JP2016187008A - Thermoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換デバイスに関する。より詳しくは、フィルム状の熱発電シートとして、各種排熱発電等のエネルギーハーベスティングに利用できる熱電変換デバイスに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device. More specifically, the present invention relates to a thermoelectric conversion device that can be used for energy harvesting such as various exhaust heat power generation as a film-like thermoelectric power generation sheet.
熱電変換デバイスは、産業排熱、生活排熱等の各種排熱を利用し、その温度差によって発電に利用可能なものであり、エネルギーハーベスティングへの利用が期待されている。 Thermoelectric conversion devices use various exhaust heat such as industrial exhaust heat and daily life exhaust heat, and can be used for power generation due to the temperature difference, and are expected to be used for energy harvesting.
従来の熱電変換デバイスは、図13に示されるように一般的にはπ型構造をしており、P型熱電材料pとN型熱電材料nを、金属材料で構成されている電極501、501aを介して交互に電気的に直列接続する。そして、各熱電材料の一方側を高温側、他方側を低温側にし、各熱電材料の両端に温度差を設けて熱電変換デバイス520の両端に電圧差を発生させ、発電する。
As shown in FIG. 13, the conventional thermoelectric conversion device generally has a π-type structure, and the P-type thermoelectric material p and the N-type thermoelectric material n are
従来の一般的な熱電変換デバイスでは、低温側と高温側の温度差を確保するため、各熱電材料は嵩高いブロック状になっており、金属材料で構成されている。従来の一般的な熱電変換デバイスは、このような熱電材料と電極とをπ型構造となるように配列して構成されているため、厚くなり、重くなる。また、各熱電材料がブロック状かつ剛体であるため、可撓性が無い。
これに対して、近年、可撓性を備え、取り扱いが容易な熱電変換デバイスが注目され、種々提案されている(例えば、特許文献1〜4参照。)。
In a conventional general thermoelectric conversion device, each thermoelectric material has a bulky block shape and is made of a metal material in order to ensure a temperature difference between a low temperature side and a high temperature side. Since the conventional general thermoelectric conversion device is configured by arranging such thermoelectric materials and electrodes so as to have a π-type structure, the device becomes thick and heavy. Moreover, since each thermoelectric material is a block shape and a rigid body, there is no flexibility.
On the other hand, in recent years, thermoelectric conversion devices that are flexible and easy to handle have attracted attention and various proposals have been made (for example, see
特許文献1に記載の発明では、N型熱電材料としてBi2Te3、P型熱電材料としてSb2Te3(Se微量添加)を、それぞれ乳化したブタジエン−スチレン樹脂(SBR)中に分散・混練して平面状に交互に接続する。更に、熱電材料間の接続部それぞれの表面側と裏面側に互い違いに発砲ポリウレタンシートを配置して平面内で温度差を発生させることにより、シート状の熱電変換デバイスを構成する(例えば、特許文献1の図3参照。)。
In the invention described in
特許文献2に記載の発明では、P型熱電材料及びN型熱電材料を蒸着やスパッタリング等の方法によって1〜100μmの厚みでフィルム基板上に形成する(例えば、特許文献2の図1参照。)。
In the invention described in
特許文献3に記載の発明では、薄膜のP型熱電素子と薄膜のN型熱電素子の熱電変換モジュールの両面を熱伝導率の低い材料で覆い、さらに外面の一部に熱伝導体を配置した構造としている(例えば、特許文献3の図1参照。)。これにより、熱電変換モジュールの内面温度差が発生する。
In the invention described in
特許文献4に記載の発明では、フィルム基板上に交互に配列させた複数のP型熱電変換素子及びN型熱電変換素子を、電極を介して直列に接続した構造において、各熱電変換素子の両端部近傍に熱伝導体を垂直に配置して、一方を高温側基板表面、他方を低温側基板表面まで到達して熱電変換素子両端の温度差を発生させる。更に、発熱面の水分を、基板厚方向に貫通させた水分通過孔を通して低温側基板表面上に配置した水分吸収層に導き、水分蒸発時の気化熱により低温側の温度を低くすることができる(例えば、特許文献4の図2参照。)。 In the invention described in Patent Document 4, in a structure in which a plurality of P-type thermoelectric conversion elements and N-type thermoelectric conversion elements arranged alternately on a film substrate are connected in series via electrodes, both ends of each thermoelectric conversion element A heat conductor is vertically arranged in the vicinity of the portion, one reaches the surface of the high-temperature side substrate and the other reaches the surface of the low-temperature side substrate to generate a temperature difference between both ends of the thermoelectric conversion element. Furthermore, the moisture on the heat generating surface is led to the moisture absorbing layer disposed on the low temperature side substrate surface through the moisture passage hole penetrating in the thickness direction of the substrate, and the temperature on the low temperature side can be lowered by the heat of vaporization during the evaporation of moisture. (For example, refer to FIG. 2 of Patent Document 4).
上述した各特許文献は、いずれも可撓性を備えたフィルム状熱電変換デバイスに関するが、フィルム状熱電変換デバイスには以下のような課題がある。
熱電変換デバイスは、上述したように、基板の一方の表面側を高温側、他方の表面側を低温側とし、その温度差を、基板面内にP型熱電材料及びN型熱電材料を交互に直列に並ぶように配置された熱電変換素子によって電気エネルギーに変換している。
Each of the patent documents described above relates to a film-like thermoelectric conversion device having flexibility, but the film-like thermoelectric conversion device has the following problems.
As described above, in the thermoelectric conversion device, one surface side of the substrate is the high temperature side, and the other surface side is the low temperature side, and the temperature difference between the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material alternately in the substrate surface. It is converted into electric energy by thermoelectric conversion elements arranged in series.
従来の一般的な熱電変換デバイス(例えば、図13に示される熱電変換デバイス)では、各熱電材料の一方の端から他方の端までが温度差のある方向と平行方向に配置されているため、各熱電材料の両端には自然と温度差を生じる。一方、上述した特許文献に記載のフィルム状熱電変換デバイスは、各熱電材料は平面的に配置されているため、各熱電材料の一方の端から他方の端までが温度差のある方向と垂直方向に配置されている。このような各熱電材料の両端に温度差を効率的に生じさせることがフィルム状熱電変換デバイスの課題となる。なお、本明細書中、熱電材料の端とは、熱電材料において、電極と接続している側の端を言う。 In a conventional general thermoelectric conversion device (for example, the thermoelectric conversion device shown in FIG. 13), one end to the other end of each thermoelectric material is arranged in a direction parallel to a direction having a temperature difference. There is a natural temperature difference between the ends of each thermoelectric material. On the other hand, in the film-like thermoelectric conversion device described in the above-mentioned patent document, since each thermoelectric material is arranged in a plane, the direction from one end of each thermoelectric material to the other end is perpendicular to the direction in which there is a temperature difference. Is arranged. Efficiently generating a temperature difference between both ends of each thermoelectric material is a problem of the film-like thermoelectric conversion device. In this specification, the end of the thermoelectric material refers to the end of the thermoelectric material that is connected to the electrode.
