JP2013161948A - Thermoelectric conversion element, and method for manufacturing thermoelectric conversion element - Google Patents

Thermoelectric conversion element, and method for manufacturing thermoelectric conversion element Download PDF

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Rikio Ikuta
力与 生田
Daisuke Kikuchi
大輔 菊地
Tatehiko Eguchi
立彦 江口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent breakage of an element itself in a temperature region between room temperature and 800°C and join a thermoelectric conversion section and an electrode, even when a Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound, which contains no harmful element and is an inexpensive material, is used.SOLUTION: A thermoelectric conversion element (1) includes: a thermoelectric conversion section (10) comprising a Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound; and Cu or Ni electrodes (20, 30).

Description

本発明は、熱電変換材料であるクラスレート化合物を用いた熱電変換素子及び、この熱電変換素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element using a clathrate compound, which is a thermoelectric conversion material, and a method for manufacturing the thermoelectric conversion element.

ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とする。その性質を利用し、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、熱電変換は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。   A thermoelectric conversion module that uses the Seebeck effect makes it possible to convert thermal energy into electrical energy. Utilizing this property, it is possible to convert waste heat exhausted from industrial and consumer processes and mobile objects into effective power, so thermoelectric conversion is attracting attention as an energy-saving technology that takes environmental issues into consideration.

ゼーベック効果を利用した熱電変換素子の無次元性能指数ZTは、下記の式[1]で表すことができる。
ZT=ST/ρκ ・・・[1]
式[1]中、S、ρ、κおよびTは、それぞれ、ゼーベック係数、電気抵抗率、熱伝導度および測定温度を表す。
The dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion element using the Seebeck effect can be expressed by the following formula [1].
ZT = S 2 T / ρκ [1]
In the formula [1], S, ρ, κ, and T represent the Seebeck coefficient, electrical resistivity, thermal conductivity, and measurement temperature, respectively.

式[1]から明らかなように、熱電変換素子の性能を向上させるためには、素子のゼーベック係数を大きくすること、電気抵抗率を小さくすること、熱伝導度を小さくすることが重要である。高い性能指数を示す熱電変換材料として、従来、ビスマス・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料、鉛・テルル系材料などを用いた熱電変換素子が知られている。   As apparent from the equation [1], in order to improve the performance of the thermoelectric conversion element, it is important to increase the Seebeck coefficient of the element, to decrease the electrical resistivity, and to decrease the thermal conductivity. . Conventionally, thermoelectric conversion elements using bismuth / tellurium-based materials, silicon / germanium-based materials, lead / tellurium-based materials, and the like are known as thermoelectric conversion materials exhibiting a high performance index.

ところで、従来の熱電変換素子は、それぞれ解決すべき課題を有する。
たとえば、ビスマス・テルル系材料は室温では大きなZT値を有するが、100℃を越えれば急激にそのZT値が小さくなり、廃熱発電のような200〜800℃程度では、熱電変換材料として利用できなくなる。また、ビスマス・テルル系、鉛・テルル系は環境負荷物質の鉛とテルルを含んでいる。
By the way, the conventional thermoelectric conversion element has the problem which should be solved, respectively.
For example, bismuth-tellurium-based materials have a large ZT value at room temperature, but when the temperature exceeds 100 ° C, the ZT value decreases rapidly. Disappear. Bismuth / tellurium and lead / tellurium contain lead and tellurium, which are environmentally hazardous substances.

そこで、熱電性能が良好で環境負荷が少なく、さらに軽量な新しい熱電変換材料が求められている。そのような新しい熱電変換材料の1つとしてクラスレート化合物が注目されている。熱電変換素子として有望なクラスレート化合物にはいくつかの種類が報告されているが、コスト面等からBa、Ga、Al、Si系のクラスレート化合物が注目されている。   Therefore, there is a demand for new thermoelectric conversion materials that have good thermoelectric performance, low environmental impact, and light weight. A clathrate compound has attracted attention as one of such new thermoelectric conversion materials. Several types of clathrate compounds that are promising as thermoelectric conversion elements have been reported, but Ba, Ga, Al, and Si-based clathrate compounds have attracted attention because of cost and the like.

Ba、Ga、Al、Siからなるクラスレート化合物の組成や合成法については既にいくつか開示されている。例えば特許文献1には、単位格子あたりx個(10.8≦x≦12.2)のSi原子が、Al原子とGa原子のいずれかで置換されているBa(Al,Ga)Si46−xの単結晶とその製造方法が開示されている。 Several compositions and synthesis methods of clathrate compounds composed of Ba, Ga, Al, and Si have already been disclosed. For example, Patent Document 1 discloses Ba 8 (Al, Ga) x Si in which x (10.8 ≦ x ≦ 12.2) Si atoms per unit cell are replaced with either Al atoms or Ga atoms. A 46-x single crystal and a method for producing the same are disclosed.

また、クラスレート化合物を熱電変換素子としてモジュール化するための技術も研究され始めている。かかるモジュール化に際しては、熱応力による素子の破損や、クラスレート化合物から構成される熱電変換部と電極との接合難が課題の1つとなっている。これを解決するために、特許文献2では、Ba、Ga、Ge系クラスレート化合物から構成される熱電変換部とTiCuの組成を有する電極(線膨張係数=12.8×10−6[/K])との間にTi層を設けている。 In addition, a technique for modularizing a clathrate compound as a thermoelectric conversion element has begun to be studied. In such modularization, damage to the element due to thermal stress and difficulty in joining the thermoelectric conversion part composed of the clathrate compound and the electrodes are one of the problems. In order to solve this problem, in Patent Document 2, a thermoelectric conversion part composed of a Ba, Ga, Ge-based clathrate compound and an electrode having a composition of Ti 3 Cu 4 (linear expansion coefficient = 12.8 × 10 −6 [/ K]) is provided with a Ti layer.

特開2004−67425号公報JP 2004-67425 A 特開2006−352023号公報JP 2006-352023 A

上述したように、特許文献1を始め、熱電変換材料としてBa、Ga、Al、Siからなるクラスレート化合物が有力視されているが、その実装方法について詳細に記載した研究や刊行物等は未だ開示がされていない。すなわち、特許文献2ではBa−Ga−Ge系等の3元系クラスレート化合物についての開示に留まっており、組成の異なるBa−Ga−Al−Si系に対して技術を転用できることが示されているとは言えない。合金系が異なれば、種々の特性が変化することは容易に想像できることであり、Ba−Ga−Al−Si系のクラスレート化合物のモジュール実装化に向けて、その有力な方法を研究・開発する必要がある。   As described above, clathrate compounds composed of Ba, Ga, Al, and Si are considered to be promising as thermoelectric conversion materials, including Patent Document 1, but research and publications that describe the mounting method in detail are still in progress. It is not disclosed. That is, Patent Document 2 only discloses disclosure of ternary clathrate compounds such as Ba—Ga—Ge system, and shows that the technology can be diverted to Ba—Ga—Al—Si systems having different compositions. I can't say. It can be easily imagined that various characteristics change if the alloy system is different, and research and development of a promising method for module mounting of Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compounds. There is a need.

