JP2012114290A - 熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟性がありながら効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】熱電変換モジュール６００は、厚み方向に対して熱の伝導率が異なる不良熱伝導部１１０と熱伝導部１２０とを有する基板３００と、不良熱伝導部と熱伝導部とに熱的に接合する熱電変換素子５００，５１０とを備え、基板の不良熱伝導部においては、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートが基板の表面に沿って水平に積層して形成され、熱伝導部においては垂直に積層して形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換モジュールに関するものである。

熱電変換素子はゼーベック効果を利用して熱電変換を行なう発電素子であり、これによって得られた電力を駆動電源に用いる装置が知られている。例えば、人体と外気との温度差を利用して発電し、腕時計のムーブメントや補聴器のアンプを駆動することが行なわれている。また、温水パイプに熱電変換素子を取り付けて、温水と外気との温度差で発電し、発電した電力により計測した温水の温度データをデータ収集装置に送信することが行なわれている。

これらの熱電変換素子はＢｉ−Ｔｅ系やＰｂ−Ｔｅ系などの半導体材料を使用し、大きな電位差を得るためＰ型半導体とＮ型半導体の熱電変換素子を組み合わせて熱電変換モジュールとすることが一般である。熱電変換モジュールではこれらＰ型半導体とＮ型半導体の熱電変換素子を基板上に搭載して電気回路を構成するが、同時に熱電変換素子を接合する基板の部分に温度差を生じさせて電変換素子を発電させることを行なっている。このため、例えば熱電変換素子の高温側の端部を配置する基板の部分に熱伝導の良い材料を埋め込み、基板裏面の発熱体から基板の厚みを介して熱を伝導させることが行なわれている。このような基板として、絶縁樹脂に金属箔を貼り合わせた積層板をエッチング加工により金属パターンを形成し、その上から樹脂フィルムを加熱圧着して金属パターン間に樹脂フィルムを挿入する方法が知られている。この方法により熱伝導のよい金属が埋設された構造の基板を得ることができる。

より積極的に熱電変換素子の端部の温度勾配を持たせるために、熱電変換素子を上記した基板で挟んだサンドイッチ構造とし、熱電変換素子の端部が接合する高温側と低温側のそれぞれの基板部分で熱伝導させることも行なわれている。

Micropel HP、[平成22年9月24日検索]、インターネット<http://www.micropelt.com/applications/te_power_probe/php>

特開２００８−１８２１６０号公報 特開平１１−１９０７８２号公報

上記したように、熱電変換モジュールは熱電変換モジュールを構成する個々の熱電変換素子の端部間に温度勾配を持たせ起電力を生じさせる必要がある。このため、熱電変換素子を搭載する基板内に部分的に熱伝導の良い材料（例えば、銅やアルミニュムなどの金属）を埋め込み、基板と接した発熱体からの熱がこの埋め込んだ金属を伝導して熱電変換素子の端部が接合する基板部分の温度を高くし、熱電変換素子の他方の端部が接合する基板部分に対して熱勾配を生じさせている。

このような基板として前述した方法は、絶縁樹脂と金属箔とを積層した積層板の金属部分をパターニングすることによって基板中に金属を埋設するものであった。即ち、絶縁樹脂の基材上にパターニングされた金属が配置された構造となり、発熱体からの熱はこの絶縁樹脂を介して熱伝導することになる。絶縁樹脂の熱伝導性は金属に較べてはるかに悪く、伝熱効率の点で問題がある。また、基板に柔軟性を要求されるような場合、基板を曲げることを繰り返すと金属パターンが剥離する恐れがあり、このような場合では問題が生じる恐れがある。

本発明は、柔軟性がありながら効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法を提供することを目的とする。

発明の一観点によれば、本発明の熱電変換モジュールは、厚み方向に対して熱の伝導率が異なる不良熱伝導部と熱伝導部とを有する基板と、不良熱伝導部と熱伝導部とに熱的に接合する熱電変換素子とを備え、基板の不良熱伝導部においては、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートが基板の表面に沿って水平に積層して形成され、熱伝導部においては垂直に積層して形成された、熱電変換モジュールが提供される。

発明の他の一観点によれば、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、熱電変換素子が基板に熱的に接合し、基板に接した発熱体から基板に熱伝導された温度差を利用して発電する熱電変換モジュールの製造方法であって、基板は、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シート発熱体に対して熱伝導層を水平に積層して不良熱伝導部を形成する不良熱伝導部形成手順と、熱伝導シートを発熱体に対して熱伝導層を垂直に積層して熱伝導部を形成する熱伝導部形成手順と、不良熱伝導部形成手順と熱伝導部形成手順とを繰り返して基板コアを作成する基板コア作成手順と、基板コアの熱伝導部の熱伝導シートの熱伝導層を露出させて熱伝導面を形成する熱伝導面形成手順とを含んで製造される、熱電変換モジュールの製造方法が提供される。

