JP4850083B2 - Thermoelectric conversion module, power generation device and cooling device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、発電用、冷却用として好適に使用される熱電変換モジュール、及びこれを用いた発電装置及び冷却装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module suitably used for power generation and cooling, and a power generation device and a cooling device using the same.
熱電変換素子は、P型半導体とN型半導体とからなるPN接合対の両端に温度差をつけると、電位差が発生する特徴を有しており、排熱回収発電などへの利用が期待されている。 The thermoelectric conversion element has a characteristic that a potential difference is generated when a temperature difference is given to both ends of a PN junction pair composed of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, and is expected to be used for exhaust heat recovery power generation and the like. Yes.
また、熱電変換素子に電流を流すと一端が発熱するとともに他端が吸熱するというペルチェ効果を有し、これをモジュール化した熱電変換モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単であるためフロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。 In addition, when a current is passed through the thermoelectric conversion element, the Peltier effect that one end generates heat and the other end absorbs heat is a module. The thermoelectric conversion module that is modularized enables precise temperature control, is compact, and has a structure. Due to its simplicity, it is expected to be widely used for electronic cooling elements such as freonless cooling devices, light detection elements, semiconductor manufacturing equipment, and laser diode temperature control.
基本的な熱電変換モジュールの構造を図3に示す。この熱電変換モジュール7は、支持基板1a、1bの表面に、それぞれ配線導体3a、3bが形成されている。配線導体3a、3b間にN型熱電変換素子2a及びP型熱電変換素子2bからなる複数の熱電変換素子2が接合層6を介して接合されている。
The structure of a basic thermoelectric conversion module is shown in FIG. In the
そして、これらの熱電変換素子2は、電気的に直列になるように配線導体3a、3bで接続し、さらに外部接続端子4に接続されている。この外部接続端子4には、接合層6によってリード線5が接続されており、外部と電気的に接続されている。
These
上記のような熱電変換素子2を広範囲の温度で使用する技術として、図4に示すような高温型の熱電変換素子2c、2dと低温型の熱電変換素子2a、2bを積層し、一体化したセグメント型素子を使用する技術が知られている。また、図5に示すような、熱電変換素子2a、2bを支持基板1cを介して多段化するカスケード型にする技術が知られている。
As a technique for using the
上述のような熱電変換モジュールの材料としては、次のようなものが用いられている。室温付近で使用される冷却用熱電変換モジュールには、冷却特性が優れるという観点からA2B3型結晶(AはBi及び/又はSb、BはTe及び/又はSe)からなる熱電変換素子2が一般的に用いられている。 The following materials are used as materials for the thermoelectric conversion module as described above. The thermoelectric conversion module 2 made of A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se) from the viewpoint of excellent cooling characteristics for the cooling thermoelectric conversion module used near room temperature. Is generally used.
N型熱電変換素子2aにはBi2Te3とSb2Te3との固溶体が、P型熱電変換素子2bにはBi2Te3とBi2Se3との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このA2B3型結晶(AはBi及び/又はSb、BはTe及び/又はSe)が熱電変換素子2に広く用いられている。
A solid solution of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 is shown for the N-type
また、発電用途には、200〜300℃までは冷却用途と同様、Bi−Te系が主に使用され、さらにそれ以上の温度域では、Mn−Si系、Mg−Si系、Si−Ge系、Pb−Te系、TAGS系(GeTe−AgSbTe)、Zn−Sb系、スクッテルダイト系などが熱電変換素子2に広く使用されている。
For power generation use, Bi-Te system is mainly used up to 200 to 300 ° C. as in the cooling application, and in a temperature range higher than that, Mn-Si system, Mg-Si system, Si-Ge system are used. Pb—Te, TAGS (GeTe—AgSbTe), Zn—Sb, skutterudite, and the like are widely used for the
上述のセグメント型のモジュールを用いた熱電変換モジュール7に関して、強度の高い焼結材と性能の高い溶製材を積層する技術(例えば、特許文献1参照)や、熱膨張の異なる2つの熱電変換素子の間に中間の熱膨張を有する材料を挿入する技術(例えば、特許文献2参照)が提案されている。これらの技術を用いることにより、熱による熱歪又は熱膨張差によって発生する熱電変換モジュール内部の応力を緩和することができる。
しかしながら、特許文献1の熱電変換モジュールは、強度の高い焼結材と性能の高い溶製材を積層し、性能を維持しつつ強度を高め、熱電変換素子の破壊を抑制する上で効果は見られるものの、性能や強度においてまだ不十分であった。 However, the thermoelectric conversion module of Patent Document 1 is effective in stacking a high-strength sintered material and a high-performance melted material, increasing the strength while maintaining the performance, and suppressing the destruction of the thermoelectric conversion element. However, it was still insufficient in performance and strength.
また、特許文献2の熱電変換モジュールは、異なる熱電変換素子を積層し、性能の向上をはかるとともに、熱膨張の異なる2つの熱電変換素子の間に中間の熱膨張を有する材料を挿入することで熱膨張差を緩和し、熱電変換素子の破壊を抑制する上で効果は見られるものの、振動や衝撃により出力が振れ、安定して電流を供給できないという問題があった。
In addition, the thermoelectric conversion module of
本発明者は、この現象を鋭意調査分析した結果、複数の熱電変換素子の粒径、相対的な密度又は気孔率を変えるとともに、硬度の異なる熱電変換素子を作製、積層することにより、出力の安定した熱電変換モジュールを得ることができることを見出した。 As a result of earnest investigation and analysis of this phenomenon, the inventor changed the particle size, relative density, or porosity of a plurality of thermoelectric conversion elements, and produced and laminated thermoelectric conversion elements having different hardnesses, thereby increasing the output. It has been found that a stable thermoelectric conversion module can be obtained.
