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JP2005277120A - Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2005277120A
JP2005277120A JP2004088501A JP2004088501A JP2005277120A JP 2005277120 A JP2005277120 A JP 2005277120A JP 2004088501 A JP2004088501 A JP 2004088501A JP 2004088501 A JP2004088501 A JP 2004088501A JP 2005277120 A JP2005277120 A JP 2005277120A
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type thermoelectric
thermoelectric element
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type
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Atsushi Nagai
淳 長井
Yasumasa Ozora
靖昌 大空
Kazuhiro Fujii
一宏 藤井
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Ube Industries Ltd
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Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンやガスエンジンなどを利用した分散型電源からの排熱や、廃棄物焼却設備からの排ガス、自動車の排ガス等、中温度領域の熱源から、従来にない高い効率で熱を電気に変換する熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】 本発明の熱電変換モジュールは、前記p型熱電素子とn型熱電素子とが、型枠に設けられた複数の貫通孔に交互に配置され、銅溶射電極により電気的に直列に接続された熱電変換モジュールであり、前記p型熱電素子は、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなり、前記n型熱電素子は、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなり、前記p型熱電素子およびn型熱電素子と前記銅溶射電極との間にモリブデンもしくはタングステンからなる溶射層を有する。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve an unprecedented high efficiency from a heat source in an intermediate temperature range such as exhaust heat from a distributed power source using a gas turbine or a gas engine, exhaust gas from a waste incineration facility, automobile exhaust gas, etc. A thermoelectric conversion module that converts heat into electricity is provided.
In the thermoelectric conversion module of the present invention, the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are alternately arranged in a plurality of through holes provided in a mold, and are electrically connected in series by a copper spray electrode. A connected thermoelectric conversion module, wherein the p-type thermoelectric element is mainly composed of zinc and antimony and has a β-type crystal structure, and the n-type thermoelectric element is mainly composed of cobalt and antimony; Thermal spraying composed of molybdenum or tungsten between the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element and the copper spray electrode, made of a material having a filled skutterudite structure in which a part of the crystal void is filled. Has a layer.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、熱を直接電気に変換する熱電変換モジュール及びその製造方法に関するものであって、特に中温度領域の排熱を熱源とする熱電発電装置において有用なものである。   The present invention relates to a thermoelectric conversion module that directly converts heat into electricity and a method for manufacturing the same, and is particularly useful in a thermoelectric power generation apparatus that uses exhaust heat in an intermediate temperature range as a heat source.

熱電変換モジュールは、通常複数個のp型熱電素子とn型熱電素子とを交互に配置し、これらの熱電素子を金属などの導電性材料を介して電気的に直列に接続することによって作製される。この熱電変換モジュールは、熱電素子に温度差を与えることによりゼーベック効果による熱起電力を発生し、電気的な負荷を接続することにより熱の一部を電力に変換して取り出すことができる。この熱電変換モジュールを用いた発電装置は、構造が簡単で、振動、騒音、摩耗などを生じる可動部がなく、熱源の規模を選ばないなどの特徴があるため、携帯型電源や、各種の排熱を電力として回収し有効利用する手段として注目されている。   A thermoelectric conversion module is usually produced by alternately arranging a plurality of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements and electrically connecting these thermoelectric elements in series via a conductive material such as metal. The This thermoelectric conversion module generates a thermoelectromotive force due to the Seebeck effect by giving a temperature difference to the thermoelectric element, and a part of the heat can be converted into electric power and taken out by connecting an electric load. This power generation device using a thermoelectric conversion module is simple in structure, has no moving parts that generate vibration, noise, wear, etc., and has the characteristics that the scale of the heat source is not selected. It has been attracting attention as a means for recovering and effectively using heat as electric power.

熱電変換の対象となる熱源は種々存在するが、中温度領域の熱源としては、ガスタービンやガスエンジンなどを利用した分散型電源からの排熱や、廃棄物焼却設備からの排ガス、自動車の排ガス等があげられる。従来この中温度領域では、代表的熱電材料としては、PbTeが用いられ、太陽系の探査衛星に用いられた実績がある。   There are various types of heat sources that can be converted into thermoelectric conversion, but heat sources in the middle temperature range include exhaust heat from distributed power sources using gas turbines and gas engines, exhaust gas from waste incinerators, and exhaust gas from automobiles. Etc. Conventionally, in this medium temperature range, PbTe is used as a representative thermoelectric material, and has been used for solar exploration satellites.

しかしながら、宇宙空間で力を発揮したPbTeは、酸化による劣化が大きな問題であり、地上で用いるには熱電変換モジュール全体を不活性ガスと共に金属カプセルに封入して用いることが必須で、極めて使い勝手が悪く、材料そのものの性能も、低温領域で用いられるBi−Te系材料には及ばないことなどから、PbTeモジュールは一般に利用できるような熱電変換モジュールとして実用化されていない。   However, PbTe, which exerted its power in outer space, has a major problem of deterioration due to oxidation. To use it on the ground, it is essential to enclose the entire thermoelectric conversion module in a metal capsule together with an inert gas, which is extremely easy to use. Unfortunately, the PbTe module has not been put into practical use as a thermoelectric conversion module that can be generally used because the performance of the material itself does not reach that of Bi-Te materials used in a low temperature region.

Co−Sb系材料をp型熱電素子、n型熱電素子の双方に用いた例が報告されている(特許文献1参照)が、報告されているp型Co−Sb系材料は、無次元性能指数1.2程度で十分でなく、これらを組み込んだ熱電変換モジュールは、室温から200℃の低温領域用のモジュールである。   An example of using a Co—Sb-based material for both a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element has been reported (see Patent Document 1), but the reported p-type Co—Sb-based material has dimensionless performance. An index of about 1.2 is not sufficient, and a thermoelectric conversion module incorporating these is a module for a low temperature region from room temperature to 200 ° C.

また、Co−Sb系材料の中高温度領域における特性としては、特許文献2の実施例に、Co−Sb系材料の700Kでの無次元性能指数が最高の値でも1.0であることが記載されている。このような性能のCo−Sb系材料をp型熱電素子およびn型熱電素子として2種組合せてモジュールとしても、熱電変換特性は十分でなく、中高温度領域用に実用的な熱電変換モジュールを得ることはできない。   In addition, as a characteristic in the middle and high temperature region of the Co—Sb material, it is described in the example of Patent Document 2 that the dimensionless figure of merit at 700 K of the Co—Sb material is 1.0 even at the highest value. Has been. Even if two types of Co-Sb-based materials having such performances are combined as a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element, the thermoelectric conversion characteristics are not sufficient, and a practical thermoelectric conversion module for a medium to high temperature region is obtained. It is not possible.

