JP2009170438A - Manufacturing method of thermoelectric conversion unit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an efficient manufacturing method of a thermoelectric conversion unit as an assembly of a number of thermoelectric conversion devices, capable of collecting power in practical manner. <P>SOLUTION: The manufacturing method of a thermoelectric conversion unit includes a raw material filling process for alternately filling a p-type semiconductor raw material and an n-type semiconductor raw material into each through-hole of a honeycomb, made of a non-metal inorganic material; a semiconductor formation process for forming a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in each through-hole of the honeycomb by sintering the p-type semiconductor raw material and the n-type semiconductor raw material filled into the honeycomb; and an electrode junction process for jointing the p-type semiconductor to the n-type semiconductor, formed in the through-hole of the honeycomb by an electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、発電装置としての熱電変換装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric conversion device as a power generation device.

p型半導体の一端とn型半導体の一端とを電極により接合し、この接合部を高温にして、p型半導体及びn型半導体の他端を低温にすると、高温部と低温部の温度差に応じてp型半導体及びn型半導体の端部の間に起電力が発生する。このp型半導体及びn型半導体の端部の間に発生した起電力を熱起電力と呼び、このような効果はゼーベック効果といわれている。なお、p型半導体の一端とn型半導体の一端とを電極により接合し、p型半導体とn型半導体の他端から電流を流すと、逆に半導体の両端に温度差が生じる現象はペルチェ効果といわれており、これらの効果を持つ素子を合わせて熱電変換素子と呼んでいる。ゼーベック効果は、熱電変換素子の接合部を高温にしたり低温にしたりすることで電流の方向は逆になる。また、温度差が大きくなるほど大きな起電力が得られることが知られている。   When one end of the p-type semiconductor and one end of the n-type semiconductor are joined by an electrode, and this junction is heated to a high temperature and the other ends of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor are cooled, the temperature difference between the high-temperature portion and the low-temperature portion is increased. Accordingly, an electromotive force is generated between the end portions of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor. An electromotive force generated between the end portions of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor is called a thermoelectromotive force, and such an effect is called a Seebeck effect. Note that when one end of a p-type semiconductor and one end of an n-type semiconductor are joined by an electrode, and a current is passed from the other end of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor, a temperature difference occurs at both ends of the semiconductor. It is said that the elements having these effects are collectively referred to as a thermoelectric conversion element. The Seebeck effect reverses the direction of the current by increasing or decreasing the temperature of the junction of the thermoelectric conversion element. It is also known that a larger electromotive force can be obtained as the temperature difference increases.

熱電変換素子ひとつ一つの起電力はそれほど大きくはないが、このような熱電変換素子を多数組み合わせた熱電変換モジュールは、振動、騒音、磨耗等を生じる可動部分がなく、構造が簡単で信頼性が高く、長寿命で保守が容易であるという特徴をもった静的な熱電変換装置である。このような熱電変換モジュールは、熱電変換素子を複数、通常は数十個以上備えており、個々の熱電変換素子は電気的に直列に接合し、熱的には並列に配置した構成を採っている。このような構成の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の両端に設定した温度差に依存して起動力を取り出すゼーベック効果を利用した熱電発電装置や、熱電変換モジュールの両端に印加した電圧に依存して温度差を生じさせることにより、一端を冷却したり加熱したりするペルチェ効果を利用した熱電温度調節装置としても使用されている。   Although the electromotive force of each thermoelectric conversion element is not so large, a thermoelectric conversion module that combines many such thermoelectric conversion elements has no moving parts that generate vibration, noise, wear, etc., and has a simple structure and high reliability. It is a static thermoelectric conversion device that has the characteristics of being high, long-life and easy to maintain. Such a thermoelectric conversion module has a plurality of thermoelectric conversion elements, usually several tens or more, and each thermoelectric conversion element is electrically connected in series and thermally arranged in parallel. Yes. The thermoelectric conversion module having such a configuration depends on a thermoelectric power generation device using the Seebeck effect that extracts the starting force depending on the temperature difference set at both ends of the thermoelectric conversion element, or on the voltage applied to both ends of the thermoelectric conversion module. Therefore, it is also used as a thermoelectric temperature control device using the Peltier effect that cools or heats one end by generating a temperature difference.

熱電変換材料は、ゼーベック効果により熱を電気に直接変換したり、これとは逆にペルチェ効果により電気を熱(加熱・冷却)に利用したりできる材料であるが、熱電変換材料は、従来から知られている温度計測用の熱電対の材料、例えばアルメル/クロメル、白金/白金ロジウムなどの合金や金属の組み合わせでもよい。しかし、小型で大きな起電力や熱出力を必要とする場合は、p型半導体とn型半導体の組み合わせが利用されている。半導体を用いた熱電変換モジュールは、精密な温度制御ができる、局部的冷却ができる、静かである、フロン規制を受けない、長寿命で信頼性が高い、メインテナンス不要などの利点があり、光通信用レーザーダイオードの温度制御等に利用されてきている。   Thermoelectric conversion materials are materials that can directly convert heat into electricity by the Seebeck effect, and conversely, can use electricity for heat (heating / cooling) by the Peltier effect. A known thermocouple material for temperature measurement may be a combination of an alloy or metal such as alumel / chromel, platinum / platinum rhodium. However, a combination of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor is used when a small size and a large electromotive force or heat output are required. Thermoelectric conversion modules using semiconductors have advantages such as precise temperature control, local cooling, quietness, no chlorofluorocarbon regulations, long life, high reliability, and no maintenance required. It has been used for temperature control of laser diodes.

一方、近年、地球温暖化問題として、COの大幅な排出抑制が求められているが、産業、民生、運輸分野における未利用の熱エネルギーを有効活用することは、省エネルギー、CO削減に大きく寄与するものとなるため、熱エネルギーを直接、電気エネルギーに変換できる熱発電モジュールの開発が行われるようになってきた。例えば、自動車のエンジンは、30%弱しか燃焼エネルギーを動力として利用しておらず、残りのほとんどは排気ガスとともに排出している。このような分野に効率的な熱電変換装置が開発されれば、大幅な省エネルギー効果、CO排出抑制効果が期待できる。自動車用熱電変換装置としては、小型軽量であることは勿論、強度、耐振動性、形状柔軟性、耐久性、使用温度範囲の幅広さ、メンテナンスフリー、環境負荷の小ささなどが求められる。特に、耐振動性や形状柔軟性は、他の用途とは異なった要求性能である。 On the other hand, in recent years, as a global warming problem, there has been a demand for significant suppression of CO 2 emissions. However, effective use of unused thermal energy in the industrial, consumer, and transportation fields greatly contributes to energy saving and CO 2 reduction. In order to contribute, thermoelectric power generation modules that can directly convert thermal energy into electrical energy have been developed. For example, an automobile engine uses only about 30% of combustion energy as power, and most of the remainder is discharged together with exhaust gas. If an efficient thermoelectric conversion device is developed in such a field, a significant energy saving effect and a CO 2 emission suppressing effect can be expected. As a thermoelectric conversion device for an automobile, it is required to have strength, vibration resistance, shape flexibility, durability, wide operating temperature range, maintenance-free, and low environmental load as well as being small and light. In particular, vibration resistance and shape flexibility are required performances different from those of other applications.

例えば、図3には、2つの結合された熱電変換素子の断面図が示してあるが、p型半導体12とn型半導体13を上部の電極14で結合し、反対側の下部では電極18で結合している。電極14及び電極18は、同じ半導体同士を結合するのではなく、例えば、p型半導体12とn型半導体13とが直列に結合されるように、図の左側から上部でp型半導体12からn型半導体13へ、次に下部でn型半導体13からp型半導体12へ、さらに上部でp型半導体13からn型半導体12へと順次結合されて電流が左上から右下へと流れていくようになっている。このようにして、144個の熱電変換素子がモジュール化された熱電変換モジュール11の平面図を図2に示した。図2においては、例えばp型半導体12とn型半導体13とがそれぞれ電極14により結合されて一組の熱電変換素子を形成しているが、熱電変換素子の反対側(図には現れていない下側)では、隣り合う熱電変換素子のp型半導体12とn型半導体13とがそれぞれ電極により結合されて一組の熱電変換素子を形成している。すなわち、p型半導体12とn型半導体13とは、電極により交互に直列に結合されている。この熱電変換モジュール11の両側(図3で示せば、上と下)に温度差を付けてやれば、両端の半導体の端部には、個々の熱電変換素子の性能、結合されている熱電変換素子の数、熱電変換モジュール11の両側にかけられた温度差により所定の起電力が発生する。   For example, FIG. 3 shows a cross-sectional view of two coupled thermoelectric conversion elements. A p-type semiconductor 12 and an n-type semiconductor 13 are coupled by an upper electrode 14, and an electrode 18 is coupled at the lower part on the opposite side. Are connected. The electrode 14 and the electrode 18 do not couple the same semiconductors, but, for example, the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 are coupled to each other in series from the left side to the top so that the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 are coupled in series. The current is flown from the upper left to the lower right by sequentially coupling to the n-type semiconductor 13, then from the n-type semiconductor 13 to the p-type semiconductor 12 at the lower part, and further from the p-type semiconductor 13 to the n-type semiconductor 12 at the upper part. It has become. A plan view of the thermoelectric conversion module 11 in which 144 thermoelectric conversion elements are modularized in this manner is shown in FIG. In FIG. 2, for example, a p-type semiconductor 12 and an n-type semiconductor 13 are combined by electrodes 14 to form a set of thermoelectric conversion elements, but the opposite side of the thermoelectric conversion elements (not shown in the figure) On the lower side, the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 of the adjacent thermoelectric conversion elements are coupled together by electrodes to form a set of thermoelectric conversion elements. That is, the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 are alternately coupled in series by the electrodes. If a temperature difference is given to both sides of the thermoelectric conversion module 11 (upper and lower in FIG. 3), the performance of the individual thermoelectric conversion elements, the performance of the thermoelectric conversion elements connected to the ends of the semiconductors at both ends are provided. The predetermined electromotive force is generated due to the temperature difference applied to both sides of the thermoelectric conversion module 11.

