JP2017204534A - 熱電変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電気抵抗を十分に低くすることができ、熱電性能を高くすることができる熱電変換素子を提供する。【解決手段】本発明に係る熱電変換素子１においては、熱電変換部２は、第１の導電性接合部３Ａを介して、第１の電極４Ａに導電接続されており、熱電変換部２は、第２の導電性接合部３Ｂを介して、第２の電極４Ｂに導電接続されており、熱電変換部２は、第１の表面２ａ１から側面２ｃ１に至るように、側面２ｃ１に第１の導電性接合部３Ａにより覆われている部分を有し、第１の表面２ａ１と第２の表面２ｂ１とを結ぶ方向における側面の距離に対する、第１の表面２ａ１と第２の表面２ｂ１とを結ぶ方向における側面の第１の導電性接合部３Ａと第２の導電性接合部３Ｂとにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換材料を用いた熱電変換素子に関する。

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、複数の熱電変換材料を有する。熱電変換材料は、カーボンナノチューブ及びドーパントを含む。ドーパントをカーボンナノチューブの凝集体の内部にも吸着させることにより、ドーパントとカーボンナノチューブとの接触抵抗が小さくなる。複数の熱電変換材料は、電極を介して電気的に接続されている。

特開２０１５−２３０９６７号公報

熱電変換材料と電極とは、例えば、銀ペーストなどの導電性接合部を用いて接合され得る。しかしながら、上記のような熱電変換材料に対する銀ペーストなどの濡れ性が低いことなどから、十分な導電接続を得ることは困難である。この場合には、熱電変換材料と電極との間の電気抵抗を十分に低くすることは困難である。

本発明の目的は、電気抵抗を十分に低くすることができ、熱電性能を高くすることができる熱電変換素子を提供することである。

本発明の広い局面によれば、第１の電極と、第１の導電性接合部と、熱電変換材料を有する熱電変換部と、第２の導電性接合部と、第２の電極とを備え、前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して、前記第１の電極に導電接続されており、前記熱電変換部は、前記第２の導電性接合部を介して、前記第２の電極に導電接続されており、前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して前記第１の電極と対向している第１の表面と、前記第２の導電性接合部を介して前記第２の電極と対向している第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ側面とを有し、前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記側面に至るように、前記側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有し、前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記側面に至るように、前記側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さず、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記側面の距離に対する、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記側面の前記第１の導電性接合部と前記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である、熱電変換素子が提供される。

本発明の広い局面によれば、第１の電極と、第１の導電性接合部と、熱電変換材料を有する熱電変換部と、第２の導電性接合部と、第２の電極とを備え、前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して、前記第１の電極に導電接続されており、前記熱電変換部は、前記第２の導電性接合部を介して、前記第２の電極に導電接続されており、前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して前記第１の電極と対向している第１の表面と、前記第２の導電性接合部を介して前記第２の電極と対向している第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ側面とを有し、前記熱電変換部が、前記側面として、第１の側面と、前記第１の側面と対向する第２の側面とを有し、前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有し、前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さず、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の距離に対する、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の前記第１の導電性接合部と前記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である、熱電変換素子が提供される。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分の距離が、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分の距離よりも長い。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さず、前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記第２の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有さず、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の距離に対する、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の前記第１の導電性接合部と前記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分の距離が、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分の距離よりも長い。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換部が、前記第２の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分と、前記第２の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分とが対向していない。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換部が、前記第２の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分と、前記第２の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分とが対向していない。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換材料が、カーボンナノチューブを含む。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換部が断熱材を有する。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換材料が、シート状である。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記熱電変換材料の厚みが、０．７５μｍ以上、１５０μｍ以下である。

本発明に係る熱電変換素子のある特定の局面では、前記第１の導電性接合部が、導電性フィラーを含み、前記第１の導電性接合部に含まれる前記導電性フィラーが、銀又は銅を含む。

本発明に係る熱電変換素子によれば、熱電変換部は、第１の表面から側面に至るように、側面に第１の導電性接合部により覆われている部分を有し、第１の表面と第２の表面とを結ぶ方向における側面の距離に対する、第１の表面と第２の表面とを結ぶ方向における側面の第１の導電性接合部と第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下であるので、電気抵抗を十分に低くすることができ、熱電性能を高くすることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。 図３は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る熱電変換素子の断面図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。 図５は、第１の表面と第２の表面とを結ぶ方向における側面の距離に対する、第１の表面と第２の表面とを結ぶ方向における側面の第１の導電性接合部と第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比を説明するための図である。 図６は、第１の表面と第２の表面とを結ぶ方向における側面の距離に対する、第１の表面と第２の表面とを結ぶ方向における側面の第１の導電性接合部と第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比を説明するための図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に係る熱電変換素子は、熱電変換材料を有する熱電変換部と、第１の導電性接合部と、第２の導電性接合部とを備える。なお、熱電変換材料自体が熱電変換部であってもよい。

