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JP2002084005A - Thermoelectric module - Google Patents

Thermoelectric module

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Publication number
JP2002084005A
JP2002084005A JP2001164618A JP2001164618A JP2002084005A JP 2002084005 A JP2002084005 A JP 2002084005A JP 2001164618 A JP2001164618 A JP 2001164618A JP 2001164618 A JP2001164618 A JP 2001164618A JP 2002084005 A JP2002084005 A JP 2002084005A
Authority
JP
Japan
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type
thermoelectric
thermoelectric element
type thermoelectric
thermoelectric module
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001164618A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Reiko Hara
麗子 原
Ikuhito Aoyama
生人 青山
Kenichi Tomita
健一 冨田
Koichi Ishida
晃一 石田
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.)
Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Komatsu Ltd filed Critical Komatsu Ltd
Priority to JP2001164618A priority Critical patent/JP2002084005A/en
Publication of JP2002084005A publication Critical patent/JP2002084005A/en
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric module using an N-type thermoelectric element which has superior characteristic when the ambient temperature is in a medium high temperature range about 500 deg.C, and improve the conversion efficiency of a thermoelectric module by combining superior P-type thermoelectric material and superior N-type thermoelectric material. SOLUTION: This thermoelectric module is provided with an N-type thermoelectric element 60 containing compound having a skutterudite structure and a P-type thermoelectric element 59 which is connected with the N-type thermoelectric element directly or via metal member and contains Mn-Si based compound.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、温度差を利用して
発電を行ったり、その逆に、印加された電力に応じて温
度差を発生する熱電モジュールに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric module that generates electric power by utilizing a temperature difference and, conversely, generates a temperature difference according to an applied electric power.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電モジュールは、トムソン効果、ペル
チェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用したP型
及びN型の熱電素子を組み合わせて構成され、熱電対や
電子冷却素子等もこれに該当する。熱電モジュールは、
構造が簡単かつ取扱いが容易で安定な特性を維持できる
ことから、広範囲にわたる利用が注目されている。特
に、電子冷却素子としては、局所冷却や室温付近の精密
な温度制御が可能であることから、オプトエレクトロニ
クス用デバイスや半導体レーザ等の温度調節、並びに、
小型冷蔵庫等への適用に向けて、広く研究開発が進めら
れている。
2. Description of the Related Art A thermoelectric module is constructed by combining P-type and N-type thermoelectric elements utilizing thermoelectric effects such as a Thomson effect, a Peltier effect, and a Seebeck effect, such as a thermocouple and an electronic cooling element. . Thermoelectric module
Due to its simple structure, easy handling and the ability to maintain stable properties, widespread use has attracted attention. In particular, as the electronic cooling element, since local cooling and precise temperature control near room temperature are possible, temperature control of devices for optoelectronics and semiconductor lasers, and
Research and development are being widely pursued for application to small refrigerators and the like.

【0003】熱電素子の性能を表す性能指数Zは、比抵
抗(抵抗率)ρ、熱伝導率κ、ゼーベック係数(熱電
能)αを用いて、次式で表される。 Z=α2/ρκ ・・・ (1) ここで、ゼーベック係数αは、P型素子においては正の
値をとり、N型素子においては負の値をとる。熱電素子
としては、性能指数Zの大きなものが望まれる。
A performance index Z representing the performance of a thermoelectric element is expressed by the following equation using a specific resistance (resistivity) ρ, a thermal conductivity κ, and a Seebeck coefficient (thermoelectric power) α. Z = α 2 / ρκ (1) Here, the Seebeck coefficient α has a positive value in a P-type element and a negative value in an N-type element. A thermoelectric element having a large figure of merit Z is desired.

【0004】また、熱電素子の変換効率の最大値ηmax
は、次式で表される。
Also, the maximum value η max of the conversion efficiency of the thermoelectric element
Is represented by the following equation.

【数1】 ここで、Thは高温側の温度であり、Tcは低温側の温度
であり、これらの温度差ΔTは次式で表される。 ΔT=Th−Tc ・・・ (3) また、Mは、以下の(4)式〜(7)式で定義される。
(Equation 1) Here, Th is the temperature on the high temperature side, Tc is the temperature on the low temperature side, and the temperature difference ΔT is represented by the following equation. ΔT = T h -T c ··· ( 3) Further, M, is defined by the following (4) to (7).

【数2】 (Equation 2)

【数3】 (Equation 3)

【数4】 (Equation 4)

【数5】 (Equation 5)

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、P型の熱電
素子に用いる材料としては、V.K.Zaitsevの
論文「異方性MnSi1.75の熱電特性(Termoel
ectric Properties of Anis
otropic MnSi1.75)」(CRC出版の熱電
工学ハンドブック第299〜309頁、1995年発
行)に開示されているMn−Si系の材料が、650℃
で約11%と高い変換効率を有している。また、松原の
論文「スクッテルダイト系熱電材料の研究状況」(熱電
変換シンポジウム '97(TEC '97)論文集、熱電
変換研究会、1997年7月25日)には、P型素子の
材料として、スクッテルダイト構造を有する化合物を用
いることが開示されている。スクッテルダイトの語源
は、ノルウェーの地名スクッテルド(skutteru
d)で産出される鉱物CoAs3に由来している。この
文献によれば、スクッテルダイト構造を有するCoSb
3、RhSb3、IrSb3は、その特有のバンド構造と
キャリアの輸送特性をもつP型半導体で、正孔移動度が
室温で2000〜3000cm2/Vsと大きいことが
特徴であると記載されている。なお、従来より用いられ
ているP型のZn4Sb3は脆く、使用可能温度も低い。
Ce(FeCo)4Sb12も脆く、大気中において50
0℃以上になると酸化し易い。また、SiGe系とFe
Si系の材料は、性能指数が低いという問題がある。
By the way, as the material used for the P-type thermoelectric element, V.I. K. Zaitsev's paper "Thermoelectric properties of anisotropic MnSi 1.75 (Termoel
electric Properties of Anis
Otropic MnSi 1.75 ) "(Thermoelectric Engineering Handbook, published by CRC, pp. 299-309, published in 1995) is a 650 ° C.
Has a high conversion efficiency of about 11%. Matsubara's paper, "Research Status of Skutterudite-Based Thermoelectric Materials" (Thermoelectric Conversion Symposium '97 (TEC '97) Collection of Papers, Thermoelectric Conversion Workshop, July 25, 1997) includes the materials for P-type devices. It discloses that a compound having a skutterudite structure is used. Skutterudite is derived from the Norwegian place name skutteru
It is derived from the mineral CoAs 3 produced in d). According to this document, CoSb having a skutterudite structure is used.
3 , RhSb 3 and IrSb 3 are P-type semiconductors having a unique band structure and carrier transport characteristics, and are described as being characterized by a hole mobility as large as 2000 to 3000 cm 2 / Vs at room temperature. I have. The P-type Zn 4 Sb 3 conventionally used is brittle and has a low usable temperature.
Ce (FeCo) 4 Sb 12 is also fragile and has a
If the temperature is 0 ° C. or higher, it is easily oxidized. In addition, SiGe and Fe
Si-based materials have a problem that the figure of merit is low.

【0006】一方、優れた熱電モジュールを構成するた
めには、優れたP型の熱電素子のみならず、優れたN型
の熱電素子も必要である。従来より、N型の熱電素子と
しては、Mg−Si−Sn系、SiGe系、FeSi
系、Pb−Te系又はPb−Se系の材料が用いられて
いた。
On the other hand, in order to construct an excellent thermoelectric module, not only an excellent P-type thermoelectric element but also an excellent N-type thermoelectric element are required. Conventionally, N-type thermoelectric elements include Mg-Si-Sn-based, SiGe-based, and FeSi.
System, Pb-Te system or Pb-Se system materials have been used.

