CN105190921A - 热电转换元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够以良好的效率对热电转换材料赋予温差的热电转换元件。所述热电转换元件在由P型热电元件、N型热电元件、及电极构成的热电转换模块的第1面上以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层A和导热系数低于该导热性树脂层A的导热性树脂层B,在该热电转换模块的与第1面相反侧的第2面上以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层a和导热系数低于该导热性树脂层a的导热性树脂层b。

Description

热电转换元件
技术领域
本发明涉及一种进行热与电的相互能量转换的热电转换元件,特别涉及能够以良好的效率对热电元件赋予温差的热电转换元件。
背景技术
近年来,对于所谓的能量收集(EnergyHarvesting)(环境发电技术)进行了广泛的研究开发,所述能量收集是将从大厦、工厂、汽车、电器类等排放到环境中的热能通过热电转换元件转换为电能,并用来作为驱动耗电较低的各种传感器、电子产品等的电源。热电转换元件由于只要向环境中排出热能就能得到电力,因此具有能够用于低耗电仪器等而无需更换电池、以及要注意充电设备等的各种电源。现在使用的热电转换元件缺乏柔性,难以设置在不平坦形状的废热源、放热源上,难以使热电转换元件的面积增大而得到充足的能量等,因此希望开发高柔性的薄型热电转换元件。
在热电转换元件中,例如,将P型热电元件与N型热电元件在电方面串联连接、在热方面并联连接,从而产生电力。从所获得的电力的观点考虑,重要的是在制作如上所述的薄型热电转换元件时,在P型热电元件和N型热电元件的厚度方向上能否高效地赋予其温差。
为了有效地赋予上述温差,在专利文献1中公开了一种具有图6所示结构的热电转换元件。即,将P型热电元件41与N型热电元件42串联连接,在其两端部配置输出热电动势的电极43,从而构成热电转换模块46,在该热电转换模块46的两面设有由2种导热系数不同的材料构成的具有柔软性的膜状基板44、45。该膜状基板44、45在与上述热电转换模块46的接合面侧设有低导热系数的材料47、48,使用绝缘体聚酰亚胺等树脂作为该低导热系数的材料,另外,上述膜状基板44、45的构成如下:在与上述热电转换模块46的接合面的相反侧设有高导热系数的材料49、50,并使其位于基板44、45的外面的一部分上,且使用铜等金属作为该高导热系数的材料。现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第3981738号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而,对于专利文献1而言,设置高导热系数材料49、50的部位处与热电转换模块直接接触的是低导热系数的材料,因此,在热电转换元件的厚度方向上的温度梯度小,无法高效地赋予温差。
鉴于上述问题,本发明的课题在于提供一种能够在热电元件的厚度方向上高效地赋予温差的热电转换元件。
解决课题的方法
本发明人等为了解决上述课题而进行了深入研究,结果发现,通过在由P型热电元件、N型热电元件和电极构成的热电转换模块的第1面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层A和导热系数低于该导热性树脂层A的导热性树脂层B,在与该第1面相反侧的第2面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层a和导热系数低于该导热性树脂层a的导热性树脂层b,可以在P型热电元件和N型热电元件的厚度方向上高效地赋予温差,从而完成了本发明。
即,本发明提供以下(1)~(8)。
(1)一种热电转换元件,其特征在于,
在由P型热电元件、N型热电元件和电极构成的热电转换模块的第1面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层A和导热系数低于该导热性树脂层A的导热性树脂层B,
在该热电转换模块的与第1面相反侧的第2面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层a和导热系数低于该导热性树脂层a的导热性树脂层b。
