■体裁:A4版543ページ
■発刊:2001/03/28
■ISBNコード:4-89808-029-4

熱電変換システム技術のトータルな教科書

【著者】
坂田 亮/西田 勲夫/梶川 武信/松原 覺衛/
大杉 功/武田京三郎/阿武 宏明/梶川 武信/
米田 征司/野田 泰稔/後藤 孝/吉原 一紘/篠原 嘉所/
木林 靖忠/太田 敏隆/N. B. Elsner/今泉 久朗/福田 克史/
井上 武海/大西 徹夫/酒井 基弘/小林 良二/三澤 謙吾/
荒川 敏和/津崎 通正/大西 徹夫/中村 恭之/東 泉/
石山新太郎 /神戸 満/堀 康彦/篠原 和彦/岸 松雄/
松浦 虔士/山口作太郎


【序文】
小社より以前に書籍「熱電変換システム技術総覧」を発刊してから約5年が経過した。熱電素子はクリーンで使いやすく、 構造もシンプルであるために非常に期待されているエネルギ変換素子の一つであることは周知のことではあるが、 その多量が実用に供せられるには至っていないという現実があった。その原因の一つはエネルギ変換効率の低さであった。そのためこれまでの主な多量使用の応用としては冷却素子としての応用以外は、 あまり多くはなかった。しかしそんな状況であったにもかかわらず、 熱電変換の学術研究としての興味の深さと、 熱電システムをとりまく技術者・研究者の方々の不断の努力による着実な研究が前進してきた結果として、 熱電変換技術の応用分野が広がってきている。今回の書籍では、「第1編 基礎」「第2編 材料・評価」「第3編 デバイス・応用」として内容を3篇に分けた形を基本構成とし、「第1編 基礎」「第2編 材料・評価」では、 原理、 材料、 システム構成、 評価、 今後の動向を解説している。前書と比較すると基礎部分により重点がおかれ、 ボリュームも増えており、 熱電変換技術を「工学」的な側面から学習できる「教科書的要素」を盛り込んだ。また、「第3編 デバイス・応用」では前書の応用を一から見直し、 さらに最近の新しい応用を含めて掲載している。環境問題がこれまで以上にクローズアップされ、 前書でも指摘されていた生活のパーソナル化や高齢化が進んでいる今、 熱電変換技術は今後ますます期待される技術として注目されていくことが予想される。広く異業種といわれる技術分野からの熱電変換システム技術への今後の要望なども盛り込んだトータルな教科書としても使える書籍としてご活用いただければ幸いである。ただければ幸いである。

【目次】
第1編 基 礎
第1章 熱電現象の歴史的背景
第2章 熱電現象とエネルギ変換の基礎
1.熱電効果の古典熱力学的関係
1.1 ゼーベック効果
1.2 ペルチェ効果
1.3 トムソン効果
1.4 ケルビンの関係式
2.エネルギ変換
2.1 熱電冷却
2.1.1 成績係数
2.1.2 最大温度降下
2.2 多段冷却
2.3 熱電加熱
2.4 熱電発電
2.5 物理定数の温度変化による影響
2.5.1 電流が流れている分岐内の熱流
2.5.2 熱電発電の効率
2.6 多段熱電発電
2.6.1 カスケード型
2.6.2 分割接合型
3.熱・電流磁気効果
第3章 熱電半導体物性の基礎
1.熱電半導体
2.原子結合とエネルギ帯
2.1 原子対のエネルギ帯
2.2 固体のエネルギ帯
2.2.1 共有結合
2.2.2 イオン結合
2.3 電子と正孔
3.エネルギ帯の自由電子近似
3.1 単純な周期格子(一次元)
3.2 半導体のエネルギ帯構造
4.熱平衡におけるキャリア濃度
4.1 真性半導体
4.2 不純物半導体
4.2.1 不純物準位
4.2.2 非縮退半導体のキャリア濃度とフェルミ準位
4.3 縮退半導体
5.電気伝導率<緩和時間近似>
