JP2008130813A - 熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対の高密度化が可能になり、曲面に容易に設置することが可能な屈曲性を有する熱発電装置を提供する。
【解決手段】この熱発電装置１は、熱電対が形成される複数の形成領域２１、および熱電対が形成されない複数の非形成領域２０Ａ，２０Ｂを備えた可撓性を有する絶縁シート２と、絶縁シート２の複数の形成領域２１のそれぞれに形成され、直列に接続された複数の熱電対と、絶縁シート２の非形成領域２０Ａ，２０Ｂに形成され、複数の形成領域２１にそれぞれ形成された複数の熱電対を直列に接続する接続パターンとを備え、複数の熱電対は、絶縁シート２の表面２ａに形成された複数のｐ型半導体パターン５Ａと、絶縁シート２の裏面２ｂに形成された複数のｎ型半導体パターン５Ｂと、ｐ型半導体パターン５Ａとｎ型半導体パターン５Ｂとを交互に絶縁シート２を貫通して接続する複数のスルーホールめっき６ｂとからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の熱電対を用いて発電する熱発電装置に関する。

複数の熱電対を用いて発電する従来の熱発電装置として、例えば、特許文献１、２に記載されたものがある。

特許文献１に記載された熱発電装置は、絶縁性材料からなるベースフィルムの一方の面にｎ型熱半導体からなる導電性パターンを形成し、上記ベースフィルムの他方の面にｐ型熱半導体からなる導電性パターンを形成し、ベースフィルムの両方の面に形成された導電性パターンをスルーホールめっきにより接続して複数の熱電対を構成したものである。この構成によれば、平坦なベースフィルムに高密度に熱電対を形成することができる。

特許文献２に記載された熱発電装置は、可撓性を備えるポリイミド樹脂から形成され、長手方向に波打つように頂部と底部が交互に設けられる絶縁性シートと、絶縁性シートの表面の頂部および底部以外の領域に形成され、第１金属線と第２金属線とからなる複数の熱電対とを備え、波打つように形成された絶縁性シートの頂部側には、ポリイミド系樹脂からなる吸熱シートが接合され、絶縁シートの底部側には、アルミニウム箔からなる放熱シートが接合され、吸熱シートと放熱シートの外側には、それぞれシリコーン樹脂からなるカバーシートが接合されている。この構成によれば、絶縁性シートの頂部には引っ張り応力が発生し、底部には圧縮応力が発生しているが、第１金属線と第２金属線の接続点を頂部および底部を避けて配置しているため、断線を起こしにくい。

特開２００４−２５３４２６号公報 特開２００５−３２８０００号公報

しかし、特許文献１の熱発電装置によると、複数の熱電対が平面的に配置されているので、より高密度化するためには、複数の熱発電装置を積層する必要があるが、この場合、曲面に設置することが難しくなる。

特許文献２の熱発電装置によると、絶縁性シートの両側をそれぞれ２枚のシートで挟むサンドイッチ構造となっているため、曲げ剛性が高くなり、十分な屈曲性を得ることはできない。また、絶縁性シートの一方の面にしか熱電対が形成されていないので、熱電対の密度が低い。

従って、本発明の目的は、熱電対の高密度化が可能になり、曲面に容易に設置することが可能な屈曲性を有する熱発電装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、熱発電装置を提供する。

［１］熱電対が形成される複数の形成領域、および熱電対が形成されない非形成領域を備えた可撓性を有する絶縁シートと、前記絶縁シートの前記複数の形成領域のそれぞれに形成され、直列に接続された複数の前記熱電対と、前記絶縁シートの前記非形成領域に形成され、前記複数の形成領域にそれぞれ形成された前記複数の熱電対を直列に接続する接続線とを備え、前記複数の熱電対は、前記絶縁シートの一方の面に形成された第１の材料からなる複数の第１の導電体と、前記絶縁シートの他方の面に形成された第２の材料からなる複数の第２の導電体と、前記第１の導電体と前記第２の導電体とを交互に前記絶縁シートを貫通して接続する複数の貫通導体とからなることを特徴とする熱発電装置。

