(57)【要約】【課題】熱電物質を必ずも量子効果が生ずるほどに細線化しなくても、熱電性能の向上を図ることのできる熱電素子を提供する。【解決手段】熱伝導率が低く、絶縁性を有し、上面から下面に貫通する互いに独立した複数の細孔３を有するテンプレート１の細孔３に、テンプレート１よりも低い融点を有する熱電物質２が、真空環境における溶融状態下で加圧されることにより圧入されて細孔３に充填される。テンプレート１の熱伝導率は低いので、熱電物質２の直径がμｍのオーダでも熱伝導率が小さくなる。【選択図】図１
2007305664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率が低く絶縁性を有するテンプレートであって、上面から下面に貫通する互いに独立した複数の細孔を備える前記テンプレートと、
前記テンプレートよりも低い融点を有し、真空環境における溶融状態下で加圧されることにより、前記テンプレートの細孔に圧入されて前記細孔に充填された熱電物質とを有することを特徴とする熱電素子。
【請求項２】
溶融した前記熱電物質を固化させる冷却時に前記テンプレートの上下方向または左右方向に所定の温度差を与えながら冷却することによって、前記熱電物質の結晶の配向制御が行われていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【請求項３】
前記テンプレートの細孔に圧入されて固化した前記熱電物質に、前記熱電物質の融点に近い温度ないしは融点以上の温度で、且つ、前記テンプレートが融解しない温度以下で前記テンプレートの上面または下面の一方を熱処理することによって、前記熱電物質の結晶の配向制御が行われていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【請求項４】
熱伝導率が低く絶縁性を有するテンプレートであり、上面から下面に貫通する互いに独立した複数の細孔を備える前記テンプレートと、前記テンプレートよりも低い融点を有する熱電物質とを炉内部に配置し、真空状態下で前記熱電物質のみを溶融させる溶融工程と、
溶融状態の前記熱電物質に圧力を加え、前記熱電物質を前記テンプレートの細孔に圧入する圧入工程と、
圧入後に前記熱電物質を徐々に冷却し、前記熱電物質を固化させる冷却工程とを含むことを特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項５】
前記圧入工程において、前記熱電物質に影響を及ぼすおそれのない不活性ガスまたは液体を用いて加圧することによって前記熱電物質に圧力が加えられることにより、前記熱電物質が前記テンプレートの細孔に圧入されることを特徴とする請求項４に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項６】
前記冷却工程において、前記テンプレートの上下方向または左右方向に所定の温度差を与えながら徐々に冷却することによって、前記熱電物質の結晶の配向制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項７】
前記冷却工程の後に、前記熱電物質の融点に近い温度ないしは融点以上の温度で、且つ、前記テンプレートが融解しない温度以下で、前記テンプレートの上面または下面の一方を熱処理することによって、前記熱電物質の結晶の配向制御を行う配向工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子およびその製造方法に関し、特に、熱電性能の向上に有効な熱電素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関連する従来技術として、例えば特許文献１に記載の熱電変換素子及びその製造方法がある。これは、より径の細い熱電物質のナノワイヤ化による量子効果により熱電性能指数の向上を図ることを目的として、シリコン、ゲルマニウム、あるいはゲルマニウムとシリコンの混合物からなる多孔体の柱状細孔に、電着あるいは触媒反応法により熱電物質を充填することによって、熱電物質を直径が０．