JP2008130594A - Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換デバイス及びその製造方法に関し、特に温接点と冷接点との温度差によって発電する熱電変換デバイス及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device and a method for manufacturing the thermoelectric conversion device, and more particularly, to a thermoelectric conversion device that generates power by a temperature difference between a hot junction and a cold junction and a method for manufacturing the thermoelectric conversion device.
従来の熱電変換デバイスとして、第1熱電対エレメントとしての第1金属線(例えば銅線)と第2熱電対エレメントとしての第2金属線(例えばニッケル線)とを接続してなる複数の熱電対を有するものがある(特許文献1)。 As a conventional thermoelectric conversion device, a plurality of thermocouples formed by connecting a first metal wire (for example, a copper wire) as a first thermocouple element and a second metal wire (for example, a nickel wire) as a second thermocouple element (Patent Document 1).
この熱電変換デバイスは、可撓性を有する電気絶縁性シートと、この電気絶縁性シートの一方側の面に形成された熱電対群と、この熱電対群を覆うようにして電気絶縁性シートにその両方側の面からそれぞれ固定された1対の形状維持シートとを備えている。 The thermoelectric conversion device includes a flexible electrically insulating sheet, a thermocouple group formed on one surface of the electrically insulating sheet, and an electrically insulating sheet so as to cover the thermocouple group. And a pair of shape maintaining sheets fixed from both sides.
電気絶縁性シートは、平面矩形状のプラスチックシートをそのシート長辺が波打つように折り曲げることにより、全体が断面波形状に形成されている。電気絶縁性シートには、シート長辺に沿って延びる複数のスリットが形成されている。複数のスリットは、熱電対群が形成されていない領域に配置されている。熱電対群は、第1金属線と第2金属線からなる複数の熱電対を電気絶縁性シートの一方側の面上で直列に接続することにより形成されている。1対の形状維持シートは、可撓性及び伸縮性を有する平面矩形状の電気絶縁性材料によって形成されている。 The electrically insulating sheet is formed into a corrugated cross-section as a whole by bending a flat rectangular plastic sheet so that the long side of the sheet undulates. The electrical insulating sheet is formed with a plurality of slits extending along the long side of the sheet. The plurality of slits are arranged in a region where the thermocouple group is not formed. The thermocouple group is formed by connecting a plurality of thermocouples composed of a first metal wire and a second metal wire in series on one surface of the electrically insulating sheet. The pair of shape maintaining sheets is formed of a planar rectangular electrically insulating material having flexibility and stretchability.
以上の構成において、複数の熱電対の第1及び第2金属線の接点部における加熱及び加冷に基づいて発電が行われる。 In the above configuration, power generation is performed based on heating and cooling at the contact portions of the first and second metal wires of the plurality of thermocouples.
一方、電気絶縁性シートの全体をそのシート長辺が波打つように断面波形状に形成しているため、電気絶縁性シートのシート長辺が湾曲するように熱電変換デバイスに外力が作用すると、熱電変換デバイスが外力の作用方向に撓む。また、電気絶縁性シートのシート長辺に沿って延びる複数のスリットを形成しているため、電気絶縁性シートのシート短辺が湾曲するように熱電変換デバイスに外力が作用すると、複数のスリットが電気絶縁性シートのシート短辺の方向に広がり、熱電変換デバイスが外力の作用方向に撓む。これにより、熱電変換デバイスを様々な方向に撓ますことが可能となる。
しかし、特許文献1の熱電変換デバイスによると、熱電対の接点部が電気絶縁性シートの折曲部近傍に形成されているため、熱電対の接点部における断線を回避するために電気絶縁性シートの折り曲げ(波形加工)に細心の注意を払う必要が生じ、製造加工を面倒なものにするという問題があった。
However, according to the thermoelectric conversion device of
また、熱電対の接点部が電気絶縁性シートの折曲部近傍に形成されていることは、電気絶縁性シートの波形加工時に熱電対の接点部に曲げ応力が作用し易くなり、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性が低下するという問題もあった。 In addition, the fact that the contact portion of the thermocouple is formed in the vicinity of the bent portion of the electrically insulating sheet makes it easier for bending stress to act on the contact portion of the thermocouple during waveform processing of the electrically insulating sheet. There was also a problem that the reliability of mechanical and electrical connection was lowered.
