JP2006086512A - Thermoelectric conversion system using filled skutterudite alloy - Google Patents

Thermoelectric conversion system using filled skutterudite alloy Download PDF

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健一朗 中島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a filled skutterudite alloy which can be used in a thermoelectric conversion element as it is without requiring a pulverizing and sintering step of a metal, to provide the alloy suitable for the thermoelectric conversion element manufactured by the method, and to provide a power generation system with high efficiency. <P>SOLUTION: The method for manufacturing the filled skutterudite alloy comprises melting a raw material for the alloy comprising a rare earth metal R (wherein R is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu and Yb), and a transition metal T, (wherein T is at least one of Fe, Co, Ni, Os, Ru, Pd, Pt and Ag) and metallic antimony (Sb), and rapidly solidifying the molten metal with a strip cast method, and a thermoelectric conversion module is thereby manufactured. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、熱電変換素子を利用した熱電発電装置および熱電発電方法に関し、特にゼーベック効果により熱を電気に直接変換する熱電変換素子に用いられるフィルドスクッテルダイト系合金を使用する熱電変換システムに関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation apparatus and a thermoelectric power generation method using a thermoelectric conversion element, and more particularly to a thermoelectric conversion system using a filled skutterudite-based alloy used for a thermoelectric conversion element that directly converts heat into electricity by the Seebeck effect.

フィルドスクッテルダイト(Filled Skutterudite)系合金からなる熱電変換材料は、従来の熱電変換材料のひとつである、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb等の金属間化合物と比較して、熱伝導度が低いことから、特に高温域での熱電変換材料として有望である。 A thermoelectric conversion material made of a filled skutterudite-based alloy has a thermal conductivity higher than that of an intermetallic compound such as CoSb 3 having a skutterudite-type crystal structure, which is one of the conventional thermoelectric conversion materials. Therefore, it is promising as a thermoelectric conversion material particularly in a high temperature range.

フィルドスクッテルダイト系合金は、一般式がRTPn12(但し、Rは希土類金属、Tは遷移金属、PnはP、As、Sbなどの元素)で表される金属間化合物であり、一般式TPn(但し、Tは遷移金属、PnはP、As、Sbなどの元素)で示されるスクッテルダイト型構造の結晶に存在する空孔の一部に、希土類金属(R)などの質量の大きい原子を充填したものである。スクッテルダイト型構造の結晶の空孔に希土類金属原子を充填することによって、Pnとの弱い結合によって希土類金属原子が振動するため、これがフォノンの散乱中心となり、フィルドスクッテルダイト系合金からなる熱電変換材料は熱伝導率が低くなると説明されている。 The filled skutterudite-based alloy is an intermetallic compound represented by the general formula RT 4 Pn 12 (where R is a rare earth metal, T is a transition metal, and Pn is an element such as P, As, or Sb). The mass of a rare earth metal (R) or the like in part of the vacancies present in the crystal of the skutterudite structure represented by the formula TPn 3 (where T is a transition metal, Pn is an element such as P, As, or Sb) Filled with large atoms. By filling rare earth metal atoms in the vacancies of the crystal of the skutterudite structure, the rare earth metal atoms vibrate due to the weak bond with Pn. It is described that the conversion material has a low thermal conductivity.

また、フィルドスクッテルダイト系合金は、RまたはTを適切に選択することで、p型およびn型双方を作り分けることができると考えられている。そのためp型およびn型を制御する目的で、FeからなるT成分の一部をCoやNiなどで置換される試みがなされている。 In addition, it is considered that filled skutterudite-based alloys can be made to be both p-type and n-type by appropriately selecting R or T. Therefore, in order to control the p-type and n-type, an attempt has been made to replace a part of the T component made of Fe with Co, Ni, or the like.

上記のようにして作製したブロック状のp型およびn型のフィルドスクッテルダイト系合金を、直接にあるいは金属導体を介して間接に接合させ、p−n接合を形成することにより、熱電変換素子を作製することが出来る。あるいはp型およびn型のフィルドスクッテルダイト系合金からなる熱電変換材料を、馬蹄形状に接触させてp−n接合を作製し、熱電変換素子のモジュールを作製することができる。さらにp−n接合を有する複数の熱電変換素子をつなぎ合わせて、熱交換器を接合したものが熱電変換システムであり、温度差から電気を取り出すことができる。
特開2000−252526号公報 特開2002−26400号公報
The block-shaped p-type and n-type filled skutterudite-based alloys produced as described above are joined directly or indirectly via a metal conductor to form a pn junction, thereby forming a thermoelectric conversion element. Can be produced. Alternatively, a thermoelectric conversion material made of a p-type and n-type filled skutterudite-based alloy is brought into contact with a horseshoe shape to produce a pn junction, and a module of a thermoelectric conversion element can be produced. Further, a thermoelectric conversion system is formed by connecting a plurality of thermoelectric conversion elements having a pn junction and joining a heat exchanger, and can extract electricity from a temperature difference.
JP 2000-252526 A JP 2002-26400 A

従来、フィルドスクッテルダイト系合金を用いて熱電変換素子を作製するためには、希土類金属、遷移金属、およびP、As、Sb等の高純度の粉末原料を目的とするフィルドスクッテルダイト合金の組成になるように秤量して混合し、一旦800℃以下の温度で仮焼し、再び粉砕した後ホットプレスあるいはプラズマ放電焼結によって800℃まで加熱して焼結体を作製し、これを切断して素子としていた。 Conventionally, in order to produce a thermoelectric conversion element using a filled skutterudite-based alloy, a filled skutterudite alloy intended for high-purity powder raw materials such as rare earth metals, transition metals and P, As, Sb, etc. Weigh and mix so as to have a composition, once calcined at a temperature of 800 ° C. or lower, pulverized again, and then heated to 800 ° C. by hot pressing or plasma discharge sintering to produce a sintered body, which is cut And it was used as an element.

