JPH1154808A - 積層一体成形熱電素子及びその製造法 - Google Patents

積層一体成形熱電素子及びその製造法

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JPH1154808A
JPH1154808A JP9213555A JP21355597A JPH1154808A JP H1154808 A JPH1154808 A JP H1154808A JP 9213555 A JP9213555 A JP 9213555A JP 21355597 A JP21355597 A JP 21355597A JP H1154808 A JPH1154808 A JP H1154808A
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JP
Japan
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thermoelectric
laminated
thermoelectric element
integrally molded
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Application number
JP9213555A
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English (en)
Inventor
Teruo Noguchi
照夫 野口
Tadashi Masuda
忠 増田
Junichi Nitta
純一 新田
Toshiaki Mochimaru
敏昭 持丸
Kazuhisa Takahashi
一寿 高橋
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Science & Tech Agency
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Science & Tech Agency
Agency of Industrial Science and Technology
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の課題は、高い機械的強度をもち、発
電効率の高くしかも設計自由度の高い積層一体成形熱電
素子を低コストで提供できるようにすることにある。 【解決手段】 本発明による積層一体成形熱電素子にお
いてはn型及びp型のシリコンゲルマニウム等の熱電材
料の粉末原料を予備成形して形成した複数のn型及びp
型の予備成形体を有し、これらの予備成形体は複数段交
互に積層され、一体成形焼結される。また本発明の製造
法は、n型及びp型のシリコンゲルマニウム等の熱電材
料の粉末原料を加圧成形してn型及びp型の予備成形体
を形成し、こうして得られたこれらのn型及びp型の予
備成形体を交互に積層して互いに一体成形焼結すること
から成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、300℃〜1000℃程
度の比較的高温域を熱源として利用することのできるn
型及びp型のシリコンゲルマニウム素子対から成る熱電
変換素子及びその製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の熱電変換素子としては種
々の形式のものが提案されている。添付図面の図4には
そのような従来の熱電変換素子の一例を示す。図4に示
す熱電変換素子は、p型のシリコンゲルマニウム素子A
と、n型のシリコンゲルマニウム素子Bと、これら素子
の一端を互いに接合する高温受熱端電極Cと、各素子
A、Bの他端に設けられる低温端電極D、Eとから構成
されている。高温受熱端電極Cは、板状のSi−Mo共晶合
金または金属シリコン板から成っている。高温受熱端電
極Cとp型、n型シリコンゲルマニウム素子A、Bの各
々との接合は拡散接合等によって行われ、また、低温端
電極D、Eとp型、n型シリコンゲルマニウム素子A、
Bとの接合は拡散接合またはロー付け等によって行われ
ている。
【0003】また本願の発明者等は先に特開平7−3815
8号公報に開示されているように、p型及びn型のシリ
コンゲルマニウム粉末原料を半々ずつ分離充填した後、
加圧焼結を行い一体に成形した後、所定の熱電素子形状
に切断し、低温端側に電極をロー付けすることにより構
成した熱電素子及びその製造法を提案した。すなわちこ
の先に提案した熱電素子は図5に示すように、薄板状の
p型のシリコンゲルマニウム素子aと、このp型のシリ
コンゲルマニウム素子aと対称の形状をもちかつ互いに
直接接合されたn型のシリコンゲルマニウム素子bとか
ら成り、両素子a、bの一端は互いに直接接合されpn
接合部cを構成して、高温端電極dを形成し、また両素
子a、bの他端すなわち低温端にはそれぞれ低温端電極
e、fが接合されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図4に示すような従来
のシリコンゲルマニウム熱電変換素子においては、p型
のシリコンゲルマニウム素子とn型のシリコンゲルマニ
ウム素子とを焼結等によって別々に成形し、その後、そ
れらのp型及びn型材料と高温側、低温側電極材料をロ
ー付け等の方法で接合して1対の熱電素子としている。
そのために、接合時のダメージなどに対して、接合部、
電極材や素子材料にある程度以上の機械的強度が必要と