従って、本発明の目的は、製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる熱電変換デバイス及びその製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion device capable of simplifying the manufacturing process and improving the reliability of mechanical and electrical connection in a thermocouple, and a method for manufacturing the thermoelectric conversion device. .
(1)本発明は、上記目的を達成するために、所定の間隔をもって並列し、全体において折曲部を介して一体に形成された複数のシート状部材と、前記複数のシート状部材に形成された複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群と、前記折曲部に形成され、前記複数の熱電対群のうち互いに隣り合う2つの熱電対群を直列に接続する複数の接続導体とを備えたことを特徴とする熱電変換デバイスを提供する。 (1) In order to achieve the above-mentioned object, the present invention forms a plurality of sheet-like members that are arranged in parallel at a predetermined interval and are integrally formed through bent portions, and the plurality of sheet-like members. A plurality of thermocouple groups formed by connecting a plurality of thermocouples connected in series, and a plurality of thermocouple groups formed in the bent portion and connecting two adjacent thermocouple groups among the plurality of thermocouple groups in series A thermoelectric conversion device comprising: a connection conductor.
(2)本発明は、上記目的を達成するために、所定の間隔をもって並列する複数の第1領域部、及び前記複数の第1領域部のうち互いに隣り合う2つの第1領域部間に全体において介在する複数の第2領域部を有するシート状の基部材を形成する第1ステップと、前記複数の第1領域部に複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群を前記基部材に形成する第2ステップと、前記複数の第2領域部を境界として前記基部材を折り曲げることにより、前記複数の第2領域部に対応する複数の折曲部を介して複数のシート状部材を形成する第3ステップとを備えたことを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法を提供する。 (2) In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of first region portions arranged in parallel at a predetermined interval, and two adjacent first region portions among the plurality of first region portions. A first step of forming a sheet-like base member having a plurality of second region portions interposed therein, and a plurality of thermocouple groups formed by connecting a plurality of thermocouples in series to the plurality of first region portions, A second step formed on the base member and a plurality of sheet shapes via a plurality of bent portions corresponding to the plurality of second region portions by bending the base member with the plurality of second region portions as boundaries. And a third step of forming a member. A method of manufacturing a thermoelectric conversion device is provided.
本発明によると、製造加工の簡素化を図ることができるとともに、熱電対における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる。 According to the present invention, the manufacturing process can be simplified and the reliability of the mechanical and electrical connection in the thermocouple can be increased.
[実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す斜視図である。図2は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスを説明するために示す平面図である。
[Embodiment]
FIG. 1 is a perspective view for explaining a thermoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view for explaining the thermoelectric conversion device according to the embodiment of the present invention.