以下に概念図を用いてより詳しく説明する。図14は、ブロック状熱電材料を用いた従来の一般的な熱電変換デバイスを示す概念図である。図15は、フィルム状熱電変換デバイスを示す概念図である。図14及び図15では、基板の一方の表面側を高温面側、他方の表面側を低温面側としている。ΔTは、熱起電力を発生させるための、熱電材料n(p)の一方の端と他方の端との温度差を示す。 This will be described in more detail below with reference to conceptual diagrams. FIG. 14 is a conceptual diagram showing a conventional general thermoelectric conversion device using a block-shaped thermoelectric material. FIG. 15 is a conceptual diagram showing a film-like thermoelectric conversion device. 14 and 15, one surface side of the substrate is a high temperature surface side, and the other surface side is a low temperature surface side. ΔT represents a temperature difference between one end and the other end of the thermoelectric material n (p) for generating a thermoelectromotive force.
図14の場合は、高温面側から低温面側への向き(白抜きの太矢印)と熱電材料n(p)の一方の端から他方の端への向きとが平行で揃っているので、熱電材料n(p)の両端に自然に温度差を生じる。一方、図15の場合は、高温面側から低温面側への向き(白抜きの太矢印)と熱電材料n(p)の一方の端から他方の端への向きとは直交(垂直)の関係にあり、何らかの工夫をしなければ熱電材料n(p)の一方の端と他方の端とが同じ温度(高温側と低温側の中間の温度)になり、熱起電力を発生させることができない。従って、図15に示されるフィルム状熱電変換デバイスでは、フィルム基板の高温面側と低温面側との縦方向の温度差エネルギーを、できるだけ効率良く横方向の温度差エネルギーに変換させることが熱電変換特性を向上するうえで重要と考えられる。以上のような考え方で上記特許文献1〜4を見直してみる。
In the case of FIG. 14, the direction from the high temperature surface side to the low temperature surface side (open thick arrow) and the direction from one end of the thermoelectric material n (p) to the other end are aligned in parallel. A temperature difference naturally occurs at both ends of the thermoelectric material n (p). On the other hand, in the case of FIG. 15, the direction from the high temperature surface side to the low temperature surface side (open thick arrow) and the direction from one end of the thermoelectric material n (p) to the other end are orthogonal (perpendicular). There is a relationship, and if one device is not devised, one end and the other end of the thermoelectric material n (p) will be at the same temperature (intermediate temperature between the high temperature side and the low temperature side), and a thermoelectromotive force may be generated. Can not. Therefore, in the film-like thermoelectric conversion device shown in FIG. 15, it is possible to convert the temperature difference energy in the vertical direction between the high temperature side and the low temperature side of the film substrate into the temperature difference energy in the horizontal direction as efficiently as possible. It is considered important for improving the characteristics. The
特許文献1に記載の発明では、P型熱電材料とN型熱電材料との接続部分を一方の面側と他方の面側で交互に覆う断熱性材料(発泡ポリウレタン)によって高温側又は低温側から供給される熱エネルギーが遮られる。従って、断熱性材料が配置されている部分にある熱エネルギーは熱起電力に寄与できない。また、断熱性材料が配置されていない部分では、P型熱電材料及びN型熱電材料共に、高温側と低温側の両面から熱エネルギーが供給されることになり、熱電材料の温度はその中間温度に固定される。そのため、断熱性材料が配置されている部分の温度差しかエネルギーとして活かすことができず、熱起電力を効率的に発生させることを阻害される。
In the invention described in
特許文献2に記載の発明では、熱電材料の両端に温度差を発生させるためには、低温側及び高温側の同一面内でストライプ状に高温部と低温部をP型熱電材料とN型熱電材料の接続部の周期に合せて配置することになる。特許文献2に記載の熱電変換デバイスを一定温度の熱源を持つ面に接して使用しても、各熱電材料の両端に温度差は生じず、熱起電力を発生させることができない。
In the invention described in
特許文献3に記載の発明では、熱伝導体と熱電材料との間に厚み10μm以上の熱伝導率の低い材料が挟まっているため、熱エネルギーを効率的に伝えられない。更に言えば、熱伝導体が基板外面の一部にしか配置されていないため、熱伝導体が配置された一部では熱エネルギーを吸収できるが、熱伝導体が配置されていない熱伝導率の低い部分では熱エネルギーを充分に吸収することができず、熱起電力へ寄与させることができない。
In the invention described in
特許文献4に記載の発明では、各熱電材料による熱電変換素子の両端に隣接して柱状の熱伝導体が配置されている。このように熱伝導体は横方向(基板面内)に絶縁膜を介して熱電変換素子端と接している。しかし、横方向の位置合わせ精度によって熱伝導体と熱電変換素子との距離が変化するため、熱伝導体と熱電変換素子との間の熱伝導率の低い絶縁膜の距離のわずかな変化によって大きく熱伝導性が上下してしまい、安定した熱電変換特性が得られにくい。横方向(基板面内)の位置合わせ精度の絶対値自体も比較的大きく(通常、ミクロンオーダー以上)、熱伝導体と熱電変換素子との距離を最適な距離にまで縮めることは容易ではない。また、フィルム基板外面に露出している熱伝導体の面積は柱状の上面又は下面だけであるため、フィルム基板外面の全面積に比べると非常に小さく、フィルム基板外面のほとんどの領域は熱伝導率の低い絶縁性のフィルム基板である。従って、熱エネルギーを熱伝導体に集めることが難しい。 In the invention described in Patent Document 4, columnar heat conductors are arranged adjacent to both ends of a thermoelectric conversion element made of each thermoelectric material. Thus, the heat conductor is in contact with the end of the thermoelectric conversion element through the insulating film in the lateral direction (in the substrate plane). However, since the distance between the thermal conductor and the thermoelectric conversion element changes depending on the alignment accuracy in the lateral direction, it is greatly increased by a slight change in the distance of the insulating film having low thermal conductivity between the thermal conductor and the thermoelectric conversion element. The thermal conductivity will fluctuate, making it difficult to obtain stable thermoelectric conversion characteristics. The absolute value of the alignment accuracy in the lateral direction (in the substrate plane) itself is also relatively large (usually on the order of microns or more), and it is not easy to reduce the distance between the heat conductor and the thermoelectric conversion element to an optimum distance. In addition, since the area of the heat conductor exposed on the outer surface of the film substrate is only the columnar upper or lower surface, it is very small compared to the entire area of the outer surface of the film substrate, and most of the area on the outer surface of the film substrate has a thermal conductivity. It is an insulating film substrate with low resistance. Therefore, it is difficult to collect heat energy in the heat conductor.
以上のように、上述した特許文献1〜4に記載の発明では、高温側及び低温側の熱エネルギーを充分に吸収し、熱電変換素子の両端に伝達するうえで工夫の余地があった。
As described above, the inventions described in
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、外部から熱エネルギーを充分に吸収したり、外部に熱エネルギーを充分に発散したりすることができる、高効率の熱電変換デバイスを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described present situation, and provides a highly efficient thermoelectric conversion device that can sufficiently absorb heat energy from the outside or sufficiently dissipate heat energy to the outside. It is for the purpose.
