JP2024023735A - Thermoelectric conversion system and thermoelectric conversion method - Google Patents

Thermoelectric conversion system and thermoelectric conversion method Download PDF

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悟 岡安
Satoru Okayasu
一哉 針井
Kazuya Harii
淳一 家田
Junichi Ieda
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a thermoelectric conversion system or a thermoelectric conversion method with less deterioration due to radiation.
SOLUTION: In a thermoelectric conversion system 1, a ferromagnetic insulating layer 20 and a metal layer 30 are sequentially formed on a substrate 10 along a film thickness direction (z direction). A heat source 40 that imparts temperature gradient to the thermoelectric conversion system 1 is connected to a lower side of the substrate 10. Since a potential difference due to the spin Seebeck effect occurs in a y-axis direction in the figure, a first electrode 31 and a second electrode 32 are connected to both ends of the metal layer 30 in the y-axis direction, respectively. Since the thermoelectric conversion system 1 has high γ-ray resistance, the thermoelectric conversion system does not require a heavy metal layer for shielding γ-rays.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本発明は、付与された温度勾配によって発電を行う熱電変換システム、熱電変換方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion system and a thermoelectric conversion method that generate electricity using an applied temperature gradient.

熱(温度勾配)によって発電を行う熱電変換素子として、例えばゼーベック素子が知られている。ゼーベック素子は、ゼーベック係数の異なる2種類の半導体層とこれらに接続された電極とで構成される。こうした熱電変換素子は、外部からの電力の供給が困難であり、操作者から遠隔した様々な環境下での使用が可能である。こうした例として、例えば、特許文献1には、使用済み核燃料を内部に保有するキャスクの温度管理のための電源としてこうした熱電変換素子を用いることが記載されている。 For example, a Seebeck element is known as a thermoelectric conversion element that generates electricity using heat (temperature gradient). The Seebeck element is composed of two types of semiconductor layers having different Seebeck coefficients and electrodes connected to these layers. It is difficult to supply power to such thermoelectric conversion elements from the outside, and they can be used in various environments remote from the operator. As an example of this, for example, Patent Document 1 describes the use of such a thermoelectric conversion element as a power source for temperature management of a cask that contains spent nuclear fuel.

この場合には、キャスクを熱源として用い、キャスク内の核燃料の崩壊熱によって熱電変換素子によって自発的に発電が行われる。こうした構成とすることによって、放射線量が高いキャスクがある場所に外部から電力を供給することが不要となり、作業者が立ち入る頻度も低減することができる。 In this case, the cask is used as a heat source, and the thermoelectric conversion element spontaneously generates electricity using the decay heat of the nuclear fuel within the cask. With this configuration, it is not necessary to supply power from outside to a location where a cask with a high radiation dose is located, and the frequency of entry by workers can be reduced.

特開2018-72167号公報JP2018-72167A

しかしながら、従来用いられたゼーベック素子において、使用される半導体材料には、この放射線によって結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥によってゼーベック素子の特性が劣化し、その出力が徐々に低下した。このため、前記のようにキャスクを熱源として用いた場合には、ここから発せられる放射線によってこのような劣化が発生した。特にこのように結晶欠陥を発生させる放射線として、特にγ線がある。 However, in conventional Seebeck elements, this radiation causes crystal defects in the semiconductor material used. These crystal defects deteriorated the characteristics of the Seebeck element, and its output gradually decreased. Therefore, when the cask was used as a heat source as described above, the radiation emitted from the cask caused such deterioration. Particularly, radiation that causes crystal defects in this manner includes gamma rays.

γ線を遮蔽するためには、厚い重金属層が必要となる。前記のようにキャスクを熱源として用いた場合には、このような劣化を抑制するためには、重金属層を熱電変換素子とキャスクとの間に設けることが必要となったが、この場合には、熱電変換素子側に流入する熱量が低下することによって、やはり出力が低下した。 A thick heavy metal layer is required to shield gamma rays. When a cask is used as a heat source as described above, it is necessary to provide a heavy metal layer between the thermoelectric conversion element and the cask in order to suppress such deterioration. However, the output also decreased due to a decrease in the amount of heat flowing into the thermoelectric conversion element side.

