JP2021044574A - マグネシウム系熱電変換材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度分布によらず熱電変換効率が高く、また、機械的な強度にも優れたマグネシウム系熱電変換材料の製造方法を提供する。【解決手段】Ｍｇ２Ｓｉからなる第一層とＭｇ２ＳｉｘＳｎ１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層とが直接接合されたマグネシウム系熱電変換材料の製造方法であって、マグネシウム粉末およびケイ素粉末の混合体からなる焼結原料を形成する原料形成工程と、焼結原料を加圧しながら加熱して第一層１４を形成する第一焼結工程と、第一層の接合面１５ａ側に、マグネシウム粉末およびスズ粉末、さらにＸ＞０の場合はケイ素粉末の混合体から成る焼結原料を配して加圧しながら加熱して、液相焼結によって第一層と直接接合された第二層１５を形成し、マグネシウム系熱電変換材料を得る第二焼結工程と、を備える。【選択図】図２

Description

この発明は、熱電変換効率に優れたマグネシウム系熱電変換材料の製造方法に関するものである。

熱電変換素子は ゼーベック効果、ペルティエ効果といった、熱と電気とを相互に変換可能な電子素子である。ゼーベック効果は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効果であり、熱電変換材料の両端に温度差を生じさせると起電力が発生する現象である。こうした起電力は熱電変換材料の特性によって決まる。近年ではこの効果を利用した熱電発電の開発が盛んである（例えば、特許文献１参照）。

このような熱電変換素子の特性を表す指標として、無次元性能指数（ＺＴ）が知られている。無次元性能指数（ＺＴ）は、以下の式１で表される。
ＺＴ＝Ｓ^２σＴ／κ・・・（１）
但し、Ｓ＝ゼーベック係数、σ＝電気伝導率、Ｔ＝絶対温度、κ＝熱伝導率
この式１からも分かるように、無次元性能指数には温度のファクターが入っており、熱電変換性能は温度の影響を大きく受ける。

熱電変換素子は、その構成材料によって、性能が最大限高まる温度が大きく異なっている。
このため、１種類の構成材料で熱電変換素子を作製した場合、高温側と低温側との間に生じる温度分布による発電量の総和がその熱電変換素子の発電量となる。よって、ＺＴが高い材料を用いて熱電変換素子を形成しても、低温側の熱電変換効率が低いために、熱電変換素子全体として見た時の発電量は必ずしも高くならないという課題があった。

こうした１つの熱電変換素子内での温度分布による熱電変換効率の低下を改善するために、２種類以上の異なる熱電変換材料を積層した多層構造の熱電変換素子が知られている。この多層構造の熱電変換素子は、高温側には高温状態でＺＴが最大になる熱電変換材料を、低温側には低温状態でＺＴが最大になる熱電変換材料をそれぞれ配して、これら熱電変換材料どうしを導電性の接合層を介して接合したものである。

特表２０１２−５３３９７２号公報

しかしながら、上述した多層構造の熱電変換素子は、２種類以上の異なる熱電変換材料どうしを導電性の接合層を介して接合しており、接合層と熱電変換材料との熱膨張率の違いによって、接合部分で剥離しやすいという課題もあった。
また、異なる熱電変換材料の界面に電極を配置し、それぞれの熱電変換材料から電気を取り出すように構成されているため、構造が非常に複雑であった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、温度分布によらず熱電変換効率が高く、また、機械的な強度にも優れたマグネシウム系熱電変換材料を製造可能なマグネシウム系熱電変換材料の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法は、Ｍｇ_２Ｓｉからなる第一層とＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層とが直接接合され、前記第二層は、前記第一層との接合面と前記接合面から積層方向に沿った１μｍ以上５０μｍ以下の厚みの範囲において、前記接合面から遠ざかるほどスズ濃度が増加するスズ濃度遷移領域を有するマグネシウム系熱電変換材料の製造方法であって、マグネシウム粉末およびケイ素粉末の混合体からなる焼結原料を形成する原料形成工程と、前記焼結原料を１０ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、７５０℃以上、９５０℃以下の温度範囲で加熱して前記第一層を形成する第一焼結工程と、前記第一層の前記接合面側に、マグネシウム粉末およびスズ粉末、さらにＸ＞０の場合はケイ素粉末の混合体から成る焼結原料を配して、０．５ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、６５０℃以上、７５０℃以下の温度範囲で加熱して、液相焼結によって前記第一層と直接接合された前記第二層を形成し、マグネシウム系熱電変換材料を得る第二焼結工程と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法は、Ｍｇ_２Ｓｉからなる第一層とＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層とが直接接合され、前記第二層は、前記第一層との接合面と前記接合面から積層方向に沿った１μｍ以上５０μｍ以下の厚みの範囲において、前記接合面から遠ざかるほどスズ濃度が増加するスズ濃度遷移領域を有するマグネシウム系熱電変換材料の製造方法であって、マグネシウム粉末およびケイ素粉末の混合体からなる焼結原料を形成する原料形成工程と、前記焼結原料を１０ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、７５０℃以上、９５０℃以下の温度範囲で加熱して前記第一層を形成する第一焼結工程と、前記第一層の前記接合面側に、Ｍｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる焼結原料を配して、１０ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、６５０℃以上、８５０℃以下の温度範囲で加熱して、固相焼結によって前記第一層と直接接合された前記第二層を形成し、マグネシウム系熱電変換材料を得る第二焼結工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法によれば、第一焼結工程によって第一層を形成し、更にこの第一層に第二層となる焼結原料を配して、第二焼結工程によって第二層を形成することによって、無次元性能指数（ＺＴ）が高くなる温度領域が互いに異なる第一層と第二層とが直接接合されてなる熱電変換材料を得ることができる。こうして得られた熱電変換材料は、例えば、第一層の一面を高温環境に、第二層の他面を低温環境にそれぞれ置くことによって、第一層と第二層のそれぞれの熱電変換特性が最大限発揮される。
よって、単一組成の材料から成る熱電変換材料と比較して、熱電変換効率（発電効率）を大幅に向上させることが可能になる。

