JP2008060488A - 片面電極型熱電変換モジュール - Google Patents

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Toshimitsu Muramatsu
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Abstract

【課題】絶縁基板の片面に電極を配置して、かつその電極上に熱電変換素子を積層する構造をしており、製造工程が簡単でかつ薄膜化が可能なの片面電極型熱電変換モジュールを提供することができる。
【解決手段】絶縁基板の同一面上に電極を配置し、その上に前記電極を介して熱電変換素子を電気的に直列に接続するように配列し、さらに熱電変換素子上に熱伝導層及び断熱層、又は熱線吸収層及び熱線反射層を並設してなることを特徴とする片面電極型熱電変換モジュール。
【選択図】図1

Description

本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する片面電極型熱電変換モジュールに関する。

従来、熱電現象としてゼーベック効果、ペルチェ効果およびトムソン効果が知られている。ゼーベック効果とは、例えばp型とn型の熱電半導体を電気的に接合した接合部を持つ熱電変換素子対において、接合部を高温にし、かつ熱電半導体の他端を低温にすると、温度差に応じた熱起電力が発生する現象である。ペルチェ効果とは、例えばp型とn型の熱電半導体を電気的に接合した接合部を持つ熱電変換素子対において、一方の熱電半導体から他方の熱電半導体へ電流を流すと、接合部では熱を吸収し、熱電半導体の他端では熱を発生する現象である。トムソン効果とは、例えばp型またはn型の熱電半導体の一端を高温にし、他端を低温にして、温度勾配に沿って電流を流すと、電流の方向によって半導体の内部で熱の吸収または発生を生じる現象である。これらの熱電現象を利用した熱電変換モジュールは、可動部分が全くないため振動、騒音、摩耗などを生じることがなく、構造が簡単で信頼性が高く、高寿命で保守が容易である。したがって、これらの特徴を活かして熱電発電や熱センサー、電子冷却など種々の分野において幅広く利用されている。

このような熱電変換モジュールの一般的な構造は、p型半導体素子とn型半導体素子とを交互に2枚の絶縁基板間にて並設し、p型半導体素子とn型半導体素子のそれぞれの一端を一方の絶縁基板上にて電極部材を用いて接続させると共に、他端を他方の絶縁基板上にて電極部材を用いて接続させ、これらを電気的に多数直列に接続した構成を有している(例えば特許文献1参照)。また、薄膜型の熱電変換モジュールの例としては、熱電変換材料薄膜がフィルム状支持体の表面に成膜してなる熱電変換素子を、該素子の熱電変換材料薄膜の互に対向する端縁部において電極に取り付けた構成がある(例えば特許文献2参照)。

特開2002−252379号公報 特開平10−74987号公報

しかしながら上記熱電変換モジュールは、熱電変換素子を電極で挟み込むサンドイッチ構造をしているため製造工程が煩雑になる問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造工程が簡単かつ薄膜化が可能な熱電変換モジュールを提供することにある。

本発明は、(1)絶縁基板の同一面上に電極を配置し、その上に前記電極を介して熱電変換素子を電気的に直列に接続するように配列し、さらに熱電変換素子上に熱伝達層及び断熱層を並設してなることを特徴とする片面電極型熱電変換モジュールに関する。
(2)また、熱電変換素子上に熱伝達層及び断熱層を一対として設けてなる(1)記載の片面電極型熱電変換モジュールに関する。
(3)熱電変換素子がn型熱電変換素子単独又はp型熱電変換素子単独で構成される(1)又は(2)記載の片面電極型熱電変換モジュールに関する。
(4)また、熱電変換素子としてn型熱電変換素子とp型熱電変換素子とを交互に配列してなり、かつ熱伝達層及び断熱層が、配列した熱電変換素子間に跨って並設される(1)記載の片面電極型熱電変換モジュールに関する。
(5)また、熱電変換素子が、常温におけるゼーベック係数の絶対値が50μV/K以上である熱電変換材料からなる(1)乃至(4)いずれか記載の片面電極型熱電変換モジュールに関する。
(6)また、熱伝達層が熱線吸収塗料を塗布してなる層である(1)乃至(4)のいずれか記載の片面電極型熱電変換モジュールに関する。
(7)また、断熱層が熱線反射塗料を塗布してなる層である(1)乃至(4)のいずれか記載の片面電極型熱電変換モジュールに関する。