基板の不良熱伝導部においては、熱伝導シートを発熱体に対して水平方向に積層したので基板の厚み方向には断熱接着層が複数の層を成し、この断熱接着層が基板の厚み方向に対する熱伝導を抑制する。一方、熱伝導部においては、熱伝導シートを発熱体に対して垂直方向に積層したので、熱伝導層が基板の厚み方向を貫通し良好に熱伝導させることができる。このため、効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法を提供できる。

また、熱伝導シートは可撓性を有するので、基板は柔軟性がある。

基板コアの作成例である。 基板の作成例である。 発熱体上に置かれた基板の温度分布例である。 熱電変換モジュールの作成例である。 他の熱電変換モジュールの構成例である。 熱電変換モジュールの基板温度分布シミュレーション例である。

本発明の熱電変換モジュールは、前述したように温度差を生じさせる基板と、その基板に接合する熱電変換素子とを含んで構成される。熱電変換モジュールの実施形態の説明に当たって、まず基板の作成方法から説明する。

図１は、基板のコアとなる部分の作成方法を説明するための図で、図１（ａ）は基板コアを作成するための熱伝導シート１０の断面を示し、熱伝導シート１０は熱伝導層１１と接着層１２とを有している。熱伝導層１１の材料はここではグラファイトを用いており、その熱伝導率は平面方向１，０００Ｗ／ｍｋ、厚み方向６Ｗ／ｍｋである。なお、熱伝導層の厚さは６０μｍである。また、接着層１２はアクリル系粘着剤の層で、熱伝導層１１の両面に配置されている。それぞれの接着層１２の厚さは２０μｍである。従って、熱伝導シートの全体の厚さは１００μｍとなる。アクリル系粘着剤の熱伝導度は熱伝導層１１に較べて圧倒的に低く、接着層１２は前述の断熱接着層に相当する。

図１（ａ）に示す熱伝導シート１０を用いて基板のコアとなる部分を作成する。ここでは、厚さ４ｍｍの基板を作成することとする。また、基板の面内において、熱伝導が良好な熱伝導部と熱伝導が悪い不良熱伝導部の長さがそれぞれ８ｍｍで、熱伝導部と不良熱伝導部とが交互に形成するものとする。

最初に不良熱伝導部を作成するため、熱伝導シート１０を長さ８ｍｍで４０回折り重ねることを行なう（熱伝導シート１０の厚さ１００μｍ×４０で４ｍｍの基板厚となる）。熱伝導シート１０が水平方向に４０回折り重ねられることにより、厚み方向に４０μｍ（２０μｍ×２）の接着層１２が熱伝導層１１を挟んで４０層積層し、厚み方向の熱伝導を抑制する。

続いて、熱伝導部を作成するために熱伝導シート１０を９０度基板の板厚方向に折り曲げ、垂直方向に８０回折り重ねる（熱伝導シート１０の厚さ１００μｍ×８０で約８ｍｍの長さが得られる）ことを行なう。図１（ｂ）は、折り重ねの方法が分かるように模式的に示した図で、水平方向の折り重ねが終わり、垂直方向の折り重ねを行なっている状態を示している。実際には、折り重ねながら熱伝導シート１０を密着させるので、接着層１２同士が互いに接着して図１（ｃ）に示す板状になる。なお、垂直に折り重ねるとき、折り曲げる位置は水平に重ね合わせた面より突き出した位置で折り曲げるようにしている。垂直に折り重ねた部分（図１（ｃ）の熱伝導部１２０）の厚さは約４．５ｍｍで、水平に折り重ねた部分（図１（ｃ）の不良熱伝導部１１０）に対して膨らんだ状態になる。

上記の水平の折り重ねと垂直の折り重ねとを交互に行なうことで、８ｍｍ長さの不良熱伝導部１１０と熱伝導部１２０とが交互に形成された基板コア１００を作成できる。

次に、上記した基板コアを用いた基板の作成例を図２を用いて説明する。図２（ａ）は図１で作成した基板コア１００である。図２（ａ）に示すように、基板コア１００の不良熱伝導部１１０および熱伝導部１２０のそれぞれの上下の面は接着層１２が露出している。