【0007】しかしながら、N型のMg2(Si−S
n)は、大気中において温度が500℃以上になると酸
化し易い。Pb−Te系又はPb−Se系の材料は、環
境への悪影響が心配される。また、SiGe系とFeS
i系の材料は、性能指数が低いという問題がある。
However, N-type Mg 2 (Si—S
n) is easily oxidized when the temperature becomes 500 ° C. or more in the atmosphere. Pb-Te-based or Pb-Se-based materials are feared to have an adverse effect on the environment. In addition, SiGe and FeS
The i-type material has a problem that the figure of merit is low.

【0008】そこで、上記の点に鑑み、本発明は、大気
中において温度が500℃周辺の中高温域になっても優
れた特性を有するN型の熱電素子を用いた熱電モジュー
ルを提供し、さらに、優れたP型の熱電材料と優れたN
型の熱電材料とを組み合わせることにより、熱電モジュ
ールの変換効率を改善することを目的とする。
[0008] In view of the above, the present invention provides a thermoelectric module using an N-type thermoelectric element having excellent characteristics even in a temperature range of about 500 ° C in the middle to high temperatures in the atmosphere. Furthermore, an excellent P-type thermoelectric material and an excellent N
An object of the present invention is to improve the conversion efficiency of a thermoelectric module by combining with a thermoelectric material of a mold type.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明の第1の観点に係る熱電モジュールは、スク
ッテルダイト構造を有する化合物を含むN型の熱電素子
と、該N型の熱電素子と直接又は金属部材を介して接続
され、Mn−Si系の化合物を含むP型の熱電素子とを
具備する。
Means for Solving the Problems To solve the above problems, a thermoelectric module according to a first aspect of the present invention comprises an N-type thermoelectric element containing a compound having a skutterudite structure, and an N-type thermoelectric element. A P-type thermoelectric element that is connected to the thermoelectric element directly or via a metal member and includes a Mn-Si-based compound.

【0010】また、本発明の第2の観点に係る熱電モジ
ュールは、複数の開口が格子状に形成された絶縁物と、
絶縁物の第1の開口内に配置され、スクッテルダイト構
造を有する化合物を含むN型の熱電素子と、絶縁物の第
2の開口内に配置され、Mn−Si系の化合物を含むP
型の熱電素子と、N型の熱電素子及びP型の熱電素子を
接続するための金属部材とを具備する。
A thermoelectric module according to a second aspect of the present invention includes: an insulator having a plurality of openings formed in a lattice;
An N-type thermoelectric element disposed in the first opening of the insulator and including a compound having a skutterudite structure; and a P-type thermoelectric element disposed in the second opening of the insulator and including a Mn-Si-based compound
And a metal member for connecting the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element.

【0011】本発明によれば、N型の熱電素子にスクッ
テルダイト構造を有する化合物を用いることにより、大
気中において温度が500℃周辺になっても優れた特性
を得ることができる。このN型の熱電素子の材料として
は、例えば、Co−Sb系の化合物を用いることができ
る。また、P型の熱電素子の材料としてMn−Si系の
化合物を用いることにより、優れたP型の熱電材料と優
れたN型の熱電材料とを組み合わせて、熱電モジュール
の変換効率を改善することが可能である。
According to the present invention, by using a compound having a skutterudite structure for an N-type thermoelectric element, excellent characteristics can be obtained even at a temperature around 500 ° C. in the atmosphere. As a material of the N-type thermoelectric element, for example, a Co-Sb-based compound can be used. Further, by using an Mn-Si-based compound as a material for a P-type thermoelectric element, a combination of an excellent P-type thermoelectric material and an excellent N-type thermoelectric material to improve the conversion efficiency of a thermoelectric module. Is possible.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、図面に基いて本発明の実施
の形態について説明する。図1に、本発明の第1の実施
形態に係る熱電モジュールを示す。熱電モジュール1
は、熱交換基板として、例えば2枚のセラミック基板3
0と40を含んでいる。2枚のセラミック基板30と4
0との間で、P型素子(P型半導体)50とN型素子
(N型半導体)60とを金属部材、例えば、電極70を
介して接合することにより、PN素子対が形成される。
なお、金属部材としては、銅又はニッケル等の電極、応
力緩和層、接合層又は拡散防止層等が該当する。熱電素
子と金属部材とを接合するためには、金属部材として銅
を用いた低温用熱電モジュールの場合には半田付けを用
いることもできるが、それ以外の場合には、ろう付け、
溶射、固相接合(焼結)、蒸着、又は、機械的締結等に
よる必要がある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a thermoelectric module according to a first embodiment of the present invention. Thermoelectric module 1
Are, for example, two ceramic substrates 3 as heat exchange substrates.
Includes 0 and 40. Two ceramic substrates 30 and 4
By joining a P-type element (P-type semiconductor) 50 and an N-type element (N-type semiconductor) 60 via a metal member, for example, an electrode 70 between 0 and 0, a PN element pair is formed.
In addition, as a metal member, an electrode of copper or nickel, a stress relaxation layer, a bonding layer, a diffusion prevention layer, or the like is applicable. In order to join the thermoelectric element and the metal member, soldering can be used in the case of a low-temperature thermoelectric module using copper as the metal member, but in other cases, brazing,
It is necessary to use thermal spraying, solid phase bonding (sintering), vapor deposition, mechanical fastening, or the like.

【0013】このようなPN素子対の一方の端のN型素
子と、他方の端のP型素子には、リード線80が接続さ
れている。セラミック基板40側を冷却水等で冷やし、
セラミック基板30側に熱を加えると、起電力が発生し
て、図1に示すように電流が流れる。即ち、熱電モジュ
ール1の両側(図中の上下)に温度差をつけることによ
り、電力を取り出すことが出来る。
A lead wire 80 is connected to the N-type element at one end of the PN element pair and the P-type element at the other end. Cool the ceramic substrate 40 side with cooling water or the like,
When heat is applied to the ceramic substrate 30 side, an electromotive force is generated and a current flows as shown in FIG. That is, power can be taken out by providing a temperature difference between both sides (up and down in the figure) of the thermoelectric module 1.

【0014】図1においては2枚のセラミック基板上に
形成した電極を用いてP型素子とN型素子とを接続して
いるが、以下に述べるように、電極や基板の全部又は一
部を省略することも可能である。これについて、図2を
参照しながら説明する。図2の(a)は、P型素子51
とN型素子61とを電極を用いないで接続した例を示し
ている。図に示すように、P型素子51とN型素子61
の一部に切り欠きを設けることにより、電流がマイナー
ループを形成して短絡して流れることを防止している。
この場合には、両側もしくは片側の電極を省略すること
が出来るし、両側もしくは片側の基板を省略することも
出来る。
In FIG. 1, the P-type element and the N-type element are connected by using electrodes formed on two ceramic substrates. However, as described below, all or part of the electrodes and the substrate are connected. It can be omitted. This will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows a P-type element 51.
An example is shown in which the N-type element 61 and the N-type element 61 are connected without using an electrode. As shown in the figure, a P-type element 51 and an N-type element 61
By forming a notch in a part of the current, a current is prevented from forming a minor loop and short-circuiting and flowing.
In this case, electrodes on both sides or one side can be omitted, and substrates on both sides or one side can be omitted.