従って、本発明の主な目的は、有害元素を含まず、安価な材料であるBa−Ga−Al−Si系クラスレート化合物を用いても、室温〜800℃という温度領域において素子自体の破損を防止し、熱電変換部と電極とを接合しうる熱電変換素子およびその製造方法を提供することにある。   Therefore, the main object of the present invention is to prevent damage to the element itself in a temperature range of room temperature to 800 ° C. even when a Ba—Ga—Al—Si-based clathrate compound that does not contain harmful elements and is an inexpensive material is used. It is providing the thermoelectric conversion element which can prevent and can join a thermoelectric conversion part and an electrode, and its manufacturing method.

発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、Ba−Ga−Al−Si系クラスレート化合物に、CuおよびNiの電極を接合させることで、上記課題を解決するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-described problems, the inventors have solved the above-described problems by bonding Cu and Ni electrodes to a Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound. It came.

すなわち、本発明の一態様によれば、
Ba−Ga−Al−Si系のクラスレート化合物から構成された熱電変換部と、CuまたはNi電極とを、備える熱電変換素子が提供される。
That is, according to one aspect of the present invention,
There is provided a thermoelectric conversion element comprising a thermoelectric conversion part composed of a Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound and a Cu or Ni electrode.

本発明の他の態様によれば、
Ba−Ga−Al−Si−X(X=Pd、Sr)系のクラスレート化合物から構成された熱電変換部と、CuまたはNi電極とを、備える熱電変換素子が提供される。
According to another aspect of the invention,
There is provided a thermoelectric conversion element including a thermoelectric conversion portion made of a Ba-Ga-Al-Si-X (X = Pd, Sr) -based clathrate compound and a Cu or Ni electrode.

本発明の他の態様によれば、
前記熱電変換素子を製造する方法であって、
原料を混合・溶融・凝固して所定の組成のクラスレート化合物を調製する調製工程と、
前記クラスレート化合物を粉砕して微粒子とする粉砕工程と、
前記微粒子とCuまたはNiの金属粉末との混合物を焼結する焼結工程と、
を有する熱電変換素子の製造方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
A method for producing the thermoelectric conversion element, comprising:
A preparation process for preparing a clathrate compound of a predetermined composition by mixing, melting and solidifying raw materials;
A crushing step of crushing the clathrate compound into fine particles;
A sintering step of sintering a mixture of the fine particles and Cu or Ni metal powder;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element which has this is provided.

本発明によれば、有害元素を含まず、安価な材料であるBa−Ga−Al−Si系クラスレート化合物を用いても、室温〜800℃という温度領域において素子自体の破損を防止し、熱電変換部と電極とを接合することができる。   According to the present invention, even when a Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound that does not contain harmful elements and is an inexpensive material is used, the element itself is prevented from being damaged in a temperature range of room temperature to 800 ° C, and thermoelectric The conversion part and the electrode can be joined.

本発明の一実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。It is sectional drawing of the thermoelectric conversion element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。It is sectional drawing of the thermoelectric conversion element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の実施例サンプルに係る熱電変換素子の接合部における電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph in the junction part of the thermoelectric conversion element which concerns on the Example sample of this invention.

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。無論、本発明は下記に記載する実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Of course, the present invention is not limited to the embodiments described below.

(A)熱電変換素子および熱電変換素子のモジュール実装方法
本実施形態において、「熱電変換素子」とは、熱電変換部に電極が接合された形態のものを意味する。熱電変換部はクラスレート化合物から構成され、電極はCuまたはNiから構成されている。従って、クラスレート化合物からなる熱電変換部にCuもしくはNi電極が接合されたものが熱電変換素子である。
本実施形態では、熱電変換部の熱電変換材料としてBa−Ga−Al−Si系のクラスレート化合物を使用しており、本実施形態はn型の熱電変換素子を提供するものである。
なお、本実施形態のn型熱電変換素子は、p型の熱電変換素子と接続することによって熱電変換モジュールとなる。
(A) Thermoelectric conversion element and method for mounting module of thermoelectric conversion element In the present embodiment, the term “thermoelectric conversion element” means a form in which an electrode is bonded to a thermoelectric conversion unit. The thermoelectric conversion part is composed of a clathrate compound, and the electrode is composed of Cu or Ni. Therefore, a thermoelectric conversion element is obtained by bonding a Cu or Ni electrode to a thermoelectric conversion portion made of a clathrate compound.
In the present embodiment, a Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound is used as the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion section, and this embodiment provides an n-type thermoelectric conversion element.
In addition, the n-type thermoelectric conversion element of this embodiment becomes a thermoelectric conversion module by connecting with a p-type thermoelectric conversion element.

本発明の一実施形態に係る熱電変換素子の断面図の一例を図1に示す。
この実施形態に係る熱電変換素子1は基本的に、熱電変換部10と、この熱電変換部10に密着接合された高温側電極20と、この熱電変換部10に密着接合された低温側電極30により構成されている。
An example of a cross-sectional view of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
The thermoelectric conversion element 1 according to this embodiment basically includes a thermoelectric conversion unit 10, a high-temperature side electrode 20 tightly bonded to the thermoelectric conversion unit 10, and a low-temperature side electrode 30 tightly bonded to the thermoelectric conversion unit 10. It is comprised by.

本発明の他の実施形態に係る熱電変換素子の断面図の一例を図2に示す。
この実施形態に係る熱電変換素子1は、熱電変換部10と、この熱電変換部10に密着接合された高温側中間層40および低温側中間層50と、高温側中間層40および低温側中間層50にそれぞれ密着接合された高温側電極20および低温側電極30により構成されている。
図2の形態にかかる熱電変換素子1では、熱電変換部10と高温側電極20との間に高温側中間層40が形成され、熱電変換部10と低温側電極30との間に低温側中間層50が形成され、この点で主に図1の形態にかかる熱電変換素子1と異なっている。
An example of a cross-sectional view of a thermoelectric conversion element according to another embodiment of the present invention is shown in FIG.
The thermoelectric conversion element 1 according to this embodiment includes a thermoelectric conversion unit 10, a high temperature side intermediate layer 40 and a low temperature side intermediate layer 50 that are tightly bonded to the thermoelectric conversion unit 10, and a high temperature side intermediate layer 40 and a low temperature side intermediate layer. The high-temperature side electrode 20 and the low-temperature side electrode 30 are tightly bonded to each other.
In the thermoelectric conversion element 1 according to the embodiment of FIG. 2, a high temperature side intermediate layer 40 is formed between the thermoelectric conversion unit 10 and the high temperature side electrode 20, and a low temperature side intermediate is formed between the thermoelectric conversion unit 10 and the low temperature side electrode 30. A layer 50 is formed, which is different from the thermoelectric conversion element 1 mainly according to the embodiment shown in FIG.

熱電変換モジュールに使用されるp型熱電変換材料は特に限定されないが、Ba−Ga−Al−Si系クラスレート化合物と同様の熱膨張係数を有するものが好ましい。また、かかるp型熱電変換材料としては室温〜800℃という温度域で使用可能な材料が好ましい。   Although the p-type thermoelectric conversion material used for a thermoelectric conversion module is not specifically limited, What has a thermal expansion coefficient similar to a Ba-Ga-Al-Si type clathrate compound is preferable. Moreover, as this p-type thermoelectric conversion material, the material which can be used in the temperature range of room temperature-800 degreeC is preferable.

