JP4881000B2 - Thermoelectric conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、基板上に第1導体と第2導体を交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスに関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device in which the first conductor and the second conductor constitutes a thermocouple is provided alternately on the substrate.
温度差により発電するゼーベック効果を利用した熱電変換デバイスは、電子デバイスの供給電源や補助電源、及び、温度センサや赤外線センサ等として利用可能である。特許文献1には、可撓性を有する基板と、当該基板上に設けられた第1金属体と第2金属体とからなる熱電対と、熱電対が形成された基板を挟持する第1シート状部材および第2シート状部材とを備える熱電変換デバイスが提示されている。
A thermoelectric conversion device using the Seebeck effect that generates power due to a temperature difference can be used as a power supply or auxiliary power supply for an electronic device, a temperature sensor, an infrared sensor, or the like. In
より具体的には、図5に示すように、熱電対131が配置された電気絶縁性シート111が断面波形状に折り曲げられるとともに、電気絶縁性シート111は、第1シート状部材141及び第2シート状部材142により挟持されている。また、電気絶縁性シート111は、複数の頂部111aおよび複数の底部111bからなる屈曲部を備えており、屈曲部を挟む電気絶縁性シート111の斜傾部111c及び斜傾部111dと、第2シート状部材142の上面142aとの成す角が斜めになっている。
More specifically, as shown in FIG. 5, the electrically insulating
熱電対131は電気絶縁性シート111に直列接続されており、熱電対の第1金属体121と第2金属体122との接続点である第1接点137と、隣り合う熱電対131同士の接続点である第2接点138とを有している。熱電対131の第1接点137の各々は電気絶縁性シート111の頂部111aに位置するように配置され、熱電対131の第2接点138の各々は電気絶縁性シート111の底部111bに位置するように配置されている。
The
このような構造の熱電変換デバイスにおいて、第1金属体及び第2金属体は蒸着により電気絶縁性シートに形成されているが、蒸着は断面波形状に折り曲げられた電気絶縁性シートの表面に行うには、マスキング処理を行う必要があることから困難である。そのため、電気絶縁性シートの表面に第1金属体及び第2金属体を蒸着した後に、電気絶縁性シートを断面波形状に折り曲げるようにしている。
しかしながら、電気絶縁性シートの表面に第1金属体及び第2金属体を蒸着した後に、電気絶縁性シートを折り曲げるようにした場合、屈曲部に配置された第1金属体及び第2金属体には曲げ応力がかかる。第1金属体及び第2金属体を曲げ応力によって断線させないためには、曲げ応力を緩和する必要があり、そのためには電気絶縁性シートを折り曲げる角度を小さくする必要がある。その結果、電気絶縁性シートの屈曲部各々の間の距離d1が長くなる傾向にあり、熱電変換デバイスの集積度を上げる上でのボトルネックとなっていた。 However, when the electrical insulating sheet is bent after the first metal body and the second metal body are deposited on the surface of the electrical insulating sheet, the first metal body and the second metal body disposed in the bent portion Is subject to bending stress. In order not to break the first metal body and the second metal body due to the bending stress, it is necessary to relax the bending stress, and for that purpose, it is necessary to reduce the angle at which the electrical insulating sheet is bent. As a result, the distance d1 between the bent portions of the electrical insulating sheet tends to be long, which has become a bottleneck in increasing the degree of integration of thermoelectric conversion devices.