(熱電変換デバイスの全体構成)
図1及び図2において、符号1で示す熱電変換デバイスは、柔軟性材料からなるデバイス本体2と、デバイス本体2上で温接点と冷接点との間に温度差を与えることにより発電する複数の熱電対群3,3,…と、デバイス本体2と同様に柔軟性材料からなるパッケージ部材4とから大略構成されている。なお、熱電変換デバイス1においては、熱電対群3,3,…に通電することにより発熱・吸熱作用を得ることができる。
(Overall configuration of thermoelectric conversion device)
1 and 2, a thermoelectric conversion device denoted by
(デバイス本体2の構成)
デバイス本体2は、図1に示すように、所定の間隔(0.3〜0.5mm)をもって厚さ方向に並列する複数の熱電対形成領域部(シート状部材)2A,2A,…、及びこれら熱電対形成領域部2A,2A,…のうち互いに隣り合う2つの熱電対形成領域部2A,2A間に介在する複数の折曲部2B,2B,…を有し、全体が例えばポリイミド樹脂等の柔軟性材料からなるつづら折状の絶縁プラスチックシートによって形成されている。デバイス本体2の厚さは、例えば12〜125μm程度の寸法に設定されている。
(Configuration of device body 2)
As shown in FIG. 1, the
熱電対形成領域部2A,2A,…のうち互いに隣り合う2つの熱電対形成領域部2A,2Aは、図2に示すように、その表面同士又は裏面同士が互いに対向する位置に配置されている。熱電対形成領域部2A,2A,…のうち両端部の熱電対形成領域部2A,2Aの先端縁の上側部には、パッケージ4の外部に露出する突出片2C,2Cが一体に形成されている。また、熱電対形成領域部2A,2Aの先端縁の上側部には、外部に出力する端子パターン9,9がそれぞれ突出片2C,2Cに跨って形成されている。熱電対形成領域部2A,2A,…の平面寸法は、例えば縦寸法が3〜5mm程度の寸法に、また横寸法が100mm程度の寸法にそれぞれ設定されている。
As shown in FIG. 2, the two adjacent
折曲部2B,2B,…は、熱電対形成領域部2A,2A,…のうち互いに隣り合う2つの熱電対形成領域部2A,2A間に全体において配置(形成)されている。折曲部2B,2B,…には、Cu(銅)等の柔軟性材料からなる導電部材としての接続パターン(接続導体)8B,8B,…が熱電対形成領域部2A,2A,…に跨って形成されている。
The bent
(熱電対群3,3,…の構成)
複数の熱電対群3,3,…は、図1に示すように、それぞれ複数の熱電対5,5,…(合計で例えば10000個)からなり、デバイス本体2(熱電対形成領域部2A,2A,…)に形成(配置)されている。熱電対5,5,…は、第1熱電対エレメント5A,5A,…及び第2熱電対エレメント5B,5B,…を有し、熱電対形成領域部2A,2A,…の折曲部側端縁に隣接する一方側(上方)端縁及び他方側(下方)端縁に沿ってそれぞれ並列する第1接点部6,6,…と第2接点部7,7,…によって直列に接続されている。熱電対形成領域部2A,2A,…のうち互いに隣り合う2つの熱電対形成領域部2A,2Aにそれぞれ形成された熱電対5,5同士は、接続パターン8Bによって接続されている。熱電対5,5,…のうち最端部の熱電対5,5(第1熱電対エレメント5Aと第2熱電対エレメント5B)には、それぞれ端子パターン9,9が接続されている。
(Configuration of
As shown in FIG. 1, each of the plurality of
第1熱電対エレメント5A,5A,…は、p型熱電半導体からなり、熱電対形成領域2A,2Aの一方側の面(表面)にパターン形成されている。第2熱電対エレメント5B,5B,…は、n型熱電半導体からなり、第1熱電対エレメント5A,5A,…と同様に、熱電対形成領域2A,2A,…の表面にパターン形成されている。p型熱電半導体及びn型熱電半導体の厚さは4〜5μm程度の寸法に、また幅は300μm程度の寸法にそれぞれ設定されている。p型熱電半導体及びn型熱電半導体としては、良好な熱電能(ゼーベック効果)を得るためにBi(ビスマス)Te(テルル)系の半導体材料が用いられる。
The
第1接点部6,6,…は、熱電対形成領域2A,2A,…の上方端縁に配置され、熱電変換デバイス1の温接点として機能するように構成されている。第2接点部7,7,…は、熱電対形成領域2A,2A,…の下方端縁に配置され、熱電変換デバイス1の冷接点として機能するように構成されている。
The
(パッケージ部材4の構成)
パッケージ部材4は、図1に示すように、例えば直方体からなり、全体が例えばシリコーン樹脂(PDMS:polydimethylsiloxane)等の柔軟性材料によって形成されている。そして、デバイス本体2及び複数の熱電対群3,3,…(接続パターン8B,8B,…)を覆うように構成されている。
(Configuration of package member 4)
As shown in FIG. 1, the
(熱電変換デバイス1の動作)
熱電変換デバイス1の第1接点部側を高温度(例えば車両用ボンネットの廃熱)雰囲気中に配置するとともに、その第2接点部側を低温度雰囲気(例えば大気)中に配置すると、熱電対5,5,…の第1接点部6,6,…と第2接点部7,7,…との間に温度差(10℃程度)が生じる。このため、熱電対5,5,…のうち最端部の熱電対5,5にそれぞれ接続する端子パターン9,9間に電圧(4〜6V程度)が生じる。