５ｎｍ以上で１５ｎｍ未満にナノワイヤ化するようにしたものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９３５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような特許文献１によれば、量子効果を生じさせるために熱電物質を直径が０．５ｎｍ〜１５ｎｍにナノワイヤ化しなければならない。しかしながら、必ずしもこのようにナノワイヤ化しなくても熱電性能の向上を図ることができれば、すなわち、直径がこれよりも大であって量子効果を期待することができないようなμｍのオーダの場合でも熱電性能の向上を図ることができれば、製造の容易性を図ることができるなど、有利になる。
【０００５】
本発明は、このような観点に基づいてなされたもので、熱電物質を必ずしも量子効果が生ずるほどに細線化しなくても、熱電性能の向上を図ることのできる熱電素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、熱伝導率が低く絶縁性を有するテンプレートであって、上面から下面に貫通する互いに独立した複数の細孔を備える前記テンプレートと、前記テンプレートよりも低い融点を有し、真空環境における溶融状態下で加圧されることにより、前記テンプレートの細孔に圧入されて前記細孔に充填された熱電物質とを有する熱電素子によって、上記目的を達成する。
【０００７】
これによれば、テンプレートの熱伝導率が低いので、テンプレートの細孔に圧入された熱電物質の直径がμｍのオーダ、例えば５０μｍでもバルク状の熱電素子のそれと比較して、熱伝導率が小さくなる。
【０００８】
また、本発明においては、熱伝導率が低く絶縁性を有するテンプレートであり、上面から下面に貫通する互いに独立した複数の細孔を備える前記テンプレートと、前記テンプレートよりも低い融点を有する熱電物質とを炉内部に配置し、真空状態下で前記熱電物質のみを溶融させる溶融工程と、溶融状態の前記熱電物質に圧力を加え、前記熱電物質を前記テンプレートの細孔に圧入する圧入工程と、圧入後に前記熱電物質を徐々に冷却し、前記熱電物質を固化させる冷却工程とを含む熱電素子の製造方法によって、上記目的を達成する。これにより、上述した熱電素子を製造することができる。
【０００９】
また、前記テンプレートの細孔への前記熱電物質の圧入は、前記熱電物質に影響を及ぼすおそれのない不活性ガスまたは液体を用いて加圧することによって、行うことができる。加えられる圧力の大きさはテンプレートの細孔の直径に依存し、その径が小になるに従って大きな圧力が加えられる。また、液体はガスと比較して高圧化しやすいので、ガスによって加圧するか、または、液体によって加圧するかは目的の圧力に応じて選択される。
【００１０】
また、前記熱電物質の冷却時に、前記テンプレートの上下方向または左右方向に所定の温度差を与えながら徐々に冷却することによって、前記熱電物質の結晶が一方向に揃うように結晶の配向制御が行われる。これにより、ゼーベック係数の向上および熱伝導率の更なる低減を図ることができるので、熱電素子の熱電性能指数ＺＴ＝（α２／ρκ）・Ｔ（α：ゼーベック係数、ρ：低効率、κ：熱伝導率、Ｔ：絶対温度）を大きくすることができ、必ずしも量子効果が生じるような細線化を図らなくても熱電性能を向上させることができる。なお、これは量子効果が生じるように熱電物質をより一層細線化することを妨げるものではない。
【００１１】
更に、前記熱電物質が冷却された後に、前記熱電物質の融点に近い温度ないしは融点以上の温度で、且つ、前記テンプレートが融解しない温度以下で、前記テンプレートの上面または下面の一方を熱処理することによって、前記熱電物質の結晶が一方向に揃うように結晶の配向制御が行われる。これによっても、同様に、ゼーベック係数αの向上および熱伝導率κの低減を図ることができ、熱電性能指数ＺＴを更に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、テンプレートの熱伝導率が低いので、テンプレートの細孔に圧入された熱電物質の直径が例えばμｍのオーダでも、バルク状の熱電素子と比較して熱伝導率を小さくすることができる。