このため、放射線による劣化が小さな熱電変換システムあるいは熱電変換方法が望まれた。 For this reason, a thermoelectric conversion system or thermoelectric conversion method that is less degraded by radiation has been desired.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and it is an object of the present invention to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の熱電変換システムは、外部から付与された温度勾配によって第1電極と第2電極の間で起電力を生ずる熱電変換システムであって、基板上に形成され、面内方向に磁場を有する強磁性体層と、逆スピンホール効果を発現する金属材料で構成され、前記強磁性体層の上に形成され、前記第1電極及び前記第2電極が前記面内方向かつ前記磁場と交差する方向で離間した箇所に形成された厚さ50nm以下の金属層と、を具備し、前記温度勾配を付与する熱源は放射性物質を内部に収容したキャスクであり、前記基板はガリウム・ガドリニウム・ガーネット(GGG)で構成され、かつホウ素(B)又はカドミウム(Cd)でコーティングされ、前記温度勾配は前記強磁性体層の厚さ方向に付与されることを特徴とする
本発明の熱電変換システムは、前記強磁性体層及び前記金属層に前記磁場を印加する磁場印加層が前記強磁性体層及び前記金属層の前記面内方向の端部に接続されたことを特徴とする。
本発明の熱電変換システムにおいて、前記強磁性体層はイットリウム・鉄・ガーネット(YIG)、又はガリウム(Ga)が添加されたYIGで構成されたことを特徴とする。
本発明の熱電変換システムにおいて、前記金属層は白金(Pt)、金(Au)、ニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、又はステンレス鋼を含むことを特徴とする。
本発明の熱電変換方法は、前記熱電変換システムを、各々における前記磁場が共通の向き、かつ各々における前記第1電極、前記第2電極がそれぞれ共通の側にあるように複数、前記温度勾配を付与する熱源の表面に配置し、直列接続することを特徴とする。
本発明の熱電変換方法は、前記熱源は略円柱形状とされ、複数の前記熱電変換システムを前記略円柱形状の外周面の周方向に沿って配列することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
The thermoelectric conversion system of the present invention is a thermoelectric conversion system that generates an electromotive force between a first electrode and a second electrode due to a temperature gradient applied from the outside, and is formed on a substrate and has a magnetic field in an in-plane direction. It is composed of a ferromagnetic layer and a metal material that exhibits a reverse spin Hall effect, and is formed on the ferromagnetic layer, and the first electrode and the second electrode intersect in the in-plane direction and the magnetic field. a metal layer with a thickness of 50 nm or less formed at locations spaced apart in the direction, the heat source for imparting the temperature gradient is a cask containing a radioactive substance therein, and the substrate is made of gallium gadolinium garnet. (GGG) and coated with boron (B) or cadmium (Cd), and the temperature gradient is applied in the thickness direction of the ferromagnetic layer .
In the thermoelectric conversion system of the present invention, a magnetic field application layer that applies the magnetic field to the ferromagnetic layer and the metal layer is connected to the end portions of the ferromagnetic layer and the metal layer in the in-plane direction. Features.
In the thermoelectric conversion system of the present invention, the ferromagnetic layer is made of yttrium-iron-garnet (YIG) or YIG added with gallium (Ga).
In the thermoelectric conversion system of the present invention, the metal layer includes platinum (Pt), gold (Au), niobium (Nb), nickel (Ni), or stainless steel.
In the thermoelectric conversion method of the present invention, a plurality of the thermoelectric conversion systems are arranged so that the magnetic field in each of them is in a common direction, and the first electrode and the second electrode in each are on a common side. It is characterized by being placed on the surface of the heat source to be applied and connected in series.
The thermoelectric conversion method of the present invention is characterized in that the heat source has a substantially cylindrical shape, and a plurality of the thermoelectric conversion systems are arranged along the circumferential direction of the outer peripheral surface of the substantially cylindrical shape.

本発明によれば、放射線による劣化が小さな熱電変換システムあるいは熱電変換方法を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a thermoelectric conversion system or a thermoelectric conversion method that is less degraded by radiation.

本発明の熱電変換システムの構造を示す図である。1 is a diagram showing the structure of a thermoelectric conversion system of the present invention. 本発明の実施例における出力電圧の磁場依存性を測定した結果である。It is the result of measuring the magnetic field dependence of the output voltage in an example of the present invention. γ線照射前(a)、高温かつ乾燥雰囲気におけるγ線被曝後(b)の、実施例における出力電圧の温度差依存性である。It is the temperature difference dependence of the output voltage in the example before γ-ray irradiation (a) and after γ-ray irradiation in a high temperature and dry atmosphere (b). 高温かつ蒸気中のγ線照射における、γ線被曝量毎の出力電圧の温度差依存性(a)、温度係数の被曝量依存性(b)をそれぞれ示す。The temperature difference dependence of the output voltage for each gamma ray exposure dose (a) and the exposure dose dependence of the temperature coefficient (b) in gamma ray irradiation at high temperature and in steam are shown, respectively. 本発明の実施の形態に係る熱電変換システムを複数組み合わせた構成の例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a configuration in which a plurality of thermoelectric conversion systems according to an embodiment of the present invention are combined.

以下、本発明の実施の形態に係る熱電変換システムについて説明する。この熱電変換システムは、付与された熱(温度勾配)によって発電が行われる点については従来の熱電変換システムと同様であるが、その構造及び発電のメカニズムが従来の熱電変換システムとは異なる。 Hereinafter, a thermoelectric conversion system according to an embodiment of the present invention will be described. This thermoelectric conversion system is similar to conventional thermoelectric conversion systems in that it generates electricity using applied heat (temperature gradient), but its structure and power generation mechanism are different from conventional thermoelectric conversion systems.

