JP2001345487A - Thermoelement and manufacturing method thereof - Google Patents

Thermoelement and manufacturing method thereof

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JP2001345487A
JP2001345487A JP2001086727A JP2001086727A JP2001345487A JP 2001345487 A JP2001345487 A JP 2001345487A JP 2001086727 A JP2001086727 A JP 2001086727A JP 2001086727 A JP2001086727 A JP 2001086727A JP 2001345487 A JP2001345487 A JP 2001345487A
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thermoelectric
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die
extruded
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JP2001086727A
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Youkun Ri
鎔勲 李
Takeshi Kajiwara
健 梶原
Kiyoji Sasaki
喜代治 佐々木
Akio Konishi
明夫 小西
Goji Kajiura
豪二 梶浦
Mitsuhiro Kuroki
光博 黒木
Hiroyuki Tokunaga
裕之 徳永
Hiroyuki Mizukami
裕之 水上
Keisuke Ikeda
圭介 池田
Susumu Miura
進 三浦
Kenichiro Suzuki
健一郎 鈴木
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Komatsu Ltd
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Komatsu Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelement having a thermoelectric performance higher than before by defining a condition for extrusion-molding a thermoelectric material. SOLUTION: A process (a) is provided where a thermoelectric material of a specified composition is pressurized in a first direction so that it is extruded from an extrusion die, for plastic deformation to provide a mold of thermoelectric material. In the process (a), a dice is used wherein a maximum value of distortion speed is within +30% of an average value of it over at least a half of deformation region of the thermoelectric material in the first direction.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電モジュールに
用いられる熱電素子に関し、さらに、そのような熱電素
子の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element used for a thermoelectric module, and further relates to a method for manufacturing such a thermoelectric element.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電素子とは、トムソン効果、ペルチェ
効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用した素子、熱
電対、電子冷却素子等をいい、構造が簡単かつ取扱いが
容易で安定な特性を維持できることから、広範囲にわた
る利用が注目されている。特に、電子冷却素子として
は、局所冷却や室温付近の精密な温度制御が可能である
ことから、オプトエレクトロニクスや半導体レーザ等の
温度調節、並びに、小型冷蔵庫等への適用に向けて、広
く研究開発が進められている。
2. Description of the Related Art Thermoelectric elements refer to elements utilizing thermoelectric effects such as the Thomson effect, Peltier effect, and Seebeck effect, thermocouples, electronic cooling elements, etc., which have a simple structure, are easy to handle, and maintain stable characteristics. Because of its potential, widespread use is attracting attention. In particular, since the thermoelectric cooler is capable of local cooling and precise temperature control around room temperature, it is widely researched and developed for temperature control of optoelectronics and semiconductor lasers, and its application to small refrigerators and the like. Is being promoted.

【0003】このような熱電素子を含む熱電モジュール
は、図9に示すように、2枚のセラミック基板30と4
0との間で、P型素子(P型半導体)50とN型素子
(N型半導体)60とを電極70を介して接続すること
によりPN素子対を形成し、さらに、複数のPN素子対
を直列に接続したものである。このようなPN素子対の
直列回路の一方の端のN型素子には電流導入端子(正
極)80が接続され、他方の端のP型素子には電流導入
端子(負極)90が接続されている。これらの電流導入
端子80、90の間に電圧を印加することにより、電流
導入端子(正極)80からPN素子対の直列回路を経て
電流導入端子(負極)90に向けて電流を流すと、セラ
ミック基板30側が冷却されてセラミック基板40側が
加熱される。その結果、図中の矢印に示すような熱の流
れが発生する。
As shown in FIG. 9, a thermoelectric module including such a thermoelectric element has two ceramic substrates 30 and 4.
0, a P-type element (P-type semiconductor) 50 and an N-type element (N-type semiconductor) 60 are connected via an electrode 70 to form a PN element pair. Are connected in series. A current introduction terminal (positive electrode) 80 is connected to the N-type element at one end of the series circuit of such a PN element pair, and a current introduction terminal (negative electrode) 90 is connected to the P-type element at the other end. I have. When a voltage is applied between the current introduction terminals 80 and 90 to cause a current to flow from the current introduction terminal (positive electrode) 80 to the current introduction terminal (negative electrode) 90 through a series circuit of PN element pairs, ceramic The substrate 30 is cooled and the ceramic substrate 40 is heated. As a result, a heat flow is generated as shown by the arrow in the figure.

【0004】ここで、熱電素子の性能を表す性能指数を
Zと表し、性能指数Zは、比抵抗(抵抗率)ρ、熱伝導
率κ、ゼーベック係数(熱電能)αを用いて、次式で表
される。なお、ゼーベック係数αは、P型素子において
は正の値をとり、N型素子においては負の値をとる。 Z=α2/ρκ 熱電素子としては、性能指数Zの大きなものが望まれ
る。
[0004] Here, a figure of merit representing the performance of the thermoelectric element is represented by Z, and the figure of merit Z is expressed by the following equation using a specific resistance (resistivity) ρ, a thermal conductivity κ, and a Seebeck coefficient (thermoelectric power) α. It is represented by Note that the Seebeck coefficient α has a positive value in a P-type element and a negative value in an N-type element. Z = α 2 / ρκ A thermoelectric element having a large figure of merit Z is desired.

