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熱電変換材料製造方法及びその装置 新技術説明会

国内特許コード P07A010191
整理番号 6
掲載日 2007年8月8日
出願番号 特願2001-018643
公開番号 特開2002-223010
登録番号 特許第3586712号
出願日 平成13年1月26日(2001.1.26)
公開日 平成14年8月9日(2002.8.9)
登録日 平成16年8月20日(2004.8.20)
発明者
  • 野田泰稔
  • 高橋正明
  • 北川裕之
  • 北村寿宏
  • 篠原嘉一
出願人
  • 国立大学法人島根大学
発明の名称 熱電変換材料製造方法及びその装置 新技術説明会
従来技術、競合技術の概要
従来,熱電変換材料の製造方法は,通常,固体から作製する方法と液体から作製する方法がある。熱電変換材料を固体から作製する方法は,熱電変換材料の化合物や合金を粉砕して焼結する方法,原料の成分元素をボールミルにより混合し,粉砕して化合物や合金を作製するメカニカルアロイイング(MA)と称せられる方法等がある。
【0003】
例えば,特開平10-215006号公報には,熱電変換材料を固体から製造する方法が開示されている。該熱電変換材料の製造方法は,少なくともビスマス及びテルルの元素を含有した熱電変換原料粉末を加圧成形して成形体を形成する成形工程と,成形体を加熱して焼結する燒結工程とを有し,成形工程に熱電変換原料粉末中の酸素を炭素によって除去する除去手段が設けられたものである。
【0004】
また,液体である融体から作製する方法は,原料の成分元素又は化合物を石英又はガラスから成る成長管に真空封入した後,成分元素又は化合物の融点以上に加熱して溶融し,この融体を成長管の一端から冷却して単結晶を成長させ,その後,成長管を破って単結晶を取り出すという作製過程を経る方法等がある。例えば,特開2000-183412号公報には,融体から作製する方法として,積層材料の製造方法および製造装置が記載されている。該積層材料の製造方法および製造装置は,熱電変換材料の原料からなるインゴットを平行板で挟み,インゴットを加熱しながら加圧して輪転させ,基板となる平行板上にインゴットから溶融した材料を転写して薄膜を形成させるものである。
産業上の利用分野
この発明は,熱電変換素子や熱電変換モジュール等を作製するのに適用され,熱エネルギーを電力に変換したり,電力を熱エネルギーに変換する熱電変換材料の製造方法及びその装置に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】真空又は不活性ガス,水素ガス等のガス流れの雰囲気中に設置された成長ボート内に形成された原料室で熱電変換材料原料を溶融し,次いで,溶融原料の予め決められた所定量を前記原料室で保持又は前記原料室から成長室へ注入し,前記溶融原料を前記原料室又は前記成長室において徐冷又は急冷して凝固させ,結晶方位が高性能を有する方向に配向した熱電変換材料を得ることから成る熱電変換材料製造方法。
【請求項2】前記溶融原料の高温加熱によって前記溶融原料の成分元素の一部が高い蒸気圧になって前記溶融原料が分解して前記成分元素が蒸発することに応じて,分解蒸発した前記成分元素を凝縮室から前記溶融原料に補うことから成る請求項1に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項3】前記溶融原料を凝固させる際に,前記成長室に予め決められた所定の形状に加工成形された成長室を備えた鋳型を配置し,前記鋳型の前記成長室に前記溶融原料を鋳込んで凝固させることから成る請求項1又は請求項2に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項4】前記溶融原料を凝固させる前記原料室又は前記成長室に温度勾配をつけた状態に設定し,前記溶融原料の凝固の際に前記原料室又は前記成長室の一端から前記熱電変換材料の結晶を成長させることから成る請求項1~3のいずれか1項に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項5】前記溶融原料を凝固させる際に,前記鋳型の前記成長室の底に基板を配置し,前記基板の上に前記熱電材料を鋳込んで成長させることから成る請求項4に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項6】前記基板をCdTe結晶等の結晶物質で構成し,前記基板上に方位の揃ったn型熱電変換材料又はp型熱電変換材料を成長させることから成る請求項に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項7】前記基板をp型熱電変換材料で構成し,前記基板上にn型熱電変換材料を成長させてp-n接合を形成することから成る請求項に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項8】前記p-n接合を加工して電極を接続して熱電変換素子を形成し,前記熱電変換素子を集合させて熱電変換モジュールを作製したことから成る請求項7に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項9】前記熱電変換材料はBi2 Te3 系熱電変換材料であることから成る請求項1~8のいずれか1項に記載の熱電変換材料製造方法。
【請求項10】真空又は不活性ガス,水素ガス等のガス流れの雰囲気を形成する成長用管,前記成長用管内に設置された成長ボート,Bi2 Te3 系等の熱電変換材料原料を溶融するための前記成長ボートに形成された原料室,前記原料室の底面を形成すると共に前記成長ボートを貫通して摺動移動するスライダ,溶融原料を徐冷又は急冷して凝固させるための前記スライダに設けられた少なくとも1個の成長室,及び前記溶融原料から分解蒸発した成分元素を前記溶融原料に補うための前記成長ボートに設けられた凝縮室,から成る熱電変換材料製造装置。
【請求項11】前記成長ボートは,熱電変換材料原料から熱電変換材料を製造するための前記原料室と前記凝縮室が形成された上部ホルダー部,前記上部ホルダー部の上部を閉鎖する上部カバー部,及び前記上部ホルダー部を保持すると共に前記スライダを摺動自在に保持する下部ホルダー部から構成されていることから成る請求項10に記載の熱電変換材料製造装置。
【請求項12】前記成長用管は石英から作製され,また,前記成長ボートを構成する前記上部ホルダー部,前記下部ホルダー部及び前記上部カバー部は黒鉛から作製されていることから成る請求項10又は11に記載の熱電変換材料製造装置。
【請求項13】前記成長管には,前記成長用管の内部を真空にするための真空ポンプと前記成長管で発生する廃ガスを処理する廃ガス処理装置に接続する排出管,及び前記成長管の内部にガスを送り込むためのガス供給管が接続されていることを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載の熱電変換材料製造装置。
【請求項14】前記成長室は,前記スライダの往復移動によって前記原料室の底面に開口して前記溶融原料を受け入れる位置と前記上部ホルダー部で閉鎖されている位置との間を摺動移動し,いずれかの前記位置で徐冷又は急冷するように構成されていることから成る請求項10~13のいずれか1項に記載の熱電変換材料製造装置。
【請求項15】前記成長室は,前記スライダに少なくとも1個の直方体形状等の凹部に形成され,前記原料室から前記溶融原料が予め決められた所定量だけ注入できる容積に形成されていることから成る請求項10~14のいずれか1項に記載の熱電変換材料製造装置。
産業区分
  • 固体素子
  • 処理操作
  • 無機化合物
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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