本発明者は、フィルム状熱電変換デバイスに着目し、熱エネルギーを効率的に吸収・発散できる熱電変換デバイス、すなわち、フィルム基板の高温面側、低温面側の広い面を用いて熱エネルギーを吸収・発散し、P型熱電材料及びN型熱電材料の両端に効率的に温度差を生じさせることができる熱電変換デバイスを種々検討した。そして、本発明者は、P型及びN型熱電材料と共に直列に並んで配置された複数の電極の1つおきにフィルム基板を貫通して電極に到達する貫通孔を設け、フィルム基板外面上及び貫通孔内に熱伝導体を配置することとした。更に、本発明者は、各電極間が電気的に短絡しないように、フィルム基板外面上の熱伝導体をパターニングしたり、貫通孔内の熱伝導体と電極とを絶縁膜を介して隔てたり、熱伝導体を電気的に絶縁性としたりすることとした。本発明者は、これにより、外部からの熱エネルギーを効率的に熱伝導体に吸収したり、外部に熱エネルギーを効率的に発散したりでき、熱伝導体と電極との間の熱伝導性も優れるフィルム状熱電変換デバイスとすることができることを見出した。このようなフィルム状熱電変換デバイスは、低熱伝導材料で構成されているフィルム基板によって、貫通孔以外の部分での熱伝導を抑制できることもできる。以上のように、本発明の熱電変換デバイスは、効率的に熱電材料の両端に温度差を発生させることができ、効率的に熱起電力を発生させることができる。本発明者は、この熱電変換デバイスにより、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達した。 The present inventor has focused on a film-like thermoelectric conversion device, and absorbs heat energy using a thermoelectric conversion device that can efficiently absorb and radiate heat energy, that is, a wide surface on the high temperature side and low temperature side of the film substrate. -Various thermoelectric conversion devices that diverge and can efficiently generate a temperature difference between both ends of the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material were studied. And this inventor provides the through-hole which penetrates a film substrate and reaches an electrode for every other electrode arranged in series with P type and N type thermoelectric materials, and on the outer surface of the film substrate and A heat conductor is arranged in the through hole. Furthermore, the inventor patterned the heat conductor on the outer surface of the film substrate so as not to electrically short-circuit each electrode, or separated the heat conductor and the electrode in the through hole via an insulating film. The heat conductor is made electrically insulating. Accordingly, the inventor can efficiently absorb the heat energy from the outside into the heat conductor or efficiently dissipate the heat energy to the outside, and the heat conductivity between the heat conductor and the electrode. It has also been found that a film-like thermoelectric conversion device can be obtained. Such a film-like thermoelectric conversion device can also suppress heat conduction in a portion other than the through hole by the film substrate made of a low heat conductive material. As described above, the thermoelectric conversion device of the present invention can efficiently generate a temperature difference between both ends of a thermoelectric material, and can efficiently generate a thermoelectromotive force. The present inventor has arrived at the present invention by conceiving that the above problems can be solved with the thermoelectric conversion device.
すなわち、本発明の一態様は、第1フィルム基板と、該第1フィルム基板上に直列に並んで交互に配置された複数のP型の熱電材料膜、複数の電極、及び、複数のN型の熱電材料膜と、該複数のP型の熱電材料膜、該複数の電極、及び、該複数のN型の熱電材料膜を覆う第2フィルム基板と、該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の少なくとも一方の外面を覆い、該複数の電極に接続された1つ又は複数の熱伝導体とを有し、該複数のP型の熱電材料膜の各々と該複数のN型の熱電材料膜の各々とは、該複数の電極の1つを介して互いに接続されており、該複数の電極の各々は、互いに電気的に絶縁されており、該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の一方、又は、各々は、直列に並んだ該複数の電極の電極1つおきに到達する複数の貫通孔が設けられたものであり、該1つ又は複数の熱伝導体の各々は、該複数の貫通孔の少なくとも1つの内部に設けられた部分と、該第1フィルム基板又は該第2フィルム基板の外面に露出した部分とを含む熱電変換デバイスであってもよい。 That is, according to one embodiment of the present invention, a first film substrate, a plurality of P-type thermoelectric material films alternately arranged in series on the first film substrate, a plurality of electrodes, and a plurality of N-types are provided. A second film substrate covering the plurality of P-type thermoelectric material films, the plurality of electrodes, and the plurality of N-type thermoelectric material films, the first film substrate, and the second film. One or more thermal conductors covering at least one outer surface of the substrate and connected to the plurality of electrodes, each of the plurality of P-type thermoelectric material films and the plurality of N-type thermoelectric materials Each of the films is connected to each other via one of the plurality of electrodes, and each of the plurality of electrodes is electrically insulated from each other, and the first film substrate and the second film substrate One or each of the electrodes reaches every other electrode of the plurality of electrodes arranged in series. A plurality of through holes, and each of the one or more heat conductors includes a portion provided inside at least one of the plurality of through holes, the first film substrate, or the first film substrate. The thermoelectric conversion device containing the part exposed to the outer surface of 2 film substrates may be sufficient.
上記第1フィルム基板上に直列に並んで交互に配置された複数のP型の熱電材料膜、複数の電極、及び、複数のN型の熱電材料膜とは、P型の熱電材料膜、電極、N型の熱電材料膜、電極がこの順で繰り返して直列に接続されていることを言う。このような複数のP型の熱電材料膜、複数の電極、及び、複数のN型の熱電材料膜から構成される回路を、本明細書中、熱電変換モジュールとも言う。通常、熱電変換モジュールの両端は電極であり、該両端の電極の各々には起電力を取りだすための配線が電気的に接続されている。 The plurality of P-type thermoelectric material films, the plurality of electrodes, and the plurality of N-type thermoelectric material films alternately arranged in series on the first film substrate are a P-type thermoelectric material film and an electrode. The N-type thermoelectric material film and the electrode are repeatedly connected in series in this order. Such a circuit composed of a plurality of P-type thermoelectric material films, a plurality of electrodes, and a plurality of N-type thermoelectric material films is also referred to as a thermoelectric conversion module in this specification. Usually, both ends of the thermoelectric conversion module are electrodes, and wiring for taking out electromotive force is electrically connected to each of the electrodes at both ends.
上記複数の電極に接続された1つ又は複数の熱伝導体とは、複数の電極の各々が互いに電気的に絶縁されている限り、後述するように、1つ又は複数の熱伝導体が、複数の電極と、直接接続していてもよく、絶縁膜を間に介して間接的に接続していてもよい。 As described later, one or more thermal conductors connected to the plurality of electrodes, as long as each of the plurality of electrodes is electrically insulated from each other, It may be directly connected to a plurality of electrodes, or may be indirectly connected via an insulating film.
なお、本明細書中、「複数の電極の各々は、互いに電気的に絶縁されている」とは、複数の電極が熱伝導体を介して互いに電気的に接続されていないことをも意味する。複数の電極が熱伝導体を介して互いに電気的に接続されていない構成としては、後述するように、例えばフィルム基板外面の熱伝導体がパターニングされている構成、フィルム基板の貫通孔内の熱伝導体と電極とが絶縁膜を介して隔てられている構成、熱伝導体が電気的に絶縁性である構成等が挙げられる。複数の電極の各々が互いに電気的に絶縁されている限り、これらの構成を適宜組み合わせることができる。 In the present specification, “each of the plurality of electrodes is electrically insulated from each other” also means that the plurality of electrodes are not electrically connected to each other via a heat conductor. . The configuration in which the plurality of electrodes are not electrically connected to each other via the heat conductor includes, for example, a configuration in which the heat conductor on the outer surface of the film substrate is patterned, and heat in the through hole of the film substrate, as will be described later. Examples include a configuration in which the conductor and the electrode are separated via an insulating film, and a configuration in which the heat conductor is electrically insulating. As long as each of the plurality of electrodes is electrically insulated from each other, these structures can be appropriately combined.