5.1 フェルミ-ディラック分布による伝導
5.2 Maxwell-Boltzmann分布による近似
6.熱電能
7.キャリアによる熱伝導率
8.フェルミ-ディラック積分
8.1 完全解までの流れ
8.1.1 ξ*<0における展開
8.1.2 ξ*=0の場合の展開
8.1.3 ξ*≫1における展開
8.2 指数項が任意実数をもつ正確な解法
8.2.1 分岐点付近の取り扱い
8.2.2 積分上限の決定
8.3 フェルミ-ディラック積分の解析プログラム
9.超格子半導体
第4章 半導体中のキャリアの散乱
1.遷移確率と散乱行列要素
2.有効緩和時間近似
2.1 詳細平衡原理
2.2 有効緩和時間
3.格子振動による散乱緩和時間
3.1 音響フォノン散乱緩和時間
3.2 ピエゾ(圧電)散乱緩和時間
3.3 非極性光学フォノン散乱緩和時間
3.4 極性光学フォノン散乱緩和時間
4.不純物散乱による散乱緩和時間
4.1 イオン化(BH)不純物散乱緩和時間
4.2 中性不純物散乱緩和時間
4.3 合金散乱緩和時間
第5章 熱伝導
1.半導体の熱伝導率
1.1 格子振動とフォノン
1.1.1 連続体中の音波の伝播
1.1.2 一次元2原子格子の振動
1.1.3 三次元の格子振動
1.1.4 格子振動の量子化
1.1.5 フォノンによる非弾性散乱
1.2 格子比熱
1.2.1 アインシュタイン・モデル
1.2.2 デバイ・モデル
1.2.3 状態密度
1.3 熱伝導率
2.フォノンによる熱伝導率
2.1 フォノンに対するボルツマン輸送方程式
2.2 変分法による格子熱伝導率の表式
2.3 緩和時間近似法による格子熱伝導率の表式
2.4 各種散乱による緩和時間
2.4.1 フォノン-フォノン散乱
2.4.2 粒界散乱
2.4.3 点欠陥散乱
2.4.4 共鳴散乱
2.4.5 電子-フォノン散乱
2.5 最低熱伝導率
第6章 熱電変換システムの設計
6.1 熱電発電システムの設計
1.システム設計の分類
2.素子接合部温度基準によるシステム設計
3.熱源温度基準設計
4.一次元設計法
5.セグメント素子・カスケード型素子
6.2 熱電冷却システムの設計
1.熱電冷却システムの構成と設計の分類
2.熱電冷却システムの選択設計
2.1 熱量の推定(熱設計)
2.1.1 冷却対象からの汲み出し熱量の推定
2.2 熱電モジュールの性能特性図(選択設計)
3.熱電冷却モジュールの設計

第2編 材料・評価
第1章 熱電半導体の特性
1.1 Bi-Sb系合金
1.はじめに
2.Bi-Sb合金のバンド構造
3.Bi-Sb合金の特性
4.Bi-Sb合金の熱電特性
4.1 比抵抗
4.2 熱電能
4.3 熱伝導率
4.4 熱電性能指数
4.5 熱電能の磁界効果
4.6 垂直磁気性能指数
4.7 適正不純物添加
4.8 応用
1.2 Bi2Te3系化合物とその合金
1.Bi2Te3系化合物とその合金
2.溶製材料
3.単結晶
4.焼結材料
1.3 PbTe系化合物とその合金
1.はじめに
2.状態図
3.不純物
4.物理的性質
5.熱電特性
6.熱的安定性
1.4 Si-Ge合金系
1.はじめに
2.帯域溶融法の熱電材料
2.1 熱電材料作製概要
2.2 熱電特性
3.ホットプレス焼結熱電材料
3.1 物理的性質
3.2 熱電特性
4.GaP添加焼結熱電材料
5.特性の劣化
5.1 熱電材料の昇華
5.2 添加物の析出
1.5 セレン化合物系
1.6 鉄ケイ化物系
1.はじめに
2.FeSi2の相変態
2.1 ラメラ構造
2.2 無添加焼結体
2.3 MnおよびCo添加焼結体
3.FeSi2の原料純度と半導特性
3.1 原料純度と比抵抗の関係
