JP2017050519A - Fesi2-based lamination type thermoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は温度差を利用して発電する熱電発電モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation module that generates power using a temperature difference.
ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールが知られており、熱電変換モジュールは一般的にセラミックス基板上にp型半導体からなる熱電変換素子(p型素子)とn型半導体からなる熱電変換素子(n型素子)を交互配置し、それらのp型素子とn型素子を電極で直列に接続した構造を有している。A thermoelectric conversion module using the Seebeck effect is known. The thermoelectric conversion module is generally a thermoelectric conversion element (p-type element) made of a p-type semiconductor and a thermoelectric conversion element (n-type semiconductor) made of an n-type semiconductor on a ceramic substrate. Element) are alternately arranged, and the p-type element and the n-type element are connected in series by electrodes.
FeSi2系熱電変換素子は、環境負荷の小さい材料として知られている。The FeSi 2 -based thermoelectric conversion element is known as a material having a small environmental load.
素子間の接続を極力電気抵抗の小さい状態で行うための方法が提案されている。There has been proposed a method for connecting elements in a state where electric resistance is as low as possible.
通常p型素子とn型素子は、導電ペーストやろう付けなどにより金属製の電極を介して、接合されている。 Usually, the p-type element and the n-type element are joined via a metal electrode by means of conductive paste or brazing.
しかし熱電換材料は半導体である場合が多く、モジュールを構成するための金属電極と半導体素子の接合は一般的に困難である。 However, in many cases, the thermoelectric material is a semiconductor, and it is generally difficult to join a metal electrode and a semiconductor element for constituting a module.
p型素子とn型素子をそれぞれ作製した後、接合しているため、作製に要する工数が大きい問題がある。 Since each of the p-type element and the n-type element is produced and then joined, there is a problem that the number of man-hours required for production is large.
また導電ペーストやロウ付けによる接合は、接合部の信頼性が低い問題がある。特に高温にさらされる側の接合部には高い信頼性が要求される。 In addition, bonding by conductive paste or brazing has a problem that the reliability of the bonded portion is low. In particular, a high reliability is required for a joint portion exposed to a high temperature.
p型素子およびn型素子の創成と、p型素子とn型素子の接合を同時に行い積層構造のモジュールを作製することにより、接合工程を削除し、また接合部の信頼性を向上させる。The creation of the p-type element and the n-type element and the joining of the p-type element and the n-type element are performed simultaneously to produce a module having a laminated structure, thereby eliminating the joining process and improving the reliability of the joint.
グラファイト型にp型FeSi2粉末と、n型FeSi2粉末を交互に充填し、放電プラズマ焼結装置にて焼結する。
p型FeSi2粉末はFeSi2にCrを添加した粉末であり、n型FeSi2粉末はFeSi2にCoCrを添加した粉末である。A graphite mold is alternately filled with p-type FeSi 2 powder and n-type FeSi 2 powder, and sintered by a discharge plasma sintering apparatus.
The p-type FeSi 2 powder is a powder obtained by adding Cr to FeSi 2 , and the n-type FeSi 2 powder is a powder obtained by adding CoCr to FeSi 2 .
焼結後得られた焼結体を六面体形状に加工した後、効率的に温度をつける目的で溝加工を行う。After the sintered body obtained after sintering is processed into a hexahedral shape, grooving is performed for the purpose of efficiently increasing the temperature.
素子と電極(あるいは導線)の接合を容易にするために、粉末の最上面と最下面に金属板を挿入して焼結した。In order to facilitate the joining of the element and the electrode (or conductive wire), a metal plate was inserted into the uppermost surface and the lowermost surface of the powder and sintered.
p型粉末とn型粉末の間に、それぞれの添加元素の相互拡散を防ぐ目的で金属板を挿入しても良い。A metal plate may be inserted between the p-type powder and the n-type powder for the purpose of preventing mutual diffusion of each additive element.
本発明によれば、従来p型素子とn型素子を個別に加工し、その後金属ペーストや半田などで接合していたものが、素子の焼結と同時に接合が完了するので、接合工程が不要になり、製作工程の短縮が可能になる。 According to the present invention, a conventional p-type element and n-type element are separately processed and then joined with a metal paste or solder, and the joining is completed simultaneously with the sintering of the element, so a joining process is unnecessary. Thus, the manufacturing process can be shortened.
