JP2018088445A - 熱電変換デバイス、積層熱電変換デバイス及び放熱構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率が高い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１は、基材２と、基材２の上面上に配置された少なくとも２つの第１の電極４ａと、少なくとも１つの第２の電極４ｂと、少なくとも１つの第１の熱電変換材料５と、少なくとも１つの第２の熱電変換材料６とを備え、熱電変換素子３Ａが構成されており、基材２が、第１の折れ曲がり部２ａを有し、基材２が、第１の折れ曲がり部２ａの一方側に第１の領域Ｃと、第１の折れ曲がり部２ａの他方側に第２の領域Ｄとを有し、熱電変換素子３Ａが、第１の領域Ｃ及び第２の領域Ｄに配置されており、第１の電極４ａが、第１の領域Ｃ、又は、第１の領域Ｃ及び第２の領域Ｄに配置されており、第１の熱電変換材料５、及び第２の熱電変換材料６が第２の領域Ｄ、又は、第１の領域Ｃ及び第２の領域Ｄに配置されており、第２の電極４ｂが、第２の領域Ｄに配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換デバイスに関する。また、本発明は、上記熱電変換デバイスを用いた積層熱電変換デバイスに関する。さらに、本発明は、上記熱電変換デバイス又は上記積層熱電変換デバイスを用いた放熱構造体に関する。

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。熱電変換材料の両端部はそれぞれ電極に接続されている。複数の熱電変換材料は、互いに平行に延びており、熱電変換材料が延びる方向と直交する方向に並んで配置されている。

特開２０１５−１４６４０７号公報

熱電変換デバイスの出力は、一般的に、熱電変換材料を多く配置するほど大きくなる。しかしながら、熱電変換デバイスが単純なシート構造である場合や、蛇腹構造である場合には、熱源に対する接触部分が不安定となり易く、加熱される部分における温度のばらつきが大きくなる傾向がある。熱電変換デバイスの使用時に、複数の熱電変換材料間において、加熱される部分の温度のばらつきが大きい場合には、一部の熱電変換材料において加熱される温度が低くなり、熱電変換効率が低くなる傾向がある。

本発明は、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる熱電変換デバイスを提供することを目的とする。本発明は、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる積層熱電変換デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる放熱構造体を提供することを目的とする。

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少なくとも２つの第１の電極Ａと、前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極Ａと、前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料Ａと、前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料Ａとを備え、前記第１の電極Ａと、前記第１の熱電変換材料Ａと、前記第２の電極Ａと、前記第２の熱電変換材料Ａと、前記第１の電極Ａとが、この順で接続されて熱電変換素子Ａが構成されており、前記基材が、第１の折れ曲がり部を有し、前記基材が、前記第１の折れ曲がり部の一方側に第１の領域と、前記第１の折れ曲がり部の他方側に第２の領域とを有し、前記熱電変換素子Ａが、前記第１の領域及び前記第２の領域に配置されており、前記第１の電極Ａが、前記第１の領域、又は、前記第１及び第２の領域に配置されており、前記第１の熱電変換材料Ａ、及び前記第２の熱電変換材料Ａが前記第２の領域、又は、前記第１及び第２の領域に配置されており、前記第２の電極Ａが、前記第２の領域に配置されている、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、熱電変換デバイスは、前記基材の上面上に配置された少なくとも２つの第１の電極Ｂと、前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極Ｂと、前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料Ｂと、前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料Ｂとをさらに備え、前記第１の電極Ｂと、前記第１の熱電変換材料Ｂと、前記第２の電極Ｂと、前記第２の熱電変換材料Ｂと、前記第１の電極Ｂとが、この順で接続されて熱電変換素子Ｂが構成されており、前記基材が、第２の折れ曲がり部を有し、前記基材が、前記第１，第２の折れ曲がり部の間に前記第１の領域と、前記第１の折れ曲がり部の外側に前記第２の領域と、前記第２の折れ曲がり部の外側に第３の領域とを有し、前記熱電変換素子Ｂが、前記第１の領域及び前記第３の領域に配置されており、前記第１の電極Ｂが、前記第１の領域、又は、前記第１及び第３の領域に配置されており、前記第１の熱電変換材料Ｂ、及び前記第２の熱電変換材料Ｂが前記第３の領域、又は、前記第１及び第３の領域に配置されており、前記第２の電極Ｂが、前記第３の領域に配置されている。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記熱電変換素子Ａと前記熱電変換素子Ｂとが電気的に接続されている。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記熱電変換デバイスは、前記第２の電極Ａを少なくとも２つ有し、前記第１の熱電変換材料Ａを少なくとも２つ有し、前記第１の電極Ａと、前記第１の熱電変換材料Ａと、前記第２の電極Ａと、前記第２の熱電変換材料Ａと、前記第１の電極Ａと、前記第１の熱電変換材料Ａと、前記第２の電極Ａとが、この順で接続されて前記熱電変換素子Ａが構成されている。

