JP2003174203A

JP2003174203A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP2003174203A
Application number: JP2001373606A
Authority: JP
Inventors: Masaki Orihashi; 正樹折橋; Shigeki Motoyama; 茂樹本山; Seiichi Miyai; 清一宮井; Kaoru Kobayashi; 薫小林; Keiichi Kimura; 景一木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】簡素な構造でありながら高い可撓性を有する
熱電変換素子を提供すること、更には、簡素な構造であ
りながら高い可撓性と熱伝導性も有する熱電変換装置を
提供すること。【解決手段】可撓性を有する高分子シート４と、熱伝
導性の良いグラファイトシート６とが一体化され、高分
子シート４にペルチェ冷却素子又はゼーベック発電素子
等の熱電変換素子７が支持され、グラファイトシート６
の側に発熱体８が配置される熱電変換装置３０。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばペルチェ素
子等の熱電変換素子を使用した熱電変換装置に関するも
のである。

【従来の技術】

【０００２】従来、ペルチェ効果を利用したペルチェ冷
却素子は、熱電（変換）半導体を利用したヒートポンプ
の一種として知られており、直流電圧を印加することに
より、素子の一方の片面においては発熱し、他方の片面
においては吸熱するという特徴を持っており、この原理
を活用して、半導体プロセス用恒温プレート、保温庫及
びＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵ
ｎｉｔ）クーラー等への応用が拡大している。このペル
チェ冷却素子は、発熱側と吸熱側との温度差が小さいほ
ど、冷却効果が高くなる。

【０００３】これとは別に、ゼーベック効果を利用した
ゼーベック発電素子も知られており、素子の片面に熱を
加え、素子の上部と下部とで温度差をつけることによ
り、効率は低いが発電することができ、この原理は発電
式の腕時計等に活用されている。このゼーベック発電素
子は、素子の上部と下部との温度差が大きくなるほど、
発生する起電力（熱起電力）が大きくなる。

【０００４】ここで、上記のペルチェ効果及びゼーベッ
ク効果等を総称して熱電変換効果と称し、これらの効果
を利用したペルチェ冷却素子及びゼーベック発電素子を
熱電変換素子と称する。

【０００５】上記のペルチェ冷却素子とゼーベック発電
素子とは、動作方法が異なるが、全く同じ構造を有して
いる。

【０００６】図１２（ａ）について、一般的な熱電変換
素子（例えば、ペルチェ冷却素子）の構造を説明する。

【０００７】熱電変換素子５７を具備した熱電変換装置
８０においては、板状の金属電極５３をそれぞれ形成し
た一対のセラミックス基板７４の間に、Ｓｂ₂Ｔｅ₃−Ｂ
ｉ₂Ｔｅ₃合金等で構成されるｐ型熱電半導体のエレメン
ト５１と、Ｂｉ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｓｅ₃合金等で構成される
ｎ型熱電半導体のエレメント５２とを交互に配列し、そ
れぞれの熱電半導体のエレメントを金属電極５３にはん
だ付けした構造となっている。

【０００８】片方のセラミックス基板７４上には半導体
発熱部品等の発熱体５８が接触して固定されており、対
向する他方のセラミックス基板７４の電極５３には、熱
電変換素子５７に直流電圧を印加するためのリード線５
５が接続されている。

【０００９】ここで、ｐ型熱電半導体のエレメント５１
及びｎ型熱電半導体のエレメント５２の材質としての熱
電変換材料には、一般に、下記の式で表される性能指数
Ｚが高い材料が用いられる。

【００１０】Ｚ＝α²・σ／κ （但し、αは、熱電半導体材料に１Ｋ（ケルビン温度）
の温度差が生じた時に得られる起電力のことであって、
ゼーベック係数と呼ばれ、またσは熱電半導体材料の電
気伝導率を表し、κは熱電半導体材料の熱伝導率を表
す。）

【００１１】従って、性能指数Ｚの値を大きくするに
は、電気的な性能を表すα²・σの値を大きくするだけ
でなく、熱伝導率κの値を小さくしなければならない。

【００１２】しかし、一般に、熱電半導体材料において
は、σの値が大きくなると、αの値が小さくなる傾向が
ある。

【００１３】現在、一般にペルチェ冷却素子として用い
られている熱電半導体材料の材質は、Ｂｉ₂Ｔｅ₃系の材
料であり、その性能指数Ｚは３．０×１０^-3Ｋ^-1程度で
ある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の熱電変換装置８
０においては、基板７４の材質として、アルミナや窒化
アルミニウム等が用いられる。しかし、これらのセラミ
ックスを基板材料として用いるために、エレメント５１
及び５２等を、外部からの衝撃や圧力に対して保護でき
るが、その剛性の故に可撓性が少なく、柔軟性に欠けて
いる。

【００１５】また、アルミナ基板の熱伝導率は３０〜４
０Ｗ／ｍＫと低いために、発熱体５８と熱電変換素子５
７との間の熱抵抗が大きくなって、熱が伝わり難くなる
という問題がある。

【００１６】基板材料として、１００〜１７０Ｗ／ｍＫ
の熱伝導率を持つ窒化アルミニウムを用いる場合がある
が、これはアルミナに比べて高価である。

【００１７】また、窒化アルミニウムの熱膨張係数は、
４．４×１０^-6／Ｋであり、一般に金属電極３の材質と
して使われている銅（Ｃｕ）の熱膨張係数：１６．４×
１０ ^-6／Ｋと比べてかなり小さく、アルミナの熱膨張係
数も銅に比べて小さい。

【００１８】そして、上部及び下部のセラミックス基板
７４に対する加熱及び冷却の熱サイクルによって熱電変
換素子５７内に温度差が生じると、図１２（ｂ）に示す
ように、素子（具体的には電極５３）が変形を生じる。

【００１９】即ち、セラミックス基板７４の熱伝導率が
小さいため、セラミックス基板７４の面内で温度分布が
生じ、発熱体５８と直接接触する部分は比較的高温（又
は低温）であるが、周辺部分は比較的低温（又は高温）
となり易い。

【００２０】この結果、上部及び下部のセラミック基板
７４に対する加熱及び冷却の熱サイクル時に、熱電変換
素子５７が図１２（ｂ）中に破線で示すように変形して
しまう。即ち、上記の温度分布によって、セラミックス
基板７４の中央部（発熱体が接触する部分）と周辺部と
の温度差によって、熱電変換素子５７が特に電極の部分
において反ってしまい、エレメント５１、５２及び金属
電極５３が図１２（ｃ）に×印で示す箇所７５で破断し
易くなる。

【００２１】特に、エレメント５１と５２とが電気的に
直列に接続されているため、エレメント５１、５２及び
金属電極５３のうち１つでも破断すると、熱電変換素子
５７自体が使用不可能になってしまう。

【００２２】そこで、図１３に示すように、熱電変換素
子５７の上部及び下部のセラミックス基板７４の面内の
温度差によって生じる上記した熱電半導体のエレメント
５１、５２及び金属電極５３の破断を防ぐために、更に
は、熱電変換素子５７の発熱体に対する熱吸収効率を高
くするために、セラミックス基板７４を除いたスケルト
ン構造の熱電変換素子５７が提案されている。

【００２３】このスケルトン構造は、ｐ型熱電半導体の
エレメント５１及びｎ型熱電半導体のエレメント５２が
金属電極５３によって連結されたものであり、各エレメ
ントが、同一形状で向きの同じ２列の上部電極５３ａ
と、折り返し位置で向きの変更された３列の下部電極５
３ｂとにより、蛇行状に直列接続されたものである。

【００２４】しかし、実際には、熱電変換素子５７が強
度的に脆弱となり、また発熱体と金属電極５３との間の
電気絶縁性を保持する必要があるために、発熱体と金属
電極５３との間に何らかの絶縁板を挟んでいる。

【００２５】他方、特開平１０−５１０３９号公報にお
いては、ｐ型熱電半導体のエレメント及びｎ型熱電半導
体のエレメントの各側面に、柔軟で絶縁性を有する保持
部材を充填して、両エレメントを支持した構造が開示さ
れている。

【００２６】この場合、両エレメントに接続される金属
電極が、曲げ可能な厚さ、或いは可撓性を有する厚さで
あれば、セラミックス基板等の基板を用いないで曲面状
に変形の可能な熱電変換素子を構成することができる。

【００２７】しかし、この熱電変換素子においては、金
属電極の厚さを増していくと可撓性が減少して、柔軟性
という点で電極の厚さに制限がある。

【００２８】また、特開２０００−２４４０２４号公報
においては、複数個の小型の熱電変換素子を電気的に接
続し、それらを比較的柔軟な共通基板に配置したものが
開示されている。

【００２９】しかし、複数の小型の熱電変換素子をそれ
ぞれ支持する各基板にセラミックスが用いられているた
めに、柔軟性や可撓性が不足して、熱電変換素子を曲面
状に形成するのに限界がある。また、電極が湾曲部を有
していたり、板ばねを備えている等の構造を有すること
があるが、その際には、柔軟性のある共通基板に電極を
形成しにくくなる。

【００３０】加えて、上記の各公報に開示された熱電変
換素子はいずれも、絶縁性の基材を用いるために、その
基材の熱伝導率が低く、上記した理由と同様に、発熱体
を配した基板表面の場所によって温度が異なり、温度分
布を生じて、熱電半導体のエレメント全体に熱が伝わり
にくいという問題がある。

【００３１】このため、上記したと同様に、基板に対す
る加熱及び冷却の熱サイクル時に発熱体が接触する部分
の変形量とそれ以外の部分の変形量とに差が生じ、熱電
半導体のエレメント及び電極が破断し易くなる。

【００３２】本発明は、上記のような状況に鑑みてなさ
れたものであって、その第１の目的は、簡素な構造であ
りながら高い可撓性を有する支持体を用い、曲げ等に対
し追随して変形できる熱電変換装置を提供することにあ
る。

【００３３】又、本発明の第２の目的は、上記第１の目
的に加えて、高い熱伝導性を有する支持体を用い、面内
温度分布を可能な限り均一にし、素子の破断を防止でき
る熱電変換装置を提供することにある。

【００３４】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明における第
１の発明は、可撓性を有する高分子体と、この高分子体
に支持された熱電変換素子とによって構成され、前記高
分子体の側に発熱体が配置される熱電変換装置に係わる
ものである。

【００３５】又、本発明における第２の発明は、可撓性
を有する高分子体と、この高分子体に一体化された熱伝
導性の良好な高熱伝導体と、前記高分子体に支持された
熱電変換素子とによって構成され、前記高熱伝導体の側
に発熱体が配置される熱電変換装置に係わるものであ
る。

【００３６】第１の発明によれば、可撓性を有する高分
子体に熱電変換素子を支持しているために、高分子体が
熱電変換素子を支持しつつ曲げ等に追随して変形し易
く、熱電変換素子が外力を受けても、或いは曲面等に固
定する場合にも、素子破壊なしに変形することができ、
熱電変換装置の可撓性が向上する。

【００３７】又、第２の発明によれば、可撓性を有する
高分子体に熱電変換素子を支持すると共に、この高分子
体に熱伝導性の良好な高熱伝導体を一体化しているため
に、高分子体が熱電変換素子を支持しつつ曲げ等に追随
して変形し易く、熱電変換素子が外力を受けても、或い
は曲面等に固定する場合にも、素子破壊なしに変形する
ことができ、熱電変換装置の可撓性が向上し、また、熱
伝導性の良好な高熱伝導体を介して高分子体の面全体に
発熱体からの熱がほぼ均一に伝達されることによって、
面内の温度分布が均一となり、熱により不均一に変形す
ることを防止して、高分子体に支持された熱電変換素子
の破断を防ぐことができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】第１及び第２の発明においては、
前記熱電変換素子が、互いに電気的に接続されたｐ型及
びｎ型の熱電半導体からなるのが望ましい。

【００３９】又、第１の発明においては、熱伝導性の向
上のために、前記高分子体に、熱伝導性の良好な高熱伝
導体が一体化されて形成された支持体に、前記熱電変換
素子が支持されているのが望ましい。

【００４０】又、第１及び第２の発明においては、前記
高分子体のフィルムのほぼ全面に、前記高熱伝導体とし
て、グラファイトシートが接合されているのが望まし
い。

【００４１】この場合、熱電変換素子の強度保持のため
に、前記高熱伝導体上に、熱伝導率が高いダイヤモンド
ライクカーボンが被着されているのが望ましい。

【００４２】又、前記高分子体の材質として、ポリイミ
ド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタ
レート及びポリエーテルサルホンからなる群から選ばれ
た少なくとも一種類の物質を用いるのが望ましい。

【００４３】又、前記グラファイトシートの厚さは、
０．０５〜０．５ｍｍと薄くしても熱伝導性が十分であ
る。この厚み範囲については、強度の保持及びシート化
の確保のためには０．０５ｍｍ以上であるのが望ましい
が、例えば、ポリイミドシートの焼成によるシート化時
の製造条件の限界やその製造時のガスの抱き込みによる
熱伝導性の低下を考慮すると、厚みの上限を０．５ｍｍ
とするのが望ましい。

【００４４】又、熱伝導性の一層の向上のために、前記
グラファイトシートに、高熱伝導性のフィラーの充填さ
れた熱伝導性シリコーンが被着されているのが望まし
い。

【００４５】又、熱電変換素子の可撓性の一層の向上の
ために、前記熱電変換素子の電極体に導電性ゴムが用い
られているのが望ましい。

【００４６】又、熱電変換素子の性能や変形時の強度を
向上し、更には、隣接する前記熱電変換材料間の絶縁性
を向上させるために、前記熱電変換素子の隣接する熱電
変換エレメント間に、絶縁性の樹脂、発泡材、多孔質で
ありかつ柔軟であって熱伝導率の低い絶縁材料、及び内
部が空洞であるセラミックス粒状体（例えば球状体）か
らなる群より選ばれた少なくとも一種の材料が充填され
ているのが望ましい。

【００４７】又、前記発熱体とは反対側において、前記
熱電変換素子にヒートシンク、ヒートパイプ等の放熱手
段が設けられているのが、放熱特性（熱伝達効率）をよ
り向上させる上で望ましい。

【００４８】又、前記熱電変換素子がペルチェ素子又は
ゼーベック発電素子であるのが望ましい。

【００４９】次に、本発明の第１及び第２の発明におけ
る好ましい実施の形態を図面の参照下に具体的に説明す
る。

【００５０】第１の発明による実施の形態図１〜図７は、第１の発明による実施の形態を示すもの
である。

【００５１】本実施の形態の熱電変換装置３０において
は、図１に示すように、電気絶縁性で可撓性のある一対
のフレキシブル高分子シート４に板状の金属電極３をそ
れぞれ形成し、両高分子シート４の間に、図１２に示し
た構造と同様に、ｐ型熱電半導体のエレメント１及びｎ
型熱電半導体のエレメント２が交互に配列され、それぞ
れのエレメントが金属電極３にはんだ付けされ、図１３
に示したパターン及び接続方法によってペルチェ冷却素
子（又はゼーベック発電素子）としての熱電変換素子７
を構成している。

【００５２】更に、片方の高分子シート４面には半導体
発熱部品等の発熱体８が接触して固定されており、また
対向する高分子シート４面の電極３には、熱電変換素子
７に直流電圧を印加するためのリード線５が接続されて
いる。なお、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型熱電
半導体のエレメント２とは金属電極３を介して電気的に
直列に接続するのがよいが、並列に接続してもよい。

【００５３】このような構造に代えて、図１３に示した
と同様のスケルトン構造の熱電変換素子としてよいこと
は勿論である。

【００５４】このように、可撓性のある高分子シート４
に熱電変換素子７を支持しているので、フレキシブルな
熱電変換装置３０が得られる。この場合、電極３の材質
として薄い銅箔等を用いることにより、電極３の部分に
おいても可撓性を確保することができる。

【００５５】従って、既述した従来のセラミックス基板
に代えて、可撓性があって各電極３間を絶縁する高分子
シート４を基板として用いるが、この高分子シート４の
材質としては、曲げ応力や圧縮力等に対する機械的強度
に優れかつ耐熱性があって、更にはある程度の熱伝導性
を有するポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポ
リエチレンナフタレート及びポリエーテルサルホン等か
らなる群から選ばれた少なくとも一種類の物質を用いる
ことができる。

【００５６】又、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型
熱電半導体のエレメント２とに使用される熱電変換材料
としては、ペルチェ冷却素子の材料の代表的な例として
知られる、例えばＳｂ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｔｅ₃合金、Ｂｉ₂
Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｓｅ₃合金等のペルチェ材料に限られず、
その他にも、Ｓｉ−Ｇｅ合金、ＣｏＳｂ₃系合金、Ｆｅ
Ｓｉ₂系合金、ＹｂＡｌ₃系合金、ＮａＣｏ₂Ｏ₄などの酸
化物熱電変換材料及びポリピロールなどの導電性ポリマ
ーからなる有機物熱電変換材料等を使用できる。

【００５７】なお、発熱体８から発生した熱は、熱電半
導体のエレメントによって冷却されると同時に、他方の
面側から更に放熱するために、放熱手段としてのヒート
シンク（図１の２６参照）が設けられてよい。

【００５８】本実施の形態によれば、この高分子シート
４が高い可撓性を有する材質であるために、この高分子
シート４の形状の変化に追随して、高分子シート４に支
持された熱電変換素子７の形状も変化することができ、
熱電変換装置３０が高い可撓性と柔軟性を有することが
できる。そのために、曲面形状の取り付け面や発熱体等
に密着させることができる。

【００５９】そして、熱電変換素子７を高分子シート４
に支持したので、構造も簡素となる。

【００６０】使用可能な熱電変換材料においては、図２
（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、断面角型で長い棒
状のｐ型熱電半導体のエレメント１及びｎ型熱電半導体
のエレメント２を用いてもよい。

【００６１】又、図３に示すように、断面円形で長い棒
状のｐ型熱電半導体のエレメント１及びｎ型熱電半導体
のエレメント２を用いてもよい。

【００６２】この断面円形で長い棒状のエレメント１及
び２を用いる際には、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すよう
に、断面円形のエレメント１及び２を保持するための断
面円弧状の凹部２８を、電極箔１８上に形成されたエレ
メント保持電極１７に設けるのが、安定した支持の上で
好ましい。

【００６３】凹部２８に、エレメント１及び２をはめ込
み、更に、これらのエレメント１及び２及びエレメント
保持電極１７をはんだ１９によって固定することによっ
て、高い強度で容易に固定することができる。

【００６４】そして、ｐ型熱電半導体のエレメント１及
びｎ型熱電半導体のエレメント２の熱電変換材料とはん
だ１９との濡れ性が良くない場合には、前もって各エレ
メント１及び２に、例えば、ニッケル等を蒸着法やめっ
き法等の被着方法により予めコーティングしておくのが
よい。

【００６５】ここで、本実施の形態の熱電変換素子の形
成工程においては、図４に示すように、例えば、ｐ型熱
電半導体のエレメント１とｎ型熱電半導体のエレメント
２とを粘着シート２７に交互に貼り付けて熱電変換素子
シート２３とし、この熱電変換素子シート２３をロール
２０に巻き付けておく。

【００６６】そして、この巻き付けられた熱電変換素子
シート２３をロール２０から必要な長さだけ繰り出して
切断位置にて切断し、それを基板である高分子シート４
（ここでは図示せず）に貼り付けることによって、熱電
変換装置を作製できる。

【００６７】次に、ｐ型熱電半導体のエレメント１及び
ｎ型熱電半導体のエレメント２の寸法においては、一般
的に、単位面積当たりのエレメント１及び２の本数を可
能な限り増やすために、アスペクト比（熱電半導体のエ
レメントの断面の縦と横との寸法比）を１より大きくす
るのが望ましい。

【００６８】但し、基板である高分子シートに貼り付け
る工程を簡便にするには、所要の大きさの熱電半導体の
エレメントが配列された熱電変換素子シート２３が必要
であるが、そのためには、熱電半導体のエレメントのア
スペクト比を２以下とするのがよいが、高分子シートに
貼り付けることのできる熱電半導体のエレメントの数量
が減少してしまう。このため、既述した性能指数Ｚが同
じであるとすれば、熱電半導体のエレメントにゼーベッ
ク係数が大きい熱電変換材料を使用する方が有利であ
る。

【００６９】又、図５に示すように、ｐ型熱電半導体の
エレメント１及びｎ型熱電半導体のエレメント２等の形
状を、上記の断面角型又は円形の棒状のみならず、球形
状（ボール状）にしてもよい。

【００７０】このように、エレメント１及び２を球形状
にすることによって、はんだボールを配置する装置を、
各エレメントを配置する装置としてそのまま転用するこ
とができる。

【００７１】また、図３（ｃ）で述べたと同様に、エレ
メント１及び２を保持電極１７の凹部２８にはめ込み、
はんだ付けすることにより、棒状のエレメントと平面状
の電極３とを接続する構造に比べ、エレメントが電極か
ら剥離しにくくなり、かつ電極をフレキシブルにするこ
とができる。

【００７２】ここで、フレキシブル電極は、銅箔のみな
らず、例えば、導電性のペーストを塗布した電極として
もよい。

【００７３】又、発熱体の幅等が熱電変換素子シート２
３（図４参照）の大きさよりも大きい場合には、例え
ば、図６に示すように、複数（例えば、２つ）の熱電変
換素子７をリード線２１を用いて直列に接続してほぼ面
を構成し、この面に発熱体を接触させてもよい。

【００７４】このように、２つの熱電変換素子７を直列
に接続して面を構成した構造だけでなく、発熱体の大き
さや面積等に応じて、熱電変換素子７の接続のパターン
や個数を変えてよい。

【００７５】上記した絶縁シートとして用いられるポリ
エチレンテレフタレートなどの高分子シート４は、一般
に熱伝導率が比較的小さいために、高分子シート４に接
触する発熱体８からの熱が発生したときに、高分子シー
ト４内で熱が均一に分散されにくく、その面内の温度分
布が不均一となる傾向がある。

【００７６】そこで、図７に示すように、例えば、厚さ
０．２ｍｍ以下のポリイミドからなる柔軟な高分子シー
ト４の片側の面に、熱伝導性接着材若しくは熱伝導性両
面テープ等でグラファイトシート６を貼り付け、また反
対側の面には銅箔等からなる金属電極３を印刷、配線
し、この電極３にｐ型熱電半導体のエレメント１及びｎ
型熱電半導体のエレメント２をはんだ付けで接続して、
熱電変換装置３０を作製するのがよい。

【００７７】グラファイトシート６は、図８（ｃ）に示
すように、カーボン層１２によるグラファイトの層状構
造２０を有していて熱伝導率は６００〜８００Ｗ／ｍＫ
であって、３９８Ｗ／ｍＫの銅（Ｃｕ）或いは２３７Ｗ
／ｍＫのアルミニウム（Ａｌ）等の金属類よりも高く、
更に密度が１ｇ／ｃｍ³程度であって比較的軽い材質で
あると共に、高い電気伝導性も有する材質である。

【００７８】従って、図７に示すように、このグラファ
イトシート６を高分子シート４上に貼り付けることによ
り、グラファイトシート６の熱伝導率が高いために、高
分子シート４の全面に、グラファイトシート６に接触す
る発熱体８からの熱が均一に伝わるので、高分子シート
４のみを用いた場合に比べて面内の温度差（温度分布）
を小さくすることができる。

【００７９】このグラファイトシート６の厚さは、０．
０５〜０．５ｍｍであるのが望ましい。

【００８０】グラファイトシート６の厚さが０．０５ｍ
ｍ未満であれば、薄すぎるために、グラファイトシート
６の強度が低下し、シート化が難しくなり、また面方向
への熱伝導が不均一になり易い。グラファイトシート６
の厚さが０．５ｍｍを超えると、厚すぎるために、ポリ
イミドシートを焼成してグラファイトシート６を作製す
る時に、厚いグラファイトシートは却って作製し難い上
に、グラファイトシート外に排出されるはずのガスがグ
ラファイトシート６内に残留して熱伝導性を低下させ易
くなる。

【００８１】高分子シート４とグラファイトシート６と
の接合（貼り付け）工程においては、絶縁性無機物や金
属粉等が充填された電気絶縁性を持つ熱伝導性接着剤
や、１００μｍ以下の厚さを有する熱伝導性テープ等を
用いるのが好ましい。

【００８２】又、グラファイトシート６は、図９（ｂ）
に示すように、高分子シート４の上に貼り付ける構造だ
けでなく、熱伝導率を維持できれば、図９（ｃ）に示す
ように、２枚の高分子シート４間にグラファイトシート
６を挟み込んだ構造にしたり、或いは、図９（ｄ）に示
すように、グラファイトシート６を高分子シート４で包
み込んだ構造にしてもよい。

【００８３】又、グラファイトシート６が貼り付けられ
た基板である高分子シート４と発熱体８との間に絶縁を
必要とする場合には、発熱体８とグラファイトシート６
との間に、熱伝導性の良い接着剤を薄く塗布したり、或
いは、樹脂材や高分子シート４等をグラファイトシート
６と積層接着してもよい。

【００８４】又、発熱体８とグラファイトシート６との
密着性を上げる場合には、発熱体８とグラファイトシー
ト６との間を、導電性フィラーの充填されたグリース、
放熱シート及び相変化（フェーズチェンジ）材等で接着
してもよい。

【００８５】又、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型
熱電半導体のエレメント２との間の空間に、熱伝導率が
低くて多孔質でかつ発泡性及び柔軟性を有するシリコー
ン等のゴム系の材料や、内部が空洞の球状等の粒状セラ
ミックスを充填することにより、エレメント１、２によ
る熱伝導を支障なく行えると共に、エレメントの強度が
増し、曲げ等に対する衝撃を吸収できる。

【００８６】上記のように、高分子シート４に熱伝導性
の良い高熱伝導体であるグラファイトシート６を一体化
すると、グラファイトシート６を介して、発熱対８から
の熱がほぼ均一に伝導されることによって、高分子シー
ト４の面内の熱分布がほぼ均一となり、不均一な変形に
よって生じる熱電変換素子７の破損（電極の破断等）を
防ぐことができる。

【００８７】又、ｐ型熱電半導体のエレメント、ｎ型熱
電半導体のエレメント及び金属電極等を強度の高い構造
にすることにより、各エレメントの電極の基板からの剥
離を防ぐことができる。

【００８８】そのために、上記の特性を備えた熱電変換
素子においては、ペルチェ冷却素子或いはゼーベック発
電素子として用いた場合に、効率のよい熱電変換が可能
となる。

【００８９】第２の発明による実施の形態図８〜図１１は、第２の発明による実施の形態を示すも
のである。

【００９０】本実施の形態の熱電変換装置３０において
は、図８（ａ）に示すように、厚さ０．２ｍｍ以下のポ
リイミド等からなる柔軟な電気絶縁性の高分子シート４
の片側の面に、熱伝導性接着材若しくは熱伝導性両面テ
ープ等でグラファイトシート６を貼り付け、反対側の面
には銅箔等からなる金属電極３を印刷、配線し、この電
極３にｐ型熱電半導体のエレメント１及びｎ型熱電半導
体のエレメント２をはんだ付けで接続し、これらのエレ
メントにリード線５で通電し、これによって、図１３に
示したパターン及び接続方法によってペルチェ冷却素子
（又はゼーベック発電素子）としての熱電変換素子７を
構成している。各エレメントは直列（若しくは並列）に
接続されてよく、また図１３に示した如きスケルトン構
造の熱電変換素子を高分子シート４に固定してもよい。

【００９１】そして、一方のグラファイトシート６上に
取り付けられた発熱体８から発生した熱を熱電変換素子
７によって冷却して反対側のグラファイトシートから放
熱するために、図８（ｂ）に示すように、放熱手段とし
てのヒートシンク２６（又はヒートパイプ）が設けられ
ている。高分子シート４、エレメント１及び２、電極３
等は上述したものと同様の材質からなっている。

【００９２】なお、図９（ａ）に示すように、例えば、
ヒートシンク２６側にはグラファイトシート６を設けな
いで、高分子シート４にヒートシンク２６を直接接触さ
せて、高分子シート４から伝わってくる熱を放熱する構
造にしてもよい。

【００９３】図８（ｃ）に示すように、グラファイトシ
ート６は、カーボン層１２によるグラファイトの層状構
造２０を有しており、このグラファイトシート６の熱伝
導率は６００〜８００Ｗ／ｍＫであって、３９８Ｗ／ｍ
Ｋの銅（Ｃｕ）或いは２３７Ｗ／ｍＫのアルミニウム
（Ａｌ）等の金属類よりも高く、更に密度が１ｇ／ｃｍ
³程度と比較的軽い材質であると共に、高い電気伝導性
も有する材質である。

【００９４】従って、図８（ａ）に示すように、このグ
ラファイトシート６を高分子シート４上に貼り付けるこ
とにより、このグラファイトシート６の熱伝導率が高い
ために、高分子シート４の全面に、グラファイトシート
６に接触する発熱体８からの熱が均一に伝わるので、高
分子シート４のみを用いた場合に比べて、高分子シート
４面内の温度差を小さくし、温度分布を均一にすること
ができる。

【００９５】このグラファイトシート６の厚さは、０．
０５〜０．５ｍｍであるのが望ましい。

【００９６】グラファイトシート６の厚さが、０．０５
ｍｍ未満であれば、薄すぎるために、グラファイトシー
ト６の強度が低下し、シート化が難しくなり、また面方
向への熱伝導が不均一になり易い。グラファイトシート
６の厚さが、０．５ｍｍを超えると、厚すぎるために、
ポリイミドシートを焼成してグラファイトシート６を作
製する時に、厚いグラファイトシートは却って作製し難
い上に、グラファイトシート外に排出されるはずのガス
がグラファイトシート６内に残留して熱伝導性を低下さ
せ易くなる。

【００９７】高分子シート４とグラファイトシート６と
の接合（貼り付け）工程においては、絶縁性無機物や金
属粉等が充填された電気絶縁性を持つ熱伝導性接着剤
や、１００μｍ以下の厚さを有する熱伝導性テープ等を
用いるのが好ましい。

【００９８】又、グラファイトシート６は、図９（ｂ）
に示すように、高分子シート４の上に貼り付ける構造だ
けでなく、熱伝導率を維持できれば、図９（ｃ）に示す
ように、２枚の高分子シート４間にグラファイトシート
６を挟み込んだ構造にしたり、或いは、図９（ｄ）に示
すように、グラファイトシート６を高分子シート４で包
み込んだ構造にしてもよい。これによって、グラファイ
トシート６をその主面又は全面において強度保持するこ
とができる。高分子シート４に代えて、高熱伝導性フィ
ラーが充填された熱伝導性シリコーンを用いてもよい。

【００９９】又、グラファイトシート６が貼り付けられ
た基板である高分子シート４と発熱体８との間に絶縁を
必要とする場合には、発熱体８とグラファイトシート６
との間に、熱伝導性の良い接着剤を薄く塗布したり、或
いは、樹脂材や高分子シート等をグラファイトシート６
と積層接着してもよい。

【０１００】又、発熱体８とグラファイトシート６との
密着性を上げる場合には、発熱体８とグラファイトシー
ト６との間を、導電性フィラーの充填されたグリース、
放熱シート及び相変化（フェーズチェンジ）材等で接着
してもよい。

【０１０１】又、グラファイトシート６の表面にダイヤ
モンドライクカーボン（ＤＬＣ：ＤｉａｍｏｎｄＬｉ
ｋｅＣａｒｂｏｎ）を、例えばスパッタ法等により、
厚さ１０μｍ以下で薄くコーティングしておけば、ダイ
ヤモンドライクカーボンが硬くて熱伝導率が良い材質で
あるために、グラファイトシート６の強度が向上すると
共に、発熱体８からグラファイトシート６への熱伝導性
も良好となる（これは、図７に示した例でも同様であ
る）。

【０１０２】次に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示
すように、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型熱電半
導体のエレメント２とを接続する電極として、例えば、
電気伝導率が１０²Ω^-1ｍ^-1以上であり、導電性フィラ
ーが充填されて可撓性を有する導電性ゴム電極９を用
い、これにエレメントを固定するのがよい（これは、図
７に示した例でも同様である）。

【０１０３】この場合、導電性ゴム電極９に設けられた
凹部１０に、例えば、円柱状のエレメント１及び２を導
電性の接着材で固定する。これによって、高分子シート
４（即ち、熱電変換素子）の変形の際に、これに追随し
て可撓性の導電性ゴム電極９も変形するために、エレメ
ント１及び２と電極９の破断を効果的に防止し、また素
子に対する外力の衝撃吸収材となり、熱電変換素子７の
強度を維持できる。

【０１０４】又、図１１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示
すように、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型熱電半
導体のエレメント２との間の空間に、所定の物質を充填
することによって、熱電変換素子７の強度を維持するこ
とができる（これは、図７に示した例でも同様であ
る）。

【０１０５】例えば、図１１（ａ）に示すように、熱伝
導率が低く、多孔質でかつ発泡性及び柔軟性を有する絶
縁材料１３を充填することにより、絶縁材料１３を通し
ての熱の伝達を妨げられ、各エレメント１及び２による
熱伝導の支障とはならないと共に、熱電変換素子７の変
形に対しての衝撃吸収材となり、エレメント等の破断を
一層防止できる。

【０１０６】図１１（ｂ）の例では、ゴム系の多孔質絶
縁材料１４を用いることによって、絶縁材料１３を用い
るのとほぼ同様の効果が得られる。

【０１０７】また、図１１（ｃ）の例では、内部が空洞
である例えば球状のセラミックスボール１５を用いるこ
とによって、絶縁材料１３を用いるのとほぼ同様の効果
が得られると共に、ｐ型熱電半導体のエレメント１やｎ
型熱電半導体のエレメント２等の強度を維持することが
できる。

【０１０８】なお、熱電変換材料としては、図２、図３
及び図５に示した断面角型又は円形で長い棒状又はボー
ル状のｐ型熱電半導体のエレメント１及びｎ型熱電半導
体のエレメント２を用いてよく、上述したように、これ
らのエレメントを保持するための円弧状の凹部２８をエ
レメント保持電極１７に設けて、各エレメントをはんだ
付けで固定することによって、高い固定強度が得られ
る。

【０１０９】この場合、各エレメントとはんだ１９との
濡れ性が良くない場合には、前もって各エレメントに、
例えばニッケル等を蒸着法やめっき法等により予めコー
ティングしておけばよい。

【０１１０】なお、図５に示したような球状のエレメン
トを用いると、はんだボールを配置する装置を各エレメ
ントの配置にそのまま転用することができる。

【０１１１】また、フレキシブルな電極は、銅箔のみな
らず、例えば、導電性のペーストを塗布した電極として
もよい。

【０１１２】また、図６に示したように、複数（例えば
２つ）の熱電変換素子７をリード線２１を用いて直列に
接続してほぼ面を構成し、この面に発熱体を接触させて
もよい。

【０１１３】また、図４に示したように、各エレメント
を粘着シート２７に交互に貼り付けて熱電変換素子シー
ト２３とし、これをロール状にして必要な長さだけ繰り
出して切断位置にて切断し、これを高分子シートに貼り
付けてもよい。

【０１１４】各エレメントの寸法は、熱電変換素子中の
本数を可能な限り増やすために、アスペクト比（エレメ
ントの断面の縦と横との寸法比）を１より大きくするの
が望ましい。但し、上述したように、高分子シートに貼
り付ける工程を簡便にするには、アスペクト比が２以上
となってしまい、高分子シートに貼り付けることのでき
るエレメントの数量が減少してしまうので、同じ性能指
数Ｚをもつ熱電変換材料を使用する場合には、ゼーベッ
ク係数が大きい熱電変換材料を使用する方が有利であ
る。

【０１１５】上記した絶縁シートとして用いられている
ポリエチレンテレフタレートなどの高分子シート４は、
一般に熱伝導率が比較的小さいために、高分子シート４
に接触する発熱体８からの熱が発生した時に、高分子シ
ート４内で熱が均一に分散されにくく、その面内の温度
分布が不均一となる傾向がある。

【０１１６】しかし、本実施の形態によれば、高分子シ
ート４上に熱伝導性の良い高熱伝導体であるグラファイ
トシート６を一体化しているために、グラファイトシー
ト６を介して、発熱体８からの熱がほぼ均一に伝導され
ることによって、高分子シート４の面内の熱分布がほぼ
均一となり、不均一な変形によって生じる熱電変換素子
７の破損（電極の破断等）を防ぐことができる。

【０１１７】又、高分子シート４によって、グラファイ
トシート６を支持し、かつフレキシブルとなるため、曲
げに対しての強度が高くなり、また、曲面状の発熱体や
取り付け面にも十分に密着させて固定することができ
る。

【０１１８】また、従来の熱電変換素子と比べ、構造が
簡素であり、板状の基板にエレメントの電極を被着し易
くなる。

【０１１９】以上に述べた本発明の実施の形態は、本発
明の技術的思想に基づいて更に変形が可能である。

【０１２０】例えば、高分子シート４の材質、大きさ、
形状、厚さ等は、所定の効果が有れば、任意に変えてよ
い。これはグラファイトシート６も同様であり、高分子
シート４との一体化構造も上述したものに限定されるこ
とはない。

【０１２１】また、熱電変換素子７及び熱電変換装置３
０の形状、サイズ、発熱体の固定又は被着位置や被着状
態等は、所定の効果が有れば、任意に変えてよい。

【０１２２】

【発明の作用効果】上述のように、第１の発明によれ
ば、可撓性を有する高分子体に熱電変換素子を支持して
いるために、高分子体が熱電変換素子を支持しつつ曲げ
等に追随して変形し易く、熱電変換素子が外力を受けて
も、或いは曲面等に固定する場合にも、素子破壊なしに
変形することができ、熱電変換装置の可撓性が向上す
る。

【０１２３】又、第２の発明によれば、可撓性を有する
高分子体に熱電変換素子を支持すると共に、この高分子
体に熱伝導性の良好な高熱伝導体を一体化しているため
に、高分子体が熱電変換素子を支持しつつ曲げ等に追随
して変形し易く、熱電変換素子が外力を受けても、或い
は曲面等に固定する場合にも、素子破壊なしに変形する
ことができ、熱電変換装置の可撓性が向上し、また、熱
伝導性の良好な高熱伝導体を介して高分子体の面全体に
発熱体からの熱がほぼ均一に伝達されることによって、
面内の温度分布が均一となり、熱により不均一に変形す
ることを防止して、高分子体に支持された熱電変換素子
の破断を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による熱電変換装置の斜視
図である。

【図２】同、他の熱電変換装置の斜視図（ａ）及び断面
図（ｂ）である。

【図３】同、他の熱電変換装置の斜視図（ａ）及び断面
図（ｂ）である。

【図４】同、熱電変換装置の作製に用いる熱電変換シー
トの斜視図である。

【図５】同、他の熱電変換装置の斜視図である。

【図６】同、他の熱電変換装置の斜視図である。

【図７】同、更に他の熱電変換装置の斜視図である。

【図８】本発明の他の実施の形態における熱電変換装置
の斜視図（ａ）、側面図（ｂ）及びグラファイトシート
の構造図（ｃ）である。

【図９】同、他の熱電変換装置の側面図（ａ）、及びグ
ラファイトシートと高分子シートとの積層構造の断面図
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）である。

【図１０】同、他の熱電変換装置における導電性ゴム電
極の斜視図（ａ）及び熱電変換装置の断面図（ｂ）であ
る。

【図１１】同、各種熱電変換装置の断面図である。

【図１２】従来例による熱電変換装置の斜視図（ａ）、
側面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。

【図１３】同、他の熱電変換素子の斜視図、正面図、側
面図、上面図及び下面図である。

【符号の説明】

１…ｐ型熱電半導体（エレメント）、２…ｎ型熱電半導
体（エレメント）、３…電極、４…高分子シート、５…
リード線、６…グラファイトシート、７…熱電変換素
子、８…発熱体、９…導電性ゴム電極、１０…凹部、１
１…素子上部、１２…カーボン層、１３…絶縁材料、１
４…多孔質絶縁材料、１５…セラミックスボール、１７
…エレメント保持電極、１８…電極箔、１９…はんだ、
２０…グラファイトの層状構造、２１…リード線、２２
…ロール、２３…熱電変換素子シート、２４…セラミッ
クス基板、２６…ヒートシンク、２７…粘着シート、２
８…凹部、３０…熱電変換装置、７５…素子破断箇所

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 35/22 Ｈ０１Ｌ 35/22 35/24 35/24 35/32 35/32 Ａ 35/34 35/34 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ａ // Ｃ０８Ｌ 87:00 Ｃ０８Ｌ 87:00 (72)発明者宮井清一東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者小林薫東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者木村景一東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 4F071 AA45 AA46 AA60 AB03B AF44 AH19 CA01 CB04 CD01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可撓性を有する高分子体と、この高分子
体に支持された熱電変換素子とによって構成され、前記
高分子体の側に発熱体が配置される熱電変換装置。
【請求項２】前記熱電変換素子が、互いに電気的に接
続されたｐ型及びｎ型の熱電半導体からなる、請求項１
に記載の熱電変換装置。
【請求項３】前記高分子体に熱伝導性の良好な高熱伝
導体が一体化されて形成された支持体に、前記熱電変換
素子が支持されている、請求項１に記載の熱電変換装
置。
【請求項４】前記高分子体のフィルムのほぼ全面に、
前記高熱伝導体として、グラファイトシートが接合され
ている、請求項３に記載の熱電変換装置。
【請求項５】前記高熱伝導体上に、ダイヤモンドライ
クカーボンが被着されている、請求項４に記載の熱電変
換装置。
【請求項６】前記高分子体の材質として、ポリイミ
ド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタ
レート及びポリエーテルサルホンからなる群から選ばれ
た少なくとも一種類の物質を用いる、請求項１に記載の
熱電変換装置。
【請求項７】前記グラファイトシートの厚さが、０．
０５〜０．５ｍｍである、請求項４に記載の熱電変換装
置。
【請求項８】前記グラファイトシートに、高熱伝導性
のフィラーの充填された熱伝導性シリコーンが被着され
ている、請求項４に記載の熱電変換装置。
【請求項９】前記熱電変換素子の電極体に導電性ゴム
が用いられている、請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項１０】前記熱電変換素子の隣接する熱電変換
エレメント間に、絶縁性の樹脂、発泡材、多孔質であり
かつ柔軟であって熱伝導率の低い絶縁材料、及び内部が
空洞であるセラミックス粒状体からなる群より選ばれた
少なくとも一種の材料が充填されている、請求項１に記
載の熱電変換装置。
【請求項１１】前記発熱体とは反対側において、前記
熱電変換素子に放熱手段が設けられている、請求項１に
記載の熱電変換装置。
【請求項１２】前記熱電変換素子がペルチェ素子又は
ゼーベック発電素子である、請求項１に記載の熱電変換
装置。
【請求項１３】可撓性を有する高分子体と、この高分
子体に一体化された熱伝導性の良好な高熱伝導体と、前
記高分子体に支持された熱電変換素子とによって構成さ
れ、前記高熱伝導体の側に発熱体が配置される熱電変換
装置。
【請求項１４】前記熱電変換素子が、互いに電気的に
接続されたｐ型及びｎ型の熱電半導体からなる、請求項
１３に記載の熱電変換装置。
【請求項１５】前記高分子体のフィルムのほぼ全面
に、前記高熱伝導体として、グラファイトシートが接合
されている、請求項１３に記載の熱電変換装置。
【請求項１６】前記高熱伝導体上に、ダイヤモンドラ
イクカーボンが被着されている、請求項１３に記載の熱
電変換装置。
【請求項１７】前記高分子体の材質として、ポリイミ
ド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタ
レート及びポリエーテルサルホンからなる群から選ばれ
た少なくとも一種類の物質を用いる、請求項１３に記載
の熱電変換装置。
【請求項１８】前記グラファイトシートの厚さが、
０．０５〜０．５ｍｍである、請求項１５に記載の熱電
変換装置。
【請求項１９】前記グラファイトシートに、高熱伝導
性のフィラーの充填された熱伝導性シリコーンが被着さ
れている、請求項１５に記載の熱電変換装置。
【請求項２０】前記熱電変換素子の電極体に導電性ゴ
ムが用いられている、請求項１３に記載の熱電変換装
置。
【請求項２１】前記熱電変換素子の隣接する熱電変換
エレメント間に、絶縁性の樹脂、発泡材、多孔質であり
かつ柔軟であって熱伝導率の低い絶縁材料、及び内部が
空洞であるセラミックス粒状体からなる群より選ばれた
少なくとも一種の材料が充填されている、請求項１３に
記載の熱電変換装置。
【請求項２２】前記発熱体とは反対側において、前記
熱電変換素子に放熱手段が設けられている、請求項１３
に記載の熱電変換装置。
【請求項２３】前記熱電変換素子がペルチェ素子又は
ゼーベック発電素子である、請求項１３に記載の熱電変
換装置。