JP3981738B2 - Thermoelectric conversion element - Google Patents
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本発明は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子に関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element that converts heat into electricity using a temperature difference.
従来、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子として、例えばBi−Te系の半導体を利用したものが知られている。この半導体を利用した熱電変換素子は、例えば図3に示すように、P型半導体10とN型半導体20を接合して電気的に接続し、接合側を高温にさらすとともに分岐側を低温にさらすことにより、その温度差を利用して発電することができるものである。また、従来より時計等に用いられている熱電変換素子の構造は、例えば図4に示すように、P型半導体10やN型半導体20である溶製材または焼結材をブロック状に切り出し、セラミックス等の基板40上に電極30を介して配列したものが知られている。(特許文献1、2、3参照)
しかしながら、前記従来例の熱電変換素子は、機械的強度が低く加工性が悪い。従って、自動化が困難で大量生産が困難である。また、基板に高硬度のものを使用するため、柔軟性が悪く曲面箇所等への設置が困難であり、設置箇所が制限される。(特許文献2、3参照)
また、前記問題点を解決するために、図5に示すように、基板40に柔軟性を有するポリイミド製のフィルムを使用したものがある。(特許文献1参照)しかしながら、この場合においては、発電効率が悪いという問題がある。
However, the thermoelectric conversion element of the conventional example has low mechanical strength and poor workability. Therefore, automation is difficult and mass production is difficult. In addition, since a substrate having a high hardness is used, the flexibility is poor and it is difficult to install on a curved surface or the like, and the installation location is limited. (See
Moreover, in order to solve the said problem, as shown in FIG. However, in this case, there is a problem that power generation efficiency is poor.
解決しようとする課題は、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供するという点である。 The problems to be solved are high mechanical strength, excellent workability, easy automation, easy mass production, installation on curved surfaces, etc. This is to provide a high thermoelectric conversion element.
本発明は、前記課題を解決するために、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子であって、P型材料からなる薄膜のP型熱電素子とN型材料からなる薄膜のN型熱電素子とで構成された熱電変換モジュールの両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設け、熱伝導率の高い材料が前記基板の外面の一部分に位置するように構成したことを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a thermoelectric conversion element that converts heat into electricity using a temperature difference, and includes a thin P-type thermoelectric element made of P-type material and a thin-film made of N-type material. Provided on both sides of a thermoelectric conversion module composed of an N-type thermoelectric element is a flexible film-like substrate composed of two or more materials having different thermal conductivities, and a material having a high thermal conductivity is provided on the substrate. It is configured to be located on a part of the outer surface.
また、請求項1に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の異なる材料のうち熱伝導率の低い方は少なくとも絶縁体であることを特徴とするものである。
Further, in the thermoelectric conversion element according to
また、請求項1に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の低い材料が前記熱電変換モジュール側に位置するように構成したことを特徴とするものである。
The thermoelectric conversion element according to
また、請求項1〜請求項3に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の低い材料がポリイミドなどの樹脂であり、前記熱伝導率の高い材料が銅などの金属であることを特徴とする熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to
本発明の熱電変換素子は、P型材料からなる薄膜のP型熱電素子とN型材料からなる薄膜のN型熱電素子とで構成された熱電変換モジュールの両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設け、熱伝導率の高い材料が前記基板の外面の一部分に位置するように構成したので、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供することができる。 The thermoelectric conversion element of the present invention has two or more kinds of thermal conductivity on both sides of a thermoelectric conversion module composed of a thin P-type thermoelectric element made of P-type material and a thin-film N-type thermoelectric element made of N-type material. Since a flexible film-like substrate composed of different materials is provided and a material having high thermal conductivity is located on a part of the outer surface of the substrate, the mechanical strength is high, and the workability is excellent. Accordingly, it is possible to provide a thermoelectric conversion element with high power generation efficiency that can be easily automated, mass-produced, can be installed on a curved surface, and does not limit the installation location.
本発明の熱電変換素子は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子であって、P型材料からなる薄膜のP型熱電素子とN型材料からなる薄膜のN型熱電素子とで構成された熱電変換モジュールの両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設け、熱伝導率の高い材料が前記基板の外面の一部分に位置するように構成したものである。このように構成することにより、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供することができる。 The thermoelectric conversion element of the present invention is a thermoelectric conversion element that converts heat into electricity using a temperature difference, and is a thin P-type thermoelectric element made of P-type material and a thin-film N-type thermoelectric element made of N-type material A flexible film-like substrate composed of two or more types of materials having different thermal conductivities is provided on both sides of the thermoelectric conversion module composed of the above, and a material having a high thermal conductivity is provided on a part of the outer surface of the substrate. It is comprised so that it may be located. With this configuration, the mechanical strength is high, the workability is excellent, the automation is easy, the mass production is easy, the installation on a curved surface is possible, and the installation location is not limited. A high thermoelectric conversion element can be provided.
本発明の一実施例について、図1に基づき説明する。図1に示した熱電変換素子は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子であり、P型材料からなる薄膜のP型熱電素子1とN型材料からなる薄膜のN型熱電素子2とを直列接続となるように成膜し、その両側に電極3を成膜して熱電変換モジュール6を構成し、この熱電変換モジュール6の両面に2種類の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板4、5を設けたものである。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The thermoelectric conversion element shown in FIG. 1 is a thermoelectric conversion element that converts heat into electricity using a temperature difference, and is a thin P-type
フィルム状基板4、5は、熱電変換モジュール6側に熱伝導率の低い材料41、51を設け、この熱伝導率の低い材料41、51として絶縁体であるポリイミドなどの樹脂を用いた。
For the film-
また、フィルム状基板4、5は、熱電変換モジュール6の接合面と反対側に、熱伝導率の高い材料42、52が基板4、5の外面の一部分に位置するように設け、この熱伝導率の高い材料42、52として銅などの金属を用いた。
Further, the film-
フィルム状基板4、5の材料選定においては、材料が安価で入手が容易であること、柔軟性が高いこと、加工が容易であることなどから、熱伝導率の低い材料41、51として絶縁体であるポリイミドを選定し、熱伝導率の高い材料42、52として銅を選定した。
In selecting materials for the film-
以上のように、熱電変換モジュール6の両面に熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板4、5を設けたが、これは基板4、5の上下面に温度差を加えた時の各層の熱流束の違いから基板4、5内部に温度差を生じさせるためである。
As described above, the flexible film-
そして、フィルム状基板4、5は、熱電変換モジュール6側に熱伝導率の低い材料41、51を設け、熱電変換モジュール6の接合面と反対側に、熱伝導率の高い材料42、52が基板4、5の外面の一部分に位置するように設けることで、基板4、5の厚さ方向の温度勾配を、基板4、5の面内方向の温度勾配に効率よく変換することができる。この温度勾配を利用して、熱電変換モジュール6で効率良く発電を行うことができる。
The film-
次に、熱電変換素子の下面に熱を加えた際の、熱電変換素子の上下面温度差と熱電変換モジュール6の内面温度差についてシミュレーション及び実測した結果を図2に示す。実測値(図中*印)とシミュレーション値(図中実線)はほぼ一致した。上下面温度差54℃で内面温度差16.3℃が発生した。この際の熱電変換モジュール6の膜厚は4μm、ポリイミド41、51の膜厚は25μm、銅42、52の膜厚は12μmである。なお、銅42、52は、基板4、5の外面の面積の約半分に設定した。
Next, FIG. 2 shows the results of simulation and actual measurement on the temperature difference between the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion element and the inner surface temperature of the
本発明の熱電変換素子を、例えば5140個集積した場合の発電は、電力7.46mWと想定される。この場合、熱電材料(熱電素子)に希土類材料CePd3−YbPdを使用した。 For example, power generation when 5140 thermoelectric conversion elements of the present invention are integrated is assumed to have an electric power of 7.46 mW. In this case, the rare earth material CePd3-YbPd was used for the thermoelectric material (thermoelectric element).
以上の説明では、熱電変換モジュール6の両面に2種類の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板4、5について説明したが、基板4、5には、種々の条件によっては、3種類以上の熱伝導率の異なる材料を使用した方が、基板4、5の厚さ方向の温度勾配を、基板4、5の面内方向の温度勾配に、より効率よく変換することができる場合がある。これにより熱電変換モジュール6でより効率良く発電を行うことができる。
In the above description, the flexible film-
以上のように本発明の熱電変換素子は、柔軟なフィルム状基板4、5を用いるので、熱電変換モジュール6への熱ショック等を緩和でき、機械的強度を高めることができ、薄膜プロセス、印刷プロセスを利用して製造プロセスの自動化、簡略化が可能となり、大面積化が可能となるなどの利点を有することができる。また、パイプなど曲面への設置が可能となり、従来の熱電変換素子では設置が困難であった箇所への設置も可能である。さらに、フィルム状基板4、5は、熱電変換モジュール6側に熱伝導率の低い材料41、51を設け、熱電変換モジュール6の接合面と反対側に、熱伝導率の高い材料42、52が基板4、5の外面の一部分に位置するように設けることで、基板4、5の厚さ方向の温度勾配を、基板4、5の面内方向の温度勾配に効率よく変換することができる。この温度勾配を利用して、熱電変換モジュール6で効率良く発電を行うことができる。つまり、本発明の熱電変換素子は、P型材料からなる薄膜のP型熱電素子1とN型材料からなる薄膜のN型熱電素子2とで構成された熱電変換モジュール6の両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板4、5を設け、熱伝導率の高い材料42、52が前記基板4、5の外面の一部分に位置するように構成したので、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供することができる。
As described above, since the thermoelectric conversion element of the present invention uses the flexible film-
1 P型熱電素子
2 N型熱電素子
4 基板
5 基板
6 熱電変換モジュール
42 熱伝導率の高い材料
52 熱伝導率の高い材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 P type thermoelectric element 2 N type thermoelectric element 4 Board |
Claims (4)
The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein the material having a low thermal conductivity is a resin such as polyimide, and the material having a high thermal conductivity is a metal such as copper. A thermoelectric conversion element.
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