JP2016092015A

JP2016092015A - 放熱装置

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Publication number: JP2016092015A
Application number: JP2014220365A
Authority: JP
Inventors: 豪志武藤; Takeshi Muto; 邦久加藤; Kunihisa Kato
Original assignee: Lintec Corp
Current assignee: Lintec Corp
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: JP6500390B2

Abstract

【課題】熱電変換デバイスが配置される熱電変換デバイスの配置場所の自由度を高め、エネルギー回生が可能な放熱装置を提供する。
【解決手段】放熱装置１は、熱源に隣接して配置され、熱源からの熱を放出する放熱部１０と、放熱部１０の少なくとも一部に配置された熱電変換デバイス２０とを備える。熱電変換デバイス２０は、熱電材料から形成された熱電変換層と、熱電変換層に接続された電極層２３とを有する。熱電材料の熱伝導率は、放熱部１０を形成する材料の熱伝導率よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換デバイスを備えた放熱装置に関する。

熱電変換デバイスは、導体の両端に生じる温度差により電位差が発生するデバイスである。そのため、恒常的に温度差が発生する場所に配置することにより、熱エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換することができる。
電子機器に搭載されている半導体デバイスは、動作時に内部から発熱するが、近年、要求される小型化かつ高密度化等に伴い、発熱量が多くなっている。半導体デバイスに熱が蓄積されると、該半導体デバイス自体の特性の低下、誤動作、半導体デバイスの破壊、寿命低下等に繋がることがある。このため、半導体デバイスから発生する熱を効率良く外部に放熱するための方法として、半導体デバイスには、放熱装置（ヒートシンクということがある）が設けられている。
放熱装置は、発熱体である半導体デバイスからの熱を半導体デバイスの外部に放出する装置であるため、半導体デバイスを起動している間、放熱装置には恒常的に熱の流れが発生する。
そこで、上述した熱電変換デバイスを、放熱装置に配置することにより、放熱装置から放出される熱エネルギーを電気エネルギーとして回生することが検討されている（特許文献１参照）。特許文献１では、図２に示されるように、２枚のセラミックス等の絶縁電熱板の間に、バルク状のｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子が電極層を介して交互に配置されて、互いに接続されてなる熱電変換デバイスが使用されている。

国際公開番号ＷＯ２０１０／０９０３５０号公報

熱電変換デバイスを用いて、恒常的に温度差が発生する放熱装置から電気エネルギーを回生することは、省エネルギー化に資する。しかしながら、熱電変換デバイスの配置場所、配置面積によっては、放熱装置本来の放熱性能を阻害することがあった。また、寸法上の理由から、半導体デバイスにおける設置場所が限定されることがあった。このために、特許文献１のようなバルク状の熱電変換素子を用いてなる熱電変換デバイスでは、半導体デバイスにおいて配置できる場所に制約があった。
そこで、本発明は、熱電変換デバイスが配置される放熱装置であって、熱電変換デバイスの配置場所の自由度を高め、エネルギー回生が可能な放熱装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、熱源に隣接して配置される放熱装置に、シート状の熱電変換デバイスを配置することにより、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（７）を提供するものである。
（１）熱源に隣接して配置され、該熱源からの熱を放出する放熱部と、該放熱部の少なくとも一部に配置された熱電変換デバイスとを備え、該熱電変換デバイスは、熱電材料から形成された熱電変換層と、該熱電変換層に接続された電極層とを有し、該熱電材料の熱伝導率が該放熱部を形成する材料の熱伝導率よりも小さい放熱装置。
（２）前記熱電変換デバイスは、矩形状に形成されており、該矩形の長手方向における一端部と、他端部とに前記電極層が接続されており、該矩形の長手方向を前記放熱部において温度差が生じる方向に合わせるように配置されている前記（１）に記載の放熱装置。
（３）前記熱電変換デバイスの前記熱電材料の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下である前記（１）又は（２）に記載の放熱装置。
（４）前記熱電変換デバイスの前記熱電材料が、ｎ型熱電材料である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の放熱装置。
（５）前記熱電変換デバイスの前記熱電材料が、ｐ型熱電材料である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の放熱装置。
（６）前記熱電変換デバイスの前記熱電材料が、ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料であり、該ｎ型熱電材料からなるｎ型熱電変換層と該ｐ型熱電材料からなるｐ型熱電変換層とが前記電極層によって、交互に直列に接続されてなる前記（１）〜（５）のいずれかに記載の放熱装置。
（７）電気を蓄電する蓄電部を備え、前記電極層が該蓄電部に電気的に接続されてなる前記（１）〜（６）のいずれかに記載の放熱装置。

