專利名稱：熱電效應(yīng)裝置、能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不同形式的能量的相互轉(zhuǎn)換或進(jìn)行熱能傳輸?shù)难b置，特別涉及到將自然界存在的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能或化學(xué)能或是將其傳輸?shù)臒犭娦?yīng)裝置，還涉及到能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的能量利用形式包括化學(xué)燃料、原子能、水力等不可逆的形式，特別是化學(xué)燃料的消耗正成為加劇地球變暖與破壞環(huán)境的主要原因。作為所謂的清潔能，通過耗用太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的電能或氫氣等所作的降低環(huán)境負(fù)載的努力雖日益實用化，但還未能達(dá)到取代化學(xué)燃料與原子能等的程度。
作為將自然界存在的熱能變換為可直接利用用的電功率等形式的裝置已知有利用Seebeck效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換元件(以下稱為Seebeck元件)，正進(jìn)行研究開發(fā)用作上述化學(xué)燃料或原子能的替換能。上述Seebeck元件是由Seebeck系數(shù)不同的兩種導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)接觸構(gòu)成，通過兩個導(dǎo)電的自由電子數(shù)的差使電子移動而在兩導(dǎo)體間產(chǎn)生電位差，對此接觸點施加熱能以激活自由電子的運動即可將熱能轉(zhuǎn)換為電能，這種效應(yīng)稱為熱電效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
但是由上述Seebeck元件那種直接發(fā)電元件不能獲得充分的電功率，由于只能用作小規(guī)模的能源，它的應(yīng)用形式在當(dāng)前也就受到了限制。
一般，上述Seebeck元件是加熱部與冷卻部整體化的元件，而利用Peltier效應(yīng)的熱電效應(yīng)元件(以下稱作Peltier元件)，它的吸熱部與發(fā)熱部也構(gòu)成整體元件。
因此，在應(yīng)用上述的Peltier元件與Seebeck元件來構(gòu)制大型能量轉(zhuǎn)換設(shè)備時，由于其設(shè)備等場所在物理上的限制是不現(xiàn)實的。再有，通過一般的Peltier元件與Seebeck元件來利用能量時是單向的，例如形成將一度使用過的能量作再次利用的循環(huán)形式的技術(shù)設(shè)想還幾乎不曾有過。
今后的能量開發(fā)，如前所述。必須遵循不使地球變暖和不會導(dǎo)致環(huán)境破壞且能謀求再利用的方向，而這一方向乃是當(dāng)前能量開發(fā)中絕對必需的大課題。
本發(fā)明的目的在于解決上述課題的相關(guān)問題，提供通過利用(再利用)自然界無公害且無窮盡存在的自然界的熱能，而獲得例如熱能、電能、化學(xué)能等的熱電效應(yīng)裝置、能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
為了獲得滿足上述目的的能源，需要是熱的開放系統(tǒng)且具有循環(huán)形式。更具體地說，在任意分離開的區(qū)域之間本發(fā)明提供了這樣的電路系統(tǒng)，此系統(tǒng)能由Peltier效應(yīng)元件進(jìn)行熱能的傳送，通過Seebeck效應(yīng)元件將熱能作直接能量轉(zhuǎn)換而轉(zhuǎn)換為電勢能，此外可利用電解液與水的電解將電勢能變換為化學(xué)勢能，而容易進(jìn)行能量的儲藏、積累與輸送。
本發(fā)明還提供了能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，此系統(tǒng)例如不使用化石燃料等，可有效地利用自然界存在的熱能和將其再利用，可將這種熱能轉(zhuǎn)換為電能而作為電功率利用，還可通過變換為化學(xué)能構(gòu)成開放型的能量再利用系統(tǒng)，由此能夠減輕地球變暖影響且可基本消除因公害而帶來的環(huán)境負(fù)載。


圖1是以能帶說明Peltier效應(yīng)與Seebeck效應(yīng)物理結(jié)構(gòu)原理的模式圖。
圖2是說明第一實施形式的能分開任意間隔的一對Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)的模式圖。
圖3是Peltier效應(yīng)的相對于時間變化的溫度變化特性圖。
圖4是Peltier效應(yīng)的相對于時間變化的溫度變化特性圖。
圖5是相對于電流變化的溫度變化特性圖。
圖6是相對于電流變化的溫度變化量的特性圖。
圖7是說明第二實施形式的由能分開任意間隔的一對Seebeck效應(yīng)導(dǎo)致的從熱能轉(zhuǎn)換為電能的電路系統(tǒng)的模式圖。
圖8是說明應(yīng)用第三實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。
圖9是相對于溫差變化的電動勢特性圖。
圖10是說明應(yīng)用第四實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。
圖11是說明應(yīng)用第五實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。
圖12是說明應(yīng)用第六實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。
圖13是說明應(yīng)用第七實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。
圖14說明實施規(guī)模大的本發(fā)明的實施形式例。
圖15說明實施規(guī)模中等的本發(fā)明的實施形式例。
具體實施形式下面說明本發(fā)明的實施形式。
如上述

發(fā)明內(nèi)容
這部分中所描述的，由于Seebeck元件(或Peltier元件)的加熱部與冷卻部(或吸熱部與發(fā)熱部)構(gòu)成整體元件而帶來了問題，本發(fā)明人為了解決這類問題而著眼于將Seebeck元件(Peltier元件)的加熱部與冷卻部(吸熱部與發(fā)熱部)分離，并為此進(jìn)行過試驗以確認(rèn)可否將加熱部與冷卻部(吸熱部與發(fā)熱部)分離，即可否將加熱部與冷卻部(吸熱部與發(fā)熱部)分別作為獨立機構(gòu)而不使元件失去其特性。
下面參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施形式的熱電效應(yīng)裝置。能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。此外應(yīng)注意，在本實施形式中，利用自然能的能量直接變換系統(tǒng)其整體是在開放系統(tǒng)內(nèi)工作，因而“只在封閉系統(tǒng)內(nèi)才成立的熵增加的法則”在此是不適用的。
