JP2014107443A - Thermoelectric conversion device and manufacturing method therefor - Google Patents
Thermoelectric conversion device and manufacturing method therefor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014107443A JP2014107443A JP2012259986A JP2012259986A JP2014107443A JP 2014107443 A JP2014107443 A JP 2014107443A JP 2012259986 A JP2012259986 A JP 2012259986A JP 2012259986 A JP2012259986 A JP 2012259986A JP 2014107443 A JP2014107443 A JP 2014107443A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal oxide
- oxide semiconductor
- type metal
- thermoelectric conversion
- semiconductor element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 96
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 155
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 142
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 142
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 38
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 51
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 claims description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 27
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 21
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 10
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 27
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 12
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 9
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 4
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000000057 synthetic resin Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
本発明は、基材と、基材の表面に配設され、直列に接続されるp型金属酸化物半導体素子及びn型金属酸化物半導体素子とを備える熱電変換装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device including a base material, a p-type metal oxide semiconductor element and an n-type metal oxide semiconductor element that are arranged on the surface of the base material and connected in series, and a method for manufacturing the thermoelectric conversion device.
直列接続されたp型半導体素子及びn型半導体素子を備える熱電変換装置には、ペルチェ効果を用いて電気を熱に変換する冷却装置や、ゼーベック効果を用いて熱を電気に変換する熱電発電装置がある。この熱電発電装置は、火力発電所、ゴミ焼却所等の大型施設や、その他自動車エンジン、ガス給湯器等において発生する廃熱を有効利用可能な装置として注目を集めている。特に、各半導体素子に耐熱性等に優れる金属酸化物を用いることで、高温状況下での利用性が高まるとされている。 A thermoelectric conversion device including a p-type semiconductor element and an n-type semiconductor element connected in series includes a cooling device that converts electricity into heat using the Peltier effect, and a thermoelectric power generation device that converts heat into electricity using the Seebeck effect There is. This thermoelectric power generation device is attracting attention as a device that can effectively use waste heat generated in large-scale facilities such as thermal power plants and garbage incinerators, and other automobile engines and gas water heaters. In particular, by using a metal oxide having excellent heat resistance and the like for each semiconductor element, it is said that the usability under high temperature conditions is increased.
従来の一般的な熱電変換装置について、図3を用いて説明する。図3に示す熱電変換装置30は、対向配置された一対の基材31及び32と、この一対の基材31及び32間に交互(平面視においては、例えば格子状)に配設される複数のp型半導体素子33及びn型半導体素子34と、このp型半導体素子33及びn型半導体素子34を交互にかつ直列に接続するように一対の基材31及び32の内面側に積層される複数の電極35とを主に備えている。この熱電変換装置30は、例えば一方の基材31を高温側に配置し、他方の基材32を低温側に配置することで、ゼーベック効果により起電力が生じ、熱電発電装置として機能する。
A conventional general thermoelectric converter will be described with reference to FIG. The
このように従来の熱電変換装置(発電装置)は、積層構造を有し、表面側と裏面側との温度差(対向配置されている両基材間の温度差)を利用して発電することとなる。そこで、様々な使用環境に対応させるべく、他の構造を有する熱電変換装置の開発が望まれている。このような中、板状体表面にn型半導体素子及びp型半導体素子が溶射法により膜状に形成された熱電変換装置が開発されている(特許文献1参照)。この熱電変換装置を、熱源流体が内部を流通するダクトの外壁に放熱フィンとして配設することにより、放熱フィンの延出方向の温度差を利用して発電を行うことができるとされている。 As described above, the conventional thermoelectric conversion device (power generation device) has a laminated structure, and generates power using the temperature difference between the front surface side and the back surface side (temperature difference between both substrates disposed opposite to each other). It becomes. Therefore, development of thermoelectric conversion devices having other structures is desired in order to cope with various usage environments. Under such circumstances, a thermoelectric conversion device in which an n-type semiconductor element and a p-type semiconductor element are formed in a film shape by a thermal spraying method on the surface of a plate-like body has been developed (see Patent Document 1). By disposing this thermoelectric conversion device as a heat radiating fin on the outer wall of the duct through which the heat source fluid flows, it is said that power can be generated using the temperature difference in the extending direction of the heat radiating fin.
しかし、各半導体素子を溶射により膜状に形成した熱電変換装置は、素子が膜状であること等に起因して、従来の積層構造のものと比して熱電変換効率が低いという不都合を有する。また、特許文献1においては、各半導体素子を金属酸化物半導体により形成する旨、その他溶射条件や溶射により得られる素子の物性等の具体的記載はなく、耐熱性や発電効率などの点で十分とはいえない。
However, the thermoelectric conversion device in which each semiconductor element is formed into a film by thermal spraying has a disadvantage that the thermoelectric conversion efficiency is lower than that of the conventional laminated structure due to the element being in the form of a film. . Further, in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、膜状のp型金属酸化物半導体素子及びn型金属酸化物半導体素子を備えながら、熱電変換効率を高めることができる熱電変換装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and includes a film-like p-type metal oxide semiconductor element and an n-type metal oxide semiconductor element, and a thermoelectric conversion apparatus capable of increasing thermoelectric conversion efficiency and a method for manufacturing the same. The purpose is to provide.
前記目的に沿う第1の発明に係る熱電変換装置は、基材と、該基材の表面に配設され、直列に接続されるp型金属酸化物半導体素子及びn型金属酸化物半導体素子とを備える熱電変換装置において、
前記p型金属酸化物半導体素子及び前記n型金属酸化物半導体素子が膜状であり、
前記n型金属酸化物半導体素子が溶射により形成され、該n型金属酸化物半導体素子の気孔率が5%以下である。
A thermoelectric conversion device according to a first invention that meets the above-described object is a base material, a p-type metal oxide semiconductor element and an n-type metal oxide semiconductor element that are disposed on the surface of the base material and connected in series. In a thermoelectric conversion device comprising:
The p-type metal oxide semiconductor element and the n-type metal oxide semiconductor element are film-like,
The n-type metal oxide semiconductor element is formed by thermal spraying, and the porosity of the n-type metal oxide semiconductor element is 5% or less.
