JP3055419B2 - 熱電材料及びその製造方法 - Google Patents

熱電材料及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、準結晶の熱電特性とア
ルミニウムの電気伝導性を利用した軽量であると共に、
環境保護に適した熱電素子等の熱電材料及びその製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】室温での使用に適した代表的なペルチエ
効果素子(熱電素子)は、Bi、Sb、Te又はSeを
主体とする組成を有する。
【0003】図1は、熱電素子モジュールを示す模式図
である。1対のセラミックス板1間にp型熱電材料3
と、n型熱電材料4とが挟まれており、セラミックス板
1とp型熱電材料3及びn型熱電材料4との間には夫々
電極2が設けられている。
【0004】このp型及びn型の熱電材料3,4は、B
i,Sb,Te又はSeを主体とする材料で構成されて
いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来の熱電材料は、Bi,Sb,Te,Se等の有毒
元素であるため、環境に悪影響を及ぼしやすいという難
点がある。また、これらの熱電材料は、比重が6.7g
/cm3であり、重いという欠点もある。更に、これら
の従来の熱電材料は、導電率が低いという問題点もあ
る。
【0006】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、軽量且つ高導電率であると共に、環境保護
に適した熱電材料及びその製造方法を提供することを目
的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電材料
は、アルミニウム基合金の準結晶と電気良導体との複合
体からなることを特徴とする。この電気良導体とは、f
cc構造のアルミニウムがある。
【0008】本発明に係る熱電材料の製造方法は、アル
ミニウム基合金を液体急冷法又はガスアトマイズ法によ
り急冷してその薄帯、薄片又は粉末を得、これをそのま
ま又は熱処理して準結晶相とした後、電気良導体と混合
してホットプレス又は押出等により固化成形することを
特徴とする。
【0009】
【作用】本発明においては、比重が2.5〜3.5g/
cm3と軽量であるアルミニウム基合金からなる準結晶
と、fcc構造のアルミニウム等からなる電気良導体の
複合体を熱電材料としているので、軽量であると共に、
環境保護に適している。また、この熱電材料はアルミニ
ウム基の準結晶を含んでいるので、性能指数が優れてい
る。更に、電気良導体も含有しているので、導電率が高
い。
【0010】電気良導体として、fcc構造のアルミニ
ウムを使用すると、準結晶と電気良導体とは同系の材料
であるので、両者の界面の接合が強力になり、熱電材料
の強度が高くなる。
【0011】
【実施例】次に、本発明の熱電材料について更に詳細に
説明する。電気良導体としては、fcc構造のアルミニ
ウムの他に、Ag、Au及びCu等がある。このうち、
熱電導材の強度を考慮すると、Alを使用することが好
ましい。導電率の点からは、Au又はAgが好ましい
が、高導電率と低コストの双方を満足するためには、A
gの方が好ましい。
【0012】アルミニウム基の準結晶としては、以下に
例示するものがある。 (1)Al100-xMnx(20≦x≦23原子%) (2)Al100-xCrx(14≦x≦16原子%) (3)Al100-xx(16≦x≦18原子%) (4)Al100-xMox(8≦x12原子%) (5)Al74Mn20Si6 (6)Al72Mn20Si8 (7)Al55Mn25Si20 (8)Al75Cu1510 (9)Al75Fe15Ni10 (10)Al70Ni15Co15 (11)Al65Cu20Fe15 (12)Al65Cu20Ru15 (13)Al65Cu20Os15 (14)Al65Cu20Cr15 (15)Al65Cu20Mn15 (16)Al70Pd20Mn10 (17)Al70Pd20Re10 (18)Al75Pd15Fe10 (19)Al75Pd15Ru10 (20)Al75Pd15Os10 (21)Al 75 Cu15Co20 (22)Al56Li33Cu11 (23)Al60Li30Cu10 (24)Al60Li30Au10 (25)Al50Mg40Cu10 (26)Al52Mg18Pd30 (27)Al43Mg43Pd14 (28)Al53Mn20Si27 (29)Al50Mg35Ag15 (30)Al50Mg25Li25 (31)Al73Pd20Mn7