従って、本発明の目的は、出力の安定性に優れた熱電変換モジュール及び発電装置及び冷却装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion module, a power generation device, and a cooling device that are excellent in output stability.
本発明にかかる熱電変換モジュールは、複数のP型熱電変換素子と、複数のN型熱電変換素子と、前記P型熱電変換素子と前記N型熱電変換素子とを交互に直列に接続する配線導体と、を備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子は、電極層間において硬度の異なる2以上の熱電層を備えており、前記硬度の異なる2以上の熱電層のうち、最も硬度の高い高硬度熱電層は、他のいずれか1つの低硬度熱電層よりも粒径が小さいことを特徴とする。
Thermoelectric conversion module according to the present invention, the wiring conductors for connecting the plurality of P-type thermoelectric conversion elements, and a plurality of N-type thermoelectric conversion elements, alternately in series with the P-type thermoelectric conversion elements and the N-type thermoelectric conversion element When, a thermoelectric conversion module comprising a said thermoelectric conversion element, the electrode layers includes two or more thermoelectric layers having different hardness, of two or more different thermoelectric layer of the hardness, the highest hardness high The hardness thermoelectric layer is characterized by having a particle size smaller than any one of the other low hardness thermoelectric layers.
また、その他の本発明にかかる熱電変換モジュールは、複数のP型熱電変換素子と、複数のN型熱電変換素子と、前記P型熱電変換素子と前記N型熱電変換素子とを交互に直列に接続する配線導体と、を備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子は、電極層間において硬度の異なる2以上の熱電層を備えており、前記硬度の異なる2以上の熱電層のうち、最も硬度の高い高硬度熱電層は、他のいずれか1つの低硬度熱電層に比べ密度が高いことを特徴とする。
Further, other of the thermoelectric conversion module according to the present invention includes a plurality of P-type thermoelectric conversion elements, and a plurality of N-type thermoelectric conversion element, series alternating with said P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element a thermoelectric conversion module comprising a wiring conductor connecting said thermoelectric conversion element, the electrode layers includes two or more thermoelectric layers having different hardness, of two or more different thermoelectric layer of the hardness, the most A high-hardness thermoelectric layer with high hardness is characterized by a higher density than any one of the other low-hardness thermoelectric layers.
また、その他の本発明にかかる熱電変換モジュールは、複数のP型熱電変換素子と、複数のN型熱電変換素子と、前記P型熱電変換素子と前記N型熱電変換素子とを交互に直列に接続する配線導体と、を備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子は、電極層間において硬度の異なる2以上の熱電層を備えており、前記硬度の異なる2以上の熱電層のうち、最も硬度の高い高硬度熱電層は、他のいずれか1つの低硬度熱電層に比べ気孔率が低いことを特徴とする。
Further, other of the thermoelectric conversion module according to the present invention includes a plurality of P-type thermoelectric conversion elements, and a plurality of N-type thermoelectric conversion element, series alternating with said P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element a thermoelectric conversion module comprising a wiring conductor connecting said thermoelectric conversion element, the electrode layers includes two or more thermoelectric layers having different hardness, of two or more different thermoelectric layer of the hardness, the most A high hardness thermoelectric layer with high hardness is characterized by a lower porosity than any one of the other low hardness thermoelectric layers.
また、上記本発明において、前記高硬度熱電層と、該高硬度熱電層と隣り合う前記低硬度熱電層との間には、前記高硬度熱電層よりも硬度が高い介在層が設けられていることが好ましい。
In the above present invention, and the high-hardness thermoelectric layer, between the high-hardness thermoelectric layer and adjacent the low-hardness thermoelectric layer, wherein the high-hardness hardness than the thermoelectric layer is high intermediate layer is provided It is preferable.
また、上記本発明において、前記介在層が、金属材料からなることが好ましい。 In the present invention, the intervening layer is preferably made of a metal material.
また、上記本発明において、前記介在層が、Ti、Ni、Al、Cu、Fe、Ag、Au、Mo、Mn、W、Sn、Si、Pt、Nb、Cr、Coの群から選ばれる少なくとも1種以上又はその合金からなることが好ましい。 In the present invention, the intervening layer is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Au, Mo, Mn, W, Sn, Si, Pt, Nb, Cr, and Co. It is preferable that it consists of a seed | species or its alloy.