本発明に係る放熱装置によれば、熱電変換デバイスが配置される放熱装置であって、熱電変換デバイスの配置場所の自由度を高め、エネルギー回生が可能な放熱装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る放熱装置１の構造を説明する模式図である。放熱部１０の屹立部分１２の構造を説明する外観斜視図である。放熱部１０の屹立部分１２の構造を説明する外観斜視図である。放熱部１０の屹立部分１２の構造を説明する外観斜視図である。本実施形態に係る熱電変換デバイスの第１の構造を説明する平面図である。本実施形態に係る熱電変換デバイスの第１の構造を説明する平面図である。本実施形態に係る放熱装置の他の態様を説明する概略図である。実施例に用いたヒートシンクの形状を説明する概略図である。

［放熱装置］
本発明の実施形態に係る放熱装置は、熱源に隣接して配置され、熱源からの熱を放出する放熱部と、該放熱部の少なくとも一部に配置された熱電変換デバイスとを備える。熱電変換デバイスは、基材と、該基材の表面に配設されており熱電材料から形成された熱電変換層と、該熱電変換層に接続された電極層とを有し、熱電材料の熱伝導率が放熱部を形成する材料の熱伝導率よりも小さい。

［放熱装置の構成］
本発明の実施形態に係る放熱装置１の概要について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る放熱装置１の構造を説明する模式図である。
放熱装置１は、放熱部１０と、放熱部１０の少なくとも一部に配置された熱電変換デバイス２０とを備える。放熱部１０は、熱源である発熱体に隣接して配置され、熱源からの熱を放出する。放熱部１０は、熱源側に位置するベース部分１１と、ベース部分１１から熱源と反対方向Ｖ（屹立方向と表すことがある）に向けて延びる屹立部分１２とを有する。屹立部分１２は、複数の放熱面を有しており、放熱面の少なくとも一部には熱電変換デバイス２０が配置されている。
したがって、放熱部１０には、屹立方向Ｖに沿って温度勾配が生じる。
なお、図１では、屹立部分１２が、一例として直方体（板状を含む）に形成されている。屹立部分１２の対向面のうち、一面のみに熱電変換デバイス２０が配置されたものを構造Ａとし、屹立部分１２の対向面の両面に熱電変換１が配置されたものを構造Ｂとする。

＜放熱部＞
次に、本実施形態に係る放熱装置１に用いられる放熱部１０を、図面を用いて説明する。図２〜４は、放熱部１０の屹立部分１２の種々の構造を説明する外観斜視図である。屹立部分１２は、柱状部材から構成されていてもよく、板状部材から構成されていてもよい。また、板状部材が放射状に組み合わされてなる形状であってもよい。屹立部分１２の形状は、放熱に適した形状であればよく、図２〜図４に限定されない。
放熱部１０は、通常、放熱装置に用いられる熱導体から形成されており、好ましくは、アルミニウム等の熱良導体から形成されている。放熱部１０と発熱体は、放熱グリース等によって接合されている。放熱部１０の放熱に寄与する屹立部分１２は、通常、地金剥き出しにされている。本実施形態では、屹立部分１２の少なくとも一部に、熱電変換デバイス２０が配置されている。