3.2 原料純度と熱電能の関係
3.3 原料純度と有効な最大出力の関係
4.熱電発電素子の製法と熱電特性
4.1 製造工程
4.2 熱電特性
1.7 TAGSの熱電特性
1.はじめに
2.AgSbTe2について
2.1 AgSbTe2の結晶学的性質
2.2 AgSbTe2溶製材の熱電特性
2.3 AgSbTe2焼結材の熱電特性
3.TAGSの研究
3.1 固溶体の研究
1.8 Mg2Si系化合物とその合金
1.背景
1.1 II2IV族半導体
1.2 II2IV族固溶半導体の研究
1.3 II2IV属半導体の格子欠陥と伝導型制御
1.4 II2IV高効率熱電半導体への期待
2.II2IV族半導体の熱電変換への応用
2.1 溶製材の研究
2.1.1 Mg2Si1-xGex固溶半導体の研究
2.2 高温熱電特性
2.2.1 Mg2Sn1-xGex固溶半導体の研究
2.3 焼結体による研究
2.3.1 メカニカルアロイイングによるMg2Si1-xSnxの研究
2.3.2 Mg2SiおよびMg2Sn圧粉焼結体の研究
2.3.3 Mg2SiのSPS焼結体の研究
1.9 遷移金属ケイ化物の熱電特性
1.はじめに
2.CrSi2
2.1 構造と組成
2.2 熱電特性
2.3 電子構造
3.MnSi2-x
3.1 組成
3.2 構造
3.3 熱電特性
3.4 電子構造
3.5 異方性
4.a-Fe1-xSi2とb-FeSi2
4.1 組成
4.2 構造
4.3 熱電特性
4.4 伝導機構
5.半導体⇔金属遷移と電子構造
6.a-Fe1-xSi2の伝導特性
7.その他のケイ化物
7.1 アルカリおよびアルカリ土類ケイ化物
7.2 周期律表3d以降の遷移金属ケイ化物
8.おわりに
1.10 レア・アース金属カルコゲン化合物
1.11 超耐熱半導体(B4C)
第2章 熱電半導体の製造技術
2.1 溶製熱電材料の製法
1.低温域熱電材料
1.1 ブリジマン法
1.2 ロッキング・フリージング法
1.3 帯域溶融法
2.2 焼結熱電材料の製法
1.低温域熱電材料
1.1 常圧焼結法
1.2 ホットプレス法
2.中温域熱電材料
3.高温域熱電材料
2.3 傾斜機 能材料の製法
1.概念
2.傾斜化熱電半導体の実施例
第3章 分析技術
1.組成分析技術
1.1 電子プローブマイクロアナリシス
1.1.1 概要
1.1.2 原理
1.1.3 装置
1.1.4 分析の実際
1.2 蛍光X線分析法
1.2.1 概要
1.2.2 原理
1.2.3 装置
1.2.4 分析の実際
1.2.5 全反射蛍光X線分析法
1.3 オージェ電子分光法
1.3.1 概要
1.3.2 原理
1.3.3 電子の脱出過程
1.3.4 装置
1.3.5 定量法
1.3.6 深さ方向の組成分布の測定
1.4 X線光電子分光法
1.4.1 概要
1.4.2 原理
1.4.3 装置
1.4.4 スペクトルの解釈
1.4.5 定量解析
1.4.6 深さ方向解析
1.4.7 真空紫外光電子分光法
1.5 二次イオン質量分析法
1.5.1 概要
1.5.2 原理
1.5.3 スタティックSIMS
1.5.4 装置
1.5.5 定量分析
1.5.6 SNMS技術
1.6 その他の組成分析法
1.6.1 原子吸光分析法
1.6.2 プラズマ発光分析法
1.6.3 グロー放電質量分析法
2.構造解析技術
2.1 X線回折法
2.1.1 概要
2.1.2 原理
2.1.3 装置
2.1.4 薄膜X線回折
2.2 走査型電子顕微鏡
2.2.1 概要
2.2.2 原理
2.2.3 装置
2.2.4 高分解能SEM
2.3 透過電子顕微鏡
2.3.1 概要
2.3.2 原理
2.3.3 装置