熱電変換のために用いられる従来のゼーベック素子においては、例えば、p型、n型の半導体層が用いられ、温度勾配が存在する場合におけるp型半導体中の正孔、n型半導体中の電子の流れに起因して起電力が発生する。 In a conventional Seebeck element used for thermoelectric conversion, for example, p-type and n-type semiconductor layers are used, and when a temperature gradient exists, holes in the p-type semiconductor and electrons in the n-type semiconductor Electromotive force is generated due to the flow.

一方、本発明の熱電変換システムは、例えば特開2009-130070号公報や特開2015-179746号公報に記載された、スピンゼーベック効果を利用する。スピンゼーベック効果を用いた熱電変換素子においては、強磁性体層に磁場が印加された場合、あるいは強磁性体層が磁化されている場合において、その磁場と平行な電子の流れ(アップスピン電子)、反平行のスピンをもつ電子の流れ(ダウンスピン電子)に差ができ、この差が、強磁性体層と接する常磁性金属層中の逆スピンホール効果によって電圧(起電力)として出力される。 On the other hand, the thermoelectric conversion system of the present invention utilizes the spin Seebeck effect described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2009-130070 and 2015-179746. In thermoelectric conversion elements that use the spin Seebeck effect, when a magnetic field is applied to the ferromagnetic layer or when the ferromagnetic layer is magnetized, electrons flow parallel to the magnetic field (up-spin electrons). , a difference is created in the flow of electrons with antiparallel spins (down-spin electrons), and this difference is output as a voltage (electromotive force) due to the reverse spin Hall effect in the paramagnetic metal layer that is in contact with the ferromagnetic layer. .

前記のような半導体におけるゼーベック効果を利用した熱電変換素子においては、起電力を発生する元となる正孔や電子の流れは、半導体中の結晶欠陥の影響を大きく受ける。この結晶欠陥は、特に放射線の照射によって発生するため、放射線量が高い環境下では時間経過と共に増大し、これに伴って出力電圧が低下する。 In a thermoelectric conversion element that utilizes the Seebeck effect in a semiconductor as described above, the flow of holes and electrons that generate electromotive force is greatly affected by crystal defects in the semiconductor. Since these crystal defects are generated particularly by radiation irradiation, they increase over time in an environment with a high radiation dose, and the output voltage decreases accordingly.

これに対して、後述するように、強磁性体中のスピン流は、半導体中の正孔、電子の流れと比べて、放射線照射による悪影響を受けにくい。このため、このようなスピンゼーベック効果を用いた熱電変換システムは、放射線量の高い環境下での利用に特に適している。 On the other hand, as will be described later, the spin current in a ferromagnetic material is less affected by radiation irradiation than the flow of holes and electrons in a semiconductor. Therefore, a thermoelectric conversion system using such a spin Seebeck effect is particularly suitable for use in an environment with a high radiation dose.

図1は、本発明の実施の形態に係る熱電変換システム1の構造を示す断面斜視図である。この熱電変換システム1においては、膜厚方向(z方向)に沿って、基板10の上に強磁性絶縁層20、金属層30が順次形成される。 FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing the structure of a thermoelectric conversion system 1 according to an embodiment of the present invention. In this thermoelectric conversion system 1, a ferromagnetic insulating layer 20 and a metal layer 30 are sequentially formed on a substrate 10 along the film thickness direction (z direction).

また、この熱電変換システム1に温度勾配を付与する熱源40は、基板10の下側に接続されている。また、この構造に対するx方向の両側に磁場印加層51、52がそれぞれ接続される。金属層30が仮にそのシート抵抗が無視できる程度に厚くされた場合には金属層30は面内方向で同電位となるが、後述するように金属層30は充分に薄く形成されるために金属層30の面内方向で電位差が生ずる。スピンゼーベック効果による電位差は図中でy軸方向において発生するため、金属層30におけるy軸方向における両端部側にそれぞれ第1電極31、第2電極32が接続され、第1電極31・第2電極32間で起電力が取り出される。 Further, a heat source 40 that provides a temperature gradient to this thermoelectric conversion system 1 is connected to the lower side of the substrate 10. Furthermore, magnetic field application layers 51 and 52 are connected to both sides of this structure in the x direction, respectively. If the metal layer 30 were made thick enough to have negligible sheet resistance, the metal layer 30 would have the same potential in the in-plane direction, but as will be described later, since the metal layer 30 is formed sufficiently thin, the metal layer 30 A potential difference occurs in the in-plane direction of the layer 30. Since a potential difference due to the spin Seebeck effect occurs in the y-axis direction in the figure, a first electrode 31 and a second electrode 32 are connected to both ends of the metal layer 30 in the y-axis direction, and the first electrode 31 and the second electrode Electromotive force is extracted between the electrodes 32.

