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公開番号2024178406
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-24
出願番号2024166625,2021516328
出願日2024-09-25,2020-04-27
発明の名称熱電変換素子及び熱電変換装置
出願人国立大学法人東京大学
代理人弁理士法人ドライト国際特許事務所
主分類H10N 15/20 20230101AFI20241217BHJP()
要約【課題】安価で無毒な材料からなる熱電変換素子及び熱電変換装置を提供する。
【解決手段】熱電変換素子は、組成式がFe₃Xで表され、Xが典型元素若しくは遷移元素であるストイキオメトリックな組成の第1物質(Fe₃Alなど)、第1物質からFeとXとの組成比がずれたオフ・ストイキオメトリックな組成の第2物質、第1物質のFeサイトの一部若しくは第2物質のFeサイトの一部をX以外の典型金属元素若しくは遷移元素で置換した第3物質、組成式がFe₃M1_1-xM2_x(0<x<1)で表され、M1及びM2が互いに異なる典型元素である第4物質、又は第1物質のFeサイトの一部をX以外の遷移元素で置換し、Xのサイトの一部をX以外の典型金属元素で置換した第5物質からなる。第1物質、第2物質、第3物質、第4物質及び第5物質は異常ネルンスト効果を示す。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
組成式がＦｅ
３
Ｘで表され、前記Ｘが典型元素若しくは遷移元素であるストイキオメトリックな組成の第１物質、
前記第１物質からＦｅと前記Ｘとの組成比がずれたオフ・ストイキオメトリックな組成の第２物質、
前記第１物質のＦｅサイトの一部若しくは前記第２物質のＦｅサイトの一部を前記Ｘ以外の典型金属元素若しくは遷移元素で置換した第３物質、
組成式がＦｅ
３
Ｍ１
１－ｘ
Ｍ２
ｘ
（０＜ｘ＜１）で表され、前記Ｍ１及び前記Ｍ２が互いに異なる典型元素である第４物質、又は
前記第１物質のＦｅサイトの一部を前記Ｘ以外の遷移元素で置換し、前記Ｘのサイトの一部を前記Ｘ以外の典型金属元素で置換した第５物質からなり、
前記第１物質、前記第２物質、前記第３物質、前記第４物質及び前記第５物質は、異常ネルンスト効果を示す、熱電変換素子。
続きを表示（約 850 文字）【請求項２】
前記第１物質、前記第２物質、前記第３物質、前記第４物質又は前記第５物質は、ネルンスト係数が、室温を含む所定の温度範囲において一定である、請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記第１物質、前記第２物質、前記第３物質、前記第４物質又は前記第５物質は単結晶体である、請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記第１物質、前記第２物質、前記第３物質、前記第４物質又は前記第５物質は多結晶体である、請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記第１物質、前記第２物質、前記第３物質、前記第４物質又は前記第５物質はアモルファスである、請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記Ｘは、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｃ、Ｎｉ、Ｍｎ、又はＣｏである、請求項１～５の何れか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
厚さが１０μｍ以下の薄膜である、請求項１～６の何れか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項８】
基板と、
前記基板の上に設けられ、複数の熱電変換素子を有する発電体と、を備え、
前記複数の熱電変換素子の各々は、一方向に延在した形状をなし、且つ請求項１～７のいずれか１項に記載の熱電変換素子と同一の物質からなり、
前記複数の熱電変換素子は、前記一方向と垂直な方向に並列に配置され、電気的に直列に接続されている、熱電変換装置。
【請求項９】
前記複数の熱電変換素子は、蛇行状に配列されている、請求項８に記載の熱電変換装置。
【請求項１０】
請求項１～７のいずれか１項に記載の熱電変換素子と、
中空部材と、を備え、
前記熱電変換素子は、シート状の構造又は線材であり、前記中空部材の外表面を覆うように設けられている、熱電変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子、及び熱電変換素子を備えた熱電変換装置に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
物質に温度勾配を与えると電圧が発生する熱電機構として、ゼーベック効果（Seebeck effect）が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ゼーベック効果を用いた熱電機構において、室温以上で使用可能な材料は、ビスマス、テルル又は鉛等を主原料とするものであり、毒性が高いため、実用には向かない上に、機械的に脆弱で振動に弱く耐久性がない。また、ゼーベック効果では、温度勾配と同じ方向に電圧が生じることから、熱源表面から垂直方向にｐ型モジュールとｎ型モジュールとを交互に設けた立体的で複雑な構造に作製する必要があるため、製造コストが高い。また、このような立体的な素子を大面積に展開することは困難である。
【０００３】
同じく、温度勾配によって電圧を発生させる熱電機構として、異常ネルンスト効果（Anomalous Nernst effect）が知られている。異常ネルンスト効果とは、磁性体に熱流を流して温度差が生じたときに、磁化方向と温度勾配の双方に直交する方向に電圧が生じる現象である。近年になって、電子構造のトポロジーを利用することにより、ネルンスト係数がこれまで知られていた値（０．１μＶ／Ｋ）よりもはるかに増大することがわかってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
国際公開第２０１６／１８１７７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これまで、異常ネルンスト効果を示す様々な磁性材料が開発されてきたものの、比較的高価な金属が使われているため、コスト高になるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安価で無毒な材料からなる熱電変換素子及び熱電変換装置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】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る熱電変換素子は、組成式がＦｅ
３
Ｘで表され、Ｘが典型元素若しくは遷移元素であるストイキオメトリックな組成の第１物質、第１物質からＦｅと前記Ｘとの組成比がずれたオフ・ストイキオメトリックな組成の第２物質、第１物質のＦｅサイトの一部若しくは第２物質のＦｅサイトの一部を前記Ｘ以外の典型金属元素若しくは遷移元素で置換した第３物質、組成式がＦｅ
３
Ｍ１
１－ｘ
Ｍ２
ｘ
（０＜ｘ＜１）で表され、Ｍ１及びＭ２が互いに異なる典型元素である第４物質、又は第１物質のＦｅサイトの一部をＸ以外の遷移元素で置換し、Ｘのサイトの一部をＸ以外の典型金属元素で置換した第５物質からなる。第１物質、第２物質、第３物質、第４物質及び第５物質は、異常ネルンスト効果を示す。
【０００８】
本発明の一実施形態に係る熱電変換装置は、基板と、前記基板の上に設けられ、複数の熱電変換素子を有する発電体と、を備える。複数の熱電変換素子の各々は、一方向に延在した形状をなし、且つ上記の第１物質、第２物質、第３物質、第４物質又は第５物質からなる。複数の熱電変換素子は、前記一方向と垂直な方向に並列に配置され、電気的に直列に接続されている。
【０００９】
本発明の他の実施形態に係る熱電変換装置は、上記の熱電変換素子と中空部材とを備える。熱電変換素子は、シート状の構造又は線材であり、中空部材の外表面を覆うように設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安価で無毒な物質から熱電変換素子によって、異常ネルンスト効果を発現させることができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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