【００１３】
また、熱電物質に影響を及ぼすおそれのない不活性ガスまたは液体を用いて熱電物質を加圧することによって熱電物質の圧入が行われるので、テンプレートの細孔の直径に応じた加圧力を与えることができる。
【００１４】
更に、熱電物質の結晶の配向制御によって、ゼーベック係数の向上および熱伝導率の大幅な低減を図ることができ、熱電性能指数を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明に係る熱電素子の一例を示す斜視図で、参照番号１はテンプレート、参照番号２は熱電物質である。
【００１６】
テンプレート１は、本例ではガラス製で、熱伝導率が低く、例えば１Ｗ／ｍＫ程度以下であり、絶縁性を有していると共に、上面から下面に貫通する複数の細孔３を備えている。本例では、テンプレート１は良好な低熱伝導率を有する鉛ガラスで構成されている。しかしながら、これに限定するものではなく、石英ガラス、ソーダガラス等のその他のガラスあるいはセラミック等で構成することも可能である。細孔３の直径ｄは例えば０．２〜１００μｍの値に設定されるが、これよりも更に小径にすることを妨げるものではない。細孔３の長さｌをあまり長くすると熱電物質３自体の抵抗増加による発熱の影響を無視することができなくなるので、その長さｌは例えば１〜５ｍｍ、望ましくは１ｍｍ程度に設定される。このような細孔３を備えたテンプレート１は、例えば、より大径の複数の貫通孔が形成されたガラス材を伸ばすことにより、それら貫通孔を所望の径に細くすることによって形成されるが、市販されているものを用いることも可能である。
【００１７】
熱電物質２はテンプレート１よりも低い融点を有し、テンプレート１が融解あるいは軟化しない状態下で熱電物質２のみが真空状態下で溶融状態とされ、その溶融状態下で熱電物質２に悪影響を及ぼすおそれのない不活性ガスまたは液体を介して加圧されることによって、テンプレート１の細孔３に圧入されて細孔３を塞ぐように充填され、ワイヤアレー化されている。本例では、熱電物質２として、熱電性能が高く、鉛ガラスと比較して遙かに融点が低く熱電物質２のみの溶融が容易であるという観点から、ビスマスＢｉが用いられている。しかしながら、これに限定されるものではなく、アンチモンＳｂ、ビスマステルル系、ビスマスアンチモン系等のその他の熱電物質を用いることもできる。
【００１８】
このような構成の熱電素子によれば、テンプレート１の熱伝導率が低いので、テンプレート１の細孔３に圧入された熱電物質２の直径がμｍのオーダ、例えば５０μｍでもバルク状の熱電素子のそれと比較して、熱伝導率κが小さくなる。更に、後述するように、熱電物質２の結晶の配向制御を行うことによって、ゼーベック係数αの向上および熱伝導率κの大幅な低減を図ることができ、熱電性能指数ＺＴを大幅に向上させることができる。このような熱電素子の製造方法について、以下に説明する。
【００１９】
図２は本発明に係る熱電素子の製造に用いられる製造装置の一例を示す概要図で、参照番号１０は反応炉である。
【００２０】
反応炉１０は、炉本体１１、蓋体１２、上部ヒータ１３、下部ヒータ１４、上部温度センサ１５および下部温度センサ１６を備えている。炉本体１１は、例えばステンレス製で有底の円筒形状を有し、その肉厚は炉内部１７に作用する圧力に十分に耐えることのできるように設定されている。蓋体１２は、開閉自在で、閉成されることで炉内部１７を気密状態に保持することができるように構成されている。上部ヒータ１３および下部ヒータ１４は本例では環形状で、上部ヒータ１３が炉本体１１の上部を囲むように設けられ、下部ヒータ１４が炉本体１１の下部を囲むように設けられている。上部ヒータ１３および下部ヒータ１４は、同一温度で炉本体１１の炉内部１７を加熱することができるようになっていると共に、炉内部１７の上部と下部との間で所定の温度差を与えながら炉内部１７を冷却することができるようになっている。後述するように、このように所定の温度差を与えながら冷却することにより、本例では熱電物質２の結晶の配向制御としての第１の例が行われるようになっている。上部温度センサ１５は炉内部１７の上部温度を検出し、下部温度センサ１６は炉内部１７の下部温度を検出するようになっており、炉内部１７を所定の温度に維持すると共に、上述の温度差を与えるための温度情報を与えるようになっている。上部温度センサ１５によって検出される上部温度と下部温度センサ１６によって検出される下部温度との間の距離Ｌは、一例として、本例では１０ｃｍ程度に設定されている。
