JP2002026403A - 熱電材料の製造方法、熱電材料及び熱電材料製造装置 - Google Patents
熱電材料の製造方法、熱電材料及び熱電材料製造装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 性能指数の高い熱電材料を製造する熱電材料
の製造方法を提供する。 【解決手段】 熱電材料製造装置１００は、周囲を高周
波加熱用コイル１０で巻かれ先端にノズル１２を備える
加熱容器１４と、温度制御された循環水によって水冷さ
れ一定の温度に保たれる水冷金属円盤１６と、を真空漕
１８内に備える。真空漕１８外には、水冷金属円盤１６
と機械的に接続されるモータ２０を備えており、モータ
２０は水冷金属円盤１６を所定の回転数で回転させる。
ノズル１２から水冷金属円盤１６表面に塗布されたＢｉ
Ｔｅ合金融液２２は、水冷金属円盤１６表面で、その半
径方向ａに薄膜状に広がる。ＢｉＴｅ合金融液の塗布を
繰り返すことで、積層構造の熱電材料を製造することが
できる。この熱電材料は不純物の混入が少ない。また、
結晶粒径が小さく、充填率が高いため、性能指数の高い
熱電材料となる。
の製造方法を提供する。 【解決手段】 熱電材料製造装置１００は、周囲を高周
波加熱用コイル１０で巻かれ先端にノズル１２を備える
加熱容器１４と、温度制御された循環水によって水冷さ
れ一定の温度に保たれる水冷金属円盤１６と、を真空漕
１８内に備える。真空漕１８外には、水冷金属円盤１６
と機械的に接続されるモータ２０を備えており、モータ
２０は水冷金属円盤１６を所定の回転数で回転させる。
ノズル１２から水冷金属円盤１６表面に塗布されたＢｉ
Ｔｅ合金融液２２は、水冷金属円盤１６表面で、その半
径方向ａに薄膜状に広がる。ＢｉＴｅ合金融液の塗布を
繰り返すことで、積層構造の熱電材料を製造することが
できる。この熱電材料は不純物の混入が少ない。また、
結晶粒径が小さく、充填率が高いため、性能指数の高い
熱電材料となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電材料の製造方
法、熱電材料及び熱電材料製造装置であって、特に、原
料融液を冷却して熱電材料を製造する熱電材料の製造方
法、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａ
ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから選択され
る少なくとも２種類以上の元素を含む原料から製造され
る熱電材料及び原料融液を冷却して熱電材料を製造する
熱電材料製造装置に関する。
法、熱電材料及び熱電材料製造装置であって、特に、原
料融液を冷却して熱電材料を製造する熱電材料の製造方
法、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａ
ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから選択され
る少なくとも２種類以上の元素を含む原料から製造され
る熱電材料及び原料融液を冷却して熱電材料を製造する
熱電材料製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の熱電材料では、熱電材料
の性能を表す性能指数Ｚが次式のように定義されてい
る。
の性能を表す性能指数Ｚが次式のように定義されてい
る。
【０００３】
【数１】Ｚ＝σ＊α2／κ この式において、σは電気伝導率、αはゼーベック係
数、κは熱伝導率である。熱伝導率κは、物質を構成す
る原子核自体の振動によるもの（フォノン熱伝導率）
と、キャリア（電子又はホール）の移動によるもの（キ
ャリア熱伝導率）との和で与えられる。
数、κは熱伝導率である。熱伝導率κは、物質を構成す
る原子核自体の振動によるもの（フォノン熱伝導率）
と、キャリア（電子又はホール）の移動によるもの（キ
ャリア熱伝導率）との和で与えられる。
【０００４】性能指数Ｚが大きい熱電材料を得るため
に、様々な製造方法が提案されている。特に、熱伝導率
κを小さくする方法として、溶融状態の原料を急冷し、
極微結晶またはアモルファス状態にする方法が提案され
ている（例えば、特開平８−１１１５４６号公報、特開
平５−３３５６２８号公報など）。
に、様々な製造方法が提案されている。特に、熱伝導率
κを小さくする方法として、溶融状態の原料を急冷し、
極微結晶またはアモルファス状態にする方法が提案され
ている（例えば、特開平８−１１１５４６号公報、特開
平５−３３５６２８号公報など）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶融状
態から急冷する方法では、急冷して得られた材料を機械
的に粉砕して得られた粉末を焼結してバルク状にする必
要がある。この場合、粉砕する際に不純物が混入する場
合がある。
態から急冷する方法では、急冷して得られた材料を機械
的に粉砕して得られた粉末を焼結してバルク状にする必
要がある。この場合、粉砕する際に不純物が混入する場
合がある。
【０００６】本発明の熱電材料の製造方法は、不純物の
混入が少なく性能指数の高い熱電材料を製造することを
目的の一つとする。また、本発明の熱電材料は、不純物
の混入量が低く、性能指数が高い材料であることを目的
の一つとする。また、本発明の熱電材料製造装置は、不
純物の混入が少なく性能指数が高い熱電材料を製造でき
る装置であることを目的の一つとする。
混入が少なく性能指数の高い熱電材料を製造することを
目的の一つとする。また、本発明の熱電材料は、不純物
の混入量が低く、性能指数が高い材料であることを目的
の一つとする。また、本発明の熱電材料製造装置は、不
