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JP6809852B2 - Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module - Google Patents
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Description

本発明は、熱電変換材料であるSiクラスレート化合物を用いた熱電変換素子、およびこれを利用した熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element using a Si clathrate compound which is a thermoelectric conversion material, and a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element.

従来から、熱電変換素子として熱電変換材料部と電極層とを組み合わせたものは知られており、特に複数の熱電変換材料部を電気的に配列したものが熱電変換モジュールとして使用されている。
ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とする。現実に熱電変換する場合は、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部とを用いてこれらを交互に電気的に直列に接続する構造とする。熱電変換モジュールの性質を利用すると、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、熱電変換は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。
Conventionally, a combination of a thermoelectric conversion material unit and an electrode layer has been known as a thermoelectric conversion element, and in particular, a thermoelectric conversion material unit in which a plurality of thermoelectric conversion material units are electrically arranged is used as a thermoelectric conversion module.
A thermoelectric conversion module utilizing the Seebeck effect makes it possible to convert thermal energy into electrical energy. In the actual thermoelectric conversion, the p-type thermoelectric conversion material unit and the n-type thermoelectric conversion material unit are used to alternately electrically connect them in series. By utilizing the properties of the thermoelectric conversion module, it is possible to convert the exhaust heat discharged from industrial / consumer processes and mobile objects into effective electric power, so thermoelectric conversion is attracting attention as an energy-saving technology that considers environmental issues. There is.

そこで、廃熱発電のような400〜800℃程度の高温域で使用される熱電変換材料が求められている。 そのような新しい熱電変換材料の1つとしてクラスレート化合物が注目されている。有望なクラスレート化合物にはいくつかの種類が報告されているが、コスト面などからBa−Ga−Al−Si系やBa−Ga−Al−Ge系のクラスレート化合物が注目されている。
Siクラスレート化合物においては、Ba、Ga、Al、Siからなるクラスレート化合物の組成や合成法について既にいくつか開示されている。たとえば、特許文献1には、単位格子あたりx個(10.8≦x≦12.2)のSi原子が、Al原子とGa原子のいずれかで置換されているBa(Al,Ga)Si46−xの単結晶とその製造方法が開示されている。
Therefore, there is a demand for a thermoelectric conversion material used in a high temperature range of about 400 to 800 ° C. such as waste heat power generation. Clathrate compounds are attracting attention as one of such new thermoelectric conversion materials. Although several types of promising clathrate compounds have been reported, Ba-Ga-Al-Si and Ba-Ga-Al-Ge clathrate compounds are attracting attention from the viewpoint of cost.
Regarding Si clathrate compounds, some compositions and synthetic methods of clathrate compounds composed of Ba, Ga, Al and Si have already been disclosed. For example, in Patent Document 1, x (10.8 ≦ x ≦ 12.2) Si atoms per unit cell are replaced with either Al atom or Ga atom, and Ba 8 (Al, Ga) x. A single crystal of Si 46-x and a method for producing the same are disclosed.

ところで、クラスレート化合物を使用した熱電変換モジュールにおいては、熱電変換材料部と電極とを高温部および低温部で接合する必要がある。たとえば、室温〜250℃の温度範囲において用いられるBi−Te系クラスレート化合物を使用した熱電変換モジュールでの、これらの接合は、熱の影響をほとんど考慮することなく、ハンダ、ロウ材などを使用した比較的容易な方法によって実現される。
しかしながら、Siクラスレート化合物を使用した熱電変換モジュールは室温〜900℃の温度範囲において用いられるため、高温部における熱電変換材料部と電極との接合部分の耐熱性を含めた熱対策を考慮する必要がある。廃熱発電のような400〜800℃程度の高温において、熱電変換材料と電極との元素の相互拡散によって、接合界面に化合物層が形成される場合があり、たとえばSiクラスレート化合物の場合、クラスレート化合物を構成するSiと電極材料との化合物であるシリサイドが形成されることがある。このようなシリサイドは一般的に高融点で、非シリサイドの電極材料と線膨張係数が異なり、熱サイクルによる割れ、クラックが生じる原因となりうる。また、Ag電極の場合は、シリサイドは形成されないが、拡散が早く特性劣化の恐れがある。
By the way, in a thermoelectric conversion module using a clathrate compound, it is necessary to join the thermoelectric conversion material portion and the electrode at a high temperature portion and a low temperature portion. For example, in a thermoelectric conversion module using a Bi-Te clathrate compound used in the temperature range of room temperature to 250 ° C., these bonding uses solder, brazing material, etc. with almost no consideration of the influence of heat. It is realized by a relatively easy method.
However, since thermoelectric conversion modules using Si clathrate compounds are used in the temperature range of room temperature to 900 ° C., it is necessary to consider thermal measures including heat resistance of the joint portion between the thermoelectric conversion material portion and the electrode in the high temperature portion. There is. At a high temperature of about 400 to 800 ° C. such as waste heat power generation, a compound layer may be formed at the bonding interface due to mutual diffusion of elements between the thermoelectric conversion material and the electrode. For example, in the case of a Si clathrate compound, the class Silicide, which is a compound of Si constituting the clathrate compound and the electrode material, may be formed. Such silicides generally have a high melting point and have a coefficient of linear expansion different from that of non-silicide electrode materials, which can cause cracks and cracks due to thermal cycles. Further, in the case of the Ag electrode, VDD is not formed, but diffusion is rapid and there is a risk of characteristic deterioration.

このため、モジュール作製時に、pおよびn型熱電変換材料を電気的に直列に接続し、かつ、相互拡散による金属間化合物を形成せず、かつ、接触抵抗を低減させる必要がある。その解決方法のひとつとして、電極を備えない素子として例えばU字型素子とすることが考えられる。
U字型素子としては、たとえば、特許文献2において、低温側の放熱性を高め、かつ高温側の接合部を局所的に効率良く加熱するために、鉄−シリコン系の熱電変換素子を用いて、高温側でp型材料とn型材料とを接合することが提案されている。また、特許文献3では、製造コストを増加させることなく発電効率を向上させるために、U字型素子の製造方法の一つが開示されている。特許文献4では、層状ペロブスカイト構造を有するp型熱電変換材料とn型熱電変換材料を用いて、一部を直接接合することを開示している。さらに、特許文献5では、スカッテルダイト系熱電変換材料を用いて、p型材およびn型材の一部を直接接合することで、高温でも耐えうる素子を開示している。
Therefore, at the time of module fabrication, it is necessary to electrically connect the p and n-type thermoelectric conversion materials in series, not to form an intermetallic compound by mutual diffusion, and to reduce the contact resistance. As one of the solutions, it is conceivable to use, for example, a U-shaped element as an element without an electrode.
As the U-shaped element, for example, in Patent Document 2, an iron-silicon thermoelectric conversion element is used in order to improve heat dissipation on the low temperature side and locally and efficiently heat the joint portion on the high temperature side. It has been proposed to join a p-type material and an n-type material on the high temperature side. Further, Patent Document 3 discloses one of the methods for manufacturing a U-shaped element in order to improve the power generation efficiency without increasing the manufacturing cost. Patent Document 4 discloses that a p-type thermoelectric conversion material having a layered perovskite structure and an n-type thermoelectric conversion material are used to directly join a part thereof. Further, Patent Document 5 discloses an element that can withstand a high temperature by directly joining a part of a p-type material and an n-type material using a scatterdite-based thermoelectric conversion material.