熱電変換素子用の半導体としては、Bi/Te系、Se/Te系、Cs/Bi/Te系、Pb/Te系、Pb/Se/Te系、Zn/Sb系、Co/Sb系、Ce/Fe/Co/Sb系、及びSi/Ge系などの半導体が知られている。例えば、常温から200℃程度の低温域で使用される熱電変換材料としては、1954年に米国のGE社のGoldsmidによって見出されたBiTe系熱電変換材料が一般的に知られている。熱電変換材料は一般的に適用温度範囲が狭いものが多い。そのため、BiTe系熱電変換材料の場合、200℃以下の低温域では単層のモジュールで十分であるが、200℃を超える中高温域では、適用温度範囲の異なる熱電変換材料を組み合わせて2層から3層として、高効率の熱発電モジュールを得ようとする研究がなされている。また、中高温域で特性の優れた性能を示す材料が開発されてきている。そのひとつがZnSb材であり、200から400℃の中温度域で高い熱電変換性能を示すp型半導体の熱電材料である。一方、CoSbをベースとした熱電変換材料も300から700℃という中高温域で高い性能を有するp型半導体及びn型半導体となり得る。 Semiconductors for thermoelectric conversion elements include Bi / Te, Se / Te, Cs / Bi / Te, Pb / Te, Pb / Se / Te, Zn / Sb, Co / Sb, Ce / Semiconductors such as Fe / Co / Sb and Si / Ge are known. For example, as a thermoelectric conversion material used in a low temperature range from room temperature to about 200 ° C., a BiTe-based thermoelectric conversion material discovered by Goldsmid of GE Corporation in the United States in 1954 is generally known. In general, many thermoelectric conversion materials have a narrow application temperature range. Therefore, in the case of a BiTe-based thermoelectric conversion material, a single-layer module is sufficient in a low temperature range of 200 ° C. or lower, but in a medium / high temperature range exceeding 200 ° C., a combination of thermoelectric conversion materials having different application temperature ranges can be combined. Research has been conducted to obtain a highly efficient thermoelectric module as three layers. In addition, materials that exhibit excellent performance in the middle and high temperature range have been developed. One of them is a Zn 4 Sb 3 material, which is a p-type semiconductor thermoelectric material exhibiting high thermoelectric conversion performance in a medium temperature range of 200 to 400 ° C. On the other hand, a thermoelectric conversion material based on CoSb can also be a p-type semiconductor and an n-type semiconductor having high performance in a medium to high temperature range of 300 to 700 ° C.

しかし、これらの半導体は有害金属を含むものが多く、製造上も使用上も注意が必要である。最近、環境問題をクリアーしやすい熱電変換材料として金属酸化物系の半導体が注目されている。例えば、InO−SnO系、(Ca,Bi)MnO系、(Zn,Al)O系、Na(Co,Cu)O系、及びNaCo系などの半導体熱電変換材料が開発されており実用的である。 However, many of these semiconductors contain harmful metals, and care must be taken in manufacturing and use. Recently, metal oxide-based semiconductors have attracted attention as thermoelectric conversion materials that can easily solve environmental problems. For example, semiconductor thermoelectric conversion materials such as InO 2 —SnO 2 , (Ca, Bi) MnO 3 , (Zn, Al) O, Na (Co, Cu) O 4 , and NaCo 2 O 4 are developed. It is practical.

一般に、熱電変換モジュールは、数十個以上、ときには数百個以上の微小な半導体素子から構成されているが、それぞれの半導体同士は離間しており、スケルトン構造になっている。しかし、図2に示すように、微細な半導体素子を所望の配置パターンにしたがって正確に並べ、両端に電極を形成することは、製造上の煩雑さを伴うことになる。また完成されたモジュールの機械的強度が弱いという問題もあった。これらの問題を解決するための熱電変換モジュールの構造、あるいは製造方法に関していくつかの報告がなされている。   In general, a thermoelectric conversion module is composed of several tens or more, sometimes hundreds or more, of minute semiconductor elements, but the semiconductors are separated from each other and have a skeleton structure. However, as shown in FIG. 2, accurately arranging fine semiconductor elements in accordance with a desired arrangement pattern and forming electrodes on both ends is complicated in manufacturing. Another problem is that the completed module has low mechanical strength. Several reports have been made on the structure of a thermoelectric conversion module or a manufacturing method for solving these problems.

例えば、耐熱性多孔絶縁体にp型半導体素子およびn型半導体素子を配置した熱電変換モジュール(特許文献1)や素子収納孔が形成された成型基板に、p型およびn型半導体素子を収納した熱電変換モジュール(特許文献2)がある。このような構成の熱電変換モジュールでは、p型およびn型半導体素子を配設するための治具を使用せず、貫通孔が形成された絶縁体に、半導体素子を配設するため、組立作業性が改良され、半導体素子間の絶縁性が向上し、熱電変換モジュールの機械的強度が増加する特徴がある。   For example, the p-type and n-type semiconductor elements are accommodated in a thermoelectric conversion module (Patent Document 1) in which a p-type semiconductor element and an n-type semiconductor element are arranged in a heat-resistant porous insulator or a molded substrate in which element accommodation holes are formed. There is a thermoelectric conversion module (Patent Document 2). The thermoelectric conversion module having such a configuration does not use a jig for disposing the p-type and n-type semiconductor elements, and disposes the semiconductor elements on the insulator in which the through holes are formed. Characteristics are improved, the insulation between the semiconductor elements is improved, and the mechanical strength of the thermoelectric conversion module is increased.

また、半導体素子間の隙間を絶縁性の物質で埋め込んだ構成の熱電変換モジュールが提案されている。具体的には、所望の配置に設置した一対以上のp型半導体素子およびn型半導体素子対を、絶縁性物質で埋め込んだ構成の熱電変換モジュール(特許文献3)や、複数のp型半導体層およびn型半導体層を積層し、p−n接合部を残して空隙を形成し、この空隙をガラス質で満たす構成の熱電変換モジュール(特許文献4)がある。また、絶縁性のハニカム構造体にアルカリ金属珪酸塩系無機接着剤又はゾルゲルガラスよりなる絶縁性充填剤を介して挿入した半導体熱電素子からなる構成の熱電変換モジュール(特許文献5)がある。さらに、熱電変換モジュール用の型枠としてコージェライト型枠を用い、コージェライトの気孔率を調整することにより熱伝導率を調整し、信頼性の高い熱電変換モジュール(特許文献6)を得ている。これらの熱電変換モジュールは、半導体素子間の空隙が絶縁性の物質で満たされるため、熱電変換モジュールの機械的強度が向上する特徴や、半導体素子の耐酸化性や耐食性が向上する特徴がある。その他にも、熱電変換モジュールの型枠としては、特許文献7に示されるように、B−PbOの低融点ガラスを成形して用いるもの、特許文献8に示されるように、珪酸カルシウムを機械加工して用いるもの、また、特許文献9に示されるように、石英ガラスを井桁状に組むもの等が知られている。 In addition, a thermoelectric conversion module having a configuration in which a gap between semiconductor elements is filled with an insulating material has been proposed. Specifically, a thermoelectric conversion module (Patent Document 3) having a configuration in which a pair of p-type semiconductor elements and n-type semiconductor element pairs installed in a desired arrangement are embedded with an insulating material, or a plurality of p-type semiconductor layers In addition, there is a thermoelectric conversion module (Patent Document 4) configured to stack an n-type semiconductor layer, leave a pn junction, form a void, and fill the void with glassy material. In addition, there is a thermoelectric conversion module (Patent Document 5) configured by a semiconductor thermoelectric element inserted into an insulating honeycomb structure through an insulating filler made of an alkali metal silicate-based inorganic adhesive or sol-gel glass. Furthermore, a cordierite mold is used as a mold for the thermoelectric conversion module, and the thermal conductivity is adjusted by adjusting the porosity of the cordierite, thereby obtaining a highly reliable thermoelectric conversion module (Patent Document 6). . These thermoelectric conversion modules are characterized in that the mechanical strength of the thermoelectric conversion module is improved and the oxidation resistance and corrosion resistance of the semiconductor element are improved because the gap between the semiconductor elements is filled with an insulating material. In addition, as a form of a thermoelectric conversion module, as shown in Patent Document 7, a low melting point glass of B 2 O 3 —PbO is used, and as shown in Patent Document 8, calcium silicate is used. Are used by machining, and as disclosed in Patent Document 9, quartz glass is assembled in a cross-beam shape.

熱電変換素子を製造する従来の方法には、結晶成長法、冷間プレスによる常圧粉末焼結法及びホットプレス法等の熱間加圧焼結法などが知られている。一般的に、熱電変換素子の性能としては結晶成長法の方が冷間プレスによる粉末焼結法又はホットプレス法に比べて良いと言われている。しかし、結晶成長法は、製造に長い時間を要し、結晶の異方性があり、劈開性を有するため機械的強度が低く素子の歩留りが悪いため製造コストが高いのが欠点である。冷間プレスによる粉末焼結法は、原料粉末を型に入れてプレス成型した後に熱処理を行う方法であり、素子の機械的強度が高くなり歩留りも良くなるが、プレスを行うには、粉体にした原料を再度適当なサイズに造粒したり微粉末を除去したりする必要がある。また、不純物により熱電変換素子の特性が低下し易く、これらを除去する必要があり、原料の管理が重要となる。ホットプレス法は、冷間プレスによる粉末焼結法に対し一段階で焼結できるが、原料粉末を直接加圧すると同時に加熱することにより焼結するため、焼結密度を高くするには非常に高圧・高温の条件が必要となり、長い焼結時間はあまり短縮できない。また、原料粉末の適切な純度管理が必要である。   As conventional methods for producing a thermoelectric conversion element, there are known a crystal growth method, a hot pressure sintering method such as a normal pressure powder sintering method using a cold press and a hot press method. In general, it is said that the crystal growth method is better than the powder sintering method by cold pressing or the hot pressing method as the performance of the thermoelectric conversion element. However, the crystal growth method has a drawback in that it takes a long time to manufacture, has crystal anisotropy, and has cleavage properties, so that the mechanical strength is low and the device yield is low, so that the manufacturing cost is high. The powder sintering method by cold pressing is a method in which raw material powder is put into a mold and press-molded, and then heat treatment is performed, and the mechanical strength of the element is increased and the yield is improved. It is necessary to granulate the prepared raw material again to an appropriate size or to remove fine powder. Moreover, the characteristics of the thermoelectric conversion element are liable to deteriorate due to impurities, and it is necessary to remove these, and management of raw materials becomes important. The hot press method can sinter in one step as compared with the powder sintering method by cold pressing, but since the raw powder is sintered by directly pressing and heating at the same time, it is very difficult to increase the sintering density. High pressure and high temperature conditions are required, and long sintering times cannot be shortened much. In addition, appropriate purity control of the raw material powder is necessary.

