JP2006196727A - Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換機能を有する熱電変換素子とその製造方法に関し、特に、熱電変換素子の変換効率の向上を図るものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element having a thermoelectric conversion function and a method for manufacturing the thermoelectric conversion element, and in particular, to improve the conversion efficiency of the thermoelectric conversion element.
熱電変換素子は、ゼーベック効果による発電機能と、その逆のペルチェ効果による熱電冷却機能とを有している。この熱電変換素子を用いて構成した熱電変換装置は、複数個の熱電変換素子を組み合わせて熱電変換効率を高めており、例えば、図16(a)(一部破断した斜視図)及び図16(b)(断面図)に示すように、P型半導体11から成る熱電変換素子とN型半導体12から成る熱電変換素子とを縦及び横方向に交互に配置し、これら素子の全てが電気的に直列接続するように、各列の隣接する素子同士を下側金属電極13及び上側金属電極14で交互に接続し、さらに、各列の両端の素子の一方を右側に隣接する列の素子と、他方を左側に隣接する列の素子と、それぞれ、下側金属電極13または上側金属電極14で接続している。 The thermoelectric conversion element has a power generation function based on the Seebeck effect and a thermoelectric cooling function based on the opposite Peltier effect. The thermoelectric conversion device configured using this thermoelectric conversion element increases the thermoelectric conversion efficiency by combining a plurality of thermoelectric conversion elements. For example, FIG. 16A (partially broken perspective view) and FIG. b) As shown in (sectional view), thermoelectric conversion elements made of P-type semiconductor 11 and thermoelectric conversion elements made of N-type semiconductor 12 are alternately arranged in the vertical and horizontal directions, and all of these elements are electrically connected. Adjacent elements in each column are connected alternately with the lower metal electrode 13 and the upper metal electrode 14 so as to be connected in series, and further, one of the elements at both ends of each column is adjacent to the element on the right side, The other is connected to the element in the column adjacent to the left side by the lower metal electrode 13 or the upper metal electrode 14 respectively.
N型半導体12と金属電極との接合部では、電流がN型半導体12から金属電極に流れる場合に、ペルチェ効果で冷やされ、逆に、電流が金属電極からN型半導体12に流れる場合に、同効果で温められる。一方、P型半導体11と金属電極との接合部では、これとは反対に、電流がP型半導体11から金属電極に流れる場合に温められ、電流が金属電極からP型半導体11に流れる場合に冷やされる。
そのため、熱電変換装置10の各素子にリード線17を通じて直流電流を流すと、N型半導体12、上側金属電極14、P型半導体11の順に電流が流れる上側金属電極14の側では、温度が下がり、上側金属電極14に接合された吸熱基板16は、周囲から熱を奪う。一方、P型半導体11、下側金属電極13、N型半導体12の順に電流が流れる下側金属電極13の側では、温度が上がり、下側金属電極13に接合された放熱基板15は、周囲に熱を放出する。
In the junction between the N-type semiconductor 12 and the metal electrode, when current flows from the N-type semiconductor 12 to the metal electrode, it is cooled by the Peltier effect, and conversely, when current flows from the metal electrode to the N-type semiconductor 12, Heated with the same effect. On the other hand, at the junction between the P-type semiconductor 11 and the metal electrode, on the contrary, when the current flows from the P-type semiconductor 11 to the metal electrode, it is warmed, and when the current flows from the metal electrode to the P-type semiconductor 11. Chilled.
Therefore, when a direct current is passed through each element of the thermoelectric conversion device 10 through the lead wire 17, the temperature decreases on the side of the upper metal electrode 14 where the current flows in the order of the N-type semiconductor 12, the upper metal electrode 14, and the P-type semiconductor 11. The endothermic substrate 16 bonded to the upper metal electrode 14 takes heat from the surroundings. On the other hand, on the side of the lower metal electrode 13 through which current flows in the order of the P-type semiconductor 11, the lower metal electrode 13, and the N-type semiconductor 12, the temperature rises, and the heat dissipation substrate 15 joined to the lower metal electrode 13 To release heat.
1つの熱電変換素子11、12の大きさは、断面積が2mm四方、高さが1〜2.5mm程度であり、この熱電変換素子を組み合わせた熱電変換装置10の放熱基板15及び吸熱基板16の表面積は、2cm×2cm程度である。
現在、熱電変換装置は、ワインセラーや小型冷蔵庫などに利用されており、また、小型化したものが、光通信用半導体レーザの温度制御に使用されている。
熱電変換性能を有する材料としては、ビスマス(Bi)系やビスマス・テルル(BiTe)系の半導体が知られており、中でもBiTe系材料は、常温において比較的高い熱電変換効率を有し、市販の熱電変換装置の多くに使用されている。
Each of the thermoelectric conversion elements 11 and 12 has a cross-sectional area of 2 mm square and a height of about 1 to 2.5 mm. The heat dissipation substrate 15 and the heat absorption substrate 16 of the thermoelectric conversion device 10 combined with the thermoelectric conversion elements. Has a surface area of about 2 cm × 2 cm.
Currently, thermoelectric conversion devices are used in wine cellars, small refrigerators, and the like, and miniaturized ones are used for temperature control of semiconductor lasers for optical communication.
As materials having thermoelectric conversion performance, bismuth (Bi) -based and bismuth tellurium (BiTe) -based semiconductors are known. Among them, BiTe-based materials have relatively high thermoelectric conversion efficiency at room temperature, and are commercially available. Used in many thermoelectric conversion devices.
