JP2005268240A - Thermoelectric module - Google Patents

Thermoelectric module Download PDF

Info

Publication number
JP2005268240A
JP2005268240A JP2004073726A JP2004073726A JP2005268240A JP 2005268240 A JP2005268240 A JP 2005268240A JP 2004073726 A JP2004073726 A JP 2004073726A JP 2004073726 A JP2004073726 A JP 2004073726A JP 2005268240 A JP2005268240 A JP 2005268240A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric
type
junction
electrode
elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004073726A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryoji Asahi
良司 旭
Toshihiko Tani
俊彦 谷
Katsuji Okuda
勝治 奥田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2004073726A priority Critical patent/JP2005268240A/en
Publication of JP2005268240A publication Critical patent/JP2005268240A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric module which has a high reliability, the high heat recovery efficiency, and a wide choice for thermoelectric materials; generates little thermal stress; and causes a large temperature difference between a hot junction and a cold junction. <P>SOLUTION: The thermoelectric module 50 includes a thermoelectric element 40a comprising at least one single joint element 16 which is such that at least one p-type element 12 made of a p-type thermoelectric material and at least one n-type element 14 made of an n-type thermoelectric material are joined by the end faces in the longitudinal direction, a first electrode 30 connected to one end of the single joint element 16, and a second electrode 30 connected to the other end of the single joint element 16. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、熱電モジュールに関し、さらに詳しくは、熱電発電、熱電冷却、熱電加熱等に用いられる熱電モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric module, and more particularly to a thermoelectric module used for thermoelectric power generation, thermoelectric cooling, thermoelectric heating, and the like.

熱電変換とは、ゼーベック効果やペルチェ効果を利用して、電気エネルギーを冷却や加熱のための熱エネルギーに、また逆に熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することをいう。熱電変換は、(1)エネルギー変換の際に余分な老廃物を排出しない、(2)排熱の有効利用が可能である、(3)材料が劣化するまで継続的に発電を行うことができる、(4)モータやタービンのような可動装置が不要であり、メンテナンスの必要がない、等の特徴を有していることから、エネルギーの高効率利用技術として注目されている。   Thermoelectric conversion refers to the direct conversion of electrical energy into thermal energy for cooling and heating, and conversely, thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect and Peltier effect. Thermoelectric conversion (1) No excess waste is discharged during energy conversion, (2) Effective use of exhaust heat is possible, (3) Power can be generated continuously until the material deteriorates (4) Since a movable device such as a motor or a turbine is unnecessary and maintenance is not required, it has been attracting attention as a high-efficiency energy utilization technology.

熱エネルギと電気エネルギとを相互に変換できる材料、すなわち、熱電材料の特性を評価する指標としては、一般に、性能指数Z(=Sσ/κ、但し、S:ゼーベック係数、σ:電気伝導度、κ:熱伝導度)、又は、性能指数Zと、その値を示す絶対温度Tの積として表される無次元性能指数ZTが用いられる。ゼーベック係数は、1Kの温度差によって生じる起電力の大きさを表す。熱電材料は、それぞれ固有のゼーベック係数を持っており、ゼーベック係数が正であるもの(p型)と、負であるもの(n型)に大別される。 As an index for evaluating the characteristics of a material capable of mutually converting thermal energy and electrical energy, that is, thermoelectric material characteristics, generally, the figure of merit Z (= S 2 σ / κ, where S: Seebeck coefficient, σ: electrical conduction Degree, κ: thermal conductivity), or a dimensionless figure of merit ZT expressed as a product of the figure of merit Z and the absolute temperature T indicating the value. The Seebeck coefficient represents the magnitude of electromotive force generated by a temperature difference of 1K. Thermoelectric materials each have their own Seebeck coefficient, and are broadly classified into those having a positive Seebeck coefficient (p-type) and those having a negative Seebeck coefficient (n-type).

また、熱電材料は、通常、p型の熱電材料とn型の熱電材料とを接合した状態で使用される。このような接合対は、一般に、熱電素子と呼ばれている。熱電素子には、接合形式の異なる「U型」及び「π型」の2つのタイプが知られている。「U型」の熱電素子は、p型熱電材料とn型熱電材料とをU字型となるように直接接合したものである。また、「π型」の熱電素子は、柱状のp型熱電材料の端面と柱状のn型熱電材料の端面とをπ字型となるように金属電極を介して接合したものである。   The thermoelectric material is usually used in a state where a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are joined. Such a junction pair is generally called a thermoelectric element. There are two known thermoelectric elements, “U-type” and “π-type”, which have different types of bonding. The “U-type” thermoelectric element is obtained by directly joining a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material so as to be U-shaped. In addition, the “π-type” thermoelectric element is an element in which an end surface of a columnar p-type thermoelectric material and an end surface of a columnar n-type thermoelectric material are joined via a metal electrode so as to be π-shaped.

しかしながら、熱電素子を構成するp型熱電材料とn型熱電材料とは、一般に異なる材料からなる。また、熱電素子の開放端には、通常、熱電素子から出力を取り出し又は熱電素子に電流を供給するための金属電極が接合される。すなわち、接合部及び開放端においては、異種材料間の接合が行われる。さらに、熱電素子を熱電発電に用いる場合、通常、接合部は加熱され、開放端は冷却される。また、熱電素子を熱電加熱・冷却に用いる場合、電流の方向に応じて、接合部又は開放端のいずれか一方が発熱する。さらに、熱電材料は、一般の構造材料に比べて機械的強度が低い。
そのため、従来の熱電素子は、使用中に発生する熱負荷及び/又は外力によって、接合部及び/又は熱電材料そのものが破損する場合があった。
However, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material constituting the thermoelectric element are generally made of different materials. In addition, a metal electrode for extracting an output from the thermoelectric element or supplying a current to the thermoelectric element is usually joined to the open end of the thermoelectric element. That is, the dissimilar materials are joined at the joint and the open end. Further, when the thermoelectric element is used for thermoelectric power generation, the joint is usually heated and the open end is cooled. Moreover, when using a thermoelectric element for thermoelectric heating and cooling, either a junction part or an open end will generate | occur | produce heat according to the direction of an electric current. Furthermore, the thermoelectric material has a lower mechanical strength than a general structural material.
For this reason, in the conventional thermoelectric element, the joint portion and / or the thermoelectric material itself may be damaged by a thermal load and / or an external force generated during use.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献1には、角柱状のp型熱電材料と角柱状のn型熱電材料からなるU型熱電素子の開放端側の側面に、平面状の電力取出用端子を面接合し、さらに、電力取出用端子の固着部分を補強用モールドで被覆した熱電素子が開示されている。同文献には、このような構成を取ることによって、電力取出用端子の固着面積が大きくなるので、電力取出用端子の耐久性及び耐熱性が向上する点が記載されている。   In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made. For example, in Patent Document 1, a planar power extraction terminal is surface-bonded to a side surface on the open end side of a U-type thermoelectric element made of a prismatic p-type thermoelectric material and a prismatic n-type thermoelectric material, A thermoelectric element in which a fixed portion of a power extraction terminal is covered with a reinforcing mold is disclosed. This document describes that by adopting such a configuration, the fixing area of the power extraction terminal is increased, so that the durability and heat resistance of the power extraction terminal are improved.

また、特許文献2には、p型熱電材料とn型熱電材料とを接合するための金属電極を、金属板と金属箔との層状構造にしたπ型熱電素子が開示されている。同文献には、金属板と貴金属からなる金属箔との層状構造を備えた金属電極を用いると、電極部の耐熱性が向上する点が記載されている。   Patent Document 2 discloses a π-type thermoelectric element in which a metal electrode for joining a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material has a layered structure of a metal plate and a metal foil. This document describes that when a metal electrode having a layered structure of a metal plate and a metal foil made of a noble metal is used, the heat resistance of the electrode portion is improved.

さらに、特許文献3には、π型熱電素子の温接点を時計の裏蓋に固定し、π型熱電素子の冷接点に弾性変形可能な熱伝導体を固定し、熱伝導体の端部を時計の上胴に固定した熱電発電時計が開示されている。同文献には、冷接点と上胴とを直接固定せず、両者を弾性変形可能な熱伝導体を介して接続することによって、π型熱電素子に加わる衝撃力が緩和され、外力によるπ型熱電素子の破損を回避できる点が記載されている。   Further, in Patent Document 3, the hot junction of the π-type thermoelectric element is fixed to the back cover of the watch, the elastic conductor that can be elastically deformed is fixed to the cold junction of the π-type thermoelectric element, and the end of the thermal conductor is attached. A thermoelectric power generation timepiece fixed to the upper body of the timepiece is disclosed. In this document, the impact force applied to the π-type thermoelectric element is mitigated by connecting the two via a heat conductor that can be elastically deformed without directly fixing the cold junction and the upper body, and π-type due to external force The point that damage of the thermoelectric element can be avoided is described.

特開2002−232023号公報JP 2002-232023 A 特開2002−368294号公報JP 2002-368294 A 特開2002−257961号公報JP 2002-257916 A

しかしながら、U型熱電素子は、基本的には、細長いp型熱電材料及びn型熱電材料を先端側の側面において接合した構造をとる。そのため、p型熱電材料とn型熱電材料の熱膨張係数が大きく異なる場合には、使用時に発生する熱負荷によって、接合面に大きな熱せん断応力が加わる。また、U型熱電素子の開放端に外力が加わると、接合部に大きな曲げモーメントが発生する。その結果、加熱冷却が繰り返された場合及び/又は外力が作用した場合には、接合部が破損し、信頼性が低いという問題がある。   However, the U-type thermoelectric element basically has a structure in which an elongated p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are joined on the side surface on the tip side. Therefore, when the thermal expansion coefficients of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are greatly different, a large thermal shear stress is applied to the joint surface due to the thermal load generated during use. Further, when an external force is applied to the open end of the U-type thermoelectric element, a large bending moment is generated at the joint. As a result, when heating and cooling are repeated and / or when an external force is applied, there is a problem that the joint is damaged and reliability is low.

また、π型熱電素子は、大きな出力を得るために、一般に、高さの等しい多数のπ型熱電素子を直列に接続し、これらを一対の平板で挟持したモジュールとして使用される。そのため、π型モジュールは、高温部の断面積が小さな熱源からの熱の回収効率が低いという問題がある。例えば、円形配管の内部に高温の熱流体が流れ、かつ管の側壁面において冷却される場合において、管の側壁面から熱を回収するときには、π型モジュールでは、効率よく熱を回収することができない。   In order to obtain a large output, the π-type thermoelectric element is generally used as a module in which a large number of π-type thermoelectric elements having the same height are connected in series and sandwiched between a pair of flat plates. Therefore, the π-type module has a problem that the efficiency of recovering heat from a heat source having a small cross-sectional area of the high temperature portion is low. For example, when a high-temperature thermal fluid flows inside a circular pipe and is cooled on the side wall surface of the pipe, when recovering heat from the side wall surface of the pipe, the π-type module can efficiently recover the heat. Can not.

また、π型モジュールは、多数のπ型熱電素子を一対の平行平板で挟持しているので、p型熱電材料とn型熱電材料との熱膨張係数差に起因する熱応力の発生を構造的に回避できないという問題がある。特に、p型熱電材料とn型熱電材料の熱膨張係数が大きく異なる場合には、素子が破損し、あるいは、接続不良や接合不良が発生するおそれがある。一方、これを回避するためには、p型熱電材料及びn型熱電材料として、熱膨張係数の近いものを用いる必要があり、熱電材料の選択に制約がある。   In addition, since the π-type module has a large number of π-type thermoelectric elements sandwiched between a pair of parallel flat plates, the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material is structurally There is a problem that cannot be avoided. In particular, when the thermal expansion coefficients of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are greatly different, the element may be damaged, or connection failure or bonding failure may occur. On the other hand, in order to avoid this, it is necessary to use a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material having similar coefficients of thermal expansion, and there are restrictions on the selection of the thermoelectric material.

さらに、従来のU型熱電素子又はπ型熱電素子を用いて熱電発電を行う場合において、接合部を熱源に近接させたときには、熱伝導によって開放端が加熱される。そのため、接合部と開放端の間に大きな温度差を発生させるためには、開放端側に放熱能力に優れた放熱フィンを設ける必要がある。しかしながら、高い放熱能力を有する放熱フィンは、一般に、高価であり、また、熱電モジュールを大型化させる原因となる。   Furthermore, when thermoelectric power generation is performed using a conventional U-type thermoelectric element or π-type thermoelectric element, the open end is heated by heat conduction when the junction is brought close to the heat source. Therefore, in order to generate a large temperature difference between the joint portion and the open end, it is necessary to provide a heat dissipation fin having excellent heat dissipation capability on the open end side. However, the heat radiating fins having a high heat radiating capacity are generally expensive and cause the thermoelectric module to be enlarged.

本発明が解決しようとする課題は、熱応力及び/又は外力が作用しても破損するおそれのない信頼性の高い熱電モジュールを提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、断面積の小さな熱源からの熱の回収効率が高い熱電モジュールを提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、熱応力の発生が少なく、熱電変換材料の選択の自由度が高い熱電モジュールを提供することにある。さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、温接点と冷接点の間に大きな温度差を発生させることが容易な熱電モジュールを提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a highly reliable thermoelectric module that does not break even when thermal stress and / or external force is applied. Another problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric module with high efficiency in recovering heat from a heat source having a small cross-sectional area. Another problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric module that generates less thermal stress and has a high degree of freedom in selecting a thermoelectric conversion material. Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric module that can easily generate a large temperature difference between a hot junction and a cold junction.

上記課題を解決するために本発明に係る熱電モジュールは、p型熱電材料からなる少なくとも1つのp型素子と、n型熱電材料からなる少なくとも1つのn型素子とが、長手方向端面において、かつ交互に接合された少なくとも1つの単接合素子と、前記単接合素子の一方の端部に接続された第1電極と、前記単接合素子の他方の端部に接続された第2電極とを含む熱電素子を備えていることを要旨とする。   In order to solve the above problems, a thermoelectric module according to the present invention includes at least one p-type element made of a p-type thermoelectric material and at least one n-type element made of an n-type thermoelectric material at a longitudinal end face, and At least one single-junction element joined alternately, a first electrode connected to one end of the single-junction element, and a second electrode connected to the other end of the single-junction element The gist is that a thermoelectric element is provided.

p型素子とn型素子とを長手方向端面において接合した単接合素子は、構造が単純であるため、熱応力及び/又は外力が作用しても破損するおそれが少ない。そのため、耐久性及び信頼性に優れた熱電モジュールが得られる。
また、このような単接合素子は、断面積の小さな熱源に、接合部又は端部を近接させるのが容易である。そのため、熱の回収効率に優れた熱電モジュールが得られる。
A single-junction element obtained by joining a p-type element and an n-type element at the end face in the longitudinal direction has a simple structure, and therefore is less likely to be damaged even when thermal stress and / or external force is applied. Therefore, a thermoelectric module having excellent durability and reliability can be obtained.
In addition, such a single-junction element can easily bring the joint or end close to a heat source having a small cross-sectional area. Therefore, a thermoelectric module with excellent heat recovery efficiency can be obtained.

また、p型熱電材料とn型熱電材料との間に大きな熱膨張係数差がある場合であっても、これらを接合して得られる個々の単接合素子は、見かけ上、同一の熱膨張特性を示す。そのため、電極を介して複数個の単接合素子を直列に接合しても、熱応力に起因する素子の破損や接続不良が発生しにくい。しかも、熱応力を回避するために、単接合素子を構成するp型熱電材料とn型熱電材料の熱膨張係数差を考慮する必要がないので、材料の選択に制約もない。   Moreover, even when there is a large difference in thermal expansion coefficient between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material, the individual single-junction elements obtained by joining these seem to have the same thermal expansion characteristics. Indicates. For this reason, even if a plurality of single-junction elements are joined in series via electrodes, damage to the elements and poor connection due to thermal stress are unlikely to occur. In addition, in order to avoid thermal stress, there is no need to consider the difference in thermal expansion coefficient between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material constituting the single junction element, so there is no restriction on the selection of the material.

さらに、このような単接合素子は、U型熱電素子及びπ型熱電素子に比べて、温接点と冷接点との間に、より大きな温度差を発生させやすい。そのため、熱効率に優れた熱電モジュールが得られる。   Furthermore, such a single-junction element tends to generate a larger temperature difference between the hot junction and the cold junction as compared to the U-type thermoelectric element and the π-type thermoelectric element. Therefore, a thermoelectric module with excellent thermal efficiency can be obtained.

以下に本発明の一実施の形態について詳細に説明する。初めに、本発明に係る熱電モジュールに備えられる熱電素子について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. First, a thermoelectric element provided in the thermoelectric module according to the present invention will be described.

図1(a)に、熱電素子の第1の具体例を示す。 図1(a)において、熱電素子10は、単接合素子16と、単接合素子16の一方の端部に接続された第1電極18と、単接合素子16の他方の端部に接続された第2電極20とを備えている。第1電極18及び第2電極20は、それぞれ、単接合素子16から出力を取り出し、又は、単接合素子16に電流を供給するための端子22及び24に接続されている。   FIG. 1A shows a first specific example of a thermoelectric element. In FIG. 1A, the thermoelectric element 10 is connected to a single junction element 16, a first electrode 18 connected to one end of the single junction element 16, and the other end of the single junction element 16. The second electrode 20 is provided. The first electrode 18 and the second electrode 20 are connected to terminals 22 and 24 for extracting an output from the single junction element 16 or supplying a current to the single junction element 16, respectively.