基板10としては、良質の強磁性絶縁層20をこの上に形成することができ、十分な機械的強度をもつものが用いられ、例えば1mm厚のGdGa12(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット:GGG)単結晶が用いられる。強磁性絶縁層(強磁性体層)20としては、磁性ガーネットであるYFe12(イットリウム・鉄・ガーネット:YIG)やガリウム(Ga)が添加されたYIG等のフェライト系磁性体が100nm程度の厚さで、塗布印刷法、スパッタリング法等によって形成される。強磁性絶縁層20の代わりに導電性(金属)の強磁性層を用いた場合においてもスピンゼーベック効果は得られるため、他の強磁性体を用いることもでき、例えばMnSb、MnBi等の光磁気材料や、SmCo等の希土類化合物等も用いることができる。ただし、厚い導電性の強磁性体層を用いた場合には、前記のように金属層30が厚い場合と同様に、第1電極31・第2電極32間で起電力を得ることが困難となるため、強磁性絶縁層20を用いることが好ましい。 As the substrate 10, a material having sufficient mechanical strength and on which a high-quality ferromagnetic insulating layer 20 can be formed is used. For example, a 1 mm thick Gd 3 Ga 5 O 12 (gadolinium gallium garnet) :GGG) single crystal is used. As the ferromagnetic insulating layer (ferromagnetic layer) 20, a ferrite magnetic material such as Y 3 Fe 5 O 12 (yttrium-iron-garnet: YIG), which is magnetic garnet, or YIG added with gallium (Ga) is used. It has a thickness of about 100 nm and is formed by a coating printing method, a sputtering method, or the like. Since the spin Seebeck effect can be obtained even when a conductive (metal) ferromagnetic layer is used instead of the ferromagnetic insulating layer 20, other ferromagnetic materials can also be used, such as magneto-optical materials such as MnSb and MnBi. Materials and rare earth compounds such as SmCo can also be used. However, when a thick conductive ferromagnetic layer is used, it is difficult to obtain an electromotive force between the first electrode 31 and the second electrode 32, as in the case where the metal layer 30 is thick as described above. Therefore, it is preferable to use the ferromagnetic insulating layer 20.

金属層30としては、スピン軌道相互作用が大きく逆スピンホール効果が強く表れる金属材料である白金(Pt)、金(Au)、ニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼等が好ましく用いられる。前記のように、導電性の金属材料を用いた場合でもシート抵抗が十分に高くなるように、金属層30の膜厚は充分に薄く、50nm以下、例えば10nm程度とされる。金属層30は例えばスパッタリング法によって形成される。この熱電変換システム1において発生する起電力は、前記の通り第1電極31、第2電極32から取り出される。 As the metal layer 30, metal materials such as platinum (Pt), gold (Au), niobium (Nb), nickel (Ni), stainless steel, etc., which have a large spin-orbit interaction and strongly exhibit a reverse spin Hall effect, are preferably used. . As described above, the thickness of the metal layer 30 is sufficiently thin, 50 nm or less, for example, about 10 nm, so that the sheet resistance is sufficiently high even when a conductive metal material is used. The metal layer 30 is formed by, for example, a sputtering method. The electromotive force generated in this thermoelectric conversion system 1 is extracted from the first electrode 31 and the second electrode 32 as described above.

磁場印加層51、52は、それぞれが図示された向きの自発磁化を有する硬磁性体で構成され、絶縁性である、あるいは金属層30等と絶縁されるようにx方向における両側に設けられている。磁場印加層51、52によって、強磁性絶縁層20には、面内方向において図1におけるx方向負側から正側に向かう磁場が印加される。 The magnetic field applying layers 51 and 52 are each made of a hard magnetic material having spontaneous magnetization in the illustrated direction, and are insulating or provided on both sides in the x direction so as to be insulated from the metal layer 30 etc. There is. The magnetic field applying layers 51 and 52 apply a magnetic field to the ferromagnetic insulating layer 20 in the in-plane direction from the negative side to the positive side in the x direction in FIG.

熱源40は、この熱電変換システム1が使用される態様に応じて、様々なものが用いられる。ただし、後述するように、この熱電変換システム1は高い放射線耐性を有するため、特許文献1に記載されたキャスクのように、放射線量の高い環境下にあるものを、特に好ましく用いることができる。 Various heat sources 40 are used depending on the manner in which this thermoelectric conversion system 1 is used. However, as will be described later, since this thermoelectric conversion system 1 has high radiation resistance, a cask that is used in an environment with a high radiation dose, such as the cask described in Patent Document 1, can be particularly preferably used.