純物の混入が少なく性能指数が高い熱電材料を製造でき
る装置であることを目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の熱電材料の製造
方法は、原料融液を冷却して熱電材料を製造する熱電材
料の製造方法であって、前記融液を冷却台表面に薄膜状
に広げ、該冷却台で冷却して第一熱電材料層を形成する
第一熱電材料層形成工程と、該第一熱電材料層上へ前記
融液を薄膜状に広げ、前記第一熱電材料層を介して前記
冷却台で冷却して、前記第一熱電材料層上に第二熱電材
料層を形成する第二熱電材料層形成工程と、を備え、少
なくとも二層の積層された熱電材料層を有する熱電材料
を製造することを特徴とする。
方法は、原料融液を冷却して熱電材料を製造する熱電材
料の製造方法であって、前記融液を冷却台表面に薄膜状
に広げ、該冷却台で冷却して第一熱電材料層を形成する
第一熱電材料層形成工程と、該第一熱電材料層上へ前記
融液を薄膜状に広げ、前記第一熱電材料層を介して前記
冷却台で冷却して、前記第一熱電材料層上に第二熱電材
料層を形成する第二熱電材料層形成工程と、を備え、少
なくとも二層の積層された熱電材料層を有する熱電材料
を製造することを特徴とする。
【０００８】本発明の熱電材料の製造方法では、第一熱
電材料層と第二熱電材料層との少なくとも二層の熱電材
料層が積層された熱電材を冷却台表面に形成することが
できる。その結果、焼結してバルク状にする必要がな
く、熱電材料への不純物の混入を抑えることができる。
電材料層と第二熱電材料層との少なくとも二層の熱電材
料層が積層された熱電材を冷却台表面に形成することが
できる。その結果、焼結してバルク状にする必要がな
く、熱電材料への不純物の混入を抑えることができる。
【０００９】この本発明の熱電材料の製造方法におい
て、前記冷却台は、表面が略円形で回転可能な台であ
り、前記第一熱電材料層形成工程は、回転する前記冷却
台表面に前記融液を滴下し、該融液を前記冷却台表面の
半径方向に薄膜状に広げ前記第一熱電材料層を形成する
工程であり、前記第二熱電材料層形成工程は、回転する
前記冷却台表面に形成された前記第一熱電材料層上に前
記融液を滴下し、前記融液を前記半径方向に薄膜状に広
げ前記第二熱電材料層を形成する工程であるものとする
こともできる。冷却台を回転させることによって、冷却
台表面に均一に融液を広げることができ、各熱電材料層
の層の厚さを冷却台表面に渡って均一にすることができ
る。その結果、均一な厚さの熱電材料を製造することが
できる。
て、前記冷却台は、表面が略円形で回転可能な台であ
り、前記第一熱電材料層形成工程は、回転する前記冷却
台表面に前記融液を滴下し、該融液を前記冷却台表面の
半径方向に薄膜状に広げ前記第一熱電材料層を形成する
工程であり、前記第二熱電材料層形成工程は、回転する
前記冷却台表面に形成された前記第一熱電材料層上に前
記融液を滴下し、前記融液を前記半径方向に薄膜状に広
げ前記第二熱電材料層を形成する工程であるものとする
こともできる。冷却台を回転させることによって、冷却
台表面に均一に融液を広げることができ、各熱電材料層
の層の厚さを冷却台表面に渡って均一にすることができ
る。その結果、均一な厚さの熱電材料を製造することが
できる。
【００１０】この本発明の熱電材料の製造方法におい
て、前記第一熱電材料層形成工程は、滴下した前記融液
を対向配置され各々駆動可能な二つの冷却台で挟持し、
前記融液を前記冷却台の少なくとも一方の表面に薄膜状
に広げ冷却した後、前記二つの冷却台を離し、前記第一
熱電材料層を形成する工程であり、前記第二熱電材料層
形成工程は、滴下した前記融液を前記二つの冷却台で挟
持し、前記融液を前記冷却台の少なくとも一方の表面に
形成された前記第一熱電材料層上に薄膜状に広げ冷却し
た後、前記二つの冷却台を離し、前記第二熱電材料層を
形成する工程とすることもできる。なお、各熱電材料層
は二つの冷却台の一方のみに形成されるものとすること
もできるが、二つの冷却台に各々形成されるものとする
こともできる。
て、前記第一熱電材料層形成工程は、滴下した前記融液
を対向配置され各々駆動可能な二つの冷却台で挟持し、
前記融液を前記冷却台の少なくとも一方の表面に薄膜状
に広げ冷却した後、前記二つの冷却台を離し、前記第一
熱電材料層を形成する工程であり、前記第二熱電材料層
形成工程は、滴下した前記融液を前記二つの冷却台で挟
持し、前記融液を前記冷却台の少なくとも一方の表面に
形成された前記第一熱電材料層上に薄膜状に広げ冷却し
た後、前記二つの冷却台を離し、前記第二熱電材料層を
形成する工程とすることもできる。なお、各熱電材料層
は二つの冷却台の一方のみに形成されるものとすること
もできるが、二つの冷却台に各々形成されるものとする
こともできる。
【００１１】この本発明の熱電材料の製造方法におい
て、前記冷却台は、該冷却台の表面温度を調整する温度
調整手段が設けられているものとすることもできる。冷
却台の表面温度を調整することで、熱電材料層が多数積
層されても、融液を最適な温度で冷却することができ
る。
て、前記冷却台は、該冷却台の表面温度を調整する温度
調整手段が設けられているものとすることもできる。冷
却台の表面温度を調整することで、熱電材料層が多数積
層されても、融液を最適な温度で冷却することができ
る。
【００１２】本発明の熱電材料は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、
Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍ
ｎ、Ｃｏ、Ｓｉから選択される少なくとも２種類以上の
元素を含む原料から製造される熱電材料であって、前記
原料からなり積層された複数の熱電材料層を備え、前記