また、理論的な計算から、熱電変換材料をナノワイヤ化(量子細線化)すると、バルク状態の熱電変換材料に比べて熱電変換指数が増加すると言われており、下記特許文献1には、この理論に基づいて、直径が0.5nm〜15nmの多数の孔を、膜厚1nm〜100μmのシリコンやゲルマニューム(あるいはそれらの酸化物)の薄膜に形成し、この孔に熱電変換材料を導入してナノワイヤ化した熱電変換素子を製造することが記載されている。
しかし、熱電変換装置は、振動や運転音の発生が無く、また、冷却も加熱もできるため温度制御が容易である等の優れた面を有しているものの、熱電変換効率が、太陽電池などと比べて可なり低く、大きな改善が求められている。
熱電変換素子の変換効率は、次式(1)に示す性能指数Zで表される。
Z=α2/ρk (単位:1/絶対温度(K)) (1)
ここで、α:ゼーベック係数、ρ:電気抵抗率、k:熱伝導率である。実際の使用にあたっては、式(1)の両辺に絶対温度Tを乗じ、次式(2)に示すZT(無次元性能指数)を使ってその性能が表現される。
ZT=(α2/ρk)T (2)
このZT≒1が実用化の目安とされており、BiTe系熱電変換素子のZTは略1に達している。ZTを1.5程度に高めることができれば、熱電変換素子を用いた自販機の実用化が可能となり、ZTをさらに上げれば、業務用冷蔵庫や家庭用冷蔵庫が実用化できると見られている。
However, although the thermoelectric conversion device has excellent aspects such as no vibration and operation noise, and cooling and heating so that temperature control is easy, the thermoelectric conversion efficiency is such as solar cells. There is a significant need for improvement.
The conversion efficiency of the thermoelectric conversion element is represented by a figure of merit Z shown in the following formula (1).
Z = α 2 / ρk (unit: 1 / absolute temperature (K)) (1)
Here, α: Seebeck coefficient, ρ: electrical resistivity, k: thermal conductivity. In actual use, the performance is expressed by multiplying both sides of the equation (1) by the absolute temperature T and using ZT (Dimensionless Performance Index) shown in the following equation (2).
ZT = (α 2 / ρk) T (2)
This ZT≈1 is regarded as a standard for practical use, and the ZT of the BiTe thermoelectric conversion element has reached approximately 1. If ZT can be increased to about 1.5, it will be possible to commercialize a vending machine using a thermoelectric conversion element, and if ZT is further increased, commercial refrigerators and household refrigerators are expected to be commercialized.
とは言え、BiTe系材料が開発された1960年代以降も、膨大な努力と資金とを費やして様々な開発が続けられているが、50年近く経過した現在でもBiTe系の性能を超えるものは殆ど得られておらず、性能指数Zは、高々50%程度向上したに過ぎない。
また、前記特許文献1に記載されたナノワイヤ化した熱電変換素子の場合は、薄膜状のものしか形成できないため、薄膜の一方の面と他方の面との間に温度差を保つことが難しく、実用性に乏しい。
However, since the 1960s when BiTe-based materials were developed, various developments have been continued with a great deal of effort and funding. Almost no performance has been obtained, and the figure of merit Z has improved by no more than about 50%.
In addition, in the case of the thermoelectric conversion element converted into a nanowire described in Patent Document 1, since only a thin film can be formed, it is difficult to maintain a temperature difference between one surface of the thin film and the other surface, Poor utility.
本発明は、こうした従来の課題を解決するものであり、熱電変換効率が向上した、実用性の高い熱電変換素子を提供し、また、その製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such conventional problems, and has an object to provide a thermoelectric conversion element with improved thermoelectric conversion efficiency and high practicality, and to provide a manufacturing method thereof.
本発明では、直径0.1μm〜1mmに相当する太さの熱電変換材料の線状体を集積化したワイヤーアレイ(wire-array)と、この線状体の各々の周囲を取り囲む、熱電変換材料より熱伝導率が低い絶縁体とで熱電変換素子を構成している。
この熱電変換素子では、熱電変換材料の線状体の熱伝導率が周囲の絶縁体に影響されて低下し、そのため、熱電変換素子のZT値が高くなる。
In the present invention, a wire array in which linear bodies of thermoelectric conversion material having a diameter corresponding to a diameter of 0.1 μm to 1 mm are integrated, and a thermoelectric conversion material surrounding each of the linear bodies A thermoelectric conversion element is composed of an insulator having a lower thermal conductivity.
In this thermoelectric conversion element, the thermal conductivity of the linear body of the thermoelectric conversion material decreases due to the influence of the surrounding insulator, and therefore the ZT value of the thermoelectric conversion element increases.
また、本発明の熱電変換素子では、前記絶縁体を、複数の貫通孔が形成された多孔構造体とし、熱電変換材料を、この絶縁体の貫通孔に充填している。
そのため、熱電変換材料は、絶縁体の貫通孔を埋めることで線状化している。
In the thermoelectric conversion element of the present invention, the insulator is a porous structure in which a plurality of through holes are formed, and a thermoelectric conversion material is filled in the through holes of the insulator.
Therefore, the thermoelectric conversion material is linearized by filling the through holes of the insulator.