しかしながら、これら従来技術はいずれもSiクラスレート化合物を用いたU字型素子に関するものではない。Siクラスレートにおいては、遷移金属元素(例えば、Fe、Ni、Co、Cu)の相互拡散によって、遷移金属シリサイドが接合界面近傍に形成され、接合面における割れ欠けや素子抵抗に与える影響が大きいという問題がある。特に、3種以上の元素が含有される一般的なSiクラスレートにおいては、遷移金属シリサイドのほかに、別の化合物が同時に形成される場合も多々ある。これは、遷移金属シリサイドの形成によって界面近傍の組成が、Siクラスレートの狭い固溶域からはずれてしまうためである。この場合、さらに接合面における割れ欠けや素子抵抗に与える影響が大きい。したがって、U字型素子の形成によっても、接合面にシリサイドが形成され、熱サイクルによる割れ、クラックが生じるという問題が依然として残っていた。 However, none of these prior arts relate to U-shaped elements using Si clathrate compounds. In the Si clathrate, the mutual diffusion of transition metal elements (for example, Fe, Ni, Co, Cu) causes the transition metal silicide to be formed near the bonding interface, which has a large effect on cracking and chipping on the bonding surface and element resistance. There's a problem. In particular, in a general Si clathrate containing three or more kinds of elements, in addition to the transition metal silicide, another compound is often formed at the same time. This is because the composition near the interface deviates from the narrow solid solution region of the Si clathrate due to the formation of the transition metal silicide. In this case, cracks and chips on the joint surface and the influence on the element resistance are further large. Therefore, even with the formation of the U-shaped element, the problem of silicide being formed on the joint surface and cracking and cracking due to the thermal cycle still remains.

特開2004−6742号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-6742 特開平1−144501号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-144501 特開2010−206024号公報JP-A-2010-206024 特開2010−27631号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-27631 特許2000−252526号公報Japanese Patent No. 2000-25526

本発明の主な目的は、クラスレート化合物を使用したU字型素子を形成する際に、界面における遷移金属シリサイドを含む化合物の形成がされないか、またはされにくく、かつ、高温でのサイクル耐久性の良好な熱電変換素子を提供することにある。 A main object of the present invention is that when a U-shaped device using a clathrate compound is formed, a compound containing a transition metal silicide is not or is not easily formed at an interface, and cycle durability at a high temperature is high. It is an object of the present invention to provide a good thermoelectric conversion element.

本発明者らは上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、p型Siクラスレート化合物からなるp型熱電変換材料部とn型Siクラスレート化合物からなるn型熱電変換材料部の直接接合時に、遷移金属シリサイドは形成されないか、またはされにくい組み合わせを見出した。
すなわち、本発明は、p型Siクラスレート化合物からなるp型熱電変換材料部と、n型Siクラスレート化合物からなるn型熱電変換材料部と、を有し、前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部が直接接合しており、前記p型Siクラスレート化合物および前記n型Siクラスレート化合物は、共に、ASi組成を有し、Aは、BaまたはSrであり、Bは、Ga、Al、Cu、Ni、AuおよびPtからなる群より選ばれる1種または2種以上の元素であり、XはB(ホウ素)またはPdの1種または2種から選ばれる任意添加元素である熱電変換素子を用いることにより上記課題を解決することができることを見出した。ここで、x+y+z+w=54となるが、これはSiクラスレート化合物の格子上の原子の数から決まるものである。また、wは0を含み、これはXが任意添加元素であることを示している。
As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have found that a p-type thermoelectric conversion material section composed of a p-type Si clathrate compound and an n-type thermoelectric conversion material section composed of an n-type Si clathrate compound. We have found a combination in which transition metal silicide is not formed or is difficult to form during direct bonding.
That is, the present invention has a p-type thermoelectric conversion material portion made of a p-type Si clasprate compound and an n-type thermoelectric conversion material portion made of an n-type Si clasprate compound, and the p-type thermoelectric conversion material portion has joined the n-type thermoelectric conversion material unit directly, the p-type Si clathrate compound and the n-type Si clathrate compound, both having a composition a x B y Si Z X w , a is, Ba Or Sr, B is one or more elements selected from the group consisting of Ga, Al, Cu, Ni, Au and Pt, and X is one or two of B (boron) or Pd. It has been found that the above problems can be solved by using a thermoelectric conversion element which is an optional additive element selected from the above. Here, x + y + z + w = 54, which is determined by the number of atoms on the lattice of the Si clathrate compound. Also, w contains 0, which indicates that X is an optional additive element.

本発明によれば、n型Siクラスレート化合物からなる熱電変換材料部とp型Siクラスレート化合物からなる熱電変換材料部とが、高温側で直接接合されており、その界面で、割れやクラックなどは検出されず、電気的にも物理的にも良好に接合された熱電変換素子を提供することができる。 According to the present invention, the thermoelectric conversion material portion made of an n-type Si clathrate compound and the thermoelectric conversion material portion made of a p-type Si clathrate compound are directly bonded on the high temperature side, and cracks or cracks occur at the interface thereof. Etc. are not detected, and it is possible to provide a thermoelectric conversion element that is well bonded both electrically and physically.

U字型熱電変換素子の外観図である。It is an external view of the U-shaped thermoelectric conversion element. 本発明の熱電変換素子モジュールの構造を模式的に示す図であり、(a)は熱電変換素子モジュールの内部構造を模式的に示す斜視図であり、(b)は熱電変換素子モジュールの断面を模式的に示す断面図である。It is a figure which shows typically the structure of the thermoelectric conversion element module of this invention, (a) is the perspective view which shows typically the internal structure of the thermoelectric conversion element module, (b) is the cross section of the thermoelectric conversion element module. It is sectional drawing which shows typically. 実施例の熱電変換素子の界面近傍における抵抗値の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the resistance value in the vicinity of the interface of the thermoelectric conversion element of an Example.

前述したようにSiクラスレート化合物の接続面近傍においては、遷移金属元素、例えば、Fe、Ni、Co、Cuの相互拡散によって、遷移金属シリサイドが近傍に形成され熱サイクルによる割れ、クラックが生じるという問題がある。この理由については、遷移金属シリサイドのように一般的に高融点で硬い金属間化合物が形成されると、Siクラスレート材料との線膨張係数差に起因して800℃などの高温環境下での熱サイクルにより耐久性が低下することが分かった。また、CuやNiなどの電極材料に比べて高抵抗な遷移金属シリサイドは素子抵抗の上昇につながる。特に、鉄シリサイドのように低効率でコンタミネーションによる影響がでにくい材料とは異なり、比較的高効率でコンタミネーションの影響が出やすいSiクラスレート化合物では高温での性能維持が難しい。 As described above, in the vicinity of the connection surface of the Si clasprate compound, transition metal elements such as Fe, Ni, Co, and Cu are mutually diffused to form a transition metal silicide in the vicinity, which causes cracks and cracks due to a thermal cycle. There's a problem. The reason for this is that when a hard intermetallic compound with a high melting point is generally formed, such as a transition metal silicide, it is used in a high temperature environment such as 800 ° C. due to the difference in linear expansion coefficient from the Si clathrate material. It has been found that the thermal cycle reduces durability. Further, transition metal silicide having higher resistance than electrode materials such as Cu and Ni leads to an increase in element resistance. In particular, it is difficult to maintain the performance at a high temperature with a Si clathrate compound having a relatively high efficiency and being easily affected by contamination, unlike a material having low efficiency and not easily affected by contamination such as iron silicide.

しかしながら、p型およびn型のSiクラスレート化合物の組み合わせとして、両者共に、ASi組成を有し、ここで、x+y+z+w=54であり、wは0を含み、Aは、BaまたはSrであり、Bは、Ga、Al、Cu、Ni、AuおよびPtからなる群より選ばれる1種または2種以上の元素であり、XはB(ホウ素)またはPdの1種または2種から選ばれる任意添加元素である。このような組成を有する熱電変換素子を用いることにより、界面における遷移金属シリサイドを含む化合物の形成を防止することができる。 However, as a combination of p-type and n-type Si clathrate compound, Both have a composition A x B y Si Z X w , wherein a x + y + z + w = 54, w comprises 0, A is Ba or Sr, B is one or more elements selected from the group consisting of Ga, Al, Cu, Ni, Au and Pt, and X is one or two of B (boron) or Pd. It is an optional additive element selected from the species. By using a thermoelectric conversion element having such a composition, it is possible to prevent the formation of a compound containing a transition metal silicide at the interface.