本発明を用いることにより、高硬度側熱電変換素子が形状を保持しつつ、低硬度側の熱電変換素子が適度に変形する。従って、熱電変換素子間の界面に発生する応力や歪を緩和でき、これにより熱伝達のロス及び電子あるいは正孔の流れの乱れを抑制することができる。そのため、電流の振れが抑制され、安定して電流を供給できる。特に粒径が小さい熱電変換素子では粒界が多くなるので、応力や歪の発生を粒界すべりによって吸収できる効果が生じる。そのため粒子間にかかる応力や歪が緩和されて、電子や正孔の流れに乱れが生じにくく、よって前記効果との相乗効果により、さらに出力の振れを小さくでき、電流を安定して供給できる。また、組成などの異なる熱電変換素子を積層して性能を向上させる場合には、特に有効である。 By using the present invention, the low-hardness thermoelectric conversion element is appropriately deformed while the high-hardness thermoelectric conversion element retains its shape. Therefore, stress and strain generated at the interface between the thermoelectric conversion elements can be relaxed, and thereby loss of heat transfer and disturbance of the flow of electrons or holes can be suppressed. Therefore, current fluctuation is suppressed and current can be supplied stably. In particular, in a thermoelectric conversion element having a small particle size, the number of grain boundaries increases, so that the effect of absorbing the occurrence of stress and strain by the grain boundary sliding is produced. Therefore, the stress and strain applied between the particles are alleviated, and the flow of electrons and holes is hardly disturbed. Therefore, the synergistic effect with the above effect can further reduce the output fluctuation and stably supply the current. Further, it is particularly effective when the performance is improved by stacking thermoelectric conversion elements having different compositions.
本発明の一実施形態を以下に説明する。なお、いずれの実施形態においても、モジュールの構造保持強化のため、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックなどの絶縁体と電極を一体化した絶縁基板を使用することが可能である。 One embodiment of the present invention will be described below. In any of the embodiments, it is possible to use an insulating substrate in which an electrode and an insulator such as ceramics such as alumina, aluminum nitride, silicon nitride, and silicon carbide are integrated in order to strengthen the structure retention of the module. .
図1は、本発明の熱電変換モジュール7の断面図の実施の形態を示す。
FIG. 1 shows an embodiment of a cross-sectional view of a
この図によれば、熱電変換素子2は、N型熱電変換素子2a、2cおよびP型熱電変換素子2b、2dからなる。この熱電変換モジュール7は、P型N型交互に配列された複数の熱電変換素子2と、これらの熱電変換素子2の上端面および下端面と隣接する熱電変換素子2の間を電気的に連結する配線導体3a、3bと、配線導体3a、3bと熱電変換素子2の上端面または下端面とを接合する接合層6と、外部へ電気を供給するリード線5とを備えている。
According to this figure, the
ここで熱電変換素子2は、低温側熱電変換素子2a、2b、高温側熱電変換素子2c、2dが積層されている。低温側熱電変換素子2a、2bと高温側熱電変換素子2c、2dは積層されていればよく、必ずしも接合あるいは接着などの手法により、固定化される必要はない。
Here, in the
本発明の熱電素子の材料としては従来から用いられているものが使用できる。特に、冷却用途及び300℃以下での発電用途では、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているBi−Te系が好ましい。これにより良好な発電性能及び冷却効果を得ることができる。P型としてBi0.4Sb1.6Te3、Bi0.5Sb1.5Te3など、N型としてBi2Te2.85Se0.15、Bi2Te2.9Se0.1などが好適に使用される。さらに高温では、Mn−Si系、Mg−Si系、Si−Ge系、Pb−Te系、TAGS系(GeTe−AgSbTe)、Zn−Sb系、スクッテルダイト系などが好適に使用できる。 Conventionally used materials can be used for the thermoelectric element of the present invention. In particular, in cooling applications and power generation applications at 300 ° C. or lower, Bi—Te system having the most excellent thermoelectric conversion performance near normal temperature is preferable. Thereby, good power generation performance and cooling effect can be obtained. Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 , Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3, etc. as P type, Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 , Bi 2 Te 2.9 Se 0.1 as N type Etc. are preferably used. At higher temperatures, Mn—Si, Mg—Si, Si—Ge, Pb—Te, TAGS (GeTe—AgSbTe), Zn—Sb, skutterudite, and the like can be suitably used.
本発明の熱電変換モジュール7は、図1における積層された低温側熱電変換素子2a、2bと、高温側熱電変換素子2c、2dとの硬度が異なっており、最も硬度の高い高硬度熱電層は、他のいずれか1つの低硬度熱電層よりも粒径が小さいことが重要である。高硬度側熱電変換素子は全体の形状を保持、維持する作用があり、モジュール全体の構造を保持し、過大な振動、衝撃、歪に抵抗する効果がある。一方、低硬度側の熱電変換素子は、適度に変形することによって、熱電変換素子間の界面に発生する応力や歪を緩和する。そのため、熱伝達のロス及び電子あるいは正孔の流れの乱れを抑制でき、よって電流の振れが抑制され、安定して電流を供給できる。特に粒径が小さい熱電変換素子2では粒界が多くなるので、応力や歪の発生を粒界すべりによって吸収できる効果が生じる。そのため粒子間にかかる応力や歪が緩和されて、電子や正孔の流れに乱れが生じにくく、よって前記熱伝達のロス及び電子あるいは正孔の流れの乱れ抑制効果との相乗効果により、さらに出力の振れを小さくでき、電流を安定して供給できる。また、組成などの異なる前記熱電変換素子2を積層して性能を向上させる場合には、特に有効である。粒径の差は5%以上、好ましくは10%以上、さらに好ましくは20%以上が望ましい。
