■体裁:A4版350頁
■発刊:2004/07/31
■ISBNコード:4-89808-049-9

【編集委員】
　梶川武信/湘南工科大学学長 工学部 教授
　佐野精二郎/小松製作所 研究本部 技監
　守本 純/防衛大学校電気情報学群 教授

【執筆者】
松原 覚衛/山口東京理科大学
吉野 淳二/東京工業大学
木林 靖忠/小松エレクトロニクス
松浦 虔士/大阪大学
海部 宏昌/小松製作所
梶川 武信/湘南工科大学
李 鎔勲/小松製作所
N.B. Elsner/Hi-Z technology, Inc.
J.C. Bass/Hi-Z technology, Inc.
S. Ghamaty/Hi-Z technology, Inc.
N.D. Hiller/Hi-Z technology, Inc.
C.C. Morris/Hi-Z technology, Inc.
J.A. Bass/Hi-Z technology, Inc.
J. Earle/Hi-Z technology, Inc.
T. Caillat/Jet Propulsion Laboratory
J. Sakamoto/Jet Propulsion Laboratory
佐野精二郎/小松製作所
山梨 正孝/小松エレクトロニクス
井上 武海/産業技術総合研究所
大久保英明/小松製作所
大西 徹夫/小松製作所
西池 氏裕/エコ・トゥエンティーワン
播木 道春/フェローテック
野末 章浩/松下電器産業
R. Otey/フェローテック
荒木 暉/ フェローテック
齋藤 大蔵/防衛医科大学校
守本 純/防衛大学校
宮田 景介/オーム電機
楠野 国光/五味産業
黒山 友宏/ファインセラミックスセンター
岡本 幹男/東京電子サービス
山口作太郎/中部大学
吉田 武宏/二宮産業
守山愼一郎/日新電機
D.M. Rowe/University of Wales
渥美 寿雄/近畿大学
近藤 成仁/東芝
原 昭浩/ 東芝
藤井 一宏/宇部興産
今泉 幸男/九州電力
桜田 敏生/九州電力
長谷崎和洋/三菱重工業
佐々 裕美/石川島播磨重工業
茂垣 康弘/石川島播磨重工業
生駒 圭子/日産自動車
儲 仁才/ 小松製作所
東藤 勇/釧路工業技術センター
渡辺 滋/シチズン時計
H. Boettner/Fraunhofer
J. Nurnus/Fraunhofer
申ウソク/産業技術総合研究所
村山 宣光/産業技術総合研究所
森田 信一/アイ・エイチ・アイ・エアロスペース

※所属、肩書き等は本書発刊当時のものです。

【序文】
地球温暖化対策の一環として各種排熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電は、
以前からその重要性は強く認識されていました。
それが今回、 COP3で約束している二酸化炭素削減計画の中で革新的温暖化対策技術
開発努力により2%の削減という「温暖化大綱」の中の一翼をわずかな貢献ながら荷うことが
認定されたのです。
2002年度から「高効率熱電変換システムの開発事業」が経済産業省と新エネルギー産業
開発機構の主導の下に5ヶ年計画として開始されています。
2010年度には原油換算7万5千kl/年、 二酸化炭素発生制御として約10万t/年程度の貢献が
目標です。たとえ限定された用途であっても我々の生活・経済活動の中で使われるということは、
その後の普及と熱電発電産業の創成・発展にとって大きい意味を持ちます。
当面は産業用排熱、 民生用排熱が適用先ですが、 運輸用排熱に適用が拡がれば、
地球温暖化対策の効果は大きいものになります。
この先5～10年は、 熱電発電技術にとって重要な期間となるでしょう。
一方熱電冷却技術も、 大きな変動を経験しました。
光情報産業の発展を見越したレーザタイオード冷却などの局所精密制御分野では急激に市場が立ち上がり、