上記熱電変換素子は、上記熱電変換部に上記第１の導電性接合部を介して導電接続された第１の電極と、上記熱電変換部に上記第２の導電性接合部を介して導電接続された第２の電極とを備える。

上記熱電変換部は、上記第１の導電性接合部を介して上記第１の電極と対向している第１の表面と、上記第２の導電性接合部を介して上記第２の電極と対向している第２の表面と、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ側面とを有する。

なお、上記熱電変換部は、熱電変換材料部分において、上記第１の導電性接合部を介して上記第１の電極に導電接続されている。従って、上記熱電変換部の上記第１の表面には、上記熱電変換材料が位置している。上記熱電変換部は、上記熱電変換材料部分において、上記第２の導電性接合部を介して上記第２の電極に導電接続されている。従って、上記熱電変換部の上記第２の表面には、上記熱電変換材料が位置している。

上記熱電変換部は、上記第１の表面から上記側面に至るように、上記側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有する。従って、上記熱電変換部と上記第１の導電性接合部との接触面積を大きくすることができるので、電気抵抗を低くすることができる。上記熱電変換部は、上記側面に上記第１の導電性接合部により覆われていない部分を有する。

上記熱電変換部は、上記第２の表面から上記側面に至るように、上記側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、上記側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さない。

ここで、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記側面の距離を上記側面の距離Ａとする（後述する図１に対応する図５のＡ参照、後述する図２に対応する図６のＡ参照）。上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記側面の上記第１の導電性接合部と上記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離を上記側面の距離Ｂとする（後述する図１に対応する図５のＢ参照、後述する図２に対応する図６のＢ（＝Ｂ１ａ＋Ｂ２ａ）参照）。このとき、上記側面の距離Ａに対する上記側面の距離Ｂの比（距離Ｂ／距離Ａ）は、０．８以下である。このような構成が備えられることで、上記第１の電極と上記第２の電極との温度差を好適に大きくすることができ、ゼーベック効果が阻害され難いので、熱電性能を高めることができる。

なお、上記側面の距離Ａに対する上記側面の距離Ｂの比（距離Ｂ／距離Ａ）は、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ１つの方向における１つの線上で評価される。

ゼーベック効果の阻害を抑制し、熱電性能をより一層高める観点からは、上記側面の距離Ａに対する上記側面の距離Ｂの比（距離Ｂ／距離Ａ）は、好ましくは０．７以下であり、より好ましくは０．６以下である。電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記側面の距離Ａに対する上記側面の距離Ｂの比（距離Ｂ／距離Ａ）は、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．２以上であり、更に好ましくは０．４以上である。

上記熱電変換部の平面形状、第１の表面の表面形状、及び第２の表面の表面形状は、特に限定されず、例えば、円形などであってもよい。上記熱電変換部の側面の一部において、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記側面の距離に対する、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記側面の上記第１の導電性接合部と上記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離が０．８以下であってもよい。

電気抵抗をより一層低くし、かつゼーベック効果の阻害を抑制する観点からは、上記熱電変換部の側面の全体において、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記側面の距離を上記側面の距離に対する、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記側面の上記第１の導電性接合部と上記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離が０．８以下であることが好ましい。

上記熱電変換部の上記第１の表面と上記第２の表面とは対向し合っていてもよく、対向し合っていなくてもよい。

上記熱電変換部は、上記側面として、第１の側面と、上記第１の側面と対向する第２の側面とを有していてもよい。この場合には、上記熱電変換部は、上記第１の表面から上記第１の側面に至るように、上記第１の側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有することが好ましい。

上記熱電変換部が対向し合う上記第１，第２の側面を有する場合に、上記熱電変換部は、上記第２の表面から上記第１の側面に至るように、上記第１の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、上記第１の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さない。

ここで、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第１の側面の距離を上記第１の側面の距離Ａとする（後述する図１に対応する図５のＡ参照、後述する図２に対応する図６のＡ参照）。上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第１の側面の上記第１の導電性接合部と上記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離を上記第１の側面の距離Ｂとする（後述する図１に対応する図５のＢ参照、後述する図２に対応する図６のＢ（＝Ｂ１ａ＋Ｂ２ａ）参照）。

ゼーベック効果の阻害を効果的に抑制し、熱電性能をより一層高める観点からは、上記熱電変換部が対向し合う上記第１，第２の側面を有する場合に、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂの比（距離Ｂ／距離Ａ）は、好ましくは０．８以下であり、より一層好ましくは０．７以下であり、更に好ましくは０．６以下である。電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂの比（距離Ｂ／距離Ａ）は、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．２以上であり、更に好ましくは０．４以上である。

