JP2017188574A - 熱電変換デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電極間の温度差を容易に大きくすることができ、出力を高めることができる、熱電変換デバイスを提供する。【解決手段】本発明に係る熱電変換デバイス１０は、基材２と、基材２の上面上に配置された複数の電極３と、基材２の上面上に配置された複数の熱電変換材料４とを備え、基材２の上面上で、電極３と熱電変換材料４とは交互に並んで、かつ電極３と熱電変換材料４とが接するように配置されており、基材２と電極３及び熱電変換材料４との積層体は、電極３と熱電変換材料４とが並ぶ方向において、上下に屈曲した形状を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換材料を用いた熱電変換デバイスに関する。

近年、エネルギー問題への取り組みが活発化しており、熱エネルギーの回収技術への期待が高まっている。熱は、体温、太陽熱、エンジン及び工業排熱など様々な場面から回収することができ、最も一般的なエネルギー源である。また、エネルギー効率の高い低炭素社会を実現するために、熱エネルギーの回収技術の必要性は増大している。

熱エネルギーの回収技術としては、ゼーベック効果（又はペルチェ効果）に基づく熱電変換デバイスが、温度差発電、熱センサ及び冷却などの様々な場面で既に活用されている。熱電変換デバイスは、例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体との組み合わせである熱電対が多数直列に接続されたモジュール構造を有する。このような熱電変換デバイスは、可動部がないことから騒音及び振動が無く、スケール効果が無く、小さな温度差でも発電でき、様々な機器及び環境に組み込めるという多くの利点を有する。

上記のような熱電変換デバイスの一例が、下記の特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の熱電変換デバイスは、応力緩和層と、フレキシブル基材と、熱電変換素子とをこの積層順で備える。上記熱電変換素子は、第１の電極と、有機材料を含む熱電変換層と、第２の電極とをこの積層順で有する。上記応力緩和層は、上記フレキシブル基材の反りを調整する。上記熱電変換層では、例えば、上記有機材料として、導電性高分子と導電性ナノ材料（特に、カーボンナノチューブ）とを組み合わせて用いてもよい。

特開２０１５−０９２５５７号公報

熱電変換材料の厚みが薄い場合に、熱電変換材料の断熱性が低くなる傾向がある。このため、厚みが薄い熱電変換材料において、厚み方向の一方の電極側に高温部（熱源）を配置し、他方の電極側に低温部を配置した場合に、電極間の温度差を大きくすることが困難である。電極間の温度差を大きくすることができない場合、熱電変換デバイスの出力を高めることは困難である。

本発明の目的は、電極間の温度差を容易に大きくすることができ、出力を高めることができる、熱電変換デバイスを提供することである。

本発明の広い局面によれば、基材と、前記基材の上面上に配置された複数の電極と、前記基材の上面上に配置された複数の熱電変換材料とを備え、前記基材の上面上で、前記電極と前記熱電変換材料とは交互に並んで、かつ前記電極と前記熱電変換材料とが接するように配置されており、前記基材と前記電極及び前記熱電変換材料との積層体は、前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向において、上下に屈曲した形状を有する、熱電変換デバイスが提供される。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記積層体は、前記積層体の上面に山部と谷部とを交互に有するように、上下に屈曲した形状を有する。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記積層体は、前記山部の両側に第１の斜面と第２の斜面とを有する。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記第１の斜面に前記熱電変換材料が配置されておらず、かつ前記第２の斜面に前記熱電変換材料が配置されているか、又は、前記第１の斜面と前記第２の斜面との双方に前記熱電変換材料が配置されており、かつ前記第１の斜面に配置されている前記熱電変換材料の、前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さと、前記第２の斜面に配置されている前記熱電変換材料の、前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さとが異なる。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記第１の斜面の前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さと、前記第２の斜面の前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さとが異なる。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記積層体の屈曲している部分が、折れ曲がった形状である。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、複数の前記熱電変換材料の全てが、ｎ型熱電変換材料であるか、又は、複数の前記熱電変換材料の全てが、ｐ型熱電変換材料である。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記電極が多孔質体である。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記電極が、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の導電性粒子の集合体であるか、又は、カーボンナノチューブを含む不織布である。