(熱電変換素子)
熱電変換素子を構成するSiクラスレート化合物の上記組成ASi中のAはBaであってもよい。また、上記組成ASi中のBはGaおよびAlであってもよい。上記組成ASi中のBはCuまたはNiであってもよい。
また、p型熱電変換材料部を構成するSiクラストレート化合物の上記組成ASi中のBは、p型熱電変換材料部を形成することができれば、Ga、Al、Cu、Ni、AuおよびPtからなる群より選ばれる1種または2種以上の元素であればよい。一般的に、BがAuまたはPtであるときにp型熱電変換材料部を形成する傾向にある。
(Thermoelectric conversion element)
The composition A x B y Si Z X A in w of Si clathrate compound constituting the thermoelectric conversion element may be Ba. Further, B in the composition A x B y Si Z X w may be Ga and Al. The composition A x B y Si Z X w in B may be Cu or Ni.
Further, B in the composition A x B y Si Z X w of Si clathrate compound constituting the p-type thermoelectric conversion material unit, if it is possible to form a p-type thermoelectric conversion material portion, Ga, Al, Cu, It may be one kind or two or more kinds of elements selected from the group consisting of Ni, Au and Pt. Generally, when B is Au or Pt, it tends to form a p-type thermoelectric conversion material portion.

本発明の一実施形態のp型およびn型熱電変換材料部を構成するSiクラスレート化合物して、上記組成ASi中のAとしてBaを選択し、同BとしてGaおよびAlを選択したBa−Ga−Al−Siクラスレート化合物が挙げられる。Ba−Ga−Al−Siクラスレート化合物は、主に、基本的な格子がSiのクラスレート格子から構成され、Ba元素がその内部に内包され、クラスレート格子を構成する原子の一部がGa、Alで置換された構造を有している。このクラスレート化合物は、Ba、Ga、Si、Alが同時に含まれた化合物である。 And Si clathrate compound constituting the p-type and n-type thermoelectric conversion material of an embodiment of the present invention, to select the Ba as the A in the composition A x B y Si Z X w , Ga and as the B Examples thereof include Ba-Ga-Al-Si clathrate compounds in which Al is selected. In the Ba-Ga-Al-Si clathrate compound, the basic lattice is mainly composed of a Si clathrate lattice, the Ba element is contained therein, and a part of the atoms constituting the clathrate lattice is Ga. , Al-substituted structure. This clathrate compound is a compound containing Ba, Ga, Si, and Al at the same time.

本発明の一実施形態のクラスレート化合物の化学式は、例えばクラスレート化合物の化学式BaGaAlSiの組成比のうち、Ba、Ga、Al、Siの各組成比a、b、c、dは概ね、次のような関係[1]を有する。また、Ga、Al、Siの各組成比b、c、dは概ね、次のような関係[2]を有する。これらのような関係を満たせば、当該クラスレート化合物はSiクラスレート相を主体とするものとして実現され、理想的な結晶構造をとりうる。
a+b+c+d=54 … [1]
b+c+d=46 … [2]
なお、熱電変換材料部11および12には、Siクラスレート化合物を主成分として、少量の他の添加物、不純物が含まれてもよい。
Chemical formulas of clathrate compound of an embodiment of the present invention, for example of the formula of clathrate compound Ba a Ga b Al composition ratio of c Si d, Ba, Ga, Al, the composition ratio of Si a, b, c , D generally have the following relationship [1]. Further, the composition ratios b, c, and d of Ga, Al, and Si generally have the following relationship [2]. If these relationships are satisfied, the clathrate compound can be realized as having a Si clathrate phase as a main component, and can have an ideal crystal structure.
a + b + c + d = 54 ... [1]
b + c + d = 46 ... [2]
The thermoelectric conversion material parts 11 and 12 may contain a Si clathrate compound as a main component and a small amount of other additives and impurities.

Siクラスレート化合物として、上記Ga、Al以外の元素でも置換できるSiクラスレート化合物は存在する。例えば、BaGaAlCuNiAuPtSiの組成比のうち、Ba、Ga、Al、Cu、Ni、Au、Pt、Siの各組成比a、b、c、d、e、f、g、hは概ね次のような関係[3]を有する。また、Ga、Al、Cu、Ni、Au、Pt、Siの各組成比b、c、d、e、f、g、hは概ね次のような関係[4]を有する。これらのような関係を満たせば、当該クラスレート化合物はSiクラスレート相を主体とするものとして実現され、理想的な結晶構造をとりうる。
a+b+c+d+e+f+g+h=54 … [3]
b+c+d+e+f+g+h=46 … [4]
As a Si clathrate compound, there is a Si clathrate compound that can be substituted with an element other than the above Ga and Al. For example, Ba a Ga b Al c Cu d Ni e Au f Pt g Si of composition ratio of h, Ba, Ga, Al, Cu, Ni, Au, Pt, each composition ratio of Si a, b, c, d , E, f, g, and h generally have the following relationship [3]. Further, the composition ratios b, c, d, e, f, g, and h of Ga, Al, Cu, Ni, Au, Pt, and Si generally have the following relationship [4]. If these relationships are satisfied, the clathrate compound can be realized as having a Si clathrate phase as a main component, and can have an ideal crystal structure.
a + b + c + d + e + f + g + h = 54 ... [3]
b + c + d + e + f + g + h = 46 ... [4]

例えばSiクラスレート化合物をつくる組成として、化学式BaGaAlSiなら、7≦a≦9,0≦b≦15,0≦c≦15,27≦h≦35となる。例えばSiクラスレート化合物をつくる組成として、化学式BaCuSiなら、7≦a≦9,2≦d≦10,36≦h≦44となる。例えばSiクラスレート化合物をつくる組成として、化学式BaNiSiなら、7≦a≦9,1≦e≦7,39≦h≦45となる。例えばSiクラスレート化合物をつくる組成として、化学式BaAuSiなら、7≦a≦9,2≦f≦10,36≦h≦44となる。例えばSiクラスレート化合物をつくる組成として、化学式BaPtSiなら、7≦a≦9,1≦g≦7,39≦h≦45となる。また、Siクラスレート化合物として、Ba−Ga−Al−Siクラスレート化合物に、少量の他の添加物、不純物が含まれたクラスレート化合物が使用されてもよい。すなわち、Siクラスレート化合物はBa−Ga−Al−Si−X(X=B(ホウ素)、Pd)系クラスレート化合物であってもよい。BやPdは、ゼーベック係数を上昇させるのに有用な場合がある。 For example, if the composition for producing a Si clathrate compound is the chemical formula Ba a Ga b Al c Si h , then 7 ≦ a ≦ 9,0 ≦ b ≦ 15,0 ≦ c ≦ 15, 27 ≦ h ≦ 35. For example, if the composition for producing a Si clathrate compound is the chemical formula Ba a Cu d S h , then 7 ≦ a ≦ 9,2 ≦ d ≦ 10, 36 ≦ h ≦ 44. For example, if the composition for producing a Si clathrate compound is the chemical formula Ba a Ni e Si h , then 7 ≦ a ≦ 9,1 ≦ e ≦ 7,39 ≦ h ≦ 45. For example a composition to create a Si clathrate compound, if formula Ba a Au f Si h, the 7 ≦ a ≦ 9,2 ≦ f ≦ 10,36 ≦ h ≦ 44. For example, if the composition for producing a Si clathrate compound is the chemical formula Ba a Pt g S h , then 7 ≦ a ≦ 9,1 ≦ g ≦ 7,39 ≦ h ≦ 45. Further, as the Si clathrate compound, a clathrate compound containing a small amount of other additives and impurities in the Ba-Ga-Al-Si clathrate compound may be used. That is, the Si clathrate compound may be a Ba-Ga-Al-Si-X (X = B (boron), Pd) -based clathrate compound. B and Pd may be useful for increasing the Seebeck coefficient.

