JP2019140182A - 熱電変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施例1および比較例1についてシミュレーションを行った。シミュレーションでは、図1(a)から図3(b)に示すように、基部22a、22b、熱電変換ユニット30、熱電層12aおよび12bの平面形状をX方向およびY方向の辺を有する正方形とした。なお、実際の熱電変換装置では、各部材の平面形状および断面形状は目的に応じ任意に設計できる。
D:基部22aおよび22bのX方向およびY方向の幅
H:実施例1の領域36における基部22aと22bとの間隔
H0:比較例1における基部22aと22bとの間隔、および実施例1の領域35における基部22aと22bとの間隔
x:支持体34のX方向およびY方向の幅
L:熱電変換ユニット30のX方向およびY方向の幅
L0:実施例1の領域35のX方向およびY方向の幅
d:熱電層12aおよび12bのX方向およびY方向のピッチ
γ:トレードオフパラメータ、熱電変換ユニット30のうち熱電層12aおよび12bのうち1つが占める面積が(γd)2となるパラメータ
γd:熱電層12aおよび12bのX方向およびY方向の幅、接続層14aおよび14bのZ方向の高さ
(1−γ)d:熱電層12aと12bとのX方向およびY方向の間隔
t0:熱電層12aおよび12bのZ方向の高さ
m0:熱電層12aおよび12bの対数(すなわちゼーベック素子10の個数)
Pout:熱電変換装置の出力電力
なお、接続層14aおよび14bのZ方向の高さはγdでなくともよいが、設計を簡単にするため、シミュレーションでは接続層14aおよび14bのZ方向の高さをγdとした。
方法1:支持体34の幅x=0とし、構造パラメータの最適化を行い、最適化した構造パラメータに固定して支持体34の幅xおよび基部22aと22bとの間隔Hの最適化を行う。
方法2:各xで構造パラメータの最適化を行う。
熱電層12aおよび12b
ゼーベック係数=Sp−Sn:434μV/K
熱伝導率λ=(λp+λn)/2:1.43Wm−1K−1
電気抵抗率ρ=(ρp+ρn)/2:8.11μΩm
接続層14aおよび14b:Cu
膜厚tCu:10μm(実施例1)
熱伝導率λCu:386Wm−1K−1
電気抵抗率ρCu:1.69×10−8Ωm
絶縁層18:ポーラスシリコン
熱絶縁体32:真空
支持体34:熱伝導率λが0.15Wm−1K−1の絶縁体
D×D:10mm×10mm
L0=L=1mm
t0:1000nm
ΔTS:10K
Kair´:各シミュレーションにより異なる。詳細は後述する。
Pout:出力をインピーダンス整合したときの出力電力
SnおよびSpはそれぞれn型およびp型の熱電層12aおよび12bのゼーベック係数、λnおよびλpはそれぞれn型およびp型の熱電層12aおよび12bの熱伝導率、並びにρnおよびρpはそれぞれn型およびp型の熱電層12aおよび12bの電気抵抗率である。温度差ΔTSを10Kと一定とした。これは、例えば体温が35℃であり気温が25℃の場合に相当する。
シミュレーションでは、簡略化のため、図9(a)および図9(b)に示すように、熱電変換ユニット30は1列で、X方向の幅をDとした。熱電層12aおよび12bはY方向に延びる短冊状であり、Y方向の長さをLとした。なお、実際の熱電変換装置では、図8(a)のように、熱電変換ユニット30を複数のブロック31aから31cに分割することができる。また、熱電変換ユニット30をX方向およびY方向に斜めに配置することができる。このように、熱電変換ユニット30の平面形状は任意に設計できる。
D:基部22aおよび22bのX方向およびY方向の幅、熱電変換ユニットのX方向の幅
H:実施例2の領域36における基部22aと22bとの間隔
H0:実施例2の領域35における基部22aと22bとの間隔
x:支持体34のX方向およびY方向の幅
L:熱電変換ユニットのY方向の幅
d:熱電層12aおよび12bのX方向のピッチ
γ:トレードオフパラメータ、熱電変換ユニット30のうち熱電層12aおよび12bが占める幅がγdとなるパラメータ
γd:熱電層12aおよび12bのX方向の幅
(1−γ)d:熱電層12aと12bとのX方向の間隔
t0:熱電層12aおよび12bのZ方向の高さ
tC:絶縁層18aおよび18bのZ方向の高さ
m0:熱電層12aおよび12bの対数(すなわちゼーベック素子10の個数)
Pout:熱電変換装置の出力電力
熱伝導層16a,16b:Cu
t0:500nm
Kair´:各シミュレーションにより異なる。詳細は後述する。
その他のシミュレーションの方法およびパラメータは実施例1のシミュレーションと同じである。
図16(a)は、実施例4の変形例1に係る熱電変換装置の平面図、図16(b)は、図16(a)のA−A断面図である。図16(b)は、熱電変換ユニット30および基部22aおよび22b内のマイクロヒートパイプ46を図示している。
12a、12b 熱電層
14a、14b 接続層
16a、16b 熱伝導層
18、18a、18b 絶縁層
20 絶縁膜
22a、22b 基部
24a−24d 電極
30 熱電変換ユニット
32 熱絶縁体
34 支持体