しかし上記の方法では、粉末原料の状態によりフィルドスクッテルダイト系合金の結晶粒径が大きく左右されることになる。また焼結条件を厳密に制御しないと結晶粒径が粗大化して、熱電変換素子の性能が低下する問題があった。 However, in the above method, the crystal grain size of the filled skutterudite alloy greatly depends on the state of the powder raw material. Further, unless the sintering conditions are strictly controlled, there is a problem that the crystal grain size becomes coarse and the performance of the thermoelectric conversion element is deteriorated.

そこで上記の問題を防止する目的で、フィルドスクッテルダイト系熱電変換材料のひとつであるSb含有スクッテルダイト系熱電材料について、その焼結体をスクッテルダイト構造の微細化された結晶粒から構成し、かつ該結晶粒の粒界に金属酸化物を分散させる技術が提案されている(特許文献1)。 Therefore, for the purpose of preventing the above problems, the sintered body of the Sb-containing skutterudite-based thermoelectric material, which is one of the filled skutterudite-based thermoelectric conversion materials, is composed of crystal grains having a skutterudite structure. In addition, a technique for dispersing a metal oxide at the grain boundaries of the crystal grains has been proposed (Patent Document 1).

上記の方法は、スクッテルダイト構造の結晶粒の平均結晶粒径を20μm以下にすることが可能であるとされている。しかしこの方法は、結晶粒界に金属酸化物が介在するため、電気伝導度が低下する問題がある。 According to the above method, it is said that the average crystal grain size of crystal grains having a skutterudite structure can be 20 μm or less. However, this method has a problem that the electrical conductivity is lowered because a metal oxide is present in the crystal grain boundary.

また、フィルドスクッテルダイト系合金からなる熱電変換材料を製造する別の方法として、液体急冷法により作製したリボンを熱処理する方法がある(特許文献2)。一般的に液体急冷法は、石英で作製した管の先端に1mm程度の穴を開けたノズルから、高速で回転するロールの上に溶湯を加圧しながら注ぐものである。 Further, as another method for producing a thermoelectric conversion material made of a filled skutterudite-based alloy, there is a method of heat-treating a ribbon produced by a liquid quenching method (Patent Document 2). In general, the liquid quenching method is a method in which a molten metal is poured onto a roll rotating at high speed from a nozzle having a hole of about 1 mm at the tip of a tube made of quartz.

しかしこの方法では、リボンが非晶質あるいはSbFe、Sbといった分解生成物を含んでいるために十分な純度のフィルドスクッテルダイト素子を得ることが難しく、873K〜1073Kで5時間以上熱処理しないと実用できないという問題がある。 However, in this method, it is difficult to obtain a filled skutterudite element of sufficient purity because the ribbon contains amorphous or decomposition products such as Sb 2 Fe and Sb, and heat treatment is not performed for more than 5 hours at 873K to 1073K. There is a problem that it cannot be used.

さらに、上記のいずれの方法においても、大気など酸素が存在する雰囲気下で原料調整から焼結までの工程を行うと、希土類金属の酸化によりフィルドスクッテルダイト構造の結晶中の希土類金属原子が格子中から除去され、フィルドスクッテルダイト構造の一部がSbFeとSbに分解される問題があった。 Furthermore, in any of the above methods, when the steps from raw material preparation to sintering are performed in an atmosphere such as the atmosphere where oxygen is present, rare earth metal atoms in the crystal of the filled skutterudite structure are latticed by oxidation of the rare earth metal. There was a problem that it was removed from the inside and a part of the filled skutterudite structure was decomposed into Sb 2 Fe and Sb.

本発明は、フィルドスクッテルダイト系合金をストリップキャスト法で製造することにより、従来のフィルドスクッテルダイト系熱電変換材料の製造方法の問題を解決したものである。すなわち本発明は、金属の粉砕および焼結の工程を行う必要なしに、そのまま熱電変換素子に使用することができるフィルドスクッテルダイト系合金の製造方法と、その方法で製造された熱電変換素子に好適な合金を提供する。
さらに本発明は、フィルドスクッテルダイト相のみからなる合金で熱変換素子を作成し、熱変換効率を大幅に増大させた熱電変換モジュールを提供する。
This invention solves the problem of the manufacturing method of the conventional filled skutterudite type thermoelectric conversion material by manufacturing a filled skutterudite type alloy by a strip casting method. That is, the present invention provides a method for producing a filled skutterudite-based alloy that can be used as it is for a thermoelectric conversion element as it is without the need to perform metal grinding and sintering steps, and a thermoelectric conversion element produced by the method. A suitable alloy is provided.
Furthermore, the present invention provides a thermoelectric conversion module in which a heat conversion element is made of an alloy consisting only of a filled skutterudite phase and the heat conversion efficiency is greatly increased.

本発明は、以下の各発明を含む。
(1)希土類金属R(但し、RはLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Ybのうちの少なくとも1種)、遷移金属T(但し、TはFe、Co、Ni、Os、Ru、Pd、Pt、Agのうちの少なくとも1種)、金属アンチモン(Sb)からなる合金原料を溶解し、その溶湯をストリップキャスト法により急冷凝固して製造したフィルドスクッテルダイト系合金を用いた熱電変換モジュール。
(2)(1)に記載の熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置。
(3)(1)に記載の熱電変換モジュールを用いた熱電発電方法。
(4)(2)に記載の熱電発電装置を用いた廃熱回収システム。
(5)(2)に記載の熱電発電装置を用いた太陽熱利用システム。
The present invention includes the following inventions.
(1) Rare earth metal R (where R is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb), transition metal T (where T is Fe, Co, Ni, Os, Ru, Thermoelectric conversion using a filled skutterudite-based alloy produced by melting an alloy raw material comprising at least one of Pd, Pt, and Ag) and metal antimony (Sb) and rapidly solidifying the molten metal by strip casting. module.
(2) A thermoelectric generator using the thermoelectric conversion module according to (1).
(3) A thermoelectric power generation method using the thermoelectric conversion module according to (1).
(4) A waste heat recovery system using the thermoelectric generator according to (2).
(5) A solar heat utilization system using the thermoelectric generator according to (2).