【0005】ところで、日本国特許公開公報(特開)昭
63−138789号、特開平8−186299号、特
開平10−56210号には、塑性変形加工の一種であ
る押出し成形加工を熱電材料に対して施すことにより性
能指数を高めることが掲載されている。
Japanese Patent Laid-Open Publication Nos. 63-138789, 8-186299, and 10-56210 disclose extrusion molding, which is a kind of plastic deformation processing, for thermoelectric materials. It is stated that the performance index can be increased by applying the method to the subject.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、どのよ
うな条件の下で押出し成形加工を行えば良いかというこ
との詳細に関しては、これらの公報には掲載されていな
い。そこで、上記の点に鑑み、本発明は、熱電材料の押
出し成形加工における変形領域の金型形状を明確にし
て、従来よりも熱電変換効率の高い熱電素子を提供する
ことを目的とする。
However, these publications do not disclose details of the conditions under which the extrusion molding should be performed. In view of the above, an object of the present invention is to provide a thermoelectric element having a higher thermoelectric conversion efficiency than the conventional one by clarifying the shape of a mold in a deformation region in the extrusion molding of a thermoelectric material.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明の第1の観点による熱電素子の製造方法は、
所定の組成を有する熱電材料に対して第1の方向に押し
圧力を加えて押出し型から押出すことにより、塑性変形
させて熱電材料の成形品を得る工程(a)を具備し、工
程(a)において、第1の方向における熱電材料の変形
領域の半分以上において、歪み速度の最大値が歪み速度
の平均値に対して+30%以内に入るようなダイスを用
いる。
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a thermoelectric element according to a first aspect of the present invention comprises:
A step (a) of applying a pressing force to a thermoelectric material having a predetermined composition in a first direction and extruding the same from an extrusion mold to plastically deform to obtain a molded article of the thermoelectric material; In (1), a die is used in which the maximum value of the strain rate is within + 30% of the average value of the strain rate in at least half of the deformation region of the thermoelectric material in the first direction.

【0008】ここで、工程(a)が、丸棒状の熱電材料
に対して軸方向に押し圧力を加えて押出し型から押出す
ことにより塑性変形させて丸棒状の成形品を得る工程を
含んでも良い。
Here, the step (a) may include a step of applying a pressing force in the axial direction to the round bar-shaped thermoelectric material and extruding it from an extrusion die to plastically deform to obtain a round bar-shaped molded product. good.

【0009】また、本発明の第2の観点による熱電素子
の製造方法は、所定の組成を有する熱電材料に対して第
1の方向に押し圧力を加えて押出し型から押出すことに
より、第1の方向と垂直な第2の方向における変形を拘
束しつつ第1及び第2の方向と垂直な第3の方向に変形
させて直方体状の成形品を得る工程(a)を具備し、工
程(a)において、熱電材料の第1の方向における歪速
度を、変形領域の半分以上の領域で実質的に一定とす
る。
Further, according to a method of manufacturing a thermoelectric element according to a second aspect of the present invention, a pressing force is applied to a thermoelectric material having a predetermined composition in a first direction to extrude the thermoelectric material from an extrusion die. (A) obtaining a rectangular parallelepiped molded product by deforming in a third direction perpendicular to the first and second directions while restraining deformation in a second direction perpendicular to the direction of (a). In a), the strain rate of the thermoelectric material in the first direction is made substantially constant in at least half of the deformation region.

【0010】本発明によれば、熱電材料の結晶粒を微細
化すると共に残留歪みを減少させることにより、熱電素
子のゼーベック係数α又は比抵抗ρの値を変化させて性
能指数Zを改善することができる。
According to the present invention, the performance index Z is improved by changing the value of the Seebeck coefficient α or the specific resistance ρ of the thermoelectric element by making the crystal grains of the thermoelectric material finer and reducing the residual strain. Can be.

【0011】上記製造方法においては、工程(a)に先
立って、粉状の熱電材料を加圧することにより熱電材料
の圧粉体又は焼結体を形成する工程(b)をさらに具備
することが望ましい。このように、粉状の熱電材料を冷
間プレス又はホットプレス又は通電加熱焼結してから押
出し加工を行うことにより、熱電材料の強度を増加させ
て、欠けや割れを減らすことができる。なお、熱電材料
としては、Bi、Te、Sb、Seの内の少なくとも2
種類以上の元素を含むことが望ましい。
[0011] The above manufacturing method may further comprise, before the step (a), a step (b) of forming a green compact or a sintered body of the thermoelectric material by pressing the powdery thermoelectric material. desirable. As described above, by extruding the powdery thermoelectric material after cold pressing or hot pressing or current-heating sintering, the strength of the thermoelectric material can be increased, and chipping and cracking can be reduced. As the thermoelectric material, at least two of Bi, Te, Sb and Se are used.
It is desirable to contain more than one kind of element.

