JP2017195232A - 繊維状の熱電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維状に構成された柔軟性に優れた熱電素子を提供することを目的とする。【解決手段】熱電素子１００は、第１リード線１０と、第２リード線２０と、を有する。第１リード線１０は、カーボンナノチューブからなる繊維状のｐ型半導体１１Ｐと、カーボンナノチューブからなる繊維状のｎ型半導体１１Ｎと、を有し、ｐ型半導体１１Ｐとｎ型半導体１１Ｎとが直列に接続されている。第２リード線２０は、カーボンナノチューブからなる繊維状のｐ型半導体２１Ｐと、カーボンナノチューブからなる繊維状のｎ型半導体２１Ｎと、を有し、ｐ型半導体２１Ｐとｎ型半導体２１Ｎとが直列に接続されている。そして、第１リード線１０と第２リード線２０とは、互いにらせん状に撚り合わせられている。【選択図】図３

Description

本発明は、ペルチェ効果やゼーベック効果を利用して、冷却・加熱などの熱移動もしくは、温度差による発電を行う、熱電素子に関するものである。

近年、柔軟性や可撓性を有した熱電素子の開発が行われている。

従来の熱電素子は、例えば特許文献１に示されているように、フィルム状の基材にｐ型半導体薄膜とｎ型半導体薄膜を交互に配し、それらを直列に接続することで可撓性を有した熱電素子を構成している。

特開２００５−３２８０００号公報

しかしながら、上記従来の熱電素子は、フィルム状の基材にｐ型半導体薄膜とｎ型半導体薄膜を積層させた構成であり、１つ１つの半導体素子がシート状に構成されるため、面積が大きいものになってしまうという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、繊維状の熱電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、カーボンナノチューブからなるｐ型半導体とカーボンナノチューブからなるｎ型半導体とを直列に接続した繊維状の第１リード線と、カーボンナノチューブからなるｐ型半導体とカーボンナノチューブからなるｎ型半導体とを直列に接続した繊維状の第２リード線と、を有し、第１リード線と第２リード線が互いに撚り合わせられた熱電素子としたものである。

これであれば、熱電素子を繊維状にすることができるという作用を有する。

本発明によれば、熱電素子を繊維状に構成することで、小型で柔軟性に優れたものを実現できるという有利な効果が得られる。

本発明の実施の形態による熱電素子の平面図 同熱電素子の部分拡大図 同熱電素子の構成を説明する図 同熱電素子を構成する第１リード線を説明する図 同熱電素子を構成する第２リード線を説明する図 同熱電素子の使用形態の一例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は熱電素子１００の平面図、図２は熱電素子１００の部分拡大図、図３は熱電素子１００の構成を説明する図、図４は熱電素子１００を構成する第１リード線１０を説明する図、図５は熱電素子１００を構成する第２リード線２０を説明する図である。

図２、図３に示すように、熱電素子１００は、第１リード線１０と、第２リード線２０と、とを有する。図４に示すように、第１リード線１０は、カーボンナノチューブからなる繊維状のｐ型半導体１１Ｐと、カーボンナノチューブからなる繊維状のｎ型半導体１１Ｎと、を有し、ｐ型半導体１１Ｐとｎ型半導体１１Ｎとが直列に接続されている。図５に示すように、第２リード線２０は、カーボンナノチューブからなる繊維状のｐ型半導体２１Ｐと、カーボンナノチューブからなる繊維状のｎ型半導体２１Ｎと、を有し、ｐ型半導体２１Ｐとｎ型半導体２１Ｎとが直列に接続されている。そして、図２、図３に示すように、第１リード線１０と第２リード線２０とは、互いにらせん状に撚り合わせられている。

このように、熱電素子１００は、第１リード線１０と第２リード線２０とを撚り合わせることで、第１リード線１０と第２リード線２０を構成するカーボンナノチューブが高密度になり、第１リード線１０と第２リード線２０の抵抗値が低下する。また、撚り合わせることで強度が向上する。これにより、小型で柔軟性に優れた繊維状の熱電素子を実現できる。

以下に熱電素子１００の詳しい構成について説明する。

図１に示すように、熱電素子１００は、繊維状であり、長さ方向における所定の領域が、ｐ型半導体領域１００Ｐもしくはｎ型半導体領域１００Ｎに構成されている。熱電素子１００は、図２、図３に示すように、第１リード線１０と、第２リード線２０と、を有する。そして、第１リード線１０と第２リード線２０は、互いにらせん状に撚り合わせられている。なお、図３は熱電素子１００の構成を説明する模式図であり、説明のために、熱電素子１００の一部において、第１リード線１０と第２リード線２０との撚りを解いた状態として図示している。また、図３において、撚りを解いた第１リード線１０と第２リード線２０の一部は、断面図として図示している。