首先說明本發(fā)明的基本技術(shù)概念(原理)。圖1是以能帶說明Peltier效應(yīng)與Seebeck效應(yīng)物理結(jié)構(gòu)的模式圖，示意地表明在分別具有不同Seebeck系數(shù)的導(dǎo)電件A(例如在圖1中為P型半導(dǎo)體，以后稱為第一導(dǎo)電件)和導(dǎo)電件B(例如圖1中為n型半導(dǎo)體，以后稱為第二導(dǎo)電件)之間，設(shè)有金屬等具有導(dǎo)電性的連接件M，而從第二導(dǎo)電件B朝第一導(dǎo)電件A的方向施加有外電場。圖1中的斜線部分表示無自由電子的帶電粒子帶，點劃線表示費米能級VF，符號EV表示上述帶電粒子帶的高能級，符號EC表示導(dǎo)帶的低能級，符號EVac表示真空能級。
如圖1所示，當(dāng)從第二導(dǎo)電件B朝第一導(dǎo)電件A方向施加外電場時，對于比第一導(dǎo)電件A的費米能級EF更下面的能級(低能級)，配置有具有有限厚度的連接件M的費米能級EF，而對于其下的能級(低能級)，則設(shè)置與第二導(dǎo)電件B的費米能級EF并列的能級。在未施加外電場時，上述導(dǎo)電件A、B的費米能級EF則成為相等的能級。此外，若將外電場從第一導(dǎo)電件A朝第二導(dǎo)電件方向施加時，則上述第一導(dǎo)電件A、連接件M、第二導(dǎo)電件B的各費米能級EF成為與圖1所示能級配置相對應(yīng)的相反狀態(tài)。
圖1中的符號φA(T1)、φM(T1)、φB(T1)分別表示第一導(dǎo)電件A、連接件M、第二導(dǎo)電件B的電位(勢壘電位)，它們與外電場的指向無關(guān)而是由各自的溫度固有地決定的電位。例如為了將具有電荷e的電子逐出到上述第一導(dǎo)電件A、連接件M和第二導(dǎo)電件B的外部，分別需要能量eφA(T1)、eφM(T1)和eφB(T1)。
如上所述，在未施加外電場時，電子移動以使第一導(dǎo)電件A的費米能級EF、連接件M的費米能級EF、第二導(dǎo)電件A的費米能級EF成為相等的能級，第二導(dǎo)電件B與連接件M間的接觸電位差VRM成為“φB(T1)-φM(T1)”，而連接件M與第一導(dǎo)電件A的接觸電位差VMA成為“φM(T1)-φA(T1)”。在此狀態(tài)下，當(dāng)從第二導(dǎo)電件B朝第一導(dǎo)電件A的方向施加外電場而有電流流過時，導(dǎo)帶的自由電子流與伴隨帶電粒子帶內(nèi)空穴移動的電子流分別從第一導(dǎo)電件A流向連接件M的方向，進(jìn)而從連接件M流向第二導(dǎo)電件B的方向。此外，由于外電場導(dǎo)致的自由電子的漂移速度低于自由電子的熱速度，故可以忽視。
在此，如前所述，著眼于從第一導(dǎo)電件A朝連接件M方向流動，再從連接件M流入第二導(dǎo)電件B的自由電子流的電子群，在此所著眼的電子群內(nèi)各個電子的總能量相當(dāng)于由電勢能與熱速度導(dǎo)致的動能總和。這樣著眼的電子群從第一導(dǎo)電件流向連接件M再由連接件M流入第二導(dǎo)電件B的物理過程，由于其各個接合面的區(qū)域十分狹窄，成為來自外部的能量不能加入到此著眼的電子群的電子斷熱過程。
具體地說，上述著眼的電子群當(dāng)從第一導(dǎo)電件流到連接件M的方向再從連接件M流入第二導(dǎo)電件B時，在各個界面(圖1中為兩個界面)上，在電子的電勢能變大的部分其電子的熱能將減小，使流入各界面的電子的熱速度變小。在上述各界面處變小的所著眼的電子群的熱速度，由于從連接件M內(nèi)與第二導(dǎo)電件B內(nèi)預(yù)先存在的自由電子群與導(dǎo)電材料的原子以極短的能量均勻分配時間吸收了熱能，因而在連接件M的第一導(dǎo)電件A側(cè)和第二導(dǎo)電件B的金屬M側(cè)的界面附近會產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象。這樣的物理過程是Peltier效應(yīng)的吸熱現(xiàn)象引起的物理機理。此外，在第一導(dǎo)體件A的連接側(cè)M與連接件M的第二導(dǎo)電件側(cè)的界面附近則不會引起上述的吸熱現(xiàn)象。
若是使外電場反向而逆轉(zhuǎn)電流的流向(從第一導(dǎo)電件A向第二導(dǎo)電件B的方向施加外電場)，則與圖1相反，于第一導(dǎo)電件A的費米能級EF上面的能級(高能級)上設(shè)置具有有限厚度的連接部件M的費米能級EF，還在其上的能級(高能級)設(shè)置與第二導(dǎo)電件B的費米能級EF并列的能級。此第一導(dǎo)電件A、連接件M、第二導(dǎo)電件B的電勢能φA(T1)、ΦM(T1)、ΦB(T1)，如前所述，是由第一導(dǎo)電件A、連接件M和第二導(dǎo)電件B各自的溫度固有地決定，因而大小關(guān)系不變但電子的流向反轉(zhuǎn)。
結(jié)果，各界面處的動能在電子的電勢能變小的部分增大，使流入各界面的電子的熱速度變大而于連接部件M的第二導(dǎo)電部件B側(cè)與第一導(dǎo)電部A的接合部件M側(cè)的各界面附近引起發(fā)熱現(xiàn)象。但在第二導(dǎo)電件B的連接部件M側(cè)與第一導(dǎo)電件A側(cè)的邊界附近則不引起發(fā)熱現(xiàn)象。
為了讓電流流動，必須構(gòu)成閉電路。在一般的Peltier元件中，如前所述，是“導(dǎo)電件A(T1)、連接件M(T1)、導(dǎo)電件B(T1)”的連接結(jié)構(gòu)，于第一導(dǎo)電件A和第二導(dǎo)電件B之間設(shè)置Seebeck絕對系數(shù)小的連接件M而構(gòu)成，于其中使用外部電源讓電流流過而構(gòu)成Peltier元件電路，這樣構(gòu)成的Peltier元件中的第一導(dǎo)電件A與第二導(dǎo)電件B的Seebeck絕對系數(shù)的差越大，則因Peltier效應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)熱量或吸熱量也越大。這種Seebeck絕對系數(shù)是具有溫度依存性的導(dǎo)電件的固有系數(shù)。
在依上述構(gòu)成了閉電路的Peltier元件電路中，若不利用充分大的放熱件(放熱效應(yīng)高的部件)除去放熱側(cè)的放熱能時，則將會例如圖1所示情形，由于導(dǎo)電件A(T1)、連接件M(T1)、導(dǎo)電件B(T1)分別具有良好的導(dǎo)熱性而使這三個與電帶分別具有同等的極高的溫度。
結(jié)果，帶電粒子帶的電子便會大量地因熱激勵而流向?qū)?，致費米能級EF顯著升高，最后使電位成為“φA(T1)＝φM(T1)＝φB(T1)”DP樣地在所有三個導(dǎo)體中全為相等。在這種狀態(tài)下，按上述原理說明的Peltier效應(yīng)消失，從外部所加的電功率會因只用于這三個導(dǎo)帶中電阻的焦耳加熱而消耗掉。為了不出現(xiàn)這種狀態(tài)，在內(nèi)裝有Peltier元件電路的一般家電制品與計算機中，采用了于Peltier元件放熱側(cè)(放熱側(cè)附近)設(shè)置大型吸熱體或放熱材料或設(shè)置電風(fēng)扇來避免消除上述Peltier效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