＜熱電変換デバイス＞
次に、本実施形態に係る放熱装置１に用いられる熱電変換デバイス２０を、図面を用いて説明する。図５及び図６は、シート状に形成された熱電変換デバイス２０を主面に垂直方向からみた平面図である。熱電変換デバイス２０は、熱電変換層の構成に応じて、図５及び図６に示す２通りの構造を採り得る。
熱電変換デバイス２０は、基材２１と、熱電変換層２２と、電極層２３とから形成されている。熱電変換層２２は、基材２１の表面に矩形状に形成されており、矩形の長手方向の一端部と他端部とに電極層２３が接続されている。
熱電材料として、ｐ型熱電材料又はｎ型熱電材料の片方から形成された熱電変換層２２が用いられる場合には、図５に示すように、隣接する熱電変換層２２の長手方向における端部同士が電極層２３によって接続されている。
また、ｐ型熱電材料及びｎ型熱電材料が用いられる場合には、図６に示すように、ｐ型熱電材料から形成された熱電変換層２２ａと、ｎ型熱電材料から形成された熱電変換層２２ｂとが直列接続になるように、電極層２３によって接続されている。
このように形成された熱電変換デバイス２０は、本実施形態では、発電用デバイスとして使用するために、一端部を高温側に配置し、他端部を低温側に配置する。すなわち、熱電変換デバイス２０を放熱部１０に適用する場合には、熱電変換層２２（２２ａ，２２ｂ）の長手方向が、温度勾配が生じる屹立方向Ｖに沿うように配置することが好ましい。
本実施形態に係る熱電変換デバイス２０の厚みは、０．２μｍ以上２０００μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以上１０００μｍであることがより好ましく、０．２μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
また、図５及び図６には、図示されていないが、熱電変換デバイス２０の電極層２３には、熱起電力取出用の電極が接続されており、熱電変換デバイス２０から熱起電力を取り出し、蓄電装置に蓄えられるか、デバイスの電源として使用できる。
続いて、熱電変換デバイス２０の各構成について、詳細に説明する。

（基材）
基材２１は、熱電変換材料の電気伝導率の低下、熱伝導率の増加に影響を及ぼさないものであれば、特に制限されない。基材としては、例えば、ガラス、シリコン、プラスチックフィルム等が挙げられる。なかでも、屈曲性に優れることから、プラスチックフィルムが好ましい。
プラスチックフィルムとしては、具体的には、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、ポリアミドイミドフィルム、ポリエーテルケトンフィルム、ポリエーテル・エーテルケトンフィルム、ポリフェニレンサルファイドフィルム、ポリ（４−メチルペンテン−１）フィルム等が挙げられる。また、これらフィルムの積層体であってもよい。
これらの中でも、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、支持体が熱変形することなく、熱電変換材料の性能を維持することができ、耐熱性及び寸法安定性が高いという点から、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、ポリアミドイミドフィルムが好ましく、さらに、汎用性が高いという点から、ポリイミドフィルムが特に好ましい。
基材２１の厚みは、屈曲性、耐熱性及び寸法安定性の観点から、０．０１〜１０００μｍが好ましく、０．０１〜１００μｍがより好ましく、０．０１〜５０μｍであることがより好ましい。また、基材２１の分解温度は、３００℃以上であることが好ましい。

（熱電変換層）
熱電変換層２２は、ゼーベック効果を有する材料から形成されている。熱電変換層２２を形成することのできる熱電材料としては、当該熱電材料の熱伝導率が、放熱部１０を形成する材料の熱伝導率よりも小さい材料であることを要する。すなわち、下記式の関係を満たすことを要する。
熱電材料の熱伝導率：Ｋ_ＴＥ＜放熱部を形成する材料の熱伝導率：Ｋ_ｍ
放熱部１０を形成するために通常に用いられる材料の熱伝導率が、一般的に、１０〜４４０Ｗ／ｍＫであることから、熱電材料の熱伝導率：Ｋ_ＴＥ≦１０Ｗ／ｍＫを満たすことが好ましい。上記条件を満足することにより、熱電変換デバイス２０に生じる温度差のうち、４５％以上を熱電変換に付与できる。
一例として、放熱部１０がアルミニウムからなる場合には、アルミニウムの熱伝導率Ｋ_Ａｌ＝２４０Ｗ／ｍＫよりも小さい熱伝導率を有する熱電材料を選択する。

