JP7050467B2 - Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion module, and mobile body - Google Patents
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Description
本発明は熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び移動体に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion module, and a mobile body.
例えば特許文献1には、p型熱電変換材料を有するp型熱電変換材料部112とn型熱電変換材料を有するn型熱電変換材料部111とを直接的に接合して断面U字状に形成した熱電変換素子が開示されている(図9を参照)。このU字状熱電変換素子のp型熱電変換材料部112とn型熱電変換材料部111は、いずれも四角柱状部材であり、互いに対向する側面のうち四角柱状部材の高さ方向一端側部分同士が直接的に接合されて接合部分121が形成され、他端側部分は離間していてスリット131が形成されている。
For example, in
熱電変換素子は、実装時等に振動や衝撃を受けたり、使用時等に熱サイクル環境下に置かれて熱応力を受けたりするため、接合部分に亀裂が生じやすく、接合部分が分離すると熱電変換素子の熱電性能が消失してしまうという問題があった。特に、熱電変換素子が特定の方向からの熱を利用して発電するという使用形態の場合には、接合部分に大きな温度分布が生じて、その熱応力により接合部分に損傷が生じるおそれがあった。
本発明は、特定の方向からの熱を利用して発電するという使用形態の場合であっても、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合部分に損傷が生じにくい熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び移動体を提供することを課題とする。
Since the thermoelectric conversion element receives vibration or shock during mounting, etc., or is placed in a thermal cycle environment during use, etc. and receives thermal stress, cracks are likely to occur in the joint portion, and when the joint portion is separated, thermoelectric conversion is performed. There is a problem that the thermodynamic performance of the conversion element is lost. In particular, in the case of a usage mode in which the thermoelectric conversion element uses heat from a specific direction to generate electricity, a large temperature distribution may occur in the joint portion, and the thermal stress may cause damage to the joint portion. ..
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a thermoelectric conversion element in which the joint portion between the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion is less likely to be damaged even in the case of a usage form in which heat is generated from a specific direction. , A thermoelectric conversion module, and a moving body.
本発明の一態様に係る熱電変換素子は、p型熱電変換材料を有するp型熱電変換材料部と、n型熱電変換材料を有するn型熱電変換材料部とが接合された熱電変換素子であって、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部は、いずれも棒状部材であり、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の一側面同士が対向し、対向する両側面のうち棒状部材の高さ方向一端側部分同士のみが接合されており、対向する両側面同士の接合部分は、対向する両側面のうち一方の側面を正面視した場合に、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側と他端側とで、棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが異なる形状であることを要旨とする。 The thermoelectric conversion element according to one aspect of the present invention is a thermoelectric conversion element in which a p-type thermoelectric conversion material portion having a p-type thermoelectric conversion material and an n-type thermoelectric conversion material portion having an n-type thermoelectric conversion material are joined. The p-type thermoelectric conversion material section and the n-type thermoelectric conversion material section are both rod-shaped members, and one side surface of the p-type thermoelectric conversion material section and the n-type thermoelectric conversion material section face each other and face each other on both sides. Of these, only one end side portion in the height direction of the rod-shaped member is joined, and the joint portion between the opposite side surfaces is the height direction of the rod-shaped member when one side surface of the opposite side surfaces is viewed from the front. The gist is that the length of the rod-shaped member in the direction parallel to the height direction differs between the one end side and the other end side in the direction orthogonal to the above.
本発明の別の態様に係る熱電変換モジュールは、上記一態様に係る熱電変換素子を備えることを要旨とする。
本発明のさらに別の態様に係る移動体は、上記別の態様に係る熱電変換モジュールを搭載したことを要旨とする。
The gist of the thermoelectric conversion module according to another aspect of the present invention is to include the thermoelectric conversion element according to the above one aspect.
It is a gist that the mobile body according to still another aspect of the present invention is equipped with the thermoelectric conversion module according to the other aspect.
本発明によれば、特定の方向からの熱を利用して発電するという使用形態の場合であっても、熱電変換素子のp型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合部分に損傷が生じにくい。 According to the present invention, even in the case of a usage mode in which heat is generated from a specific direction, the joint portion between the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion of the thermoelectric conversion element is damaged. Is unlikely to occur.
本発明の一実施形態について、以下に詳細に説明する。なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。また、本実施形態には種々の変更又は改良を加えることが可能であり、その様な変更又は改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。 An embodiment of the present invention will be described in detail below. It should be noted that the present embodiment shows an example of the present invention, and the present invention is not limited to the present embodiment. In addition, various changes or improvements can be added to the present embodiment, and the embodiment to which such changes or improvements are added can also be included in the present invention.
本実施形態の熱電変換素子は、図1に示すように、p型熱電変換材料を有するp型熱電変換材料部12と、n型熱電変換材料を有するn型熱電変換材料部11とが接合された熱電変換素子であって、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11は、いずれも棒状部材であり、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の一側面同士が対向し、対向する両側面のうち棒状部材の高さ方向一端側部分同士のみが接合されている。対向する両側面同士の接合部分21は、対向する両側面のうち一方の側面を正面視した場合に、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側と他端側とで、棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが異なる形状である。
In the thermoelectric conversion element of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a p-type thermoelectric
詳述すると、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11は、同一形状の四角柱状部材であり、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の一側面同士が、外縁を一致させて対向している。そして、対向する両側面のうち柱状部材の高さ方向一端側部分同士(図1の例では、柱状部材の上端側部分同士)のみが、電極等を介することなく直接的に接合されて接合部分21が形成されているとともに、柱状部材の高さ方向他端側部分(図1の例では、柱状部材の下端側部分)は離間していてスリット31が形成されている。よって、図1の熱電変換素子は、全体として断面U字状に形成されている。p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11との接合方法は、両者が物理的且つ電気的に接続されるならば、特に限定されない。
More specifically, the p-type thermoelectric
次に、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の接合部分21について、図1、2を参照しながら詳述する。図2は、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11を接合部分21において分離して、接合部分21を含むp型熱電変換材料部12の側面を正面視した模式図である。
Next, the
図2において接合部分21は、以下のような形状をなしている。すなわち、接合部分21は、棒状部材の高さ方向(図2においては上下方向)に直交する方向(図2においては左右方向)の一端側と他端側とで、棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが異なる形状をなしている。図2から分かるように、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側(図2においては左側)の長さaよりも他端側(図2においては右側)の長さbの方が長い。換言すれば、接合部分21の正面視形状は台形状であり、長さの異なる2つの底辺が、接合部分21の前記一端側の辺と他端側の辺となっている。
In FIG. 2, the
接合部分21の正面視形状は台形状に限定されるものではなく、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側と他端側とで長さが異なる形状であるならば、他の形状でも差し支えない。例えば、接合部分21の正面視形状は、図3、4に示すように直角三角形でもよい。図3、4に示す変形例の場合には、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側(図4においては左側)の長さaはゼロとなっている。
The front view shape of the
あるいは、図5の(c)に示すように弧形でもよい。図5の(c)に示す変形例の場合には、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側(図5においては左側)の長さaはゼロとなっている。なお、弧形とは、曲線上の2点の間にある部分の形状を意味する。 Alternatively, it may be arcuate as shown in FIG. 5 (c). In the case of the modification shown in FIG. 5 (c), the length a on one end side (left side in FIG. 5) in the direction orthogonal to the height direction of the rod-shaped member is zero. The arc shape means the shape of the portion between the two points on the curve.