【００２１】
このような反応炉１０の炉内部１７には、例えば石英ガラスからなる収納容器１８が取出し自在にセッティングされており、収納容器１８の底部に細孔３が未だ空孔である前述したテンプレート１が入れられ、その上に例えば数ｍｍの直径をもつボール状の複数の熱電物質２が入れられる。本例では、テンプレート１は鉛ガラスで構成され、熱電物質２としてビスマスＢｉが用いられる。テンプレート１は重量的に軽いので溶融したビスマスＢｉの中で浮いてしまい、収納容器１８の上方から下方に向かって作用させる後述の加圧力に対してテンプレート１の細孔３が平行にならずに例えば斜めになるなど、熱電物質２であるビスマスＢｉが細孔３に圧入されずらくなるおそれがある。このような不具合を防止するため、例えば図３あるいは図４に示されるように、加圧方向とテンプレート１の細孔３とが平行になるように、テンプレート１を着脱自在に設置することが望ましい。
【００２２】
図３はテンプレート１の設置方法の一例を示す図で、本例ではガラス製のネジ２０，２１によって、テンプレート１の細孔３が加圧方向Ｐと平行になるように、収納容器１８の底に着脱自在に設置される。ネジ２０，２１は、熱電物質２であるビスマスＢｉへの不純物による悪影響を避ける観点から、テンプレート１と同一素材で作られることが望ましい。また、銅はビスマスＢｉに悪影響を及ぼすおそれが殆どないので、例えば銅の弾性を利用してテンプレート１を収納容器１８の底に着脱自在に設置するようにすることもできる。図４はテンプレート１の設置方法の別の例を示す図で、溶融したビスマスＢｉの中でも浮くことのない重量のある銅製のブロック２２の上に、テンプレート１の細孔３が加圧方向Ｐと平行になるように、例えば銅製の係止爪２３，２４によって着脱自在に設置し、テンプレート１をブロック２２と共に収納容器１８の底に置いてテンプレート１を設置するようにしてもよい。ブロック２２としては、銅に限定されるものではなく、溶融した熱電物質２であるビスマスＢｉの中で浮かなければよく、例えば鉛等を埋め込んで浮かないように重くしたガラス等でもよい。更には、テンプレート１の細孔３が加圧方向と平行であるか否かに拘わらず熱電物質２であるビスマスＢｉを圧入し、その冷却後に、不純物による悪影響を受けないような状態下で再度溶融させて再結晶化させることにより、テンプレート１の細孔３が熱電物質２によって十分に埋められるようにすることもできる。
【００２３】
図２に戻り、反応炉１０には、第１の高圧バルブ３０を介して真空ポンプ３１が設けられており、反応炉１０の炉内部１７を真空引きすることができるようになっている。これは、空気に含まれる不純物の成分が溶融された熱電物質２であるビスマスＢｉの中に入らないようにするためであり、従って空気成分がビスマスＢｉに悪影響を与えない程度になくなればよく、例えば炉内部１７は１Ｐａ程度以下に真空引きされる。
【００２４】
また、反応炉１０には、第２の高圧バルブ３２、第１の逆止弁３３、第３の高圧バルブ３４および第２の逆止弁３５を介してアルゴンボンベ３６が設けられており、アルゴンボンベ３６から反応炉１０の炉内部１７にアルゴンガスが導入されるようになっている。第１および第２の逆止弁３３，３５は、アルゴンボンベ３６から炉内部１７に向かう方向に開いており、炉内部１７からアルゴンボンベ３６に向かう方向へはアルゴンガスが逆流しないように設けられている。更に、第１の逆止弁３３と第３の高圧バルブ３４との間に加圧装置３７が設けられ、炉内部１７に導入されたアルゴンガスが加圧されるようになっている。加圧しない場合、溶融した熱電物質２であるビスマスＢｉはそれ自体がもつ表面張力のために、テンプレート１の細孔３には殆ど入っていかない。そのため、本例では加圧されたアルゴンガスによってビスマスＢｉに圧力を加え、ビスマスＢｉがテンプレート１の細孔３に圧入されるようになっている。熱電物質２であるビスマスＢｉに加えられる圧力は、テンプレート１の細孔３の径に依存し、本例では１〜６０ＭＰａ程度であり、細孔３が小径であるほど大きな圧力がビスマスＢｉに加えられる。なお、参照番号３８は安全弁である。
