热电材料、热电转换元件以及由热电转换元件和由热电材料制成的Π型模块组和由除了这种Π型模块组之外的热电材料制成的Π型模块组构成的模块组制造技术

本发明专利技术的目的是产生一种热电转换系统，其内的热电材料的热电转换效率接近卡诺效率，这种热电材料包含“由热电转换元件的组合构成的模块组”。本发明专利技术在新一代的热电材料中尽可能地减少了热传导率，热传导率来自除了由于连接的空间部分而能够在热电转换元件内部移动的空间部分或工作物质之外的任何东西，该热电材料包括“热电转换元件的组合构成的模块组”，并且其是不受负载或热滞留损害、且由不受负载或热滞留损害的热电转换元件构成的热电材料。本发明专利技术包括对夹持空间的表面或面向该热电材料的热电材料表面进行重整，以形成适于发电、冷却和加热操作的界面。本发明专利技术的目的是产生优于“由热电转换元件的组合构成的模块组”且在室温等条件下与三个或更多个不同的热浴源接触的种间模块，还产生包括这种模块且具有接近卡诺效率的热电转换效率的热电转换系统。

The module consists of thermoelectric materials, thermoelectric conversion element and the PI module by the thermoelectric conversion element and made of thermoelectric materials and thermoelectric materials made in addition to the PI module group the PI module group

It is an object of the present invention to produce a thermoelectric conversion system in which the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric material is close to the Kano efficiency, which comprises a modular set composed of a combination of thermoelectric conversion elements\. The present invention in thermoelectric materials, a new generation of as much as possible to reduce the thermal conductivity, thermal conductivity from anything but because of the connection space part in a space outside part or material thermoelectric conversion element internal moving, the thermoelectric materials including \modules\ combination of thermoelectric conversion element. And it is not affected by power, load or thermal damage, and retention of the load or thermal damage of residual thermoelectric materials to convert components. The invention includes reforming the surface of the holding space or the surface of the thermoelectric material facing the thermoelectric material to form an interface