【0012】上記製造方法において、工程(a)は、大
気若しくは不活性ガス雰囲気又は真空中で熱電材料に対
して押し圧力を加えて押出し型から押出すことが望まし
い。また、工程(a)は、加工温度を350〜600℃
に保ちながら熱電材料に対して押し圧力を加えて押出し
型から押出すことが望ましい。本発明にかかる熱電素子
は、上記のいずれかの製造方法を用いて製造されるもの
である。
In the above manufacturing method, it is desirable that in the step (a), the thermoelectric material is extruded from an extrusion die by applying a pressing pressure to the thermoelectric material in the atmosphere, an inert gas atmosphere or a vacuum. In the step (a), the processing temperature is set to 350 to 600 ° C.
It is desirable to extrude the thermoelectric material from the extrusion mold by applying a pressing pressure to the thermoelectric material. The thermoelectric element according to the present invention is manufactured by using any one of the manufacturing methods described above.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、図面に基いて本発明の実施
の形態について説明する。なお、同一の構成要素につい
ては同一の参照番号を付して、説明を省略する。図1
は、本発明の一実施形態に係る熱電素子の製造方法を示
すフローチャートである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. FIG.
3 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.

【0014】まず、ステップS1において、所定の組成
を有する原料を秤量して、容器内に封入する。熱電材料
の原料としては、例えば、V族元素としてアンチモン
(Sb)やビスマス(Bi)を、VI族元素としてセレ
ン(Se)やテルル(Te)を用いる。V族元素とVI
族元素の固溶体は、六方晶構造を有する。熱電材料の具
体的な組成については、P型素子の材料として、テルル
化ビスマス(Bi2Te3)とテルル化アンチモン(Sb
2Te3)との混晶系固溶体にP型のドーパントを添加し
て用いたり、N型素子の材料として、テルル化ビスマス
(Bi2Te3)とセレン化ビスマス(Bi2Se3)との
混晶系固溶体にN型のドーパントを添加して用いること
ができる。
First, in step S1, a raw material having a predetermined composition is weighed and sealed in a container. As a raw material of the thermoelectric material, for example, antimony (Sb) or bismuth (Bi) is used as a group V element, and selenium (Se) or tellurium (Te) is used as a group VI element. Group V elements and VI
The solid solution of the group III element has a hexagonal structure. Regarding the specific composition of the thermoelectric material, bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) and antimony telluride (Sb
P-type dopants may be added to a mixed crystal solid solution with 2 Te 3 ), or bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) and bismuth selenide (Bi 2 Se 3 ) may be used as a material for an N-type element. An N-type dopant can be added to the mixed crystal solid solution for use.

【0015】次に、ステップS2において、容器に封入
された原料を加熱することにより原料を溶解し、その
後、例えば一方向性凝固により凝固させて、熱電材料と
なる固溶体を製造する。次に、ステップS3において、
スタンプミル又はボールミル等を用いて熱電材料を粉砕
し、熱電材料の粉末を形成する。さらに、この粉末を、
粒径に応じて分級する。例えば、この粉末を150メッ
シュ及び400メッシュの篩にかけ、400メッシュの
篩上に残ったものを選別することにより、粒径34〜1
08μm程度の粉末に揃える。
Next, in step S2, the raw material enclosed in the container is heated to dissolve the raw material, and then solidified, for example, by one-way solidification, to produce a solid solution as a thermoelectric material. Next, in step S3,
The thermoelectric material is pulverized using a stamp mill, a ball mill, or the like to form a powder of the thermoelectric material. In addition, this powder
Classify according to particle size. For example, this powder is sieved through a 150-mesh and a 400-mesh sieve, and what is left on the 400-mesh sieve is sorted to obtain a particle size of 34 to 1
The powder is adjusted to about 08 μm.

【0016】次に、ステップS4において、所定容量の
ガラスアンプル内に粉末を供給し、真空排気後、水素を
注入して0.9気圧に封止した後、350℃の加熱炉内
で10時間の熱処理を行うことにより、粉末の表面を水
素還元する。なお、このステップS4は、省略すること
もできる。また、以上のステップS2〜S4に替えて、
ステップS5に示すように、遠心アトマイズ法により熱
電材料の粉末を形成しても良い。
Next, in step S4, the powder is supplied into a glass ampoule having a predetermined capacity, evacuated, filled with hydrogen, sealed at 0.9 atm, and then heated in a heating furnace at 350 ° C. for 10 hours. By performing the heat treatment described above, the surface of the powder is reduced with hydrogen. Step S4 can be omitted. Also, instead of the above steps S2 to S4,
As shown in Step S5, the powder of the thermoelectric material may be formed by a centrifugal atomization method.