本発明によれば、ほぼ均一なフィルドスクッテルダイト系合金を、ストリップキャスト法を用いた鋳造法により大量に簡便に生産できる。また、本発明の製造方法により製造されたフィルドスクッテルダイト系合金は、粉砕および焼結の工程を省略してそのまま熱電変換素子に用いることができるために、熱電変換素子の生産コストが大幅に低減できる。
希土類金属の中でも資源的な制約が少ないLaを使用しているため、工業的利用価値が高いだけでなく、有害物質(Pb(鉛)、Te(テルル)等を含まない金属を使用しているため、環境負荷低減に有効である。また、本発明のフィルドスクッテルダイト系合金は、300℃以上の高温域で高い性能を発揮するため、発電量が大きい。さらに、連続製造が可能な急冷鋳造法の採用と粉砕・焼結技術の組み合わせにより、高性能成分であるフィルドスクッテルダイト相のみからなる合金で素子を作成できるので、従来品であるPb-Te系と同等以上の性能を達成でき、高いゼーベック係数と低い電気抵抗を両立することが可能となった。さらに、熱伝導度も低いために熱電変換モジュールをコンパクトにできる。
According to the present invention, a substantially uniform filled skutterudite-based alloy can be easily produced in large quantities by a casting method using a strip casting method. Moreover, since the filled skutterudite-based alloy produced by the production method of the present invention can be used as it is for a thermoelectric conversion element by omitting the pulverization and sintering steps, the production cost of the thermoelectric conversion element is greatly increased. Can be reduced.
Among rare earth metals, La, which has few resource constraints, uses not only high industrial utility value but also metals that do not contain harmful substances (Pb (lead), Te (tellurium), etc. In addition, the filled skutterudite-based alloy of the present invention exhibits high performance in a high temperature range of 300 ° C. or higher, and therefore generates a large amount of power. By combining the casting method and grinding / sintering technology, the element can be made from an alloy consisting only of the filled skutterudite phase, which is a high-performance component, achieving performance equivalent to or better than the conventional Pb-Te system. It is possible to achieve both a high Seebeck coefficient and a low electrical resistance, and the thermoelectric conversion module can be made compact because of its low thermal conductivity.

また、本願発明の好ましい実施態様である熱電変換モジュールは、700℃の高温領域まで使用可能であるので、廃熱利用システムに組み込んだ場合において、熱交換器で回収できる熱量を増加させることができるため、未利用熱量を減らすことができる。すなわち、動作温度を下げるために捨てる熱を減らすことが可能であるために、熱変換効率が大幅に向上し、発電量が顕著に増大する。
コジェネシステムに組み込んだ場合、利用しきれない熱(不要な温水)を電気に変換できることから燃費が向上できる発電量も大きくなり、熱電発電モジュールの心臓部品として、発電の高効率化に寄与することが可能である。
希土類焼結磁石生産で確立されている生産プロセスの採用により、従来のバッチ式生産方式に比べ、工業的規模での低コストでの量産が容易である。
本発明によって製造された、高性能な熱電素子は工業用各種炉ならびに焼却炉をはじめとする大規模廃熱のみならず、各種コジェネレーション、給湯器、自動車の排ガス、地熱や太陽熱等の自然エネルギー等、小規模ながら未利用な廃熱を熱源として電気に変換する熱電発電モジュールの心臓部品として、発電の高効率化に寄与することが可能となり、地球温暖化対策へも大いに有効である。
Moreover, since the thermoelectric conversion module which is a preferred embodiment of the present invention can be used up to a high temperature region of 700 ° C., when incorporated in a waste heat utilization system, the amount of heat that can be recovered by a heat exchanger can be increased. Therefore, the amount of unused heat can be reduced. That is, since it is possible to reduce the heat thrown away to lower the operating temperature, the heat conversion efficiency is greatly improved and the amount of power generation is significantly increased.
When incorporated in a cogeneration system, it is possible to convert heat (unnecessary hot water) that cannot be used into electricity, so the amount of power generation that can improve fuel efficiency increases, and contributes to higher power generation efficiency as the heart of thermoelectric power generation modules. Is possible.
By adopting the production process established in the production of rare earth sintered magnets, mass production at an industrial scale and low cost is easier compared to conventional batch production methods.
The high-performance thermoelectric element produced by the present invention is not only a large-scale waste heat including various industrial furnaces and incinerators, but also natural energy such as various cogeneration, hot water heaters, automobile exhaust gas, geothermal heat and solar heat. As a heart component of a thermoelectric power generation module that converts waste heat that is small but not used into electricity as a heat source, it is possible to contribute to high efficiency of power generation, and it is very effective for global warming countermeasures.

本発明に係るフィルドスクッテルダイト系合金は、一般式がRTSb12(但し、RはLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Ybのうちの少なくとも1種、TはFe、Co、Ni、Os、Ru、Pd、Pt、Agのうちの少なくとも1種)で表されるフィルドスクッテルダイト相が体積比で95%以上を占める合金である。なおSbは、その一部をAsまたはPで置換しても良い。 The filled skutterudite-based alloy according to the present invention has a general formula of RT 4 Sb 12 (where R is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, and Yb, and T is Fe, Co, This is an alloy in which the filled skutterudite phase represented by Ni, Os, Ru, Pd, Pt, and Ag) occupies 95% or more by volume ratio. A part of Sb may be substituted with As or P.

