JP2005019783A

JP2005019783A - 熱電変換材料と電極の接合方法及び熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2005019783A
Application number: JP2003183999A
Authority: JP
Inventors: Makoto Mizutani; 眞水谷
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】酸化亜鉛系熱電変換材料に対して、電極を有効に接合する方法及びこの接合方法により構成してなる熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体からなる熱電変換材料１の一部に、溶射によって接合部３，４を形成し、この接合部３，４と電極金属１１とを接合する熱電変換材料１と電極１１の接合方法。及びこの接合方法により、熱電変換材料１と電極１１を接合した熱電変換モジュール１０である。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換材料と電極の接合方法及び熱電変換モジュールに関し、さらに詳しくは、耐熱性を有する亜鉛系酸化物からなる熱電変換材料と電極を接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱電変換素子（熱電変換モジュール）の熱電変換材料としては、非酸化物系の熱電材料が用いられてきた。その代表的な材料として、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ，Ｐｂ−Ｔｅ，Ｓｉ−Ｇｅ，Ｆｅ−Ｓｉ系化合物等が挙げられる。これらは電極と接合されて熱電変換素子が構成される。電極としては通常Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｌ等の金属、あるいはそれらを主成分とする合金が使用されている。
【０００３】
熱電変換素子においては、熱電変換材料と電極材料とを、高温接合部及び低温接合部の両部分で接合する必要があるが、熱電変換材料が非酸化物の場合には、熱電変換材料、電極材料ともに非酸化物系の材料であるので、両者を接合することは比較的容易であり、それにより熱電変換素子として現実に実用化されている。
一方、酸化物系材料の中にも優れた熱電変換特性を有しているものがあることが見出され、熱電変換材料として開発されている。それら酸化物系熱電変換材料は、室温から高温までの広い温度範囲で有効な熱電特性を備えているが、これら酸化物系の熱電変換材料の場合においても、熱電変換素子として利用するには電極と接合することが必要である。
【０００４】
しかし、酸化物系熱電変換材料の場合には、６００℃近傍の高温域での利用を想定しているため、ハンダ等による接合では耐熱性の点で不都合であること、また、一般に導電性を有する金属で構成される電極とは、濡れ性等の問題があることから接合が難しい。
その中で、ナトリウムコバルト酸化物系等の酸化物系の材料はロウ付けにより比較的容易に接合が出来ることが報告されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１５６５２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者は、酸化亜鉛を主として含む酸化物が、高い熱電性能を示すことを発見している（特願２００２−３３７６３６号）。
しかしながら、この材料を高温で使用するために接合方法の検討を行った結果、通常、セラミックスの接合に有効である、真空下でのロウ付けする方法では、酸化亜鉛系材料の濡れが悪いことや亜鉛の蒸発が起きることから困難であることがわかった。
本発明は上記課題に鑑み、酸化亜鉛系熱電変換材料に対して、電極を有効に接合する方法及びこの接合方法により構成してなる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、各種実験、検討を加えたところ、溶射法（フレーム溶射法、アーク溶射法、レーザー溶射法又はプラズマ溶射法等）又は無電解メッキ法により、熱電変換材料の一部に接合部を形成し、この接合部と電極を形成する金属を、機械的にかしめ、又は、ロウ付けする等によって接合することにより、接合により生じる電気抵抗を向上することなく接合できることを見いだし、本発明に到達するに至ったものである。
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体からなる熱電変換材料の一部に、溶射（フレーム溶射法、アーク溶射法、レーザー溶射法又はプラズマ溶射法等）によって接合部を形成し、この接合部と電極とを接合する熱電変換材料と電極の接合方法が提供される。