［２］前記非形成領域は、平行に形成された複数の帯状の非形成領域である前記［１］に記載の熱発電装置。

［３］前記複数の貫通導体は、前記非形成領域間の中心よりも一方の前記非形成領域寄りに設けられた第１の貫通導体群と、前記非形成領域間の中心よりも他方の前記非形成領域寄りに設けられた第２の貫通導体群とからなることを特徴とする前記［１］に記載の熱発電装置。

［４］前記第１の導電体を構成する前記第１の材料は、ＢｉＴｅ系のｐ型半導体であり、前記第２の導電体を構成する前記第２の材料は、ＢｉＴｅ系のｎ型半導体であることを特徴とする前記［１］に記載の熱発電装置。

［５］前記絶縁シートは、前記非形成領域で曲げた状態で樹脂部材により固定されたことを特徴とする前記［１］に記載の熱発電装置。

［６］前記絶縁シートは、前記複数の非形成領域で交互に山折り、谷折りされた状態で樹脂部材により固定されたことを特徴とする前記［２］に記載の熱発電装置。

本発明によれば、熱電対の高密度化が可能になり、曲面に容易に設置することが可能な屈曲性を有する熱発電装置を提供することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱発電装置の正面図である。この熱発電装置１は、複数の熱電対を担持する絶縁シート２と、絶縁シート２を交互に山折り、谷折りした状態で絶縁シート２を固定する樹脂部材３とを備え、山側と谷側との間に温度差が生じることにより、複数の熱電対によるゼーベック効果により発電する。なお、樹脂部材３は、図１中、２点鎖線で示す。

絶縁シート２は、可撓性、耐熱性を有する材料からなり、例えば、厚さ１２〜１２５μｍのポリイミドシートを用いることができる。

樹脂部材３は、固化後も可撓性を有する材料からなり、例えば、加熱によって固化するシリコーン樹脂の一種であるＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）を用いることができる。また、樹脂部材３の形状は、図１に示す矩形状に限られず、交互に山折り、谷折りされた絶縁シート２の山折りした箇所の裏面２ｂ側や谷折した箇所の表面２ａ側に充填したものでもよい。

図２は、絶縁シート２の展開状態を示す平面図、図３（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ図２のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図、Ｅ−Ｅ線断面図、Ｆ−Ｆ線断面図、Ｇ−Ｇ線断面図である。

絶縁シート２は、矩形状を有するが、両端に端子８Ａ，８Ｂが形成される端子台座部が突出するように形成されている。絶縁シート２の表面２ａには、複数のｐ型半導体パターン（第１の導電体）５Ａが形成され、絶縁シート２の裏面２ｂには、複数のｎ型半導体パターン（第２の導電体）５Ｂが形成されている。ｐ型半導体パターン５Ａとｎ型半導体パターン５Ｂを接続点（貫通導体）としてのスルーホール部６を介して交互に接続して複数の熱電対を構成している。端子８Ａは、図２において左側の端子台座部２５の表面２ａと裏面２ｂにそれぞれ形成され、端子８Ｂは、図２において右側の端子台座部２５の表面２ａと裏面２ｂにそれぞれ形成されている。

絶縁シート２は、導電パターン５Ａ，５Ｂおよびスルーホール部６が形成されずに谷折りされる谷側非形成領域２０Ａと導電パターン５Ａ，５Ｂおよびスルーホール部６が形成されずに山折りされる山側非形成領域２０Ｂとが長手方向に沿って交互に形成され、非形成領域２０Ａ，２０Ｂにより導電パターン５Ａ，５Ｂおよびスルーホール部６が形成される複数の形成領域２１に分割され、辺近傍に位置決め穴２２およびガイド穴２３が形成されている。位置決め穴２２は、樹脂部材３で封止する際、折り曲げられた絶縁シート２の高さを揃えるために棒状部材が挿通される穴であり、ガイド穴２３は、その棒状部材の逃げ穴である。