(B)クラスレート化合物
熱電変換部は熱電変換材料から構成され、その熱電変換材料はBa−Ga−Al−Si系のクラスレート化合物によって構成される。
本実施形態にかかるクラスレート化合物は、主に、基本的な格子がSiのクラスレート格子から構成され、Ba元素がその内部に内包され、クラスレート格子を構成する原子の一部がGa、Alで置換された構造を有している。このクラスレート化合物は、Ba、Ga、Si、Alが同時に含まれた化合物である。
(B) Clathrate Compound The thermoelectric conversion part is composed of a thermoelectric conversion material, and the thermoelectric conversion material is composed of a Ba—Ga—Al—Si based clathrate compound.
The clathrate compound according to the present embodiment is mainly composed of a clathrate lattice in which the basic lattice is Si, the Ba element is included therein, and some of the atoms constituting the clathrate lattice are Ga, Al. It has the structure substituted by. This clathrate compound is a compound containing Ba, Ga, Si, and Al simultaneously.

本実施形態にかかるクラスレート化合物の化学式は、一例としてBaGaAlSi(7.77≦a≦8.16、7.47≦b≦15.21、0.28≦c≦6.92、30.35≦d≦32.80、a+b+c+d=54)で表される。このクラスレート化合物はn型の熱電変換材料となる。
なお、本実施形態にかかる熱電変換材料は、上記クラスレート化合物を主成分とし、少量の他の添加物が含まれてもよい。
The chemical formula of such clathrate compound according to the present embodiment, Ba a Ga b Al c Si d (7.77 ≦ a ≦ 8.16,7.47 ≦ b ≦ 15.21,0.28 ≦ c ≦ 6 as an example .92, 30.35 ≦ d ≦ 32.80, a + b + c + d = 54). This clathrate compound becomes an n-type thermoelectric conversion material.
In addition, the thermoelectric conversion material concerning this embodiment has the said clathrate compound as a main component, and may contain a small amount of other additives.

本実施形態にかかる「クラスレート化合物」は、Siクラスレート相を主体とするものであればよく、クラスレート相には該当しない他の相が含まれてもよい。当該「クラスレート化合物」は好ましくはSiクラスレート単相である。   The “clathrate compound” according to the present embodiment only needs to be mainly composed of a Si clathrate phase, and may include other phases not corresponding to the clathrate phase. The “clathrate compound” is preferably a single phase of Si clathrate.

また、クラスレート化合物の化学式BaGaAlSiの組成比のうち、Ga、Al、Siの各組成比b、c、dは概ね、次のような関係[2]を有する。このような関係を満たせば、当該クラスレート化合物はSiクラスレート相を主体とするものとして実現され、理想的な結晶構造をとりうる。
b+c+d=46 ・・・[2]
In addition, among the composition ratios of the chemical formula Ba a Ga b Al c Si d of the clathrate compound, the composition ratios b, c, and d of Ga, Al, and Si generally have the following relationship [2]. If such a relationship is satisfied, the clathrate compound can be realized mainly with a Si clathrate phase and can have an ideal crystal structure.
b + c + d = 46 [2]

なお、熱電変換部を構成する熱電変換材料としては、上記Ba−Ga−Al−Si系クラスレート化合物に、少量の他の添加物が含まれたクラスレート化合物が使用されてもよい。すなわち、熱電変換材料はBa−Ga−Al−Si−X(X=Sr、Pd)系のクラスレート化合物であってもよい。SrやPdは、ゼーベック係数を上昇させるのに有用である場合がある。
かかるクラスレート化合物の化学式は、例えばBaGaAlSi(7≦a≦8、9≦b≦12、0≦c≦2、33≦d≦35、0≦e≦2、a+b+c+d+e=54)で表わされる。この場合、上記[2]式の関係は、b+c+d+e=46とするのが良い。
なお、Ba−Ga−Al−Si系のクラスレート化合物にも、少量の他の添加物が含まれてもよい。
In addition, as a thermoelectric conversion material which comprises a thermoelectric conversion part, the clathrate compound in which the said Ba-Ga-Al-Si type clathrate compound contained a small amount of other additives may be used. That is, the thermoelectric conversion material may be a Ba-Ga-Al-Si-X (X = Sr, Pd) -based clathrate compound. Sr and Pd may be useful for increasing the Seebeck coefficient.
The chemical formula of such clathrate compounds, for example, Ba a Ga b Al c Si d X e (7 ≦ a ≦ 8,9 ≦ b ≦ 12,0 ≦ c ≦ 2,33 ≦ d ≦ 35,0 ≦ e ≦ 2, a + b + c + d + e = 54). In this case, the relationship of the above equation [2] is preferably b + c + d + e = 46.
The Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound may also contain a small amount of other additives.

(C)電極
熱電変換素子に適用される電極は、Cu(銅)電極もしくはNi(ニッケル)電極が好ましい。Cu電極は導電率が高く、電極として用いるのに好適である。また、Cu電極は価格も比較的安価であり扱いやすい。Ni電極は、高温度域において使用するのに適している。
(C) Electrode The electrode applied to the thermoelectric conversion element is preferably a Cu (copper) electrode or a Ni (nickel) electrode. The Cu electrode has high conductivity and is suitable for use as an electrode. In addition, Cu electrodes are relatively inexpensive and easy to handle. The Ni electrode is suitable for use in a high temperature range.

電極に用いるCuもしくはNiの組成(濃度・成分)は、その用途に応じて適宜選択することができる。つまり、不純物の少ない純Cuや純Niをはじめ、合金化されたものや成分が調製されたものを用いても良い。これらは熱電変換素子をモジュールに実装する場合の具体的使用態様に応じて、適宜選択することができる。   The composition (concentration / component) of Cu or Ni used for the electrode can be appropriately selected according to the application. In other words, pure Cu or pure Ni containing less impurities, alloyed ones, or ones prepared with components may be used. These can be appropriately selected according to a specific usage mode when the thermoelectric conversion element is mounted on the module.

また、電極は高温側と低温側とに用いられる。これらの電極はそれを構成する材料として同じ材料を用いても良いし、異なる材料を使用しても良い。例えば、高温度側の電極をNi電極とし、低温度側の電極をCuと電極するなどの選択を適宜行うことができる。   The electrodes are used on the high temperature side and the low temperature side. These electrodes may use the same material as a material constituting them, or may use different materials. For example, it is possible to appropriately select the high temperature side electrode as a Ni electrode and the low temperature side electrode as Cu.

電極の厚さは特に規定されない。電極自体は薄くても効果を発揮するが、熱電変換材料(もしくは中間層)との接合が重要である。接合の密着性が悪いと、発電効率が低下する。   The thickness of the electrode is not particularly specified. The electrode itself is effective even if it is thin, but bonding with a thermoelectric conversion material (or intermediate layer) is important. If the adhesion of the joint is poor, the power generation efficiency decreases.