【0015】図2の(b)は、一方の側(図中の下側)
においてP型素子52とN型素子62とを金属部材、例
えば電極72を用いて接続し、他方の側(図中の上側)
においてP型素子52とN型素子62とを電極を用いな
いで接続した例を示している。ここでも、P型素子52
とN型素子62の一部に切り欠きを設けている。この場
合には、片側の電極を省略することが出来るし、片側の
基板を省略することも出来る。
FIG. 2B shows one side (the lower side in the figure).
, The P-type element 52 and the N-type element 62 are connected using a metal member, for example, an electrode 72, and the other side (upper side in the figure)
1 shows an example in which a P-type element 52 and an N-type element 62 are connected without using electrodes. Again, the P-type element 52
And a cutout is provided in a part of the N-type element 62. In this case, the electrode on one side can be omitted, and the substrate on one side can be omitted.

【0016】図2の(c)も、一方の側においてP型素
子53とN型素子63とを金属部材、例えば電極73を
用いて接続し、他方の側においてP型素子53とN型素
子63とを電極を用いないで接続した例を示している。
ここでは、P型素子53とN型素子63を湾曲した形状
とした。この場合も、片側の電極を省略することが出来
るし、片側の基板を省略することも出来る。なお、図2
の(a)〜(c)の説明において、P型素子とN型素子
とを電極を用いないで接続する場合には、これらの素子
どうしを直接接続する場合と、これらの素子間に接合層
又は拡散防止層を介して接続する場合との両方を含むも
のとする。
FIG. 2C also shows that the P-type element 53 and the N-type element 63 are connected on one side using a metal member, for example, an electrode 73, and the P-type element 53 and the N-type element are connected on the other side. 63 is connected without using an electrode.
Here, the P-type element 53 and the N-type element 63 have a curved shape. Also in this case, the electrode on one side can be omitted, and the substrate on one side can be omitted. Note that FIG.
In the description of (a) to (c), when a P-type element and an N-type element are connected without using an electrode, a case where these elements are directly connected to each other, and a case where a bonding layer is provided between these elements. Or the case where the connection is made via a diffusion prevention layer.

【0017】次に、熱電モジュールを溶射によって製造
する場合について、図3と図4を参照しながら説明す
る。図3は、溶射によって製造される熱電モジュールの
組立図である。段差を付けた絶縁物の格子100の中
に、図4に示すようにP型素子54とN型素子64が配
置されている。その上に、金属部材74や90が溶射さ
れる。
Next, a case where a thermoelectric module is manufactured by thermal spraying will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an assembly diagram of a thermoelectric module manufactured by thermal spraying. As shown in FIG. 4, a P-type element 54 and an N-type element 64 are arranged in a stepped insulator lattice 100. The metal members 74 and 90 are sprayed thereon.

【0018】溶射による熱電モジュールの製造工程につ
いて、図5を参照しながら説明する。まず、図5の
(a)に示すように、段差を付けた格子100をアルミ
ナセラミック等の絶縁物で作製する。次に、図5の
(b)に示すように、絶縁物の格子100の開口に、P
型素子54とN型素子64を配置する。次に、図5の
(c)に示すように、隣接する素子を接続するように、
金属部材90を溶射する。さらに、図5の(d)に示す
ように、金属部材90の上から金属部材74を溶射する
等により、単層もしくは複数層の金属層を形成する。こ
のような熱電モジュールにおいては、図5の(a)に示
すように格子に段差を付けることによって、図5の
(c)に示すように溶射された金属部材によって隣接す
る素子が接続される。
The manufacturing process of the thermoelectric module by thermal spraying will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 5A, a grid 100 having a step is made of an insulator such as alumina ceramic. Next, as shown in FIG. 5 (b), P
The mold element 54 and the N-type element 64 are arranged. Next, as shown in FIG. 5C, adjacent elements are connected.
The metal member 90 is thermally sprayed. Further, as shown in FIG. 5D, a single layer or a plurality of metal layers are formed by spraying the metal member 74 from above the metal member 90. In such a thermoelectric module, adjacent elements are connected by a metal member sprayed as shown in FIG. 5C by providing steps in the grid as shown in FIG. 5A.

【0019】以上説明したような熱電モジュールを発電
ユニットとして使用する場合には、例えば図6に示すよ
うに、熱電モジュール1の一方のセラミック基板(低温
側のセラミック基板)に冷却用パイプ2を配設する。冷
却用パイプ2の長手方向に垂直な断面は、円形又は矩形
となっており、パイプ内に冷却水を流すことにより低温
側のセラミック基板を冷却する。一方、熱電モジュール
1の他方のセラミック基板(高温側のセラミック基板)
には、熱を吸収するための金属板3を配置する。金属板
3に集熱用フィン4を一体形成するか、あるいは別個に
形成して接続することにより、集熱効果を高めることが
できる。さらに、複数の熱電モジュール1をリード線5
により接続する。高温側と低温側の温度差により、熱電
モジュールから電力を取り出すことができる。
When the thermoelectric module as described above is used as a power generation unit, for example, as shown in FIG. 6, a cooling pipe 2 is arranged on one ceramic substrate (low-temperature ceramic substrate) of the thermoelectric module 1. Set up. The cross section perpendicular to the longitudinal direction of the cooling pipe 2 is circular or rectangular, and cools the low-temperature side ceramic substrate by flowing cooling water through the pipe. On the other hand, the other ceramic substrate of the thermoelectric module 1 (high-temperature-side ceramic substrate)
Is provided with a metal plate 3 for absorbing heat. The heat collecting effect can be enhanced by integrally forming the heat collecting fins 4 on the metal plate 3 or by separately forming and connecting them. Further, a plurality of thermoelectric modules 1 are connected to lead wires 5.
Connect with Electric power can be extracted from the thermoelectric module due to the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side.

【0020】本発明においては、N型素子の材料とし
て、スクッテルダイト構造を有する化合物を用いてい
る。特に、以下の組成を有する化合物が、N型素子の材
料として適している。 (1)M1-AM’ABで表される化合物 ここで、Mは、Co、Rh、Irの内のいずれかを表
し、M’は、N型とするためのドーパントであり、P
d、Pt、PdPtの内のいずれかを表し、Xは、A
s、P、Sbの内のいずれかを表しており、0<A≦
0.2、かつ、2.9≦B≦4.2の条件を満たすもの
が適している。特に、B=3とすれば、簡単な組成比の
化合物が得られる。具体例としては、Co−Sb系の化
合物、例えば、Co0.9(PdPt)0.1Sb3を挙げる
ことができる。ここでは、Co0.9(PdPt)0.1Sb
3に替えて、これと同様の構造を有するCoSb3の結晶
構造を図7に示して説明する。この結晶構造は、スクッ
テルダイト構造と呼ばれるものである。図7に示すよう
に、CoSb3の単位格子は、8個のCo原子と24個
のSb原子の合計32個の原子を含む立方格子である。
Co原子は、6個のSb原子によって作られたSb原子
の8面体の中心に位置する。1つの単位格子に、Sb原
子の8面体が8個存在する。この8個の8面体によっ
て、Sb原子の20面体ができている。原子が存在しな
い空籠が、単位格子の中心と角に作られている。
In the present invention, a compound having a skutterudite structure is used as a material for the N-type element. In particular, a compound having the following composition is suitable as a material for an N-type element. (1) M 1-A M 'A represented by X B compounds where, M represents Co, Rh, either of Ir, M' is a dopant for the N-type, P
d, Pt, or PdPt, wherein X is A
s, P, or Sb, where 0 <A ≦
Those satisfying the condition of 0.2 and 2.9 ≦ B ≦ 4.2 are suitable. In particular, if B = 3, a compound having a simple composition ratio can be obtained. As a specific example, a Co—Sb-based compound, for example, Co 0.9 (PdPt) 0.1 Sb 3 can be given. Here, Co 0.9 (PdPt) 0.1 Sb
Instead of 3, it will be described with Figure 7 shows the crystal structure of CoSb 3 having the same structure as this. This crystal structure is called a skutterudite structure. As shown in FIG. 7, the unit cell of CoSb 3 is a cubic lattice including a total of 32 atoms of 8 Co atoms and 24 Sb atoms.
The Co atom is located at the center of the octahedron of Sb atoms created by six Sb atoms. Eight octahedrons of Sb atoms exist in one unit cell. These eight octahedrons form an icosahedron of Sb atoms. Empty baskets without atoms are formed at the center and corners of the unit cell.