最近、放電プラズマ焼結法と言われる焼結方法が開発されている。この放電プラズマ焼結法は、ホットプレス法と同じように原料粉末を加圧下で焼結するのであるが、通常の外部加熱によるのではなく、原料粉末の両端に高電圧を印加して原料粉末間に放電プラズマを発生させて、その熱を利用して原料粉末を焼結するものである。この焼結方法は、焼結温度を低下させることと焼結時間を短縮できることが特徴である。   Recently, a sintering method called a discharge plasma sintering method has been developed. In this discharge plasma sintering method, the raw material powder is sintered under pressure in the same way as the hot press method. However, instead of using normal external heating, a high voltage is applied to both ends of the raw material powder to form the raw material powder. In the meantime, discharge plasma is generated, and the raw material powder is sintered using the heat. This sintering method is characterized in that the sintering temperature can be lowered and the sintering time can be shortened.

放電プラズマ焼結法を利用した熱電変換素子の製造方法として、特許文献10、11が挙げられる。特許文献10においては、半導体熱電変換素子と電極とを同時に放電プラズマ焼結法により形成している。低温での焼結が可能なため、異種材料を好適に接合しながら焼結できることを特徴としている。また、特許文献11においては、p型及びn型の酸化物系半導体材料を層状に配置して、放電プラズマ焼結法により一度にp型及びn型の酸化物系半導体材を接合した熱電変換素子を製造している。   Patent documents 10 and 11 are mentioned as a manufacturing method of a thermoelectric conversion element using a discharge plasma sintering method. In Patent Document 10, a semiconductor thermoelectric conversion element and an electrode are simultaneously formed by a discharge plasma sintering method. Since sintering at a low temperature is possible, it is characterized by being able to sinter while dissimilar materials are suitably joined. In Patent Document 11, p-type and n-type oxide semiconductor materials are arranged in layers, and p-type and n-type oxide semiconductor materials are joined at once by a discharge plasma sintering method. The device is manufactured.

一方、熱電変換モジュールに用いる電極材料としては、AlやCu等の金属材料が用いられているが、これらの電極材料は、熱電変換素子に溶射法またはろう付法等で接合されている。特に、溶射法で電極を形成する場合、熱電変換素子は型枠材に挿入してから溶射を行う必要がある。これは、型枠がないと、p型半導体素子とn型半導体素子間を接合できないこと、また、熱電変換素子の側面に溶射材料が付くことで、熱電変換素子上下面で電気的・熱的に導通を起こしてしまい、発電特性が低下してしまうからである。
特開平5−283753号公報 特開平7−162039号公報 特開平8−18109号公報 特開昭61−263176号公報 特開平10−321921号公報 特開2005−129765号公報 特開平8−153899号公報 特開平11−340526号公報 特開2003−234516号公報 特開平5−55640号公報 特開2002−118300号公報
On the other hand, metal materials such as Al and Cu are used as the electrode material used for the thermoelectric conversion module. These electrode materials are joined to the thermoelectric conversion element by a thermal spraying method or a brazing method. In particular, when an electrode is formed by a thermal spraying method, the thermoelectric conversion element needs to be sprayed after being inserted into a mold material. This is because the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element cannot be joined without a formwork, and a thermal spray material is attached to the side surface of the thermoelectric conversion element, so that the electric and thermal surfaces of the thermoelectric conversion element are electrically and thermally This is because the power generation characteristics are deteriorated.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-283753 JP-A-7-162039 JP-A-8-18109 JP 61-263176 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-321921 JP 2005-129765 A JP-A-8-153899 JP 11-340526 A JP 2003-234516 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-55640 JP 2002-118300 A

上述のように、各種の熱電変換装置が報告されているが、自動車搭載用の熱電変換装置のように、常温から1000℃程度まで使用でき、振動にも強く、ある程度の強度を持ち、環境にも影響の少ない、製造が容易な電力回収用の熱電変換装置としては、セラミックス材料からなる型枠中に酸化物系の半導体を納めた熱電変換装置が考えられる。しかし、熱電変換素子としての半導体、複数の熱電変換素子を配置するための型枠、熱電変換素子を結合する電極など、個々の要素技術についての報告はあるが、装置全体としてバランスのよい性能を持ちながら、実用的に電力を回収できる多数の熱電変換素子の集合としての熱電変換装置を、効率的に大量生産する方法はまだ報告されていない。特許文献10、11に記載された熱電変換素子の製造方法にしても、個々の熱電変換素子を製造して、これらを所定の数だけ配置して実用的な熱電変換装置とせねばならない。   As described above, various thermoelectric conversion devices have been reported, but they can be used from room temperature to about 1000 ° C., are resistant to vibration, have a certain level of strength, and are suitable for the environment, as are thermoelectric conversion devices mounted on automobiles. As a thermoelectric conversion device for recovering electric power that has a small influence and is easy to manufacture, a thermoelectric conversion device in which an oxide-based semiconductor is placed in a mold made of a ceramic material can be considered. However, although there are reports on individual element technologies such as semiconductors as thermoelectric conversion elements, molds for arranging multiple thermoelectric conversion elements, and electrodes to connect thermoelectric conversion elements, the overall performance of the device is well balanced. A method for efficiently mass-producing a thermoelectric conversion device as a set of a large number of thermoelectric conversion elements capable of practically recovering electric power while having it has not been reported yet. Even in the method for manufacturing thermoelectric conversion elements described in Patent Documents 10 and 11, individual thermoelectric conversion elements must be manufactured and a predetermined number of them must be arranged to form a practical thermoelectric conversion device.

本発明においては、上述の課題に鑑み、実用的に電力を回収できる多数の熱電変換素子の集合としての熱電変換装置の効率的な製造方法を提供することを目的としている。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide an efficient manufacturing method of a thermoelectric conversion device as a set of a large number of thermoelectric conversion elements that can practically recover electric power.

本発明の課題を解決するための手段を以下に記す。
本発明は、非金属無機材料からなるからなるハニカムのそれぞれの貫通孔に、p型半導体原料及びn型半導体原料を交互に充填する原料充填工程と、
前記ハニカムに充填されたp型半導体原料及びn型半導体原料を焼結して、ハニカムのそれぞれの貫通孔にp型半導体とn型半導体とを形成する半導体形成工程と、
前記ハニカムの貫通孔に形成されたp型半導体とn型半導体とを電極により接合する電極接合工程とを有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法である。
Means for solving the problems of the present invention will be described below.
The present invention includes a raw material filling step of alternately filling a p-type semiconductor raw material and an n-type semiconductor raw material into each through-hole of a honeycomb made of a nonmetallic inorganic material,
A semiconductor forming step of sintering the p-type semiconductor raw material and the n-type semiconductor raw material filled in the honeycomb to form a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in each through-hole of the honeycomb;
A method for manufacturing a thermoelectric conversion device, comprising: an electrode bonding step of bonding a p-type semiconductor and an n-type semiconductor formed in the through-hole of the honeycomb with electrodes.

好ましい本発明は、前記半導体形成工程が、ハニカムに充填されたp型半導体原料及びn型半導体原料を加圧しながら、電圧を印加して放電プラズマを発生させて焼結することを特徴とする前記熱電変換装置の製造方法を含む。   Preferably, the present invention is characterized in that the semiconductor forming step generates a discharge plasma by applying voltage while applying pressure to the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material filled in the honeycomb, and then sinters. A method for manufacturing a thermoelectric conversion device is included.

好ましい本発明は、前記非金属無機材料がセラミックス前駆体であり、前記半導体形成工程においてハニカムとp型半導体原料とn型半導体原料とを焼結することを特徴とする前記熱電変換装置の製造方法を含む。   In a preferred aspect of the present invention, the non-metallic inorganic material is a ceramic precursor, and the honeycomb, the p-type semiconductor raw material, and the n-type semiconductor raw material are sintered in the semiconductor forming step. including.

好ましい本発明は、前記非金属無機材料がセラミックスであり、前記半導体形成工程においてp型半導体原料とn型半導体原料のみを焼結することを特徴とする前記熱電変換装置の製造方法を含む。   In a preferred embodiment of the present invention, the non-metallic inorganic material is ceramic, and only the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material are sintered in the semiconductor formation step.

好ましい本発明は、p型半導体原料及びn型半導体原料のうち少なくともいずれか一つを、粉体として貫通孔に充填し、あるいはスラリー又はペーストとして貫通孔に充填して乾燥させた後に、焼結することを特徴とする前記熱電変換装置の製造方法を含む。   In the present invention, at least one of the p-type semiconductor raw material and the n-type semiconductor raw material is filled in the through hole as powder, or filled in the through hole as slurry or paste and dried, and then sintered. The manufacturing method of the said thermoelectric conversion apparatus characterized by doing is included.

本発明によれば、電力回収用の熱電変換装置の大量生産に適した製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method suitable for mass production of the thermoelectric conversion apparatus for electric power collection | recovery can be provided.

本発明の熱電変換装置の製造方法において、好適に製造される発電用の熱電変換装置の構成について簡単に説明する。通常、発電用の熱電変換装置においては、大きな起電力を得るため300℃程度の温度差を必要とする。そのため、熱電変換素子の低温側を常温としても、高温側は300℃以上の高温に曝されることになる。このような環境下では、耐熱性の材料が必要であり、型枠としてセラミックス製のハニカムを用いて、このハニカムの各貫通孔(ハニカムの各貫通孔をセルともいう。)にp型半導体又はn型半導体が配置することが好ましい。隣り合うp型半導体の端部とn型半導体の端部とは、それぞれ直列又は並列に連結されるように電気的に結合されている。このため、それぞれの半導体素子は、高温側端部と低温側端部では異なった半導体素子の端部と接続されている。すなわち、図3に模式的に示した2つの熱電変換素子を直列に連結した断面図の例のように、p型半導体12の端部とn型半導体13の端部とが高温側電極14と低温側電極18によって交互に連結されている。   In the method for manufacturing a thermoelectric conversion device of the present invention, the configuration of a thermoelectric conversion device for power generation that is suitably manufactured will be briefly described. Usually, a thermoelectric conversion device for power generation requires a temperature difference of about 300 ° C. in order to obtain a large electromotive force. Therefore, even if the low temperature side of the thermoelectric conversion element is set to normal temperature, the high temperature side is exposed to a high temperature of 300 ° C. or higher. Under such circumstances, a heat-resistant material is required, and a ceramic honeycomb is used as a mold, and each through-hole of the honeycomb (each through-hole of the honeycomb is also referred to as a cell) is a p-type semiconductor or An n-type semiconductor is preferably disposed. Adjacent p-type semiconductor end portions and n-type semiconductor end portions are electrically coupled so as to be connected in series or in parallel, respectively. For this reason, each semiconductor element is connected with the edge part of a different semiconductor element in the high temperature side edge part and the low temperature side edge part. That is, the end of the p-type semiconductor 12 and the end of the n-type semiconductor 13 are connected to the high-temperature side electrode 14 as in the example of the cross-sectional view in which two thermoelectric conversion elements schematically shown in FIG. The low temperature side electrodes 18 are alternately connected.