【0017】ステップS4又はS5続いて、ステップS
6において、冷間プレス又はホットプレスにより粉末成
形を行う。その際、ダイス(押出し型)と同じ形状の成
形型を用いて粉末成形を行っても良い。その場合には、
成形材をダイスのサイズに合わせて切断する工程を省略
することができる。
Step S4 or S5 is followed by step S
In 6, the powder is formed by cold pressing or hot pressing. At this time, powder molding may be performed using a molding die having the same shape as a die (extrusion die). In that case,
The step of cutting the molding material according to the size of the die can be omitted.

【0018】次に、ステップS7において、粉末成形さ
れた熱電材料を押出し成形する。さらに、ステップS8
において押出し成形された熱電材料をスライスし、ステ
ップS9においてスライスされた熱電材料をダイシング
することにより、所望のサイズの熱電素子が得られる。
Next, in step S7, the thermoformed material formed by powder molding is extruded. Further, step S8
By slicing the thermoelectric material extruded in step S9 and dicing the sliced thermoelectric material in step S9, a thermoelectric element having a desired size is obtained.

【0019】上記の押出し成形工程(ステップS7)に
ついて、図2を参照しながら詳しく説明する。図2は、
本発明の一実施形態に係る熱電素子の製造方法において
使用する押出し成形装置を示す図である。図2に示すよ
うに、押出し成形装置10は、粉末成形された熱電材料
20を押し出す金型であるパンチ13と、パンチ13に
よって押し出される熱電材料20を塑性変形させるダイ
ス(押出し型)14を含んでいる。スライド11は、例
えば油圧アクチュエータ(油圧シリンダ)によって駆動
されて、パンチ13を上下動させる。パンチ13の押出
し圧力は、荷重計12によって計測され、押出し方向z
におけるパンチ13の押出し変位は、変位計15によっ
て計測される。変位計15の計測値と経過時間との関係
をモニターすることにより、パンチ13が一定の押出し
速度で熱電材料20を押し出すように、スライド11の
駆動を制御することができる。
The above-mentioned extrusion molding step (step S7) will be described in detail with reference to FIG. FIG.
It is a figure showing the extrusion molding device used in the manufacturing method of the thermoelectric element concerning one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the extrusion molding apparatus 10 includes a punch 13 which is a mold for extruding the thermoformed material 20 formed into a powder, and a die (extrusion mold) 14 for plastically deforming the thermoelectric material 20 extruded by the punch 13. In. The slide 11 is driven by, for example, a hydraulic actuator (hydraulic cylinder) to move the punch 13 up and down. The extrusion pressure of the punch 13 is measured by the load cell 12, and the extrusion direction z
Of the punch 13 is measured by the displacement meter 15. By monitoring the relationship between the measured value of the displacement meter 15 and the elapsed time, the drive of the slide 11 can be controlled so that the punch 13 pushes out the thermoelectric material 20 at a constant pushing speed.

【0020】ベース17の上には、ダイス14、及び、
ダイス14の周囲を囲むようにヒータ16が設置されて
いる。これにより、押出し成形装置10が加熱装置を兼
用することができる。ダイス14の温度は、ダイス14
の近傍に配置された温度センサ18によって計測され
る。温度センサ18の計測値をフィードバックしてヒー
タ16の発熱量を制御することにより、ダイス14及び
熱電材料20を所望の温度に保つことができる。
On the base 17, a die 14 and
A heater 16 is provided so as to surround the periphery of the die 14. Thereby, the extrusion molding device 10 can also serve as a heating device. The temperature of the die 14 is
Is measured by the temperature sensor 18 arranged near the. By controlling the calorific value of the heater 16 by feeding back the measured value of the temperature sensor 18, the die 14 and the thermoelectric material 20 can be maintained at desired temperatures.

【0021】熱電材料20は、パンチ13によって押し
出されてダイス14を通過する際に塑性変形を受け、押
出し成形品21が得られる。押出しは、不活性ガス雰囲
気もしくは真空中で、加工温度を350〜600℃に保
ちながら行うことが望ましい。なお、本実施形態におい
ては、ダイス14を固定してパンチ13を移動させた
が、この逆に、パンチ13を固定してダイス14を移動
させてもかまわない。
The thermoelectric material 20 is extruded by the punch 13 and undergoes plastic deformation when passing through the die 14, whereby an extruded product 21 is obtained. Extrusion is desirably performed in an inert gas atmosphere or vacuum while maintaining the processing temperature at 350 to 600 ° C. In this embodiment, the die 13 is fixed and the punch 13 is moved. However, on the contrary, the punch 13 may be fixed and the die 14 may be moved.

【0022】ところで、この押出し成形品をスライス及
びダイシングして得られる熱電素子の性能指数は、ダイ
スの形状や表面処理によって大きく変化することが分っ
た。これらの好適な条件について、図3〜図8を参照し
ながら説明する。
By the way, it has been found that the figure of merit of the thermoelectric element obtained by slicing and dicing this extruded product greatly changes depending on the shape and surface treatment of the die. These preferred conditions will be described with reference to FIGS.