【0021】(2)M(X1-AX’A3で表される化合
物 ここで、Mは、Co、Rh、Irの内のいずれかを表
し、Xは、As、P、Sbの内のいずれかを表し、X’
は、Te、Ni、Pdの内のいずれかを表しており、0
<A≦0.1の条件を満たすものが適している。 (3)M1-AM’A(X1-BX’BCで表される化合物 ここで、Mは、Co、Rh、Irの内のいずれかを表
し、M’は、N型とするためのドーパントであり、P
d、Pt、PdPtの内のいずれかを表し、Xは、A
s、P、Sbの内のいずれかを表し、X’は、Te、N
i、Pdの内のいずれかを表しており、0<A≦0.
2、0≦B≦0.1、かつ、C=3の条件を満たすもの
が適している。
(2) Compound represented by M (X 1-A X ′ A ) 3 wherein M represents any one of Co, Rh and Ir, and X represents As, P, Sb X ′
Represents any of Te, Ni, and Pd, and 0
Those satisfying the condition of <A ≦ 0.1 are suitable. (3) Compound represented by M 1-A M ′ A (X 1-B X ′ B ) C Here, M represents any one of Co, Rh and Ir, and M ′ is N-type And a dopant for
d, Pt, or PdPt, wherein X is A
represents any one of s, P and Sb, and X ′ is Te, N
i, Pd, and 0 <A ≦ 0.
Those satisfying the conditions of 2, 0 ≦ B ≦ 0.1 and C = 3 are suitable.

【0022】以上挙げたような材料を用いることによ
り、大気中において温度が500℃周辺になっても材料
自体の性質として酸化し難く、強度も比較的高く、環境
にも比較的優しいN型素子を用いた熱電モジュールを実
現することができる。これらの材料の内、Co−Sb系
の化合物は、図8の状態図から判断されるように単相が
なかなか得られないので、製造が難しく、満足な特性が
得がたい。この点を考慮し、本実施形態に係る熱電素子
の製造においては、製造方法を工夫した。多くの製造方
法を試みた結果、Co−Sb系の単相の化合物を得るた
めに実際に効果があったのは、固相反応、爆接、MA
(メカニカルアロイング)、SPS(スパークプラズマ
シンタリング)、HP(ホットプレス)、アニール、塑
性加工等を組み合わせた数通りの製造方法であった。
By using the above-mentioned materials, even if the temperature becomes about 500 ° C. in the atmosphere, the material itself is hardly oxidized, has relatively high strength, and is relatively environmentally friendly. Can be realized. Of these materials, Co-Sb compounds are difficult to produce because a single phase cannot be easily obtained as judged from the phase diagram of FIG. 8, and it is difficult to obtain satisfactory characteristics. In consideration of this point, a manufacturing method was devised in manufacturing the thermoelectric element according to the present embodiment. As a result of trying many production methods, it was found that the solid-phase reaction, explosion welding, MA
(Mechanical alloying), SPS (spark plasma sintering), HP (hot press), annealing, plastic working, etc., in several ways.

【0023】ところで、熱電素子と熱電素子との間、も
しくは、熱電素子と金属部材との間には、相互の原子の
拡散を防止するために、中間層として1層又は多層の拡
散防止層を設けることが望ましい。一般的に、熱電素子
と電極として用いられる材料とでは線膨張率が異なるた
め、500℃周辺の中高温域で使用すると、いずれかの
方が大きく膨張し、熱応力が発生して接合面が剥れたり
熱電素子にクラックが入る等の可能性が高い。そこで、
拡散防止層に用いられる材料は、その線膨張率を考慮し
て選択されることが望ましい。
By the way, between the thermoelectric element and the thermoelectric element or between the thermoelectric element and the metal member, one or more diffusion preventing layers are provided as intermediate layers in order to prevent the diffusion of atoms. It is desirable to provide. In general, since the coefficient of linear expansion is different between the thermoelectric element and the material used as the electrode, when used in a medium to high temperature region around 500 ° C., one of them expands significantly, generating thermal stress and causing a joint surface to be formed. There is a high possibility that the thermoelectric element will be peeled or cracked. Therefore,
It is desirable that the material used for the diffusion prevention layer is selected in consideration of the coefficient of linear expansion.

【0024】例えば、N型素子にCo−Sb系材料を用
い、電極に銅を用いる場合には、拡散防止層の線膨張率
が、Co−Sb系材料の線膨張率8×10-6/K(於8
00K)の近傍以上で、銅の線膨張率20×10-6/K
(於800K)の近傍以下の拡散防止層を設ける。線膨
張率以外の要素として、拡散係数、熱伝導度、比抵抗、
ヤング率等も勘案すると、第1層の中間層(熱電素子の
直上の層)として、Nb、V、Cr、Ti、Rh、P
t、Zr、W、Ta、Mo、Ni、Cu、Fe、Ag、
Au、Sb、及び、これらを含む合金等を用いることが
好ましい。これらの内でも、特に、Mo、Ta、Crが
適している。
For example, when a Co-Sb-based material is used for the N-type element and copper is used for the electrode, the linear expansion coefficient of the diffusion prevention layer is 8 × 10 −6 / Co-Sb-based material. K (at 8
00K) or more, the coefficient of linear expansion of copper is 20 × 10 −6 / K
(At 800 K) or less, a diffusion preventing layer is provided. Factors other than the linear expansion coefficient include diffusion coefficient, thermal conductivity, specific resistance,
Considering Young's modulus, etc., Nb, V, Cr, Ti, Rh, and P are used as the first intermediate layer (the layer immediately above the thermoelectric element).
t, Zr, W, Ta, Mo, Ni, Cu, Fe, Ag,
It is preferable to use Au, Sb, an alloy containing these, and the like. Among these, Mo, Ta, and Cr are particularly suitable.

【0025】また、拡散防止層等の中間層は、1層でも
良いし、多層でも良い。多層の中間層を設ける場合に
は、それらの線膨張率は、熱電素子から電極に向かって
徐々に大きくすることで、熱応力を緩和することができ
る。
The intermediate layer such as the diffusion preventing layer may be a single layer or a multilayer. When providing a multilayer intermediate layer, the thermal stress can be relaxed by gradually increasing the linear expansion coefficient from the thermoelectric element toward the electrode.

【0026】N型素子に電気的に接続される電極として
は、Ag、Al、Au、Co、Cu、Fe、Pt、T
i、Zn、Ni、及び、これらを含む合金等を用いるこ
とが好ましい。特に望ましいのは、Cu、Ni、Feで
ある。これらの線膨張率は、室温においてそれぞれ1
6.5×10-6/K、13.3×10-6/K、11.7
×10-6/Kであり、例えばAlの線膨張率(23.9
×10-6/K)と比較して小さく、熱電素子の線膨張率
に近い値となっている。
The electrodes electrically connected to the N-type element include Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Pt, T
It is preferable to use i, Zn, Ni, an alloy containing these, and the like. Particularly desirable are Cu, Ni and Fe. Each of these has a linear expansion coefficient of 1 at room temperature.
6.5 × 10 -6 /K,13.3×10 -6 /K,11.7
× 10 -6 / K, for example, the coefficient of linear expansion of Al (23.9
(× 10 −6 / K), which is close to the linear expansion coefficient of the thermoelectric element.