本発明に係る熱電変換デバイスでは、基材の上面上で、電極と熱電変換材料とが交互に並んで、かつ電極と熱電変換材料とが接するように配置されており、基材と電極及び熱電変換材料との積層体が、電極と熱電変換材料とが並ぶ方向において、上下に屈曲した形状を有するので、電極間の温度差を大きくすることができ、出力を高めることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の第５の変形例に係る熱電変換デバイスの断面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に係る熱電変換デバイスは、基材と、上記基材の上面上に配置された複数の電極と、上記基材の上面上に配置された複数の熱電変換材料とを備える。上記基材の上面上で、上記電極と上記熱電変換材料とは交互に並んでいる。隣り合う上記電極と上記熱電変換材料とが接続されている。１つの上記熱電変換材料と、上記熱電変換材料の両端部に接続されている２つの上記電極とにより、１つの熱電変換素子が構成されている。隣り合う上記熱電変換素子は、互いの上記熱電変換材料の間に配置されている上記電極を共有している。

上記基材と上記電極及び上記熱電変換材料との積層体は、上記電極と上記熱電変換材料とが並ぶ方向において、上下に屈曲した形状を有する。例えば、上記積層体の下方から加熱し、上方から冷却することにより、上記熱電変換材料において温度差を設けることができる。上記熱電変換材料が延びる方向において上記温度差が設けられるので、上記温度差を容易に大きくすることができ、上記熱電変換デバイスの出力を大きくすることができる。

さらに、上記積層体が上下に屈曲した形状を有するため、熱電変換材料の集積密度を高めることができ、上記熱電変換デバイスの出力を効果的に大きくすることができる。

上記積層体は、上記積層体の上面に山部と谷部とを交互に有するように、上下に屈曲した形状を有することが好ましい。上記積層体の屈曲している部分は、折れ曲がった形状又は湾曲した形状であってもよい。温度差を効果的に設ける観点からは、上記積層体の屈曲している部分は、折れ曲がった形状であることが好ましい。電極及び熱電変換材料の剥離及び割れを抑える観点からは、上記積層体の屈曲している部分は、湾曲した形状であることが好ましい。

複数の上記熱電変換材料は、ｎ型熱電変換材料と、ｐ型熱電変換材料とを含んでいてもよい。複数の上記熱電変換材料の全てが、ｎ型熱電変換材料であるか、又は、複数の上記熱電変換材料の全てが、ｐ型熱電変換材料であってもよい。上記熱電変換デバイスはユニレグ構造であってもよい。

上記熱電変換素子の集積密度を高める観点からは、上記山部及び上記谷部の表面形状が、三角形の２辺の形状であることが好ましい。上記積層体は、上記山部の両側に第１の斜面と第２の斜面とを有することが好ましい。この場合には、熱電変換デバイスの出力を高めることができ、かつ小型化することができる。

なお、上記山部及び上記谷部の表面形状は、多角形の２以上の辺の形状であってもよい。上記山部及び上記谷部の表面形状は、台形の上辺又は下辺と２つの側辺との形状であってもよい。上記第１，第２の斜面は、例えば、上記表面形状が台形である場合における２つの斜面であってもよい。上記第１の斜面と上記第２の斜面とは連なっていてもよく、上記第１の斜面と上記第２の斜面との間に平坦面があってもよい。

上記第１の斜面と上記第２の斜面との双方に上記熱電変換材料が配置されていてもよい。上記第１の斜面に配置されている上記熱電変換材料の、上記電極と上記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さと、上記第２の斜面に配置されている上記熱電変換材料の、上記電極と上記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さとが異なっていてもよい。この場合には、上記第１，第２の斜面の双方に上記熱電変換材料が配置されていても、上記熱電変換デバイスをユニレグ構造とすることができる。

なお、上記熱電変換材料は、上記第１の斜面から上記第２の斜面に至っていてもよく、上記第２の斜面から上記第１の斜面に至っていてもよい。上記熱電変換デバイスの出力を高める観点からは、上記熱電変換材料は、上記積層体の屈曲している部分を越えずに設けられていることが好ましい。上記積層体の屈曲している部分に、上記電極が配置されていることが好ましく、上記熱電変換材料が配置されていないことが好ましい。