熱電材料としては、無機系材料又は有機系材料のいずれも使用できる。
無機系熱電材料としては、例えば、ｐ型ビスマステルライド、ｎ型ビスマステルライド、Ｂｉ_２Ｔｅ_３等のビスマス−テルル系熱電半導体材料；ＧｅＴｅ、ＰｂＴｅ等のテルライド系熱電半導体材料；アンチモン−テルル系熱電半導体材料；ＺｎＳｂ、Ｚｎ_３Ｓｂ_２、Ｚｎ_４Ｓｂ_３等の亜鉛−アンチモン系熱電半導体材料；ＳｉＧｅ等のシリコン−ゲルマニウム系熱電半導体材料；Ｂｉ_２Ｓｅ_３等のビスマスセレナイド系熱電半導体材料；β−ＦｅＳｉ_２、ＣｒＳｉ_２、ＭｎＳｉ_１．７３、Ｍｇ_２Ｓｉ等のシリサイド系熱電半導体材料；ＺｎＯ等の酸化物系熱電半導体材料；ＦｅＶＡｌ、ＦｅＶＡｌＳｉ、ＦｅＶＴｉＡｌ等のホイスラー材料、ＴｉＳ_２、テトラヘドライト等の硫化物系熱電半導体材料などを用いることができる。
これらの中でも、本実施形態に用いて好適な熱電材料は、ｐ型ビスマステルライド又はｎ型ビスマステルライド、Ｂｉ_２Ｔｅ_３等のビスマス−テルル系熱電半導体材料である。
ｐ型ビスマステルライドは、キャリアが正孔で、ゼーベック係数が正値であり、例えば、Ｂｉ_ＸＴｅ_３Ｓｂ_２−Ｘで表わされるものが好ましく用いられる。この場合、Ｘは、好ましくは０＜Ｘ≦０．８であり、より好ましくは０．４≦Ｘ≦０．６である。Ｘが０より大きく０．８以下であるとゼーベック係数と電気伝導率が大きくなり、ｐ型熱電変換材料としての特性が維持されるので好ましい。
ｎ型ビスマステルライドは、キャリアが電子で、ゼーベック係数が負値であり、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３−ＹＳｅ_Ｙで表わされるものが好ましく用いられる。この場合、Ｙは、好ましくは０≦Ｙ≦３であり、より好ましくは０．１＜Ｙ≦２．７である。Ｙが０以上３以下であるとゼーベック係数と電気伝導率が大きくなり、ｎ型熱電変換材料としての特性が維持されるので好ましい。
無機系熱電材料から形成される熱電変換層２２の厚みは、０．１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、より好ましくは、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。０．１μｍ未満であると、電気抵抗が高く充分な性能が得られず、１０００μｍを超えると、成膜工程に掛かるコストが過剰になり、費用対効果が悪化する。

有機系熱電材料としては、ポリアニリン類、ポリピロール類またはポリチオフェン類、及びそれらの誘導体から選ばれる少なくとも１種が好ましく用いられる。
ポリアニリン類は、アニリンの２位または３位あるいはＮ位を炭素数１〜１８のアルキル基、アルコキシ基、アリール基、スルホン酸基等で置換した化合物の高分子量体であり、例えば、ポリ２−メチルアニリン、ポリ３−メチルアニリン、ポリ２−エチルアニリン、ポリ３−エチルアニリン、ポリ２−メトキシアニリン、ポリ３−メトキシアニリン、ポリ２−エトキシアニリン、ポリ３−エトキシアニリン、ポリＮ−メチルアニリン、ポリＮ−プロピルアニリン、ポリＮ−フェニル−１−ナフチルアニリン、ポリ８−アニリノ−１−ナフタレンスルホン酸、ポリ２−アミノベンゼンスルホン酸、ポリ７−アニリノ−４−ヒドロキシ−２−ナフタレンスルホン酸等が挙げられる。