情報産業不況では急激な市場縮少がありました。
これによって高信頼性デバイス技術が蓄積され、また自動化技術の進歩は技術レベル向上に大きく寄与しました。
また、 半導体産業への導入は産業自体の力強い成長と共に着実に浸透し、 半導体プロセスの基盤技術としての
地位はさらに強化されています。今後は、 民生用、 バイオ産業、 レジャー産業にも受け入れられていくことが期待されます。
さらに、 ほんの萌芽でしかなかったマイクロ熱電技術はこの10年でMEMSやナノテクノロジの著しい立ち上がりに呼応して、
将来楽しみな分野になります。
これらの状況における最大の要因は、 熱電変換材料技術の飛躍的進歩でした。
この10年で「経験的制約とされていた無次元性能指数ZTは1を超えない」などと主張する人はいなくなりました。
現実にZTが1を超える実験値が複数の研究機関から出され、 素子性能からもそれを裏付けられています。
使用材料も使用環境も特殊なものを要求しなくても作成可能であることも実証されています。
この企画は、 旧版の思想を受け継ぎ、 「総覧」であることに意義の重要をおいています。
旧版の発行から約10年、 熱電変換技術の進歩によるシステムという側面を強く意識して眺めるには、 絶好のタイミングです。
“熱あるところ熱電あり”を念頭に本文へとおすすみ下さい。(まえがきより)

【目次】
<<基 礎 編>>

第1章 熱電変換技術の原理
第1節 原理と特徴
1.熱電現象
2.熱電変換の熱力学(一般論)
3.熱電変換の特徴
第2節 材料の基礎
1.はじめに
2.熱電変換の効率
3.熱電物性の特徴と高性能化の指針
4.実用材料の熱電物性
5.新しい熱電材料とその物理
6.おわりに
第2章 熱電変換システムの構成と設計理論
第1節 冷却(加熱)システム
1.設計に必要な基礎式
1.1 吸熱量・発熱量
1.2 冷却・加熱に必要な電力と成績係数
1.3 最大温度差ΔTmaxと性能指数Z
1.4 最大電流, 最大電圧, 最大吸熱量
1.5 最適電流, 最適電圧
2.性能特性図
3.熱電モジュールの性能低下要因
3.1 熱抵抗
3.2 熱リーク
3.3 電源リップル
4.熱電モジュールの選択と使用条件の決定
5.熱電システムの設計
5.1 はじめに
5.2 侵入熱がない場合の冷却温度と冷却時間
5.3 侵入熱と熱抵抗を考慮した液槽の冷却
5.3.1 侵入熱の実測
5.3.2 実装時の熱抵抗を考慮した最低到達温度の推定
5.3.3 冷却・加熱時の温度/時間推移曲線
第2節 発電システム
1.まえがき
2.熱源の温度差が比較的小さい場合
2.1 発電器出力および効率の計算
2.2 設計手順
2.2.1 一対の熱電素子の最適化
2.2.2 伝熱管の最適化
3.熱源の温度差が比較的大きい場合
3.1 発電器出力および効率の計算
3.2 熱電素子の最適化
3.3 カスケード構成
4.むすび
第3節 モジュール化技術
1.まえがき
2.冷却・加熱用モジュールと発電用モジュールとの相違点
2.1 冷却・加熱用モジュールの構造
2.2 発電用モジュールの構造
3.Bi-Te熱電素子の表面処理技術
3.1 Niメッキ(またはMo+Niメッキ)
3.2 その他の表面処理
4.接合はんだ
5.絶縁熱交換基板(セラミックタイプ)
6.モジュールの構造
6.1 一段モジュール
6.2 多段モジュール
7.その他のモジュール構造
第3章 特性評価技術
第1節 特性評価技術
1.熱電材料の特性評価
1.1 電気抵抗率の評価
1.2 ホール係数の評価
1.3 ゼーベック係数の評価
1.3.1 ゼーベック係数の2次元マッピング
1.4 熱伝導率の評価
1.5 オングストローム法に基づいた熱拡散率計測
1.6 熱電特性の動的評価(Transient法)
2.熱電モジュールの特性評価
2.1 熱電冷却モジュールの性能評価