図３、図４に示すように、第１リード線１０は、カーボンナノチューブを主成分とする導電性を有した繊維状の導電部１１と、導電部１１の周囲を被覆するように形成された可撓性を有した絶縁材体からなる被覆部１２を有している。なお、図４は第１リード線１０の断面を模式的に示した模式図であり、第１リード線１０の構成をわかりやすくするために、第１リード線１０を第２リード線２０との撚りを解いた直線状なものとして図示している。

ここに、第１リード線１０の導電部１１は、カーボンナノチューブを紡績して１本の繊維状にしたものであり、当該カーボンナノチューブにドーパントを注入することで、導電部１１の長さ方向における所定の領域が、ｐ型もしくはｎ型の半導体に構成されている。そして、図４に示すように、第１リード線１０の導電部１１は、ｐ型半導体１１Ｐとｎ型半導体１１Ｎが交互に直列に接続されたものに形成されている。なお、図４では、導電部１１はｐ型半導体１１Ｐとｎ型半導体１１Ｎとが直接接続（ｐｎ接合）されたものに形成されているが、必ずしもその必要はない。例えば、ｐ型半導体１１Ｐとｎ型半導体１１Ｎとの間に、ドーパントが注入されずに半導体化していないカーボンナノチューブを介した構成であってもよい。このような構成であれば、ｐ型半導体１１Ｐとｎ型半導体１１Ｎとを接合したときに生じる空乏層を抑制することができるため、第１リード線１０の電気的
な抵抗を抑制して、効率のよい熱電素子を実現できる。

なお、導電部１１を構成するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）を用いれば、ドライスピニング法のような簡便な方法で、繊維状の導電部１１を紡績することができるため望ましいが、多層カーボンナノチューブに比べ半導体化が容易な単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）であってもよい。また、多層カーボンナノチューブと単層カーボンナノチューブとを混ぜ合わせた複合材料であってもよい。

図３、図５に示すように、第２リード線２０は、カーボンナノチューブを主成分とする導電性を有した繊維状の導電部２１と、導電部２１の周囲を被覆するように形成された可撓性を有した絶縁材体からなる被覆部２２を有している。なお、図５は第２リード線２０の断面を模式的に示した模式図であり、第２リード線２０の構成をわかりやすくするために、第２リード線２０を第１リード線１０との撚りを解いた直線状なものとして図示している。

ここに、第２リード線２０の導電部２１は、カーボンナノチューブを紡績して１本の繊維状にしたものであり、当該カーボンナノチューブにドーパントを注入することで、導電部２１の長さ方向における所定の領域が、ｐ型もしくはｎ型の半導体に構成されている。そして、図５に示すように、第２リード線２０の導電部２１は、ｐ型半導体２１Ｐとｎ型半導体２１Ｎが交互に直列に接続されたものに形成されている。なお、図５では、導電部２１はｐ型半導体２１Ｐとｎ型半導体２１Ｎとが直接接続（ｐｎ接合）されたものに形成されているが、必ずしもその必要はない。例えば、ｐ型半導体２１Ｐとｎ型半導体２１Ｎとの間に、ドーパントが注入されずに半導体化していないカーボンナノチューブを介した構成であってもよい。このような構成であれば、ｐ型半導体２１Ｐとｎ型半導体２１Ｎとを接合したときに生じる空乏層を抑制することができるため、第２リード線２０の電気的な抵抗を抑制して、効率のよい熱電素子を実現できる。

なお、導電部２１を構成するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）を用いれば、ドライスピニング法のような簡便な方法で、繊維状の導電部２１を紡績することができるため望ましいが、多層カーボンナノチューブに比べ半導体化が容易な単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）であってもよい。また、多層カーボンナノチューブと単層カーボンナノチューブとを混ぜ合わせた複合材料であってもよい。

以上のように第１リード線１０は、導電部１１にカーボンナノチューブを用いている。同様に、第２リード線２０においても、導電部２１にカーボンナノチューブを用いている。そして、当該カーボンナノチューブにドーパントを注入することで半導体化させて、ｐ型半導体とｎ型半導体とが直列に配置された導電部１１、２１とをそれぞれ構成している。

そして、熱電素子１００は、第１リード線１０と第２リード線２０とが撚り合わせられて構成されている。なお、熱電素子１００は、図３に示すように、第１リード線１０におけるｐ型半導体１１Ｐの領域と、第２リード線２０におけるｐ型半導体２１Ｐの領域とが、互いに隣接するように撚り合わせられている。同様に、熱電素子１００は、第１リード線１０におけるｎ型半導体１１Ｎの領域と、第２リード線２０におけるｎ型半導体２１Ｎの領域とが、互いに隣接するように撚り合わせられている。

こうすることで、図１に示すように、熱電素子１００は、長さ方向における所定の領域において、ｐ型半導体１１Ｐの領域とｐ型半導体２１Ｐの領域とが隣接して撚り合わせら
れたｐ型半導体領域１００Ｐを構成する。同様に、熱電素子１００は、長さ方向における所定の領域において、ｎ型半導体１１Ｎの領域とｎ型半導体２１Ｎの領域とが隣接して撚り合わせられたｎ型半導体領域１００Ｎを構成する。