例えば本発明の熱電変換デバイスにおいて、上記1つ又は複数の熱伝導体は、複数の熱伝導体であり、上記第1フィルム基板及び上記第2フィルム基板の少なくとも一方の外面を覆う複数の熱伝導体は、上記複数の電極の各々が互いに電気的に絶縁されるようにパターニングされたものであることが好ましい。 For example, in the thermoelectric conversion device of the present invention, the one or more heat conductors are a plurality of heat conductors, and a plurality of heat conductions covering at least one outer surface of the first film substrate and the second film substrate. The body is preferably patterned so that each of the plurality of electrodes is electrically insulated from each other.
また本発明の熱電変換デバイスにおいて、更に絶縁膜を含み、上記1つ又は複数の熱伝導体と上記複数の電極とが、上記第1フィルム基板及び上記第2フィルム基板の少なくとも一方の貫通孔内において該絶縁膜を介して隔てられ、電気的に絶縁されていることが好ましい。 The thermoelectric conversion device of the present invention further includes an insulating film, and the one or more heat conductors and the plurality of electrodes are in at least one through-hole of the first film substrate and the second film substrate. It is preferable that the insulating film is electrically insulated from each other through the insulating film.
例えば本発明の熱電変換デバイスにおいて、上記熱伝導体が、電気的に絶縁性であることが好ましい。 For example, in the thermoelectric conversion device of the present invention, it is preferable that the thermal conductor is electrically insulating.
また本発明の熱電変換デバイスにおいて、上記第1フィルム基板及び上記第2フィルム基板の両方の外面を覆い、上記複数の電極に接続された複数の熱伝導体を有し、該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の各々は、直列に並んだ該複数の電極の電極1つおきに到達する複数の貫通孔が設けられたものであり、該複数の貫通孔は、直列に並んだ該複数の電極の該第1フィルム基板側又は該第2フィルム基板側に互い違いに設けられていることが好ましい。 Moreover, in the thermoelectric conversion device of the present invention, the thermoelectric conversion device includes a plurality of heat conductors that cover both outer surfaces of the first film substrate and the second film substrate and are connected to the plurality of electrodes, Each of the second film substrates is provided with a plurality of through holes reaching every other electrode of the plurality of electrodes arranged in series, and the plurality of through holes are arranged in series. It is preferable that the electrodes are alternately provided on the first film substrate side or the second film substrate side.
上記複数の貫通孔が、直列に並んだ複数の電極の第1フィルム基板側又は第2フィルム基板側に互い違いに設けられているとは、図1に示されるように、直列に並んだ電極に、第1フィルム基板を貫通する貫通孔又は第2フィルム基板を貫通する貫通孔が交互に到達していることを言う。 The plurality of through holes are alternately provided on the first film substrate side or the second film substrate side of the plurality of electrodes arranged in series, as shown in FIG. The through-holes penetrating the first film substrate or the through-holes penetrating the second film substrate are alternately reached.
本発明の熱電変換デバイスにおいて、上記第1フィルム基板と上記第2フィルム基板の平均厚みが同じであることが好ましい。該平均厚みは、本発明の技術分野において実質的に同じと言えるものであればよい。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, it is preferable that the first film substrate and the second film substrate have the same average thickness. The average thickness may be anything that can be said to be substantially the same in the technical field of the present invention.
本発明の熱電変換デバイスにおいて、各電極は、本発明の効果を発揮できる限り、異なる層に配置されていても良いが、同一の層に配置されていることが好ましい。各電極が同一の層に設けられているとは、それぞれの電極が、その上層側、及び/又は、下層側において、共通する部材(第1フィルム基板、第2フィルム基板等)と接していることを言う。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, each electrode may be disposed in different layers as long as the effects of the present invention can be exhibited, but it is preferable that the respective electrodes be disposed in the same layer. That each electrode is provided in the same layer means that each electrode is in contact with a common member (first film substrate, second film substrate, etc.) on the upper layer side and / or the lower layer side. Say that.
本発明の熱電変換デバイスの構成としては、その他の構成要素により特に限定されるものではなく、熱電変換デバイスに通常用いられるその他の構成(例えば、起電力を取りだすための配線等)を適宜適用することができる。 The configuration of the thermoelectric conversion device of the present invention is not particularly limited by other components, and other configurations normally used for thermoelectric conversion devices (for example, wiring for extracting electromotive force) are appropriately applied. be able to.
本発明の熱電変換デバイスによれば、熱エネルギーを充分に吸収及び/又は発散することができ、高効率の熱電変換デバイスを実現することができる。 According to the thermoelectric conversion device of the present invention, it is possible to sufficiently absorb and / or dissipate heat energy, and to realize a highly efficient thermoelectric conversion device.
以下に実施形態を掲げ、本発明を図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。本明細書中、平均厚みとは、全体を平均した厚みを意味する。 Embodiments will be described below, and the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited only to these embodiments. In the present specification, the average thickness means the average thickness of the whole.
なお、各実施形態において、同様の機能を発揮する部材及び部分は同じ符号を付している。また、図中、特に断らない限り、nは、N型熱電材料膜を示し、pは、P型熱電材料膜を示し、Hは、貫通孔を示し、Lは、隣接する電極と電極との間隔(最小間隔)を示し、dは、第1フィルム基板及び第2フィルム基板の、平均厚みが薄い方の平均厚みを示す。基板や電極、熱電材料等の平均厚みは、基板や電極、熱電材料等の全体の厚みを平均して求めることができる。 In addition, in each embodiment, the member and part which exhibit the same function are attached | subjected the same code | symbol. In the figure, unless otherwise specified, n indicates an N-type thermoelectric material film, p indicates a P-type thermoelectric material film, H indicates a through hole, and L indicates an adjacent electrode to electrode. An interval (minimum interval) is indicated, and d indicates an average thickness of the first film substrate and the second film substrate having a smaller average thickness. The average thickness of the substrate, electrode, thermoelectric material, etc. can be determined by averaging the overall thickness of the substrate, electrode, thermoelectric material, etc.
