JP2012204755A

JP2012204755A - 熱電変換素子包装体

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Publication number: JP2012204755A
Application number: JP2011070091A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nakanishi; 伸次中西
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】熱電変換材料を長期にわたって安定的に用いることを可能とするため、耐湿度性や耐酸素性を有し、空気中の水蒸気や酸素から保護するための包材で保護した熱電変換素子包装体の提供をする。
【解決手段】ｐ型熱電変換材料１、ｎ型熱電変換材料２、めっき部３、加熱部４、冷却部５とを少なくとも備える熱電変換素子を、少なくとも外層、バリア層、ヒートシール層をこの順に積層してなる積層フィルムであって、該バリア層はアルミ箔、ポリ塩化ビニリデン、エチレン−ビニルアルコール共重合体から選ばれるいずれか一つからなる積層フィルム６を用いて、前記ヒートシール層を前記熱電変換素子側にして包装することを特徴とする熱電変換素子包装体を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱電変換素子を長期間維持させる為の包材、及び、この包材により保護した熱電変換素子に関する。

熱を電気に変換させるゼーベック効果と呼ばれる技術が知られている。これは、工場、発電所、自動車、パソコンなどの廃熱を利用することが可能であり、ＣＯ_２の排出もなく、クリーンなエネルギーとして近年注目されている。

高い熱電変換効率を示す物質として、ｐ型熱電材料であるＮａＣｏＯ_２（非特許文献１参照）やＳｒＴｉＯ_３（非特許文献２参照）などの酸化物、ｎ型熱電材料であるＢｉ−Ｔｅ系などの金属などが知られている。これらを交互に組み合わせることで、図１に示すような熱電変換素子が知られている。このように、熱電材料の両端に温度差を付けることにより、電子移動が生じ、発電される。

特に、Ｂｉ−Ｔｅ系の材料は低温での発電が可能であり、常温付近で発電することが容易に出来るため、実用化もされている（特許文献１参照）。

Ｉ．Ｔｅｒａｓａｋｉ，Ｙ．ＳａｓａｇｏａｎｄＫ．Ｕｃｈｉｎｏｋｕｒａ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，５６．Ｒ１２６８５（１９９７）Ｓ．Ｏｈｔａ，Ｈ．ＯｈｔａａｎｄＫ．Ｋｏｕｍｏｔｏ，Ｊ．Ｃｅｒａｍｉｃｓ，Ｓｏｃ．Ｊｐｎ，１１４，１０２（２００６）

特許第３２７８１４０号公報

しかしながら、上述した熱電変換効率を示す物質は耐湿度性、耐酸素性に乏しいため、空気中で使用することで、熱電変換効率が下がることが知られている。そのため、特殊な環境下である宇宙などでしか用いられていない。

ＮａＣｏＯ_２では、結晶構造中のＣｏＯ_２平面の層内に存在するＮａイオンの拡散が良いことで、高い電気伝導性が示される。この層内に水が吸着しやすく、Ｎａイオンの電気伝導性を阻害する可能性がある。また、層内に酸素が入ることで、結晶構造中の酸素数が変化し、キャリア数が低下する。

金属化合物であるＢｉ_２Ｔｅ_３では、表面に酸化皮膜が形成されることでの、電気伝導性の劣化が生じる。また、酸素と反応をすることでキャリア数が低下する為、熱電変換効率が低下する。

以上のような理由から、本発明は熱電変換材料を長期にわたって安定的に用いることを可能とするため、耐湿度性や耐酸素性を有し、空気中の水蒸気や酸素から保護するための包材で保護した熱電変換素子包装体の提供を課題とする。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、
ｐ型熱電変換材料と、ｎ型熱電変換材料と、
一対の前記ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料に電気的に接続するめっき部と、
ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料の一端が前記めっき部を介して接続される加熱部と、
ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料の他の一端が前記めっき部を介して接続される冷却部とを少なくとも備える熱電変換素子を、
少なくとも外層、バリア層、ヒートシール層をこの順に積層してなる積層フィルムであって、該バリア層はアルミ箔、ポリ塩化ビニリデン、エチレン−ビニルアルコール共重合体から選ばれるいずれか一つからなる積層フィルムを用いて、
前記ヒートシール層を前記熱電変換素子側にして包装することを特徴とする熱電変換素子包装体である。

また、請求項２に記載の発明は、前記外層と前記バリア層との間にラミネート層を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体である。

また、請求項３に記載の発明は、前記バリア層と前記ヒートシール層との間にバリア層保護層を設けることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体である。

また、請求項４に記載の発明は、１または複数の前記積層フィルムのヒートシール層同士を熱溶着して前記熱電変換素子を包装することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体である。

また、請求項５に記載の発明は、前記積層フィルムを用いて前記熱電変換素子を包装する際、熱電変換素子包装体内部を不活性ガスで置換することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体である。