suitable for power generation, cooling and heating operation. The aim of the invention is to produce superior \by the thermoelectric conversion element is composed of a combination of modules and at room temperature under the conditions with three or more different contact between bath source module, including the module and has also produced thermal electric conversion system of thermoelectric conversion efficiency efficiency close to Kano.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热电材料、热电转换元件以及由热电转换元件和由热电材料制成的Π型模块组和由除了这种Π型模块组之外的热电材料制成的Π型模块组构成的模块组
本专利技术与热能和电能之间的转换方法直接相关。
技术介绍
将热能转换成电能的电力系统包括使用热电材料的热电系统、热离子系统和/或其他的系统等等。在使用热电材料作为热电系统的逆变换过程中，热电材料也用作冷却系统。PTL1和PTL2中定义的热电材料和热电转换元件是利用通过有效使用关于电流和传热量的电流传输现象的材料。在热电材料(TM)和热电转换元件(TCE)(下文中，为了简单起见，TM和/或由TM、TCE制成的热电材料简称为热电材料)中，在系统中承载电流传输现象的电流的工作介质(WS)是经典的WS，例如经典力学所分析的电子、空穴等，在低温下变得尤其显著的量子效应中的量子WS，或者除了上述之外在TCEWS中扩大到热电宏观量子材料中的WS。并且在从金属到绝缘体的电导率的宽范围内，已经利用了电流传输现象。其中承载电流的WS量大于热传递量的TM或TCE有良好的热电性能。模块或系统由TM和TCE组成。其中电子和/或空穴是经典WS的TCE的性能通常定义为品质因数Z：{数学式1}Z＝S2/κρ，热电材料的无量纲品质因数ZT(其中T是绝对温度)的值越大，其在热能和电能之间的转换性能就越好。这里S表示塞贝克系数，热导率κ是经典WS的热导率κc和晶格热导率κph之和，并且ρ是热电材料的电阻率。为了在不改变T的情况下增大ZT，最好使S的值增大并使κ和ρ的值减小。因为电热特性S、κ和ρ是热电材料中经典WS的密度的函数，所以在经典WS的密度高的情况下，S和ρ是较小的，κ是较大的。根据半导体的理论，为了具有良好的性能，存在用于热电材料的工作温度范围的电子或空穴的最佳密度。为了提高关于经典WS密度的热电性能，可考虑以下三种方式：1)增加经典WS的密度，并减少ρ。2)由于维德曼－弗兰兹(Wiedemann-Franz)定律，κc与1/ρ成比例，因此减少κph。3)通过使用具有大的有效质量的经典WS(即电子或空穴)的热电材料来增加S。在1)的实施例中，需要大量的载流子以实现高导电率。在平带金属中，由于大的费米表面和电子空穴激发的不对称性，获得了高电导率和大的热电动势。因此，热电性能显著提高。例如，由于层状氧化钴NaxCo2具有大的热电动势，已经进行了通过使用第一原理能带计算等(NPL1)进行筛选的热电材料的材料探索。上文提到的ZT是使用关于热电转换元件中的传热量和电传递的热平衡传输理论而推导出的。该理论适用于量子WS。对于TM来说期望S是大的，κ是像绝缘体那样小，并且ρ是像金属那样小。这样的TM元件表现为“声子玻璃电子晶体”；其目的在于高迁移材料，其行为像用于电子和空穴移动并且像用于晶格振动的玻璃的晶体。这样的材料存在于化合物或其高密度的固溶体或经典WS的退化中，另外由于κph与TM和TCE的高性能相关而降低导热率。