各熱電材料層は、該各熱電材料層の積層方向に伸びる柱
状結晶粒を有することを特徴とする。
Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍ
ｎ、Ｃｏ、Ｓｉから選択される少なくとも２種類以上の
元素を含む原料から製造される熱電材料であって、前記
原料からなり積層された複数の熱電材料層を備え、前記
各熱電材料層は、該各熱電材料層の積層方向に伸びる柱
状結晶粒を有することを特徴とする。
【００１３】本発明の熱電材料では、各熱電材料層が積
層されており、各熱電材料層はその積層方向に伸びる柱
状結晶粒を有するため、熱伝導率が低くなる。また、積
層方向の強度も高くなる。
層されており、各熱電材料層はその積層方向に伸びる柱
状結晶粒を有するため、熱伝導率が低くなる。また、積
層方向の強度も高くなる。
【００１４】この本発明の熱電材料において、平均結晶
粒径が１〜５μｍであり、充填率が９８％〜１００％で
あるものとすることもできる。本発明の熱電材料は、熱
電材料の粉末を焼結してバルク状にして製造した熱電材
料と比較して、平均結晶粒径が小さくなるため、結晶粒
界によるフォノン散乱が増大し、熱伝導率を低減するこ
とができる。また、充填率が高いため電気伝導率は大き
く保たれる。以上の結果、性能指数の高い材料となる。
粒径が１〜５μｍであり、充填率が９８％〜１００％で
あるものとすることもできる。本発明の熱電材料は、熱
電材料の粉末を焼結してバルク状にして製造した熱電材
料と比較して、平均結晶粒径が小さくなるため、結晶粒
界によるフォノン散乱が増大し、熱伝導率を低減するこ
とができる。また、充填率が高いため電気伝導率は大き
く保たれる。以上の結果、性能指数の高い材料となる。
【００１５】本発明の熱電材料製造装置は、原料融液を
冷却して熱電材料を製造する熱電材料製造装置であっ
て、前記融液を表面に薄膜状に広げ冷却する冷却台と、
前記融液を前記冷却台表面に供給する融液供給手段と、
を備え、前記冷却台表面に少なくとも二層の積層された
熱電材料層を有する熱電材料を製造することを特徴とす
る。
冷却して熱電材料を製造する熱電材料製造装置であっ
て、前記融液を表面に薄膜状に広げ冷却する冷却台と、
前記融液を前記冷却台表面に供給する融液供給手段と、
を備え、前記冷却台表面に少なくとも二層の積層された
熱電材料層を有する熱電材料を製造することを特徴とす
る。
【００１６】本発明の熱電材料製造装置では、複数の熱
電材料層が積層された熱電材料を冷却台表面に形成する
ことができる。その結果、焼結してバルク状にする必要
がなく、熱電材料への不純物の混入を防ぐことができ
る。
電材料層が積層された熱電材料を冷却台表面に形成する
ことができる。その結果、焼結してバルク状にする必要
がなく、熱電材料への不純物の混入を防ぐことができ
る。
【００１７】この本発明の熱電材料製造装置において、
熱電材料製造装置は、前記冷却台を回転させる冷却台回
転手段を備え、前記冷却台は、その表面が略円形であり
前記冷却台回転手段により回転するとともに前記融液供
給手段により供給された前記融液を前記表面の半径方向
に薄膜状に広げ前記熱電材料層を形成するものとするこ
ともできる。冷却台を回転させることによって、冷却台
表面に均一に融液を広げることができ、各熱電材料層の
層の厚さを冷却台表面に渡って均一にすることができ
る。その結果、均一な厚さの熱電材料を製造することが
できる。
熱電材料製造装置は、前記冷却台を回転させる冷却台回
転手段を備え、前記冷却台は、その表面が略円形であり
前記冷却台回転手段により回転するとともに前記融液供
給手段により供給された前記融液を前記表面の半径方向
に薄膜状に広げ前記熱電材料層を形成するものとするこ
ともできる。冷却台を回転させることによって、冷却台
表面に均一に融液を広げることができ、各熱電材料層の
層の厚さを冷却台表面に渡って均一にすることができ
る。その結果、均一な厚さの熱電材料を製造することが
できる。
【００１８】この本発明の熱電材料製造装置において、
熱電材料製造装置は、対向配置された二つの冷却台と、
前記二つの冷却台を各々駆動する駆動手段と、を備え、
前記融液供給手段は、前記二つの冷却台の間に前記融液
を供給し、前記二つの冷却台は、前記融液供給手段によ
り供給された前記融液を挟持するように前記駆動手段で
駆動され、前記融液を前記二つの冷却台の少なくとも一
方の表面に薄膜状に広げ冷却した後、前記駆動手段によ
り二つの冷却台が離れるように駆動されるものとするこ
ともできる。なお、各熱電材料層は二つの冷却台の一方
のみに形成することもできるが、二つの冷却台に各々形
成することもできる。
熱電材料製造装置は、対向配置された二つの冷却台と、
前記二つの冷却台を各々駆動する駆動手段と、を備え、
前記融液供給手段は、前記二つの冷却台の間に前記融液
を供給し、前記二つの冷却台は、前記融液供給手段によ
り供給された前記融液を挟持するように前記駆動手段で
駆動され、前記融液を前記二つの冷却台の少なくとも一
方の表面に薄膜状に広げ冷却した後、前記駆動手段によ
り二つの冷却台が離れるように駆動されるものとするこ
ともできる。なお、各熱電材料層は二つの冷却台の一方
のみに形成することもできるが、二つの冷却台に各々形
成することもできる。
【００１９】この本発明の熱電材料製造装置において、
前記冷却台は、該冷却台の表面温度を調整する温度調整
手段が設けられているものとすることもできる。冷却台
の表面温度を調整することで、熱電材料層が多数積層さ
れても、融液を最適な温度で冷却することができる。
前記冷却台は、該冷却台の表面温度を調整する温度調整
手段が設けられているものとすることもできる。冷却台
の表面温度を調整することで、熱電材料層が多数積層さ