なお、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂの比（距離Ｂ／距離Ａ）は、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ１つの方向における１つの線上で評価される。

上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第１の側面の上記第１の導電性接合部により覆われている部分の距離を上記第１の側面の距離Ｂ（１）とする（距離Ｂ（１）は、後述する図１に対応する図５のＢに相当し、後述する図２に対応する図６のＢ１ａに相当する）。ゼーベック効果の阻害を抑制し、熱電性能をより一層高める観点からは、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂ（１）の比（距離Ｂ（１）／距離Ａ）は、好ましくは０．８以下であり、より一層好ましくは０．７以下であり、更に好ましくは０．６以下である。電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂ（１）の比（距離Ｂ（１）／距離Ａ）は、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．２以上であり、更に好ましくは０．４以上である。

上記熱電変換部は、上記第２の表面から上記第１の側面に至るように、上記第１の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、上記第１の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さない。

電気抵抗を効果的に低くする観点からは、上記熱電変換部は、上記第２の表面から上記第１の側面に至るように、上記第１の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有することが好ましい。この場合には、上記熱電変換部と導電性接合部との接触面積を大きくすることができる。

上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第１の側面の上記第２の導電性接合部により覆われている部分の距離を上記第１の側面の距離Ｂ（２）とする（距離Ｂ（２）は、後述する図２に対応する図６のＢ２ａに相当する）。ゼーベック効果の阻害を抑制し、熱電性能をより一層高める観点からは、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂ（２）の比（距離Ｂ（２）／距離Ａ）は、好ましくは０．４未満であり、より好ましくは０．３以下である。電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂ（２）の比（距離Ｂ（２）／距離Ａ）は、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．２以上である。

上記熱電変換部は、上記第２の表面から上記第２の側面に至るように、上記第２の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、上記第２の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さない。

電気抵抗を効果的に低くする観点からは、上記熱電変換部は、上記第２の表面から上記第２の側面に至るように、上記第２の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有することが好ましい。この場合には、上記熱電変換部と第２の導電性接合部との接触面積を大きくすることができる。更に、上記熱電変換部の上記第１の側面と上記第２の側面とを結ぶ方向において、電流が流れ易い。

ここで、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第２の側面の距離を上記第２の側面の距離Ａ’とする（後述する図１に対応する図５のＡ’参照、後述する図２に対応する図６のＡ’参照）。上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第２の側面の上記第１の導電性接合部と上記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離を上記第２の側面の距離Ｂ’とする（後述する図１に対応する図５のＢ’参照、後述する図２に対応する図６のＢ’（＝Ｂ１ｂ＋Ｂ２ｂ）参照）。

ゼーベック効果の阻害を効果的に抑制し、熱電性能をより一層高める観点からは、上記第２の側面の距離Ａ’に対する上記第２の側面の距離Ｂ’の比（距離Ｂ’／距離Ａ’）は、好ましくは０．８以下であり、より好ましくは０．７以下であり、更に好ましくは０．６以下である。電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記第２の側面の距離Ａ’に対する上記第２の側面の距離Ｂ’の比（距離Ｂ’／距離Ａ’）は、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．２以上であり、更に好ましくは０．４以上である。

上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第２の側面の上記第２の導電性接合部により覆われている部分の距離を上記第２の側面の距離Ｂ’（２）とする（距離Ｂ’（２）は、後述する図１に対応する図５のＢ’に相当し、後述する図２に対応する図６のＢ２ｂに相当する）。ゼーベック効果の阻害を抑制し、熱電性能をより一層高める観点からは、上記第２の側面の距離Ａ’に対する上記第２の側面の距離Ｂ’（２）の比（距離Ｂ’（２）／距離Ａ’）は、好ましくは０．８以下であり、より好ましくは０．７以下であり、更に好ましくは０．６以下である。電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記第２の側面の距離Ａ’に対する上記第２の側面の距離Ｂ’（２）の比（距離Ｂ’（２）／距離Ａ’）は、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．２以上であり、更に好ましくは０．４以上である。

上記熱電変換部は、上記第１の表面から上記第２の側面に至るように、上記第２の側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、上記第２の側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有さない。

電気抵抗を効果的に低くする観点からは、上記熱電変換部は、上記第１の表面から上記第２の側面に至るように、上記第２の側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有することが好ましい。この場合に、上記熱電変換部と導電性接合部との接触面積を大きくすることができる。