與以上所述相反，本發(fā)明采用電性能(導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性等)良好的導(dǎo)電材料(例如兩根配線材料)，通過使Peltier元件的放熱側(cè)與吸熱側(cè)之間分隔一定距離而成為熱的開放系統(tǒng)(例如在放熱側(cè)與吸熱側(cè)之間確保不會有相互熱干擾的距離)，讓發(fā)熱側(cè)與吸熱側(cè)分別獨立，而成為絕對不會消除Peltier效應(yīng)同時能利用這種效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
在取這樣結(jié)構(gòu)的Peltier元件中，對于未施加有圖1的外電場的狀態(tài)下，隨著溫度T1的升高因熱激勵而產(chǎn)生的導(dǎo)帶中自由電子數(shù)與帶電粒子帶中空穴數(shù)增多。結(jié)果使第一導(dǎo)電件A側(cè)的費米能級EF、連接件M的費米能級EF、第二導(dǎo)電件B側(cè)的費米能級EF基本相等，有更多的電子移動，使第一導(dǎo)電件A與連接件M間的接觸電位差VAM(即“eφA(T1)-eφM(T1)”)增大。
如前所述，在不加電場時將圖1的結(jié)構(gòu)共兩組按一行連接，即將“第一導(dǎo)電件A(T1)與第二導(dǎo)電件B(T1)組成的單元”和“第一導(dǎo)電件A(T2)與第二導(dǎo)電件B(T2)組成的單元”通過連續(xù)導(dǎo)體在電氣上作串聯(lián)連接，這時隨著溫度差(T1-T2)的增大，串聯(lián)電位差電壓V也增大。此電壓V相當(dāng)于Seebeck效應(yīng)的輸出電壓。
本發(fā)明，如前所述，采用了由具有不同Seebeck系數(shù)兩組導(dǎo)電件組成的單元共兩組以導(dǎo)電材料連接的結(jié)構(gòu)，這樣，在施加外電場使電流流過的Peltier效應(yīng)和不加外電場而串聯(lián)形成接觸電位差的Seebeck效應(yīng)分別具有相同的物理基礎(chǔ)。也就是說，本發(fā)是的Peltier效應(yīng)與Seebeck效應(yīng)是有效地利用同一物理機制的兩個方面。
第一實施形式圖2是說明第一實施形式的能任意設(shè)定兩個熱電轉(zhuǎn)換元件間隔的一對Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)的模式圖。如圖2所示，通過導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性良好的材料(例如銅、金、鉑、鋁等)組成的連接件d13連接具有不同Seebeck系數(shù)的第一導(dǎo)電件A11與第二導(dǎo)電件B12，而形成第一熱電轉(zhuǎn)換元件10。此外，與上述第一熱電轉(zhuǎn)換元件10相同，通過連接件d23連接具有不同Seebeck系數(shù)的第一導(dǎo)電件A21與第二導(dǎo)電件B22，形成了第二熱電轉(zhuǎn)換元件20。再將與上述第一導(dǎo)電件A11和第二導(dǎo)電件B12的與連接件d13相對側(cè)的面以及上述第一導(dǎo)電件A21和第二導(dǎo)電件B22的與連接d23相對側(cè)的面，分別用導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)電材料(例如銅、金、鉑、鋁等組成的配線材料)連接。然后通過將上述導(dǎo)電材料的一部分(例如將一方的導(dǎo)電材料的中央部分)與直流電源串聯(lián)，而構(gòu)成以上述連接件13、23分別為吸熱側(cè)、放熱側(cè)的一對Peltier效應(yīng)熱傳輸?shù)碾娐废到y(tǒng)。
上述導(dǎo)電材料至少要長到不使所述第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)元件20相互不產(chǎn)生熱干擾的程度，從理論上說，可以在約數(shù)μm的微小長度到數(shù)百km的長度之間作種種設(shè)定。
這樣構(gòu)成的電路系統(tǒng)是將吸熱部(即負(fù)的熱能源)與放熱部(即正的熱能源)分隔開任意的距離，而能相互獨立地利用這兩個正與負(fù)掃熱熱源的系統(tǒng)。
在由導(dǎo)電材料連接各個熱電轉(zhuǎn)換元件時，在可能情形下可直接連接到各導(dǎo)電件上，但也可根據(jù)需要連接到圖2(以及圖3)中以d14所示的導(dǎo)電板(例如由銅、金、鉑、鋁等材料構(gòu)成)上，再于導(dǎo)電板d14上連接端子(例如由銅、金、鉑、鋁等材料構(gòu)成)d15。此外，圖2(以及圖7)的標(biāo)號中，R1、R2為吸熱側(cè)與放熱側(cè)或高溫側(cè)與低溫側(cè)導(dǎo)電件的電阻，IC表示電路電流、RC為連接導(dǎo)電材料部分的電路電阻，Vout表示電壓輸。對于這各個符號，在以下的實施形式與實施例中的意義相同。
首先，按圖2所示構(gòu)成的電路中，作為第一導(dǎo)電件A11、A21與第二導(dǎo)電件B12、B22，使用了兩個一般的π形pn結(jié)之件(例如美國MeLCOR公司制的CP-249-06L、CP2-8-31-08L)，在第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20之間[導(dǎo)電材料(銅線)]的距離分隔1m與50m的情形，當(dāng)由外部直流電源供給電流時，在這兩個π型pn結(jié)元件的兩端(第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20的兩端；即連接件d13、d23)會產(chǎn)生Peitier效應(yīng)產(chǎn)生的吸熱現(xiàn)象和放熱現(xiàn)象，而即使是在吸熱側(cè)的第一熱電轉(zhuǎn)換元件與發(fā)熱側(cè)的第二熱電轉(zhuǎn)換元件20取分別獨立的結(jié)構(gòu)，已確認(rèn)能繼續(xù)保持Peltier效應(yīng)。此外，在反轉(zhuǎn)上述供給電流的方向時，已確認(rèn)上述兩端的吸熱現(xiàn)象與放熱現(xiàn)象反轉(zhuǎn)。
其次于圖2的電路中第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件的距離分隔5mm的情形，當(dāng)由外部直流電源供給電流時，如圖3所示，第二熱電轉(zhuǎn)換元件20側(cè)的熱傳輸給第一熱電變換元件10，可以讀取到第一熱電變換元件10的溫度T1徐徐上升。另一方面，在上述第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20之間的距離為2的情形。當(dāng)如圖4所示，第二熱電轉(zhuǎn)換元件20側(cè)的熱不傳送給第一熱電轉(zhuǎn)換元件10時，則可以讀取到第一熱電變換元件10與第二熱電變換元件20相互間不發(fā)生熱干擾。從這一結(jié)果可知，圖2中的電路與外部的熱能下降有關(guān)。
