JP2017055064A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用可能な用途を広げることができる熱電変換装置を提供する。【解決手段】基板１１と、基板１１上の複数対のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３と、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を覆う断熱膜と、断熱膜の上方の温度をｐ型熱電変換膜１２の第１の部分及びｎ型熱電変換膜１３の第１の部分に伝達する第１の伝熱材２１と、基板１１の下方の温度をｐ型熱電変換膜１２の第１の部分から離間した第２の部分及びｎ型熱電変換膜１３の第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材２２と、が含まれる。対をなすｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３は第１の伝熱材２１の直下で互いに接触し、隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜１２と他方のｎ型熱電変換膜１３とが互いに接触し、複数対がｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の直列体を構成している。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換装置に関する。

近年、二酸化炭素（ＣＯ₂）の削減及び環境保護の観点から、クリーンな発電機構として、熱電変換装置が注目されている。熱電変換装置を使用することにより、今まで廃棄されていた熱エネルギを電気エネルギに変換して再利用することができる。熱電変換装置は、原理的には、温度差が存在する箇所であればどこでも発電することができる。

しかしながら、従来の熱電変換装置は微細化が困難であり、構造的な制約のために利用可能な用途が限られている。

特開２００５−２７７３４３号公報 特開２０１０−９５６８８号公報

本発明の目的は、利用可能な用途を広げることができる熱電変換装置を提供することにある。

熱電変換装置の一態様には、基板と、前記基板上の熱電変換膜と、前記熱電変換膜を覆う断熱膜と、前記断熱膜の上方の温度を前記熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、前記基板の下方の温度を前記熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、が含まれる。

熱電変換装置の他の一態様には、基板と、前記基板上の複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜と、前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜を覆う断熱膜と、前記断熱膜の上方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の第１の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、前記基板の下方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、が含まれる。対をなす前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜は前記第１の伝熱材の直下で互いに接触し、隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜と他方のｎ型熱電変換膜とが互いに接触し、前記複数対が前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜の直列体を構成している。

上記の熱電変換装置によれば、適切な熱電変換膜及び伝熱材が含まれるため、小型化を可能にして、利用可能な用途を広げることができる。

実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す平面図である。 実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す断面図である。 実施形態に係る熱電変換装置の作用を示す図である。 熱電変換装置及び負荷を含む回路を示す図である。 熱電変換装置を含む開回路を示す図である。 熱電変換装置を含む閉回路を示す図である。

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。本実施形態は、熱電変換装置の一例である。図１は、実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す平面図である。図１（ａ）は主に熱電変換膜と伝熱材との位置関係を示し、図１（ｂ）は主に熱電変換膜の位置関係を示す。図２は、実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す断面図である。図２（ａ）は図１（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面を示し、図２（ｂ）は図１（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示し、図２（ｃ）は図１（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示す。

実施形態に係る熱電変換装置１には、基板１１と、基板１１上のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３と、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を覆う断熱膜１５と、が含まれる。熱電変換装置１には、更に、断熱膜１５の上方の温度をｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の各第１の部分に伝達する伝熱材２１と、基板１１の下方の温度をｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の各第１の部分から離間した各第２の部分に伝達する伝熱材２２と、断熱膜１５の下でｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を覆う電気的な絶縁膜１４と、が含まれる。図１では絶縁膜１４及び断熱膜１５を省略している。

ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３は複数対形成されており、交互に電気的に直列に繋がっている。この直列体は平面視で規則的に蛇行しており、これを横切るように伝熱材２１が延びている。そして、伝熱材２１の直下においてｐ型熱電変換膜１２とｎ型熱電変換膜１３とが接触し、また、蛇行の向きが反転する位置においてもｐ型熱電変換膜１２とｎ型熱電変換膜１３とが接触している。従って、平面視で、伝熱材２１の両側において、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３が伝熱材２１に沿って交互に配置され、対をなすように１個のｐ型熱電変換膜１２と１個のｎ型熱電変換膜１３とが接触し、このような接触が複数存在している。また、伝熱材２１の一方側のｐ型熱電変換膜１２が他方側のｎ型熱電変換膜１３に伝熱材２１の直下で接触し、一方側のｎ型熱電変換膜１３が他方側のｐ型熱電変換膜１２に伝熱材２１の直下で接触している。直列体の一端に位置するｐ型熱電変換膜１２上にパッド２３が設けられ、他端に位置するｎ型熱電変換膜１３上にパッド２４が設けられている。