(D)中間層
熱電変換素子では、発電効率の観点から熱電変換部(熱電変換材料)と電極との密着性が求められる。また、熱応力等によって熱電変換部や電極、またはこれらの界面が破損しないことが必要である。
そこで、本実施形態にかかる熱電変換素子においては、熱電変換部と電極との間に中間層を設けても良い。この中間層は、少なくとも、熱電変換部を構成するクラスレート化合物と、電極と同元素であるCuもしくはNi相とを、有する複相によって構成される層である。
(D) Intermediate layer In the thermoelectric conversion element, adhesion between the thermoelectric conversion part (thermoelectric conversion material) and the electrode is required from the viewpoint of power generation efficiency. In addition, it is necessary that the thermoelectric conversion portion, the electrode, or the interface thereof is not damaged by thermal stress or the like.
Therefore, in the thermoelectric conversion element according to the present embodiment, an intermediate layer may be provided between the thermoelectric conversion part and the electrode. This intermediate layer is a layer constituted by a multiphase having at least a clathrate compound constituting the thermoelectric conversion part and a Cu or Ni phase which is the same element as the electrode.

熱電変換部と中間層とは、中間層にクラスレート化合物が存在することによりほぼ連続的に接合される。熱電変換部のクラスレート化合物と、中間層のクラスレート化合物の組成は同一であっても良いし、異なっていても良いが、連続的な接合を達成させるためには、その組成が近似していることが好ましい。   The thermoelectric conversion part and the intermediate layer are joined substantially continuously due to the presence of the clathrate compound in the intermediate layer. The composition of the clathrate compound of the thermoelectric conversion part and the clathrate compound of the intermediate layer may be the same or different, but in order to achieve continuous bonding, the composition is approximated. Preferably it is.

CuもしくはNi電極と中間層とは、中間層にCuもしくはNi相があることによりほぼ連続的に接合される。言うまでもないが、電極がCu電極であれば中間層にはCu相が、電極がNi電極であれば中間層にはNi相がそれぞれ含まれる。CuもしくはNi電極と、中間層のCuもしくはNi相の組成(濃度)は同一であっても良いし、異なっていても良い。   The Cu or Ni electrode and the intermediate layer are joined substantially continuously due to the presence of the Cu or Ni phase in the intermediate layer. Needless to say, if the electrode is a Cu electrode, the intermediate layer includes a Cu phase, and if the electrode is a Ni electrode, the intermediate layer includes a Ni phase. The composition (concentration) of the Cu or Ni electrode and the Cu or Ni phase of the intermediate layer may be the same or different.

中間層において、クラスレート化合物相とCuもしくはNi相との割合は、両相が存在していれば特に限定されることはない。クラスレート相はCuもしくはNi相に比べると脆性を示すため、クラスレート化合物相の割合が多すぎると緩衝層としての中間層の機能が低下する可能性がある。クラスレート化合物相の割合が少なすぎると、熱電変換素子と中間層の接合能が低下する可能性があるので好ましくない。   In the intermediate layer, the ratio of the clathrate compound phase and the Cu or Ni phase is not particularly limited as long as both phases are present. Since the clathrate phase is more brittle than the Cu or Ni phase, if the proportion of the clathrate compound phase is too large, the function of the intermediate layer as the buffer layer may be lowered. If the ratio of the clathrate compound phase is too small, the bonding ability between the thermoelectric conversion element and the intermediate layer may be lowered, which is not preferable.

中間層の厚さ(幅)は熱電変換部(クラスレート化合物)の厚さ(全幅)に対して0.1〜10%であるのが好ましい。中間層の厚さが薄すぎると緩衝層としての効果が低くなる可能性があり好ましくない。中間層の厚さが厚すぎると、パッケージの粗大化を招くことになる可能性があるのでこれも好ましくない。   The thickness (width) of the intermediate layer is preferably 0.1 to 10% with respect to the thickness (full width) of the thermoelectric conversion part (clathrate compound). If the thickness of the intermediate layer is too thin, the effect as a buffer layer may be lowered, which is not preferable. If the thickness of the intermediate layer is too large, the package may become coarse, which is also not preferable.

中間層は、熱電変換部の高温度側と低温度側との両方に設けても良いし、片方にのみ設ける態様であっても良い。高温側と低温側との両方に設ける場合には、中間層の組成および構成は、両方とも同じであっても良いし異なっていても良い。高温側と低温側とでは、熱電変換部の状態(例えば熱応力状態)が異なるためである。   An intermediate | middle layer may be provided in both the high temperature side and low temperature side of a thermoelectric conversion part, and the aspect provided only in one side may be sufficient. When provided on both the high temperature side and the low temperature side, the composition and configuration of the intermediate layer may both be the same or different. This is because the state (for example, thermal stress state) of the thermoelectric conversion portion is different between the high temperature side and the low temperature side.

中間層が設けられることにより、熱電変換部(クラスレート化合物)と電極(CuもしくはNi電極)とはより強固に接合されることになる。
これは、「熱電変換部のクラスレート化合物−中間層のクラスレート相−中間層のCuもしくはNi相−CuもしくはNi電極」と連続的な接合が可能になることで、界面での割れの発生頻度が低くなることに拠る。すなわち、中間層があることで、いわゆる傾斜機能材料となる。中間層が設けられることで、熱電変換素子は熱応力等にも強くなり、熱サイクルに対する信頼性も向上する。
By providing the intermediate layer, the thermoelectric conversion part (clathrate compound) and the electrode (Cu or Ni electrode) are more firmly bonded.
This is because continuous bonding with “clathrate compound in thermoelectric conversion part—clathrate phase in the intermediate layer—Cu or Ni phase in the intermediate layer—Cu or Ni electrode” becomes possible, and cracking at the interface occurs. Relying on low frequency. In other words, the presence of the intermediate layer results in a so-called functionally gradient material. By providing the intermediate layer, the thermoelectric conversion element is resistant to thermal stress and the like, and the reliability with respect to the thermal cycle is improved.

(E)製造方法
本発明の好ましい実施形態にかかる熱電変換素子の製造方法は、
(a)原料を混合・溶融・凝固して所定の組成のクラスレート化合物を調製する調製工程と、
(b)前記クラスレート化合物を粉砕して微粒子とする粉砕工程と、
(c)前記微粒子とCuもしくはNiの金属粉末と(または前記微粒子と中間層を構成する粉末とCuもしくはNiの金属粉末と)の混合物を焼結する焼結工程と、
を有する。
これらの工程を経ることにより、所定の組成を有し、ポア(空隙)が少なく、組成が均一な材料が得られるという利点がある。以下、工程を詳細に説明する。
(E) Manufacturing method The manufacturing method of the thermoelectric conversion element concerning preferable embodiment of this invention is the following.
(A) a preparation step of preparing a clathrate compound having a predetermined composition by mixing, melting and solidifying raw materials;
(B) pulverizing the clathrate compound into fine particles;
(C) a sintering step of sintering a mixture of the fine particles and Cu or Ni metal powder (or the fine particles and powder constituting the intermediate layer and Cu or Ni metal powder);
Have
By passing through these steps, there is an advantage that a material having a predetermined composition, a small number of pores (voids), and a uniform composition can be obtained. Hereinafter, the process will be described in detail.