上記熱電変換デバイスがユニレグ構造である場合に、出力を効果的に大きくする観点からは、上記第１，第２の斜面のうち一方の斜面に上記熱電変換材料が配置されていることが好ましい。例えば、上記第１の斜面に上記熱電変換材料が配置されておらず、かつ上記第２の斜面に上記熱電変換材料が配置されていることが好ましい。

上記第１の斜面の上記電極と上記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さと、上記第２の斜面の上記電極と上記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さとが異なっていてもよい。例えば、上記長さが長い方の斜面上に上記熱電変換材料が設けられていない場合、当該斜面から効果的に放熱することができる。これにより、上記長さが短い方の斜面に設けられている上記熱電変換材料における温度差を効果的に大きくすることができる。

上記電極における放熱性を高める観点からは、上記電極は多孔質体であることが好ましい。

上記電極は、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の導電性粒子の集合体であることが好ましい。上記導電性粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下である場合には、電極の表面積を効果的に大きくすることができ、放熱性をより一層高めることができる。

上記電極は、カーボンナノチューブを含む不織布であってもよい。

上記熱電変換デバイスの製造に際しては、例えば、上記基材の上面上に複数の上記電極を設ける。次に、複数の上記電極の間に位置し、かつそれぞれの上記電極に接続されるように、上記基材の上面上に複数の上記熱電変換材料を設けて、積層体を得る。例えば、平坦な積層体を得る。電極と熱電変換材料との形成順序は特に限定されない。次に、上記積層体を屈曲させればよい。このように、上記熱電変換デバイスを容易に製造することができる。上記熱電変換デバイスがユニレグ構造である場合には、より一層容易に製造することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。図１は、電極と熱電変換材料とが並ぶ方向に沿う熱電変換デバイスの断面を示す。図１における上下方向をＺ方向とする。Ｚ方向に直交し、かつ電極と熱電変換材料とが並ぶ方向に、平面視において平行な方向をＸ方向とする。

なお、実施形態において参照する図面は、模式的に記載されており、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。具体的な物体の寸法の比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１に示す熱電変換デバイス１０は、柔軟性が高い基材２を備える。基材２には、例えば、樹脂などを用いることができる。基材２はＺ方向に屈曲した形状を有する。

基材２の上面上には、複数の電極３及び複数の熱電変換材料４が配置されている。基材２の上面上で、電極３と熱電変換材料４とが交互に並んでいる。隣り合う電極３と熱電変換材料４とが接続されている。１つの熱電変換材料４と、熱電変換材料４の両端部に接続されている２つの電極３とにより、１つの熱電変換素子１が構成されている。隣り合う熱電変換素子１は、それぞれの熱電変換材料４同士の間に配置された電極３を共有している。

複数の熱電変換材料４の全てが、ｎ型熱電変換材料であるか、又は、複数の熱電変換材料４の全てが、ｐ型熱電変換材料である。すなわち、熱電変換デバイス１０は、ユニレグ構造の熱電変換デバイスである。

基材２と、電極３及び熱電変換材料４とにより、積層体が構成されている。この積層体は、積層体の上面に山部と谷部とを交互に有するように屈曲している。屈曲部５ａは、上側と下側とで交互に配置されている。積層体が屈曲している部分である屈曲部５ａは、折れ曲がった形状である。山部及び谷部のＸ方向に沿う表面形状は、それぞれ三角形の２辺の形状である。積層体は、山部の両側に、第１の斜面５ｂと第２の斜面５ｃとを有する。

熱電変換材料４は、第２の斜面５ｃに配置されており、第１の斜面５ｂには配置されていない。各第２の斜面５ｃには、それぞれ１つの熱電変換材料４が配置されている。これにより、各熱電変換材料４における温度差を効果的に大きくすることができる。

熱電変換デバイス１０においては、熱電変換材料４は、電極３の上面にも至っている。なお、熱電変換材料は電極の上面に至っていなくてもよい。

なお、熱電変換デバイス１０などの本発明の熱電変換デバイスの使用形態は特に限定されない。熱電変換デバイスは、図１に示すような方向で用いられなくてもよく、図１の状態から回転され用いられてもよい。