本発明の片面電極型熱電変換モジュールは、絶縁基板の片面に電極を配し、その上に熱電変換素子を積層する構造をしており、製造工程が簡単かつ薄膜化が可能な熱電変換モジュールを作成することができる。また、本発明の片面電極型熱電変換モジュールは、例えばボイラー配管や熱水配管、自動車のラジエーター等に巻きつけ又は貼付けての使用、また熱線を含んだエネルギー線(太陽光線、白熱灯等)が照射される用途での使用に適している。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態に係る片面電極型熱電変換モジュールの上面図及び斜視図である。

図1に示すように、本発明の一実施形態に係る片面電極型熱電変換モジュールは、絶縁基板1の同一面上に電極2を配置し、その上に前記電極2を介して熱電変換素子3を電気的に直列に接続するように配列し、さらに熱電変換素子3上に熱伝達層4及び断熱層5を一対として並設してなる。

絶縁基板1は、通常当該分野で使用されている絶縁基板であれば特に限定することなく使用できる。例えば、セラミックス基板(炭化珪素基板、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板等)、石英基板、ガラス基板、樹脂基板(エポキシ樹脂基板、フェノール樹脂基板、フッ素樹脂基板、ポリエステル基板、ポリメタクリレート基板、ポリカーボネート基板、ポリサルホン基板等)、及び薄膜フィルム基板(ポリイミドフィルム基板、ポリエチレンテレフタレートフィルム基板等)が挙げられる。

電極2は、通常当該分野で使用されている電極であれば特に限定することなく使用できる。電極2に使用する電極材料としては、例えば、銀、銅、ステンレス、ATO(アンチモン−スズ系酸化物)、ITO(インジウム−スズ系酸化物)等が挙げられる。

電極2は、絶縁基板1の同一平面上に配置される。電極2を配置する方法としては、絶縁基板1の同一面上に電極2を配置することができる方法であれば特に限定するものではない。例えば絶縁基板1上に前記電極材料をCVD法(化学的気相成長法)、PVD法(物理的気相成長法)、スパッタリング法等により形成し電極2を配置する方法;絶縁基板1上に前記電極材料の分散溶液又は前駆体溶液を塗布又はメッキ法により積層し必要により乾燥を行い電極2を配置する方法;あらかじめ電極材料からなる膜が形成されている絶縁基板1の電極材料膜面上に所望の電極2の配置パターンに応じたレジスト膜をフォトリソグラフィー工程又は印刷工程により作成しエッチング工程により不要な電極材料層を除去することにより電極2を配置する方法等が挙げられる。

熱電変換素子3は、通常当該分野で使用されている熱電変換材料からなる熱電変換素子であれば特に限定することなく使用できる。熱電変換素子3は、製造工程が簡単になる点から、n型熱電変換素子単独又はp型熱電変換素子単独で構成されることが好ましい。n型熱電変換素子及びp型熱電変換素子は、それぞれn型熱電変換材料及びp型熱電変換材料より作成することができる。熱電変換材料には、例えばn型熱電変換材料として、BiTe、(Ba,Sr)PbO、(Ca,La)MnO等、p型熱電変換材料としてNaCo等が挙げられる。特に、前記熱電変換材料が、常温におけるゼーベック係数(S)の絶対値が50μV/K以上である熱電変換材料であれば、十分な熱電変換効率を得ることができるため好ましい。