また、キャスクのように熱源自身が放射線を発する場合には、この放射線を基板10に吸収させて基板10自身も熱源として用いることができ、更に発電効率を高めることができる。例えば、熱源40がキャスクのように中性子を発する場合に、中性子捕獲断面積が大きなGdを含むGGGを基板10の材料とした場合には、このように基板10自身も熱源として機能する。この場合、例えば中性子との間の反応断面積が大きなホウ素(B)、カドミウム(Cd)で基板10をコーティングすることによって、発電効率を更に高めることができる。この場合においても、形成される温度勾配は図1に示された通りとなる。 Furthermore, when the heat source itself emits radiation, such as a cask, the radiation can be absorbed by the substrate 10 and the substrate 10 itself can be used as a heat source, further increasing power generation efficiency. For example, when the heat source 40 emits neutrons like a cask, and the substrate 10 is made of GGG containing Gd, which has a large neutron capture cross section, the substrate 10 itself also functions as a heat source. In this case, power generation efficiency can be further improved by coating the substrate 10 with boron (B) or cadmium (Cd), which have a large reaction cross section with neutrons, for example. Even in this case, the temperature gradient formed is as shown in FIG.

上記の構造においては、前記の特開2009-130070号公報や特開2015-179746号公報に記載された構造と同様に、強磁性絶縁層20におけるスピンゼーベック効果と金属層30における逆スピンホール効果によって、温度勾配と磁場による起電力を金属層30から取り出すことができる。一方、金属層30が強磁性体である場合には、金属層30において、例えば特開2016-103535号公報に記載されたような異常ネルンスト効果が、強磁性絶縁層20の有無に関わらず発現する。この異常ネルンスト効果によって金属層30において発生する起電力(電界)の方向、向きはスピンゼーベック効果によるものと等しい。このため、実際には図1の構造において金属層30から出力される起電力は、スピンゼーベック効果に起因する成分と異常ネルンスト効果に起因する成分の和となる。 In the above structure, the spin Seebeck effect in the ferromagnetic insulating layer 20 and the reverse spin Hall effect in the metal layer 30 are similar to the structures described in JP 2009-130070A and JP 2015-179746A. Accordingly, the electromotive force due to the temperature gradient and the magnetic field can be taken out from the metal layer 30. On the other hand, when the metal layer 30 is a ferromagnetic material, the abnormal Nernst effect as described in JP-A-2016-103535, for example, occurs in the metal layer 30 regardless of the presence or absence of the ferromagnetic insulating layer 20. do. The direction of the electromotive force (electric field) generated in the metal layer 30 due to this anomalous Nernst effect is the same as that due to the spin Seebeck effect. Therefore, in reality, the electromotive force output from the metal layer 30 in the structure of FIG. 1 is the sum of a component due to the spin Seebeck effect and a component due to the anomalous Nernst effect.

図1においては、基板10の下側(z方向負側)に熱源40が接続されたが、逆に、金属層30の上側(z方向正側)に熱源40を接続してもよい。この場合には、温度勾配の向きが図1とは逆となるため、印加される磁場の向きが図1と同一である場合には、第1電極31・第2電極32間で発生する起電力の向きが逆となる。また、この場合には、第1電極31・第2電極32は、金属層30と熱源40の間に設けられる。 In FIG. 1, the heat source 40 is connected to the lower side of the substrate 10 (negative side in the z direction), but conversely, the heat source 40 may be connected to the upper side of the metal layer 30 (positive side in the z direction). In this case, since the direction of the temperature gradient is opposite to that in FIG. 1, if the direction of the applied magnetic field is the same as in FIG. The direction of power is reversed. Further, in this case, the first electrode 31 and the second electrode 32 are provided between the metal layer 30 and the heat source 40.

なお、上記のように強磁性絶縁層20として用いられる材料であるYIGは軟磁性材料であり、その保磁力及び残留磁化は非常に小さいため、強磁性絶縁層20中でx方向に沿った磁場Hを発生させるために磁場印加層51、52が用いられる。一方、上記のようなスピンゼーベック効果は、強磁性絶縁層20が硬磁性材料であっても発生する。この場合には、外部から印加された磁場が零となった場合の残留磁化を大きくすることができ、残留磁化によって図1における磁場の強度を維持することができる。このため、強磁性絶縁層20を硬磁性材料で構成した場合には、予め熱電変換システム1において図1に示されたような磁場を印加しておけば、磁場印加層51、52は不要である。 As mentioned above, YIG, which is the material used for the ferromagnetic insulating layer 20, is a soft magnetic material, and its coercive force and residual magnetization are very small. Magnetic field application layers 51 and 52 are used to generate H. On the other hand, the spin Seebeck effect as described above occurs even if the ferromagnetic insulating layer 20 is made of a hard magnetic material. In this case, the residual magnetization when the externally applied magnetic field becomes zero can be increased, and the strength of the magnetic field in FIG. 1 can be maintained by the residual magnetization. Therefore, when the ferromagnetic insulating layer 20 is made of a hard magnetic material, the magnetic field application layers 51 and 52 are not necessary if a magnetic field as shown in FIG. 1 is applied in advance in the thermoelectric conversion system 1. be.