【0023】図3は、本実施形態において使用する平面
歪み押出しダイスの概観を示す斜視図である。平面歪み
押出しダイス14は、押出し方向(Z方向)と直交する
Y方向において一定の幅を有し、Z方向及びY方向と直
交するX方向において厚さを絞られている。図3におい
て、平面歪み押出しダイス14の入口側の厚さ(内径)
をA0で示し、出口側の厚さ(内径)をA1で示してい
る。押出し比は、A0/A1で表される。平面歪み押出し
ダイス14の内径がA0からA1に絞られるカーブの形状
により、熱電材料20の塑性変形における歪み速度が大
きく異なる。歪み速度とは、単位時間当たりに生じる歪
みのことをいい、以下のように求められる。
FIG. 3 is a perspective view showing an outline of a plane strain extrusion die used in the present embodiment. The plane strain extrusion die 14 has a constant width in the Y direction orthogonal to the extrusion direction (Z direction), and has a reduced thickness in the X direction orthogonal to the Z direction and the Y direction. In FIG. 3, the thickness (inner diameter) on the inlet side of the flat strain extrusion die 14 is shown.
Is denoted by A 0 , and the thickness (inner diameter) on the outlet side is denoted by A 1 . The extrusion ratio is represented by A 0 / A 1 . The shape of the curve inner diameter of the plane strain extrusion die 14 is throttled from A 0 to A 1, the strain rate is greatly different in the plastic deformation of the thermoelectric material 20. The strain rate refers to a strain generated per unit time, and is obtained as follows.

【0024】まず、押出し方向(Z方向)の距離zにお
ける歪みε(z)を求める。 ε(z)=dx/x(z)=x’(z)/x(z)・d
z ここで、x(z)は、押出し方向と直交する方向(X方
向)における金型形状の金型内面を含む内径の半分を表
している。次に、一般的な総歪み量εは、次式で表され
る。
First, a strain ε (z) at a distance z in the extrusion direction (Z direction) is determined. ε (z) = dx / x (z) = x ′ (z) / x (z) · d
z Here, x (z) represents a half of the inner diameter including the mold inner surface of the mold in a direction (X direction) orthogonal to the extrusion direction. Next, a general total distortion amount ε is expressed by the following equation.

【数1】 ここで、z0は押し始めにおけるZ方向の距離を表し、
1は押し終りにおけるZ方向の距離を表している。こ
のように、総歪み量εは、押し始めにおけるダイスの内
径と押し終りにおけるダイスの内径とによって決定さ
れ、途中のダイスの形状には依存しない。
(Equation 1) Here, z 0 represents the distance in the Z direction at the start of pressing,
z 1 represents the distance in the Z direction in the press end. As described above, the total strain ε is determined by the inner diameter of the die at the start of pressing and the inner diameter of the die at the end of pressing, and does not depend on the shape of the intermediate die.

【0025】材料の体積変化がなく、X方向の歪みが一
定であると仮定すると、Z方向の歪みも同様の比率とな
る。即ち、押し始めにおける金型形状のX方向の位置を
0とすると、 z0・x0=z・x=(一定) 従って、Z方向の歪みεZとX方向の歪みεXとの関係
は、 εZ=ln(z/z0)=ln(x0/x)=−εX このように、Z方向の歪みεZとX方向の歪みεXとは、
歪み方向の正負が反転するだけで、絶対量は同じであ
る。次に、歪み速度ε’は、
Assuming that there is no change in the volume of the material and that the strain in the X direction is constant, the strain in the Z direction has a similar ratio. That is, press position in the X direction of the die shape When x 0 at the beginning, z 0 · x 0 = z · x = ( constant) Accordingly, the relationship between the strain epsilon X distortion in the Z-direction epsilon Z and X direction Ε Z = ln (z / z 0 ) = ln (x 0 / x) = − ε X Thus, the strain ε Z in the Z direction and the strain ε X in the X direction are:
The absolute amount is the same, only the sign of the distortion direction is reversed. Next, the strain rate ε ′ is

【数2】 と表される。例えば、ε’y=0、ε’z=−ε’xの場
合には、
(Equation 2) It is expressed as For example, when ε ′ y = 0 and ε ′ z = −ε ′ x ,

