JPH07211944A - 熱電素子の製造方法 - Google Patents

熱電素子の製造方法

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JPH07211944A
JPH07211944A JP6003057A JP305794A JPH07211944A JP H07211944 A JPH07211944 A JP H07211944A JP 6003057 A JP6003057 A JP 6003057A JP 305794 A JP305794 A JP 305794A JP H07211944 A JPH07211944 A JP H07211944A
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JP
Japan
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phase
raw material
powder
thermoelectric element
fesi
Prior art date
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Pending
Application number
JP6003057A
Other languages
English (en)
Inventor
Masayuki Kato
雅之 加藤
Toshikazu Takeda
敏和 竹田
Makoto Ogawa
誠 小川
Hideo Ishiyama
日出夫 石山
Shigeo Takita
茂生 滝田
Eiji Okumura
英二 奥村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は製造工程が簡略化され、かつ
実質使用温度領域を拡大することができる新規な熱電素
子の製造方法を提供するものである。 【構成】 本発明はP型またはN型に調整したFeSi
2 原料粉末中に、CuまたはAuあるいはこれらの混合
粉末を添加した後、これを所定形状に集合させて焼結固
化して形成することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は熱電対等に用いられる熱
電素子の製造方法に係り、特に、鉄シリコン系の熱電素
子の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、熱電対や電子冷凍素子等に用いら
れる熱電素子としては、鉄シリコン系の熱電材料が最も
多く用いられている。そして、その製造方法としては、
FeとSiからなる原料中に、不純物半導体化させるた
めのMn及びCoを数パーセント加えた後、これを高周
波溶解等を用いて溶解合金化してP型或いはN型に調整
されたインゴットを作製する。次に、このインゴットを
スタンプミル等によって細かく粉砕した後、バインダ等
によって造粒し、P型或いはN型に調整された原料粉末
を形成する。そして、この原料粉末を成形型に入れて冷
間プレスした後、焼結固化し、その後、さらに、これを
α相(金属相)からβ相(半導体相)に相転移すべく、
熱処理を施すものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の製造方法では、α相の原料粉末をβ相に相転移す
るための熱処理に、β相領域である790℃付近で4時
間以上を要していたため製造効率が悪く、しかも、その
β相化の状態確率も経験的なものに頼ってなされていた
ため、制御性も悪かった。また、このような従来の熱電
素子は使用中において980℃を越え、再びα相に相転
移してしまうと、温度が下がってもβ相に戻らないた
め、980℃を越えないように、実際の使用上限を低く
設定しなければならず、実質使用温度領域が狭いもので
あった。
【0004】そこで、本発明はこの問題点を有効に解決
するために案出されたものであり、その目的は製造工程
が簡略化され、かつ実質使用温度領域を拡大することが
できる新規な熱電素子の製造方法を提供するものであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明はインゴットあるいは急冷アトアイズ粉末から
なる、P型またはN型に調整したFeSi2 原料粉末中
に、CuまたはAuあるいはこれらの混合粉末を添加し
た後、これを所定形状に集合させて焼結固化して形成し
たものであり、上記CuあるいはAu粉末の添加量が、
上記FeSi2 原料粉末に対して0.5〜6wt%が最
も最適である。
【0006】一般に、熱電素子の材料となる出発合金
(FeSi2 原料粉末)はα相(金属相)であり、これ
を焼結体にするには1100℃以上で焼結する必要があ
る。そして、この温度域に達するまでの出発合金の相状
態は図3(B)に示すように、710℃付近において熱
電素子として機能するβ相(半導体相)に一端相転移す
るが、さらに温度が上昇して980℃付近に達すると再
びα相に戻ってしまい、それ以後は、冷却してもα相の
ままである。従って、従来では、焼結固化した後に、さ
らに、β相領域となる790℃付近まで加熱し、この温
度で4時間以上熱処理を行って再びβ相に相転移させる
ことで、熱電素子としての実用化を図っている。
【0007】
【作用】本発明方法は上述したように、インゴットある
いはアトマイズ急冷法で得られた、P型またはN型に調
整したFeSi2 原料粉末中に、CuあるいはAuまた
はこれらの混合粉末を0.5〜6wt%の範囲で添加す
ることにより、焼結後、冷却しただけで、α相からβ相
への可逆性が得られる。従って、従来のような長時間を
要する焼結後の熱処理が不要あるいは大巾に短縮される