【0027】さらに、電極において、熱電素子と反対側
の面に、電極保持層を設けても良い。この電極保持層
は、線膨張率の小さい材料で形成することが望ましい。
線膨張率の小さい中間層と線膨張率の小さい電極保持層
とによって電極を挟み込むことにより、熱応力を低減さ
せることができる。電極保持層の材料としては、Al2
3あるいはAlNを原料としたセラミックス、SiO2
を原料としたガラス、Cr、Nb、Pt、Rh、Si、
Ta、Ti、V、Mo、W、Zr、及び、これらを含む
合金を用いることが可能である。
Further, an electrode holding layer may be provided on the surface of the electrode opposite to the thermoelectric element. This electrode holding layer is desirably formed of a material having a small coefficient of linear expansion.
By sandwiching the electrode between the intermediate layer having a small coefficient of linear expansion and the electrode holding layer having a small coefficient of linear expansion, thermal stress can be reduced. As a material of the electrode holding layer, Al 2
Ceramics made from O 3 or AlN, SiO 2
From glass, Cr, Nb, Pt, Rh, Si,
It is possible to use Ta, Ti, V, Mo, W, Zr, and alloys containing these.

【0028】中間層の厚さは、電極の厚さと同程度
(1:1)であることが望ましい。具体的には、中間層
及び電極の厚さは、好ましくは5μm〜1000μmで
あり、さらに好ましくは50μm〜300μmとする。
先に述べたように、中間層は多層構造としても良く、中
間層と電極保持層とによって電極を挟みこむようにして
も良い。
The thickness of the intermediate layer is desirably about the same as the thickness of the electrode (1: 1). Specifically, the thickness of the intermediate layer and the electrode is preferably 5 μm to 1000 μm, and more preferably 50 μm to 300 μm.
As described above, the intermediate layer may have a multilayer structure, and the electrode may be sandwiched between the intermediate layer and the electrode holding layer.

【0029】一方、P型素子の材料としては、本実施形
態においてはMn−Si系の化合物を用いている。特
に、以下の組成を有する化合物がP型素子の材料として
適している。 (1)MnSiA ここで、1.72≦A≦1.75である。 (2)MnSiAに、ドーパントとして、Ge、Sn、
Mo、Alの内の1つ以上を0〜5atm%添付した化
合物 例えば、Mn1-BMoBSiA-CDGeCAlDが該当す
る。ここで、0<B、C、D≦0.1としても良い。
On the other hand, as the material of the P-type element, a Mn-Si compound is used in the present embodiment. In particular, a compound having the following composition is suitable as a material for a P-type device. (1) MnSi A Here, 1.72 ≦ A ≦ 1.75. (2) Ge, Sn, MnSi A as dopants
A compound in which at least one of Mo and Al is attached at 0 to 5 atm%, for example, Mn 1-B Mo B Si ACD Ge C Al D. Here, 0 <B, C, D ≦ 0.1 may be satisfied.

【0030】P型素子の材料として用いられるMn−S
i系の化合物も、図9の状態図から判断されるように単
相がなかなか得られないので、製造が難しく、満足な特
性が得がたい。そこで、P型素子の材料を製造する際に
も、固相反応、爆接、MA、SPS、HP、アニール、
塑性加工といった方法を組み合わせた数通りの製造方法
が効果的である。また、N型素子の場合と同様に、P型
素子においても、熱電素子と熱電素子との間もしくは熱
電素子と金属部材との間に1層又は多層の拡散防止層を
設けることが望ましい。
Mn-S used as a material for a P-type element
The i-type compound also has difficulty in producing a single phase as judged from the phase diagram of FIG. 9, so that it is difficult to produce and it is difficult to obtain satisfactory characteristics. Therefore, when manufacturing the material of the P-type element, solid-state reaction, explosion welding, MA, SPS, HP, annealing,
Several manufacturing methods combining methods such as plastic working are effective. Further, as in the case of the N-type element, it is desirable to provide one or more diffusion prevention layers between the thermoelectric element and the thermoelectric element or between the thermoelectric element and the metal member also in the P-type element.

【0031】例えば、P型素子にMn−Si系材料を用
い、電極に銅を用いる場合には、拡散防止層の線膨張率
が、Mn−Si系材料の線膨張率12×10-6/K(於
800K)の近傍以上で、銅の線膨張率20×10-6
K(於800K)の近傍以下の拡散防止層を設ける。線
膨張率以外の要素として、拡散係数、熱伝導度、比抵
抗、ヤング率等も勘案すると、第1層の中間層(熱電素
子の直上の層)の材料として、Nb、V、Cr、Ti、
Rh、Pt、Zr、W、Ta、Mo、Ni、Cu、F
e、Ag、Au、Si、及び、これらを含む合金等が好
ましい。これらの内でも、特に、Nb、Mo、Ta、P
t、Crが適している。
For example, when using a Mn-Si-based material for the P-type element and using copper for the electrode, the linear expansion coefficient of the diffusion prevention layer is 12 × 10 −6 / Mn-Si-based material. Above the vicinity of K (at 800 K), the coefficient of linear expansion of copper is 20 × 10 −6 /
A diffusion prevention layer below K (at 800 K) is provided. Taking into account the diffusion coefficient, thermal conductivity, specific resistance, Young's modulus, and the like as factors other than the linear expansion coefficient, Nb, V, Cr, Ti are used as the material of the first intermediate layer (the layer immediately above the thermoelectric element). ,
Rh, Pt, Zr, W, Ta, Mo, Ni, Cu, F
e, Ag, Au, Si, and alloys containing them are preferred. Among these, in particular, Nb, Mo, Ta, P
t and Cr are suitable.

【0032】また、上述した拡散防止層等の中間層は、
1層でも良いし、多層でも良い。多層の中間層を設ける
場合には、それらの線膨張率は、熱電素子から電極に向
かって徐々に大きくすることで、熱応力を緩和すること
ができる。
The intermediate layer such as the above-mentioned diffusion preventing layer is
It may be a single layer or a multilayer. When providing a multilayer intermediate layer, the thermal stress can be relaxed by gradually increasing the linear expansion coefficient from the thermoelectric element toward the electrode.

【0033】P型素子に電気的に接続される電極として
は、N型素子の場合と同様に、Ag、Al、Au、C
o、Cu、Fe、Pt、Ti、Zn、Ni、及び、これ
らを含む合金等、特に、Cu、Ni、Feが好ましい。
The electrodes electrically connected to the P-type element are made of Ag, Al, Au, C, as in the case of the N-type element.
o, Cu, Fe, Pt, Ti, Zn, Ni, and alloys containing these, etc., particularly, Cu, Ni, and Fe are particularly preferable.

【0034】P型及びN型の熱電素子の形状としては、
円柱状、円筒状、又は、台形とすることにより、熱応力
を小さくすることができる。さらに、円柱状、円筒状、
台形、又は、直方体の形状を有する熱電素子のエッジの
面取りを行うことによって、熱応力を小さくすることが
できる。
The shapes of the P-type and N-type thermoelectric elements are as follows.
By using a columnar shape, a cylindrical shape, or a trapezoidal shape, thermal stress can be reduced. In addition, cylindrical, cylindrical,
By chamfering the edge of a thermoelectric element having a trapezoidal or rectangular parallelepiped shape, thermal stress can be reduced.

【0035】さらに、電極において、熱電素子に接続さ
れるのと反対側の面に、電極保持層を設けても良い。こ
の電極保持層は、線膨張率の小さい材料で形成すること
が望ましい。線膨張率の小さい中間層と線膨張率の小さ
い電極保持層とによって電極を挟み込むことにより、熱
応力を低減させることができる。電極保持層の材料とし
ては、Al23あるいはAlNを原料としたセラミック
ス、SiO2を原料としたガラス、Cr、Nb、Pt、
Rh、Si、Ta、Ti、V、Mo、W、Zr、及び、
これらを含む合金を用いることが可能である。
Further, an electrode holding layer may be provided on the surface of the electrode opposite to the surface connected to the thermoelectric element. This electrode holding layer is desirably formed of a material having a small coefficient of linear expansion. By sandwiching the electrode between the intermediate layer having a small coefficient of linear expansion and the electrode holding layer having a small coefficient of linear expansion, thermal stress can be reduced. As the material of the electrode holding layer, ceramics made of Al 2 O 3 or AlN, glass made of SiO 2 , Cr, Nb, Pt,
Rh, Si, Ta, Ti, V, Mo, W, Zr, and
Alloys containing these can be used.

【0036】中間層の厚さは、電極の厚さと同程度
(1:1)であることが望ましい。具体的には、中間層
及び電極の厚さは、好ましくは5μm〜1000μmで
あり、さらに好ましくは50μm〜300μmとする。
先に述べたように、中間層は多層構造としても良く、中
間層と電極保持層とによって電極を挟みこむようにして
も良い。
The thickness of the intermediate layer is desirably about the same as the thickness of the electrode (1: 1). Specifically, the thickness of the intermediate layer and the electrode is preferably 5 μm to 1000 μm, and more preferably 50 μm to 300 μm.
As described above, the intermediate layer may have a multilayer structure, and the electrode may be sandwiched between the intermediate layer and the electrode holding layer.

【0037】P型素子とN型素子とで同じ元素の拡散防
止層を形成する場合には、溶射等によりP型素子とN型
素子に同時に拡散防止層を形成することができ、熱電モ
ジュールの製造が簡単になる。例えば、N型素子にCo
Sb3を用い、P型素子にMnSi1.73を用いる場合に
は、拡散防止層として、V、Cr、Ti、Nb、Fe、
Cu、Ni、Ta、W、Zr、Mo等を用い、電極とし
て、Cu、Ni、Fe等を用いることが好ましい。
When a diffusion preventing layer of the same element is formed in the P-type element and the N-type element, the diffusion preventing layer can be simultaneously formed on the P-type element and the N-type element by thermal spraying or the like. Manufacturing is simplified. For example, if the N-type element is Co
When Sb 3 is used and MnSi 1.73 is used for the P-type element, V, Cr, Ti, Nb, Fe,
It is preferable to use Cu, Ni, Ta, W, Zr, Mo, or the like, and to use Cu, Ni, Fe, or the like as an electrode.

【0038】熱電素子を電極等と接合する方法として
は、特に、溶射が優れている。熱電素子としてCo−S
b系の化合物を用いる場合の接合方法について、ろう付
け、溶射、固相接合、蒸着を含めて検討した。その結
果、蒸着によれば、密着度が低くなるという問題があっ
た。また、ろう付けの場合には、Co−Sb系の化合物
に対しては融点が600℃前後のろう材が望ましいが、
このような温度領域のろう材は極めて少ない。さらに、
N型素子として用いるCo−Sb系の化合物とP型素子
として用いるMn−Si系の化合物とでは融点が異なる
ため、低融点のCo−Sb系の化合物(例えばCoSb
3)に合わせてろう材を選ぶと、Mn−Si系の化合物
の効率が発揮できない結果となる。固相接合は、N型及
びP型の熱電素子として強度や融点が近い材料を用いる
場合に適しているが、強度も融点も異なるCo−Sb系
の化合物とMn−Si系の化合物との両方に適応する接
合条件を探すことは難しい。以上に対し、溶射によれ
ば、低温環境において大量の熱電素子と電極等を一度に
接合することが可能であり、かつ、高い密着度が得られ
る。
As a method of joining a thermoelectric element to an electrode or the like, thermal spraying is particularly excellent. Co-S as thermoelectric element
The joining method in the case of using the b-type compound was studied including brazing, thermal spraying, solid phase joining, and vapor deposition. As a result, according to the vapor deposition, there is a problem that the degree of adhesion is reduced. In the case of brazing, a brazing material having a melting point of about 600 ° C. is desirable for a Co—Sb-based compound,
There is very little brazing material in such a temperature range. further,
Since the melting point of the Co-Sb-based compound used as the N-type element is different from that of the Mn-Si-based compound used as the P-type element, a low melting point Co-Sb-based compound (for example, CoSb
If a brazing material is selected according to 3 ), the result is that the efficiency of the Mn-Si-based compound cannot be exhibited. Solid-phase bonding is suitable when using materials having similar strengths and melting points as N-type and P-type thermoelectric elements, but both a Co-Sb-based compound and a Mn-Si-based compound having different strengths and melting points. It is difficult to find a joining condition that suits the requirements. On the other hand, according to thermal spraying, a large amount of thermoelectric elements and electrodes and the like can be joined at a time in a low-temperature environment, and a high degree of adhesion can be obtained.

【0039】一方、ろう付けや固相接合を用いて熱電モ
ジュールを組み立てる場合には、P型素子とN型素子と
で異なる元素の拡散防止層を形成することができる。こ
の場合には、メッキ等により拡散防止層を形成する。例
えば、N型素子にCoSb3を用い、P型素子にMnS
1.73を用いる場合には、N型素子において、拡散防止
層として、Nb、Ni、Fe、Cr、Sb、Ti、M
o、Zr、Cu、W、Ta、及びこれらを含む合金を用
い、電極として、Cu、Ni、Fe等を用いることが好
ましい。一方、P型素子においては、拡散防止層とし
て、Cr、Ni、Fe、Si、Mo、及びこれらを含む
合金を用い、電極として、Cu、Ni、Fe等を用いる
ことが好ましい。この場合にも、溶射の場合と同様に、
拡散防止層等の中間層を多層としたり、中間層と電極保
持層とによって電極を挟みこむ構造としても良い。
On the other hand, when assembling a thermoelectric module using brazing or solid-state bonding, a diffusion preventing layer of a different element can be formed between the P-type element and the N-type element. In this case, the diffusion preventing layer is formed by plating or the like. For example, CoSb 3 is used for the N-type element, and MnS is used for the P-type element.
When i 1.73 is used, Nb, Ni, Fe, Cr, Sb, Ti, M
It is preferable to use o, Zr, Cu, W, Ta, and alloys containing these, and to use Cu, Ni, Fe, etc. as the electrode. On the other hand, in the P-type element, it is preferable to use Cr, Ni, Fe, Si, Mo, and an alloy containing them as the diffusion prevention layer, and to use Cu, Ni, Fe, or the like as the electrode. In this case, as in the case of thermal spraying,
An intermediate layer such as a diffusion prevention layer or the like may have a multilayer structure, or a structure in which an electrode is sandwiched between the intermediate layer and the electrode holding layer.

【0040】次に、本発明の第2の実施形態について説
明する。本実施形態は、N型及びP型のそれぞれの熱電
素子を多層構造としてセグメント型にしたものである。
図10に、本実施形態に係る熱電モジュールを示す。図
10においては、N型及びP型のそれぞれの熱電素子を
2層構造とした例を示している。高温側のN型の熱電素
子65としては、N型のドーパントを添加したCoSb
3を用い、低温側のN型の熱電素子66としては、N型
Bi−Te系化合物を用いている。一方、高温側のP型
の熱電素子55としては、P型のドーパントを添加した
Mn−Si系の化合物を用い、低温側のP型の熱電素子
56としては、P型Bi−Te系化合物を用いている。
高温側の熱電素子と低温側の熱電素子との接続に際して
は、これらの素子どうしを直接接続しても良いし、これ
らの素子間に接合層又は拡散防止層を介して接続しても
良い。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, each of the N-type and P-type thermoelectric elements is formed into a segment type as a multilayer structure.
FIG. 10 shows a thermoelectric module according to the present embodiment. FIG. 10 shows an example in which each of the N-type and P-type thermoelectric elements has a two-layer structure. As the N-type thermoelectric element 65 on the high temperature side, CoSb to which an N-type dopant is added is used.
3, and an N-type Bi-Te-based compound is used as the low-temperature-side N-type thermoelectric element 66. On the other hand, a P-type dopant-added Mn-Si-based compound is used as the high-temperature-side P-type thermoelectric element 55, and a P-type Bi-Te-based compound is used as the low-temperature-side P-type thermoelectric element 56. Used.
When connecting the high-temperature-side thermoelectric element and the low-temperature-side thermoelectric element, these elements may be directly connected to each other, or may be connected between these elements via a bonding layer or a diffusion prevention layer.