石墨，例如元素周期表第V族的砷、锑、铋等半金属，2H钙钛矿型钙辉钴矿和尖晶石型钌辉钴矿，它们都是由于多重混合离子状态的位点间的电子交换反应和歧化反应引起的，在空穴和电子等的共存状态下共存于过渡金属混合氧化物的空穴-电子的TM等中。并且在通过RF磁控溅射方法在Ar/(Ar+O2)<3％的未加热的玻璃基板上形成低温Co3O4多晶薄膜的情况下，形成的Co3O4薄膜缺氧，并且接近其中源自氧缺乏的空穴和电子共存的本征半导体。当空穴和电子共存时，净塞贝克系数变为来自空穴的塞贝克系数Sh和来自电子的塞贝克系数Se之和SNet＝(σhSh+σeSe)/σ。在这里，σe和σh分别是电子和空穴的电导率，并且σ是净电导率σe+σh。因为Se是负的，电子和空穴共存的塞贝克系数的绝对值减小(NPL2)。已知的是，在TM或直接发电等中作为WS流磁效应的能斯特效应是来自温度梯度的电动势，并且作为能斯特效应的逆变换过程的埃丁赫逊(Ettinghausen)效应可从电动势中获得温度梯度。已经公开了锑化铟的经典能斯特效应和铋单晶的埃丁赫逊(Ettinghausen)系数的测量结果(NPL3、4、5)。此外，这些理论分析将在磁场中的热传递运动和电流量的自由度分为二维平面中的平行于磁场的自由度和垂直于磁场的自由度，通过使用与二维平面中的运动分量有关的热平衡传输理论来进行这些理论分析(NPL6)。经典的能斯特电动势VN为在这里，W是WM流的宽度，B是磁通密度，N是能斯特系数并定义为：{数学式2}在这里，当其热流的方向是x、WS的方向是σe时，Sxy是塞贝克系数；当其热流方向是x、WS的方向是y时，κxx是热导率。该理论也适用于量子WS。在使用代替外部磁场的“异常能斯特效应”的热电发电中，其中在与磁性材料的磁化方向和热流方向正交的方向上产生了电动势，磁性材料的磁化方向和其电动势产生方向可在与其热流垂直的同一平面中，并且能够简化其制造并增加其面积。由于异常的能斯特效应，具有高磁各向异性的FePt和MnGa通过交替地平行布置其细线而定向在相反的电场方向上，其电动势与热电偶串对的数量成比例地增加。并且由于异常能斯特效应，电场方向能够根据其磁化方向而从一侧向另一侧反转。即使它们由相同的磁性材料制成，如果这些相邻细线的磁化方向交替设置，那么即使其外部磁场为零，其异常能斯特电压也可以增加。然后，通过改变FePt的制造条件，两种FePt线(硬FePt膜和软FePt膜)具有相反的磁场(矫顽力)，其中磁化方向是交替排列的，通过反转具有小的矫顽力的FePt线的磁化并且之后将磁场设定为零，以制造热电偶，由于异常的能斯特电压在该方向上交替出现，因此获得相邻FePt的磁化方向反转的反平行排列，已知为电动势增加(NPL7)。根据NPL8，如果Bi2Te3线的长度短于Bi2Te3中声子的平均自由程，则平行于长度方向的声子在线中沿着线发射地传播。在平行于细线的长度方向发生热传递的情况下，声子运动的特征在于细线的长度和/或直径是长于还是短于声子的平均自由程。如果细线的长度和直径长于声子的平均自由程，则根据傅立叶定律，热传递沿着长度和直径扩散。如果细线的直径小于声子的平均自由程，则声子沿直径发射地移动。但是由于细线内表面的粗糙度，热传递小于以声子的扩散运动为特征的热传递。在细线的长度短于声子的平均自由程、并且声子运动较少受细线内表面的粗糙度影响的情况下，声子也沿着细线的长度发射地传导，使得长度方向上的热传递大于以声子的扩散运动为特征的热传递。另一方面，使用非平衡分子动力学模拟，在NPL9中评价了热传递对纳米管厚度的依赖性。在单层纳米管中，两个内表面的粗糙度减小，使得声子在室温下沿着长度方向发射地移动高达1.6μm。结果，由于声子，热传递的长度大于以扩散运动为特征的热传递。在TCE或分层TCE的几何低维度中，电子移动通过的厚度方向上的横截面面积变窄，以使得电子状态之间的能量间隔比热能大得多。然后，窄截面区域中的电导率几乎消失，因为电子态密度由于几何低维度而急剧变化，并且因为在截面中移动的电子没有散射，并且沿着细线的长度而增强。