このように、接合部分21の正面視形状は、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側と他端側とで長さが異なる形状であるならば、特に限定されるものではなく、図5の(a)、(b)、(c)にまとめて示すように、直角三角形等の三角形、台形、弧形など、種々の形状を取り得る。
As described above, the front view shape of the
なお、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の形状は、四角柱状に限定されず他の柱状であってもよく、例えば、三角柱状、六角柱状等の多角柱状であってもよいし、円柱状、半円柱状であってもよい。また、多角柱状、円柱状、半円柱状等のどのような柱状の場合でも、直角柱状、斜角柱状のいずれであってもよい。さらに、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の形状は、接合して熱電変換素子を形成することが可能であればよく、例えば角錐状、角錐台状、円錐状、円錐台状、楕円体状でもよい。さらに、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の形状は、同一でなくてもよい。
The shape of the p-type thermoelectric
p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11のそれぞれの両端部のうち、接合部分21が存在する側の端部(図1の例では上端部)を高温側端部とし、スリット31が存在する側の端部(図1の例では下端部)を低温側端部とする。低温側端部には、ハンダ、金属ペースト等の接合方法を用いて電極及び配線を接続する。そして、高温側端部を加熱するなどして高温側端部と低温側端部との間に温度差を設ければ、熱電変換素子の熱電作用により発電することができる。本実施形態の熱電変換素子は、例えば廃熱発電に利用可能である。廃熱の発生源は特に限定されるものではないが、自動車、電車、航空機、船舶等の移動体があげられる。また、工場、焼却場、発電所等の産業・民生用プロセスにおいて発生する廃熱も利用可能である。
Of both ends of the p-type thermoelectric
本実施形態の熱電変換素子は、U字状熱電変換素子ではあるものの、上記のように、従来のU字状熱電変換素子とは異なる構造を有している。すなわち、図8に示す従来のU字状熱電変換素子の場合には、p型熱電変換材料部112とn型熱電変換材料部111の接合部分121の正面視形状は、図6の(b)に示すように矩形であり、棒状部材の高さ方向に直交する方向(図6においては上下方向)の一端側の長さと他端側の長さは同一である。これに対して、本実施形態の熱電変換素子は、上記のように、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の接合部分21の正面視形状は、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側の長さと他端側の長さが異なる形状である。
Although the thermoelectric conversion element of the present embodiment is a U-shaped thermoelectric conversion element, as described above, it has a structure different from that of the conventional U-shaped thermoelectric conversion element. That is, in the case of the conventional U-shaped thermoelectric conversion element shown in FIG. 8, the front view shape of the
このような構造の差異によって、本実施形態の熱電変換素子は、特定の方向からの熱を利用して発電するという使用形態の場合であっても、熱電変換素子のp型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の接合部分21に損傷が生じにくいという優れた特性を有している。したがって、本実施形態の熱電変換素子は、図8に示す従来のU字状熱電変換素子に比べて、熱電性能が消失しにくい。本実施形態の熱電変換素子がこのような特性を有するメカニズムについては、後に詳述する。
Due to such a difference in structure, the thermoelectric conversion element of the present embodiment is a p-type thermoelectric
また、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11が電極を介することなく直接的に接合されているため、p型熱電変換材料部と電極との間、及び、n型熱電変換材料部と電極との間の両接合界面に化合物層が形成されることがない場合や、熱電変換材料部と電極の間において線膨張係数に大きな差がない場合がある。そのため、例えば熱電変換素子を直火で加熱した後に水冷するなど、熱電変換素子に高い負荷が作用するような使い方がなされたとしても、熱電変換素子に割れ、クラック等の損傷が発生し難く、耐久性が高い。さらに、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の接合界面における抵抗値がほぼゼロとなるため、発電量を増大することができ、発電効率を向上することができる。また、部品数が少なくて済むため、組み立てコストを低減することができる。
Further, since the p-type thermoelectric
なお、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11の少なくとも一方には、接合された一側面以外の面に開口する貫通孔又は有底穴を設けてもよい。使用時に高温側端部と低温側端部との温度差が大きくなるように貫通孔又は有底穴を設ければ、熱電変換素子の熱電性能を向上させることができる。p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11の少なくとも一方には、貫通孔と有底穴のいずれか一方を設けてもよいし、両方を設けてもよい。また、貫通孔と有底穴を設ける個数は、いずれも1個でもよいし複数個でもよい。
In addition, at least one of the p-type thermoelectric
ここで、本実施形態の熱電変換素子が「接合部分21に損傷が生じにくい」という優れた特性を有するメカニズムについて、図3を参照しながら詳細に説明する。図3の(b)は従来のU字状熱電変換素子であるが、p型熱電変換材料部112のn型熱電変換材料部111に対向する側面を正面視した場合に、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一方側(図3の例では下側)から炎150等の熱源を用いて熱電変換素子を加熱すると、熱電変換素子の温度は熱源に近い側から遠い側に向かって順に上昇していくため、正面視矩形の接合部分121には大きな温度分布が生じることとなる。
Here, a mechanism in which the thermoelectric conversion element of the present embodiment has an excellent characteristic that "the
詳述すると、図3の(b)の例では、接合部分121の温度は、炎150による加熱を受ける下側の角部が最も高温となり、この下側の角部を基点として同心円状に温度分布が生じ、下側の角部の対角の位置にある上側の角部が最も低温となる。図3の(b)においては、破線により温度分布を示している。
More specifically, in the example of FIG. 3B, the temperature of the
一方、図3の(a)は本実施形態の熱電変換素子であるが、p型熱電変換材料部12のn型熱電変換材料部11に対向する側面を正面視した場合に、図3の(b)の例と同様に、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一方側(図3の例では下側)から炎50等の熱源を用いて熱電変換素子を加熱しても、正面視直角三角形の接合部分21には大きな温度分布が生じることはない。
On the other hand, FIG. 3A shows the thermoelectric conversion element of the present embodiment, but when the side surface of the p-type thermoelectric
詳述すると、図3の(a)の例でも、接合部分21の温度は、炎50による加熱を受ける下側の角部が最も高温となり、この下側の角部を基点として同心円状に温度分布が生じ、下側の角部に対向する直角三角形の斜辺の部分が最も低温となる。図3の(a)においても、破線により温度分布を示している。図3の(a)と(b)との比較から、両者ともに温度分布は生じているものの、温度分布を示す破線の数から考えて、接合部分21と接合部分121が同面積であっても本実施形態の熱電変換素子の方が従来の熱電変換素子よりも大きな温度分布が生じにくいことが分かる。
More specifically, even in the example of FIG. 3A, the temperature of the
よって、本実施形態の熱電変換素子は、特定の方向からの熱を利用して発電するという使用形態の場合であっても、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の接合部分21に大きな温度分布が生じにくいので、接合部分21にその熱応力による損傷が生じにくい。
Therefore, even in the case of the usage mode in which the thermoelectric conversion element of the present embodiment uses heat from a specific direction to generate electricity, the p-type thermoelectric
