JP2007180455A - 熱電変換デバイス及び熱電変換デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対の断線を防ぐとともに、熱電対の集積度を向上させることができる熱電変換デバイスを提供する。
【解決手段】電気絶縁性シート１１上に第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂとを交互に設けて熱電対３１〜３４を構成した熱電変換デバイスにおいて、電気絶縁性シート１１は複数あり、複数の電気絶縁性シート１１が夫々面対向するように並べられることとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板上に第１導体と第２導体を交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイス及び熱電変換デバイスの製造方法に関するものである。

温度差により発電するゼーベック効果を利用した熱電変換デバイスは、電子デバイスの供給電源や補助電源、及び、温度センサや赤外線センサ等として利用可能である。特許文献１には、可撓性を有する基板と、当該基板上に設けられた第１金属体と第２金属体とからなる熱電対と、熱電対が形成された基板を挟持する第１シート状部材および第２シート状部材とを備える熱電変換デバイスが提示されている。

より具体的には、図５に示すように、熱電対１３１が配置された電気絶縁性シート１１１が断面波形状に折り曲げられるとともに、電気絶縁性シート１１１は、第１シート状部材１４１及び第２シート状部材１４２により挟持されている。また、電気絶縁性シート１１１は、複数の頂部１１１ａおよび複数の底部１１１ｂからなる屈曲部を備えており、屈曲部を挟む電気絶縁性シート１１１の斜傾部１１１ｃ及び斜傾部１１１ｄと、第２シート状部材１４２の上面１４２ａとの成す角が斜めになっている。

熱電対１３１は電気絶縁性シート１１１に直列接続されており、熱電対の第１金属体１２１と第２金属体１２２との接続点である第１接点１３７と、隣り合う熱電対１３１同士の接続点である第２接点１３８とを有している。熱電対１３１の第１接点１３７の各々は電気絶縁性シート１１１の頂部１１１ａに位置するように配置され、熱電対１３１の第２接点１３８の各々は電気絶縁性シート１１１の底部１１１ｂに位置するように配置されている。

このような構造の熱電変換デバイスにおいて、第１金属体及び第２金属体は蒸着により電気絶縁性シートに形成されているが、蒸着は断面波形状に折り曲げられた電気絶縁性シートの表面に行うには、マスキング処理を行う必要があることから困難である。そのため、電気絶縁性シートの表面に第１金属体及び第２金属体を蒸着した後に、電気絶縁性シートを断面波形状に折り曲げるようにしている。
特開２００５−２０９７１８号公報

しかしながら、電気絶縁性シートの表面に第１金属体及び第２金属体を蒸着した後に、電気絶縁性シートを折り曲げるようにした場合、屈曲部に配置された第１金属体及び第２金属体には曲げ応力がかかる。第１金属体及び第２金属体を曲げ応力によって断線させないためには、曲げ応力を緩和する必要があり、そのためには電気絶縁性シートを折り曲げる角度を小さくする必要がある。その結果、電気絶縁性シートの屈曲部各々の間の距離ｄ１が長くなる傾向にあり、熱電変換デバイスの集積度を上げる上でのボトルネックとなっていた。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、熱電対の断線を防止するとともに、熱電対の集積度の向上を図ることができる熱電変換デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板上に第１導体と第２導体とを交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスにおいて、前記基板は複数あり、複数の基板は夫々面対向するように並べられていることを要旨とする。

同構成によれば、従来の熱電変換デバイスの製造時に熱電対が形成された基板を折り曲げる際に生ずる曲げ応力を考慮する必要がないため、基板を並べる際に隣り合う基板との距離を小さくさせていっても熱電対の断線のおそれはなく、結果として、熱電対の断線を防止できるとともに、熱電変換デバイスの集積度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記複数の基板が、夫々平行に並べられていることを要旨とする。
同構成によれば、隣り合う基板が平行になっているため、隣り合う基板の距離をより小さくすることができ、熱電変換デバイスの集積度を一層向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、第１導体と第２導体が、第１導体及び第２導体より導電性の高い導電性部材を介して電気的に接続されることを要旨とする。