本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法は、前記第一焼結工程と前記第二焼結工程との間に、前記第一層の前記接合面を研磨する研磨工程を更に備えたことを特徴とする。

本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法は、前記第一焼結工程、および前記第一焼結工程は、ホットプレス法、熱間等方圧プレス法、放電プラズマ焼結法、通電焼結法、熱間圧延法、熱間押出法、熱間鍛造法の何れかで行うことを特徴とする。

本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法は、前記原料形成工程において、前記マグネシウム粉末およびケイ素粉末の混合体に対してシリコン酸化物を０．５ｍｏｌ％以上、１３．０ｍｏｌ％以下の範囲で添加することを特徴とする。

本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法によれば、熱電変換効率が高く、また、機械的な強度に優れたマグネシウム系熱電変換素子、および熱電変換装置を提供することができる。

本発明のマグネシウム系熱電変換材料およびこれを用いたマグネシウム系熱電変換素子を示す断面図である。 熱電変換材料を構成する第一層と第二層との接合部分を示す要部拡大断面図である。 熱電変換材料を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によって観察した画像にＭｇ，Ｓｉ，Ｓｎの濃度変化のグラフを重ね合わせた説明図である。 第一実施形態の熱電変換装置を示す断面図である。 第二実施形態の熱電変換装置を示す断面図である。 本発明の熱電変換材料の製造方法を段階的に示したフローチャートである。 放電プラズマ焼結装置の一例を示す断面図である。 他の実施形態である熱電変換材料の反射電子像である。 実施例において開放電圧を測定する装置の概略説明図である。

以下、図面を参照して、本発明のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（熱電変換材料、熱電変換素子）
図１は、本発明のマグネシウム系熱電変換材料を用いたマグネシウム系熱電変換素子を示す断面図である。また、図２は、マグネシウム系熱電変換材料を構成する第一層と第二層との接合部分を示す要部拡大断面図である。
熱電変換素子１０は、マグネシウム系熱電変換材料（以下、単に熱電変換材料と称することがある）１１の一方の面１１ａおよびこれに対向する他方の面１１ｂに、メタライズ層１２ａ、１２ｂがそれぞれ形成され、このメタライズ層１２ａ、１２ｂにそれぞれ重ねて電極１３ａ，１３ｂが形成されている。

熱電変換材料１１は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）からなる第一層１４と、Ｍｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層１５とが直接接合されたものから構成されている。本実施形態では、第一層１４の成形後に第一層１４に重ねて第二層１５を焼結形成することによって、第一層１４と第二層１５とを直接接合している。

図２に示すように、第二層１５は、第一層１４との接合面１５ａとその近傍において、接合面１５ａから遠ざかる、即ち接合面１５ａの反対面である熱電変換材料１１の他面１１ｂに向かうほど、スズ濃度が増加するスズ濃度遷移領域１６が形成されている。こうしたスズ濃度遷移領域１６は、例えば、積層方向に沿った厚みが１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲になるように形成される。スズ濃度遷移領域１６においては、スズ濃度の増加に伴って、ケイ素およびマグネシウムの濃度が低下する。

また、こうした熱電変換材料１１の半導体型を、例えばｎ型にする場合、ドーパントとしてアンチモン（Ｓｂ）を添加する。例えば、熱電変換材料１１の第一層１４として、Ｍｇ_２ＳｉにＳｉＯ_２を１．３ｍｏｌ、および５価ドナーであるアンチモンを０．５ａｔ％含ませることによって、キャリア密度の高いｎ型熱電変換材料にすることができる。なお、熱電変換材料１１をｎ型熱電変換素子とするためのドナーとしては、アンチモン以外にも、ビスマス、アルミニウム、リン、ヒ素などを用いることができる。

熱電変換材料１１の第一層１４を成すＭｇ_２Ｓｉは、第二層１５を成すＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）よりも高い温度領域、例えば５００℃以上で無次元性能指数（ＺＴ）が高くなる材料とされている。一方、第二層１５を成すＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）は、第一層１４を成すＭｇ_２Ｓｉよりも低い温度領域、例えば５００℃以下で無次元性能指数（ＺＴ）が高くなる材料とされている。

こうした無次元性能指数（ＺＴ）が高くなる温度領域が互いに異なる第一層１４と第二層１５とを直接接合した熱電変換材料１１を用いて、例えば、第一層１４のメタライズ層１２ａ側である一面１１ａを高温環境に、第二層１５のメタライズ層１２ｂ側である他面１１ｂを低温環境にそれぞれ置くことによって、第一層１４と第二層１５のそれぞれの熱電変換特性が最大限発揮される。よって、単一組成の材料から成る熱電変換材料と比較して、熱電変換効率（発電効率）を大幅に向上させることが可能になる。