本発明の広い局面によれば、前記熱電変換デバイスを複数有し、複数の前記熱電変換デバイスが、前記第１の領域において、互いに接触している部分を有する、積層熱電変換デバイスが提供される。

本発明に係る積層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デバイスが、前記第２の領域及び前記第３の領域のそれぞれにおいて、互いに接触していない部分を有する。

本発明の広い局面によれば、熱源と、前記熱電変換デバイスとを備え、前記熱源に対して、前記熱電変換デバイスが、前記第１の領域において接触している、放熱構造体が提供される。

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少なくとも２つの第１の電極Ａと、上記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極Ａと、上記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料Ａと、上記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料Ａとを備え、上記第１の電極Ａと、上記第１の熱電変換材料Ａと、上記第２の電極Ａと、上記第２の熱電変換材料Ａと、上記第１の電極Ａとが、この順で接続されて熱電変換素子Ａが構成されており、上記基材が、第１の折れ曲がり部を有し、上記基材が、上記第１の折れ曲がり部の一方側に第１の領域と、上記第１の折れ曲がり部の他方側に第２の領域とを有し、上記熱電変換素子Ａが、上記第１の領域及び上記第２の領域に配置されており、上記第１の電極Ａが、上記第１の領域、又は、上記第１及び第２の領域に配置されており、上記第１の熱電変換材料Ａ、及び上記第２の熱電変換材料Ａが上記第２の領域、又は、上記第１及び第２の領域に配置されており、上記第２の電極Ａが、上記第２の領域に配置されているので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。

本発明に係る積層熱電変換デバイスは、本発明の熱電変換デバイスを複数有し、複数の上記熱電変換デバイスが、上記第１の領域において、互いに接触している部分を有するので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。

また、本発明に係る放熱構造体は、熱源と、本発明の熱電変換デバイスとを備え、上記熱源に対して、上記熱電変換デバイスが、上記第１の領域において接触しているので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱電変換デバイスの平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る熱電変換デバイスの略図的斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る積層熱電変換デバイスの模式的正面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的正面図である。

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、少なくとも２つの第１の電極と、少なくとも１つの第２の電極と、少なくとも１つの第１の熱電変換材料と、少なくとも１つの第２の熱電変換材料とを備える。上記第１の電極、上記第２の電極、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料は、上記基材の上面上に配置されている。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極とが、この順で接続されて熱電変換素子が構成されている。上記第１の電極に、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料が積層されている。上記第２の電極に、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料が積層されている。なお、本発明に係る熱電変換デバイスの使用時の方向性は特に限定されない。本明細書においては、上記基材の上記熱電変換素子が配置されている表面を、上面と呼ぶ。熱電変換デバイスの使用時には、基材の上面が上方に位置するとは限らない。

上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料のうち一方が、ｐ型熱電変換材料であり、他方がｎ型熱電変換材料である。上記第１の熱電変換材料がｎ型熱電変換材料であり、上記第２の熱電変換材料がｐ型熱電変換材料であってもよい。

本発明に係る熱電変換デバイスは、上記第１の電極、上記第２の電極、上記第１の熱電変換材料、上記第２の熱電変換材料及び上記熱電変換素子として、第１の電極Ａ、第２の電極Ａ、第１の熱電変換材料Ａ、第２の熱電変換材料Ａ及び熱電変換素子Ａを備える。

上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高める観点からは、本発明に係る熱電変換デバイスは、上記第１の電極、上記第２の電極、上記第１の熱電変換材料、上記第２の熱電変換材料及び上記熱電変換素子として、第１の電極Ｂ、第２の電極Ｂ、第１の熱電変換材料Ｂ、第２の熱電変換材料Ｂ及び熱電変換素子Ｂをさらに備えることが好ましい。