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、熱電対の断線を防止するとともに、熱電対の集積度の向上を図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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion device capable of preventing disconnection of a thermocouple and improving the integration degree of the thermocouple.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、基板上に第1導体と第2導体とを交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスにおいて、前記基板は複数あり、複数の基板は夫々面対向するように並べられ、前記第1導体と前記第2導体とは、第1導体及び第2導体に比して導電性の高い導電性部材を介して電気的に接続され、前記導電性部材のうち、隣り合う熱電対同士を接続する導電性部材は、前記第1導体及び前記第2導体に比して薄く形成され、前記基板において、前記薄く形成された導電性部材に対応する部分には、スリットが形成され、さらに、前記熱電対が形成された基板の周囲は断熱性を有する断熱性部材によって覆われているとともに、当該断熱性部材は、熱伝導性を有する熱伝導性部材によって覆われていることを要旨とする。
In order to solve the above-described problem, the invention described in
同構成によれば、従来の熱電変換デバイスの製造時に熱電対が形成された基板を折り曲げる際に生ずる曲げ応力を考慮する必要がないため、基板を並べる際に隣り合う基板との距離を小さくさせていっても熱電対の断線のおそれはなく、結果として、熱電対の断線を防止できるとともに、熱電変換デバイスの集積度を向上させることができる。
また、導電性部材における電気抵抗値を低くすることで、熱電変換デバイスが発電した電圧からより多くの電流を発生させることができ、熱電変換デバイスの熱電変換効率が上昇する。
さらに、熱源に熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源から発せられた熱は、熱源から遠い側の冷接点に伝導する場合には、熱源から近い側の温接点に伝導する場合に比してより長い距離、断熱性部材を移動しなければならない。従って、断熱性部材は熱を伝えにくいため、冷接点と温接点との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。
また、直接外部と接触する部分が熱伝導性を有する熱伝導性部材により覆われているため、熱源に当該熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源側の熱伝導性部材は熱を熱電変換デバイスに取り込み、熱源から離間した側の熱伝導性部材は熱を放熱する。その結果、冷接点と温接点との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。
According to this configuration, it is not necessary to consider bending stress generated when a substrate on which a thermocouple is formed during the manufacture of a conventional thermoelectric conversion device, so that the distance between adjacent substrates can be reduced when arranging the substrates. However, there is no fear of disconnection of the thermocouple, and as a result, disconnection of the thermocouple can be prevented and the degree of integration of the thermoelectric conversion device can be improved.
Moreover, by making the electrical resistance value in the conductive member low, more current can be generated from the voltage generated by the thermoelectric conversion device, and the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion device is increased.
Furthermore, when the thermoelectric conversion device is brought closer to the heat source, the heat generated from the heat source is more conductive when conducted to the cold junction on the side farther from the heat source than when conducted to the hot junction on the side closer to the heat source. The heat insulating member must be moved a long distance. Therefore, since the heat insulating member is difficult to transfer heat, the temperature difference between the cold junction and the hot junction becomes large, and the efficiency of power generation by the Seebeck effect of the thermoelectric conversion device can be increased.
In addition, since the portion directly in contact with the outside is covered with a heat conductive member having heat conductivity, when the thermoelectric conversion device is brought close to the heat source, the heat conductive member on the heat source side transfers heat to the thermoelectric conversion device. The heat conductive member on the side that is taken in and separated from the heat source dissipates heat. As a result, the temperature difference between the cold junction and the hot junction increases, and the power generation efficiency due to the Seebeck effect of the thermoelectric conversion device can be increased.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の構成に加え、前記複数の基板が、夫々平行に並べられていることを要旨とする。
同構成によれば、隣り合う基板が平行になっているため、隣り合う基板の距離をより小さくすることができ、熱電変換デバイスの集積度を一層向上させることができる。
The gist of the invention described in
According to this configuration, since the adjacent substrates are parallel, the distance between the adjacent substrates can be further reduced, and the degree of integration of the thermoelectric conversion devices can be further improved.
本発明の熱電変換デバイスは、熱電対の断線を防止できるとともに、熱電変換デバイスの集積度を向上させることができる。 The thermoelectric conversion device of the present invention can prevent disconnection of the thermocouple and can improve the integration degree of the thermoelectric conversion device.
本発明に係る熱電変換デバイスの実施形態を図1〜図4を参照して説明する。図1〜図3に記載のX軸はY−Z平面に対し垂直であり、Y軸はX−Z平面に対し垂直であり、Z軸はX−Y平面に対し垂直である。 An embodiment of a thermoelectric conversion device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3, the X axis is perpendicular to the YZ plane, the Y axis is perpendicular to the XZ plane, and the Z axis is perpendicular to the XY plane.