図2に発電用の熱電変換装置の形態例を平面図として示した。この形態の熱電変換装置11は、セラミックス製ハニカムのハニカム隔壁15間に形成された各セルの中にそれぞれp型半導体12とn型半導体13が交互に配置されており、p型半導体12とn型半導体13とが電極14により結合されて熱電変換装置11を形成している。ハニカムにおいて、各セルは所望の断面形状や断面積とすればよい。図2では、p型半導体12には正方形に近い八角形、n型半導体13には正方形のセルが形成されている。この形態例の熱電変換装置11では、ハニカムは289個(17×17)のセルを有している。そして、熱電変換素子が144個(横8.5個×縦17段=144.5個)配置されている。通常は、このようなp型半導体12とn型半導体13を組み合わせた熱電変換素子が、数十個から数百個以上配置されて発電用の熱電変換装置が形成される。   FIG. 2 is a plan view showing an example of a thermoelectric conversion device for power generation. In the thermoelectric conversion device 11 of this embodiment, the p-type semiconductors 12 and the n-type semiconductors 13 are alternately arranged in the cells formed between the honeycomb partition walls 15 of the ceramic honeycomb. The thermoelectric conversion device 11 is formed by combining the mold semiconductor 13 with the electrode 14. In the honeycomb, each cell may have a desired cross-sectional shape and cross-sectional area. In FIG. 2, a p-type semiconductor 12 is formed with an octagonal shape close to a square, and a n-type semiconductor 13 is formed with a square cell. In the thermoelectric conversion device 11 of this embodiment, the honeycomb has 289 cells (17 × 17). And 144 thermoelectric conversion elements (8.5 horizontal × 17 vertical 17 = 144.5) are arranged. Usually, several tens to several hundreds of thermoelectric conversion elements that combine such p-type semiconductor 12 and n-type semiconductor 13 are arranged to form a thermoelectric conversion device for power generation.

上述のような、実用的な発電用熱電変換装置を前提にして、本発明の熱電変換装置の製造方法について説明する。まず多数のセルを有するハニカムの製造方法について説明する。セルの断面形状の組み合わせは、p型半導体用とn型半導体用の2種類の半導体の組み合わせに対応し、セラミックス製のハニカムの製造に適し、半導体が配置されて有効に機能する部分以外であるセル間のハニカム隔壁部分の割合が少ないことが望ましい。ハニカム隔壁15の厚さは、ハニカム全体の強度やセル間の電気絶縁性を考慮すると極端に薄い部分を作ることはできず、このような条件を満たすためには、強度や電気絶縁性を保ちうるできるだけ薄い厚さで隔壁をほぼ一定とすることが望まれる。ハニカム隔壁15の厚さを不均一にすれば、全体としては隔壁部分の割合を多くし、貫通孔であるセル部分の割合が少なくなる。すなわち、半導体素子を配置できる部分の割合が小さくなり、熱電変換装置として有効に利用できる部分が少なくなる。   The manufacturing method of the thermoelectric conversion device of the present invention will be described on the premise of a practical thermoelectric conversion device for power generation as described above. First, a method for manufacturing a honeycomb having a large number of cells will be described. The combination of cell cross-sectional shapes corresponds to the combination of two types of semiconductors for p-type semiconductors and n-type semiconductors, and is suitable for the production of ceramic honeycombs, and other than the part where the semiconductor is arranged and functions effectively It is desirable that the ratio of the honeycomb partition walls between the cells is small. In consideration of the strength of the whole honeycomb and the electrical insulation between cells, the thickness of the honeycomb partition wall 15 cannot be extremely thin. To satisfy such a condition, the strength and the electrical insulation are maintained. It is desirable to make the partition walls substantially constant with the smallest possible thickness. If the thickness of the honeycomb partition walls 15 is not uniform, the ratio of the partition walls as a whole is increased, and the ratio of the cell portions that are through holes is decreased. That is, the ratio of the part which can arrange | position a semiconductor element becomes small, and the part which can be utilized effectively as a thermoelectric conversion apparatus decreases.

本発明における熱電変換装置用のハニカムは、絶縁性の非金属無機材料であればよい。ハニカムは、ガラス、無機物結晶材料、非晶質材料等で製造してもよいが、好ましくはセラミックス製である。なお、最終的に熱電変換装置となる前のハニカムとしては、後述するセラミックス前駆体でもよい。セラミックス材料としては、酸化物セラミックス、窒化珪素、窒化アルミ、炭化珪素あるいはこれらのセラミックスからなる又はこれらのセラミックスを含む複合材料など強度、絶縁性と耐熱性のある材料であればよい。これらのセラミックス材料のうちでも、酸化物セラミックスが特に好ましい。酸化物セラミックスは、耐熱性、絶縁性、強度、熱伝導性、熱膨張性などの点から好適な材料である。熱伝導性、熱膨張性は、特に大きかったり、小さかったりするよりも、追って説明する熱電素子材料である半導体材料に近いことが好ましい。ハニカム材料の熱膨張性の値が熱電素子材料の値に近いと、熱電変換装置として温度差の大きい環境下に置かれたときに、熱電変換装置表面に平行な内部断面における温度が均一になりやすく、熱膨張による歪みも小さくすることができる。好ましい酸化物セラミックスとしては、アルミナ、シリカ、マグネシア、ムライト、コージェライト、チタン酸アルミニウム、チタニア、セリア等が挙げられる。これらの中でも、アルミナ、コージェライトは、特に強度、絶縁性、耐熱性のバランスがよく、好適なハニカム材料である。   The honeycomb for thermoelectric conversion devices in the present invention may be any insulating non-metallic inorganic material. The honeycomb may be made of glass, inorganic crystal material, amorphous material or the like, but is preferably made of ceramics. In addition, as a honeycomb before finally becoming a thermoelectric conversion device, a ceramic precursor described later may be used. The ceramic material may be a material having strength, insulating properties, and heat resistance, such as oxide ceramics, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, or a composite material made of or containing these ceramics. Of these ceramic materials, oxide ceramics are particularly preferable. Oxide ceramics are suitable materials in terms of heat resistance, insulation, strength, thermal conductivity, thermal expansion, and the like. The thermal conductivity and thermal expansibility are preferably close to those of a semiconductor material that is a thermoelectric element material to be described later, rather than being particularly large or small. If the thermal expansion value of the honeycomb material is close to the value of the thermoelectric element material, the temperature in the internal cross section parallel to the surface of the thermoelectric conversion device becomes uniform when the thermoelectric conversion device is placed in an environment with a large temperature difference. It is easy to reduce distortion due to thermal expansion. Preferred oxide ceramics include alumina, silica, magnesia, mullite, cordierite, aluminum titanate, titania, ceria and the like. Among these, alumina and cordierite are particularly suitable honeycomb materials with a good balance of strength, insulation and heat resistance.

このようなハニカム構造セラミックスは、従来から知られている方法で製造すればよい。例えば、原料粉末の粒度を調整してスラリー状にして成型、乾燥、脱脂などをしてハニカム構造のセラミックス前駆体を製造し、これを焼結すればよい。成型の際は、押し出し成形によりハニカム構造体を作製し、これを適当な長さに切断して乾燥、脱脂することが便利である。あるいは、粉末のまま加圧成型してハニカム構造体を製造して焼結してもよい。さらに、ホットプレスによりハニカム構造体を一段階で成形焼結することもできる。できあがったセラミックス製ハニカムは、焼結前に個々の熱電変換装置の大きさに対応する大きさとしてもよいが、一般に、発電用の熱電変換装置の大きさ数mm〜数十cm角で0.5mm〜数mmの板状であるので、所定の熱電変換装置の大きさに対応する大きさの整数倍として焼成して、焼結後に又は追って説明するそれぞれのセルに半導体素子を形成した後に熱電変換装置の大きさに切断してもよい。   Such honeycomb structure ceramics may be manufactured by a conventionally known method. For example, the ceramic powder precursor having a honeycomb structure may be manufactured by adjusting the particle size of the raw material powder to form a slurry, followed by molding, drying, degreasing, etc., and sintering this. At the time of molding, it is convenient to produce a honeycomb structure by extrusion molding, cut it into an appropriate length, and dry and degrease it. Alternatively, the honeycomb structure may be produced by pressure molding while being powdered and sintered. Furthermore, the honeycomb structure can be formed and sintered in one step by hot pressing. The resulting ceramic honeycomb may have a size corresponding to the size of each thermoelectric conversion device before sintering, but in general, the size of the thermoelectric conversion device for power generation is several millimeters to several tens of centimeters square. Since it has a plate shape of 5 mm to several mm, it is fired as an integral multiple of a size corresponding to the size of a predetermined thermoelectric conversion device, and after sintering or after forming a semiconductor element in each cell described later, the thermoelectric You may cut | disconnect to the magnitude | size of a converter.