本発明のフィルドスクッテルダイト系合金の原料として、希土類金属Rとしては希土類メタル(純度90質量%以上、残部はAl、Fe、Mo、W、C、O、Nなど不可避不純物)あるいはCe、Laからなるミッシュメタル(希土類金属成分90質量%以上、残部はAl、Fe、Mo、W、C、O、Nなど不可避不純物)などを用いることが出来る。また遷移金属Tとしては、純鉄(純度99質量%以上)あるいはCo、Niなどのメタル(純度99質量%以上)等を用いることが出来る。またSbとしては、金属アンチモン(純度95質量%以上、残部はPb、As、Fe、Cu、Bi、Ni、C、O、Nなど不可避不純物)を用いることが出来る。本発明のフィルドスクッテルダイト系合金の原料は、これらのR、Tおよび金属アンチモンの原料を、合金組成がRTSb12になるように秤量して調整する。本発明の合金を製造するため、原料のR、T、Sbの組成比は、それぞれ7.5〜8.3質量%、12.1〜12.3質量%、79.5〜80.2質量%の範囲とするのが好ましい As a raw material for the filled skutterudite-based alloy of the present invention, the rare earth metal R is a rare earth metal (purity of 90% by mass or more, the balance being inevitable impurities such as Al, Fe, Mo, W, C, O, N) or Ce, La A misch metal (90% by mass or more of rare earth metal component, the balance being inevitable impurities such as Al, Fe, Mo, W, C, O, and N) can be used. As the transition metal T, pure iron (purity 99% by mass or more) or metal such as Co or Ni (purity 99% by mass or more) can be used. Further, as Sb, metal antimony (purity of 95% by mass or more and the balance is inevitable impurities such as Pb, As, Fe, Cu, Bi, Ni, C, O, and N) can be used. The raw material of the filled skutterudite-based alloy of the present invention is adjusted by weighing these R, T and metal antimony raw materials so that the alloy composition is RT 4 Sb 12 . In order to produce the alloy of the present invention, the composition ratios of raw materials R, T, and Sb are 7.5 to 8.3 mass%, 12.1 to 12.3 mass%, and 79.5 to 80.2 mass, respectively. % Range is preferable

本発明では、ストリップキャスト法(SC法)により、フィルドスクッテルダイト系合金を製造する。合金の製造に用いるSC法の製造装置を図1に示す。図1で、1は坩堝、2はタンディッシュ、3は銅ロール、4は回収箱、5は溶湯、6は凝固した合金の薄片である。 In the present invention, a filled skutterudite-based alloy is manufactured by a strip casting method (SC method). FIG. 1 shows a manufacturing apparatus of the SC method used for manufacturing an alloy. In FIG. 1, 1 is a crucible, 2 is a tundish, 3 is a copper roll, 4 is a collection box, 5 is a molten metal, and 6 is a thin piece of solidified alloy.

本発明のフィルドスクッテルダイト系合金の製造方法では、上記のようにして調整した合金原料を、Ar、Heなどの不活性ガス雰囲気中で、800〜1800℃の温度で坩堝1内で溶解する。この際、雰囲気の圧力を大気圧(0.1MPa)より大きく0.2MPa以下の範囲とすると、Sbの蒸発量を抑えることができるため好ましい。 In the method for producing a filled skutterudite alloy of the present invention, the alloy raw material prepared as described above is melted in the crucible 1 at a temperature of 800 to 1800 ° C. in an inert gas atmosphere such as Ar or He. . At this time, it is preferable to set the atmospheric pressure in a range greater than atmospheric pressure (0.1 MPa) and 0.2 MPa or less because the amount of Sb evaporation can be suppressed.

合金原料を溶解した溶湯5は、タンディッシュ2を経由して、図1の矢印方向に回転する水冷した銅ロール3上に注湯することによって急冷凝固させる。この際の冷却速度は、溶解した溶湯の温度から800℃までの範囲で10〜10℃/秒とするのが、フィルドスクッテルダイト相で均一な合金組織を得るに好ましく、5×10〜3×10℃/秒とするのがさらに好ましい。溶湯の冷却速度は、銅ロール3の周速度または銅ロール3への溶湯の注湯量を制御することにより、所望の値にコントロールすることが出来る。 The molten metal 5 in which the alloy raw material has been melted is rapidly solidified by pouring on the water-cooled copper roll 3 rotating in the direction of the arrow in FIG. The cooling rate at this time is preferably 10 2 to 10 4 ° C./second in the range from the temperature of the molten metal to 800 ° C., which is preferable for obtaining a uniform alloy structure in the filled skutterudite phase. More preferably, it is 2 to 3 × 10 3 ° C./second. The cooling rate of the molten metal can be controlled to a desired value by controlling the peripheral speed of the copper roll 3 or the amount of molten metal poured into the copper roll 3.

溶湯が凝固した合金は、銅ロール3から剥離して薄片6となって回収箱4に集積される。そして回収箱4中で室温まで冷却して取り出される。ここで回収箱4を断熱あるいは強制冷却することにより、凝固した後の合金薄片の冷却速度を制御することができる。このように凝固した後の合金薄片の冷却速度を制御することにより、合金中のフィルドスクッテルダイト相の均一性をさらに向上することが可能となる。 The alloy solidified by the molten metal is peeled off from the copper roll 3 to become a thin piece 6 and is collected in the collection box 4. And it cools to room temperature in the collection box 4, and is taken out. Here, the cooling rate of the alloy flakes after solidification can be controlled by thermally insulating or forcibly cooling the collection box 4. By controlling the cooling rate of the alloy flakes thus solidified, the uniformity of the filled skutterudite phase in the alloy can be further improved.

本発明でSC法により製造されるフィルドスクッテルダイト系合金の薄片の厚さは、0.1〜2mmとするのが好ましい。合金片の厚さを0.1〜2mmとすることにより、機械的強度が十分で、熱電変換素子に用いる際に加工が容易なフィルドスクッテルダイト系合金を得ることができる。 The thickness of the flake skutterudite-based alloy flake produced by the SC method in the present invention is preferably 0.1 to 2 mm. By setting the thickness of the alloy piece to 0.1 to 2 mm, a filled skutterudite-based alloy that has sufficient mechanical strength and can be easily processed when used in a thermoelectric conversion element can be obtained.

本発明で上記のようにして作製したフィルドスクッテルダイト系合金は、SC法の製造装置から取出したままの状態で新たに熱処理をしなくても、粉末X線回折法により生成相を同定すると、フィルドスクッテルダイト相の最強ピークの強度比が95%以上となる。本発明のフィルドスクッテルダイト系合金の生成相を粉末X線回折法により同定した一例を図2に示す。 The filled skutterudite-based alloy produced as described above in the present invention can be identified by a powder X-ray diffraction method without performing a new heat treatment in a state of being taken out from the SC method manufacturing apparatus. The intensity ratio of the strongest peak of the filled skutterudite phase is 95% or more. An example in which the formation phase of the filled skutterudite alloy of the present invention is identified by a powder X-ray diffraction method is shown in FIG.