同構成によれば、導電性部材における電気抵抗値を低くすることで、熱電変換デバイスが発電した電圧からより多くの電流を発生させることができ、熱電変換デバイスの熱電変換効率が上昇する。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の構成に加え、前記熱電対は、前記基板と密封性部材とにより被膜されていることを要旨とする。
同構成によれば、熱電対が密封性部材により覆われて直接外気に触れないため、例えば、風、温度、湿度、パーティクル等の外部環境の影響を受けにくくなり、熱電変換デバイスの長寿命化や、稼動の安定化を図ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の構成に加え、前記熱電対が形成された基板の周囲は断熱性を有する断熱性部材によって覆われているとともに、当該断熱性部材は、熱伝導性を有する熱伝導性部材によって覆われていることを要旨とする。

同構成においては、熱源に熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源から発せられた熱は、熱源から遠い側の冷接点に伝導する場合には、熱源から近い側の温接点に伝導する場合に比してより長い距離、断熱性部材を移動しなければならない。従って、断熱性部材は熱を伝えにくいため、冷接点と温接点との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。

また、直接外部と接触する部分が熱伝導性を有する熱伝導性部材により覆われているため、熱源に当該熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源側の熱伝導性部材は熱を熱電変換デバイスに取り込み、熱源から離間した側の熱伝導性部材は熱を放熱する。その結果、冷接点と温接点との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。

請求項６に記載の発明は、流動性の樹脂部材を流して樹脂層を張る第１工程と、複数の熱電対を並列に設けた平板を前記樹脂層の上に重ねる第２工程と、前記第１工程と第２工程とを所定回数繰り返した後に前記第１工程を最後に行い、その後に平板と樹脂層との積層物を積層方向に圧縮する第３工程と、圧縮された積層物を加熱して樹脂層を硬化させる第４工程と、硬化させた積層物を隣り合う熱電対の間で切断する第５工程とを備える熱電変換デバイスの製造方法である。

同構成によれば、基板の間隔を狭めるとともに各基板間に流入する樹脂部材の量を少なくすることで、同一容量内に配置される基板の数を増加することができ、また、熱電対が形成された基板をそれぞれ平行になるように積層していくことができるため、容易に集積度の高い熱電変換デバイスを製造できる。また、製造過程において、基板に形成された熱電対に曲げ応力がかからないため、製造時における熱電対の断線を抑制することができる。

本発明の熱電変換デバイスは、熱電対の断線を防止できるとともに、熱電変換デバイスの集積度を向上させることができる。

本発明に係る熱電変換デバイスの実施形態を図１〜図４を参照して説明する。図１〜図３に記載のＸ軸はＹ−Ｚ平面に対し垂直であり、Ｙ軸はＸ−Ｚ平面に対し垂直であり、Ｚ軸はＸ−Ｙ平面に対し垂直である。

図１（ｃ）に示すように、基板である複数の電気絶縁性シート１１がＸ軸方向に等間隔になるよう並べられている。また、図１（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に長く形成された電気絶縁性シート１１には、スリット１２が形成されている。なお、電気絶縁性シート１１は、例えばポリミドフィルムにより形成されている。また、図２（ｂ）に示すように、隣り合う電気絶縁性シート１１は、面１１ａと面１１ｂが対向するとともに、平行になるように並べられている。

図１（ｂ）に示すように、面対向するように並べられた複数の電気絶縁性シート１１の各々には、蛇行状をなす熱電対群１３〜１７が直列接続されて設けられている。そして、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、電気絶縁性シート１１のＹ軸方向における左側端部に配置されている熱電対群１３は、隣接する電気絶縁性シート１１に形成されている熱電対群１３と延性を有する導体からなるコネクタ１８を介して電気的に接続されている。また、電気絶縁性シート１１のＹ軸方向における右側端部に配置されている熱電対群１７は、隣接する電気絶縁性シート１１に形成されている熱電対群１７とコネクタ１８を介して電気的に接続されている。