本発明の第二の態様によれば、酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体からなる熱電変換材料に、無電解メッキ法によって接合部を形成し、この接合部と電極とを接合する熱電変換材料と電極の接合方法が提供される。
本発明の第三の態様によれば、上記の接合方法により、熱電変換材料と電極を接合した熱電変換モジュールが提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で用いる熱電変換材料は、酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体からなる。
酸化亜鉛に含有させる他の元素としては、三価又はそれ以上の価数をとりうる元素が良好であり、例えば、希土類元素、３ｄ遷移金属元素，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｉｎ及びＧａ等が挙げられる。希土類元素の中でも、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ及びＹｂが好ましく、また、Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｎｉ及びＧａが好ましい。
酸化亜鉛に含まれる元素は、一種でもよく、また、二種以上でもよい。
これらの元素は、酸化亜鉛の亜鉛１モルに対して、０．００００１〜０．５モル含有されることが好ましく、０．００２〜０．１モル含有されることが特に好ましい。
【００１０】
酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体は、必要な元素源を含む原料を、粉末等として均一に混合し、焼成することにより得られる。
酸化物を製造するに際して用いられる原料としては、各成分元素、各成分元素の酸化物又はその焼成時に酸化物となる原料が使用できる。
【００１１】
Ｚｎ源としては、例えば、金属（Ｚｎ）、酸化物（ＺｎＯ）、水酸化物［（Ｚｎ（ＯＨ）_２）］、硝酸塩［Ｚｎ（ＮＯ_３）_２］等が用いられる。
また、Ａｌ源としては、例えば、金属（Ａｌ）、酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）、硝酸塩（Ａｌ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏ）等が、Ｇａ源としては、金属（Ｇａ）、酸化物（Ｇａ_２Ｏ_３）、硝酸塩（Ｇａ（ＮＯ_３）_３・ｎＨ_２Ｏ）等が、Ｚｒ源としては、金属（Ｚｒ）、酸化物（ＺｒＯ_２）、硝酸塩（ＺｒＯ（ＮＯ_３）_２・２Ｈ_２Ｏ）等が、Ｔｉ源としては、金属（Ｔｉ）、酸化物（ＴｉＯ_２）等が、Ｎｉ源としては、金属（Ｎｉ）、酸化物（ＮｉＯ）、硝酸塩（Ｎｉ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ）等が用いられる。
【００１２】
また、希土類元素のうち、Ｃｅ源としては、例えば、金属（Ｃｅ）、酸化物（ＣｅＯ_２）、炭酸化物［Ｃｅ_２（ＣＯ_３）_３・８Ｈ_２Ｏ］、硝酸塩［Ｃｅ（ＮＯ_３）_３・６Ｈ_２Ｏ］等が、Ｐｒ源としては、例えば、酸化物（Ｐｒ_２Ｏ_３）、炭酸化物［Ｐｒ_２（ＣＯ_３）_３］、硝酸塩［Ｐｒ（ＮＯ_３）_３］等が、Ｓｍ源としては、例えば、酸化物（Ｓｍ_２Ｏ_３）、炭酸化物［Ｓｍ_２（ＣＯ_３）_３］、硝酸塩［Ｓｍ（ＮＯ_３）_３］等が、Ｎｄ源としては、例えば、酸化物（Ｎｄ_２Ｏ_３）、炭酸化物［Ｎｄ_２（ＣＯ_３）_３］、硝酸塩［Ｎｄ（ＮＯ_３）_３］等が、Ｙｂ源としては、例えば、酸化物（Ｙｂ_２Ｏ_３）、炭酸化物［Ｙｂ_２（ＣＯ_３）_３］、硝酸塩［Ｙｂ（ＮＯ_３）_３］等がそれぞれ用いられる。また、Ｉｎ源としては、例えば、金属（Ｉｎ）、酸化物（Ｉｎ_２Ｏ_３）、水酸化物［Ｉｎ（ＯＨ）_３］、硝酸塩［Ｉｎ（ＮＯ_３）_３］等が用いられる。
【００１３】
これらの元素源の混合物に、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）水溶液等の成形助剤を加え、乾燥させ加圧成形したものを焼結することによって、酸化物焼結体を作製できる。
【００１４】
続いて、上記の熱電変換材料の一部に接合部を形成する。
本発明では、熱電変換材料の一部表面を切削した導電性面上に、プラズマ溶射法、又は無電解メッキ法によって、溶射又はメッキを施し、接合部を形成する。
【００１５】