また、本発明の熱電変換素子では、この多孔構造体の開孔率を10〜90%に設定している。
多孔構造体の開孔率を限定することにより、熱電変換素子の出力密度の低下を回避しながら、熱伝導率の低減を図ることができる。
In the thermoelectric conversion element of the present invention, the porosity of the porous structure is set to 10 to 90%.
By limiting the porosity of the porous structure, it is possible to reduce the thermal conductivity while avoiding a decrease in the output density of the thermoelectric conversion element.
また、本発明では、熱電変換素子の製造に当たり、熱電変換材料を溶融した中に、熱電変換材料より熱伝導率が低い絶縁体で形成された、直径0.1μm〜1mmに相当する大きさの複数の貫通孔を有する多孔構造体を浸し、この多孔構造体の貫通孔に熱電変換材料を充填している。
多孔構造体の貫通孔の直径が小さいときは、溶融した熱電変換材料に圧力を加えて、熱電変換材料を貫通孔に圧入する。
Further, in the present invention, in the production of the thermoelectric conversion element, the thermoelectric conversion material is melted and formed of an insulator having a lower thermal conductivity than the thermoelectric conversion material, and has a size corresponding to a diameter of 0.1 μm to 1 mm. A porous structure having a plurality of through holes is immersed, and the through holes of the porous structure are filled with a thermoelectric conversion material.
When the diameter of the through hole of the porous structure is small, pressure is applied to the molten thermoelectric conversion material, and the thermoelectric conversion material is pressed into the through hole.
また、本発明では、熱電変換素子の製造に当たり、熱電変換材料の粉末を、熱電変換材料より熱伝導率が低い絶縁体で形成された、直径0.1μm〜1mmに相当する大きさの複数の貫通孔を有する多孔構造体の前記貫通孔に導入し、熱と圧力とを加えて熱電変換材料を多孔構造体と一体化させている。
従来、バルク状熱電変換素子の製造に使用されているホットプレス法を、本発明の熱電変換素子の製造に適用することができる。
In the present invention, in the production of the thermoelectric conversion element, the powder of the thermoelectric conversion material is formed of an insulator having a thermal conductivity lower than that of the thermoelectric conversion material and has a plurality of sizes corresponding to a diameter of 0.1 μm to 1 mm. It introduce | transduces into the said through-hole of the porous structure which has a through-hole, and heat and pressure are added, and the thermoelectric conversion material is integrated with the porous structure.
Conventionally, the hot press method used for manufacturing the bulk thermoelectric conversion element can be applied to the manufacture of the thermoelectric conversion element of the present invention.
また、本発明では、熱電変換素子の製造に当たり、直径0.1μm〜1mmに相当する太さの熱電変換材料の線状体を形成し、この線状体の複数本と、熱電変換材料より熱伝導率が低い高分子材料とを複合化している。
この方法によれば、高分子材料を高温に曝すことなく、熱電変換素子を製造することができる。
Further, in the present invention, in the production of the thermoelectric conversion element, a linear body of a thermoelectric conversion material having a diameter corresponding to a diameter of 0.1 μm to 1 mm is formed, and a plurality of the linear bodies and the thermoelectric conversion material are heated. It is combined with a polymer material with low conductivity.
According to this method, the thermoelectric conversion element can be manufactured without exposing the polymer material to a high temperature.
本発明によれば、熱電変換素子の製造方法や構造を変えるだけで、従来の熱電変換材料で構成する熱電変換素子の性能指数を、大幅に、数10%のオーダー、あるいはそれ以上に、向上させることができる。
そのため、変換効率の上昇により、素子形状の小型化や消費電力の削減、あるいは、冷却到達温度の低減等が可能となり、また、熱電変換素子を熱電冷却素子や発電素子として利用した実用化製品の範囲を広げることができる。
According to the present invention, the performance index of a thermoelectric conversion element composed of a conventional thermoelectric conversion material is greatly improved to the order of several tens of percent or more simply by changing the manufacturing method and structure of the thermoelectric conversion element. Can be made.
Therefore, by increasing the conversion efficiency, it is possible to reduce the size of the element, reduce power consumption, reduce the temperature to reach cooling, etc., and use a thermoelectric conversion element as a thermoelectric cooling element or power generation element. The range can be expanded.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における熱電変換素子20の全体構造を示している。この熱電変換素子20は、多数の貫通孔が等間隔に形成されたガラスキャプラリープレート21と、その各孔に充填された熱電変換材料のBi22とで構成されており、ガラスキャプラリープレート21の貫通孔を埋めることでワイヤー形状化したBiの周囲が、ガラスキャプラリープレート21の素材である熱伝導率の低いガラスで取り囲まれている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the overall structure of a thermoelectric conversion element 20 in the first embodiment of the present invention. This thermoelectric conversion element 20 is composed of a glass capillary plate 21 in which a large number of through holes are formed at equal intervals, and Bi22 of a thermoelectric conversion material filled in each hole. The periphery of Bi formed into a wire shape by filling the through hole is surrounded by glass having a low thermal conductivity, which is a material of the glass capillary plate 21.