ポリピロール類とは、ピロールの１位または３位、４位を炭素数１〜１８のアルキル基またはアルコキシ基等で置換した化合物の高分子量体であり、例えば、ポリ１−メチルピロール、ポリ３−メチルピロール、ポリ１−エチルピロール、ポリ３−エチルピロール、ポリ１−メトキシピロール、３−メトキシピロール、ポリ１−エトキシピロール、ポリ３−エトキシピロール等が挙げられる。
ポリチオフェン類は、チオフェンの３位または４位を炭素数１〜１８のアルキル基またはアルコキシ基等で置換した化合物の高分子量体であり、例えば、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−エチルチオフェン、ポリ３−メトキシチオフェン、ポリ３−エトキシチオフェン、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）等の高分子体が挙げられる。
ポリアニリン類、ポリピロール類またはポリチオフェン類の誘導体としては、これらのドーパント体等が挙げられる。

ドーパントとしては、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオンなどのハロゲン化物イオン；過塩素酸イオン；テトラフルオロ硼酸イオン；六フッ化ヒ酸イオン；硫酸イオン；硝酸イオン；チオシアン酸イオン；六フッ化ケイ酸イオン；燐酸イオン、フェニル燐酸イオン、六フッ化燐酸イオンなどの燐酸系イオン；トリフルオロ酢酸イオン；トシレートイオン、エチルベンゼンスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオンなどのアルキルベンゼンスルホン酸イオン；メチルスルホン酸イオン、エチルスルホン酸イオンなどのアルキルスルホン酸イオン；または、ポリアクリル酸イオン、ポリビニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸）イオンなどの高分子イオン等が挙げられ、これらは単独でもまたは２種以上組み合わせて用いてもよい。
ドーパントとしては、これらの中でも、高い導電性を容易に調整でき、かつ、水溶液にした場合に、容易に分散するために有用な親水骨格を有することから、ポリアクリル酸イオン、ポリビニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸）イオンなどの高分子イオンが好ましく、水溶性かつ強酸性のポリマーであるポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）がより好ましい。
上記ポリアニリン類、ポリピロール類またはポリチオフェン類の誘導体としては、ポリチオフェン類の誘導体が好ましく、中でも、ポリ（３，４−エチレンオキサイドチオフェン）と、ドーパントとして、ポリスチレンスルホン酸イオンの混合物（以下、「ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ」と記載することがある）等が好ましい。

上記材料を用いて熱電変換層を形成する方法としては、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、グラビアコーティング、ダイコーティング、ドクターブレード等の各種コーティングや電気化学的ディポジションなどのウェットプロセス、スクリーン印刷およびインクジェット印刷の様な各種印刷が挙げられ、適宜選択される。
有機系熱電材料から形成される熱電変換層２２の厚みは、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。５ｎｍ未満であると、膜の電気抵抗が高くなり過ぎて熱電変換ができなくなる可能性がある。また、１０００ｎｍを超えると、成膜工程コストが過剰になり、費用対効果が悪化するため好ましくない。
熱電変換層２２は、上記有機高分子化合物の単層であってもよいし、上記有機高分子化合物のうち種類が異なるものを用いて形成したそれぞれの層を積層した構造であってもよい。

（電極層）
電極層２３は、導電性材料から形成される。導電性材料としては、仕事関数が比較的小さいものが好ましく、例えば、白金、金、銀、アルミニウム、インジウム、クロム、銅、スズ、ニッケル等の金属、これらの金属の金属酸化物、若しくは金属合金のほか、カーボンナノチューブ、又はカーボンナノチューブと上記金属、金属酸化物若しくは合金との複合体が挙げられる。電極層２３の厚みは、０．０２〜１００μｍであることが好ましく、特に、０．０３〜１０μｍであることが好ましい。