表面２ａ側の１つのｐ型半導体パターン５Ａと裏面２ｂの１つのｎ型半導体パターン５Ｂにより１つの熱電対を構成しており、非形成領域２０Ａを介して隣り合う２つの形成領域２１には、同図の場合、９個の熱電対が構成されている。なお、ｐ型半導体パターン５Ａ、ｎ型半導体パターン５Ｂ、および熱電対の数は、図２のものに限定されない。

スルーホール部６による複数の接続点は、非形成領域２０Ａ，２０Ｂ間の中心よりも谷側非形成領域２０Ａ寄りに設けられた谷側接続点群（第１の貫通導体群）６０Ａと、非形成領域２０Ａ，２０Ｂ間の中心よりも山側非形成領域２０Ｂ寄りに設けられた山側接続点群（第２の貫通導体群）６０Ｂとからなる。

隣接する形成領域２１間のｐ型半導体パターン５Ａとｎ型半導体パターン５Ｂとは、接続パターン（接続線）７Ａにより接続され、各形成領域２１の熱電対が直列に接続されている。また、直列接続された熱電対の一方の端部のｐ型半導体パターン５Ａに接続パターン７Ｂを介して裏面２ｂ側の端子８Ａが接続され、他方の端部のｎ型半導体パターン５Ｂに接続パターン７Ｃを介して表面２ａ側の端子８Ｂが接続されている。

絶縁シート２の表面２ａに形成されるｐ型半導体パターン５Ａと絶縁シート２の裏面２ｂに形成されるｎ型半導体パターン５Ｂとを接続するスルーホール部６は、図３（ａ）に示すように、スルーホール６ａと、スルーホール６ａに形成されたスルーホールめっき６ｂとからなる。

谷側非形成領域２０Ａおよび山側非形成領域２０Ｂを介して半導体パターン５Ａ，５Ｂ間を接続する接続パターン７Ａは、図３（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように、スルーホールめっき６ｂを接続する接続部７１、７２からなる。

裏面２ｂの端子８Ａとｐ型半導体パターン５Ａとを接続する接続パターン７Ｂは、図３（ｆ）に示すように、スルーホールめっき６ｂ間を接続する接続部７３からなる。表面２ａの端子８Ａは、近傍のスルーホールめっき６ｂに接続している。

表面２ａの端子８Ｂとｎ型半導体パターン５Ｂとを接続する接続パターン７Ｃは、図３（ｇ）に示すように、スルーホールめっき６ｂ間を接続する接続部７４とからなる。裏面２ｂの端子８Ｂは、近傍のスルーホールめっき６ｂに接続している。

（半導体パターン）
ｐ型半導体パターン５Ａは、例えば、ｐ型のビスマス・テルル（ＢｉＴｅ）系からなり、ｎ型半導体パターン５Ｂは、例えば、ｎ型のビスマス・テルル（ＢｉＴｅ）系からなる。なお、導体パターン５Ａ，５Ｂは、上記ＢｉＴｅ系の他に、ＰｂＴｅ系、ＢｉＳｂＴｅ系、ＧｅＴｅ系、ＰｂＳｎＴｅ系、ＦｅＳｉ系、ＺｎＳｂ系、ＣｏＳｂ系、ＡｇＧｅＳｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系等の半導体材料を用いることができる。また、熱電対を構成する２種類の材料は、銅とコンスタンタン、銅とニッケル、銅とビスマス、鉄とコンスタンタン、鉄とニッケル等の組合せを用いることができる。

なお、上記構成では、谷側非形成領域２０Ａを跨ぐように山側の接続点同士を接続パターンにより接続し、山側非形成領域２０Ｂを跨ぐように谷側の接続点同士を接続パターンにより接続したが、谷側非形成領域２０Ａを跨ぐように谷側の接続点同士を接続パターンにより接続し、山側非形成領域２０Ｂを跨ぐように山側の接続点同士を接続パターンにより接続してもよい。これにより、接続パターンの距離を短くすることができる。