【0041】このように、高温側と低温側において異な
る材料を用いるのは、図11に示すように、材料によっ
て性能指数Zの温度特性が異なるので、それぞれの温度
において適切な材料が存在するからである。そのように
すれば、熱電素子全体を1つの材料で形成する場合と比
較して、熱電モジュールの熱電変換効率を改善すること
ができる。
As described above, different materials are used on the high-temperature side and the low-temperature side because, as shown in FIG. 11, the temperature characteristics of the figure of merit Z differ depending on the material, and there is an appropriate material at each temperature. It is. By doing so, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module can be improved as compared with the case where the entire thermoelectric element is formed of one material.

【0042】高温側のN型の熱電素子65と高温側のP
型の熱電素子55とは、電極71を介して接続される。
また、低温側のN型の熱電素子66と低温側のP型の熱
電素子56を電極72を介して負荷抵抗Rに接続する
と、高温側と低温側の温度差に応じた電力を取り出すこ
とができる。なお、熱電素子と電極との接続に関して
は、第1の実施形態において説明したのと同様である。
The high-temperature side N-type thermoelectric element 65 and the high-temperature side P
The mold thermoelectric element 55 is connected via an electrode 71.
When the low-temperature-side N-type thermoelectric element 66 and the low-temperature-side P-type thermoelectric element 56 are connected to the load resistor R via the electrode 72, power corresponding to the temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side can be taken out. it can. The connection between the thermoelectric element and the electrode is the same as that described in the first embodiment.

【0043】次に、本発明の第3の実施形態について説
明する。本実施形態は、熱電モジュールの単位を多層構
造としてカスケード型にしたものである。図12に、本
実施形態に係る熱電モジュールを示す。図12において
は、熱電モジュールの単位を2層構造とした例を示して
いる。高温側のモジュール単位において、N型の熱電素
子67としては、N型のドーパントを添加したCoSb
3を用い、P型の熱電素子57としては、P型のドーパ
ントを添加したMn−Si系の化合物を用いている。一
方、低温側のモジュール単位において、N型の熱電素子
68としては、N型Bi−Te系化合物を用い、P型の
熱電素子58としては、P型Bi−Te系化合物を用い
ている。このように、高温側と低温側において異なる材
料を用いるのは、第2の実施形態におけるのと同じ理由
である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the unit of the thermoelectric module is a cascade type having a multilayer structure. FIG. 12 shows a thermoelectric module according to the present embodiment. FIG. 12 shows an example in which the unit of the thermoelectric module has a two-layer structure. In the module unit on the high temperature side, as the N-type thermoelectric element 67, CoSb added with an N-type dopant is used.
3, and a P-type thermoelectric element 57 is a Mn-Si-based compound to which a P-type dopant is added. On the other hand, in the module unit on the low-temperature side, an N-type Bi-Te-based compound is used as the N-type thermoelectric element 68, and a P-type Bi-Te-based compound is used as the P-type thermoelectric element 58. The reason why different materials are used on the high temperature side and the low temperature side for the same reason as in the second embodiment.

【0044】高温側のモジュール単位において、N型の
熱電素子67とP型の熱電素子57は、セラミック基板
110と120との間に配置され、電極73を介して接
続される。また、低温側のモジュール単位において、N
型の熱電素子68と低温側のP型の熱電素子58は、セ
ラミック基板120と130との間に配置され、電極7
4を介して接続される。なお、熱電素子と電極との接続
に関しては、第1の実施形態において説明したのと同様
である。
In the module unit on the high-temperature side, the N-type thermoelectric element 67 and the P-type thermoelectric element 57 are arranged between the ceramic substrates 110 and 120 and are connected via the electrodes 73. Also, in the module unit on the low temperature side, N
The thermoelectric element 68 and the P-type thermoelectric element 58 on the low-temperature side are disposed between the ceramic substrates 120 and 130, and the electrodes 7
4. The connection between the thermoelectric element and the electrode is the same as that described in the first embodiment.

【0045】これらのモジュール単位を負荷抵抗R1及
びR2にそれぞれ接続すると、それぞれのモジュール単
位における温度差に応じた電力を取り出すことができ
る。あるいは、これらのモジュール単位を直列接続した
り並列接続したりしても良い。
When these module units are respectively connected to the load resistors R1 and R2, it is possible to extract electric power corresponding to the temperature difference in each module unit. Alternatively, these module units may be connected in series or in parallel.

【0046】次に、以上の実施形態において用いられる
N型素子及びP型素子の特性について説明する。図13
は、Co−Sb系のN型素子とMn−Si系のP型素子
の素子レベルの熱電変換効率を示す図である。横軸には
高温側の温度をとっており、低温側の温度は室温(27
℃)に固定している。Co−Sb系のN型素子の熱電変
換効率は、550℃の温度差において約11%と良好な
値を示している。また、Mn−Si系のP型素子の熱電
変換効率も、650℃の温度差において約11%と良好
な値を示している。
Next, the characteristics of the N-type element and the P-type element used in the above embodiment will be described. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the thermoelectric conversion efficiency at the element level of a Co-Sb-based N-type element and a Mn-Si-based P-type element. The horizontal axis indicates the temperature on the high temperature side, and the temperature on the low temperature side is room temperature (27
° C). The thermoelectric conversion efficiency of the Co-Sb-based N-type element shows a good value of about 11% at a temperature difference of 550 ° C. In addition, the thermoelectric conversion efficiency of the Mn-Si-based P-type element shows a favorable value of about 11% at a temperature difference of 650 ° C.

【0047】また、以上の実施形態におけるように、C
o−Sb系のN型素子とMn−Si系のP型素子とを組
み合わせて熱電モジュールを構成した場合には、600
℃の温度差で熱電モジュールの熱電変換効率が約10.
5%となった。この熱電変換効率は、Si−Ge系の熱
電モジュールの熱電変換効率(500℃の温度差で4.
6%)や、Si−Ge系とPbTe−GeTe系のカス
ケードモジュールの熱電変換効率(687℃の温度差で
9.9%)と比較しても、さらに大きい値である。それ
以外にも、Co−Sb系のN型素子とMn−Si系のP
型素子とを組み合わせた熱電モジュールは、環境に優し
く、コストが低いという利点を有している。
Further, as in the above embodiment, C
When a thermoelectric module is configured by combining an o-Sb-based N-type element and a Mn-Si-based P-type element, 600
The thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module is about 10.
It was 5%. The thermoelectric conversion efficiency is determined by the thermoelectric conversion efficiency of the Si-Ge thermoelectric module (4.
6%) and the thermoelectric conversion efficiency of the Si-Ge-based and PbTe-GeTe-based cascade modules (9.9% at a temperature difference of 687 ° C.). In addition, a Co-Sb-based N-type device and a Mn-Si-based P-type
Thermoelectric modules combined with die elements have the advantages of being environmentally friendly and of low cost.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、大気
中において温度が500℃周辺になっても優れた特性を
有するN型の熱電素子を用いた熱電モジュールを提供す
ることができる。さらに、優れたP型の熱電材料と優れ
たN型の熱電材料とを組み合わせることにより、熱電モ
ジュールの変換効率を改善することが可能である。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a thermoelectric module using an N-type thermoelectric element having excellent characteristics even in a temperature around 500 ° C. in the atmosphere. . Further, by combining the excellent P-type thermoelectric material and the excellent N-type thermoelectric material, it is possible to improve the conversion efficiency of the thermoelectric module.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係る熱電モジュール
を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a thermoelectric module according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施形態に係る熱電モジュール
の変形例を示す図である。
FIG. 2 is a view showing a modification of the thermoelectric module according to the first embodiment of the present invention.