＜熱電変換デバイスの作製方法＞
次に、熱電変換デバイス２０の作製方法について説明する。
基材２１の表面に、上述した熱電材料を用いて熱電変換層２２が形成される。上述した無機系熱電材料を用いる場合には、例えば、無機系熱電材料をフラッシュ蒸着法、真空アーク蒸着法、スクリーン印刷、塗布等により、熱電変換層２２を形成することができる。
また、上述した有機系熱電材料を用いる場合には、有機高分子化合物の水分散液又は溶液（塗工液）を、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、グラビアコーティング、ダイコーティング、ドクターブレード等の各種コーティング、インクジェット印刷等により、基材２１上に熱電変換層２２を形成することができる。
続いて、熱電変換層２２のパターンが形成された基材２１上に、さらに導電性材料を用いて電極層２３が形成される。電極層２３の形成には、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等のＰＶＤ（物理気相蒸着）、若しくは熱ＣＶＤ、原子層蒸着（ＡＬＤ）等のＣＶＤ（化学気相蒸着）などのドライプロセス、又はディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、バーコーティング、グラビアコーティング、ダイコーティング、ドクターブレード等の各種コーティングや電気化学的ディポジションなどのウェットプロセスを適用することができる。
以上の工程により、熱電変換デバイス２０を作製することができる。

［放熱装置の他の態様］
本発明の実施形態に係る放熱装置の他の態様について、図７を用いて説明する。図７は、放熱装置２の構成を説明する概略図である。放熱装置２は、放熱部１０、熱電変換デバイス２０のほかに、電気を蓄電する蓄電部３０を備える。また、熱電変換デバイス２０から得た電気エネルギーの蓄蓄電動作を制御する制御回路４０を有する。
なお、放熱装置２において、熱電変換デバイス２０、蓄電部３０及び制御回路４０は、蓄電ユニットを形成し、放熱部１０とは分離可能にされていてもよい。

次に、本発明を、実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は、これらの例に限定されない。
［評価方法］
後述する実施例及び比較例において作製した熱電変換デバイスの熱電性能を、以下の方法で評価した。
＜熱伝導率＞
熱伝導率の測定には３ω法を用いた。
＜放熱能力＞
熱電変換装置をヒートシンク表面に配置したときの放熱能力を、下記の式により算出した。
放熱能力＝｛（ヒートシンク加熱面温度（℃）−ヒートシンク排熱面温度（℃））／加熱温度（℃））｝×１００
＜温度差＞
チラー(アズワン株式会社製、「ＬＴＣｉ−１５０Ｈ」と、水冷式クーラー（高木製作所株式会社製、「Ｐ−２００Ｓ」）とを組み合わせた冷却装置を用いて、チラーを、ヒートシンクの放熱部の屹立部分の端部に密着させた状態で３００Ｋに保持した。また、ヒートシンクのベース部分をホットプレート（アズワン株式会社製、「ＴＨＩ−１０００」）で３５０Ｋに保持した。この状態で、ホットプレートに接触するベース部分の温度と、チラーに接触する放熱部の端部上面の温度とを、Ｋタイプ熱電対とデータロガー（江藤電機株式会社製、「キャダック３」）とを組み合わせた測定装置で測定し、温度差を算出した。
＜電位差＞
電位差計（日置電機株式会社製ディジタルハイテスタ３８０１−５０）により測定した。

［実施例、比較例］
放熱部と熱電変換デバイスとを備えた放熱装置を、下記の通り作製した。
＜実施例１＞
（放熱部）
放熱部として、アルミニウム製のヒートシンク（ＬＳＩクーラー株式会社製、「１７Ｆ２０２」）を用いた。ヒートシンクの形状及び寸法を図８に示す。ヒートシンクは、板状に形成された屹立部分１２を複数備えたフィンタイプのものである。ベース部分１１の厚みは４．５ｍｍ、ベース部分１１から屹立部分１２の先端までの長さは１７ｍｍ、屹立部分１２の厚みは２ｍｍ、屹立部分１２の間隔は１０ｍｍであった。