上記基材は第１の折れ曲がり部を有する。上記基材は、上記第１の折れ曲がり部の一方側に第１の領域と、上記第１の折れ曲がり部の他方側に第２の領域とを有する。熱電変換素子Ａは、上記第１の領域及び上記第２の領域に配置されている。第１の電極Ａは上記第１の領域、又は、上記第１及び第２の領域に配置されている。第１の熱電変換材料Ａ、及び第２の熱電変換材料Ａは、上記第２の領域、又は、上記第１及び第２の領域に配置されている。第２の電極Ａは上記第２の領域に配置されている。

本明細書において、上記第１の折れ曲がり部により分けられた上記第１の領域及び上記第２の領域において配置されている熱電変換素子を、熱電変換素子Ａと呼ぶ。また、この熱電変換素子Ａを構成する上記第１の電極、上記第２の電極、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料をそれぞれ、第１の電極Ａ、第２の電極Ａ、第１の熱電変換材料Ａ及び第２の熱電変換材料Ａと呼ぶ。例えば、上記第１の電極Ａが上記第１の領域に配置されており、かつ上記第１の熱電変換材料Ａ及び上記第２の熱電変換材料Ａが上記第１の領域及び上記第２の領域に配置されていてもよい。上記第１の電極Ａが上記第１の領域及び上記第２の領域に配置されており、かつ上記第１の熱電変換材料Ａ及び上記第２の熱電変換材料Ａが上記第２の領域に配置されていてもよい。上記第１の電極Ａが上記第１の領域及び上記第２の領域に配置されており、かつ上記第１の熱電変換材料Ａ及び上記第２の熱電変換材料Ａが上記第１の領域及び上記第２の領域に配置されていてもよい。上記第１の電極Ａ、上記第１の熱電変換材料Ａ及び上記第２の熱電変換材料Ａは、これらのいずれの配置であってもよい。

熱電変換素子Ａを備える熱電変換デバイスにおいては、発電に際し、上記熱電変換デバイスは、上記第１の領域において、熱源に接触させることができる。上記熱電変換デバイスは、上記第２の領域において、熱源に接触させないようにすることができる。これにより、複数の第１の電極Ａが一様に、かつ安定的に加熱されるので、複数の第１の電極Ａ間における温度のばらつきを抑制することができる。さらに、上記熱電変換デバイスは、上記第１の折れ曲がり部を有するので、上記熱電変換デバイスの上記第１の領域は熱源に接触するが、上記第２の領域は熱源に接触しない。上記第２の領域全体から放熱することができるので、放熱性を高めることができる。第１の熱電変換材料Ａの第１の電極Ａ側と第２の電極Ａ側とにおける温度差及び第２の熱電変換材料Ａの第１の電極Ａ側と第２の電極Ａ側とにおける温度差を大きくすることができ、熱電変換効率を高くすることができる。

上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高め、かつ小型化する観点からは、上記基材が、第２の折れ曲がり部を有し、上記基材が、上記第１，第２の折れ曲がり部の間に上記第１の領域と、上記第１の折れ曲がり部の外側に上記第２の領域と、上記第２の折れ曲がり部の外側に第３の領域とを有し、熱電変換素子Ｂが、上記第１の領域及び上記第３の領域に配置されていることが好ましい。上記第１の領域及び上記第３の領域に配置された熱電変換素子Ｂは、第１の電極Ｂと、第１の熱電変換材料Ｂと、第２の電極Ｂと、第２の熱電変換材料Ｂと、第１の電極Ｂとが、この順で接続されて構成されている。第１の電極Ｂは第１の領域、又は、上記第１及び第３の領域に配置されている。第１の熱電変換材料Ｂ、及び第２の熱電変換材料Ｂは、上記第３の領域、又は、上記第１及び第３の領域に配置されている。第２の電極Ｂは第３の領域に配置されている。

