境中空气所具有的热能，作为具体的小规模的实施例描述示下。
(1)将吸热侧Peltier效应元件组与放热侧Peltier效应元件组分开必要的距离(使吸热侧Peltier效应元件组与放热侧效应元件组不会相互热干扰的距离)。由于这两个Peltier效应元件组能根据应用目的分别独立利用，根据上述第一实施形式，例如能把冷却侧设于室内用空调机与冷藏库或冰库内，同时把放热侧设置于暖水器或暖水瓶或炊具加热装置中，由此能够完全不需利用大的外部电功率而可于家庭中以成对形式分别利用冷却装置与加热装置(在此情形下，对于应用改进型Peltier效应热传输系统时，可以完全不需利用外部电功率而使用冷却与加热成对的家庭中用的各种装置)。
(2)通过使上述两种能量效应元件组小型化成为可携带的形式，则例如能在屋内与屋外以及野营生活中制作小型冰型与暖瓶或炊具加热装置等成对的冷却与加热的各种设备。
(3)有关从大、中、小型计算机或个人计算机系列以及从固、液、气体内除去不需要的热量的方法以及对所除去的热加以利用的方法，其具体例子如下所述。
(4)在计算机中，工作时例如中央处理机(CPU)元件便是一个大的放热源。为了除去此CPU元件的热，当前使用应用了Peltier效果元件的厚度≤1cm以内的冷却用热电型微组件，以其吸热侧接附到CPU元件上，而于其放热侧上安装放热板和除热用小型风扇机(小型风扇)，进行强制性耗热，结果浪费了电功率且有不能避免气流噪声等问题。
若是采用本发明，在Peltier效应元件的吸热侧与放热侧之间，对应于计算机的大小，例如用从十几个cm到数m的导热性良好的导体材料隔开，通过将其吸热侧密封于CPU元件上并将放热侧密封于表面积大的计算机机壳或外部的放热金属体上或者是安装到热水容器上，这样就能在除热时不发生噪声同时可节省电功率。
此外，根据本发明，采用了改进型Peltier效应热传输系统而不需用外部电功率的电路系统可以制成小型装置，除用于计算机外还可用于小型电源装置类或固体、液体、气体内除去不必要的热量。
本发明的其他应用例如下。在液体情形，例如在同时销售冷饮料和热饮料两者的自动售物机中，通过将Peltier效应元件的吸热侧置于冷饮料一侧而将其放热侧置于热饮料一侧，就能开发出能显著减少外部电功率消耗量的这类售货机或采用了改进型Peltier效应热传输系统而不需外部电功率的自动售货机。
在气体情形，在鱼店的鲜鱼陈列器或肉店的内的冷冻库之中，通过相应地设置成对的加热装置内，就可构成循环型的低能且无公害的冷却/保存/加热/保温等设备。
以上所示的利用本发明的改进型Peltier效应热传输系统的所有实施例，能提供“不需使用包括化学燃料等燃料与外部电功率的，进行基于自然界的热能的热能传输与各种类型能量转换的开放型能量再循环系统”，以及“减缓地球变暖且基本上无造成公害的环境负载的系统”。
上面只就所描述的具体例子详述了本发明，但在本发明的技术原理范围内，内行人是可以众多的变型与修正的。这类变型与修正显然应属于后附权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种热电效应装置，包括通过连接件将Seebeck系数不同的第一导电件和第二导电件连接而成的两个热电转换元件；上述两个热电转换元件用导电材料将此第一与第二导电件的与该连接件相对侧的表面相互电连，而于上述两导电材料中之一串联上直流电源构成Peltier效应热传输电路系统；其特征在于，在上述Peltier效应热传输电路系统的吸热部与放热部之间确保能将吸热部的温度T1与放热部的温度T2维持为T1＜T2的距离。
2.一种热电效应装置，包括通过连接件将Seebeck系数不同的第一导电件和第二导电件连接而成的2n个热电转换元件；将上述2n个热电转换元件分别经导电材料串联，同时将相邻的热电转换元件交错地分开成吸热部与放热部，通过将直流电源与上述导电材料的至少一部分串联，构成分别具有n个吸热部与n个放热部的Peltier效应热传输电路系统；其特征在于，在上述Peltier效应热传输电路系统的吸热部与放热部之间确保能将吸热部的温度T1与放热部的温度T2维持为T1＜T2的距离。
3.一种能量直接转换系统，包括通过连接件将Seebeck系数不同的第一导电件和第二导电件连接而成的两个热电转换元件；上述两个热电转换元件通过导电材料将此第一与第二导电件与各个第一与第二导电件的与该连接件相对侧的表面相互电连，且分别置于不同的环境温度下，确保能使高温侧的热电转换元件的温度T1与低温侧的热电转换元件的温度保持T1＜T2关系的距离；其特征在于，通过从上述导电材料的某个部分取出电势能，构成从热能到电势能的直接能量转换电路系统。
4.一种能量直接转换系统，包括通过连接件将Seebeck系数不同的第一导电件和第二导电件连接而成的2n个热电转换元件；将上述2n个热电转换元件分别经导电材料串联，同时将相邻的热电转换元件交错地分置于不同的环境温度下，确保能使高温侧的热电转换元件的温度T1与低温侧的热电转换元件的温度保持T1＜T2关系的距离；其特征在于，通过从上述导电材料的某个部取出电能，构成从热能到电势能的直接能量转换电路系统。
5.根据权利要求3所述的能量直接转换系统，包括一组以上的、所述能量直接转换电路系统；具有利用初始时的外部加热或外部冷却所致温度差的多个起动部，其特征在于，从相互独立的多个由环境温度形成的环境热源直接到电势能的直接能量转换系统。
6.一种能量转换系统，其特征在于，通过对权利要求3或4所述热能直接转换系统所得的电势能进行电解而变换为化学势能。
7.一种能量转换系统，设有权利要求1或2所述的热电效应装置，其特征在于，将由此热电转换装置所得的热能供给于权利要求3-5所述的能量直接转换系统而得到电势能，而将此电势能的一部分反馈给上述热电效应装置而用作为直流电源。
8.根据权利要求7所述的能量转换系统，其特征在于，通过通/断开关的切换来控制上述电能的反馈。
9.根据权利要求7所述的热能转换系统，其特征在于，它通过通/断开关的切换控制上述电能的反馈，在将上述电能供给热电效应装置的同时，切断从上述热电效应装置的直流电源供给的电功率。
10.一种能量转换系统，其特征在于，它通过权利要求6-9所述能量转换系统求得的电势能进行电解而转换为化学势能。
全文摘要
提供了应用能获得可再利用、无公害且无穷尽存在的自然界热能的循环型与开放系的能源的发热效应装置，可抑制地球变暖的自驱动型能量直接转换系统。它具有将Peltier效应元件组与Seebeck效应元件组分开任意距离的热能输送部、电功率发生部与电解部，通过人为地进行热能输送、电能转换以及容易加压压缩、积累、存储与运输的水经电解电路而成为氢气与氧气的化学能源，可以利用热能、电能与化学能。
文档编号H01L35/30GK1515066SQ02811429
公开日2004年7月21日 申请日期2002年6月7日 优先权日2001年6月7日
发明者近藤义臣 申请人:株式会社明电舍, 近藤义臣