(a)調製工程
調製工程では、所定の組成を有しかつ均一な組成のクラスレート化合物のインゴットを製造する。まず、所望のクラスレート化合物の組成となるように、所定量の原料(Ba、Ga、Al、Si、X)を秤量し混合させる。原料は、単体であってもよいし、合金や化合物であってもよく、その形状は、粉末でも片状でも塊状であってもよい。また、Siの原料として単体のSiではなくAl−Siの母合金を用いると、融点が低下するのでより好ましい。
(A) Preparation Step In the preparation step, an ingot of a clathrate compound having a predetermined composition and a uniform composition is produced. First, a predetermined amount of raw materials (Ba, Ga, Al, Si, X) are weighed and mixed so as to obtain a desired clathrate compound composition. The raw material may be a simple substance, an alloy or a compound, and the shape thereof may be powder, flakes or lumps. In addition, it is more preferable to use an Al—Si master alloy as the Si raw material instead of a single Si because the melting point is lowered.

溶融時間としては、すべての原料が液体状態で均質に混ざり合う時間が必要とされるが、製造に要するエネルギーを考慮すると、溶融時間はできるだけ短時間であることが望まれる。そのため、溶融時間は、好ましくは1〜100分であり、さらに好ましくは1〜10分であり、特に好ましくは1〜5分である。   As the melting time, a time required for all raw materials to be homogeneously mixed in a liquid state is required, but considering the energy required for production, it is desirable that the melting time be as short as possible. Therefore, the melting time is preferably 1 to 100 minutes, more preferably 1 to 10 minutes, and particularly preferably 1 to 5 minutes.

原料混合物からなる粉末を溶融する方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。溶融方法としては、たとえば、抵抗発熱体による加熱、高周波誘導溶解、アーク溶解、プラズマ溶解、電子ビーム溶解などが挙げられる。ルツボとしては、グラファイト、アルミナ、コールドクルーシブルなどが、加熱方法に対応して適宜用いられる。溶融の際は、材料の酸化を防ぐために、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気下でおこなわれるのが好ましい。   The method for melting the powder composed of the raw material mixture is not particularly limited, and various methods can be used. Examples of the melting method include heating with a resistance heating element, high frequency induction melting, arc melting, plasma melting, and electron beam melting. As the crucible, graphite, alumina, cold crucible or the like is appropriately used according to the heating method. When melting, it is preferably performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere in order to prevent oxidation of the material.

短時間で均質に混ざり合った状態とするためには、好ましくは微細な粉末状の原料が混合されるのがよい。ただし、Baは、酸化を防ぐために、好ましくは塊状を呈するものを使用する。また、溶融時に機械的な攪拌または電磁的な攪拌を加えるのも好ましい。   In order to obtain a homogeneously mixed state in a short time, it is preferable that fine powdery raw materials are mixed. However, Ba is preferably used in the form of a lump in order to prevent oxidation. It is also preferable to add mechanical stirring or electromagnetic stirring at the time of melting.

溶融後、インゴットにするためには、鋳型を用いて鋳造してもよいし、ルツボ中で凝固させてもよい。できあがったインゴットの均質化のためには、溶融後にアニール処理をおこなってもよい。   After melting, ingots may be cast using a mold or solidified in a crucible. In order to homogenize the completed ingot, an annealing treatment may be performed after melting.

アニール処理の処理時間は、製造時の省エネルギーを考慮すると、なるべく短時間とされることが望まれるが、アニール効果を考慮すると、長い時間が必要とされる。アニール処理の処理時間は、好ましくは1時間以上であり、さらに好ましくは1〜10時間がさらに好ましい。   The annealing treatment time is preferably as short as possible in consideration of energy saving during manufacturing, but a long time is required in consideration of the annealing effect. The treatment time for the annealing treatment is preferably 1 hour or more, more preferably 1 to 10 hours.

アニール処理の処理温度は、好ましくは700〜950℃であり、さらに好ましくは850〜930℃である。処理温度が700℃未満であると、均質化が不十分になるという問題が生じ、処理温度が950℃を超えると、再溶融による濃度偏析が生じるという問題が生じる。   The treatment temperature for the annealing treatment is preferably 700 to 950 ° C, more preferably 850 to 930 ° C. When the processing temperature is less than 700 ° C., there is a problem that homogenization becomes insufficient. When the processing temperature exceeds 950 ° C., concentration segregation due to remelting occurs.

(b)粉砕工程
粉砕工程では、調製工程によって得られたインゴットを、ボールミルなどを用いて粉砕し、微粒子状のクラスレート化合物を得ることができる。得られる微粒子としては、焼結性を向上するために粒度が細かいことが望まれる。本実施形態では、微粒子の粒径は、好ましくは150μm以下であり、さらに好ましくは1μm以上75μm以下である。
(B) Pulverization step In the pulverization step, the ingot obtained in the preparation step can be pulverized using a ball mill or the like to obtain a fine-particle clathrate compound. The fine particles obtained are desired to have a fine particle size in order to improve the sinterability. In the present embodiment, the particle diameter of the fine particles is preferably 150 μm or less, more preferably 1 μm or more and 75 μm or less.

所望の粒径の微粒子とするためには、ボールミルなどによってインゴットを粉砕した後、粒度を調製する。粒度の調製方法は、ISO3310−1規格のレッチェ社製試験ふるいとレッチェ社製ふるい振とう機AS200デジットを用いたふるい分けによりおこなえばよい。なお、この粉砕工程に代えて、ガスアトマイズ法などの各種アトマイズ法やフローイングガスエバポレーション法などを用いて微粉末を製造することもできる。   In order to obtain fine particles having a desired particle size, the particle size is prepared after the ingot is pulverized by a ball mill or the like. The particle size may be adjusted by sieving using a ISO 3310-1 standard Lecce test sieve and a Lecce sieve shaker AS200 digit. In addition, it can replace with this grinding | pulverization process, and can also manufacture fine powder using various atomizing methods, such as a gas atomizing method, and a flowing gas evaporation method.

(c)焼結工程
焼結工程では、前記粉砕工程で得られた微粉末状のクラスレート化合物を焼結して、均質で空隙の少ない、所定の形状の固体を得ることができる。
また、本実施形態に係る熱電変換素子の製造では、この工程において熱電変換部と同時に電極を形成する。具体的には、図1の形態を実現する場合には、熱電変換材料としてのクラスレート化合物の粉末と、電極用材料としての銅粉末あるいはニッケル粉末とを、それぞれ所定量用意し、これらを焼結型に充填して焼結する。
(C) Sintering Step In the sintering step, the finely divided clathrate compound obtained in the pulverization step can be sintered to obtain a solid having a uniform shape with few voids.
Moreover, in the manufacture of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment, the electrode is formed simultaneously with the thermoelectric conversion portion in this step. Specifically, when realizing the embodiment of FIG. 1, a predetermined amount of clathrate compound powder as a thermoelectric conversion material and copper powder or nickel powder as an electrode material is prepared, and these are fired. Fill the mold and sinter.