2.3.4 分析電子顕微鏡
2.3.5 走査透過電子顕微鏡
2.4 低速電子線回折法
2.4.1 概要
2.4.2 原理
2.4.3 装置
2.4.4 回折像の解釈
2.5 反射高速電子線回折法
2.5.1 概要
2.5.2 原理
2.5.3 装置
2.5.4 RHEED強度振動
2.6 走査プローブ顕微鏡
2.6.1 概要
2.6.2 原理
2.6.3 装置
2.7 フーリエ変換赤外分光法
2.7.1 概要
2.7.2 原理
2.7.3 装置
2.7.4 測定法
2.8 その他の構造解析方法
2.8.1 ラザフォード後方散乱分析法
2.8.2 イオン散乱分光法
第4章 熱電パラメータ測定技術
4.1 比抵抗の測定
1.基礎的測定法
2.1探針法
3.4探針法
3.1 針の配列方向または平行な端をもつ厚い試料
3.2 有限の厚さの試料
4.van der Pauwの測定法
4.2 移動度の測定
1.比抵抗とホール係数測定に及ぼすペルチェ効果
1.1 比抵抗
1.2 ホール係数
4.3 ゼーベック係数の測定技術
1.電気的性質の温度特性の評価システム
2.p-n素子およびサーモモジュールの特性評価
2.1 p-n素子
2.2 サーモモジュール
4.4 熱伝導率の測定
1.定常法
1.1 絶対法
1.2 比較法
2.レーザパルス法
3.ハーマン法
4.3w法
5.ホットストリップ法
6.熱拡散率の測定法
6.1 オングストローム法
6.2 ACカロリーメータ法

第3編 デバイス・応用
第1章 冷却・加熱用モジュールの製造と応用
1.はじめに
2.冷却用熱電素子およびモジュールの製造
2.1 冷却用熱電素子の製造
2.1.1 現状の熱電素子材料
2.1.2 熱電素子の原材料
2.1.3 熱電素子インゴットの製造
2.1.4 インゴットから熱電素子への加工
2.1.5 インゴットを作らない方法(プレスシンタ)
2.2 モジュールの製造
2.2.1 モジュールの構造
2.2.2 熱電素子以外のモジュール構成部材
2.2.3 モジュールの組み立て
2.2.4 ビルトイン型モジュール
3.モジュールの応用に際しての留意点
3.1 熱電モジュール応用可否の検討
3.2 モジュールの取り扱い
3.3 電源リップル
3.4 固定方法と熱抵抗
3.5 固定方法と耐久性
3.5.1 基板材質と接合相手材質との熱膨張係数の相違
3.5.2 複数個のモジュール使用の場合
3.6 結露対策
4.モジュールの信頼性評価
4.1 モジュールの信頼性評価の必要性
4.2 モジュールの故障モード
4.2.1 熱サイクル疲労(高サイクル)
4.2.2 熱サイクル疲労(低サイクル)
4.2.3 腐食
4.2.4 マイグレーション(ショート→断線)
4.2.5 素子の結晶不良
5.おわりに
第2章 熱電発電用素子およびモジュールの構成
2.1 モジュールの構成
1.冷却用モジュールと発電用モジュール
2.宇宙用モジュール
2.1 輻射伝熱の利用
2.2 熱伝導伝熱の利用
2.2.1 コンプライアントパッド
2.2.2 電気絶縁技術
2.2.3 電極技術
3.低温用発電モジュール
4.管状モジュール
2.2 接合技術
1.発電モジュールの固有条件
2.熱電素子
2.1 粒径効果
2.2 微粒径(Bi, Sb)2(Se, Te)3焼結合金
3.機械的支持構造
3.1 木枠構造
3.2 積層型構造
4.接合・接着
4.1 はんだ接合法
4.2 熱溶射法
4.3 蒸着法
4.4 電気メッキ法
4.5 加圧接触法
5.(Bi, Sb)2(Se, Te)3用接合金属
5.1 銀, 銅および金
5.2 ニッケル
5.3 モリブデンとタングステン
5.4 他の金属