(Operation of thermoelectric conversion device 1)
When the first contact part side of the
(熱電変換デバイスの製造方法)
図3〜図6は、本発明の実施の形態に係る熱電変換デバイスの製造方法を説明するために示す図である。図3は、基部材(熱電対形成用部材)の形成工程(第1ステップ)を説明するために示す平面図である。図4は、熱電対群の形成工程(第2ステップ)を説明するために示す平面図である。図4(a)は接続(端子)パターンの形成工程を、図4(b)は熱電対エレメントの形成工程をそれぞれ示す。図5は、基部材の折り曲げ形成工程(第3ステップ)を説明するために示す斜視図である。図6は、パッケージ部材の形成工程を説明するために示す斜視図である。
(Method for manufacturing thermoelectric conversion device)
3-6 is a figure shown in order to demonstrate the manufacturing method of the thermoelectric conversion device which concerns on embodiment of this invention. FIG. 3 is a plan view for explaining the formation process (first step) of the base member (thermocouple forming member). FIG. 4 is a plan view for explaining the thermocouple group forming step (second step). 4A shows a connection (terminal) pattern forming process, and FIG. 4B shows a thermocouple element forming process. FIG. 5 is a perspective view for explaining the base member bending formation step (third step). FIG. 6 is a perspective view for explaining a package member forming process.
本実施の形態に示す熱電変換デバイスの製造方法は、「基部材の形成」,「熱電対群の形成」,「基部材の折り曲げ形成」及び「パッケージ部材の形成」の各工程が順次実施されるため、これら各工程を順次説明する。 In the method of manufacturing a thermoelectric conversion device shown in the present embodiment, the steps of “formation of base member”, “formation of thermocouple group”, “formation of bending of base member”, and “formation of package member” are sequentially performed. Therefore, each of these steps will be described sequentially.
「基部材の形成」
図3に示すように、所定の間隔をもって面方向に並列する複数の熱電対形成領域部2A,2A,…となる第1領域部20A,20A,…、これら第1領域部20A,20A,…のうち互いに隣り合う2つの第1領域部20A,20A間に全体において介在する複数の折曲部2B,2B,…となる第2領域20B,20B,…、及び複数の第1領域部20A,20A,…のうち最端部の第1領域部20A,20Aにおける先端縁の一方側部にそれぞれ突出する突出片2C,2Cとなる第3領域部20C,20Cを有する熱電対形成用の基部材20を形成する。基部材20としては、例えばポリイミド樹脂等の柔軟性材料からなる帯状の絶縁プラスチックシートが用いられる。
"Formation of base member"
As shown in FIG. 3,
「熱電対群の形成」
先ず、図4(a)に示すように、第1領域部20A,20A,…及び第2領域部20B,20B,…に跨って接続パターン8B,8B,…を形成するとともに、第1領域部20A,20A,…のうち最端部の第1領域部20A,20A及び第3領域部20C,20Cに跨って端子パターン9,9を形成する。この場合、接続パターン8B,8B,…の形成は、第1領域部20A,20A,…の一方側の面及び第2領域部20B,20B,…の一方側の面に例えばスパッタリング法を用いてCu層を形成した後、このCu層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。また、端子パターン9,9の形成は、接続パターン8B,8B,…を形成する場合と同様にして、第1領域部20A,20A,…のうち最端部の第1領域部20A,20Aの一方側の面及び第3領域部20C,20Cの一方側の面に対して行われる。
`` Formation of thermocouple group ''
First, as shown in FIG. 4A,