ガラスキャプラリープレート21は、図2に示すように、熱伝導率が低く、加工性が高い鉛ガラスに、直径がミクロン・オーダーの貫通孔23を等間隔に多数形成したものであり、浜松ホトニクス社や米国バール社から市販されている。ここでは、貫通孔23の直径が25μmで開孔率(孔が占める面積比)が55%のガラスキャプラリープレート21を使用している。
Biは、例えば、溶解してガラスキャプラリープレート21の貫通孔23に充填している。この製造方法の詳細については後述する。
As shown in FIG. 2, the glass capillary plate 21 is made of lead glass with low thermal conductivity and high workability, and a large number of through holes 23 having a diameter of micron order are formed at equal intervals. Hamamatsu Photonics And are available commercially from US company Barr. Here, a glass capillary plate 21 having a diameter of the through hole 23 of 25 μm and an open area ratio (area ratio occupied by the hole) of 55% is used.
For example, Bi is melted and filled in the through holes 23 of the glass caprary plate 21. Details of this manufacturing method will be described later.
熱電変換素子20の外形は、Biワイヤーの端面が露出した面(即ち、電極接合面)における奥行き(d)及び幅(w)をそれぞれ2mmに、高さ(h)を同じく2mmに整形しており、この熱電変換素子20には、直径25μm、長さ2mmのBiワイヤー22が数千本集積化している。図3は、電極接合面に現れたBiワイヤー22のアレイを拡大して示している。電極接合面でのBiとガラス部との面積比は55:45である。 The outer shape of the thermoelectric conversion element 20 is formed by shaping the depth (d) and width (w) of the surface where the end face of the Bi wire is exposed (that is, the electrode bonding surface) to 2 mm and the height (h) to 2 mm. In this thermoelectric conversion element 20, thousands of Bi wires 22 having a diameter of 25 μm and a length of 2 mm are integrated. FIG. 3 shows an enlarged array of Bi wires 22 appearing on the electrode bonding surface. The area ratio between Bi and the glass part at the electrode bonding surface is 55:45.
この熱電変換素子20に含まれた直径25μmのBiワイヤーの熱伝導率kを測定すると、室温(300K)において、4.7(W/mK)の値を示している。ガラスキャプラリープレート21の熱伝導率kは0.6(W/mK)である。一方、バルク状のBiの室温における熱伝導率kは8.8(W/mK)である。 When the thermal conductivity k of the Bi wire having a diameter of 25 μm included in the thermoelectric conversion element 20 is measured, it shows a value of 4.7 (W / mK) at room temperature (300 K). The thermal conductivity k of the glass capillary plate 21 is 0.6 (W / mK). On the other hand, the thermal conductivity k of bulk Bi at room temperature is 8.8 (W / mK).
このように、直径がマイクロ・オーダーとなるように細線化したBiワイヤー(マイクロワイヤー)の周囲を熱伝導率kの低い物質で取り囲むことにより、Biマイクロワイヤーの実効的な熱伝導率kは、バルク状態のときより低下する。こうした現象は、直径が1mm以下のワイヤーで認められる。
これは、図4に示すように、Biマイクロワイヤー22の熱の流れが、矢印で示すように、熱伝導率の低いガラスキャプラリープレート21の熱の流れに引きずられるためと考えられる。
図5は、バルク状Bi及び直径25μmのBiマイクロワイヤーにおける熱伝導率kの温度依存性を測定した結果を示している。この図から明らかなように、低温になればなるほど、Biマイクロワイヤーでの熱伝導率低下の効果は大きい。
Thus, by surrounding the Bi wire (microwire) thinned so that the diameter becomes micro order with a material having a low thermal conductivity k, the effective thermal conductivity k of the Bi microwire is Lower than in the bulk state. Such a phenomenon is observed in a wire having a diameter of 1 mm or less.
As shown in FIG. 4, this is considered because the heat flow of the Bi microwire 22 is dragged by the heat flow of the glass capillary plate 21 having a low thermal conductivity, as indicated by an arrow.
FIG. 5 shows the results of measuring the temperature dependence of the thermal conductivity k in bulk Bi and Bi microwire with a diameter of 25 μm. As is clear from this figure, the lower the temperature, the greater the effect of reducing the thermal conductivity in the Bi microwire.
また、図6は、Biマイクロワイヤーの直径を変えた場合の熱伝導率kの変化を示している。直径10μmのBiマイクロワイヤーは、直径25μmの場合と同様に、貫通孔の直径が10μmで開孔率が55%のガラスキャプラリープレート21を使用して作成している。得られた2mm×2mm×2mmの外形の熱電変換素子には、直径10μm、長さ2mmのBiマイクロワイヤーが数万本集積化している。また、直径1μmのBiマイクロワイヤーは、貫通孔の直径が1μmで開孔率が55%のガラスキャプラリープレート21を使用して作成している。得られた2mm×2mm×2mmの外形の熱電変換素子には、直径1μm、長さ2mmのBiマイクロワイヤーが数百万本集積化している。
図6から明らかなように、Biマイクロワイヤーの直径が小さくなるほど、実効的な熱伝導率kは低下する。これは、Biマイクロワイヤーの径が小さくなるほど、周囲の熱の流れに強く影響されるためである。
FIG. 6 shows a change in the thermal conductivity k when the diameter of the Bi microwire is changed. The Bi microwire having a diameter of 10 μm is formed using the glass caprary plate 21 having a through hole diameter of 10 μm and a hole area ratio of 55%, as in the case of the diameter of 25 μm. In the obtained thermoelectric conversion element of 2 mm × 2 mm × 2 mm, tens of thousands of Bi microwires having a diameter of 10 μm and a length of 2 mm are integrated. In addition, the Bi microwire having a diameter of 1 μm is made by using the glass capillary plate 21 having a through hole diameter of 1 μm and an aperture ratio of 55%. Millions of Bi microwires having a diameter of 1 μm and a length of 2 mm are integrated in the obtained thermoelectric conversion element having an external shape of 2 mm × 2 mm × 2 mm.