なるが、受熱部の熱伝導をよくするために電極材は薄く
する必要があり、しかも受熱部の機械的強度は電極板の
曲げ強度に依存するので、熱電変換素子自体極めて脆弱
な構造となっている。また、接合時にロー材などを使用
する場合は、耐熱性の検討も必要となる。すなわち、熱
電変換素子の発電効率を向上させるため内部抵抗を小さ
くする観点から、電極板として耐熱性で電気抵抗の小さ
い金属材料を用い、ロー付けされているが、シリコンゲ
ルマニウムの耐熱性に比べて金属材料またはロー材の耐
熱性の方が低く、耐熱性の点で劣化することになる。さ
らに、p型及びn型のシリコンゲルマニウム素子のそれ
ぞれと高温端電極との接合工程及び低温端電極との接合
工程が必要となり、製造工程が多く、製造コストがかさ
むという問題がある。
【0005】一方、図5に示す先に提案したような、平
面的なp型及びn型のシリコンゲルマニウムー体化成形
構造では、複数対素子の一体成形を行う場合に、加圧焼
結装置の大型化が必要となり、製造コスト増大の要因と
なっている。また、原料粉末の分離充填も熟練を要する
作業であり、再現性の確保が困難であると共に、一体成
形熱電素子の大きさ及び形状は、加圧焼結装置のサイズ
に規定され、その結果熱電素子設計の自由度が奪われる
という問題がある。
【0006】そこで、本発明は、上記の問題点を解決し
て機械的強度にすぐれしかも設計の自由度の大きい積層
一体成形熱電素子を提供することを目的としている。ま
た本発明の別の目的は、上記の積層一体成形熱電素子を
低コストで製造できる製造法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、シリコンゲルマニウム等の熱
電材料のp型及びn型粉末をそれぞれ予備成形した後、
それらのp型及びn型の予備成形体を、複数段交互に積
層し、焼結により同時一体成形を行うことにしている。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の一つの実施の形態によれ
ば、n型及びp型のシリコンゲルマニウム等の熱電材料
の粉末原料を予備成形して形成した複数のn型及びp型
の予備成形体を有し、これらの予備成形体を複数段交互
に積層し、一体成形焼結したことを特徴とする積層一体
成形熱電素子が提供される。この場合、積層一体成形熱
電素子の幅は、予備成形体の厚さを変えることにより任
意に設定することができる。積層一体成形熱電素子は好
ましい実施の態様によれば、二枚のn型予備成形体と二
枚のp型の予備成形体とを交互に積層し、一体成形して
二対の積層一体成形熱電素子として構成され得る。
【0009】また本発明の別つの実施の形態によれば、
n型及びp型のシリコンゲルマニウム等の熱電材料の粉
末原料を加圧成形してn型及びp型の予備成形体を形成
し、こうして得られたこれらのn型及びp型の予備成形
体を交互に積層して互いに一体成形焼結することを特徴
とする積層一体成形熱電素子の製造法が提供される。本
発明の製造方法においては、予備成形体を積層するとい
う概念を導入したことにより、従来の技術では非常に制
約のあった複数対の一体成形熱電素子を容易に製造する
ことができるようになる。
【0010】本発明による製造法の好ましい実施の態様
においては、一体成形焼結して形成したn型及びp型の
積層体の各pn接合部は部分的に切削或いは切断加工に
より部分的に分離される。さらに本発明による製造法の
好ましい実施の態様においては、切削或いは切断加工に
より部分的に分離した最外方のn型及びp型の層の端部
には、低温端電極が接合される。
【0011】
【実施例】以下添付図面の図1〜図3を参照して本発明
の実施例について説明する。本発明の積層一体成形熱電
素子を製造するのに使用される図1に示す積層一体成形
焼結体1を作るために、組成比として、シリコン80原子
%−ゲルマニウム20原子%に対して、n型材料としてリ
ンをO.3原子%添加した材料と、p型材料としてボロン
をO.2原子%添加した材料を別個に誘導加熱溶解し、イ
ンゴットを作製、これを別個に粉砕し、5μm以下の微
粉末とした。こうして用意したそれぞれ微粉末を、圧力
18MPa程度で予備成形して、直径50mm、厚さ8mm程度の
p型及びn型の予備成形体2、3を作成した。p型及び
n型の予備成形体2、3を、交互に2個づつ積層させて
ダイス(図示してない)内にセットし、13.3Pa以下の真
空中で圧力24.5MPa程度、温度1000℃以上の条件下で、
放電プラズマ焼結機を使用して、一体成形焼結し、図1
に示すような積層一体成形焼結体1を作った。
【0012】こうして得られた積層一体成形焼結体1
は、図示してない放電加工機により図2に示すように、
各pn接合境界部に沿って一側から他側へ向って、他側
から一側へ向って交互に切削または切断加工して分離部
4を形成すると共に各外側部を切断して図したような矩
形の二対の熱電素子に加工した。そして得られた熱電素
子の低温端部5、6には電極7、8がロー付けされる。
【0013】図3には、図示実施例による二対の熱電素
子の熱伝特性を従来の一対の熱電素子と比較して示す。
二対の熱電素子の電極に温度差70O℃を与えたところ、
熱起電力620mVが得られた。これは図3のグラフから認
められるように一対の熱電素子の場合の二倍の値であ
り、また積層一体形成による熱電特性の劣化のないいこ
とが確認された。
【0014】ところで、図示実施例では、シリコンゲル
マニウム熱電素子での複数対一体成形を行ったが、ホッ
トプレスや放電プラズマ焼結装置などの加圧焼結装置を