単接合素子16は、p型熱電材料からなるp型素子12と、n型熱電材料からなるn型素子14とが、長手方向端面において接合されたものからなる。本発明において、p型素子12を構成するp型熱電材料及びn型素子14を構成するn型熱電材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。また、p型熱電材料とn型熱電材料との間に大きな熱膨張係数差がある場合であっても、それぞれ、p型素子12及びn型素子14として用いることができる。この点が従来のU型素子及びπ型素子とは異なる。   The single junction element 16 is formed by joining a p-type element 12 made of a p-type thermoelectric material and an n-type element 14 made of an n-type thermoelectric material at the end face in the longitudinal direction. In the present invention, the p-type thermoelectric material constituting the p-type element 12 and the n-type thermoelectric material constituting the n-type element 14 are not particularly limited, and various materials can be used. Even when there is a large difference in thermal expansion coefficient between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material, they can be used as the p-type element 12 and the n-type element 14, respectively. This is different from conventional U-type elements and π-type elements.

p型素子12及びn型素子14の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、円柱状、角柱状等、目的に応じて種々の形状及び寸法を用いることができる。また、p型素子12及びπ型素子14は、互いに同一形状及び同一寸法を有しててもよく、あるいは、互いに異なる形状及び/又は異なる寸法を有していても良い。一般に、n型素子12及び/又はn型素子14の長さが長くなるほど、温接点と冷接点との間に大きな温度差を発生させることができる。また、p型素子12及び/又はn型素子14の断面積が大きくなるほど、発電電流を大きくすることができる。
なお、p型素子12を構成するp型熱電材料及びn型素子14を構成するn型熱電材料の具体例、並びに、単接合素子16の製造方法については、後述する。
The shape and dimensions of the p-type element 12 and the n-type element 14 are not particularly limited, and various shapes and dimensions can be used depending on the purpose, such as a columnar shape or a prismatic shape. In addition, the p-type element 12 and the π-type element 14 may have the same shape and the same dimensions, or may have different shapes and / or different dimensions. Generally, as the length of the n-type element 12 and / or the n-type element 14 increases, a larger temperature difference can be generated between the hot junction and the cold junction. Further, the generated current can be increased as the cross-sectional area of the p-type element 12 and / or the n-type element 14 increases.
A specific example of the p-type thermoelectric material constituting the p-type element 12 and the n-type thermoelectric material constituting the n-type element 14 and a method for manufacturing the single junction element 16 will be described later.

第1電極18及び第2電極20は、単接合素子16の端部に接続される。図1(a)において、第1電極18及び第2電極20は、いずれも、単接合素子16の両端面に接続されているが、これは単なる例示であり、第1電極18及び第2電極20は、単接合素子16の端部の側面に接続されていても良い。   The first electrode 18 and the second electrode 20 are connected to the end of the single junction element 16. In FIG. 1A, the first electrode 18 and the second electrode 20 are both connected to both end faces of the single junction element 16, but this is merely an example, and the first electrode 18 and the second electrode 20 may be connected to the side surface of the end portion of the single junction element 16.

第1電極18及び第2電極20の材料は、少なくとも、p型素子12及びn型素子14より電気伝導度の高いものであれば良く、目的に応じて、種々の材料を用いることができる。また、電極部分が高温になる場合、第1電極18及び第2電極20には、耐熱性、耐酸化性を有し、かつ、p型素子12又はn型素子14との反応性の低い材料を用いるのが好ましい。さらに、電極部分において発熱又は吸熱が起こるので、第1電極18及び第2電極20には、熱伝導度の大きい材料を用いるのが好ましい。   The material of the first electrode 18 and the second electrode 20 only needs to have at least higher electrical conductivity than the p-type element 12 and the n-type element 14, and various materials can be used depending on the purpose. In addition, when the electrode portion is at a high temperature, the first electrode 18 and the second electrode 20 have heat resistance and oxidation resistance and have low reactivity with the p-type element 12 or the n-type element 14. Is preferably used. Furthermore, since heat generation or heat absorption occurs in the electrode portion, it is preferable to use a material having high thermal conductivity for the first electrode 18 and the second electrode 20.

第1電極18及び第2電極20の材料としては、具体的には、Fe基超合金(例えば、SUH660等)、Ni基超合金(例えば、インコネルX−750、インコネル718等)、Co基超合金(例えば、Phynoxなど)、各種ステンレス鋼、NiCr系合金、Pt、Pd、Au、Ag、Cu、Rh等の貴金属及びこれらの合金、In、Al、Mo、W、Ti等が挙げられる。   Specifically, the materials of the first electrode 18 and the second electrode 20 are Fe-based superalloy (for example, SUH660), Ni-based superalloy (for example, Inconel X-750, Inconel 718), Co-based superalloy. Examples include alloys (for example, Phynox), various stainless steels, NiCr alloys, noble metals such as Pt, Pd, Au, Ag, Cu, and Rh, and alloys thereof, In, Al, Mo, W, Ti, and the like.

第1電極18及び第2電極20は、それぞれ、単接合素子16に一体的に接合されいても良い。第1電極18及び/又は第2電極20を単接合素子16に接合する場合、その接合方法及び接合条件は、p型素子12、n型素子14、第1電極18及び第2電極20の材料、並びに、熱電素子10の使用温度に応じて、最適な方法を選択する。接合方法としては、具体的には、ハンダ付け、ロウ付け、貴金属ペーストを用いた焼き付け、拡散接合等を用いることができる。また、素子及び電極の材料が許す場合には、ボルト締め、かん合等の機械的な接合法を用いることもできる。   The first electrode 18 and the second electrode 20 may be integrally joined to the single junction element 16, respectively. When the first electrode 18 and / or the second electrode 20 are bonded to the single junction element 16, the bonding method and bonding conditions are the materials of the p-type element 12, the n-type element 14, the first electrode 18, and the second electrode 20. In addition, an optimum method is selected according to the operating temperature of the thermoelectric element 10. As the bonding method, specifically, soldering, brazing, baking using a noble metal paste, diffusion bonding, or the like can be used. In addition, when the material of the element and the electrode permits, a mechanical joining method such as bolting or mating can be used.

また、第1電極18及び/又は第2電極20と単接合素子16とは、付勢手段を介して物理的に接触しているだけでも良い。図1(b)に、付勢手段を備えた電極(以下、これを「バネ電極」という)の一例を示す。図1(b)において、バネ電極30は、中空のホルダ30aと、ホルダ30aの先端内部に摺動可能に挿入されたプローブ30bと、プローブ30bを単接合素子16の端部に向かって付勢するスプリング30cと、ホルダ30aの後端に固定されたリード線30dとを備えている。   Further, the first electrode 18 and / or the second electrode 20 and the single junction element 16 may be in physical contact only via the biasing means. FIG. 1B shows an example of an electrode provided with biasing means (hereinafter referred to as “spring electrode”). 1B, the spring electrode 30 includes a hollow holder 30a, a probe 30b that is slidably inserted into the tip of the holder 30a, and biases the probe 30b toward the end of the single junction element 16. And a lead wire 30d fixed to the rear end of the holder 30a.

例えば、単接合素子16の端部を枠部32で支持する場合、バネ電極30を枠部32に固定し、単接合素子16の端部(特に、両端面)をプローブ30bの先端面で押圧するのが好ましい。第1電極18及び/又は第2電極20として、このようなバネ電極30を用いると、単接合素子16が使用中に膨張又は収縮しても電気的接続を確実に保つことができる。   For example, when the end portion of the single junction element 16 is supported by the frame portion 32, the spring electrode 30 is fixed to the frame portion 32, and the end portions (particularly, both end surfaces) of the single junction element 16 are pressed by the distal end surface of the probe 30b. It is preferable to do. When such a spring electrode 30 is used as the first electrode 18 and / or the second electrode 20, the electrical connection can be reliably maintained even if the single junction element 16 expands or contracts during use.

また、第1電極18及び/又は第2電極としてバネ電極30を用いる場合、接触抵抗の増加を防ぐために、プローブ30bの先端面が接触する単接合素子16の端部(図1(b)では、単接合素子16の端面)に、導電層34を形成するのが好ましい。   Further, when the spring electrode 30 is used as the first electrode 18 and / or the second electrode, in order to prevent an increase in contact resistance, the end of the single junction element 16 with which the tip surface of the probe 30b contacts (in FIG. 1B) The conductive layer 34 is preferably formed on the end surface of the single junction element 16.

導電層34は、少なくとも電気の良導体であれば良い。また、電極部分が高温になる場合、導電層34には、耐熱性、耐酸化性を有し、かつ、p型素子12又はn型素子14との反応性の低い材料を用いるのが好ましい。さらに、導電層34が熱伝導の律速とならないように、導電層34として、熱の良導体を用いるのが好ましい。   The conductive layer 34 may be at least a good electrical conductor. Further, when the electrode portion becomes high temperature, it is preferable to use a material having heat resistance and oxidation resistance and low reactivity with the p-type element 12 or the n-type element 14 for the conductive layer 34. Furthermore, it is preferable to use a good heat conductor as the conductive layer 34 so that the conductive layer 34 does not become the rate of heat conduction.

導電層34の材料としては、具体的には、Pt、Pd、Au、Ag、Rh、In、Cu、Al、Mo、W、Ti等、及びこれらを含む各種合金が好適である。これらの材料及びその形成方法は、単接合素子16の使用温度に応じて最適なものを選択する。例えば、電極部分の温度が相対的に低い場合、インジウムハンダ(m.p.:200〜300℃)の融液を単接合素子16の端面に膜状に付着・固化させ、これを導電層34とするのが好ましい。   Specifically, as the material of the conductive layer 34, Pt, Pd, Au, Ag, Rh, In, Cu, Al, Mo, W, Ti, and various alloys containing these are suitable. These materials and the formation method thereof are selected optimally according to the operating temperature of the single junction element 16. For example, when the temperature of the electrode portion is relatively low, a melt of indium solder (mp: 200 to 300 ° C.) is attached and solidified on the end face of the single junction element 16 in the form of a film. Is preferable.

一方、電極部分の温度が相対的に高い場合、単接合素子16の端面に貴金属を含むガラスペースト(例えば、Agペースト、Auペーストなど)を塗布・焼き付けし、これを導電層34とするのが好ましい。あるいは、単接合素子16の端面に金属箔を接合し、あるいは、スパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着等の方法を用いて金属薄膜を形成し、これを導電層34としても良い。   On the other hand, when the temperature of the electrode portion is relatively high, a glass paste containing noble metal (for example, Ag paste, Au paste, etc.) is applied and baked on the end face of the single junction element 16 to form the conductive layer 34. preferable. Alternatively, a metal foil may be bonded to the end face of the single junction element 16, or a metal thin film may be formed using a method such as sputtering, ion plating, or vacuum deposition, and this may be used as the conductive layer 34.

さらに、単接合素子16のいずれかの部分を枠部32で支持し、あるいは後述する熱交換手段と接触させる場合において、単接合素子16と枠部32あるいは熱交換手段との間の電気的絶縁を確保する必要があるときには、単接合素子16と枠部32の接触部分に、絶縁層36を設けるのが好ましい。この場合、絶縁層36は、電気的絶縁を確保できる限り、薄い方が好ましい。また、特に、単接合素子16の接合部又は端部に絶縁層36を設ける場合には、絶縁層36は、熱の良導体が好ましい。   Further, when any part of the single junction element 16 is supported by the frame portion 32 or brought into contact with the heat exchange means described later, electrical insulation between the single junction element 16 and the frame portion 32 or the heat exchange means is performed. It is preferable to provide an insulating layer 36 at the contact portion between the single junction element 16 and the frame portion 32 when it is necessary to ensure the above. In this case, the insulating layer 36 is preferably thin as long as electrical insulation can be ensured. In particular, when the insulating layer 36 is provided at the junction or end of the single junction element 16, the insulating layer 36 is preferably a good heat conductor.

絶縁層36の材料としては、具体的には、ポリイミド、エポキシ、PTFE、ポリエステル、アセテートクロス、ガラスクロス等が好適である。これらの材料及び形成方法は、単接合素子16の使用温度に応じて最適なものを選択する。例えば、電極部分の温度が相対的に低い場合、有機溶媒に溶解させたポリイミドを単接合素子16の所定部分に塗布し、溶媒を除去させ、これを絶縁層36とするのが好ましい。また、これらの絶縁材料からなる粘着テープを用いても良い。
一方、電極部分の温度が相対的に高い場合、単接合素子16の所定部分に、例えばスパッタリング法を用いてAl、AlN等からなる薄膜を形成し、これを絶縁層36として用いるのが好ましい。
Specifically, the material of the insulating layer 36 is preferably polyimide, epoxy, PTFE, polyester, acetate cloth, glass cloth, or the like. These materials and forming methods are selected optimally according to the operating temperature of the single junction element 16. For example, when the temperature of the electrode portion is relatively low, it is preferable to apply polyimide dissolved in an organic solvent to a predetermined portion of the single junction element 16, remove the solvent, and use this as the insulating layer 36. Moreover, you may use the adhesive tape which consists of these insulating materials.
On the other hand, when the temperature of the electrode portion is relatively high, a thin film made of Al 2 O 3 , AlN or the like is formed on the predetermined portion of the single junction element 16 by using, for example, a sputtering method, and this is used as the insulating layer 36. Is preferred.

このような熱電素子10を備えた熱電モジュールを熱電発電に用いる場合、単接合素子16の接合部又は端部のいずれか一方が加熱され、他方が冷却される。また、このような熱電モジュールを熱電加熱・冷却に用いる場合、接合部又は端部のいずれか一方で発熱が起こり、他方で吸熱が起こる。この場合、単接合素子16の接合部又は端部と、熱源(例えば、火炎、排ガスなどの熱流体)又は冷源(例えば、空気)との間で直接、熱交換を行っても良く、あるいは、単接合素子16の接合部又は端部に熱の吸収又は放散を促進させる熱交換手段(例えば、放熱フィン等)を接続し、熱交換手段を介して間接的に熱交換を行うようにしても良い。   When a thermoelectric module including such a thermoelectric element 10 is used for thermoelectric power generation, either one of the junction or the end of the single junction element 16 is heated and the other is cooled. Further, when such a thermoelectric module is used for thermoelectric heating / cooling, heat is generated at one of the joining portion and the end portion, and heat is absorbed at the other end. In this case, heat exchange may be performed directly between the junction or end of the single junction element 16 and a heat source (for example, a thermal fluid such as flame or exhaust gas) or a cold source (for example, air), or A heat exchange means (for example, a radiation fin) that promotes heat absorption or dissipation is connected to the joint or end of the single-junction element 16 so that heat is indirectly exchanged through the heat exchange means. Also good.

また、例えば、単接合素子16の接合部又は端部の一方を加熱し、他方を熱交換手段を用いて冷却する場合、熱伝導以外にも熱の対流又は輻射によって冷接点が加熱される場合がある。そのような場合には、p型素子12の中間部分及び/又はn型素子14の中間部分(すなわち、温接点と冷接点の間)に、熱を遮断するためのセパレータを設けても良い。   Also, for example, when one of the junctions or ends of the single junction element 16 is heated and the other is cooled using heat exchange means, the cold junction is heated by heat convection or radiation in addition to heat conduction. There is. In such a case, a separator for cutting off heat may be provided in the intermediate part of the p-type element 12 and / or the intermediate part of the n-type element 14 (that is, between the hot junction and the cold junction).

なお、図1(a)には、1個のp型素子12と1個のn型素子14からなる単接合素子16が記載されているが、p型素子12及びn型素子14の個数は、それぞれ、1個に限定されるものではない。すなわち、単接合素子は、3個以上のp型素子及びn型素子が長手方向端面において、かつ交互に接合されたものでも良い。この場合、単接合素子の端部及び接合部を交互に加熱・冷却すれば、所定の出力を取り出すことができる。また、単接合素子の両端に電源を接続すれば、単接合素子の端部及び接合部を交互に加熱・冷却することができる。   FIG. 1A shows a single junction element 16 composed of one p-type element 12 and one n-type element 14, but the number of p-type elements 12 and n-type elements 14 is as follows. , Each is not limited to one. That is, the single junction element may be one in which three or more p-type elements and n-type elements are joined alternately at the end face in the longitudinal direction. In this case, a predetermined output can be taken out by alternately heating and cooling the end portion and the junction portion of the single junction element. Further, if a power source is connected to both ends of the single junction element, the end portion and the junction portion of the single junction element can be alternately heated and cooled.

図1(c)に、熱電素子の第2の具体例を示す。図1(c)において、熱電素子40は、p型素子12a〜12d及びn型素子14a〜14dからなる複数個の単接合素子16a〜16dと、単接合素子16a〜16dの一方の端部に接続された第1電極18a〜18cと、他方の端部に接続された第2電極20a、20bとを備えている。   FIG. 1C shows a second specific example of the thermoelectric element. In FIG.1 (c), the thermoelectric element 40 is in the one end part of the several single junction elements 16a-16d which consist of p-type elements 12a-12d and n-type elements 14a-14d, and the single junction elements 16a-16d. 1st electrode 18a-18c connected, and 2nd electrode 20a, 20b connected to the other edge part are provided.