Claims (11)
- 第1基部と、
前記第1基部に対向し、第1領域と、前記第1基部との間隔が前記第1領域における前記第1基部との間隔より大きい第2領域と、を有する第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部の前記第1領域との間に設けられ、前記第1基部および前記第2基部に熱的に接続された熱電変換ユニットと、
前記第1基部と前記第2基部の前記第2領域との間に設けられ、前記第1基部を前記第2基部に支持する支持体と、
前記第1基部と前記第2基部の前記第2領域との間に設けられた熱絶縁体と、
を備える熱電変換装置。 - 前記熱絶縁体は、大気圧より低い圧力を有する気体または真空を含み、
前記支持体は、前記気体または真空を囲むように設けられ前記気体または真空を保持する請求項1に記載の熱電変換装置。 - 前記熱絶縁体は、固体である請求項1に記載の熱電変換装置。
- 熱電変換ユニットは、
前記第1基部に熱的に接続された複数の第1接続層と、
前記第2基部に熱的に接続された複数の第2接続層と、
前記複数の第1接続層のうち1つの第1接続層と前記複数の第2接続層のうち1つの第2接続層との間に電気的に各々接続された複数の第1熱電層と、
前記1つの第1接続層と前記複数の第2接続層のうち前記1つの第2接続層の隣の第2接続層との間に電気的に各々接続され、前記複数の第1熱電層と反対の導電型を有する複数の第2熱電層と、
を有し、
前記複数の第1熱電層と前記複数の第2熱電層とは、前記複数の第1接続層と前記複数の第2接続層とを交互に介して直列に接続されている請求項1から3のいずれか一項に記載の熱電変換装置。 - 前記複数の第1熱電層および前記複数の第2熱電層は、平面方向に平行な第1方向に交互に設けられ、
前記複数の第1接続層および前記複数の第2接続層は、前記複数の第1熱電層および前記複数の第2熱電層の間に交互設けられ、
前記熱電変換ユニットは、前記第1方向に交差する方向に延伸し前記複数の第1接続層と前記第1基部とをそれぞれ熱的に接続する複数の第1熱伝導層と、前記第1方向に交差する方向に延伸し前記複数の第2接続層と前記第2基部とをそれぞれ熱的に接続する複数の第2熱伝導層と、を有する請求項4に記載の熱電変換装置。 - 前記熱電変換ユニットは、前記複数の第1熱電層と前記複数の第2熱電層との間および前記複数の第1接続層と前記複数の第2接続層との間に設けられている内部熱絶縁体を有する請求項4に記載の熱電変換装置。
- 前記熱電変換ユニットは、前記複数の第1熱電層、前記複数の第2熱電層、前記複数の第1接続層および前記複数の第2接続層と前記第1基部および前記第2基部との間、並びに前記複数の第1熱伝導層と前記複数の第2熱伝導層との間に設けられている内部熱絶縁体を有する請求項5に記載の熱電変換装置。
- 平面視における前記支持体の面積は前記熱絶縁体の面積より小さい請求項1から7のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
- 前記第1基部と前記第2基部の第2領域との間隔は、前記第1基部と前記第2基部の第1領域との間隔の10倍以上である請求項1から8のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
- 前記第1基部および前記第2基部のいずれか一方は恒温動物の生体の表面に熱的に接続され、
前記第1基部および前記第2基部の他方は空気に熱的に接続される請求項1から9のいずれか一項に記載の熱電変換装置。 - 前記第1基部と前記第2基部との間に前記熱絶縁体を介し互いに離間した複数の前記熱電変換ユニットを備える請求項1から10のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
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WO2022176832A1 (ja) * | 2021-02-16 | 2022-08-25 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 熱電変換装置 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003318452A (ja) * | 2002-04-25 | 2003-11-07 | Matsushita Refrig Co Ltd | 熱電装置と貯蔵庫 |
JP2014135455A (ja) * | 2013-01-11 | 2014-07-24 | Fujitsu Ltd | 熱電変換素子、電子装置及び熱電変換素子の製造方法 |
JP2016187008A (ja) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | シャープ株式会社 | 熱電変換デバイス |
-
2018
- 2018-02-07 JP JP2018020392A patent/JP7116465B2/ja active Active
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