と共に、使用可能上限温度がβ相からα相へ相転移する
980℃まで拡大するため、実質使用温度領域が拡大す
る。
【0008】
【実施例】以下、本発明方法の一実施例を添付図面を参
照しながら説明する。
【0009】図1に示すように、先ず、FeとSiの原
材料中に、半導体化不純物としてMn又はCoを数パー
セント添加し、これらを高周波溶解して合金化した後、
冷却固化してN型又はP型に調整したインゴットを形成
する。次に、このインゴットをスタンプミル等によって
平均粒径が1〜2μm程度になるように細かく粉砕した
後、さらに、バインダ等によって造粒し、FeSi2
料粉末を形成する。尚、このFeSi2 原料粉末の組成
は準安定状態のα−FeSi2 であり半導体特性は示さ
ない。そして、このFeSi2 原料粉末中に、平均粒径
が1〜2μm程度のCuあるいはAuまたはこれらの混
合粉末を0.5〜6wt%の割合で添加して均一になる
ように攪拌混合した後、これら原料混合粉末を約110
0℃付近で焼結して焼結体を形成することで、これが、
そのまま、あるいは極めて短時間の熱処理を行うことで
FeSi2 熱発電素子として用いられることになる。
【0010】このように形成された焼結体は図3(A)
に示すように、加熱途中において、710℃付近で一端
β相に相転移した後、980℃付近で再びα相に相転移
することになるが、焼結が終了し、その温度が800℃
付近まで低下すると、再びβ相に相転移し、以後、温度
が低下してもそのままβ相状態を維持することになる。
すなわち、本発明方法によって得られるFeSi2 熱発
電素子は800℃を境に再びα相からβ相に戻るといっ
た従来のものにはなかった可逆性を発揮するため、使用
可能上限温度がβ相からα相へ相転移する980℃まで
拡大することより、実質使用温度領域も拡大することに
なる。また、このことは、従来のような焼結後の熱処理
が不要、あるいは極めて短時間に短縮されることとなっ
て製造工程が大巾に簡略化される上に、FeSi2 熱発
電素子の実際の使用において、温度の上昇による機能の
喪失を気にする必要がなくなる。
【0011】また、このFeSi2 原料粉末は図1に示
すように、急冷アトマイズ法によって得られたものも用
いることができる。この急冷アトマイズ法は図2に示す
ように、ルツボ等の耐熱性容器1内にブロック状Fe、
Si、Mn又はCoを入れ、これらを高周波溶融して合
金溶湯を形成した後、この合金溶湯をそのままArガス
等の不活性ガスを用いた高圧噴霧装置によって冷却ガス
が流れるチャンバ(図示)内に噴霧急冷することで微細
なFeSi2 原料粉末を得る方法であり、インゴットを
用いる方法に比較して、さらに製造工程を簡略化するこ
とができる。また、本実施例においては、FeSi2
料粉末を製造した後に、Cu等の添加物を添加したもの
であるが、このCu等の添加物はFeSi2 原料粉末を
製造する際にFeSi2 原料と同時に溶解して添加して
も同様な効果が得られる。
【0012】次に、CuあるいはAuまたはこれらの混
合粉末の添加量を0.5〜6wt%に限定した理由を説
明する。
【0013】図4(A)は本発明方法を用いて得られた
熱電素子を常温まで冷却した時のCu添加量(wt%)
とβ化率(%)との関係、(B)はβ化するために必要
な熱処理時間(分)とCu添加量(wt%)との関係を
示したものであり、また、図6はCu添加量(wt%)
と500℃時における熱起電力(mV)との関係を示し
たものである。
【0014】先ず、図4(A)に示すように、Cuを全
く添加しない熱電素子は常温時において、そのβ化率が
零であるが、0.5wt%を境に急激にβ化率が上昇し
て2wt%で略100%に達し、この状態はCu添加量
が20wt%においても変わらないのがわかる。また、
この熱電素子の熱起電力(mV)は図6に示すように、
Cu添加量が0〜6wt%までは高い数値を示すが、6
wt%を越えると急激に減少することがわかる。また、
図4(B)に示すように、Cu添加量が4wt%を越え
るとβ化するための熱処理時間が零、すなわち全く不要
となり、それ以下でも熱処理時間が極めて短時間で行え
ることがわかる。例えば、0.5wt%では、従来24
0分以上必要であった熱処理時間が約10分になり、大
巾に熱処理時間を短縮できることがわかる。
【0015】このようなβ化率、熱処理時間、熱起電力
とCu添加量の関係を調べた実験結果から、Cu等の添
加量は0.5〜6wt%が最適であることがわかった。
尚、下限が0.5wt%なのは原料の成分純度のため測
定上限界があるためである。また、図5(B)に示すよ
うに、アトマイズ粉末を原料粉末として用いた場合は、
図5(A)に示すようなインゴットを原料粉末として用
いた場合に比較してβ化率の上昇が緩やかな上に、β相
存在比の上限が30%であった。これはアトマイズ粉末
を急冷して得る際にアモルファス状態になっているから
と考えられる。従って、インゴットを原料粉末として用
いた場合は熱伝特性に優れ、アトマイズ粉末を原料粉末
として用いた場合は、熱電特性は劣るものの製造工程が
大巾に簡略化されることになる。尚、Cuに代りAuま
たはこれらの混合粉末を用いた場合でも略同様な結果が
得られた。
【0016】また、図7は原料粉末を溶解する際にCu
等の添加物を同時に添加して得られた熱電素子の粒粉構
造を示すTEM(透過型電子顕微鏡=30万倍)写真図
であり、その構造はCuがβ−FeSi2 結晶16の内
部には介在せず、そのβ−FeSi2 結晶16の粒界に
Y字状15,17に均一に連なっている状態となってお
り、Cu等の添加物がβ−FeSi2 結晶16に触れて
いれば、上述したような効果が発揮されることがわかっ
た。従って、これら添加物は上述したように、原料粉末
を形成した後に、添加してもよいし、また、原料粉末を