図1(c)に示すように、基板である複数の電気絶縁性シート11がX軸方向に等間隔になるよう並べられている。また、図1(b)に示すように、Y軸方向に長く形成された電気絶縁性シート11には、スリット12が形成されている。なお、電気絶縁性シート11は、例えばポリミドフィルムにより形成されている。また、図2(b)に示すように、隣り合う電気絶縁性シート11は、面11aと面11bが対向するとともに、平行になるように並べられている。
As shown in FIG.1 (c), the some electric insulation sheet |
図1(b)に示すように、面対向するように並べられた複数の電気絶縁性シート11の各々には、蛇行状をなす熱電対群13〜17が直列接続されて設けられている。そして、図1(a)、(b)に示すように、電気絶縁性シート11のY軸方向における左側端部に配置されている熱電対群13は、隣接する電気絶縁性シート11に形成されている熱電対群13と延性を有する導体からなるコネクタ18を介して電気的に接続されている。また、電気絶縁性シート11のY軸方向における右側端部に配置されている熱電対群17は、隣接する電気絶縁性シート11に形成されている熱電対群17とコネクタ18を介して電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1B, each of the plurality of electrically
次に、熱電対群13〜17の詳細な構成を図2(a)、(b)を参照して説明する。熱電対群13〜17は同じ構成であるので熱電対群14についてのみ説明する。図2(a)は、図1(b)において1点破線で囲んだ箇所の部分拡大図である。
Next, the detailed configuration of the
図2(a)に示すように、熱電対群14は、熱電対31〜34を備えている。熱電対31、32、33、34は、Y軸方向の左方から右方へ向けて順番に直列接続されている。各熱電対31〜34は、p型ビスマステルルからなる第1導体31a〜34aと、n型ビスマステルルからなる第2導体31b〜34bとを夫々備えている。また、熱電対31〜34は、第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bとを電気的に接続する第1導電性部材31c〜34cと第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bとを電気的に接続する第2導電性部材31d〜34dとを夫々備えている。第1導電性部材31c〜34cと第2導電性部材31d〜34dは、第1導体31a〜34a及び第2導体31b〜34bより導電性の高い金属(例えば金)により構成されるとともに、図2(b)に示すように、第1導体31a〜34a及び第2導体31b〜34bに比べ厚さの薄い膜状に形成されている。
As illustrated in FIG. 2A, the
第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bは、Z軸方向に向いて配置されているとともに、第1導電性部材31c〜34cと第2導電性部材31d〜34dはY軸方向に向いて配置されている。また、第1導体31aは、他の第1導体32a〜34aに比してZ軸方向において短く形成されているとともに、第2導体34bは、他の第2導体31b〜33bに比してZ軸方向において短く形成されている。また、第2導電性部材34dは、電気絶縁性シート11においてスリット12が形成されている部分に配置されている。これらの構成は熱電対群13〜17において共通する。
The
図2(a)、(b)に示すように、熱電対31〜34が形成された電気絶縁性シート11の周囲は透明シリコーンゴムからなる断熱性部材35によって覆われているとともに、断熱性部材35は、透明シリコーンゴムにグラファイトを混入してある熱伝導性部材36によって覆われている。断熱性部材35は、熱電対31〜34を被膜する密封性部材としても機能する。なお、第1導体31a〜34a及び第2導体31b〜34bと第1導電性部材31c〜34cとの接続部分を夫々第1接点37として示すとともに、第1導体31a〜34a及び第2導体31b〜34bと第2導電性部材31d〜34dとの接続部分を夫々第2接点38として示す。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the periphery of the electrically insulating
図2(a)、(b)に示すように、熱源40に熱電変換デバイスを近づけた場合、電気絶縁性シート11において、第1接点37と第2接点38とに温度差が生じ、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電が行われる。
As shown in FIGS. 2A and 2B, when a thermoelectric conversion device is brought close to the
次に、本実施形態のように構成された熱電変換デバイスの製造方法について図3、図4を参照して説明する。熱電変換デバイスは、第1〜第6工程を行うことにより製造されている。 Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion device comprised like this embodiment is demonstrated with reference to FIG. 3, FIG. The thermoelectric conversion device is manufactured by performing the first to sixth steps.