また金属ペーストや半田は信頼性に問題がある。特に半田は例えば600℃などの高温には耐えられないなどの問題もあるが、本発明によれば、接合部の耐熱性は素子の耐熱性と同等であることが期待できる。 Metal paste and solder have a problem in reliability. In particular, solder has a problem that it cannot withstand high temperatures such as 600 ° C., but according to the present invention, it can be expected that the heat resistance of the joint is equal to the heat resistance of the element.
以下本発明の実施の形態の熱電発電モジュールについて、図面を用いて説明する。比較として従来の方法によるモジュールの例を図1に示す。Hereinafter, thermoelectric power generation modules according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. For comparison, an example of a module according to a conventional method is shown in FIG.
p型素子1およびn型素子2は、それぞれ焼結した後、所定の形状に加工したものである。加工されたp型素子1およびn型素子は金属ペースト3により銅製の電極4と接合する。この図は2対の例を示している。その後上下をセラミックスの絶縁板5により挟み込み熱電発電モジュールとして使用される。The p-
図2は本発明での、素子の焼結と接合を同時に行うための粉末充填状態を断面図で示したものである。p型FeSi2粉末6とn型FeSi2粉末7を、交互に5層ずつ、内径φ20のグラファイト製のダイ8とグラファイト製下パンチ9で構成される空間に充填した。粉末量は各層が焼結後およそ3.5mmとなると推測される量とした。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a powder filling state for simultaneous sintering and joining of elements in the present invention. The p-type FeSi 2 powder 6 and the n-type FeSi 2 powder 7 were alternately filled into a space composed of a graphite die 8 and a graphite lower punch 9 having an inner diameter of φ20 in five layers. The amount of powder was estimated to be about 3.5 mm after each layer was sintered.
この時p型素子およびn型素子と電力を取り出すための導線などを接合しやすくするための、金属層を設ける目的で最上面と最下面に銀板10を充填した。At this time, the
その後上パンチ11を挿入して、放電プラズマ焼結機により焼結した。焼結を行なうときの温度は、たとえば750℃で、上下パンチへの加圧は、たとえば70MPaである。Thereafter, the
焼結体を図3に示す。直径が20mm、高さが約35mmの焼結体が得られた。The sintered body is shown in FIG. A sintered body having a diameter of 20 mm and a height of about 35 mm was obtained.
図3に示す焼結体を、φ20の面を15mm×11mmに寸法に加工を行ったものを図4に示す。15mm×11mm×35mmの6面体を得た。FIG. 4 shows the sintered body shown in FIG. 3 which has been processed into a size of 15 mm × 11 mm on the surface of φ20. A hexahedron of 15 mm × 11 mm × 35 mm was obtained.
図4の6面体に図5に示すように、15mm方向に交互に、p型素子とn型素子の界面にそって幅1mm、深さ10mmの溝加工14を行った。As shown in FIG. 5,
図5で得られた加工体に導線15を半田接合して、セラミックス製絶縁板5で挟み込み、図6に示すモジュールとした。この時導線とAg層は容易に半田付可能であり、低温側で接合するため耐熱性の問題はない。The
1 p型素子
2 n型素子
3 導電ペースト、ろう材など
4 電極
5 絶縁用セラミックス
6 p型FeSi2粉末
7 n型FeSi2粉末
8 グラファイト製ダイ
9 グラファイト製下パンチ
10 銀板
11 グラファイト製上パンチ
12 p型FeSi2素子
13 n型FeSi2素子
14 溝加工
15 導線DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 p-type element 2 n-type element 3 Conductive paste, brazing material, etc. 4
本発明は温度差を利用して発電する熱電発電モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation module that generates power using a temperature difference.
ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールが知られており、熱電変換モジュールは一般的にセラミックス基板上にp型半導体からなる熱電変換素子(p型素子)とn型半導体からなる熱電変換素子(n型素子)を交互配置し、それらのp型素子とn型素子を電極で直列に接続した構造を有している。A thermoelectric conversion module using the Seebeck effect is known. The thermoelectric conversion module is generally a thermoelectric conversion element (p-type element) made of a p-type semiconductor and a thermoelectric conversion element (n-type semiconductor) made of an n-type semiconductor on a ceramic substrate. Element) are alternately arranged, and the p-type element and the n-type element are connected in series by electrodes.
FeSi2系熱電変換素子は、環境負荷の小さい材料として知られている。The FeSi 2 -based thermoelectric conversion element is known as a material having a small environmental load.
素子間の接続を極力電気抵抗の小さい状態で行うための方法が提案されている。There has been proposed a method for connecting elements in a state where electric resistance is as low as possible.
通常p型素子とn型素子は、導電ペーストやろう付けなどにより金属製の電極を介して、接合されている。 Usually, the p-type element and the n-type element are joined via a metal electrode by means of conductive paste or brazing.
しかし熱電換材料は半導体である場合が多く、モジュールを構成するための金属電極と半導体素子の接合は一般的に困難である。 However, in many cases, the thermoelectric material is a semiconductor, and it is generally difficult to join a metal electrode and a semiconductor element for constituting a module.
p型素子とn型素子をそれぞれ作製した後、接合しているため、作製に要する工数が大きい問題がある。 Since each of the p-type element and the n-type element is produced and then joined, there is a problem that the number of man-hours required for production is large.
また導電ペーストやロウ付けによる接合は、接合部の信頼性が低い問題がある。特に高温にさらされる側の接合部には高い信頼性が要求される。 In addition, bonding by conductive paste or brazing has a problem that the reliability of the bonded portion is low. In particular, a high reliability is required for a joint portion exposed to a high temperature.
p型素子およびn型素子の創成と、p型素子とn型素子の接合を同時に行い積層構造のモジュールを作製することにより、接合工程を削除し、また接合部の信頼性を向上させる。The creation of the p-type element and the n-type element and the joining of the p-type element and the n-type element are performed simultaneously to produce a module having a laminated structure, thereby eliminating the joining process and improving the reliability of the joint.
グラファイト型にp型FeSi2粉末と、n型FeSi2粉末を交互に充填し、放電プラズマ焼結装置にて焼結する。
p型FeSi2粉末はFeSi2にCrを添加した粉末であり、n型FeSi2粉末はFeSi2にCoCrを添加した粉末である。A graphite mold is alternately filled with p-type FeSi 2 powder and n-type FeSi 2 powder, and sintered by a discharge plasma sintering apparatus.
The p-type FeSi 2 powder is a powder obtained by adding Cr to FeSi 2 , and the n-type FeSi 2 powder is a powder obtained by adding CoCr to FeSi 2 .
焼結後得られた焼結体を六面体形状に加工した後、効率的に温度をつける目的で溝加工を行う。After the sintered body obtained after sintering is processed into a hexahedral shape, grooving is performed for the purpose of efficiently increasing the temperature.
素子と電極(あるいは導線)の接合を容易にするために、粉末の最上面と最下面に金属板を挿入して焼結した。In order to facilitate the joining of the element and the electrode (or conductive wire), a metal plate was inserted into the uppermost surface and the lowermost surface of the powder and sintered.
p型粉末とn型粉末の間に、それぞれの添加元素の相互拡散を防ぐ目的で金属板を挿入しても良い。A metal plate may be inserted between the p-type powder and the n-type powder for the purpose of preventing mutual diffusion of each additive element.
本発明によれば、従来p型素子とn型素子を個別に加工し、その後金属ペーストや半田などで接合していたものが、素子の焼結と同時に接合が完了するので、接合工程が不要になり、製作工程の短縮が可能になる。 According to the present invention, a conventional p-type element and n-type element are separately processed and then joined with a metal paste or solder, and the joining is completed simultaneously with the sintering of the element, so a joining process is unnecessary. Thus, the manufacturing process can be shortened.