本発明の熱電変換装置におけるセラミックス製のハニカムとしてコージェライトを例にその製造方法について説明する。コージェライト原料粉末は、主成分がAl,Si,Mgの酸化物で構成され、Al,Si,Mgをそれぞれ酸化物に換算し合計100%とした時、Alで10〜30%,SiOで40〜60%,MgOで10〜30%を含有する。また、CaO:0〜0.05%、NaO:0〜0.05%、KO:0〜0.05%、TiO:0〜1%、Fe:0〜1%、PbO:0〜1%、P:0〜0.2%等の不純物を含有してもよい。CaO、NaO、KO、TiO、Fe、PbO、P等の不可避的に混入する成分は全体で2.5%以下とすることが好ましい。焼成後のハニカムは殆どがコージェライトとなるが、ムライトやスピネルなどを含むこともあってもよい。 A manufacturing method of cordierite will be described as an example of the ceramic honeycomb in the thermoelectric conversion device of the present invention. The cordierite raw material powder is mainly composed of oxides of Al, Si, and Mg. When Al, Si, and Mg are converted into oxides to make a total of 100%, Al 2 O 3 is 10 to 30%, It contains 40 to 60% of SiO 2 and 10 to 30% of MgO. Further, CaO: 0~0.05%, Na 2 O: 0~0.05%, K 2 O: 0~0.05%, TiO 2: 0~1%, Fe 2 O 3: 0~1% , PbO: 0 to 1%, P 2 O 5 : 0 to 0.2%, etc. may be contained. Components inevitably mixed such as CaO, Na 2 O, K 2 O, TiO 2 , Fe 2 O 3 , PbO, P 2 O 5 are preferably 2.5% or less as a whole. Most of the honeycomb after firing becomes cordierite, but it may contain mullite, spinel and the like.

上述の原料を水、アルコール等の媒体中に成形助剤とともに投入し、ボールミル等により十分に混合粉砕してからスラリー状にして、押し出し成型法により柱状のハニカム構造体の生成形体を作製する。このハニカム構造体は、熱電変換装置と同じ大きさでもよいが、通常は、断面積も長さも熱電変換装置より大きな形状としておき、熱電変換装置の製造過程で切断しながら使用することが便利である。また、ハニカム構造体の各セルの形状は、通常、セルの断面形状は、正方形、正六角形、円形、正方形に近い長方形や八角形等とすればよい。また、p型半導体とn型半導体の断面積比は、所望の熱電変換モジュールのp型半導体及びn型半導体の性能から予定されるそれぞれの半導体の断面積に合わせて決定すればよい。例えば、p型半導体とn型半導体の断面積比を1:3〜3:1とすればよい。このハニカム構造体を乾燥、脱脂する。脱脂したハニカム構造体を、焼成後の熱電変換装置の厚さに相当する厚さに切断して薄い板状のハニカムとしてもよい。焼成は、1200〜1450℃で数時間〜数十時間で完了する。できあがったコージェライトハニカムにおいても、切断して薄い板状のハニカムとしてもよい。なお、切断は、後述の半導体材料挿入後、又は半導体材料焼成後とすることもできる。   The above-mentioned raw materials are introduced into a medium such as water or alcohol together with a molding aid, sufficiently mixed and pulverized by a ball mill or the like, and then formed into a slurry, and a columnar honeycomb structure is formed by an extrusion molding method. This honeycomb structure may be the same size as the thermoelectric conversion device, but it is usually convenient to use the honeycomb structure with a cross-sectional area and a length larger than those of the thermoelectric conversion device while cutting in the manufacturing process of the thermoelectric conversion device. is there. In addition, as for the shape of each cell of the honeycomb structure, the cross-sectional shape of the cell is usually a square, a regular hexagon, a circle, a rectangle close to a square, an octagon, or the like. The cross-sectional area ratio between the p-type semiconductor and the n-type semiconductor may be determined in accordance with the cross-sectional area of each semiconductor planned from the performance of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor of the desired thermoelectric conversion module. For example, the cross-sectional area ratio between the p-type semiconductor and the n-type semiconductor may be 1: 3 to 3: 1. The honeycomb structure is dried and degreased. The degreased honeycomb structure may be cut into a thickness corresponding to the thickness of the fired thermoelectric conversion device to form a thin plate-like honeycomb. Firing is completed at 1200 to 1450 ° C. for several hours to several tens of hours. The finished cordierite honeycomb may be cut into a thin plate-shaped honeycomb. Note that the cutting can be performed after inserting a semiconductor material, which will be described later, or after firing the semiconductor material.

次に、ハニカム中に半導体原料を充填する半導体原料充填工程と、ハニカムのセル中にp型半導体とn型半導体とを形成する半導体形成工程について説明する。上述のようにして作製した板状のハニカムのそれぞれのセルに所定の半導体材料を挿入する。半導体材料は、粉末、スラリー、ペーストなど、どのような形状でもよい。スラリーやペーストの場合は再度乾燥して溶媒を除去して、半導体材料を挿入した板状のハニカムを焼成して、各セル中に半導体が挿入されたコージェライトハニカムが得られる。焼成は、通常のコージェライト焼成条件と同じように、半導体の焼結温度に応じて900〜1400℃とすればよい。半導体の焼結に際しては、加圧しながら焼結することが、緻密で電気抵抗が小さく、熱電変換性能がよい半導体が形成しやすい等の利点がある。できあがった半導体形成ハニカムの表面を研磨して、焼成された半導体表面とハニカムの表面を平滑化する。ハニカムが所望の熱電変換装置より大きな形状の場合は、切断して熱電変換装置用ハニカムを切り出す。例えば、ハニカムの縦横それぞれが、熱電変換装置の3倍であれば、縦横それぞれを1/3ずつに切り出して合計9個の熱電変換装置用ハニカムを作製する。ハニカムの厚さが熱電変換装置用ハニカムの10倍であれば、10個に切断して熱電変換装置用のハニカムを作製する。   Next, a semiconductor raw material filling process for filling a semiconductor raw material in a honeycomb and a semiconductor forming process for forming a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in a honeycomb cell will be described. A predetermined semiconductor material is inserted into each cell of the plate-shaped honeycomb manufactured as described above. The semiconductor material may have any shape such as powder, slurry, paste, and the like. In the case of slurry or paste, drying is performed again to remove the solvent, and a plate-like honeycomb in which a semiconductor material is inserted is fired to obtain a cordierite honeycomb in which a semiconductor is inserted into each cell. Firing may be performed at 900 to 1400 ° C. according to the sintering temperature of the semiconductor, similarly to the ordinary cordierite firing conditions. When a semiconductor is sintered, there is an advantage that sintering under pressure is easy to form a semiconductor that is dense and has low electric resistance and good thermoelectric conversion performance. The surface of the resulting semiconductor-formed honeycomb is polished to smooth the fired semiconductor surface and the honeycomb surface. When the honeycomb is larger than the desired thermoelectric conversion device, the honeycomb for cutting the thermoelectric conversion device is cut out. For example, if each of the vertical and horizontal directions of the honeycomb is three times that of the thermoelectric conversion device, a total of nine honeycombs for the thermoelectric conversion device are manufactured by cutting each of the vertical and horizontal directions by 1/3. If the thickness of the honeycomb is 10 times that of the honeycomb for the thermoelectric conversion device, the honeycomb is cut into 10 pieces to produce the honeycomb for the thermoelectric conversion device.

半導体形成の変形例として、焼結前の生成形体の状態のハニカムに上述のようにして半導体材料を挿入し、ハニカムと半導体材料を同時に焼結してしまってもよい。   As a modified example of semiconductor formation, a semiconductor material may be inserted into a honeycomb in a state of a formed shape before sintering as described above, and the honeycomb and the semiconductor material may be sintered simultaneously.

本発明の熱電変換装置の製造方法における熱電変換素子用の半導体材料は、焼結した後に熱電変換機能があればどのようなものでもよい。半導体材料の焼結した後の熱電変換機能は、p型半導体とn型半導体とは同じ温度差により正負逆の起電力を発生するので、熱電変換装置の一方の面でp型半導体の端部とn型半導体の端部とを電極により結合することにより反対側の面のp型半導体の端部とn型半導体の端部との間に、p型半導体の起電力とn型半導体の起電力との合計の起電力が得られる。通常は、この反対側の端子を隣の熱電変換素子の端子と結合して起電力を増加させていく。この際、隣り合う熱電素子の結合方法には、直列結合と並列結合が考えられる。理論的な起電力だけを考えれば、どちらでも同じ起電力を得られ、高電圧小電流の電力で回収するか、低電圧大電流の電力で回収するかの違いである。しかし、実際には、半導体材料は、良導体ではないので電流が流れる際に内部抵抗を生じる。この影響を小さくするためには、半導体内部を流れる電流を少なくした方がよい。このようにするためには、熱電変換装置内の個々の熱電変換素子を直列に連結することが好ましい。このようにすれば、高電圧、小電流の起電力が発生する。   The semiconductor material for the thermoelectric conversion element in the method for manufacturing a thermoelectric conversion device of the present invention may be any material as long as it has a thermoelectric conversion function after sintering. The thermoelectric conversion function after sintering of the semiconductor material is such that the p-type semiconductor and the n-type semiconductor generate positive and negative electromotive forces due to the same temperature difference, so that the end portion of the p-type semiconductor on one side of the thermoelectric conversion device And the end portion of the n-type semiconductor are coupled by an electrode, so that the electromotive force of the p-type semiconductor and the electromotive force of the n-type semiconductor are between the end portion of the p-type semiconductor and the end portion of the n-type semiconductor on the opposite surface. The total electromotive force with the electric power is obtained. Usually, the electromotive force is increased by combining the terminal on the opposite side with the terminal of the adjacent thermoelectric conversion element. At this time, serial coupling and parallel coupling are conceivable as coupling methods of adjacent thermoelectric elements. If only the theoretical electromotive force is considered, the same electromotive force can be obtained in either case, and the difference is whether it is recovered with high voltage and small current power or with low voltage and large current power. However, in practice, a semiconductor material is not a good conductor, and thus generates an internal resistance when a current flows. In order to reduce this effect, it is better to reduce the current flowing inside the semiconductor. In order to do this, it is preferable to connect individual thermoelectric conversion elements in the thermoelectric conversion device in series. In this way, an electromotive force with a high voltage and a small current is generated.