まず、初めに、図3に示すように、平板としての電気絶縁性シート10に第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bとを、第1導電性部材31c〜34c又は第2導電性部材31d〜34dを介して交互に直列に形成して、熱電対群13〜17を設ける。こうして直列に形成された熱電対群13〜17を熱電対列19と示す。同様にして、電気絶縁性シート10に、熱電対列19を並列に複数形成する。
First, as shown in FIG. 3, the
次に、第1工程について説明する。
図4(a)に示すように、第1工程においては、透明シリコーンゴムに架橋材を混入してある流動性の熱硬化性樹脂(樹脂部材)84を所定量流入して樹脂層を張る。流入する熱硬化性樹脂84の量は、製造する熱電変換デバイスの規格に応じて適宜変更する。
Next, the first step will be described.
As shown in FIG. 4A, in the first step, a predetermined amount of fluid thermosetting resin (resin member) 84 in which a crosslinking material is mixed in transparent silicone rubber is introduced to stretch the resin layer. The amount of the
次に、第2工程について説明する。
図4(b)に示すように、第2工程においては、熱電対列19が複数並列に設けられた電気絶縁性シート10を、第1過程において張られた樹脂層の上方に重ねる。
Next, the second step will be described.
As shown in FIG. 4B, in the second step, the electrically insulating
次に、第3工程について説明する。
図4(c)に示すように、第3工程は、第1工程及び第2工程を所定回数繰り返した後最後に第1工程を行い、その後に行う。第3工程においては、積層された熱硬化性樹脂84及び電気絶縁性シート10に対し、積層方向に圧縮する。
Next, the third step will be described.
As shown in FIG. 4C, in the third step, the first step and the second step are repeated a predetermined number of times, the first step is finally performed, and then the third step is performed. In the third step, the laminated
次に、第4工程について説明する。
第4工程においては、積層された熱硬化性樹脂84及び電気絶縁性シート10を加熱し、熱硬化性樹脂84を硬化させる。
Next, the fourth step will be described.
In the fourth step, the laminated
次に、第5工程について説明する。
図4(d)に示すように、積層された熱硬化性樹脂84及び電気絶縁性シート10を隣り合う熱電対列19の間、つまり、図3に2点破線で示す線に沿って切断する。その結果、図4(e)に示すような隣接する電気絶縁性シート10が夫々、面対向すると共に平行となる熱電変換デバイスが製造される。
Next, the fifth step will be described.