ただし、特定の方向からの熱を利用して本実施形態の熱電変換素子で発電する場合に上記の優れた特性を発現するためには、特定の方向からの熱は、熱電変換素子の高温側端部の「特定の部分」で受ける必要がある。すなわち、接合部分21に大きな温度分布が生じにくい部分で、特定の方向からの熱を受ける必要がある。この「特定の部分」は、以下の通りである。
However, in order to exhibit the above-mentioned excellent characteristics when the thermoelectric conversion element of the present embodiment uses heat from a specific direction to generate electricity, the heat from the specific direction is on the high temperature side of the thermoelectric conversion element. Must be received at the "specific part" of the end. That is, it is necessary to receive heat from a specific direction in a portion where a large temperature distribution is unlikely to occur in the
前述したように、接合部分21を含むp型熱電変換材料部12の側面を正面視した場合に、接合部分21は、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側と他端側とで、棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが異なる形状をなしているが、接合部分21の一端側と他端側のうち棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが長い方の部分において、特定の方向からの熱を受ける必要がある。すなわち、図2の例であれば、長さaよりも長さbの方が長いので、高温側端部のうち図2における右側の部分で、特定の方向からの熱を受ける必要がある。したがって、図6の(a)では、接合部分21は、図6における上端側よりも下端側の方が棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが長い形状を有しているので、高温側端部のうち図6における下側の部分で、炎50による加熱を受けている。
As described above, when the side surface of the p-type thermoelectric
よって、本実施形態の熱電変換素子は、火炎のような一方向に熱を発する熱源を利用して発電する熱電変換モジュールに好適に使用できる。本実施形態の熱電変換素子を用いて構成された熱電変換モジュールについて説明する。例えば、図7に示す熱電変換モジュール60は、図1又は図3に示す本実施形態の熱電変換素子と、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11を電気的に直列に接続する低温側配線42と、熱電変換素子及び低温側配線42を固定する低温側絶縁基板41と、電力を取り出す端子43、43と、を備えている。
Therefore, the thermoelectric conversion element of the present embodiment can be suitably used for a thermoelectric conversion module that generates electricity by using a heat source that generates heat in one direction such as a flame. A thermoelectric conversion module configured by using the thermoelectric conversion element of the present embodiment will be described. For example, in the
そして、本実施形態の熱電変換モジュール60は、図7に示すように、複数の熱電変換素子が環状に並べられており、一の熱電変換素子が有するp型熱電変換材料部12の低温側端部と、別の熱電変換素子が有するn型熱電変換材料部11の低温側端部とが、低温側配線42を介して電気的に直列に配列された構成を有している。
In the
低温側絶縁基板41は、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11と、低温側配線42とを固定する機能を備え、さらに熱電変換モジュール60から均一に放熱させる機能を備える。
低温側配線42の材料は、導電性金属であればよく、Cu、Ag、Alなどが使用できる。低温側絶縁基板41の材料は、低温側配線42との間を絶縁できる材料である必要があり、例えばアルミナが使用できる。
The low temperature
The material of the low
本実施形態の熱電変換モジュール60においては、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の接合部分21のうち前述の一端側と他端側とで長さが長い方の部分が、熱源に対向して熱を受けるように、各熱電変換素子を配置する。例えば、接合部分21の一端側と他端側とで長さが長い方の部分を鉛直方向上方に向けた場合には、熱電変換モジュール60よりも鉛直方向上方に熱源を配置する。
In the
このような本実施形態の熱電変換モジュール60は、ガスコンロ、ガスバーナー、アルコールランプ等の燃焼炎を利用する燃焼装置に搭載してもよい。そうすれば、燃焼装置の燃焼熱を利用して発電することができる。また、このような本実施形態の熱電変換モジュール60は、自動車等の移動体に搭載してもよい。その際には、移動体の廃熱を利用した発電に使用できる。
Such a
次に、本実施形態の熱電変換素子に用いられる熱電変換材料について説明する。p型熱電変換材料及びn型熱電変換材料の種類は特に限定されるものではないが、例えば600℃以上の熱源を用い且つ大気中での使用(例えば直火加熱)を想定するならば、Siクラスレート化合物等のクラスレート化合物を用いることができる。クラスレート化合物を用いる場合は、p型熱電変換材料及びn型熱電変換材料の少なくとも一方をクラスレート化合物とすればよい。 Next, the thermoelectric conversion material used for the thermoelectric conversion element of the present embodiment will be described. The types of the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material are not particularly limited, but if a heat source of 600 ° C. or higher is used and it is assumed that the material is used in the atmosphere (for example, direct flame heating), Si. Clathrate compounds such as clathrate compounds can be used. When a clathrate compound is used, at least one of the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material may be a clathrate compound.
p型熱電変換材料及びn型熱電変換材料の少なくとも一方をクラスレート化合物とすれば、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11の電気伝導性が高くなり、熱の伝導性を低減できる。そのため、高温側端部と低温側端部の間の温度差が増大され、発電量を増大することができる。また、p型熱電変換材料とn型熱電変換材料を、構造の類似しているSiクラスレート化合物とすれば、接合部分21の接合強度が向上し、熱電変換素子が損傷しにくい。なお、p型熱電変換材料及びn型熱電変換材料は、Siクラスレート化合物を主成分としていれば、添加物や不純物を少量含有していてもよい。
If at least one of the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material is a clathrate compound, the electrical conductivity of the p-type thermoelectric
ここで、Siクラスレート化合物について説明する。Siクラスレート化合物は、複数のSi原子によって構成された結晶格子の内部空間にゲスト原子が封じ込められた化合物であり、化学式AxBySizで表すことができる。化学式AxBySiz中のAはバリウム(Ba)であってもよい。また、化学式AxBySiz中のBはガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)であってもよいし、銅(Cu)又はニッケル(Ni)であってもよい。 Here, the Si clathrate compound will be described. The Si clathrate compound is a compound in which guest atoms are enclosed in the internal space of a crystal lattice composed of a plurality of Si atoms, and can be represented by the chemical formula A x By S i z . A in the chemical formula A x By Siz may be barium (Ba). Further , B in the chemical formula A x By Siz may be gallium (Ga) and aluminum (Al), or may be copper (Cu) or nickel (Ni).