(2)上述(1)所述的热电转换元件,其中,在与设置于所述第1面的导热性树脂层A及导热性树脂层B相对的第2面上,分别设有所述导热性树脂层b及导热性树脂层a。
(3)上述(1)或(2)所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A与导热性树脂层B相接,且所述导热性树脂层b与导热性树脂层a相接。
(4)上述(1)所述的热电转换元件,其中,在所述第1面上,分别与所述P型热电元件和/或N型热电元件相对应地设置所述导热性树脂层A和导热性树脂层B,并且在与第1面相反侧的第2面上,分别与所述P型热电元件和/或N型热电元件相对应地设置所述导热性树脂层b和导热性树脂层a,所述导热性树脂层A、所述导热性树脂层B、所述导热性树脂层a及所述导热性树脂层b的宽度相同。
(5)上述(1)所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A及a的导热系数为0.5(W/m·K)以上,且所述导热性树脂层B及b的导热系数小于0.5(W/m·K)。
(6)上述(1)所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A、导热性树脂层B、导热性树脂层a及导热性树脂层b的宽度与所述P型热电元件和所述N型热电元件的宽度相同。
(7)上述(1)所述的热电转换元件,其中,所述P型热电元件及所述N型热电元件的膜厚为0.1~100μm。
(8)上述(1)所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A、所述导热性树脂层B、所述导热性树脂层a及所述导热性树脂层b的膜厚为1~200μm。
发明的效果
根据本发明的热电转换元件,能够对热电转换模块内的热电元件高效地赋予温差,因此能够以高发电效率进行发电。另外,能够设置在柔性高、具有不平坦的面的废热源、散热源上,能够不受设置场地的限制来使用。
附图说明
图1是示出本发明的热电转换元件的一个例子的剖面图。
图2示出的是将本发明的热电转换元件分解为各构成要素的立体图,图2(a)是设置于第1面侧的导热性树脂层A和导热性树脂层B的立体图,图2(b)是热电转换模块的立体图,图2(c)是设置于第2面侧的导热性树脂层b和导热性树脂层a的立体图。
图3是热电转换元件的内部温度分布的模拟计算所涉及的热电转换元件模型的截面结构的说明图,图3(a)是本发明的热电转换元件模型的截面结构,图3(b)是以往的热电转换元件模型的截面结构。
图4是本发明的截面结构中被赋予的最大温差ΔT与导热性树脂层A的导热系数kb的模拟结果。
图5是本发明的截面结构中温度变化范围Δx与导热性树脂层A的导热系数kb的模拟结果。
图6是示出以往的热电转换元件的一个例子的剖面图。
符号说明
E:热电转换元件
1:P型热电元件
2:N型热电元件
3:电极(铜)
4:导热性树脂层A
4’:导热性树脂层a
5:导热性树脂层B
5’:导热性树脂层b
6:热电转换模块
7:6的第1面
8:6的第2面
11:P型热电元件
13:热电转换模块
14:导热性树脂层A
14’:导热性树脂层a
15:导热性树脂层B
15’:导热性树脂层b
17:13的第1面
18:13的第2面
19:隔热部
21:P型热电元件
23:热电转换模块
24:金属(铜)
25:聚酰亚胺
26:膜状基板
27:膜状基板
29:隔热部
41:P型热电元件
42:N型热电元件
43:电极
44:膜状基板
45:膜状基板
46:热电转换模块
47:绝缘体(聚酰亚胺)
48:绝缘体(聚酰亚胺)
49:金属
50:金属
具体实施方式
[热电转换元件]
本发明的热电转换元件的特征在于:在由P型热电元件、N型热电元件和电极构成的热电转换模块的第1面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层A和导热系数低于该导热性树脂层A的导热性树脂层B,在与该第1面相反侧的第2面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层a和导热系数低于该导热性树脂层a的导热性树脂层b。