（熱電変換デバイスの作製）
熱電変換デバイスを下記の通り作製した。すなわち、基材として用いられるポリイミドフィルム（東レ・デュポン株式会社製、「カプトン２００Ｈ」、厚さ５０μｍ）の表面上に、有機系熱電材料であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ(アグファマテリアル株式会社製、「Ｓ−３０５」、熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ)を、インクジェット印刷装置（マイクロジェット株式会社製、「ＮａｎｏＰｒｉｎｔｅｒ−３００」）を用いて、熱電変換層を形成した。形成後、大気中において１５０℃で乾燥した。続いて、真空蒸着法により、導電性材料として銅を用いて、電極層を形成し、図５に示すタイプの熱電変換デバイスａを作製した。
得られた熱電変換デバイスａを、熱伝導性両面シール（Ｃｈｉｍｅｒｉｃｓ株式会社製、「Ｔ４１１」）を用いて、上述した構造Ａの様式で、熱電変換層の長手方向がヒートシンクの放熱部の屹立軸と並行になるように、放熱部に貼付し、供試体１を得た。
供試体１における基材、熱電変換層、及び電極層の寸法は、下記に示す通りである。すなわち、図５に示す、各部位において、Ｄ１１＝８ｍｍ、Ｄ１２＝２ｍｍ、ｄ１１＝ｄ１２＝１ｍｍ、ｄ１３＝１．５ｍｍとした。また、熱電変換層の厚みは０．２μｍに設定し、電極層の厚みは０．５μｍの厚みに設定した。熱電変換デバイスａの全体の厚みは、５０.２μｍであった。
この供試体に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスａに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜実施例２＞
基材として用いられるポリイミドフィルム（東レ・デュポン株式会社製、「カプトン２００Ｈ」）の表面上に、シャドーマスクを介して、無機系熱電材料である、ｐ型ビスマステルライド（高純度化学株式会社性、熱伝導率１．５Ｗ／ｍＫ）を、真空蒸着装置(アルバック理工株式会社製、「ＡＰＤＳ」)を用いて成膜した。続いて、ｎ型ビスマステルライド(高純度化学株式会社製、熱伝導率１．５Ｗ／ｍＫ)を同様にして蒸着した。その後、真空蒸着装置を用いて、導電性材料として銅を用いて電極層を形成し、図６に示すｐ−ｎタイプの熱電変換デバイスｂを作製した。熱電変換デバイスｂを、構造Ａの様式で放熱部に貼付し、供試体２を得た。
供試体２における基材、熱電変換層、及び電極層の寸法は、下記に示す通りである。すなわち、図６に示す、各部位において、Ｄ２１＝８ｍｍ、Ｄ２２＝２ｍｍ、ｄ２１＝ｄ２２＝１ｍｍとした。また、熱電変換層の厚みは０．２μｍに設定し、電極層の厚みは０．５μｍの厚みに設定した。熱電変換デバイスａの全体の厚みは、５０.２μｍであった。
この供試体に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスｂに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜実施例３＞
無機系熱電材料として、ｐ−型マンガンシリサイド（高純度化学株式会社製、熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ）、及びｎ−型マグネシウムシリサイド（高純度化学株式会社製、熱伝導率８Ｗ／ｍＫ）を用いて、ＭＢＥ成膜装置(パスカル株式会社製、「ＳＴ−ＬＭＢＥ」)を用いて成膜した以外は、実施例２と同様にして、図６に示すｐ−ｎタイプの熱電変換デバイスｃを作製した。熱電変換デバイスｃを、構造Ａの様式で放熱部に貼付し、供試体３を得た。
この供試体３に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスｃに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜実施例４＞
無機系熱電材料として、ｐ−型Ｆｅ_２ＶＡｌ（高純度化学株式会社製、熱伝導率１５Ｗ／ｍＫ）、及びｎ−型Ｆｅ_２ＶＡｌ（高純度化学株式会社製、熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ）を用いて、スパッタリング成膜装置(アルバック株式会社製、「ｉ−ｓｐｕｔｔｅｒ」)で成膜した以外は、実施例２と同様にして、図６に示すｐ−ｎタイプの熱電変換デバイスｄを作製した。熱電変換デバイスｄを、構造Ａの様式で放熱部に貼付し、供試体４を得た。
この供試体４に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスｄに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜実施例５＞
熱電変換デバイスａを、構造Ｂの様式で、熱電変換層の長手方向がヒートシンクの放熱部の屹立軸と並行になるように、放熱部に貼付し、供試体５を得た。供試体５に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスａに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜実施例６＞
熱電変換デバイスｂを、構造Ｂの様式で、熱電変換層の長手方向がヒートシンクの放熱部の屹立軸と並行になるように、放熱部に貼付し、供試体６を得た。供試体６に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスｂに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜実施例７＞
熱電変換デバイスｃを、構造Ｂの様式で、熱電変換層の長手方向がヒートシンクの放熱部の屹立軸と並行になるように、放熱部に貼付し、供試体７を得た。供試体７に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスｃに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜実施例８＞
熱電変換デバイスｄを、構造Ｂの様式で、熱電変換層の長手方向がヒートシンクの放熱部の屹立軸と並行になるように、放熱部に貼付し、供試体８を得た。供試体８に、上述した方法により熱を与え、熱電変換デバイスｄに生じる温度差を測定した。また、得られる電位差を測定した。結果を表１に示す。