In the
また、本発明の熱電変換モジュール7は、図1における積層された低温側熱電変換素子2a、2bと、高温側熱電変換素子2c、2dと硬度が異なっており、最も硬度の高い高硬度熱電層は、他のいずれか1つの低硬度熱電層に比べ、相対的に密度が高いことが重要である。密度が高い熱電変換素子では、電子あるいは正孔の密度が高くなるので、応力や歪みが生じても電子あるいは正孔の流れに乱れが生じにくく、よって前記熱伝達のロス及び電子あるいは正孔の流れの乱れ抑制効果との相乗効果により、さらに出力の振れを小さくでき、電流を安定して供給できる。組成などの異なる前記熱電変換素子2を積層して性能を向上させる場合には、特に有効である。密度の差は5%以上、好ましくは10%以上、さらに好ましくは20%以上が望ましい。
Further, the
また、本発明の熱電変換モジュールは、図1における積層された低温側熱電変換素子2a、2bと、高温側熱電変換素子2c、2dとの硬度が異なっており、最も硬度の高い高硬度熱電層は、他のいずれか1つの低硬度熱電層に比べ相対的に気孔率が低いことが重要である。気孔率が小さい熱電変換素子2は、粒界欠陥が少ないので電子や正孔が流れやすく、応力や歪みが生じても電子あるいは正孔の流れに乱れが生じにくい。よって前記熱伝達のロス及び電子あるいは正孔の流れの乱れ抑制効果との相乗効果により、さらに出力の振れを小さくでき、電流を安定して供給できる。また、組成などの異なる熱電変換素子2を積層して性能を向上させる場合には、特に有効である。気孔率の差は、2%以上、好ましくは5%以上、さらに好ましくは10%以上が望ましい。
In the thermoelectric conversion module of the present invention, the laminated low temperature side
さらに、前記高硬度熱電層と、該高硬度熱電層と隣り合う前記低硬度熱電層との間に、前記高硬度熱電層よりも硬度が高い介在層8が設けられていることが重要である。高硬度の介在層8を低温側熱電変換素子2a、2bと、高温側熱電変換素子2c、2dとの間に配置されることが好ましい。これにより、介在層が構造を保持しようとする突っ張り効果と、介在層の両側にある2つの熱電変換素子が両側で適度に変形するため、さらに変形量あるいは歪を低減でき、熱の伝達ロスを抑制できる。また、電子あるいは正孔の流れに乱れが生じるのを防止することができる。それにより出力の振れを抑制でき、電流を安定して供給できる。また、変形、歪による熱電変換素子2の破壊、破損も低減できる。介在層8の硬度は高硬度材料の1.2倍以上が望ましく、好ましくは1.5倍以上、さらに好ましくは2倍以上が望ましい。
Furthermore, said high-hardness thermoelectric layer, wherein adjacent to the high hardness thermoelectric layer between the low hardness thermoelectric layer, it is important that the high-hardness thermoelectric layer interposed layer 8 having a high hardness than is provided . It is preferable that the high-hardness intervening layer 8 is disposed between the low temperature side
また、前記介在層8が、金属材料からなることが好ましい。高硬度の金属層を低硬度の材料間に挿入することにより金属層が構造を保持しようとする突っ張り効果と、介在層の両側にある2つの熱電変換素子が両側で適度に変形するため、さらに変形量あるいは歪を低減できる。また、電子あるいは正孔の流れに乱れが生じるのを防止することができる。それにより出力の振れを抑制でき、電流を安定して供給できる。また、変形、歪による熱電変換素子2の破壊、破損も低減できる。ここで介在層8の厚さは5mm以下が望ましい。5mmより厚いと熱の伝達が大きくなるため、効率が落ちる。また、介在層8は発電に寄与しないため、単位体積当たりの出力が低下する。好ましくは3mm以下、さらに好ましくは1mm以下が望ましい。
The intervening layer 8 is preferably made of a metal material. By inserting a high-hardness metal layer between low-hardness materials, the metal layer tries to maintain its structure, and the two thermoelectric conversion elements on both sides of the intervening layer are appropriately deformed on both sides. The amount of deformation or distortion can be reduced. In addition, it is possible to prevent disturbance of the flow of electrons or holes. As a result, output fluctuations can be suppressed and current can be supplied stably. Moreover, destruction and breakage of the
また、低温側熱電変換素子2a、2bと、高温側熱電変換素子2c、2dとの間に配置される介在層8がTi、Ni、Al、Cu、Fe、Ag、Au、Mo、Mn、W、Sn、Si、Pt、Nb、Cr、Coから選ばれる少なくとも1種以上の金属、あるいは合金であることが好ましい。これにより、さらに変形する部位をより小さくすることができる。よって変形量あるいは歪を低減できるため、熱の伝達ロスを抑制できる。また、電子あるいは正孔の流れに乱れが生じるのを防止することができる。それにより出力の振れを抑制でき、電流を安定して供給できる。この介在層8は、熱電変換素子2を焼成すると同時に、粉末を焼結させることで得られる。または板状、メッシュ状、帯状の金属を使用することも可能である。
The intervening layer 8 disposed between the low temperature side
また、図2に示すように低硬度熱電変換素子と介在層8との間の接触界面に反応層9を有していることが好ましい。反応層9の硬度が低硬度熱電変換素子との中間の硬度であるため、緩衝作用が働き、さらに変形量あるいは歪を低減できる。また、電子あるいは正孔の流れに乱れが生じるのを防止することができる。それにより出力の振れを抑制でき、電流を安定して供給できる。この反応層9は、熱電変換素子2を焼成すると同時に、粉末を焼結させることで得られる。または板状、メッシュ状、帯状の金属を挿入後、熱処理しても得られる。反応層は低硬度材と介在層の組成物が互いに0.1%以上存在し、0.1μm以上の厚さが存在することにより、効果が得られる。
Moreover, it is preferable to have the reaction layer 9 in the contact interface between the low-hardness thermoelectric conversion element and the intervening layer 8 as shown in FIG. Since the hardness of the reaction layer 9 is intermediate between that of the low-hardness thermoelectric conversion element, the buffering action works, and the deformation amount or strain can be reduced. In addition, it is possible to prevent disturbance of the flow of electrons or holes. As a result, output fluctuations can be suppressed and current can be supplied stably. This reaction layer 9 is obtained by sintering the