本明細書において、上記第２の折れ曲がり部により分けられた上記第１の領域及び上記第３の領域において配置されている熱電変換素子を、熱電変換素子Ｂと呼ぶ。また、この熱電変換素子Ｂを構成する上記第１の電極、上記第２の電極、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料をそれぞれ、第１の電極Ｂ、第２の電極Ｂ、第１の熱電変換材料Ｂ及び第２の熱電変換材料Ｂと呼ぶ。例えば、上記第１の電極Ｂが上記第１の領域に配置されており、かつ上記第１の熱電変換材料Ｂ及び上記第２の熱電変換材料Ｂが上記第１の領域及び上記第３の領域に配置されていてもよい。上記第１の電極Ｂが上記第１の領域及び上記第３の領域に配置されており、かつ上記第１の熱電変換材料Ｂ及び上記第２の熱電変換材料Ｂが上記第３の領域に配置されていてもよい。上記第１の電極Ｂが上記第１の領域及び上記第３の領域に配置されており、かつ上記第１の熱電変換材料Ｂ及び上記第２の熱電変換材料Ｂが上記第１の領域及び上記第３の領域に配置されていてもよい。上記第１の電極Ｂ、上記第１の熱電変換材料Ｂ及び上記第２の熱電変換材料Ｂは、これらのいずれの配置であってもよい。

熱電変換素子Ａ及び熱電変換素子Ｂを備える熱電変換デバイスにおいては、発電に際し、上記熱電変換デバイスは、上記第１の領域において、熱源に接触させることができる。上記熱電変換デバイスは、上記第２の領域及び上記第３の領域の双方において、熱源に接触させないようにすることができる。上記熱電変換デバイスが、上記第２の領域に加えて、熱源に接触しない上記第３の領域を有することにより、熱源に接触する部分の大面積化を招くことなく、上記熱電変換素子を複数配置することができる。従って、上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高くすることができ、かつ小型化を図ることができる。

上記第１の領域及び上記第２の領域に配置されている上記熱電変換素子Ａと、上記第１の領域及び上記第３の領域に配置されている上記熱電変換素子Ｂとは、電気的に接続されていてもよい。この場合には、例えば、上記第１の電極により、上記熱電変換素子Ａと上記熱電変換素子Ｂとが接続されていてもよい。上記熱電変換素子Ａと、上記熱電変換素子Ｂとは、電気的に接続されていなくてもよい。

上記熱電変換デバイスを破損し難くする観点からは、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料が上記第１の領域に配置されていないことが好ましい。この場合には、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料が折れ曲がり部を有さないので、破損し難い。

上記熱電変換デバイスの信頼性を高くする観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記基材の上面上に、上記第１の熱電変換材料、上記第２の熱電変換材料、上記第１の電極及び上記第２の電極を覆うように配置された封止材を備えることが好ましい。上記熱電変換素子は、上記封止材により封止されていることが好ましい。

上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高める観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記第１の熱電変換材料又は上記第２の熱電変換材料を複数有することが好ましい。具体的には、本発明では複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制し、熱電変換効率を高めることができるので、上記熱電変換デバイスは、上記第２の電極を少なくとも２つ有し、上記第１の熱電変換材料を少なくとも２つ有することが好ましい。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極とが、この順で接続されて上記熱電変換素子が構成されていることが好ましい。熱電変換素子Ａがこのような構造を有することが好ましく、熱電変換素子Ｂもこのような構造を有することが好ましい。

また、本発明では複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制し、熱電変換効率を高めることができるので、上記第２の電極を少なくとも２つ有し、上記第１の熱電変換材料を少なくとも２つ有することに加え、上記熱電変換デバイスは、上記第１の電極を少なくとも３つ有し、上記第２の熱電変換材料を少なくとも２つ有することがより好ましい。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極とが、この順で接続されて上記熱電変換素子が構成されていることがより好ましい。熱電変換素子Ａがこのような構造を有することが好ましく、熱電変換素子Ｂもこのような構造を有することが好ましい。

さらに、本発明では複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制し、熱電変換効率を高めることができるので、上記熱電変換デバイスは、上記第１の電極を少なくとも３つ有し、上記第２の熱電変換材料を少なくとも２つ有することに加え、上記第２の電極を少なくとも３つ有し、上記第１の熱電変換材料を少なくとも３つ有することがさらに好ましい。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極とが、この順で接続されて上記熱電変換素子が構成されていることがさらに好ましい。熱電変換素子Ａがこのような構造を有することが好ましく、熱電変換素子Ｂもこのような構造を有することが好ましい。

上記熱電変換デバイスの配置の自由度を高くする観点からは、上記基材が柔軟性を有することが好ましい。この場合には、熱源の形状に応じて、上記熱電変換デバイスを変形させ易い。