具体的なp型半導体及びn型半導体材料としては、Bi/Te系、Se/Te系、Cs/Bi/Te系、Pb/Te系、Pb/Se/Te系、Zn/Sb系、Co/Sb系、Ce/Fe/Co/Sb系、及びSi/Ge系などが挙げられる。さらに、好ましい半導体材料としては、InO−SnO系、(Ca,Bi)MnO系、(Zn,Al)O系、Na(Co,Cu)O系、及びNaCo系などが挙げられる。特に好ましいp型半導体とn型半導体の組み合わせとしては、NaCoOとZnO、NaCoOと(Ca0.9Bi0.1)MnO、CaCoとZnO、及びCaCoと(Ca0.9Bi0.1)MnOの組み合わせ等が挙げられる。なお、ここで半導体材料としてBi/Te系とかZnOとか表記しているが、これらは、全て半導体であって純粋の金属や金属化合物だけではなく、他の元素などをドーピングしたりしてp型やn型の半導体としたものである。例えば、ZnOはAlをドーピングしてn型半導体としたものであったりする。 Specific p-type semiconductor and n-type semiconductor materials include Bi / Te, Se / Te, Cs / Bi / Te, Pb / Te, Pb / Se / Te, Zn / Sb, Co / Examples include Sb, Ce / Fe / Co / Sb, and Si / Ge systems. Further, preferable semiconductor materials include InO 2 —SnO 2 system, (Ca, Bi) MnO 3 system, (Zn, Al) O system, Na (Co, Cu) O 4 system, and NaCo 2 O 4 system. Can be mentioned. Particularly preferred combinations of p-type and n-type semiconductors are NaCoO 2 and ZnO, NaCoO 2 and (Ca 0.9 Bi 0.1 ) MnO 3 , Ca 3 Co 4 O 9 and ZnO, and Ca 3 Co 4 O. 9 and a combination of (Ca 0.9 Bi 0.1 ) MnO 3 and the like. In addition, although Bi / Te system or ZnO is described as a semiconductor material here, these are all semiconductors, and not only pure metals and metal compounds but also p-type doped with other elements. Or an n-type semiconductor. For example, ZnO is an n-type semiconductor doped with Al.

次に、ハニカム中のp型半導体とn型半導体とを銅などの電極により接合する電極接合工程について、図3に示す熱電変換素子の断面図を参照にして説明する。熱電変換装置としての形状が整えられたセル中に半導体が形成されたハニカムに電極を接続する。熱電変換素子17の高温側結合である、図の上部では、p型半導体12とn型半導体13とを銅製の高温側電極14で結合している。この際、高温側電極14とp型半導体12及びn型半導体13とは導電性の接着部材により密着させている。この接着部材は、高温側電極14とp型半導体12及びn型半導体13との間の接着性を向上させるだけでなく、互いに原子の拡散をすることを防いでいる。半導体中に又は半導体中から原子が移動して拡散すると熱電変換性能が低下する恐れがあるからである。接着部材の原料としては、白金、ハフニウム、銀などの半導体への原子の拡散、及び半導体からの原子の拡散が少ない材料が好ましい。電極の接続は、溶射、転写、コーティング、接着などどのような方法でもよい。なお、熱電変換素子の電極表面は絶縁体で被覆されていることが好ましい。このようにして、発電した電力が外部に漏れないようにしていると同時に、高温電極側においては、半導体材料や電極材料を高温の雰囲気による酸化劣化等から保護している。   Next, an electrode joining process for joining the p-type semiconductor and the n-type semiconductor in the honeycomb with an electrode such as copper will be described with reference to a cross-sectional view of the thermoelectric conversion element shown in FIG. An electrode is connected to a honeycomb in which a semiconductor is formed in a cell whose shape as a thermoelectric converter is arranged. In the upper part of the figure, which is the high-temperature side coupling of the thermoelectric conversion element 17, the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 are coupled by a copper high-temperature side electrode 14. At this time, the high temperature side electrode 14 and the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 are brought into close contact with each other by a conductive adhesive member. This adhesive member not only improves the adhesion between the high temperature side electrode 14 and the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13, but also prevents atoms from diffusing with each other. This is because thermoelectric conversion performance may be deteriorated when atoms move into and diffuse from the semiconductor. As a raw material for the adhesive member, a material such as platinum, hafnium, silver, or the like that has little diffusion of atoms into the semiconductor and less atoms from the semiconductor is preferable. The electrodes may be connected by any method such as thermal spraying, transfer, coating, and adhesion. In addition, it is preferable that the electrode surface of the thermoelectric conversion element is coat | covered with the insulator. In this way, the generated power is prevented from leaking to the outside, and at the same time, the semiconductor material and the electrode material are protected from oxidative deterioration due to a high temperature atmosphere on the high temperature electrode side.

熱電変換素子の低温側結合である熱電素子下部の接続では、p型半導体12とn型半導体13とを銅製の低温側電極18で接合している。この際、低温側電極18は、高温側電極14と同様、p型半導体12及びn型半導体13と導電性の接着部材により接着しているが、使用時の温度が低いので、電極から半導体中に又は半導体中から電極材料中へ原子が移動して拡散すことはほとんどない。   In the connection at the lower part of the thermoelectric element, which is the low-temperature side coupling of the thermoelectric conversion element, the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 are joined by a copper low-temperature side electrode 18. At this time, the low-temperature side electrode 18 is bonded to the p-type semiconductor 12 and the n-type semiconductor 13 by a conductive adhesive member similarly to the high-temperature side electrode 14, but the temperature during use is low. In addition, atoms are hardly transferred and diffused from the semiconductor into the electrode material.

本発明の好ましい形態として半導体形成工程において放電プラズマ焼結法を用いる熱電変換装置の製造方法を説明する。この放電プラズマ焼結法を用いる熱電変換装置の製造方法は、上述の熱電変換装置の製造方法より半導体形成における焼結時間が非常に短く、焼結温度も低くできる。   As a preferred embodiment of the present invention, a method for manufacturing a thermoelectric conversion device using a discharge plasma sintering method in a semiconductor formation step will be described. The method for manufacturing a thermoelectric conversion device using this discharge plasma sintering method can significantly reduce the sintering time in forming a semiconductor and lower the sintering temperature than the above-described method for manufacturing a thermoelectric conversion device.

放電プラズマ焼結法は、導電性を有する主に酸化物半導体原料粉末を加圧下真空中で、放電プラズマにより直接、低温及び短時間で、一段階プロセスにより半導体を焼結するものである。通常、焼結時間は数分である。出発原料としては、常圧焼結やホットプレス焼結等で用いられる原料と同じであり、ボールミルにより混合及び反応等の後得られた原料粉末、例えばp型半導体特性を有するアルカリ金属及び遷移金属を含む導電性金属酸化物化合物として、NaCo、Na、Li固溶型正方晶、n型半導体特性を有するようウルツ鉱型構造の酸化亜鉛に微量のAlを添加したものなどが用いられる。 The discharge plasma sintering method is a method in which an oxide semiconductor raw material powder having conductivity is sintered in a one-step process at a low temperature and in a short time directly by discharge plasma in vacuum under pressure. Usually, the sintering time is a few minutes. The starting material is the same as that used in atmospheric pressure sintering, hot press sintering, etc., and raw material powder obtained after mixing and reaction by a ball mill, such as alkali metals and transition metals having p-type semiconductor characteristics As a conductive metal oxide compound containing Na, NaCo 2 O 4 , Na, Li solid solution type tetragonal crystal, a wurtzite type zinc oxide having a trace amount of Al added so as to have n-type semiconductor characteristics, and the like are used. .

粉体の粒度は、0.1μm〜100μmの微小粉体であることが好ましい。これらの出発粉体原料をハニカムのセル中に充填して、放電プラズマ焼結装置内に設置して、放電プラズマが発生できるように真空にして、セルの両側から加圧しながら直流パルスを印加し、原料粉体粒子間に生成する放電プラズマによる発熱を利用して焼結を行う。ハニカムのセル中に充填された原料粉末は、粉末のままセル中に充填してもよいが、微粉末のため充填しづらい場合は、スラリーやペースト状にしてセル中に充填し、乾燥させてから焼結を行ってもよい。この放電プラズマ焼結方法において、加圧圧力は、10MPa〜47MPa、時間は、1〜5分、印加電流電圧は、1〜3KA、1〜10Vで、温度は600℃〜900℃に制御されることが好ましい。   The particle size of the powder is preferably a fine powder of 0.1 μm to 100 μm. These starting powder materials are filled into honeycomb cells, placed in a discharge plasma sintering apparatus, evacuated so that discharge plasma can be generated, and a DC pulse is applied while pressing from both sides of the cell. Sintering is performed using heat generated by the discharge plasma generated between the raw material powder particles. The raw material powder filled in the cells of the honeycomb may be filled in the cell as it is, but if it is difficult to fill due to the fine powder, it is filled into the cell as a slurry or paste and dried. Sintering may be performed. In this discharge plasma sintering method, the applied pressure is 10 MPa to 47 MPa, the time is 1 to 5 minutes, the applied current voltage is 1 to 3 KA, 1 to 10 V, and the temperature is controlled to 600 ° C. to 900 ° C. It is preferable.

放電プラズマ焼結において、セル中に充填した半導体原料を一つずつ焼結していってもよいが、一つのハニカムにある全部のセルに半導体原料を充填して、それぞれのセル中の半導体原料を同時に放電プラズマ焼結してしまうことが焼結時間短縮の点から好都合である。p型半導体原料とn型半導体原料との焼結条件が大幅に異なるときは、p型半導体原料とn型半導体原料に区分して焼結してもよい。この場合も、p型半導体原料及びn型半導体原料をそれぞれ一括して焼結することが好ましい。   In spark plasma sintering, the semiconductor raw materials filled in the cells may be sintered one by one, but all the cells in one honeycomb are filled with the semiconductor raw materials, and the semiconductor raw materials in each cell It is advantageous from the viewpoint of shortening the sintering time that the discharge plasma sintering is simultaneously performed. When the sintering conditions of the p-type semiconductor raw material and the n-type semiconductor raw material are significantly different, the p-type semiconductor raw material and the n-type semiconductor raw material may be classified and sintered. Also in this case, it is preferable that the p-type semiconductor raw material and the n-type semiconductor raw material are respectively sintered together.

さらに、半導体原料を充填するハニカムをセラミックス製ハニカムでなく、焼結前のセラミックス前駆体製ハニカムとして、半導体原料を充填したハニカム全体を加圧して焼結する方法もある。放電プラズマ焼結においては、比較的低温で、短い時間で焼結できるため、異種材料間での元素の移動や拡散が少ないので、このようなセラミックス製ハニカム製造工程と半導体製造工程とを同時に実施し易い。   Further, there is a method in which a honeycomb filled with a semiconductor material is not a ceramic honeycomb but a ceramic precursor honeycomb before sintering, and the entire honeycomb filled with the semiconductor material is pressed and sintered. In spark plasma sintering, sintering can be performed at a relatively low temperature and in a short time, so there is less movement and diffusion of elements between different materials, so this ceramic honeycomb manufacturing process and semiconductor manufacturing process are performed simultaneously. Easy to do.