溶射法は、コーティング材料を、加熱により溶融又は軟化させ、微粒子状にして加速し被覆対象物表面に衝突させて、扁平に潰れた粒子を凝固・堆積させることにより皮膜を形成するコーティング技術の一種で、使用する材料や熱源の種類等により分類でき、フレーム溶射、アーク溶射、レーザー溶射又はプラズマ溶射等が挙げられる。
本発明において、溶射（フレーム溶射法、アーク溶射法、レーザー溶射法又はプラズマ溶射法等）に用いる機器としては、公知であり一般に市販されているものを使用できる。また、溶射条件は、被溶射物である熱電変換材料、及び使用される溶射材料に合わせて適宜調整することができる。
【００１６】
接合部を形成する溶射材料としては、例えば、Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ及びＩｎ等のいずれか一つの金属又はこれらの元素のうち少なくとも一つを含む合金等が使用できる。好ましくは、Ｎｉ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ、又はこれらの元素を含む合金である。
具体的には、Ｎｉ９５％Ａｌ５％合金、Ａｌ及びステンレス等が好適に使用できる。
【００１７】
無電解メッキ法は、電流を使わずに金属を化学的に還元析出させることでメッキする方法である。
本発明において、無電解メッキ法は公知の方法によって行うことができる。
接合部を形成するメッキ材料としては、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びＳｎ等が使用できる。好ましくは、Ｎｉ，Ｃｒである。
【００１８】
熱電変換材料と接合される電極材料としては、Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ等の金属や、ステンレス等の合金を用いることができる。電極材料には、熱電変換材料の逆向きの熱起電力を生じる材料を選択することが好ましい。即ち、ｎ型熱電変換材料に対しては、熱起電力が正になるステンレス合金等が好ましく、ｐ型熱電変換材料に対しては、熱起電力が負になるＮｉやＣｕ等が好ましい。
また、電極材料は、線状又は薄膜形状として使用することが好ましい。
【００１９】
以下、本発明の接合方法及び熱電変換モジュールの一実施形態を、図を用いて説明する。
図１は、熱電変換材料の形状を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
熱電変換材料１は、上述した酸化亜鉛を主とする混合物を、直方体に加圧成形し、これを焼結して作製したものである。熱電変換材料１の両端部の上面には、には、導電性面２が形成されている。
尚、導電性面２は、熱電変換材料１の表面を、ダイヤモンドドリル等の切削機器によって、切削することにより形成できる。
【００２０】
図２は、接合部形成後の熱電変換材料の側面図である。
導電性面２上に、溶射（フレーム溶射法、アーク溶射法、レーザー溶射法又はプラズマ溶射法等）による溶射部又は無電解メッキ法によるメッキ部からなる第一端の接合部３及び第二端の接合部４を形成する。
【００２１】
このように接合部３，４を形成した熱電変換材料１を、電極と接合して熱電変換モジュールとする。
図３は、熱電変換モジュールの概略上面図であり、図４は、図３中のＡ−Ａ線切断図である。
熱電変換モジュール１０は、熱電変換材料１が複数本介在配置され、一の熱電変換材料１の第一端の接合部３と、隣接して配置された他の熱電変換材料１の第二端の接合部４を、それぞれ電極金属１１を介して接続した構成をしている。
【００２２】
電極金属１１は、複数の熱電変換材料１を電気的に接続するものであり、熱電変換材料１と、接合部３又は４以外の箇所で接触しない様に折り曲げ加工がなされている。
ケース１３は、熱電変換材料１と電極を接合するためのもので、断面が凹形状であり、その上面及び下面の対向する位置に孔が設けられている。この孔にピン１２を貫通させ、ピン１２の一端をかしめることによって、ケース１３の上面及び下面の間隙を狭めることができるようになっている。
【００２３】
本実施形態においては、熱電変換材料１の接合部３又は４と電極金属１１をケース１３に挿入し、ピン１２の一端をかしめることにより、ケース１３の上面及び下面の間隙を狭めることによって、熱電変換材料１と電極金属１１を接合している。
このように、接合部３又は４と金属電極１１を接合することによって、この界面によって生じる電気抵抗の増加を抑制できる。
【００２４】
尚、熱電変換モジュール１０においては、接合部３又は４と金属電極１１を、ケース１３を用いて機械的に接合しているが、これに限らず、例えば、銀ろう，金ろう，黄銅ろう等のろう材によって接着することもできる。
また、ケース１３内の間隙を、ピン１２をかしめることによって狭めているが、これに代えてボトルナットで締め付けることによって接合してもよい。