他方、中間層を設けて図2の形態を実現する場合は、中間層用材料として所定割合に調製した熱電変換材料(クラスレート化合物)及び電極用材料(CuもしくはNi)の粉末を、あらかじめ十分に混合しておき、かかる中間層用材料を熱電変換材料および電極用材料とともに焼結型に充填して焼結する。   On the other hand, when an intermediate layer is provided to realize the configuration shown in FIG. 2, the powder of the thermoelectric conversion material (clathrate compound) and electrode material (Cu or Ni) prepared at a predetermined ratio as the intermediate layer material The intermediate layer material is filled into a sintering mold together with the thermoelectric conversion material and the electrode material and sintered.

焼結方法としては、放電プラズマ焼結法、ホットプレス焼結法、熱間等方圧加圧焼結法などを用いることができる。放電プラズマ焼結法を用いる場合、その焼結の1条件となる焼結温度は、好ましくは600〜900℃であり、より好ましくは800〜900℃である。焼結時間は好ましくは1〜10分であり、より好ましくは3〜7分である。圧力は好ましくは40〜80MPaであり、より好ましくは50〜70MPaである。   As the sintering method, a discharge plasma sintering method, a hot press sintering method, a hot isostatic pressing method, or the like can be used. When using the discharge plasma sintering method, the sintering temperature, which is one condition for the sintering, is preferably 600 to 900 ° C, more preferably 800 to 900 ° C. The sintering time is preferably 1 to 10 minutes, more preferably 3 to 7 minutes. The pressure is preferably 40 to 80 MPa, more preferably 50 to 70 MPa.

焼結温度が600℃以下では焼結せず、焼結温度が1000℃以上では溶解する。焼結時間が1分未満では密度が低く、焼結時間が10分を超えると焼結が完了・飽和し、それ以上時間をかける意義がないと考えられる。   When the sintering temperature is 600 ° C. or lower, the sintering is not performed, and when the sintering temperature is 1000 ° C. or higher, it is dissolved. When the sintering time is less than 1 minute, the density is low, and when the sintering time exceeds 10 minutes, the sintering is completed and saturated, and it is considered that there is no significance in taking more time.

特に、焼結工程では、微粉末状の熱電変換材料および電極用材料(または熱電変換材料、電極用材料および中間層用材料)の混合物を、上記焼結温度まで加熱してその温度で上記焼結時間保持し、その後に当該混合物を加熱前の温度まで冷却する。この場合、微粉末状の混合物を焼結温度まで加熱する工程とその温度で保持している工程とでは加圧状態とし、その後当該混合物を冷却する工程では加圧状態を解除する。かかる圧力操作によれば、当該混合物による粒子の焼結工程での割れを抑制することができる。   In particular, in the sintering process, a mixture of a finely powdered thermoelectric conversion material and electrode material (or thermoelectric conversion material, electrode material and intermediate layer material) is heated to the sintering temperature and the above-mentioned sintering is performed at that temperature. Hold for the settling time and then cool the mixture to the temperature before heating. In this case, in the step of heating the fine powder mixture to the sintering temperature and the step of maintaining the mixture at the temperature, the pressurized state is set, and in the subsequent step of cooling the mixture, the pressurized state is released. According to such pressure operation, it is possible to suppress cracking in the sintering process of the particles by the mixture.

(F)クラスレート化合物相の生成の確認
前記の製造方法によって、クラスレート化合物が生成されたかどうかは、粉末X線回折(XRD)により確認することができる。具体的には、焼結後のサンプルを再度粉砕して粉末X線回折測定し、得られるピークがタイプ1クラスレート相(Pm−3n、No.223)のみを示すものであれば、タイプ1クラスレート化合物が合成されたことを確認できる。
(F) Confirmation of production of clathrate compound phase Whether or not a clathrate compound is produced by the above production method can be confirmed by powder X-ray diffraction (XRD). Specifically, if the sintered sample is pulverized again and subjected to powder X-ray diffraction measurement, if the obtained peak shows only the type 1 clathrate phase (Pm-3n, No. 223), type 1 It can be confirmed that the clathrate compound was synthesized.

しかし、実際にはタイプ1クラスレート相のみからなるものと、不純物相を含むものとがあるため、不純物のピークも観察される。本実施形態にかかるクラスレート化合物におけるSiクラスレート化合物相の最強ピーク比は85%以上であり、好ましくは90%以上であり、さらに好ましくは95%以上である。   However, since there are actually a type 1 clathrate phase alone and an impurity phase, an impurity peak is also observed. The strongest peak ratio of the Si clathrate compound phase in the clathrate compound according to this embodiment is 85% or more, preferably 90% or more, and more preferably 95% or more.

なお、最強ピーク比とは、例えばBa−Ga−Al−Si系クラスレート化合物であれば、粉末X線回折測定において測定されたSiクラスレート化合物相の最強ピーク(IHS)、不純物相A(BaGa4―Y(Al,Si)(0≦Y≦4))の最強ピーク強度(IA)、不純物相B(BaAl)(Si)など)の最強ピーク強度(IB)より、下記の式[3]で定義される。
「最強ピーク比」=IHS/(IHS+IA+IB)×100(%) ・・・[3]
The strongest peak ratio is, for example, a Ba—Ga—Al—Si clathrate compound, the strongest peak (IHS) of the Si clathrate compound phase measured in powder X-ray diffraction measurement, and the impurity phase A (BaGa). 4-Y (Al, Si) Y (0 ≦ Y ≦ 4)) strongest peak intensity (IA), impurity phase B (BaAl) 2 (Si) 2 etc.) strongest peak intensity (IB) Defined in [3].
“Strongest peak ratio” = IHS / (IHS + IA + IB) × 100 (%) (3)

(G)接合の確認
熱電変換素子の熱電変換部および電極の接合を確認する場合は、電子線マイクロアナライザー(島津製作所製EPMA−1610)による組成分析とミクロ組織観察をおこなう。
(G) Confirmation of joining In order to confirm the joining of the thermoelectric conversion part and the electrode of the thermoelectric conversion element, composition analysis and microstructure observation are performed by an electron beam microanalyzer (EPMA-1610 manufactured by Shimadzu Corporation).

(H)特性評価試験
熱電変換素子の特性を評価する場合は、下記の試験方法により行う。熱電変換素子の無次元性能指数ZTを算出するための特性評価項目は、ゼーベック係数S、電気抵抗率ρ、熱伝導度κである。
(H) Characteristic evaluation test When the characteristic of a thermoelectric conversion element is evaluated, the following test method is used. The characteristic evaluation items for calculating the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion element are Seebeck coefficient S, electric resistivity ρ, and thermal conductivity κ.

特性評価試験では、電子線マイクロアナライザー(島津製作所製EPMA−1610)による組成分析とミクロ組織観察、焼結密度測定をおこなう。各種特性評価用サンプルは、20mmφ(直径20mm)×5〜20mm(高さ5〜20mm)の円柱状焼結体から、切り出し、整形する。   In the characteristic evaluation test, composition analysis, microstructure observation, and sintering density measurement are performed using an electron beam microanalyzer (EPMA-1610 manufactured by Shimadzu Corporation). Various characteristic evaluation samples are cut out and shaped from a cylindrical sintered body of 20 mmφ (diameter 20 mm) × 5 to 20 mm (height 5 to 20 mm).