次に、熱電対群１３〜１７の詳細な構成を図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。熱電対群１３〜１７は同じ構成であるので熱電対群１４についてのみ説明する。図２（ａ）は、図１（ｂ）において１点破線で囲んだ箇所の部分拡大図である。

図２（ａ）に示すように、熱電対群１４は、熱電対３１〜３４を備えている。熱電対３１、３２、３３、３４は、Ｙ軸方向の左方から右方へ向けて順番に直列接続されている。各熱電対３１〜３４は、ｐ型ビスマステルルからなる第１導体３１ａ〜３４ａと、ｎ型ビスマステルルからなる第２導体３１ｂ〜３４ｂとを夫々備えている。また、熱電対３１〜３４は、第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂとを電気的に接続する第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃと第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂとを電気的に接続する第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄとを夫々備えている。第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃと第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄは、第１導体３１ａ〜３４ａ及び第２導体３１ｂ〜３４ｂより導電性の高い金属（例えば金）により構成されるとともに、図２（ｂ）に示すように、第１導体３１ａ〜３４ａ及び第２導体３１ｂ〜３４ｂに比べ厚さの薄い膜状に形成されている。

第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂは、Ｚ軸方向に向いて配置されているとともに、第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃと第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄはＹ軸方向に向いて配置されている。また、第１導体３１ａは、他の第１導体３２ａ〜３４ａに比してＺ軸方向において短く形成されているとともに、第２導体３４ｂは、他の第２導体３１ｂ〜３３ｂに比してＺ軸方向において短く形成されている。また、第２導電性部材３４ｄは、電気絶縁性シート１１においてスリット１２が形成されている部分に配置されている。これらの構成は熱電対群１３〜１７において共通する。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、熱電対３１〜３４が形成された電気絶縁性シート１１の周囲は透明シリコーンゴムからなる断熱性部材３５によって覆われているとともに、断熱性部材３５は、透明シリコーンゴムにグラファイトを混入してある熱伝導性部材３６によって覆われている。断熱性部材３５は、熱電対３１〜３４を被膜する密封性部材としても機能する。なお、第１導体３１ａ〜３４ａ及び第２導体３１ｂ〜３４ｂと第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃとの接続部分を夫々第１接点３７として示すとともに、第１導体３１ａ〜３４ａ及び第２導体３１ｂ〜３４ｂと第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄとの接続部分を夫々第２接点３８として示す。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、熱源４０に熱電変換デバイスを近づけた場合、電気絶縁性シート１１において、第１接点３７と第２接点３８とに温度差が生じ、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電が行われる。

次に、本実施形態のように構成された熱電変換デバイスの製造方法について図３、図４を参照して説明する。熱電変換デバイスは、第１〜第６工程を行うことにより製造されている。

まず、初めに、図３に示すように、平板としての電気絶縁性シート１０に第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂとを、第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃ又は第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄを介して交互に直列に形成して、熱電対群１３〜１７を設ける。こうして直列に形成された熱電対群１３〜１７を熱電対列１９と示す。同様にして、電気絶縁性シート１０に、熱電対列１９を並列に複数形成する。

次に、第１工程について説明する。
図４（ａ）に示すように、第１工程においては、透明シリコーンゴムに架橋材を混入してある流動性の熱硬化性樹脂（樹脂部材）８４を所定量流入して樹脂層を張る。流入する熱硬化性樹脂８４の量は、製造する熱電変換デバイスの規格に応じて適宜変更する。

次に、第２工程について説明する。
図４（ｂ）に示すように、第２工程においては、熱電対列１９が複数並列に設けられた電気絶縁性シート１０を、第１過程において張られた樹脂層の上方に重ねる。

次に、第３工程について説明する。
図４（ｃ）に示すように、第３工程は、第１工程及び第２工程を所定回数繰り返した後最後に第１工程を行い、その後に行う。第３工程においては、積層された熱硬化性樹脂８４及び電気絶縁性シート１０に対し、積層方向に圧縮する。