また、図2に示すように高硬度熱電変換素子と介在層8との間の接触界面に反応層9を有していることが好ましい。反応層9の硬度が高硬度熱電変換素子との中間の硬度であるため、緩衝作用が働き、さらに変形量あるいは歪を低減できる。また、電子あるいは正孔の流れに乱れが生じるのを防止することができる。それにより出力の振れを抑制でき、電流を安定して供給できる。この反応層9は、熱電変換素子を焼成すると同時に、粉末を焼結させることで得られる。または板状、メッシュ状、帯状の金属を挿入後、熱処理しても得られる。反応層は高硬度材と介在層の組成物が互いに0.1%以上存在し、0.1μm以上の厚さが存在することにより、効果が得られる。 Moreover, it is preferable to have the reaction layer 9 in the contact interface between the high hardness thermoelectric conversion element and the intervening layer 8 as shown in FIG. Since the hardness of the reaction layer 9 is intermediate between that of the high-hardness thermoelectric conversion element, a buffering action works, and the deformation amount or strain can be reduced. In addition, it is possible to prevent disturbance of the flow of electrons or holes. As a result, output fluctuations can be suppressed and current can be supplied stably. This reaction layer 9 is obtained by sintering the thermoelectric conversion element and simultaneously sintering the powder. Alternatively, it can be obtained by heat treatment after inserting a plate-like, mesh-like, or strip-like metal. In the reaction layer, the composition of the high-hardness material and the intervening layer is present in an amount of 0.1% or more, and the thickness is 0.1 μm or more.
また、低硬度熱電変換素子と介在層8との間の接触面に存在する反応層9の硬度が、低硬度熱電変換素子から介在層8の中心に至るまで連続的に徐々に変化することが好ましい。これにより、緩衝作用が大きく、さらに変形量あるいは歪を低減できる。また、電子あるいは正孔の流れに乱れが生じるのを防止することができる。この反応層8は、熱電変換素子2を焼成すると同時に、粉末を焼結させることで得られる。または板状、メッシュ状、帯状の金属を挿入後、熱処理しても得られる。
In addition, the hardness of the reaction layer 9 existing on the contact surface between the low-hardness thermoelectric conversion element and the intervening layer 8 may gradually and continuously change from the low-hardness thermoelectric conversion element to the center of the intervening layer 8. preferable. Thereby, the buffering action is large, and the deformation amount or distortion can be reduced. In addition, it is possible to prevent disturbance of the flow of electrons or holes. This reaction layer 8 is obtained by sintering the
また、高硬度熱電変換素子と介在層8との間の接触面に存在する反応層9の硬度が、高硬度熱電変換素子から介在層8の中心に至るまで連続的に徐々に変化していることが好ましい。これにより、緩衝作用が大きく、さらに変形量あるいは歪を低減できる。また、電子あるいは正孔の流れに乱れが生じるのを防止することができる。この反応層9は、熱電変換素子2を焼成すると同時に、粉末を焼結させることで得られる。または板状、メッシュ状、帯状の金属を挿入後、熱処理しても得られる。
Further, the hardness of the reaction layer 9 existing on the contact surface between the high-hardness thermoelectric conversion element and the intervening layer 8 continuously and gradually changes from the high-hardness thermoelectric conversion element to the center of the intervening layer 8. It is preferable. Thereby, the buffering action is large, and the deformation amount or distortion can be reduced. In addition, it is possible to prevent disturbance of the flow of electrons or holes. This reaction layer 9 is obtained by sintering the
また、フィンなどの熱交換装置を上述の熱電モジュールと接合あるいは一体化して用いることが好ましい。熱回収及び放熱を熱伝達ロス少なく、効率的にできるため、変換効率の高いモジュールとすることができる。熱交換装置は、熱電変換モジュール7に熱を伝える、又は、熱を放出する機能を有するものであり、フィンの他には棒状、メッシュ状、ハニカム状、筒状、回転体などあらゆる形状の物が使用できる。
Further, it is preferable to use a heat exchange device such as a fin joined or integrated with the above-described thermoelectric module. Since heat recovery and heat dissipation can be performed efficiently with little heat transfer loss, a module with high conversion efficiency can be obtained. The heat exchange device has a function of transferring heat to the
また、前記熱電変換モジュールを例えば自動車やコージェネレーション等の排熱を利用した発電手段として使用することができる。これにより長期安定性に優れた発電装置を提供することができる。 Moreover, the said thermoelectric conversion module can be used as an electric power generation means using exhaust heat, such as a motor vehicle or a cogeneration. Thereby, the power generator excellent in long-term stability can be provided.
また、前記熱電変換モジュールを例えばレーザーや半導体製造装置等の冷却手段として使用することができる。これにより長期安定性に優れた冷却装置を提供することができる。 Further, the thermoelectric conversion module can be used as a cooling means for, for example, a laser or a semiconductor manufacturing apparatus. Thereby, the cooling device excellent in long-term stability can be provided.