ここで、ゼーベック係数(S)とは、以下の測定方法によって得られる値である。
ゼーベック係数の測定方法
(1)ゼーベック係数測定用熱電変換材料の作成
熱電変換材料の原材料をペレット化し、もしくは蒸着により成膜し、測定用熱電変換材料を作成する。ただし、測定用熱電変換材料の作成がペレット化及び蒸着のいずれにおいても可能な原材料の場合は、ペレット化により作成を行う。ペレット化の際の圧力は20Mpaで圧力負荷時間は2分であり、ペレットの試料形状は直径1cm×厚さ1mmの円柱状である。また、蒸着により成膜される試料の形状は直径1cm×厚さ50nmの円形状である。
(2)常温におけるゼーベック係数(S)は以下の方法により測定して求める。(1)で作成した測定用熱電変換材料の一端(低温側)を10℃〜50℃の任意の温度に設定し、それに対して他端を高温(高温側)にする。この際電位差を測定する為の2つの測定端子を、試料の中心点から4mm離れた位置に試料の中心点に対して点対称かつそれぞれが低温側、高温側の中心に位置するように設置する。そして低温側と高温側の温度差(δK)を10℃、15℃、20℃、25℃としたときの電位差(μV)を測定する。温度差(δK)と測定した電位差(μV)から最小二乗法計算により1次式:[μV]=α[δK]+β(α、βは係数)を導く。導き出された値αがゼーベック係数(S)となる。

熱電変換素子3は、電極2を介して電気的に直列に接続するように配列される。熱電変換素子3の形成方法は特に限定されるものではなく、公知の方法が使用できる。形成方法として、例えばCVD法、PVD法、スパッタリング法、ガスデポジション法、エアロゾルデポジション法等による方法等が挙げられる。

熱伝達層4は、外部の熱エネルギーを熱伝達層4に接する熱電変換素子へ伝達する層であり、断熱層5と比較して、外部の熱エネルギーを熱電変換素子へ効率良く伝達する層である。本発明において、外部の熱エネルギーとしては、例えば、高温のボイラー配管及び熱水配管等の高温媒体による熱エネルギー、並びに太陽、白熱灯及び人工太陽灯等の光源による熱エネルギーが挙げられる。熱エネルギーが高温媒体による熱エネルギーである場合、高温媒体から熱電変換素子への熱伝達過程において、高温媒体から熱伝達層4への熱伝達の形態は熱伝導であり、また熱伝達層4から熱電変換素子への熱伝達の形態も熱伝導であるため、熱伝達層4は、熱伝導性の良好な材料からなる層であることが好ましい。このような層として、例えば、金、銀、銅及びアルミニウム等の金属箔及びシート;前記金属からなる粒子を含有するプラスチックシート及びフィルム;前記金属を含有してなる塗料からなる塗膜等が挙げられる。また、熱エネルギーが光源による熱エネルギーである場合、光源から熱電変換素子への熱伝達過程において、熱伝達層4から熱電変換素子への熱伝達の形態は熱伝導であるが、光源から熱伝達層4への熱伝達の形態は熱放射が主であるため、熱伝達層4は、熱伝導性に加えて熱線吸収性を有する層であることが好ましい。この際、熱伝達層4は熱線吸収性及び熱伝導性を有する単層であっても良く、また熱線吸収性及び熱伝導性に優れたそれぞれの層からなる複層であっても良い。熱線吸収性を有する熱伝達層としては、熱線吸収塗料を塗布してなる層であれば、製造工程が簡単となるためさらに好ましい。熱線吸収塗料としては、例えば黒顔料を含有した従来公知の黒色塗料等が使用できる。塗布方法としては、例えばスプレー塗装、スクリーン印刷等、公知の塗布方法が使用できる。熱伝達層4の厚さは特に限定されるものではないが、製造工程が簡単な点及び熱伝達性の点から、1〜500μmであることが好ましい。