第1の発明に係る熱電変換装置においては、n型金属酸化物半導体素子が溶射によりこの気孔率が5%以下となるように緻密に形成されている。このようにn型金属酸化物半導体素子の気孔率を低くすることで、n型金属酸化物半導体素子の電気伝導性を高め、熱電変換装置の熱電変換効率を高めることができる。また、第1の発明に係る熱電変換装置は、各素子に酸化物半導体を用いているため耐熱性等に優れ、これらの素子が膜状であるため、基材の厚さ方向以外の方向に生じる温度差を電力に変換することなどを可能とする。 In the thermoelectric conversion device according to the first aspect of the invention, the n-type metal oxide semiconductor element is densely formed by thermal spraying so that the porosity is 5% or less. Thus, by reducing the porosity of the n-type metal oxide semiconductor element, the electrical conductivity of the n-type metal oxide semiconductor element can be increased, and the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion device can be increased. Moreover, since the thermoelectric conversion device according to the first invention uses an oxide semiconductor for each element, it is excellent in heat resistance and the like. Since these elements are in a film form, the thermoelectric conversion apparatus is in a direction other than the thickness direction of the substrate. It is possible to convert the generated temperature difference into electric power.
第1の発明に係る熱電変換装置において、前記p型金属酸化物半導体素子が溶射により形成されていることが好ましい。このようにn型金属酸化物半導体素子及びp型金属酸化物半導体素子を共に溶射により形成することで、(1)各素子の積層時間の短縮化を可能とし、また、接合剤を必要としないため生産効率を高めることができる、(2)溶射条件の制御により、基材と素子との間で生じうる熱応力や熱歪の緩和が可能となる、(3)耐衝撃性を高めることができる、(4)形状や材質の選択の幅が広がり、例えば管状の基材に対しても各素子を形成することができる、(5)製造工程の自動化が容易であり、低コスト化や大型化を可能とする、(6)溶射により得られる素子はバルク体の素子と比して熱伝導性が低く、温度勾配の低下を抑制することができるなどといった利点がある。 In the thermoelectric conversion device according to the first invention, the p-type metal oxide semiconductor element is preferably formed by thermal spraying. Thus, by forming both the n-type metal oxide semiconductor element and the p-type metal oxide semiconductor element by thermal spraying, (1) the stacking time of each element can be shortened, and no bonding agent is required. Therefore, production efficiency can be increased. (2) Thermal stress and thermal strain that can occur between the substrate and the element can be reduced by controlling the spraying conditions. (3) Improve impact resistance. (4) Wide range of selection of shapes and materials, for example, each element can be formed on a tubular base material, (5) Easy manufacturing process automation, low cost and large size (6) An element obtained by thermal spraying has advantages such as lower thermal conductivity than a bulk element and can suppress a decrease in temperature gradient.
第1の発明に係る熱電変換装置において、前記n型金属酸化物半導体素子が、アルミニウムドープ酸化亜鉛を含むことが好ましい。アルミニウムドープ酸化亜鉛は、高温安定性及び熱電変換特性に特に優れるため、火力発電所やごみ焼却場といった高温状況下での使用に、より好適となる。 In the thermoelectric conversion device according to the first invention, the n-type metal oxide semiconductor element preferably contains aluminum-doped zinc oxide. Since aluminum-doped zinc oxide is particularly excellent in high-temperature stability and thermoelectric conversion characteristics, it is more suitable for use under high-temperature conditions such as thermal power plants and garbage incineration plants.
第1の発明に係る熱電変換装置において、前記p型金属酸化物半導体素子が、Ca3Co4O9、Ca9Co12O28等コバルト酸カルシウムを含むことが好ましく、Ca9Co12O28を含むことがより好ましい。これらのコバルト酸カルシウム、特にCa9Co12O28は高温安定性及び熱電変換特性に特に優れるため、高温状況下での使用に、より好適となる。 In the thermoelectric conversion device according to the first aspect of the invention, the p-type metal oxide semiconductor element preferably contains calcium cobaltate such as Ca 3 Co 4 O 9 , Ca 9 Co 12 O 28 , and Ca 9 Co 12 O 28. It is more preferable to contain. Since these calcium cobaltates, particularly Ca 9 Co 12 O 28 are particularly excellent in high-temperature stability and thermoelectric conversion characteristics, they are more suitable for use under high-temperature conditions.
第1の発明に係る熱電変換装置において、前記基材がセラミックス製であることが好ましい。セラミックス製の基材を用いることで耐熱性を高めることができる。また、熱伝導性の低いセラミックスを用いることで各素子における温度差の維持を図ることができ、その結果熱電変換効率を高めることができる。 In the thermoelectric conversion device according to the first invention, it is preferable that the base material is made of ceramics. Heat resistance can be enhanced by using a ceramic substrate. Further, by using ceramics having low thermal conductivity, it is possible to maintain a temperature difference in each element, and as a result, it is possible to increase thermoelectric conversion efficiency.
第1の発明に係る熱電変換装置において、前記p型金属酸化物半導体素子と前記n型金属酸化物半導体素子とが直接接続されていることが好ましい。このように電極膜等を用いずに、p型金属酸化物半導体素子とn型金属酸化物半導体素子とを直接接続する構造とすることで、製造コストの抑制等を図ることができる。 In the thermoelectric conversion device according to the first invention, it is preferable that the p-type metal oxide semiconductor element and the n-type metal oxide semiconductor element are directly connected. Thus, by using a structure in which a p-type metal oxide semiconductor element and an n-type metal oxide semiconductor element are directly connected without using an electrode film or the like, manufacturing cost can be suppressed.
第1の発明に係る熱電変換装置において、前記p型金属酸化物半導体素子と前記n型金属酸化物半導体素子とを接続する電極膜をさらに備え、該電極膜が溶射により形成されていることも好ましい。このように電極膜をさらに備える場合も、この電極膜を溶射により形成することで、生産効率の向上等を図ることができる。 The thermoelectric conversion device according to the first invention may further include an electrode film that connects the p-type metal oxide semiconductor element and the n-type metal oxide semiconductor element, and the electrode film is formed by thermal spraying. preferable. Even when the electrode film is further provided as described above, the production efficiency can be improved by forming the electrode film by thermal spraying.
前記目的に沿う第2の発明に係る熱電変換装置の製造方法は、基材と、該基材の表面に配設され、直列に接続されるp型金属酸化物半導体素子及びn型金属酸化物半導体素子とを備える熱電変換装置の製造方法において、
アルミニウムドープ酸化亜鉛粒子の溶射により前記基材の表面に前記n型金属酸化物半導体素子を膜状に形成する工程を有し、
前記溶射における溶射温度を2400℃以上2800℃以下、溶射速度を1800m/s以上2000m/s以下、溶射距離を90mm以上110mm以下とする。このような溶射条件で溶射を行うことで、気孔率が低い膜状のn型金属酸化物半導体素子を形成することができ、熱電変換効率の高い熱電変換装置を得ることができる。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion device according to a second invention that meets the above-described object includes a base material, a p-type metal oxide semiconductor element and an n-type metal oxide that are disposed on the surface of the base material and connected in series. In a method for manufacturing a thermoelectric conversion device comprising a semiconductor element,
Forming the n-type metal oxide semiconductor element in a film shape on the surface of the base material by spraying aluminum-doped zinc oxide particles;
The spraying temperature in the spraying is 2400 ° C. or more and 2800 ° C. or less, the spraying speed is 1800 m / s or more and 2000 m / s or less, and the spraying distance is 90 mm or more and 110 mm or less. By performing thermal spraying under such thermal spraying conditions, a film-like n-type metal oxide semiconductor element having a low porosity can be formed, and a thermoelectric conversion device with high thermoelectric conversion efficiency can be obtained.