次に、本発明の熱電変換モジュールの製造方法について、以下に説明する。 Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion module of this invention is demonstrated below.
本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、粒径の異なる粉末または成形体または焼結体を積層した後に、目標温度より5℃以上低い温度から1〜500分の時間で徐昇温し焼結、接合させる。積層した後焼成することで、硬度の異なる一体型積層熱電変換素子2が作製可能となる。目標温度より低い温度から徐昇温にすることにより温度の過上昇を防止でき、安定した熱電変換素子2の作製が可能となる。好ましくは20℃以上、さらに好ましくは50℃以上低い温度から徐昇温することが望ましい。
The method for producing a thermoelectric conversion module of the present invention comprises a step of laminating powders, molded bodies or sintered bodies having different particle diameters, and then gradually raising the temperature from a
具体的には、まず、熱電変換素子2の原料粉末を準備する。原料粉末は、所定の組成の粗原料を秤量し、るつぼなどに入れ、溶融・合金化した後、粉砕して得られる。粗原料を秤量後に、混合、粉砕し、均一微細原料にすることにより、より均一な合金が得られる。また、溶融、合金化は、真空あるいは不活性ガス中に封入することにより、組成変動や酸化の少ない合金を得ることに有効である。さらに原料の酸素量を低減する目的で、原料粉末、あるいは成形体を水素中で還元処理することもできる。
Specifically, first, raw material powder for the
このようにして得られた熱電変換素子2の原料および介在層の原料を、層状にダイスに詰め、積層する。この原料粉末を、周知の方法、たとえばホットプレス(HP)、ホットホージ、放電プラズマ焼結(SPS)、常圧焼結、ガス圧焼結(GPS)、熱間等方圧加圧(HIP)などの方法により、焼結体を得ることができる。この焼結体を所望の形状に加工して熱電変換素子2が得られる。
The raw material of the
次いで、配線導体3の上に、ロウ材を塗布し、N型及びP型熱電変換素子2の上に被せ、加圧加熱して接合する。ここでロウ材は、銀ロウ、銅ロウ、黄銅ロウ、アルミニウムロウ、ニッケルロウ、リン銅ロウ、活性金属ロウやAu−Sn、Sn−Sbなどの半田の中から、使用温度及び熱電変換素子2の耐熱性に応じ、適宜選択できる。また、作業性、構造保持性向上の観点から型枠を使用することもできる。型枠は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスやTi、Ni、Al、Fe、Cuなどの金属やその合金が使用温度及び熱電変換素子2の熱膨張率に応じ、適宜選択できる。熱電変換素子2は、N型及びP型熱電変換素子2が交互に並ぶように配列し、且つ電気的に直列に接合されるよう配置する。また、配線導体3は、溶射法、圧接法、ボルト締結などの常法により設置することができる。また、配線導体3は、セラミックスなどと一体化された基板を使用することにより、構造の保持及び強度を向上させることができる。基板1として、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスや、絶縁板を使用することができる。
Next, a brazing material is applied on the wiring conductor 3, is placed on the N-type and P-type
得られた熱電変換モジュール7に、外部へ電気を取り出す、あるいは電流を供給するリード線5を接合し、熱電変換モジュール7が得られる。リード線5の変わりに、柱や板、ブロックを使用することもできる。
The
また、枠を使用した熱電変換モジュール7では、内部に雰囲気ガスを封入し、熱電変換素子2あるいは配線導体3などの熱電変換モジュール7構成部材の酸化や腐食などによる劣化を防ぐことができる。
Moreover, in the
なお、使用温度が低い、又は熱電変換素子2の耐熱性が高い等の理由で、低温側と高温側が同一のロウ材や半田で接合可能な場合、低温側と高温側の支持基板1を同時に接合し、熱電変換モジュール7を得ることもできる。
When the low temperature side and the high temperature side can be joined with the same brazing material or solder due to the low use temperature or the high heat resistance of the
このようにして、本発明の電気安定性に優れた熱電変換モジュール7を提供することができる。
Thus, the
以下に本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
本発明に用いる熱電交換素子の出発原料として、Co−Sb−Te系の原料及び、Bi−Sb−Te−Se系の原料を準備し、所定の量を秤量し、それぞれるつぼに入れ、溶融・合金化した。合金は粉砕後メッシュパスし、整粒して使用した。焼成はまず介在層8となるTiをダイスに詰め、ついで前記Co−Sb−Te系合金原料を詰め、積層する。SPS焼成炉で570℃まで昇温し、その後600℃まで30分で昇温し、焼結体を得た。次に、Bi−Sb−Te−Se系合金原料をダイスに詰め、その上に前記Co−Sb−Te系焼結体を介在層8がBi−Sb−Te−Se系合金原料に接するように積層する。再度SPS焼成炉で350℃まで昇温し、その後380℃まで30分で昇温し、焼結体を得た。得られた焼結体は、縦3mm、横3mm、高さ5mmの寸法に切断し、熱電変換モジュール7を構成する熱電変換素子2とした。
As a starting material of the thermoelectric exchange element used in the present invention, a Co-Sb-Te-based material and a Bi-Sb-Te-Se-based material are prepared, and a predetermined amount is weighed, put in a crucible, and melted, Alloyed. The alloy was used after pulverization and mesh passing. In the firing, Ti serving as the intervening layer 8 is first packed in a die, and then the Co—Sb—Te alloy raw material is packed and laminated. The temperature was raised to 570 ° C. in an SPS firing furnace, and then raised to 600 ° C. in 30 minutes to obtain a sintered body. Next, Bi—Sb—Te—Se alloy material is packed in a die, and the Co—Sb—Te sintered body is placed thereon so that the intervening layer 8 is in contact with the Bi—Sb—Te—Se alloy material. Laminate. The temperature was raised again to 350 ° C. in the SPS firing furnace, and then the temperature was raised to 380 ° C. in 30 minutes to obtain a sintered body. The obtained sintered body was cut into dimensions of 3 mm in length, 3 mm in width, and 5 mm in height to obtain a