次に、熱電変換デバイスの変形例を説明する。

図２に示す第１の変形例のように、各屈曲部２５ａは湾曲した形状を有していてもよい。図３に示す第２の変形例のように、第１の斜面３５ｂの長さが、第２の斜面３５ｃの長さよりも長くてもよい。この場合には、電極３３の長さを長くすることができるため、放熱性を高めることができる。熱電変換材料４における温度差を効果的に大きくすることができる。

図４に示す第３の変形例のように、熱電変換材料４４は、第２の斜面５ｃから第１の斜面５ｂに至っていてもよい。第１の斜面５ｂ上における熱電変換材料４４の長さと、第２の斜面５ｃ上における熱電変換材料４４の長さとが異なっていればよい。第３の変形例においては、第２の斜面５ｃ上における熱電変換材料４４の長さが、第１の斜面５ｂ上における熱電変換材料４４の長さよりも長い。

図５に示す第４の変形例のように、例えば、第２の斜面５ｃに、複数の熱電変換材料５４が設けられていてもよい。第４の変形例においては、第１の斜面５ｂには熱電変換材料５４は設けられていない。なお、第１の斜面に熱電変換材料が設けられていてもよい。ユニレグ構造とする場合には、第１の斜面上における熱電変換材料の長さの合計と、第２の斜面上における熱電変換材料の長さの合計とが異なっていればよい。

図６に示す第５の変形例のように、積層体の山部と谷部との表面形状は、四角形の２以上の辺の形状などであってもよい。この場合には、山部の両側は斜面ではなく、Ｚ方向に平行な第１，第２の面６５ｂ，６５ｃを有していてもよい。

また、第５の変形例では、上側の２つの屈曲部６５ａによって、積層体の上下方向が変化しており、下側の２つの屈曲部６５ａによって、積層体の上下方向が変化している。このように、２以上の屈曲部で、屈曲方向が上下に変化していてもよい。

１…熱電変換素子
２…基材
３…電極
４…熱電変換材料
５ａ…屈曲部
５ｂ，５ｃ…第１，第２の斜面
１０…熱電変換デバイス
２５ａ…屈曲部
３３…電極
３５ｂ，３５ｃ…第１，第２の斜面
４４…熱電変換材料
５４…熱電変換材料
６５ａ…屈曲部
６５ｂ，６５ｃ…第１，第２の面

Claims (9)

1. 基材と、
   前記基材の上面上に配置された複数の電極と、
   前記基材の上面上に配置された複数の熱電変換材料とを備え、
   前記基材の上面上で、前記電極と前記熱電変換材料とは交互に並んで、かつ前記電極と前記熱電変換材料とが接するように配置されており、
   前記基材と前記電極及び前記熱電変換材料との積層体は、前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向において、上下に屈曲した形状を有する、熱電変換デバイス。
2. 前記積層体は、前記積層体の上面に山部と谷部とを交互に有するように、上下に屈曲した形状を有する、請求項１に記載の熱電変換デバイス。
3. 前記積層体は、前記山部の両側に第１の斜面と第２の斜面とを有する、請求項２に記載の熱電変換デバイス。
4. 前記第１の斜面に前記熱電変換材料が配置されておらず、かつ前記第２の斜面に前記熱電変換材料が配置されているか、又は、
   前記第１の斜面と前記第２の斜面との双方に前記熱電変換材料が配置されており、かつ前記第１の斜面に配置されている前記熱電変換材料の、前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さと、前記第２の斜面に配置されている前記熱電変換材料の、前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さとが異なる、請求項３に記載の熱電変換デバイス。
5. 前記第１の斜面の前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さと、前記第２の斜面の前記電極と前記熱電変換材料とが並ぶ方向における長さとが異なる、請求項３又は４に記載の熱電変換デバイス。
6. 前記積層体の屈曲している部分が、折れ曲がった形状である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
7. 複数の前記熱電変換材料の全てが、ｎ型熱電変換材料であるか、又は、
   複数の前記熱電変換材料の全てが、ｐ型熱電変換材料である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
8. 前記電極が多孔質体である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
9. 前記電極が、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の導電性粒子の集合体であるか、又は、カーボンナノチューブを含む不織布である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。

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