上記第１の折れ曲がり部及び上記第２の折れ曲がり部では、曲線状に折れ曲がっていてもよく、所定の角度で折れ曲がっていてもよい。上記第１の折れ曲がり部と上記第２の折れ曲がり部とは、平行に配置されていることが好ましい。但し、上記第１の折れ曲がり部と上記第２の折れ曲がり部とは平行に配置されていなくてもよい。

上記熱電変換デバイスの配置の自由度をより一層高くする観点からは、上記熱電変換デバイスが、上記第２の電極を複数有し、かつ上記基材が、上記第２の領域に切り込み部を有し、上記切り込み部によって分けられた一方側に、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極との第１の接続部分が配置されており、上記切り込み部によって分けられた他方側に、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極との第２の接続部分が配置されていることが好ましい。熱電変換デバイスが第２の領域においてこのような構造を有することが好ましく、熱電変換デバイスが第３の領域においてこのような構造を有することが好ましい。上記基材が、上記第２の領域における隣り合う上記第２の電極間において、上記切り込み部を有することが好ましい。なお、上記第２の領域の上記第１，第２の接続部分は、第１，第２の接続部分Ａである。上記第３の領域の上記第１，第２の接続部分は、第１，第２の接続部分Ｂである。上記第２の領域の上記切り込み部は、切り込み部Ａである。上記第３の領域の上記切り込み部は、切り込み部Ｂである。

上記熱電変換デバイスは上記切り込み部を有する場合には、上記熱電変換デバイスをより一層変形させやすい。例えば、第１の領域の延びる方向（例えば長さ方向）において、熱電変換デバイスを湾曲させることができる（具体的には、図１における熱電変換デバイス１は、第１の領域の中央において手前側に、第１の領域の両端において奥側に湾曲させることができる）。例えば、柱状の熱源に上記第１の領域が螺旋状に接触するように、上記熱電変換デバイスを配置することもできる。上記切り込み部を有する熱電変換デバイスは、熱源が曲面状の表面を有する場合などに、好適に用いることができる。

上記第１の接続部分は複数の上記第２の電極を含んでいてもよい。具体的には、例えば、上記第１の接続部分が上記第２の電極を２つ含む場合には、上記第１の接続部分は、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極とがこの順で接続された部分を有する。例えば、上記第１の接続部分が上記第２の電極を３つ含む場合には、上記第１の接続部分は、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極とが、この順で接続された部分を含む。同様に、上記第２の接続部分も、複数の上記第２の電極を含んでいてもよい。

上記第１の接続部分及び上記第２の接続部分が、それぞれ１つの第２の電極を含むことが好ましい。すなわち、上記基材が、上記第２の領域における全ての隣り合う上記第２の電極間において、上記切り込み部を有することが好ましい。この場合には、上記熱電変換デバイスをより一層変形させやすく、上記熱電変換デバイスの配置の自由度をより一層高くすることができる。

上記切り込み部は、隣り合う上記第１の熱電変換材料と上記第２の熱電変換材料とが上記第１の電極により電気的に接続されている限りにおいて、上記第１の領域に至っていてもよい。

上記熱電変換デバイスが上記第２の折れ曲がり部及び上記第３の領域を有する場合において、上記熱電変換デバイスの配置の自由度をより一層高くする観点からは、上記第１の領域における上記切り込み部と同様に、上記基材が上記第３の領域に切り込み部を有することが好ましい。この場合には、上記熱電変換デバイスをより一層変形させやすい。

本発明に係る積層熱電変換デバイスは、上記熱電変換デバイスを複数有し、複数の上記熱電変換デバイスが、上記第１の領域において、互いに接触している部分を有する。発電に際し、上記複数の熱電変換デバイスが上記第１の領域において加熱される。これにより、上記複数の第１の電極が安定的に加熱されるので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。加えて、熱源に接触する部分の面積を変えずに、上記熱電変換素子をより一層多く配置することができるので、出力を効果的に高くすることができ、かつ小型化を図ることができる。

なお、上記積層熱電変換デバイスにおいては、上記複数の熱電変換デバイスは上記第２の領域又は上記第３の領域において、互いに接触している部分を有していてもよい。

上記積層熱電変換デバイスの熱電変換効率をより一層高くする観点からは、複数の上記熱電変換デバイスが、上記第２の領域及び上記第３の領域のそれぞれにおいて、互いに接触していない部分を有することが好ましい。この場合には、上記第２の領域及び上記第３の領域における放熱性を高めることができ、熱電変換効率を高くすることができる。

