JP5664326B2

JP5664326B2 - 熱電変換モジュール

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Publication number: JP5664326B2
Application number: JP2011036437A
Authority: JP
Inventors: 栗原　和明; 和明栗原; ▲琢▼也西野; 鈴木　貴志; 貴志鈴木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: US20120211044A1; JP2012174940A; US9142749B2

Description

開示の技術は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールに関する。

近年、ＣＯ２の削減及び環境保護の観点から、熱電変換素子が注目されている。熱電変換素子を使用することにより、今まで廃棄されていた熱エネルギーを電気エネルギーに変換して再利用することが可能になる。一つの熱電変換素子では出力電圧が低いため、通常は複数の熱電変換素子を直列に接続し、熱電変換モジュールとしている。

一般的な熱電変換モジュールは、２枚の伝熱板の間にｐ型熱電変換材料からなる多数の半導体ブロック（以下、ｐ型半導体ブロックという）と、ｎ型熱電変換材料からなる多数の半導体ブロック（以下、ｎ型半導体ブロックという）とを挟んだ構造を有している。ｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックは、伝熱板の面内方向に交互に並べられ、各半導体ブロック間に配置された金属端子により直列接続されている。直列接続された半導体ブロックの両端には、それぞれ引出電極が接続されている。

このような構造の熱電変換モジュールは、一つのｐ型半導体ブロックと、一つのｎ型半導体ブロックと、それらの間を接続する端子からなる熱電変換素子を複数直列に接続した構造とされている。一つのｐ型半導体ブロックと、一つのｎ型半導体ブロックと、それらの間を接続する端子からなる熱電変換素子は、その形状からπ型熱電変換素子と呼ばれている。

上述の熱電変換モジュールにおいて、２枚の伝熱板に温度差を与えると、ゼーベック効果によりｐ型半導体ブロックとｎ型半導体ブロックそれぞれの内部に電位差が発生し、引出電極から電力を取り出すことができる。熱電変換モジュールは、例えばセンサネットワークを構成するワイヤレスセンサノードや、各種の微小電力電子機器の電源としての応用が期待されている。このような応用の一つとして、人体に装着して、体温と外気の温度差で発電して、ウエアラブル電子機器の電源として利用することが考えられているが、このような用途では温度差が小さく、特に、外気温が高い場合、充分な出力が得られないという問題がある。

人体装着であることを想定し、汗の気化熱を利用した熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような、熱電変換モジュールでは、膜状の熱電材料を平面上に配置し、電極部の底部に設けられた貫通穴を通して汗を熱電変換モジュール裏面から表面に導き、電極部で汗を蒸発させることで蒸発潜熱による冷却効果で熱電材料に温度差を設け、発電している。

特開平０７−１１１３４５号公報

上述の熱電変換モジュールでは、汗の蒸発潜熱だけを利用していて、体温と外気の温度差を利用していないため、大きな温度差が得られず発電量が少ない。また、電極内に電解質を含む導電性の汗が流れるため、汗に熱起電力による電流が流れ、発電効率が落ちてしまう。

開示の熱電変換モジュールの一観点によれば、透水性及び熱伝導性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に配設された熱電変換素子と、前記第１の基板上で、前記熱電変換素子周囲の少なくとも一部の領域に配設された、透水性を有する断熱体と、前記熱変換素子及び前記断熱体上に配設され、透水性及び熱伝導性を有する第２の基板とを含む熱電変換モジュールが提供される。

開示の熱電変換モジュールによれば、体温と外気との温度差で発電する熱電変換モジュールにおいて、皮膚表面からの発汗を放熱板から気化させて、その気化熱により放熱板表面の温度を低下させることによって、熱電変換素子に与えられる温度差を体温と外気との温度差よりも増大させて、発電量を増加するという効果を奏する。

第一の実施形態の熱電変換モジュールの断面図である。吸熱板及び放熱板の斜視図である。熱電変換素子の斜視図と断面図である。第二の実施形態の熱電変換モジュールの断面図である。

以下に添付図面を参照して、本開示の技術に係る好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、開示の技術を適用した、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図を示す。第１の実施形態に係る熱電変換モジュール１は、熱電変換素子１０を、上下から吸熱板２と放熱板３とで挟み込んだ構造となっている。吸熱板２と放熱板３との間において、前記熱電変換素子１０の周囲には、断熱体４が配設されている。前記熱電変換素子１０が発電する電流を取り出すためのリード線１９、２０が、前記断熱体４の中を通り、断熱体４の端部から外部に導出されている。吸熱板２は、例えばサイズは３０×３０ｍｍで、厚さ数百μｍの銅板等の熱伝導性に優れた材料が挙げられる。吸熱板２の厚さを極めて薄くしているので、柔軟性を有している。