各単接合素子16a〜16dは、p型素子12a〜12dとn型素子14a〜14dとが交互に接続されるように、第1電極18a〜18c及び第2電極20a、20bを介して、直列に接続されている。第1電極18b及び第2電極20a、20bは、隣接する単接合素子16a〜16dを接続するために用いられている。また、第1電極18a、18cは、それぞれ、出力を取り出し又は電流を供給するための端子22、24に接続されている。   The single junction elements 16a to 16d are connected in series via the first electrodes 18a to 18c and the second electrodes 20a and 20b so that the p-type elements 12a to 12d and the n-type elements 14a to 14d are alternately connected. It is connected to the. The first electrode 18b and the second electrodes 20a and 20b are used to connect adjacent single junction elements 16a to 16d. The first electrodes 18a and 18c are connected to terminals 22 and 24, respectively, for taking out outputs or supplying current.

なお、図1(c)に示す例において、合計4個の単接合素子16a〜16dが用いられているが、これは単なる例示であり、単接合素子16の個数は、これに限定されるものではない。一般に、直列に接続される単接合素子16の総数が多くなるほど、大きな起電力が得られる。また、複数個の単接合素子16が直列に接続された熱電素子40を複数個用意し、これらをさらに直列に接続し、あるいは、並列に接続しても良い。   In the example shown in FIG. 1C, a total of four single junction elements 16a to 16d are used, but this is merely an example, and the number of single junction elements 16 is limited to this. is not. In general, the larger the total number of single junction elements 16 connected in series, the greater the electromotive force. Alternatively, a plurality of thermoelectric elements 40 in which a plurality of single junction elements 16 are connected in series may be prepared, and these may be further connected in series or connected in parallel.

図1(c)に示すように、複数個の単接合素子16a〜16dを直列に接合する場合において、単接合素子16a〜16dと第1電極18a〜18c及び第2電極20a、20bとを一体的に接合するときには、各単接合素子16a〜16dは、それぞれ、その長さを等しくするのが好ましい。
また、各単接合素子16a〜16dを構成する各p型素子12a〜12dには、それぞれ、同一材料又は熱膨張係数のほぼ等しい材料を用いるのが好ましい。この点は、各n型素子14a〜14dも同様である。
さらに、単接合素子の全長(L)に対するその単接合素子に含まれるp型素子の総長さ(ΣLp)の割合(ΣLp/L)は、各単接合素子16a〜16dごとに等しくするのが好ましい。
各単接合素子16a〜16dの長さ、並びに、p型素子12a〜12d及びn型素子14a〜14dの長さ及び材質をこのように選択すると、各単接合素子16a〜16dの見かけの熱膨張特性を互いに等しくすることができる。
As shown in FIG. 1C, when a plurality of single junction elements 16a to 16d are joined in series, the single junction elements 16a to 16d are integrated with the first electrodes 18a to 18c and the second electrodes 20a and 20b. When they are joined together, it is preferable that the single junction elements 16a to 16d have the same length.
Further, it is preferable to use the same material or a material having substantially the same thermal expansion coefficient for each of the p-type elements 12a to 12d constituting the single junction elements 16a to 16d. The same applies to each of the n-type elements 14a to 14d.
Furthermore, it is preferable that the ratio (ΣLp / L) of the total length (ΣLp) of the p-type elements included in the single junction element to the total length (L) of the single junction element is equal for each single junction element 16a to 16d. .
When the length of each single-junction element 16a-16d and the length and material of p-type elements 12a-12d and n-type elements 14a-14d are selected in this way, the apparent thermal expansion of each single-junction element 16a-16d. The characteristics can be equal to each other.

一方、第1電極18a〜80c及び/又は第2電極20a、20bとしてバネ電極を用いる場合、各単接合素子16a〜16d、並びに、各p型素子12a〜12d及び各n型素子14a〜14dの長さは、それぞれ、互いに異なっていても良い。また、各p型素子12a〜12d、及び各n型素子14a〜14dは、それぞれ、互いに異なる材料からなるものでも良い。特に、このような熱電素子40を備えた熱電モジュールを熱電発電に用いる場合において、各単接合素子16a〜16dの温度が大きく異なるときには、その温度域で最大の性能指数を示す材料を使い分けると、高い熱電変換効率が得られる。   On the other hand, when spring electrodes are used as the first electrodes 18a to 80c and / or the second electrodes 20a and 20b, the single junction elements 16a to 16d, the p-type elements 12a to 12d, and the n-type elements 14a to 14d The lengths may be different from each other. The p-type elements 12a to 12d and the n-type elements 14a to 14d may be made of different materials. In particular, in the case where a thermoelectric module including such a thermoelectric element 40 is used for thermoelectric power generation, when the temperatures of the single junction elements 16a to 16d are greatly different from each other, if a material exhibiting the maximum performance index in the temperature range is properly used, High thermoelectric conversion efficiency can be obtained.

なお、p型素子12、n型素子14、第1電極18a〜18c、第2電極20a、20cに関するその他の点、並びに、必要に応じて単接合素子16a〜16dに導電層及び/又は絶縁層を設けるのが好ましい点は、上述した第1の具体例と同様であるので説明を省略する。   Other points regarding the p-type element 12, the n-type element 14, the first electrodes 18a to 18c, the second electrodes 20a and 20c, and the single junction elements 16a to 16d as necessary may include a conductive layer and / or an insulating layer. The point that it is preferable to provide is the same as that in the first specific example described above, and thus the description thereof is omitted.

また、熱電素子40を備えた熱電モジュールにおいて、単接合素子16の接合部又は端部に熱の吸収又は放散を促進させる熱交換手段を接続しても良い点、及び、p型素子12の中間部分及び/又はn型素子14の中間部分に、熱を遮断するためのセパレータを設けても良い点は、第1の具体例と同様である。   Further, in the thermoelectric module provided with the thermoelectric element 40, a heat exchange means for promoting absorption or dissipation of heat may be connected to the junction or end of the single junction element 16, and the middle of the p-type element 12 The point which may provide the separator for interrupting | blocking heat in the intermediate part of a part and / or the n-type element 14 is the same as that of the 1st example.

次に、p型素子12に用いられるp型熱電材料及びn型素子14に用いられるn型熱電材料について説明する。本発明においては、p型素子及びn型素子を構成する熱電材料は、特に限定されるものではなく、あらゆる熱電材料に対して本発明を適用することができる。また、熱膨張係数差が大きく異なる材料であっても、使用することができる。   Next, the p-type thermoelectric material used for the p-type element 12 and the n-type thermoelectric material used for the n-type element 14 will be described. In the present invention, the thermoelectric material constituting the p-type element and the n-type element is not particularly limited, and the present invention can be applied to any thermoelectric material. Further, even materials having greatly different thermal expansion coefficient differences can be used.

非酸化物(金属、半金属、金属間化合物、炭化物、窒化物等)からなる熱電材料としては、具体的には、
(1)V−VI族熱電半導体(例えば、BiTe、SbTe、BiSe、(Bi、Sb)Te、(Bi、Sb)(Te、Se)など)、
(2)IV−VI族熱電半導体(例えば、PbTeなど)、
(3)II−V族熱電半導体(例えば、ZnSbなど)、
(4)ケイ素化合物(例えば、SiGe、FeSi、MnSi1.73など)、
(5)スクッテルダイト化合物(例えば、CeFeSb12、CoSb12など)、
(6)クラスレート化合物(例えば、BaGa25、EuGa16Ge30など)、
(7)炭化物(例えば、BC、SiCなど)、
(8)窒化物(例えば、GaN、AlNなど)、
(9)ホウ化物(例えば、MgBなど)、
(10)ホイスラー合金(例えば、ZrNiSn、FeVAlなど)、
等がある。
Specific examples of thermoelectric materials made of non-oxides (metals, metalloids, intermetallic compounds, carbides, nitrides, etc.)
(1) V-VI group thermoelectric semiconductor (for example, Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3 , Bi 2 Se 3 , (Bi, Sb) 2 Te 3 , (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3, etc.) ,
(2) IV-VI group thermoelectric semiconductor (for example, PbTe),
(3) II-V group thermoelectric semiconductor (for example, Zn 4 Sb 3 etc.),
(4) silicon compounds (eg, SiGe, FeSi 2 , MnSi 1.73, etc.),
(5) skutterudite compounds (for example, CeFe 4 Sb 12 , Co 4 Sb 12 and the like),
(6) clathrate compounds (for example, Ba 6 Ga 25 , Eu 8 Ga 16 Ge 30 etc.),
(7) Carbide (for example, B 4 C, SiC, etc.),
(8) Nitride (for example, GaN, AlN, etc.),
(9) borides (eg, MgB 2 etc.),
(10) Heusler alloy (for example, ZrNiSn, Fe 2 VAl, etc.),
Etc.

また、酸化物からなる熱電材料としては、具体的には、以下のようなものがある。
第1の具体例は、次の(1)式に示す一般式で表されるYbFe類縁型層状構造を有する複合酸化物である。
ABO(CO) ・・・(1)
(但し、2<y<4、mは、整数。
Aサイト元素は、IIIb族元素、並びにSc、Y及びランタノイド元素から選ばれる少なくとも1種類の元素。
Bサイト元素は、IIIb族元素並びにFe及びCrから選ばれる少なくとも1種類の元素。
Cサイト元素は、Zn及びIIa族元素、並びに2価の3d遷移金属元素、4d遷移金属元素及び5d遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種類の元素。)
Specific examples of the thermoelectric material made of oxide include the following.
The first specific example is a composite oxide having a YbFe 2 O 4 -related layered structure represented by the general formula shown in the following formula (1).
ABO y (CO) m (1)
(However, 2 <y <4, m is an integer.
The A site element is at least one element selected from group IIIb elements and Sc, Y and lanthanoid elements.
The B site element is at least one element selected from group IIIb elements and Fe and Cr.
The C site element is at least one element selected from Zn and Group IIa elements, divalent 3d transition metal elements, 4d transition metal elements, and 5d transition metal elements. )

YbFeは、YbO層とFe層とがc軸方向に所定の周期で積層された層状構造を備えている。(1)式で表される複合酸化物は、YbFeのYbO層がAO層に置き換わり、かつFe層がBCm+1層に置き換わったものと考えられている。 YbFe 2 O 4 has a layered structure in which a YbO 2 layer and an Fe 2 O 2 layer are stacked in a predetermined cycle in the c-axis direction. In the composite oxide represented by the formula (1), it is considered that the YbO 2 layer of YbFe 2 O 4 is replaced with an AO 2 layer, and the Fe 2 O 2 layer is replaced with a BC m O m + 1 layer.

これらの中でも、Cサイト元素としてZnを含み、並びに/又は、Aサイト元素及び/若しくはBサイト元素としてInを含む複合酸化物は、高い熱電特性を示すn型熱電酸化物であり、n型素子14を構成するn型熱電材料として特に好適である。この場合、Cサイトに占めるZnの割合は、具体的には、10at%以上が好ましく、さらに好ましくは、20at%以上である。また、Aサイト及びBサイトに占めるInの割合は、具体的には、10at%以上が好ましく、さらに好ましくは、20at%以上である。   Among these, the composite oxide containing Zn as the C site element and / or In as the A site element and / or the B site element is an n-type thermoelectric oxide having high thermoelectric characteristics, and is an n-type element. 14 is particularly suitable as an n-type thermoelectric material constituting 14. In this case, specifically, the proportion of Zn in the C site is preferably 10 at% or more, and more preferably 20 at% or more. Moreover, specifically, the ratio of In in the A site and the B site is preferably 10 at% or more, and more preferably 20 at% or more.

また、Znを含む複合酸化物の中でも、特に、(ZnO)In、(ZnO)InGaO、(ZnO)InAlO、及び(ZnO)InFeOは、高い熱電特性と大きな電気的特性の異方性を有しているので、n型熱電材料として好適である。 Among complex oxides containing Zn, in particular, (ZnO) m In 2 O 3 , (ZnO) m InGaO 3 , (ZnO) m InAlO 3 , and (ZnO) m InFeO 3 have high thermoelectric characteristics and large characteristics. Since it has anisotropy in electrical characteristics, it is suitable as an n-type thermoelectric material.

なお、(1)式に示す各種複合酸化物は、Aサイト元素及び/若しくはBサイト元素の一部が4価の金属元素(例えば、IVa属元素(Ti、Zr、Hf)、IVb族元素(C、Si、Ge、Sn、Pb)など)によりさらに置換されているものでも良い。
あるいは、これに加えて又はこれに代えて、Cサイト元素が3価の金属元素(例えば、IIIa属元素(Sc、Y、ランタノイド元素(57La〜71Lu)、アクチノイド元素(89Ac〜103Lr))及びIIIb属元素(B、Al、Ga、In、Tl)など)によりさらに置換されているものでも良い。
さらに、これらに加えて又はこれらに代えて、Aサイト元素及び/又はBサイト元素が、さらにIIa族元素(特に、Ca)から選ばれる少なくとも1種類の元素により置換されているものでも良い。
Note that various composite oxides represented by the formula (1) have a part of the A site element and / or the B site element having a tetravalent metal element (for example, a group IVa element (Ti, Zr, Hf), a group IVb element ( C, Si, Ge, Sn, Pb) and the like may be further substituted.
Alternatively, in addition to or instead of this, the C site element is a trivalent metal element (for example, a group IIIa element (Sc, Y, a lanthanoid element ( 57 La to 71 Lu), an actinoid element ( 89 Ac to 103 Lr) )) And IIIb group elements (B, Al, Ga, In, Tl, etc.)).
Furthermore, in addition to or instead of these, the A site element and / or the B site element may be further substituted with at least one element selected from Group IIa elements (particularly, Ca).

酸化物熱電材料の第2の具体例は、Coを含む酸化物からなる。Coを含む酸化物には種々の組成を有するものがあるが、中でも、コバルト層状酸化物は、高い熱電特性を示すp型熱電酸化物である。ここで、「コバルト層状酸化物」とは、稜共有したCoO八面体からなるCoO層と、岩塩構造若しくは歪んだ岩塩構造を有する層(以下、これらを総称して、「擬岩塩構造層」という。)、Naイオンからなる層などで構成されるブロック層とが、所定の周期で積層した層状酸化物をいう。 A second specific example of the oxide thermoelectric material is made of an oxide containing Co. Some oxides containing Co have various compositions. Among them, the cobalt layered oxide is a p-type thermoelectric oxide exhibiting high thermoelectric characteristics. Here, the “cobalt layered oxide” means a CoO 2 layer composed of CoO 6 octahedrons with shared edges and a layer having a rock salt structure or a distorted rock salt structure (hereinafter collectively referred to as “pseudo-rock salt structure layer”). And a block layer composed of a layer made of Na ions or the like is a layered oxide laminated at a predetermined cycle.

コバルト層状酸化物の第1の具体例は、ブロック層が、少なくともCa及びCoを含む3層の疑岩塩構造層からなるものであり、次の(2)に示す一般式で表される。
{(Ca1−xCoO3+α}(CoO2+β ・・・(2)
(但し、Aは、アルカリ金属、アルカリ土類金属及びBiから選ばれる1種又は2種以上の元素。
0.0≦x≦0.3。
0.5≦y≦2.0。
0.85≦{3+α+(2+β)y}/(3+2y)≦1.15。)
In the first specific example of the cobalt layered oxide, the block layer is composed of a three-layered rock salt structure layer containing at least Ca and Co, and is represented by the following general formula (2).
{(Ca 1-x A x ) 2 CoO 3 + α} (CoO 2 + β) y ··· (2)
(However, A is one or more elements selected from alkali metals, alkaline earth metals and Bi.
0.0 ≦ x ≦ 0.3.
0.5 ≦ y ≦ 2.0.
0.85 ≦ {3 + α + (2 + β) y} / (3 + 2y) ≦ 1.15. )

なお、(2)式において、「0.85≦{3+α+(2+β)y}/(3+2y)≦1.15」は、基本組成({(Ca1−x)CoO}(CoO) )を有するコバルト層状酸化物に含まれる酸素の化学量論量(3+2y)に対し、最大で±15atm%の範囲で酸素が過剰となったり、あるいは、酸素の欠損を生ずる場合があることを示す。この場合、増減する酸素は、CoO層に含まれる酸素(β)又はブロック層に含まれる酸素(α)のいずれか一方であっても良く、あるいは、双方の酸素であっても良い。 In the formula (2), “0.85 ≦ {3 + α + (2 + β) y} / (3 + 2y) ≦ 1.15” indicates the basic composition ({(Ca 1−x A x ) 2 CoO 3 } (CoO 2 ) Oxygen may be excessive or oxygen deficiency may occur in the range of ± 15 atm% at the maximum with respect to the stoichiometric amount (3 + 2y) of oxygen contained in the cobalt layered oxide having y ) Indicates. In this case, the increasing / decreasing oxygen may be either oxygen (β) contained in the CoO 2 layer or oxygen (α) contained in the block layer, or both oxygens.