【数3】 となる。(Equation 3) Becomes

【0026】図4は、押出し比が5の場合において、実
施例の平面歪み押出しダイスの断面形状(a)と、比較
例の平面歪み押出しダイスの断面形状(b)とを比較し
た図である。一方、図5は、押出し比が15の場合にお
いて、実施例の平面歪み押出しダイスの断面形状(a)
と、比較例の平面歪み押出しダイスの断面形状(b)と
を比較した図である。図4及び図5において、押出し方
向(Z方向)の距離を横軸にとり、ダイスの変形領域を
0〜40mmにおいて示している。また、押出し幅(押
出し軸からのX方向の距離)を縦軸にとっている。
FIG. 4 is a diagram comparing the cross-sectional shape (a) of the plane strain extrusion die of the example with the cross-sectional shape (b) of the plane strain extrusion die of the comparative example when the extrusion ratio is 5. . On the other hand, FIG. 5 shows a cross-sectional shape (a) of the plane strain extrusion die of the example when the extrusion ratio is 15.
FIG. 7 is a diagram comparing a cross-sectional shape (b) of a plane strain extrusion die of a comparative example with a comparative example. 4 and 5, the horizontal axis represents the distance in the extrusion direction (Z direction), and the deformation region of the die is shown at 0 to 40 mm. The vertical axis indicates the extrusion width (the distance in the X direction from the extrusion axis).

【0027】実施例においては、図4の(a)と図5の
(a)に示すように、変形領域から出口側へのダイスの
断面形状が、双曲線となっている。これに対し、比較例
においては、図4の(b)と図5の(b)に示すよう
に、変形領域から出口側へのダイスの断面形状が、楕円
と直線の組合せとなっている。
In the embodiment, as shown in FIG. 4A and FIG. 5A, the cross-sectional shape of the die from the deformation region to the exit side is hyperbolic. On the other hand, in the comparative example, as shown in FIGS. 4B and 5B, the cross-sectional shape of the die from the deformation region to the exit side is a combination of an ellipse and a straight line.

【0028】図6に、押出し比が5の場合において実施
例と比較例の平面歪み押出しダイスを用いたときの歪み
速度の変化を示す。また、図7に、押出し比が15の場
合ににおいて実施例と比較例の平面歪み押出しダイスを
用いたときの歪み速度の変化を示す。図6及び図7にお
いては、押出し方向(Z方向)の距離を横軸にとり、熱
電材料の歪み速度を縦軸にとっている。また、押出し速
度は、1mm/minとしている。
FIG. 6 shows the change in the strain rate when the plane strain extrusion dies of the example and the comparative example are used when the extrusion ratio is 5. FIG. 7 shows the change in the strain rate when the plane strain extrusion dies of the example and the comparative example are used when the extrusion ratio is 15. 6 and 7, the horizontal axis represents the distance in the extrusion direction (Z direction), and the vertical axis represents the strain rate of the thermoelectric material. The extrusion speed is 1 mm / min.

【0029】図6及び図7に示すように、実施例によれ
ば、変形領域の大部分、少なくとも半分以上の領域にお
いて、歪み速度が実質的に一定となっている。なお、本
願において、歪み速度が実質的に一定とは、歪み速度が
最大値から最大値の95%までの範囲にあることを言う
ものとする。さらに一般的に言えば、本発明は、熱電材
料の変形領域の半分以上において、歪み速度の最大値が
歪み速度の平均値に対して+30%以内に入るようなダ
イスを用いることを特徴とする。
As shown in FIGS. 6 and 7, according to the embodiment, the strain rate is substantially constant in most of the deformation area, at least in at least half the area. Note that, in the present application, that the strain rate is substantially constant means that the strain rate is in a range from the maximum value to 95% of the maximum value. More generally, the present invention is characterized by using a die in which the maximum value of the strain rate is within + 30% of the average value of the strain rate in more than half of the deformation region of the thermoelectric material. .

【0030】図8は実施例と比較例の平面歪み押出しダ
イスを用いて、実際に熱電材料を押し出して製作した押
出し成形品の特性を比較した図である。ここでは、熱電
材料として、急冷凝固粉をホットプレスしたものを用い
て押出し成形を行っている。また、資料No.1と2は
N型の熱電素子であり、資料No.3と4はP型の熱電
素子である。図8に示すように、実施例によれば、押出
し成形品における残留歪みが減少すると考えられ、比抵
抗ρが低下して、性能指数Zの値が比較例よりも大きく
なっている。
FIG. 8 is a diagram comparing the characteristics of extruded products manufactured by actually extruding a thermoelectric material using the plane strain extrusion dies of the example and the comparative example. Here, extrusion molding is performed using hot-pressed rapidly solidified powder as the thermoelectric material. Material No. Reference numerals 1 and 2 denote N-type thermoelectric elements. 3 and 4 are P-type thermoelectric elements. As shown in FIG. 8, according to the example, it is considered that the residual strain in the extruded product is reduced, the specific resistance ρ is reduced, and the value of the figure of merit Z is larger than that of the comparative example.