また金属ペーストや半田は信頼性に問題がある。特に半田は例えば600℃などの高温には耐えられないなどの問題もあるが、本発明によれば、接合部の耐熱性は素子の耐熱性と同等であることが期待できる。 Metal paste and solder have a problem in reliability. In particular, solder has a problem that it cannot withstand high temperatures such as 600 ° C., but according to the present invention, it can be expected that the heat resistance of the joint is equal to the heat resistance of the element.
以下本発明の実施の形態の熱電発電モジュールについて、図面を用いて説明する。比較として従来の方法によるモジュールの例を図1に示す。Hereinafter, thermoelectric power generation modules according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. For comparison, an example of a module according to a conventional method is shown in FIG.
p型素子1およびn型素子2は、それぞれ焼結した後、所定の形状に加工したものである。加工されたp型素子1およびn型素子は金属ペースト3により銅製の電極4と接合する。この図は2対の例を示している。その後上下をセラミックスの絶縁板5により挟み込み熱電発電モジュールとして使用される。The p-
図2は本発明での、素子の焼結と接合を同時に行うための粉末充填状態を断面図で示したものである。p型FeSi2粉末6とn型FeSi2粉末7を、交互に5層ずつ、内径φ20のグラファイト製のダイ8とグラファイト製下パンチ9で構成される空間に充填した。粉末量は各層が焼結後およそ3.5mmとなると推測される量とした。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a powder filling state for simultaneous sintering and joining of elements in the present invention. The p-type FeSi 2 powder 6 and the n-type FeSi 2 powder 7 were alternately filled into a space composed of a graphite die 8 and a graphite lower punch 9 having an inner diameter of φ20 in five layers. The amount of powder was estimated to be about 3.5 mm after each layer was sintered.
この時p型素子およびn型素子と電力を取り出すための導線などを接合しやすくするための、金属層を設ける目的で最上面と最下面に銀板10を充填した。At this time, the
その後上パンチ11を挿入して、放電プラズマ焼結機により焼結した。焼結を行なうときの温度は、たとえば750℃で、上下パンチへの加圧は、たとえば70MPaである。Thereafter, the
焼結体を図3に示す。直径が20mm、高さが約35mmの焼結体が得られた。The sintered body is shown in FIG. A sintered body having a diameter of 20 mm and a height of about 35 mm was obtained.
図3に示す焼結体を、φ20の面を15mm×11mmに寸法に加工を行ったものを図4に示す。15mm×11mm×35mmの6面体を得た。FIG. 4 shows the sintered body shown in FIG. 3 which has been processed into a size of 15 mm × 11 mm on the surface of φ20. A hexahedron of 15 mm × 11 mm × 35 mm was obtained.
図4の6面体に図5に示すように、15mm方向に交互に、p型素子とn型素子の界面にそって幅1mm、深さ10mmの溝加工14を行った。As shown in FIG. 5,
図5で得られた加工体に導線15を半田接合して、セラミックス製絶縁板5で挟み込み、図6に示すモジュールとした。この時導線とAg層は容易に半田付可能であり、低温側で接合するため耐熱性の問題はない。The
1 p型素子
2 n型素子
3 導電ペースト、ろう材など
4 電極
5 絶縁用セラミックス
6 p型FeSi2粉末
7 n型FeSi2粉末
8 グラファイト製ダイ
9 グラファイト製下パンチ
10 銀板
11 グラファイト製上パンチ
12 p型FeSi2素子
13 n型FeSi2素子
14 溝加工
15 導線DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 p-type element 2 n-type element 3 Conductive paste, brazing material, etc. 4
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015187396A JP2017050519A (en) | 2015-09-04 | 2015-09-04 | Fesi2-based lamination type thermoelectric conversion module |
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ID=58280274
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JP2015187396A Pending JP2017050519A (en) | 2015-09-04 | 2015-09-04 | Fesi2-based lamination type thermoelectric conversion module |
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JP (1) | JP2017050519A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017175528A1 (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-12 | 株式会社日立製作所 | Thermoelectric conversion material and production method therefor |
-
2015
- 2015-09-04 JP JP2015187396A patent/JP2017050519A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017175528A1 (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-12 | 株式会社日立製作所 | Thermoelectric conversion material and production method therefor |
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