(実施形態1)
図1は、実施形態1の熱電変換デバイスを示し、図2中のa−a′で示した一点鎖線に対応する部分の断面を示す断面模式図である。図2は、実施形態1の熱電変換デバイスを示す平面模式図である。
実施形態1の熱電変換デバイスは、図1に示されるように、熱伝導体17;フィルム基板15;N型熱電材料n、電極1、及び、P型熱電材料pからなる回路部;接着材層3;フィルム基板5;熱伝導体7が、熱電変換デバイスの裏面側から表面側に向かってこの順に積層されて構成されている。
ここで、フィルム基板15上に電極1を介して直列に接続されたN型熱電材料nとP型熱電材料pからなる回路部の上部に接着材層3を介してフィルム基板5が配置された構造において、表面及び裏面それぞれのフィルム基板5、15の外面から電極1に互い違いに貫通孔Hが開口し、フィルム外面のほぼ全体を覆う熱伝導体7、17が貫通孔Hを介して電極1に直接接続されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a thermoelectric conversion device according to the first embodiment and illustrating a cross section of a portion corresponding to a one-dot chain line indicated by aa ′ in FIG. 2. FIG. 2 is a schematic plan view showing the thermoelectric conversion device of the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion device according to the first embodiment includes a
Here, on the
隣接する電極1同士が電気的に導通しないように、熱伝導体7、17はパターニングされている。表面及び裏面のフィルム基板5、15の外面は熱伝導体7、17でほぼ覆われているので、フィルム基板5、15の一方の外面が低温であり、他方が高温である場合、低温側及び高温側のフィルム基板5、15の外面の熱エネルギーを該外面に配置された熱伝導体7、17でほとんど授受することできる。例えば、フィルム基板の外面の面積(フィルム基板の主面を平面視したときのフィルム基板の面積)の60%以上が熱伝導体で覆われていることが好ましい。そして、上記熱エネルギーを同じく熱伝導体7、17が形成された貫通孔Hを通じてN型熱電材料膜nとP型熱電材料膜pの接続部分である電極1に効率的に伝達することができる(実施形態1では、熱伝導体7、17と電極1とが直接接続しているので、熱伝導の効率が良い。)。一方、フィルム基板5、15の外面に配置された熱伝導体7、17と、N型熱電材料n及びP型熱電材料pとの間には、低熱伝導率材料からなるフィルム基板5、15が配置されている。電極1の平均厚みは例えば50〜400nmであることが好ましい。電極1は、通常、アルミニウムや銅、銀等の導電率の高い金属材料で構成されている。N型熱電材料n及びP型熱電材料pとしては、Bi−Te系、Pb−Te系、Mg−Si系、Si−Ge系等が挙げられるが、特に排熱温度が室温付近の場合は、Bi−Te系が好ましい。例えば、N型熱電材料nとしてBi2Te3、P型熱電材料pとしてSb2Te3(Se微量添加)が好ましい。N型熱電材料n及びP型熱電材料pの平均厚みは、例えば50〜1000nmであることが好ましい。熱伝導体7、17の平均厚みは例えば50〜400nmであることが好ましい。熱伝導体7、17としては、銅、アルミニウム、銀等の金属材料が挙げられる。熱伝導体の熱伝導率は、100〜400[W/mK]であることが好ましい。フィルム基板5の平均厚みと、フィルム基板15の平均厚みとは同じであり、20〜200μmである。フィルム基板の材料(低熱伝導率材料)としては、例えば、ポリスチレンやポリイミド、ポリビニルフェノール、フッ素ポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、アクリル、ポリエーテルスルフォン、ポリプロピレン、ポリエステル等が挙げられる。フィルム基板の熱伝導率は、0.1〜0.4[W/mK]であり、熱伝導体7、17に対して有機絶縁膜は約1000分の1の熱伝導率になっている。
なお、電極1や熱伝導体7、17については、上記以外の金属、例えばタングステン、モリブデン等でも良い。また、電極1や熱伝導体7、17と、フィルム基板5、15との密着性を高めるため、Ti、TiN、TaN等を例えば5〜30nmの膜厚で電極1や熱伝導体7、17の下層に用いても(配置しても)よい。
The
In addition, about the
電極1間の距離は、フィルム基板15の平均厚みと熱伝導率を考慮して設定する。すなわち、各熱電材料両端の電極間隔(最小間隔)をL、フィルム基板5、15の、平均厚みが薄い方の平均厚み(図1では、フィルム基板5の平均厚みとフィルム基板15の平均厚みは同じであるため、いずれの平均厚みでもよい。)をdとしたとき、L<300dとすることが好ましく、L<100dとすることがより好ましい。また、d<Lとすることもまた好ましい。各熱電材料両端の電極間隔(最小間隔)Lは、電極の加工精度によるが、貫通孔の形成間隔を考えると、フィルム基板の平均厚みと同じか又はそれ以上、すなわち20〜200μmかそれ以上が好ましいと考えられる。これにより、貫通孔Hを通して供給される熱エネルギーに比べて、フィルム基板の外面から熱電材料への影響は非常に小さくなると考えられる。従って、N型熱電材料及びP型熱電材料の両端にフィルム基板外面の熱エネルギーをより効率的かつ均一に与えることが可能となる。
また実施形態1では、フィルム基板5、15の外面上の熱伝導体7、17がパターニングされたものであるため、フィルム基板5、15が湾曲したときに熱伝導体7、17等にかかる歪みを分散することができ、クラック発生をより防止することができる。更に、貫通孔Hを介して熱伝導体7、17と電極1とが直接接続しているので、熱伝導の効率が良い。
The distance between the
In the first embodiment, since the
(実施形態1の熱電変換デバイスの具体例及び作製例)
図3〜図6は、それぞれ、実施形態1の熱電変換デバイスの製造工程を説明するための断面模式図である。
図3において、フィルム基板15上に電極1を形成する。フィルム基板15は可撓性があり、低熱伝導率材料で構成されている。電極は、蒸着法、スパッタリング法等によりフィルム基板全面に金属材料を成膜した後、フォトリソグラフィ法を用いてパターンをエッチング等によって形成する。電極は、マスク蒸着や、導電性金属材料を印刷して形成しても良い。
(Specific Example and Production Example of Thermoelectric Conversion Device of Embodiment 1)
3 to 6 are schematic cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the thermoelectric conversion device according to the first embodiment.
In FIG. 3, the
図4で示した熱電変換デバイスにおいて、電極1間をつなぐようにN型熱電材料n及びP型熱電材料pをパターニングして形成する。
In the thermoelectric conversion device shown in FIG. 4, the N-type thermoelectric material n and the P-type thermoelectric material p are formed by patterning so as to connect the
N型熱電材料n及びP型熱電材料pの作製方法は、蒸着法やスパッタリング法、又は、熱電材料を分散溶媒と混ぜてペースト状にしたものを用いたスクリーン印刷等である。 A method for producing the N-type thermoelectric material n and the P-type thermoelectric material p is a vapor deposition method, a sputtering method, or screen printing using a paste obtained by mixing a thermoelectric material with a dispersion solvent.