第1の発明に係る熱電変換装置によれば、膜状のp型金属酸化物半導体素子及びn型金属酸化物半導体素子を備えながら、熱電変換効率を高めることができる。第2の発明に係る熱電変換装置の製造方法によれば、このような熱電変換装置を得ることができる。 According to the thermoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention, the thermoelectric conversion efficiency can be increased while the film-like p-type metal oxide semiconductor element and the n-type metal oxide semiconductor element are provided. According to the method for manufacturing a thermoelectric conversion device according to the second invention, such a thermoelectric conversion device can be obtained.
続いて、添付した図面を参照しながら本発明を具体化した実施の形態について説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施の形態>
図1(A)、(B)に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る熱電変換装置10は、基材11と、基材11の表面に配設される3つの膜状のp型金属酸化物半導体素子12a〜12c及び3つの膜状のn型金属酸化物半導体素子13a〜13cとを主に備える。熱電変換装置10は、各素子に酸化物半導体を用いているため、耐熱性等に優れる。
<First Embodiment>
As shown in FIGS. 1A and 1B, a
基材11は、平面視矩形の平板状体である。基材11の材質としては、所望する程度の強度や耐熱性等を有する限り特に限定されず、例えば、金属、合成樹脂、セラミックス等を挙げることができる。これらの中でも、セラミックスが好ましい。セラミックス製の基材11を用いることで、耐熱性を高めることができる。また、基材11に熱伝導性の低いセラミックスを用いることで各素子における温度差の維持を図ることができ、その結果、熱電変換装置10の熱電変換効率を高めることができる。なお、基材11は、単一材料からなる単層構造であってもよく、複数の異なる材料が積層されてなる多層構造であってもよい。多層構造の場合、母材としてのセラミックスの表面に皮膜が形成されたものなどであってもよい。
The
基材11のサイズとしては、特に限定されず、使用環境等に応じて適宜設定することができる。例えば、この厚さとしては、1mm以上5cm以下とすることができる。基材11の厚さが1mm未満の場合は、耐熱性や強度等が低下するおそれがある。逆に厚さが5cmを超えると、取扱性等が低下するおそれがある。
It does not specifically limit as a size of the
各p型金属酸化物半導体素子12a〜12cは、p型の半導体特性を有する金属酸化物により構成される略帯状形状の素子である。この具体的な平面形状は、細長の長方形の部分と、この長方形の両長辺における一方の先端側部分及び他方の後端側部分から長辺と垂直な方向にそれぞれ逆向きに延出した部分(図1(A)において、長方形の右辺の上側部分と、長方形の左辺の下側部分とからそれぞれ延出した部分)とからなる形状(略S字状)である。
Each of the p-type metal
各p型金属酸化物半導体素子12a〜12cは、基材11の幅方向に沿って、略等間隔にかつ平行に配置されている。なお、端(図1における右端)に配置されるp型金属酸化物半導体素子12cは、取り出し電極として機能し、半田14を介してリード線15が接続される。
The p-type metal
各p型金属酸化物半導体素子12a〜12cは、溶射により形成されている。この具体的形成方法は、熱電変換装置10の製造方法として後述する。
Each p-type metal
各p型金属酸化物半導体素子12a〜12cのサイズとしては、特に限定されず、使用環境等に応じて適宜設定することができるが、例えば、幅(延出している部分がない位置での幅)5mm以上5cm以下、長さ1cm以上20cm以下とすることができる。また、この厚さとしては50μm以上1mm以下とすることができ、100μm以上500μm以下が好ましい。厚さが50μm未満の場合は電気抵抗が高まり、熱電変換効率が低下する場合がある。逆に、厚さが1mmを超える場合は、溶射での形成が困難になる場合がある。
The size of each of the p-type metal
各p型金属酸化物半導体素子12a〜12cを構成するp型金属酸化物半導体としては、例えばCoO、NiO、FeO、Bi2O3、MoO2、Cr2O3、SrCu2O2、CaO−Al2O3、Ca3Co4O9、Ca9Co12O28等を挙げることができる。これらは、1種又は2種以上を混合して用いることができる。これらの中でもCa3Co4O9、Ca9Co12O28等のコバルト酸カルシウムが好ましく、Ca9Co12O28がより好ましい。これらのコバルト酸カルシウム、特にCa9Co12O28は、高温安定性及び熱電変換特性に特に優れるため、高温状況下での使用により好適となる。
As the p-type metal oxide semiconductor constituting each of the p-type metal
各n型金属酸化物半導体素子13a〜13cは、n型の半導体特性を有する金属酸化物により構成される略帯状の素子である。この具体的な平面形状は、細長の長方形の部分と、この長方形の両長辺における一方の先端側部分及び他方の後端側部分から長辺と垂直な方向にそれぞれ逆向きに延出した部分(図1(A)において、長方形の左辺の上側部分と、長方形の右辺の下側部分とからそれぞれ延出した部分)とからなる、p型金属酸化物半導体素子12a〜12cの鏡像形状(略逆S字状)である。
Each of the n-type metal
各n型金属酸化物半導体素子13a〜13cは、基材11の幅方向に沿って、略等間隔かつ平行に、p型金属酸化物半導体素子12a〜12cと交互に配置されている。隣接するp型金属酸化物半導体素子(例えば、p型金属酸化物半導体素子12a)と、n型金属酸化物半導体素子(例えば、n型金属酸化物半導体素子13a及び13b)とは、各両端部分において互いに向き合って延出した部分のみが、n型金属酸化物半導体素子13a〜13cが上側となるように重なり合っている。このように、p型金属酸化物半導体素子12a〜12cとn型金属酸化物半導体素子13a〜13cとが、重なり合う(接続している)ことで、p型金属酸化物半導体素子12a〜12cと、n型金属酸化物半導体素子13a〜13cとが直接交互に直列に接続されることとなる。このように電極膜等を用いずに、p型金属酸化物半導体素子12a〜12cとn型金属酸化物半導体素子13a〜13cとを直接接続する構造とすることで、製造コストの抑制等を図ることができる。なお、端(図1における左端)に配置されるn型金属酸化物半導体素子13aは、取り出し電極として機能し、半田16を介してリード線17が接続される。
Each of the n-type metal
各n型金属酸化物半導体素子13a〜13cは、溶射により形成されている。この具体的形成方法は、熱電変換装置10の製造方法として後述する。
Each of the n-type metal
各n型金属酸化物半導体素子13a〜13cのサイズとしては、特に限定されず、使用環境等に応じて適宜設定することができるが、長さとしては、p型金属酸化物半導体素子12a〜12cと同じとなっている。具体的には、例えば、幅(延出している部分がない位置での幅)5mm以上5cm以下、長さ1cm以上20cm以下とすることができる。また、この厚さとしては50μm以上1mm以下とすることができ、100μm以上500μm以下が好ましい。厚さが50μm未満の場合は電気抵抗が高まり、熱電変換効率が低下する場合がある。逆に、厚さが1mmを超える場合は、溶射での形成が困難になる場合がある。
The size of each of the n-type metal