また、(2)式に示すコバルト層状酸化物において、CoO層及び/又はブロック層に含まれるCoの一部をCu、Sn、Mn、Ni、Fe、Zr及びCrから選ばれる1種又は2種以上の元素(以下、これを「元素C」という)で置換しても良い。Coの一部を元素Cで置換すると、コバルト層状酸化物のゼーベック係数Sが向上するという効果がある。この場合、元素CによるCoの置換量は、25atm%以下が好ましい。 Further, in the cobalt layered oxide represented by the formula (2), one or two selected from Cu, Sn, Mn, Ni, Fe, Zr, and Cr as a part of Co contained in the CoO 2 layer and / or the block layer You may substitute with the element more than a seed | species (henceforth "the element C"). Substituting a part of Co with the element C has an effect of improving the Seebeck coefficient S of the cobalt layered oxide. In this case, the substitution amount of Co by the element C is preferably 25 atm% or less.

(2)式で表されるコバルト層状酸化物としては、具体的には、(CaCoO)0.62(CoO)等がある。 Specific examples of the cobalt layered oxide represented by the formula (2) include (Ca 2 CoO 3 ) 0.62 (CoO 2 ).

コバルト層状酸化物の第2の具体例は、ブロック層がNaイオン層からなるものであり、次の(3)式に示す一般式で表される。
NaCoO(0.3≦x≦0.8) ・・・(3)
In the second specific example of the cobalt layered oxide, the block layer is composed of a Na ion layer, and is represented by the general formula shown in the following formula (3).
Na x CoO 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.8) (3)

また、(3)式に示すコバルト層状酸化物において、Na及び/又はCoの一部を他の元素で置換しても良い。Naを置換する元素としては、具体的には、Li、K、Mg、Ca、Sr等が好適である。また、Coを置換する元素としては、具体的には、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn等が好適である。   Further, in the cobalt layered oxide represented by the formula (3), a part of Na and / or Co may be substituted with another element. Specifically, Li, K, Mg, Ca, Sr and the like are preferable as the element for substituting Na. Further, specifically, the element that substitutes Co is preferably Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, or the like.

コバルト層状酸化物の第3の具体例は、ブロック層が、少なくともCa、Co及びCuを含む4層の擬岩塩構造層からなるものであり、次の(4)式に示す一般式で表される。
[(Ca1−x)(Co1−yCu)4+α]CoO2+β ・・・(4)
(但し、Aは、アルカリ金属、アルカリ土類金属及びBiから選ばれる1種又は2種以上の元素。
0.0≦x≦0.3。
0.1≦y≦0.4。
0.5≦z≦0.7。
0.85≦{(4+α)z+2+β}/(4z+2)≦1.15。)
In the third specific example of the cobalt layered oxide, the block layer is composed of a four-layer pseudo-rock salt structure layer containing at least Ca, Co, and Cu, and is represented by the following general formula (4). The
[(Ca 1-x A x ) 2 (Co 1-y Cu y) 2 O 4 + α] z CoO 2 + β ··· (4)
(However, A is one or more elements selected from alkali metals, alkaline earth metals and Bi.
0.0 ≦ x ≦ 0.3.
0.1 ≦ y ≦ 0.4.
0.5 ≦ z ≦ 0.7.
0.85 ≦ {(4 + α) z + 2 + β} / (4z + 2) ≦ 1.15. )

なお、(4)の式において、「0.85≦{(4+α)z+2+β}/(4z+2)≦1.15」は、基本組成([(Ca1−x)(Co1−yCu)]CoO)を有するコバルト層状酸化物に含まれる酸素の化学量論量(4z+2)に対し、最大で±15atm%の範囲で酸素が過剰となったり、あるいは、酸素の欠損を生ずる場合があることを示す。この場合、増減する酸素は、CoO層に含まれる酸素(β)又はブロック層に含まれる酸素(α)のいずれか一方であっても良く、あるいは、双方の酸素であっても良い。 In the formula (4), “0.85 ≦ {(4 + α) z + 2 + β} / (4z + 2) ≦ 1.15” indicates the basic composition ([(Ca 1−x A x ) 2 (Co 1−y Cu y ) 2 O 4 ] z CoO 2 ) with respect to the stoichiometric amount of oxygen (4z + 2) contained in the cobalt layered oxide (4z + 2). Indicates that a defect may occur. In this case, the increasing / decreasing oxygen may be either oxygen (β) contained in the CoO 2 layer or oxygen (α) contained in the block layer, or both oxygens.

(4)式において、CoO層に対するブロック層の比率zは、0.5以上0.7以下が好ましい。比率zがこの範囲を超えると、構造が不安定となるため、好ましくない。比率zは、さらに好ましくは、0.6以上0.7以下である。 In the formula (4), the ratio z of the block layer to the CoO 2 layer is preferably 0.5 or more and 0.7 or less. If the ratio z exceeds this range, the structure becomes unstable, which is not preferable. The ratio z is more preferably 0.6 or more and 0.7 or less.

また、(4)式において、CoO層及び/又はブロック層に含まれるCoの一部を、さらにSn、Mn、Ni、Fe、Zr及びCrから選ばれる1種又は2種以上の元素(以下、これを「元素D」という)で置換しても良い。Coの一部をさらに元素Dで置換すると、ゼーベック係数及び/又は電気伝導度が向上するという効果がある。この場合、元素DによるCoの置換量は、CoO層及び/又はブロック層中のCuで占められていないCoサイトの15atm%以下が好ましい。 Further, in the formula (4), a part of Co contained in the CoO 2 layer and / or the block layer is further replaced with one or more elements selected from Sn, Mn, Ni, Fe, Zr and Cr (hereinafter referred to as “following”). This may be replaced with “element D”). Substituting a part of Co with the element D has the effect of improving the Seebeck coefficient and / or electrical conductivity. In this case, the substitution amount of Co by the element D is preferably 15 atm% or less of the Co site not occupied by Cu in the CoO 2 layer and / or the block layer.

(4)式で表されるコバルト層状酸化物としては、具体的には、[Ca(Co0.65Cu0.35)]0.624(CoO)等がある。 Specific examples of the cobalt layered oxide represented by the formula (4) include [Ca 2 (Co 0.65 Cu 0.35 ) 2 O 4 ] 0.624 (CoO 2 ).

コバルト層状酸化物の第4の具体例は、ブロック層が、少なくともBi、「元素B」及びCoを含む4層の擬岩塩構造層からなるものであり、次の(5)式に示す一般式で表される。
(Bi1−xーyCo1+α)(CoO2+β ・・・(5)
(但し、Bは、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から選ばれる1種又は2種以上の元素。
0.2≦x≦0.8。
0.0≦y<0.5。
0.2≦x+y≦1.0。
0.25≦z≦0.5。
0.85≦{1+α+(2+β)z}/(1+2z)≦1.15。)
In the fourth specific example of the cobalt layered oxide, the block layer is composed of four pseudo rock salt structure layers containing at least Bi, “element B”, and Co. The general formula shown in the following formula (5) It is represented by
(Bi 1-xy B x Co y O 1 + α ) (CoO 2 + β ) z (5)
(B is one or more elements selected from alkali metals and alkaline earth metals.
0.2 ≦ x ≦ 0.8.
0.0 ≦ y <0.5.
0.2 ≦ x + y ≦ 1.0.
0.25 ≦ z ≦ 0.5.
0.85 ≦ {1 + α + (2 + β) z} / (1 + 2z) ≦ 1.15. )

なお、(5)式において、「0.85≦{1+α+(2+β)z}/(1+2z)≦1.15」は、基本組成( (Bi1−xーyCoO)(CoO))を有するコバルト層状酸化物に含まれる酸素の化学量論量(1+2z)に対し、最大で±15atm%の範囲で酸素が過剰となったり、あるいは、酸素の欠損を生ずる場合があることを示す。この場合、増減する酸素は、CoO層に含まれる酸素(β)又はブロック層に含まれる酸素(α)のいずれか一方であっても良く、あるいは、双方の酸素であっても良い。 In the formula (5), “0.85 ≦ {1 + α + (2 + β) z} / (1 + 2z) ≦ 1.15” indicates the basic composition ((Bi 1−xy− B x Co y O) (CoO 2 ) Oxygen may be excessive or oxygen deficiency may occur in the range of ± 15 atm% at the maximum with respect to the stoichiometric amount (1 + 2z) of oxygen contained in the cobalt layered oxide having z ) Indicates. In this case, the increasing / decreasing oxygen may be either oxygen (β) contained in the CoO 2 layer or oxygen (α) contained in the block layer, or both oxygens.

また、(5)式に示すコバルト層状酸化物において、CoO層及び/又はブロック層に含まれるCoの一部を「元素C」で置換しても良い。Coの一部を元素Cで置換すると、層状酸化物のゼーベック係数及び/又は電気伝導度が向上するという効果がある。この場合、元素CによるCoの置換量は、25atm%以下が好ましい。 In the cobalt layered oxide represented by the formula (5), a part of Co contained in the CoO 2 layer and / or the block layer may be replaced with “element C”. Substituting a part of Co with the element C has an effect of improving the Seebeck coefficient and / or electric conductivity of the layered oxide. In this case, the substitution amount of Co by the element C is preferably 25 atm% or less.

酸化物熱電材料の第3の具体例は、所定の金属元素をドープしたNiO(以下、これを「ドープNiO」という)からなる。ドープNiOは、p型熱電酸化物であり、キャリア濃度を調整することによって、高い熱電特性を示す。なお、NiOにドープする金属元素としては、具体的には、Li、Na、Cu、Ag等が好適である。   A third specific example of the oxide thermoelectric material is made of NiO doped with a predetermined metal element (hereinafter referred to as “doped NiO”). Doped NiO is a p-type thermoelectric oxide and exhibits high thermoelectric characteristics by adjusting the carrier concentration. Specifically, as the metal element doped into NiO, Li, Na, Cu, Ag, and the like are preferable.

酸化物熱電材料の第4の具体例は、ZnO又はこれに所定の金属元素をドープしたもの(以下、これを「ドープZnO」という)からなる。ZnO及びドープZnOは、n型熱電酸化物であり、キャリア濃度を調整することによって高い熱電特性を示す。なお、ZnOにドープする金属元素としては、具体的には、Al、Bi等が好適である。 A fourth specific example of the oxide thermoelectric material is made of ZnO or a material doped with a predetermined metal element (hereinafter referred to as “doped ZnO”). ZnO and doped ZnO are n-type thermoelectric oxides and exhibit high thermoelectric characteristics by adjusting the carrier concentration. Specifically, Al, Bi 2 O 3 and the like are preferable as the metal element doped into ZnO.

酸化物熱電材料の第5の具体例は、SrTiO、BaPbO、CaMnO、LaNiO、LiTi、BaBiO、LaCuOなどのペロブスカイト型化合物からなる。ペロブスカイト型化合物は、キャリア濃度を調整することによって熱電特性を示す。 A fifth specific example of the oxide thermoelectric material is made of a perovskite type compound such as SrTiO 3 , BaPbO 3 , CaMnO 3 , LaNiO 3 , LiTi 2 O 4 , BaBiO 3 , LaCuO 3 . Perovskite compounds exhibit thermoelectric properties by adjusting the carrier concentration.

上述した各種熱電材料の中でも、酸化物熱電材料は、耐熱性、耐酸化性に優れているので、高温域(数百℃以上)で使用される単接合素子16を構成するp型素子12及び/又はn型素子14の熱電材料として好適である。   Among the various thermoelectric materials described above, the oxide thermoelectric material is excellent in heat resistance and oxidation resistance. Therefore, the p-type element 12 constituting the single junction element 16 used in a high temperature range (several hundred degrees C. or more) and It is suitable as a thermoelectric material for the n-type element 14.

p型素子12及び/又はn型素子14を構成する熱電材料は、単結晶であっても良く、あるいは、多結晶であっても良い。また、熱電材料が多結晶である場合、各結晶粒は無配向であっても良く、あるいは、各結晶粒の特定の結晶面が一方向に配向しているものでも良い。但し、熱電材料が多結晶であり、かつその熱電特性に結晶方位に応じた異方性がある場合において、高い熱電特性を得るためには、特定の結晶面が一方向に配向している配向多結晶が好ましい。   The thermoelectric material constituting the p-type element 12 and / or the n-type element 14 may be single crystal or polycrystalline. When the thermoelectric material is polycrystalline, each crystal grain may be non-oriented, or a specific crystal plane of each crystal grain may be oriented in one direction. However, in the case where the thermoelectric material is polycrystalline and the thermoelectric characteristics have anisotropy according to the crystal orientation, in order to obtain high thermoelectric characteristics, an orientation in which a specific crystal plane is oriented in one direction Polycrystal is preferred.

本発明において、「特定の結晶面が一方向に配向している」とは、各結晶粒の特定の結晶面が互いに平行に配向すること(以下、これを「面配向」という)、及び、各結晶粒の特定の結晶面が多結晶を貫通する1つの軸に対して平行に配向すること(以下、これを「軸配向」という)の双方を意味する。高い熱電特性を備えた熱電材料を得るためには、特定の結晶面は、面配向していることが望ましい。   In the present invention, “the specific crystal plane is oriented in one direction” means that the specific crystal planes of each crystal grain are oriented in parallel to each other (hereinafter referred to as “plane orientation”), and This means both that a specific crystal plane of each crystal grain is oriented parallel to one axis penetrating the polycrystal (hereinafter referred to as “axial orientation”). In order to obtain a thermoelectric material having high thermoelectric properties, it is desirable that a specific crystal plane is plane-oriented.

特定の結晶面の面配向の程度は、次の数1の式に示すロットゲーリング(Lotgering)法による平均配向度Q(HKL)により表すことができる。   The degree of plane orientation of a specific crystal plane can be expressed by an average degree of orientation Q (HKL) by the Lotgering method shown in the following equation (1).

Figure 2005268240
Figure 2005268240

なお、数1の式において、ΣI(hkl)は、配向多結晶について測定されたすべての結晶面(hkl)のX線回折強度の総和であり、ΣI(hkl)は、配向多結晶と同一組成を有する無配向多結晶について測定されたすべての結晶面(hkl)のX線回折強度の総和である。また、Σ'I(HKL)は、配向多結晶について測定された結晶学的に等価な特定の結晶面(HKL)のX線回折強度の総和であり、Σ'I(HKL)は、配向多結晶と同一組成を有する無配向多結晶について測定された結晶学的に等価な特定の結晶面(HKL)のX線回折強度の総和である。 In Equation 1, ΣI (hkl) is the sum of X-ray diffraction intensities of all crystal planes (hkl) measured for the oriented polycrystal, and ΣI 0 (hkl) is the same as that of the oriented polycrystal. It is the sum total of the X-ray diffraction intensities of all crystal planes (hkl) measured for a non-oriented polycrystal having a composition. Σ'I (HKL) is the sum of X-ray diffraction intensities of crystallographically equivalent specific crystal planes (HKL) measured for oriented polycrystals, and Σ'I 0 (HKL) is the orientation It is the sum total of the X-ray diffraction intensities of specific crystal planes (HKL) that are crystallographically equivalent and measured for an unoriented polycrystal having the same composition as the polycrystal.

従って、多結晶を構成する各結晶粒が無配向である場合には、平均配向度Q(HKL)は0%となる。また、多結晶を構成するすべての結晶粒の(HKL)面が測定面に対して平行に配向している場合には、平均配向度Q(HKL)は100%となる。   Therefore, when the crystal grains constituting the polycrystal are non-oriented, the average degree of orientation Q (HKL) is 0%. Further, when the (HKL) planes of all the crystal grains constituting the polycrystal are oriented parallel to the measurement plane, the average degree of orientation Q (HKL) is 100%.

熱電特性に結晶方位に応じた異方性がある熱電材料において、高い性能指数を得るためには、特定の結晶面の配向度は高いほど良い。特定の結晶面の面配向度は、具体的には、50%以上が好ましく、さらに好ましくは、80%以上である。   In a thermoelectric material having anisotropy corresponding to crystal orientation in thermoelectric properties, the higher the degree of orientation of a specific crystal plane is, the better, in order to obtain a high performance index. Specifically, the plane orientation degree of the specific crystal plane is preferably 50% or more, and more preferably 80% or more.

なお、特定の結晶面を軸配向させる場合には、その配向の程度は、数1の式では定義できない。しかしながら、配向軸に垂直な面に対してX線回折を行った場合の(HKL)回折に関するLotgering法による平均配向度(以下、これを「軸配向度」という。)を用いて、軸配向の程度を表すことができる。特定の結晶面が軸配向している多結晶の場合、軸配向度は負の値となる。また、特定の結晶面がほぼ完全に軸配向している多結晶の軸配向度は、特定の結晶面がほぼ完全に面配向している多結晶について測定された軸配向度と同程度になる。   When a specific crystal plane is axially oriented, the degree of orientation cannot be defined by the equation (1). However, the average orientation degree (hereinafter referred to as “axial orientation degree”) by the Rotgering method for (HKL) diffraction when X-ray diffraction is performed on a plane perpendicular to the orientation axis is used to determine the axial orientation. The degree can be expressed. In the case of a polycrystal having a specific crystal plane axially oriented, the degree of axial orientation is a negative value. In addition, the degree of axial orientation of a polycrystal whose specific crystal plane is almost completely axially oriented is the same as the degree of axial orientation measured for a polycrystal whose specific crystal plane is almost perfectly plane oriented. .