この熱電変換システム1の特性を調べるために、図1において磁場印加層51、52を除き、基板10、強磁性絶縁層20、金属層30のみからなる積層構造を形成し、z方向において温度勾配(温度差ΔT)、x方向に磁場Hをそれぞれ外部から印加して金属層30におけるy方向両側の電位差(出力電圧V0)を測定した。ここでは、基板10として厚さ1mmのGGG、強磁性絶縁層20として厚さ200nmのYIG、金属層30として厚さ10nmのPtを用い、ΔT=8Kとされた。図2は、出力電圧V0の磁場H依存性を測定した結果である。ここで、磁場Hは正負両側で走査され、磁場Hが零近辺では強磁性絶縁層20における一定の残留磁化が図1におけるx方向の磁場となるため、残留磁化の向きに応じたヒステリシスが生じている。この構成を具備する熱電変換システム1の出力電圧V0は、図2における磁場Hの正側、負側における飽和値となり、20μV程度である。 In order to investigate the characteristics of this thermoelectric conversion system 1, we formed a laminated structure consisting only of the substrate 10, the ferromagnetic insulating layer 20, and the metal layer 30, excluding the magnetic field application layers 51 and 52 in FIG. (Temperature difference ΔT) and a magnetic field H was applied externally in the x direction to measure the potential difference (output voltage V0) on both sides of the metal layer 30 in the y direction. Here, GGG with a thickness of 1 mm was used as the substrate 10, YIG with a thickness of 200 nm as the ferromagnetic insulating layer 20, Pt with a thickness of 10 nm as the metal layer 30, and ΔT=8K. FIG. 2 shows the results of measuring the dependence of the output voltage V0 on the magnetic field H. Here, the magnetic field H is scanned on both positive and negative sides, and when the magnetic field H is near zero, a certain residual magnetization in the ferromagnetic insulating layer 20 becomes a magnetic field in the x direction in FIG. 1, so hysteresis occurs depending on the direction of the residual magnetization. ing. The output voltage V0 of the thermoelectric conversion system 1 having this configuration has a saturation value on the positive side and negative side of the magnetic field H in FIG. 2, and is about 20 μV.

ここで、放射線として前記のように最も影響の大きなγ線を図1におけるz方向で照射し、上記と同様の出力電圧(飽和値)のΔT依存性を、γ線のドーズ量(被曝量)毎に測定した。γ線源としては、60Coを用い、被曝量は最大で1MGy程度とされた。 Here, γ-rays, which have the greatest effect as radiation, are irradiated in the z direction in Fig. 1 as described above, and the ΔT dependence of the output voltage (saturation value) as described above is expressed as the γ-ray dose (exposure amount). Measured every time. 60 Co was used as the γ-ray source, and the maximum exposure dose was about 1 MGy.

また、照射の環境としては(1)室温かつ乾燥雰囲気、(2)高温(150℃)かつ乾燥雰囲気、(3)高温(150℃)かつ蒸気雰囲気、の3種類が選択された。図3(a)は、γ線の照射前における出力電圧V0のΔT依存性(a)、(2)の環境下で0.86MGy照射後の同様の特性(b)をそれぞれ示す。これらの間に有意差はみられず、(2)の環境下で1MGy程度のγ線照射では、上記の原子力電池1の特性劣化は生じない。(1)の環境下においても、同様の結果が得られた。また、この場合の出力電圧はΔTに対して高い線形性を有している。 Furthermore, three types of irradiation environments were selected: (1) room temperature and dry atmosphere, (2) high temperature (150°C) and dry atmosphere, and (3) high temperature (150°C) and steam atmosphere. FIG. 3(a) shows the ΔT dependence of the output voltage V0 before irradiation with γ-rays (a), and the same characteristics (b) after 0.86 MGy irradiation under the environment of (2), respectively. There is no significant difference between these, and γ-ray irradiation of about 1 MGy under the environment (2) does not cause the deterioration of the characteristics of the nuclear battery 1 described above. Similar results were obtained under the environment (1). Further, the output voltage in this case has high linearity with respect to ΔT.

一方、(3)の場合には、被曝量に伴って出力電圧がやや劣化した。図4(a)に、この場合の被曝量毎の出力電圧のΔT依存性を、図4(b)に、温度係数(図4(a)における比例係数(V/K))の被曝量依存性をそれぞれ示す。上記の(1)(2)と比べるとγ線照射によって特性劣化が認められるが、その劣化は、1MGy程度で出力電圧が半減する程度である。このため、上記の熱電変換システム1は高いγ線耐性をもつため、γ線の遮蔽のための重金属層を必要としない。 On the other hand, in case (3), the output voltage slightly deteriorated as the exposure amount increased. Figure 4(a) shows the ΔT dependence of the output voltage for each exposure dose in this case, and Figure 4(b) shows the exposure dose dependence of the temperature coefficient (proportionality coefficient (V/K) in Figure 4(a)). Each shows its gender. Compared to (1) and (2) above, characteristic deterioration is observed due to γ-ray irradiation, but the deterioration is to the extent that the output voltage is halved at about 1 MGy. Therefore, the thermoelectric conversion system 1 described above has high gamma ray resistance and does not require a heavy metal layer for shielding gamma rays.