再考慮圖2電路中第一熱電轉(zhuǎn)換元件10的溫度T1與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20的溫度T2為平衡的狀態(tài)，當(dāng)由外部熱源人為地加熱(3次加熱)該第一熱電轉(zhuǎn)換元件10一側(cè)至溫度上升10℃后，測定相對于外部直流電源的電流變化的第二熱變換元件20側(cè)的溫度變化(℃)與溫度變化量(ΔT2(℃)。結(jié)果如圖5所示，隨著外部電流電源的電流加大，在人為的加熱前與加熱后溫度上升的同時其溫差也變大，于是對應(yīng)于第一熱電轉(zhuǎn)換元件10的熱能的大小可讀取出熱傳輸量的變化。在圖5中，符中“◆”、“■”、“▲”分別表示第一、二、三次加熱后的測定值，符號“※”“○”、“+”分別表示第一、二、三次加熱前的測定值，符號“●”、“-”分別表示加熱前與加熱后測定值的平均結(jié)果。
再如圖6所示，隨著外部電流電源的電流增大，可以讀取到溫度變化量ΔT也增大。同時在圖6中，以符號“※”、“●”、“■”分別表示圖5中第一、二、三次加熱后與加熱前的溫度差，符號“▲”表示此加熱后與加熱前溫度值的平均結(jié)果。
因此，圖2的電路在熱能傳輸之中具有對外部熱能下降(溫度)的相關(guān)性和對于電流的相關(guān)性，業(yè)已確認(rèn)，隨著此電流的變大，熱傳輸量也增大。具體地說，熱能從T1側(cè)傳送到T2側(cè)(即所謂應(yīng)用導(dǎo)體內(nèi)自由電子的熱泵送)即證實了導(dǎo)體內(nèi)的自由電子可以進(jìn)行熱能傳輸?shù)脑?。此外也確認(rèn)了熱能的傳送量與電流相關(guān)，隨著電流的增大，此傳送量也變大。
在溫度相關(guān)性方面，通過確保維持至少是“T1＜T2”關(guān)系的距離即可獲得Peltier效應(yīng)，但最好是確保有不使第一熱轉(zhuǎn)換元件10與第二熱轉(zhuǎn)換元件20相互不發(fā)生熱干擾的距離。例如在上述導(dǎo)電材料之中，若將上述第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20保持到至少是不相互作熱干擾程度的長度，則從理論上說，可設(shè)定為從約數(shù)μm的微小長度到數(shù)百km或更長長度的種種長度。
第二實施當(dāng)從上述第一實施形式的圖2電路中除去外部直流電源，同時對第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20的兩端(即連接件d13、d23)賦予約80℃的溫差，則可以確認(rèn)在除去電源端子處會產(chǎn)生0.2mv的電動勢，而在冷卻側(cè)的第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與加熱側(cè)的第二熱電轉(zhuǎn)換元件20取相互獨立結(jié)構(gòu)時，業(yè)已確認(rèn)能繼續(xù)保持Seebeck效應(yīng)。
圖7說明第二實施形式的能將兩個熱電轉(zhuǎn)換元件間隔任意設(shè)定的一對Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)的模式圖，其中與圖2所示相同的部分采用同一符號而略去其說明。圖7所示的電路系統(tǒng)是從與上述圖2相同的電路系統(tǒng)中除去直流電源，調(diào)整導(dǎo)電材料長度(根據(jù)需要例如從約數(shù)μm的微小長度調(diào)整到數(shù)有km的長度)到至少使第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件相互無熱干擾的長度，再切斷此導(dǎo)電材料的一部分作為輸出電壓端子。在圖7的電路系統(tǒng)中，第一熱電轉(zhuǎn)換元件10的端部(連接件d13)與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20的端部(連接部件d23)分別置于不同的溫度環(huán)境下，通過將此各自的環(huán)境溫度T1與T2的溫度差(T1-T2)保持為有限的，則可通過Seebeck效應(yīng)將存在于不同環(huán)境下的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能而能用作電功率源。
在如圖7所示結(jié)構(gòu)的電路中，將兩個一般的π型pn結(jié)元件用作第一導(dǎo)電件A11、A21與第二導(dǎo)電件B12、B22，在第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20之間(導(dǎo)電材料(銅線))隔1m的距離，切斷導(dǎo)電材料的一部分(例如一方導(dǎo)電材料的中央部，由電壓測定器測定此切斷部的Seebeclk效應(yīng)的電壓輸出，同時對上述兩個π型pn結(jié)元件的兩端(第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20的兩端，即連接件d13、d23)的放熱端子與吸熱端子，能在從外部分別對加熱與冷卻時測定出正與負(fù)的輸出電壓。此外在加熱上述放熱端子和冷卻吸熱端子時，則可以確認(rèn)有輸出電壓的正與負(fù)反轉(zhuǎn)。
至于Seebeck效應(yīng)，由于是將溫度差直接變換為電能，通過確保至少是維持T1＜T2關(guān)系的距離就能獲得這種效應(yīng)，但最好要將第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件保持到相互無熱干擾的距離，例如在上述導(dǎo)電材料中，為了將上述第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20保持到相互無熱干擾程度的長度，從理論上說，可以從數(shù)μm的微小長度到數(shù)百km或更長的長度間作種種設(shè)定。
第三實施形式此第三實施形式是基于上述本發(fā)明的基本技術(shù)概念來說明用于達(dá)到本發(fā)明目的的具體結(jié)構(gòu)(例如上述第一、第二形式的具體結(jié)構(gòu))。此外將導(dǎo)體或半導(dǎo)體表述為“導(dǎo)電件”，而將連接的導(dǎo)電材料表述為吸熱端子或放熱端子。吸熱部稱作負(fù)熱源，放熱部稱作正熱源。
為了實現(xiàn)上述目的，與上述第一與第二實施形式相同，通過連接件d13連接具有不同Seebeck系數(shù)的第一導(dǎo)電件A與第二導(dǎo)電件B形式第一熱電轉(zhuǎn)元件10。此外，與此第一熱電轉(zhuǎn)換元件10相同，通過由具有導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性的材料(例如銅、金、鉑、鋁等)組成的連接件連接各具有不同Seebeck系數(shù)的第一導(dǎo)電件A21與第二導(dǎo)電件B22，形成了第二熱電轉(zhuǎn)換元件20。同時將上述第一導(dǎo)電件A11與第二導(dǎo)電件B12的同連接件d13相同側(cè)的面以及上述第一導(dǎo)電件A21與第二導(dǎo)電件B22的同連接部件d23相同側(cè)的面，分別用導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)電材料(例如銅、金、鋁等組成的配線材料)接合。然后通過將直流電源與上述導(dǎo)電材料的一部分(例如一方導(dǎo)電材料的中央部分)，構(gòu)成以上述連接件13、23分別作為吸熱側(cè)、放熱側(cè)的一對Peltier效應(yīng)的熱傳輸電路系統(tǒng)。