上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記第２の側面の上記第１の導電性接合部により覆われている部分の距離を上記第２の側面の距離Ｂ’（１）とする（距離Ｂ’（１）は、後述する図２に対応する図６のＢ１ｂに相当する）。ゼーベック効果の阻害を抑制し、熱電性能をより一層高める観点からは、上記第１の側面の距離Ａに対する上記第１の側面の距離Ｂ’（１）の比（距離Ｂ’（１）／距離Ａ’）は、好ましくは０．４未満であり、より好ましくは０．３以下である。電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記第２の側面の距離Ａ’に対する上記第２の側面の距離Ｂ’（１）の比（距離Ｂ’（１）／距離Ａ’）は、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．２以上である。

上記熱電変換部が、上記第１の表面から上記第１の側面に至るように、上記第１の側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有し、かつ上記熱電変換部が、上記第２の表面から上記第１の側面に至るように、上記第１の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、本発明の効果が効果的に発揮されることから、上記第１の側面の距離Ｂ（１）が、上記第１の側面の距離Ｂ（２）よりも長いことが好ましい。

上記熱電変換部が、上記第２の表面から上記第２の側面に至るように、上記第２の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有し、かつ上記第１の表面から上記第２の側面に至るように、上記第２の側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、本発明の効果が効果的に発揮されることから、上記第２の側面の距離Ｂ’（２）が、上記第１の側面の距離Ｂ’（１）よりも長いことが好ましい。

ゼーベック効果の阻害をより一層抑制する観点からは、上記第１の側面の上記第１の導電性接合部により覆われている部分と、上記第２の側面の上記第２の導電性接合部により覆われている部分とが対向していないことが好ましい。ゼーベック効果の阻害をより一層抑制する観点からは、上記第１の側面の上記第２の導電性接合部により覆われている部分と、上記第２の側面の上記第１の導電性接合部により覆われている部分とが対向していないことが好ましい。

なお、上記第１の側面の上記第１の導電性接合部により覆われている部分と、上記第２の側面の上記第２の導電性接合部により覆われている部分とが対向していてもよい。この場合には、上記熱電変換部の上記第１の側面と上記第２の側面とを結ぶ方向において、電流が流れ易い。また、上記第１の側面の上記第２の導電性接合部により覆われている部分と、上記第２の側面の上記第１の導電性接合部により覆われている部分とが対向していてもよい。この場合には、上記熱電変換部の上記第１の側面と上記第２の側面とを結ぶ方向において、電流が流れ易い。

上記熱電変換材料は、カーボンナノチューブを含むことが好ましい。上記カーボンナノチューブが、上記第１の表面に平行な方向に面内配向している場合においても、上記側面が上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有するので、上記熱電変換部と上記導電性接合部との接触抵抗を効果的に低くすることができる。

上記熱電変換材料は、カーボンナノチューブを含む場合に、上記熱電変換部が、上記第１，第２の側面を有し、上記熱電変換部が、上記第１の表面から上記第１の側面に至るように、上記第１の側面に上記第１の導電性接合部により覆われている部分を有し、かつ上記第２の表面から上記第２の側面に至るように、上記第２の側面に上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合には、上記熱電変換部の上記第１の側面と上記第２の側面とを結ぶ方向において、電流がより一層流れ易い。

上記熱電変換材料は、カーボンナノチューブのみから構成されていてもよく、上記熱電変換材料に、カーボンナノチューブ以外に吸着物質や残留溶媒等が含まれていてもよい。カーボンナノチューブを含む熱電変換材料は、例えば、カーボンナノチューブを好ましくは９０重量％以上、好ましくは１００重量％以下で含む。

上記熱電変換材料はシート状であってもよい。上記熱電変換材料は不織布状であってもよい。上記熱電変換材料がカーボンナノチューブを含む不織布状である場合には、上記カーボンナノチューブは面内配向し易い。

電気抵抗をより一層低くする観点からは、上記第１の側面を横断する方向（上記第１の表面及び上記第２の表面の面方向）において、上記第１の側面の両端に至るように、上記第１の側面が、上記第１の導電性接合部により覆われていることが好ましい。

上記第２の側面が上記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合には、上記第２の側面を横断する方向（上記第１の表面及び上記第２の表面の面方向）において、上記第２の側面の両端に至るように、上記第２の側面が、上記第２の導電性接合部により覆われていることが好ましい。

上記熱電変換部は、上記第１，第２の側面以外の少なくとも１つの他の側面を有していてもよい。上記熱電変換部は、上記第１の表面から上記他の側面に至るように、上記他の側面に上記第１の導電性接合部により覆われた部分を有していてもよい。上記熱電変換部は、上記第２の表面から上記他の側面に至るように、上記他の側面に上記第２の導電性接合部により覆われた部分を有していてもよい。上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記他の側面の距離に対する、上記第１の表面と上記第２の表面とを結ぶ方向における上記他の側面の上記第１の導電性接合部と上記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下であることが好ましい。この場合にも、電気抵抗を効果的に低くすることができる。