【0031】これらのダイスの表面には、TiCrN又
はTiAlNの薄膜を形成するように表面処理がなされ
ている。これにより、ダイスの強度を上昇させると共
に、押出しをスムーズにしている。なお、上記の実施形
態においては平面歪み押出しダイスを使用したが、本発
明は、丸型ダイスを使用して丸棒状の熱電材料を押し出
すことにより丸棒状の成形品を得る場合にも適用でき
る。
The surfaces of these dies are surface-treated so as to form a thin film of TiCrN or TiAlN. Thereby, the strength of the die is increased, and the extrusion is made smooth. In the above embodiment, a plane strain extrusion die is used. However, the present invention can be applied to a case where a round bar-shaped thermoelectric material is extruded using a round die to obtain a round bar-shaped molded product.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、熱電
材料の結晶配向度を改善したり結晶粒を微細化すると共
に残留歪みを減少させることにより、熱電素子のゼーベ
ック係数α又は比抵抗ρの値を変化させて性能指数Zを
改善することができる。これにより、従来よりも高い熱
電性能を有する熱電素子を提供することができる。
As described above, according to the present invention, the Seebeck coefficient α or ratio of the thermoelectric element can be improved by improving the degree of crystal orientation of the thermoelectric material, reducing the crystal grain size and reducing the residual strain. The figure of merit Z can be improved by changing the value of the resistance ρ. Thereby, a thermoelectric element having higher thermoelectric performance than the conventional one can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係る熱電素子の製造方法
を示すフローチャートである。
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施形態に係る熱電素子の製造方法
において使用する押出し成形装置を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an extrusion molding apparatus used in a method for manufacturing a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施形態において使用する平面歪み
押出しダイスの概観を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing an overview of a plane strain extrusion die used in one embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例に係る平面歪み押出しダイスの
断面形状と、比較例の平面歪み押出しダイスの断面形状
とを、押出し比が5の場合において比較した図である。
FIG. 4 is a diagram comparing the cross-sectional shape of the flat strain extrusion die according to the example of the present invention with the cross-sectional shape of the flat strain extrusion die of the comparative example when the extrusion ratio is 5.

【図5】本発明の実施例に係る平面歪み押出しダイスの
断面形状と、比較例の平面歪み押出しダイスの断面形状
とを、押出し比が15の場合において比較した図であ
る。
FIG. 5 is a diagram comparing the cross-sectional shape of the flat strain extrusion die according to the example of the present invention with the cross-sectional shape of the flat strain extrusion die of the comparative example when the extrusion ratio is 15.

【図6】本発明の実施例と比較例の平面歪み押出しダイ
スを用いたときの歪み速度の変化を、押出し比が5の場
合において比較した図である。
FIG. 6 is a diagram comparing changes in strain rate when the plane strain extrusion dies of the example of the present invention and the comparative example are used when the extrusion ratio is 5.

【図7】本発明の実施例と比較例の平面歪み押出しダイ
スを用いたときの歪み速度の変化を、押出し比が15の
場合において比較した図である。
FIG. 7 is a diagram comparing changes in strain rate when the plane strain extrusion dies of the example of the present invention and the comparative example are used, when the extrusion ratio is 15;

【図8】本発明の実施例と比較例の平面歪み押出しダイ
スを用いて、実際に熱電材料を押し出して製作した押出
し成形品の特性を比較した図である。
FIG. 8 is a diagram comparing the characteristics of extruded products manufactured by actually extruding a thermoelectric material using the plane strain extrusion dies of the example of the present invention and the comparative example.

【図9】熱電素子を含む熱電モジュールの構造を示す図
である。
FIG. 9 is a diagram showing a structure of a thermoelectric module including a thermoelectric element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 押出し成形装置 11 スライド 12 荷重計 13 パンチ 14 ダイス 15 変位計 16 ヒータ 17 ベース 18 温度センサ 20 熱電材料 21 押出し成形品 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Extruder 11 Slide 12 Load meter 13 Punch 14 Dice 15 Displacement gauge 16 Heater 17 Base 18 Temperature sensor 20 Thermoelectric material 21 Extruded product

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B22F 3/24 B22F 3/24 F H01L 35/16 H01L 35/16 (72)発明者 佐々木 喜代治 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 (72)発明者 小西 明夫 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 (72)発明者 梶浦 豪二 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 (72)発明者 黒木 光博 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 (72)発明者 徳永 裕之 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 (72)発明者 水上 裕之 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 (72)発明者 池田 圭介 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉02 東北大 学工学部材料加工学科内 (72)発明者 三浦 進 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉02 東北大 学工学部材料加工学科内 (72)発明者 鈴木 健一郎 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉02 東北大 学工学部材料加工学科内──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) B22F 3/24 B22F 3/24 F H01L 35/16 H01L 35/16 (72) Inventor Kiyoharu Sasaki Hiratsuka, Kanagawa Prefecture 1200 Manda Ichimitsu Komatsu Seisakusho R & D Headquarters (72) Inventor Akio Konishi 1200 Manda 1200 Hiratsuka-shi, Kanagawa Prefecture Komatsu Seisakusho Research Headquarters (72) Inventor Goji Kajiura 1200 Manda 1200 Hiratsuka-shi Kanagawa Prefecture Komatsu Seisakusho Research Headquarters (72) Inventor Mitsuhiro Kuroki 1200 Manda, Hiratsuka-shi, Kanagawa Prefecture Komatsu Seisakusho Research Headquarters (72) Inventor Hiroyuki Tokunaga 1200 Manda, Hiratsuka-shi, Kanagawa Komatsu Seisakusho Research Headquarters (72) Inventor Hiroyuki Mizukami 1200 Manda, Hiratsuka-shi, Kanagawa Prefecture Inside of Komatsu Seisakusho Research Laboratory (72) Inventor Keisuke Ikeda Miyagi 02 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai City, Department of Materials Processing, Faculty of Engineering, Tohoku University (72) Inventor Susumu Susumu Miura, Aoba, 02, Aramaki, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture Department of Materials Processing, Faculty of Engineering, Tohoku Univ. 02 Aoba Aramaki, Aoba-ku, Sendai City Tohoku University Faculty of Engineering Department of Materials Processing