使用する、粉末焼結法で製造される熱電素子(例とし
て、鉄シリコン系材料、鉛テルル系材料、ビスマステル
ル系材料等)にも適応できる。
【0015】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明におい
ては、p型、n型の予備成形体を複数対積層させること
により、接合工程を必要とせずしかも複数対の熱電素子
を、十分な機械強度で形成することが可能となるので、
特に摂氏数百度以上の温度領域において、それによく耐
えるロー材が非常に少ないことを勘案すると、高温端の
接合が不要となることにより、熱電素子の適用範囲を拡
大することが可能となる。また、p型、n型の予備成形
体の厚さを変えることにより、任意の素子幅の熱電素子
を製造することが可能となり、このことにより熱電素子
設計の自由度が広がると同時に安価に熱電素子を提供で
きるようになる。さらに、接合工程が不要になることや
複数対の一体成形による量産性の効果により、 製造コス
トを低減することができ、その結果熱電素子の普及に大
いに貢献することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例による積層一体成形熱電素
子を製造するのに使用される積層一体成形焼結体を示す
概略斜視図。
【図2】 本発明の一実施例による積層一体成形熱電素
子を示す概略斜視図。
【図3】 本発明の熱電素子の熱電特性を従来構造の熱
電素子と比較して示すグラフ。
【図4】 従来のシリコンゲルマニウム熱電変換素子を
示す概略正面図。
【図5】 先に提案した一体化焼結型シリコンゲルマニ
ウム熱電変換素子を示す概略正面図。
【符号の説明】
1:積層一体成形焼結体 2:p型の予備成形体 3:n型の予備成形体 4:分離部 5:低温端部 6:低温端部 7:電極 8:電極

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型及びp型のシリコンゲルマニウム等
    の熱電材料の粉末原料を予備成形して形成した複数のn
    型及びp型の予備成形体を有し、これらの予備成形体を
    複数段交互に積層し、一体成形焼結したことを特徴とす
    る積層一体成形熱電素子。
  2. 【請求項2】 二枚のn型予備成形体と二枚のp型の予
    備成形体とを交互に積層し、一体成形して二対の積層一
    体成形熱電素子として構成した請求項1に記載の積層一
    体成形熱電素子。
  3. 【請求項3】 n型及びp型のシリコンゲルマニウム等
    の熱電材料の粉末原料を加圧成形してn型及びp型の予
    備成形体を形成し、こうして得られたこれらのn型及び
    p型の予備成形体を交互に積層して互いに一体成形焼結
    することを特徴とする積層一体成形熱電素子の製造法。
  4. 【請求項4】 n型及びp型のシリコンゲルマニウム等
    の熱電材料の粉末原料を加圧成形してn型及びp型の予
    備成形体を形成し、こうして得られたこれらのn型及び
    p型の予備成形体を交互に積層して互いに一体成形焼結
    し、一体成形焼結して形成したn型及びp型の積層体の
    各pn接合部を部分的に切削或いは切断加工により分離
    することを特徴とする積層一体成形熱電素子の製造法。
  5. 【請求項5】 n型及びp型のシリコンゲルマニウム等
    の熱電材料の粉末原料を加圧成形してn型及びp型の予
    備成形体を形成し、こうして得られたこれらのn型及び
    p型の予備成形体を交互に積層して互いに一体成形焼結
    し、一体成形焼結して形成したn型及びp型の積層体の
    各pn接合部を部分的に切削或いは切断加工により分離
    し、さらに、分離した最外方のn型及びp型の層の端部
    に、低温端電極を接合することを特徴とする積層一体成
    形熱電素子の製造法。
JP9213555A 1997-08-07 1997-08-07 積層一体成形熱電素子及びその製造法 Pending JPH1154808A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008038519A1 (fr) * 2006-09-28 2008-04-03 Murata Manufacturing Co., Ltd. Élément de conversion thermoélectrique, module de conversion thermoélectrique et procédé de production d'élément de conversion thermoélectrique
JP2014090101A (ja) * 2012-10-30 2014-05-15 Shigeyuki Tsurumi 熱電変換素子

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WO2008038519A1 (fr) * 2006-09-28 2008-04-03 Murata Manufacturing Co., Ltd. Élément de conversion thermoélectrique, module de conversion thermoélectrique et procédé de production d'élément de conversion thermoélectrique
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