また、請求項６に記載の発明は、前記熱電変換素子包装体は、前記熱電変換素子全体を前記積層フィルムを用いて熱収縮させたスキンパック包装であることを特徴とすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱電変換素子包装体である。

また、請求項７に記載の発明は、前記熱電変換素子包装体は、前記熱電変換素子全体を深絞り加工を施した前記積層フィルムで包装していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱電変換素子包装体である。

本発明の熱電変換素子包装体は、空気中の水蒸気や酸素から保護するための包材で熱電変換材料を保護することにより、熱電変換材料の劣化を抑え、長期にわたって安定的に用いることを可能とするものである。熱電変換材料が直接外気と接しない為、宇宙などの特殊環境下以外での熱電変換素子の使用が可能となる。また、雨などの天候に変動されることがなく、熱電変換素子を屋外で使用することが可能となる。

熱電変換素子の一例を示す模式図本発明の熱電変換素子包装体における積層フィルムの層構成の一例を示す模式図本発明の熱電変換素子包装体における積層フィルムの層構成の一例を示す模式図本発明の熱電変換素子包装体の一例を示す図本発明の熱電変換素子包装体の一例を示す図本発明の熱電変換素子包装体の一例を示す図

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。なお、以下に示す例は好ましい実施形態の一例であって、本発明は以下に示す例に限定されるものではない。
図１は、熱電変換素子の一例を示す模式図である。ｐ型熱電変換材料１と、ｎ型熱電変換材料２と、一対のｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料に電気的に接続するめっき部３と、ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料の一端がめっき部を介して接続される加熱部４と、ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料の他の一端がめっき部を介して接続される冷却部５とを少なくとも備える熱電変換素子である。ｐ型熱電変換材料１と、ｎ型熱電変換材料２とは、一対でも、また複数を交互に組み合わせることも可能であり、公知の熱電変換素子を用いることができる。

熱電変換素子を包装する積層フィルムは、少なくとも外層、バリア層、ヒートシール層をこの順に積層してなる。また、外層とバリア層との間にラミネート層を設けてもよく、またバリア層とヒートシール層との間にバリア層を保護するためのバリア層保護層を設けてもよい。図２および図３には、外層／ラミネート層／バリア層／バリア層保護層／ヒートシール層の順に積層された積層フィルムの一例の積層構成を示す。

外層にはバリア層のピンホールを防ぐ為に、延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）を用いる。厚みが約２０μｍのポリプロピレンを用いることにより、積層フィルムに柔軟性を持たせることが可能となる。また、図６に示す、熱収縮を用いて熱電変換素子を保護する形態では、外層に用いる延伸ナイロン（ＯＮＹ）に塩化ビニリデンをコーティングされているものが望ましい。

ラミネート層にはポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルムを用いる。これは、ポリエチレンテレフタラートフィルムは、フィルム特性として、ナイロンフィルムやポリエチレンフィルムに比較し、耐摩擦係数が優れ、耐ピンホール性に優れる特性を有しているため、製造ラインにおけるフィルムとの摩擦によるピンホールの発生を抑えることができる。

バリア層にはアルミ箔を用いることで、酸素および水蒸気を透過させない積層フィルムとすることができる。例えば、図４に示すような、２枚の積層フィルムを真空にしながら熱溶着させ熱電変換素子を保護する形態では、外層／ラミネート層／バリア層／バリア層保護層／ヒートシール層の５層構成の積層フィルムの場合、アルミ箔の厚みは７μｍ程度の厚みでよい。

また、図６に示すような、深絞り加工をして熱電変換素子を保護する形態では、バリア層のアルミ箔の厚みを５０μｍ以上にし、クラックによる影響をなくすことが望ましい。

また、図５に示すような、熱収縮を用いて熱電変換素子を保護する形態では、バリア層にはエチレンビニル共重合体（ＥＶＯＨ）を用い、さらに、外層に用いる延伸ナイロン（ＯＮＹ）に塩化ビニリデンをコーティングされていることが望ましい。

またバリア層には、耐酸素性や耐水蒸気性に優れており、かつ、低コストである、ポリ塩化ビニリデンを用いることも可能である。

バリア層保護層には延伸ナイロンを用いる。これにより、バリア層のアルミ箔を保護し、柔軟性かつ腰を持たせることで、積層フィルムに立体保持性を持たせることができる。例えば、厚み約１５μｍの延伸ナイロン（ＯＮＹ）を用いる。