次に、図4(b)に示すように、複数の第1領域部20A,20A,…の所定の部位に第1熱電対エレメント5A,5A,…及び第2熱電対エレメント5B,5B,…を形成することにより、これら第1熱電対エレメント5A,5A,…及び第2熱電対エレメント5B,5B,…のうち互いに対応する第1熱電対エレメント5Aと第2熱電対エレメント5Bとを有する複数の熱電対5,5,…を第1領域部20A,20A,…の第2領域部側端縁に隣接する一方側端縁及び他方側端縁に沿ってそれぞれ並列する第1接点部6,6,…と第2接点部7,7,…によって直列に接続する。この場合、複数の熱電対5,5,…が直列に接続されると、複数の第1領域部20A,20A,…のうち互いに隣り合う2つの第1領域部20A,20Aにおける熱電対5,5(熱電対群3,3)同士を接続パターン8Bによって接続し、かつ複数の熱電対5,5,…のうち最端部の熱電対5,5をそれぞれ端子パターン9,9に接続してなる複数の熱電対群3,3,…が基部材20に形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, the
第1熱電対エレメント5A,5A,…の形成は、例えば第1領域部20A,20A,…の一方側の面(表面)にCVD(Chemical Vapour Deposition)法を用いて厚さ4〜5μm程度,幅300μm程度のp型半導体層を形成した後、このp型熱電半導体層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。第2熱電対エレメント5B,5B,…の形成は、第1熱電対エレメント5A,5A,…を形成する場合と同様に、例えば第1領域部20A,20A,…の表面にCVD法を用いて厚さ4〜5μm程度,幅300μm程度のn型半導体層を形成した後、このn型熱電半導体層にリソグラフィ法を用いてエッチング処理を施すことにより行われる。
The formation of the
「基部材の折り曲げ形成」
図5に示すように、基部材20の第2領域部20B,20B,…をそれぞれ並列方向に2等分する仮想線a(図4(b)に示す)を境界として基部材20を折り曲げ形成する。この場合、基部材20が折り曲げ形成されると、厚さ方向に所定の間隔をもって並列する複数の熱電対形成領域部2A,2A,…、複数の熱電対形成領域部2A,2A,…のうち互いに隣り合う2つの熱電対形成領域部2A,2A間に全体において介在する複数の折曲部2B,2B,…、及び複数の熱電対形成領域部2A,2A,…の最端部の熱電対形成領域部2A,2Aの先端縁における一方側部にそれぞれ位置する突出片2C,2Cを有するつづら折状のデバイス本体2が形成される。
"Bending formation of base member"
As shown in FIG. 5, the
「パッケージ部材の形成」
図6に示すように、ホルダ(図示せず)等を用いてデバイス本体2のつづら折状態(基部材20の折り曲げ状態)を保持しながら、熱電対群3,3,…が形成されたデバイス本体2を成形用型100内に収容する。この際、デバイス本体2の突出片2C,2Cの一部を成形用型100のスリット100A,100Aから型外に露出させる。次に、成形用型100内に樹脂注入孔100Bからシリコーン樹脂液を注入した後、この注入したシリコーン樹脂液を加熱して固化することによりパッケージ部材4を形成する。この場合、パッケージ部材4が形成されると、熱電対群3,3,…(接続パターン8B,8B,…を含む)及びデバイス本体2が端子パターン9,9及び突出片2C,2Cの一部を除きパッケージ部材4によって覆われる。この後、パッケージ部材4によって覆われた熱電対群3,3,…及びデバイス本体2を押し出しピン(図示せず)等によって成形用型100外に取り出す。
このようにして、熱電変換デバイス1を製造することができる。
"Formation of package members"
As shown in FIG. 6, a device in which the
In this way, the
[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。
[Effect of the embodiment]
According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1)熱電対形成領域部2A,2A,…の折曲部側端縁に隣接する一方側端縁及び他方側端縁に沿ってそれぞれ並列する第1接点部6,6,…と第2接点部7,7,…によって複数の熱電対5,5,…を直列に接続してなるため、基部材20の折り曲げ(熱電変換デバイス1の製造)時に従来のようには細心の注意を払う必要がなくなり、製造加工の簡素化を図ることができる。
(1)
(2)第1接点部6,6,…及び第2接点部7,7,…がデバイス本体2の折曲部2B,2B,…近傍に形成されておらず、このため基部材20の折り曲げ(熱電変換デバイス1の製造)時に第1接点部6,6,…及び第2接点部7,7,…に対して曲げ応力が作用せず、熱電対5,5,…における機械的・電気的接続の信頼性を高めることができる。
(2) The
以上、本発明の熱電変換デバイス(熱電変換デバイスの製造方法)を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。 As mentioned above, although the thermoelectric conversion device (manufacturing method of a thermoelectric conversion device) of this invention was demonstrated based on said embodiment, this invention is not limited to said embodiment, and does not deviate from the summary. The present invention can be implemented in various modes within the scope, and for example, the following modifications are possible.