＜比較例１＞
熱電変換デバイスを配置しないヒートシンク単体を比較例とした。

［評価結果］
実施例１〜８の供試体によれば、図８に示す形状のヒートシンクのフィン（屹立部分）の表面に配置することができて、且つ、温度差５０Ｋに設定した際にもヒートシンクの放熱能力がほとんど低下することなく発電できていることが分かった。これにより、熱電変換デバイスを設置しない比較例のものよりも、発電効果が高められていることがわかった。
また、温度差１．０℃〜４．０℃に伴い得られた出力電圧から、本発明に係る放熱装置によれば、熱エネルギーを電気エネルギーとして効率よく回生できることがわかった。
さらにまた、実施例５〜８に示されているように、構造Ｂのように、熱電変換デバイスを増量することにより、発電効果を一層高められることができる。

本発明の放熱装置は、シート状に形成された熱電変換デバイスを放熱部に配置したことにより、本来、放出していた熱エネルギーの一部を電気エネルギーに回生できることから、省エネルギー性が求められる電子機器、情報処理端末の放熱装置に適用できる。

１，２放熱装置、１０放熱部、１１ベース部分、１２屹立部分、２０熱電変換デバイス、３０蓄電部、４０制御回路、２１基材、２２，２２ａ，２２ｂ熱電変換層、２３電極層

Claims

熱源に隣接して配置され、熱源からの熱を放出する放熱部と、該放熱部の少なくとも一部に配置された熱電変換デバイスとを備え、
該熱電変換デバイスは、熱電材料から形成された熱電変換層と、該熱電変換層に接続された電極層とを有し、
該熱電材料の熱伝導率が該放熱部を形成する材料の熱伝導率よりも小さい放熱装置。
前記熱電変換デバイスは、矩形状に形成されており、該矩形の長手方向における一端部と、他端部とに前記電極層が接続されており、該矩形の長手方向を前記放熱部において温度差が生じる方向に合わせるように配置されている請求項１に記載の放熱装置。
前記熱電変換デバイスの前記熱電材料の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下である請求項１又は２に記載の放熱装置。
前記熱電変換デバイスの前記熱電材料が、ｎ型熱電材料である請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱装置。
前記熱電変換デバイスの前記熱電材料が、ｐ型熱電材料である請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱装置。
前記熱電変換デバイスの前記熱電材料が、ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料であり、該ｎ型熱電材料からなるｎ型熱電変換層と該ｐ型熱電材料からなるｐ型熱電変換層とが前記電極層によって、交互に直列に接続されてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱装置。
電気を蓄電する蓄電部を備え、前記電極層が該蓄電部に電気的に接続されてなる請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱装置。