断熱層5は、外部の熱エネルギーが断熱層5に接する熱電変換素子へ伝達することを防止する層であり、熱伝達層4と比較して、外部の熱エネルギーが熱電変換素子へ伝達することを防止する層である。熱エネルギーが高温媒体による熱エネルギーである場合、高温媒体から熱電変換素子への熱伝達過程は前記のとおりであり、断熱層5は、熱伝導性の低い材料からなる層であることが好ましい。このような層として、例えば、発砲ポリスチレンシート;中空ビーズ及び多孔質ビーズ等を含有するプラスチックシート及びフィルム;中空ビーズ及び多孔質ビーズ等を含有してなる塗料からなる塗膜等が挙げられる。また、熱エネルギーが光源による熱エネルギーの場合、光源から熱電変換素子への熱伝達過程は前記のとおりであり、断熱層5は、熱線反射性を有する層及び/又は熱伝導性の低い層であることが好ましい。この際、断熱層5は単層であっても良く、また熱線反射性に優れた層及び熱伝導性の低い層からなる複層であっても良い。熱線反射性を有する断熱層としては、熱線反射塗料を塗布してなる層であれば、製造工程が簡単となるためさらに好ましい。熱線反射塗料としては、例えば従来公知の白色塗料やいわゆる遮熱塗料等が使用できる。熱線反射塗料の塗布方法としては、例えばスプレー塗装、スクリーン印刷等、公知の塗布方法が使用できる。断熱層5の厚さは特に限定されるものではないが、製造工程が簡単な点及び熱伝達を防止する点から1〜500μmであることが好ましい。

図1において熱伝達層4及び断熱層5は、熱電変換素子3上に一対として設けられる。熱伝達層4は外部の熱エネルギーを熱伝達層4に接する熱電変換素子面に伝達し、一方断熱層5は外部の熱エネルギーを断熱層に接する熱電変換素子面に伝達することを防止する。このことにより、熱電変換素子内に温度勾配を発生させ、熱電変換効果が生じる。

続いて、図2は本発明の他の一実施形態に係る片面電極型熱電変換モジュールの上面図及び斜視図である。

図2に示すように、本発明の一実施形態に係る片面電極型熱電変換モジュールは、絶縁基板1の同一面上に電極2を配置し、その上に前記電極2を介して熱電変換素子が電気的に直列に接続するように配列し、該熱電変換素子の配列はn型熱電変換素子31とp型熱電変換素子32が交互に配列したものであり、さらに熱電変換素子上に熱伝達層4及び断熱層5が一対として並設し、かつ熱伝達層4及び断熱層5が配列した熱電変換素子間に跨って設けてなる。

n型熱電変換素子31は、通常当該分野で使用されているn型熱電変換材料からなるn型熱電変換素子であれば特に限定することなく使用できる。n型熱電変換材料としては、例えば前記のn型熱電変換材料等が使用できる。また、ゼーベック係数(S)の絶対値が50μV/K以上であるn型熱電変換材料であれば十分な熱電変換効率を得ることができるため好ましい。

p型熱電変換素子32は、通常当該分野で使用されているp型熱電変換材料からなるp型熱電変換素子であれば特に限定することなく使用できる。p型熱電変換材料としては、例えば前記のp型熱電変換材料等が使用できる。また、ゼーベック係数(S)の絶対値が50μV/K以上であるp型熱電変換材料であれば十分な熱電変換効率を得ることができるため好ましい。

n型熱電変換素子31とp型熱電変換素子32は、電極2を介して電気的に直列に接続するように配列し、かつ交互に配列するよう形成される。n型熱電変換素子31及びp型熱電変換素子32はそれぞれ前記のn型熱電変換材料及びp型熱電変換材料から形成されるが、形成方法は特に限定されるものではなく、公知の方法が使用できる。例えばCVD法、PVD法、スパッタリング法、エアロゾルデポジション法等による方法等が挙げられる。

図2において熱伝達層4及び断熱層5は、n型熱電変換素子31とp型熱電変換素子32が電極2を介して電気的に直列に接続するように配列しかつ交互に配列した熱電変換素子間の上に跨って並設される。そのようにすることで、前記のように、外部の熱エネルギーにより熱電変換効果が生じた場合、熱電変換効果によって発生した電流の向きは、n型熱電変換素子内、p型熱電変換素子内ともに同じ方向となり、モジュール内を電流が流れる。