基于由于几何低维度或分层TCE改善了品质因数的事实的热电装置的实施例是纳米片、超晶格、纳米线等。目前最广为人知和最广泛使用的TCE是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电转换元件，其特征在于：在夹持或接触空间(空间)的构件中的至少一个构件是热电材料(TM)的情况下，其端部穿过空间面向TM的构件是相同的TM、不同的TM、“用于连接到外部系统的端板”、或与高、低储热器或其它温度的热和/或类似物接触的结构材料，所有这些构件都覆盖有绝缘体、绝热材料、负责外部冲击减轻的构件部分、辐射屏蔽和/或类似物，且与诸如环境温度的至少两个不同热源接触；“距离”(即，Lmax(T))取决于构成材料，以便在整个空间阻挡彼此面对且具有不同的绝对温度T的表面间的热流，在测量时，通过考虑由各个界面构成材料制成的原子力显微镜的构造中的热噪声而面向热流动方向的界面间隔被定义为等于或长于在界面间隔内彼此面对的原子之间的原子力的距离，当在整个空间彼此面对且具有不同的绝对温度T的表面间的距离在界面材料端子中的一者等于或大于Lmax(T)时，切断热流，所述界面材料端子在空间中面向WS流动方向不一定彼此平行；尖塔或尖部是线圈形状或线圈的尖塔的支腿可根据界面材料端子的任何形状而变厚，在以上述相同的方式面向界面材料端子的另一界面材料端子上，尖塔和/或“线索的尖锐角”可以是粗支腿，以及在一对，其中界面材料‑端子中的一者与作为尖塔和/或“线索的尖锐角”的凸端面的另一者之间的距离等于或大于Lmax(T)，或更多对存在于空间的情况下，由于热电材料本身与空间相邻，电动势作用在空间上，而通过空间的WS流的量不会从与空间接触的相邻TM内的量变化，因此作为端点之间的距离的Lmax(T)取决于相邻TM、成对的数量为一个或多个的具有空间的TM、或者更多空间，面向结构部件的“用于与外部世界的系统连接的端板”、高低热源和/或其它温度的热都是在环境大气的热浴温度中一起形成，一起定义为在TM或TCE内部的空间中的热电转换元件(TCE)，所述结构部件是绝缘体、绝热材料、外部冲击减缓、辐射屏蔽等，(i)WS工作的极性是正电荷或负电荷，或(ii)通过TCE外部的电场、磁场等用于正负电荷的极性的WS工作，由此引起TCE中进一步的温度梯度、WS浓度梯度，WS速度梯度等，通过所引起的梯度，传统WS、量子WS或宏观量子WS在不同温度下变得主要显著，但是在将电流和/或电压从“用于连接外部世界的系统的端板”施加或者不施加到包含所述WS的TCE的情况下，(A)WS存在于空间A：各个尖塔等的电磁场，或B：与由WS相互不同极性或相同极性的相邻两个尖塔的WS流形成的平面相垂直的磁场，或C：上述A和B同时可能驱动WS，除了上述(A)，另外垂直于与空间相邻的TM的(B)磁场可控制WS流动，在WS工作通过在“尖塔尖部(或线索)或尖塔”的表面与其面对端子或线索之间或在相对线索之间的空间的端子间距离的情况下，确定在某些TM中的传统系统或在其它TM中的量子系统的WS工作的温度限制，并且以端子间距离彼此分开的面层材料中的在宏观量子系统中工作的WS中的温度限制也在每个材料中进行确定，无量纲品质因数T的值由在宽温度限制或全温度限制内使用的TM所确定，该温度限制是从传统系统的温度限制到量子系统的温度限制或到量子系统和宏观量子系统的温度限制，所述宽温度或全温度限制分离成一些用于每个分段的热电材料的温度限制，其中各个热电材料处于ZT的最高值，在将许多分段热电材料组合成一个的情况下，用于热电材料的ZT值在改进，在将许多热电材料组合成一个作为具有空间的TCE的情况下，用于分段热电材料的ZT值与不具有空间的分段热电材料的ZT值相比进一步改进，并且此外由于使用中的热应力和/或物质、焊接材料等的扩散混合，空间使得损坏减少，由于WS通过由TM等形成的空间中的以上描述的相对表面，可利用发射和/或吸收热能、平行于WS流流动的方向的WS动量分布和/或在相对表面中的自旋分布的变化。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.23 JP 2014-1836681.