【００２５】
この熱電変換モジュール１０を、リード線等によって電気回路に組み込み、熱電変換材料１の両端部間に温度差を与えるにより、ゼーベック効果によって電流が流れる。
本発明の接合方法により作製した熱電変換モジュールは、高温での使用にも熱電変換特性の劣化が少ないため、燃焼排ガス等の高温熱源を利用できる。
また、家庭用及び工業用石油燃料暖房器等に使用できる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【００２７】
実施例１
酸化亜鉛粉（純度９９．９％）１２０ｇ及び酸化セリウム（純度９９．９％）１．２ｇを秤量し、遊星ボールミルで２０時間混合粉砕した。
次に、この混合物をビーカーにとり、１重量％のＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液を１２０ｇ添加し、よく混合した。これを乾燥機にて９０℃、２４時間乾燥させた後、乳鉢にとり、粉砕しながら１００メッシュのふるいにかけ、粒度をそろえた。
得られた粉末を金型に入れて、幅約５ｍｍ、厚さ約５ｍｍ、長さ約５０ｍｍの棒状に加圧成形した。得られた５本の成形体を、室温から８時間かけて１４５０℃まで昇温し、１０時間保持した後、８時間かけて室温まで冷却し、熱電変換材料（ＺｎＯ−Ｃｅ焼結体）を作製した。
【００２８】
得られた熱電変換材料の長軸方向の表面を、長さ約１０ｍｍ、幅約２ｍｍずつダイヤモンドドリルで削り落として導電性面を形成した（図１参照）。これにアーク溶射法（日本ユテク株式会社製モデル９０００アークシステム）を用い、溶射材料として、Ｎｉ９５％Ａｌ１５％線を用いて焼結体の導電性面に溶射し、接合部を形成した（図２参照）。
【００２９】
この接合部に、電極金属としてＳＵＳ４３０のシート（厚さ１００ミクロン）を、図３に示すように、電極金属及び熱電変換材料をケースに挿入し、機械的に締め付けることによって接合し、熱電変換モジュールを作製した。
この熱電変換モジュールをアルミナ基板に載せ、ホットプレート上に置いて、ホットプレートの温度を５分程度かけて室温（２５℃）から４５０℃に上昇させ、４５０℃で２０分保持後、室温にて放置し、モジュールの温度を室温まで戻すというヒートサイクル試験を１０回繰り返した。その結果、ヒートサイクル試験の前後において、モジュールの熱起電力、電気抵抗の変化はなく、良好な接合が出来ていることがわかった。
【００３０】
実施例２
酸化亜鉛粉（純度９９．９％）を１２０ｇ、酸化セリウム（純度９９．９％）を０．５ｇ、及び酸化ニッケル（純度９９．９％）を１．９ｇ秤量し、遊星ボールミルで２０時間混合粉砕した。
次に、この混合物をビーカーにとり、１重量％ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液を１２０ｇ添加し、よく混合した。これを乾燥機にて９０℃、２４時間乾燥させた後、乳鉢にとり、さらに粉砕しながら１００メッシュのふるいにかけ、粒度をそろえた。
【００３１】
得られた粉末を、金型に入れて、幅約５ｍｍ、厚さ約５ｍｍ、長さ約５０ｍｍの棒状に加圧成形した。得られた５本の成形体を、室温から８時間かけて１４５０℃まで昇温し、１０時間保持した後、８時間かけて室温まで冷却し、熱電変換材料を作製した。
得られた焼結体を実施例１と同様に加工し、熱電変換モジュールを作製した。
このモジュールを、実施例１と同様にヒートサイクル試験を行った結果、試験前後において、モジュールの熱起電力、電気抵抗の変化はなく、良好な接合が出来ていることがわかった。
【００３２】
実施例３
実施例１において、溶射材料としてＡｌ線を用いた他は、実施例１と同様にして、熱電変換モジュールを作製した。
このモジュールについて、実施例１と同様のヒートサイクル試験を実施した結果、試験前後において、モジュールの熱起電力、電気抵抗の変化はなく、良好な接合が出来ていることがわかった。
【００３３】
実施例４
実施例１と同様にして、熱電変換材料を作製し、導電性面を形成した後、この導電性面上に、Ｎｉの無電解メッキを施し、接合部を形成した。
接合部の形成は以下の方法で行った。
メッキ液には、硫酸ニッケル２５ｇと蒸留水５００ｃｃを５リットル容器に入れて溶かし、次いで、次亜リン酸ナトリウム２０ｇ、酢酸ナトリウム１０ｇ、クエン酸ナトリウム１０ｇを入れてよくかき混ぜ、蒸留水を加えて１リットルにし、その後、硫酸と次亜リン酸ナトリウムでｐＨを５に調製したものを使用した。
このメッキ液を約９０℃に加熱したものに、先端を研磨し、脱脂した熱電変換材料を浸し、治具で保持した状態で１時間放置してメッキを形成した。その後、メッキ部を水で洗浄し接合部とした。
【００３４】