上記積層熱電変換デバイスの熱電変換効率をより一層高くする観点からは、上記熱電変換デバイスにおいて、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料が上記第１の領域に配置されていないことが好ましい。この場合には、上記複数の熱電変換デバイスが上記第１の領域で互いに接触している部分において、上記第１の電極と上記基材との間に、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料が介在しない。発電に際し、上記複数の熱電変換デバイスが上記第１の領域において互いに接触している部分において、上記第１の電極が効率的に加熱されるので、熱電変換効率を効果的に高くすることができる。

本発明に係る放熱構造体は、熱源と、上記熱電変換デバイスとを備え、上記熱源に対して、上記熱電変換デバイスが、上記第１の領域において接触している。上記複数の第１の電極が安定的に加熱されるので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。

上記放熱構造体の出力を効果的に高くする観点からは、上記放熱構造体が熱源と、上記積層熱電変換デバイスとを備え、上記熱源に対して、上記積層熱電変換デバイスの最も外側の上記熱電変換デバイスが、上記第１の領域において接触していることが好ましい。この場合には、上記複数の第１の電極が安定的に加熱されるので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。加えて、熱源に接触する部分の面積を変えずに、上記熱電変換素子をより一層多く配置することができるので、出力を効果的に高くすることができ、かつ小型化を図ることができる。

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、本発明の一実施形態に係る熱電変換デバイスの平面図である。図２は、図１に示す一実施形態に係る熱電変換デバイスの略図的斜視図である。

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及び図２に示す熱電変換デバイス１は、柔軟性を有する基材２を備える。基材２は、第１の折れ曲がり部２ａと第２の折れ曲がり部２ｂとを有する。なお、図１中においては、破線により第１，第２の折れ曲がり部２ａ，２ｂを示す。基材２は、第１，第２の折れ曲がり部２ａ，２ｂの間に第１の領域Ｃと、第１の折れ曲がり部２ａの外側に第２の領域Ｄと、第２の折れ曲がり部２ｂの外側に第３の領域Ｅとを有する。基材２の材料として、例えば、樹脂などを用いることができる。

図１に示すように、熱電変換デバイス１は、基材２の第１の領域Ｃ及び第２の領域Ｄにおける上面上に形成された熱電変換素子３Ａと、基材２の第１の領域Ｃ及び第３の領域Ｅにおける上面上に形成された熱電変換素子３Ｂとを備える。熱電変換素子３Ａは、複数の熱電変換素子３Ａ部分が接続されて構成されている。熱電変換素子３Ａ部分は、２つの第１の電極４ａと、１つの第２の電極４ｂと、第１の熱電変換材料５と、第２の熱電変換材料６とを有する。熱電変換素子３Ａ部分は、第１の電極４ａ、第１の熱電変換材料５、第２の電極４ｂ、第２の熱電変換材料６、第１の電極４ａが、この順で接続されて構成されている。なお、熱電変換素子は、少なくとも１つの熱電変換素子部分を有していればよい。

本実施形態では、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第１の熱電変換材料５の延びる方向、及び、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第２の熱電変換材料６の延びる方向とは平行である。なお、第１の電極と第２の電極とに接続されている第１の熱電変換材料の延びる方向、及び、第１の電極と第２の電極とに接続されている第２の熱電変換材料の延びる方向は平行ではなくてもよい。

本実施形態では、第１の熱電変換材料５はｐ型熱電変換材料であり、第２の熱電変換材料６はｎ型熱電変換材料である。

複数の熱電変換素子３Ａ部分は、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第１の熱電変換材料５の延びる方向、及び、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第２の熱電変換材料６の延びる方向のそれぞれと直交する方向に、並んで配置されている。各熱電変換素子３Ａ部分の１つの第１の電極４ａは、隣接する熱電変換素子３Ａ部分の１つの第１の電極４ａと共通の電極である。すなわち、第２の熱電変換材料６が接続された第１の電極４ａには第１の熱電変換材料５が接続されており、該第１の熱電変換材料５には、さらに第２の電極４ｂが接続されている。２つ以上の熱電変換素子部分が連なっていてもよく、３つ以上の熱電変換素子部分が連なっていてもよい。