配向させる特定の結晶面は、熱電材料の種類に応じて最適なものを選択する。例えば、(1)式で表される複合酸化物の場合、ab面(AO層と平行な面)を配向させるのが好ましい。また、例えば、(2)〜(5)式で表されるコバルト層状酸化物の場合、ab面(CoO層と平行な面)を配向させるのが好ましい。さらに、p型素子12及びn型素子14は、それぞれ、これらの結晶面が長手方向に配向しているものが好ましい。(1)式で表される複合酸化物のab面及び(2)〜(5)式で表されるコバルト層状酸化物のab面は、いずれも面内方向の電気伝導度が高い。そのため、これをp型素子12及び/又はn型素子14の長手方向に配向させると、長手方向の電気伝導度が高くなり、高い熱電特性が得られる。 The specific crystal plane to be oriented is selected optimally according to the type of thermoelectric material. For example, in the case of the complex oxide represented by the formula (1), it is preferable to orient the ab plane (a plane parallel to the AO 2 layer). For example, in the case of a cobalt layered oxide represented by the formulas (2) to (5), it is preferable to orient the ab plane (a plane parallel to the CoO 2 layer). Furthermore, it is preferable that the p-type element 12 and the n-type element 14 have their crystal planes oriented in the longitudinal direction. The ab surface of the complex oxide represented by the formula (1) and the ab surface of the cobalt layered oxide represented by the formulas (2) to (5) both have high in-plane electrical conductivity. Therefore, when this is oriented in the longitudinal direction of the p-type element 12 and / or the n-type element 14, the electrical conductivity in the longitudinal direction is increased, and high thermoelectric characteristics are obtained.

次に、単接合素子16の製造方法について説明する。各種の熱電材料からなる単接合素子16を製造する方法としては、具体的には、
(1)単結晶又は多結晶からなるp型素子12と、単結晶又は多結晶からなるn型素子14とを接合する第1の方法、
(2)p型熱電材料の粉末を含む成形体と、n型熱電材料の粉末を含む成形体とを密着させ、無加圧下又は加圧下で同時に焼結させる第2の方法、
(3)p型熱電材料の粉末と、n型熱電材料の粉末とを型内に層状に充填し、成形・焼結又は直接焼結させる第3の方法、
(4)上述した第1〜第3の方法の組み合わせ、
等がある。
Next, a method for manufacturing the single junction element 16 will be described. As a method for manufacturing the single junction element 16 made of various thermoelectric materials, specifically,
(1) A first method of joining a p-type element 12 made of single crystal or polycrystal and an n-type element 14 made of single crystal or polycrystal,
(2) a second method in which a molded body containing a powder of a p-type thermoelectric material and a molded body containing a powder of an n-type thermoelectric material are closely adhered and sintered simultaneously under no pressure or under pressure;
(3) a third method in which a p-type thermoelectric material powder and an n-type thermoelectric material powder are filled in layers in a mold and molded, sintered, or directly sintered;
(4) A combination of the first to third methods described above,
Etc.

第1の方法を用いて単接合素子16を製造する場合、p型素子12とn型素子14とを直接突き合わせ、そのまま接合しても良い。あるいは、適当な中間層を介して接合しても良い。また、中間層を介在させる場合、中間層には、p型素子12及びn型素子14との反応性の低いもの、あるいは、p型素子12−n型素子14間の元素の拡散を抑制できるものを用いるのが好ましい。この点は、第2の方法又は第3の方法を用いる場合も同様であり、必要に応じて、中間層を介在させるのが好ましい。   When manufacturing the single junction element 16 using the first method, the p-type element 12 and the n-type element 14 may be directly abutted and joined as they are. Or you may join via a suitable intermediate | middle layer. Further, when the intermediate layer is interposed, the intermediate layer can suppress the diffusion of elements having low reactivity with the p-type element 12 and the n-type element 14 or between the p-type element 12 and the n-type element 14. It is preferable to use one. This point is the same when the second method or the third method is used, and it is preferable to interpose an intermediate layer as necessary.

p型素子12とn型素子14との間に中間層を介在させる場合、その材料は、熱電材料の種類に応じて、最適なものを選択する。例えば、酸化物熱電材料同士を接合する場合、中間層としては、具体的には、ガラス成分を含む貴金属ペースト(Agペースト、Auペースト)、貴金属箔、貴金属ペースト+貴金属箔、熱電材料を微量含む貴金属ペースト等を用いるのが好ましい。   When an intermediate layer is interposed between the p-type element 12 and the n-type element 14, an optimal material is selected according to the type of thermoelectric material. For example, when joining oxide thermoelectric materials, the intermediate layer specifically includes a noble metal paste containing a glass component (Ag paste, Au paste), noble metal foil, noble metal paste + noble metal foil, and a small amount of thermoelectric material. It is preferable to use a noble metal paste or the like.

p型素子12及び/又はn型素子14として、配向多結晶を用いる場合、配向多結晶は、種々の方法により製造することができる。例えば、Bi−Te系熱電材料の場合、無配向多結晶を熱間押出成形することにより、軸配向多結晶を作製することができる。あるいは、Bi−Te系熱電材料の溶滴を冷却された型表面に滴下することにより、面配向多結晶を作製することができる。   When oriented polycrystal is used as the p-type element 12 and / or the n-type element 14, the oriented polycrystal can be produced by various methods. For example, in the case of a Bi—Te-based thermoelectric material, an axially oriented polycrystal can be produced by hot extruding non-oriented polycrystal. Alternatively, a plane-oriented polycrystal can be produced by dropping a droplet of Bi—Te-based thermoelectric material on the cooled mold surface.

また、例えば、酸化物熱電材料からなる配向多結晶は、まず、その発達面(面積の最も大きい面)が酸化物熱電材料の熱電特性の高い結晶面と格子整合性を有する異方形状粉末と、この異方形状粉末と反応し又は反応することなく目的とする酸化物熱電材料となる第2粉末とを混合し、これを異方形状粉末が一方向に配向するように成形し、配向成形体を焼結すること、により得られる。ここで、「異方形状」とは、粉末の幅又は厚さに対する発達面の最大長さの比(アスペクト比)が大きいことをいい、板状、針状、鱗片状等が該当する。   In addition, for example, an oriented polycrystal made of an oxide thermoelectric material has an anisotropic shaped powder having a lattice matching with a crystal face having high thermoelectric properties of the oxide thermoelectric material. Then, the second powder that becomes the target oxide thermoelectric material reacts with or without reacting with this anisotropically shaped powder, and this is shaped so that the anisotropically shaped powder is oriented in one direction. It is obtained by sintering the body. Here, the “anisotropic shape” means that the ratio (aspect ratio) of the maximum length of the development surface to the width or thickness of the powder is large, and corresponds to plate shape, needle shape, scale shape and the like.

異方形状粉末は、作製しようとする酸化物系熱電材料の種類に応じて、最適なものを選択する。例えば、熱電材料が(1)式に示す複合酸化物又はこれに種々の元素をドーピングしたものである場合、異方形状粉末は、具体的には、
(a) (1)式で表される複合酸化物又はこれに種々の元素をドーピングしたものであって、作製しようとする熱電材料と同一又は異なる組成を有し、かつab面を発達面とする板状粉末、
(b) AO層と同様な構造であって、Aサイト元素を含む酸化物、水酸化物等からなり、かつ特定の結晶面を発達面とする板状粉末(例えば、(001)面を発達面とする六方晶In板状粉末、(100)面を発達面とするIn(OH)板状粉末など)、
(c) CO層と同様な構造であって、Cサイト元素を含む酸化物、水酸化物等からなり、かつ特定の結晶面を発達面とする板状粉末(例えば、(001)面を発達面とするZnO板状粉末、(001)面を発達面とする塩基性硫酸亜鉛の板状粉末など)、
等が好適である。
The anisotropically shaped powder is selected in accordance with the type of oxide thermoelectric material to be produced. For example, when the thermoelectric material is a composite oxide represented by the formula (1) or a material doped with various elements, the anisotropically shaped powder is specifically
(A) A composite oxide represented by the formula (1) or a compound doped with various elements, having the same or different composition as the thermoelectric material to be produced, and having the ab plane as a development plane Plate powder,
(B) A plate-like powder having a structure similar to that of the AO 2 layer, including an A-site element-containing oxide, hydroxide, etc., and having a specific crystal plane as a development plane (for example, a (001) plane Hexagonal In 2 O 3 plate powder having a development plane, In (OH) 3 plate powder having a (100) plane development),
(C) A plate-like powder having a structure similar to that of the CO layer and made of an oxide or hydroxide containing a C-site element and having a specific crystal plane as a development plane (for example, a (001) plane is developed. ZnO plate-like powder with a surface, basic zinc sulfate plate-like powder with a (001) surface as a development surface),
Etc. are suitable.

また、例えば、熱電材料が(2)〜(5)式に示すコバルト層状酸化物又はこれに種々の元素をドーピングしたものである場合、異方形状粉末は、具体的には、
(d) (2)〜(5)式で表されるコバルト層状酸化物又はこれに種々の元素をドーピングしたものであって、作製しようとする熱電材料と同一又は異なる組成を有し、かつab面を発達面とする板状粉末、
(e) {00l}面を発達面とするCo(OH)板状粉末、{111}面を発達面とするCoO板状粉末、{111}面を発達面とするCo板状粉末、{00l}面を発達面とするCoO(OH)板状粉末、
等が好適である。
Further, for example, when the thermoelectric material is a cobalt layered oxide represented by the formulas (2) to (5) or a material doped with various elements, the anisotropically shaped powder is specifically,
(D) The cobalt layered oxide represented by the formulas (2) to (5) or those doped with various elements, having the same or different composition as the thermoelectric material to be produced, and ab A plate-like powder whose surface is developed,
(E) Co (OH) 2 plate powder having a {001} plane as a development plane, CoO plate powder having a {111} plane as a development plane, and Co 3 O 4 plate having a {111} plane as a development plane Powder, CoO (OH) plate-like powder with {00l} plane as the development plane,
Etc. are suitable.

一方、異方形状粉末に加える第2粉末の組成は、作製しようとする熱電材料の組成及び異方形状粉末の組成に応じて定まる。例えば、(1)式に示すコバルト層状酸化物からなる配向多結晶を作製する場合において、異方形状粉末として{00l}面を発達面とするCo(OH)板状粉末を用いるときには、第2粉末として、Ca、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Bi及び/又は元素Cを含む酸化物、複酸化物、塩類等を用い、これらを化学量論比となるように配合すればよい。他の熱電材料を作製する場合も同様である。 On the other hand, the composition of the second powder added to the anisotropically shaped powder is determined according to the composition of the thermoelectric material to be produced and the composition of the anisotropically shaped powder. For example, in the case of producing an oriented polycrystal composed of a cobalt layered oxide represented by the formula (1), when using a Co (OH) 2 plate-like powder having a developed plane of the {001} plane as the anisotropically shaped powder, As the two powders, Ca, alkali metal, alkaline earth metal, Bi and / or an oxide containing C and double oxides, salts, and the like may be used, and these may be blended so as to have a stoichiometric ratio. The same applies to the production of other thermoelectric materials.

また、成形には、異方形状粉末に対してせん断力が作用するような方法を用いるのが好ましい。例えば、異方形状粉末を面配向させる場合、成形方法は、具体的には、ドクターブレード法、プレス成形法、圧延法、押出法(シート状)等が好適である。また、例えば、異方形状粉末を軸配向させる場合、成形方法は、具体的には、押出成形法(非シート状)が好適である。   In addition, it is preferable to use a method in which a shearing force acts on the anisotropically shaped powder. For example, when the anisotropically shaped powder is oriented in a plane, specifically, a doctor blade method, a press molding method, a rolling method, an extrusion method (sheet shape) and the like are preferable. For example, when the anisotropically shaped powder is axially oriented, the extrusion method (non-sheet shape) is specifically preferred as the forming method.

また、異方形状粉末を面配向させる場合において、発達面の配向度を高めるためには、ドクターブレード(テープキャスト)法、押出法、プレス成形等を用いて成形体を作製し、次いで得られた成形体を圧延(ロールプレス)するのが好ましい。あるいは、シート状の成形体の積層圧着及び圧延を複数回繰り返しても良い。さらに、成形体を脱脂すると、密度又は配向度が低下する場合がある。このような場合には、密度又は配向度を高めるために、脱脂後の成形体に対して静水圧(CIP)処理を施しても良い。   In addition, in order to increase the orientation of the development surface when the anisotropically shaped powder is surface-oriented, a molded body is prepared using a doctor blade (tape casting) method, extrusion method, press molding, etc., and then obtained. The formed body is preferably rolled (roll pressed). Or you may repeat lamination | stacking crimping | compression-bonding and rolling of a sheet-like molded object in multiple times. Furthermore, when the molded body is degreased, the density or the degree of orientation may decrease. In such a case, in order to increase the density or the degree of orientation, a hydrostatic pressure (CIP) treatment may be performed on the molded body after degreasing.

このような配向成形体を焼結させると、熱電特性の高い結晶面が配向した配向多結晶が得られる。焼結方法は、特に限定されるものではなく、常圧焼結、ホットプレス、ホットフォージング、HIP、プラズマ焼結(SPS)等、種々の方法を用いることができる。また、焼結条件は、熱電材料の種類に応じて最適な条件を選択すれば良い。   When such an oriented molded body is sintered, an oriented polycrystal having a crystal face with high thermoelectric properties is obtained. The sintering method is not particularly limited, and various methods such as atmospheric pressure sintering, hot pressing, hot forging, HIP, and plasma sintering (SPS) can be used. Moreover, what is necessary is just to select optimal conditions for sintering conditions according to the kind of thermoelectric material.

単接合素子16を作製する場合、まず、上述した方法を用いて配向多結晶からなるp型素子12及びn型素子14をそれぞれ作製し、次いで、作製された配向多結晶を接合しても良い。あるいは、p型素子となる配向成形体とn型素子となる配向成形体とをそれぞれ作製し、これらを密着させて同時に焼結させても良い。この場合、密着させた配向成形体の周囲を拘束しながら焼結させ、かつ、焼結条件を最適化すれば、焼結時の配向度の低下を抑制することができる。   When the single junction element 16 is manufactured, first, the p-type element 12 and the n-type element 14 each made of oriented polycrystal may be produced using the above-described method, and then the produced oriented polycrystal may be joined. . Alternatively, an alignment molded body to be a p-type element and an alignment molded body to be an n-type element may be produced, and these may be brought into close contact and sintered simultaneously. In this case, if the sintering is performed while constraining the periphery of the oriented molded body that is in close contact, and the sintering conditions are optimized, a decrease in the degree of orientation during sintering can be suppressed.

このようにして得られた単接合素子16に対し、熱流体を直接、接触させて熱電発電を行う場合において、単接合素子16と熱流体との反応を抑制する必要があるときには、単接合素子16の表面に保護膜を形成するのが好ましい。   When thermoelectric power generation is performed by directly contacting a thermal fluid to the single junction element 16 thus obtained, when it is necessary to suppress the reaction between the single junction element 16 and the thermal fluid, the single junction element 16 is used. A protective film is preferably formed on the surface 16.

例えば、熱電材料としてBi−Te系化合物を用いる場合において、単接合素子16の接合部又は端部に熱水を直接、接触させて熱電発電を行うときには、保護膜として、エポキシ樹脂等を用いるのが好ましい。
また、例えば、熱電材料としてケイ素化合物を用いる場合において、単接合素子16を高温の酸化雰囲気下で使用するときには、保護膜として、酸化シリコン、窒化シリコン等を用いるのが好ましい。これらの保護膜は、PVD法、CVD法、スパッタリング法等、周知の方法を用いて形成することができる。
For example, in the case where a Bi-Te compound is used as the thermoelectric material, when thermoelectric power generation is performed by bringing hot water into direct contact with the junction or end of the single junction element 16, an epoxy resin or the like is used as a protective film. Is preferred.
For example, when a silicon compound is used as the thermoelectric material, when the single junction element 16 is used in a high-temperature oxidizing atmosphere, it is preferable to use silicon oxide, silicon nitride, or the like as the protective film. These protective films can be formed using a known method such as a PVD method, a CVD method, or a sputtering method.

次に、上述した熱電素子を備えた熱電モジュールの作用について説明する。熱電素子を構成するp型素子とn型素子は、一般に、異なる熱電材料からなる。そのため、U型熱電素子を用いて温度差を付けて熱電発電を行うときには、p型素子とn型素子の熱膨張率が異なるために、材料同士及び電極との接合部分に応力が加わる。また、U型熱電素子の開放端に外力が作用すると、接合部には、大きな曲げモーメントが発生する。   Next, the operation of the thermoelectric module including the thermoelectric element described above will be described. The p-type element and the n-type element constituting the thermoelectric element are generally made of different thermoelectric materials. Therefore, when thermoelectric power generation is performed with a temperature difference using a U-type thermoelectric element, the p-type element and the n-type element have different coefficients of thermal expansion, so that stress is applied to the joint portions between the materials and the electrodes. Further, when an external force acts on the open end of the U-type thermoelectric element, a large bending moment is generated at the joint.