この試料に、電極金属として、ＳＵＳ４３０のシート（厚さ１００ミクロン）を、図３に示すように、電極金属及び熱電変換材料をケースに挿入し、機械的に締め付けることによって接合し、熱電変換モジュールを作製した。
このモジュールについて、実施例１と同様のヒートサイクル試験を実施した結果、試験前後において、モジュールの熱起電力、電気抵抗の変化はなく、良好な接合が出来ていることがわかった。
【００３５】
実施例５
実施例１において、熱電変換材料と電極金属の接合方法を代えた他は、実施例１と同様にして、熱電変換モジュールを作製した。
熱電変換材料と電極金属の接合は、熱電変換材料に形成した接合部と電極金属を、大気下で、銀ロウ（Ａｇ／Ｃｕ／Ｚｎ／Ｃｄ：４５／１５／１６／２４）付けによって行った。
このモジュールについて、実施例１と同様のヒートサイクル試験を実施した結果、試験前後において、モジュールの熱起電力、電気抵抗の変化はなく、良好な接合が出来ていることがわかった。
【００３６】
比較例１
実施例１と同様に作製した熱電変換材料の長軸方向の表面を長さ約１０ｍｍ、幅約２ｍｍずつダイヤモンドドリルで削り落として導電性面を出した後（図１参照）、この導電性面に、電極金属であるＳＵＳ４３０のシート（厚さ１００ミクロン）を橋渡し、真空下、８００℃で、活性銀ロウ（ＴＫＣ−５９１：ＡｇＣｕＩｎＴｉ系）を使用して銀ロウ付けを行おうとしたが、銀ロウと熱電変換材料の濡れが悪く接合できなかった。
【００３７】
比較例２
比較例１において、活性銀ロウの代わりに、銀ペースト（導電性接着剤二液タイプＤ−７５３、藤倉化成（株）製）を用いて、電極金属を橋渡して接合した他は比較例１と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
このモジュールについて、実施例１と同様のヒートサイクル試験を実施した結果、試験後において、モジュールの電気抵抗が著しく増加することがわかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化亜鉛系熱電変換材料に対して、電極を有効に接合する方法及びこの接合方法により構成してなる熱電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱電変換材料の形状を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】接合部形成後の熱電変換材料の側面図である。
【図３】熱電変換モジュールの概略上面図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ線切断図である。
【符号の説明】
１熱電変換材料
２導電性面
３第一端の接合部
４第二端の接合部
１０熱電変換モジュール
１１電極金属（電極）
１２ピン
１３ケース

Claims

酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体からなる熱電変換材料の一部に、溶射によって接合部を形成し、この接合部と電極とを接合する熱電変換材料と電極の接合方法。
前記接合部を形成する溶射材料が、Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ及びＩｎから選択される少なくとも１つの元素を含む請求項１に記載の熱電変換材料と電極の接合方法。
前記接合部を形成する溶射材料が、ステンレス鋼である請求項１に記載の熱電変換材料と電極の接合方法。
酸化亜鉛を主成分とする酸化物焼結体からなる熱電変換材料に、無電解メッキ法によって接合部を形成し、この接合部と電極とを接合する熱電変換材料と電極の接合方法。
前記接合部を形成するメッキ材料が、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びＳｎから選択される少なくとも１つの元素を含む請求項４に記載の熱電変換材料と電極の接合方法。
前記熱電変換材料が、酸化亜鉛に、希土類元素，３ｄ遷移金属元素，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｉｎ及びＧａの少なくとも１つを、前記酸化亜鉛の亜鉛１モルに対して、０．００００１〜０．５モル含有した酸化物からなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電変換材料と電極の接合方法。
前記溶射が、プラズマ溶射である請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱電変換材料と電極の接合方法。
請求項１〜７のいずれかに記載の接合方法により、熱電変換材料と電極を接合した熱電変換モジュール。