「ゼーベック係数S」および「電気抵抗率ρ」は、四端子法によりアルバック理工(株)製の熱電特性評価装置 ZEM−3を用いて測定する。
「熱伝導率κ」は、比熱c、密度δ、熱拡散率αの測定結果から、下記の式[4]により算出する。
κ=cδα ・・・[4]
「比熱c」は、DSC(Differential Scanning Calorimetry)法により測定する。測定装置として、エスアイアイ・ナノテクノロジー(株)製の示差走査熱量計 EXSTAR6000DSCを用いる。
「密度δ」は、アルキメデス法により測定する。測定装置として、(株)島津製作所製の精密電子天秤 LIBROR AEG−320を用いる。
「熱拡散率α」は、レーザーフラッシュ法により測定する。測定装置として、アルバック理工(株)製の熱定数測定装置 TC−7000を用いる。
“Seebeck coefficient S” and “electric resistivity ρ” are measured by a four-terminal method using a thermoelectric property evaluation apparatus ZEM-3 manufactured by ULVAC-RIKO.
“Thermal conductivity κ” is calculated from the measurement results of specific heat c, density δ, and thermal diffusivity α according to the following equation [4].
κ = cδα (4)
The “specific heat c” is measured by a DSC (Differential Scanning Calorimetry) method. As a measuring device, a differential scanning calorimeter EXSTAR6000DSC manufactured by SII Nano Technology Co., Ltd. is used.
“Density δ” is measured by the Archimedes method. As a measuring apparatus, a precision electronic balance LIBBROR AEG-320 manufactured by Shimadzu Corporation is used.
“Thermal diffusivity α” is measured by a laser flash method. As a measuring device, a thermal constant measuring device TC-7000 manufactured by ULVAC-RIKO Inc. is used.

以上の測定結果から、前述の式[1]を用いて熱電変換素子の性能を評価する指数である無次元性能指数ZTを算出することができる。算出された無次元性能指数から、その熱電変換素子の特性を評価することができる。   From the above measurement results, the dimensionless figure of merit ZT, which is an index for evaluating the performance of the thermoelectric conversion element, can be calculated using the above-described equation [1]. The characteristic of the thermoelectric conversion element can be evaluated from the calculated dimensionless figure of merit.

以下、本発明を、実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited by the following Example.

(1)サンプル(熱電変換素子)の作製
純度2N以上の高純度のBaと、純度3N以上の高純度のAl、Ga、Si、Pdを表1に記載の配合比率で秤量し、原料混合物を調製した。
(1) Preparation of sample (thermoelectric conversion element) High-purity Ba having a purity of 2N or more and high-purity Al, Ga, Si, Pd having a purity of 3N or more are weighed at the blending ratio shown in Table 1, and the raw material mixture is obtained. Prepared.

この原料混合物を、Ar(アルゴン)雰囲気中において、水冷銅ハース上で300Aの電流で1分間アーク溶解した後、原料の不均一を解消するためにインゴットを反転して、再度アーク溶解を行う工程を5回繰り返し、そのまま水冷銅ハース上で常温まで冷却することによりクラスレート化合物を有するインゴットを得た。その後、インゴットの均一性を高めるために、アルゴン雰囲気で、900℃で6時間のアニール処理を行った。   The arc mixture is melted in an Ar (argon) atmosphere on a water-cooled copper hearth at a current of 300 A for 1 minute, and then the ingot is inverted in order to eliminate the unevenness of the raw material, and arc melting is performed again. Was repeated 5 times and cooled to room temperature on a water-cooled copper hearth to obtain an ingot having a clathrate compound. Thereafter, in order to improve the uniformity of the ingot, an annealing treatment was performed at 900 ° C. for 6 hours in an argon atmosphere.

得られたインゴットを、メノウ製遊星ボールミルを用いて粉砕し、微粒子を得た。このとき、得られた粒子の粒径の平均が75μm以下となるようにISO3310−1規格のレッチェ社製試験ふるいとレッチェ社製ふるい振とう機AS200デジットを用いて粒度を調製した。   The obtained ingot was pulverized using an agate planetary ball mill to obtain fine particles. At this time, the particle size was adjusted using the ISO 3310-1 standard Lecce test sieve and the Lecce sieve shaker AS200 digit so that the average particle size of the obtained particles was 75 μm or less.

電極を構成するための粒子(粉末)としては、純度3N、粒度75μm以下のCu粉末を使用した。また、中間層を構成するための粒子(粉末)として、上述した粒径75μm以下のクラスレート化合物の粒子を50%、Cu粒子を50%の割合で混合した粒子を用意した。
なお、本実施例では、高温度側・低温度側の両電極および両中間層は、それぞれ同一の材料で構成した。
As particles (powder) for constituting the electrode, Cu powder having a purity of 3N and a particle size of 75 μm or less was used. Further, as particles (powder) for constituting the intermediate layer, particles in which the above-described clathrate compound particles having a particle diameter of 75 μm or less were mixed at a ratio of 50% and Cu particles at a ratio of 50% were prepared.
In the present embodiment, both the high temperature side and low temperature side electrodes and both intermediate layers are made of the same material.

得られた2種類の焼結用粒子(熱電変換材料・中間層用材料・電極用材料の混合物)を、図2に示す構造になるように焼結型に設置し焼結を行った。焼結は、放電プラズマ焼結法(SPS法)を用いて、圧力60MPaまで加圧した後に900℃まで加熱を行い、その後900℃で5分間焼結した。焼結が終了してから、加圧状態を解除し、900℃から室温まで冷却を行った。   The obtained two kinds of sintering particles (mixture of thermoelectric conversion material / interlayer material / electrode material) were placed in a sintering mold so as to have the structure shown in FIG. The sintering was performed by using a discharge plasma sintering method (SPS method), pressurizing to a pressure of 60 MPa, heating to 900 ° C., and then sintering at 900 ° C. for 5 minutes. After the sintering was completed, the pressurized state was released, and cooling was performed from 900 ° C. to room temperature.

なお、焼結用粒子の焼結が終了してから、加圧状態を保持し続けて冷却を行うと、割れが生じてしまったが、上記のとおりに焼結後に加圧状態を解除して900℃から室温まで冷却を行うと、そのような割れを抑制することができた。得られるサンプルやダイスの劣化を考慮すると、冷却温度が500℃以上では真空雰囲気で保持することが好ましいが、500℃未満では大気雰囲気で保持してもかまわない。   In addition, after the sintering of the particles for sintering was finished, when the pressure state was kept and cooling was performed, cracking occurred, but the pressure state was released after sintering as described above. When cooling from 900 ° C. to room temperature, such cracks could be suppressed. Considering the deterioration of the sample and the die obtained, it is preferable to hold in a vacuum atmosphere at a cooling temperature of 500 ° C. or higher, but it may be held in an air atmosphere at less than 500 ° C.

このようにして得られたサンプルの焼結体を、組成分析するとともに、前記の「(F)クラスレート化合物の生成の確認」のX線回折と、前記の「(H)特性評価試験」とに供した。   The sintered body of the sample thus obtained was subjected to composition analysis, X-ray diffraction of “(F) Confirmation of formation of clathrate compound” and “(H) characteristic evaluation test” It was used for.