各n型金属酸化物半導体素子13a〜13cを構成するn型金属酸化物半導体としては、例えばTi(チタン)、Zn(亜鉛)、Sn(スズ)、Nb(ニオブ)、In(インジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Zr(ジルコニウム)、Sr(ストロンチウム)、Ca(カルシウム)、W(タングステン)等の金属元素の少なくとも1種の酸化物半導体を挙げることができる。これらの酸化物半導体は、窒素、硫黄等の非金属やアルミニウム等の金属がドープされたものであってもよい。これらの中でも、ZnO(酸化亜鉛)が好ましく、アルミニウムドープZnOがさらに好ましい。アルミニウムドープ酸化亜鉛は、高温安定性及び熱電変換特性に特に優れるため、火力発電所やごみ焼却場といった高温状況下での使用により好適となる。
Examples of the n-type metal oxide semiconductor constituting each of the n-type metal
各n型金属酸化物半導体素子13a〜13cの気孔率は5%以下であり、4%以下が好ましい。このようにn型金属酸化物半導体素子13a〜13cの気孔率を低くし、緻密な素子とすることで、n型金属酸化物半導体素子13a〜13cの電気伝導性を高め、熱電変換装置10の熱電変換効率を高めることができる。なお、この気孔率の下限としては特に限定されないが、溶射条件等を考慮すると、例えば1%である。ここで、「気孔率」は、膜状の素子を精密カッターを用いて切断して樹脂埋めした後、切断面を研磨(例えば、1μmダイヤモンドペーストを使用)して、顕微鏡(例えば、倍率200倍)で切断面を写真撮影して画像解析し、全面積中に占める気孔部分(例えば、黒色)の面積を算出することで得られる値である。
Each of the n-type metal
熱電変換装置10においては、例えば、各p型金属酸化物半導体素子12a〜12c及びn型金属酸化物半導体素子13a〜13cの一端側(例えば、図1(A)における下側)を高温熱源と接触させ、各p型金属酸化物半導体素子12a〜12c及びn型金属酸化物半導体素子13a〜13cの他端側(例えば、図1(A)における上側)が相対的に低温となるように配置して使用される。高温熱源としては、例えば工場等の煙突、燃焼装置、ダクト、高温熱媒等が挙げられる。また、他端側は放熱フィンと接続させたり、冷水管等と接触させたりして、温度勾配が高まるようにされるとよい。このように配置することで、ゼーベック効果により両端の素子間(p型金属酸化物半導体素子12cとn型金属酸化物半導体素子13aとの間)で起電力が生じ、2つのリード線15及び17を通じて電力を得ることができ、熱電変換装置10を熱電発電装置として用いることができる。なお、熱電変換装置10は、逆に電圧をかけて、冷却装置(ペルチェクーラー)として用いることもできる。
In the
熱電変換装置10は、例えば、p型金属酸化物半導体粒子の溶射により、基材11の表面にp型金属酸化物半導体素子12a〜12cを膜状に形成する工程(1)、及びn型金属酸化物半導体粒子の溶射により、基材11の表面にn型金属酸化物半導体素子13a〜13cを膜状に形成する工程(2)をこの順に有する製造方法により得ることができる。
The
工程(1)
本工程に用いられるp型金属酸化物半導体粒子は、p型金属酸化物半導体素子12a〜12cに対応した材料を選択すればよい。p型金属酸化物半導体粒子は、通常、水等を分散媒としたスラリーとして用いられる。この工程における溶射方法としては、溶射ガンを用いた公知の高速フレーム溶射法を好適に採用することができる。この際の、溶射温度(フレーム温度)としては、例えば1500℃以上3000℃以下とすることができる。なお、溶射の際には、所定表面形状に製膜するために、素子形状に対応したマスク等を用いて行うことが好ましい。
Process (1)
The p-type metal oxide semiconductor particles used in this step may be selected from materials corresponding to the p-type metal
p型金属酸化物半導体素子12a〜12cを構成する金属酸化物をCa9Co12O28とする場合、Ca9Co12O28粒子の溶射を行う。この場合、この溶射により得られた溶射皮膜に対して、焼成を行いp型金属酸化物半導体素子12a〜12cとすることが好ましい。高速フレーム溶射を行うと、Ca9Co12O28の分解反応によりCa3Co2O6が生じる場合がある。Ca3Co2O6はCa9Co12O28より変換効率が低い。そこで、焼成を行い、Ca9Co12O28を再生成することで、得られる熱電変換装置の熱電変換効率を高めることができる。なお、焼成温度としては、CaO−CoOの平衡状態図においてCa9Co12O28の相となる893℃以上926℃以下が好ましい。
When the metal oxide constituting the p-type metal
工程(2)
本工程に用いられるn型金属酸化物半導体粒子は、n型金属酸化物半導体素子13a〜13cに対応した材料を選択すればよい。n型金属酸化物半導体粒子は、通常、水等を分散媒としたスラリーとして用いられる。この工程における溶射方法としては、溶射ガンを用いた公知の高速フレーム溶射法を好適に採用することができる。なお、溶射の際には、所望表面形状に製膜するために素子形状に対応したマスク等を用いて行うことが好ましい。
Process (2)
The n-type metal oxide semiconductor particles used in this step may be selected from materials corresponding to the n-type metal
n型金属酸化物半導体素子13a〜13cを構成する金属酸化物をアルミニウムドープ酸化亜鉛とする場合、アルミニウムドープ酸化亜鉛粒子の溶射を行う。前述のように、アルミニウムドープ酸化亜鉛は、高温安定性及び熱電特性に特に優れる良好な材料である。しかし、アルミニウムドープ酸化亜鉛は、強い共有結合性と蒸気圧とにより溶射には不適当な材料とされている。そのため、アルミニウムドープ酸化亜鉛による緻密な熱電変換装置の素子として好適な溶射皮膜を形成するためには、溶射の際の各条件(溶射温度、溶射速度及び溶射距離)を最適化することが好ましい。
When the metal oxide constituting the n-type metal
アルミニウムドープ酸化亜鉛粒子を用いる場合の具体的溶射条件としては、溶射温度は2400℃以上2800℃以下、溶射速度(粒子の吹き付け速度)は1800m/s以上2000m/s以下、溶射距離は90mm以上110mm以下とすることが好ましい。溶射温度を2400℃以上とすることで粒子が軟化し、膜厚の大きい皮膜を形成することができる。但し、溶射温度が2800℃を超えると過加熱によりアルミニウムドープ酸化亜鉛粒子が蒸発し、製膜性が低下する。加えて、溶射温度をこのように比較的低温とすることで、皮膜表面における亀裂の発生を抑制することができる。また、溶射速度を1800m/s以上とすることで、溶射粒子の運動エネルギーを高め、基材との密着性や緻密性を高めることができる。但し、溶射速度が2000m/sを超えると、フレーム内の滞在時間が短くなり十分な加熱が行われないため、基材との密着性が低下する。さらには、溶射距離を90mm以上とすることで、フレーム内の滞在時間が長くなり十分な加熱を行うことができるため製膜性(膜厚の大きい皮膜形成性、基材との密着性等)を高めることができる。但し、溶射距離が110mmを超えると、過加熱によりアルミニウムドープ酸化亜鉛粒子が蒸発し、製膜性が低下する。 