JP7079082B2 - 熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び移動体 - Google Patents
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Description
本発明は、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合面に亀裂が生じにくい熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び移動体を提供することを課題とする。
本発明の別の態様に係る熱電変換モジュールは、上記一態様に係る熱電変換素子を備えることを要旨とする。
本発明のさらに別の態様に係る移動体は、上記別の態様に係る熱電変換モジュールを搭載したことを要旨とする。
第一実施形態の熱電変換素子は、p型熱電変換材料を有するp型熱電変換材料部12と、n型熱電変換材料を有するn型熱電変換材料部11とが接合された熱電変換素子であって、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の一側面同士が対向して、対向する部分が接合されている。
高温側絶縁基板51の材料は、熱電変換モジュール60を使用する際の上限温度(例えば800℃)以上の融点を持ち、熱電変換素子の高温側端部との間で絶縁される材料であればよく、例えばアルミナであってよい。また、低温側絶縁基板52の材料は、高温側絶縁基板51と同一であってもよいし、異なってもよいが、低温側配線42との間で絶縁される材料である必要がある。
このような本実施形態の熱電変換モジュール60は、自動車等の移動体に搭載してもよい。その際には、移動体の廃熱を利用した発電に使用できる。
このような第一実施形態の熱電変換素子は、図8に示すような従来の熱電変換素子に比べて、製造方法が容易であり、低コストである。
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例1)
(熱電変換素子の作製)
純度99%以上の高純度のBaと、純度99.9%以上の高純度のAl、Ga、Si、Auを、以下に示す配合比率(配合量(単位はg))で混合して、原料混合物A、Bを得た(混合工程)。原料混合物Aの配合比率は、Ba:12.8g、Al:3.0g、Ga:7.7g、Si:8.9gである。原料混合物Bの配合比率は、Ba:14.4g、Si:14.4g、Au:14.5gである。
このようにして原料混合物Aから得られた特性評価用焼結体は、n型熱電変換特性を示し、原料混合物Bから得られた特性評価用焼結体は、p型熱電変換特性を示した。
例えば、原料混合物Aから得られた微粒子を焼結して得られた焼結体を、焼結型内に設置し、そこに原料混合物Bから得られた微粒子を充填して、焼結体の上に原料混合物Bから得られた微粒子を配する。これを、原料混合物Aから得られた微粒子の焼結温度よりも低温で焼結することで、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部が直接的に接合された焼結体が得られる。p型熱電変換材料とn型熱電変換材料の焼結温度が異なる場合には、このような方法を採用することもできる。
さらには、原料混合物Aから得られた微粒子と原料混合物Bから得られた微粒子とを別々に焼結して、各焼結体を加圧接触させた状態を維持したまま、電気炉等を用いて高温に熱処理する方法を採用することもできる。
上記のようにして得られた熱電変換素子の耐衝撃性と熱電性能を評価した。耐衝撃性は、熱電変換素子を地上1mの高さから落下させた時の熱電変換素子の割れの有無により評価した。落下後の熱電変換素子の外観を観察し、熱電変換素子に割れやひびが生じた場合は不合格とした。また、外観上異常がない場合でも、抵抗値が倍以上に上昇した場合は、内包的にひびが生じたと判断して不合格とした。この耐衝撃性試験を10個の熱電変換素子について行ったところ、不合格品は5個未満であった。
実施例1と同様にして、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合体を製造した。得られた接合体を奥行1mm×幅5mm×高さ5mmの外形寸法に整形し、さらに、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部の接合面に沿ってスリットを形成して、図8に示すような断面U字状をなす比較例1の熱電変換素子を得た。スリットについて詳述すると、接合体の接合面のうち高温側端部側の部分についてはp型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部が接合されたままとし、低温側端部側の部分についてはp型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部が離間するようにスリットを設けた。
これらの結果から、比較例1の熱電変換素子は、比較的大きな起電圧を得られたものの、耐衝撃性が比較的弱く、壊れやすいことがわかった。
第二実施形態の熱電変換素子の構成は、第一実施形態の熱電変換素子の構成と同様の部分を有しているので、主に異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
第二実施形態の熱電変換素子は、p型熱電変換材料を有するp型熱電変換材料部12と、n型熱電変換材料を有するn型熱電変換材料部11とが接合された熱電変換素子であって、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の一側面同士が対向して、対向する部分が接合されている。
また、第二実施形態の熱電変換素子は、第一実施形態の場合と同様に、図4に示す熱電変換モジュール60を構成することができる。