使用附图对本发明的热电转换元件的结构等进行说明。
图1示出的是本发明的热电转换元件的剖面图的一个例子。图1所示的热电转换元件E是利用厚度方向的温差将热转换为电的热电转换元件,其设有由P型材料制成的薄膜P型热电元件1、由N型材料制成的薄膜N型热电元件2和电极3而构成的热电转换模块6,在该热电转换模块6的第1面7上以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层A4和导热系数低于该导热性树脂层A4的导热性树脂层B5,而且在与上述第1面7相反侧的第2面8上以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层a4’和导热系数低于该导热性树脂层a4’的导热性树脂层b5’。各导热性树脂层的优选设置如下:在与第1面7的导热性树脂层A4和导热性树脂层B5相对的第2面8上分别设置了导热性树脂层b5’和导热性树脂层a4’。
图2示出的是将本发明的热电转换元件分解为各构成要素的立体图,图2(a)是设置于第1面侧的导热性树脂层A和导热性树脂层B的立体图,图2(b)是热电转换模块的立体图,图2(c)是设置于第2面侧的导热性树脂层b和导热性树脂层a的立体图。
通过采取上述结构,对热电转换模块6的第1面7和第2面8赋予温差,由此使第1面7侧的导热(热流束)分布与第2面8侧的导热(热流束)分布不同,因此能够对热电元件有效地赋予温差(温度梯度)。利用得到的温度梯度,能够用热电转换模块6高效地进行发电。
如图2(b)所示,本发明所使用的热电转换模块6由P型热电元件1、N型热电元件2和电极3构成。在薄膜上以串联连接的方式形成P型热电元件1和N型热电元件2,在各自的端部通过电极3接合而实现了电连接。需要说明的是,如图1所示,热电转换模块6中的P型热电元件1和N型热电元件2可以按照“电极3、P型热电元件1、电极3、N型热电元件2、电极3、……”的方式设置,也可以按照“电极3、P型热电元件1、N型热电元件2、电极3、P型热电元件1、N型热电元件2、电极3、……”的方式设置,还可以按照“电极3、P型热电元件1、N型热电元件2、P型热电元件1、N型热电元件2、···电极3”的方式设置。另外,热电转换模块6可以如图1所示直接形成在导热性树脂层A4和导热性树脂层B5上,也可以隔着其它层而形成,从对热电元件有效地赋予温差的观点考虑,优选热电转换模块6直接形成在导热性树脂层A4和导热性树脂层B5上。
上述热电转换元件没有特别限制,优选使用在通过热电转换模块转换为电能的热源的温度范围内,塞贝克系数的绝对值大、导热系数低、且电导率高的所谓热电性能指数高的材料。
作为构成P型热电元件和N型热电元件的材料,只要具有热电转换特性即可,没有特别限制,可以使用碲化铋、Bi2Te3等铋-碲系热电半导体材料、GeTe、PbTe等碲化物系热电半导体材料、锑-碲系热电半导体材料、ZnSb、Zn3Sb2、Zn4Sb3等锌-锑系热电半导体材料、SiGe等硅-锗系热电半导体材料、Bi2Se3等硒化铋系热电半导体材料、β-FeSi2、CrSi2、MnSi1.73、Mg2Si等硅化物系热电半导体材料、氧化物系热电半导体材料、FeVAl、FeVAlSi、FeVTiAl等惠斯勒合金材料(Heusleralloymaterial)等。其中,优选碲化铋、Bi2Te3等铋-碲系热电半导体材料、β-FeSi2、CrSi2、MnSi1.73、Mg2Si等硅化物系热电半导体材料、PEDOT:PSS等材料。
P型热电元件1和N型热电元件2的膜厚优选为0.1~100μm,更优选为1~50μm。
需要说明的是,P型热电元件1和N型热电元件2的膜厚没有特别限定,膜厚可以相同,也可以不同。
另外,导热性树脂层A和导热性树脂层B在热电转换模块6的第1面7上也可以不相互接触,但从对热电转换模块6高效地赋予温差,保持机械强度的观点考虑,优选相互接触。
另外,导热性树脂层a和导热性树脂层b在热电转换模块6的第2面8上也可以不相互接触,但从对热电转换模块6高效地赋予温差,保持机械强度的观点考虑,优选相互接触。