特開2003−218410号公報JP 2003-218410 A 特開2002−026400号公報JP 2002-026400 A

以上のように、中温度領域の熱源を利用する実用的な熱電変換モジュールは実質的に存在しておらず、中温度領域の熱源を有効利用するような熱電変換モジュールの出現が待たれている。従って、本発明の目的は、ガスタービンやガスエンジンなどを利用した分散型電源からの排熱や、廃棄物焼却設備からの排ガス、自動車の排ガス等、中温度領域の熱源から、従来にない高い効率で熱を電気に変換する熱電変換モジュールを提供することである。   As described above, practical thermoelectric conversion modules that use medium-temperature region heat sources are virtually nonexistent, and the emergence of thermoelectric conversion modules that effectively use medium-temperature region heat sources is awaited. . Accordingly, the object of the present invention is higher than in the past from heat sources in the middle temperature range, such as exhaust heat from distributed power sources utilizing gas turbines, gas engines, etc., exhaust gas from waste incineration facilities, automobile exhaust gas, etc. It is to provide a thermoelectric conversion module that converts heat into electricity with efficiency.

本発明は、複数の貫通孔及び隣接する該貫通孔間を連結する複数の電極用溝が設けられた型枠と、p型熱電素子およびn型熱電素子とを有し、前記p型熱電素子とn型熱電素子とが、前記複数の貫通孔に交互に配置され、前記p型熱電素子とn型熱電素子とを電気的に直列に接続するように銅溶射電極を前記電極用溝に埋設した熱電変換モジュールであり、前記p型熱電素子は、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなり、前記n型熱電素子は、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなり、前記p型熱電素子およびn型熱電素子と前記銅溶射電極との間にモリブデンもしくはタングステンからなる溶射層を有する熱電変換モジュールに関するものである。   The present invention comprises a mold provided with a plurality of through holes and a plurality of electrode grooves connecting between the adjacent through holes, a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element, and the p-type thermoelectric element And n-type thermoelectric elements are alternately arranged in the plurality of through holes, and a copper spray electrode is embedded in the electrode groove so as to electrically connect the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element in series. The p-type thermoelectric element is mainly composed of zinc and antimony and has a β-type crystal structure, and the n-type thermoelectric element is mainly composed of cobalt and antimony and contains a rare earth element. A sprayed layer made of molybdenum or tungsten is formed between the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element and the copper spray electrode, and is made of a material having a filled skutterudite structure filled in a part of the crystal void. Having thermoelectric conversion It relates to the Joule.

また、本発明は、複数の貫通孔及び貫通孔間を連結する複数の電極用溝が設けられた型枠の貫通孔に、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなるp型熱電素子と、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなる、n型熱電素子とを交互に設置し、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の表面にモリブデンもしくはタングステンを溶射して溶射層を形成し、その後、前記p型熱電素子およびn型熱電素子を交互に電気的に直列に接続するように前記電極用溝および前記溶射層上に電極用溝前記銅溶射電極を溶射により形成することを特徴とする前記熱電変換モジュールの製造方法に関する。   Further, the present invention comprises a material having zinc and antimony as main components and a β-type crystal structure in a through-hole of a mold provided with a plurality of through-holes and a plurality of electrode grooves for connecting the through-holes. A p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element made of a material having a filled skutterudite structure in which cobalt and antimony are main components and a rare earth element is filled in a part of a crystal gap are alternately installed. And spraying molybdenum or tungsten on the surface of the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element to form a sprayed layer, and then the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are alternately electrically connected in series. Further, the present invention relates to the method for manufacturing the thermoelectric conversion module, wherein the electrode groove and the copper spray electrode are formed on the electrode groove and the sprayed layer by thermal spraying.

本発明の熱電変換モジュールは、亜鉛とアンチモンを主成分とするp型熱電素子とコバルトとアンチモンを主成分とするn型熱電素子とを使用し、隣接するp型熱電素子とn型熱電素子とを接続する溶射電極に銅溶射電極を用い、さらに、p型熱電素子およびn型熱電素子と銅溶射電極との間に、モリブデンまたはタングステンの溶射層を形成した構造とすることにより、高い熱電特性を得るとともに、従来の方法では形成できない溶射電極を形成できるようにし、初めて中温度領域を熱源とする実用的な熱電変換モジュールを提供することができた。   The thermoelectric conversion module of the present invention uses a p-type thermoelectric element mainly composed of zinc and antimony and an n-type thermoelectric element mainly composed of cobalt and antimony, and has an adjacent p-type thermoelectric element and n-type thermoelectric element. By using a copper sprayed electrode as the thermal spraying electrode for connecting the p-type thermoelectric element and a structure in which a thermal spray layer of molybdenum or tungsten is formed between the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element and the copper sprayed electrode, high thermoelectric characteristics In addition, it was possible to form a thermal spray electrode that could not be formed by a conventional method, and for the first time, a practical thermoelectric conversion module using a medium temperature region as a heat source could be provided.