上述導(dǎo)電材料至少需要不使上述第一熱電轉(zhuǎn)換元件10與第二熱電轉(zhuǎn)換元件20相互不發(fā)生熱干擾程度的長度，從理論上說可以從數(shù)μm的微小長度到數(shù)百km或更長的長度間作種種設(shè)定。
這樣地將構(gòu)成Peltier效應(yīng)元件與Seebeck效應(yīng)元件的導(dǎo)電件以導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)電材料分開任意距離的設(shè)想是以往完全沒有考慮過的事例。這種結(jié)構(gòu)下的熱能傳輸是以下述物理機制作為基礎(chǔ)原理通過上面詳述的電子斷熱現(xiàn)象和以電磁波的速度于導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)體連接件內(nèi)傳送電流，即使前述電路系統(tǒng)的吸熱側(cè)與放熱之間的距離遠(yuǎn)，也能快速地傳輸熱能。
這種熱能的傳輸機理看來并非是導(dǎo)體內(nèi)電子群自身的運動，而是該電子群在相鄰的電子群受電磁場推動時作稍許移動，通過電子群沿導(dǎo)電材料內(nèi)以電磁波的速度傳播而使熱能傳輸?shù)默F(xiàn)象。從物理上說，電路系統(tǒng)的放熱與吸熱在各個場合下雖是相互獨立地發(fā)生，但根據(jù)所構(gòu)成的電路系統(tǒng)內(nèi)的電流連續(xù)性的法則，有同一大小的電流I流過的吸熱部與放熱部時的吸收熱能和放出熱能，結(jié)果成為相同的量，能量守恒定律成立。
圖8是說明應(yīng)用此第三實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。圖中的VS表示電壓輸，RC1、RC2表示電路電阻，IC表示電路電流、此外，符號30表示與第一熱電轉(zhuǎn)換元件10、第二熱電轉(zhuǎn)換元件20相同的熱電轉(zhuǎn)換元件。下面的實施例中也與此相同。此自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)由以下步驟操作，即上述結(jié)構(gòu)可按下述方式工作。
1.接通熱能傳輸部GI的開關(guān)SW1，應(yīng)用外部直流電源EX，于應(yīng)用Peltier效應(yīng)的電路系統(tǒng)中的任意距離處，朝電功率反饋部的方向，通過傳送熱能的熱能傳輸G1傳送熱能。
2.為了升高Seebeck效應(yīng)的輸出電壓，將連接件d33連接各自的Seebeck系數(shù)不同的第一導(dǎo)電件A31與第二導(dǎo)電件B32構(gòu)成的熱電轉(zhuǎn)換元件30許多個(2n個，n為自然數(shù)，圖中為6個)按多級串聯(lián)成的電功率反饋部G2的高溫側(cè)，經(jīng)由導(dǎo)熱性良好且具有絕緣性的絕緣材料(例如硅油、表面經(jīng)鋁陽極化處理的金屬、絕緣片等)IS，由所傳送的熱能加熱到溫度T2，低溫側(cè)為環(huán)境溫度，或根據(jù)需要經(jīng)空氣冷卻或水冷環(huán)境溫度而以之為溫度T3，保持T2＞T3的狀態(tài)。如前所述，在電功率反饋部中采用2n個熱電轉(zhuǎn)換元件時，于此電功率反饋部中便形成了n個Peltier效應(yīng)電路。
3.接通開關(guān)SW2與開關(guān)SW3，斷開開關(guān)SW1，切斷外部直流電源，由電功率反饋部G3將電功率發(fā)生部G3發(fā)生的輸出電壓正反饋給熱能傳輸部G1，熱能傳輸部G1在相對于應(yīng)用Peltier效應(yīng)的電路系統(tǒng)使電流繼續(xù)流動的同時，也繼續(xù)傳送熱能。
4.圖8所示的電路系統(tǒng)是熱力學(xué)意義下的按開放系統(tǒng)工作的系統(tǒng)，“獨立的封閉系統(tǒng)而成立的熵增大法則”不適用于這種系統(tǒng)，應(yīng)注意到此電路系統(tǒng)決非永動機那樣的科學(xué)上不可能的系統(tǒng)。
為了研究圖8的電路中電功率反饋部G2的Seebeck效應(yīng)，在相對于T2與T3的溫度差“T2-T3”來測定電動勢時，如圖9所示，可知隨著“T2-T3”的增大所獲得的電動勢也增大。具體地說，根據(jù)圖8的電路，可以確認(rèn)，通過保持T2與T3的溫度差，可保持以良好的效率產(chǎn)生由Seebeck效應(yīng)Seebeck效應(yīng)所致的電動勢。
第四實施形式圖10說明應(yīng)用第四實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖，它是將圖8的電路系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。這一改進(jìn)系統(tǒng)按下述步驟操作。
1.接通開關(guān)SW1，將Seebeck效應(yīng)的電功率發(fā)生部G3的熱電效應(yīng)元件30許多個(圖中為6個)按多級串聯(lián)構(gòu)成電路，以此電路的輸出電壓構(gòu)成對熱能傳輸部G1的Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)作正反饋的電功率反饋部G2。
2.于電功率發(fā)生部G3，必要時通過燃燒木材或用小型加熱器等輔助加熱器50，將Seebeck電路系統(tǒng)高溫側(cè)的溫度加熱到T3，以其低溫側(cè)為環(huán)境溫度或?qū)⒋谁h(huán)境溫度經(jīng)空氣冷卻或水冷作為溫度T4，保持“T3＞T4”的狀態(tài)。
3.在上述1的正反饋中，于熱能傳輸部G1的Peltier效應(yīng)的熱傳輸電路電流過電流而傳送熱能，借助此熱能，溫度T2上升，若T2與T3成為基本相同的溫度，則斷開T3部分的輔助加熱器進(jìn)行的外部加熱。
4.圖10的電路系統(tǒng)中通過局部地添加初始時投入的能量，與圖8的電路系統(tǒng)中初始時于Peltier效應(yīng)熱能傳送電路內(nèi)作為焦耳熱損耗而消耗的能量比較。可以消耗較少的能量。特別是在Peltier效應(yīng)熱能的傳輸電路的熱能傳輸距離長達(dá)數(shù)十km、數(shù)百km或更長的大規(guī)模系統(tǒng)的情形，將產(chǎn)生更顯著的效應(yīng)。
第五實施形式圖11是說明應(yīng)用第五實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。具體地說，在應(yīng)用圖8的外部直流電源時的電路系統(tǒng)中，于Seebeck效應(yīng)的熱電效應(yīng)元件30許多個作多級串聯(lián)的電功率發(fā)生部G2的輸出電壓的輸出端子上，設(shè)置與正反饋電路部并聯(lián)的負(fù)載電路61，作為這種情形下的負(fù)載電路61的具體例子可舉出通過水的電解由電能轉(zhuǎn)換為氫氣(H2)與氧氣(O2)的化學(xué)勢能的電解裝置。圖中的符號IL表示負(fù)載電流、RL表示負(fù)載電阻，后述實施例中也與此相同，此外，用作上述負(fù)載電路61的電解裝置可采用一般的市售品。