図２（ａ）の基板コア１００の不良熱伝導部１１０の部分に対し、断熱フィルム２００を貼り付ける。断熱フィルム２００は１００μｍのポリイミドをここでは用いているが、これに限定されるものではない。接着層１２が露出しているため、断熱フィルム２００を押し当てるだけで貼り付けることができる。断熱フィルム２００は図２（ｂ）に示すように不良熱伝導部１１０の上下の両面に対して貼り付ける。断熱フィルム２００は、基板の厚さ方向の熱伝導を抑制すると共に、平滑な基板表面が得られる。

断熱フィルム２００を貼り付けた基板コア１００に対し、断熱フィルム２００の表面から突き出した熱伝導部１２０の部分（突起部）を研摩紙や研摩クロスを用いて削り取り、基板３００は完成する（図２（ｃ））。研摩により熱伝導部１２０の面は熱伝導シート１０の熱伝導層１１の断面が露出することになる。熱伝導層１１のグラファイトは面方向の熱伝導率は高いので、基板３００の厚みを介して良好な熱伝導を行なわせることができる。

熱電変換モジュールの基板は、基板に搭載した熱電変換素子の端部間に温度勾配が生じるように基板を発熱体に当着させる必要がある。完成した基板３００の温度分布について図３を用いて説明する。図３は、基板３００の一方の面（図３では下方の面）を発熱体２０に接した状態を示している。発熱体２０の温度は外気に較べて充分高い温度になっているものとする。基板３００の発熱体２０に接していない面（図３では上方の面）の温度は、発熱体２０からの熱の基板３００に対する伝導度合いによる。熱伝導シートを垂直方向に折り重ねた熱伝導部１２０では、発熱体２０からの熱が熱伝導層を伝わり高温部となる。また、熱伝導シートを水平に折り重ねた不良熱伝導部１１０では、発熱体２０からの熱が接着層や断熱フィルムにより伝わり難く低温部となる。基板３００は熱伝導部１２０と不良熱伝導部１１０とを交互に形成しているので、基板３００上に高温部と低温部の個所が交互に在る温度分布を成すことになる。この高温部と低温部に跨がって熱電変換素子を配置することで熱電変換素子は発電する。

次に、基板３００を用いた熱電変換モジュールの作成例を図４を用いて説明する。まず、基板３００の熱電変換素子を搭載する面（図４では上方の面）の全体に絶縁膜となるＳｉＯ２膜４００をスパッタリング法により成膜する。膜厚は約１μｍである（図４（ａ）参照）。

ＳｉＯ２膜４００の上に、Ｐ型半導体とＮ型半導体の材料をそれぞれスパッタリング法を用いて成膜し、Ｐ型熱電変換素子５００、およびＮ型熱電変換素子５１０を形成する。このとき、図４（ｂ）に示すようにＰ型熱電変換素子５００、およびＮ型熱電変換素子５１０のそれぞれの端部が不良熱伝導部１１０と熱伝導部１２０に跨がるように形成される。

熱電変換素子を形成した後、Ｐ型熱電変換素子５００とＮ型熱電変換素子５１０の端部（端子）の電気的接続を図るためにアルミニュムや銅、金などの導体材料を成膜し、図４（ｃ）示すように電極４１０を形成する。必要に応じて全体を保護膜で覆い、熱電変換モジュール６００は完成する。例えば人体などの発熱体は、図４（ｃ）の熱電変換モジュール６００の基板３００の下面に当接され、その発熱体の熱が熱伝導部１２０を伝わり熱電変換素子５００、５１０の端部の温度を上昇させ、不良熱伝導部１１０との温度差で発電する。

上記に説明した熱電変換モジュール６００は、１枚の基板上に熱電変換素子を搭載する構造であるが、熱電変換素子を２枚の基板で狭持するサンドイッチ構造としてもよい。図５は、そのようなサンドイッチ構造の熱電変換モジュール６０１を示す。熱電変換モジュール６０１は、前述した熱電変換モジュール６００の上に接着剤４２０を塗布し、その上に基板３０１を被せた構造である。基板３０１は、基板３００と同一構造の基板である。基板３０１の内側の面（図５の下方の面）には、ＳｉＯ２膜４０１を被着している。また、図５に示すように、基板３０１の不良熱伝導部１１１と熱伝導部１２１とは、下部の基板３００の熱伝導部１２０と不良熱伝導部１１０とがそれぞれ熱電変換素子を挟んで対向するように配置している。このような構造とすることで、発熱体と外気との熱が熱伝導部１２０、１２１を介して伝熱し、熱電変換素子の端部間の温度勾配はより大きなものとなり、発電効率を高くすることができる。