以下、本発明の熱電変換モジュールを図を用いて説明する。   Hereinafter, the thermoelectric conversion module of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の熱電変換モジュールの一例を示す高温側面のスケッチ図である。図1(a)は、本発明の熱電変換モジュールの低温面側の平面図であり、図1(b)は、そのA−A’線断面図であり、図1(c)は、そのB−B’線断面図である。図1に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール10は、複数の貫通孔12及び隣接する貫通孔12間を連結する複数の電極用溝13が設けられた電気的且つ熱的絶縁性型枠11と、p型熱電素子14およびn型熱電素子15とを有し、p型熱電素子14とn型熱電素子15とが、前記複数の貫通孔12に交互に配置され、p型熱電素子14とn型熱電素子15とを電気的に直列に接続するように銅溶射電極17を前記電極用溝13に埋設している。型枠11は、電気的且つ熱的絶縁性の材料で構成される。p型熱電素子14は、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなり、n型熱電素子15は、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなる。さらに、本発明の熱電変換モジュール10はp型熱電素子14およびn型熱電素子15と前記銅溶射電極17との間にモリブデンもしくはタングステンからなる溶射層(下地層)16を有することを特徴とする。p型熱電素子14及びn型熱電素子15、モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)16並びに銅溶射電極17は、上記型枠11に一体的に固着してある。   FIG. 1 is a high temperature side sketch showing an example of the thermoelectric conversion module of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view of the thermoelectric conversion module of the present invention on the low temperature surface side, FIG. 1 (b) is a cross-sectional view taken along the line AA ′, and FIG. FIG. As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment is an electrically and thermally insulating type provided with a plurality of through holes 12 and a plurality of electrode grooves 13 connecting the adjacent through holes 12. A frame 11, a p-type thermoelectric element 14, and an n-type thermoelectric element 15. The p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15 are alternately arranged in the plurality of through holes 12, and the p-type thermoelectric element A copper spray electrode 17 is embedded in the electrode groove 13 so that 14 and the n-type thermoelectric element 15 are electrically connected in series. The mold 11 is made of an electrically and thermally insulating material. The p-type thermoelectric element 14 is made of a material having zinc and antimony as main components and having a β-type crystal structure, and the n-type thermoelectric element 15 is mainly composed of cobalt and antimony, and a rare earth element is included in a part of the crystal void. It consists of a filled material with a filled skutterudite structure. Furthermore, the thermoelectric conversion module 10 of the present invention is characterized by having a thermal spray layer (underlayer) 16 made of molybdenum or tungsten between the p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15 and the copper spray electrode 17. . The p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15, the molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer) 16, and the copper sprayed electrode 17 are integrally fixed to the mold 11.

モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)16には好ましい2つの形態がある。1つの形態は、モリブデンもしくはタングステン溶射層の厚みを制限した形態である。モリブデンもしくはタングステンからなる溶射層の好ましい厚みは、5〜50μm、より好ましくは30〜50μmである。溶射層の厚みを制限することにより、熱電素子の破壊の原因となる応力集中が少なく素子割れがない。そのため、安定して製造することができ、歩留りが向上する。   There are two preferred forms of the molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer) 16. One form is a form in which the thickness of the molybdenum or tungsten sprayed layer is limited. The preferable thickness of the sprayed layer made of molybdenum or tungsten is 5 to 50 μm, more preferably 30 to 50 μm. By limiting the thickness of the sprayed layer, there is little stress concentration that causes destruction of the thermoelectric element, and there is no element cracking. Therefore, it can manufacture stably and a yield improves.

上記モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)16の形成方法としては、一般的なプラズマ溶射、ガス溶射、アーク溶射、高速フレーム溶射などの方法が挙げられ、特にプラズマ溶射が好ましい。この時、5〜50μm厚のモリブデンもしくはタングステンの薄い溶射層を得るためには、溶射時の粉末供給量を減らしたり、溶射パス数を適宜調整すればよい。   Examples of the method for forming the molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer) 16 include general plasma spraying, gas spraying, arc spraying, and high-speed flame spraying, and plasma spraying is particularly preferable. At this time, in order to obtain a thin sprayed layer of molybdenum or tungsten having a thickness of 5 to 50 μm, the amount of powder supplied at the time of spraying may be reduced or the number of spraying passes may be adjusted appropriately.

モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)16の他の好ましい形態は、p型熱電素子14及びn型熱電素子15上への被覆率を制限した形態である。p型熱電素子14及びn型熱電素子15上へのモリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)16の被覆率が50〜95%、好ましくは70〜90%となるように斑状に形成されている形態をとることにより、溶射層(下地層)16の厚みを制限したときと同じように、熱電素子の破壊の原因となる応力集中が少なく素子割れがない。そのため、安定して製造することができ、歩留りが向上する。斑状のモリブデンもしくはタングステン溶射層を得る方法としては、溶射時に溶射装置を振動させる方法、粉末供給を間欠的にする方法、溶射装置と被溶射物との間に網状のフィルターを用いる方法などが挙げられるが、再現性の面から網状のフィルターを用いる方法が好ましい。また、上記モリブデンもしくはタングステン溶射層の厚みは、空隙部を除いた溶射層の厚みが200μm以下であることが好ましい。   Another preferred form of the molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer) 16 is a form in which the coverage on the p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15 is limited. A form in which the coverage of the molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer) 16 on the p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15 is 50 to 95%, preferably 70 to 90%. As in the case where the thickness of the sprayed layer (underlayer) 16 is limited, the stress concentration causing the destruction of the thermoelectric element is small and the element is not cracked. Therefore, it can manufacture stably and a yield improves. Examples of a method for obtaining a mottled molybdenum or tungsten sprayed layer include a method of vibrating the spraying device during spraying, a method of intermittently supplying powder, a method of using a net-like filter between the spraying device and the object to be sprayed, and the like. However, a method using a mesh filter is preferable from the viewpoint of reproducibility. The molybdenum or tungsten sprayed layer preferably has a thickness of 200 μm or less excluding the voids.

また、上記銅溶射電極17は、一般的なプラズマ溶射、ガス溶射、アーク溶射、フレーム溶射などの方法により形成可能であるが、緻密で均一な電極を得るためには、プラズマ溶射及びガス溶射の方法により形成することが望ましい。また、上記銅溶射電極16を構成する銅溶射層は、空隙率が30%以下、特に20%以下のものが好ましい(図2を参照)。銅溶射電極が空隙率30%以下の銅溶射層からなるため、緻密で優れた電気伝導性を保持した電極構造であり、発電性能が向上する。   The copper spray electrode 17 can be formed by a general method such as plasma spraying, gas spraying, arc spraying, flame spraying, etc. In order to obtain a dense and uniform electrode, plasma spraying and gas spraying can be performed. It is desirable to form by a method. The copper sprayed layer constituting the copper sprayed electrode 16 preferably has a porosity of 30% or less, particularly 20% or less (see FIG. 2). Since the copper sprayed electrode is composed of a copper sprayed layer having a porosity of 30% or less, the electrode structure has a dense and excellent electrical conductivity, and the power generation performance is improved.