図2は、SC法の製造装置から取り出したままの合金を粉砕して測定したX線回折測定の結果を示す図である。フィルドスクッテルダイト相の最高強度を示すピークの積分強度とSbFe、Sbといったそれ以外の相の最高強度を示すピークの積分強度を算出し、フィルドスクッテルダイト相とこれらの総和との比を算出することでフィルドスクッテルダイト相の存在比率を知ることができる。例えば、図2に示したX線回折図ではフィルドスクッテルダイト相の存在比率は99質量%以上となる。 FIG. 2 is a diagram showing the results of X-ray diffraction measurement obtained by pulverizing and measuring an alloy as taken out from the SC method manufacturing apparatus. The integrated intensity of the peak indicating the highest intensity of the filled skutterudite phase and the integrated intensity of the peak indicating the highest intensity of other phases such as Sb 2 Fe and Sb are calculated, and the ratio between the filled skutterudite phase and the sum of these is calculated. It is possible to know the abundance ratio of the filled skutterudite phase by calculating. For example, in the X-ray diffraction diagram shown in FIG. 2, the abundance ratio of the filled skutterudite phase is 99% by mass or more.

また、本発明で上記のようにして作製したフィルドスクッテルダイト系合金は、フィルドスクッテルダイト相が体積比で95%以上を占め、フィルドスクッテルダイト相以外の相が体積比で5%以下である。ここでフィルドスクッテルダイト相以外の相とは、例えばSbFe、Sb等の相である。また、本発明の合金内では、フィルドスクッテルダイト相以外の相の最大直径は10μm以下である。 Further, in the filled skutterudite-based alloy produced as described above in the present invention, the filled skutterudite phase accounts for 95% or more by volume, and phases other than the filled skutterudite phase are 5% or less by volume. It is. Here, the phase other than the filled skutterudite phase is, for example, a phase such as Sb 2 Fe or Sb. Further, in the alloy of the present invention, the maximum diameter of the phase other than the filled skutterudite phase is 10 μm or less.

合金中のフィルドスクッテルダイト相およびフィルドスクッテルダイト相以外の相の体積比は、走査電子顕微鏡の反射電子像によりフィルドスクッテルダイト相と異なるコントラストの領域の面積比を算出し、これから算出することにより測定することができる。また反射電子像より、フィルドスクッテルダイト相以外の相の最大直径を知ることも出来る。本発明のフィルドスクッテルダイト系合金の走査電子顕微鏡による反射電子像の一例を図3に示す。合金はほぼ均一にフィルドスクッテルダイト相であり、体積比は95体積%以上であり、フィルドスクッテルダイト相以外の相の最大直径は10μm以下であることが分かる。 The volume ratio of the filled skutterudite phase and the phase other than the filled skutterudite phase in the alloy is calculated from the area ratio of the contrast region different from the filled skutterudite phase from the backscattered electron image of the scanning electron microscope. Can be measured. In addition, the maximum diameter of the phase other than the filled skutterudite phase can be determined from the reflected electron image. An example of the backscattered electron image of the filled skutterudite-based alloy of the present invention by a scanning electron microscope is shown in FIG. It can be seen that the alloy is almost uniformly a filled skutterudite phase, the volume ratio is 95% by volume or more, and the maximum diameter of the phases other than the filled skutterudite phase is 10 μm or less.

また、本発明のフィルドスクッテルダイト系合金は、不活性雰囲気で溶解、鋳造するため、酸素、窒素および炭素の含有量の総計を0.2質量%以下とすることが出来る。 Further, since the filled skutterudite-based alloy of the present invention is melted and cast in an inert atmosphere, the total content of oxygen, nitrogen and carbon can be made 0.2 mass% or less.

熱電変換素子を作製する場合、本発明で得られたフィルドスクッテルダイト系合金は、p型材料として好適に用いることができる。またn型材料としては、既存のPb−Te系材料などのフィルドスクッテルダイト系合金以外の物質を用いることができる。これらのp型およびn型の熱電変換材料を、直接にあるいは金属導体を介して間接に接合させ、p−n接合を形成することにより、熱電変換素子を作製することが出来る。また、熱電素子モジュールを作製する場合には、低温での特性が優れたBi−Te系材料やSe系化合物、高温での特性が優れたCo酸化物系化合物と組み合わせて使用することができる。   When producing a thermoelectric conversion element, the filled skutterudite-based alloy obtained in the present invention can be suitably used as a p-type material. As the n-type material, a substance other than the filled skutterudite-based alloy such as an existing Pb—Te-based material can be used. These p-type and n-type thermoelectric conversion materials are bonded directly or indirectly via a metal conductor to form a pn junction, whereby a thermoelectric conversion element can be produced. Moreover, when producing a thermoelectric element module, it can be used in combination with a Bi-Te-based material or Se-based compound having excellent properties at low temperatures and a Co oxide-based compound having excellent properties at high temperatures.