断熱性を効果的に高める観点からは、上記シート状の熱電変換材料の厚みは、好ましくは０．７５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上、更に好ましくは１．５μｍ以上である。

上記シート状の熱電変換材料の厚みは、好ましくは１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下、更に好ましくは７５μｍ以下である。

上記第１の導電性接合部は、導電性フィラーを含んでいてもよい。上記第１の導電性接合部に含まれる上記導電性フィラーが、銀又は銅を含むことが好ましい。電気抵抗を効果的に低くすることができる。上記第１の導電性接合部は、例えば、導電ペーストにより形成することができる。

上記第２の導電性接合部は、導電性フィラーを含んでいてもよい。上記第２の導電性接合部は、例えば、導電ペーストにより形成することができる。

上記第１の電極と上記第２の電極との温度差を大きくする観点からは、上記熱電変換素子は、断熱材を備えることが好ましい。上記断熱材は、上記第１の電極と上記第２の電極との間に配置されていることが好ましい。例えば、上記熱電変換部が上記断熱材を含んでいてもよく、上記熱電変換材料は、上記断熱材を挟むように屈曲されていてもよい。この場合には、上記熱電変換材料の上記断熱材を介して対向し合う部分のうち一方の部分の、上記断熱材側とは反対側の表面が、上記第１の電極に導電接続されていることが好ましい。他方の部分の、上記断熱材側とは反対側の表面が、上記第２の電極に導電接続されていることが好ましい。上記熱電変換材料間に上記断熱材を介在させることによって、上記熱電変換材料がシート状であっても、上記第１の電極と上記第２の電極との距離を長くすることができる。

なお、上記熱電変換部が上記断熱材を含む場合には、上記熱電変換部の上記側面は、上記断熱材の表面を含んでいてもよい。上記断熱材の上記表面は、上記第１の導電性接合部材又は上記第２の導電性接合部材により覆われている部分を有していてもよい。

上記熱電変換素子を複数有する熱電変換デバイスが構成されていてもよい。上記熱電変換素子は電気抵抗が低く、かつゼーベック効果が阻害され難いので、上記熱電変換デバイスの熱電性能を効果的に高めることができる。

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素子の断面図である。

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に示す熱電変換素子１は、シート状の熱電変換材料を有する熱電変換部２を備える。熱電変換材料はカーボンナノチューブを含む。熱電変換部２は、対向し合う第１，第２の表面２ａ１，２ｂ１を有する。熱電変換部２は、第１の表面２ａ１と第２の表面２ｂ１とを結ぶ側面として、第１の側面２ｃ１と、第１の側面２ｃ１と対向する第２の側面２ｃ２とを有する。

熱電変換素子１は、熱電変換部２の第１の表面２ａ１に接合されている第１の導電性接合部３Ａと、第２の表面２ｂ１に接合されている第２の導電性接合部３Ｂとを備える。第１，第２の導電性接合部３Ａ，３Ｂは、導電性フィラーを含み、該導電性フィラーは銀を含む。

熱電変換部２は、第１の表面２ａ１から第１の側面２ｃ１に至るように、第１の側面２ｃ１に第１の導電性接合部３Ａにより覆われている部分を有する。第１の側面２ｃ１は第２の導電性接合部３Ｂには覆われていない。

ここで、第１の側面２ｃ１に沿う、第１の表面２ａ１と第２の表面２ｂ１とを結ぶ方向を方向Ｚ１とする。このとき、方向Ｚ１における第１の側面２ｃ１の距離に対する、方向Ｚ１における第１の側面２ｃ１の第１の導電性接合部３Ａにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である。

熱電変換部２は、第２の表面２ｂ１から第２の側面２ｃ２に至るように、第２の側面２ｃ２に第２の導電性接合部３Ｂにより覆われている部分を有する。第２の側面２ｃ２は第１の導電性接合部３Ａには覆われていない。

ここで、第２の側面２ｃ２に沿う、第１の表面２ａ１と第２の表面２ｂ１とを結ぶ方向を方向Ｚ２とする。方向Ｚ２における第２の側面２ｃ２の距離に対する、方向Ｚ２における第２の側面２ｃ２の第２の導電性接合部３Ｂにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である。

第１の側面２ｃ１の第１の導電性接合部３Ａにより覆われている部分と、第２の側面２ｃ２の第２の導電性接合部３Ｂにより覆われている部分とは対向していない。

熱電変換素子１は、第１の導電性接合部３Ａに接合されている第１の電極４Ａと、第２の導電性接合部３Ｂに接合されている第２の電極４Ｂとを備える。熱電変換素子１は、第１の導電性接合部３Ａを介して第１の電極４Ａに導電接続されている。熱電変換素子１は、第２の導電性接合部３Ｂを介して第２の電極４Ｂに導電接続されている。