溶解する際に同時に添加してもよく、結果的に母材中に
Cu等の添加物が含まれていれば良いことが確認され
た。また、Cuを0または2.0wt%(3.47at
%)加えた熱電素子の相状態をX線回析で測定したとこ
ろ、図8に示すように、Cu(図中X)を全く添加しな
い場合はβ相が全く確認されないのに対し、Cuを2.
0wt%(3.47at%)添加した場合は殆どがβ相
に相転移した。また、これと同時に相変態の温度域を熱
分析で測定したところ、図9に示すように、Cuを全く
添加しない場合(図中中央折れ線)は、982℃で一端
α化した後は相転移が見られなかったのに対し、Cuを
2.0wt%(3.47at%)添加した場合(図中下
部折れ線)では798℃において再びβ相に相転移し
た。
【0017】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、焼結後、
冷却しただけで、α相からβ相への可逆性が得られるた
め、従来のような長時間を要する焼結後の熱処理が不
要あるいは大巾に短縮されて製造工程が大巾に短縮され
ると共に、使用可能上限温度がβ相からα相へ相転移
する980℃まで拡大し、実質使用温度領域が拡大して
信頼性が向上する等といった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法の一実施例を示す工程図である。
【図2】急冷アトマイズ法を示す説明図である。
【図3】(A)は本発明の熱電素子の温度に対する相変
態を示す説明図である。(B)は従来の熱電素子の温度
に対する相変態を示す説明図である。
【図4】(A)本発明方法を用いて得られた熱電素子を
常温まで冷却した時のCu添加量(wt%)とβ化率
(%)との関係を示すグラフ図である。(B)は本発明
方法を用いて得られた熱電素子をβ化するために必要な
熱処理時間(分)とCu添加量(wt%)との関係を示
すグラフ図である。
【図5】(A)はインゴットを原料粉末として用いた場
合のCu添加量とβ相存在比を示すグラフ図である。
(B)はアトマイズ粉末を原料粉末として用いた場合は
Cu添加量とβ相存在比を示すグラフ図である。
【図6】Cu添加量(wt%)と500℃時における熱
起電力(mV)との関係を示すグラフ図である。
【図7】本発明方法によって得られた熱電素子の構造を
示すTEM(透過型電子顕微鏡=30万倍)写真図であ
る。
【図8】Cuを0または2.0wt%(3.47at
%)加えた熱電素子の相状態を示すX線回析パターン図
である。
【図9】Cuを0または2.0wt%(3.47at
%)加えた熱電素子の相状態を示す熱分析図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石山 日出夫 神奈川県藤沢市土棚8番地 株式会社い すゞ中央研究所内 (72)発明者 滝田 茂生 神奈川県藤沢市土棚8番地 株式会社い すゞ中央研究所内 (72)発明者 奥村 英二 神奈川県藤沢市土棚8番地 株式会社い すゞ中央研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 P型またはN型に調整したFeSi2
    料粉末中に、CuまたはAuあるいはこれらの混合粉末
    を添加した後、これを所定形状に集合させて焼結固化し
    て形成することを特徴とする熱電素子の製造方法。
  2. 【請求項2】 上記CuあるいはAu粉末の添加量が、
    上記FeSi2 原料粉末に対して0.5〜6wt%であ
    ることを特徴とする請求項1記載の熱電素子の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 上記FeSi2 原料粉末は、FeとSi
    及びMn又はCoからなる合金インゴットを粉砕、造粒
    してなることを特徴とする請求項1記載の熱電素子の製
    造方法。
  4. 【請求項4】 上記FeSi2 原料粉末は、ガスアトマ
    イズ急冷法によって形成されることを特徴とする請求項
    1記載の熱電素子の製造方法。
JP6003057A 1994-01-17 1994-01-17 熱電素子の製造方法 Pending JPH07211944A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005055338A (ja) * 2003-08-06 2005-03-03 Hiroyasu Kido 温度センサ素子及びその製造方法
JP2007324500A (ja) * 2006-06-05 2007-12-13 Sps Syntex Inc FeSi2系熱電変換材料及びその製造方法
WO2007145183A1 (ja) 2006-06-14 2007-12-21 Aruze Corp. 熱電変換モジュールおよび熱電変換素子用コネクタ
US8129610B2 (en) 2004-06-22 2012-03-06 Universal Entertainment Corporation Thermoelectric transducer

Cited By (5)

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US8796533B2 (en) 2006-06-14 2014-08-05 Universal Entertainment Corporation Thermoelectric conversion module and connector for thermoelectric conversion elements

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