As apparent from FIG. 6, the effective thermal conductivity k decreases as the diameter of the Bi microwire decreases. This is because the smaller the diameter of the Bi microwire, the stronger the influence of the surrounding heat flow.
一方、Biマイクロワイヤーの電気抵抗率ρは、室温において1.3μΩmであり、バルク状のBiと変わりが無い。また、Biマイクロワイヤーのゼーベック係数αも、バルク状のBiと同じ−60μV/Kである。
そのため、Biをマイクロワイヤー化した場合は、式(2)において、α及びρが同じでkが小さくなるため、ZTの値が向上する。
On the other hand, the electrical resistivity ρ of Bi microwire is 1.3 μΩm at room temperature, which is no different from bulk Bi. Further, the Seebeck coefficient α of Bi microwire is also −60 μV / K, which is the same as that of bulk Bi.
Therefore, when Bi is made into a microwire, in Expression (2), α and ρ are the same and k is reduced, so that the value of ZT is improved.
図7は、ガラスキャプラリープレートに各種直径のBiワイヤーアレイを形成した熱電変換素子のZT値と、バルク状Biから成る熱電変換素子のZT値とを対比して示している。ただし、T=300Kである。
Biワイヤーアレイから成る熱電変換素子は、バルク状Biから成る熱電変換素子に比べて、ワイヤー直径が25μmの場合、ZT値が2倍に増加し、ワイヤー直径が10μmの場合、2.3倍に増加し、また、ワイヤー直径が1μmの場合、3.7倍に増加している。
FIG. 7 shows a comparison between the ZT value of a thermoelectric conversion element in which Bi wire arrays of various diameters are formed on a glass capillary plate and the ZT value of a thermoelectric conversion element made of bulk Bi. However, T = 300K.
A thermoelectric conversion element composed of a Bi wire array has a ZT value that is doubled when the wire diameter is 25 μm, and 2.3 times when a wire diameter is 10 μm, compared to a thermoelectric conversion element composed of bulk Bi. In addition, when the wire diameter is 1 μm, it is increased 3.7 times.
ただ、ここで用いたBiは、熱電変換素子の基本母材料であり、性能指数が高い材料ではないため、Biワイヤーアレイから成る熱電変換素子のZT値そのものは、それほど良くはない。しかし、このBiでの結果は、熱電変換材料をマイクロワイヤー化し、その周囲を熱伝導率の低い絶縁材料で取り囲むことにより、熱電変換材料の実効的な熱伝導率を下げることができ、この熱電変換材料のワイヤーアレイで熱電変換素子を構成すれば、熱電変換素子のZT値が改善できることを示している。 However, since Bi used here is a basic base material of a thermoelectric conversion element and is not a material with a high figure of merit, the ZT value itself of a thermoelectric conversion element composed of a Bi wire array is not so good. However, the result of this Bi is that the thermoelectric conversion material is made into a microwire and the periphery thereof is surrounded by an insulating material having a low thermal conductivity, so that the effective thermal conductivity of the thermoelectric conversion material can be lowered. It shows that the ZT value of the thermoelectric conversion element can be improved if the thermoelectric conversion element is constituted by a wire array of conversion materials.
次に、熱電変換材料のマイクロワイヤー化を、室温付近で最高の熱電変換性能を誇るBiTe系材料に適用した場合について説明する。
図8には、通常のホットプレスで作製したバルク状のBiTe系多結晶体の各パラメータを示している。p型は(Bi,Sb)2Te3の組成を有し、n型はBi2(Te,Sb)3の組成を有している。
このBiTe系材料に対して、Biの場合と同様に、開孔率55%のガラスキャプラリープレートを用いてワイヤーアレイ化したときのマイクロワイヤーの熱伝導率kを図9に示している。
Next, a description will be given of the case where the micro-wire conversion of the thermoelectric conversion material is applied to a BiTe-based material that boasts the highest thermoelectric conversion performance near room temperature.
FIG. 8 shows parameters of a bulk BiTe-based polycrystal produced by a normal hot press. The p-type has a composition of (Bi, Sb) 2 Te 3 and the n-type has a composition of Bi 2 (Te, Sb) 3 .
FIG. 9 shows the thermal conductivity k of the microwire when this BiTe-based material is wire-arrayed using a glass capillary plate having a porosity of 55%, as in the case of Bi.
この値を基にBiTe系材料のワイヤーアレイから成る熱電変換素子の性能指数Z、及び、T=300KでのZTを計算すると、図10のようになる。即ち、ワイヤー直径を25μmに設定した場合は、ZT値として、バルク状態の1.5倍の1.26が実現でき、ワイヤー直径を10μmに設定した場合は、バルク状態の1.7倍の1.42が実現でき、また、ワイヤー直径を1μmに設定した場合は、バルク状態の1.9倍の1.62が実現できる。 Based on this value, the figure of merit Z of a thermoelectric conversion element composed of a wire array of BiTe-based material and ZT at T = 300K are calculated as shown in FIG. That is, when the wire diameter is set to 25 μm, the ZT value can be 1.26 that is 1.5 times that of the bulk state, and when the wire diameter is set to 10 μm, it is 1.7 times that of the bulk state. .42 can be realized, and when the wire diameter is set to 1 μm, 1.62 which is 1.9 times the bulk state can be realized.