在第五實施形式中，能將電功率發(fā)生部G2所產(chǎn)生的電勢能由對電解部G4中設(shè)置的水進(jìn)行電解的裝置轉(zhuǎn)換為氫氣(H2)與氧氣(O2)的化學(xué)勢能而加以利用。
由于熱能傳輸部G1與電功率發(fā)生部G2的結(jié)構(gòu)與圖4中的相同，故略去其詳細(xì)說明。如本實施形式所述，通過從電能變換為化學(xué)勢能而可確保容易加壓、壓縮、貯藏、積累、輸送的能量。
第六實施形式圖12是說明應(yīng)用第六實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接變換系統(tǒng)的自驅(qū)動傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖，與圖11相同，設(shè)置有水的電解部G4作為改進(jìn)圖10的系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)中負(fù)載電路的具體例子。圖12的電路系統(tǒng)是在圖10說明的系統(tǒng)中設(shè)置了利用化學(xué)勢能的水的電解部G4的系統(tǒng)。具體地說，它是將傳送的熱能的利用、電功率的利用以及由電解液與水的電解產(chǎn)生的化學(xué)勢能的利用等共同加以利用時有效的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)。若將此圖12的改進(jìn)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)設(shè)置到不僅是日本而是全世界各個地區(qū)或地方，則利用由此系統(tǒng)獲得的能量來有效地改進(jìn)各地區(qū)或各地方的經(jīng)濟(jì)與糧食生產(chǎn)的同時，還能抑制地球的變暖與環(huán)境的破壞，顯然這對于支持增加到21億以上的人類以及其他生物是有著重要意義的。
第七實施形式圖13是說明應(yīng)用第七實施形式的熱電效應(yīng)裝置的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自驅(qū)動熱傳輸系統(tǒng)的示意性電路圖。這一系統(tǒng)不應(yīng)用Peltier效應(yīng)熱能傳輸電路，而是將熱源的熱能由Seebeck效應(yīng)的熱能直接電功率轉(zhuǎn)換部G5中的熱電效應(yīng)元件30的許多個作多級串聯(lián)的電路直接轉(zhuǎn)換為電勢能，于其輸出電壓端設(shè)置由水的電解等轉(zhuǎn)換為化學(xué)勢能的水的電解部G4作為負(fù)載電路的具體例子。根據(jù)第七實施形式的結(jié)構(gòu)，通過能自驅(qū)動的直接轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)，可由熱能獲得電能和化學(xué)能。
再有，根據(jù)上述圖2、7、8、10-13所說明的各結(jié)構(gòu)，能將吸熱部與放熱部或加熱部與冷卻部隔預(yù)定距離設(shè)置，而可從短距離(例如約數(shù)μm)直到遠(yuǎn)距離(例如數(shù)百km)地輸送熱能或電能，從而可構(gòu)造能對無窮盡有的自然界的熱能加以再利用且無公害的循環(huán)型能源獲得系統(tǒng)。
作為構(gòu)成上述各實施形式可用的熱電效應(yīng)元件的導(dǎo)電件，低溫(室溫)領(lǐng)域的熱電材料已知例如有Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3等固溶體，溫度超過1000K的高溫領(lǐng)域熱電材料已知例如有SiGe系合金之外的Ce3Te4、La3Te4、Nd3Te4系等，中溫領(lǐng)域的熱電材料已知例如有PbTe、AgSb與Te-GeTe系的多元化合物以及Mg2Ge-Mg2Si系，最好要考慮使用環(huán)境的溫度等來選擇任意的導(dǎo)電件。
構(gòu)成成對的熱電效應(yīng)元件的p型、n型各導(dǎo)電件既可使用相同的材料也可采用不同的材料，能夠根據(jù)使用環(huán)境的溫度等選擇這類材料的適當(dāng)組合形式。
下面以更具體的實施來說明應(yīng)用上述第一-第七實施形式的熱電變換裝置與循環(huán)型的能源獲得系統(tǒng)的熱電效應(yīng)裝置。
圖14是實施規(guī)模大的本發(fā)明的第一實施例的說明圖，示明了社會能量供給上層結(jié)構(gòu)的具體例子。圖14中示明了吸熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置100和發(fā)熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置200。
(1)水面下10m左右的海水是以穩(wěn)定的溫度(恒溫)不斷地流動而成為穩(wěn)定的熱能源，因而通過將Peltier效應(yīng)元件組中吸熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置100設(shè)置于海水內(nèi)同時將放熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置200設(shè)置于陸地上，則基于上述第一實施形式，能相對于放熱側(cè)Peltier效應(yīng)元件組進(jìn)行海水熱能的長距離輸送。在此放熱側(cè)的Peltier效應(yīng)元件組上附著有Seebeck效應(yīng)元件，基于上述第二-第四實施形式可將此長距離輸送來的熱能轉(zhuǎn)換為電勢能，這樣例如可在整年間進(jìn)行發(fā)電。于是有可能在日本各地遍建無公害的發(fā)電站。
(2)在可以用河水代替上述(1)的海水的情形，能用上述裝置(與長距離傳輸能量中相同的裝置)進(jìn)行中距離的能量傳送，將Seebeck效應(yīng)元件組附著于放熱側(cè)的Peltier效應(yīng)元件組上，通過進(jìn)行從熱能到電能的能量轉(zhuǎn)換，能在各地建設(shè)發(fā)電站。
(3)也可以利用地?zé)崤c溫泉水的熱能來取代上述(1)中的海水與(2)中的河水在各地建設(shè)發(fā)電站。
(4)能利用上述(1)-(3)各地發(fā)電站的電功率對前述的水進(jìn)行電解，依據(jù)上述第五-第七實施形式，進(jìn)行從電能到氫氣與氧氣的化學(xué)勢能的能量轉(zhuǎn)換。將可存儲化學(xué)勢能的上述氫氣與氧氣分別進(jìn)行加壓壓縮存儲于高壓液化器容器中，便于運送，可將此化學(xué)能供給到各地并存儲?？梢允勾藲錃馀c氧氣再行反應(yīng)，轉(zhuǎn)換為動能或驅(qū)動能或是用于氫電池，由此來有效地利用能量。
(5)上述(4)中利用氫與氧的化學(xué)能時產(chǎn)生的廢物(產(chǎn)物)為水，因而實質(zhì)上不會有成為公害的環(huán)境負(fù)載。