【0013】熱電材料におけるアルミニウム基の準結晶
の割合は、50〜95体積%とすることが好ましい。こ
れは熱電材料の強度の点から、アルミニウム基準結晶の
割合が50体積%以上である方が好ましいからである。
また、準結晶の割合が95体積%を超えると、脆化して
モジュールとしての強度が不足するので、準結晶の割合
は95体積%以下とすることが好ましい。
【0014】これらのアルミニウム基合金(1)〜(32)の
準結晶は液体急冷法により得ることができる。また、ア
ルミニウム基合金(8),(26),(28)の準結晶は、液体急冷
法によりアモルファス相とした後、650乃至820K
に60〜600秒保持する熱処理を行うことにより準結
晶とすることができる。
【0015】更に、アルミニウム基合金(9)〜(22)は、
液体急冷法により急冷しなくても、水冷、油冷又は炉冷
等の冷却方法で準結晶とすることができる。
【0016】この準結晶相は、液体急冷法により薄帯、
厚片又は粉末を得ることにより、又は更にこれを熱処理
することにより得ることができる。また、液体急冷法の
替わりに、ガスアトマイズ法を適用することもできる。
そして、この準結晶相をポットプレス又は押出法等によ
り固化成形することにより、熱電材料とすることができ
る。
【0017】次に、このアルミニウム基合金からなる準
結晶相の製造方法について具体的に説明する。図2は液
体急冷法を説明する図である。銅製ローラ2の上方に石
英ノズル1が配設されており、石英ノズル1内にはアル
ミニウム基合金の溶湯3が貯留されている。
【0018】そして、石英ノズル1の下端5から溶湯3
を銅製ローラ2上に供給し、銅製ローラ2を矢印方向に
回転駆動すると、銅製ローラ2により溶湯3が急冷され
て、その薄帯4が得られる。
【0019】図3はガスアトマイズ法を示す図である。
溶湯保持るつぼ11内に溶湯が貯留されておりるつぼ1
1の下壁中央から溶湯の細流14が流出するようになっ
ている。そして、るつぼ11の下面には噴霧ノズル13
が配置されており、この噴霧ノズル13から溶湯細流1
4に向けて高圧ガスが噴き付けられるようになってい
る。
【0020】このガスアトマイズ法においては、高圧ガ
ス2が吹き付けられる粉化点15にて、溶湯細流14が
急冷されて粉化する。この粉化したアルミニウム基合金
は粉化点15から落下する過程で冷却される。
【0021】これらの図2により得られた急冷薄帯4又
は図3により得られた粉体は、そのまま又は熱処理後、
粉砕し、分級した後、固化成形する。
【0022】この固化成形はプレス法又は押出法により
行うことができる。例えば、プレスによる固化成形条件
は、プレス圧力P、プレス温度を以下の条件にて10
分以上処理する。29.4MPa≦P≦784MPa 室温≦T≦450℃
【0023】一方、押出法により固化成形する場合は、
押出温度Tを以下の条件にする。即ち、押出において
は、押出温度を室温以上、例えば、450℃(723
K)以下とする。また、押出比は例えば、5乃至20で
ある。
【0024】なお、押出工程の前に、予備加熱すること
が好ましい。この予備加熱条件は例えば、573K以下
のオイルバスの場合は、240秒、573〜725Kの
電気炉の場合は、900秒である。
【0025】また、押出比は5乃至20である。この押
出比は、押出加工において材料の変形の程度を示す尺度
となるものであり、押出比は材料の始めの断面積をA、
押出後の断面積をaとすれば、A/aで表される。な
お、押出比を断面減少率で評価する場合もある。また、
前記押出比5乃至20は、ダイス半角が30°、押出速
度(ラム速度)が5mm/秒の場合のものである。
【0026】押出ビレットは図4に示す構造を有する。
即ち、容器20は外径が23mm,内径が20mmのア
ルミニウム製又は銅製のものであり、この容器20内
に、圧力250MPaの冷間プレスにより5gづつ、合
計20〜25gの粉末21を約78%の充填率で詰め、
スペーサ22を配置した後、1×10-3Paの真空度で
約21.6ks真空引きした後、Arガスで置換する。
その後、プラグ23を配置し、エポキシ系又はセラミッ
クス系の接着剤24によりプラグ23と容器20内面と
の間をシールする。このようにして、押出ビレットが得