As specific spraying conditions when using aluminum-doped zinc oxide particles, the spraying temperature is 2400 ° C. to 2800 ° C., the spraying speed (particle spraying speed) is 1800 m / s to 2000 m / s, and the spraying distance is 90 mm to 110 mm. The following is preferable. By setting the thermal spraying temperature to 2400 ° C. or higher, the particles are softened and a film having a large film thickness can be formed. However, when the spraying temperature exceeds 2800 ° C., the aluminum-doped zinc oxide particles evaporate due to overheating, and the film forming property is deteriorated. In addition, the occurrence of cracks on the coating surface can be suppressed by setting the spraying temperature to a relatively low temperature. In addition, by setting the spraying speed to 1800 m / s or more, the kinetic energy of the sprayed particles can be increased, and the adhesion to the substrate and the denseness can be increased. However, if the spraying speed exceeds 2000 m / s, the residence time in the frame is shortened and sufficient heating is not performed, so that the adhesion with the substrate is lowered. Furthermore, by setting the spraying distance to 90 mm or longer, the residence time in the frame becomes longer and sufficient heating can be performed, so that film forming properties (film forming properties with a large film thickness, adhesion to a substrate, etc.) Can be increased. However, when the spraying distance exceeds 110 mm, the aluminum-doped zinc oxide particles evaporate due to overheating, and the film forming property is deteriorated.
ここで、溶射温度は、フレーム(溶射フレーム)中心線上で、溶射ガンの先端から50mmの位置で測定した温度とする。この溶射温度は、フレームを形成する燃料ガス(灯油等)と燃焼支援ガス(空気+酸素等)との混合比等で調整することができる。溶射速度は、燃焼支援ガスを供給する際の圧力等により調整することができる。また、溶射距離は、溶射ガンの先端から基材までの距離とする。 Here, the spraying temperature is a temperature measured at a position 50 mm from the tip of the spraying gun on the center line of the frame (spraying frame). This thermal spraying temperature can be adjusted by the mixing ratio of the fuel gas (kerosene etc.) and the combustion assisting gas (air + oxygen etc.) forming the frame. The spraying speed can be adjusted by the pressure at the time of supplying the combustion support gas. The spraying distance is the distance from the tip of the spray gun to the substrate.
工程(1)及び工程(2)を経た後は、半田14及び16によりリード線15及び17を接続させることで、熱電変換装置10を得ることができる。
After the step (1) and the step (2), the
<第2の実施の形態>
図2(A)、(B)に示すように、本発明の第2の実施の形態に係る熱電変換装置20は、基材11と、基材11の表面に配設される3つの膜状のp型金属酸化物半導体素子22a〜22c及び3つの膜状のn型金属酸化物半導体素子23a〜23c、並びに5つの電極膜24を主に備える。熱電変換装置20の基材11は、図1の熱電変換装置10のものと同様であるので、同一番号を付して説明を省略する。
<Second Embodiment>
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
各p型金属酸化物半導体素子22a〜22c及び各n型金属酸化物半導体素子23a〜23cは、溶射により形成されている。また、各p型金属酸化物半導体素子22a〜22c及び各n型金属酸化物半導体素子23a〜23cの材質及びサイズは、図1の熱電変換装置10のものと同様である。
Each p-type metal
各p型金属酸化物半導体素子22a〜22cは帯状形状を有する。また、各p型金属酸化物半導体素子22a〜22cは、基材11の幅方向に沿って、略等間隔にかつ平行に配置されている。なお、端(図2における右端)に配置されるp型金属酸化物半導体素子22cは、取り出し電極として機能し、半田25を介してリード線26が接続される。
Each p-type metal
各n型金属酸化物半導体素子23a〜23cは帯状形状を有する。また、各n型金属酸化物半導体素子23a〜23cは、基材11の幅方向に沿って、略等間隔にかつ平行に、p型金属酸化物半導体素子22a〜22cと交互に配置されている。すなわち、隣接するp型金属酸化物半導体素子22a〜22cと各n型金属酸化物半導体素子23a〜23cとは、離間して(直接接触しない状態で)配置されている。なお、端(図2における左端)に配置されるn型金属酸化物半導体素子23aは、取り出し電極として機能し、半田27を介してリード線28が接続される。
Each n-type metal
各電極膜24は、略矩形形状を有している。また、各電極膜24は、p型金属酸化物半導体素子22a〜22cと各n型金属酸化物半導体素子23a〜23cとを交互にかつ直列に接続するように、隣接する各素子の端部及びその間に露出する基材11の表面に積層されている。
Each
各電極膜24の材質としては、導電性を有するものである限り特に限定されず、銅、銀、白金等の金属や、カーボン等を用いることができる。各電極膜24の形成方法としては、印刷又は塗布後に焼成する方法や、溶射法等、公知の方法を用いることができるが、溶射法が好ましい。電極膜24を溶射により形成することで、生産効率の向上等を図ることができる。
The material of each
熱電変換装置20は、前述した熱電変換装置10の製造方法に準じて製造することができる。また、熱電変換装置20の使用方法も、熱電変換装置10と同様である。
The
本発明は前述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、基材の形状としては平板状に限定されず、棒状、管状等の形状であってもよい。各金属酸化物半導体素子の数も適宜調整することができる。また、p型金属酸化物半導体素子は溶射以外の方法(例えば塗布及び焼成)で形成されていてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configuration thereof can be changed without changing the gist of the present invention. For example, the shape of the substrate is not limited to a flat plate shape, and may be a rod shape, a tubular shape, or the like. The number of each metal oxide semiconductor element can also be adjusted suitably. The p-type metal oxide semiconductor element may be formed by a method other than thermal spraying (for example, coating and firing).