れても、融液を最適な温度で冷却することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。なお、各
図において同一又は同等の構成要件は、同一の符号を施
している。
実施形態という）を、図面に従って説明する。なお、各
図において同一又は同等の構成要件は、同一の符号を施
している。
【００２１】図１は本実施形態の熱電材料製造装置１０
０の構成を示した概略図である。熱電材料製造装置１０
０は、周囲を高周波加熱用コイル１０で巻かれ先端にノ
ズル１２を備える加熱容器１４と、温度制御された循環
水によって水冷され一定の温度に保たれ表面がＢｉＴｅ
合金融液と濡れ性を持った材料で被覆された水冷金属円
盤１６とを真空漕１８内に備える。真空漕１８外には、
水冷金属円盤１６と機械的に接続されるモータ２０を備
えており、モータ２０は水冷金属円盤１６を所定の回転
数で回転させる。
０の構成を示した概略図である。熱電材料製造装置１０
０は、周囲を高周波加熱用コイル１０で巻かれ先端にノ
ズル１２を備える加熱容器１４と、温度制御された循環
水によって水冷され一定の温度に保たれ表面がＢｉＴｅ
合金融液と濡れ性を持った材料で被覆された水冷金属円
盤１６とを真空漕１８内に備える。真空漕１８外には、
水冷金属円盤１６と機械的に接続されるモータ２０を備
えており、モータ２０は水冷金属円盤１６を所定の回転
数で回転させる。
【００２２】加熱容器１４は、石英を材料としノズル１
２と一体成型されており、内部にＢｉの粉末粒子とＴｅ
の粉末粒子との混合物が入れられている。高周波加熱用
コイル１０は、加熱容器１４内部の混合物を加熱し溶融
させＢｉＴｅ合金融液を形成する。加熱容器１４内に
は、図示していないが、ＢｉＴｅ合金融液の温度を測定
する石英やアルミナ等の耐火物でシースされた熱電対が
設けられており、ＢｉＴｅ合金融液の温度に応じて高周
波加熱用コイル１０に流れる電流を制御し、ＢｉＴｅ合
金融液の温度が所望の温度になるように制御する。加熱
容器１４内には、図示していない不活性ガス供給系から
Ａｒガスなどの不活性ガスが供給される。加熱容器１４
は、内部の不活性ガスの圧力を上げることで、ＢｉＴｅ
合金融液をノズル１２から水冷金属円盤１６へ滴下す
る。この滴下速度及び滴下量は、不活性ガスの圧力を制
御することで、適宜変えることができる。ノズル１２か
ら真空漕１８内に漏れ出た不活性ガスは、図示しない真
空ポンプで排気され、真空漕１８内の気圧をある一定値
以下、例えば１．３３×１０-3［Ｐａ］（１０-5［Ｔｏ
ｒｒ］）以下に保つことができる。
２と一体成型されており、内部にＢｉの粉末粒子とＴｅ
の粉末粒子との混合物が入れられている。高周波加熱用
コイル１０は、加熱容器１４内部の混合物を加熱し溶融
させＢｉＴｅ合金融液を形成する。加熱容器１４内に
は、図示していないが、ＢｉＴｅ合金融液の温度を測定
する石英やアルミナ等の耐火物でシースされた熱電対が
設けられており、ＢｉＴｅ合金融液の温度に応じて高周
波加熱用コイル１０に流れる電流を制御し、ＢｉＴｅ合
金融液の温度が所望の温度になるように制御する。加熱
容器１４内には、図示していない不活性ガス供給系から
Ａｒガスなどの不活性ガスが供給される。加熱容器１４
は、内部の不活性ガスの圧力を上げることで、ＢｉＴｅ
合金融液をノズル１２から水冷金属円盤１６へ滴下す
る。この滴下速度及び滴下量は、不活性ガスの圧力を制
御することで、適宜変えることができる。ノズル１２か
ら真空漕１８内に漏れ出た不活性ガスは、図示しない真
空ポンプで排気され、真空漕１８内の気圧をある一定値
以下、例えば１．３３×１０-3［Ｐａ］（１０-5［Ｔｏ
ｒｒ］）以下に保つことができる。
【００２３】次に、熱電材料製造装置１００を用いて熱
電材料を製造する方法を説明する。図２は、熱電材料の
製造工程を示した図である。最初に、Ｂｉの粉末粒子と
Ｔｅの粉末粒子を混合し真空または不活性雰囲気中で加
熱容器１４に入れる（工程Ｓ１０）。次に、高周波加熱
用コイル１０を通電し、混合物を加熱溶融させＢｉＴｅ
合金融液を形成する（工程Ｓ１２）。
電材料を製造する方法を説明する。図２は、熱電材料の
製造工程を示した図である。最初に、Ｂｉの粉末粒子と
Ｔｅの粉末粒子を混合し真空または不活性雰囲気中で加
熱容器１４に入れる（工程Ｓ１０）。次に、高周波加熱
用コイル１０を通電し、混合物を加熱溶融させＢｉＴｅ
合金融液を形成する（工程Ｓ１２）。
【００２４】そして、水冷金属円盤１６をモータ２０で
回転させ、回転する水冷金属円盤１６の表面にノズル１
２からＢｉＴｅ合金融液を滴下する（工程Ｓ１４）。滴
下されたＢｉＴｅ合金融液２２は、回転する水冷金属円
盤１６による遠心力で水冷金属円盤１６の半径方向（図
１における矢印ａ方向）へ薄膜状に広がり、水冷金属円
盤１６で冷却され凝固し、図３に示す熱電材料層３０と
なる。熱電材料層３０は、水冷金属円盤１６に冷却され
るため、水冷金属円盤１６表面に対して垂直な方向に伸
びる柱状の結晶粒の集合体となる。
回転させ、回転する水冷金属円盤１６の表面にノズル１
２からＢｉＴｅ合金融液を滴下する（工程Ｓ１４）。滴
下されたＢｉＴｅ合金融液２２は、回転する水冷金属円
盤１６による遠心力で水冷金属円盤１６の半径方向（図
１における矢印ａ方向）へ薄膜状に広がり、水冷金属円
盤１６で冷却され凝固し、図３に示す熱電材料層３０と
なる。熱電材料層３０は、水冷金属円盤１６に冷却され
るため、水冷金属円盤１６表面に対して垂直な方向に伸
びる柱状の結晶粒の集合体となる。
【００２５】次に、図示していない制御装置でＢｉＴｅ
合金融液が所定量滴下したか否かを判定する（工程Ｓ１
６）。所定量滴下されていなければ、熱電材料層３０上
にノズル１２からＢｉＴｅ合金融液を滴下する（工程Ｓ