あるいは、p型熱電変換材料として使用する場合は、化学式AxBySiz中のBは、Ga、Al、Cu、Ni、金(Au)及び白金(Pt)からなる群より選ばれる1種又は2種以上の元素であればよい。一般的に、BがAu又はPtであるときに、Siクラスレート化合物がp型熱電変換材料を形成する傾向にある。 Alternatively, when used as a p-type thermoelectric conversion material, B in the chemical formula A x By Siz is one selected from the group consisting of Ga, Al, Cu, Ni, gold (Au) and platinum (Pt). Alternatively, it may be two or more kinds of elements. Generally, when B is Au or Pt, the Si clathrate compound tends to form a p-type thermoelectric conversion material.
また、p型熱電変換材料及びn型熱電変換材料として使用する場合は、化学式AxBySiz中のAとしてBaを選択し、BとしてGa及びAlを選択したBa-Ga-Al-Siクラスレート化合物が好ましい。Ba-Ga-Al-Siクラスレート化合物は、主に、基本的な格子がSiのクラスレート格子から構成され、Ba原子がその内部に内包され、クラスレート格子を構成する原子の一部がGa、Alで置換された構造を有している。このクラスレート化合物は、Ba、Ga、Si、Alが同時に含まれた化合物である。 When used as a p-type thermoelectric conversion material and an n -type thermoelectric conversion material, Ba is selected as A in the chemical formula A x By Si z , and Ga and Al are selected as B. Ba-Ga-Al-Si. Clathrate compounds are preferred. In the Ba-Ga-Al-Si clathrate compound, the basic lattice is mainly composed of a Si clathrate lattice, Ba atoms are contained therein, and a part of the atoms constituting the clathrate lattice is Ga. , Al-substituted structure. This clathrate compound is a compound containing Ba, Ga, Si, and Al at the same time.
Ba-Ga-Al-Siクラスレート化合物の化学式BaaGabAlcSidの組成比a、b、c、dは、概ねa+b+c+d=54という関係を有する。また、Ga、Al、Siの各組成比b、c、dは、概ねb+c+d=46という関係を有する。これらの関係を満たせば、当該Ba-Ga-Al-Siクラスレート化合物はSiクラスレート相を主体とするものとなり、理想的な結晶構造をとり得る。 The composition ratios a, b, c, and d of the chemical formula Ba a Ga b Al c Sid of the Ba-Ga-Al-Si clathrate compound generally have a relationship of a + b + c + d = 54. Further, the composition ratios b, c, and d of Ga, Al, and Si have a relationship of approximately b + c + d = 46. If these relationships are satisfied, the Ba-Ga-Al-Si clathrate compound becomes mainly composed of the Si clathrate phase and can have an ideal crystal structure.
Ga、Al以外の元素でも置換されたSiクラスレート化合物を、熱電変換材料として使用することも可能である。例えば、化学式BaaGabAlcCudNieAufPtgSihで表されるSiクラスレート化合物があげられる。このSiクラスレート化合物のBa、Ga、Al、Cu、Ni、Au、Pt、Siの各組成比a、b、c、d、e、f、g、hは、概ねa+b+c+d+e+f+g+h=54という関係を有する。また、Ga、Al、Cu、Ni、Au、Pt、Siの各組成比b、c、d、e、f、g、hは、概ねb+c+d+e+f+g+h=46という関係を有する。これらの関係を満たせば、当該Siクラスレート化合物はSiクラスレート相を主体とするものとなり、理想的な結晶構造をとり得る。 It is also possible to use a Si clathrate compound substituted with an element other than Ga and Al as a thermoelectric conversion material. For example, a Si clathrate compound represented by the chemical formula Ba a Ga b Al c Cu d Ni e Au f Pt g Si h can be mentioned. The composition ratios a, b, c, d, e, f, g, and h of each of Ba, Ga, Al, Cu, Ni, Au, Pt, and Si of this Si clathrate compound have a relationship of approximately a + b + c + d + e + f + g + h = 54. .. Further, the composition ratios b, c, d, e, f, g, and h of Ga, Al, Cu, Ni, Au, Pt, and Si have a relationship of approximately b + c + d + e + f + g + h = 46. If these relationships are satisfied, the Si clathrate compound becomes mainly composed of the Si clathrate phase and can have an ideal crystal structure.
例えば化学式BaaGabAlcSihで表される化合物がSiクラスレート化合物となる組成は、7≦a≦9、0≦b≦15、0≦c≦15、27≦h≦35である。また、例えば化学式BaaCudSihで表される化合物がSiクラスレート化合物となる組成は、7≦a≦9、2≦d≦10、36≦h≦44である。さらに、例えば化学式BaaNieSihで表される化合物がSiクラスレート化合物となる組成は、7≦a≦9、1≦e≦7、39≦h≦45である。さらに、例えば化学式BaaAufSihで表される化合物がSiクラスレート化合物となる組成は、7≦a≦9、2≦f≦10、36≦h≦44である。さらに、例えば化学式BaaPtgSihで表される化合物がSiクラスレート化合物となる組成は、7≦a≦9、1≦g≦7、39≦h≦45である。 For example, the composition in which the compound represented by the chemical formula Ba a Ga b Al c Si h is a Si clathrate compound is 7 ≦ a ≦ 9, 0 ≦ b ≦ 15, 0 ≦ c ≦ 15, 27 ≦ h ≦ 35. .. Further, for example, the composition in which the compound represented by the chemical formula Ba a Cu d Si h is a Si clathrate compound is 7 ≦ a ≦ 9, 2 ≦ d ≦ 10, 36 ≦ h ≦ 44. Further, for example, the composition in which the compound represented by the chemical formula Ba a N e Si h is a Si clathrate compound is 7 ≦ a ≦ 9, 1 ≦ e ≦ 7, 39 ≦ h ≦ 45. Further, for example, the composition in which the compound represented by the chemical formula Ba a Au f Si h is a Si clathrate compound is 7 ≦ a ≦ 9, 2 ≦ f ≦ 10, 36 ≦ h ≦ 44. Further, for example, the composition in which the compound represented by the chemical formula Ba a Pt g Si h is a Si clathrate compound is 7 ≦ a ≦ 9, 1 ≦ g ≦ 7, 39 ≦ h ≦ 45.
Ba-Ga-Al-Siクラスレート化合物に少量の添加物、不純物が含まれた化合物を、Siクラスレート化合物として使用してもよい。すなわち、化学式BaaGabAlcSidXxで表されるBa-Ga-Al-Si-X系のクラスレート化合物を使用してもよい。ここで、Xはホウ素(B)、Pdである。ホウ素(B)やPdは、ゼーベック係数を上昇させるのに有用な場合がある。 A compound containing a small amount of additives and impurities in the Ba-Ga-Al-Si clathrate compound may be used as the Si clathrate compound. That is, a Ba-Ga-Al-Si-X-based clathrate compound represented by the chemical formula Ba a Ga b Al c Si d X x may be used. Here, X is boron (B) and Pd. Boron (B) and Pd may be useful in increasing the Seebeck coefficient.