以上のように、熱電素子１００は、カーボンナノチューブ製の第１リード線１０と第２リード線２０とを有した、柔軟性に優れた繊維状の熱電素子を実現できる。さらに、熱電素子１００は、第１リード線１０と第２リード線２０とが撚り合わせられることで、第１リード線１０と第２リード線２０を構成するカーボンナノチューブが高密度になり、第１リード線１０と第２リード線２０の抵抗値が低下する。また、熱電素子１００は、第１リード線１０と第２リード線２０とを撚り合わせることで強度が向上する。これにより、小型で柔軟性に優れた繊維状であると共に、抵抗値か低く電気的な損失の少ない熱電素子１００を実現できる。

なお、本実施の形態においては、２本のリード線（第１リード線１０と第２リード線２０）を撚り合わせて熱電素子１００を構成したが、例えば、第１リード線１０もしく第２リード線２０と同じように構成されたリード線を３本以上撚り合わせて熱電素子１００を構成してもよい。なお、３本以上のリード線を撚り合わせる場合においても、それぞれのリード線のｐ型半導体の領域が互いに隣接するように撚り合わせられるとよい。同様に、それぞれのリード線のｎ型半導体の領域が互いに隣接するように撚り合わせられるとよい。

次に、熱電素子１００の使用形態についての一例を説明する。

図６は熱電素子１００の使用形態の一例を示す図であり、熱電素子１００を布地２００などに編み込むことで熱電変換装置３００を構成している。なお、図６（ａ）は熱電変換装置３００の平面図であり、図４（ｂ）は熱電変換装置３００の断面図である。

布地２００は、例えば、綿や化学繊維などから形成された一般的な被服に使用される布であり、表面となる表面２００Ａと、裏面となる裏面２００Ｂとを有する。そして、この布地２００に対して、熱電素子１００が波状に縫われている。ここに、図６に示すように、熱電素子１００におけるｐ型半導体領域１００Ｐとｎ型半導体領域１００Ｎとの境界部の一方が、より厳密には、ｐ型半導体領域１００Ｐの一方端とｎ型半導体領域１００Ｎの一方端が、布地２００の表面２００Ａから露出するように、編みこまれている。同様に、ｐ型半導体領域１００Ｐの他端とｎ型半導体領域１００Ｎの他端が、布地２００の裏面２００Ｂから露出するよう編みこまれている。このように、被服に使用される布地２００に編み込む構成とすることで、着用可能な熱電変換装置３００を実現できる。

これにより、熱電変換装置３００は、着用されている人体等の表面の熱（布地２００の裏面２００Ｂ側の熱）と、外方の熱（布地２００の表面２００Ａ側の熱）との差により、発電することができる。また、熱電変換装置３００に電流を導通させれば、冷却・加熱などの熱移動が行われて、着用者の体温調節なども行うことができる。

また、熱電変換装置３００を耐熱性や耐候性の高い布地２００に熱電素子１００を編みこんだものに構成して、例えば温水等が流れる工場の配管などに巻きつけて発電装置として使用することもできる。

このように、熱電素子１００は、小型で柔軟性に優れた繊維状であるため、従来のような平面状に構成された熱電素子に比べて、高密度で集積することができる。

本発明による熱電素子は、小型で柔軟性に優れた繊維状であるため、布地などに編み込まれることで、柔軟性に優れた熱電変換装置を構成できる。したがって、本発明による熱電素子は、被服などに加工して着用したり、工場などの配管などに巻きつけて使用することができる熱電変換装置として有用である。

１０ 第１リード線
１１ 導電部
１１Ｎ ｎ型半導体
１１Ｐ ｐ型半導体
１２ 被覆部
２０ 第２リード線
２１ 導電部
２１Ｎ ｎ型半導体
２１Ｐ ｐ型半導体
２２ 被覆部
１００ 熱電素子
１００Ｎ ｎ型半導体領域
１００Ｐ ｐ型半導体領域
２００ 布地
２００Ａ 表面
２００Ｂ 裏面
３００ 熱電変換装置

Claims (3)

1. カーボンナノチューブからなるｐ型半導体とカーボンナノチューブからなるｎ型半導体とを直列に接続した繊維状の第１リード線と、
   カーボンナノチューブからなるｐ型半導体とカーボンナノチューブからなるｎ型半導体とを直列に接続した繊維状の第２リード線と、を備え、
   前記第１リード線と前記第２リード線が互いに撚り合わせられた熱電素子。
2. 前記第１リード線もしくは、前記第２リード線は、絶縁材料によって被覆されている請求項１記載の熱電素子。
3. 前記第１リード線におけるｐ型半導体の領域と、前記第２リード線におけるｐ型半導体の領域とが、互いに隣接するように撚り合わせられている請求項１記載の熱電素子。

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