１４）。熱電材料層３０上に滴下されたＢｉＴｅ合金融
液は熱電材料層３０上で薄膜状に広がり、熱電材料層３
０を介して水冷金属円盤１６に冷却され凝固し熱電材料
層３２となる。その後、滴下量が所定量に達するまで、
工程Ｓ１４が繰り返して実行される。工程Ｓ１４を１回
行なう度に熱電材料層が一層形成される。
合金融液が所定量滴下したか否かを判定する（工程Ｓ１
６）。所定量滴下されていなければ、熱電材料層３０上
にノズル１２からＢｉＴｅ合金融液を滴下する（工程Ｓ
１４）。熱電材料層３０上に滴下されたＢｉＴｅ合金融
液は熱電材料層３０上で薄膜状に広がり、熱電材料層３
０を介して水冷金属円盤１６に冷却され凝固し熱電材料
層３２となる。その後、滴下量が所定量に達するまで、
工程Ｓ１４が繰り返して実行される。工程Ｓ１４を１回
行なう度に熱電材料層が一層形成される。
【００２６】図４は、このように製造された熱電材料の
断面図が示されている。水冷金属円盤１６表面には、熱
電材料層３０，熱電材料層３２，熱電材料層３４，熱電
材料層３６が形成されている。各熱電材料層は、工程Ｓ
１４を一回行なうごとに一層ずつ形成される。各熱電材
料層は、水冷金属円盤１６表面に対して垂直な方向、即
ち、各熱電材料層が積層される方向に伸びる柱状の結晶
粒の集合体となっているので、熱伝導率κが低くなり、
積層方向の強度も高くなる。また、各熱電材料層は、Ｂ
ｉＴｅ合金融液を冷却して直接製造されるので、冷却し
たのち粉砕し焼結させる方法で製造した熱電材料に比較
して、不純物の混入が少ない熱電材料となる。また、平
均結晶粒径は１〜５μｍであり、充填率は９８％〜１０
０％となる。この熱電材料では、平均結晶粒径が小さい
ため結晶粒界によるフォノン散乱が増大し熱伝導率κが
低減される。また、充填率が高いため電気伝導率σが高
く保たれる。
断面図が示されている。水冷金属円盤１６表面には、熱
電材料層３０，熱電材料層３２，熱電材料層３４，熱電
材料層３６が形成されている。各熱電材料層は、工程Ｓ
１４を一回行なうごとに一層ずつ形成される。各熱電材
料層は、水冷金属円盤１６表面に対して垂直な方向、即
ち、各熱電材料層が積層される方向に伸びる柱状の結晶
粒の集合体となっているので、熱伝導率κが低くなり、
積層方向の強度も高くなる。また、各熱電材料層は、Ｂ
ｉＴｅ合金融液を冷却して直接製造されるので、冷却し
たのち粉砕し焼結させる方法で製造した熱電材料に比較
して、不純物の混入が少ない熱電材料となる。また、平
均結晶粒径は１〜５μｍであり、充填率は９８％〜１０
０％となる。この熱電材料では、平均結晶粒径が小さい
ため結晶粒界によるフォノン散乱が増大し熱伝導率κが
低減される。また、充填率が高いため電気伝導率σが高
く保たれる。
【００２７】水冷金属円盤１６の表面に熱電材料層を積
層させ熱電材料を形成した後、水冷金属円盤１６の表面
を切り離し、熱電材料を切り出す（工程Ｓ１８）。この
ように熱電材料を切り出す際に、水冷金属円盤１６とと
もに切り出すことで、後の素子化工程で必要な熱電材料
への電極形成の必要がなくなる。従って、工程数を減ら
すことができる。
層させ熱電材料を形成した後、水冷金属円盤１６の表面
を切り離し、熱電材料を切り出す（工程Ｓ１８）。この
ように熱電材料を切り出す際に、水冷金属円盤１６とと
もに切り出すことで、後の素子化工程で必要な熱電材料
への電極形成の必要がなくなる。従って、工程数を減ら
すことができる。
【００２８】本実施形態の熱電材料製造装置１００で
は、ＢｉＴｅ合金融液を回転する水冷金属円盤１６上に
滴下し冷却することを繰り返して積層構造を備える熱電
材料を製造したが、他の製造装置で積層構造を備える熱
電材料を製造することもできる。
は、ＢｉＴｅ合金融液を回転する水冷金属円盤１６上に
滴下し冷却することを繰り返して積層構造を備える熱電
材料を製造したが、他の製造装置で積層構造を備える熱
電材料を製造することもできる。
【００２９】図５は、他の実施形態の熱電材料製造装置
２００の構成の概略図である。熱電材料製造装置２００
は、熱電材料製造装置１００の水冷金属円盤１６に替え
て、図面に向かい右側に設けられた駆動軸５０によって
真空漕１８の中心部に並行移動可能であり温度制御され
た循環水によって水冷され一定の温度に保たれ表面がＢ
ｉＴｅ合金融液と濡れ性を持った材料で被覆された冷却
台５４と、図面に向かい左側に設けられた駆動軸５２に
よって真空漕１８の中心部に並行移動可能であり温度制
御された循環水によって水冷され一定の温度に保たれ表
面がＢｉＴｅ合金融液と濡れ性を持った材料で被覆され
た冷却台５６とが対向配置されており、ノズル１２から
滴下されるＢｉＴｅ合金融液２２の落下位置を検出でき
る光学式センサ５８を備えている。
２００の構成の概略図である。熱電材料製造装置２００
は、熱電材料製造装置１００の水冷金属円盤１６に替え
て、図面に向かい右側に設けられた駆動軸５０によって
真空漕１８の中心部に並行移動可能であり温度制御され
た循環水によって水冷され一定の温度に保たれ表面がＢ
ｉＴｅ合金融液と濡れ性を持った材料で被覆された冷却
台５４と、図面に向かい左側に設けられた駆動軸５２に
よって真空漕１８の中心部に並行移動可能であり温度制
御された循環水によって水冷され一定の温度に保たれ表
面がＢｉＴｅ合金融液と濡れ性を持った材料で被覆され
た冷却台５６とが対向配置されており、ノズル１２から
滴下されるＢｉＴｅ合金融液２２の落下位置を検出でき
る光学式センサ５８を備えている。
【００３０】熱電材料製造装置２００では、左右の冷却
台５４と冷却台５６とが離れた状態で、ノズル１２から
ＢｉＴｅ合金融液２２を冷却台５４と冷却台５６との間
に滴下する。光学式センサ５８でＢｉＴｅ合金融液２２
が検出されると、冷却台５４と冷却台５６とが移動し、