（製造方法）
次に、図４を参照して熱発電装置１の製造方法の一例を説明する。

図４Ａ（ａ）〜（ｇ）、図４Ｂ（ｈ）、（ｉ）、図４Ｃ（ｊ）、（ｋ）は、熱発電装置１の製造工程を模式的に示す図である。

まず、図４（ａ）に示すように、両面に厚さ４μｍの銅箔（Ｃｕ層）１００が形成されている絶縁シート２を用意する。次に、図４（ｂ）に示すように、Ｃｕ層１００をリソグラフィ法等によりエッチングしてスルーホール部６に対応する位置に穴１００ａを形成する。なお、図４（ｂ１）は、断面図、図４（ｂ２）は、図４（ｂ１）の絶縁シート２を表面２ａ側から見た図である。

次に、図４（ｃ）に示すように、絶縁シート２をエッチングして非貫通のスルーホール６ａを形成する。続いて、図４（ｄ）に示すように、絶縁シート２に対してＮｉの電解めっきを行い、スルーホール６ａ内に薄くＮｉめっき６ｂ’を付ける。次に、図４（ｅ）に示すように、表面２ａのＣｕ層１００をエッチングして落とす。そして、図４（ｆ）に示すように、更にＮｉの電解めっきを行い、めっきの高さが表面２ａと同じになるようにしてスルーホールめっき６ｂを形成する（実際は中心部がやや盛り上がる）。最後に図４（ｇ）に示すように、裏面２ｂのＣｕ層１００をエッチングによって落とす。必要な箇所にニッケルパターンを形成する。

図５は、絶縁シート２の裏面２ｂに形成された銅パターンを示す平面図である。絶縁シート２の裏面２ｂには、図５に示すように、スルーホールめっき６ｂの他に、接続パターン７Ａ、７Ｂが形成される。

次に、図４（ｈ）に示すように、絶縁シート２の表面２ａ全体にスパッタリングにより厚さ４〜５μｍ程度のｐ型半導体層１１０を形成し、図４（ｉ）に示すように、リソグラフィ法等によりｐ型半導体層１１０をエッチングしてｐ型半導体パターン５Ａを形成する。なお、図４（ｉ１）は、断面図、図４（ｉ２）は、図４（ｉ１）の絶縁シート２を表面２ａ側から見た図である。

次に、図４（ｊ）に示すように、絶縁シート２の裏面２ｂ全体にスパッタリングにより厚さ４〜５μｍ程度のｎ型半導体層１２０を形成し、図４（ｋ）に示すように、リソグラフィ法等によりｎ型半導体層１２０をエッチングしてｎ型半導体パターン５Ｂを形成する。なお、図４（ｋ１）は、断面図、図４（ｋ２）は、図４（ｋ１）の絶縁シート２を裏面２ｂ側から見た図である。

次に、半導体パターン５Ａ，５Ｂ等が形成された絶縁シート２を、谷側非形成領域２０Ａで谷折りし、山側非形成領域２０Ｂで山折りした後、位置決め穴２２、ガイド穴２３に棒状部材を挿通し、絶縁シート２を樹脂部材３により充填する。このとき、端子８Ａ，８Ｂは、樹脂部材３から露出している。次に、樹脂部材３を加熱して固化させた後、棒状部材を引き抜くことにより、熱発電装置１が製造される。なお、設置面に対応して湾曲した棒状部材を用い、湾曲した棒状部材に絶縁シート２を挿通して樹脂部材３により固定してもよい。これにより、湾曲した設置面に容易に設置することが可能になる。

図６は、樹脂部材３によって固定された絶縁シート２の屈曲性を説明するための図である。樹脂部材３によって固定された絶縁シート２は、全体として屈曲性を有するので、図６に示すように、ｘ方向に湾曲した曲面状の設置面４，４’に容易に設置することができる。