また、上記電気的且つ熱的絶縁性型枠11としては、珪酸カルシウムの成型体からなる型枠を使用することができる。珪酸カルシウムはゾノトライト及びトバモライトと言われる結晶相があり、これらに有機バインダーを混入し成型したものは人造木材と言われる。この人造木材は、不燃、低熱伝導率、軽量、さらには加工性が良いなどの特徴を有するため、熱電変換モジュールの絶縁性型枠として好適である。例えば、熱伝導率においては、一般的な鉛ガラスが1.2W/mKであるのに比べ、珪酸カルシウムの成型体は0.08W/mKであり1/15程度と小さく、また、一般的な耐熱性樹脂であるポリイミドの0.4W/mKと比較しても1/5程度と小さい。また、比重においては、鉛ガラス及びポリイミドがそれぞれ3.0及び1.4であるのに比べ、0.5程度と小さく、熱電変換モジュールの絶縁性型枠材料として望ましい。   Further, as the electrically and thermally insulating mold 11, a mold made of a calcium silicate molded body can be used. Calcium silicate has crystal phases called zonotlite and tobermorite, and those formed by mixing an organic binder into these are called artificial wood. This artificial wood has features such as non-combustibility, low thermal conductivity, light weight, and good workability, and thus is suitable as an insulating form for a thermoelectric conversion module. For example, in terms of thermal conductivity, compared with the general lead glass having 1.2 W / mK, the molded body of calcium silicate is 0.08 W / mK, which is as small as 1/15. Even compared with 0.4 W / mK of polyimide which is a heat resistant resin, it is as small as about 1/5. Moreover, in terms of specific gravity, lead glass and polyimide are as small as about 0.5 compared to 3.0 and 1.4, respectively, which is desirable as an insulating form material for a thermoelectric conversion module.

また、上記p型熱電素子14として使用される熱電材料は、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなる。また、上記n型熱電素子15として使用される熱電材料は、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料である。   The thermoelectric material used as the p-type thermoelectric element 14 is made of a material mainly composed of zinc and antimony and having a β-type crystal structure. The thermoelectric material used as the n-type thermoelectric element 15 is a material having a filled skutterudite structure in which cobalt and antimony are the main components and a rare earth element is filled in a part of a crystal void.

上述の構成からなる本発明の熱電変換モジュールは、発電所などの排熱、ゴミ焼却設備の排熱、自動車の排熱、太陽光など中温度領域の熱源を利用した熱電発電システムに適用することが可能である。   The thermoelectric conversion module of the present invention having the above-described configuration is applied to a thermoelectric power generation system using a heat source in an intermediate temperature region such as exhaust heat from a power plant, waste heat from a garbage incineration facility, exhaust heat from an automobile, sunlight, etc. Is possible.

次に、本発明の熱電変換モジュールの製造方法を、上述した図1に示す実施形態の熱電変換モジュールを製造する場合を例にとり、図3を参照しながら説明する。まず、電気的且つ熱的絶縁性材料を用いて、図3(a)に示すような、複数の貫通孔12及び該貫通孔12間を連絡する複数の電極用溝13が設けられた電気的且つ熱的絶縁性型枠11を作製する。上記絶縁性材料として珪酸カルシウムを用いる場合は、まず珪酸カルシウムの成型体を、例えば特開昭62−123053号公報や特開平3−3635号公報に記載されている製造方法により製造し、得られた成型体を機械加工することにより上記絶縁性型枠11を作製すると良い。   Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion module of the present invention will be described with reference to FIG. 3 taking the case of manufacturing the thermoelectric conversion module of the embodiment shown in FIG. 1 as an example. First, an electrical and thermal insulating material is used to electrically provide a plurality of through holes 12 and a plurality of electrode grooves 13 communicating between the through holes 12 as shown in FIG. In addition, a thermally insulating form 11 is produced. In the case where calcium silicate is used as the insulating material, a calcium silicate molded body is first manufactured by a manufacturing method described in, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-123053 and 3-3635. The insulating mold 11 may be produced by machining the molded body.

次に、図3(b)に示すように、絶縁性型枠11の貫通孔12に、p型熱電素子14とn型熱電素子15とを、素子スペーサー18及び19を用いて交互に配列する。   Next, as shown in FIG. 3B, p-type thermoelectric elements 14 and n-type thermoelectric elements 15 are alternately arranged in the through holes 12 of the insulating mold 11 using element spacers 18 and 19. .

次いで、素子スペーサー18及び19を取り外し、図3(c)に示すように、モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)16を、プラズマ溶射などによりp型熱電素子14及びn型熱電素子15の両面に形成する。この時、モリブデンもしくはタングステン下地層16は、5〜50μm厚の薄い溶射層、又はp型熱電素子14及びn型熱電素子15上への被覆率が50〜95%の斑状の溶射層になっていることが好ましい。モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)16を形成した後、銅を用いて、絶縁性型枠11の両面を被覆するように、銅溶射電極17を形成する。   Next, the element spacers 18 and 19 are removed, and as shown in FIG. 3C, molybdenum or tungsten sprayed layers (underlying layers) 16 are formed on both surfaces of the p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15 by plasma spraying or the like. Form. At this time, the molybdenum or tungsten underlayer 16 is a thin sprayed layer having a thickness of 5 to 50 μm or a patchy sprayed layer having a coverage of 50 to 95% on the p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15. Preferably it is. After the molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer) 16 is formed, the copper sprayed electrode 17 is formed so as to cover both surfaces of the insulating mold 11 using copper.

次いで、図3(d)に示すように、上記絶縁性型枠11の上記電極用溝13以外に形成された不要な溶射電極を平面研削盤などを用いて研削除去して、図1に示す実施形態の熱電変換モジュールを得る。この不要な溶射電極を研削除去する際、絶縁性型枠11の表面も僅かに削り込むことによって、電極面の平面性が確保できる。   Next, as shown in FIG. 3 (d), unnecessary sprayed electrodes formed on the insulating mold 11 other than the electrode grooves 13 are removed by grinding using a surface grinder or the like, as shown in FIG. The thermoelectric conversion module of the embodiment is obtained. When the unnecessary sprayed electrode is ground and removed, the surface of the insulating mold 11 is slightly cut away to ensure the flatness of the electrode surface.

本発明の熱電変換モジュールの製造方法によれば、比較的簡単な工程で歩留り良く、大面積の熱電変換モジュールも作製でき、大規模な熱源に適応した熱電変換モジュールを得ることができる。   According to the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, a thermoelectric conversion module having a large area can be manufactured with a relatively simple process, and a thermoelectric conversion module suitable for a large-scale heat source can be obtained.