2.2 熱電発電モジュールの性能評価
2.2.1 ダブルヒータを用いるモジュール評価法
第4章 今後の動向
第1節 熱電変換材料の高性能化
1.はじめに
2.Bi-Te系発電用としての高性能化素子
3.スクッテルダイト構造遷移金属化合物熱電材料
4.β-Zn4Sb3熱電素子
5.クラスレート化合物熱電材料
6.層状酸化物熱電材料
7.低次元熱電材料
第2節 材料資源
1.熱電素子としての材料資源
2.材料リサイクルの考え方
第3節 熱電変換システムの高性能化および経済性
1.熱電変換システムの高性能化
2.経済性
第4節 具体例
1.極低温冷却
1.熱電冷却モジュールの現状と今後の展望
2.科学分析装置への応用の期待
2.mW熱電モジュールの微細製造技術
1.はじめに
2.技術のアプローチ
2.1 現在利用可能なBridgman鋳造合金の粉末冶金成形への適応
2.1.1 粉末冶金による合金の必要性
2.1.2 微粒(Bi, Sb)2(Se, Te)3合金の粉末冶金
3.モジュール製造技術
3.1 導入
3.1.1 モジュールの実装
3.2 接合方法
4.モジュールの性能および寿命テスト
5.結論と要約
3.発電応用のための高効率セグメント熱電材料と単素子対
1.はじめに
2.最先端熱電材料
3.新しい材料
4.分割された単素子対
4.発電用熱電変換モジュール
1.概要
2.熱電素子の材料開発状況
2.1 低温熱電材料(Bi-Te系)
2.2 中高温熱電材料
3.多段モジュール
4.各社モジュール
4.1 Hi-Z社(アメリカ)
4.2 グローバル社(カナダ)
4.3 ルーチェ社(ロシア)
4.4 アルテック社(ウクライナ)
5.まとめ

<<応 用 編>>
第1章 各種冷却システム
第1節 光エレクトロニクス
1.半導体レーザ冷却
1.はじめに
2.光通信とLD冷却
2.1 インターネットの普及による情報伝送量の増大
2.2 DWDM伝送システム
2.3 DWDMシステムに使われるペルチェクーラ
3.光源用半導体レーザ
3.1 DWDMシステム用光源
3.2 アナログ光CATV用光源
4.EDFAおよびラマン増幅用半導体レーザ
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の適用例
4.多段クーラの冷却温度とCOP
5.赤外線センサへの電子クーラ適用の将来性(非冷却型赤外線センサの進歩)
第2節 電子デバイス
1.カロリメータ
1.高感度レーザパワー測定用カロリメータ
2.マイクロ波同軸パワー測定用カロリメータ
3.カロリメータ測定用パワーコントローラ
4.まとめ
第3節 製造プロセスへの応用
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-型システム
2.300 mmウェーハ用半導体製造装置の冷却
1.はじめに
2.熱電冷却システムの高性能化
3.熱電冷却システムの適用機器
3.1 精密温調機
3.1.1 特長
3.1.2 仕様
3.2 超精密ウェーハ冷却プレート
3.2.1 特長
3.2.2 仕様
4.まとめ
3.超精密空気温湿度調整制御装置
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
第4節 冷蔵・温蔵
1.可搬クーラ
1.まえがき
2.従来型ペルチェモジュールの問題点とユニット構造
3.ペルチェモジュールの応用
4.クーラボックスの熱設計
5.可搬クーラボックスの実用例
6.まとめ
2.恒温水循環装置
1.はじめに
2.概要
3.構造
4.性能
5.まとめ
3.小型冷蔵庫
1.電子冷蔵庫
2.ペルチェ冷却システムの種類とそれぞれの特徴
2.1 ヒートシンク方式(庫内ヒートシンク方式)
2.2 液循環方式(庫内外液循環方式)
2.3 ハイブリッド方式(庫外液循環方式)