次に、第４工程について説明する。
第４工程においては、積層された熱硬化性樹脂８４及び電気絶縁性シート１０を加熱し、熱硬化性樹脂８４を硬化させる。

次に、第５工程について説明する。
図４（ｄ）に示すように、積層された熱硬化性樹脂８４及び電気絶縁性シート１０を隣り合う熱電対列１９の間、つまり、図３に２点破線で示す線に沿って切断する。その結果、図４（ｅ）に示すような隣接する電気絶縁性シート１０が夫々、面対向すると共に平行となる熱電変換デバイスが製造される。

以上に説明した本実施形態の熱電変換デバイスにおいては、以下に示す効果を得ることができる。
（１）熱電対群１３〜１７が形成された複数の電気絶縁性シート１１を、夫々面対向するように並べるようにした。従って、従来の熱電変換デバイスの製造時に熱電対が形成された電気絶縁性シートを折り曲げる際に生ずる曲げ応力を考慮する必要がない。そのため、電気絶縁性シート１１を並べる際に隣り合う電気絶縁性シート１１との距離を小さくさせていっても熱電対群１３〜１７の断線のおそれはなく、結果として、熱電対群１３〜１７の断線を防止できるとともに、熱電変換デバイスの集積度を向上させることができる。

（２）隣り合う電気絶縁性シート１１が平行になっているため、隣り合う電気絶縁性シート１１との距離をより小さくすることができ、熱電変換デバイスの集積度を一層向上させることができる。

（３）第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂが、第１導体３１ａ〜３４ａ及び第２導体３１ｂ〜３４ｂより導電性の高い第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃ及び第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄを介して電気的に接続されることとした。そのため、第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃ及び第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄにおける電気抵抗値が低くなり、熱電変換デバイスが発電した電圧からより多くの電流を発生させることができ、熱電変換デバイスの熱電変換効率が上昇する。

（４）熱電対３１〜３４は、電気絶縁性シート１１と断熱性部材３５とにより被膜されため、熱電対３１〜３４が断熱性部材３５により覆われて直接外気に触れないため、例えば、風、温度、湿度、パーティクル等の外部環境の影響を受けにくくなり、熱電変換デバイスの長寿命化や、稼動の安定化を図ることができる。

（５）また、熱電変換デバイスにおけるスリット１２を設けた部分は、熱電変換デバイスの他の部分に比して撓みやすくなっているため、応力が加わる可能性が高くなっている。電気絶縁性シート１１においてスリット１２が形成されている部分には第２導電性部材３４ｄを配置した。第２導電性部材３４ｄは第１導体３１ａ〜３４ａや第２導体３１ｂ〜３４ｂに比して薄く形成されているため、延性が向上しており断線が起こる可能性が抑制されることとなる。

（６）熱源４０に熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源４０から発せられた熱は、第２接点３８に伝導する場合には、第１接点３７に伝導する場合に比してより長い距離、断熱性部材３５を移動しなければならない。断熱性部材３５は熱を伝えにくいため、第１接点３７と第２接点３８との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。

（７）直接外部と接触する部分が熱伝導性を有する熱伝導性部材３６により覆われているため、熱源４０に当該熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源４０側の熱伝導性部材３６は熱を熱電変換デバイスに取り込み、熱源から離間した側の熱伝導性部材３６は熱を放熱する。その結果、第１接点３７と第２接点３８との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。

（８）熱電対列１９が並列に配置された電気絶縁性シート１０と、熱硬化性樹脂８４を交互に積層して熱電変換デバイスを製造することとした。従って、電気絶縁性シート１０の間隔を狭くするとともに流入する熱硬化性樹脂８４の量を少なくすることで、同一容量内に配置される電気絶縁性シート１０の数を増加することができ、また、熱電対列１９が形成された電気絶縁性シート１０をそれぞれ平行になるように積層していくことができるため、容易に集積度の高い熱電変換デバイスを製造できる。また、製造過程において、電気絶縁性シート１０に形成された熱電対列１９に曲げ応力がかからないため、製造時における熱電対列１９の断線を抑制することができる。

なお、本実施形態の構成要素は以下のように変更可能である。
・ 本実施形態においては、断熱性部材３５は透明シリコーンゴムにより形成したが、これは他の断熱性を有する材料に変更可能であり、例えば発泡ウレタン等であってもよい。