Ba-Ga-Al-Si-X系のクラスレート化合物の化学式BaaGabAlcSidXxのBa、Ga、Al、Si、Xの各組成比a、b、c、d、xは、概ねa+b+c+d+x=54という関係を有する。なお、Ba-Ga-Al-Si-X系のクラスレート化合物に少量の添加物、不純物が含まれた化合物を、Siクラスレート化合物として使用してもよい。 Chemical formulas of Ba-Ga-Al-Si-X clathrate compounds The composition ratios a, b, c, d, and x of Ba, Ga, Al, Si, and X of Ba a Ga b Al c Si d X x are , Approximately a + b + c + d + x = 54. A compound containing a small amount of additives and impurities in a Ba-Ga-Al-Si-X-based clathrate compound may be used as the Si clathrate compound.
次に、本実施形態の熱電変換素子の製造方法の一例について説明する。まず、Siクラスレート化合物の製造方法を説明する。所定の原子組成を有し且つ均一なSiクラスレート化合物のインゴットを製造する。まず、所望の原子組成となるように、所定量の原料(Eu、Ba、Sr、Ga、Al、Si等)を秤量し混合する(混合工程)。原料は、元素単体であってもよいし、合金や化合物であってもよい。また、その形状は、粉末でも片状でも塊状でもよいが、短時間で均質に混ざり合った状態とするためには、微細な粉末状が好ましい。ただし、Baについては、酸化を防ぐために塊状が好ましい。なお、Siの原料として単体のSiではなくAl-Siの母合金を用いると、融点を低下させることができる。 Next, an example of the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of the present embodiment will be described. First, a method for producing a Si clathrate compound will be described. An ingot of a Si clathrate compound having a predetermined atomic composition and having a uniform composition is produced. First, a predetermined amount of raw materials (Eu, Ba, Sr, Ga, Al, Si, etc.) are weighed and mixed so as to have a desired atomic composition (mixing step). The raw material may be a simple substance of an element, or may be an alloy or a compound. The shape may be powder, flaky or lumpy, but a fine powder is preferable in order to make the mixture homogeneously mixed in a short time. However, Ba is preferably in the form of a lump in order to prevent oxidation. If a mother alloy of Al—Si is used as the raw material of Si instead of Si alone, the melting point can be lowered.
次に、混合した原料を加熱し、溶融させる(溶融工程)。溶融方法は特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。溶融方法としては、例えば、抵抗発熱体による加熱溶解、高周波誘導溶解、アーク溶解、プラズマ溶解、電子ビーム溶解などがあげられる。溶融の際に原料を入れるルツボの素材としては、グラファイト、アルミナ、コールドクルーシブル等が、加熱方法に応じて用いられる。溶融は、原料の酸化を防ぐために、不活性ガス雰囲気下又は真空雰囲気下で行うことが好ましい。 Next, the mixed raw materials are heated and melted (melting step). The melting method is not particularly limited, and various methods can be used. Examples of the melting method include heating melting with a resistance heating element, high frequency induction melting, arc melting, plasma melting, electron beam melting and the like. Graphite, alumina, cold crucible, or the like is used as the material of the crucible into which the raw material is put at the time of melting, depending on the heating method. The melting is preferably carried out in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere in order to prevent oxidation of the raw material.
加熱時間としては、全ての原料が液体状態で均質に混ざり合う時間が必要とされるが、Siクラスレート化合物の製造に要するエネルギー量を考慮して、加熱時間を短時間としてもよい。例えば、加熱時間は、1分間以上100分間以下としてもよく、さらに1分間以上10分間以下としてもよく、1分間以上5分間以下としてもよい。また、溶融時には、機械的又は電磁的な方法により攪拌を加えてもよい。 As the heating time, a time in which all the raw materials are uniformly mixed in a liquid state is required, but the heating time may be short in consideration of the amount of energy required for producing the Si clathrate compound. For example, the heating time may be 1 minute or more and 100 minutes or less, further 1 minute or more and 10 minutes or less, or 1 minute or more and 5 minutes or less. Further, at the time of melting, stirring may be added by a mechanical or electromagnetic method.
続いて、溶融した原料からインゴットを製造する。インゴットの製造方法は特に限定されるものではなく、鋳型を用いて鋳造してもよいし、ルツボ中で凝固させてもよい。そして、できあがったインゴットを均質化するために、インゴットを加熱してアニール処理を施してもよい。 Subsequently, an ingot is produced from the molten raw material. The method for producing the ingot is not particularly limited, and the ingot may be cast using a mold or solidified in a crucible. Then, in order to homogenize the finished ingot, the ingot may be heated and subjected to annealing treatment.
得られたインゴットをボールミル等を用いて粉砕すると、微粒子状のSiクラスレート化合物を得ることができる。得られる微粒子は、焼結性を向上するために細かい粒度とすることが好ましい。例えば、微粒子の粒径は、好ましくは100μm以下であり、さらに好ましくは1μm以上75μm以下である。 When the obtained ingot is pulverized using a ball mill or the like, a fine particle Si clathrate compound can be obtained. The obtained fine particles preferably have a fine particle size in order to improve the sinterability. For example, the particle size of the fine particles is preferably 100 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 75 μm or less.
所望の粒径の微粒子とするために、ボールミル等でインゴットを粉砕した後に、粒度を調整してもよい。粒度の調整方法としては、ISO3310-1に規定されたレッチェ社製試験ふるいとレッチェ社製ふるい振とう機AS200デジットを用いたふるい分け等があげられる。ふるい分けをガスアトマイズ法等の各種アトマイズ法やフローイングガスエバポレーション法等に変えて、微粉末を製造してもよい。 The particle size may be adjusted after crushing the ingot with a ball mill or the like in order to obtain fine particles having a desired particle size. Examples of the method for adjusting the particle size include sieving using a test sieve manufactured by Lecce Co., Ltd. and a sieve shaker AS200 digit manufactured by Lecce Co., Ltd. specified in ISO3310-1. Fine powder may be produced by changing the sieving to various atomization methods such as a gas atomization method, a flowing gas evaporation method, or the like.
次に、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11の製造方法を説明する。得られた微粒子状のSiクラスレート化合物を焼結して、均質で空隙の少ない所定形状(例えば四角柱状等の柱状)の焼結体(p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11)を得ることができる。焼結方法としては、放電プラズマ焼結法、ホットプレス法、熱間等方圧加圧焼結法などを用いることができる。
Next, a manufacturing method of the p-type thermoelectric
放電プラズマ焼結法を用いる場合は、その焼結の一条件となる焼結温度は、好ましくは600℃以上1000℃以下であり、より好ましくは900℃以上1000℃以下である。焼結時間は、好ましくは1分間以上10分間以下であり、より好ましくは3分間以上7分間以下である。焼結圧力は、好ましくは40MPa以上80MPa以下であり、より好ましくは50MPa以上70MPa以下である。 When the discharge plasma sintering method is used, the sintering temperature, which is one of the conditions for sintering, is preferably 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, and more preferably 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. The sintering time is preferably 1 minute or more and 10 minutes or less, and more preferably 3 minutes or more and 7 minutes or less. The sintering pressure is preferably 40 MPa or more and 80 MPa or less, and more preferably 50 MPa or more and 70 MPa or less.