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所定の組成を有する熱電材料に対して第
1の方向に押し圧力を加えて押出し型から押出すことに
より、塑性変形させて熱電材料の成形品を得る工程
(a)を具備し、 工程(a)において、第1の方向における前記熱電材料
の変形領域の半分以上において、歪み速度の最大値が歪
み速度の平均値に対して+30%以内に入るようなダイ
スを用いることを特徴とする熱電素子の製造方法。
1. A step (a) of applying a pressing force to a thermoelectric material having a predetermined composition in a first direction and extruding the same from an extrusion die to plastically deform to obtain a molded article of the thermoelectric material. In the step (a), using a die such that the maximum value of the strain rate is within + 30% of the average value of the strain rate in at least half of the deformation region of the thermoelectric material in the first direction. A method for producing a thermoelectric element.
【請求項2】 工程(a)が、丸棒状の熱電材料に対し
て軸方向に押し圧力を加えて押出し型から押出すことに
より、塑性変形させて丸棒状の成形品を得る工程を含む
ことを特徴とする請求項1記載の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the step (a) includes a step of applying a pressing force in an axial direction to the round bar-shaped thermoelectric material and extruding the same from an extrusion die to obtain a round bar-shaped molded product by plastic deformation. The method according to claim 1, wherein:
【請求項3】 所定の組成を有する熱電材料に対して第
1の方向に押し圧力を加えて押出し型から押出すことに
より、第1の方向と垂直な第2の方向における変形を拘
束しつつ第1及び第2の方向と垂直な第3の方向に変形
させて直方体状の成形品を得る工程(a)を具備し、 工程(a)において、熱電材料の第1の方向における歪
速度を、変形領域の半分以上の領域で実質的に一定とす
ることを特徴とする熱電素子の製造方法。
3. A thermoelectric material having a predetermined composition is pressed in a first direction and extruded from an extrusion die to restrain deformation in a second direction perpendicular to the first direction. A step of obtaining a rectangular parallelepiped molded product by deforming the thermoelectric material in a third direction perpendicular to the first and second directions, wherein in the step (a), the strain rate of the thermoelectric material in the first direction is reduced. A method of manufacturing a thermoelectric element, wherein the thermoelectric element is made substantially constant in at least half of the deformation region.
【請求項4】 工程(a)に先立って、粉状の熱電材料
を加圧することにより前記熱電材料の圧粉体又は焼結体
を形成する工程(b)をさらに具備することを特徴とす
る請求項1〜3のいずれか1項記載の製造方法。
4. The method according to claim 1, further comprising, prior to the step (a), a step (b) of forming a green compact or a sintered body of the thermoelectric material by pressing the powdery thermoelectric material. The production method according to claim 1.
【請求項5】 前記熱電材料が、Bi、Te、Sb、S
eの内の少なくとも2種類以上の元素を含むことを特徴
とする請求項1〜4のいずれか1項記載の製造方法。
5. The thermoelectric material is Bi, Te, Sb, S
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein at least two or more of e are included.
【請求項6】 工程(a)が、大気若しくは不活性ガス
雰囲気又は真空中で前記熱電材料に対して押し圧力を加
えて押出し型から押出すことを特徴とする請求項1〜5
のいずれか1項記載の製造方法。
6. The method according to claim 1, wherein in the step (a), the thermoelectric material is extruded from an extrusion mold by applying a pressing pressure to the thermoelectric material in an atmosphere, an inert gas atmosphere, or a vacuum.
The production method according to any one of the above.
【請求項7】 工程(a)が、加工温度を350〜60
0℃に保ちながら前記熱電材料に対して押し圧力を加え
て押出し型から押出すことを特徴とする請求項1〜6の
いずれか1項記載の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein the step (a) comprises setting the processing temperature to 350 to 60.
The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the thermoelectric material is extruded from an extrusion mold by applying a pressing pressure to the thermoelectric material while maintaining the thermoelectric material at 0 ° C.
【請求項8】 請求項1〜7のいずれか1項記載の製造
方法を用いて製造された熱電素子。
8. A thermoelectric element manufactured by using the manufacturing method according to claim 1.
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