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の内容をより具体的に説明する。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
[実施例1及び比較例1〜14]
図1に示す形状の熱電変換装置を以下の手順にて作成した。基材として黒崎播磨社製のセラミックス基材、p型金属酸化物半導体粒子としてCa9Co12O28粒子(粉末)、n型金属酸化物半導体粒子として白水テック社製のアルミニウムドープ酸化亜鉛粒子を用いた。Ca9Co12O28粒子は、Co3O4とCaCO3とを出発原料とし、固相反応法により合成した。
[Example 1 and Comparative Examples 1-14]
A thermoelectric conversion device having the shape shown in FIG. 1 was prepared by the following procedure. Ceramic base material manufactured by Kurosaki Harima as base material, Ca 9 Co 12 O 28 particles (powder) as p-type metal oxide semiconductor particles, and aluminum-doped zinc oxide particles manufactured by Hakusui Tech Co. as n-type metal oxide semiconductor particles. Using. Ca 9 Co 12 O 28 particles were synthesized by a solid phase reaction method using Co 3 O 4 and CaCO 3 as starting materials.
Ca9Co12O28粒子を純水中に分散させてスラリー状とし、高速フレーム溶射法により基材表面に製膜した。なお、所望形状となるようにマスクを介して溶射を行った。製膜後、920℃で焼成を行い、p型金属酸化物半導体素子を得た。フレーム温度は、2100〜2600℃程度とした。 Ca 9 Co 12 O 28 particles were dispersed in pure water to form a slurry, and a film was formed on the substrate surface by a high-speed flame spraying method. Note that thermal spraying was performed through a mask so as to obtain a desired shape. After film formation, baking was performed at 920 ° C. to obtain a p-type metal oxide semiconductor element. The frame temperature was about 2100 to 2600 ° C.
次いで、アルミニウムドープ酸化亜鉛粒子を純水中に分散させてスラリー状とし、高速フレーム溶射法により基材表面に製膜し、n型金属酸化物半導体素子を得た。なお、所望形状となるようにマスクを介して溶射を行った。このようにして図1に示す形状の熱電変換装置を得た。なお、アルミニウムドープ酸化亜鉛粒子の溶射条件を表1に示すとおり変更して(他の条件は変更していない)、実施例及び比較例の各熱電変換装置とした。 Next, aluminum-doped zinc oxide particles were dispersed in pure water to form a slurry, and a film was formed on the substrate surface by a high-speed flame spraying method to obtain an n-type metal oxide semiconductor element. Note that thermal spraying was performed through a mask so as to obtain a desired shape. In this way, a thermoelectric conversion device having the shape shown in FIG. 1 was obtained. In addition, the thermal spraying conditions of the aluminum-doped zinc oxide particles were changed as shown in Table 1 (other conditions were not changed), and the thermoelectric conversion devices of Examples and Comparative Examples were obtained.
得られた各熱電変換装置におけるn型金属酸化物半導体素子の膜厚(μm)及び気孔率(%)、並びに熱電変換装置の発電量(10−9W)を以下の方法にて測定した。測定結果を表1に示す。 The film thickness (μm) and porosity (%) of the n-type metal oxide semiconductor element in each obtained thermoelectric conversion device, and the power generation amount (10 −9 W) of the thermoelectric conversion device were measured by the following methods. The measurement results are shown in Table 1.
(膜厚及び気孔率)
皮膜(n型金属酸化物半導体素子)をエポキシ系樹脂に真空含浸させて補強した後、切断し、切断面を研磨した後、レーザ顕微鏡(キーエンス社製)を用いた切断面観察及び画像解析により膜厚及び気孔率を求めた。
(Film thickness and porosity)
After the film (n-type metal oxide semiconductor element) is reinforced by vacuum impregnation with an epoxy resin, it is cut and polished, and then the cut surface is observed and image analysis is performed using a laser microscope (manufactured by Keyence Corporation). Film thickness and porosity were determined.
(発電量)
熱電変換装置において、各金属酸化物半導体素子の一端側となる面(図1(A)における基材11下側の面)をヒーターと接触させ、各金属酸化物半導体素子の他端側となる面(図1(A)における基材11上側の面)をクーラントと接触させた。ヒーターは800℃に、クーラントは150℃に制御し、温度差650℃で両リード線間の発電量をサーキットテスタを用いて測定した。
(Electric-generating capacity)
In the thermoelectric conversion device, the surface that is one end side of each metal oxide semiconductor element (the surface below the
表1に示されるように、溶射温度を高めることで、厚い皮膜を得ることができ、発電量が高まる傾向にある。但し、溶射速度を遅くしたり、溶射距離を長くしたりすることで、溶射粒子(アルミニウムドープ酸化亜鉛粒子)が過加熱状態となると、フレーム内でこの粒子の蒸発を招き、基材への付着率や、得られる皮膜の緻密性(気孔率が低いこと)が低下することがわかる。また、発電量の高いものは、皮膜(n型金属酸化物半導体素子)の気孔率が低い、つまり緻密な皮膜となっていることがわかる。これは、熱電変換材料の出力因子Pが、P=S2×σ(S:ゼーベック係数、σ:電気伝導性)で表されることによると考えられる。すなわち、素子の緻密性を高めることで、電気伝導性(σ)が高まり、発電性能が高まると考えられる。 As shown in Table 1, by increasing the spraying temperature, a thick film can be obtained, and the power generation tends to increase. However, if the sprayed particles (aluminum-doped zinc oxide particles) are overheated by slowing the spraying speed or increasing the spraying distance, the particles will evaporate in the frame and adhere to the substrate. It can be seen that the rate and the denseness of the resulting film (low porosity) are reduced. In addition, it can be seen that the high power generation amount has a low porosity of the film (n-type metal oxide semiconductor element), that is, a dense film. This is considered to be because the output factor P of the thermoelectric conversion material is expressed by P = S 2 × σ (S: Seebeck coefficient, σ: electrical conductivity). That is, it is considered that by increasing the density of the element, the electrical conductivity (σ) increases and the power generation performance increases.
本発明に係る熱電変換装置は、工場や焼却場の廃熱等を利用した熱電発電装置として利用することができ、また、電気を熱に変換する冷却装置等としても利用することができる。 The thermoelectric conversion device according to the present invention can be used as a thermoelectric power generation device that uses waste heat or the like of a factory or an incineration plant, and can also be used as a cooling device that converts electricity into heat.