以下に実施例を挙げ、本発明の効果を具体的に説明する。   The effects of the present invention will be specifically described with reference to examples.

(実施例1)
本実施例では、熱電素子として、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなるp型熱電素子と、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなる、n型熱電素子を、また絶縁性型枠として珪酸カルシウムの成型体からなる型枠を、電極として空隙率8%の銅溶射電極を、モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)として厚み80μmのモリブデンもしくはタングステン溶射層をそれぞれ使用した。まず、珪酸カルシウムの成型体〔宇部興産(株)製、登録商標;ウッディセラム〕を用いて、図4及び図5に示す絶縁性型枠11を機械加工(NCルーター)によって作製した。珪酸カルシウムの成型体は上述したように不燃、低熱伝導率、軽量、さらには加工性が良いなどの特徴を有するため、熱電変換モジュールの絶縁性型枠として好適である。ここで示す珪酸カルシウムの成型体の製造方法は、例えば、特開昭62−123053号公報7や特開平3−3635号公報に詳しく記述されている。尚、図4(a)は、本実施例にて用いた、熱電変換モジュールの絶縁性型枠11の低温面側の平面図であり、図5(a)は、熱電変換モジュールの絶縁性型枠11の高温面側の平面図である。
(Example 1)
In this example, as thermoelectric elements, zinc and antimony are the main components, a p-type thermoelectric element made of a material having a β-type crystal structure, cobalt and antimony are the main components, and rare earth elements are part of the crystal voids. An n-type thermoelectric element made of a material having a filled skutterudite structure, a mold made of a calcium silicate molded body as an insulating mold, and a copper spray electrode with a porosity of 8% as an electrode A molybdenum or tungsten sprayed layer having a thickness of 80 μm was used as the molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer). First, the insulating form 11 shown in FIG.4 and FIG.5 was produced by machining (NC router) using the molded object of calcium silicate [The Ube Industries, Ltd. make, registered trademark; Woody serum]. As described above, the molded body of calcium silicate has characteristics such as non-combustibility, low thermal conductivity, light weight, and good workability, and thus is suitable as an insulating form for a thermoelectric conversion module. The manufacturing method of the molded body of calcium silicate shown here is described in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 62-123053 and 3-3635. 4A is a plan view of the low-temperature surface side of the insulating mold 11 of the thermoelectric conversion module used in this example, and FIG. 5A is the insulating type of the thermoelectric conversion module. 3 is a plan view of a high temperature surface side of a frame 11. FIG.

モジュールの設計においては、たとえば、p型、n型の両方がBiTe系材料の材料の場合、熱電特性の差異は小さく、同じ素子形状で設計してもほとんど問題にはならない。しかしながら、本発明に用いる、熱電変換材料は、p型とn型とは熱電特性が大きく異なることから、詳細な設計が必要である。すなわち、Zn−Sb系材料は、熱伝導率が約0.6〜0.8W/mKと小さく、電気伝導度も約30000〜40000S/mとやや小さい。他方、Co−Sb系材料は、熱伝導率が約3〜4W/mKと大きく、電気伝導度も約60000〜70000S/mと大きい。そのため、各素子を流れる熱の流束を調整しながら、各素子の温度差均一化し、かつ、モジュールの内部抵抗を調整して最適化する必要がある。おおまかにいえば、熱伝導率が大きく電気伝導度が大きいCo−Sb系材料の素子径は小さく、逆に熱伝導率が小さく電気伝導度が小さいZn−Sb系材料は素子径を大きくする設計となる。その関係は、
(A/A)(h/h)−1=(ρ/ρ)1/2/κ)−1/2
とあらわされる。ここでAn、n、ρn、κは、それぞれn型素子の断面積、高さ、比抵抗、熱伝導率で、Ap、p、ρp、κは、それぞれp型素子の断面積、高さ、比抵抗、熱伝導率を表す。上述の最適化設計については、「熱電変換工学 〜基礎と応用〜」(リアライズ社刊、2001年)に詳しい。
In module design, for example, when both p-type and n-type materials are BiTe-based materials, the difference in thermoelectric characteristics is small, and designing with the same element shape hardly poses a problem. However, the thermoelectric conversion material used in the present invention requires a detailed design because the p-type and n-type have greatly different thermoelectric characteristics. That is, the Zn—Sb-based material has a low thermal conductivity of about 0.6 to 0.8 W / mK and an electric conductivity of about 30,000 to 40,000 S / m. On the other hand, the Co—Sb-based material has a large thermal conductivity of about 3 to 4 W / mK and an electric conductivity of about 60000 to 70000 S / m. Therefore, it is necessary to optimize the temperature difference of each element while adjusting the heat flux flowing through each element, and to adjust and optimize the internal resistance of the module. Roughly speaking, the element diameter of the Co—Sb-based material with high thermal conductivity and large electric conductivity is small, and conversely, the Zn—Sb-based material with small thermal conductivity and small electric conductivity is designed to increase the element diameter. It becomes. The relationship is
(A n / A p ) (h n / h p ) −1 = (ρ n / ρ p ) 1/2n / κ p ) −1/2
It is expressed. Here A n, h n, [rho n, kappa n, the cross-sectional area of the respective n-type elements, the height, the specific resistance, by the thermal conductivity, A p, h p, ρ p, κ p is p-type, respectively It represents the cross-sectional area, height, specific resistance, and thermal conductivity of the element. The above-described optimization design is detailed in “Thermoelectric Conversion Engineering: Basics and Applications” (published by Realize, 2001).