また、半導体素子と電極とを接合する接合工程における半導体素子と電極との密着部材の原料を、微粉化して半導体原料と同時に放電プラズマ焼結することもできる。密着部材の原料としては、白金、ハフニウム、銀などの半導体への原子の拡散、及び半導体からの原子の拡散が少ない材料が好ましい。   Further, the raw material of the close contact member between the semiconductor element and the electrode in the joining step for joining the semiconductor element and the electrode can be pulverized and subjected to discharge plasma sintering simultaneously with the semiconductor raw material. As a raw material of the adhesion member, a material such as platinum, hafnium, silver, or the like that diffuses atoms into a semiconductor and has little diffusion of atoms from the semiconductor is preferable.

図1を参照にしながら放電プラズマ焼結の具体例を説明する。図1は、放電プラズマ焼結装置により、セラミックス製ハニカムの一つのセル中に充填した半導体原料を焼結する図である。1は放電プラズマ焼結装置、10はセラミックス製ハニカム9のセル中に充填されている半導体材料の原料粉末である。半導体材料10は、焼結容器6に仕切られた焼結空間7で、原料粉末間にプラズマが発生する程度の真空状態に置かれる。半導体材料10は、真空下で加圧部材4、5により上下から加圧され、原料粉末が緻密に充填される。加圧部材4、5の先端は、半導体材料10に高電圧を印加できる電極2,3になっている。半導体材料10は、真空環境、加圧環境下でパルス状の高電圧を印加される。そうすると、半導体材料10の微粉末間で放電プラズマが発生する。このとき、プラズマ周辺に高温が発生し、微粉末同士を焼結する。微粉末の近接部のみがプラズマ発生の熱を受けるので、粉末全体にはあまり影響しないで焼結ができる。また、この為に半導体材料10全体としては、高温にならなくても焼結が可能となる。   A specific example of spark plasma sintering will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a view in which a semiconductor raw material filled in one cell of a ceramic honeycomb is sintered by a discharge plasma sintering apparatus. 1 is a discharge plasma sintering apparatus, and 10 is a raw material powder of a semiconductor material filled in a cell of a ceramic honeycomb 9. The semiconductor material 10 is placed in a sintered space 7 partitioned by a sintering vessel 6 and in a vacuum state to the extent that plasma is generated between the raw material powders. The semiconductor material 10 is pressurized from above and below by the pressure members 4 and 5 under vacuum, and the raw material powder is densely filled. The tips of the pressure members 4 and 5 are electrodes 2 and 3 that can apply a high voltage to the semiconductor material 10. The semiconductor material 10 is applied with a pulsed high voltage in a vacuum environment and a pressurized environment. Then, discharge plasma is generated between the fine powders of the semiconductor material 10. At this time, high temperature is generated around the plasma and the fine powders are sintered together. Since only the vicinity of the fine powder receives the heat generated by the plasma, the entire powder can be sintered without much influence. For this reason, the semiconductor material 10 as a whole can be sintered even if it does not reach a high temperature.

放電プラズマ焼結の利点としては、(1)短時間で焼結が行える。(2)比較的低温で焼結できる。(3)導電性の高い半導体が得られ、熱電変換素子としての内部抵抗が低減できる。(4)加圧下での焼結するため緻密な焼結体が生成しやすい。(5)雰囲気制御によるキャリア濃度制御が行える。(6)粒子成長が進まず粒子界面が増加するため多結晶体の熱伝導性は低下する。(7)同時に異種材料を焼結できる。   The advantages of spark plasma sintering are as follows: (1) Sintering can be performed in a short time. (2) It can be sintered at a relatively low temperature. (3) A highly conductive semiconductor can be obtained, and the internal resistance as a thermoelectric conversion element can be reduced. (4) Since sintering is performed under pressure, a dense sintered body is likely to be generated. (5) Carrier concentration can be controlled by atmosphere control. (6) Since the grain growth does not progress and the grain interface increases, the thermal conductivity of the polycrystal decreases. (7) Different materials can be sintered simultaneously.

一般に、熱電変換装置においては、大きな起電力を発生させるため多数の熱電変換素子を必要とする。一方で、熱電変換素子に効率的に起電力を発生させるためには、熱電変換素子の温度差方向の長さ、すなわち熱電変換装置の厚さをできるだけ薄くする必要がある。この両方の要求を満足させるためには、大面積で薄い板状の熱電変換装置を必要とする。しかし、このような形状にすると、熱膨張による変化が大きく破壊しやすい。また、薄く、大面積の熱電変換装置にすると曲げ応力等の外部応力によっても破壊しやすい。そこで、本発明の熱電変換装置においては、熱電変換の単位となる所定の大きさ以下の複数の熱電変換モジュールを接続することにより所望の起電力を発生させる熱電変換装置を作製することが好ましい。個々の熱電変換モジュールは、それぞれの用途に合わせて所定の大きさとすればよい。熱電変換モジュールが所定の大きさ以下であれば、熱電変換モジュール両面の熱膨張の違いによる熱歪みは小さく、熱衝撃、機械的な衝撃、振動によっても破損しにくくなる。さらに、型枠として脆性材料であるセラミックスを使用しても十分な強度となる。このようなモジュール化した場合は、セラミックスは耐熱性、電気絶縁性を備えているので型枠として好都合である。   In general, a thermoelectric conversion device requires a large number of thermoelectric conversion elements in order to generate a large electromotive force. On the other hand, in order to efficiently generate an electromotive force in the thermoelectric conversion element, it is necessary to make the length of the thermoelectric conversion element in the temperature difference direction, that is, the thickness of the thermoelectric conversion device as thin as possible. In order to satisfy both of these requirements, a thin plate-like thermoelectric conversion device is required. However, when such a shape is used, the change due to thermal expansion is large and it is easy to break. Further, if the thermoelectric conversion device is thin and has a large area, it is easily broken by external stress such as bending stress. Therefore, in the thermoelectric conversion device of the present invention, it is preferable to manufacture a thermoelectric conversion device that generates a desired electromotive force by connecting a plurality of thermoelectric conversion modules having a predetermined size or less as a unit of thermoelectric conversion. Each thermoelectric conversion module may be a predetermined size according to each application. If the thermoelectric conversion module is a predetermined size or less, the thermal strain due to the difference in thermal expansion on both sides of the thermoelectric conversion module is small, and it is difficult to be damaged by thermal shock, mechanical shock, and vibration. Furthermore, sufficient strength is obtained even when ceramics, which is a brittle material, is used as a mold. In the case of such modularization, ceramics is convenient as a mold because it has heat resistance and electrical insulation.

この熱電変換モジュールの具体的な大きさは、ハニカムの貫通孔に垂直な断面における最大長さが10cm以下であることが望ましく、特に5cm以下であることがより望ましい。上記断面の最大長さは、正方形や長方形の場合は、辺の長さであり、六角形や八角形であれば対向する辺間の距離、円形であればその直径である。通常は、ハニカムの貫通孔に垂直な断面の形状は、正方形又は正方形に近い長方形や八角形とすることが、熱電変換モジュールの強度や配置効率上好ましい。上記断面の最大長さの下限は、特に限定されないが半導体素子の大きさ、セラミックス製ハニカムの各セルの数から考慮すれば、5mm以上とすることが望ましく、特に10mm以上、さらには20mm以上とすることがより望ましい。一般に厚さは0.7〜2.0mm程度のセラミックス製のハニカム構造体は、上記断面の最大長さが50mm以上、特に100mm以上になると、曲げ応力に対して脆性破壊する恐れが高くなる。また、大きさに比例して重量が増加し、衝撃に対しても応力が掛かりやすく破損の危険性が増す。   As for the specific size of this thermoelectric conversion module, the maximum length in a cross section perpendicular to the through-holes of the honeycomb is desirably 10 cm or less, and more desirably 5 cm or less. The maximum length of the cross section is the side length in the case of a square or rectangle, the distance between opposing sides in the case of a hexagon or octagon, and the diameter in the case of a circle. Usually, the shape of the cross section perpendicular to the through-holes of the honeycomb is preferably a square or a rectangle or octagon close to a square in terms of strength and arrangement efficiency of the thermoelectric conversion module. The lower limit of the maximum length of the cross-section is not particularly limited, but considering the size of the semiconductor element and the number of each cell of the ceramic honeycomb, it is preferably 5 mm or more, particularly 10 mm or more, more preferably 20 mm or more. It is more desirable to do. In general, a ceramic honeycomb structure having a thickness of about 0.7 to 2.0 mm has a high risk of brittle fracture against bending stress when the maximum cross-sectional length is 50 mm or more, particularly 100 mm or more. Further, the weight increases in proportion to the size, and stress is easily applied to an impact, increasing the risk of breakage.

上述のハニカムの大きさ10cmの正方形を基準にして、各セルの幅を0.8mm、セル間の隔壁の厚さを0.2mmとした場合、形成できるセルの数は10,000個(100×100)であり、セルの数はこれより少ないことが好ましい。通常は、100〜2,000個とすることが好ましい。   The number of cells that can be formed is 100 (100) when the width of each cell is 0.8 mm and the thickness of the partition wall between cells is 0.2 mm on the basis of the above-mentioned honeycomb 10 cm square. × 100), and the number of cells is preferably smaller than this. Usually, it is preferably 100 to 2,000.

p型半導体用とn型半導体用のセルが同じ断面形状を持つハニカムとしては、正方形や正六角形のセル構造が知られている。これらのハニカムは、セルが同じ隔壁厚さで仕切られながら規則的に配置されている。p型半導体用とn型半導体用のセルが異なった断面形状を持つハニカムとしては、例えば、セルの組み合わせを図2に示すような正方形と、それより大きめの正方形の四つの角を切り欠いた形の八角形の組み合わせとすることが好ましい。また、長方形の短辺の長さが正方形の辺の長さと同じとなる正方形と長方形の組み合わせでもよい。このようなハニカム構造にすると、2種類のセルの面積比を任意に変更することができ、セル間の隔壁を必要最低限の厚さで一定とすることができ、発電に関与しない隔壁部分の無駄を抑えることができ、具体的な2種類のセルの組み合わせとして好適である。   As the honeycomb having the same cross-sectional shape for the p-type semiconductor and n-type semiconductor cells, a square or regular hexagonal cell structure is known. These honeycombs are regularly arranged with cells divided by the same partition wall thickness. As a honeycomb having different cross-sectional shapes for cells for p-type semiconductor and n-type semiconductor, for example, the combination of cells is cut out at four corners of a square as shown in FIG. 2 and a larger square. It is preferable to use a combination of octagons. Further, a combination of a square and a rectangle in which the length of the short side of the rectangle is the same as the length of the side of the square may be used. With such a honeycomb structure, the area ratio of the two types of cells can be arbitrarily changed, the partition walls between the cells can be made constant at the minimum necessary thickness, and the partition wall portions not involved in power generation It is possible to suppress waste and is suitable as a specific combination of two types of cells.