【００２５】
本例では、取扱いが便利であり、また価格も安価であるので、アルゴンガスを用いて溶融した熱電物質２を加圧するようになっているが、これに限定されるものではない。熱電物質２に悪影響を与えるおそれのないヘリウム、窒素等のその他の不活性ガスを用いることができる。また、このような気体に代えて、熱電物質２に悪影響を与えるおそれのない液体、例えば水を用いることも可能である。液体は気体と比較して高圧化しやすいので、ガスによって加圧するか、または、液体によって加圧するかは目的の圧力に応じて選択される。
【００２６】
このような製造装置を用いて、テンプレート１と熱電物質２であるビスマスＢｉとを反応炉１０の炉内部１７に配置し、真空状態下でビスマスＢｉのみを溶融させる溶融工程と、溶融状態のビスマスＢｉに圧力を加え、ビスマスＢｉをテンプレート１の細孔３に圧入する圧入工程と、圧入後にビスマスＢｉを徐々に冷却して固化させる冷却工程によって、図１で述べた熱電素子が製造される。更に、本例では、後述する熱電物質２であるビスマスＢｉの結晶の配向制御が行われる。このような製造方法および配向制御を以下に詳細に説明する。
【００２７】
先ず、テンプレート１および熱電物質２であるビスマスＢｉが入れられた収納容器１８が炉内部１７にセッティングされ、真空ポンプ３１の駆動が開始されると共に上部および下部ヒータ１３，１４への通電が開始される。すなわち、溶融工程が開始される。これによって、炉内部１７が本例では１Ｐａ程度以下に真空引きされ、また、炉内部１７が、ビスマスＢｉの融点以上で且つテンプレート１が融解あるいは軟化しない温度以下に、例えば３７０℃程度に加熱される。炉内部１７が当該温度に達していることが上部および下部温度センサ１５，１６によって検出されることで、第１の高圧バルブ３０が閉成されて炉内部１７がビスマスＢｉに悪影響を与えるおそれのない真空状態にされると共に、真空ポンプ３１の駆動が停止される。このとき、第２および第３の高圧バルブ３２，３４は閉じられており、従ってアルゴンガスは未だ炉内部１７には導入されていない。上部および下部ヒータ１３，１４への通電は継続され、炉内部１７は３７０℃に維持される。これにより、熱電物質２であるビスマスＢｉのみが溶融される。この段階では、前述したように、ビスマスＢｉが溶融してもその表面張力のために、テンプレート１の細孔３には殆ど入り込まない。
【００２８】
次いで、加圧工程が開始される。すなわち、第２および第３の高圧バルブ３２，３４が開成され、アルゴンガスがアルゴンボンベ３６から炉内部１７に導入される。アルゴンガスが導入された後第３の高圧バルブ３４が閉成され、加圧装置３７によって、炉内部１７に導入されたアルゴンガスの加圧を介して熱電物質２であるビスマスＢｉに、テンプレート１の細孔３の径の大きさに応じて、１〜６０ＭＰａ程度の圧力が加えられる。これにより、溶融したビスマスＢｉがテンプレート１の細孔３に圧入されることとなる。
【００２９】
熱電物質２であるビスマスＢｉが圧入された後、冷却工程が開始される。すなわち、後述する冷却による結晶の配向制御を行わない場合、上部および下部ヒータ１３，１４への通電が停止され、例えば１０〜１００時間程度をかけて室温まで冷却される。このようにして製造された熱電素子は、この段階では、熱電素子２であるビスマスＢｉの結晶の配向制御は未だ行われていないが、テンプレート１の熱伝導率が低いので、テンプレート１の細孔３に圧入された熱電物質２の直径がμｍのオーダでも、バルク状の熱電素子のそれと比較して熱伝導率κが低減される。
【００３０】
このように製造された熱電素子は、熱電物質２であるビスマスＢｉの結晶が一方向に揃うように結晶の配向制御が行われることで、ゼーベック係数αの向上および熱伝導率κの更なる低減を図ることができ、熱電性能指数ＺＴを大幅に向上させることができる。結晶の配向制御としては、冷却による配向制御や熱処理による配向制御などを適用することができる。以下に結晶の配向制御について説明する。