図5において、接着材層3を介してフィルム基板5を全面に貼りつける。接着材層3は、例えば、液体状の熱硬化性接着剤又は光硬化性接着剤を用いて形成することができる。なお、蒸着法、スパッタリング法や成膜等により形成されるフィルム基板5以外のその他の部材は、通常、接着剤を使用しなくても充分に下地と接着される。貼りつけるフィルム基板5は最初に使用したフィルム基板15と同様の材料であって、平均厚みも同じであることが好ましい。これにより、N型熱電材料n、電極1、及び、P型熱電材料pが形成されている層が最終的に得られる熱電変換デバイス全体の厚みのほぼ中央部分に位置するため、当該熱電変換デバイスを曲げたときにフィルム基板が中立面に位置することになるので、曲げのストレスを最小限にすることが可能となる。
In FIG. 5, the
図6において、フィルム基板5、15の外面から、電極1に向かって貫通孔(開口部分)Hを形成する。感光性ドライフィルムをパターニングしたマスクを使って、ウェットエッチング又はドライエッチング等により、貫通孔Hを形成することができる。マスクとして銅等の金属マスクを予めパターニングしたものを用いても良い(この場合、マスクとして用いた銅等を残したまま、次の工程に進む。)。
In FIG. 6, through holes (opening portions) H are formed from the outer surfaces of the
次いで、表側及び裏側のフィルム基板5、15の外面に熱伝導体7、17を成膜する(図1)。蒸着法、スパッタリング法等により金属材料をフィルム基板5、15の外面の全体に成膜した後、フォトリソグラフィ法を用いたパターンのエッチング等によって形成する。また、熱伝導体7、17を、マスク蒸着や、導電性金属材料を印刷して形成しても良い。各電極同士が電気的に短絡しないように、各電極に対応する熱伝導体同士が接しないようにパターニングする。なお、実施形態1では、貫通孔Hの内部にも熱伝導体7、17が成膜され、各電極と導通している。貫通孔Hの内部は必ずしも全て熱伝導体で充填されている必要は無く、貫通孔H側壁に成膜され、フィルム基板5、15外面の熱伝導体層と電極との熱伝導性が得られていれば問題ない。
Subsequently, the
(実施形態2)
図7は、実施形態2の熱電変換デバイスを示す断面模式図である。
図7には別の例を示しており、図1(実施形態1)との違いは、貫通孔H内の熱伝導体107、117と電極101との接触部分に絶縁膜102、112を挟んだ構造となっていることである。絶縁膜102、112としては、後述するように、有機絶縁膜材料から構成される膜、金属酸化膜、無機絶縁膜等が挙げられる。上記構造により、フィルム基板105、115外面の熱伝導体107、117と電極101とは電気的に絶縁されている。従って、P型熱電材料p及びN型熱電材料nとも電気的に絶縁された状態となる。フィルム基板105、115外面の、高温側又は低温側領域の熱伝導体が導電性でも、電極101間が短絡することを防ぐことができる。
また実施形態2の熱電変換デバイス120では、フィルム基板105、115の外面上の熱伝導体107、117が、各電極101同士が電気的に短絡しないように実施形態1と同様にパターニングされたものであり、かつ貫通孔H内の熱伝導体107、117と電極101とが絶縁膜102、112を介して絶縁されていることから、電極101間の絶縁をより充分に確保して歩留まりを高めることができる。また、フィルム基板105、115の外面上の熱伝導体107、117がパターニングされているため、フィルム基板105、115が湾曲したときに熱伝導体107、117等にかかる歪みを分散することができ、クラック発生をより充分に防止することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the thermoelectric conversion device of the second embodiment.
FIG. 7 shows another example. The difference from FIG. 1 (Embodiment 1) is that insulating
In the
(実施形態2の熱電変換デバイスの具体例及び作製例)
図8は、実施形態2の熱電変換デバイスの製造工程を説明するための断面模式図である。実施形態1の図3〜図6で示される工程までを実施形態1と同様に行った後、図8に示すように貫通孔Hの底面の電極101上に絶縁膜102を形成する。絶縁膜102の形成方法としては、有機系絶縁膜材料の塗布及び焼成等が挙げられる。焼成は、例えば100〜150℃で数分から数十分程度行う(この場合、図示していないが、フィルム基板の外面の全体に絶縁膜が形成される)。有機絶縁膜材料としては、例えばポリイミドやポリスチレン、ポリビニルフェノール、フッ素ポリマー等が挙げられる。有機絶縁膜の平均厚みは例えば50〜1000nmである。また、別の絶縁膜102の形成方法として、電極表面を酸化して、酸化膜を形成する方法がある。大気中での加熱処理や、大気圧プラズマ処理等を行うことにより、貫通孔Hの底面の電極表面に金属酸化膜を形成する。金属酸化膜の平均厚みは100nm程度(例えば、80〜120nm)である。
これ以降の工程(熱伝導体107、117の成膜工程)は、実施形態1において上述した工程と同様である。
(Specific Example and Production Example of Thermoelectric Conversion Device of Embodiment 2)
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the thermoelectric conversion device of the second embodiment. After performing the steps shown in FIGS. 3 to 6 of the first embodiment in the same manner as in the first embodiment, an insulating
The subsequent steps (film formation steps of the
図9は、実施形態2の熱電変換デバイスの別の製造工程を説明するための断面模式図である。実施形態1の図3、図4で示される工程までを実施形態1と同様に行った後、図9に示すように、フィルム基板外面の全体に絶縁膜102を形成する。絶縁膜102は、無機絶縁膜であることが本発明における好ましい形態の1つである。無機絶縁膜としては、蒸着法やスパッタリング法等により形成されたシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等が挙げられる。無機絶縁膜の平均厚みは例えば50〜400nmである。無機絶縁膜としておくことで、後の工程で貫通孔を形成する際にエッチング選択比を確保することができる。
これ以降の工程(接着材層103を介してフィルム基板105を貼りつける工程、貫通孔Hを形成する工程、熱伝導体107、117の成膜工程)は、実施形態1において上述した工程と同様である。
このような構成とすることで、高温側又は低温側の熱伝導体が電気伝導性のものであっても、各電極間が電気的に短絡することは無い。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining another manufacturing process of the thermoelectric conversion device of the second embodiment. After the steps shown in FIGS. 3 and 4 of the first embodiment are performed in the same manner as in the first embodiment, an insulating
The subsequent steps (the step of attaching the
By setting it as such a structure, even if the heat conductor of a high temperature side or a low temperature side is an electroconductivity thing, between electrodes does not electrically short-circuit.
実施形態2においては、絶縁膜102、112の厚みを細かく調整できる利点がある。すなわち、電気的な絶縁性を保つために必要最小限の膜厚に設定することにより、絶縁膜102、112による熱伝導率低下の悪影響を最小限に抑えることが可能となる。電気的な絶縁性を保つには、絶縁膜102、112に数十〜数百nmの厚みがあれば充分であると考えられる。例えば、絶縁膜絶縁膜102、112の平均厚みが10nm以上、1μm以下であることが好ましい。
The second embodiment has an advantage that the thickness of the insulating
絶縁膜102、112の厚みを細かく調整できる理由は、以下の通りである。膜厚方向(縦方向)の制御性は蒸着法、スパッタリング法等により製膜精度(ナノメートルオーダー)で可能である。これに対して、平面内方向の制御性はフォトリソグラフィ法、印刷法等により微細加工の装置精度に依存し、ミクロンオーダー程度の制御を行うためであっても高価な露光装置を必要としてしまう。以上のことから、図7に示される、貫通孔H内の熱伝導体107、117と電極101とを絶縁膜102、112を介して絶縁することで、絶縁膜102、112の膜厚方向の制御によって電気絶縁性を保ちつつ、熱伝導性を最大に最適化するように調整することが可能となる。このような利点は、後述する実施形態3においても同様である。
The reason why the thickness of the insulating
(実施形態3)
図10は、実施形態3の熱電変換デバイスを示す断面模式図である。図7(実施形態2)との違いは、実施形態3ではフィルム基板205、215の外面の熱伝導体207、217がパターニングされていない点である。これにより、熱電変換デバイスの高温側又は低温側領域のすべての部分で熱エネルギーを効率的に授受することが可能となり、熱エネルギーの無駄が最小限になる。また、パターニング工程が不要となることから、製造工程を少なくでき、コスト及び作製期間の短縮につながる。
(Embodiment 3)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the thermoelectric conversion device of the third embodiment. The difference from FIG. 7 (Embodiment 2) is that in
(実施形態3の熱電変換デバイスの具体例及び作製例)
実施形態2の熱電変換デバイスの作製例において、最後の熱伝導体のパターニング工程を行わないことで、図10に示すような熱電変換デバイス220を作製することができる。この場合、最後のパターニング工程が不要となるため、コスト及び作製期間の短縮が可能になる。また、熱電変換デバイスの高温側又は低温側領域のすべての部分を利用してP型熱電材料p及びN型熱電材料nの両端の電極201間に温度差を生じさせることが可能となり、熱電変換効率をさらに改善できる。
(Specific Example and Production Example of Thermoelectric Conversion Device of Embodiment 3)
In the manufacturing example of the thermoelectric conversion device of the second embodiment, the
また、実施形態2と同様に貫通孔Hの底面の電極表面に絶縁膜が形成されているため、高温側又は低温側の熱伝導体が電気伝導性のものであっても、各電極間が電気的に短絡することは無い。 Moreover, since the insulating film is formed on the electrode surface at the bottom of the through hole H as in the second embodiment, even if the heat conductor on the high temperature side or the low temperature side is electrically conductive, there is a gap between the electrodes. There is no electrical short circuit.