さらに、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11の製造方法や、p型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11の接合体の製造方法は、第一実施形態の熱電変換素子の場合と同様であるが、スリット31の形成は、接合体の製造方法におけるいずれの工程において行っても差し支えない。
あるいは、スリット31を形成可能な焼結型を用いて、スリット31を有する接合体を一段の工程で製造してもよい。すなわち、スリット31を有する接合体を形成するための焼結型にp型熱電変換材料の微粒子とn型熱電変換材料の微粒子とを層状に重ねて充填し、焼結することにより、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11が接合された図3に示すような形状の接合体を、一段の工程で製造することができる。
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例21)
第一実施形態の熱電変換素子の実施例1及び比較例1で用いた原料混合物A、Bを用いるとともに、第一実施形態の熱電変換素子の実施例1及び比較例1と同様の製造方法を用いて、断面U字状をなす熱電変換素子を製造した。
このとき、スリット31が形成されていないp型熱電変換材料部12の全体とn型熱電変換材料部11の一部とで構成される接合面含有側部分の体積のうち、p型熱電変換材料部12の体積の割合αは、0.69である。
実施例22の熱電変換素子は、各寸法以外は実施例21の熱電変換素子と同様である。実施例22の熱電変換素子を図6に示す。図6に示す通り、熱電変換素子を構成するp型熱電変換材料部12の寸法は奥行1mm×幅2.0mm×高さ5mmであり、熱電変換素子を構成するn型熱電変換材料部11の寸法は奥行1mm×幅3.0mm×高さ5mmであり、熱電変換素子の外形寸法は奥行1mm×幅5mm×高さ5mmである。スリット31の深さは4.0mmであり、幅は0.1mmである。
実施例23の熱電変換素子は、スリット31がn型熱電変換材料部11には設けられておらずp型熱電変換材料部12に設けられている点と、p型熱電変換材料部12及びn型熱電変換材料部11の形状が角錐台状であってp型熱電変換材料部12とn型熱電変換材料部11との接合面23が高温側端部と低温側端部とを結ぶ方向に対して傾斜している点と、各寸法が異なる点以外は、実施例21の熱電変換素子と同様である。
比較例21の熱電変換素子は、比較例1の熱電変換素子と同一である。比較例21の熱電変換素子を図8に示す。図8に示す通り、熱電変換素子を構成するp型熱電変換材料部112の寸法は奥行1mm×高温側端部の幅2.5mm×低温側端部の幅2.45mm×高さ5mmであり、熱電変換素子を構成するn型熱電変換材料部111の寸法は奥行1mm×高温側端部の幅2.5mm×低温側端部の幅2.45mm×高さ5mmであり、熱電変換素子の外形寸法は奥行1mm×幅5mm×高さ5mmである。スリット131の深さは4.0mmであり、幅は0.1mmである。
12 p型熱電変換材料部
21 底面
23 接合面
31 開口部(スリット)
60 熱電変換モジュール
Claims (8)
- p型熱電変換材料を有するp型熱電変換材料部と、n型熱電変換材料を有するn型熱電変換材料部とが接合された熱電変換素子であって、
前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部の一側面同士が対向して、対向する部分が接合されており、
前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部の少なくとも一方に、前記一側面以外の面のみに開口し内部に延びる開口部を設け、前記開口部の位置は、前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部の接合面から離れており、
前記開口部は低温側端部側の面に開口する熱電変換素子。 - 前記p型熱電変換材料部及び前記n型熱電変換材料部のうち一方の熱電変換材料部に前記開口部が設けられていて、前記開口部を境界として熱電変換素子は幅方向に二分されて、前記接合面を含む側である接合面含有側部分と、前記接合面を含まない側である接合面非含有側部分との2つの部分に分けられ、
前記接合面含有側部分は、前記p型熱電変換材料部及び前記n型熱電変換材料部のうち他方の熱電変換材料部の全体と一方の熱電変換材料部の一部とで構成され、前記接合面含有側部分の体積のうち前記他方の熱電変換材料部の体積の割合αが0.5超過1未満である請求項1に記載の熱電変換素子。 - 前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部は同一形状の四角柱状部材であり、前記p型熱電変換材料部及び前記n型熱電変換材料部のうち一方の熱電変換材料部に前記開口部が設けられていて、
前記開口部は、前記接合面に平行をなして延びる平面状の空隙であり、前記四角柱状部材が有する6つの面のうち、一方の底面と、前記接合面に対向しない2つの側面との3つの面のみに開口して、前記接合面、他方の底面、及び前記接合面に対向する側面には開口しない請求項1又は請求項2に記載の熱電変換素子。 - 前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部は角錐台状部材であり、前記接合面が高温側端部と低温側端部とを結ぶ方向に対して傾斜している請求項1又は請求項2に記載の熱電変換素子。
- 前記一側面以外の面に開口する貫通孔又は有底穴を設けた請求項1~4のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
- 前記p型熱電変換材料がp型Siクラスレート化合物であり、前記n型熱電変換材料がn型Siクラスレート化合物である請求項1~5のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の熱電変換素子を備える熱電変換モジュール。
- 請求項7に記載の熱電変換モジュールを搭載した移動体。
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