焼結温度が600℃未満では焼結が完了しないおそれがあり、焼結温度が1000℃超過では微粒子状のSiクラスレート化合物が溶融する場合がある。焼結時間が1分未満では密度が低くなるおそれがあり、焼結時間が10分を超えると焼結が完了・飽和し、それ以上時間をかける意義がないと考えられる。 If the sintering temperature is less than 600 ° C, the sintering may not be completed, and if the sintering temperature exceeds 1000 ° C, the fine particle Si clathrate compound may melt. If the sintering time is less than 1 minute, the density may be low, and if the sintering time exceeds 10 minutes, the sintering is completed and saturated, and it is considered meaningless to spend more time.
特に、焼結工程では、微粒子状のSiクラスレート化合物を上記焼結温度まで加熱してその温度で上記焼結時間保持し、その後に当該Siクラスレート化合物を加熱前の温度まで冷却する。この場合、微粒子状のSiクラスレート化合物を焼結温度まで加熱する工程とその温度で保持している工程とでは加圧状態とし、その後の当該Siクラスレート化合物を冷却する工程では加圧状態を解除する。かかる圧力操作によれば、Siクラスレート化合物の焼結体の焼結工程での割れを抑制することができる。 In particular, in the sintering step, the fine-grained Si clathrate compound is heated to the sintering temperature and held at that temperature for the sintering time, and then the Si clathrate compound is cooled to the temperature before heating. In this case, the step of heating the fine-grained Si clathrate compound to the sintering temperature and the step of holding the compound at that temperature are in a pressurized state, and the subsequent step of cooling the Si clathrate compound is in a pressurized state. unlock. By such a pressure operation, it is possible to suppress cracking of the sintered body of the Si clathrate compound in the sintering step.
焼結工程により得られたp型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11のそれぞれの焼結体を接合して、接合体を作製する(接合工程)。例えば、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11が同一形状の四角柱状部材である場合には、それぞれの一側面同士を外縁が一致するように対向させ、対向する両側面のうち四角柱状部材の高さ方向一端側部分同士のみを直接的に接合する。焼結体の接合には、拡散接合法を用いることが望ましい。
Each sintered body of the p-type thermoelectric
あるいは、上記の焼結工程と接合工程を同時に行って、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11の接合体を製造してもよい。すなわち、スリット31を有する接合体を形成するための焼結型に、p型熱電変換材料の微粒子とn型熱電変換材料の微粒子とを層状に重ねて充填し、焼結することにより、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11が接合された図1に示すような形状の接合体を、一段の工程で製造することができる。
Alternatively, the above sintering step and joining step may be performed at the same time to manufacture a bonded body of the p-type thermoelectric
このようにして得られたp型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11が直接接合された接合体を所望の形状に整形加工することにより(整形加工工程)、熱電変換素子を製造する。あるいは、所望の形状を有する焼結型を用意して、上記の焼結工程、接合工程、整形加工工程を一段の工程で行ってもよい。
このような第一実施形態の熱電変換素子は、図8に示すような従来の熱電変換素子に比べて、製造方法が容易であり、低コストである。
A thermoelectric conversion element is manufactured by shaping a bonded body in which the p-type thermoelectric
The thermoelectric conversion element of the first embodiment is easier to manufacture and lower in cost than the conventional thermoelectric conversion element as shown in FIG.
〔実施例〕
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
(熱電変換素子の作製)
純度99%以上の高純度のBaと、純度99.9%以上の高純度のAl、Ga、Si、Auを、以下に示す配合比率(配合量(単位はg))で混合して、原料混合物A、Bを得た(混合工程)。原料混合物Aの配合比率は、Ba:12.8g、Al:3.0g、Ga:7.7g、Si:8.9gである。原料混合物Bの配合比率は、Ba:14.4g、Si:14.4g、Au:14.5gである。
〔Example〕
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
(Manufacturing of thermoelectric conversion element)
High-purity Ba with a purity of 99% or higher and high-purity Al, Ga, Si, and Au with a purity of 99.9% or higher are mixed at the blending ratio (blending amount (unit: g)) shown below to prepare a raw material. Mixtures A and B were obtained (mixing step). The blending ratio of the raw material mixture A is Ba: 12.8 g, Al: 3.0 g, Ga: 7.7 g, and Si: 8.9 g. The blending ratio of the raw material mixture B is Ba: 14.4 g, Si: 14.4 g, Au: 14.5 g.
得られた原料混合物A、Bをそれぞれ水冷銅ハース上に載置し、Ar(アルゴン)雰囲気中において300Aの電流で1分間アーク溶解した後に、水冷銅ハース上で常温まで冷却することによりインゴットを得た。原料の不均一を解消するためにインゴットを反転して、再度アーク溶解を行った後に上記と同様に冷却した。このような工程を5回繰り返して、Siクラスレート化合物を有するインゴットを得た(インゴット製造工程)。 The obtained raw material mixtures A and B are placed on a water-cooled copper hearth, respectively, and arc-melted in an Ar (argon) atmosphere with a current of 300 A for 1 minute, and then cooled to room temperature on the water-cooled copper hearth to cool the ingot. Obtained. In order to eliminate the non-uniformity of the raw material, the ingot was inverted, arc melting was performed again, and then the ingot was cooled in the same manner as described above. Such a step was repeated 5 times to obtain an ingot having a Si clathrate compound (ingot manufacturing step).
次に、インゴットの均一性を高めるために、アルゴン雰囲気中においてインゴットを900℃で6時間加熱するアニール処理を施した(アニール処理工程)。なお、得られたインゴットの組成は、各元素の固溶限や第二相、第三相の生成に伴い、原料の仕込み組成(配合比率)とは若干ずれることがある。 Next, in order to improve the uniformity of the ingot, the ingot was subjected to an annealing treatment in which the ingot was heated at 900 ° C. for 6 hours in an argon atmosphere (annealing treatment step). The composition of the obtained ingot may be slightly different from the composition (blending ratio) of the raw materials due to the solid solution limit of each element and the formation of the second phase and the third phase.
得られたインゴットを、メノウ製遊星ボールミルを用いて粉砕し、微粒子を得た(粉砕工程)。このとき、得られた微粒子の粒径が75μm以下となるように、ISO3310-1規格のレッチェ社製試験ふるいとレッチェ社製ふるい振とう機AS200デジットを用いて、粒度を調整した。 The obtained ingot was pulverized using an agate planetary ball mill to obtain fine particles (crushing step). At this time, the particle size was adjusted by using an ISO3310-1 standard test sieve manufactured by Lecce and an AS200 digit sieve shaker manufactured by Lecce so that the particle size of the obtained fine particles was 75 μm or less.