(実施形態4)
図11は、実施形態4の熱電変換デバイスを示す断面模式図である。図1(実施形態1)との違いはフィルム基板305、315の外面の熱伝導体307、317がパターニングされていない点、及び、熱伝導体307、317が電気的に絶縁性である点である。電気的に絶縁性である熱伝導体の材料としては、BeO(酸化ベリリウム)、SiC(シリコンカーバイド)、AlN(アルミニウムナイトライド)、BN(ボロンナイトライド)、SiN(シリコンナイトライド)、ダイヤモンド等が挙げられる。これにより、高温側又は低温側領域のすべての部分で熱エネルギーを授受することが可能となり、熱エネルギーの無駄が最小限になる。また、パターニング工程が不要となることから、製造工程を少なくでき、コスト及び作製期間の短縮につながる。更に、貫通孔Hを介して熱伝導体307、317と電極301とが直接接続しているので、熱伝導の効率が良い。
(Embodiment 4)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating the thermoelectric conversion device of the fourth embodiment. The difference from FIG. 1 (Embodiment 1) is that the
(実施形態4の熱電変換デバイスの具体例及び作製例)
実施形態1の熱電変換デバイスの作製例において、最後の熱伝導体のパターニング工程を行わないこと、熱伝導体の材料として上述した電気的に絶縁性を用いることで、図11に示すような熱電変換デバイス320を形成することができる。この場合、最後のパターニング工程が不要となるため、コスト削減及び作製期間の短縮が可能になる。また、熱電変換デバイスの高温側又は低温側領域のすべての部分を利用してP型熱電材料p及びN型熱電材料nの両端の電極301間に温度差を生じさせることが可能となり、熱電変換効率をさらに改善できる。
(Specific Example and Production Example of Thermoelectric Conversion Device of Embodiment 4)
In the manufacturing example of the thermoelectric conversion device of the first embodiment, the last heat conductor patterning step is not performed, and the above-described electrical insulation is used as the material of the heat conductor, so that the thermoelectric as shown in FIG. A
上述した実施形態1〜4の構成は、適宜組み合わせることが可能である。例えば、一方のフィルム基板では、実施形態1のように、外面上の熱伝導体が、各電極同士が電気的に短絡しないようにパターニングされたものであり、貫通孔内の熱伝導体と電極とが直接接続し、他方のフィルム基板では、実施形態3のように、外面上の熱伝導体がパターニングされたものではなく、貫通孔内の熱伝導体と電極とが絶縁膜を介して絶縁されていてもよい。また、上述した実施形態1〜4では両方のフィルム基板にそれぞれ貫通孔及び熱伝導体を設けており、これが好ましい形態であるが、いずれか一方のフィルム基板のみに貫通孔及び熱伝導体を設けて熱電変換デバイスを構成してもよく、このような熱電変換デバイスによっても熱電材料の両端に温度差を発生させて本発明の効果を発揮できる。
The configurations of
(参考例1)
図12は、参考例1の熱電変換デバイスを示す断面模式図である。図1(実施形態1)との違いは、電極が存在しない点である。これによっても、外部から熱エネルギーを充分に吸収したり、外部に熱エネルギーを充分に発散したりすることができ、高効率の熱電変換デバイスを提供することができる。
(Reference Example 1)
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the thermoelectric conversion device of Reference Example 1. The difference from FIG. 1 (Embodiment 1) is that no electrode is present. Also by this, heat energy can be sufficiently absorbed from the outside, or heat energy can be sufficiently dissipated to the outside, and a highly efficient thermoelectric conversion device can be provided.
(参考例1の熱電変換デバイスの具体例及び作製例)
実施形態1において、電極形成工程を行わず、N型熱電材料nとP型熱電材料pとが互いに直接接するようにパターニングすることで、図12に示すような熱電変換デバイス420を作製することができる。
(Specific example and fabrication example of thermoelectric conversion device of Reference Example 1)
In
本発明の別形態は、第1フィルム基板と、該第1フィルム基板上に直列に並んで交互に配置された複数のP型の熱電材料膜、及び、複数のN型の熱電材料膜と、該複数のP型の熱電材料膜、及び、該複数のN型の熱電材料膜を覆う第2フィルム基板と、該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の少なくとも一方の外面を覆い、該P型の熱電材料膜の各々と該複数のN型の熱電材料膜の各々との複数の接続個所に接続された1つ又は複数の熱伝導体とを有し、該接続個所は、互いに電気的に絶縁されており、該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の一方、又は、各々は、直列に並んだ複数の接続個所1つおきに到達する複数の貫通孔が設けられたものであり、該1つ又は複数の熱伝導体の各々は、該複数の貫通孔の少なくとも1つの内部に設けられた部分と、該第1フィルム基板又は該第2フィルム基板の外面に露出した部分とを含む熱電変換デバイスであってもよい。
また上記第1フィルム基板及び上記第2フィルム基板の両方の外面を覆い、上記複数の接続個所に接続された複数の熱伝導体を有し、該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の各々は、直列に並んだ複数の接続個所1つおきに到達する複数の貫通孔が設けられたものであり、該複数の貫通孔は、直列に並んだ複数の接続個所の該第1フィルム基板側又は該第2フィルム基板側に互い違いに設けられていることが好ましい。
本発明の別形態においても、上記接続箇所間が互いに電気的に短絡しないように、フィルム基板外面上の熱伝導体をパターニングしたり、熱伝導体と電極とを貫通孔内において絶縁膜を介して隔てたり、熱伝導体を電気的に絶縁性としたりすることが好ましい。
本発明の別形態の好ましい態様は、上述した本発明の好ましい態様と同様である。
Another embodiment of the present invention includes a first film substrate, a plurality of P-type thermoelectric material films alternately arranged in series on the first film substrate, and a plurality of N-type thermoelectric material films, Covering the plurality of P-type thermoelectric material films, the second film substrate covering the plurality of N-type thermoelectric material films, and covering at least one outer surface of the first film substrate and the second film substrate; One or more thermal conductors connected to a plurality of connection points of each of the mold type thermoelectric material films and each of the plurality of N-type thermoelectric material films, the connection points being electrically connected to each other One or each of the first film substrate and the second film substrate is provided with a plurality of through-holes that reach every other connecting portion arranged in series. Each of the one or more thermal conductors includes at least one of the plurality of through holes. A portion disposed in part, may be a thermoelectric device including a portion exposed to the outer surface of the first film substrate or the second film substrate.
A plurality of heat conductors covering both outer surfaces of the first film substrate and the second film substrate and connected to the plurality of connection points, and each of the first film substrate and the second film substrate; Is provided with a plurality of through-holes reaching every other plurality of connection points arranged in series, and the plurality of through-holes are arranged on the first film substrate side of the plurality of connection points arranged in series. Or it is preferable to be provided in the 2nd film board | substrate side alternately.