滴下したＢｉＴｅ合金融液２２を挟持する。ＢｉＴｅ合
金融液２２は、冷却台５４と冷却台５６との間で薄膜状
に広がり凝固する。ＢｉＴｅ合金融液２２が凝固したら
冷却台５４と冷却台５６とを離すが、このとき、ＢｉＴ
ｅ合金融液２２と冷却台５４及び冷却台５６との表面の
密着力に応じて、少なくとも冷却台５４及び冷却台５６
のいずれかに熱電材料層が付着する。即ち、熱電材料層
と冷却台５４表面との密着力が冷却台５６表面との密着
力と比較して非常に大きければ冷却台５４に熱電材料層
が付着し、熱電材料層と冷却台５４表面との密着力が冷
却台５６表面との密着力と比較して非常に小さければ冷
却台５６に熱電材料層が付着し、熱電材料層と冷却台５
４表面との密着力が冷却台５６表面との密着力と同程度
であれば、冷却台５４と冷却台５６との双方に熱電材料
層が付着する。
台５４と冷却台５６とが離れた状態で、ノズル１２から
ＢｉＴｅ合金融液２２を冷却台５４と冷却台５６との間
に滴下する。光学式センサ５８でＢｉＴｅ合金融液２２
が検出されると、冷却台５４と冷却台５６とが移動し、
滴下したＢｉＴｅ合金融液２２を挟持する。ＢｉＴｅ合
金融液２２は、冷却台５４と冷却台５６との間で薄膜状
に広がり凝固する。ＢｉＴｅ合金融液２２が凝固したら
冷却台５４と冷却台５６とを離すが、このとき、ＢｉＴ
ｅ合金融液２２と冷却台５４及び冷却台５６との表面の
密着力に応じて、少なくとも冷却台５４及び冷却台５６
のいずれかに熱電材料層が付着する。即ち、熱電材料層
と冷却台５４表面との密着力が冷却台５６表面との密着
力と比較して非常に大きければ冷却台５４に熱電材料層
が付着し、熱電材料層と冷却台５４表面との密着力が冷
却台５６表面との密着力と比較して非常に小さければ冷
却台５６に熱電材料層が付着し、熱電材料層と冷却台５
４表面との密着力が冷却台５６表面との密着力と同程度
であれば、冷却台５４と冷却台５６との双方に熱電材料
層が付着する。
【００３１】冷却台５４と冷却台５６とを離した後、ノ
ズル１２からＢｉＴｅ合金融液２２を冷却台５４と冷却
台５６との間に滴下する。冷却台５４と冷却台５６と
は、再び移動し滴下したＢｉＴｅ合金融液２２を挟持
し、ＢｉＴｅ合金融液を先に付着した熱電材料層上に付
着させる。このように、ＢｉＴｅ合金融液の滴下と熱電
材料層上への付着とを繰り返し、図４に示した積層構造
を有する熱電材料を製造する。
ズル１２からＢｉＴｅ合金融液２２を冷却台５４と冷却
台５６との間に滴下する。冷却台５４と冷却台５６と
は、再び移動し滴下したＢｉＴｅ合金融液２２を挟持
し、ＢｉＴｅ合金融液を先に付着した熱電材料層上に付
着させる。このように、ＢｉＴｅ合金融液の滴下と熱電
材料層上への付着とを繰り返し、図４に示した積層構造
を有する熱電材料を製造する。
【００３２】このように熱電材料製造装置２００におい
ても、積層構造を備える熱電材料を製造することができ
る。
ても、積層構造を備える熱電材料を製造することができ
る。
【００３３】各実施形態の熱電材料は、ＢｉとＴｅとを
原料としたが、それ以外に、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、
Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから
選択される元素を少なくとも２種類以上を含むものとす
ることもできる。特にＢｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、
Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓの少なくとも１種類とＳｅ又はＴｅと
の組み合わせのカルコゲナイト系原料や、Ｆｅ、Ｍｎ、
Ｃｏ、Ｇｅのいずれか１種類とＳｉとの組み合わせのシ
リサイド系原料や、ＢｉＳｂ系原料が好適である。
原料としたが、それ以外に、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、
Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから
選択される元素を少なくとも２種類以上を含むものとす
ることもできる。特にＢｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、
Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓの少なくとも１種類とＳｅ又はＴｅと
の組み合わせのカルコゲナイト系原料や、Ｆｅ、Ｍｎ、
Ｃｏ、Ｇｅのいずれか１種類とＳｉとの組み合わせのシ
リサイド系原料や、ＢｉＳｂ系原料が好適である。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱電材料
の製造方法及び熱電材料の製造装置では、第一熱電材料
層と第二熱電材料層との少なくとも二層の熱電材料層が
積層された熱電材を冷却台表面に形成することができ
る。その結果、焼結してバルク状にする必要がなく、熱
電材料への不純物の混入を抑えることができる。また、
本発明の熱電材料では、各熱電材料層が積層されてお
り、各熱電材料層はその積層方向に伸びる柱状結晶粒を
有するため、熱伝導率κが低くなり、性能指数の高い熱
電材料を製造することができる。
の製造方法及び熱電材料の製造装置では、第一熱電材料
層と第二熱電材料層との少なくとも二層の熱電材料層が
積層された熱電材を冷却台表面に形成することができ
る。その結果、焼結してバルク状にする必要がなく、熱
電材料への不純物の混入を抑えることができる。また、
本発明の熱電材料では、各熱電材料層が積層されてお
り、各熱電材料層はその積層方向に伸びる柱状結晶粒を