熱電変換素子の製造方法は特に限定されないが、図4のような製造工程を例示することが可能である。
本願発明の好ましい実施態様である熱電変換素子から製造される、熱電変換モジュールおよび熱電変換システムの構成は特に限定されないが、図5のようなシステムが例示できる。熱電変換素子を構成するp型半導体およびn型半導体は、例えば、電気的に直列、あるいは並列に接続されて熱電変換モジュールを構成している。構成された熱電変換素子の高温接触部側は、絶縁体を介して、廃熱側熱交換器に密着させられている。一方、熱電変換素子の低温接触部側は、絶縁体を介して冷却水側熱交換器に密着させられている。
このようにして構成された熱電変換システムでは、高温接触部側および低温接触部側に接続されたp型半導体、n型半導体のそれぞれに温度差を発生させて、ゼーベック効果に基づく温度差に応じた電気が熱電変換
により発電されることとなる。
本発明によって製造された、熱電変換システムを採用することで、工業用各種炉ならびに焼却炉をはじめとする大規模廃熱のみならず、各種コジェネレーション、給湯器、自動車の排ガス、地熱や太陽熱等の自然エネルギー等を高効率に利用することが可能となる。
Although the manufacturing method of a thermoelectric conversion element is not specifically limited, A manufacturing process like FIG. 4 can be illustrated.
Although the structure of the thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion system which are manufactured from the thermoelectric conversion element which is a preferable embodiment of this invention is not specifically limited, A system like FIG. 5 can be illustrated. For example, the p-type semiconductor and the n-type semiconductor constituting the thermoelectric conversion element are electrically connected in series or in parallel to constitute a thermoelectric conversion module. The high temperature contact portion side of the configured thermoelectric conversion element is in close contact with the waste heat side heat exchanger via an insulator. On the other hand, the low-temperature contact portion side of the thermoelectric conversion element is in close contact with the cooling water side heat exchanger via an insulator.
In the thermoelectric conversion system configured as described above, a temperature difference is generated in each of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor connected to the high temperature contact portion side and the low temperature contact portion side, and the temperature difference based on the Seebeck effect is applied. Electricity is generated by thermoelectric conversion.
By adopting the thermoelectric conversion system manufactured by the present invention, not only large-scale waste heat including various industrial furnaces and incinerators, but also various cogeneration, water heaters, automobile exhaust gas, geothermal and solar heat, etc. Natural energy and the like can be used with high efficiency.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
(参考例1)
希土類金属としてLaメタルを用い、その他に電解鉄、SbをLaFeSb12の化学量論組成に相当するよう秤量し、1400℃まで0.1MPaのAr雰囲気中で溶解させた。その後、図1に示したストリップキャスト鋳造装置を用いて、横幅85mm、150g/sの注湯量で、周速度0.92m/sの水冷銅ロール上に溶湯を注湯し、厚さ0.28mmの合金薄片を作製した。なお、このときの冷却速度は1×10℃/sec程度と思われる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
(Reference Example 1)
La metal was used as the rare earth metal, and electrolytic iron and Sb were weighed so as to correspond to the stoichiometric composition of LaFe 4 Sb 12 and dissolved in an Ar atmosphere of 0.1 MPa up to 1400 ° C. Thereafter, using the strip cast casting apparatus shown in FIG. 1, the molten metal was poured onto a water-cooled copper roll having a lateral width of 0.92 m / s with a casting amount of 85 mm in width and 150 g / s, and a thickness of 0.28 mm. An alloy flake was prepared. The cooling rate at this time seems to be about 1 × 10 3 ° C./sec.

製造した合金薄片を粉砕して粉末X線回折測定を行ったところ、図2に示すようにSb2FeあるいはSbのピークはほとんど観測されず、この図からフィルドスクッテルダイト相の存在比率を算出すると98%以上がLaFeSb12フィルドスクッテルダイト相であり、SbFeは2%以下であった。 When the manufactured alloy flakes were pulverized and subjected to powder X-ray diffraction measurement, Sb2Fe or Sb peaks were hardly observed as shown in FIG. 2, and the abundance ratio of filled skutterudite phase was calculated from this figure. % Or more was LaFe 4 Sb 12 filled skutterudite phase, and Sb 2 Fe was 2% or less.

さらにこの合金薄片を、550℃で1時間、大気圧のArフロー中で熱処理すると、粉末X線回折測定ではほぼ100%がLaFeSb12フィルドスクッテルダイト相となった。熱処理後の合金について反射電子像から微細構造および生成相について確認したところ、相の分離は全く見られず、合金のほぼ全体が均一なフィルドスクッテルダイト相であった。 Furthermore, when the alloy flakes were heat-treated at 550 ° C. for 1 hour in an Ar flow at atmospheric pressure, almost 100% of the alloy flakes became LaFe 4 Sb 12 filled skutterudite phase by powder X-ray diffraction measurement. As a result of confirming the microstructure and the generated phase from the reflected electron image of the heat-treated alloy, no phase separation was observed, and almost the entire alloy was a uniform filled skutterudite phase.

(参考例2)
希土類金属としてCeが53質量%、Laが47質量%のミッシュメタルを用いて、その他に電解鉄、Sb(99%)を(Ce,La1−x)FeSb12の化学量論組成になるよう秤量し、1400℃まで0.1MPaのAr雰囲気中で溶解した。その後、図1に示したストリップキャスト鋳造装置を用いて、横幅85mm、150g/sの注湯量で、周速度0.92m/sの水冷銅ロール上に溶湯を注湯し、厚さ0.28mmの合金薄片を作製した。
(Reference Example 2)
Ce is 53 wt% as a rare earth metal, La is with 47% by weight of misch metal, Other electrolytic iron, Sb (99%) of (Ce x, La 1-x ) Fe 4 stoichiometry of Sb 12 And was dissolved in an Ar atmosphere of 0.1 MPa up to 1400 ° C. Thereafter, using the strip cast casting apparatus shown in FIG. 1, the molten metal was poured onto a water-cooled copper roll having a lateral width of 0.92 m / s with a casting amount of 85 mm in width and 150 g / s, and a thickness of 0.28 mm. An alloy flake was prepared.

この合金を粉砕して粉末X線回折測定を行ったところ、最強ピークの強度比で98%以上が(Ce,La1−x)FeSb12フィルドスクッテルダイト相であり、SbFeは2%以下であった。 The alloy was pulverized and by performing powder X-ray diffraction measurement, a 98% or more at an intensity ratio of the strongest peak (Ce x, La 1-x ) Fe 4 Sb 12 filled skutterudite phase, Sb 2 Fe Was less than 2%.