また、π型熱電素子は、各素子を平行平板で挟持した構造を取る。そのため、π型熱電素子は、p型素子とn型素子の熱膨張係数差に起因する熱応力を構造的に回避することができないだけでなく、素子間の加工精度の僅かなばらつきによっても、大きな熱応力が発生し、素子が破損したり、あるいは、接合部分の接触抵抗や接合強度がばらつくという問題がある。   The π-type thermoelectric element has a structure in which each element is sandwiched between parallel plates. Therefore, the π-type thermoelectric element not only cannot structurally avoid thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the p-type element and the n-type element, but also due to slight variations in processing accuracy between elements, There is a problem that a large thermal stress is generated, the element is damaged, or the contact resistance and the bonding strength of the bonded portion vary.

これに対し、p型素子12とn型素子14とを長手方向端面において接合した単接合素子16の場合、これに外力が作用しても、接合部に発生する曲げモーメントは、U型熱電素子に比べて遙かに小さい。また、このような単接合素子16に熱負荷を与えても、単接合素子16が長手方向に膨張・収縮するだけであり、接合面に熱せん断応力は作用しない。そのため、熱電モジュールの耐久性、信頼性が向上する。   On the other hand, in the case of the single-junction element 16 in which the p-type element 12 and the n-type element 14 are joined at the end face in the longitudinal direction, even if an external force acts on this, the bending moment generated at the joint is U-type thermoelectric element. It is much smaller than Further, even when a thermal load is applied to such a single junction element 16, the single junction element 16 only expands and contracts in the longitudinal direction, and thermal shear stress does not act on the joint surface. Therefore, durability and reliability of the thermoelectric module are improved.

また、各単接合素子16の長さ、並びに、p型素子12及びn型素子14の長さを最適化すると、p型素子12及びn型素子14の材料によらず、個々の単接合素子16の見かけの熱膨張特性をほぼ等しくすることができる。そのため、このような単接合素子16を横一列に並べ、その上下を電極で接合し、さらに、その上下を平行平板で挟持しても、個々の単接合素子16が一様に膨張・収縮するだけであり、p型素子12とn型素子14の熱膨張係数差に起因する熱応力は発生しない。また、素子間の加工精度の僅かなばらつきによって、素子が破損したり、あるいは、接合部分の接触抵抗や接合強度がばらつくおそれもない。   Further, when the length of each single junction element 16 and the length of the p-type element 12 and the n-type element 14 are optimized, the individual single-junction elements are independent of the material of the p-type element 12 and the n-type element 14. The apparent thermal expansion characteristics of 16 can be made substantially equal. Therefore, even when such single-junction elements 16 are arranged in a horizontal row, the upper and lower parts thereof are joined by electrodes, and the upper and lower parts are sandwiched between parallel plates, the individual single-junction elements 16 are uniformly expanded and contracted. However, thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the p-type element 12 and the n-type element 14 does not occur. Further, there is no possibility that the element will be damaged or the contact resistance and bonding strength of the bonded portion will not vary due to slight variations in processing accuracy between the elements.

また、熱源が高温部断面積の小さい熱流体である場合(例えば、火炎に曝す場合や、側壁が冷却されている管内部に高温の熱流体が流れている場合など)において、π型熱電素子を用いて熱電発電を行うときには、温接点を熱源に近接させ、あるいは、温接点を均等に加熱するのは困難である。そのため、熱源から平面電極上に設置されている熱電材料まで熱を伝達する際のロスが大きく、温接点と冷接点との間に大きな温度差を付けるのが困難である。   In addition, when the heat source is a thermal fluid having a small cross-sectional area of the high temperature part (for example, when exposed to a flame or when a high temperature thermal fluid is flowing inside the pipe whose side wall is cooled), the π-type thermoelectric element When thermoelectric power generation is performed using, it is difficult to bring the hot junction close to the heat source or to uniformly heat the hot junction. Therefore, there is a large loss in transferring heat from the heat source to the thermoelectric material installed on the planar electrode, and it is difficult to make a large temperature difference between the hot junction and the cold junction.

これに対し、単接合素子は、熱源の高温部の断面積が小さい場合であっても、高温部に接合部又は電極部を設置するのが容易である。そのため、温接点と冷接点の間に大きな温度差を付けることができる。また、単接合素子の配置を最適化すれば、各単接合素子の接合部又は電極部を均等に加熱することもできる。   On the other hand, in the single junction element, even when the cross-sectional area of the high temperature portion of the heat source is small, it is easy to install the junction portion or the electrode portion in the high temperature portion. Therefore, a large temperature difference can be provided between the hot junction and the cold junction. Further, if the arrangement of the single junction elements is optimized, the junctions or electrode portions of the single junction elements can be heated evenly.

さらに、単接合素子16の両端に接続する電極として、バネ電極を用いると、素子間の加工精度のばらつき、及び/又は、単接合素子16間に温度差が生じた場合であっても、熱応力を緩和することができる。
また、単接合素子16の接合部及び/又は端部に、熱の吸収又は放散を促進させる熱交換手段を設けると、熱電変換効率の高い熱電モジュールが得られる。また、p型素子の中間及び/又はn型素子の中間に、熱を遮断するセパレータを設けると、対流又は輻射による冷接点の温度上昇が抑制され、温接点と冷接点との間に大きな温度差を発生させることができる。
Furthermore, if spring electrodes are used as the electrodes connected to both ends of the single junction element 16, even if variations in processing accuracy between elements and / or temperature differences occur between the single junction elements 16, Stress can be relaxed.
In addition, when heat exchange means for promoting heat absorption or dissipation is provided at the junction and / or end of the single junction element 16, a thermoelectric module with high thermoelectric conversion efficiency can be obtained. In addition, if a separator that blocks heat is provided in the middle of the p-type element and / or the n-type element, the temperature rise of the cold junction due to convection or radiation is suppressed, and a large temperature is generated between the hot junction and the cold junction. Differences can be generated.

また、p型素子12及びn型素子14のいずれか一方に酸化物熱電材料を用いると、酸化による単接合素子16の特性劣化が少ない。特に、p型素子12及びn型素子14の双方に酸化物熱電材料を用いると、高温大気中で使用する場合であっても、表面を被覆する必要がなく、耐熱性及び耐酸化性に優れた単接合素子16が得られる。そのため、このような単接合素子を用いると、低コストかつ信頼性の高い熱電モジュールが得られる。   Further, when an oxide thermoelectric material is used for one of the p-type element 12 and the n-type element 14, the characteristic deterioration of the single junction element 16 due to oxidation is small. In particular, when an oxide thermoelectric material is used for both the p-type element 12 and the n-type element 14, it is not necessary to cover the surface even when used in a high-temperature atmosphere, and it has excellent heat resistance and oxidation resistance. A single junction element 16 is obtained. Therefore, when such a single junction element is used, a low-cost and highly reliable thermoelectric module can be obtained.

さらに、p型素子12及び/又はn型素子14として、配向多結晶を用いると、無配向多結晶を用いた場合に比べて、熱電性能が向上する。特に、p型素子12及びn型素子14として、それぞれ、熱電特性の高い結晶面が長手方向に配向している配向多結晶を用いた場合には、高い熱電性能が得られる。   Furthermore, when oriented polycrystal is used as the p-type element 12 and / or the n-type element 14, the thermoelectric performance is improved as compared with the case where non-oriented polycrystal is used. In particular, when each of the p-type element 12 and the n-type element 14 is an oriented polycrystal having crystal faces with high thermoelectric properties oriented in the longitudinal direction, high thermoelectric performance can be obtained.

次に、上述した熱電素子を用いた熱電モジュールの具体例について説明する。図2に、第1の実施の形態に係る熱電モジュールの概略構成図を示す。図2において、熱電モジュール50は、熱電素子40aと、支持枠52と、放熱板54と、セパレータ56とを備えている。   Next, a specific example of a thermoelectric module using the above-described thermoelectric element will be described. FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the thermoelectric module according to the first embodiment. In FIG. 2, the thermoelectric module 50 includes a thermoelectric element 40 a, a support frame 52, a heat radiating plate 54, and a separator 56.

熱電素子40aは、p型素子12とn型素子14とが長手方向端面において接合された複数個の単接合素子16、16…を備えている。各単接合素子16、16…は、p型素子12とn型素子14とが交互に接続されるように、バネ電極30、30により直列に接続されている。また、直列に接続された単接合素子16、16…の両端は、それぞれ、バネ電極30を介して、端子22、24に接続されている。   The thermoelectric element 40a includes a plurality of single-junction elements 16, 16... In which the p-type element 12 and the n-type element 14 are joined at the end faces in the longitudinal direction. The single junction elements 16, 16... Are connected in series by spring electrodes 30, 30 so that the p-type elements 12 and the n-type elements 14 are alternately connected. Further, both ends of the single junction elements 16, 16... Connected in series are connected to the terminals 22 and 24 via the spring electrodes 30, respectively.

支持枠52は、U字型の基体52aと、基体52aの左右の下面に設けられた放熱ブロック(銅ブロック)52b、52bからなる。各単接合素子16、16…の両端は、それぞれ、基体52aの下面に設けられた凹溝にはめ込まれ、放熱ブロック52b、52bにより挟持されている。また、バネ電極30、30…は、基体52aの両側面に固定されており、付勢されたプローブの先端面で各単接合素子16、16…の両端面を押圧するようになっている。   The support frame 52 includes a U-shaped base 52a and heat dissipation blocks (copper blocks) 52b and 52b provided on the left and right lower surfaces of the base 52a. Both ends of each single-junction element 16, 16... Are fitted in a concave groove provided on the lower surface of the base 52a, and are sandwiched between heat radiation blocks 52b and 52b. Further, the spring electrodes 30, 30... Are fixed to both side surfaces of the base 52a, and the both end surfaces of the single junction elements 16, 16.

支持枠52の左右上面には、各単接合素子16、16…の電極部分を冷却するための放熱板54、54が設けられている。放熱板54、54には、それぞれ、多数の放熱フィン54a、54aが設けられており、電極部分からの放熱を促進させるようになっている。   On the left and right upper surfaces of the support frame 52, heat radiating plates 54, 54 are provided for cooling the electrode portions of the single junction elements 16, 16,. The heat radiating plates 54 and 54 are provided with a large number of heat radiating fins 54a and 54a, respectively, to promote heat radiation from the electrode portions.

セパレータ56は、上下が開口している中空の角筒からなり、U字型の支持枠52の上方からその開口部に向かって挿入されている。セパレータ56は、各単接合素子16、16…の接合部と、両端の電極部分との間の熱の対流及び/又は輻射を遮断するためのものである。また、セパレータ56の高さは、放熱板54の高さより高くなっている。そのため、セパレータ56は、図2(a)の矢印方向に沿って、単接合素子16、16…の接合部に熱流体を導入したときに、熱流体によって放熱板54が加熱されるのを抑制する機能も有している。   The separator 56 is formed of a hollow rectangular tube that is open at the top and bottom, and is inserted from above the U-shaped support frame 52 toward the opening. The separator 56 is used to block heat convection and / or radiation between the junctions of the single junction elements 16, 16... And the electrode portions at both ends. The height of the separator 56 is higher than the height of the heat sink 54. Therefore, the separator 56 suppresses that the heat sink 54 is heated by the thermal fluid when the thermal fluid is introduced into the junction of the single junction elements 16, 16... Along the arrow direction of FIG. It also has a function to do.

次に、図2に示す熱電モジュール50の作用について説明する。熱電モジュール50を熱電発電に用いる場合、端子22、24に負荷を接続する。次いで、単接合素子16、16…の接合部を火炎に曝し、あるいは、図2(a)の矢印方向に向かって熱風を導入する。接合部が加熱されると、接合部と電極部との間に温度差が発生し、起電力が得られる。この時、電流は、p型素子12→n型素子14方向に流れる。   Next, the operation of the thermoelectric module 50 shown in FIG. 2 will be described. When the thermoelectric module 50 is used for thermoelectric power generation, a load is connected to the terminals 22 and 24. Next, the junction of the single junction elements 16, 16... Is exposed to a flame, or hot air is introduced in the direction of the arrow in FIG. When the junction is heated, a temperature difference is generated between the junction and the electrode, and an electromotive force is obtained. At this time, the current flows in the direction from the p-type element 12 to the n-type element 14.

また、熱電モジュール50を熱電加熱・冷却に用いる場合、端子22、24に直流電源を接続する。端子22をプラスに接続すると、各単接合素子16、16…の接合部では、n型素子14→p型素子12の方向に電流が流れるので、接合部は冷却される。逆に、端子22をマイナスに接続すると、接合部では、p型素子12→n型素子14の方向に電流が流れるので、接合部は加熱される。従って、図1(a)の矢印方向に向かって、熱交換媒体(例えば、空気)を通過させれば、熱交換媒体を加熱又は冷却することができる。   When the thermoelectric module 50 is used for thermoelectric heating / cooling, a DC power source is connected to the terminals 22 and 24. When the terminal 22 is connected positively, current flows in the direction of the n-type element 14 → p-type element 12 at the junction of each single junction element 16, 16,... On the contrary, when the terminal 22 is connected to minus, current flows in the direction from the p-type element 12 to the n-type element 14 at the junction, so that the junction is heated. Therefore, if a heat exchange medium (for example, air) is passed in the direction of the arrow in FIG. 1A, the heat exchange medium can be heated or cooled.

本実施の形態に係る熱電モジュール50は、各単接合素子16、16…を電気的に接続するために、バネ電極30、30…を用いている。そのため、接合部又は電極部が加熱され、各単接合素子16、16…が膨張しても、熱応力がバネ電極30、30…によって緩和される。また、単接合素子16、16の接合部に熱せん断応力が発生することがなく、また、外力が作用しても、接合部に大きな曲げモーメントが発生することもない。さらに、接合部と電極部の間を熱的に遮断するセパレータ56が設けられているので、接合部と電極部との間に、より大きな温度差を発生させることができる。   The thermoelectric module 50 according to the present embodiment uses spring electrodes 30, 30... To electrically connect the single junction elements 16, 16. Therefore, even if the bonding portion or the electrode portion is heated and the single bonding elements 16, 16... Expand, the thermal stress is relieved by the spring electrodes 30, 30. Further, thermal shear stress is not generated at the joint portion of the single junction elements 16 and 16, and even when an external force is applied, a large bending moment is not generated at the joint portion. Furthermore, since the separator 56 that thermally blocks between the joint portion and the electrode portion is provided, a larger temperature difference can be generated between the joint portion and the electrode portion.

次に、第2の実施の形態に係る熱電モジュールについて説明する。図3に、本実施の形態に係る熱電モジュールの概略構成図を示す。図3において、熱電モジュール60は、熱電素子40と、媒体導入路62と、放熱板64とを備えている。   Next, a thermoelectric module according to the second embodiment will be described. In FIG. 3, the schematic block diagram of the thermoelectric module which concerns on this Embodiment is shown. In FIG. 3, the thermoelectric module 60 includes a thermoelectric element 40, a medium introduction path 62, and a heat radiating plate 64.

熱電素子40は、図3(b)に示すように、p型素子12とn型素子14とが長手方向端面において接合された複数個の単接合素子16、16…を備えている。各単接合素子16、16…は、p型素子12とn型素子14とが交互に接続されるように、電極18、20に接続されている。なお、電極18、20は、各単接合素子16、16…と一体的に接合されていても良く、あるいは、バネ電極でも良い。また、直列に接続された単接合素子16、16…の両端は、それぞれ、端子22、24に接続されている。   As shown in FIG. 3B, the thermoelectric element 40 includes a plurality of single-junction elements 16, 16... In which the p-type element 12 and the n-type element 14 are joined at the end faces in the longitudinal direction. Each single junction element 16, 16... Is connected to electrodes 18 and 20 so that p-type element 12 and n-type element 14 are alternately connected. It should be noted that the electrodes 18 and 20 may be integrally joined to the single junction elements 16, 16... Or may be spring electrodes. Further, both ends of the single junction elements 16, 16... Connected in series are connected to terminals 22 and 24, respectively.

各単接合素子16、16…の両端は、それぞれ、管状の媒体導入路62の上壁内面及び下壁内面において支持されている。また、媒体導入路62の上壁外面であって、各単接合素子16、16…の上端が支持されている部分の上方、及び、媒体導入路62の下壁外面であって、各単接合素子16、16…の下端が支持されている部分の下方には、それぞれ、放熱板64、64が設けられている。   Both ends of each single-junction element 16, 16 ... are supported on the inner surface of the upper wall and the inner surface of the lower wall of the tubular medium introduction path 62, respectively. Further, it is the upper wall outer surface of the medium introduction path 62 and above the portion where the upper ends of the single junction elements 16, 16... Are supported, and the lower wall outer surface of the medium introduction path 62. Radiating plates 64, 64 are provided below the portions where the lower ends of the elements 16, 16 ... are supported, respectively.