一方、第二層１５が、第一層１４と直接接合される接合面１５ａとその近傍にスズ濃度遷移領域１６を有することによって、熱電変換材料１１の高温側と低温側との温度差による、第一層１４および第二層１５の接合面での剥離や割れの発生を抑制することができる。即ち、スズ濃度遷移領域１６は、第一層１４と接する接合面１５ａに向かうほど、スズ濃度が低減して第一層１４を構成するＭｇ_２Ｓｉに組成が近づく。

よって、Ｍｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層１５は、接合面１５ａにおいては、第一層１４を成すＭｇ_２Ｓｉに組成が近いものになる。よって、第一層１４と第二層１５との接合面１５ａにおいては、互いの熱膨張率の差が極めて小さくなり、高温側に臨む第一層１４と低温側に臨む第二層１５との温度差による接合面１５ａでの剥離や割れの発生を確実に抑制することができる。

図３に、熱電変換材料１１をＦＥＩ社製Ｑｕａｎｔａ４５０ＦＥＧ走査型電子顕微鏡によって観察した画像に、ＥＤＡＸ社製ＧｅｎｅｓｉｓシリーズのＥＤＸによって測定したＭｇ，Ｓｉ，Ｓｎの濃度変化のグラフを重ね合わせたものを測定箇所の異なる２例を並べて示す。なお、それぞれの濃度は、図中の下方に行くほど低いことを示している。
図３によれば、第一層１４と第二層１５との接合面１５ａから、第二層１５の反対面である他面１１ｂに向かって、例えば１μｍ以上、５０μｍ以下の厚み範囲でＳｎ濃度が漸増し、またこれと反対にＭｇ，Ｓｉ濃度が漸減するスズ濃度遷移領域１６が形成されていることが分かる。
なお、スズ濃度遷移領域１６の厚みは、第一層１４と第二層１５の接合界面をＦＥＩ社製Ｑｕａｎｔａ４５０ＦＥＧ走査型電子顕微鏡により、第一層１４が測定視野の左側に、第二層１５が測定視野の右側になるよう観察し、倍率５０００倍の視野（縦２３μｍ；横３０μｍ）において、ＥＤＡＸ社製ＧｅｎｅｓｉｓシリーズのＥＤＸを用いてＳｎのマッピング画像を取得し、Ｓｎ濃度が０．５ｗｔ％〜Ｘｗｔ％の領域をスズ濃度遷移領域１６とみなし、その領域の面積を算出した。ここで、Ｘは第二層１５のＳｎ濃度の９５％の値である。なお、第二層１５のＳｎ濃度は、第一層１４と第二層１５の接合面１５ａから第二層１５に向かって１００μｍ離間した位置において、同様の装置によって１０点を測定し、その平均値を第二層１５のＳｎ濃度とした。そして、算出されたスズ濃度遷移領域１６の面積を測定視野の縦幅の寸法で除した値を求め、５視野の平均をスズ濃度遷移領域１６の厚みとした。

メタライズ層１２ａ、１２ｂは、熱電変換材料１１に電極１３ａ，１３ｂを接合する中間層であり、例えば、ニッケル、金、銀、コバルト、タングステン、モリブデン等が用いられる。実施形態では、メタライズ層１２ａ、１２ｂとしてニッケルを用いている。メタライズ層１２ａ、１２ｂは、焼結、メッキ、電着等によって形成することができる。

電極１３ａ，１３ｂは、導電性に優れた金属材料、例えば、銅やアルミニウムなどの板材から形成されている。本実施形態では、アルミニウムの圧延板を用いている。また、メタライズ層１２ａ、１２ｂと電極１３ａ，１３ｂとは、ＡｇろうやＡｇメッキ等によって接合することができる。

こうした構成の熱電変換素子１０は、例えば、熱電変換材料１１の一方の面１１ａと他方の面１１ｂとの間に温度差を生じさせることによって、電極１３ａと電極１３ｂとの間に電位差を生じさせるゼーベック素子として用いることができる。

また、熱電変換素子１０は、例えば、電極１３ａ側と電極１３ｂとの間に電圧を印加することによって、熱電変換材料１１の一方の面１１ａと他方の面１１ｂとの間に温度差を生じさせるペルティエ素子として用いることができる。例えば、電極１３ａ側と電極１３ｂとの間に電流を流すことによって、熱電変換材料１１の一方の面１１ａまたは他方の面１１ｂを冷却、または加熱することができる。

（熱電変換装置：第一実施形態）
図４は、第一実施形態の熱電変換装置を示す断面図である。
熱電変換装置２０は、ユニレグ型の熱電変換装置である。
熱電変換装置２０は、一面上に配列された複数の熱電変換素子１０，１０…と、これら配列された熱電変換素子１０，１０…の一方の側および他方に側にそれぞれ配された伝熱板２１Ａ，２１Ｂとから構成されている。

熱電変換素子１０，１０…は、互いに同一の半導体型、即ち、アンチモンなどのドナーをドープしたｎ型熱電変換素子、または、リチウムや銀などのドーパントをドープしたｐ型熱電変換素子からなる。本実施形態では、熱電変換素子１０，１０…は、ドナーとしてアンチモンをドープしたｎ型熱電変換素子とした。