上述导热性树脂层A和导热性树脂层B的宽度可以分别与上述P型热电元件1和N型热电元件2的宽度相同,也可以不同。另外,上述导热性树脂层a和导热性树脂层b的宽度可以分别与上述P型热电元件1和N型热电元件2的宽度相同,也可以不同。从对热电转换模块6高效地赋予温差的观点考虑,优选上述导热性树脂层A、导热性树脂层B、导热性树脂层a和导热性树脂层b的宽度相同,更优选与上述P型热电元件1和N型热电元件2的宽度相同。需要说明的是,在本发明中,“宽度”是指图3中长度方向(x轴)的长度。而且,优选在上述热电转换模块的第1面7上,上述导热性树脂层A和导热性树脂层B分别对应于上述P型热电元件1和N型热电元件2设置,并且优选在第2面8上设置有导热性树脂层b和导热性树脂层a使得导热系数在第1面7与第2面8上相互不同。
导热性树脂层A可以是由单一材料形成的树脂层,也可以是由多种材料形成的树脂层,从获得比导热性树脂层B的导热系数更高的导热系数的观点考虑,优选使用在树脂材料中分散有高导热性填料而成的树脂层。
作为构成上述导热性树脂层A的树脂材料,可以列举热固化性树脂、热塑性树脂、光固化性树脂等。作为构成上述导热性树脂层A的树脂,可以列举例如:聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类树脂;聚苯乙烯等苯乙烯类树脂;聚甲基丙烯酸甲酯等丙烯酸类树脂;聚酰胺(尼龙6、尼龙66等)、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺等酰胺类树脂;聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚芳酯等聚酯类树脂;降冰片烯类聚合物、单环的环烯烃类聚合物、环状共轭二烯类聚合物、乙烯基脂环族烃聚合物、以及这些化合物的氢化物等环烯烃类聚合物;氯乙烯;聚酰亚胺;聚酰胺酰亚胺;聚苯醚;聚醚酮;聚醚醚酮;聚碳酸酯;聚砜、聚醚砜等聚砜类树脂;聚苯硫醚;以及这些高分子化合物的2种以上的组合;等等。
高导热性填料没有特别限制,可以列举氧化铝、二氧化硅、氮化硼等。其中,优选氧化铝、氮化硼,从经济性的观点考虑,特别优选氧化铝。另外,在不对热电转换元件的性能造成不良影响的范围内,也可以分散有金属、半导体材料等具有导电性的粒子。导热性树脂层A中的高导热性填料的含量可以根据所期望的导热系数进行适当调整,通常优选为30~60质量%。
导热性树脂层A的导热系数只要大于导热性树脂层B即可,导热系数优选为0.5(W/m·K)以上,更优选为2.0(W/m·K)以上,特别优选为10.0(W/m·K)以上。导热性树脂层A的导热系数的上限没有特别限制,通常优选为1000(W/m·K)以下,更优选为500(W/m·K)以下。
对于导热性树脂层A的电导率而言,只要能够保持由P型热电元件1、N型热电元件2和电极构成的热电转换模块之间的绝缘性即可,没有特别限制。
导热性树脂层A的膜厚优选为1~200μm,更优选为3~150μm。只要在该范围内,就能高效地对热电转换模块赋予温差,而且能够保持热电转换模块的柔性、机械强度,因此优选。
导热性树脂层B可以是由单一材料形成的树脂层,也可以是由多种材料形成的树脂层,只要是具有比上述导热性树脂层A更低的导热系数的树脂层即可,因此可以使用单一树脂材料。
作为构成上述导热性树脂层B的树脂材料,只要导热系数比上述导热性树脂层A更低即可,没有特别限定,可以从作为构成上述导热性树脂层A的树脂材料所例示的树脂中适当确定。
导热性树脂层B的导热系数优选小于0.5(W/m·K),更优选为0.3(W/m·K)以下,进一步优选为0.1(W/m·K)以下。
对于导热性树脂层B的电导率而言,只要能够保持热电转换模块之间的绝缘性即可,没有特别限制,所述热电转换模块由使用的P型热电元件1、N型热电元件2和电极构成。
导热性树脂层B的膜厚优选为1~200μm,进一步优选为3~150μm。只要在该范围内,就可以高效地对热电转换模块赋予温差,而且能够保持热电转换模块的柔性、机械强度,因此优选。
作为导热性树脂层a的树脂材料、高导热性填料,没有特别限定,可以从与上述导热性树脂层A相同的树脂材料、高导热性填料中选择。另外,导热系数、电导率和膜厚等也可以从相同范围中选择。从制造的容易程度、成本的观点考虑,优选使用与导热性树脂层A相同的物质。
作为导热性树脂层b的树脂材料,没有特别限定,可以从与上述导热性树脂层B相同的树脂材料中选择。另外,导热系数、电导率和膜厚等也可以从相同范围中选择。从制造的容易程度、成本的观点考虑,优选使用与导热性树脂层B相同的物质。。