次に、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなるp型熱電素子を、先に発明者らが出願した特願2002−11454号に詳細に記載した方法に従い次のように作製した。Zn粉末(レアメタリック社製、純度99.99%、粒度10〜30メッシュ)を84.0396g、Sb粉末(レアメタリック社製、純度99.99%、粒度10〜30メッシュ)を115.9604g秤量し、Znが化学量論組成より0.3at%リッチな組成とした紛末の3つのサンプルを用意した。各粉末のサンプルに対し、Pbがβ−ZnSbに対してモル比で3%(例えば、β−ZnSbに100モルに対し、Pbを3モル)となるように秤量し、各粉末のサンプルに加え、混合した。これらをアンプル管に不活性ガスを導入し、封入した。このアンプル管を溶解撹拌炉にセットし、溶解し原料となるβ−ZnSb溶製材を作製した。次いで、この溶製材をジェットミルで乾式粉砕し、20μm未満の粒径の原料1を作製した。また、上記溶製材を自動乳鉢により乾式粉砕し、粒径20〜200μmの原料2を作製した。これら原料1と原料2を、原料1:原料2=1:15の重量比でVブレンダーで24時間乾式混合し、焼結原料とした。この焼結原料を黒鉛型に充填し、40MPaの加圧下、470℃で300分ホットプレスし、β−ZnSb焼結体を得た。得られた焼結体を薄切り盤、超音波加工機などを用いて円柱状の熱電素子(9φ×7mmh)を作製した。 Next, according to the method described in detail in Japanese Patent Application No. 2002-11454 previously filed by the inventors, a p-type thermoelectric element composed mainly of zinc and antimony and having a β-type crystal structure is as follows. It was prepared. Weighed 84.0396 g of Zn powder (Rare Metallic, purity 99.99%, particle size 10-30 mesh) and 115.604 g of Sb powder (Rare Metallic, purity 99.99%, particle size 10-30 mesh). Three powder samples were prepared in which Zn was 0.3 at% richer than the stoichiometric composition. For each powder sample, Pb was weighed to a molar ratio of 3% with respect to β-Zn 4 Sb 3 (eg, 3 mol of Pb with respect to 100 mol of β-Zn 4 Sb 3 ), Added to each powder sample and mixed. These were sealed by introducing an inert gas into an ampule tube. This ampule tube was set in a melting and stirring furnace, and a melted β-Zn 4 Sb 3 melted material was produced. Next, this melted material was dry-pulverized with a jet mill to prepare a raw material 1 having a particle size of less than 20 μm. Further, the melted material was dry-pulverized with an automatic mortar to prepare a raw material 2 having a particle size of 20 to 200 μm. These raw materials 1 and 2 were dry-mixed in a V blender for 24 hours at a weight ratio of raw material 1: raw material 2 = 1: 15 to obtain a sintered raw material. This sintered raw material was filled in a graphite mold and hot-pressed at 470 ° C. for 300 minutes under a pressure of 40 MPa to obtain a β-Zn 4 Sb 3 sintered body. A cylindrical thermoelectric element (9φ × 7 mmh) was produced from the obtained sintered body using a thin cutting machine, an ultrasonic processing machine or the like.

次に、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなる、n型熱電素子を次のようにして作製した。まず、原子比でYb:Co:Sb=0.3:4:12となるように各原料を秤量した。次に、これらの原料をガラス管に真空封入し、1100℃で1時間溶融攪拌し、充填スクッテルダイト型構造を有する材料熱電材料を作製した。これらの熱電材料をスタンプミル及びボールミルで平均粒径10μm程度まで粉砕した。得られた熱電材料粉末をホットプレスを用いて700℃で300分の焼結により熱電材料の焼結体を得た。得られた焼結体を薄切り盤、超音波加工機などを用いて、円柱状の熱電素子(5.2φ×7mmh)を作製した。   Next, an n-type thermoelectric element made of a material having a filled skutterudite structure in which cobalt and antimony are main components and a rare earth element is filled in a part of a void of a crystal was manufactured as follows. First, each raw material was weighed so that the atomic ratio was Yb: Co: Sb = 0.3: 4: 12. Next, these raw materials were vacuum-sealed in a glass tube and melted and stirred at 1100 ° C. for 1 hour to produce a material thermoelectric material having a filled skutterudite structure. These thermoelectric materials were pulverized with a stamp mill and a ball mill to an average particle size of about 10 μm. The obtained thermoelectric material powder was sintered at 700 ° C. for 300 minutes using a hot press to obtain a sintered body of thermoelectric material. A cylindrical thermoelectric element (5.2φ × 7 mmh) was produced from the obtained sintered body using a thin cutting machine, an ultrasonic processing machine or the like.

上記により得られた各材料について、Seebeck係数、電気伝導度、熱伝導率の温度変化を測定し、性能指数を算出したものを、図6にプロットした。参考までに、p型、n型のBiTe系材料の無次元性能指数もプロットしてある。   About each material obtained by the above, what measured the temperature change of Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity, and computed the figure of merit was plotted in FIG. For reference, the dimensionless figure of merit of p-type and n-type BiTe materials is also plotted.

次に、p型熱電素子14とn型熱電素子15をサンドブラスト処理し表面を粗面化した後、図3(b)に示すように素子スペーサー18及び19を用いて絶縁性型枠に交互に配列した。次いで、図3(c)に示すように、熱電素子と銅電極の密着強度を向上させるためプラズマ溶射により厚み80μmのモリブデン下地層16を形成した後、その上に銅溶射電極17を2mm程度形成した。この時、銅溶射電極を構成する銅溶射層は、その断面を顕微鏡観察し、空隙率を算出すると、視野にもよるが、5〜18%程度の空隙を有する構造をしていた。裏面のモリブデン下地層と銅溶射電極の形成も同様にして行った。ただし、素子スペーサーは裏面の溶射時には必要ない。   Next, the p-type thermoelectric element 14 and the n-type thermoelectric element 15 are sandblasted to roughen the surface, and then alternately formed into insulating molds using element spacers 18 and 19 as shown in FIG. Arranged. Next, as shown in FIG. 3C, a molybdenum underlayer 16 having a thickness of 80 μm is formed by plasma spraying in order to improve the adhesion strength between the thermoelectric element and the copper electrode, and then a copper sprayed electrode 17 is formed thereon by about 2 mm. did. At this time, the copper sprayed layer constituting the copper sprayed electrode had a structure having a gap of about 5 to 18%, depending on the field of view, when the section was observed with a microscope and the porosity was calculated. The molybdenum underlayer on the back surface and the copper sprayed electrode were formed in the same manner. However, the element spacer is not necessary when spraying the back surface.