有するため、熱伝導率κが低くなり、性能指数の高い熱
電材料を製造することができる。
【図１】 本実施形態の熱電材料製造装置１００の構成
を示した概略図である。
を示した概略図である。
【図２】 本実施形態の熱電材料の製造工程を示す図で
ある。
ある。
【図３】 本実施形態の熱電材料の製造工程途中での断
面図である。
面図である。
【図４】 本実施形態の熱電材料の断面図である。
【図５】 他の実施形態の熱電材料製造装置２００の構
成を示した概略図である。
成を示した概略図である。
【符号の説明】 １０ 高周波加熱用コイル、１２ ノズル、１４ 加熱
容器、１６ 水冷金属円盤、２２ ＢｉＴｅ合金融液、
３０，３２，３４，３６ 熱電材料層、５４，５６ 冷
却台。
容器、１６ 水冷金属円盤、２２ ＢｉＴｅ合金融液、
３０，３２，３４，３６ 熱電材料層、５４，５６ 冷
却台。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 和彦 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 磯田 幸宏 茨城県つくば市千現１−２−１ 科学技術 庁 金属材料技術研究所内
Claims (10)
- 【請求項１】 原料融液を冷却して熱電材料を製造する
熱電材料の製造方法であって、 前記融液を冷却台表面に薄膜状に広げ、該冷却台で冷却
して第一熱電材料層を形成する第一熱電材料層形成工程
と、 該第一熱電材料層上へ前記融液を薄膜状に広げ、前記第
一熱電材料層を介して前記冷却台で冷却して、前記第一
熱電材料層上に第二熱電材料層を形成する第二熱電材料
層形成工程と、を備え、 少なくとも二層の積層された熱電材料層を有する熱電材
料を前記冷却台上に製造することを特徴とする熱電材料
の製造方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の熱電材料の製造方法で
あって、 前記冷却台は、表面が略円形で回転可能な台であり、 前記第一熱電材料層形成工程は、回転する前記冷却台表
面に前記融液を滴下し、該融液を前記冷却台表面の半径
方向に薄膜状に広げ前記第一熱電材料層を形成する工程
であり、 前記第二熱電材料層形成工程は、回転する前記冷却台表
面に形成された前記第一熱電材料層上に前記融液を滴下
し、前記融液を前記半径方向に薄膜状に広げ前記第二熱
電材料層を形成する工程であることを特徴とする熱電材
料の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１に記載の熱電材料の製造方法で
あって、 前記第一熱電材料層形成工程は、滴下した前記融液を対
向配置され各々駆動可能な二つの冷却台で挟持し、前記
融液を前記冷却台の少なくとも一方の表面に薄膜状に広
げ冷却した後、前記二つの冷却台を離し、前記第一熱電
材料層を形成する工程であり、 前記第二熱電材料層形成工程は、滴下した前記融液を前
記二つの冷却台で挟持し、前記融液を前記冷却台の少な
くとも一方の表面に形成された前記第一熱電材料層上に
薄膜状に広げ冷却した後、前記二つの冷却台を離し、前
記第二熱電材料層を形成する工程であることを特徴とす
る熱電材料の製造方法。 - 【請求項４】 前記冷却台には、該冷却台の表面温度を
調整する温度調整手段が設けられていることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれかに記載の熱電材料の製造方
法。 - 【請求項５】 Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、
Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから
選択される少なくとも２種類以上の元素を含む原料から
製造される熱電材料であって、 前記原料からなり積層された複数の熱電材料層を備え、 前記各熱電材料層は、該各熱電材料層の積層方向に伸び
る柱状結晶粒を有することを特徴とする熱電材料。 - 【請求項６】 平均結晶粒径が１〜５μｍであり、充填
率が９８％〜１００％であることを特徴とする請求項５
に記載の熱電材料。 - 【請求項７】 原料融液を冷却して熱電材料を製造する
熱電材料製造装置であって、 前記融液を表面に薄膜状に広げ冷却する冷却台と、 前記融液を前記冷却台表面に供給する融液供給手段と、
を備え、 前記冷却台表面に少なくとも二層の積層された熱電材料
層を有する熱電材料を製造することを特徴とする熱電材
料製造装置。 - 【請求項８】 請求項７に記載の熱電材料製造装置であ
って、 前記冷却台を回転させる冷却台回転手段を備え、 前記冷却台は、その表面が略円形であり前記冷却台回転
手段により回転するとともに前記融液供給手段により供
給された前記融液を前記表面の半径方向に薄膜状に広げ
前記熱電材料層を形成することを特徴とする熱電材料製
造装置。 - 【請求項９】 請求項７に記載の熱電材料製造装置であ
って、 対向配置された二つの冷却台と、 前記二つの冷却台を各々駆動する駆動手段と、を備え、 前記融液供給手段は、前記二つの冷却台の間に前記融液
を供給し、 前記二つの冷却台は、前記融液供給手段により供給され
た前記融液を挟持するように前記駆動手段で駆動され、
前記融液を前記二つの冷却台の少なくとも一方の表面に
薄膜状に広げ冷却した後、前記駆動手段により二つの冷
却台が離れるように駆動されることを特徴とする熱電材
料製造装置。 - 【請求項１０】 前記冷却台には、該冷却台の表面温度
を調整する温度調整手段が設けられていることを特徴と