Also in another form of the present invention, the heat conductor on the outer surface of the film substrate is patterned so that the connection points are not electrically short-circuited with each other, or the heat conductor and the electrode are interposed in the through hole with an insulating film interposed therebetween. It is preferable to separate the thermal conductors or to make the thermal conductor electrically insulating.
The preferable aspect of another form of this invention is the same as that of the preferable aspect of this invention mentioned above.
なお、図示していないが、電極を介してP型熱電材料及びN型熱電材料を直列に接続された一連の回路の両端部分の電極から外部へと電気的に配線が接続されることで、起電力を取りだすことが可能となる。 Although not shown, the wiring is electrically connected to the outside from the electrodes at both ends of a series of circuits in which the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material are connected in series via the electrodes. The electromotive force can be taken out.
なお、上述した図に示したP型熱電材料及びN型熱電材料の形状は一例であり、この形状には限られず、種々の構造の熱電材料を使用できる。 In addition, the shape of the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material shown in the above-described drawings is an example, and is not limited to this shape, and thermoelectric materials having various structures can be used.
本発明の熱電変換デバイスは、軽量でフレキシブルなフィルム状の熱発電シートとして、製品に組み込む際に適宜曲面(一定の曲率を有さない曲面であってもよい)に沿って適切に変形することができる。また、本発明の熱電変換デバイスは、一旦製品のある箇所に組み込んだ後、当該製品の別の箇所や、他の製品に付け替えることも可能である。更に、本発明の熱電変換デバイスは、原理的に高い熱電変換効率が期待でき、工場内の配管等の排熱、自動車のエンジンやマフラー等の排熱、又は液晶パネルのバックライトやその他電子機器等の排熱、人体からの排熱等、各種排熱発電、エネルギーハーベスティング等に好適に利用できる。 The thermoelectric conversion device of the present invention is suitably deformed along a curved surface (which may be a curved surface that does not have a certain curvature) as a lightweight and flexible film-like thermoelectric power generation sheet when incorporated into a product. Can do. Moreover, once the thermoelectric conversion device of the present invention is once assembled into a certain place of the product, it can be replaced with another part of the product or another product. Furthermore, the thermoelectric conversion device of the present invention can be expected to have high thermoelectric conversion efficiency in principle, exhaust heat from piping in factories, exhaust heat from automobile engines, mufflers, etc., backlights of liquid crystal panels, and other electronic devices It can be suitably used for various types of exhaust heat generation, energy harvesting, and the like.
なお、SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)等の顕微鏡観察により、本発明の熱電変換デバイスに係る電極構造等を確認することができる。 In addition, the electrode structure etc. which concern on the thermoelectric conversion device of this invention can be confirmed by microscope observation, such as SEM (Scanning Electron Microscope: Scanning electron microscope).
1、101、201、301、501、501a:電極
3:接着材層
5、15、105、115、205、215、305、315、405、415:フィルム基板
7、17、107、117、207、217、307、317、407、417:熱伝導体
20、120、220、320、420、520:熱電変換デバイス
102、112、202、212:絶縁膜
p:P型熱電材料(膜)
n:N型熱電材料(膜)
n(p):熱電材料
H:貫通孔
1, 101, 201, 301, 501, 501a: Electrode 3:
n: N-type thermoelectric material (film)
n (p): Thermoelectric material H: Through hole
Claims (6)
該第1フィルム基板上に直列に並んで交互に配置された複数のP型の熱電材料膜、複数の電極、及び、複数のN型の熱電材料膜と、
該複数のP型の熱電材料膜、該複数の電極、及び、該複数のN型の熱電材料膜を覆う第2フィルム基板と、
該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の少なくとも一方の外面を覆い、該複数の電極に接続された1つ又は複数の熱伝導体とを有し、
該複数のP型の熱電材料膜の各々と該複数のN型の熱電材料膜の各々とは、該複数の電極の1つを介して互いに接続されており、
該複数の電極の各々は、互いに電気的に絶縁されており、
該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の一方、又は、各々は、直列に並んだ該複数の電極の電極1つおきに到達する複数の貫通孔が設けられたものであり、
該1つ又は複数の熱伝導体の各々は、該複数の貫通孔の少なくとも1つの内部に設けられた部分と、該第1フィルム基板又は該第2フィルム基板の外面に露出した部分とを含む
ことを特徴とする熱電変換デバイス。 A first film substrate;
A plurality of P-type thermoelectric material films, a plurality of electrodes, and a plurality of N-type thermoelectric material films alternately arranged in series on the first film substrate;
A second film substrate covering the plurality of P-type thermoelectric material films, the plurality of electrodes, and the plurality of N-type thermoelectric material films;
One or a plurality of thermal conductors covering at least one outer surface of the first film substrate and the second film substrate and connected to the plurality of electrodes,
Each of the plurality of P-type thermoelectric material films and each of the plurality of N-type thermoelectric material films are connected to each other via one of the plurality of electrodes,
Each of the plurality of electrodes is electrically insulated from each other;
One or each of the first film substrate and the second film substrate is provided with a plurality of through holes reaching every other electrode of the plurality of electrodes arranged in series,
Each of the one or more thermal conductors includes a portion provided inside at least one of the plurality of through holes, and a portion exposed to the outer surface of the first film substrate or the second film substrate. A thermoelectric conversion device characterized by that.
該第1フィルム基板及び該第2フィルム基板の各々は、直列に並んだ該複数の電極の電極1つおきに到達する複数の貫通孔が設けられたものであり、
該複数の貫通孔は、直列に並んだ該複数の電極の該第1フィルム基板側又は該第2フィルム基板側に互い違いに設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換デバイス。 A plurality of thermal conductors covering both outer surfaces of the first film substrate and the second film substrate and connected to the plurality of electrodes;
Each of the first film substrate and the second film substrate is provided with a plurality of through holes reaching every other electrode of the plurality of electrodes arranged in series,
2. The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein the plurality of through holes are alternately provided on the first film substrate side or the second film substrate side of the plurality of electrodes arranged in series. 3. .
前記第1フィルム基板及び前記第2フィルム基板の少なくとも一方の外面を覆う複数の熱伝導体は、前記複数の電極の各々が互いに電気的に絶縁されるようにパターニングされたものである
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換デバイス。 The one or more thermal conductors are a plurality of thermal conductors;
The plurality of heat conductors covering at least one outer surface of the first film substrate and the second film substrate are patterned so that each of the plurality of electrodes is electrically insulated from each other. The thermoelectric conversion device according to claim 1 or 2.
前記1つ又は複数の熱伝導体と前記複数の電極とが、前記第1フィルム基板及び前記第2フィルム基板の少なくとも一方の貫通孔内において該絶縁膜を介して隔てられ、電気的に絶縁されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換デバイス。 In addition, including an insulating film,
The one or more thermal conductors and the plurality of electrodes are separated from each other through the insulating film in at least one through-hole of the first film substrate and the second film substrate, and are electrically insulated. The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion device is provided.
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱電変換デバイス。 The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein the one heat conductor or the plurality of heat conductors are electrically insulating.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱電変換デバイス。 6. The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein an average thickness of the first film substrate and an average thickness of the second film substrate are the same.
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