2.4 各方式の特性比較
3.電子冷蔵庫と他方式冷蔵庫との特性比較
4.制御方式
5.今後の展開
4.厨房製品への応用
1.背景
2.応用例
2.1 ホテルパンクーラ(水冷)
2.2 ホテルパンクーラ(空冷)
2.3 ミルククーラ
3.まとめ
5.ワインセラー
1.ワイン文化の定着
2.ワインセラーへの要求
3.ワインセラーにおけるペルチェ冷却方式の特徴
4.製品例
5.まとめ
第5節 部分冷却
1.自動車用熱電温度調節シート
2.医療用冷却パッド
(1)低体温療法への応用
1.はじめに
2.装置の概要
3.脳低温療法への応用
4.有事災害医療分野への利用
5.まとめ
(2)医療用冷却パッド
1.はじめに
2.ペルチェモジュール応用製品の開発経緯
3.ペルチェモジュールの問題点
4.医療用冷却パッドへの応用
4.1 クライオセラピー(冷却療法)とは
4.2 アイシングシステムの概要
5.他分野への応用
6.今後の展開
3.冷凍固定装置
1.はじめに
2.冷凍固定装置
第6節 空調
1.自動車用電子エアコン
1.問題の背景
2.構成と概要
3.車両への取り付け事例
4.今後の課題
2.ペルチェ電流リード
1.超伝導・低温システムの長所と問題点
2.電流リードからの熱侵入
3.ペルチェ電流リード
4.今後の展望
第7節 バイオ
1.電子氷温インキュベータの開発
1.「氷温」とは
2.氷温インキュベータの開発背景
3.氷温インキュベータに求められるもの
4.インキュベータの設計仕様
5.商品の概要(NH60Sシリーズ)
6.仕様と性能概要
7.今後の展開とお願い
第8節 機器応用
1.結露防止
1.はじめに
2.湿気による装置の障害
2.1 電気機器の絶縁劣化
2.2 金属腐食
3.湿気・結露障害の防止対策
4.ペルチェ素子を用いた電子除湿器[万露無R]
4.1 原理
4.2 運転方式と適用
4.2.1 自然対流式
4.2.2 自動強制対流式
4.2.3 強制対流式
5.省エネルギ効果
6.運転例
6.1 運転例1
6.2 運転例2
6.3 運転例3
7.あとがき
第2章 発電技術
第1節 化石燃料利用
1.ミニチュア熱電発電器
1.まえがき
2.垂直構造型薄膜熱電発電
2.1 製造過程
2.2 出力特性
3.水平構造型薄膜熱電発電
4.改良水平/垂直型構造薄膜熱電発電
2.遠隔熱電発電
第2節 核燃料利用
1.核廃棄物熱利用
1.はじめに
2.放射性廃棄物処分の概要
3.ガラス固化体と熱利用
3.1 ガラス固化体の仕様
3.2 ガラス固化体の熱特性
3.3 熱電発電システムの検討
4.改良型熱利用システム
4.1 放射性廃棄物の固化法
4.2 熱電発電システムの検討
5.まとめ
2.原子炉熱利用
1.はじめに
1.1 熱電発電
1.2 原子炉
2.原子力プラントへの適用
2.1 システム設計研究例
2.1.1 既存プラントシステムへの適用
2.1.2 新たなプラント概念の構築
4.まとめ
第3節 排熱利用
1.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 炉壁組み込み型
3.2 内部組み込み型
3.3 外部設置型(予熱空気利用)
3.4 外部設置型(有機 媒体利用)
3.5 外部設置型(ヒートパイプ型)
4.まとめ
2.内熱力発電所の排ガス利用発電
1.内燃力発電所の概要と開発の経緯
2.材料からシステムまでの一貫開発の必要性
3.熱電変換モジュールの開発
3.1 熱源の仕様に対する熱電材料の選択と製法
3.2 独自の大型熱電変換モジュールの概要
4.内燃力発電所排ガスを熱源とした熱電発電システム
4.1 熱電発電システムの概要
4.2 熱電発電システムの実証実験とその結果
5.まとめ
3.産業用焼成炉の熱回収発電
1.はじめに
2.本検討の基本概念
3.各構成要素の概要
3.1 熱電発電モジュール