本実施の形態では、第1熱電対エレメント5A,5A,…及び第2熱電対エレメント5B,5B,…の材料としてBiTe系の半導体材料が用いられる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、Pb(鉛)Te(テルル)系,Fe(鉄)Si(シリコン)系あるいはPb(鉛)Sn(錫)Te(テルル)系等の半導体材料を用いることができる。また、熱電対5,5,…としては、半導体材料以外に、例えばCu(銅)とNi(ニッケル),Cu(銅)とBi(ビスマス)又はFe(鉄)とNi(ニッケル)など2種の金属材料を用いてもよい。
In the present embodiment, the case where a BiTe-based semiconductor material is used as the material of the
1…熱電変換デバイス、2…デバイス本体、2A…熱電対形成領域部、2B…折曲部、2C…突出片、3…熱電対群、4…パッケージ部材、5…熱電対、5A…第1熱電対エレメント、5B…第2熱電対エレメント、6…第1接点部、7…第2接点部、8B…接続パターン、20…基部材、20A…第1領域部、20B…第2領域部、20C…第3領域部、100…成形用型、100A…スリット、100B…樹脂注入孔、a…仮想線
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記複数のシート状部材に形成された複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群と、
前記折曲部に形成され、前記複数の熱電対群のうち互いに隣り合う2つの熱電対群を直列に接続する複数の接続導体と
を備えたことを特徴とする熱電変換デバイス。 A plurality of sheet-like members that are arranged in parallel at a predetermined interval and are integrally formed through the bent portions as a whole,
A plurality of thermocouple groups formed by connecting a plurality of thermocouples formed on the plurality of sheet-like members in series;
A thermoelectric conversion device comprising: a plurality of connecting conductors formed in the bent portion and connecting two thermocouple groups adjacent to each other among the plurality of thermocouple groups in series.
前記複数の第1領域部に複数の熱電対を直列に接続してなる複数の熱電対群を前記基部材に形成する第2ステップと、
前記複数の第2領域部を境界として前記基部材を折り曲げることにより、前記複数の第2領域部に対応する複数の折曲部を介して複数のシート状部材を形成する第3ステップと
を備えたことを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法。 A sheet-like base having a plurality of first region portions arranged in parallel at a predetermined interval, and a plurality of second region portions interposed between two adjacent first region portions among the plurality of first region portions. A first step of forming a member;
A second step of forming, on the base member, a plurality of thermocouple groups formed by connecting a plurality of thermocouples in series to the plurality of first regions;
Forming a plurality of sheet-like members via a plurality of bent portions corresponding to the plurality of second region portions by bending the base member with the plurality of second region portions as boundaries. The manufacturing method of the thermoelectric conversion device characterized by the above-mentioned.
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