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

• 研究課題/領域番号: 20K05298
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分29010:応用物性関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高松 智寿 東北大学, 工学研究科, 助教 (60708428)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 熱電変換 / ペルチェ冷却 / 非対角熱電効果 / 傾斜積層構造 / 非対角ゼーベック効果 / ベルチェ冷却 / 熱電変換素子

研究開始時の研究の概要

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指すものである．従来のπ型ペルチェ冷却素子では，熱流と電流の向きが平行であることに由来する熱ロスの多い構造のために冷却性能が低く，また同材料から成る性能が等しいp型とn型の熱電材料が必要となる致命的な問題がある．しかし，本研究で実現を目指す新しいペルチェ冷却素子では，熱電材料を人工的に傾斜積層させた構造を作製することで非対角熱電効果を発現させ，1種類の熱電材料のみでペルチェ冷却素子を構築できる．また，熱流と電流の向きが垂直になるために熱ロスが少ない素子構造が可能となり高い冷却性能が期待できる．

研究成果の概要

従来のπ型ペルチェ冷却素子の問題点は、同材料から成る性能が等しいp型とn型の熱電材料が必要となる点であった。本研究では１種類の熱電材料と金属を人工的に傾斜積層させた構造を作製することで非対角熱電効果を発現させ，1種類の熱電材料のみで構成されるペルチェ冷却素子の開発を目指した。熱電材料CrSi2とNbからなる傾斜積層構造素子を作製し、冷却性能を測定した結果，通電方向と直交する方向に温度差がつくことが確認されたことから、１種類の熱電材料のみでペルチェ冷却素子を作製することができたと言える。

研究成果の学術的意義や社会的意義

クロムシリサイド（CrSi2）熱電材料を基とする傾斜積層構造を有する素子を作製し、電流を流すと、直交する方向に温度差をつけることに成功した。これは非対角熱電効果によるペルチェ冷却そのものである。つまり、1種類の熱電材料のみでペルチェ冷却素子が作製できたということは、従来のπ型ペルチェ冷却素子における同材料から成る性能が等しいp型とn型の熱電材料が必要ないという材料科学的制約から解放されたことを意味し、大きな意義がある。今後、さらなる高性能化により従来のπ型ペルチェ冷却素子を置き換えて広く応用されることが期待される。