さらにこの合金の鋳造直後、回収箱の冷却速度を700℃から500℃まで2℃/secとなるように大気圧のAr雰囲気中で制御すると、粉末X線回折測定では99%以上が(Ce,La1−x)FeSb12フィルドスクッテルダイト相となった。熱処理後の合金について反射電子像から微細構造および生成相について確認したところ、相の分離は全く見られず、合金全体がほぼ均一なフィルドスクッテルダイト相であった。 Furthermore, if the cooling rate of the recovery box is controlled in an Ar atmosphere at atmospheric pressure from 700 ° C. to 500 ° C. immediately after casting of this alloy in an atmospheric pressure Ar atmosphere, 99% or more (Ce x , La 1-x ) Fe 4 Sb 12 filled skutterudite phase. As a result of confirming the microstructure and the generated phase from the reflected electron image of the heat-treated alloy, no phase separation was observed, and the entire alloy was a substantially uniform filled skutterudite phase.

(参考例3)
希土類金属としてLaメタルを用い、その他に電解鉄、SbをLaFeSb12の化学量論組成に相当するよう秤量し、1400℃まで0.2MPaのAr雰囲気中で溶解させた。その後、図1に示したストリップキャスト鋳造装置を用いて、横幅85mm、150g/sの注湯量で、周速度0.92m/sの水冷銅ロール上に溶湯を注湯し、厚さ0.28mmの合金薄片を作製した。
(Reference Example 3)
La metal was used as the rare earth metal, and electrolytic iron and Sb were weighed so as to correspond to the stoichiometric composition of LaFe 4 Sb 12 and dissolved in an Ar atmosphere at 0.2 MPa up to 1400 ° C. Thereafter, using the strip cast casting apparatus shown in FIG. 1, the molten metal was poured onto a water-cooled copper roll having a lateral width of 0.92 m / s with a casting amount of 85 mm in width and 150 g / s, and a thickness of 0.28 mm. An alloy flake was prepared.

製造した合金薄片を粉砕して粉末X線回折測定を行ったところ、最強ピークの強度比で95%以上がLaFeSb12フィルドスクッテルダイト相であり、SbFeは5%以下であった。 When the produced alloy flakes were pulverized and subjected to powder X-ray diffraction measurement, 95% or more of the strongest peak intensity ratio was LaFe 4 Sb 12 filled skutterudite phase, and Sb 2 Fe was 5% or less. .

さらにこの合金薄片を、550℃で1時間、大気圧のArフロー中で熱処理すると、粉末X線回折測定では99%以上がLaFeSb12フィルドスクッテルダイト相となった。熱処理後の合金について反射電子像から微細構造および生成相について確認したところ、相の分離は全く見られず、合金全体がほぼ均一なフィルドスクッテルダイト相であった。 Furthermore, when the alloy flakes were heat-treated at 550 ° C. for 1 hour in an Ar flow at atmospheric pressure, 99% or more of the alloy flakes became a LaFe 4 Sb 12 filled skutterudite phase by powder X-ray diffraction measurement. As a result of confirming the microstructure and the generated phase from the reflected electron image of the heat-treated alloy, no phase separation was observed, and the entire alloy was a substantially uniform filled skutterudite phase.

(実施例1)
p型素子として参考例3に記載の合金、n型素子としてCeCoSb12を参考例1〜3と同様の方法で作製し、ジェットミル粉砕して平均粒度2.5umの粉末を作製、1.2t/cmの圧力にて成形、800〜900℃アルゴンフロー中で焼結して2mm角に素子を切り出して、電極としてCu、拡散防止層としてTi、NiメッキののちAgロウで700℃で貼り合わせモジュールを作製した。
(Example 1)
An alloy described in Reference Example 3 was prepared as a p-type element, and CeCo 4 Sb 12 was prepared as an n-type element by the same method as in Reference Examples 1 to 3, and a powder having an average particle size of 2.5 μm was produced by jet milling. Molded at a pressure of 2 t / cm 2 , sintered in an 800 to 900 ° C. argon flow, cut out a 2 mm square element, Cu as an electrode, Ti as a diffusion prevention layer, Ni plating, then Ag brazing at 700 ° C. A laminated module was prepared.

この素子を用いてp、n素子70対でモジュールを作製したところ、その変換効率は低温側30℃、高温側500℃のとき入熱に対して13%であった。 Using this element, a module was produced with 70 pairs of p and n elements, and the conversion efficiency was 13% with respect to heat input at 30 ° C. on the low temperature side and 500 ° C. on the high temperature side.

(比較例1)
希土類金属としてLaメタルを用い、その他に電解鉄、SbをLaFeSb12の化学量論組成に相当するよう秤量し、1400℃まで10Paの減圧雰囲気中で溶解させた。さらに減圧に保ったまま、実施例1と同様にして、横幅85mm、150g/sの注湯量で周速度0.92m/sの水冷銅ロール上に溶湯を注湯し、厚さ0.28mmのストリップキャスト合金を作製した。
(Comparative Example 1)
La metal was used as the rare earth metal, and electrolytic iron and Sb were also weighed so as to correspond to the stoichiometric composition of LaFe 4 Sb 12 and dissolved in a reduced pressure atmosphere of 10 Pa up to 1400 ° C. Further, while maintaining the reduced pressure, in the same manner as in Example 1, the molten metal was poured onto a water-cooled copper roll having a width of 85 mm, a pouring amount of 150 g / s and a peripheral speed of 0.92 m / s, and a thickness of 0.28 mm. A strip cast alloy was prepared.

この合金を粉砕して粉末X線回折測定を行ったところ、ほぼ全てがSbFeおよびSbであった。さらに熱処理後の合金について反射電子像から微細構造および生成相について確認したところ、合金は複数の相から構成されていた。またこの合金の酸素濃度は0.2質量%を超えており、Sbの量も化学量論に足りなかった。すなわち、スクッテルダイト相から希土類が除去されたことと溶解中にSbが蒸発して化学量論からずれたためにフィルドスクッテルダイト相が得られなかったと推測された。 When this alloy was pulverized and subjected to powder X-ray diffraction measurement, almost all were Sb 2 Fe and Sb. Further, when the microstructure and the generated phase were confirmed from the reflected electron image of the alloy after the heat treatment, the alloy was composed of a plurality of phases. Further, the oxygen concentration of this alloy exceeded 0.2% by mass, and the amount of Sb was insufficient in stoichiometry. That is, it was speculated that the filled skutterudite phase could not be obtained because the rare earth was removed from the skutterudite phase and Sb evaporated during dissolution and shifted from the stoichiometry.