それぞれの熱電変換素子１０は、熱電変換材料１１と、この熱電変換材料１１の一方の面１１ａおよび他方の面１１ｂにそれぞれ接する、ニッケルからなるメタライズ層１２ａ，１２ｂと、このメタライズ層１２ａ，１２ｂに重ねて形成された電極１３ａ，１３ｂとからなる。そして、隣接する熱電変換素子１０，１０どうしは、一方の熱電変換素子１０の電極１３ａが、接続端子２３を介して、他方の熱電変換素子１０の電極１３ｂと電気的に接続される。なお、実際には、互いに隣接する熱電変換素子１０，１０の電極１３ａ、接続端子２３、電極１３ｂは、一体の電極板として形成されている。

多数配列された熱電変換素子１０，１０…は、電気的に一繋がりとなるように直列に接続されている。なお、図４では説明を明瞭にするために便宜的に熱電変換素子１０，１０…を一列分だけ図示しているが、実際には図４の紙面奥行き方向にも多数の熱電変換素子１０，１０…が配列されている。

伝熱板２１Ａ，２１Ｂは、熱電変換材料１１の一方の面１１ａまたは他方の面１１ｂに熱を加えたり、熱電変換材料１１の一方の面１１ａおよび他方の面１１ｂに熱を吸収させたりする媒体である。伝熱板２１Ａ，２１Ｂは、絶縁性で、かつ熱伝導性に優れた材料、例えば、炭化ケイ素、窒素ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの板材を用いることができる。
また、伝熱板２１Ａ，２１Ｂとして導電性の金属材料を用い、伝熱板２１Ａ，２１Ｂと電極１３ａ，１３ｂとの間に絶縁層などを形成することもできる。絶縁層としては、樹脂膜又は板、セラミックス薄膜又は板などが挙げられる。

本発明の熱電変換装置２０においても、それぞれの熱電変換素子１０を構成する熱電変換材料１１として、無次元性能指数（ＺＴ）が高くなる温度領域が互いに異なる第一層１４と第二層１５（図２参照）とを直接接合したものを用いることによって、第一層１４と第二層１５のそれぞれの熱電変換特性が最大限発揮され、単一組成の材料から成る熱電変換材料を用いた熱電変換装置と比較して、熱電変換効率（発電効率）を大幅に向上させることが可能になる。

一方、それぞれの熱電変換素子１０を構成する熱電変換材料１１の第二層１５にスズ濃度遷移領域１６（図２参照）を形成することによって、熱電変換材料１１の高温側と低温側との温度差による、第一層１４および第二層１５の接合面での剥離や割れの発生を抑制することができ、強度面でも優れた熱電変換装置２０を実現することができる。

（熱電変換装置：第二実施形態）
図５は、第二実施形態の熱電変換装置を示す断面図である。
熱電変換装置３０は、π（パイ）型の熱電変換装置である。
熱電変換装置３０は、一面上に交互に配列された熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂと、これら配列された熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂの一方の側および他方に側にそれぞれ配された伝熱板３１Ａ，３１Ｂとから構成されている。

熱電変換素子１０Ａは、アンチモンなどのドナーをドープした熱電変換材料１１Ａを有するｎ型熱電変換素子である。また、熱電変換素子１０Ｂは、リチウムや銀などのドーパントをドープした熱電変換材料１１Ｂを有するｐ型熱電変換素子である。あるいは、Ｐ型熱電変換素子のＭｎＳｉ_１．７３である。

それぞれの熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂは、熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂと、この熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂの一方の面１１ａおよび他方の面１１ｂにそれぞれ接する、ニッケルからなるメタライズ層１２ａ，１２ｂと、このメタライズ層１２ａ，１２ｂに重ねて形成された電極１３ａ，１３ｂとからなる。そして、隣接する熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂどうしは、一方の熱電変換素子１０Ａの電極１３ａが他方の熱電変換素子１０Ｂの電極１３ａと電気的に接続され、さらにこの他方の熱電変換素子１０Ｂの電極１３ｂが逆隣の熱電変換素子１０Ａの電極１３ｂに接続される。

なお、実際には、互いに隣接する熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂの電極１３ａと電極１３ａどうしや、その隣の電極１３ｂと電極１３ｂどうしは、一体の電極板として形成されている。これら電極板は、例えば、銅板やアルミニウム板を用いることができる。

このように配列された多数の熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂは、電気的に一繋がりとなるように直列に接続されている。即ち、π（パイ）型の熱電変換装置３０は、ｎ型熱電変換素子１０Ａと、ｐ型熱電変換素子１０Ｂとが交互に繰り返し直列に接続されてなる。
なお、図５では説明を明瞭にするために便宜的に熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂを一列分だけ図示しているが、実際には図５の紙面奥行き方向にも多数の熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂが配列されている。

伝熱板３１Ａ，３１Ｂは、熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂの一方の面１１ａまたは他方の面１１ｂに熱を加えたり、熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂの一方の面１１ａおよび他方の面１１ｂに熱を吸収させたりする媒体である。伝熱板３１Ａ，３１Ｂは、絶縁性で、かつ熱伝導性に優れた材料、例えば、炭化ケイ素、窒素ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの板材を用いることができる。
また、伝熱板３１Ａ，３１Ｂとして導電性の金属材料を用い、伝熱板３１Ａ，３１Ｂと電極１３ａ，１３ｂとの間に絶縁層などを形成することもできる。絶縁層としては、樹脂膜又は板、セラミックス薄膜又は板などが挙げられる。