本実施形態では、１個の伝熱材２１及び２個の伝熱材２２が同じ方向に延びており、平面視で、伝熱材２１は２個の伝熱材２２の間にあり、伝熱材２２は上記直列体の蛇行の向きが反転する位置と重なっている。２個の伝熱材２２は完全に分割されている必要はなく、例えば平面視で伝熱材２１と重ならない位置で一体化されていてもよい。

本実施形態において、断熱膜１５の上方の温度が基板１１の下方の温度よりも高い場合、図３に示すように、ｐ型熱電変換膜１２では、伝熱材２１の下方の部分（第１の部分）から伝熱材２２の上方の部分（第２の部分）に向けて正孔（ｈ）が移動する。また、同じく図３に示すように、ｎ型熱電変換膜１３では、伝熱材２１の下方の部分（第１の部分）から伝熱材２２の上方の部分（第２の部分）に向けて電子（ｅ）が移動する。そして、複数のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３が上記のように電気的に直列に接続されているため、各ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３間で同じ方向に流れる電流が発生する。この電流はパッド２３及びパッド２４から取り出すことができる。

従って、バルクの熱電変換素子を用いなくとも、断熱膜１５の上方の温度と基板１１の下方の温度との温度差に起因する電流を得ることができる。従って、従来のものと比較して著しく薄化することが可能であり、設置可能な範囲を大幅に広げることができる。例えば、従来の熱電変換装置では極めて困難であった体温を用いた発電を容易に行うことが可能となり、例えば心臓のペースメーカの発電に用いることもできる。

伝熱材２１の材料は特に限定されないが、Ｃｕを用いることが好ましい。成膜が容易で、熱伝導率が高いからである。伝熱材２１にフッ素樹脂上に成膜されたＣｒ膜及びＡｕ膜の積層体を用いてもよい。伝熱材２２の材料は特に限定されないが、Ｃｕを用いることが好ましい。ｐ型熱電変換膜１２の材料は特に限定されず、例えばＬａ_aＳｒ_1-aＣｏＯ₃（０＜ａ≦１）、Ｌａ_bＣａ_1-bＣｏＯ₃（０＜ｂ≦１）又はＬａＭｎＯ₃を用いることできる。ｎ型熱電変換膜１３の材料は特に限定されず、例えばＳｒ_cＬａ_1-cＴｉＯ₃（０＜ｃ＜１）又はＳｒ_dＮｂ_1-dＴｉＯ₃（０＜ｄ＜１）を用いることできる。例えば、ｐ型熱電変換膜１２としてのＬａ_0.89Ｓｒ_0.11ＣｏＯ₃膜と、ｎ型熱電変換膜１３としてのＳｒ_0.95Ｌａ_0.05ＴｉＯ₃膜との組み合わせを用いることができる。ｐ型熱電変換膜１２としてのＬａ_0.89Ｃａ_0.11ＣｏＯ₃膜と、ｎ型熱電変換膜１３としてのＳｒ_0.95Ｎｂ_0.05ＴｉＯ₃膜との組み合わせを用いることもできる。ｐ型熱電変換膜１２としてのＬａ_0.90Ｓｒ_0.10ＣｏＯ₃膜と、ｎ型熱電変換膜１３としてのＳｒ_0.93Ｎｂ_0.07ＴｉＯ₃膜との組み合わせを用いることもできる。絶縁膜１４の材料は特に限定されず、例えばＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄又はＳｒＴｉＯ₃を用いることできる。断熱膜１５の材料は特に限定されず、例えばモールド樹脂を用いることができる。

本実施形態では、ｐ型熱電変換膜１２の伝熱材２１の直下の部分及びｎ型熱電変換膜１３の伝熱材２１の直下の部分が第１の部分に相当し、ｐ型熱電変換膜１２の伝熱材２２の直上の部分及びｎ型熱電変換膜１３の伝熱材２２の直上の部分が第２の部分に相当する。ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３が複数である必要はない。ｐ型熱電変換膜１２又はｎ型熱電変換膜１３の一方が１個のみ含まれていてもよい。この場合でも、ｐ型熱電変換膜１２又はｎ型熱電変換膜１３の第１の部分と第２の部分との間を温度差に応じて正孔又は電子が移動するため、電流を得ることができる。