(比較例2)
希土類金属としてLaメタルを用い、その他に電解鉄、SbをLaFeSb12の化学量論組成に相当するよう秤量し、1400℃まで0.1MPaのAr雰囲気注で溶解させた。その後150g/sの注湯量で、幅10mm、厚さ20mmの銅板からなるブックモールド上に溶湯を注湯し合金を作製した。
(Comparative Example 2)
La metal was used as the rare earth metal, and in addition, electrolytic iron and Sb were weighed so as to correspond to the stoichiometric composition of LaFe 4 Sb 12 and dissolved up to 1400 ° C. in an Ar atmosphere of 0.1 MPa. Thereafter, the molten metal was poured onto a book mold made of a copper plate having a width of 10 mm and a thickness of 20 mm at a pouring amount of 150 g / s to produce an alloy.

この合金を粉砕して粉末X線回折測定を行ったところ、ほぼ全てがSb2FeおよびSbであった。さらにこの合金を550℃、1時間Ar大気圧フロー中で熱処理したところ、粉末X線回折測定では依然としてSbFeがほとんどであり、フィルドスクッテルダイト相はほとんどみられなかった。また、熱処理後の合金について反射電子像から微細構造および生成相について確認したところ、合金は複数の相から構成されていた。この合金の酸素濃度は0.1質量%以下で、Sb量はほぼ化学量論であったが、この合金を均一なフィルドスクッテルダイト相にするためには、非常に長時間の熱処理が必要と思われた。 When this alloy was pulverized and subjected to powder X-ray diffraction measurement, almost all were Sb2Fe and Sb. Furthermore, when this alloy was heat-treated at 550 ° C. for 1 hour in an Ar atmospheric pressure flow, powder X-ray diffraction measurement still showed almost all Sb 2 Fe and almost no filled skutterudite phase. Moreover, when the microstructure after heat processing was confirmed about the microstructure and the production | generation phase from the reflected-electron image, the alloy was comprised from the several phase. The oxygen concentration of this alloy was 0.1% by mass or less, and the amount of Sb was almost stoichiometric. However, in order to make this alloy into a uniform filled skutterudite phase, a very long heat treatment was required. So I thought.

(比較例3)
p型LaFeSb12、n型CeCoSb12素子用の合金を比較例2の方法で作製、熱処理せずにジェットミル粉砕して平均粒度2.5umの粉末を作製、1.2t/cmの圧力にて成形、800〜900℃アルゴンフロー中で焼結して2mm角に素子を切り出して、電極としてCu、拡散防止層としてTi、NiメッキののちAgロウで700℃で貼り合わせモジュールを作製した。
(Comparative Example 3)
An alloy for p-type LaFe 4 Sb 12 and n-type CeCo 4 Sb 12 elements was produced by the method of Comparative Example 2, and a powder having an average particle size of 2.5 μm was produced by jet milling without heat treatment, 1.2 t / cm Formed at a pressure of 2 , sintered in an argon flow of 800 to 900 ° C., cut out a 2 mm square element, Cu as an electrode, Ti as a diffusion prevention layer, Ni plating, and then bonded at 700 ° C. with Ag brazing Was made.

この素子を用いてp、n素子70対でモジュールを作製したところ、その変換効率は低温側30℃、高温側500℃のとき入熱に対して8%であった。 Using this element, a module was fabricated with 70 pairs of p and n elements, and the conversion efficiency was 8% with respect to heat input at 30 ° C. on the low temperature side and 500 ° C. on the high temperature side.

本発明で用いたストリップキャスト製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the strip cast manufacturing apparatus used by this invention. 本発明により得られたLaFeSb12フィルドスクッテルダイト合金のX線回折図である。1 is an X-ray diffraction pattern of a LaFe 4 Sb 12 filled skutterudite alloy obtained by the present invention. 本発明により得られたLaFeSb12フィルドスクッテルダイト合金の断面の反射電子像である。A reflection electron image of a cross section of LaFe 4 Sb 12 filled skutterudite alloy obtained by the present invention. 発熱用熱電素子モジュールの製造工程の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the manufacturing process of the thermoelectric element module for heat_generation | fever. 熱電変換モジュールおよび熱電変換システムの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the thermoelectric conversion module and the thermoelectric conversion system.

符号の説明Explanation of symbols

1 坩堝
2 タンディッシュ
3 銅ロール
4 回収箱
5 溶湯
6 合金薄片
7 廃熱
8 冷却水
9 熱電変換素子
10 電極
11 導線
12 絶縁板
13 熱交換器

1 crucible 2 tundish 3 copper roll 4 collection box 5 molten metal 6 alloy flake 7 waste heat 8 cooling water 9 thermoelectric conversion element 10 electrode 11 conducting wire 12 insulating plate 13 heat exchanger

Claims (5)

希土類金属R(但し、RはLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Ybのうちの少なくとも1種)、遷移金属T(但し、TはFe、Co、Ni、Os、Ru、Pd、Pt、Agのうちの少なくとも1種)、金属アンチモン(Sb)からなる合金原料を溶解し、その溶湯をストリップキャスト法により急冷凝固して製造したフィルドスクッテルダイト系合金を用いた熱電変換モジュール。 Rare earth metal R (where R is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb), transition metal T (where T is Fe, Co, Ni, Os, Ru, Pd, Pt) , A thermoelectric conversion module using a filled skutterudite alloy manufactured by melting an alloy raw material composed of metal antimony (Sb) and rapidly solidifying the molten metal by a strip casting method. 請求項1に記載の熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置。 A thermoelectric generator using the thermoelectric conversion module according to claim 1. 請求項1に記載の熱電変換モジュールを用いた熱電発電方法。 A thermoelectric power generation method using the thermoelectric conversion module according to claim 1. 請求項2に記載の熱電発電装置を用いた廃熱回収システム。 A waste heat recovery system using the thermoelectric generator according to claim 2. 請求項2に記載の熱電発電装置を用いた太陽熱利用システム。
A solar heat utilization system using the thermoelectric power generator according to claim 2.
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