（熱発電装置の動作）
次に、熱発電装置１の動作について説明する。例えば、絶縁シート２の山折りされた側を高温雰囲気中に配置し、谷折された側を低温雰囲気中に配置することにより、熱電対の山側の接続点と谷側の接続点との間に温度差が生じ、１つの熱電対でＶｓの起電力が発生したとすると、直列に接続されたＮ個の熱電対を用いることで、Ｎ×Ｖｓの電圧が端子８Ａ，８Ｂ間に発生する。

（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）絶縁シート２の両面にｐ型半導体パターン５Ａおよびｎ型半導体パターン５Ｂを形成し、半導体パターン５Ａ，５Ｂ間をスルーホールめっき６ｂにより接続し、さらに絶縁シート２を交互に山折り、谷折りしているので、熱電対の高密度化が可能になる。
（ロ）樹脂部材３によって固定された絶縁シート２は、全体として屈曲性を有しているので、曲面に容易に設置することができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る熱発電装置の絶縁シートの展開状態を示す図である。本実施の形態は、図２に示す第１の実施の形態の絶縁シートに対して非形成領域２０Ａ，２０Ｂを横切るように開口としてスリット２４を設けたものである。これにより、図８に示すように、ｘ方向およびｙ方向に湾曲した三次元曲面状の設置面に容易に設置することができる。なお、開口は円形、楕円形、三角形等の他の形状でもよい。また、非形成領域２０Ａ，２０Ｂ内に開口を設けてもよい。

［第３の実施の形態］
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る熱発電装置を車両に適用した状態を示す斜視図である。本実施の形態は、車両１０の筐体であるボンネット１１の内側に第１または第２の実施の形態の熱発電装置１を配置したものである。例えば、熱発電装置１の山折り側をボンネット１１側となるように配置することにより、ボンネット１１の内部が外部よりも高温になると、山側接続点群６０Ａと谷側接続点群６０Ｂとの間に温度差が生じて発電することができる。なお、熱発電装置１の設置場所は、ボンネットの他に、ドアミラーやルーフ等の他の場所でもよい。

［第４の実施の形態］
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る熱発電装置を遠隔制御用携帯機に適用した状態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ線断面図である。

この遠隔制御用携帯機５０は、車両に設けられた複数のドアロック機構の施錠・開錠を行うものであり、操作者に把持される筐体５１を有し、この筐体５１の操作面５１ａに、車両に設けられた複数のドアロック機構のうち１つのドアロック機構を選択する操作子５２と、操作子５２により選択されたドアロック機構に対して施錠信号を出力するロックボタン５３と、操作子５２により選択されたドアロック機構に対して開錠信号を出力するアンロックボタン５４と、後述する制御部による制御内容を点灯表示するインジケータ５５Ａ〜５５Ｃとを設けている。

また、筐体５１内に、ボタン５３、５４から施錠・開錠信号を入力して固有のＩＤコードを含む施錠制御信号および開錠制御信号を生成する制御部と、施錠制御信号および開錠制御信号を無線信号に変換して車両の送受信装置に送信する送信部と、第１または第２の実施の形態の熱発電装置１と、熱発電装置１により発電された電圧により充電されるとともに、本携帯機５０の各部に電源を供給する電源部とを収容したものである。

熱発電装置１は、筐体５１の底面５１ｂ側に配置されているが、側面等の他の面側でもよい。

上記のように構成された遠隔制御用携帯機５０の筐体５１を操作者が把持すると、熱発電装置１の山折り側の接続点と谷折り側の接続点との間に温度差が生じ、これにより、発電し、電源部を充電することができる。