得られた各微粒子の性能を確認するために、特性評価用焼結体を作製した。焼結型に各微粒子を充填し、放電プラズマ焼結法(SPS法)を用いて焼結を行った。焼結時には、圧力50MPaまで加圧した後に加熱した。真空雰囲気下にて焼結を行ったが、Arガスなどの不活性雰囲気下で焼結を行ってもよい。焼結型の表面を測温することで、900~1050℃程度まで加熱を行い、その温度で5分間焼結をしてから加圧状態を解除し、室温まで冷却して特性評価用焼結体を得た。冷却時の温度が500℃以上の状態では、特性評価用焼結体を真空雰囲気下で保持することが好ましいが、500℃未満では大気雰囲気下で保持しても差し支えない。 In order to confirm the performance of each of the obtained fine particles, a sintered body for character evaluation was prepared. Each fine particle was filled in a sintering mold, and sintering was performed using a discharge plasma sintering method (SPS method). At the time of sintering, the pressure was increased to 50 MPa and then heated. Although the sintering was performed in a vacuum atmosphere, the sintering may be performed in an inert atmosphere such as Ar gas. By measuring the temperature of the surface of the sintered mold, it is heated to about 900 to 1050 ° C, sintered at that temperature for 5 minutes, then released from the pressurized state, cooled to room temperature, and sintered for characteristic evaluation. I got a body. When the temperature at the time of cooling is 500 ° C. or higher, it is preferable to hold the sintered body for characteristic evaluation in a vacuum atmosphere, but when it is lower than 500 ° C., it may be held in an atmospheric atmosphere.
なお、各微粒子は、それぞれ原子組成が異なることから、いずれもSiクラスレート化合物であるものの、好適な焼結温度は異なる。焼結温度が低すぎると、低密度な焼結体となり割れの原因となりうる。また、焼結温度が高すぎると、サンプルが溶融するおそれがある。そのため、温度と焼結の進行度合いとを確認しながら、それぞれ好適な焼結温度を選択する必要がある。
このようにして原料混合物Aから得られた特性評価用焼結体は、n型熱電変換特性を示し、原料混合物Bから得られた特性評価用焼結体は、p型熱電変換特性を示した。
Since each fine particle has a different atomic composition, all of them are Si clathrate compounds, but the suitable sintering temperature is different. If the sintering temperature is too low, the sintered body will have a low density and may cause cracking. Also, if the sintering temperature is too high, the sample may melt. Therefore, it is necessary to select a suitable sintering temperature while checking the temperature and the progress of sintering.
The characteristic evaluation sintered body thus obtained from the raw material mixture A exhibited n-type thermoelectric conversion characteristics, and the characteristic evaluation sintered body obtained from the raw material mixture B exhibited p-type thermoelectric conversion characteristics. ..
得られた各微粒子がn型熱電変換特性又はp型熱電変換特性を示すことが確認できたので、これら微粒子から、図1に示すものと同形状の熱電変換素子を作製した。すなわち、得られた各微粒子を、スリットを有する接合体を形成するための焼結型に充填して焼結を行い、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部とが接合されてなる熱電変換素子を作製した。焼結型には、まず原料混合物Aから得られた微粒子を充填し、その上に原料混合物Bから得られた微粒子を層状に重ねて充填した。このとき、原料混合物Aから得られた微粒子の層の上面をなるべく水平に形成し、原料混合物Aから得られた微粒子の層と原料混合物Bから得られた微粒子の層との境界が水平になることが望ましい。 Since it was confirmed that each of the obtained fine particles exhibited n-type thermoelectric conversion characteristics or p-type thermoelectric conversion characteristics, a thermoelectric conversion element having the same shape as that shown in FIG. 1 was produced from these fine particles. That is, each of the obtained fine particles is filled in a sintering mold for forming a bonded body having slits and sintered, and the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion are bonded. A thermoelectric conversion element was manufactured. The sintered mold was first filled with fine particles obtained from the raw material mixture A, and then filled with the fine particles obtained from the raw material mixture B in layers. At this time, the upper surface of the layer of fine particles obtained from the raw material mixture A is formed as horizontally as possible, and the boundary between the layer of fine particles obtained from the raw material mixture A and the layer of fine particles obtained from the raw material mixture B becomes horizontal. Is desirable.
なお、原料混合物Aから得られた微粒子と原料混合物Bから得られた微粒子の混合物を、原料混合物Aから得られた微粒子の層と原料混合物Bから得られた微粒子の層との間に配して焼結してもよい。そうすれば、原料混合物Aから得られた微粒子の層と原料混合物Bから得られた微粒子の層との境界において、固相拡散をより促進することができるので、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部とがより強固に接合される。 A mixture of the fine particles obtained from the raw material mixture A and the fine particles obtained from the raw material mixture B is arranged between the layer of the fine particles obtained from the raw material mixture A and the layer of the fine particles obtained from the raw material mixture B. May be sintered. Then, solid-phase diffusion can be further promoted at the boundary between the layer of fine particles obtained from the raw material mixture A and the layer of fine particles obtained from the raw material mixture B, so that the p-type thermoelectric conversion material portion and n The mold thermoelectric conversion material part is more firmly bonded.
焼結方法としては、放電プラズマ焼結法(SPS法)を用いた。焼結時には、圧力50MPaまで加圧した後に加熱した。真空雰囲気下にて焼結を行ったが、Arガスなどの不活性雰囲気下で焼結を行ってもよい。焼結型の表面を測温することで、900℃程度まで加熱を行い、その温度で5分間焼結をしてから加圧状態を解除し、室温まで冷却して接合体を得た。 As the sintering method, a discharge plasma sintering method (SPS method) was used. At the time of sintering, the pressure was increased to 50 MPa and then heated. Although the sintering was performed in a vacuum atmosphere, the sintering may be performed in an inert atmosphere such as Ar gas. By measuring the temperature of the surface of the sintered mold, the surface was heated to about 900 ° C., sintered at that temperature for 5 minutes, released from the pressurized state, and cooled to room temperature to obtain a bonded body.
このとき、原料混合物Aから得られた微粒子と原料混合物Bから得られた微粒子とが、ともに緻密に焼結されることが望ましいので、焼結温度としては、両者の焼結温度よりも高温の900℃を選択した。また、冷却時の温度が500℃以上の状態では、焼結体を真空雰囲気下で保持することが好ましいが、500℃未満では大気雰囲気下で保持しても差し支えない。 At this time, since it is desirable that both the fine particles obtained from the raw material mixture A and the fine particles obtained from the raw material mixture B are densely sintered, the sintering temperature is higher than the sintering temperature of both. 900 ° C was selected. Further, when the cooling temperature is 500 ° C. or higher, it is preferable to hold the sintered body in a vacuum atmosphere, but when it is lower than 500 ° C., it may be held in an atmospheric atmosphere.