本発明の熱電変換装置３０においても、それぞれの熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂを構成する熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂとして、無次元性能指数（ＺＴ）が高くなる温度領域が互いに異なる第一層１４と第二層１５（図２参照）とを直接接合したものを用いることによって、第一層１４と第二層１５のそれぞれの熱電変換特性が最大限発揮され、単一組成の材料から成る熱電変換材料を用いた熱電変換装置と比較して、熱電変換効率（発電効率）を大幅に向上させることが可能になる。

一方、それぞれの熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂを構成する熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂの第二層１５にスズ濃度遷移領域１６（図２参照）を形成することによって、熱電変換材料１１の高温側と低温側との温度差による、第一層１４および第二層１５の接合面での剥離や割れの発生を抑制することができ、強度面でも優れた熱電変換装置３０を実現することができる。

（熱電変換材料の製造方法）
本発明の熱電変換材料の製造方法を説明する。
図６は、本発明の熱電変換材料の製造方法を段階的に示したフローチャートである。
例えば、図１に示す熱電変換材料１１の製造にあたっては、まず、熱電変換材料１１を成す第一層１４の母材（マトリクス）となるマグネシウム系化合物を製造する（原料形成工程Ｓ１）。

本実施形態では、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）として、例えば、マグネシウム粉末、シリコン粉末と、ドーパントをそれぞれ計量して混合する。例えば、ｎ型の熱電変換材料を形成する場合には、アンチモン、ビスマス、など５価の材料やアルミニウムを、また、ｐ型の熱電変換材料を形成する場合には、リチウムや銀などの材料を混合する。
本実施形態では、ｎ型の熱電変換材料を得るためにドーパントとしてアンチモンを用い、添加量は０．５ａｔ％とした。そして、この混合粉末を、例えばアルミナるつぼに導入し、８００〜１１５０℃程度で加熱する。これにより、例えば塊状のＭｇ_２Ｓｉ固形物が得られる。なお、この加熱時に少量のマグネシウムが昇華するため、原料の計量時にＭｇ：Ｓｉ＝２：１の化学量論組成に対して例えば５％ほどマグネシウムを多く入れることが好ましい。

次に、得られた固形状のＭｇ_２Ｓｉを、例えば、粒径１０μｍ〜７５μｍとなるよう粉砕機によって粉砕し、微粉末状のＭｇ_２Ｓｉを形成する（粉砕工程Ｓ２）。

また、得られたＭｇ_２Ｓｉにシリコン酸化物を添加することもできる。シリコン酸化物を添加することによって、得られる熱電変換材料の硬度や発電効率が上昇する。シリコン酸化物を添加する場合、アモルファスＳｉＯ_２、クリストバライト、クオーツ、トリディマイト、コーサイト、ステイショバイト、ザイフェルト石、衝撃石英等のＳｉＯｘ（ｘ＝１〜２）を用いることができる。シリコン酸化物の混合量は０．５ｍｏｌ％以上１３．０ｍｏｌ％以下の範囲内であるとよい。より好ましくは、０．７ｍｏｌ％以上７ｍｏｌ％以下とするとよい。シリコン酸化物は、粒径１μｍ〜１００μｍの粉末状とするとよい。本実施形態では、シリコン酸化物として粒径２０μｍのＳｉＯ_２粉末を添加している。

なお、予め市販のＭｇ_２Ｓｉ粉末や、ドーパントが添加されたＭｇ_２Ｓｉ粉末を使用する場合、上述したＭｇ_２Ｓｉの粉末を形成するまでの工程（原料形成工程Ｓ１および粉砕工程Ｓ２）を省略することもできる。

このようにして得られた、Ｍｇ_２Ｓｉ粉末、およびＳｉＯ_２粉末からなる原料粉末を加熱焼結する（第一焼結工程Ｓ３）。原料粉末の焼結には、例えば、通電焼結装置が用いられる。

図７は、通電焼結装置の一例を示す断面図である。通電焼結装置１００は、例えば、耐圧筐体１０１と、この耐圧筐体１０１の内部を減圧する真空ポンプ１０２と、耐圧筐体１０１内に配された中空円筒形のカーボンモールド１０３と、カーボンモールド１０３内に充填された原料粉末Ｑを加圧しつつ電流を印加する一対の電極１０５ａ，１０５ｂと、この一対の電極１０５ａ，１０５ｂ間に電圧を印加する電源装置１０６とを備えている。また電極１０５ａ，１０５ｂと原料粉末Ｑとの間には、カーボン板１０７、カーボンシート１０８がそれぞれ配される。これ以外にも、図示せぬ温度計、変位計などを有している。

このような構成の通電焼結装置１００のカーボンモールド１０３内に原料粉末を充填する。カーボンモールド１０３は、例えば、内部がグラファイトシートで覆われている。そして、電源装置１０６を用いて、一対の電極１０５ａ，１０５ｂ間に直流電流を流して、原料粉末に電流を流すことによる自己発熱により昇温する。また、一対の電極１０５ａ，１０５ｂのうち、可動側の電極１０５ａを原料粉末に向けて移動させ、固定側の電極１０５ｂとの間で原料粉末を所定の圧力で加圧する。これにより、試料に直接通電された電流による自己発熱と、加圧とともに焼結駆動力として利用し、原料粉末を通電焼結させる。