第１の電極４Ａの熱電変換部２側とは反対側には、第１の基板５Ａが設けられている。第２の電極４Ｂの熱電変換部２側とは反対側には、第２の基板５Ｂが設けられている。第１，第２の基板５Ａ，５Ｂの材料は、ポリイミドなどの樹脂材料や、適宜のセラミック材料などである。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。

図２に示す熱電変換素子１１は、シート状の熱電変換材料を有する熱電変換部２を備える。熱電変換部２は、第１の表面２ａ１から第１の側面２ｃ１及び第２の側面２ｃ２に至るように、第１，第２の側面２ｃ１，２ｃ２に第１の導電性接合部１３Ａにより覆われている部分を有する。熱電変換部２は、第２の表面２ｂ１から第１の側面２ｃ１及び第２の側面２ｃ２に至るように、第１，第２の側面２ｃ１，２ｃ２に第２の導電性接合部１３Ｂにより覆われている部分を有する。

方向Ｚ１における第１の側面２ｃ１の第１の導電性接合部１３Ａにより覆われている部分の距離は、方向Ｚ１における第１の側面２ｃ１の第２の導電性接合部１３Ｂにより覆われている部分の距離よりも長い。方向Ｚ２における第２の側面２ｃ２の第２の導電性接合部１３Ｂにより覆われている部分の距離は、方向Ｚ２における第２の側面２ｃ２の第１の導電性接合部１３Ａにより覆われている部分の距離よりも長い。

なお、図３に示す第２の実施形態の変形例のように、方向Ｚ１における第１の側面２ｃ１の第１の導電性接合部３３Ａにより覆われている部分の距離は、方向Ｚ１における第１の側面２ｃ１の第２の導電性接合部３３Ｂに覆われている部分の距離と同じであってもよい。方向Ｚ２における第２の側面２ｃ２の第２の導電性接合部３３Ｂにより覆われている部分の距離は、方向Ｚ２における第２の側面２ｃ２の第１の導電性接合部３３Ａにより覆われている部分の距離と同じであってもよい。

図４は、本発明の第３の実施系形態に係る熱電変換素子の断面図である。

図４に示す熱電変換素子２１は、シート状の熱電変換材料２２Ｘを有する熱電変換部２２を備える。熱電変換部２２は断熱材２６を含み、熱電変換材料２２Ｘは、断熱材２６を挟むように屈曲されている。断熱材２６の材料は、例えば、シリコンスポンジなどの絶縁材料である。

熱電変換部２２は、断熱材２６を介して対向し合う第１，第２の部分２２ａ，２２ｂを有する。第１の部分２２ａは、断熱材２６側とは反対側の第１の表面２２ａ１を有する。第２の部分２２ｂは、断熱材２６側とは反対側の第２の表面２２ｂ１を有する。熱電変換部２２は、第１の表面２２ａ１と第２の表面２２ｂ１とを結ぶ側面として、対向し合う第１，第２の側面２２ｃ１，２２ｃ２を有する。第１の側面２２ｃ１は、断熱材２６の面を含む。

第１の表面２２ａ１は、第１の導電性接合部３Ａを介して第１の電極４Ａに導電接続されている。第２の表面２２ｂ１は、第２の導電性接合部３Ｂを介して第２の電極４Ｂに導電接続されている。

熱電変換部２２は、第１の表面２２ａ１から第１の側面２２ｃ１に至るように、第１の側面２２ｃ１に第１の導電性接合部３Ａにより覆われている部分を有する。第１の導電性接合部３Ａは断熱材２６の面に至っている。

熱電変換部２２は、第２の表面２２ｂ１から第２の側面２２ｃ２に至るように、第２の側面２２ｃ２に第２の導電性接合部３Ｂにより覆われている部分を有する。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、更に詳細に説明する。

（実施例１）
熱電変換材料（熱電変換部）の作製：
Ｎ−メチルピロリドン１００ｍＬ中に、平均直径２ｎｍ、Ｇ／Ｄ比５０のシングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）２５ｍｇを入れ、マグネチックスターラーを用いて撹拌した。その後、湿式高圧衝突式ホモジナイザーを用いて、圧力１００ＭＰａにて、分散処理を３回（繰り返し処理回数）、繰り返して行い、ＳＷＣＮＴ分散液を得た。得られたＳＷＣＮＴ分散液を、孔径０．２μｍのメンブレンフィルタを用いて減圧ろ過し、ＳＷＣＮＴ堆積物を得た。得られたＳＷＣＮＴ堆積物を乾燥させることにより、厚み１００μｍの熱電変換材料を得た。