形成上述导热性树脂层A、导热性树脂层B、导热性树脂层a和导热性树脂层b的方法没有特别限定,可以列举通过模板印刷、分配器、丝网印刷法、辊涂法等由构成各个层的树脂材料来形成的方法。
上述导热性树脂层A和导热性树脂层B、或导热性树脂层a和导热性树脂层b可以形成在热电转换模块的第1面和第2面上,也可以预先在上述导热性树脂层A和导热性树脂层B上、或在导热性树脂层a和导热性树脂层b上形成热电转换模块。
[热电转换元件内部热分析]
接着,本发明人等为了研究热电转换模块内的热电元件的内部温度分布,使用有限元法程序(ANSYSJapan公司制造,品名:ANSYS-CFD)对图3所示结构的热电转换元件的模型进行了模拟计算(稳态导热分析)。
图4是本发明的截面结构中被赋予的最大温差ΔT与导热性树脂层A的导热系数kb的模拟结果。同样地,图5是本发明的截面结构中温度变化范围Δx与导热性树脂层A的导热系数kb的模拟结果。
图3是热电转换元件的内部温度分布的模拟计算所涉及的热电转换元件模型的截面结构的说明图,图3(a)是本发明的热电转换元件模型的截面结构,图3(b)是以往的热电转换元件模型的截面结构。需要说明的是,图3(a)和图3(b)的热电转换元件模型中,在热电转换元件的侧面设置有隔热部19、29,且为了简化而省略了电极。
图3(a)所示的热电转换元件模型在由P型热电元件11、N型热电元件(未图示)和电极(未图示)构成的热电转换模块13的第1面17上以直接接触的方式交替设有导热性树脂层A14和导热系数低于该导热性树脂层A的导热性树脂层B15,而且在与上述第1面17相反侧的第2面18上以直接接触的方式交替设有导热性树脂层a14’和导热系数低于该导热性树脂层a的导热性树脂层b15’。
另一方面,图3(b)所示的以往的热电转换元件模型在由P型热电元件21构成的热电转换模块23的两面上设有由2种导热系数不同的材料构成的具有柔软性的膜状基板26、27。该膜状基板26、27在与上述热电转换模块23的接触面侧设有聚酰亚胺25作为低导热系数的材料,而且,上述膜状基板26、27在与上述热电转换模块23的接触面的相反侧设有金属(铜)24作为高导热系数的材料,并使得金属(铜)24位于基板26、27的外面的一部分。
对于图3(a)的本发明的热电转换元件模型的截面结构而言,采用两端隔热(隔热部19)的条件,按照以下条件,对于在对热电转换元件的下表面进行加热时的热电转换模块内部温度分布进行了模拟计算。
上表面温度:300K
下表面温度:330K
导热性树脂层A14、导热性树脂层a14’的膜厚:100μm
导热性树脂层A14、导热性树脂层a14’的导热系数kb︰kb=0.5~400(W/m·K)
导热性树脂层A14、导热性树脂层a14’的宽度:1000μm
导热性树脂层B15、导热性树脂层b15’的膜厚:100μm
导热性树脂层B15、导热性树脂层b15’的导热系数:0.2(W/m·K)
导热性树脂层B15、导热性树脂层b15’的宽度:1000μm
P型热电元件11的膜厚:2μm
P型热电元件11的导热系数(假定为镍铬合金):10(W/m·K)
P型热电元件11的长度方向(x轴)的长度:2000μm
具体而言,以导热性树脂层A的导热系数kb作为变量,计算出热电转换元件的长度方向(x轴)的温差,求出了最大温差ΔT。需要说明的是,热电转换元件的长度方向(x轴)的范围如下:将图中P型热电元件11的左端设为x=0,明显地表现出温度变化的为x=500~1500μm。如上所述,图4示出了本发明的截面结构中被赋予的最大温差ΔT与导热性树脂层A的导热系数kb的模拟结果。
此外,将从显示所得到的最大温差ΔT的10%的长度方向(x轴)的位置到显示所得到的最大温差ΔT的90%的长度方向(x轴)的位置的区域长度作为温度变化范围Δx,用下述式(1)算出。
[数学式1]
温度变化范围Δx=│x(温差:0.10×ΔT)-x(温差:0.90×ΔT)│(1)
如上所述,图5示出的是本发明的截面结构中温度变化范围Δx与导热性树脂层A的导热系数kb的模拟结果。
同样地,对于图3(b)的以往的热电转换元件模型的结构而言,采用两端隔热(隔热部29)的条件,按照以下条件,对于加热热电转换元件下表面时的热电转换模块内部温度分布进行了模拟计算。模拟结果表明,对于图3(b)的以往的热电转换元件模型的结构而言,在导热性树脂层A的导热系数kb为400(W/m·K)时,最大温差ΔT为20℃。