次に、図3(d)に示すように、絶縁性型枠11の両面に形成された銅溶射電極16を平面研削盤を用いて不要な部分を研削し、熱電変換モジュール10を作製した。この時、電極面の平面性を確保するために、絶縁性型枠も僅かに削り込んだ。得られた熱電変換モジュールは、電流取り出しリード線部で各1対分有効な起電力を発生しないので、実質的な素子の対数は31対となる。図7にこのようにして作製した熱電変換モジュールの外観写真を示す。   Next, as shown in FIG.3 (d), the unnecessary part was ground for the copper sprayed electrode 16 formed in both surfaces of the insulating formwork 11 using the surface grinder, and the thermoelectric conversion module 10 was produced. At this time, in order to ensure the flatness of the electrode surface, the insulating mold was also slightly cut. Since the obtained thermoelectric conversion module does not generate an effective electromotive force for each pair of current extraction lead wire portions, the substantial number of elements is 31 pairs. FIG. 7 shows a photograph of the appearance of the thermoelectric conversion module thus manufactured.

以上のようにして作製した熱電変換モジュール(素子31対、モジュール寸法86×86×10mm)を電気ヒータと冷却板で挟み込み、低温面を230℃、高温面を450℃に設定することにより220℃の温度差を印加し、発電特性の評価を行った。測定には電子負荷装置を使用し、負荷抵抗は0.35Ωで測定を行った。この時、1つの熱電変換モジュールで5.73Wの最大電気出力を発生することができた。   The thermoelectric conversion module (31 pairs of elements, module size 86 × 86 × 10 mm) manufactured as described above is sandwiched between an electric heater and a cooling plate, and the low temperature surface is set to 230 ° C. and the high temperature surface is set to 450 ° C. The power generation characteristics were evaluated by applying a temperature difference of. An electronic load device was used for the measurement, and the load resistance was measured at 0.35Ω. At this time, the maximum electric output of 5.73 W could be generated with one thermoelectric conversion module.

(実施例2)
プラズマ溶射によりモリブデン下地層を形成する時、溶射装置と被溶射物との間に網状のフィルターを用いて、下地層を50〜150μm厚の斑状の構造(被覆率80%)とする以外は実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールを作製した。このようにして作製した熱電変換モジュールは、1つで5.68Wの最大電気出力を発生することができた。
(Example 2)
When forming the molybdenum base layer by plasma spraying, use a mesh filter between the thermal spraying device and the object to be sprayed, except that the base layer has a patchy structure (coverage 80%) with a thickness of 50 to 150 μm. A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1. One thermoelectric conversion module produced in this way was able to generate a maximum electrical output of 5.68 W.

(実施例3)
下地層として、プラズマ溶射により約80μmのタングステン層を形成する以外には、実施例1と同様の工程により熱電変換モジュールを作製した。このようにして作製した熱電変換モジュールは、1つで5.47Wの最大電気出力を発生することができた。
(Example 3)
A thermoelectric conversion module was produced by the same process as in Example 1 except that a tungsten layer of about 80 μm was formed by plasma spraying as the underlayer. One thermoelectric conversion module manufactured in this way was able to generate a maximum electrical output of 5.47 W.

(実施例4)
プラズマ溶射によりタングステン下地層を形成する時、溶射装置と被溶射物との間に網状のフィルターを用いて、下地層を50〜150μm厚の斑状の構造(被覆率80%)とする以外は実施例3と同様の方法で、熱電変換モジュールを作製した。このようにして作製した熱電変換モジュールは、1つで5.32Wの最大電気出力を発生することができた。
Example 4
When forming the tungsten underlayer by plasma spraying, use a net-like filter between the spraying device and the object to be sprayed, except that the underlayer has a spot-like structure (coverage 80%) with a thickness of 50 to 150 μm. A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 3. A single thermoelectric conversion module manufactured in this way was able to generate a maximum electrical output of 5.32W.

(比較例1)
下地層として、プラズマ溶射により約80μmのニッケル層を形成する以外には、実施例1と同様の工程により熱電変換モジュールの作製を試みたところ、ニッケル下地層の形成後、銅電極を形成する途中で、所定の厚みに達する前に電極が剥離した。引き続き溶射条件を種々検討したが、試みたいずれの条件においても工程中の電極剥離を防止することはできなかった。
(Comparative Example 1)
As an underlayer, except that a nickel layer of about 80 μm was formed by plasma spraying, an attempt was made to produce a thermoelectric conversion module by the same process as in Example 1. After forming the nickel underlayer, a copper electrode was being formed. Thus, the electrode peeled before reaching the predetermined thickness. Subsequently, various thermal spraying conditions were examined, but electrode peeling during the process could not be prevented under any of the attempted conditions.

(比較例2)
下地層として、プラズマ溶射により約80μmのクロム層を形成する以外には、実施例1と同様の工程により熱電変換モジュールの作製を試みたところ、ニッケル下地層の形成後、銅電極を形成する途中で、所定の厚みに達する前に電極が剥離した。引き続き溶射条件を種々検討したが、試みたいずれの条件においても工程中の電極剥離を防止することはできなかった。
(Comparative Example 2)
As an underlayer, except that a chromium layer of about 80 μm was formed by plasma spraying, an attempt was made to produce a thermoelectric conversion module by the same process as in Example 1. After forming the nickel underlayer, a copper electrode was being formed. Thus, the electrode peeled before reaching the predetermined thickness. Subsequently, various thermal spraying conditions were examined, but electrode peeling during the process could not be prevented under any of the attempted conditions.

(比較例3)
下地層として、プラズマ溶射により約80μmのコバルト層を形成する以外には、実施例1と同様の工程により熱電変換モジュールの作製を試みたところ、ニッケル下地層の形成後、銅電極を形成する途中で、所定の厚みに達する前に電極が剥離した。引き続き溶射条件を種々検討したが、試みたいずれの条件においても工程中の電極剥離を防止することはできなかった。
(Comparative Example 3)
As an underlayer, except that a cobalt layer of about 80 μm was formed by plasma spraying, an attempt was made to produce a thermoelectric conversion module by the same process as in Example 1. After forming the nickel underlayer, a copper electrode was being formed. Thus, the electrode peeled before reaching the predetermined thickness. Subsequently, various thermal spraying conditions were examined, but electrode peeling during the process could not be prevented under any of the attempted conditions.