図2等に示されたように、この熱電変換システム1の出力電圧は、10-6V程度であり、通常使用されている他の電池と比べて小さい。しかしながら、この熱電変換システム1は図1のように厚さ方向の温度差によって面内方向で出力電圧が取り出されるため、この熱電変換システム1を複数直列に接続して各々の厚さ方向に温度差を付与することによって、大きな出力電圧を得ることができる。 As shown in FIG. 2 and the like, the output voltage of this thermoelectric conversion system 1 is about 10 −6 V, which is smaller than other commonly used batteries. However, in this thermoelectric conversion system 1, the output voltage is taken out in the in-plane direction due to the temperature difference in the thickness direction as shown in FIG. By providing a difference, a large output voltage can be obtained.

図5(a)は、このような形態の第1の例を示す。この場合には、支持基板(支持基体)100上に図中横方向にn個の熱電変換システム1が配列され、各熱電変換システム1において、磁場印加層51、52による磁場Hは図中下向きに印加されるように形成され、かつ熱源40による温度勾配ΔTは紙面垂直方向に付与される。この際、磁場Hの向きは全ての熱電変換システム1において共通とされるため、磁場Hの強度は面内で一様に高く維持される。また、温度勾配ΔTも面内で全体に一様に付与されるため、各熱電変換システム1において、安定した出力を得ることができる。この場合において、各熱電変換システム1が直列に接続されれば、単一の熱電変換システム1の出力電圧をV0とすると、n×V0の出力電圧を得ることができる。これによって、高い出力電圧を得ることができる。同様にこのような熱電変換システム1の配列を図5(a)における縦方向にも並列に設け、2次元配列の出力を直列に接続することによって、更に出力電圧を高めることもできる。このような場合において、図1における隣接するあるいは全ての熱電変換システム1において基板10を共通とすることもできる。 FIG. 5(a) shows a first example of such a configuration. In this case, n thermoelectric conversion systems 1 are arranged horizontally in the figure on a support substrate (support base) 100, and in each thermoelectric conversion system 1, the magnetic field H due to the magnetic field application layers 51 and 52 is directed downward in the figure. The temperature gradient ΔT caused by the heat source 40 is applied in a direction perpendicular to the plane of the paper. At this time, since the direction of the magnetic field H is common to all thermoelectric conversion systems 1, the strength of the magnetic field H is maintained uniformly high within the plane. Furthermore, since the temperature gradient ΔT is uniformly applied throughout the plane, each thermoelectric conversion system 1 can obtain a stable output. In this case, if each thermoelectric conversion system 1 is connected in series, an output voltage of n×V0 can be obtained, assuming that the output voltage of a single thermoelectric conversion system 1 is V0. This allows a high output voltage to be obtained. Similarly, the output voltage can be further increased by arranging such thermoelectric conversion systems 1 in parallel also in the vertical direction in FIG. 5(a) and connecting the outputs of the two-dimensional array in series. In such a case, the substrate 10 may be shared by adjacent or all thermoelectric conversion systems 1 in FIG. 1 .

また、図5(b)に第2の例として示すように、円柱形状の熱源40の外周面に図5(a)と同様に熱電変換システム1を円周上に配列することができる。ここでは、前記のように縦方向に2列の配列が形成されているが、配列の縦方向の数をより多くすることもできる。この場合には、特許文献1に記載されたように、円筒形状のキャスクを熱源40として好ましく用いることができる。こうした場合において、放射線(γ線)耐性の高い熱電変換システム1は特に有効である。 Further, as shown as a second example in FIG. 5(b), the thermoelectric conversion systems 1 can be arranged on the circumference on the outer circumferential surface of the cylindrical heat source 40 in the same manner as in FIG. 5(a). Here, two rows of arrays are formed in the vertical direction as described above, but the number of arrays in the vertical direction can also be increased. In this case, a cylindrical cask can be preferably used as the heat source 40, as described in Patent Document 1. In such cases, the thermoelectric conversion system 1 with high radiation (gamma ray) resistance is particularly effective.