【図3】溶射によって製造される熱電モジュールの組立
図である。
FIG. 3 is an assembly view of a thermoelectric module manufactured by thermal spraying.

【図4】図3の熱電モジュールにおけるP型素子とN型
素子の配列例を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of the arrangement of P-type elements and N-type elements in the thermoelectric module of FIG.

【図5】図3の熱電モジュールの一部を製造工程に沿っ
て示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a part of the thermoelectric module of FIG. 3 along a manufacturing process.

【図6】本発明の第1の実施形態に係る熱電モジュール
を使用した発電ユニットを示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a power generation unit using the thermoelectric module according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1の実施形態において使用したCo
Sb3の結晶構造を示す図である。
FIG. 7 shows the Co used in the first embodiment of the present invention.
Is a diagram showing the crystal structure of sb 3.

【図8】N型素子において用いられるCo−Sb系化合
物の状態図である。
FIG. 8 is a phase diagram of a Co—Sb-based compound used in an N-type element.

【図9】P型素子において用いられるMn−Si系化合
物の状態図である。
FIG. 9 is a phase diagram of a Mn—Si-based compound used in a P-type device.

【図10】本発明の第2の実施形態に係る熱電モジュー
ルを示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a thermoelectric module according to a second embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第2の実施形態に係る熱電モジュー
ルに用いた熱電素子の性能指数を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a figure of merit of a thermoelectric element used in a thermoelectric module according to a second embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第3の実施形態に係る熱電モジュー
ルを示す図である。
FIG. 12 is a view showing a thermoelectric module according to a third embodiment of the present invention.

【図13】本発明の各実施形態に用いたP型素子及びN
型素子の熱電変換効率を示す図である。
FIG. 13 shows a P-type element and N used in each embodiment of the present invention.
It is a figure showing the thermoelectric conversion efficiency of a model element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 熱電モジュール 2 冷却用パイプ 3 金属板 4 集熱用フィン 5 リード線 30、40、110、120、130 セラミック基板 50〜58 P型熱電素子 60〜68 N型熱電素子 70〜74 電極 72〜74、90 金属部材 80 リード線 100 絶縁物の格子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric module 2 Cooling pipe 3 Metal plate 4 Heat collecting fin 5 Lead wire 30, 40, 110, 120, 130 Ceramic substrate 50-58 P-type thermoelectric element 60-68 N-type thermoelectric element 70-74 Electrode 72-74 , 90 Metal member 80 Lead wire 100 Insulator lattice

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 健一 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 (72)発明者 石田 晃一 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kenichi Tomita 1200 Manda, Hiratsuka-shi, Kanagawa Prefecture Inside Komatsu Seisakusho Research Headquarters (72) Inventor Koichi Ishida 1200 Manda, Hiratsuka-shi, Kanagawa Komatsu Seisakusho Research Headquarters Inside

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 スクッテルダイト構造を有する化合物を
含むN型の熱電素子と、 前記N型の熱電素子と直接又は金属部材を介して接続さ
れ、Mn−Si系の化合物を含むP型の熱電素子と、を
具備する熱電モジュール。
An N-type thermoelectric element including a compound having a skutterudite structure, and a P-type thermoelectric element connected to the N-type thermoelectric element directly or via a metal member and including a Mn-Si-based compound. And a device.
【請求項2】 前記N型の熱電素子と前記P型の熱電素
子が、第1の領域においては直接接続され、第2の領域
においては金属部材を介して接続されていることを特徴
とする請求項1記載の熱電モジュール。
2. The N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element are directly connected in a first region, and are connected via a metal member in a second region. The thermoelectric module according to claim 1.
【請求項3】 複数の開口が格子状に形成された絶縁物
と、 前記絶縁物の第1の開口内に配置され、スクッテルダイ
ト構造を有する化合物を含むN型の熱電素子と、 前記絶縁物の第2の開口内に配置され、Mn−Si系の
化合物を含むP型の熱電素子と、 前記N型の熱電素子及び前記P型の熱電素子を接続する
ための金属部材と、を具備する熱電モジュール。
3. An N-type thermoelectric element, comprising: an insulator having a plurality of openings formed in a lattice pattern; an N-type thermoelectric element including a compound having a skutterudite structure disposed in the first opening of the insulator; A P-type thermoelectric element disposed in the second opening of the object and containing a Mn-Si-based compound; and a metal member for connecting the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element. Thermoelectric module.
【請求項4】 前記N型の熱電素子が、Co−Sb系の
化合物を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか
1項記載の熱電モジュール。
4. The thermoelectric module according to claim 1, wherein the N-type thermoelectric element contains a Co—Sb-based compound.
【請求項5】 前記N型の熱電素子及び前記P型の熱電
素子を直接又は金属部材を介して支持する少なくとも1
つの熱交換基板をさらに具備する請求項1〜4のいずれ
か1項記載の熱電モジュール。
5. At least one supporting said N-type thermoelectric element and said P-type thermoelectric element directly or via a metal member.
The thermoelectric module according to any one of claims 1 to 4, further comprising two heat exchange boards.
【請求項6】 前記金属部材が、Cu、Ni、Feの内
のいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜5のいず
れか1項記載の熱電モジュール。
6. The thermoelectric module according to claim 1, wherein the metal member includes one of Cu, Ni, and Fe.
【請求項7】 前記N型の熱電素子と前記金属部材との
間に形成された中間層と、前記P型の熱電素子と前記金
属部材との間に形成された中間層との内の少なくとも一
方をさらに具備する請求項1〜6のいずれか1項記載の
熱電モジュール。
7. At least one of an intermediate layer formed between the N-type thermoelectric element and the metal member and an intermediate layer formed between the P-type thermoelectric element and the metal member. The thermoelectric module according to claim 1, further comprising one of them.
【請求項8】 前記中間層が前記N型の熱電素子と前記
金属部材との間に形成される場合には、前記中間層がM
o、Ta、Crの内のいずれかを含み、前記中間層が前
記P型の熱電素子と前記金属部材との間に形成される場
合には、前記中間層がNb、Mo、Ta、Pt、Crの
内のいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜7のい
ずれか1項記載の熱電モジュール。
8. When the intermediate layer is formed between the N-type thermoelectric element and the metal member, the intermediate layer is
o, Ta, or Cr, and when the intermediate layer is formed between the P-type thermoelectric element and the metal member, the intermediate layer is formed of Nb, Mo, Ta, Pt, The thermoelectric module according to any one of claims 1 to 7, wherein the thermoelectric module includes any one of Cr.
【請求項9】 前記中間層が溶射により形成されている
ことを特徴とする請求項7又は8記載の熱電モジュー
ル。
9. The thermoelectric module according to claim 7, wherein the intermediate layer is formed by thermal spraying.
【請求項10】 前記金属部材が溶射により形成されて
いることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項記載
の熱電モジュール。
10. The thermoelectric module according to claim 1, wherein said metal member is formed by thermal spraying.
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