6.設計
6.1 HZ-14モジュール
6.2 40 mWモジュール
第3章 熱電冷却システムの応用事例
3.1 熱電冷却システム
3.2 光エレクトロニクス
3.2.1 半導体レーザ冷却
1.はじめに
2.光通信用レーザ
2.1 分散ペナルティ
2.2 平均パワーの均一化
2.3 デバイスの寿命
2.4 DFBLD, DBR(Distributed Feed Back LD, Dist. Bragg LD)
のサイドモード
2.5 波長チューニング
2.6 電流-光出力(I-L)リニアリティ
2.7 光ディスク用高調波青・緑LD
3.その他
3.2.2 赤外線センサの冷却
1.概要
2.赤外線センサを冷却する目的
3.赤外線センサへの電子クーラーの適用例
4.多段クーラーの冷却温度とCOP(成績係数)
5.赤外線センサへの電子クーラー適用の将来性
(非冷却型赤外線センサの進歩)
3.3 電子デバイス
3.3.1 CPU冷却
1.CPUの発熱
2.クロックアップとCPU
3.ペルチェ素子の特徴とCPU冷却
4.ペルチェ素子によるCPU冷却の実施例
4.1 クロックアップとペルチェ素子によるCPU冷却
4.2 放熱用途のCPU冷却
3.3.2 カロリメータ
3.4 製造プロセスへの応用
3.4.1 半導体プロセスにおける温度調節システム
1.概要
2.半導体プロセスにおける熱電システムの適用部分
3.半導体前工程における熱電システムの応用例
3.1 プレート型熱電システム
3.2 水循環型熱電システム
3.3 薬液循環型熱電システム
3.4 浴槽型熱電システム
3.5 空調機型熱電システム
3.6 熱電チラー
3.4.2 超精密空気温湿度制御装置
1.超精密空気温湿度制御装置の概要
2.超精密空気温湿度制御装置の外観と構成
3.超精密空気温湿度制御装置の作用
4.仕様と特長
5.超精密空気温湿度制御装置の新要素
5.1 熱電式冷却除湿サブシステム
5.2 中空糸膜式加湿器
6.超精密空気温湿度制御装置の性能
3.5 冷蔵・温蔵
3.5.1 可搬クーラー
1.熱電冷却技術の流れ
2.熱電冷却の市場
3.民生市場からみた熱電冷却への要望
4.ユニット化の流れ
5.新ペルチェユニット
6.ユニットの応用
7.可搬クーラーへの応用
8.今後の展開
3.5.2 恒温水循環装置
1.システムの特徴
2.装置の構成と使い方
2.1 熱交換器
2.2 熱電モジュールへの配慮
2.3 直流電源
2.4 送水ポンプと使用上の注意点
2.5 温度制御器と設定
2.6 温度センサと配置
3.性能
4.装置の選定上の要点
3.5.3 冷蔵庫
1.電子冷蔵庫
2.熱電冷却の有効範囲
3.熱交換効率の改良
4.2段素子の導入
5.熱電冷却の制御法
6.市場展望
3.5.4 ワインセラー
1.ワインブームとワイン文化の定着
1.1 ワインブームと需要の伸び
1.2 ワインセラーの市場動向
1.3 従来ワインセラーの冷却方式と問題点
2.本格ワインセラーに求められる条件
3.ワインセラーに最適なペルチェ冷却方式
4.具体的適用事例
5.制御方式の特徴
6.今後の展開
3.5.5 冷温庫
1.はじめに
2.構造
3.使用上の問題点
3.1 冷却特性
3.2 運転時の騒音
3.3 結露
3.4 温度差
3.5 素子の故障モード
4.新規モジュール
4.1 温度差
4.2 取り付け荷重
4.3 水蒸気による電食
4.4 モジュール特性
5.まとめ
3.6 オフィス個別空調
1.はじめに
2.放射型局所冷暖房パネルの概要
2.1 放射冷暖房の原理
2.2 外観と構成
2.3 仕様と特長
2.4 冷房の機如能と使用方法
3.冷却特性と体感効果