なお、上記の例では、磁場Hの方向、温度勾配ΔTの方向、第1電極、第2電極が形成される方向(出力電圧が取り出される方向)はそれぞれ互いに直交するものとしたが、これらが厳密に直交する必要はなく、素子構成に応じてこれらの間の関係を直交からずらしてもよい。すなわち、十分な出力電圧が得られる限りにおいて、これらの方向は互いに交差すればよい。 In the above example, the direction of the magnetic field H, the direction of the temperature gradient ΔT, and the direction in which the first and second electrodes are formed (direction in which the output voltage is extracted) are assumed to be orthogonal to each other. They do not need to be strictly orthogonal, and the relationship between them may be shifted from orthogonal depending on the element configuration. That is, these directions may intersect with each other as long as a sufficient output voltage can be obtained.

また、基板、強磁性体層、金属層を構成する材料は、上記の例以外でも適宜設定が可能である。 Further, the materials constituting the substrate, the ferromagnetic layer, and the metal layer can be appropriately set other than the above-mentioned examples.

1 熱電変換システム
10 基板
20 強磁性絶縁層(強磁性体層)
30 金属層
31 第1電極
32 第2電極
40 熱源
51、52 磁場印加層
1 Thermoelectric conversion system 10 Substrate 20 Ferromagnetic insulating layer (ferromagnetic layer)
30 Metal layer 31 First electrode 32 Second electrode 40 Heat sources 51, 52 Magnetic field application layer

Claims (6)

外部から付与された温度勾配によって第1電極と第2電極の間で起電力を生ずる熱電変換システムであって、
基板上に形成され、面内方向に磁場を有する強磁性体層と、
逆スピンホール効果を発現する金属材料で構成され、前記強磁性体層の上に形成され、前記第1電極及び前記第2電極が前記面内方向かつ前記磁場と交差する方向で離間した箇所に形成された厚さ50nm以下の金属層と、
を具備し、
前記温度勾配を付与する熱源は放射性物質を内部に収容したキャスクであり、
前記基板はガリウム・ガドリニウム・ガーネット(GGG)で構成され、かつホウ素(B)又はカドミウム(Cd)でコーティングされ、
前記温度勾配は前記強磁性体層の厚さ方向に付与されることを特徴とする熱電変換システム。
A thermoelectric conversion system that generates an electromotive force between a first electrode and a second electrode due to a temperature gradient applied from the outside,
a ferromagnetic layer formed on a substrate and having a magnetic field in an in-plane direction;
It is made of a metal material that exhibits a reverse spin Hall effect, is formed on the ferromagnetic layer, and is located at a location where the first electrode and the second electrode are spaced apart in the in-plane direction and in the direction intersecting the magnetic field. A formed metal layer with a thickness of 50 nm or less,
Equipped with
The heat source imparting the temperature gradient is a cask containing a radioactive substance therein,
The substrate is made of gallium gadolinium garnet (GGG) and coated with boron (B) or cadmium (Cd),
A thermoelectric conversion system, wherein the temperature gradient is applied in the thickness direction of the ferromagnetic layer.
前記強磁性体層及び前記金属層に前記磁場を印加する磁場印加層が前記強磁性体層及び前記金属層の前記面内方向の端部に接続されたことを特徴とする請求項に記載の熱電変換システム。 2. A magnetic field applying layer that applies the magnetic field to the ferromagnetic layer and the metal layer is connected to an end of the ferromagnetic layer and the metal layer in the in-plane direction. thermoelectric conversion system. 前記強磁性体層はイットリウム・鉄・ガーネット(YIG)、又はガリウム(Ga)が添加されたYIGで構成されたことを特徴とする請求項に記載の熱電変換システム。 3. The thermoelectric conversion system according to claim 2 , wherein the ferromagnetic layer is made of yttrium-iron-garnet (YIG) or YIG doped with gallium (Ga). 前記金属層は白金(Pt)、金(Au)、ニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、又はステンレス鋼を含むことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の熱電変換システム。 4. The metal layer according to claim 1 , wherein the metal layer contains platinum (Pt), gold (Au), niobium (Nb), nickel (Ni), or stainless steel. Thermoelectric conversion system. 請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の熱電変換システムを、各々における前記磁場が共通の向き、かつ各々における前記第1電極、前記第2電極がそれぞれ共通の側にあるように複数、前記温度勾配を付与する熱源の表面に配置し、直列接続することを特徴とする熱電変換方法。 The thermoelectric conversion system according to any one of claims 1 to 4 is arranged such that the magnetic field in each is in a common direction, and the first electrode and the second electrode in each are on a common side. A thermoelectric conversion method characterized in that a plurality of heat sources are arranged on the surface of a heat source that imparts the temperature gradient and connected in series. 前記熱源は略円柱形状とされ、
複数の前記熱電変換システムを前記略円柱形状の外周面の周方向に沿って配列することを特徴とする請求項に記載の熱電変換方法。
The heat source has a substantially cylindrical shape,
6. The thermoelectric conversion method according to claim 5 , wherein a plurality of said thermoelectric conversion systems are arranged along the circumferential direction of said substantially cylindrical outer peripheral surface.
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