次に、熱電変換装置１の性能について説明する。ここでは、基板１１の熱的なコンダクタンス及び電気的なコンダクタンスが無視できるものとし、図４に示すように、パッド２３とパッド２４との間に負荷２５が接続されているとする。熱電変換装置１に流入する熱量をＱ_H、負荷２５を流れる電流をＩ、負荷２５の電気抵抗をＲ_L、熱電変換効率をηとすると、次の式（１）が成り立つ。

伝熱材２１の上方の温度をＴ_H、この温度ＴＨと基板１１の下方の温度との差をΔＴ、熱電変換装置１の内部抵抗をＲ、内部抵抗Ｒに対する抵抗ＲＬの比（Ｒ_L／Ｒ）をμ、性能指数をＺとすると、熱電変換効率ηは次の式（２）で表すこともできる。

性能指数Ｚは、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の対の数をＮ、熱電変換装置１の熱コンダクタンスをＫ、一対のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の実効（effective）ゼーベック係数をαとすると、次の式（３）で表される。

熱コンダクタンスＫはｐ型熱電変換膜１２の熱コンダクタンスＫ_pとｎ型熱電変換膜１３の熱コンダクタンスＫ_nとの和である。そして、ｐ型熱電変換膜１２、ｎ型熱電変換膜１３の熱伝導率をそれぞれκ_p、κ_n、断面積をそれぞれＡ_p、Ａ_n、長さをそれぞれＬ_p、Ｌ_nとすると、熱コンダクタンスＫは次の式（４）で表される。

内部抵抗Ｒはｐ型熱電変換膜１２の内部抵抗Ｒ_pとｎ型熱電変換膜１３の内部抵抗Ｒ_nとの和である。そして、ｐ型熱電変換膜１２、ｎ型熱電変換膜１３の伝導率をそれぞれσ_p、σ_nとすると、内部抵抗Ｒは次の式（５）で表される。

実効ゼーベック係数αは次の式（６）で表される。

式（３）に示すように、性能指数Ｚは熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒに反比例する。従って、性能指数Ｚの向上には、熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒの低減が有効である。熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒの積は次の式（７）で表される。

ここで、σ_pnはσ_nに対するσ_pの比（σ_p／σ_n）であり、κ_pnはκ_nに対するκ_pの比（κ_p／κ_n）であり、ｘは「（Ａ_p／Ａ_n）×（Ｌ_n／Ｌ_p）」である。ｘはｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の形状に関するパラメータである。熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒの積ＫＰを最小にして性能指数Ｚを最大にするｘの値（ｘ_minKR）は下記の式（８）で表される。

そして、この値を式（７）に代入すると、積ＫＰの最小値が得られる（式（９））。

更に、この積ＫＰの最小値を用いると、性能指数Ｚの最大値が得られる（式（１０））。

そして、図５に示す開回路を構成した場合の端子間の電圧Ｖ_OCは式（１１）で表され、図６に示す閉回路を構成した場合の電流値Ｉ_SCは式（１２）で表される。

最大電力Ｐ_maxは「（Ｖ_OC／２）×（Ｉ_SC／２）」で表されるので、式（１１）及び式（１２）から次の式（１３）が導かれる。

式（５）から明らかなように、内部抵抗Ｒは数Ｎに比例するため、式（１３）から最大電力Ｐ_maxが数Ｎに比例するといえる。ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を設けることができる面積が決まっている場合、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３のパターンを小さくするほど数Ｎが増え、最大電力Ｐ_maxが増加し、式（１４）の関係が成り立つ。

従って、高い最大電力Ｐ_maxを得るためには実効ゼーベック係数及び伝導率が高い材料を用いることが望ましい。

次に、上記の数式に基づいて算出される起電力について２通りのパターンに基づいて説明する。ここでは、基板１１の平面形状は１５ｍｍ×１５ｍｍの正方形とし、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の厚さは１μｍ、直列方向の長さは６ｍｍとする。一方のパターンでは、メタルマスクを用いることを想定し、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の線幅を８０μｍ、対の数を８３とする。この結果を表１に示す。他方のパターンでは、リソグラフィを用いることを想定し、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の線幅を２０μｍ、対の数を５００とする。この結果を表２に示す。表１及び表２において、条件Ａでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ_0.89Ｓｒ_0.11ＣｏＯ₃膜が用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてＳｒ_0.95Ｌａ_0.05ＴｉＯ₃膜が用いられる。条件Ｂでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ_0.89Ｓｒ_0.11ＣｏＯ₃膜が用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてゼーベック係数がＳｒ_0.95Ｌａ_0.05ＴｉＯ₃膜の２倍のものが用いられる。条件Ｃでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ_0.89Ｓｒ_0.11ＣｏＯ₃膜の２倍のものが用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてゼーベック係数がＳｒ_0.95Ｌａ_0.05ＴｉＯ₃膜の２倍のものが用いられる。条件Ｄでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ_0.89Ｓｒ_0.11ＣｏＯ₃膜の４倍のものが用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてゼーベック係数がＳｒ_0.95Ｌａ_0.05ＴｉＯ₃膜の４倍のものが用いられる。