本発明の実施例について説明する。本実施例は、長さ（図２において横方向の長さ）６０ｍｍ、幅（図２において縦方向の長さ）７０ｍｍの絶縁シート２を０．３×７０ｍｍの非形成領域２０Ａ，２０Ｂにより２２個に分割して形成領域２１のサイズを長さ２．３ｍｍ、幅７０ｍｍとし、谷側非形成領域２０Ａを介して隣り合う２つの形成領域２１に１８０対の熱電対を配置し、合計１９８０対の熱電対を有する熱発電装置１を作製した。この１９８０対の熱電対を有する熱発電装置１を２つ直列に接続し、谷側接続点群６０Ａと山側接続点群６０Ｂとの間に１０℃の温度差を発生させたとき、端子８Ａ，８Ｂ間には、６Ｖが発生する。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る熱発電装置の正面図である。 絶縁シートの展開状態を示す平面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、それぞれ図２のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図、Ｅ−Ｅ線断面図、Ｆ−Ｆ線断面図、Ｇ−Ｇ線断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、熱発電装置の製造工程を模式的に示す図である。 （ｈ）、（ｉ）は、熱発電装置の製造工程を模式的に示す図である。 （ｊ）、（ｋ）は、熱発電装置の製造工程を模式的に示す図である。 絶縁シートの裏面に形成された銅パターンおよびニッケルパターンを示す平面図である。 絶縁シートの屈曲性を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱発電装置の絶縁シートの展開状態を示す平面である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱発電装置の斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱発電装置を車両に適用した状態を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係る熱発電装置を遠隔制御用携帯機に適用した状態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ線断面図である。

符号の説明

１ 熱発電装置
２ 絶縁シート
２ａ 表面
２ｂ 裏面
３ 樹脂部材
４，４’ 設置面
５Ａ ｐ型半導体パターン
５Ｂ ｎ型半導体パターン
６ スルーホール部
６ａ スルーホール
６ｂ スルーホールめっき
６ｂ’ Ｎｉめっき
７Ａ〜７Ｃ 接続パターン
８Ａ，８Ｂ 端子
２０Ａ 谷側非形成領域
２０Ｂ 山側非形成領域
２１ 形成領域
２２ 位置決め穴
２３ ガイド穴
２４ スリット
２５ 端子台座部
５０ 遠隔制御用携帯機
５１ 筐体
５１ａ 操作面
５１ｂ 底面
５２ 操作子
５３ ロックボタン
５４ アンロックボタン
５５Ａ〜５５Ｃ
６０Ａ 山側接続点群
６０Ｂ 谷側接続点群
７１〜７４ 接続部
１００ Ｃｕ層
１００ａ 穴
１１０ ｐ型半導体層
１２０ ｎ型半導体層

Claims (6)

1. 熱電対が形成される複数の形成領域、および熱電対が形成されない非形成領域を備えた可撓性を有する絶縁シートと、
   前記絶縁シートの前記複数の形成領域のそれぞれに形成され、直列に接続された複数の前記熱電対と、
   前記絶縁シートの前記非形成領域に形成され、前記複数の形成領域にそれぞれ形成された前記複数の熱電対を直列に接続する接続線とを備え、
   前記複数の熱電対は、前記絶縁シートの一方の面に形成された第１の材料からなる複数の第１の導電体と、前記絶縁シートの他方の面に形成された第２の材料からなる複数の第２の導電体と、前記第１の導電体と前記第２の導電体とを交互に前記絶縁シートを貫通して接続する複数の貫通導体とからなることを特徴とする熱発電装置。
2. 前記非形成領域は、平行に形成された複数の帯状の非形成領域である請求項１に記載の熱発電装置。
3. 前記複数の貫通導体は、前記非形成領域間の中心よりも一方の前記非形成領域寄りに設けられた第１の貫通導体群と、前記非形成領域間の中心よりも他方の前記非形成領域寄りに設けられた第２の貫通導体群とからなることを特徴とする請求項１に記載の熱発電装置。
4. 前記第１の導電体を構成する前記第１の材料は、ＢｉＴｅ系のｐ型半導体であり、
   前記第２の導電体を構成する前記第２の材料は、ＢｉＴｅ系のｎ型半導体であることを特徴とする請求項１に記載の熱発電装置。
5. 前記絶縁シートは、前記非形成領域で曲げた状態で樹脂部材により固定されたことを特徴とする請求項１に記載の熱発電装置。
6. 前記絶縁シートは、前記複数の非形成領域で交互に山折り、谷折りされた状態で樹脂部材により固定されたことを特徴とする請求項２に記載の熱発電装置。

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