(2)サンプルの評価
(2.1)組成分析
組成分析の結果を表1に示す。
表1から、実施例1および2のサンプルにおいて、所望の組成BaGaAlSi(7.77≦a≦8.16,7.47≦b≦15.21,0.28≦c≦6.92,30.35≦d≦32.80,a+b+c+d=54)の化合物と、BaGaAlSiPd(7≦a≦8,9≦b≦12,0≦c≦2,33≦d≦35,0≦e≦2,a+b+c+d+e=54)の化合物とが得られたことがわかる。
(2) Sample evaluation (2.1) Composition analysis Table 1 shows the results of composition analysis.
Table 1, in the samples of Examples 1 and 2, a desired composition Ba a Ga b Al c Si d (7.77 ≦ a ≦ 8.16,7.47 ≦ b ≦ 15.21,0.28 ≦ c ≦ 6.92,30.35 ≦ d ≦ 32.80, a + b + c + d = 54 with a compound of), Ba a Ga b Al c Si d Pd e (7 ≦ a ≦ 8,9 ≦ b ≦ 12,0 ≦ c ≦ 2, 33 ≦ d ≦ 35, 0 ≦ e ≦ 2, a + b + c + d + e = 54).

(2.2)X線回折分析
得られたサンプルの熱電変換材料部分がクラスレート化合物であることを確認するために、サンプルの中心部分を切り出して粉末X線回折で分析した。その結果、タイプ1クラスレート相が生成していることが確認された。得られた結果から、式[3]に基づき最強ピーク比を算出し、最強ピーク比が95%以上であることを確認した。
(2.2) X-ray diffraction analysis In order to confirm that the thermoelectric conversion material portion of the obtained sample was a clathrate compound, the central portion of the sample was cut out and analyzed by powder X-ray diffraction. As a result, it was confirmed that a type 1 clathrate phase was generated. From the obtained results, the strongest peak ratio was calculated based on the formula [3], and it was confirmed that the strongest peak ratio was 95% or more.

(2.3)接合の確認
実施例1のサンプルの熱電変換部、中間層および電極の接合を確認した結果を図3に示した。本実施例の熱電変換部10に中間層50(40)を介してCu電極30(20)が接合されていることが確認された。実施例2のサンプルでも同様に接合が確認された。また、これらの熱電変換素子を800度まで加熱した後、再び室温に戻したが、接合に問題はなく、素子自体に破損がないことも確認された。
(2.3) Confirmation of joining The result of confirming the joining of the thermoelectric conversion part, the intermediate layer, and the electrode of the sample of Example 1 is shown in FIG. It was confirmed that the Cu electrode 30 (20) was joined to the thermoelectric conversion part 10 of the present example via the intermediate layer 50 (40). In the sample of Example 2, bonding was confirmed in the same manner. Moreover, after heating these thermoelectric conversion elements to 800 degrees and returning them to room temperature again, it was confirmed that there was no problem in bonding and that the elements themselves were not damaged.

以上から、熱電変換素子において一定の組成比を有するBa−Ga−Al−Si系クラスレート化合物とCu電極とを組み合わせて使用することは、室温〜800℃という温度領域において素子自体の破損を防止し、熱電変換部と電極とを接合するのに、有用であることがわかる。   From the above, using a combination of a Ba-Ga-Al-Si clathrate compound having a constant composition ratio and a Cu electrode in a thermoelectric conversion element prevents damage to the element itself in the temperature range from room temperature to 800 ° C. And it turns out that it is useful in joining a thermoelectric conversion part and an electrode.

1 熱電変換素子
10 熱電変換部(クラスレート化合物)
20 CuまたはNi電極(高温側)
30 CuまたはNi電極(低温側)
40 中間層(高温側)
50 中間層(低温側)
1 Thermoelectric conversion element 10 Thermoelectric conversion part (clathrate compound)
20 Cu or Ni electrode (high temperature side)
30 Cu or Ni electrode (low temperature side)
40 Intermediate layer (high temperature side)
50 Intermediate layer (low temperature side)

Claims (6)

Ba−Ga−Al−Si系のクラスレート化合物から構成された熱電変換部と、CuまたはNi電極とを、備える熱電変換素子。   A thermoelectric conversion element comprising a thermoelectric conversion part composed of a Ba-Ga-Al-Si-based clathrate compound and a Cu or Ni electrode. Ba−Ga−Al−Si−X(X=Pd、Sr)系のクラスレート化合物から構成された熱電変換部と、CuまたはNi電極とを、備える熱電変換素子。   A thermoelectric conversion element comprising: a thermoelectric conversion portion composed of a Ba-Ga-Al-Si-X (X = Pd, Sr) -based clathrate compound; and a Cu or Ni electrode. 請求項1または2に記載の熱電変換素子において、
前記熱電変換部と前記電極との間には、
少なくともクラスレート化合物相とCuまたはNi相とを有する中間層が形成されている熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2,
Between the thermoelectric converter and the electrode,
A thermoelectric conversion element in which an intermediate layer having at least a clathrate compound phase and a Cu or Ni phase is formed.
請求項1または2に記載の熱電変換素子を製造する方法であって、
原料を混合・溶融・凝固して所定の組成のクラスレート化合物を調製する調製工程と、
前記クラスレート化合物を粉砕して微粒子とする粉砕工程と、
前記微粒子とCuまたはNiの金属粉末との混合物を焼結する焼結工程と、
を有する熱電変換素子の製造方法。
A method for producing the thermoelectric conversion element according to claim 1, comprising:
A preparation process for preparing a clathrate compound of a predetermined composition by mixing, melting and solidifying raw materials;
A crushing step of crushing the clathrate compound into fine particles;
A sintering step of sintering a mixture of the fine particles and Cu or Ni metal powder;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element which has this.
請求項3に記載の熱電変換素子を製造する方法であって、
原料を混合・溶融・凝固して所定の組成のクラスレート化合物を調製する調製工程と、
前記クラスレート化合物を粉砕して微粒子とする粉砕工程と、
前記微粒子と中間層を構成する粉末とCuまたはNiの金属粉末との混合物を焼結する焼結工程と、
を有する熱電変換素子の製造方法。
A method for producing the thermoelectric conversion element according to claim 3,
A preparation process for preparing a clathrate compound of a predetermined composition by mixing, melting and solidifying raw materials;
A crushing step of crushing the clathrate compound into fine particles;
A sintering step of sintering a mixture of the fine particles and the powder constituting the intermediate layer and a metal powder of Cu or Ni;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element which has this.
請求項4または5に記載の熱電変換素子の製造方法において、
前記焼結工程は、
前記混合物を一定の焼結温度まで加熱する加熱工程と、
前記混合物を前記焼結温度で一定時間保持する温度保持工程と、
前記混合物を加熱前の温度まで冷却する冷却工程と、を有し、
前記加熱工程および前記温度保持工程では加圧雰囲気とし、
前記冷却工程では加圧雰囲気を解除する熱電変換素子の製造方法。
In the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 4 or 5,
The sintering step includes
A heating step of heating the mixture to a constant sintering temperature;
A temperature holding step of holding the mixture at the sintering temperature for a certain period of time;
Cooling the mixture to a temperature before heating,
In the heating step and the temperature holding step, a pressurized atmosphere is used,
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element that releases a pressurized atmosphere in the cooling step.
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