JP2021072383A - 熱電変換素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
V=SNΔT(l/t)
で定義される。ここで、SNはネルンスト係数であり、lは熱電材料の起電力方向における長さであり、tは熱電材料の温度勾配方向における厚みである。したがって、より高い電圧Vを得るためには、熱電材料の起電力方向における長さlを長くするか、熱電材料の温度勾配方向における厚みtを薄くすれば良い。しかしながら、熱電材料の温度勾配方向における厚みを薄くすると、その分、温度差ΔTが小さくなるため、熱電材料の温度勾配方向における厚みtを薄くすることによって電圧Vを高めることは困難である。このため、より高い電圧Vを得るためには、熱電材料の起電力方向における長さlを長くする必要がある。
厚さ5μm、幅5mm、長さ2.3mのポリエチレンテレフタレートからなる絶縁フィルム上に、厚さ0.1μmのFePtからなる熱電材料層を形成することによってテープ状部材を作製した。次に、テープ状部材に厚み方向の磁場を印加することによって、熱電材料層を厚み方向に磁化した後、長手方向が周方向、厚さ方向が径方向、幅方向が軸方向となるよう、テープ状部材を巻回することによって、実施例1の熱電変換素子を作製した。巻回されたテープ状部材の外径は7.1mmである。したがって、軸方向と直交する平面におけるテープ状部材の専有面積は、0.4cm2である。また、熱電材料層の熱伝導率は10W/mKであり、絶縁フィルムの熱伝導率は0.3W/mKである。熱電材料の径方向への磁化配向度は60%である。このような構造を有する実施例1の熱電変換素子に対し、軸方向に10℃の温度差を与え、外周端に位置する熱電材料層と内周端に位置する熱電材料層の間に現れる電圧を測定した。その結果、得られた電圧は2mVであり、単位面積あたりの電圧は5mV/cm2であった。
熱電材料層の径方向への磁化配向度を80%に高めた他は、実施例1と同様の構造を持つ実施例2の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は3mV、単位面積あたりの電圧は8mV/cm2であり、実施例1よりも高い電圧が得られた。
熱電材料層の表面に厚さ0.01μmの低熱伝導層を形成した他は、実施例1と同様の構造を持つ実施例3の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。低熱伝導層の熱伝導率は9W/mKであり、熱電材料層の熱伝導率をaとし、低熱伝導層の熱伝導率をcとした場合のc/a比率は0.9である。その結果、得られた電圧は4mV、単位面積あたりの電圧は10mV/cm2であり、実施例1よりも高い電圧が得られた。
低熱伝導層の材料として熱伝導率が8W/mKである材料を用いた他は、実施例3と同様の構造を持つ実施例4の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。c/a比率は0.8である。その結果、得られた電圧は5mV、単位面積あたりの電圧は13mV/cm2であり、実施例3よりも高い電圧が得られた。
テープ状部材を軸方向から挟み込むよう、厚さ1mmの一対の均熱部材を追加した他は、実施例1と同様の構造を持つ実施例5の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。均熱部材の熱伝導率は11W/mKであり、熱電材料層の熱伝導率をaとし、均熱部材の熱伝導率をbとした場合のb/a比率は1.1である。その結果、得られた電圧は4mV、単位面積あたりの電圧は10mV/cm2であり、実施例1よりも高い電圧が得られた。
均熱部材の材料として熱伝導率が15W/mKである材料を用いた他は、実施例5と同様の構造を持つ実施例6の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。b/a比率は1.5である。その結果、得られた電圧は5mV、単位面積あたりの電圧は13mV/cm2であり、実施例5よりも高い電圧が得られた。
熱電材料としてCo2MnGaを用いた他は、実施例1と同様の構造を持つ実施例7の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は14mV、単位面積あたりの電圧は35mV/cm2であり、実施例1よりも高い電圧が得られた。
10,10A テープ状部材
11 絶縁フィルム
12 熱電材料層
13 低熱伝導層
21,22 均熱部材
E1,E2 端子電極
F 熱流
φ 磁界
Claims (8)
- 絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの表面に形成され、磁化方向、温度勾配の方向及び起電力の方向が互いに垂直となる熱電材料層を含むテープ状部材と、
長手方向における異なる位置において前記熱電材料層に接続された一対の端子電極と、備え、
前記テープ状部材は、前記長手方向が周方向となるよう巻回され、
前記熱電材料層は、径方向に磁化されていることを特徴とする熱電変換素子。 - 前記熱電材料層の前記径方向への磁化配向度が80%以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記テープ状部材は、前記熱電材料層を覆い、前記熱電材料層よりも熱伝導性の低い低熱伝導層をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換素子。
- 前記低熱伝導層の熱伝導率は、前記熱電材料層の熱伝導率の0.8倍以下であることを特徴とする請求項3に記載の熱電変換素子。
- 前記テープ状部材を軸方向から挟み込み、前記熱電材料層よりも熱伝導率の高い一対の均熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
- 前記均熱部材の熱伝導率は、前記熱電材料層の熱伝導率の1.5倍以上であることを特徴とする請求項5に記載の熱電変換素子。
- 前記熱電材料層は、フェルミエネルギー近傍にワイル点を有し、かつ異常ネルンスト効果を示す材料からなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
- 長尺状の絶縁フィルムの表面に、磁化方向、温度勾配の方向及び起電力の方向が互いに垂直となる熱電材料層を形成することによってテープ状部材を作製する工程と、
前記テープ状部材に磁場を印加することによって、前記熱電材料層を積層方向に磁化する工程と、
長手方向が周方向となるよう、前記テープ状部材を巻回する工程と、を備えることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
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