ヒートシール層にはポリオレフィン系であるポリプロピレン（ＰＰ）や低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）を用いることができ、適宜選択することができる。ポロプロピレンは、低密度ポリエチレンよりも融点が高いという特徴がある。ポリプロピレンの融点は１５０℃程度であるのに対し、低密度ポリエチレンは１２０℃程度である。また、ポリプロピレンはバリア性にも優れており、測定条件酸素透過度：２０℃ ８０％ＲＨ、透湿度：４０℃ ９０％ＲＨで、ＰＰ（２０μ）酸素透過度１７００（ＣＣ／ｍ^２・ａｔｍ・ｄａｙ），透湿度９（ｇ／ｍ^２・ｄａｙ）、ＬＬＤＰＥ（２０μ）酸素透過度７５００（ＣＣ／ｍ^２・ａｔｍ・ｄａｙ），透湿度２５（ｇ／ｍ^２・ｄａｙ）である。シーラント部分のエッジから空気の進入を防ぐため、ポリプロピレンの方がより好ましい。一方、直鎖型低密度ポリエチレンの方がポリプロピレンよりも柔軟性に優れるため、図５に示すようなスキンパックタイプの包装体とする場合は低密度ポリエチレンを用いる。

図５には熱電変換素子の包装体の一例として、熱電変換素子全体を積層フィルム２枚で熱収縮させながら減圧を行うことによって、熱電変換素子全体に密着した形状にしたスキンパック包装の包装体を示す。このときの積層構成として、外層／バリア層／ヒートシール層とし、それぞれ、ポリ塩化ビニリデンを表面にコーティングさせた延伸ナイロン（Ｋ−ＯＮＹ）／エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）又は、ポリ塩化ビニリデン／低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）が挙げられる。
スキンパック包装の包装体は、熱電変換素子全体に積層フィルム２枚を熱収縮させた後、２枚の積層フィルム同士を周囲３箇所で熱溶着させる。その後、残りの開いている１箇所から包装体内を脱気しながら、水分を含まない不活性ガス（窒素、アルゴン）で置換し、この積層フィルム２枚を熱溶着することにより得られる。図５に示す熱電変換素子包装体とすることにより、熱電変換材料が酸素や水蒸気と反応することを防ぐことが可能となる。

図６には熱電変換素子包装体の一例として、熱電変換素子全体を深絞り加工を施した積層フィルムで包装した熱電変換素子包装体を示す。２種類２枚の積層フィルムのフタと容器から構成され、そのときの積層フィルムの層構成の例としては、フタ材が外層／バリア層／バリア保護層／ヒートシール層とし、それぞれＰＥＴ／Ａｌ／ＯＮＹ／ＰＰとなるようにする。このとき、バリア層にあるＡｌの厚みは５０μｍ以上とし、深絞りでのクラックが生じないようにする。容器材としては、外層／バリア層／ヒートシール層とし、それぞれＰＰ／Ａｌ／ＰＰとなるようにする。これは、容器材のみ事前に金型を用いて射出成型を行い、熱電変換素子とほぼ同じ形状になるようにする。そのＰＰの部分とフタ材のＰＰの部分を熱溶着させながら、包装体内を、脱気及び、水分を含まない不活性ガス（窒素、アルゴン）で置換させ、この積層フィルム２枚を熱溶着させることによって、熱電変換材料が酸素や水蒸気と反応することを防ぐことが可能となる。

以上のように、本発明の熱電変換素子包装体に用いる積層フィルムは、耐ピンホール性に非常に優れているため熱電変換素子の外被材に適しており、包装される熱電変換素子が長期、安定的に発電することを可能とする。そのため、本発明の熱電変換素子包装体は、パソコンや冷蔵庫、テレビ、ビデオ等の家電や、半導体製造装置等、発電所、ごみ焼却場等、様々な環境に適用可能である。

１・・・ｐ型熱電変換材料
２・・・ｎ型熱電変換材料
３・・・めっき部
４・・・加熱部
５・・・冷却部
６・・・積層フィルム
７・・・ヒートシール部
８・・・容器
９・・・フタ

Claims

ｐ型熱電変換材料と、ｎ型熱電変換材料と、
一対の前記ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料に電気的に接続するめっき部と、
ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料の一端が前記めっき部を介して接続される加熱部と、
ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料の他の一端が前記めっき部を介して接続される冷却部とを少なくとも備える熱電変換素子を、
少なくとも外層、バリア層、ヒートシール層をこの順に積層してなる積層フィルムであって、該バリア層はアルミ箔、ポリ塩化ビニリデン、エチレン−ビニルアルコール共重合体から選ばれるいずれか一つからなる積層フィルムを用いて、
前記ヒートシール層を前記熱電変換素子側にして包装することを特徴とする熱電変換素子包装体。
前記外層と前記バリア層との間にラミネート層を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体。
前記バリア層と前記ヒートシール層との間にバリア層保護層を設けることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体。
１または複数の前記積層フィルムのヒートシール層同士を熱溶着して前記熱電変換素子を包装することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体。
前記積層フィルムを用いて前記熱電変換素子を包装する際、熱電変換素子包装体内部を不活性ガスで置換することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子包装体。
前記熱電変換素子包装体は、前記熱電変換素子全体を前記積層フィルムを用いて熱収縮させたシュリンク包装であることを特徴とすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱電変換素子包装体。
前記熱電変換素子包装体は、前記熱電変換素子全体を深絞り加工を施した前記積層フィルムで包装していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱電変換素子包装体。