前記のようにして得られたP型及びN型熱電変換素子2を並べ、ロウ材を塗布、乾燥させた配線導体3を上から被せ、加圧しながら加熱し、熱電変換素子2と配線導体3を接合した。なお、ロウ材の濡れ性を向上させるために、熱電変換素子2の接合面にメッキ法、あるいは前記熱電変換素子を焼結させる際に同時にNi、Cu、Auなどの層を焼結させ接合面とすることができる。
The P-type and N-type
このようにして得られたP型及びN型熱電変換素子対を並べ、低温側配線導体を半田で接合し、端部の配線導体にリード線を接合して、熱電変換モジュール7を作製できる。なお、配線導体3は、構造上の強度向上のため、アルミナなどの支持基板1と一体化されたものを使用することができる。
The
このようにして得られた熱電変換モジュール7の下面にヒートシンクに冷却水を流すことによって冷却し、一定温度に保った。また、上面はヒータを取り付け、加熱することにより、熱電変換モジュール7の上下面に温度差(ΔT)をつけた。この装置に振動を与えつつ、出力を測定し、10分間に発生するノイズの回数を測定した。
The
なお、硬度の測定については、JIS−R1610に基づいて、マイクロビッカース硬度計により測定を行った。この際、25gfの荷重で圧子を押し込む時間は15秒とした。その後、荷重を除去した後、素子表面にできた圧痕から硬度を算出した。 In addition, about the measurement of hardness, it measured with the micro Vickers hardness meter based on JIS-R1610. At this time, the time for pressing the indenter with a load of 25 gf was 15 seconds. Then, after removing the load, the hardness was calculated from the indentation formed on the element surface.
また、密度および気孔率については、JIS−R1634に基づいてアルキメデス法により測定した。粒径については、素子の破断面、または研磨面をSEM写真に撮り、その中から100個以上の粒子を選択して粒子の形状を画像処理法により円に換算し、その直径を平均した値である。
上記の表1において、No1から6については、高硬度熱電層の粒径及び硬度を変化させ、No7から28については、低硬度熱電層と、高硬度熱電層の間に表1に記載の異なる金属材からなる介在層をそれぞれ介し、No29から33については、高硬度熱電層を放電プラズマ焼結(SPS)法以外の焼成方法として表1に記載の異なる製法でそれぞれ作製し、No34から39については、高硬度熱電層として表1に記載の異なる材料を用いた熱電変換モジュールを使用して実験を行った結果である。 In Table 1, for No. 1 to No. 6, the particle size and hardness of the high hardness thermoelectric layer are changed, and for No. 7 to No. 28, the differences described in Table 1 are different between the low hardness thermoelectric layer and the high hardness thermoelectric layer. For each of Nos. 29 to 33, a high-hardness thermoelectric layer was prepared by a different manufacturing method described in Table 1 as a firing method other than the discharge plasma sintering (SPS) method, and Nos. 34 to 39, respectively. These are the results of conducting an experiment using a thermoelectric conversion module using different materials described in Table 1 as the high hardness thermoelectric layer.
高硬度熱電層/低高度熱電層が1.0となるNo1及びNo6については、ノイズ回数が40回以上となった。それに対してその他の実施例においては、ノイズ回数が15回以下と良好な結果を得ることができた。 For No1 and No6 where the high hardness thermoelectric layer / low altitude thermoelectric layer was 1.0, the number of noises was 40 times or more. On the other hand, in the other examples, the number of noises was 15 or less, and good results could be obtained.
また、介在層として、高硬度熱電層との硬度が比較的近いAl、Cu、Ag、Au、Snを用いた場合は、ノイズ回数を減少させることができた。 In addition, when Al, Cu, Ag, Au, or Sn having relatively close hardness to the high-hardness thermoelectric layer was used as the intervening layer, the number of noises could be reduced.
また、熱間等方圧加圧(HIP)法を用いて高硬度熱電層を作製したNo32は、ホットプレス(HP)法、ガス焼結(GPS)法、ホットホージ法に比べてノイズ回数を減少させることができた。 In addition, No. 32, which produced a high-hardness thermoelectric layer using the hot isostatic pressing (HIP) method, reduced the number of noises compared to the hot press (HP) method, gas sintering (GPS) method, and hot forge method. I was able to.
さらに、高硬度熱電層の材料として、Fe−Siを用いたものは、他の材料を用いたものに比べてノイズ回数を減少させることができた。
上記の表2において、No40から45については、高硬度熱電層の粒径及び密度を変化させ、No46から65については、低硬度熱電層と、高硬度熱電層の間に表2に記載の異なる金属材からなる介在層をそれぞれ介し、No66及びNo67については、介在層の厚みを変化させ、No68から72については、高硬度熱電層を放電プラズマ焼結(SPS)法以外の焼成方法として表2に記載の異なる製法でそれぞれ作製し、No73については、高硬度熱電層としてPb−Teを用いた熱電変換モジュールを使用して実験を行った結果である。 In Table 2 above, for No. 40 to 45, the particle size and density of the high hardness thermoelectric layer were changed, and for No. 46 to 65, the differences described in Table 2 were different between the low hardness thermoelectric layer and the high hardness thermoelectric layer. For each of No. 66 and No. 67, the thickness of the intermediate layer was changed, and for No. 68 to No. 72, a high hardness thermoelectric layer was used as a firing method other than the discharge plasma sintering (SPS) method. No73 is a result of experiments using a thermoelectric conversion module using Pb-Te as a high-hardness thermoelectric layer.