As shown in FIG. 4D, the laminated
以上に説明した本実施形態の熱電変換デバイスにおいては、以下に示す効果を得ることができる。
(1)熱電対群13〜17が形成された複数の電気絶縁性シート11を、夫々面対向するように並べるようにした。従って、従来の熱電変換デバイスの製造時に熱電対が形成された電気絶縁性シートを折り曲げる際に生ずる曲げ応力を考慮する必要がない。そのため、電気絶縁性シート11を並べる際に隣り合う電気絶縁性シート11との距離を小さくさせていっても熱電対群13〜17の断線のおそれはなく、結果として、熱電対群13〜17の断線を防止できるとともに、熱電変換デバイスの集積度を向上させることができる。
In the thermoelectric conversion device of the present embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) The plurality of electrically insulating
(2)隣り合う電気絶縁性シート11が平行になっているため、隣り合う電気絶縁性シート11との距離をより小さくすることができ、熱電変換デバイスの集積度を一層向上させることができる。
(2) Since the adjacent electrical insulating
(3)第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bが、第1導体31a〜34a及び第2導体31b〜34bより導電性の高い第1導電性部材31c〜34c及び第2導電性部材31d〜34dを介して電気的に接続されることとした。そのため、第1導電性部材31c〜34c及び第2導電性部材31d〜34dにおける電気抵抗値が低くなり、熱電変換デバイスが発電した電圧からより多くの電流を発生させることができ、熱電変換デバイスの熱電変換効率が上昇する。
(3) The first
(4)熱電対31〜34は、電気絶縁性シート11と断熱性部材35とにより被膜されため、熱電対31〜34が断熱性部材35により覆われて直接外気に触れないため、例えば、風、温度、湿度、パーティクル等の外部環境の影響を受けにくくなり、熱電変換デバイスの長寿命化や、稼動の安定化を図ることができる。
(4) Since the
(5)また、熱電変換デバイスにおけるスリット12を設けた部分は、熱電変換デバイスの他の部分に比して撓みやすくなっているため、応力が加わる可能性が高くなっている。電気絶縁性シート11においてスリット12が形成されている部分には第2導電性部材34dを配置した。第2導電性部材34dは第1導体31a〜34aや第2導体31b〜34bに比して薄く形成されているため、延性が向上しており断線が起こる可能性が抑制されることとなる。
(5) Moreover, since the part which provided the
(6)熱源40に熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源40から発せられた熱は、第2接点38に伝導する場合には、第1接点37に伝導する場合に比してより長い距離、断熱性部材35を移動しなければならない。断熱性部材35は熱を伝えにくいため、第1接点37と第2接点38との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。
(6) When the thermoelectric conversion device is brought close to the
(7)直接外部と接触する部分が熱伝導性を有する熱伝導性部材36により覆われているため、熱源40に当該熱電変換デバイスを近づけた場合、熱源40側の熱伝導性部材36は熱を熱電変換デバイスに取り込み、熱源から離間した側の熱伝導性部材36は熱を放熱する。その結果、第1接点37と第2接点38との温度差は大きくなり、熱電変換デバイスのゼーベック効果による発電の効率を高めることができる。
(7) Since the portion directly in contact with the outside is covered with the heat
(8)熱電対列19が並列に配置された電気絶縁性シート10と、熱硬化性樹脂84を交互に積層して熱電変換デバイスを製造することとした。従って、電気絶縁性シート10の間隔を狭くするとともに流入する熱硬化性樹脂84の量を少なくすることで、同一容量内に配置される電気絶縁性シート10の数を増加することができ、また、熱電対列19が形成された電気絶縁性シート10をそれぞれ平行になるように積層していくことができるため、容易に集積度の高い熱電変換デバイスを製造できる。また、製造過程において、電気絶縁性シート10に形成された熱電対列19に曲げ応力がかからないため、製造時における熱電対列19の断線を抑制することができる。
(8) The thermoelectric conversion device is manufactured by alternately laminating the electrically insulating
なお、本実施形態の構成要素は以下のように変更可能である。
・ 本実施形態においては、断熱性部材35は透明シリコーンゴムにより形成したが、これは他の断熱性を有する材料に変更可能であり、例えば発泡ウレタン等であってもよい。
In addition, the component of this embodiment can be changed as follows.