10:熱電変換装置、11:基材、12a〜12c:p型金属酸化物半導体素子、13a〜13c:n型金属酸化物半導体素子、14:半田、15:リード線、16:半田、17:リード線、20:熱電変換装置、22a〜22c:p型金属酸化物半導体素子、23a〜23c:n型金属酸化物半導体素子、24:電極膜、25:半田、26:リード線、27:半田、28:リード線 10: thermoelectric conversion device, 11: base material, 12a to 12c: p-type metal oxide semiconductor element, 13a to 13c: n-type metal oxide semiconductor element, 14: solder, 15: lead wire, 16: solder, 17: Lead wire, 20: thermoelectric conversion device, 22a to 22c: p-type metal oxide semiconductor device, 23a to 23c: n-type metal oxide semiconductor device, 24: electrode film, 25: solder, 26: lead wire, 27: solder , 28: Lead wire
Claims (8)
前記p型金属酸化物半導体素子及び前記n型金属酸化物半導体素子が膜状であり、
前記n型金属酸化物半導体素子が溶射により形成され、該n型金属酸化物半導体素子の気孔率が5%以下であることを特徴とする熱電変換装置。 In a thermoelectric conversion device comprising a base material, and a p-type metal oxide semiconductor element and an n-type metal oxide semiconductor element that are disposed on the surface of the base material and connected in series,
The p-type metal oxide semiconductor element and the n-type metal oxide semiconductor element are film-like,
The n-type metal oxide semiconductor element is formed by thermal spraying, and the porosity of the n-type metal oxide semiconductor element is 5% or less.
前記p型金属酸化物半導体素子が溶射により形成されていることを特徴とする熱電変換装置。 In the thermoelectric conversion device according to claim 1,
A thermoelectric conversion device, wherein the p-type metal oxide semiconductor element is formed by thermal spraying.
前記n型金属酸化物半導体素子が、アルミニウムドープ酸化亜鉛を含むことを特徴とする熱電変換装置。 In the thermoelectric conversion device according to claim 1 or 2,
The n-type metal oxide semiconductor element includes aluminum-doped zinc oxide.
前記p型金属酸化物半導体素子が、Ca9Co12O28を含むことを特徴とする熱電変換装置。 In the thermoelectric conversion apparatus of any one of Claims 1-3,
The p-type metal oxide semiconductor element includes Ca 9 Co 12 O 28 .
前記基材がセラミックス製であることを特徴とする熱電変換装置。 In the thermoelectric conversion apparatus of any one of Claims 1-4,
The thermoelectric conversion device, wherein the substrate is made of ceramics.
前記p型金属酸化物半導体素子と前記n型金属酸化物半導体素子とが直接接続されていることを特徴とする熱電変換装置。 In the thermoelectric conversion apparatus of any one of Claims 1-5,
The thermoelectric conversion device, wherein the p-type metal oxide semiconductor element and the n-type metal oxide semiconductor element are directly connected.
前記p型金属酸化物半導体素子と前記n型金属酸化物半導体素子とを接続する電極膜をさらに備え、
該電極膜が溶射により形成されていることを特徴とする熱電変換装置。 In the thermoelectric conversion apparatus of any one of Claims 1-5,
An electrode film connecting the p-type metal oxide semiconductor element and the n-type metal oxide semiconductor element;
A thermoelectric conversion device, wherein the electrode film is formed by thermal spraying.
アルミニウムドープ酸化亜鉛粒子の溶射により前記基材の表面に前記n型金属酸化物半導体素子を膜状に形成する工程を有し、
前記溶射における溶射温度を2400℃以上2800℃以下、溶射速度を1800m/s以上2000m/s以下、溶射距離を90mm以上110mm以下とすることを特徴とする熱電変換装置の製造方法。 In a method of manufacturing a thermoelectric conversion device comprising a base material, and a p-type metal oxide semiconductor element and an n-type metal oxide semiconductor element that are arranged on the surface of the base material and connected in series,
Forming the n-type metal oxide semiconductor element in a film shape on the surface of the base material by spraying aluminum-doped zinc oxide particles;
A method for manufacturing a thermoelectric conversion device, wherein a spraying temperature in the spraying is 2400 ° C. or more and 2800 ° C. or less, a spraying speed is 1800 m / s or more and 2000 m / s or less, and a spraying distance is 90 mm or more and 110 mm or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012259986A JP6152262B2 (en) | 2012-11-28 | 2012-11-28 | Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012259986A JP6152262B2 (en) | 2012-11-28 | 2012-11-28 | Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014107443A true JP2014107443A (en) | 2014-06-09 |
JP6152262B2 JP6152262B2 (en) | 2017-06-21 |
Family
ID=51028669
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012259986A Expired - Fee Related JP6152262B2 (en) | 2012-11-28 | 2012-11-28 | Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6152262B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016115896A (en) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | 株式会社フジコー | Manufacturing method of thermoelectric transducer |
CN105742473A (en) * | 2016-03-09 | 2016-07-06 | 苏州常合新材料科技有限公司 | Semiconductor cooling and heating assembly graphene material |
CN109841725A (en) * | 2017-11-29 | 2019-06-04 | 现代自动车株式会社 | Electrothermal module plate and thermoelectric module assemblies including it |
WO2020214091A1 (en) * | 2019-04-15 | 2020-10-22 | Agency For Science, Technology And Research | Thermoelectric device |
Citations (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60126878A (en) * | 1983-12-13 | 1985-07-06 | Nippon Denso Co Ltd | Manufacture of thermoelectric generating element |
JPH0193182A (en) * | 1987-10-05 | 1989-04-12 | Murata Mfg Co Ltd | Thermoelectric element |
JPH02260581A (en) * | 1989-03-31 | 1990-10-23 | Murata Mfg Co Ltd | Thick film thermoelectric device |
JPH09301761A (en) * | 1996-05-10 | 1997-11-25 | Sekisui Chem Co Ltd | Production of inorganic hardened body with glassy layer |
JPH1168176A (en) * | 1997-08-08 | 1999-03-09 | Agency Of Ind Science & Technol | Thermoelectric conversion device |
JPH1197750A (en) * | 1997-09-16 | 1999-04-09 | Toshiba Corp | Thermoelectric material, its manufacturing method, and thermoelectric generation system |
JP2001028463A (en) * | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Agency Of Ind Science & Technol | Thermoelectric conversion device and manufacture thereof |
JP2002084006A (en) * | 2000-09-07 | 2002-03-22 | Daiken Kagaku Kogyo Kk | Oxide thermoelectric conversion material |
JP2002368292A (en) * | 2001-06-08 | 2002-12-20 | Unitika Ltd | Thermoelectric conversion module for high temperature |
JP2005019783A (en) * | 2003-06-27 | 2005-01-20 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Method for joining thermoelectric conversion material to electrode and thermoelectric conversion module |
JP2006061837A (en) * | 2004-08-27 | 2006-03-09 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Reactor equipped with heat generator |
JP2009032893A (en) * | 2007-07-26 | 2009-02-12 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Thermoelectric conversion element and method for manufacturing the same |
JP2010157644A (en) * | 2008-12-29 | 2010-07-15 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Thermoelectric power generation module |
JP2011047127A (en) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Window structure |
JP2011198989A (en) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Thermoelectric conversion material, method of manufacturing the same, and thermoelectric conversion module |