・ 本実施形態においては、電気絶縁性シート１１および熱電対群１３〜１７の周囲を断熱性部材３５及び熱伝導性部材３６により覆う構成を示したが、これは従来の熱電変換デバイスのように、電気絶縁性シート１１を２枚のシート状部材で挟持する構成に変更してもよい。

・ 第１導電性部材３１ｃ〜３４ｃ及び第２導電性部材３１ｄ〜３４ｄを介さずに第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂとを直接接続する構成にしてもよい。
・ 電気絶縁性シート１１をポリミドフィルムにより形成したが、これは他の絶縁性を有する材料に変更してもよい。

・ 第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂの材料は、熱電対として機能するものであれば他の材料を採用してもよい。すなわち、第１導体３１ａ〜３４ａと第２導体３１ｂ〜３４ｂは、互いに異なる材料で熱電変換が行える材料であればどのような材料を採用してもよい。特に、ゼーベック係数の差が大きな２種類の材料を用いるほど、熱電対の出力電圧（熱電変換効率）は大きくなる。また、熱電対を構成する一方の材料および他方の材料は、金属、半導体、合金、酸化物でもよい。

次に、上記実施形態およびその態様の変更から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）基板上に第１導体と第２導体とを交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスにおいて、前記第１導体と前記第２導体とは、第１導体及び第２導体に比して導電性の高い導電性部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする熱電変換デバイス。

同構成によれば上記（３）に準ずる効果を奏することができる。
（ロ）基板上に第１導体と第２導体とを交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスにおいて、前記熱電対が形成された基板の周囲は断熱性を有する断熱性部材によって覆われているとともに、当該断熱性部材は、熱伝導性を有する熱伝導部材によって覆われていることを特徴とする熱電変換デバイス。

同構成によれば上記（６）、（７）に準ずる効果を奏することができる。

（ａ）は熱電変換デバイスの斜視図であり、（ｂ）はＡ−Ａにおける断面図であり、（ｃ）はＹの方向から見た熱電変換デバイスの正面図である。 （ａ）は図１（ｂ）の部分拡大図であり、（ｂ）はＢ−Ｂにおける断面図である。 熱電変換デバイスの正面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、熱電変換デバイスの製造方法を示す工程図である。 従来の熱電変換デバイスの正面図である。

符号の説明

１１…電気絶縁性シート、３１〜３４…熱電対、３１ａ〜３４ａ…第１導体、３１ｂ〜３４ｂ…第２導体、３１ｃ〜３４ｃ…第１導電性部材、３１ｄ〜３４ｄ…第２導電性部材、３５…断熱性部材（密封性部材）、３６…熱伝導性部材、８４…熱硬化性樹脂。

Claims (6)

1. 基板上に第１導体と第２導体とを交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスにおいて、前記基板は複数あり、前記複数の基板は夫々面対向するように並べられていることを特徴とする熱電変換デバイス。
2. 請求項１に記載の熱電変換デバイスにおいて、
   前記複数の基板は、夫々平行に並べられていることを特徴とする熱電変換デバイス。
3. 前記第１導体と前記第２導体とは、第１導体及び第２導体に比して導電性の高い導電性部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換デバイス。
4. 前記熱電対は、前記基板と密封性部材とにより被膜されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
5. 前記熱電対が形成された基板の周囲は断熱性を有する断熱性部材によって覆われているとともに、当該断熱性部材は、熱伝導性を有する熱伝導性部材によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
6. 流動性の樹脂部材を流して樹脂層を張る第１工程と、
   複数の熱電対を並列に設けた平板を前記樹脂層の上に重ねる第２工程と、
   前記第１工程と第２工程とを所定回数繰り返した後に前記第１工程を最後に行い、その後に平板と樹脂層との積層物を積層方向に圧縮する第３工程と、
   圧縮された積層物を加熱して樹脂層を硬化させる第４工程と、
   硬化させた積層物を隣り合う熱電対の間で切断する第５工程と
   を備える熱電変換デバイスの製造方法。

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