図1は、本発明の熱電変換モジュールの一例を示す高温側面のスケッチ図である。図1(a)は、本発明の熱電変換モジュールの低温面側の平面図であり、図1(b)は、そのA−A’線断面図であり、図1(c)は、そのB−B’線断面図である。FIG. 1 is a high temperature side sketch showing an example of the thermoelectric conversion module of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view of the thermoelectric conversion module of the present invention on the low temperature surface side, FIG. 1 (b) is a cross-sectional view taken along the line AA ′, and FIG. FIG. 図2は、本発明の熱電変換モジュールの一例を示す低温側面のスケッチ図である。FIG. 2 is a sketch of a low temperature side view showing an example of the thermoelectric conversion module of the present invention. 図3(a)、(b)、(c)及び(d)は、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の一例を示す工程図である。3A, 3B, 3C and 3D are process diagrams showing an example of a method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention. 図4(a)は、本発明の実施例で用いた絶縁性型枠の低温面側の平面図であり、図4(b)は、そのA−A’線断面図であり、図4(c)は、側面図である。4A is a plan view on the low temperature surface side of the insulating mold used in the embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. c) is a side view. 図5(a)は、図4に示す絶縁性型枠の高温面側の平面図であり、図5(b)は、そのB−B’線断面図であり、図5(c)は、C−C’線断面図である。5A is a plan view on the high temperature surface side of the insulating mold shown in FIG. 4, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB ′, and FIG. It is CC 'sectional view taken on the line. 図6は、実施例1に記載の熱電変換モジュールに使用した、p型Zn−Sb系材料及びn型Co−Sb系材料の無次元性能指数をプロットした図である。FIG. 6 is a diagram in which the dimensionless figure of merit of the p-type Zn—Sb-based material and the n-type Co—Sb-based material used in the thermoelectric conversion module described in Example 1 is plotted. 図7は、実施例1に記載の熱電変換モジュールの外観写真である。FIG. 7 is an appearance photograph of the thermoelectric conversion module described in Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

10 熱電変換モジュール
11 絶縁性型枠
12 貫通孔
13 電極用溝
14 p型熱電素子
15 n型熱電素子
16 モリブデンもしくはタングステン溶射層(下地層)
17 銅溶射電極
18、19 素子スペーサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Thermoelectric conversion module 11 Insulating mold 12 Through hole 13 Electrode groove 14 P-type thermoelectric element 15 N-type thermoelectric element 16 Molybdenum or tungsten sprayed layer (underlayer)
17 Copper spray electrode 18, 19 Element spacer

Claims (2)

複数の貫通孔及び隣接する該貫通孔間を連結する複数の電極用溝が設けられた型枠と、p型熱電素子およびn型熱電素子とを有し、前記p型熱電素子とn型熱電素子とが、前記複数の貫通孔に交互に配置され、前記p型熱電素子とn型熱電素子とを電気的に直列に接続するように銅溶射電極を前記電極用溝に埋設した熱電変換モジュールであり、前記p型熱電素子は、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなり、前記n型熱電素子は、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなり、前記p型熱電素子およびn型熱電素子と前記銅溶射電極との間にモリブデンもしくはタングステンからなる溶射層を有することを特徴とする熱電変換モジュール。 A mold having a plurality of through holes and a plurality of electrode grooves connecting between the adjacent through holes; a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element; and the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element. A thermoelectric conversion module in which elements are alternately arranged in the plurality of through holes, and a copper spray electrode is embedded in the electrode groove so that the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are electrically connected in series. And the p-type thermoelectric element is composed of a material having zinc and antimony as main components and having a β-type crystal structure, and the n-type thermoelectric element is mainly composed of cobalt and antimony, and a rare earth element having a void in the crystal. A partially filled material having a filled skutterudite structure, and having a thermal spray layer made of molybdenum or tungsten between the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element and the copper spray electrode. Heat Conversion module. 複数の貫通孔及び貫通孔間を連結する複数の電極用溝が設けられた型枠の貫通孔に、亜鉛とアンチモンを主成分とし、β型結晶構造を有する材料からなるp型熱電素子と、コバルトとアンチモンを主成分とし、希土類元素を結晶の空隙の一部に充填された、充填スクッテルダイト型構造を有する材料からなる、n型熱電素子とを交互に設置し、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の表面にモリブデンもしくはタングステンを溶射して溶射層を形成し、その後、前記p型熱電素子およびn型熱電素子を交互に電気的に直列に接続するように前記電極用溝および前記溶射層上に電極用溝前記銅溶射電極を溶射により形成することを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。
A p-type thermoelectric element made of a material having a β-type crystal structure, the main component of which is zinc and antimony, in a through-hole of a mold provided with a plurality of through-holes and a plurality of electrode grooves connecting between the through-holes; The p-type thermoelectric elements are alternately arranged with n-type thermoelectric elements made of a material having a filled skutterudite structure in which cobalt and antimony are the main components and a rare earth element is filled in a part of a crystal void. And thermally spraying molybdenum or tungsten on the surface of the n-type thermoelectric element to form a sprayed layer, and then the electrode groove and the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are alternately connected in series. The method for manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the copper groove spray electrode is formed on the sprayed layer by thermal spraying.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007005544A (en) * 2005-06-23 2007-01-11 Furukawa Co Ltd n-type thermoelectric conversion material
JP2010232552A (en) * 2009-03-27 2010-10-14 Ube Ind Ltd Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof
AT510473A1 (en) * 2010-09-21 2012-04-15 Miba Sinter Austria Gmbh THERMO GENERATOR
JP2015222757A (en) * 2014-05-22 2015-12-10 パナソニックIpマネジメント株式会社 Thermoelectric conversion module
JP2024129754A (en) * 2023-03-13 2024-09-27 株式会社テックスイージー Manufacturing method of thermoelectric conversion module

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007005544A (en) * 2005-06-23 2007-01-11 Furukawa Co Ltd n-type thermoelectric conversion material
JP2010232552A (en) * 2009-03-27 2010-10-14 Ube Ind Ltd Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof
AT510473A1 (en) * 2010-09-21 2012-04-15 Miba Sinter Austria Gmbh THERMO GENERATOR
AT510473B1 (en) * 2010-09-21 2013-01-15 Miba Sinter Austria Gmbh THERMO GENERATOR
JP2015222757A (en) * 2014-05-22 2015-12-10 パナソニックIpマネジメント株式会社 Thermoelectric conversion module
JP2024129754A (en) * 2023-03-13 2024-09-27 株式会社テックスイージー Manufacturing method of thermoelectric conversion module
JP7562115B2 (en) 2023-03-13 2024-10-07 株式会社テックスイージー Manufacturing method of thermoelectric conversion module

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