JP3235386B2 - 熱電材料及びその製造方法 - Google Patents
熱電材料及びその製造方法Info
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Description
ルミニウムの電気伝導性を利用した軽量であると共に、
環境保護に適した熱電素子等の熱電材料及びその製造方
法に関する。
効果素子(熱電素子)は、Bi、Sb、Te又はSeを
主体とする組成を有する。即ち、Bi−Sb−Te系及
びBi−Sb−Te−Se系の熱電材料が室温用素子と
して広く使用されている。
である。1対のセラミックス板1間にp型熱電材料3
と、n型熱電材料4とが挟まれており、セラミックス板
1とp型熱電材料3及びn型熱電材料4との間に電極2
が設けられている。
i,Sb,Te又はSeを主体とする材料で構成されて
いる。
の従来の熱電材料は、Bi,Sb,Te,Se等の有毒
元素であるため、環境に悪影響を及ぼしやすいという難
点がある。また、これらの熱電材料は、比重が6.7g
/cm3であり、重いという欠点もある。
のであって、軽量であると共に、環境保護に適した熱電
材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
は、QをV、Cr、Mn、Moからなる群から選択され
た元素とし、MをFe、Co、Ni、Siからなる群か
ら選択された元素とし、RをTi、Zr、Y、Ce、N
d、Smからなる群から選択された元素とし、TをM
g、Mn、Fe、Re、Ru、Osからなる群から選択
された元素とし、DをLi、Co、Cr、Mn、Fe、
Vからなる群から選択された元素とした場合に、一般式
が下記化学式1〜5にて表される組成の群から選択され
た組成を有し、組織中に準結晶を含むことを特徴とす
る。
0原子%、0≦Y≦15原子%、0≦Z≦2原子%)
原子%、2≦Y<10原子%)
原子%、3≦Y<12原子%)
5原子%、5≦Y<15原子%)
式が上記化学式1〜5にて表される組成の群から選択さ
れた組成のアルミニウム基合金を液体急冷法又はガスア
トマイズ法により急冷してその薄帯、薄片又は粉末を
得、これをそのまま又は熱処理して準結晶相とした後、
ホットプレス又は押出等により固化成形することを特徴
とする。
これらの近似結晶相からなる群から選択された構造を有
するものとすることができる。この準結晶の近似結晶相
とは、局所的な構造が準結晶と類似している結晶をい
う。
る準結晶を熱電材料としているので、比重が2.5〜
3.5g/cm3と軽量であると共に、環境保護に適し
ている。また、この熱電材料は性能指数が優れている。
おいてXが3未満、化学式3においてXが5未満、化学
式4においてXが5未満又はYが3未満、化学式5にお
いてXが5未満又はYが5未満であると、準結晶相が得
られず、熱起電力αが小さくなってしまい、Z値が低下
する。また、後2者の場合、及び化学式3においてXが
5未満又はYが2未満であると、上記難点の他に、Al
相が多くなり、κが大きくなって性能指数Zが低下す
る。
においてXが20以上又はYが15以上、化学式3にお
いてXが20以上又はYが10以上、化学式4において
Xが17以上又はYが12以上、化学式5においてXが
15以上又はYが15以上の場合は、金属間化合物相が
生成し、準結晶相が減少して熱起電力αが低下し、性能
指数Zが低下する。
と、アモルファス相及び金属間化合物相が増加し、準結
晶相が減少して熱起電力αが低下し、性能指数Zが低下
する。
説明する。これらのアルミニウム基合金からなる熱電材
料の準結晶は液体急冷法により得ることができる。
厚片又は粉末を得ることにより、又は更にこれを熱処理
することにより得ることができる。また、液体急冷法の
替わりに、ガスアトマイズ法を適用することもできる。
そして、この準結晶相をホットプレス又は押出法等によ
り固化成形することにより、熱電材料とすることができ
る。
結晶相の製造方法について具体的に説明する。図2は液
体急冷法を説明する図である。銅製ロール6の上方に石
英ノズル5が配設されており、石英ノズル5内にはアル
ミニウム基合金の溶湯7が貯留されている。
を銅製ロール6上に供給し、銅製ロール6を矢印方向に
回転駆動すると、銅製ロール6により溶湯7が急冷され
て、その薄帯8が得られる。
溶湯保持るつぼ11内に溶湯が貯留されており、るつぼ
11の下壁中央から溶湯の細流14が流出するようにな
っている。そして、るつぼ11の下面には噴霧ノズル1
3が配置されており、この噴霧ノズル13から溶湯細流
14に向けて高圧ガスが噴き付けられるようになってい
る。
ス12が吹き付けられる粉化点15にて、溶湯細流14
が急冷されて粉化する。この粉化したアルミニウム基合
金は粉化点15から落下する過程で冷却される。
は図3により得られた粉体16は、そのまま又は熱処理
後、粉砕し、分級した後、固化成形する。
行うことができる。例えば、プレスによる固化成形条件
は、プレス圧力P、プレス温度Tを以下の条件にて10
分以上処理する。
下の条件にする。即ち、押出においては、押出温度を室
温以上、例えば、450℃(723K)以下とする。ま
た、押出比は例えば、5乃至20である。
が好ましい。この予備加熱条件は例えば、573K以下
のオイルバスの場合は、240秒、573〜725Kの
電気炉の場合は、900秒である。
出比は、押出加工において材料の変形の程度を示す尺度
となるものであり、押出比は材料の始めの断面積をA、
押出後の断面積をaとすれば、A/aで表される。な
お、押出比を断面減少率で評価する場合もある。また、
前記押出比5乃至20は、ダイス半角が30°、押出速
度(ラム速度)が5mm/秒の場合のものである。