焼結条件としては、加圧力１０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下、加熱時最高温度７５０℃以上９５０℃以下とされている。
また、最高温度における保持時間０秒以上１０分以下、降温速度１０℃／分以上５０℃／分以下とするとよい。
さらに、昇温速度を１０℃／分以上１００℃／分以下とするとよい。昇温速度を１０℃／分以上１００℃／分以下とすることで、比較的短時間で焼結させることができるとともに、残留する酸素と高濃度ケイ素域との反応を抑制し、高濃度ケイ素域が酸化することを抑制できる。また、耐圧筐体１０１内の雰囲気はアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気や真空雰囲気とするとよい。真空雰囲気とする場合は、圧力５Ｐａ以下とするとよい。
また、焼結後に得られた焼結物である熱電変換材料を構成する第一層１４のサイズは、例えば、直径３０ｍｍ×厚み５ｍｍの円筒形状である。

次に、円筒形状として得られた第一層１４を成す焼結体の一面側（第二層の接合面と接する面）を、例えば、試料研磨機を用いて研磨する（研磨工程Ｓ４）。これにより、第一層１４を成す焼結体の一面側を平滑にする。なお、研磨は、２２０番の研磨紙を貼った回転式の研磨機を用いて、ドライの状態で表面に残っているカーボンシートや表面の加工変質層を落とし、次に、３２０番の研磨紙を用いてドライで研磨した。

次に、一面側を研磨した第一層１４を成す焼結体を、図７に示す通電焼結装置１００のカーボンモールド１０３内に、研磨面側を上にして再び挿入する。そして、この第一層１４を成す焼結体の研磨面に重ねて、第二層１５の原料粉末となる混合体を導入する。
第二層１５の原料粉末（混合体）としては、例えば、マグネシウム粉末（純度９９．９９％，粒径１８０μｍ）を４．４４４４ｇ、ケイ素粉末（純度９９．９９９９％，粒径４５μｍ）を１．０１９ｇ、スズ粉末（純度９９．９９９９％、粒径６３μｍ）を６．４７４ｇ、ドーパントとしてアンチモン粉末（純度９９．９９９％、粒径４５μｍ）を０．０５５ｇ、それぞれ計量し、これら粉末を乳鉢中で２０分間撹拌したものを用いた。

そして、通電焼結装置１００によって、第一層１４に重ねて第二層１５を焼結形成した（第二焼結工程Ｓ５）。焼結条件としては、加圧力０．５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下、加熱時最高温度６５０℃以上７５０℃以下とされている。また、最高温度における保持時間０秒以上１０分以下、降温速度１０℃／分以上５０℃／分以下とするとよい。なお、第二焼結工程Ｓ５においては、加圧力を徐々に上昇させていき到達圧力を上述の範囲内となるように加圧することが好ましい。
また、この第二焼結工程Ｓ５においては、スズ粉末、マグネシウム粉末等が溶解して液相が生じるため、液相焼結によって第一層１４に直接接合された第二層１５が形成されることになる。

こうして形成された第一層１４と第二層１５とからなる熱電変換材料１１は、バインダーを入れることなく第一層１４と第二層１５とが直接接合した。また、接合面１５ａ付近をＳＥＭで観察したところ、割れや空洞は観察されず、厚さ約９μｍのスズ濃度遷移領域１６が形成されていた。

得られた熱電変換材料１１の第二層１５の組成比はＭｇ：Ｓｎ：Ｓｉ＝２：０．６３：０．３７となっており、計算上の組成比であるＭｇ：Ｓｎ：Ｓｉ＝２：０．６０：０．４０に極めて近いものが得られた。

なお、本実施形態では、原料粉末の焼結に通電焼結法を用いたが、これ以外にも、例えば、ホットプレス法、熱間等方圧プレス法、放電プラズマ焼結法、熱間圧延法、熱間押出法、熱間鍛造法など、各種の加圧加熱法を適用することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、第二焼結工程Ｓ５において、第一層を成す焼結体に重ねて導入する第二層の原料粉末となる混合体として、マグネシウム粉末、ケイ素粉末、スズ粉末、アンチモン粉末を用いて、液相焼結によって第一層に直接接合された第二層を形成する構成として説明したが、これに限定されることはなく、第一層を成す焼結体に重ねて導入する第二層の焼結原料として、Ｍｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる焼結原料を用いて、固相焼結によって第一層に直接接合された第二層を形成する構成としてもよい。なお、このときの焼結条件は、加圧力を５ＭＰａ以上、焼結温度を６５０℃以上、８５０℃以下とすることが好ましい。
この場合、焼結時に液相が出現しないことから、図８に示すように、第一層と第二層との接合界面が平面状となり、スズ濃度遷移領域の厚さ比較的薄く、且つ、均一となる。

以下、本発明の効果を確認すべく実施した実験結果について説明する。
純度９９．９％のＭｇ（粒径１８０μｍ：株式会社高純度化学研究所製）、純度９９．９９％のＳｉ（粒径３００μｍ：株式会社高純度化学研究所製）、純度９９．９％のＳｂ（粒径３００μｍ：株式会社高純度化学研究所製）を、それぞれ計量した。これら粉末を乳鉢中で良く混ぜ、アルミナるつぼに入れて、８５０℃で２時間、Ａｒ−５％Ｈ_２中で加熱した。Ｍｇの昇華によるＭｇ：Ｓｉ＝２：１の化学量論組成からのずれを考慮して、Ｍｇを５％多く混合した。これにより、Ｍｇ_２Ｓｉ固形物（母材）を得た。