一种热电转换元件，其特征在于：在夹持或接触空间(空间)的构件中的至少一个构件是热电材料(TM)的情况下，其端部穿过空间面向TM的构件是相同的TM、不同的TM、“用于连接到外部系统的端板”、或与高、低储热器或其它温度的热和/或类似物接触的结构材料，所有这些构件都覆盖有绝缘体、绝热材料、负责外部冲击减轻的构件部分、辐射屏蔽和/或类似物，且与诸如环境温度的至少两个不同热源接触；“距离”(即，Lmax(T))取决于构成材料，以便在整个空间阻挡彼此面对且具有不同的绝对温度T的表面间的热流，在测量时，通过考虑由各个界面构成材料制成的原子力显微镜的构造中的热噪声而面向热流动方向的界面间隔被定义为等于或长于在界面间隔内彼此面对的原子之间的原子力的距离，当在整个空间彼此面对且具有不同的绝对温度T的表面间的距离在界面材料端子中的一者等于或大于Lmax(T)时，切断热流，所述界面材料端子在空间中面向WS流动方向不一定彼此平行；尖塔或尖部是线圈形状或线圈的尖塔的支腿可根据界面材料端子的任何形状而变厚，在以上述相同的方式面向界面材料端子的另一界面材料端子上，尖塔和/或“线索的尖锐角”可以是粗支腿，以及在一对，其中界面材料-端子中的一者与作为尖塔和/或“线索的尖锐角”的凸端面的另一者之间的距离等于或大于Lmax(T)，或更多对存在于空间的情况下，由于热电材料本身与空间相邻，电动势作用在空间上，而通过空间的WS流的量不会从与空间接触的相邻TM内的量变化，因此作为端点之间的距离的Lmax(T)取决于相邻TM、成对的数量为一个或多个的具有空间的TM、或者更多空间，面向结构部件的“用于与外部世界的系统连接的端板”、高低热源和/或其它温度的热都是在环境大气的热浴温度中一起形成，一起定义为在TM或TCE内部的空间中的热电转换元件(TCE)，所述结构部件是绝缘体、绝热材料、外部冲击减缓、辐射屏蔽等，(i)WS工作的极性是正电荷或负电荷，或(ii)通过TCE外部的电场、磁场等用于正负电荷的极性的WS工作，由此引起TCE中进一步的温度梯度、WS浓度梯度，WS速度梯度等，通过所引起的梯度，传统WS、量子WS或宏观量子WS在不同温度下变得主要显著，但是在将电流和/或电压从“用于连接外部世界的系统的端板”施加或者不施加到包含所述WS的TCE的情况下，(A)WS存在于空间A：各个尖塔等的电磁场，或B：与由WS相互不同极性或相同极性的相邻两个尖塔的WS流形成的平面相垂直的磁场，或C：上述A和B同时可能驱动WS，除了上述(A)，另外垂直于与空间相邻的TM的(B)磁场可控制WS流动，在WS工作通过在“尖塔尖部(或线索)或尖塔”的表面与其面对端子或线索之间或在相对线索之间的空间的端子间距离的情况下，确定在某些TM中的传统系统或在其它TM中的量子系统的WS工作的温度限制，并且以端子间距离彼此分开的面层材料中的在宏观量子系统中工作的WS中的温度限制也在每个材料中进行确定，无量纲品质因数T的值由在宽温度限制或全温度限制内使用的TM所确定，该温度限制是从传统系统的温度限制到量子系统的温度限制或到量子系统和宏观量子系统的温度限制，所述宽温度或全温度限制分离成一些用于每个分段的热电材料的温度限制，其中各个热电材料处于ZT的最高值，在将许多分段热电材料组合成一个的情况下，用于热电材料的ZT值在改进，在将许多热电材料组合成一个作为具有空间的TCE的情况下，用于分段热电材料的ZT值与不具有空间的分段热电材料的ZT值相比进一步改进，并且此外由于使用中的热应力和/或物质、焊接材料等的扩散混合，空间使得损坏减少，由于WS通过由TM等形成的空间中的以上描述的相对表面，可利用发射和/或吸收热能、平行于WS流流动的方向的WS动量分布和/或在相对表面中的自旋分布的变化。2.