さらに、Ba−Ga−Al−Si−X系クラスレート化合物では、化学式BaGaAlSiの組成比のうち、Ba、Ga、Al、Si、Xの各組成比a、b、c、d、xが概ね、次のような関係[5]を有する。
a+b+c+d+x=54 … [5]
なお、Ba−Ga−Al−Si−X系のクラスレート化合物にも、少量の他の添加物、不純物が含まれてもよい。
Furthermore, the Ba-Ga-Al-Si- X based clathrate compound, formula Ba a Ga b Al c Si d X of the composition ratio of x, Ba, Ga, Al, Si, each composition ratio of X a, b , C, d, and x generally have the following relationship [5].
a + b + c + d + x = 54 ... [5]
The Ba-Ga-Al-Si-X-based clathrate compound may also contain a small amount of other additives and impurities.

(U字型熱電変換素子)
図1に示すようにU字型熱電変換素子は基本的に、熱電変換材料部11、12を備えている。熱電変換材料部11はSiクラスレート化合物を主成分とする熱電変換材料から構成されており、n型熱電特性を示す。また、熱電変換材料部12はSiクラスレート化合物を主成分とする熱電変換材料から構成されており、p型熱電特性を示す。p型およびn型熱電変換材料部を電気的に接続されており、これらが図2(a)に示すように、モジュール60として組み込まれる。
(U-shaped thermoelectric conversion element)
As shown in FIG. 1, the U-shaped thermoelectric conversion element basically includes thermoelectric conversion material units 11 and 12. The thermoelectric conversion material unit 11 is composed of a thermoelectric conversion material containing a Si clathrate compound as a main component, and exhibits n-type thermoelectric characteristics. Further, the thermoelectric conversion material unit 12 is composed of a thermoelectric conversion material containing a Si clathrate compound as a main component, and exhibits p-type thermoelectric characteristics. The p-type and n-type thermoelectric conversion material parts are electrically connected, and these are incorporated as a module 60 as shown in FIG. 2 (a).

U字型熱電変換素子における直接接合された側を高温側とすることが好ましい。この場合、n型熱電変換材料部とp型熱電変換材料部とが乖離された側が低温側とする。
U字型熱電変換素子における低温側では、ハンダや金属ペーストなど従来の接合方法で電極および配線を容易に接続することが可能である。
接合が非常に困難な高温側では、U字熱電変換素子を使用することで、高温での熱サイクルにおいても良好な接合状態を維持できる。また、U字型熱電変換素子を低温側つなげたような形態でもよい。この場合は、低温側における接合界面の数が少なくなるために、素子抵抗が小さくなるメリットがある。
It is preferable that the directly bonded side of the U-shaped thermoelectric conversion element is the high temperature side. In this case, the side where the n-type thermoelectric conversion material portion and the p-type thermoelectric conversion material portion are separated is the low temperature side.
On the low temperature side of the U-shaped thermoelectric conversion element, the electrodes and wiring can be easily connected by a conventional joining method such as solder or metal paste.
On the high temperature side where bonding is extremely difficult, a good bonding state can be maintained even in a thermal cycle at a high temperature by using a U-shaped thermodynamic conversion element. Further, a U-shaped thermoelectric conversion element may be connected to the low temperature side. In this case, since the number of bonding interfaces on the low temperature side is reduced, there is an advantage that the element resistance is reduced.

(熱電変換モジュール)
熱電変換モジュールは、熱電変換素子に加わる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を持つモジュールである。
図2(a)に示すように、熱電変換モジュール60は主に、U字型熱電変換素子、低温側配線42、高温側絶縁基板51および低温側、絶縁基板によって構成されている。
図2(b)に示すように、熱電変換モジュール60では、U字型熱電変換素子はp型熱電変換材料部12の低温側と、別のU字型熱電変換素子のn型熱電変換材料部11の低温側とが、低温側配線を介して電気的に直列に配列された構成を有している。
(Thermoelectric conversion module)
The thermoelectric conversion module is a module having a function of converting the thermal energy applied to the thermoelectric conversion element into electrical energy.
As shown in FIG. 2A, the thermoelectric conversion module 60 is mainly composed of a U-shaped thermoelectric conversion element, a low temperature side wiring 42, a high temperature side insulating substrate 51, and a low temperature side and an insulating substrate.
As shown in FIG. 2B, in the thermoelectric conversion module 60, the U-shaped thermoelectric conversion element is the low temperature side of the p-type thermoelectric conversion material unit 12 and the n-type thermoelectric conversion material unit of another U-shaped thermoelectric conversion element. The low temperature side of 11 has a configuration in which the low temperature side is electrically arranged in series via the low temperature side wiring.

高温側配線および低温側配線は、n型熱電変換材料部11とp型熱電変換材料部12とを電気的に直列に接続する機能を備える。
低温側配線42の材料としては、導電性金属であればよく、Cu、AgまたはAlなどが使用できる。
高温側絶縁基板51および低温側絶縁基板52は、n型熱電変換材料部11およびp型熱電変換材料部12と、低温側配線42とを、固定する機能を備え、さらに熱電変換モジュール60が均一に受熱する機能を備える。
The high-temperature side wiring and the low-temperature side wiring have a function of electrically connecting the n-type thermoelectric conversion material unit 11 and the p-type thermoelectric conversion material unit 12 in series.
As the material of the low temperature side wiring 42, any conductive metal may be used, and Cu, Ag, Al, or the like can be used.
The high temperature side insulating substrate 51 and the low temperature side insulating substrate 52 have a function of fixing the n-type thermoelectric conversion material portion 11 and the p-type thermoelectric conversion material portion 12 and the low temperature side wiring 42, and the thermoelectric conversion module 60 is uniform. It has a function to receive heat.

高温側絶縁基板51の材料は、使用する上限温度(例えば800℃)以上の融点を持ち、U字型熱電変換素子の高温側との間で絶縁される材料であればよく、たとえばアルミナであってよい。また、低温側絶縁基板52の材料は、高温側絶縁基板51と同一であってもよく、異なっていてもよいが、低温側配線42との間で絶縁される材料である必要がある。
なお、熱電変換モジュール60では、高温側絶縁基板51がなくてもよい。
この場合、U字型熱電変換素子の高温側と高温側絶縁基板51との接続がなくなり、U字型熱電変換素子にかかる熱応力が緩和され、高温における熱電変換モジュール60の信頼性が向上する。
このような熱電モジュールは、自動車などの移動体に搭載されてもよい。その際、移動体の廃熱を利用して電気を得ることに使用できる。
The material of the high temperature side insulating substrate 51 may be any material having a melting point equal to or higher than the upper limit temperature to be used (for example, 800 ° C.) and insulated from the high temperature side of the U-shaped thermoelectric conversion element, for example, alumina. You can. Further, the material of the low temperature side insulating substrate 52 may be the same as or different from that of the high temperature side insulating substrate 51, but it needs to be a material that is insulated from the low temperature side wiring 42.
The thermoelectric conversion module 60 does not have to have the high temperature side insulating substrate 51.
In this case, the connection between the high temperature side and the high temperature side insulating substrate 51 of the U-shaped thermoelectric conversion element is eliminated, the thermal stress applied to the U-shaped thermoelectric conversion element is relaxed, and the reliability of the thermoelectric conversion module 60 at high temperature is improved. ..
Such a thermoelectric module may be mounted on a moving body such as an automobile. At that time, it can be used to obtain electricity by utilizing the waste heat of the moving body.