【００３１】
冷却による配向制御においては、上述の冷却工程において、テンプレート１の上下方向に所定の温度差を与えながら徐々に冷却することにより、熱電物質２であるビスマスＢｉの結晶の配向制御が行われる。所定の温度差を与えながらの冷却は、上部および下部温度センサ１５，１６からの温度情報に基づいて上部および下部ヒータ１３，１４を夫々制御することによって行われる。これにより、後述する図６から明らかなように、バルク状の熱電素子Ｃおよび配向制御されていない熱電素子Ｂよりも、配向制御された熱電素子Ａのゼーベック係数αを向上させることができ、また、後述する図７に示されるように、バルク状の熱電素子Ｃおよび配向制御されていない熱電素子Ｂよりも、配向制御された熱電素子Ａの熱伝導率κを低減させることができる。なお、本例ではテンプレート１の上下方向に所定の温度差を与えながら冷却されているが、これに限定されるものではなく、テンプレート１の左右方向に所定の温度差を与えるようにしてもよい。
【００３２】
熱処理による配向制御においては、上述した冷却工程の後に、熱電物質２であるビスマスＢｉの融点に近い温度ないしは融点以上の温度で、且つ、テンプレート１が融解あるいは軟化しない温度以下、例えば１５０〜３５０℃程度で、テンプレート１の熱電物質２であるビスマスＢｉが存在する上面または下面の一方を熱処理し、テンプレート１の上面と下面との間に温度勾配をつけることによって、ビスマスＢｉの結晶の配向制御が行われる。テンプレート１の一方の面への熱処理は、例えばホットプレートや赤外線あるいはマイクロプラズマ等によって行われる。熱電物質２であるビスマスＢｉは溶融させて再結晶化させる方が、結晶が一方向により揃いやすくなる。この場合、溶融したビスマスＢｉがテンプレート１の下面から流れ出さないように、少なくともテンプレート１の下面に、例えばイオンプレーティングやスパッタリング等により電極層を形成し、テンプレート１の下面が閉成されるように構成される。このような熱処理は大気中または１気圧の不活性ガス中で行われる。特に大気中で行われる場合には、熱電物質２であるビスマスＢｉへの不純物の侵入防止の観点から、テンプレート１の上面にも電極層を形成することが望ましい。このように上面にも電極層を形成すれば、溶融したビスマスＢｉの蒸発のおそれの防止をも図ることができる。電極層としては、例えば、チタンＴｉと銅Ｃｕとの二層からなる電極膜を適用することができ、チタンＴｉの層を介してテンプレート１に銅Ｃｕの層が形成される。チタンＴｉはテンプレート１を構成する鉛ガラスばかりでなく銅とも密着性がいいので、剥離しにくい電極層を形成することができる。なお、電極は上述のものに限定されるものではなく、周知のものでもよいことは勿論である。
【００３３】
なお、このような結晶の配向制御において、ビスマスＢｉは反磁性を有しているので、例えばテンプレート１の上面がＮ極、下面がＳ極となるような磁場の中で配向制御を行えば、ビスマスＢｉの結晶は一方向により揃いやすくなり、配向制御の一層の向上を図ることができる。
【実施例１】
【００３４】
結晶の配向制御をおこなった熱電素子と、結晶の配向制御を行っていない熱電素子と、バルク状のビスマスとについて、ハーマン法により熱電性能指数ＺＴを求め、この熱電性能指数ＺＴに基づいてゼーベック係数αおよび熱伝導率κを演算した。これらの熱電素子において、テンプレート１は鉛ガラスで構成され、熱電物質２としてビスマスＢｉが用いられている。結晶の配向制御は、上述した冷却による配向制御によって行われ、上部温度センサ１５によって検出される上部温度と下部温度センサ１６によって検出される下部温度との間の距離Ｌを１０ｃｍとし、上部温度と下部温度との温度差として４０℃を維持しながら、１０時間かけて冷却されたものである。
【００３５】
