非対角熱電効果を用いた1種類の熱電材料で実現する革新的ペルチェ冷却素子の開発

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K05298
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高松 智寿 東北大学, 工学研究科, 助教 (60708428)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 熱電変換 / ペルチェ冷却 / 非対角ゼーベック効果 / 傾斜積層構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，冷却技術に革新をもたらす非対角熱電効果を用いた新しいペルチェ冷却素子の実現を目的としている．実現するためには，CrSi2系熱電材料の高性能化と放電プラズマ焼結（SPS）による傾斜積層構造の作製が必要である.
まず，CrSi2系熱電材料の高性能化を実現するために，CrSi2のCrサイトに置換する元素の種類とその置換量を変化させた試料を作製した結果，CrサイトをMoで部分置換することで性能が向上することを見出した．次に，傾斜積層構造の作製手法を確立するために，無置換CrSi2を熱電材料層とし，金属層部分にはCu, Ti, Nbを選定した．SPSによる傾斜積層構造の作製を試みた結果，最も融点の高い金属であるNbを用いた場合に傾斜積層構造の焼結体を作製することができた．他の金属の場合では，SPS時に内部の温度が設定温度よりも高くなってしまい，融点を超えて溶けてしまった．そこで，作製手法の改善を図り，試料の回りに絶縁性のアルミナのダイとパンチを追加することによって通電による自己発熱を防止することを試みた．その結果，Cuにおいても積層構造を作製することができた．しかし，得られた素子サイズが非常に小さく，傾斜積層構造に切り出すことが困難だった．SPS用のダイとパンチを大きなものにする必要があったが，試料の総量が大幅に増えてしまうため，この手法の継続は断念した．その上で，CrSi2とNbの組み合わせで得られた傾斜積層構造試料を用いて，ペルチェ冷却性能を評価することにした．面で温度を測定できる熱電対を用いた温度計測にくわえて，サーモカメラによる表面温度の計測も同時に行った．その結果，電流の印可と共に温度差が付くことが確認された．傾斜積層構造を用いることで一種類の熱電材料のみでペルチェ冷却素子が作製できたものと言える．