また、熱電変換材料のマイクロワイヤーの熱伝導率kは、ガラスキャプラリープレートの開孔率にも関係する。図11(a)は、直径25μmの貫通孔の開孔率が70%、55%及び30%のガラスキャプラリープレートを用いてBiをワイヤーアレイ化したときのBiマイクロワイヤーの熱伝導率kを示し、図11(b)は、同様のガラスキャプラリープレートを用いてBiTe系材料をワイヤーアレイ化したときのBiTeマイクロワイヤーの熱伝導率kを示している。
図11から明らかなように、ガラスキャプラリープレートの開孔率を小さくするほど、マイクロワイヤーの実効的な熱伝導率kは低下する。
Further, the thermal conductivity k of the microwire of the thermoelectric conversion material is also related to the aperture ratio of the glass caprary plate. FIG. 11 (a) shows the thermal conductivity k of Bi microwires when Bi is wire-arrayed using glass caprary plates with a hole opening rate of 25% in diameter of 70%, 55% and 30%. FIG. 11 (b) shows the thermal conductivity k of BiTe microwires when BiTe-based materials are wire-arrayed using the same glass capillary plate.
As is clear from FIG. 11, the effective thermal conductivity k of the microwire decreases as the aperture ratio of the glass caprary plate decreases.
ただ、ガラスキャプラリープレートの開孔率を小さくすると、電気伝導に関わる材料部分が減少し、熱電変換素子としての出力密度が減少する。そのため、開孔率は、10%以上であることが望ましく、また、熱伝導率kの効果的な低減を実現する観点から90%以下であることが望ましい。実用上は、その両者を勘案して、開効率を50%付近に設定することが好ましい。 However, if the hole area ratio of the glass capillary plate is reduced, the material portion related to electrical conduction is reduced, and the output density as a thermoelectric conversion element is reduced. Therefore, the hole area ratio is desirably 10% or more, and desirably 90% or less from the viewpoint of realizing effective reduction of the thermal conductivity k. In practice, it is preferable to set the open efficiency around 50% in consideration of both.
また、ここでは、熱電変換材料のマイクロワイヤーを取り囲む絶縁材料として、熱伝導率が0.6(W/mK)の鉛ガラスを使用しているが、その他の熱伝導率が低い絶縁材料を使用することもできる。例えば、図12に示すように、高分子材料の熱伝導率は鉛ガラスよりも低いため、これらの高分子材料を用いて、熱電変換材料のマイクロワイヤーを取り囲むことにより、実効的な熱伝導率をさらに下げることができる。 Here, lead glass with a thermal conductivity of 0.6 (W / mK) is used as the insulating material surrounding the microwire of the thermoelectric conversion material, but other insulating materials with low thermal conductivity are used. You can also For example, as shown in FIG. 12, since the thermal conductivity of the polymer material is lower than that of lead glass, the effective thermal conductivity can be obtained by surrounding the microwire of the thermoelectric conversion material using these polymer materials. Can be further reduced.
なお、熱電変換材料としては、BiやBiTe系材料だけでなく、400℃程度の温度で効果的に機能する熱電変換材料や、低温で効果的に機能するBiSbなど、各種の材料が使用できる。
また、ここでは、縦・横・高さが2mm×2mm×2mmの熱電変換素子について説明したが、熱電変換素子の外形は、整形次第で任意の形状に設定できる。
As the thermoelectric conversion material, not only Bi and BiTe-based materials but also various materials such as a thermoelectric conversion material that functions effectively at a temperature of about 400 ° C. and BiSb that functions effectively at low temperatures can be used.
Although the thermoelectric conversion element having a length, width, and height of 2 mm × 2 mm × 2 mm has been described here, the outer shape of the thermoelectric conversion element can be set to an arbitrary shape depending on the shaping.
このように、この熱電変換素子は、直径がミクロン・オーダーである熱電変換材料のワイヤーを集積化したワイヤーアレイと、各ワイヤーの周囲を取り囲む熱伝導率の低い絶縁体とで構成しており、各ワイヤーの実効的な熱伝導率の低下により、熱電変換素子のZT値が向上する。
熱伝導率の低下は、単位体積当たりの熱出力を低下させるが、この熱電変換素子では、熱伝導率の低下により、熱電変換素子の両端により大きな温度差が齎されるため、結果的に熱出力が増大する。
また、熱電変換材料の各ワイヤーは、その周囲が絶縁体で取り囲まれているため、細線化されているにもかかわらず、途中で切れることが無い。
Thus, this thermoelectric conversion element is composed of a wire array in which wires of thermoelectric conversion materials having a diameter of the order of microns are integrated, and an insulator having low thermal conductivity surrounding each wire, The ZT value of the thermoelectric conversion element is improved due to the decrease in effective thermal conductivity of each wire.
The decrease in thermal conductivity decreases the heat output per unit volume. However, in this thermoelectric conversion element, a large temperature difference is caused at both ends of the thermoelectric conversion element due to the decrease in thermal conductivity. Will increase.