3.1 冷却特性
3.2 冷却体感実験
第4章 熱電発電システムの応用事例
4.1 熱電発電システム
1.分類
2.省エネルギ用排熱利用の潜在発電量
2.1 移動体における排熱利用
2.2 コージェネレーション排熱利用
2.3 廃棄物処理システムによる潜在発電量
3.熱電発電システムの利用形態の展望
4.2 廃棄物焼却熱利用熱電発電
1.エネルギ源の質と量
2.システムの方式
3.システム実験の事例
3.1 外部設置型(有機如熱媒体利用)
3.2 外部設置型(予熱空気利用)
3.3 外部設置型(ヒートパイプ利用)
3.4 炉壁組込型
3.5 内部組込型
4.技術開発課題
5.経済性と将来展望
4.3 化石燃料発電
4.3.1 ミニチュア発電器(ろうそくラジオ)
1.はじめに
2.ろうそくラジオ
3.今後の展望
4.3.2 可搬型発電器
1.可搬型熱電発電
2.試作機の概要
3.装置
4.むすび
4.4 核燃料利用
4.4.1 宇宙用電源
1.熱電発電(TEC)
2.熱電子発電(TIC)方式
3.MHD発電方式
4.4.2 SP-100システム
1.冷却系システム
2.コンプライアント・パッド
3.高温絶縁材料の開発試験
4.熱電変換モジュールの接合技術
4.1 ニオブ(Nb)とアルミナ(Al2O3)の接合
4.2 SiGe素子と電極の接合
5.金属間化合物の生成防止技術
6.SiGe熱電変換素子本体の開発
4.5 排熱利用
4.5.1 燃料電池排熱
1.燃料電池排熱
1.1 燃料電池の排熱
1.2 システム
1.3 熱電発電部および伝熱板の構造
2.発電特性の検討
2.1 熱電発電ユニットのモデル化
2.2 熱電発電特性
3.あとがき
4.5.2 高レベル核廃棄物
1.はじめに
2.ガラス固化体の仕様
3.ガラス固化体有効利用発電
4.直接熱電発電システムの検討
4.1 ガラス固化体の発電試算の条件
4.2 熱電材料と最大効率
5.結果の検討
4.6 移動体熱源利用
1.自動車排気熱利用発電
1.1 自動車排熱利用の意義
1.2 排気熱発電装置概要
1.3 技術開発課題
1.4 おわりに
4.7 熱発電腕時計
1.熱発電腕時計
2.熱電変換による腕時計の駆動
3.熱発電腕時計の構造
4.超小型熱電変換素子
5.熱発電腕時計用発電ユニット
6.熱発電腕時計の機如能
7.課題と今後
4.8 応用システム
4.8.1 水素製造
1.はじめに
2.SPE水電解法
2.1 SPE水電解セル
2.2 電力-水素エネルギ変換率
3.熱電発電-SPE水素製造システムの事例
3.1 高効率水素製造システム
3.2 水素製造装置の試作事例と試験結果
4.経済性
5.むすび
4.8.2 コードレスファンヒータ
4.8.3 風呂釜の温度制御
1.ガス燃焼機器の自動温度制御
2.風呂釜の強制循環
4.9 熱電変換素子の大規模利用
1.はじめに
2.火力プラントへの応用
2.1 従来までの検討
2.2 エクセルギ解析
2.3 効率改善のための3つの提案
2.4 3つの提案の開発の課題と展望
3.超伝導/低温システムへの応用
3.1 提案システム
3.2 原理実証実験
3.3 実験のまとめと今後の展望
第5章 アルカリ温度差電池・熱電子・熱光電池
5.1 アルカリ温度差電池(AMTEC)
1.原理
2.b"-アルミナ固体電解質
3.AMTECシステム
5.2 熱電子発電(TIC)
1.原理
2.特性
3.熱電子発電器
4.熱電子発電器実用例
5.3 熱光電池(TPV)
1.原理
2.特性
3.応用システム
第6章 社会的受容性
1.信頼性
2.LCA
3.経済性
3.1 ゴミ焼却場排熱利用熱電発電の経済性の概要
3.2 導入効果の評価