(製造方法)
調製工程では、所定の組成を有しかつ均一な組成のクラスレート化合物のインゴットを製造する。まず、所望のクラスレート化合物の組成となるように、所定量の原料(Ba、Ga、Al、Siなど)を秤量し混合させる。原料は、単体であってもよいし、合金や化合物であってもよく、その形状は、粉末でも片状でも塊状であってもよい。また、Siの原料として単体のSiではなくAl−Siの母合金を用いると、融点が低下するので好ましい。
(Production method)
In the preparation step, an ingot of a clathrate compound having a predetermined composition and a uniform composition is produced. First, a predetermined amount of raw materials (Ba, Ga, Al, Si, etc.) are weighed and mixed so as to have a desired clathrate compound composition. The raw material may be a simple substance, an alloy or a compound, and its shape may be powder, flaky or lumpy. Further, it is preferable to use a mother alloy of Al—Si instead of simple substance Si as a raw material of Si because the melting point is lowered.

溶融時間としては、すべての原料が液体状態で均質に混ざり合う時間が必要とされるが、製造に要するエネルギーを考慮すると、溶融時間はできるだけ短時間であることが望まれる。そのため、溶融時間は、1〜100分でよく、さらに1〜10分でもよく、特に、1〜5分であってもよい。
原料混合物からなる粉末を溶融する方法は、特に限定されず、種々の方法を用いることができる。溶融方法としては、抵抗発熱体による加熱、高周波誘導溶解、アーク溶解、プラズマ溶解、電子ビーム溶解などが挙げられる。ルツボとしては、グラファイト、アルミナ、コールドクルーシブルなどが、加熱方法に応じて用いられる。溶融の際は、材料の酸化を防ぐために、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気下で行われるのが好ましい。
As the melting time, it is necessary that all the raw materials are uniformly mixed in a liquid state, but considering the energy required for production, it is desirable that the melting time is as short as possible. Therefore, the melting time may be 1 to 100 minutes, further may be 1 to 10 minutes, and may be particularly 1 to 5 minutes.
The method for melting the powder composed of the raw material mixture is not particularly limited, and various methods can be used. Examples of the melting method include heating with a resistance heating element, high-frequency induction melting, arc melting, plasma melting, electron beam melting, and the like. As the crucible, graphite, alumina, cold crucible or the like is used depending on the heating method. The melting is preferably carried out in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere in order to prevent oxidation of the material.

短時間で均質に混ざり合った状態とするためには、好ましくは微細な粉末状の原料が混合される。ただし、Baは、酸化を防ぐために、塊状を呈するものが好ましい。また、溶融時に機械的または電磁的な攪拌を加えるのも好ましい。
溶融後、インゴットにするためには、鋳型を用いて鋳造しても、ルツボ中で凝固させてもよい。できあがったインゴットの均質化のために、溶融後にアニール処理を行ってもよい。
調製工程によって得られたインゴットを、ボールミルなどを用いて粉砕し、微粒子状のクラスレート化合物を得ることができる。得られる微粒子は、焼結性を向上するために細かい粒度が望まれる。微粒子の粒径は、好ましくは100μm以下であり、さらに好ましくは1μm以上75μm以下である。
In order to obtain a homogeneously mixed state in a short time, preferably fine powdered raw materials are mixed. However, Ba is preferably in the form of a lump in order to prevent oxidation. It is also preferable to add mechanical or electromagnetic stirring during melting.
In order to make an ingot after melting, it may be cast using a mold or solidified in a crucible. In order to homogenize the finished ingot, annealing treatment may be performed after melting.
The ingot obtained in the preparation step can be pulverized using a ball mill or the like to obtain a fine particle clathrate compound. The obtained fine particles are desired to have a fine particle size in order to improve the sinterability. The particle size of the fine particles is preferably 100 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 75 μm or less.

所望の粒径の微粒子とするためには、ボールミルなどでインゴットを粉砕した後、粒度を調製する。粒度の調製方法は、ISO3310−1規格のレッチェ社製試験ふるいとレッチェ社製ふるい振とう機AS200デジットを用いたふるい分けなどがあげられる。ふるい分けをガスアトマイズ法などの各種アトマイズ法やフローイングガスエバポレーション法などに変えて微粉末を製造してもよい。 In order to obtain fine particles having a desired particle size, the ingot is crushed with a ball mill or the like, and then the particle size is adjusted. Examples of the method for preparing the particle size include a test sieve manufactured by Lecce Co., Ltd. and a sieving machine AS200 digit manufactured by Lecce Co., Ltd., which are ISO3310-1 standards. Fine powder may be produced by changing the sieving to various atomization methods such as a gas atomization method or a flowing gas evaporation method.

(実施例1)
(熱電変換素子サンプルの作製)
純度2N以上の高純度のBaと、純度3N以上の高純度のAl、Ga、Si、Au、Cu、Ni、Ptを表1に記載の配合比率で(配合量(g))で秤量し、原料混合物を調整した。
(Example 1)
(Preparation of thermoelectric conversion element sample)
High-purity Ba having a purity of 2N or more and high-purity Al, Ga, Si, Au, Cu, Ni, and Pt having a purity of 3N or more are weighed at the blending ratios shown in Table 1 (blending amount (g)). The raw material mixture was prepared.

Figure 0006809852
Figure 0006809852

表1において、サンプルA〜IはSiクラスレート化合物の熱電変換材料の原料混合物である。この原料混合物を、Ar(アルゴン)雰囲気中において、水冷銅ハース上で300Aの電流で1分間アーク溶解した後、原料の不均一を解消するためにインゴットを反転して、再度アーク溶解を行う工程を5回繰り返し、そのまま水冷銅ハース上で常温まで冷却することによりクラスレート化合物を有するインゴットを得た。その後、インゴットの均一性を高めるために、アルゴン雰囲気で、900℃で6時間のアニール処理を行った。 In Table 1, Samples A to I are raw material mixtures of the thermoelectric conversion material of Si clathrate compounds. A step of arc-melting this raw material mixture on a water-cooled copper hearth with a current of 300 A for 1 minute in an Ar (argon) atmosphere, then inverting the ingot to eliminate non-uniformity of the raw materials, and performing arc melting again. Was repeated 5 times and cooled to room temperature on a water-cooled copper hearth as it was to obtain an ingot having a clathrate compound. Then, in order to improve the uniformity of the ingot, an annealing treatment was performed at 900 ° C. for 6 hours in an argon atmosphere.

得られたインゴットを、メノウ製遊星ボールミルを用いて粉砕し、微粒子を得た。このとき、得られた粒子の粒径が75μm以下となるようにISO3310−1規格のレッチェ社製試験ふるいとレッチェ社製ふるい振とう機AS200デジットを用いて粒度を調製した。得られた各サンプルの焼結用微粒子の極性を確認するために、特性評価用焼結体を作製した。焼結型に各微粒子を充填し、放電プラズマ焼結法(SPS法)を用いて焼結を行った。焼結時には、圧力50MPaまで加圧した後に加熱した。真空雰囲気下にて焼結を行ったが、Arガスなどの不活性雰囲気下でもよい。焼結型表面を測温することで、900〜1050℃程度まで加熱を行い、その温度で5分間焼結をしてから、加圧状態を解除し、室温まで冷却を行った。 The obtained ingot was pulverized using an agate planetary ball mill to obtain fine particles. At this time, the particle size was adjusted using an ISO3310-1 standard Lecce test sieve and a Lecce sieve shaker AS200 digit so that the particle size of the obtained particles was 75 μm or less. In order to confirm the polarity of the obtained fine particles for sintering of each sample, a sintered body for character evaluation was prepared. Each fine particle was filled in a sintering mold, and sintering was performed using a discharge plasma sintering method (SPS method). At the time of sintering, the pressure was increased to 50 MPa and then heated. Although the sintering was performed in a vacuum atmosphere, it may be in an inert atmosphere such as Ar gas. By measuring the temperature of the surface of the sintered mold, it was heated to about 900 to 1050 ° C., sintered at that temperature for 5 minutes, released from the pressurized state, and cooled to room temperature.