即ち、容器20は外径が23mm,内径が20mmのア
ルミニウム製又は銅製のものであり、この容器20内
に、圧力250MPaの冷間プレスにより5gづつ、合
計20〜25gの粉末21を約78%の充填率で詰め、
スペーサ22を配置した後、1×10-3Paの真空度で
約21.6ks真空引きした後、Arガスで置換する。
その後、プラグ23を配置し、エポキシ系又はセラミッ
クス系の接着剤24によりプラグ23と容器20内面と
の間をシールする。このようにして、押出ビレットが得
られる。
円筒状のホルダ31の一端部に、スパーリングリング3
2を介してコンテナ33がその開口部をホルダ31の他
端部に向けて設置されており、このコンテナ33内には
粉末34が収納され、プラグ35が粉末34を封入して
いる。そして、このプラグ35に向けて、衝撃銃から推
進体37を発射し、この推進体37に固定されたフライ
ヤ36を所定の速度でプラグ35に衝突させる。この衝
撃圧力は20〜200GPaであり、この衝撃力により
粉末34は瞬間的に固化成形される。
ム基合金は所定の形状に切断した後、モジュール化す
る。
より表される。但し、αは熱起電力、σは導電率、κは
熱伝導率である。本実施例においては、準結晶を含むこ
とから、通常の結晶材とは異なり、熱起電力が20〜5
0倍に上昇し、熱起電力κが1/50〜1/100に低
下する。しかも、Al相が導電率σを向上させて結果的
に性能指数Zが向上する。
料を製造してその特性を調べた結果について、比較例と
比較して説明する。但し、測定温度は全て室温である。
これらの熱電材料の特性を下記表1(本発明の実施例)
及び表2(比較例)に示す。また、|α|は熱起電力α
の絶対値、ρは比抵抗、Zは性能指数である。
の実施例に係る熱電材料はいずれも性能指数が高いのに
対し、比較例の熱電材料は性能指数が低い。
組成を有するアルミニウム基合金の準結晶からなる熱電
材料であるので、軽量であると共に、導電率が高いとい
う優れた効果を奏する。また、これらの構成元素は環境
を汚染することがないという利点を有する。
n型熱電材料、5:石英ノズル、6:銅製ロール、7:
溶湯、8:薄帯、11:溶湯保持るつぼ、12:高圧ガ
ス、13:噴霧ノズル、14:溶湯細流、15:粉化
点、16:粉体、20:容器、21:粉体、22:スペ
ーサ、23:プラグ、24:接着剤、31:ホルダ、3
2:スパーリングリング、33:コンテナ、34:粉
体、35:プラグ、36:フライヤ、37:推進体
Claims (7)
- 【請求項1】 QをV、Cr、Mn、Moからなる群か
ら選択された元素とした場合に、一般式が下記式にて表
される組成を有し、組織中に準結晶を含むことを特徴と
する熱電材料。 Al100−XQX、(但し、3≦X≦20原子%) - 【請求項2】 QをV、Cr、Mn、Moからなる群か
ら選択された元素とし、MをFe、Co、Ni、Siか
らなる群から選択された元素とし、RをTi、Zr、
Y、Ce、Nd、Smからなる群から選択された元素と
した場合に、一般式が下記式にて表される組成を有し、
組織中に準結晶を含むことを特徴とする熱電材料。 Al 100−X−Y−Z Q X M Y R Z 、(但し、3≦X
≦20原子%、0≦Y≦15原子%、0≦Z≦2原子
%) - 【請求項3】 TをMg、Mn、Fe、Re、Ru、O
sからなる群から選択された元素とした場合に、一般式
が下記式にて表される組成を有し、組織中に準結晶を含
むことを特徴とする熱電材料。 Al 100−X−Y Pd X T Y 、(但し、5≦X<20
原子%、2≦Y<10原子%) - 【請求項4】 DをLi、Co、Cr、Mn、Fe、V
からなる群から選択された元素とした場合に、一般式が
下記式にて表される組成を有し、組織中に準結晶を含む
ことを特徴とする熱電材料。 Al 100−X−Y Cu X D Y 、(但し、5≦X<17
原子%、3≦Y<12原子%) - 【請求項5】 一般式が下記式にて表される組成を有
し、組織中に準結晶を含むことを特徴とする熱電材料。 Al 100−X−Y Ni X Co Y 、(但し、5≦X<1
5原子%、5≦Y<15原子%) - 【請求項6】 前記準結晶が20面体相、正十角形相及
びこれらの近似結晶相からなる群から選択された構造を
有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項
に記載の熱電材料。 - 【請求項7】 QをV、Cr、Mn、Moからなる群か
ら選択された元素とし、MをFe、Co、Ni、Siか
らなる群から選択された元素とし、RをTi、Zr、
Y、Ce、Nd、Smからなる群から選択された元素と
し、TをMg、Mn、Fe、Re、Ru、Osからなる
群から選択された元素とし、DをLi、Co、Cr、M
n、Fe、Vからなる群から選択された元素とした場合
に、一般式が下記式にて表される組成の群から選択され
た組成のアルミニウム基合金を液体急冷法又はガスアト
マイズ法により急冷してその薄帯、薄片又は粉末を得、
これをそのまま又は熱処理して準結晶相とした後、ホッ
トプレス又は押出等により固化成形することを特徴とす
る熱電材料の製造方法。 Al100−XQX、(但し、3≦X≦20原子%) Al100−X−Y−ZQXMYRZ、(但し、3≦X
≦20原子%、0≦Y≦15原子%、0≦Z≦2原子
%) Al100−X−YPdXTY、(但し、5≦X<20
原子%、2≦Y<10原子%) Al100−X−YCuXDY、(但し、5≦X<17
原子%、3≦Y<12原子%) Al100−X−YNiXCoY、(但し、5≦X<1
5原子%、5≦Y<15原子%)
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