さらに、このような熱電素子40、40…及びその電極部分近傍に設けられた放熱板64、64は、図3(a)に示すように、それぞれ、媒体導入路62の長手方向に沿って、複数個設けられている。この場合、複数個の熱電素子40、40…は、互いに直列に接続されるように、各端子22、24を介して接続されていても良く、あるいは、互いに並列に接続されるように、各端子22、24を介して接続されていても良い。   Further, the heat dissipation plates 64, 64 provided in the vicinity of the thermoelectric elements 40, 40... And their electrode portions are respectively along the longitudinal direction of the medium introduction path 62, as shown in FIG. A plurality are provided. In this case, the plurality of thermoelectric elements 40, 40... May be connected via the terminals 22, 24 so as to be connected in series with each other, or may be connected in parallel with each other. The terminals 22 and 24 may be connected.

次に、図3に示す熱電モジュール60の作用について説明する。熱電モジュール60を熱電発電に用いる場合、熱電素子40の端子に負荷を接続する。次いで、図3(a)の矢印方向に沿って、媒体導入路62の内部に熱流体を導入し、媒体導入路62の外部に冷媒を流す。あるいは、媒体導入路62の内部に冷媒を流し、媒体導入路62の外部に熱流体を流す。熱流体によって接合部又は電極部が加熱されると、接合部と電極部との間に温度差が発生し、起電力が得られる。例えば、媒体導入路62の内部に熱流体を導入すると、電流は、p型素子12→n型素子14の方向に流れる。   Next, the operation of the thermoelectric module 60 shown in FIG. 3 will be described. When the thermoelectric module 60 is used for thermoelectric power generation, a load is connected to the terminal of the thermoelectric element 40. Next, along the direction of the arrow in FIG. 3A, the thermal fluid is introduced into the medium introduction path 62, and the refrigerant is allowed to flow outside the medium introduction path 62. Alternatively, the refrigerant is caused to flow inside the medium introduction path 62 and the thermal fluid is caused to flow outside the medium introduction path 62. When the joining portion or the electrode portion is heated by the thermal fluid, a temperature difference is generated between the joining portion and the electrode portion, and an electromotive force is obtained. For example, when a thermal fluid is introduced into the medium introduction path 62, the current flows in the direction of the p-type element 12 → n-type element 14.

また、熱電モジュール60を熱電加熱・冷却に用いる場合、端子に直流電源を接続する。この場合、n型素子14→p型素子12方向に電流を流すと、接合部は冷却され、p型素子12→n型素子12方向に電流を流すと、接合部は加熱される。従って、図3(a)の矢印方向に向かって、媒体導入路62内に熱交換媒体(例えば、空気)を導入すれば、熱交換媒体を加熱又は冷却することができる。   When the thermoelectric module 60 is used for thermoelectric heating / cooling, a DC power supply is connected to the terminal. In this case, when a current is passed in the direction of n-type element 14 → p-type element 12, the junction is cooled, and when a current is passed in the direction of p-type element 12 → n-type element 12, the junction is heated. Therefore, if a heat exchange medium (for example, air) is introduced into the medium introduction path 62 in the direction of the arrow in FIG. 3A, the heat exchange medium can be heated or cooled.

各単接合素子16、16…は、その長さ並びにp型素子12及びn型素子14の長さを最適化することによって、見かけ上、ほぼ同一の熱膨張特性を示す。そのため、図3(b)に示すように、単接合素子16、16…の両端が拘束されている場合であっても、使用中に、一部の単接合素子16のみに大きな熱応力が発生することがない。また、一部の素子のみが破損したり、あるいは、接合部分の接触抵抗や接合強度がばらつくおそれもない。   Each single-junction element 16, 16... Appears to have substantially the same thermal expansion characteristics by optimizing its length and the lengths of the p-type element 12 and the n-type element 14. Therefore, as shown in FIG. 3B, even if both ends of the single junction elements 16, 16... Are constrained, a large thermal stress is generated only in some of the single junction elements 16 during use. There is nothing to do. In addition, there is no possibility that only a part of the elements will be damaged or the contact resistance and bonding strength of the bonding part will vary.

さらに、一般に、管状の媒体導入路62の内部に熱流体を流すと、熱流体が壁面から冷却される。その結果、媒体導入路62の内部で温度勾配が発生し、高温部が管の中心部に集中する。一方、本実施の形態に係る熱電モジュール60は、棒状の単接合素子16、16…を用いているので、その接合部を管の中心部に容易に配置することができる。そのため、このような高温部の断面積が小さい熱源を用いる場合であっても、接合部と電極部との間に大きな温度差を発生させることができ、高い効率を得ることができる。   Further, generally, when a thermal fluid is caused to flow inside the tubular medium introduction path 62, the thermal fluid is cooled from the wall surface. As a result, a temperature gradient is generated inside the medium introduction path 62, and the high temperature portion is concentrated at the center of the tube. On the other hand, since the thermoelectric module 60 according to the present embodiment uses the rod-like single junction elements 16, 16,..., The junction can be easily arranged at the center of the tube. Therefore, even when such a heat source having a small cross-sectional area of the high temperature part is used, a large temperature difference can be generated between the joint part and the electrode part, and high efficiency can be obtained.

次に、第3の実施の形態に係る熱電モジュールについて説明する。図4に、本実施の形態に係る熱電モジュールの概略構成図を示す。図4において、熱電モジュール70は、熱電素子40と、熱交換器72とを備えている。   Next, a thermoelectric module according to the third embodiment will be described. In FIG. 4, the schematic block diagram of the thermoelectric module which concerns on this Embodiment is shown. In FIG. 4, the thermoelectric module 70 includes a thermoelectric element 40 and a heat exchanger 72.

熱交換器72は、基部72aと、基部72a上に等間隔で設けられた放熱フィン72b、72b…とを備えている。基部72aは、熱源又は冷却源となるものであり、その構造は、特に限定されるものではない。すなわち、基部72aは、熱伝導度の高い材料からなる中実体であっても良く、あるいは、その内部に熱交換媒体を導入することが可能な中空体であっても良い。   The heat exchanger 72 includes a base portion 72a and heat radiation fins 72b, 72b,... Provided on the base portion 72a at equal intervals. The base 72a serves as a heat source or a cooling source, and its structure is not particularly limited. That is, the base 72a may be a solid body made of a material having high thermal conductivity, or may be a hollow body into which a heat exchange medium can be introduced.

熱電素子40は、p型素子12とn型素子14とが長手方向端面において接合された複数個の単接合素子16、16…を備えている。各単接合素子16、16…は、p型素子12とn型素子14とが交互に接続されるように、電極18、20により直列に接続されている。なお、電極18、20は、各単接合素子16、16…と一体的に接合されていても良く、あるいは、バネ電極でも良い。   The thermoelectric element 40 includes a plurality of single-junction elements 16, 16... In which the p-type element 12 and the n-type element 14 are joined at the end faces in the longitudinal direction. The single junction elements 16, 16... Are connected in series by electrodes 18, 20 so that the p-type elements 12 and the n-type elements 14 are alternately connected. It should be noted that the electrodes 18 and 20 may be integrally joined to the single junction elements 16, 16... Or may be spring electrodes.

さらに、本実施の形態において、熱電素子40、40…は、各放熱フィン72b、72b…の間に挿入され、放熱フィン72b、72b…によって支持されている。さらに、放熱フィン72b、72bで支持された各熱電素子40、40…は、それぞれ、p型素子12とn型素子14とが交互に接続されるように、末端の電極を介して直列に接続されている。さらに、直列に接続された熱電素子40、40…の両端は、それぞれ、端子22、24に接続されている。   Further, in the present embodiment, the thermoelectric elements 40, 40... Are inserted between the radiation fins 72b, 72b, and supported by the radiation fins 72b, 72b. Further, the thermoelectric elements 40, 40,... Supported by the radiation fins 72b, 72b are connected in series via terminal electrodes so that the p-type element 12 and the n-type element 14 are alternately connected. Has been. Further, both ends of the thermoelectric elements 40, 40... Connected in series are connected to terminals 22 and 24, respectively.

次に、図4に示す熱電モジュール70の作用について説明する。熱電モジュール70を熱電発電に用いる場合、端子22、24に負荷を接続する。次いで、基部72aを高温熱源に接触させ、あるいは、基部72aの内部に熱流体を導入する。基部72aが加熱されると、熱伝導によって放熱フィン72b、72b…が加熱され、各熱電素子40、40…の電極部が加熱される。その結果、接合部と電極部との間に温度差が発生し、起電力が得られる。この場合、電流は、n型素子14→p型素子12の方向に流れる。
逆に、放熱フィン72b、72bを高温雰囲気に曝し、基部72bを冷却すれば、起電力が発生し、上述とは逆方向に電流が流れる。
Next, the operation of the thermoelectric module 70 shown in FIG. 4 will be described. When the thermoelectric module 70 is used for thermoelectric power generation, a load is connected to the terminals 22 and 24. Next, the base 72a is brought into contact with a high-temperature heat source, or a thermal fluid is introduced into the base 72a. When the base portion 72a is heated, the heat radiation fins 72b, 72b... Are heated by heat conduction, and the electrode portions of the thermoelectric elements 40, 40. As a result, a temperature difference is generated between the joining portion and the electrode portion, and an electromotive force is obtained. In this case, the current flows in the direction from the n-type element 14 to the p-type element 12.
On the contrary, if the radiation fins 72b and 72b are exposed to a high temperature atmosphere and the base 72b is cooled, an electromotive force is generated, and a current flows in the opposite direction to the above.

また、熱電モジュール70を熱電加熱・冷却に用いる場合、端子22、24に直流電源を接続する。この場合、n型素子14→p型素子12方向に電流を流すと、接合部は冷却され、電極部は加熱される。一方、p型素子12→n型素子12方向に電流を流すと、接合部は加熱され、電極部は冷却される。従って、基部72a又は接合部を介して熱交換媒体等の対象物を加熱又は冷却することができる。   When the thermoelectric module 70 is used for thermoelectric heating / cooling, a DC power source is connected to the terminals 22 and 24. In this case, when a current is passed in the direction from the n-type element 14 to the p-type element 12, the junction is cooled and the electrode is heated. On the other hand, when a current is passed in the direction from the p-type element 12 to the n-type element 12, the junction is heated and the electrode is cooled. Therefore, an object such as a heat exchange medium can be heated or cooled via the base 72a or the joint.

図4に示す熱電モジュール70は、単接合素子16、16…を用いているので、その両端が拘束されている場合であっても、p型素子12とn型素子14の熱膨張係数差に起因する熱応力を軽減することができる。また、外力に対する耐衝撃性に優れ、接合部に熱せん断応力が発生することもないので、耐久性及び信頼性に優れている。さらに、接合部を直接火炎に曝したり、あるいは、接合部に熱流体を直接接触させることもできるので、従来の熱電素子を用いた熱電モジュールに比べて、高い効率を得ることができる。   Since the thermoelectric module 70 shown in FIG. 4 uses the single junction elements 16, 16..., The thermal expansion coefficient difference between the p-type element 12 and the n-type element 14 is different even when both ends thereof are constrained. The resulting thermal stress can be reduced. Moreover, since it is excellent in impact resistance against external force and no thermal shear stress is generated in the joint, it is excellent in durability and reliability. Furthermore, since the joint can be directly exposed to a flame, or a thermal fluid can be brought into direct contact with the joint, higher efficiency can be obtained as compared with a thermoelectric module using a conventional thermoelectric element.

(実施例1)
(1) CaCo(CCO)配向多結晶の作製
以下の手順に従い、Co(OH)板状粉末を合成した。まず、濃度0.1mol/lのCoCl水溶液、及び、濃度0.4mol/lのNaOH水溶液を調製した。次いで、600mlのCoCl水溶液に対し、300mlのNaOH水溶液を100ml/hの速度で滴下した。これにより、溶液中には、青色の沈殿物(Co(OH))が生成した。
(Example 1)
(1) Production of Ca 3 Co 4 O 9 (CCO) Oriented Polycrystal Co (OH) 2 plate powder was synthesized according to the following procedure. First, a 0.1 mol / l CoCl 2 aqueous solution and a 0.4 mol / l NaOH aqueous solution were prepared. Subsequently, 300 ml of NaOH aqueous solution was dripped at a rate of 100 ml / h with respect to 600 ml of CoCl 2 aqueous solution. This produced a blue precipitate (Co (OH) 2 ) in the solution.

NaOH水溶液の滴下が終了した後、Nバブリングしながら溶液を撹拌し、室温で24時間熟成させることによりピンク色の結晶(Co(OH))が得られた。この結晶を吸引濾過し、室温でNガスにより24時間乾燥させた。本実施例で得られたCo(OH)粉末は、六角形を呈する板状粉末であった。また、板状粉末の平均粒径は0.5μmであり、平均アスペクト比は約5であった。 After the dropwise addition of the NaOH aqueous solution, the solution was stirred while bubbling with N 2 and aged for 24 hours at room temperature to obtain pink crystals (Co (OH) 2 ). The crystals were filtered with suction and dried at room temperature with N 2 gas for 24 hours. The Co (OH) 2 powder obtained in this example was a plate-like powder having a hexagonal shape. The average particle size of the plate-like powder was 0.5 μm, and the average aspect ratio was about 5.

次に、合成されたCo(OH)板状粉末及びCaCO粉末(平均粒径0.2μm)にトルエン及び無水エタノールを加え、24時間湿式混合した。混合終了後、スラリーにバインダ(ポリビニルブチラール)及び可塑剤(フタル酸ブチル)を添加し、さらにボールミルで3時間湿式混合した。 Next, toluene and absolute ethanol were added to the synthesized Co (OH) 2 plate-like powder and CaCO 3 powder (average particle size 0.2 μm), and wet-mixed for 24 hours. After mixing, a binder (polyvinyl butyral) and a plasticizer (butyl phthalate) were added to the slurry, and further wet-mixed for 3 hours with a ball mill.

次に、スラリーをポットから取り出し、テープキャストにより厚さ約100μmのシート状に成形した。さらに、得られたシートを重ね合わせ、温度:80℃、圧力:100kg/cm(9.8MPa)の条件で圧着した。さらに、この積層体に対して、圧延処理を行った。なお、圧延温度は常温とし、圧下率は30%とした。 Next, the slurry was taken out of the pot and formed into a sheet having a thickness of about 100 μm by tape casting. Furthermore, the obtained sheet | seat was piled up and it pressure-bonded on the conditions of temperature: 80 degreeC and pressure: 100kg / cm < 2 > (9.8MPa). Furthermore, the laminate was subjected to a rolling process. The rolling temperature was room temperature and the rolling reduction was 30%.

次に、成形体を、大気中において、温度:700℃、加熱時間:2時間の条件下で脱脂した。次いで、脱脂後の成形体を圧力:3ton/cm(294MPa)の条件下で加圧成形(静水圧処理)した。さらに、この成形体を、酸素中において、温度:920℃、加熱時間:48hr、加圧力:100kg/cm(9.8MPa)の条件下でホットプレスし、CCOからなる配向多結晶を得た。 Next, the molded body was degreased in the atmosphere under the conditions of temperature: 700 ° C. and heating time: 2 hours. Next, the compact after degreasing was pressure-molded (hydrostatic pressure treatment) under the condition of pressure: 3 ton / cm 2 (294 MPa). Further, this compact was hot-pressed in oxygen under the conditions of temperature: 920 ° C., heating time: 48 hr, applied pressure: 100 kg / cm 2 (9.8 MPa), and an oriented polycrystal composed of CCO was obtained. .

(2) In(ZnO)(ZIO)配向多結晶の作製
塩基性硫酸亜鉛(ZnSO・3Zn(OH)・nHO)の板状粉末(平均粒径:2〜10μm、アスペクト比:8〜15)、及びIn粉末(平均粒径:1.0μm)にトルエン及びエタノールを加え、ボールミルにより5時間混合した。混合終了後、スラリーに対して、さらにバインダー(ポリビニルブチルラール)及び可塑剤(フタル酸ジ−n−ブチル)を加え、さらに1時間混合した。
(2) Preparation of In 2 O 3 (ZnO) 3 (Z 3 IO) Oriented Polycrystalline Plate-like powder of basic zinc sulfate (ZnSO 4 .3Zn (OH) 2 .nH 2 O) (average particle size: 2 to 2) Toluene and ethanol were added to 10 μm, aspect ratio: 8 to 15), and In 2 O 3 powder (average particle size: 1.0 μm), and mixed by a ball mill for 5 hours. After the mixing was completed, a binder (polyvinyl butyllar) and a plasticizer (di-n-butyl phthalate) were further added to the slurry, and further mixed for 1 hour.

得られたスラリーを、ドクターブレード法を用いて、厚さ約200μmのテープ状に成形した。このテープを約80枚重ねて約16mm厚とし、これを80℃の温度で圧着させ、板状の成形体を得た。次いで、成形体を800℃まで30℃/hの昇温スピードで昇温し、800℃で30分の熱処理を行った。次いで、熱処理後の成形体に対して冷間等方加圧(CIP)処理を行い、材料密度を高めた後、大気中において1150℃×12時間の条件下で仮焼した。さらに、これを大気中において1300℃×24時間の条件下で本焼結を行い、ZIOからなる配向多結晶を得た。 The obtained slurry was formed into a tape shape having a thickness of about 200 μm using a doctor blade method. About 80 sheets of this tape were stacked to a thickness of about 16 mm, and this was pressure-bonded at a temperature of 80 ° C. to obtain a plate-shaped molded body. Subsequently, the molded body was heated to 800 ° C. at a heating rate of 30 ° C./h, and heat treatment was performed at 800 ° C. for 30 minutes. Next, the molded body after the heat treatment was subjected to cold isostatic pressing (CIP) treatment to increase the material density, and then calcined in the atmosphere at 1150 ° C. for 12 hours. Further, this was sintered in the atmosphere at 1300 ° C. for 24 hours to obtain oriented polycrystals composed of Z 3 IO.