次に、このＭｇ_２Ｓｉ固形物（母材）を乳鉢中で細かく砕いて、この粉末を分級して７５μｍ以下のサイズのＳｂドープＭｇ_２Ｓｉ粉末を作製した。このＳｂドープＭｇ_２Ｓｉ粉末に、ＳｉＯ_２（粒径２０μｍ：株式会社龍森製）を１．３ｍｏｌ％の割合で混合して、乳鉢で良く混ぜ、各原料粉末を得た。

これらの原料粉末をカーボンシートで内側を覆ったカーボンモールドに詰め、通電焼結装置にセットし、通電焼結により第一層となるＭｇ_２Ｓｉ焼結体を作製した。真空中（１Ｐａ）で、加圧力を４０ＭＰａ、４０℃／ｍｉｎの昇温速度で６００℃まで加熱し、さらに３０℃／ｍｉｎの昇温速度で９５０℃まで加熱し、９５０℃で１分保持した。なお、Ｍｇ_２Ｓｉ焼結体のサイズは、直径３０ｍｍ×厚み５ｍｍの円筒形状である。
得られたＭｇ_２Ｓｉ焼結体の一面を２２０番の研磨紙及び３２０番の研磨紙を用いて回転式の研磨機によって乾燥状態で研磨した。

そして、本発明例１では、上述のＭｇ_２Ｓｉ焼結体の研磨面上に、純度９９．９％のＭｇ（粒径１８０μｍ：株式会社高純度化学研究所製）、純度９９．９９％のＳｉ（粒径３００μｍ：株式会社高純度化学研究所製）、スズ粉末（純度９９．９９９９％、粒径６３μｍ）、純度９９．９％のＳｂ（粒径３００μｍ：株式会社高純度化学研究所製）を、それぞれ計量し、これら粉末を乳鉢中で２０分間撹拌した混合粉を配置して通電焼結装置にセットし、液相焼結により第一層と直接接合されたＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層を備えた熱電変換材料を得た。なお、焼結条件は、真空中（１Ｐａ）で、加圧力を０．５ＭＰａとし、４０℃／ｍｉｎの昇温速度で６００℃まで加熱し、さらに ３０℃／ｍｉｎの昇温速度で ６７０℃で加熱し、６７０℃で５分保持するものとした。なお、熱電変換材料のサイズは、直径３０ｍｍ×厚み１０ｍｍの円筒形状である。この円筒状試料から、５ｍｍ×５ｍｍ×７ｍｍ高さの角柱状の熱電素子を作成した。

また、本発明例２，３では、上述のＭｇ_２Ｓｉ焼結体の一面に、Ｍｇ_２Ｓｉ_０．５Ｓｎ_０．５粉末（粒径 ７５μｍ：株式会社ミツバ製）を配置して通電焼結装置にセットし、固相焼結により第一層と直接接合されたＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層を備えた熱電変換材料を得た。なお、焼結条件は、真空中（１Ｐａ）で、加圧力を２０ＭＰａ、４０℃／ｍｉｎの昇温速度で６００℃まで加熱し、さらに３０℃／ｍｉｎの昇温速度で７６５℃まで加熱し、７６５℃での保持は実施しなかった。なお、熱電変換材料のサイズは、直径３０ｍｍ×厚み１０ｍｍの円筒形状である。この円筒状試料から、５ｍｍ×５ｍｍ×７ｍｍ高さの角柱状の熱電素子を作成した。

なお、比較例では、上述の第一層となるＭｇ_２Ｓｉ焼結体作製条件と同じ条件で直径３０ｍｍ×厚み１０ｍｍの円筒形焼結体を作製して、５ｍｍ×５ｍｍ×７ｍｍ高さの角柱形の熱電素子を作製した。

（スズ濃度遷移領域の厚さ）
上述の本発明例１−３の熱電変換材料について、スズ濃度遷移領域の厚さを以下のようにして評価した。
熱電変換材料の第一層と第二層の接合界面をＦＥＩ社製Ｑｕａｎｔａ４５０ＦＥＧ走査型電子顕微鏡により、第一層が測定視野の左側に、第二層が測定視野の右側になるよう観察し、倍率５０００倍の視野（縦２３μｍ；横３０μｍ）において、ＥＤＡＸ社製ＧｅｎｅｓｉｓシリーズのＥＤＸを用いてＳｎのマッピング画像を取得し、Ｓｎ濃度が０．５ｗｔ％〜Ｘｗｔ％の領域をスズ濃度遷移領域とみなし、その領域の面積を算出した。ここで、Ｘは熱電変換材料の第二層のＳｎ濃度の９５％の値である。なお、熱電変換材料の第二層のＳｎ濃度は、熱電変換材料の第一層と第二層の接合面から第二層に向かって１００μｍ離間した位置において、同様の装置によって１０点を測定し、その平均値を第二層のＳｎ濃度とした。
そして、算出されたスズ濃度遷移領域の面積を測定視野の縦幅の寸法で除した値を求め、５視野の平均をスズ濃度遷移領域の厚さとした。評価結果を表１に示す。