実施例１では、熱電変換材料自体が熱電変換部である。熱電変換材料は、厚み方向に対向する第１，第２の表面と、第１の表面と第２の表面とを結ぶ側面として、対向し合う第１，第２の側面とを有する。

熱電変換デバイスの作製：
短辺５ｃｍ及び長辺１０ｃｍの矩形の平面形状を有し、電極を表面に有するポリイミド基板を２枚用意した。一方のポリイミド基板上の電極部分に銀ペーストを塗布した。銀ペースト上に１００枚の熱電変換材料を、第１の表面側から、ポリイミド基板の主面方向に並べて載置した。その後、各熱電変換材料の第１の側面における、第１の表面に連なる部分から、第１の表面から厚み方向５０μｍ（側面における塗布高さ）の部分にわたり、ニードルを用いて銀ペーストを塗布した。更に、各熱電変換材料の第２の表面に銀ペーストを塗布した。その後、各熱電変換材料の第２の側面における、第２の表面に連なる部分から、第２の表面から厚み方向５０μｍ（側面における塗布高さ）の部分にわたり、ニードルを用いて銀ペーストを塗布した。

熱電変換材料の第２の表面側の銀ペースト上に、ポリイミド基板の電極部分が重なるように積層した。２枚のポリイミド基板及び２枚の電極に熱電変換材料が挟まれた熱電変換素子を連続的に１００対有する積層体を得た。得られた積層体周辺を熱硬化性樹脂によってシーリングし、加熱しながらプレスすることにより、短辺５ｃｍ及び長辺１０ｃｍの矩形の平面形状を有する熱電変換デバイスを得た。

（実施例２）
銀ペーストを塗布する工程において、熱電変換材料の第１の側面における、第１の表面に連なる部分から、第１の表面から厚み方向７５μｍの部分にわたり銀ペーストを塗布し、第２の側面における、第２の表面に連なる部分から、第２の表面から厚み方向７５μｍの部分にわたり塗布するように変更したこと以外は、実施例１と同様にして熱電変換デバイスを作製した。

（実施例３）
銀ペーストを塗布する工程において、熱電変換材料の第１の側面における、第１の表面に連なる部分から、第１の表面から厚み方向２５μｍの部分にわたり銀ペーストを塗布し、第２の側面における、第２の表面に連なる部分から、第２の表面から厚み方向２５μｍの部分にわたり塗布するように変更したこと以外は、実施例１と同様にして熱電変換デバイスを作製した。

（実施例４）
銀ペーストを塗布する工程において、熱電変換材料の第１の側面における、第１の表面に連なる部分から、第１の表面から厚み方向５μｍの部分にわたり銀ペーストを塗布し、第２の側面における、第２の表面に連なる部分から、第２の表面から厚み方向５μｍの部分にわたり塗布するように変更したこと以外は、実施例１と同様にして熱電変換デバイスを作製した。

（比較例１）
熱電変換デバイスの作製において、熱電変換材料の第１，第２の側面に銀ペーストを塗布しなかったこと以外は、実施例１と同様にして熱電変換デバイスを作製した。

（比較例２）
銀ペーストを塗布する工程において、熱電変換材料の第１の側面における、第１の表面に連なる部分から、第１の表面から厚み方向８５μｍの部分にわたり銀ペーストを塗布し、第２の側面における、第２の表面に連なる部分から、第２の表面から厚み方向８５μｍの部分にわたり塗布するように変更したこと以外は、実施例１と同様にして熱電変換デバイスを作製した。

（評価）
側面における銀ペーストの塗布高さの算出：
熱電変換材料をクロスセクションポリッシャーにより厚み方向に切断し、断面をＦＥ−ＳＥＭにより観察した。また観察場所をそれぞれ変更して合計２０枚の断面観察の写真を得た。それぞれの断面の写真を用いて、第１及び第２の側面における銀ペースト塗布領域の高さを測定し、側面における塗布高さの平均値を算出した。

抵抗値測定：
熱電変換デバイスをデジタルマルチメータ（ヒューレットパッカード社製「３６８０Ａ」）に接続し、熱電変換デバイスの抵抗値を測定した。

熱電性能：
室温（２５℃）の熱電変換デバイスを一方のポリイミド基板側から、１００℃のホットプレート上に載置した。熱電変換デバイスをホットプレートにより１００℃に加熱し、かつ熱電変換デバイスの上面の温度をペルチェ素子により冷却して２５℃とし、上面と下面との間に７５℃の温度差を付与した。温度差を付与してから１０秒後に、デジタルマルチメータ（ヒューレットパッカード社製「３６８０Ａ」）を用いて、熱電変換デバイスの熱起電力を測定した。比較例１において得られた熱電変換デバイスの熱起電力を熱電性能「１（ＳＴＤ）」として、実施例及び他の比較例の熱電性能を相対評価した。