Moreover, since the circumference | surroundings of each wire of the thermoelectric conversion material are surrounded by the insulator, they are not cut off in the middle even though they are thinned.
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態では、第1の実施形態の熱電変換素子を製造する方法について説明する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment of the present invention, a method for manufacturing the thermoelectric conversion element of the first embodiment will be described.
(高圧を用いる方法)
まず、熱伝導率の低いガラスで成形された、ミクロン・オーダーの孔が空いた、図2に示すガラスキャピラリープレート21を予め用意する。次に、図13に示すように、反応炉32の中で熱電変換材料31を溶解し、その中にガラスキャピラリープレート21を沈める。次いで、溶解した熱電変換材料31にガスまたは液体を介して圧力を加え、溶解した熱電変換材料31をガラスキャピラリープレート21の孔23に圧入する。ガラスキャピラリープレート21の孔23の直径が100μmの場合は、1気圧以下の圧力で熱電変換材料31を孔23に圧入できるが、孔23の直径が小さくなると必要な圧力も大きくなる。直径1μmの場合は、全ての孔23に熱電変換材料31を圧入するために250気圧程度の圧力が必要となる。
(Method using high pressure)
First, a glass capillary plate 21 shown in FIG. 2 is prepared in advance, which is formed of glass with low thermal conductivity and has micron-order holes. Next, as shown in FIG. 13, the thermoelectric conversion material 31 is melted in the reaction furnace 32, and the glass capillary plate 21 is submerged therein. Next, pressure is applied to the dissolved thermoelectric conversion material 31 via gas or liquid, and the dissolved thermoelectric conversion material 31 is pressed into the holes 23 of the glass capillary plate 21. When the diameter of the hole 23 of the glass capillary plate 21 is 100 μm, the thermoelectric conversion material 31 can be pressed into the hole 23 at a pressure of 1 atm or less, but the necessary pressure increases as the diameter of the hole 23 decreases. In the case of a diameter of 1 μm, a pressure of about 250 atm is required to press-fit the thermoelectric conversion material 31 into all the holes 23.
図14(a)は、圧入処理が終了したガラスキャピラリープレートを中に含む熱電変換材料のインゴットを室温まで冷却して反応炉から取り出した状態を示しており、図14(b)は、このインゴットから切り出した、熱電変換材料のマイクロワイヤーが現れているガラスキャピラリープレートの断面を示している。
このインゴットから必要部分を切り出して研磨し、余分な熱電変換材料を除去して所要形状に整形することにより、図1に示すような外形を有し、図3に示すような電極接合面を有する熱電変換素子が得られる。図15は、熱電変換素子の電極接合面に現れた1つの直径25μmのワイヤーにおける端部を拡大して示している。
こうした方法で、通常の熱電変換装置に使用される、断面積が2mm四方、高さが1〜2.5mm程度の熱電変換素子を作成することができる。
FIG. 14A shows a state in which the ingot of the thermoelectric conversion material including the glass capillary plate that has been subjected to the press-fitting process is cooled to room temperature and taken out from the reactor. FIG. 14B shows the ingot. The cross section of the glass capillary plate which the micro wire of the thermoelectric conversion material which cut out from FIG.
A necessary portion is cut out from this ingot and polished, and excess thermoelectric conversion material is removed and shaped into a required shape, thereby having an outer shape as shown in FIG. 1 and an electrode joint surface as shown in FIG. A thermoelectric conversion element is obtained. FIG. 15 shows an enlarged end portion of one wire having a diameter of 25 μm that appears on the electrode joint surface of the thermoelectric conversion element.
By such a method, a thermoelectric conversion element having a cross-sectional area of 2 mm square and a height of about 1 to 2.5 mm, which is used for a normal thermoelectric conversion device, can be produced.
(粉末材料を用いる方法)
図2のガラスキャピラリープレート21を用意するとともに、このガラスキャピラリープレート21に形成された孔23の直径より十分小さい粒径の熱電変換材料の粉末を用意する。次いで、この粉末材料をガラスキャピラリープレート21の孔23に導入し、ホットプレス法により、ガラスキャピラリープレートの外部から高温・高圧を加えて、熱電変換材料をワイヤー化し、且つ、ガラスキャピラリープレートと一体化させる。このときの温度及び圧力は、ホットプレス法を用いた従来のバルク状素子の作成方法と同様に設定する。
得られた成形体から熱電変換材料のワイヤーアレイが形成された部分を切り出して研磨し、所要形状に整形して熱電変換素子を得る。
(Method using powder material)
The glass capillary plate 21 of FIG. 2 is prepared, and a powder of a thermoelectric conversion material having a particle diameter sufficiently smaller than the diameter of the hole 23 formed in the glass capillary plate 21 is prepared. Next, this powder material is introduced into the hole 23 of the glass capillary plate 21, and high temperature and high pressure are applied from the outside of the glass capillary plate by hot pressing to wire the thermoelectric conversion material and to integrate with the glass capillary plate. Let The temperature and pressure at this time are set in the same manner as in the conventional method for forming a bulk element using a hot press method.
A portion where the wire array of thermoelectric conversion material is formed is cut out from the obtained molded body, polished, and shaped into a required shape to obtain a thermoelectric conversion element.