（開放電圧）
熱電モジュール発電効率測定装置を用いて、開放電圧を測定した。装置の概略を図９に示す。測定試料Ｓとして、上述の本発明例１−３及び比較例の熱電変換材料（５ｍｍ×５ｍｍ×７ｍｍ高さ）を用いた。
この測定試料Ｓを、加熱ブロック２０１と熱流束ブロック２０２との間に挟み込み、加熱ブロック２０１を加熱するとともに、熱流束ブロック２０２をチラー２０３によって１０℃程度に冷却し、加熱ブロック２０１と熱流束ブロック２０２との間に、表１に示す温度差を生じさせた。なお。高温側の温度（Ｔｈ）は加熱ブロック２０１の温度であり、低温側の温度（Ｔｃ）は熱流束ブロック２０２の測定試料Ｓ側の温度である。
そして、加熱ブロック２０１と熱流束ブロック２０２とは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）によって電気的に絶縁した状態で、測定試料Ｓの高温側と低温側に電圧と電流を測定する端子を設け、測定試料Ｓに逆起電力をかけ、電流が０（最大電圧）から最大電流（電圧ゼロ）の値を測定した。今回、電流がゼロの開放電圧を評価した。評価結果を表１に示す。

比較例においては、温度差が３４８．２℃の条件で開放電圧が４６．２１ｍＶであった。
これに対して、本発明例１では温度差が３３１．２℃の条件で開放電圧が６３．１１ｍＶであり、本発明例２では温度差が３４４．８℃の条件で開放電圧が７１．７４ｍＶであった。同様の温度差の条件下においては、本発明例１，２の方が比較例よりも高い開放電圧を得ることができた。
さらに、本発明例３では、温度差が４７８．９℃の条件で開放電圧が１０８．９４ｍＶと非常に高い値を示した。

また、固相焼結によって第一層に直接接合された第二層を形成した本発明例２，３においては、液相焼結によって第一層に直接接合された第二層を形成した本発明例１に比べて、スズ濃度遷移領域の厚さが薄く、かつ、厚さのばらつきが小さかった。

以上のことから、本発明例によれば、比較例に比べて高い開放電圧を得ることができ、熱電変換効率が高くなることが確認された。

１０ 熱電変換素子
１１ マグネシウム系熱電変換材料
１２ａ、１２ｂ メタライズ層
１３ａ、１３ｂ 電極
１４ 第一層
１５ 第二層
１６ スズ濃度遷移領域

Claims (5)

1. Ｍｇ_２Ｓｉからなる第一層とＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層とが直接接合され、前記第二層は、前記第一層との接合面と前記接合面から積層方向に沿った１μｍ以上５０μｍ以下の厚みの範囲において、前記接合面から遠ざかるほどスズ濃度が増加するスズ濃度遷移領域を有するマグネシウム系熱電変換材料の製造方法であって、
   マグネシウム粉末およびケイ素粉末の混合体からなる焼結原料を形成する原料形成工程と、
   前記焼結原料を１０ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、７５０℃以上、９５０℃以下の温度範囲で加熱して前記第一層を形成する第一焼結工程と、
   前記第一層の前記接合面側に、マグネシウム粉末およびスズ粉末、さらにＸ＞０の場合はケイ素粉末の混合体から成る焼結原料を配して、０．５ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、６５０℃以上、７５０℃以下の温度範囲で加熱して、液相焼結によって前記第一層と直接接合された前記第二層を形成し、マグネシウム系熱電変換材料を得る第二焼結工程と、を備えたことを特徴とするマグネシウム系熱電変換材料の製造方法。
2. Ｍｇ_２Ｓｉからなる第一層とＭｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる第二層とが直接接合され、前記第二層は、前記第一層との接合面と前記接合面から積層方向に沿った１μｍ以上５０μｍ以下の厚みの範囲において、前記接合面から遠ざかるほどスズ濃度が増加するスズ濃度遷移領域を有するマグネシウム系熱電変換材料の製造方法であって、
   マグネシウム粉末およびケイ素粉末の混合体からなる焼結原料を形成する原料形成工程と、
   前記焼結原料を１０ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、７５０℃以上、９５０℃以下の温度範囲で加熱して前記第一層を形成する第一焼結工程と、
   前記第一層の前記接合面側に、Ｍｇ_２Ｓｉ_ｘＳｎ_１−ｘ（但し、ｘは０以上１未満）からなる焼結原料を配して、１０ＭＰａ以上の加圧力で加圧しながら、６５０℃以上、８５０℃以下の温度範囲で加熱して、固相焼結によって前記第一層と直接接合された前記第二層を形成し、マグネシウム系熱電変換材料を得る第二焼結工程と、を備えたことを特徴とするマグネシウム系熱電変換材料の製造方法。
3. 前記第一焼結工程と前記第二焼結工程との間に、前記第一層の前記接合面を研磨する研磨工程を更に備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法。
4. 前記第一焼結工程、および前記第二焼結工程は、ホットプレス法、熱間等方圧プレス法、放電プラズマ焼結法、通電焼結法、熱間圧延法、熱間押出法、熱間鍛造法の何れかで行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法。
5. 前記原料形成工程において、前記マグネシウム粉末およびケイ素粉末の混合体に対してシリコン酸化物を０．５ｍｏｌ％以上、１３．０ｍｏｌ％以下の範囲で添加することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のマグネシウム系熱電変換材料の製造方法。

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