実施例1
片面電極型熱電変換モジュールの作成
図3(a)のITO薄膜付ガラス基板(大きさ:5.8cm×8cm、ITO薄膜厚さ:200nm)のITO薄膜を部分的にエッチングして、ITO薄膜の幅が8mm、エッチング部分の幅が2mmとなる図3(b)に示す電極付基板を作成した。続いて、該電極基板上に、メタルマスクを介して真空下(〜10−4Pa)の抵抗加熱によりBiTe(株式会社高純度化学研究所製)の蒸着を行い、2本のITO薄膜に跨るようにBiTe層33(熱電変換素子層)を作成し、図3(c)に示す熱電変換素子搭載基板を得た。なおこのとき、他のガラス基板上にBiTeを蒸着し、そのゼーベック係数を前記測定方法により測定したところ、−210μV/Kであった。更に、BiTe層33の上に、各幅4mmの熱伝達層及び断熱層が一対として設けられるように、黒色塗料(熱線吸収塗料、レタンPG2K #400ディープブラック、関西ペイント株式会社製)及び白色塗料(熱線反射塗料、レタンPG2K #531ホワイト、関西ペイント株式会社製)をそれぞれ乾燥膜厚で20μmとなるよう塗布し、60℃において2時間で乾燥・硬化させそれぞれ黒色塗膜41(熱伝達層)及び白色塗膜51(断熱層)を作成し、図3(d)に示す片面電極型熱電変換モジュールを得た。

片面電極型熱電変換モジュールの性能評価
上記で作成した熱電変換モジュールの両端に図3(e)に示すように導線6を取り付けた。作成した片面電極型熱電変換モジュールの上面(熱伝達層及び断熱層面)に対し、30cm離れた位置から、熱源となる人工太陽灯(商品名:XC−100A、中心光度:3000cd、セリック株式会社製)の光を照射し、両端の導線間にかかる電位差と電流値を測定した。10分間照射した結果、最大電位差1mV、電流値1mAであった。また比較として、室温下で人工太陽灯を照射せず電位差と電流値を測定したところ、電位差0mV、電流値0mAであった。このことより、人工太陽灯からの光を黒色塗膜(熱伝導層)が吸収して熱を発生し、一方白色塗膜(断熱層)が光を反射することで熱上昇を抑制したことによって、片面電極型熱電変換モジュール内で温度勾配が生じ、その結果発電が生じ電流が流れたことを確認した。

本発明の一実施形態に係る片面電極型熱電変換モジュールの上面図及び斜視図である。 本発明の他の一実施形態に係る片面電極型熱電変換モジュールの上面図及び斜視図である。 実施例1の片面電極型熱電変換モジュールの製造方法を説明する図である。

符号の説明

1:絶縁基板、11:ガラス基板、2:電極、21:ITO電極、3:熱電変換素子、31:n型熱電変換素子、32:p型熱電変換素子、33:BiTe層、4:熱伝達層、41:黒色塗膜、5:断熱層、51:白色塗膜、6:導線

Claims (7)

  1. 絶縁基板の同一面上に電極を配置し、その上に前記電極を介して熱電変換素子を電気的に直列に接続するように配列し、さらに熱電変換素子上に熱伝達層及び断熱層を並設してなることを特徴とする片面電極型熱電変換モジュール。
  2. 熱電変換素子上に熱伝達層及び断熱層を一対として設けてなる請求項1記載の片面電極型熱電変換モジュール。
  3. 熱電変換素子がn型熱電変換素子単独又はp型熱電変換素子単独で構成される請求項1又は2記載の片面電極型熱電変換モジュール。
  4. 熱電変換素子としてn型熱電変換素子とp型熱電変換素子とを交互に配列してなり、かつ熱伝達層及び断熱層が、配列した熱電変換素子間に跨って並設される請求項1記載の片面電極型熱電変換モジュール。
  5. 熱電変換素子が、常温におけるゼーベック係数の絶対値が50μV/K以上である熱電変換材料からなる請求項1乃至4のいずれか1項記載の片面電極型熱電変換モジュール。
  6. 熱伝達層が熱線吸収塗料を塗布してなる層である請求項1乃至4のいずれか1項記載の片面電極型熱電変換モジュール。
  7. 断熱層が熱線反射塗料を塗布してなる層である請求項1乃至4のいずれか1項記載の片面電極型熱電変換モジュール。
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