複数の熱電変換モジュールを接続した熱電変換装置は、互いに変動可能に接続されていることが好ましい。熱電変換モジュール同士を互いに相対的に変動可能なように結合しておけば、熱電変換装置に機械的なあるいは熱の影響による応力がかかっても、それぞれの熱電変換モジュールが相対的に移動することにより応力を緩和することができる。あるいは、熱電変換モジュールを変動可能に結合している結合部材が応力を吸収して、熱電変換モジュールには変形応力がかかり難くなる。   It is preferable that the thermoelectric conversion apparatus which connected the some thermoelectric conversion module is connected so that a mutual change is possible. If the thermoelectric conversion modules are coupled so as to be able to change relative to each other, even if the thermoelectric conversion device is subjected to mechanical or thermal stress, the thermoelectric conversion modules can move relative to each other. Can relieve stress. Or the coupling member which couple | bonds the thermoelectric conversion module so that a fluctuation | variation absorbs stress, and it becomes difficult to apply a deformation stress to a thermoelectric conversion module.

熱電変換モジュールが互いに変動可能に接続されている熱電変換装置は、取り扱いや所望の部分への設置においても有効である。例えば、熱電変換装置を設置場所の形状に合わせて変形しながら配置することもできる。例えば、自動車エンジンの排気管に熱電変換装置を設置する場合には、熱電変換装置を円筒形にすることもできる。   A thermoelectric conversion device in which thermoelectric conversion modules are connected to each other so as to be variable is also effective in handling and installation in a desired part. For example, the thermoelectric conversion device can be arranged while being deformed according to the shape of the installation place. For example, when a thermoelectric conversion device is installed in an exhaust pipe of an automobile engine, the thermoelectric conversion device can be cylindrical.

熱電変換モジュールを互いに変動可能に接続する方法としては、例えば可撓性のある基板上にそれぞれの熱電変換モジュールを配置すればよい。基板と熱電変換モジュールとの接続は、どのような方法でもよいが、例えばボルト締め、基板からつきだしたフックでの固定、接着剤で接着してもよい。基板や接合治具の材質や接合方法は、熱電変換モジュールの使用環境を考慮して選択する。例えば、基板を熱電変換モジュールの高温側に配置する場合は、その使用温度に耐える金属材料とすることが好ましい。基板を熱電変換モジュールの低温側に配置する場合は、その使用温度に耐えるプラスチックやゴム材料とすることもできる。また、接続方法としては、基板を用いなくてもよく、可撓性のテープや紐状の接続部材で熱電変換モジュールを接続してもよい。あるいは、熱電変換モジュール同士を可撓性の接着剤で結合してもよい。また、熱電変換モジュールを電気的に接続するための導線や接続端子を可撓性の接続部材として利用することもできる。   As a method of connecting the thermoelectric conversion modules so that they can be varied, for example, the thermoelectric conversion modules may be arranged on a flexible substrate. The substrate and the thermoelectric conversion module may be connected by any method, for example, by bolting, fixing with a hook protruding from the substrate, or bonding with an adhesive. The material of the substrate and the joining jig and the joining method are selected in consideration of the usage environment of the thermoelectric conversion module. For example, when the substrate is disposed on the high temperature side of the thermoelectric conversion module, it is preferable to use a metal material that can withstand the use temperature. When the substrate is disposed on the low temperature side of the thermoelectric conversion module, it can be made of a plastic or rubber material that can withstand the use temperature. Moreover, as a connection method, it is not necessary to use a board | substrate and you may connect a thermoelectric conversion module with a flexible tape or a string-like connection member. Or you may couple | bond thermoelectric conversion modules with a flexible adhesive agent. Moreover, the conducting wire and connection terminal for electrically connecting a thermoelectric conversion module can also be utilized as a flexible connection member.

上述の熱電変換装置は、自動車廃熱を利用する車載用として好適に利用できる。自動車の排気管の回りに本発明の熱電変換装置を配置して発電をすることができる。例えば、車載用熱電変換装置においては、排気管に熱電変換装置を配置し、低温側には例えば冷却水循環型や空冷式の冷却装置を備えるようにする。熱電変換装置は、厚さ1mm程度、辺の長さ3cm程度の正方形板状の熱電変換モジュールを薄い金属板で固定する。金属板は可撓性があるので自動種の振動や衝撃を吸収して熱電変換モジュールに大きな機械的応力がかかることを防いでいる。また、熱電変換モジュールが3cm角程度の正方形板状であるので熱応力も大きくはならない。この熱電変換モジュールは、小型のセラミックス製ハニカムに一体的に形成されているので、強度、耐振動性、耐久性などが優れており、車載用として好適である。   The above-described thermoelectric conversion device can be suitably used for in-vehicle use utilizing automobile waste heat. Electric power can be generated by arranging the thermoelectric conversion device of the present invention around an exhaust pipe of an automobile. For example, in an in-vehicle thermoelectric conversion device, a thermoelectric conversion device is disposed in an exhaust pipe, and a cooling water circulation type or air cooling type cooling device is provided on a low temperature side. The thermoelectric conversion device fixes a square plate-like thermoelectric conversion module having a thickness of about 1 mm and a side length of about 3 cm with a thin metal plate. Since the metal plate is flexible, it absorbs automatic vibrations and shocks to prevent a large mechanical stress from being applied to the thermoelectric conversion module. Further, since the thermoelectric conversion module has a square plate shape of about 3 cm square, thermal stress does not increase. Since this thermoelectric conversion module is formed integrally with a small ceramic honeycomb, it is excellent in strength, vibration resistance, durability and the like, and is suitable for in-vehicle use.

本発明の熱電変換装置の製造方法によれば、比較的低温から1000℃以上の高温までの熱源から、大容量の電力を取り出すことができ発電装置として利用可能な熱電変換装置を容易に提供できる。特に、熱の利用効率が高く車載用発電装置として自動車排ガスから有効に電力を取り出すことができ、動力用又は補助機器用の電力源として利用可能な熱電変換装置を容易に提供できる。   According to the method for manufacturing a thermoelectric conversion device of the present invention, it is possible to easily provide a thermoelectric conversion device that can take out a large amount of power from a heat source from a relatively low temperature to a high temperature of 1000 ° C. or more and can be used as a power generation device. . In particular, it is possible to provide a thermoelectric conversion device that has high heat utilization efficiency and can effectively extract electric power from an automobile exhaust gas as an in-vehicle power generation device and can be used as a power source for power or auxiliary equipment.

半導体焼結装置の概略図である。It is the schematic of a semiconductor sintering apparatus. 熱電変換装置の平面図である。It is a top view of a thermoelectric converter. 熱電変換装置の一部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of a part of thermoelectric conversion apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1:半導体焼結装置 2:電極 3:電極 4:加圧部材
5:加圧部材 6:焼結容器 7:焼結空間 8:電源装置
9:ハニカム隔壁 10:半導体原料 11:熱電変換装置 12:p型半導体
13:n型半導体 14:高温側電極 15:ハニカム隔壁 16:端子
17:熱電変換素子 18:低温側電極
1: Semiconductor sintering device 2: Electrode 3: Electrode 4: Pressurizing member 5: Pressurizing member 6: Sintering vessel 7: Sintering space 8: Power supply device 9: Honeycomb partition wall 10: Semiconductor raw material 11: Thermoelectric converter 12 : P-type semiconductor 13: n-type semiconductor 14: high temperature side electrode 15: honeycomb partition 16: terminal 17: thermoelectric conversion element 18: low temperature side electrode

Claims (5)

非金属無機材料からなるハニカムのそれぞれの貫通孔に、p型半導体原料及びn型半導体原料を交互に充填する原料充填工程と、
前記ハニカムに充填されたp型半導体原料及びn型半導体原料を焼結して、ハニカムのそれぞれの貫通孔にp型半導体とn型半導体とを形成する半導体形成工程と、
前記ハニカムの貫通孔に形成されたp型半導体とn型半導体とを電極により接合する電極接合工程とを有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
A raw material filling step of alternately filling a p-type semiconductor raw material and an n-type semiconductor raw material into each through-hole of a honeycomb made of a nonmetallic inorganic material;
A semiconductor forming step of sintering the p-type semiconductor raw material and the n-type semiconductor raw material filled in the honeycomb to form a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in each through-hole of the honeycomb;
A method of manufacturing a thermoelectric conversion device, comprising: an electrode bonding step of bonding a p-type semiconductor and an n-type semiconductor formed in the through-hole of the honeycomb with electrodes.
前記半導体形成工程は、ハニカムに充填されたp型半導体原料及びn型半導体原料を加圧しながら、電圧を印加して放電プラズマを発生させて焼結することを特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置の製造方法。   The said semiconductor formation process applies a voltage, pressurizes the p-type semiconductor raw material and n-type semiconductor raw material with which the honeycomb was filled, generates discharge plasma, and sinters it. A method for manufacturing a thermoelectric converter. 前記非金属無機材料は、セラミックス前駆体であり、前記半導体形成工程においてハニカムとp型半導体原料とn型半導体原料とを焼結することを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換装置の製造方法。   The thermoelectric conversion device according to claim 1 or 2, wherein the non-metallic inorganic material is a ceramic precursor, and the honeycomb, the p-type semiconductor raw material, and the n-type semiconductor raw material are sintered in the semiconductor forming step. Manufacturing method. 前記非金属無機材料は、セラミックスであり、前記半導体形成工程においてp型半導体原料とn型半導体原料のみを焼結することを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換装置の製造方法。   The method for manufacturing a thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein the non-metallic inorganic material is ceramic, and only the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material are sintered in the semiconductor forming step. p型半導体原料及びn型半導体原料のうち少なくともいずれか一つを、粉体として貫通孔に充填し、又はスラリー若しくはペーストとして貫通孔に充填して乾燥させた後に、焼結することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱電変換装置の製造方法。   It is characterized in that at least one of a p-type semiconductor raw material and an n-type semiconductor raw material is filled into a through-hole as a powder, or filled into a through-hole as a slurry or a paste and dried, and then sintered. The manufacturing method of the thermoelectric conversion apparatus as described in any one of Claims 1-4.
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