一种热电转换元件，其特征在于：在夹持或接触空间的构件中的至少一个构件是TM，并且TM本身的电动势小于根据权利要求1的TM的情况下，因为由TM制成的空间中的间隔等于或大于由根据权利要求1的TM所确定的Lmax(T)，在空间中的热流被阻挡，在这样的温度范围内，其中在空间中相对的TM中的WS中的至少一个在传统WS或量子WS中起作用，并且为了通过空间的WS流的量等于或大于与空间接触的TM的量，在界面中的距离在Lmax(T)内或大于WS流的方向上的距离，通过跨越空间桥接有桥接材料所构造的桥接空间可根据端子的表面的任何形状而变厚，桥接材料的每个支腿与端子连接，具有一个或多个桥接材料的桥接空间可抑制热流动，这是由于在桥接材料之间的界面和端子的表面以及桥接材料中的晶格振动而产生的，使用其长度长于Lmax(T)的桥接材料，通过桥接空间的WS流的量可远大于桥接空间数量为一个或多个的空间TM的量，面向结构部件的“用于连接外部世界的系统的端板”、高低热源和/或其它温度的热一起形成在环境大气的热浴温度中并定义为如权利要求1所述的热电转换元件(TCE)，结构部件是绝缘体、绝热材料、外部冲击缓、辐射屏蔽等，在桥接材料附近施加电场和磁场以代替在权利要求1中所述的(A)和(B)的尖塔等，并且TCE还包括零个或多于一个如权利要求1所述的空间，如权利要求1所述，TCE的品质因数大于TM本身的品质因数，没有桥接空间的分段热电材料和由于使用中的热应力和/或混合了物质、焊料材料等的扩散的损坏减少，由于WS通过上述桥接材料描述的空间(即，桥接空间)中的相对表面，可利用发射和/或吸收热能、平行于WS流流动方向的WS动量和/或在相对表面中的自旋分布的变化。3.辐射和电磁波可照射到尖塔的凸出端表面中的至少一个表面上，从这里WS流入端子和其相对的端子中，并且尖塔的支腿直立在其上、在如权利要求1所述的TCE中的至少一个空间中；或者辐射和电磁波可照射到在如权利要求2所述的在桥接空间中的至少一个中的桥接材料的支腿和向TCE中的支腿供应WS的端子中的至少一个上，以便切断通过辐射源和/或电磁波源的热流，辐射源和/或电磁波源配置有一个位置且也用作如权利要求1和2中所述的(A)和(B)中的驱动和控制，辐射源和/或电磁波源与两个被照射的端子等和没有被照射端子之间的距离的大于Lmax(T)，因为与配备有射线源的与空间和/或桥接空间接触的TM中的WS流的量等于或大于没有射线源的量，TCE的特征在于，与没有设计射线源的情况相比增加WS流的量以降低热导率。4.在连接到权利要求1所述的空间中的尖塔的支腿的两个端子、和面对端子的界面和/或尖塔和/或尖塔和/或“线索的尖锐角”的凸端面的整个表面，以及支腿直立在权利要求2的桥接空间中的端子上的面向桥接材料的端子由包括WS良导体的原子和/或分子的涂层和/或厚构件所覆盖的情况下，以及在涂层和/或厚构件的表面和与前表面和/或尖塔的凸端面相对的表面之间的距离等于或宽于Lmax(T)的情况下，由于如权利要求1和2所示(A)和(B)中的驱动和控制，或者权利要求3中的辐射和电磁波的照射，防止在空间或桥接空间中的局部电荷和/或WS的累积，导致TCE的特征在于，包括在空间或桥接空间中的涂层和/厚构件。5.通过辐射和电磁场照射对空间中的尖塔等，权利要求1、2和3中的桥接材料的表面和桥接材料彼此连接的相对端子以及权利要求4中的涂层和/或厚构件的辐照损害，通过使用保护构件不会发生WS激发和/或对尖顶等和/或桥接材料的表面和/或端子上的涂层和/或涂层的厚度的损坏，其构成原子之间的力比未涂覆或不合并表面的力更强，或其中协作运动吸收保护构件表面的振动，保护构件从该表面在Lmax(T)中或大于Lmax(T)中接合到面对的端子，TCE的特征在于，WS流过在权利要求1和2中的尖塔等和/或大量WS中的桥接材料，而没有权利要求1和2的激发和辐照损伤，或没有用于权利要求4的涂层和/厚构件的损伤，由于防止了表面上的热集中和每单位时间获得的能量的量，减少了劣化。6.具有可移动部分的分段的TCE、具有内置系统的分段的TCM和TCS的特征在于比不具有可移动部分的分段的TCE、具有内置系统的分段的TCM和TCS更容易地调整每个操作：在权利要求1的TCE中的空间中考虑...

【专利技术属性】
技术研发人员：马渊真人，芦田有，
申请(专利权)人：马渊真人，
类型：发明
国别省市：日本,JP