このようにして得られたp型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合体を、奥行1mm×幅5mm×高さ5mmの外形寸法に整形して、図1に示すものと同形状の熱電変換素子を得た。p型熱電変換材料部のn型熱電変換材料部に対向する側面を正面視した場合に、接合部分の形状は台形状であるが、長さの異なる2つの底辺のうち長い方の底辺の長さaは3mm、短い方の底辺の長さbは1mmである。
The joint of the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion thus obtained is shaped into external dimensions of
ここで、高さとは、p型熱電変換材料部及びn型熱電変換材料部の互いに対向する側面に沿い且つ高温側端部と低温側端部とを結ぶ方向の長さに相当し、幅とは、p型熱電変換材料部及びn型熱電変換材料部の互いに対向する側面に直交する方向の長さに相当し、奥行とは、p型熱電変換材料部及びn型熱電変換材料部の互いに対向する側面に沿い且つ高温側端部と低温側端部とを結ぶ方向に直交する方向の長さに相当する。 Here, the height corresponds to the length in the direction along the opposite side surfaces of the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion and connecting the high temperature side end portion and the low temperature side end portion, and corresponds to the width. Corresponds to the length in the direction orthogonal to the opposite side surfaces of the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion, and the depth is the mutual of the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion. It corresponds to the length along the opposite side surface and in the direction orthogonal to the direction connecting the high temperature side end portion and the low temperature side end portion.
なお、p型熱電変換材料とn型熱電変換材料が直接固相拡散することで、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部が直接的に接合できればよいので、上記の方法以外の方法でも接合体を製造することができる。
例えば、原料混合物Aから得られた微粒子を焼結して得られた焼結体を、焼結型内に設置し、そこに原料混合物Bから得られた微粒子を充填して、焼結体の上に原料混合物Bから得られた微粒子を配する。これを、原料混合物Aから得られた微粒子の焼結温度よりも低温で焼結することで、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部が直接的に接合された焼結体が得られる。p型熱電変換材料とn型熱電変換材料の焼結温度が異なる場合には、このような方法を採用することもできる。
It is sufficient that the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material can be directly bonded by directly diffusing the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material, so that a method other than the above method can be used. But it is possible to manufacture a junction.
For example, a sintered body obtained by sintering fine particles obtained from the raw material mixture A is placed in a sintering mold, and the fine particles obtained from the raw material mixture B are filled therein to form a sintered body. Fine particles obtained from the raw material mixture B are placed on top. By sintering this at a temperature lower than the sintering temperature of the fine particles obtained from the raw material mixture A, a sintered body in which the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion are directly bonded is obtained. Be done. When the sintering temperatures of the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material are different, such a method can also be adopted.
あるいは、原料混合物Aから得られた微粒子と原料混合物Bから得られた微粒子とを別々に焼結して、各焼結体を接触させた状態で通電接合を行ってもよい。この方法であれば、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部が固相拡散により接合される。
さらには、原料混合物Aから得られた微粒子と原料混合物Bから得られた微粒子とを別々に焼結して、各焼結体を加圧接触させた状態を維持したまま、電気炉等を用いて高温に熱処理する方法を採用することもできる。
Alternatively, the fine particles obtained from the raw material mixture A and the fine particles obtained from the raw material mixture B may be sintered separately, and energization bonding may be performed in a state where the sintered bodies are in contact with each other. In this method, the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion are joined by solid phase diffusion.
Further, the fine particles obtained from the raw material mixture A and the fine particles obtained from the raw material mixture B are sintered separately, and an electric furnace or the like is used while maintaining the state in which the sintered bodies are in pressure contact with each other. It is also possible to adopt a method of heat-treating to a high temperature.
上記のようにして得られた熱電変換素子の高温側端部を、火炎により加熱した。詳述すると、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合部分の正面視形状は台形であり、棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側と他端側とで、棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが異なる形状を有している。p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合部分のうち前述の一端側と他端側とで長さが長い方の部分が火炎からの熱を受けるように、熱電変換素子を配置した。 The high temperature side end of the thermoelectric conversion element obtained as described above was heated by a flame. More specifically, the front view shape of the joint portion between the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion is trapezoidal, and the rod-shaped members are rod-shaped on one end side and the other end side in the direction orthogonal to the height direction of the rod-shaped member. It has shapes with different lengths in the direction parallel to the height direction of the member. The thermoelectric conversion element is arranged so that the longer portion of the joint portion between the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion on one end side and the other end side receives heat from the flame. bottom.
その結果、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合部分に大きな温度分布が生じなかったため、熱応力による接合部分の損傷が生じにくかった。よって、本実施例の熱電変換素子を使用した熱電変換モジュールや発電装置は、信頼性が非常に高い。
これに対して、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合部分が正面視矩形である従来の熱電変換素子は、高温側端部を火炎により加熱したところ、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合部分に大きな温度分布が生じたため、熱応力による接合部分の損傷が生じた。
As a result, since a large temperature distribution did not occur in the joint portion between the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion, it was difficult for the joint portion to be damaged by thermal stress. Therefore, the thermoelectric conversion module and the power generation device using the thermoelectric conversion element of this embodiment have very high reliability.
On the other hand, in the conventional thermoelectric conversion element in which the joint portion between the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion is rectangular in front view, when the high temperature side end portion is heated by a flame, the p-type thermoelectric conversion material is used. Since a large temperature distribution was generated at the joint portion between the portion and the n-type thermoelectric conversion material portion, the joint portion was damaged due to thermal stress.
11 n型熱電変換材料部
12 p型熱電変換材料部
21 接合部分
31 スリット
60 熱電変換モジュール
11 n-type thermoelectric conversion material part 12 p-type thermoelectric
Claims (5)
前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部は、いずれも棒状部材であり、前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部の一側面同士が対向し、対向する両側面のうち前記棒状部材の高さ方向一端側部分同士のみが接合されており、
前記対向する両側面同士の接合部分は、前記対向する両側面のうち一方の側面を正面視した場合に、前記棒状部材の高さ方向に直交する方向の一端側と他端側とで、前記棒状部材の高さ方向に平行な方向の長さが異なる形状である熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element in which a p-type thermoelectric conversion material portion having a p-type thermoelectric conversion material and an n-type thermoelectric conversion material portion having an n-type thermoelectric conversion material are joined.
The p-type thermoelectric conversion material section and the n-type thermoelectric conversion material section are both rod-shaped members, and one side surface of the p-type thermoelectric conversion material section and the n-type thermoelectric conversion material section face each other and face each other on both sides. Of the surfaces, only one end side portions of the rod-shaped member in the height direction are joined to each other.
The joint portion between the opposite side surfaces is the one end side and the other end side in the direction orthogonal to the height direction of the rod-shaped member when one side surface of the opposite side surfaces is viewed from the front. Thermoelectric conversion elements having different shapes in the direction parallel to the height direction of the rod-shaped member.
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