另外,同样地计算出相对于导热性树脂层A的导热系数kb的温度变化范围Δx。得到了温度变化范围Δx为177μm的模拟结果。
上表面温度:300K
下表面温度:330K
导热性树脂层A24的膜厚:80μm
导热性树脂层A24的导热系数kb︰kb=400(W/m·K)
导热性树脂层B25的膜厚:100μm
(其中,夹在金属(铜)与热电元件之间的导热性树脂层B25的膜厚:20μm)
导热性树脂层B25的导热系数(聚酰亚胺):0.2(W/m·K)
P型热电元件21的膜厚:2μm
P型热电元件21的长度方向(x轴)的长度:2000μm
P型热电元件21的导热系数(假定为镍铬合金):10(W/m·K)
由图4可知,对于本发明的热电转换元件模型而言,随着导热性树脂层A14的导热系数kb增大,最大温差ΔT也增大,当导热性树脂层A14的导热系数kb设为10(W/m·K)、导热性树脂层B15的导热系数设为0.2(W/m·K)时,得到了上下表面温差为30K、且内表面温差为28K的模拟结果。另一方面,对于图3(b)的以往的热电转换元件模型结构而言,当导热性树脂层A14的导热系数为400(W/m·K)时,得到了最大温差ΔT为20K的模拟结果。由此得到了如下模拟结果:本发明的热电转换元件模型的结构与以往的结构相比,如果导热性树脂层A14的导热系数kb超过1(W/m·K),则最大温差ΔT升高,如果导热性树脂层A14的导热系数kb为5(W/m·K)以上,则最大温差ΔT比以往的结构大幅提高。
另外,由图5可知,对于本发明的热电转换元件模型而言,随着导热性树脂层A14的导热系数kb增大,得到了温度变化范围Δx减小的模拟结果。另外,关于温度变化范围Δx,如上所述,对于以往的热电转换元件模型而言,得到了导热系数kb为400(W/m·K)时,温度变化范围Δx为177μm的模拟结果。对于本发明的热电转换元件模型而言,得到了以下结果:如果导热性树脂层A14的导热系数kb超过2(W/m·K),则温度变化范围Δx比以往的模型小,kb为10(W/m·K)时,比以往的模型小35%。由此可以推测,本发明的热电转换元件模型比以往的模型的温度变化范围Δx小,是适于热电转换元件小型化的结构。
如上所述,本发明的热电转换元件在由P型热电元件、N型热电元件、电极构成的热电转换模块的一面上以直接接触的方式交替设有导热性树脂层A和导热系数低于导热性树脂层A的导热性树脂层B,而且在热电转换模块的另一面上以直接接触的方式交替设有导热性树脂层a和导热系数低于导热性树脂层a的导热性树脂层b,并且,通过使相对的导热性树脂层彼此间的位置关系、以及导热性树脂层、P型热电元件、N型热电元件和电极的位置关系等在本发明的范围内,能够在P型热电元件和N型热电元件的厚度方向上高效地赋予温差。
工业实用性
本发明的热电转换元件能够高效地赋予温差,因此能够高效率地发电,与以往的热电转换元件相比,可以减少热电转换模块的设置数量,能够减少尺寸及降低成本。并且,作为柔性热电转换模块,能够不受设置场地限制地设置在具有不平坦的面的废热源、散热源等中使用。

Claims (8)

1.一种热电转换元件,其特征在于,
在由P型热电元件、N型热电元件和电极构成的热电转换模块的第1面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层A和导热系数低于该导热性树脂层A的导热性树脂层B,
在该热电转换模块的与第1面相反侧的第2面上,以直接接触的方式交替设置有导热性树脂层a和导热系数低于该导热性树脂层a的导热性树脂层b。
2.根据权利要求1所述的热电转换元件,其中,在与设置于所述第1面的导热性树脂层A及导热性树脂层B相对的第2面上,分别设有所述导热性树脂层b及导热性树脂层a。
3.根据权利要求1或2所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A与导热性树脂层B相接,且所述导热性树脂层b与导热性树脂层a相接。
4.根据权利要求1所述的热电转换元件,其中,在所述第1面上,分别与所述P型热电元件和/或N型热电元件相对应地设置所述导热性树脂层A和导热性树脂层B,并且在与第1面相反侧的第2面上,分别与所述P型热电元件和/或N型热电元件相对应地设置所述导热性树脂层b和导热性树脂层a,所述导热性树脂层A、所述导热性树脂层B、所述导热性树脂层a及所述导热性树脂层b的宽度相同。