WO2012002509A1 (en) * | 2010-07-02 | 2012-01-05 | 国立大学法人 九州工業大学 | Process for producing thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion material, and production appartus for use in the production process |
JP2012231025A (en) * | 2011-04-26 | 2012-11-22 | Toto Ltd | Thermoelectric conversion module |
JP2013500608A (en) * | 2009-07-27 | 2013-01-07 | コーニング インコーポレイテッド | Thermoelectric material coating and apparatus including thermoelectric material |
-
2012
- 2012-11-28 JP JP2012259986A patent/JP6152262B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60126878A (en) * | 1983-12-13 | 1985-07-06 | Nippon Denso Co Ltd | Manufacture of thermoelectric generating element |
JPH0193182A (en) * | 1987-10-05 | 1989-04-12 | Murata Mfg Co Ltd | Thermoelectric element |
JPH02260581A (en) * | 1989-03-31 | 1990-10-23 | Murata Mfg Co Ltd | Thick film thermoelectric device |
JPH09301761A (en) * | 1996-05-10 | 1997-11-25 | Sekisui Chem Co Ltd | Production of inorganic hardened body with glassy layer |
JPH1168176A (en) * | 1997-08-08 | 1999-03-09 | Agency Of Ind Science & Technol | Thermoelectric conversion device |
JPH1197750A (en) * | 1997-09-16 | 1999-04-09 | Toshiba Corp | Thermoelectric material, its manufacturing method, and thermoelectric generation system |
JP2001028463A (en) * | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Agency Of Ind Science & Technol | Thermoelectric conversion device and manufacture thereof |
JP2002084006A (en) * | 2000-09-07 | 2002-03-22 | Daiken Kagaku Kogyo Kk | Oxide thermoelectric conversion material |
JP2002368292A (en) * | 2001-06-08 | 2002-12-20 | Unitika Ltd | Thermoelectric conversion module for high temperature |
JP2005019783A (en) * | 2003-06-27 | 2005-01-20 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Method for joining thermoelectric conversion material to electrode and thermoelectric conversion module |
JP2006061837A (en) * | 2004-08-27 | 2006-03-09 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Reactor equipped with heat generator |
JP2009032893A (en) * | 2007-07-26 | 2009-02-12 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Thermoelectric conversion element and method for manufacturing the same |
JP2010157644A (en) * | 2008-12-29 | 2010-07-15 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Thermoelectric power generation module |
JP2013500608A (en) * | 2009-07-27 | 2013-01-07 | コーニング インコーポレイテッド | Thermoelectric material coating and apparatus including thermoelectric material |
JP2011047127A (en) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Window structure |
JP2011198989A (en) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Thermoelectric conversion material, method of manufacturing the same, and thermoelectric conversion module |
WO2012002509A1 (en) * | 2010-07-02 | 2012-01-05 | 国立大学法人 九州工業大学 | Process for producing thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion material, and production appartus for use in the production process |
JP2012231025A (en) * | 2011-04-26 | 2012-11-22 | Toto Ltd | Thermoelectric conversion module |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016115896A (en) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | 株式会社フジコー | Manufacturing method of thermoelectric transducer |
CN105742473A (en) * | 2016-03-09 | 2016-07-06 | 苏州常合新材料科技有限公司 | Semiconductor cooling and heating assembly graphene material |
CN109841725A (en) * | 2017-11-29 | 2019-06-04 | 现代自动车株式会社 | Electrothermal module plate and thermoelectric module assemblies including it |
KR20190063215A (en) * | 2017-11-29 | 2019-06-07 | 현대자동차주식회사 | Thermoelectric module sheet and thermoelectric module assembly having the same |
KR102335989B1 (en) * | 2017-11-29 | 2021-12-07 | 현대자동차주식회사 | Thermoelectric module sheet and thermoelectric module assembly having the same |
CN109841725B (en) * | 2017-11-29 | 2023-11-10 | 现代自动车株式会社 | Thermoelectric module board and thermoelectric module assembly comprising same |
WO2020214091A1 (en) * | 2019-04-15 | 2020-10-22 | Agency For Science, Technology And Research | Thermoelectric device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6152262B2 (en) | 2017-06-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6633883B2 (en) | Honeycomb structure and manufacturing method thereof | |
JP6152262B2 (en) | Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof | |
WO2010058553A1 (en) | Thermoelectric element and thermoelectric device | |
JP2013026334A (en) | Stacked thermoelectric conversion module | |
JP2009272584A (en) | Thermoelectric power generator | |
JP2012124469A (en) | Thermoelectric element and thermoelectric module | |
JP2011035117A (en) | Thermoelectric conversion material | |
JP5464274B2 (en) | Thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and communication device | |
JPWO2017038831A1 (en) | Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module | |
TW201927552A (en) | Insulated heat-transfer substrate, thermoelectric conversion module, and method for manufacturing insulated heat-transfer substrate | |
CN115004391A (en) | Thermoelectric conversion module | |
JP6778968B2 (en) | Thermoelectric cell and thermoelectric module | |
US20180287517A1 (en) | Phase change inhibited heat-transfer thermoelectric power generation device and manufacturing method thereof | |
JP5158200B2 (en) | Thermoelectric conversion module and method for manufacturing thermoelectric conversion module | |
CN104321889A (en) | Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion module using same, and method for manufacturing thermoelectric conversion material | |
JP2010098035A (en) | Thermoelectric conversion element | |
CN103022338A (en) | Manufacturing method of cascade temperature-difference power generating device | |
JP4584355B2 (en) | Thermoelectric power generation device and power generation method using the same | |
JP2010245492A (en) | Thermal power generation element constituting means and thermal power generation element | |
JP5176610B2 (en) | Thermoelectric device element | |
JP4883846B2 (en) | Thermoelectric conversion module for high temperature | |
KR102145901B1 (en) | Thermoelectric device module | |
JP2013042113A (en) | Thermoelectric transducer and thermoelectric conversion power generator | |
JP6399251B2 (en) | Thermoelectric conversion element and method for manufacturing thermoelectric conversion element | |
JP4882855B2 (en) | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151109 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20161017 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161206 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161221 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170516 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170529 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6152262 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |