JP2019204927A - 熱電変換モジュールおよび発電システム - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1においては、熱電変換素子および電極から構成される熱電変換モジュールであって、複数の熱電変換素子が可撓性のある素材を介して前記可撓性のある素材の両側に配置され、前記複数の熱電変換素子のうちの前記可撓性のある素材が配置されている面の反対側の面に電極が配置されていることを特徴とする熱電変換モジュールが、湾曲部を有する熱源に対しても密着できることが報告されている。
また、本発明は、当該熱電変換モジュールを備える発電システムを提供することを目的とする。
(1)前記熱電変換素子A1側から奇数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない
(2)前記熱電変換素子A1側から偶数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない
のいずれかの形態で前記接合部に接続することを特徴とする。このように、可撓性を有する基板と、当該基板の少なくとも一方の面に配置される熱電変換素子体と、少なくとも1つの第1高熱伝導体とを備え、当該熱電変換素子体が、直列的に接合される4個以上の熱電変換素子として、p型熱電変換素子とn型熱電変換素子とが交互に接合されてなる素子本体と、当該素子本体の始端および終端である熱電変換素子にそれぞれ接続する第1電極および第2電極とを有し、少なくとも1つの高熱伝導体が当該熱電変換素子間の接合部に所定の形態で接続する、熱電変換モジュールであれば、高いフレキシブル性と高い熱電変換効率とを両立することができる。
(3)前記熱電変換素子A1側から偶数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない
の形態で前記接合部に接続し、前記第1高熱伝導体が前記(2)の形態で前記接合部に接続する場合、前記第2高熱伝導体は下記(4):
(4)前記熱電変換素子A1側から奇数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない
の形態で前記接合部に接続することが好ましい。前記第2高熱伝導体が、前記熱電変換素子体の厚み方向のうち前記第1高熱伝導体が配置されていない側のみに配置され、前記第1高熱伝導体が前記接合部に接続する形態に応じて、前記第2高熱伝導体が上記所定の形態で前記接合部に接続すれば、熱電変換素子における高温部と低温部との温度差を大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を更に高めることができる。
また、本発明によれば、当該熱電変換モジュールを備える発電システムを提供することができる。
なお、本明細書において、上下方向とは、図2などの発電システムの平面図の紙面に垂直な方向を意味し、上方は同図における紙面手前方向、下方はその反対方向を意味するものとする。
以下、図1〜4を参照して、本発明の第1の実施形態に係る発電システムについて説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る発電システム300の概略構成を示す断面図である。なお、図1は、発電システム300を、熱電変換素子A1および熱電変換素子A7の中心を通る線(後述の図2中のX1−X1線)で切断した場合の断面図である。また、図2は、発電システム300における1対の基板20のうち上方の基板20bのみを除いた平面図である。
そして、当該基板20は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シクロオレフィン樹脂、および水素添加スチレン系樹脂からなる群より選択される少なくとも1種を含有することが好ましい。基板20が上記所定の材料の少なくとも1種を含有すれば、熱電変換モジュール100の熱や環境中の水分による劣化を防止し、熱電変換モジュール100の寿命を長くすることができる。
ここで、「基板20に平行な平面内の任意の方向に接合することができる」とは、熱電変換素子体10の素子本体5を構成する1対のp型熱電変換素子1とn型熱電変換素子2とが接合する場合に、p型熱電変換素子1の接合方向と、n型熱電変換素子2の接合方向とが、いずれも基板20に平行な同一の平面内に含まれ、且つ、両者のなす角が任意の角度を示し得ることを意味する。
p型熱電変換素子1とn型熱電変換素子2との間に介在しうる接合部材は、導電性および熱伝導性を有する限り、特に限定されず、例えば、AgおよびCu等の金属材料、並びにグラファイトおよびCNT等のカーボン材料により構成されうる。中でも、熱電変換モジュール100のフレキシブル性を更に高める観点から、CNTを用いることが好ましい。
なお、上述したAgを含むペースト状の樹脂材料は、例えば、p型熱電変換素子1またはn型熱電変換素子2と、折り返し接合部材4とを電気的に接続する際にも用いることができる。
なお、「第1電極6と第2電極7との距離」とは、第1電極6の表面と第2電極7の表面とが最も接近した箇所における両者間の距離を指すものとする。
(1)前記熱電変換素子A1側から奇数番目の接合部3の少なくとも1つに接続し、かつ、偶数番目の接合部3には接続しない
(2)前記熱電変換素子A1側から偶数番目の接合部3の少なくとも1つに接続し、かつ、奇数番目の接合部3には接続しない