5.根据权利要求1所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A及a的导热系数为0.5(W/m·K)以上,且所述导热性树脂层B及b的导热系数小于0.5(W/m·K)。
6.根据权利要求1所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A、导热性树脂层B、导热性树脂层a及导热性树脂层b的宽度与所述P型热电元件和所述N型热电元件的宽度相同。
7.根据权利要求1所述的热电转换元件,其中,所述P型热电元件及所述N型热电元件的膜厚为0.1~100μm。
8.根据权利要求1所述的热电转换元件,其中,所述导热性树脂层A、所述导热性树脂层B、所述导热性树脂层a及所述导热性树脂层b的膜厚为1~200μm。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105580150A (zh) * 2013-09-25 2016-05-11 琳得科株式会社 导热性粘接片、其制造方法以及使用该导热性粘接片的电子器件
CN107275019A (zh) * 2017-06-14 2017-10-20 上海萃励电子科技有限公司 一种具有局部制冷功能的ptc贴片元件
CN110235261A (zh) * 2017-01-27 2019-09-13 琳得科株式会社 挠性热电转换元件及其制造方法
CN112041996A (zh) * 2018-04-04 2020-12-04 Lg伊诺特有限公司 热电元件

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI661026B (zh) * 2014-12-26 2019-06-01 日商琳得科股份有限公司 熱傳導性接著薄片、其製造方法及使用其之電子裝置
JPWO2016147809A1 (ja) * 2015-03-18 2017-12-28 リンテック株式会社 排熱回収シート
TWI608639B (zh) 2016-12-06 2017-12-11 財團法人工業技術研究院 可撓熱電結構與其形成方法
WO2018158352A1 (en) * 2017-03-03 2018-09-07 Iee International Electronics & Engineering S.A. Thermoelectric device
WO2019194539A1 (ko) * 2018-04-04 2019-10-10 엘지이노텍 주식회사 열전소자
KR102429506B1 (ko) * 2018-06-26 2022-08-05 현대자동차주식회사 열전 변환 모듈 및 그의 제조방법
JP7451361B2 (ja) * 2020-09-10 2024-03-18 株式会社日立製作所 熱電変換素子
CN117479809B (zh) * 2023-12-27 2024-03-12 中北大学 一种柔性化的y型微型热电器件及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1541422A (zh) * 2001-07-12 2004-10-27 �������弼��(����)���Ź�˾ 具有薄膜式衬底的热电模块
JP2008182160A (ja) * 2007-01-26 2008-08-07 Nippon Steel Chem Co Ltd フレキシブル熱電変換素子及びその製造方法
JP2009188088A (ja) * 2008-02-05 2009-08-20 Yamaha Corp 熱電装置
CN101794766A (zh) * 2009-01-29 2010-08-04 雅马哈株式会社 热交换单元
WO2012114652A1 (ja) * 2011-02-21 2012-08-30 ソニー株式会社 無線電力供給装置及び無線電力供給方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3981738B2 (ja) 2004-12-28 2007-09-26 国立大学法人長岡技術科学大学 熱電変換素子