(3) CCO−ZIO単接合素子の作製
CCO配向多結晶及びZIO配向多結晶から、それぞれ、テープ面と平行方向を長手方向とする角柱状のCCO素子(2mm×3.5mm×18mm)及びZIO素子(2mm×3.5mm×18mm)を切り出した。角柱の一方の端面にAgペーストを塗布し、CCO素子とZIO素子とを端面において突き合わせ、接合を行った。接合条件は、温度:900℃、加熱雰囲気:空気中、とした。得られた接合体の両端面の全面にインジウムハンダからなる導電膜を形成し、さらにその両端近傍の側面に厚さ約50μmのポリイミドからなる絶縁膜を形成し、CCO−ZIO単接合素子を得た。
(3) Production of CCO-Z 3 IO Single Junction Element A prismatic CCO element (2 mm × 3.5 mm × 2) having a longitudinal direction parallel to the tape surface is obtained from the CCO oriented polycrystal and the Z 3 IO oriented polycrystal. 18 mm) and Z 3 IO elements (2 mm × 3.5 mm × 18 mm) were cut out. Ag paste was applied to one end face of the prism, and the CCO element and the Z 3 IO element were butted at the end face to perform bonding. The joining conditions were temperature: 900 ° C. and heating atmosphere: in air. A conductive film made of indium solder is formed on the entire surface of both end faces of the obtained joined body, and further an insulating film made of polyimide having a thickness of about 50 μm is formed on the side face in the vicinity of the both ends, to obtain a CCO-Z 3 IO single junction element Got.

(4) 熱電モジュールの作製
合計7個のCCO−ZIO単接合素子を用いて、図2に示す熱電モジュールを作製した。
(4) Production of thermoelectric module The thermoelectric module shown in FIG. 2 was produced using a total of seven CCO-Z 3 IO single junction elements.

(比較例1)
実施例1と同一の手順に従い、角柱状のCCO素子(2mm×3.5mm×18mm)及びZIO素子(2mm×3.5mm×18mm)を作製した。次に、CCO素子及びZIO素子の上端面に、Ptからなる厚さ0.1mmの金属電極を接合し、π型素子を作製した。次いで、CCO素子とZIO素子とが交互に接合されるように、合計7個のπ型素子を、Ptからなる厚さ0.1mmの金属電極で直列に接続し、これらの上下端をAlNからなる一対の平行平板で挟持した。さらに、上端側の平板にヒートシンクを接続し、π型モジュールを得た。
(Comparative Example 1)
According to the same procedure as in Example 1, prismatic CCO elements (2 mm × 3.5 mm × 18 mm) and Z 3 IO elements (2 mm × 3.5 mm × 18 mm) were produced. Next, a metal electrode made of Pt with a thickness of 0.1 mm was joined to the upper end surfaces of the CCO element and the Z 3 IO element to produce a π-type element. Next, a total of seven π-type elements are connected in series with a metal electrode made of Pt and having a thickness of 0.1 mm so that the CCO elements and the Z 3 IO elements are alternately joined, and the upper and lower ends thereof are connected to each other. It was sandwiched between a pair of parallel flat plates made of AlN. Furthermore, a heat sink was connected to the flat plate on the upper end side to obtain a π-type module.

実施例1で得られた熱電モジュール及び比較例1で得られたπ型モジュールを用いて熱電発電を行った。なお、実施例1の場合、集炎ノズルを備えたアルコールランプを用いて、CCO−ZIO単接合素子の接合部を加熱した。一方、比較例1の場合、集炎ノズルのないアルコールランプを用いて、π型モジュールの下端側の平板を加熱した。 Thermoelectric power generation was performed using the thermoelectric module obtained in Example 1 and the π-type module obtained in Comparative Example 1. In the case of Example 1, with an alcohol lamp with a Atsumarien nozzle was heated junction of CCO-Z 3 IO single junction devices. On the other hand, in the case of Comparative Example 1, the flat plate on the lower end side of the π-type module was heated using an alcohol lamp without a flame collecting nozzle.

比較例1で得られたπ型モジュールの場合、高温部温度:Th=320℃、低温部温度:Tc=120℃であり、高温部と低温部の温度差ΔTは、約200℃であった。また、起電力は0.3V、最大電流値は250mAであり、最大出力密度は、20mW/cmであった。 In the case of the π-type module obtained in Comparative Example 1, the high temperature part temperature: Th = 320 ° C., the low temperature part temperature: Tc = 120 ° C., and the temperature difference ΔT between the high temperature part and the low temperature part was about 200 ° C. . The electromotive force was 0.3 V, the maximum current value was 250 mA, and the maximum output density was 20 mW / cm 2 .

これに対し、実施例1で得られた熱電モジュールの場合、高温部温度:Th=630℃、低温部温度:Tc=30℃であり、高温部と低温部の温度差ΔTは、約600℃であった。また、起電力は1.06V、最大電流値は900mAであり、最大出力密度は240mW/cmであった。本発明に係る熱電モジュールによって高い出力密度が得られたのは、(1)CCO−ZIO単接合素子を用いることによって、高温部断面積の小さな熱源から、効率よく熱を回収できたこと、及び、(2)セパレータを用いることによって、熱の対流及び輻射によるCCO−ZIO単接合素子の冷接点及びヒートシンクの過熱が抑制されたこと、によると考えられる。 On the other hand, in the case of the thermoelectric module obtained in Example 1, the high temperature part temperature: Th = 630 ° C., the low temperature part temperature: Tc = 30 ° C., and the temperature difference ΔT between the high temperature part and the low temperature part is about 600 ° C. Met. The electromotive force was 1.06 V, the maximum current value was 900 mA, and the maximum output density was 240 mW / cm 2 . The high power density was obtained by the thermoelectric module according to the present invention. (1) By using the CCO-Z 3 IO single junction element, it was possible to efficiently recover heat from a heat source having a small cross section of the high temperature part. (2) By using the separator, it is considered that overheating of the cold junction and the heat sink of the CCO-Z 3 IO single junction element due to heat convection and radiation was suppressed.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る熱電モジュールは、太陽熱発電器、海水温度差熱電発電器、化石燃料熱電発電器、工場排熱や自動車排熱の回生発電器等の各種の熱電発電器、光検出素子、レーザーダイオード、電界効果トランジスタ、光電子増倍管、分光光度計のセル、クロマトグラフィーのカラム等の精密温度制御装置、恒温装置、冷暖房装置、冷蔵庫、時計用電源等に使用することができる。   The thermoelectric module according to the present invention includes a solar thermoelectric generator, a seawater temperature difference thermoelectric generator, a fossil fuel thermoelectric generator, various thermoelectric generators such as a regenerative generator for factory exhaust heat and automobile exhaust heat, a light detection element, and a laser diode. , Field effect transistors, photomultiplier tubes, spectrophotometer cells, chromatographic columns and other precision temperature control devices, thermostats, air conditioners, refrigerators, watch power supplies, and the like.

また、本発明に係る熱電モジュールは、エンジン、給湯器、冷暖房器具、工業用炉等の排気系統から排出される熱流体を熱源とする熱電発電器、温泉の熱水と冷水との温度差を利用した熱電発電器等として使用することができる。   In addition, the thermoelectric module according to the present invention is a thermoelectric generator that uses a thermal fluid discharged from an exhaust system such as an engine, a water heater, an air conditioner, or an industrial furnace as a heat source, and a temperature difference between hot water and cold water in a hot spring. It can be used as a utilized thermoelectric generator.

図1(a)は、本発明に係る熱電モジュールに備えられる熱電素子の第1の具体例を表す概略構成図、図1(b)は、バネ電極の断面模式図、図1(c)は、熱電素子の第2の具体例を表す概略構成図である。FIG. 1A is a schematic configuration diagram illustrating a first specific example of a thermoelectric element provided in a thermoelectric module according to the present invention, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a spring electrode, and FIG. FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating a second specific example of a thermoelectric element. 図2(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る熱電モジュールの正面図、図2(b)は、その底面図、図2(c)は、その右側面図、図2(d)は、その平面図である。2A is a front view of the thermoelectric module according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2B is a bottom view thereof, FIG. 2C is a right side view thereof, FIG. d) is a plan view thereof. 図3(a)は、本発明の第2の実施の形態に係る熱電モジュールの斜視図、図3(b)は、そのA−A’線断面図である。FIG. 3A is a perspective view of a thermoelectric module according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A-A ′. 本発明の第3の実施の形態に係る熱電モジュールの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the thermoelectric module which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10、40、40a 熱電素子
12 p型素子
14 n型素子
16 単接合素子
18 第1電極
20 第2電極
30 バネ電極
50、60、70 熱電モジュール
10, 40, 40a Thermoelectric element 12 P-type element 14 N-type element 16 Single junction element 18 First electrode 20 Second electrode 30 Spring electrodes 50, 60, 70 Thermoelectric module

Claims (7)

p型熱電材料からなる少なくとも1つのp型素子と、n型熱電材料からなる少なくとも1つのn型素子とが、長手方向端面において、かつ交互に接合された少なくとも1つの単接合素子と、
前記単接合素子の一方の端部に接続された第1電極と、
前記単接合素子の他方の端部に接続された第2電極とを含む熱電素子
を備えた熱電モジュール。
at least one single-junction element in which at least one p-type element made of a p-type thermoelectric material and at least one n-type element made of an n-type thermoelectric material are joined alternately at a longitudinal end face;
A first electrode connected to one end of the single junction element;
A thermoelectric module comprising a thermoelectric element including a second electrode connected to the other end of the single junction element.
前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方は、
その先端を前記単接合素子の端部に接触させるためのプローブと、
該プローブを前記単接合素子の端部に向かって付勢するための付勢手段とを備えたものである請求項1に記載の熱電モジュール。
At least one of the first electrode and the second electrode is
A probe for bringing its tip into contact with the end of the single junction element;
2. The thermoelectric module according to claim 1, further comprising an urging unit for urging the probe toward an end of the single junction element.
前記単接合素子の接合部及び/又は端部における熱の吸収又は放散を促進させる熱交換手段をさらに備えた請求項1又は2に記載の熱電モジュール。   The thermoelectric module according to claim 1, further comprising heat exchange means for promoting absorption or dissipation of heat at a junction and / or an end of the single junction element. 前記熱電素子は、2以上の前記単接合素子を備え、
前記p型素子と前記n型素子とが交互に接続されるように、前記第1電極及び/又は前記第2電極を介して前記単接合素子が直列に接続されている請求項1から3までのいずれかに記載の熱電モジュール。
The thermoelectric element comprises two or more single junction elements,
The single junction element is connected in series via the first electrode and / or the second electrode so that the p-type element and the n-type element are alternately connected. The thermoelectric module according to any one of the above.
前記p型素子の中間及び/又は前記n型素子の中間に設けられた、熱を遮断するためのセパレータをさらに備えた請求項1から4までのいずれかに記載の熱電モジュール。   The thermoelectric module according to any one of claims 1 to 4, further comprising a separator for interrupting heat provided in the middle of the p-type element and / or in the middle of the n-type element. 前記p型熱電材料及び前記n型熱電材料の少なくとも一方は、酸化物熱電材料である請求項1から5までのいずれかに記載の熱電モジュール。   The thermoelectric module according to claim 1, wherein at least one of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material is an oxide thermoelectric material. 前記p型素子及び前記n型素子の少なくとも一方は、熱電特性の高い結晶面が一方向に配向した配向多結晶からなり、かつ、その長手方向が熱電特性の高い方向である請求項1から6までのいずれかに記載の熱電モジュール。
7. At least one of the p-type element and the n-type element is made of oriented polycrystal having a crystal face with high thermoelectric characteristics oriented in one direction, and the longitudinal direction thereof is a direction with high thermoelectric characteristics. The thermoelectric module as described in any of the above.
JP2004073726A 2004-03-16 2004-03-16 Thermoelectric module Pending JP2005268240A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004073726A JP2005268240A (en) 2004-03-16 2004-03-16 Thermoelectric module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004073726A JP2005268240A (en) 2004-03-16 2004-03-16 Thermoelectric module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005268240A true JP2005268240A (en) 2005-09-29

Family

ID=35092522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004073726A Pending JP2005268240A (en) 2004-03-16 2004-03-16 Thermoelectric module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005268240A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT504895B1 (en) * 2007-06-29 2008-09-15 Fronius Int Gmbh METHOD AND DEVICE FOR LOADING AN ENERGY STORAGE
JP2010034508A (en) * 2008-07-02 2010-02-12 Oki Denki Bosai Kk Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same
JP2012074662A (en) * 2009-12-09 2012-04-12 Sony Corp Thermoelectric generator, thermoelectric generating method, electric signal detecting device, and electric signal detecting method
JP2015119193A (en) * 2010-09-10 2015-06-25 株式会社東芝 Thermoelectric conversion element frame
JP2019091825A (en) * 2017-11-15 2019-06-13 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion module, and moving body

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0529667A (en) * 1991-07-19 1993-02-05 Hitachi Ltd Thermoelectric conversion module
JPH08335722A (en) * 1995-06-08 1996-12-17 Ngk Insulators Ltd Thermoelectric conversion module
JPH09162448A (en) * 1995-12-12 1997-06-20 Tonen Corp Thermoelectric element
JP2003034583A (en) * 2001-07-18 2003-02-07 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Method for producing plate-shaped powder and method for producing crystal-oriented ceramic

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0529667A (en) * 1991-07-19 1993-02-05 Hitachi Ltd Thermoelectric conversion module
JPH08335722A (en) * 1995-06-08 1996-12-17 Ngk Insulators Ltd Thermoelectric conversion module
JPH09162448A (en) * 1995-12-12 1997-06-20 Tonen Corp Thermoelectric element
JP2003034583A (en) * 2001-07-18 2003-02-07 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Method for producing plate-shaped powder and method for producing crystal-oriented ceramic

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT504895B1 (en) * 2007-06-29 2008-09-15 Fronius Int Gmbh METHOD AND DEVICE FOR LOADING AN ENERGY STORAGE
US8179085B2 (en) 2007-06-29 2012-05-15 Fronius International Gmbh Method and apparatus for charging an energy store
JP2010034508A (en) * 2008-07-02 2010-02-12 Oki Denki Bosai Kk Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same
JP2012074662A (en) * 2009-12-09 2012-04-12 Sony Corp Thermoelectric generator, thermoelectric generating method, electric signal detecting device, and electric signal detecting method
JP2015119193A (en) * 2010-09-10 2015-06-25 株式会社東芝 Thermoelectric conversion element frame
JP2019091825A (en) * 2017-11-15 2019-06-13 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion module, and moving body
JP7079082B2 (en) 2017-11-15 2022-06-01 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion elements, thermoelectric conversion modules, and moving objects

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1794818B1 (en) Silver-containing p-type semiconductor
JP2006278997A (en) Compound thermoelectric module
US20080023057A1 (en) Thermoelectric Conversion Module, and Thermoelectric Power Generating Device and Method, Exhaust Heat Recovery System, Solar Heat Utilization System, and Peltier Cooling and Heating System, Provided Therewith
US20120097206A1 (en) Thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion element
US20140109948A1 (en) Thermoelectric module, thermoelectric device comprising the same, and process for preparing the thermoelectric element
US20100294326A1 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion module
WO2017136793A1 (en) Electrode structure for magnesium silicide-based bulk materials to prevent elemental migration for long term reliability
KR101688528B1 (en) Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric device comprising same
JP6563031B2 (en) Thermoelectric material, thermoelectric element and thermoelectric module including the same
US8933318B2 (en) Thermoelectric material, and thermoelectric module and thermoelectric device including the thermoelectric material
US20120145214A1 (en) Thermoelectric conversion material, and thermoelectric conversion module using same
JP5780254B2 (en) Thermoelectric conversion element
US20140216515A1 (en) Thermoelectric conversion module
JP2002084005A (en) Thermoelectric module
JP2005268240A (en) Thermoelectric module
US10937939B2 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element
JP4876721B2 (en) Thermoelectric conversion material and method for producing the same
JP2003332637A (en) Thermoelectric material and thermoelectric module using the same
JP5218285B2 (en) Thermoelectric conversion material
US6806218B2 (en) Grain oriented ceramics, thermoelectric conversion element and production process thereof
JP2002368294A (en) Thermoelectric conversion module for high temperature
JP2007149996A (en) Layered oxide thermoelectric material having delafossite structure
JP2002118296A (en) N-type thermoelectric conversion element for high temperature having high electric conductivity, and thermoelectric conversion module using it
JP4595071B2 (en) Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion module, and thermoelectric conversion method
EP2975659A1 (en) Ceramic material for a thermoelectric element, thermoelectric element comprising the ceramic material, thermoelectric generator comprising the thermoelectric element and method for producing the ceramic material

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20061214

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090903

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090908

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20100126