同様に、熱電変換素子３Ｂも、複数の熱電変換素子３Ｂ部分が接続されて構成されている。熱電変換素子３Ｂ部分は、第１の電極４ａ、第１の熱電変換材料５、第２の電極４ｂ、第２の熱電変換材料６、第１の電極４ａが、この順で接続されて構成されている。複数の熱電変換素子３Ｂは、複数の熱電変換素子３Ａと同様に並んで配置されている。熱電変換素子３Ａと熱電変換材料３Ｂとは、電気的に接続されている。本実施形態では、熱電変換素子３Ａの第２の熱電変換材料６と熱電変換素子３Ｂの第１の熱電変換材料５とが、第１の電極４ａにより電気的に接続されている。

基材２は、第２の領域Ｄに複数の切り込み部２ｃを有する。切り込み部２ｃによって分けられた一方側に、第１の接続部分７ａが配置されており、切り込み部２ｃによって分けられた他方側に、第２の接続部分７ｂが配置されている。本実施形態では、第１の接続部分７ａは１つの熱電変換素子３Ａ部分を含み、第２の接続部分７ｂは１つの熱電変換素子３Ａ部分を含む。第１の接続部分７ａと第２の接続部分７ｂとが交互に並んで配置されている。

基材２は、第３の領域Ｅに複数の切り込み部２ｃを有する。第３の領域Ｅにおいても、第２の領域Ｄと同様に第１の接続部分７ａ及び第２の接続部分７ｂが配置されている。

発電に際し、熱電変換デバイス１は、第１の領域Ｃにおいて、熱源に接触する。これにより、複数の第１の電極４ａが一様に、かつ安定的に加熱されるので、複数の第１の電極４ａ間における温度のばらつきを抑制することができる。さらに、図２に示すように、熱電変換デバイス１は、第１，第２の折れ曲がり部２ａ，２ｂを有するので、第１の領域Ｃは熱源に接触するが、第２の領域Ｄ及び第３の領域Ｅは熱源に接触しないので、第２の領域Ｄ及び第３の領域Ｅ全体から放熱することができ、放熱性を高めることができる。従って、熱電変換効率を高くすることができる。

熱電変換デバイス１の基材２は柔軟性を有し、かつ切り込み部２ｃを有するため、熱源が曲面等を有する場合に、熱電変換デバイス１を変形させやすく、熱電変換デバイス１の配置の自由度を高くすることができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る積層熱電変換デバイスの模式的正面図である。

図３に示す積層熱電変換デバイス１０は、図１に示す熱電変換デバイス１を複数有する。積層熱電変換デバイス１０は、複数の熱電変換デバイス１が、第１の領域Ｃにおいて、互いに接触している部分を有する。

発電に際し、複数の熱電変換デバイス１が第１の領域Ｃにおいて加熱される。これにより、複数の第１の電極が安定的に加熱されるので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。加えて、熱源に接触する部分の面積を変えずに、熱電変換素子をより一層多く配置することができるので、出力を効果的に高くすることができ、かつ小型化を図ることができる。

本実施形態では、積層されている複数の熱電変換デバイス１における第１，第２の折れ曲がり部における折れ曲がり角度が異なる。具体的には、熱電変換デバイス１の積層方向の一方側から他方側に向けて、折れ曲がり角度が次第に大きくなっている。積層されている熱電変換デバイス１のうち一方の熱電変換デバイス１の第１の領域Ｃに対する第２，第３の領域Ｄ，Ｅの傾斜角度と、積層されている熱電変換デバイス１のうち他方の熱電変換デバイス１の第１の領域Ｃに対する第２，第３の領域Ｄ，Ｅの傾斜角度とが異なる。これにより、複数の熱電変換デバイス１は、第２の領域Ｄ及び第３の領域Ｅのそれぞれにおいて、互いに接触していない部分を有するので、複数の熱電変換デバイス１の第２，第３の領域Ｄ，Ｅにおける放熱性を高めることができる。従って、熱電変換効率をより一層高くすることができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的正面図である。

図４に示す放熱構造体２０は、熱源２２と、図３に示す積層熱電変換デバイス１０とを備える。熱源２２に対して、積層熱電変換デバイス１０の最も外側の熱電変換デバイス１が、第１の領域において接触している。