JP2008120353A (ja) * 2006-11-15 2008-05-29 Aisin Seiki Co Ltd ハンドル冷却加熱装置
JP4404127B2 (ja) * 2007-09-28 2010-01-27 ヤマハ株式会社 熱電モジュール用基板およびこの基板を用いた熱電モジュール
US20090236087A1 (en) 2008-03-19 2009-09-24 Yamaha Corporation Heat exchange device
JP5493562B2 (ja) 2009-08-03 2014-05-14 富士通株式会社 熱電変換モジュール
US20140182645A1 (en) * 2011-05-23 2014-07-03 Tohoku University Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion method
US20150136192A1 (en) * 2012-04-30 2015-05-21 Universite Catholique De Louvain Thermoelectric Conversion Module and Method for Making it
JP6519086B2 (ja) 2013-09-25 2019-05-29 リンテック株式会社 熱伝導性接着シート、その製造方法及びそれを用いた電子デバイス

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1541422A (zh) * 2001-07-12 2004-10-27 �������弼��(����)���Ź�˾ 具有薄膜式衬底的热电模块
JP2008182160A (ja) * 2007-01-26 2008-08-07 Nippon Steel Chem Co Ltd フレキシブル熱電変換素子及びその製造方法
JP2009188088A (ja) * 2008-02-05 2009-08-20 Yamaha Corp 熱電装置
CN101794766A (zh) * 2009-01-29 2010-08-04 雅马哈株式会社 热交换单元
WO2012114652A1 (ja) * 2011-02-21 2012-08-30 ソニー株式会社 無線電力供給装置及び無線電力供給方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105580150A (zh) * 2013-09-25 2016-05-11 琳得科株式会社 导热性粘接片、其制造方法以及使用该导热性粘接片的电子器件
CN105580150B (zh) * 2013-09-25 2018-12-25 琳得科株式会社 导热性粘接片、其制造方法以及使用该导热性粘接片的电子器件
CN110235261A (zh) * 2017-01-27 2019-09-13 琳得科株式会社 挠性热电转换元件及其制造方法
CN110235261B (zh) * 2017-01-27 2023-07-25 琳得科株式会社 挠性热电转换元件及其制造方法
CN107275019A (zh) * 2017-06-14 2017-10-20 上海萃励电子科技有限公司 一种具有局部制冷功能的ptc贴片元件
CN107275019B (zh) * 2017-06-14 2018-12-11 上海萃励电子科技有限公司 一种具有局部制冷功能的ptc贴片元件
CN112041996A (zh) * 2018-04-04 2020-12-04 Lg伊诺特有限公司 热电元件
CN112041996B (zh) * 2018-04-04 2023-11-24 Lg伊诺特有限公司 热电元件

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US9780283B2 (en) 2017-10-03

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