(6)上述(1)-(5)所利用的來自自然環(huán)境的能源是從太陽照射到地球上的陽光轉(zhuǎn)換為熱能的一部分，終究會作為輻射能而釋放到地球以外。以上的實施例便是利用來自太陽的能量流中一部分的“循環(huán)型的可持續(xù)利用的能量”。
此外，作為吸熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置除前面述及的外，還可以應(yīng)用圖14中的從太陽光直接獲得熱能的熱電效應(yīng)裝置100。
圖15是實施規(guī)模中等的本發(fā)明第二實施例的說明圖，是個人住宅中能量供給系統(tǒng)的具體例子。圖15中示明有吸熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置100、太陽電池150、放熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置200、照明器具250。
(1)太陽電池150具有反射大部分太陽能而不能有效利用太陽能的元件。為此，在房頂?shù)忍庝佋O(shè)黑色材料來代替設(shè)置太陽電池150。然后于此黑色材料之下設(shè)置吸熱側(cè)的熱電效應(yīng)裝置100。這樣便吸收黑體能量而將太陽光能的大部分轉(zhuǎn)換為熱能。根據(jù)上述第一實施形式，將通過上述轉(zhuǎn)換獲得的熱能經(jīng)由Peltier效應(yīng)元件組的電路系統(tǒng)吸熱，將放熱側(cè)設(shè)于中等距離處，由此來進(jìn)行熱能中等距離的傳輸。這樣傳送的熱能可根據(jù)目的而用于取暖設(shè)備或加熱裝置等。本實施例的重要之處在于，不需要大的外部電功率，而能將從太陽光獲得的能量根據(jù)目的作為熱能以各種形式將其利用。
另外，圖15所示的實施例是在白天利用熱能設(shè)想屋外溫度比屋內(nèi)高時，例如在夜間則上述溫度關(guān)系逆轉(zhuǎn)。為此，例如在圖15的能量供給系統(tǒng)中設(shè)置轉(zhuǎn)換元件。通過探測屋內(nèi)與屋外的溫度變化的傳感器的探測結(jié)構(gòu)或根據(jù)居住者的意愿來操作轉(zhuǎn)換元件。通過切換此能量供給系統(tǒng)的吸熱側(cè)與發(fā)熱側(cè)而能進(jìn)行所希望的熱能轉(zhuǎn)換。
(2)分開一定間隔的一對Peltier效應(yīng)元件組的電路系統(tǒng)，通過反轉(zhuǎn)電流的流向例如能夠不更換電路部件而切換吸熱側(cè)與放熱側(cè)，從而可將放熱側(cè)設(shè)于外部而將吸熱側(cè)設(shè)于內(nèi)部，這樣就構(gòu)成不需大的外部電功率的冷氣設(shè)備與制冰機(采用本發(fā)明的改進(jìn)型Peltier效應(yīng)熱傳輸系統(tǒng)，可以不用外部電功率構(gòu)成空調(diào)裝置系統(tǒng))。
(3)通過將Seebeck效應(yīng)元件組接附到傳輸熱能的放熱側(cè)，例如與前述圖14說明的規(guī)模大的實施例的情形完全相同，能根據(jù)前述第二-第四實施形式進(jìn)行從熱能到電能的能量轉(zhuǎn)換，而可以將中等規(guī)模的發(fā)電機設(shè)于各地區(qū)或家庭中。
(4)若是使用這種中等規(guī)模的發(fā)電機進(jìn)行水的電解，則能根據(jù)上述第五-第七實施形式進(jìn)行從電能到化學(xué)勢能的能量轉(zhuǎn)換而獲得能儲藏與運送的氫與氧，與前述規(guī)模大的實施例的情形完全相同，能根據(jù)目的將利用化學(xué)能的系統(tǒng)設(shè)于各地區(qū)或家庭中。
生活環(huán)境周圍的空氣只要不是例如絕對零度(°k)都會具有某種程度的熱能。利用這種生活環(huán)境中空氣所具有的熱能，作為具體的小規(guī)模的實施例描述示下。
(1)將吸熱側(cè)Peltier效應(yīng)元件組與放熱側(cè)Peltier效應(yīng)元件組分開必要的距離(使吸熱側(cè)Peltier效應(yīng)元件組與放熱側(cè)效應(yīng)元件組不會相互熱干擾的距離)。由于這兩個Peltier效應(yīng)元件組能根據(jù)應(yīng)用目的分別獨立利用，根據(jù)上述第一實施形式，例如能把冷卻側(cè)設(shè)于室內(nèi)用空調(diào)機與冷藏庫或冰庫內(nèi)，同時把放熱側(cè)設(shè)置于暖水器或暖水瓶或炊具加熱裝置中，由此能夠完全不需利用大的外部電功率而可于家庭中以成對形式分別利用冷卻裝置與加熱裝置(在此情形下，對于應(yīng)用改進(jìn)型Peltier效應(yīng)熱傳輸系統(tǒng)時，可以完全不需利用外部電功率而使用冷卻與加熱成對的家庭中用的各種裝置)。
(2)通過使上述兩種能量效應(yīng)元件組小型化成為可攜帶的形式，則例如能在屋內(nèi)與屋外以及野營生活中制作小型冰型與暖瓶或炊具加熱裝置等成對的冷卻與加熱的各種設(shè)備。
(3)有關(guān)從大、中、小型計算機或個人計算機系列以及從固、液、氣體內(nèi)除去不需要的熱量的方法以及對所除去的熱加以利用的方法，其具體例子如下所述。
(4)在計算機中，工作時例如中央處理機(CPU)元件便是一個大的放熱源。為了除去此CPU元件的熱，當(dāng)前使用應(yīng)用了Peltier效果元件的厚度≤1cm以內(nèi)的冷卻用熱電型微組件，以其吸熱側(cè)接附到CPU元件上，而于其放熱側(cè)上安裝放熱板和除熱用小型風(fēng)扇機(小型風(fēng)扇)，進(jìn)行強制性耗熱，結(jié)果浪費了電功率且有不能避免氣流噪聲等問題。
若是采用本發(fā)明，在Peltier效應(yīng)元件的吸熱側(cè)與放熱側(cè)之間，對應(yīng)于計算機的大小，例如用從十幾個cm到數(shù)m的導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)體材料隔開，通過將其吸熱側(cè)密封于CPU元件上并將放熱側(cè)密封于表面積大的計算機機殼或外部的放熱金屬體上或者是安裝到熱水容器上，這樣就能在除熱時不發(fā)生噪聲同時可節(jié)省電功率。
此外，根據(jù)本發(fā)明，采用了改進(jìn)型Peltier效應(yīng)熱傳輸系統(tǒng)而不需用外部電功率的電路系統(tǒng)可以制成小型裝置，除用于計算機外還可用于小型電源裝置類或固體、液體、氣體內(nèi)除去不必要的熱量。
本發(fā)明的其他應(yīng)用例如下。在液體情形，例如在同時銷售冷飲料和熱飲料兩者的自動售物機中，通過將Peltier效應(yīng)元件的吸熱側(cè)置于冷飲料一側(cè)而將其放熱側(cè)置于熱飲料一側(cè)，就能開發(fā)出能顯著減少外部電功率消耗量的這類售貨機或采用了改進(jìn)型Peltier效應(yīng)熱傳輸系統(tǒng)而不需外部電功率的自動售貨機。
在氣體情形，在魚店的鮮魚陳列器或肉店的內(nèi)的冷凍庫之中，通過相應(yīng)地設(shè)置成對的加熱裝置內(nèi)，就可構(gòu)成循環(huán)型的低能且無公害的冷卻/保存/加熱/保溫等設(shè)備。