冷却温度が500℃以上では真空雰囲気で保持することが好ましいが、500℃未満では大気雰囲気で保持してもかまわない。
サンプルそれぞれは成分が異なることから、同じSiクラスレートではあるものの適当な焼結温度は異なる。焼結温度が特に低ければ、低密度な焼結体となり割れの原因となりうる。また、焼結温度が特に高ければ、サンプルが溶融してしまう。そのため、温度と焼結の進行度合いとを確認しながら、適当な焼結温度を選択する必要がある。
When the cooling temperature is 500 ° C. or higher, it is preferably maintained in a vacuum atmosphere, but when it is lower than 500 ° C., it may be maintained in an atmospheric atmosphere.
Since each sample has different components, the appropriate sintering temperature is different although the Si clathrate is the same. If the sintering temperature is particularly low, the sintered body has a low density and may cause cracks. Further, if the sintering temperature is particularly high, the sample will melt. Therefore, it is necessary to select an appropriate sintering temperature while checking the temperature and the progress of sintering.

(熱電変換材料の評価)
サンプルA〜Iがクラスレート化合物であることを確認するために、X線回折装置(リガク社製Geigerflex)を使用して、インゴットの中心部分を切り出して粉末X線回折で分析した。その結果、すべてのサンプルにおいて、タイプ1クラスレート相が生成していることが確認された。得られた結果から、式[4]に基づき最強ピーク比を算出したところ、最強ピーク比が95%以上であることを確認した。
さらに、電子線マイクロアナライザー(島津製作所製EPMA−1610)で熱電変換材料の組成分析を行った。結果、表2のサンプルA〜Iにおいて、所望の組成BaGaAlSi(a+b+c+d=54)の化合物と、BaAuSi(a+b+c+e=54)の化合物とが得られた。
(Evaluation of thermoelectric conversion material)
In order to confirm that the samples A to I were clathrate compounds, a central portion of the ingot was cut out and analyzed by powder X-ray diffraction using an X-ray diffractometer (Geigerflex manufactured by Rigaku Corporation). As a result, it was confirmed that the type 1 clathrate phase was generated in all the samples. When the strongest peak ratio was calculated based on the formula [4] from the obtained results, it was confirmed that the strongest peak ratio was 95% or more.
Furthermore, the composition of the thermoelectric conversion material was analyzed with an electron probe microanalyzer (EPMA-1610 manufactured by Shimadzu Corporation). Result, in the sample A~I in Table 2, the compound of desired composition Ba a Ga b Al c Si d (a + b + c + d = 54), with a compound of Ba a Au e Si d (a + b + c + e = 54) was obtained.

また、焼結体の中心を切り出し、ゼーベック係数を測定した。800℃におけるゼーベック係数の結果を表2に示した。サンプルA〜Gはn型熱電変換材料部としての特性を有し、サンプルHおよびIはp型熱電変換材料部としての特性を有している。このようにして、Siクラスレート化合物のn型およびp型熱電変換材料部を作製した。
「ゼーベック係数S」および「電気抵抗率ρ」は、四端子法によりアルバック理工(株)製の熱電特性評価装置 ZEM−3を用いて測定した。
In addition, the center of the sintered body was cut out and the Seebeck coefficient was measured. The results of the Seebeck coefficient at 800 ° C. are shown in Table 2. Samples A to G have characteristics as an n-type thermoelectric conversion material unit, and samples H and I have characteristics as a p-type thermoelectric conversion material unit. In this way, the n-type and p-type thermoelectric conversion material parts of the Si clathrate compound were produced.
The "Seebeck coefficient S" and "electric resistivity ρ" were measured by the four-terminal method using a thermoelectric characteristic evaluation device ZEM-3 manufactured by ULVAC Riko Co., Ltd.

Figure 0006809852
Figure 0006809852

(U字型熱電変換素子の作製)
U字型熱電変換素子を作製するために、n型熱電変換材料とp型熱電変換材料部を接合するために、得られた焼結用粒子を、焼結型に設置し焼結を行った。ここで、表3のようにn型熱電変換材料部としてサンプルA、p型熱電変換材料部としてサンプルHを使用した。焼結型には、まず、サンプルAの粒子を充填し、その後サンプルHの粒子を充填する。このとき、なるべくサンプルAを水平に設置し、サンプルAとHの境界が水平になることが望ましい。さらには、サンプルAとサンプルHとを混合した粒子を、サンプルAとサンプルHとの間に充填してもよい。この場合、サンプルAとサンプルHとの境界では、固相拡散をより促進することができ、より強固な接合界面を持つ。
(Manufacturing of U-shaped thermoelectric conversion element)
In order to produce a U-shaped thermoelectric conversion element, in order to join the n-type thermoelectric conversion material and the p-type thermoelectric conversion material portion, the obtained sintering particles were placed in a sintering mold and sintered. .. Here, as shown in Table 3, sample A was used as the n-type thermoelectric conversion material unit, and sample H was used as the p-type thermoelectric conversion material unit. The sintered mold is first filled with the particles of sample A, and then filled with the particles of sample H. At this time, it is desirable that the sample A is placed horizontally as much as possible and the boundary between the samples A and H is horizontal. Further, particles obtained by mixing sample A and sample H may be filled between the sample A and the sample H. In this case, at the boundary between sample A and sample H, solid phase diffusion can be further promoted and a stronger bonding interface is provided.

焼結は、放電プラズマ焼結法(SPS法)を用いて、圧力50MPaまで加圧した後に加熱した。真空雰囲気下にて焼結を行ったが、Arガスなどの不活性雰囲気下でもよい。焼結型表面を測温することで、900℃まで加熱を行い、その後900℃で5分間焼結してから、加圧状態を解除し、900℃から室温まで冷却を行った。
このとき、サンプルAおよびサンプルHがともに緻密に焼結されることが望ましく、両者の焼結温度より高温な900℃を選択した。
冷却温度が500℃以上では真空雰囲気で保持することが好ましいが、500℃未満では大気雰囲気で保持してもかまわない。
Sintering was performed by using a discharge plasma sintering method (SPS method), pressurizing to a pressure of 50 MPa, and then heating. Although the sintering was performed in a vacuum atmosphere, it may be in an inert atmosphere such as Ar gas. By measuring the temperature of the surface of the sintered mold, the surface was heated to 900 ° C., then sintered at 900 ° C. for 5 minutes, the pressurized state was released, and the mixture was cooled from 900 ° C. to room temperature.
At this time, it is desirable that both Sample A and Sample H are densely sintered, and 900 ° C., which is higher than the sintering temperature of both, was selected.
When the cooling temperature is 500 ° C. or higher, it is preferably maintained in a vacuum atmosphere, but when it is lower than 500 ° C., it may be maintained in an atmospheric atmosphere.

サンプルAとサンプルHが直接固相拡散することで接合できれば良いので、他の作製方法を挙げる。サンプルAの粒子を先に焼結型に充填し、サンプルAの焼結体を作製した。さらに、得られたサンプルAの焼結体を焼結型に設置し、サンプルHの粒子を充填する。これをサンプルAのときよりも、低い温度で焼結することで、サンプルAとBが直接接合された焼結体が得られる。これは、先に記載したようにサンプル毎に焼結温度が異なり、サンプルAはサンプルHよりも焼結温度が高いためである。また、サンプルAとサンプルHと別々に焼結してもよい。その場合、サンプルAとサンプルHの焼結体を接した状態で通電接合を行う。サンプルAとHが固相拡散により接合される。 Since it is sufficient that the sample A and the sample H can be bonded by direct solid phase diffusion, another production method will be described. The particles of sample A were first filled in a sintered mold to prepare a sintered body of sample A. Further, the obtained sintered body of sample A is placed in a sintered mold, and the particles of sample H are filled. By sintering this at a lower temperature than that of sample A, a sintered body in which samples A and B are directly bonded can be obtained. This is because, as described above, the sintering temperature differs for each sample, and sample A has a higher sintering temperature than sample H. Further, the sample A and the sample H may be sintered separately. In that case, energization bonding is performed with the sintered body of sample A and sample H in contact with each other. Samples A and H are joined by solid phase diffusion.