3.2 ヒートパイプ
4.今後の取り組み
4.工業炉廃熱への熱電発電の適用性
1.はじめに
2.熱電発電システム開発の現状と課題
3.熱電発電が適合する熱源とは
4.工業炉廃熱の現状
5.電気式抵抗加熱炉への適用性
6.燃焼炉への適用性
7.まとめ
5.自動車エンジン
排熱回収熱電発電(1)
1.はじめに
2.自動車におけるエネルギフロー
3.熱電発電装置装着による燃費向上代の見積もり
4.発電実験
5.発電実験の結果と考察
6.まとめと今後の課題
排熱回収熱電発電(2)
1.まえがき
2.自動車の熱エネルギフロー
3.熱発電スタック
4.主な熱電材料とその特性
5.モジュール化技術
6.モジュールの出力特性
7.模擬走行による発電実験
8.課題と普及のシナリオ
排熱回収熱電発電(3)
1.はじめに
2.開発目標
3.熱電変換システムの設計および試作
4.熱電変換システムのベンチテスト
5.まとめ
6.ディーゼルトラック用熱電発電機
1.はじめに
2.実証実験
3.ディーゼルエンジン用1 kW熱電発電機の開発
4.1 kW発電機のトラックテスト
5.その他の開発
6.まとめ
7.サーモサイフォン式熱電発電
1.はじめに
2.サーモサイフォン式熱電発電システムの概要
2.1 サーモサイフォン式熱電発電の作動原理
2.2 サーモサイフォン式熱電発電システムの形式
2.3 サーモサイフォン式熱電発電の特長
3.サーモサイフォン式熱電発電システムの性能
3.1 性能計算方法
3.2 凝縮器の性能およびその向上
3.3 蒸発器の性能およびその向上
3.4 冷却部の性能およびその向上
3.5 システム発電性能の評価
4.サーモサイフォン式熱電発電コ-ジェネシステム
4.1 システムの構成
4.2 エネルギフロー
8.温泉と河川水を利用した熱電発電
1.はじめに
2.温泉利用の熱電発電
2.1 羅臼町の温泉利用
2.2 モンゴルの温泉利用
2.3 鳥取県の温泉利用
3.家庭暖房熱や太陽熱と冷熱活用の熱電発電
4.まとめ
第4節 マイクロジェネレータ
1.マイクロジェネレータとその応用
1.はじめに
2.ユビキタス情報社会への適用
3.モバイル機器用電源デバイスとしてのエネルギ密度
4.マイクロ熱電変換モジュールの作製事例
5.まとめ
2.熱発電腕時計
1.はじめに
2.マイクロ熱電素子の製造方法
3.マイクロ熱電素子の性能
4.熱発電腕時計の構造
5.熱発電腕時計の特性
5.1 発電電圧の変化
5.2 発電電力
6.マイクロ熱電素子の展開
7.おわりに
3.薄膜型マイクロジェネレータ
1.はじめに
2.技術水準
2.1 材料の選択基準
2.2 薄膜堆積の問題
2.3 設計の考察
3.薄膜機器の特殊技術
3.1 面内技術による平行機器
3.2 基板垂直技術による機器
4.結論
第5節 応用システム
1.熱電式水素センサ
1.水素センサの開発動向
2.熱電式水素センサによる水素ガス検知
3.薄膜熱電材料の開発
4.プロトタイプの試作・評価
5.熱電式ガスセンサ素子とマイクロ熱電式水素センサ
2.非冷却赤外センサ
1.はじめに
2.非冷却赤外センサとは
2.1 サーモパイルとは
2.2 サーモパイルの構造・種類
2.3 新サーモパイルの設計技術
3.まとめ
3.低質熱源からの水素製造
1.まえがき
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.熱電発電器-SPE水素製造装置の事例
3.1 高効率水素製造システムの提案事例
3.2 水素製造装置のプロトタイプの事例
4.むすび
4.電力系統の安定化
1.まえがき
2.原理
3.熱電双方向変換制御による電力系統の安定化
4.熱電変換装置の電力系統安定化効果
4.1 試験系統
4.2 交直電力変換器の制御
4.3 電力系統故障時のシミュレーション
5.むすび