する請求項７〜９のいずれかに記載の熱電材料製造装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000201198A JP4112158B2 (ja) | 2000-07-03 | 2000-07-03 | 熱電材料の製造方法、熱電材料及び熱電材料製造装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000201198A JP4112158B2 (ja) | 2000-07-03 | 2000-07-03 | 熱電材料の製造方法、熱電材料及び熱電材料製造装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002026403A true JP2002026403A (ja) | 2002-01-25 |
| JP4112158B2 JP4112158B2 (ja) | 2008-07-02 |
Family
ID=18698934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000201198A Expired - Lifetime JP4112158B2 (ja) | 2000-07-03 | 2000-07-03 | 熱電材料の製造方法、熱電材料及び熱電材料製造装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4112158B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007088451A (ja) * | 2005-08-25 | 2007-04-05 | Yamaha Corp | 熱電材料の製造方法、熱電素子の製造方法及び熱電モジュールの製造方法 |
| JP2012204757A (ja) * | 2011-03-28 | 2012-10-22 | Komatsu Ltd | 積層体の製造方法および製造装置 |
| JP2012204758A (ja) * | 2011-03-28 | 2012-10-22 | Komatsu Ltd | 積層体 |
| KR101362291B1 (ko) * | 2012-10-19 | 2014-02-13 | 성균관대학교산학협력단 | 용액공정에 의한 열전소자의 나노입자형태 초격자 박막 성장방법 |
| JPWO2013011971A1 (ja) * | 2011-07-15 | 2015-02-23 | 日本電気株式会社 | 磁性体素子用の積層体及びこの積層体を備えた熱電変換素子並びにその製造方法 |
| US9190594B2 (en) | 2012-04-27 | 2015-11-17 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Thermoelectric material having reduced thermal conductivity, and thermoelectric device and module including the same |
| KR20230066790A (ko) * | 2021-11-08 | 2023-05-16 | 공주대학교 산학협력단 | 적층형 Bi-Sb-Te 합금 및 이의 제조방법 |
-
2000
- 2000-07-03 JP JP2000201198A patent/JP4112158B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007088451A (ja) * | 2005-08-25 | 2007-04-05 | Yamaha Corp | 熱電材料の製造方法、熱電素子の製造方法及び熱電モジュールの製造方法 |
| JP2012204757A (ja) * | 2011-03-28 | 2012-10-22 | Komatsu Ltd | 積層体の製造方法および製造装置 |
| JP2012204758A (ja) * | 2011-03-28 | 2012-10-22 | Komatsu Ltd | 積層体 |
| JPWO2013011971A1 (ja) * | 2011-07-15 | 2015-02-23 | 日本電気株式会社 | 磁性体素子用の積層体及びこの積層体を備えた熱電変換素子並びにその製造方法 |
| US9190594B2 (en) | 2012-04-27 | 2015-11-17 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Thermoelectric material having reduced thermal conductivity, and thermoelectric device and module including the same |
| KR101362291B1 (ko) * | 2012-10-19 | 2014-02-13 | 성균관대학교산학협력단 | 용액공정에 의한 열전소자의 나노입자형태 초격자 박막 성장방법 |
| KR20230066790A (ko) * | 2021-11-08 | 2023-05-16 | 공주대학교 산학협력단 | 적층형 Bi-Sb-Te 합금 및 이의 제조방법 |
| KR102617203B1 (ko) | 2021-11-08 | 2023-12-21 | 공주대학교 산학협력단 | 적층형 Bi-Sb-Te 합금 및 이의 제조방법 |
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|---|---|
| JP4112158B2 (ja) | 2008-07-02 |
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