られる。
【0027】図5は衝撃成形法の概要を示す図である。
円筒状のホルダ31の一端部に、スパーリングリング3
2を介してコンテナ33がその開口部をホルダ31の他
端部に向けて設置されており、このコンテナ33内には
粉末34が収納され、プラグ35が粉末34を封入して
いる。そして、このプラグ35に向けて、衝撃銃から推
進体37を発射し、この推進体37に固定されたフライ
ヤ36を所定の速度でプラグ35に衝突させる。この衝
撃圧力は20〜200GPaであり、この衝撃力により
粉末34は瞬間的に固化成形される。
【0028】このようにして、固化成形したアルミニウ
ム基合金は所定の形状に切断した後、モジュール化す
る。
【0029】熱電材料の性能指数ZはZ=α2σ/κに
より表される。但し、αは熱起電力、σは導電率、κは
熱伝導率である。本実施例においては、準結晶を含むこ
とから、通常の結晶材とは異なり、熱起電力αが20〜
50倍に上昇し、熱伝導率κが1/50〜1/100に
低下する。しかも、Al相が導電率σを向上させて結果
的に性能指数Zが向上する。
【0030】次に、実際に本発明の実施例に係る熱電材
料を製造してその特性を調べた結果について、比較例と
比較して説明する。この熱電材料は、一般式AlXY
表され、下記表1及び表2において、組成欄はQの組成
を表す。また、Alの量X(重量%)により、この熱電
材料の組成を示した。従って、Qの量Y(重量%)は1
00−Xである。但し、測定温度は全て室温である。こ
れらの熱電材料の特性を下記表1(本発明の実施例)及
び表2(比較例)に示す。また、|α|は熱起電力αの
絶対値、ρは比抵抗、Zは性能指数である。
【0031】
【表1】
【0032】
【0033】
【表2】
【0034】
【0035】これらの表1及び表2の比較から、本発明
の実施例に係る熱電材料はいずれも性能指数が高いのに
対し、比較例の熱電材料は性能指数が低い。
【0036】次に、AgXY系熱電材料の熱起電力、比
抵抗及び性能指数を下記表3(実施例)及び表4(比較
例)に示す。
【0037】
【表3】
【0038】
【0039】
【表4】
【0040】
【0041】これらの表3及び表4の比較から、本発明
の実施例に係る熱電材料はいずれも性能指数が高いのに
対し、比較例の熱電材料は性能指数が低い。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、アルミ
ニウム基合金の準結晶と電気良導体との複合体からなる
熱電材料であるので、軽量であると共に、導電率が高い
という優れた効果を奏する。また、これらの構成元素は
環境を汚染することがないという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】熱電素子の一例を示す模式図である。
【0044】
【図2】液体急冷法を説明する模式図である。
【0045】
【図3】ガスアトマイズ法を説明する模式図である。
【0046】
【図4】押出ビレットの製造方法を説明する図である。
【0047】
【図5】衝撃成形法を説明する図である。
【0048】
【符号の説明】
1:セラミック板、2:電極、3:p型熱電材料、4:
n型熱電材料、5:石英ノズル、6:銅製ロール、7:
溶湯、8:薄帯、11:溶湯保持るつぼ、12:高圧ガ
ス、13:噴霧ノズル、14:溶湯細流、15:粉化
点、16:粉体、20:容器、21:粉体、22:スペ
ーサ、23:プラグ、24:接着剤、31:ホルダ、3
2:スパーリングリング、33:コンテナ、34:粉
体、35:プラグ、36:フライヤ、37:推進体

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウム基合金の準結晶と電気良導
    体との複合体からなることを特徴とする熱電材料。
  2. 【請求項2】 前記電気良導体がfcc構造のアルミニ
    ウムであることを特徴とする請求項1に記載の熱電材
    料。
  3. 【請求項3】 アルミニウム基合金を液体急冷法又はガ
    スアトマイズ法により急冷してその薄帯、薄片又は粉末
    を得、これをそのまま又は熱処理して準結晶相とした
    後、電気良導体と混合してホットプレス又は押出等によ
    り固化成形することを特徴とする熱電材料の製造方法。
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