In the present embodiment, the
・ 本実施形態においては、電気絶縁性シート11および熱電対群13〜17の周囲を断熱性部材35及び熱伝導性部材36により覆う構成を示したが、これは従来の熱電変換デバイスのように、電気絶縁性シート11を2枚のシート状部材で挟持する構成に変更してもよい。
-In this embodiment, although the structure which covers the circumference | surroundings of the electrically insulating sheet |
・ 第1導電性部材31c〜34c及び第2導電性部材31d〜34dを介さずに第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bとを直接接続する構成にしてもよい。
・ 電気絶縁性シート11をポリミドフィルムにより形成したが、これは他の絶縁性を有する材料に変更してもよい。
The
-Although the electrically insulating sheet |
・ 第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bの材料は、熱電対として機能するものであれば他の材料を採用してもよい。すなわち、第1導体31a〜34aと第2導体31b〜34bは、互いに異なる材料で熱電変換が行える材料であればどのような材料を採用してもよい。特に、ゼーベック係数の差が大きな2種類の材料を用いるほど、熱電対の出力電圧(熱電変換効率)は大きくなる。また、熱電対を構成する一方の材料および他方の材料は、金属、半導体、合金、酸化物でもよい。
-The material of the
次に、上記実施形態およびその態様の変更から把握できる技術的思想について以下に追記する。
(イ)基板上に第1導体と第2導体とを交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスにおいて、前記第1導体と前記第2導体とは、第1導体及び第2導体に比して導電性の高い導電性部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする熱電変換デバイス。
Next, a technical idea that can be grasped from the above-described embodiment and changes in the aspect will be described below.
(A) In the thermoelectric conversion device in which the first conductor and the second conductor are alternately provided on the substrate to constitute the thermocouple, the first conductor and the second conductor are compared with the first conductor and the second conductor. The thermoelectric conversion device is electrically connected through a conductive member having high conductivity.
同構成によれば上記(3)に準ずる効果を奏することができる。
(ロ)基板上に第1導体と第2導体とを交互に設けて熱電対を構成した熱電変換デバイスにおいて、前記熱電対が形成された基板の周囲は断熱性を有する断熱性部材によって覆われているとともに、当該断熱性部材は、熱伝導性を有する熱伝導部材によって覆われていることを特徴とする熱電変換デバイス。
According to this configuration, it is possible to achieve an effect equivalent to the above (3).
(B) In the thermoelectric conversion device in which the first conductor and the second conductor are alternately provided on the substrate to constitute the thermocouple, the periphery of the substrate on which the thermocouple is formed is covered with a heat insulating member having heat insulating properties. In addition, the heat insulating member is covered with a heat conductive member having thermal conductivity.
同構成によれば上記(6)、(7)に準ずる効果を奏することができる。 According to this configuration, it is possible to achieve the same effects as the above (6) and (7).
11…電気絶縁性シート、31〜34…熱電対、31a〜34a…第1導体、31b〜34b…第2導体、31c〜34c…第1導電性部材、31d〜34d…第2導電性部材、35…断熱性部材(密封性部材)、36…熱伝導性部材、84…熱硬化性樹脂。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第1導体と前記第2導体とは、第1導体及び第2導体に比して導電性の高い導電性部材を介して電気的に接続され、
前記導電性部材のうち、隣り合う熱電対同士を接続する導電性部材は、前記第1導体及び前記第2導体に比して薄く形成され、
前記基板において、前記薄く形成された導電性部材に対応する部分には、スリットが形成され、
さらに、前記熱電対が形成された基板の周囲は断熱性を有する断熱性部材によって覆われているとともに、当該断熱性部材は、熱伝導性を有する熱伝導性部材によって覆われていることを特徴とする熱電変換デバイス。 In the thermoelectric conversion device in which the first conductor and the second conductor are alternately provided on the substrate to configure the thermocouple, the substrate is plural, and the plural substrates are arranged to face each other,
The first conductor and the second conductor are electrically connected via a conductive member having higher conductivity than the first conductor and the second conductor,
Among the conductive members, the conductive member connecting adjacent thermocouples is formed thinner than the first conductor and the second conductor,
In the substrate, a slit is formed in a portion corresponding to the thinly formed conductive member ,
Further, the periphery of the substrate on which the thermocouple is formed is covered with a heat insulating member having heat insulating properties, and the heat insulating member is covered with a heat conductive member having heat conductivity. A thermoelectric conversion device.
前記複数の基板は、夫々平行に並べられていることを特徴とする熱電変換デバイス。 The thermoelectric conversion device according to claim 1,
The thermoelectric conversion device, wherein the plurality of substrates are arranged in parallel.
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