次に、熱電変換モジュール６０１の構造の基板断面の温度分布をシミュレーションにより求めた例を説明する。図６（ａ）は、熱電変換モジュール６０１の基板断面をモデル化した図で、網点を掛けた図形であるモデル１３は図１に示した熱伝導層１１を表し、白抜きの図形であるモデル１４は接着層１２を表している。また、斜線の図形であるモデル１５は熱電変換素子が搭載される領域（この領域は接着剤で満たされているものとした）である。モデル１５を境に上方が図５に示す基板３０１、下方が基板３００に相当する。また図中に示した領域１６と領域１７は、熱電変換素子の端部が配置される位置の領域を示している。ここでは、下方の基板側（図６（ａ）の高温面）が接する温度を３６℃と設定し、上方の基板側（図６（ａ）の低温面）を２６℃と設定した。なお、計算に用いた熱伝導率は、熱伝導層１１に相当するモデル１３は水平方向１，０００Ｗ／ｍｋ、垂直方向（厚み方向）６Ｗ／ｍｋ、接着層１２に相当するモデル１４と接着剤で満たした領域１６に相当するモデル１５は共に０．２Ｗ／ｍｋとした。

計算結果は図６（ｂ）に示され、高温面からの熱は左下側の垂直に配置したモデル１３（熱伝導部１２０に相当）を伝導して高い温度（モデル１５から下側の網点の密度が高い方が温度が高い状態を示している）を示し、領域１７はその中に含まれている。反対に低温面からの熱は右上側の垂直に配置したモデル１３（熱伝導部１２１に相当）を伝導して低い温度を示し、領域１６はその中に含まれている。領域１７と領域１６との温度差は９．５℃あり、略高温面と低温面に設定した温度が端部位置に伝わっていることが分かる。これにより、熱伝導シートを用いて作成した基板は、効率よく熱電変換素子を発電させることが確認された。

以上、本発明の熱電変換モジュールの実施例を説明したが、これらは上記した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。

１０ 熱伝導シート
１１ 熱伝導層
１２ 接着層
１３ モデル（熱伝導層相当）
１４ モデル（接着層相当）
１５ モデル（熱電変換素子の搭載領域）
１６ 領域（熱電変換素子の低温側端部配置領域）
１７ 領域（熱電変換素子の高温側端部配置領域）
２０ 発熱体
１００ 基板コア
１１０ 不良熱伝導部
１１１ 不良熱伝導部
１２０ 熱伝導部
１２１ 熱伝導部
２００ 断熱フィルム
３００ 基板
３０１ 基板
４００ ＳｉＯ２膜
４０１ ＳｉＯ２膜
４１０ 電極
４２０ 接着剤
５００ Ｐ型熱電変換素子
５１０ Ｎ型熱電変換素子
６００ 熱電変換モジュール
６０１ 熱電変換モジュール

Claims (5)

1. 厚み方向に対して熱の伝導率が異なる不良熱伝導部と熱伝導部とを有する基板と、
   前記不良熱伝導部と前記熱伝導部とに熱的に接合する熱電変換素子とを備え、
   前記基板の不良熱伝導部においては、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートが前記基板の表面に沿って水平に積層して形成され、該熱伝導部においては垂直に積層して形成された
   ことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記基板の熱伝導部の表面は、前記熱伝導シートの熱伝導層が露出している
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記熱伝導シートの熱伝導層は、高分子化合物、または金属、またはグラファイトである
   ことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記熱電変換素子は２枚の前記基板に狭持され、該基板の不良熱伝導部と熱伝導部とに熱的に接合した
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
5. 熱電変換素子が基板に熱的に接合し、該基板に接した発熱体から該基板に熱伝導された温度差を利用して発電する熱電変換モジュールの製造方法であって、
   前記基板は
   熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートを、前記発熱体に対して該熱伝導層を水平に積層して不良熱伝導部を形成する不良熱伝導部形成手順と、
   前記熱伝導シートを、前記発熱体に対して該熱伝導層を垂直に積層して熱伝導部を形成する熱伝導部形成手順と、
   前記不良熱伝導部形成手順と前記熱伝導部形成手順とを繰り返して基板コアを作成する基板コア作成手順と、
   前記基板コアの熱伝導部の前記熱伝導シートの熱伝導層を露出させて熱伝導面を形成する熱伝導面形成手順とを含んで製造される
   ことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。