高硬度熱電層/低高度熱電層が1.0となるNo40及びNo45ついては、ノイズ回数が40回以上となった。それに対してその他の実施例においては、ノイズ回数が14回以下と良好な結果を得ることができた
また、介在層として、高硬度熱電層との硬度が比較的近いAl、Cu、Ag、Au、Sn、Ti−Ni、Al−Cu、Ti−Al、Fe−Alを用いた場合は、ノイズ回数を減少させることができた。
For No40 and No45 where the high-hardness thermoelectric layer / low-altitude thermoelectric layer was 1.0, the number of noises was 40 times or more. On the other hand, in the other examples, the number of noises was 14 or less, and good results could be obtained. Also, as the intervening layer, Al, Cu, Ag, Au having relatively close hardness with the high-hardness thermoelectric layer When Sn, Ti-Ni, Al-Cu, Ti-Al, and Fe-Al were used, the number of noises could be reduced.
また、介在層の厚みを厚くしたNo66及びNo67は同一材料からなる介在層を有するNo46及びNo47と比較してノイズ回数を減少させることができた。 Moreover, No66 and No67 which increased the thickness of the intervening layer was able to reduce the number of noises compared with No46 and No47 having the intervening layer made of the same material.
また、熱間等方圧加圧(HIP)法及びガス焼結(GPS)法を用いて高硬度熱電層を作製したNo32は、ホットプレス(HP)法、ホットホージ法に比べてノイズ回数を減少させることができた。
上記の表2において、No74から79については、高硬度熱電層の粒径及び硬度を変化させ、No80から101については、低硬度熱電層と、高硬度熱電層の間に表1に記載の異なる金属材からなる介在層をそれぞれ介し、No102から106については、高硬度熱電層を放電プラズマ焼結(SPS)法以外の焼成方法として表1に記載の異なる製法でそれぞれ作製し、No107から112については、高硬度熱電層として表1に記載の異なる材料を用いた熱電変換モジュールを使用して実験を行った結果である。 In Table 2, for No. 74 to 79, the particle size and hardness of the high hardness thermoelectric layer are changed, and for No. 80 to 101, the differences described in Table 1 are different between the low hardness thermoelectric layer and the high hardness thermoelectric layer. For each of Nos. 102 to 106, a high-hardness thermoelectric layer was prepared by a different manufacturing method described in Table 1 as a firing method other than the discharge plasma sintering (SPS) method, and Nos. 107 to 112 were respectively interposed. These are the results of conducting an experiment using a thermoelectric conversion module using different materials described in Table 1 as the high hardness thermoelectric layer.
高硬度熱電層/低高度熱電層が1.0となるNo74及びNo79ついては、ノイズ回数が40回以上となった。それに対してその他の実施例においては、ノイズ回数が14回以下と良好な結果を得ることができた
また、介在層として、高硬度熱電層との硬度が比較的近いAl、Cu、Ag、Au、Sn、Ti−Ni、Al−Cu、Ti−Al、Fe−Alを用いた場合は、ノイズ回数を減少させることができた。
For No. 74 and No. 79 where the high-hardness thermoelectric layer / low-altitude thermoelectric layer was 1.0, the number of noises was 40 times or more. On the other hand, in the other examples, the number of noises was 14 or less, and good results could be obtained. Also, as the intervening layer, Al, Cu, Ag, Au having relatively close hardness with the high-hardness thermoelectric layer When Sn, Ti-Ni, Al-Cu, Ti-Al, and Fe-Al were used, the number of noises could be reduced.
また、介在層の厚みを厚くしたNo100及びNo101は同一材料からなる介在層を有するNo80及びNo81と比較してノイズ回数を減少させることができた。 Moreover, No100 and No101 which increased the thickness of the intervening layer were able to reduce the number of noises compared to No80 and No81 having the intervening layer made of the same material.
さらに、高硬度熱電層の材料として、Fe−Si及びZn−Sbを用いたものは、他の材料を用いたものに比べてノイズ回数を減少させることができた。
Furthermore, the number of noises can be reduced by using Fe—Si and Zn—Sb as materials for the high-hardness thermoelectric layer as compared with those using other materials.
1・・・支持基板
1a・・・下部支持基板
1b・・・上部支持基板
1c・・・中間支持基板
2・・・熱電変換素子
2a・・・低温用N型熱電変換素子
2b・・・低温用P型熱電変換素子
2c・・・高温用N型熱電変換素子
2d・・・高温用P型熱電変換素子
3a、3b・・・配線導体
4・・・外部接続端子
5・・・リード線
6・・・接合層
7・・・熱電変換モジュール
8・・・介在層
9・・・反応層
9a・・・低温側反応層
9b・・・高温側反応層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Support substrate 1a ...
Claims (9)
する発電装置。 Power generator, characterized in that the power generating means thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 6.
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