熱源２２の形状は、特に限定されず、平板状であってもよく、柱状であってもよい。熱源２２の表面形状は、特に限定されず、平面状であってもよく、曲面状であってもよい。

放熱構造体２０では、積層熱電変換デバイス１０の複数の第１の電極が安定的に加熱されるので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。加えて、熱源２２に接触する部分の面積を変えずに、熱電変換素子をより一層多く配置することができるので、出力を効果的に高くすることができ、かつ小型化を図ることができる。

１…熱電変換デバイス
２…基材
２ａ，２ｂ…第１，第２の折れ曲がり部
２ｃ…切り込み部
３Ａ，３Ｂ…熱電変換素子
４ａ，４ｂ…第１，第２の電極
５，６…第１，第２の熱電変換材料
７ａ，７ｂ…第１，第２の接続部分
１０…積層熱電変換デバイス
２０…放熱構造体
２２…熱源

Claims (7)

1. 基材と、
   前記基材の上面上に配置された少なくとも２つの第１の電極Ａと、
   前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極Ａと、
   前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料Ａと、
   前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料Ａとを備え、
   前記第１の電極Ａと、前記第１の熱電変換材料Ａと、前記第２の電極Ａと、前記第２の熱電変換材料Ａと、前記第１の電極Ａとが、この順で接続されて熱電変換素子Ａが構成されており、
   前記基材が、第１の折れ曲がり部を有し、
   前記基材が、前記第１の折れ曲がり部の一方側に第１の領域と、前記第１の折れ曲がり部の他方側に第２の領域とを有し、
   前記熱電変換素子Ａが、前記第１の領域及び前記第２の領域に配置されており、
   前記第１の電極Ａが、前記第１の領域、又は、前記第１及び第２の領域に配置されており、前記第１の熱電変換材料Ａ、及び前記第２の熱電変換材料Ａが前記第２の領域、又は、前記第１及び第２の領域に配置されており、前記第２の電極Ａが、前記第２の領域に配置されている、熱電変換デバイス。
2. 前記基材の上面上に配置された少なくとも２つの第１の電極Ｂと、
   前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極Ｂと、
   前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料Ｂと、
   前記基材の上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料Ｂとをさらに備え、
   前記第１の電極Ｂと、前記第１の熱電変換材料Ｂと、前記第２の電極Ｂと、前記第２の熱電変換材料Ｂと、前記第１の電極Ｂとが、この順で接続されて熱電変換素子Ｂが構成されており、
   前記基材が、第２の折れ曲がり部を有し、
   前記基材が、前記第１，第２の折れ曲がり部の間に前記第１の領域と、前記第１の折れ曲がり部の外側に前記第２の領域と、前記第２の折れ曲がり部の外側に第３の領域とを有し、
   前記熱電変換素子Ｂが、前記第１の領域及び前記第３の領域に配置されており、
   前記第１の電極Ｂが、前記第１の領域、又は、前記第１及び第３の領域に配置されており、前記第１の熱電変換材料Ｂ、及び前記第２の熱電変換材料Ｂが前記第３の領域、又は、前記第１及び第３の領域に配置されており、前記第２の電極Ｂが、前記第３の領域に配置されている、請求項１に記載の熱電変換デバイス。
3. 前記熱電変換素子Ａと前記熱電変換素子Ｂとが電気的に接続されている、請求項２に記載の熱電変換デバイス。
4. 前記第２の電極Ａを少なくとも２つ有し、
   前記第１の熱電変換材料Ａを少なくとも２つ有し、
   前記第１の電極Ａと、前記第１の熱電変換材料Ａと、前記第２の電極Ａと、前記第２の熱電変換材料Ａと、前記第１の電極Ａと、前記第１の熱電変換材料Ａと、前記第２の電極Ａとが、この順で接続されて前記熱電変換素子Ａが構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換デバイスを複数有し、
   複数の前記熱電変換デバイスが、前記第１の領域において、互いに接触している部分を有する、積層熱電変換デバイス。
6. 複数の前記熱電変換デバイスが、前記第２の領域及び前記第３の領域のそれぞれにおいて、互いに接触していない部分を有する、請求項５に記載の積層熱電変換デバイス。
7. 熱源と、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換デバイスとを備え、
   前記熱源に対して、前記熱電変換デバイスが、前記第１の領域において接触している、放熱構造体。

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