図５は結晶の配向制御を行った熱電素子、配向制御を行っていない熱電素子およびバルク状のビスマスについての熱電性能指数ＺＴを示している。図６はこれらのゼーベック係数αを示し、図７はこれらの熱伝導率κを示している。また、図８はこれらの抵抗率ρの測定結果を示している。これらの図において、Ａは結晶の配向制御を行った熱電素子、Ｂは結晶の配向制御を行っていない熱電素子、Ｃはバルク状のビスマスである。なお、図８の抵抗率ρに関しては、本測定ではテンプレート１の細孔３の空孔率が５７％のものを用いたので、絶縁物質である鉛ガラスを除外するため、実測値に０．５７を乗じることによって算出された抵抗率ρが示されている。また、図５の熱電性能指数ＺＴに関しては、抵抗率ρとして実測値を用いて演算されている。
【００３６】
図５に示されるように、熱電性能数ＺＴは、配向制御を行っていない熱電素子Ｂではバルク状のビスマスＣと比較して僅かに向上するだけであるが、配向制御が行われた熱電素子Ａでは大幅に向上している。図６に示されるゼーベック係数αから明らかなように、配向制御を行っていない熱電素子Ｂでもバルク状のビスマスＣと比較してゼーベック係数αが向上し、配向制御が行われた熱電素子Ａでは更に向上している。また、図７に示される熱伝導率κから明らかなように、配向制御が行われていない熱電素子Ｂでもバルク状のビスマスＣと比較して熱伝導率κが低減され、配向制御が行われた熱電素子Ａでは更に低減されている。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、より優れた熱電性能をもつ熱電素子を提供するものであり、熱電発電や熱電冷却等に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本発明に係る熱電素子の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は本発明に係る熱電素子の製造に用いられる製造装置の一例を示す概要図である。
【図３】図３はテンプレートの設置方法の一例を示す図である。
【図４】図４はテンプレートの設置方法の別の例を示す図である。
【図５】図５は結晶の配向制御を行った熱電素子、配向制御を行っていない熱電素子およびバルク状のビスマスについての熱電性能指数ＺＴを示している。
【図６】図６は結晶の配向制御を行った熱電素子、配向制御を行っていない熱電素子およびバルク状のビスマスについてのゼーベック係数αを示している。
【図７】図７は結晶の配向制御を行った熱電素子、配向制御を行っていない熱電素子およびバルク状のビスマスについての熱伝導率κを示している。
【図８】図８は結晶の配向制御を行った熱電素子、配向制御を行っていない熱電素子およびバルク状のビスマスについての抵抗率ρの測定結果を示している。
【符号の説明】
【００３９】
１  テンプレート
２  熱電物質
３  細孔
１０  反応炉
１３，１４  ヒータ
１５，１６  温度センサ
３１  真空ポンプ
３０，３２，３４  高圧バルブ
３３，３５  逆止弁
３６  アルゴンボンベ
３７  加圧装置
【図１】
2007305664.tif 000003
【図２】
2007305664.tif 000004
【図３】
2007305664.tif 000005
【図４】
2007305664.tif 000006
【図５】
2007305664.tif 000007
【図６】
2007305664.tif 000008
【図７】
2007305664.tif 000009
【図８】
2007305664.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月9日(2006.6.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007305664.tif 000011
【図２】
2007305664.tif 000012
【図３】
2007305664.tif 000013
【図４】
2007305664.tif 000014
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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