以上所示的利用本發(fā)明的改進(jìn)型Peltier效應(yīng)熱傳輸系統(tǒng)的所有實施例，能提供“不需使用包括化學(xué)燃料等燃料與外部電功率的，進(jìn)行基于自然界的熱能的熱能傳輸與各種類型能量轉(zhuǎn)換的開放型能量再循環(huán)系統(tǒng)”，以及“減緩地球變暖且基本上無造成公害的環(huán)境負(fù)載的系統(tǒng)”。
上面只就所描述的具體例子詳述了本發(fā)明，但在本發(fā)明的技術(shù)原理范圍內(nèi)，內(nèi)行人是可以眾多的變型與修正的。這類變型與修正顯然應(yīng)屬于后附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱電效應(yīng)裝置，包括通過連接件將Seebeck系數(shù)不同的第一導(dǎo)電件和第二導(dǎo)電件連接而成的兩個熱電轉(zhuǎn)換元件；上述兩個熱電轉(zhuǎn)換元件用導(dǎo)電材料將此第一與第二導(dǎo)電件的與該連接件相對側(cè)的表面相互電連，而于上述兩導(dǎo)電材料中之一串聯(lián)上直流電源構(gòu)成Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)；其特征在于，在上述Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)的吸熱部與放熱部之間確保能將吸熱部的溫度T1與放熱部的溫度T2維持為T1＜T2的距離。
2.一種熱電效應(yīng)裝置，包括通過連接件將Seebeck系數(shù)不同的第一導(dǎo)電件和第二導(dǎo)電件連接而成的2n個熱電轉(zhuǎn)換元件；將上述2n個熱電轉(zhuǎn)換元件分別經(jīng)導(dǎo)電材料串聯(lián)，同時將相鄰的熱電轉(zhuǎn)換元件交錯地分開成吸熱部與放熱部，通過將直流電源與上述導(dǎo)電材料的至少一部分串聯(lián)，構(gòu)成分別具有n個吸熱部與n個放熱部的Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)；其特征在于，在上述Peltier效應(yīng)熱傳輸電路系統(tǒng)的吸熱部與放熱部之間確保能將吸熱部的溫度T1與放熱部的溫度T2維持為T1＜T2的距離。
3.一種能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括通過連接件將Seebeck系數(shù)不同的第一導(dǎo)電件和第二導(dǎo)電件連接而成的兩個熱電轉(zhuǎn)換元件；上述兩個熱電轉(zhuǎn)換元件通過導(dǎo)電材料將此第一與第二導(dǎo)電件與各個第一與第二導(dǎo)電件的與該連接件相對側(cè)的表面相互電連，且分別置于不同的環(huán)境溫度下，確保能使高溫側(cè)的熱電轉(zhuǎn)換元件的溫度T1與低溫側(cè)的熱電轉(zhuǎn)換元件的溫度保持T1＜T2關(guān)系的距離；其特征在于，通過從上述導(dǎo)電材料的某個部分取出電勢能，構(gòu)成從熱能到電勢能的直接能量轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)。
4.一種能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括通過連接件將Seebeck系數(shù)不同的第一導(dǎo)電件和第二導(dǎo)電件連接而成的2n個熱電轉(zhuǎn)換元件；將上述2n個熱電轉(zhuǎn)換元件分別經(jīng)導(dǎo)電材料串聯(lián)，同時將相鄰的熱電轉(zhuǎn)換元件交錯地分置于不同的環(huán)境溫度下，確保能使高溫側(cè)的熱電轉(zhuǎn)換元件的溫度T1與低溫側(cè)的熱電轉(zhuǎn)換元件的溫度保持T1＜T2關(guān)系的距離；其特征在于，通過從上述導(dǎo)電材料的某個部取出電能，構(gòu)成從熱能到電勢能的直接能量轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括一組以上的、所述能量直接轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)；具有利用初始時的外部加熱或外部冷卻所致溫度差的多個起動部，其特征在于，從相互獨立的多個由環(huán)境溫度形成的環(huán)境熱源直接到電勢能的直接能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
6.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，通過對權(quán)利要求3或4所述熱能直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所得的電勢能進(jìn)行電解而變換為化學(xué)勢能。
7.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，設(shè)有權(quán)利要求1或2所述的熱電效應(yīng)裝置，其特征在于，將由此熱電轉(zhuǎn)換裝置所得的熱能供給于權(quán)利要求3-5所述的能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而得到電勢能，而將此電勢能的一部分反饋給上述熱電效應(yīng)裝置而用作為直流電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，通過通/斷開關(guān)的切換來控制上述電能的反饋。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，它通過通/斷開關(guān)的切換控制上述電能的反饋，在將上述電能供給熱電效應(yīng)裝置的同時，切斷從上述熱電效應(yīng)裝置的直流電源供給的電功率。
10.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，它通過權(quán)利要求6-9所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)求得的電勢能進(jìn)行電解而轉(zhuǎn)換為化學(xué)勢能。
全文摘要
提供了應(yīng)用能獲得可再利用、無公害且無窮盡存在的自然界熱能的循環(huán)型與開放系的能源的發(fā)熱效應(yīng)裝置，可抑制地球變暖的自驅(qū)動型能量直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。它具有將Peltier效應(yīng)元件組與Seebeck效應(yīng)元件組分開任意距離的熱能輸送部、電功率發(fā)生部與電解部，通過人為地進(jìn)行熱能輸送、電能轉(zhuǎn)換以及容易加壓壓縮、積累、存儲與運輸?shù)乃?jīng)電解電路而成為氫氣與氧氣的化學(xué)能源，可以利用熱能、電能與化學(xué)能。
文檔編號H01L35/30GK1515066SQ02811429
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月7日
發(fā)明者近藤義臣 申請人:株式會社明電舍, 近藤義臣