例えば、温度計には０．３ｍＷ程度の起電力が好ましく、計算機には２０μＷ程度の起電力が好ましく、心臓のペースメーカには８μＷ程度の起電力が好ましく、腕時計には３μＷ〜５μＷ程度の起電力が好ましい。上記の２パターンによれば、これらの用途に適した起電力を得ることができ、特にリソグラフィを用いることを想定したパターンによれば、より高い起電力を得ることができる。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
基板と、
前記基板上の熱電変換膜と、
前記熱電変換膜を覆う断熱膜と、
前記断熱膜の上方の温度を前記熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
前記基板の下方の温度を前記熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。

（付記２）
前記熱電変換膜は、ｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする付記１に記載の熱電変換装置。

（付記３）
前記熱電変換膜は、交互に、かつ電気的に直列に接続された複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする付記１に記載の熱電変換装置。

（付記４）
前記対をなすｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜同士が前記第１の伝熱材の直下で互いに接触していることを特徴とする付記３に記載の熱電変換装置。

（付記５）
基板と、
前記基板上の複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜と、
前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜を覆う断熱膜と、
前記断熱膜の上方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の第１の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
前記基板の下方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
を有し、
対をなす前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜は前記第１の伝熱材の直下で互いに接触し、
隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜と他方のｎ型熱電変換膜とが互いに接触し、
前記複数対が前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜の直列体を構成していることを特徴とする熱電変換装置。

（付記６）
前記第１の伝熱材はＣｕを含有することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の熱電変換装置。

（付記７）
前記第２の伝熱材はＣｕを含有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換装置。

（付記８）
前記ｐ型熱電変換膜は、Ｌａ_aＳｒ_1-aＣｏＯ₃膜（０＜ａ≦１）、Ｌａ_bＣａ_1-bＣｏＯ₃（０＜ｂ≦１）膜又はＬａＭｎＯ₃膜であることを特徴とする付記２乃至７のいずれか１項に記載の熱電変換装置。

（付記９）
前記ｎ型熱電変換膜は、Ｓｒ_cＬａ_1-cＴｉＯ₃膜（０＜ｃ＜１）又はＳｒ_dＮｂ_1-dＴｉＯ₃膜（０＜ｄ＜１）であることを特徴とする付記２乃至８のいずれか１項に記載の熱電変換装置。

（付記１０）
前記断熱膜の下で前記熱電変換膜を覆う電気的な絶縁膜を有することを特徴とする付記１乃至９のいずれか１項に記載の熱電変換装置。

（付記１１）
前記絶縁膜は、ＳｉＯ₂膜、Ｓｉ₃Ｎ₄膜又はＳｒＴｉＯ₃膜であることを特徴とする付記１０に記載の熱電変換装置。

１：熱電変換装置
１１：基板
１２：ｐ型熱電変換膜
１３：ｎ型熱電変換膜
１４：絶縁膜
１５：断熱膜
２１、２２：伝熱材
２３、２４：パッド
２５：負荷

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上の熱電変換膜と、
   前記熱電変換膜を覆う断熱膜と、
   前記断熱膜の上方の温度を前記熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
   前記基板の下方の温度を前記熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
   を有することを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱電変換膜は、ｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記熱電変換膜は、交互に、かつ電気的に直列に接続された複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
4. 前記対をなすｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜同士が前記第１の伝熱材の直下で互いに接触していることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換装置。
5. 基板と、
   前記基板上の複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜と、
   前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜を覆う断熱膜と、
   前記断熱膜の上方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の第１の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
   前記基板の下方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
   を有し、
   対をなす前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜は前記第１の伝熱材の直下で互いに接触し、
   隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜と他方のｎ型熱電変換膜とが互いに接触し、
   前記複数対が前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜の直列体を構成していることを特徴とする熱電変換装置。

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