評価の結果を下記の表１に示す。

表１に示すように、比較例１では、抵抗値が高く、１１５Ωを超えていることがわかる。比較例２では、熱電性能が比較例１よりも低いことがわかる。

実施例１〜４では、いずれも抵抗値は１００Ω未満となっており、電気抵抗が低いことがわかる。特に、実施例１〜３では、抵抗値は８０Ω未満となっている。熱電性能は、実施例１〜４のいずれも比較例１の１．２倍以上であることがわかる。特に、実施例１〜３では、熱電性能は比較例１の１．７倍以上である。

１…熱電変換素子
２…熱電変換部
２ａ１，２ｂ１…第１，第２の表面
２ｃ１，２ｃ２…第１，第２の側面
３Ａ，３Ｂ…第１，第２の導電性接合部
４Ａ，４Ｂ…第１，第２の電極
５Ａ，５Ｂ…第１，第２の基板
１１…熱電変換素子
１３Ａ，１３Ｂ…第１，第２の導電性接合部
２１…熱電変換素子
２２…熱電変換部
２２Ｘ…熱電変換材料
２２ａ，２２ｂ…第１，第２の部分
２２ａ１，２２ｂ１…第１，第２の表面
２２ｃ１，２２ｃ２…第１，第２の側面
２６…断熱材
３３Ａ，３３Ｂ…第１，第２の導電性接合部

Claims (13)

1. 第１の電極と、
   第１の導電性接合部と、
   熱電変換材料を有する熱電変換部と、
   第２の導電性接合部と、
   第２の電極とを備え、
   前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して、前記第１の電極に導電接続されており、
   前記熱電変換部は、前記第２の導電性接合部を介して、前記第２の電極に導電接続されており、
   前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して前記第１の電極と対向している第１の表面と、前記第２の導電性接合部を介して前記第２の電極と対向している第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ側面とを有し、
   前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記側面に至るように、前記側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有し、
   前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記側面に至るように、前記側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さず、
   前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記側面の距離に対する、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記側面の前記第１の導電性接合部と前記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である、熱電変換素子。
2. 第１の電極と、
   第１の導電性接合部と、
   熱電変換材料を有する熱電変換部と、
   第２の導電性接合部と、
   第２の電極とを備え、
   前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して、前記第１の電極に導電接続されており、
   前記熱電変換部は、前記第２の導電性接合部を介して、前記第２の電極に導電接続されており、
   前記熱電変換部は、前記第１の導電性接合部を介して前記第１の電極と対向している第１の表面と、前記第２の導電性接合部を介して前記第２の電極と対向している第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ側面とを有し、
   前記熱電変換部が、前記側面として、第１の側面と、前記第１の側面と対向する第２の側面とを有し、
   前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有し、
   前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さず、
   前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の距離に対する、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の前記第１の導電性接合部と前記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である、熱電変換素子。
3. 前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分の距離が、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第１の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分の距離よりも長い、請求項２に記載の熱電変換素子。
4. 前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有さず、
   前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有するか、又は、前記第２の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有さず、
   前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の距離に対する、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の前記第１の導電性接合部と前記第２の導電性接合部とにより覆われている部分の距離の比は、０．８以下である、請求項２又は３に記載の熱電変換素子。
5. 前記熱電変換部は、前記第２の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する、請求項４に記載の熱電変換素子。
6. 前記熱電変換部は、前記第１の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第１の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分の距離が、前記第１の表面と前記第２の表面とを結ぶ方向における前記第２の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分の距離よりも長い、請求項５に記載の熱電変換素子。
7. 前記熱電変換部が、前記第２の表面から前記第１の側面に至るように、前記第１の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分と、前記第２の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分とが対向していない、請求項５又は６に記載の熱電変換素子。
8. 前記熱電変換部が、前記第２の表面から前記第２の側面に至るように、前記第２の側面に前記第２の導電性接合部により覆われている部分を有する場合に、前記第１の側面の前記第１の導電性接合部により覆われている部分と、前記第２の側面の前記第２の導電性接合部により覆われている部分とが対向していない、請求項４〜７のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
9. 前記熱電変換材料が、カーボンナノチューブを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
10. 前記熱電変換部が断熱材を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
11. 前記熱電変換材料が、シート状である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
12. 前記熱電変換材料の厚みが、０．７５μｍ以上、１５０μｍ以下である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
13. 前記第１の導電性接合部が、導電性フィラーを含み、
    前記第１の導電性接合部に含まれる前記導電性フィラーが、銀又は銅を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱電変換素子。

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