のいずれかの形態で接合部3に接続していればよい。なお、第1高熱伝導体30は、上記(2)の形態の場合は、第1電極6と熱電変換素子A1との接続部8、および/または第2電極7と熱電変換素子An(図示例ではn=14)との接続部9に接続してもよいが、上記(1)の場合は接続しないものとする。また、第1高熱伝導体30と接合部3、接続部8、または接続部9とは、上述したように、基板20等の他の部材を介して接続してもよいし、直接接続してもよいものとする。例えば、図示しないが、熱電変換素子体10の下方の面に基板20が配置されず、第1高熱伝導体30と接合部3とが直接接続することもできる。
以下、図5〜8を参照して、本発明の第2の実施形態に係る発電システムについて説明する。図5は、本発明の第2の実施形態に係る発電システム300の概略構成を示す断面図である。なお、図5は、発電システム300を、熱電変換素子A1および熱電変換素子A7の中心を通る線(後述の図6中のX2−X2線)で切断した場合の断面図である。また、図6は、発電システム300における1対の基板20のうち上方の基板20bのみを除いた平面図である。
即ち、第1高熱伝導体30が(1)熱電変換素子A1側から奇数番目の接合部3の少なくとも1つに接続し、かつ、偶数番目の接合部3には接続しない場合、第2高熱伝導体40は下記(3):
(3)熱電変換素子A1側から偶数番目の接合部3の少なくとも1つに接続し、かつ、奇数番目の接合部3には接続しない
の形態で前記接合部に接続し、
第1高熱伝導体30が(2)熱電変換素子A1側から偶数番目の接合部3の少なくとも1つに接続し、かつ、奇数番目の接合部3には接続しない場合、第2高熱伝導体40は下記(4):
(4)熱電変換素子A1側から奇数番目の接合部3の少なくとも1つに接続し、かつ、偶数番目の接合部3には接続しない
の形態で前記接合部3に接続することができる。このように、第2高熱伝導体40が、第1高熱伝導体30が接合部3に接続する形態に応じて、上記所定の形態で接合部3に接続すれば、効率良く放熱できるため、熱電変換素子における高温部と低温部との温度差を大きくして、熱電変換モジュール100の熱電変換効率を更に高めることができる。
また、放熱部材50は、熱伝導性を有する限り、特に限定されないが、Al、AgおよびCu等の金属材料;酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素および炭化ケイ素等のセラミック材料;グラファイトおよびCNT等のカーボン材料;により構成されることが好ましい。放熱部材50が上記所定の材料を含めば、熱電変換素子における高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュール100の熱電変換効率をより一層高めることができる。さらに、放熱部材50が上記所定の材料のうち、CNTを含めば、熱電変換モジュール100のフレキシブル性を更に高めることができる。
以下、図9を参照して、本発明の第3の実施形態に係る発電システムについて説明する。図9は、本発明の第3の実施形態に係る発電システム300の概略構成を示す平面図である。図9に示すように、発電システム300は、熱源200と、熱源200上に当接配置される熱電変換モジュール100と、を備える。熱電変換モジュール100は、基板20と、基板20の一方の面(図示例では上方の面)に配置される熱電変換素子体10と、基板20の他方の面(図示例では下方の面)に配置される7個の第1高熱伝導体30とを備える。
以下、図10および11を参照して、本発明の第4の実施形態に係る発電システムについて説明する。図10は、本発明の第4の実施形態に係る発電システム300の概略構成を示す断面図である。なお、図10は、発電システム300を、熱電変換素子A8および熱電変換素子A14の中心を通る線(後述の図11中のX3−X3線)で切断した場合の断面図である。また、図11は、図10に示す発電システム300における3枚の基板20のうち、上方から1番目および2番目に配置される基板20bおよび20cを除いた平面図である。
また、本発明によれば、当該熱電変換モジュールを備える発電システムを提供することができる。
2 n型熱電変換素子
3 接合部
4 折り返し接合部材
5 素子本体
6 第1電極
7 第2電極
8,9 接続部
10 熱電変換素子体
20,20a,20b,20c 基板
30 第1高熱伝導体
31 磁石
32 第1介在物
40 第2高熱伝導体
41 第2介在物
50 放熱部材
100 熱電変換モジュール
200 熱源
300 発電システム
Claims (22)
- 可撓性を有する基板と、前記基板の少なくとも一方の面に配置される熱電変換素子体と、少なくとも1つの第1高熱伝導体とを備える熱電変換モジュールであり、
前記熱電変換素子体は、n個(nは4以上の整数)の熱電変換素子A1〜Anが順番に直列的に接合されてなる素子本体と、前記熱電変換素子A1に接続する第1電極と、前記熱電変換素子Anに接続する第2電極と、を備え、
前記n個の熱電変換素子A1〜Anとして、p型熱電変換素子とn型熱電変換素子とが交互に接合され、かつ、前記熱電変換素子A1は、前記p型熱電変換素子または前記n型熱電変換素子であり、
前記n個の熱電変換素子A1〜Anにおいて、互いに隣接する熱電変換素子間に、前記熱電変換素子A1側から順にn−1個の接合部が形成され、
前記少なくとも1つの第1高熱伝導体は、前記熱電変換素子体の厚み方向の一方側のみに配置され、下記(1)または(2)の形態で前記接合部に接続する、熱電変換モジュール。
(1)前記熱電変換素子A1側から奇数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない
(2)前記熱電変換素子A1側から偶数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない - 前記第1電極と前記第2電極とが、前記基板上で互いに近接して配置される、請求項1に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第1電極と前記第2電極とが、いずれも前記基板の外縁上に配置される、請求項1または2に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第1高熱伝導体の熱伝導率が10W/(m・K)以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記第1高熱伝導体が金属材料および/またはセラミック材料を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記第1高熱伝導体がカーボン材料を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記第1高熱伝導体が磁石を有する、請求項1〜6のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記基板が、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シクロオレフィン樹脂、および水素添加スチレン系樹脂からなる群より選択される少なくとも1種を含有する、請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記p型熱電変換素子および前記n型熱電変換素子の少なくとも一方が、導電性高分子化合物および/または繊維状炭素ナノ構造体を含有する、請求項1〜8のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記n個の熱電変換素子A1〜Anの一部同士が前記基板の厚み方向に隣接し、
前記厚み方向に隣接する熱電変換素子A1〜Anの一部同士における前記接合部のうち、前記第1高熱伝導体に接続する接合部同士が前記厚み方向に揃って配置される、請求項1〜9のいずれかに記載の熱電変換モジュール。 - 更に第2高熱伝導体を備え、
前記第2高熱伝導体は、前記熱電変換素子体の厚み方向のうち前記第1高熱伝導体が配置されていない側のみに配置され、
前記第1高熱伝導体が前記(1)の形態で前記接合部に接続する場合、前記第2高熱伝導体は下記(3)の形態で前記接合部に接続し、
前記第1高熱伝導体が前記(2)の形態で前記接合部に接続する場合、前記第2高熱伝導体は下記(4)の形態で前記接合部に接続する、請求項1〜10のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
(3)前記熱電変換素子A1側から偶数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない
(4)前記熱電変換素子A1側から奇数番目の接合部の少なくとも1つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない - 前記第2高熱伝導体の熱伝導率が10W/(m・K)以上である、請求項11に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第2高熱伝導体が金属材料および/またはセラミック材料を含む、請求項11または12に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第2高熱伝導体がカーボン材料を含む、請求項11〜13のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記第2高熱伝導体がヒートパイプである、請求項11〜14のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 更に放熱部材を備え、
前記第2高熱伝導体が前記放熱部材に接続する、請求項11〜15のいずれかに記載の熱電変換モジュール。 - 前記第2高熱伝導体が、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも1種の材料を介して前記放熱部材に接続する、請求項16に記載の熱電変換モジュール。
- 前記放熱部材の熱伝導率が10W/(m・K)以上である、請求項16または17に記載の熱電変換モジュール。
- 前記放熱部材が金属材料および/またはセラミック材料を含む、請求項16〜18のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記放熱部材がカーボン材料を含む、請求項16〜19のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 熱電変換モジュールと熱源とを備える発電システムであって、
前記熱電変換モジュールが請求項1〜20のいずれかに記載の熱電変換モジュールであり、
前記第1高熱伝導体が前記熱源に接続する、発電システム。 - 前記第1高熱伝導体が、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも1種の材料を介して前記熱源に接続する、請求項21に記載の発電システム。
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