(ワイヤーを束ねる方法)
高温処理できない高分子材料を用いて熱電変換材料のマイクロワイヤーを取り囲む場合は、熱電変換材料のマイクロワイヤーを予め作成し、そのマイクロワイヤーの束を高分子材料で固める。
そのために、所望の直径に見合う孔が空いた治具を用意し、この治具の片側に、溶解した熱電変換材料を配置し、液状の熱電変換材料を治具の孔から通して冷やすことによりワイヤー化する。このとき、孔を通すために、必要に応じて、溶解した熱電変換材料に圧力を加える。
こうして熱電変換材料のマイクロワイヤーが得られると、このマイクロワイヤーの束を液状化した高分子材料に浸し、次いで、高分子材料を固化して両者を複合化し、熱電変換素子を得る。
(How to bundle wires)
When surrounding the microwire of the thermoelectric conversion material using a polymer material that cannot be processed at a high temperature, the microwire of the thermoelectric conversion material is prepared in advance, and the bundle of microwires is solidified with the polymer material.
For that purpose, by preparing a jig with a hole corresponding to the desired diameter, placing the melted thermoelectric conversion material on one side of this jig, and cooling the liquid thermoelectric conversion material through the hole of the jig Turn into a wire. At this time, in order to pass through the holes, pressure is applied to the dissolved thermoelectric conversion material as necessary.
When the microwire of the thermoelectric conversion material is obtained in this manner, the bundle of microwires is immersed in a liquefied polymer material, and then the polymer material is solidified and combined to obtain a thermoelectric conversion element.
これらの方法で熱電変換素子を作成する場合、マイクロワイヤーの直径を0.1μmより小さくすると、細線化に非常に高い圧力が必要になり、製造が極めて困難になる。そのため、熱電変換素子のワイヤーアレイを構成する各ワイヤーの太さは、実用上、直径を0.1μm以上に設定することが望ましい。また、各ワイヤーの太さの上限は、実効的な熱伝導率を下げるために、直径を1mm以下に設定する必要がある。この場合、断面が12mm×12mmの熱電変換素子に直径1mmのワイヤーを約100本集積化すれば、開孔率(あるいは電極接合面での熱電変換材料の面積比率)を55%に維持できる。 When producing a thermoelectric conversion element by these methods, if the diameter of the microwire is smaller than 0.1 μm, a very high pressure is required for thinning, and the production becomes extremely difficult. Therefore, as for the thickness of each wire which comprises the wire array of a thermoelectric conversion element, it is desirable to set a diameter to 0.1 micrometer or more practically. In addition, the upper limit of the thickness of each wire needs to be set to a diameter of 1 mm or less in order to reduce the effective thermal conductivity. In this case, if about 100 wires having a diameter of 1 mm are integrated in a thermoelectric conversion element having a cross section of 12 mm × 12 mm, the hole area ratio (or the area ratio of the thermoelectric conversion material at the electrode bonding surface) can be maintained at 55%.
なお、マイクロワイヤーの断面は、円形に限る必要は無く、四角形、三角形などでも構わない。従って、ガラスキャピラリープレートの孔や治具の孔は、四角形や三角形でも良い。
熱電変換素子の外形は、整形の仕方でどのような形状にも変えられるが、高さ(図1のh)を1mm以上に設定した方が整形は容易である。
また、高分子素材を損なわない温度でワイヤーアレイ化が可能な熱電変換材料が存在する場合は、ガラスキャピラリープレートに代えて、アクリルやポリエチレンなどの高分子材料でキャピラリープレートを構成してもよい。
Note that the cross section of the microwire need not be limited to a circle, and may be a rectangle, a triangle, or the like. Therefore, the hole of the glass capillary plate or the hole of the jig may be a square or a triangle.
The outer shape of the thermoelectric conversion element can be changed to any shape depending on the shaping method, but shaping is easier if the height (h in FIG. 1) is set to 1 mm or more.
In addition, when there is a thermoelectric conversion material that can be formed into a wire array at a temperature that does not damage the polymer material, the capillary plate may be composed of a polymer material such as acrylic or polyethylene instead of the glass capillary plate.
本発明の熱電変換素子は、熱電変換性能の向上により、光通信用半導体レーザや高性能CPUの冷却用素子、廃熱発電素子、あるいは、超伝導応用機器などに広く利用することが可能である。 The thermoelectric conversion element of the present invention can be widely used for optical communication semiconductor lasers, high-performance CPU cooling elements, waste heat power generation elements, superconducting application devices, etc. by improving thermoelectric conversion performance. .
10 熱電変換装置
11 P型半導体
12 N型半導体
13 下側金属電極
14 上側金属電極
15 放熱基板
16 吸熱基板
17 リード線
20 熱電変換素子
21 ガラスキャプラリープレート
22 Biマイクロワイヤー
23 貫通孔
31 熱電変換材料
32 反応炉
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Thermoelectric conversion apparatus 11 P-type semiconductor 12 N-type semiconductor 13 Lower metal electrode 14 Upper metal electrode 15 Heat dissipation board 16 Endothermic board 17 Lead wire 20 Thermoelectric conversion element 21 Glass capry plate 22 Bi microwire 23 Through-hole 31 Thermoelectric conversion material 32 reactor
Claims (6)
A linear body of a thermoelectric conversion material having a diameter corresponding to a diameter of 0.1 μm to 1 mm is formed, and a plurality of the linear bodies are combined with a polymer material having a lower thermal conductivity than the thermoelectric conversion material. The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by the above-mentioned.
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