このようにしてサンプルAとサンプルHが直接接合された熱電変換材料の焼結体を得た。得られた焼結体を図1に示されるU字型の形状に加工整形を行った。サンプルAおよびHの低温側はそれぞれ縦2×横2mmとし、高温側接合部は縦2×横5mmとして、高さを5mmとした。このとき、低温側ではCuやAlなどの配線を接続しやすいようにNiめっきを施した。
このようにしてサンプルAおよびサンプルBの一部が直接接合された1対のU字型熱電変換素子を得た。また、このU字型熱電変換素子8対を電気的に直列に接続することで、図2(a)の熱電変換モジュール60と同様の構成を有する熱電変換モジュールを作製した。
In this way, a sintered body of a thermoelectric conversion material in which sample A and sample H were directly bonded was obtained. The obtained sintered body was processed and shaped into a U-shape shown in FIG. The low temperature side of samples A and H was 2 mm in length and 2 mm in width, and the joint on the high temperature side was 2 mm in length and 5 mm in width, and the height was 5 mm. At this time, on the low temperature side, Ni plating was applied so that wiring such as Cu and Al could be easily connected.
In this way, a pair of U-shaped thermoelectric conversion elements in which sample A and a part of sample B were directly bonded were obtained. Further, by electrically connecting eight pairs of U-shaped thermoelectric conversion elements in series, a thermoelectric conversion module having the same configuration as the thermoelectric conversion module 60 of FIG. 2A was produced.

また、実施例1において得られた焼結体のサンプルAのみの部分、およびサンプルBのみの部分を切り出し、熱電特性を評価したところ、サンプルAはn型特性、サンプルBはp型特性を示した。
電子線マイクロアナライザー(島津製作所製EPMA−1610)を用いて、得られたU字型熱電変換素子の、界面近傍の組成マッピングを行った。サンプルA(上部)とサンプルB(下部)の界面では新たな化合物層が形成されることなく、元素拡散によって直接接合されている。Al、Gaについては、サンプルAにのみ存在し、AuについてはサンプルBにのみ存在することが分かった。Ba、Siについては、サンプルAおよびBに存在する。
Further, when the sample A-only portion and the sample B-only portion of the sintered body obtained in Example 1 were cut out and the thermoelectric characteristics were evaluated, the sample A showed n-type characteristics and the sample B showed p-type characteristics. It was.
Using an electron probe microanalyzer (EPMA-1610 manufactured by Shimadzu Corporation), the composition of the obtained U-shaped thermoelectric conversion element was mapped near the interface. At the interface between sample A (upper part) and sample B (lower part), a new compound layer is not formed and is directly bonded by element diffusion. It was found that Al and Ga existed only in sample A, and Au existed only in sample B. Ba and Si are present in samples A and B.

また、得られた焼結体から、界面が含まれるように2mm×2mm×5mmに加工整形を行い、界面での接触抵抗を測定した。サンプルA側の端から1μmピッチにて、サンプルAからサンプルBまで測定位置を動かしたときの抵抗値を測定した結果を図3に示した。図3に示されるように、界面での抵抗値のギャップは確認されなかった。これは、界面でのクラックや割れが存在しないこと、界面での抵抗値の異なる化合物が形成されていないことを示している。
これらの評価から、実施例1におけるU字型熱電変換素子は、n型熱電変換材料部のサンプルAとp型熱電変換材料部のサンプルBとが、高温側で直接接合されており、その界面には、割れやクラックなどは存在せず、シリコン化合物を含む金属間化合物を形成せずに固相拡散によって、電気的にも物理的にも良好に接合されていることがわかった。「クラック」はひびが入ることで、「割れ」はひびが貫通していることを意味する。
Further, the obtained sintered body was processed and shaped into 2 mm × 2 mm × 5 mm so as to include the interface, and the contact resistance at the interface was measured. FIG. 3 shows the results of measuring the resistance value when the measurement position was moved from sample A to sample B at a pitch of 1 μm from the end on the sample A side. As shown in FIG. 3, no gap in resistance value was confirmed at the interface. This indicates that there are no cracks or cracks at the interface, and compounds having different resistance values at the interface are not formed.
From these evaluations, in the U-shaped thermoelectric conversion element in Example 1, the sample A of the n-type thermoelectric conversion material part and the sample B of the p-type thermoelectric conversion material part are directly bonded on the high temperature side, and the interface thereof. It was found that there were no cracks or cracks in the product, and that the metal compounds including the silicon compound were not formed and the compounds were bonded well both electrically and physically by solid phase diffusion. "Crack" means that it is cracked, and "crack" means that it is cracked.

(焼結時の界面特性)
焼結時にサンプルB側からの金属の溶融を確認した。これは、クラスレート化合物が溶融開始する温度(少なくとも900℃以上)まで熱電変換材料が加熱されたことを意味し、十分な元素拡散が施されているといえる。それにもかかわらず、界面近傍に割れやクラックは確認されなかった。
(Interface characteristics during sintering)
It was confirmed that the metal was melted from the sample B side during sintering. This means that the thermoelectric conversion material has been heated to a temperature at which the clathrate compound starts to melt (at least 900 ° C. or higher), and it can be said that sufficient element diffusion is performed. Nevertheless, no cracks or cracks were found near the interface.

(焼入れ後の耐久性)
得られたU字型熱電変換素子を高温側に直火(およそ800℃程度)にかけ、水につけた。このとき、n型熱電変換材料部とp型熱電変換材料部のそれぞれの低温側にテスターを接続し、抵抗値、電流値を測定した。これを10回繰り返した。外観上、割れやクラックは発生せず、抵抗値、電流値は試験前と同等であった。通常、実装時には空冷が想定されるモジュールにもかかわらず、このような過酷な試験を行っても劣化しないことがわかり、熱サイクルの耐久性が非常に高いことがわかった。
(Durability after quenching)
The obtained U-shaped thermoelectric conversion element was placed on a high temperature side by direct fire (about 800 ° C.) and immersed in water. At this time, a tester was connected to each low temperature side of the n-type thermoelectric conversion material section and the p-type thermoelectric conversion material section, and the resistance value and the current value were measured. This was repeated 10 times. In appearance, no cracks or cracks occurred, and the resistance and current values were the same as before the test. Although the module is normally expected to be air-cooled at the time of mounting, it was found that it did not deteriorate even after such a rigorous test, and it was found that the durability of the thermal cycle was very high.

(高温での抵抗値測定)
得られたモジュールの抵抗値を室温および700℃で測定した。急激な抵抗上昇は見られないことから、高温での割れやクラックの発生はないことがわかった。
(Measurement of resistance at high temperature)
The resistance value of the obtained module was measured at room temperature and 700 ° C. Since no rapid increase in resistance was observed, it was found that there were no cracks or cracks at high temperatures.

(実施例2〜8)
実施例2〜8において、表3に示さる組合せにより、サンプルA〜Hから、n型熱電変換材料部とp型熱電変換材料部とそれぞれを選択し、実施例1と同様にU字型熱電変換素子を作製した。
(Examples 2 to 8)
In Examples 2 to 8, the n-type thermoelectric conversion material part and the p-type thermoelectric conversion material part are selected from the samples A to H according to the combinations shown in Table 3, and the U-shaped thermoelectric part is selected in the same manner as in Example 1. A conversion element was manufactured.

Figure 0006809852
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実施例2〜8において、実施例1と同様に、電子線マイクロアナライザー(島津製作所製EPMA−1610)により界面近傍に割れやクラックの発生の確認、焼入れ後の耐久性についての抵抗およびと電流値の測定、室温および700℃でのモジュールの抵抗値を測定したところ、すべて実施例1と同様に、高温での割れやクラックの発生はなく、熱サイクルの耐久性が高いことが確認された。
以上のように、p型熱電変換材料部とn型熱電変換材料部との直接接合時に遷移金属シリサイドは形成されない組み合わせを見つけ出した。上述した組成を有するn型Siクラスレート化合物とp型Siクラスレート化合物の組み合わせで接合した場合に、遷移金属シリサイドを含む化合物は界面に形成されず、高温でのサイクル耐久性の良好なU字型熱電変換素子を提供できることがわかった。
In Examples 2 to 8, as in Example 1, the electron probe microanalyzer (EPMA-1610 manufactured by Shimadzu Corporation) was used to confirm the occurrence of cracks and cracks near the interface, and the resistance and current value for durability after quenching. When the resistance values of the modules at room temperature and 700 ° C. were measured, it was confirmed that there were no cracks or cracks at high temperatures and the thermal cycle durability was high, as in Example 1.
As described above, we have found a combination in which the transition metal silicide is not formed when the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion are directly bonded. When bonded with a combination of an n-type Si clathrate compound having the above-mentioned composition and a p-type Si clathrate compound, a compound containing a transition metal silicide is not formed at the interface, and a U-shape having good cycle durability at high temperatures is formed. It has been found that a clathrate conversion element can be provided.

(比較例1〜3)
表4に示されるように、Fe、Cu、Coの微粉末を、実施例1におけるn型原料サンプルHの代わりとして、SPS法にてサンプルAと一体焼結を行った。それぞれの熱電変換素子を比較例1〜3とする。
比較例1〜3では、界面近傍を電子線マイクロアナライザー(島津製作所製EPMA−1610)で確認したときに、シリコン化合物が形成されていることがわかった。また、水焼き入れの試験では、すべてでクラックが発生した。
(Comparative Examples 1 to 3)
As shown in Table 4, fine powders of Fe, Cu, and Co were integrally sintered with sample A by the SPS method instead of the n-type raw material sample H in Example 1. Let each thermoelectric conversion element be Comparative Examples 1 to 3.
In Comparative Examples 1 to 3, it was found that a silicon compound was formed when the vicinity of the interface was confirmed by an electron probe microanalyzer (EPMA-1610 manufactured by Shimadzu Corporation). In addition, cracks occurred in all of the water quenching tests.

Figure 0006809852
Figure 0006809852

(比較例4および5)
CrSi、MnSiの微粉末を、実施例1におけるサンプルHの代わりとして、SPS法にてサンプルAと一体焼結を行った。それぞれの熱電変換素子を比較例4および5とする。
比較例4および5では、接合界面近傍に新たな化合物形成は確認されなかったが、水焼き入れの試験では、すべてでクラックが発生した。すなわち、Siクラスレートと遷移金属シリサイドとの接合は非常に困難であることがわかった。したがって、Siクラスレートとの界面に遷移金属シリサイドが形成される遷移金属との接合も非常に困難であることがわかる。
(Comparative Examples 4 and 5)
Fine powders of CrSi 2 and MnSi were integrally sintered with sample A by the SPS method instead of sample H in Example 1. Let these thermoelectric conversion elements be Comparative Examples 4 and 5.
In Comparative Examples 4 and 5, no new compound formation was confirmed near the bonding interface, but cracks were generated in all of them in the water quenching test. That is, it was found that it is very difficult to join the Si clathrate and the transition metal silicide. Therefore, it can be seen that joining with a transition metal in which a transition metal silicide is formed at the interface with the Si clathrate is also very difficult.

本発明によれば、n型Siクラスレート化合物からなる熱電変換材料とp型Siクラスレート熱電変換材料とが、直接接合されており、その界面には、割れやクラックなどは存在せず、電気的にも物理的にも良好に接合された熱電変換素子およびこれを使用した熱電変換素モジュールを提供することができ、産業上の利用可能性が高い。 According to the present invention, a thermoelectric conversion material composed of an n-type Si clathrate compound and a p-type Si clathrate thermoelectric conversion material are directly bonded to each other, and there are no cracks or cracks at the interface thereof, and electricity is provided. It is possible to provide a thermoelectric conversion element that is well-bonded both physically and physically and a thermoelectric conversion element module using the thermoelectric conversion element, and has high industrial utility.

11 n型熱電変換材料部
12 p型熱電変換材料部
42 低温側配線
51 高温側絶縁基板
52 低温側絶縁基板
60 熱電変換モジュール
11 n-type thermoelectric conversion material part 12 p-type thermoelectric conversion material part 42 Low temperature side wiring 51 High temperature side insulation board 52 Low temperature side insulation board 60 Thermoelectric conversion module

Claims (8)

p型Siクラスレート化合物からなるp型熱電変換材料部と、
n型Siクラスレート化合物からなるn型熱電変換材料部と、
を有し、
前記p型熱電変換材料部と前記n型熱電変換材料部が高温側で直接接合され、かつ低温側で乖離されているU字型熱電変換素子であって、
前記p型Siクラスレート化合物および前記n型Siクラスレート化合物は、共に、AxBySizXw組成を有し、
x+y+z+w=54であり、wは0を含み、Aは、BaまたはSrであり、Bは、Ga、Al、Cu、Ni、AuおよびPtからなる群より選ばれる1種または2種以上の元素であり、XはB(ホウ素)またはPdの1種または2種から選ばれる任意添加元素である、U字型熱電変換素子。
A p-type thermoelectric conversion material unit made of a p-type Si clathrate compound,
An n-type thermoelectric conversion material unit made of an n-type Si clathrate compound,
Have,
A U-shaped thermoelectric conversion element in which the p-type thermoelectric conversion material portion and the n-type thermoelectric conversion material portion are directly bonded on the high temperature side and separated from each other on the low temperature side.
The p-type Si clathrate compound and the n-type Si clathrate compound both have an AxBySizXw composition.
x + y + z + w = 54, w contains 0, A is Ba or Sr, and B is one or more elements selected from the group consisting of Ga, Al, Cu, Ni, Au and Pt. Yes, X is an optional additive element selected from one or two types of B (boron) or Pd, a U-shaped thermoelectric conversion element.
前記AxBySizXw中のAはBaである、請求項1に記載のU字型熱電変換素子。 The U-shaped thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein A in the AxBySizXw is Ba. 前記n型Siクラスレート化合物は、前記AxBySizXw中のBがGaおよびAlである組成を有する、請求項1または2に記載のU字型熱電変換素子。 The U-shaped thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the n-type Si clathrate compound has a composition in which B in AxBySizXw is Ga and Al. 前記n型Siクラスレート化合物は、前記AxBySizXw中のBがCuである組成を有する、請求項1または2に記載のU字型熱電変換素子。 The U-shaped thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the n-type Si clathrate compound has a composition in which B in AxBySizXw is Cu. 前記n型Siクラスレート化合物は、前記AxBySizXw中のBがNiである組成を有する、請求項1または2に記載のU字型熱電変換素子。 The U-shaped thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the n-type Si clathrate compound has a composition in which B in AxBySizXw is Ni. 前記p型Siクラスレート化合物は、前記AxBySizXw中のBがAuまたはPtである組成を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のU字型熱電変換素子。 The U-shaped thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5, wherein the p-type Si clathrate compound has a composition in which B in AxBySizXw is Au or Pt . 請求項1〜6のいずれか一項に記載のU字型熱電変換素子を使用した熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module using the U-shaped thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6. 請求項7に記載の熱電変換モジュールを搭載した移動体。 A mobile body equipped with the thermoelectric conversion module according to claim 7.
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