図２は、前記吸熱板２及び前記放熱板３の表面の斜視図を示す。図２に示す通り、前記吸熱板２と前記放熱板３の双方には、複数個の直径が約５０μｍの微細な貫通穴６が、上下方向に形成されており、貫通穴６の内壁も含め表面全体が親水性加工されている。親水性加工は、吸熱板２と放熱板３の表面、及び貫通穴６の内壁に、例えばアクリル酸３‐ヒドロキシプロピル等の親水性塗料を塗布することによって施される。または、プラズマ処理することにより、吸熱板２と放熱板３の表面、及び貫通穴６の内壁にＯＨ基を形成しても親水性の効果が得られる。

図３（ａ）は、熱電変換素子１０の斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）において、Ａ−Ａ’面での熱電変換素子１０の断面図を示す。熱電変換素子１０は、複数のｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３を、下側基板１１と上側基板１８とで上下から挟み込んだ構造になっている。下側基板１１には、例えばアルミナ等の絶縁基板が用いられ、前記下側基板１１上に、複数のｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３が、交互に並べて配置されている。

ｐ型半導体ブロック１２は、ｐ型熱電変換材料からなる半導体ブロックであり、ｎ型半導体ブロック１３は、ｎ型熱電変換材料からなる半導体ブロックである。隣接する一対のｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３において、下側基板１１と対向する各々の半導体ブロックの下端部は、下側電極１４により電気的に接続されている。前記隣接する一対のｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３のうち、一方のｐ型半導体ブロック１２においては、上側基板１８と対向する上端部は、別の一対のｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３のうち一方のｎ型半導体ブロック１３の上側基板１８側と対向する上端部と、上側電極１５により電気的に接続されている。

同様に、前記隣接する一対のｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３のうち他方のｎ型半導体ブロック１３においては、上側基板１８と対向する上端部は、さらに別の一対のｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３のうち一方のｐ型半導体ブロック１２の上側基板１８側と対向する上端部と、上側電極１５により電気的に接続されている。

下側電極１４と下側基板１１とは、例えば、焼成ペースト等の接合部材１６を用いて接合される。同様に、上側電極１５と上側基板１８とは、例えば、焼成ペースト等の接合部材１６を用いて接合される。

下側電極１４は、ｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３に、例えば半田等の接合部材１７を用いて接合される。同様に、上側電極１５は、ｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３に、例えば半田等の接合部材１７を用いて接合される。

このように、上側基板１１の上方には、複数のｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３が、ｐ型，ｎ型を交互に並べて配置され、それらが下側電極１４及び上側電極１５を介して直列に接続されている。ｐ型半導体ブロック１２、ｎ型半導体ブロック１３、下側電極１４及び上側電極１５によって構成される直列回路の末端には、前記直列回路からの
電流取り出しのためのリード線１９、２０が設けられている。

熱電変換素子１０を熱電変換モジュール１の中に組み込んだ状態では、下側基板１１と上側基板１８との間の、ｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３の間は、空気となり、断熱の効果をもつ。あるいは、ｐ型半導体ブロック１２、ｎ型半導体ブロック１３、下側電極１４及び上側電極１５が、断熱体４からの水分に晒されて劣化してしまうのを防ぐため、断熱性、絶縁性を有する樹脂等で封止してもよい。

尚、上記熱電変換素子１０の上側基板１１及び下側基板１８には、アルミナ（酸化アルミニウム，ＡｌＯ）の他に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基板を用いることができるし、表面にアルミナや酸化ケイ素やガラスなどの絶縁体膜を薄く被覆した金属（銅合金やアルミニウム合金など）も用いることができる。

また、ｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３には、例えば、それぞれＢｉＴｅ系のｐ型半導体及びｎ型半導体を用いることができる。ｐ型半導体には、例えば、ビスマス・アンチモン・テルル（Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３）を用いることができ、ｎ型半導体には、例えば、ビスマス・テルル・セレン（Ｂｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５）を用いることができる。

下側電極１４及び上側電極１５には、例えば、銅（Ｃｕ）又はＣｕを主体とするものを用いることができる。

接合部材１７には、例えば、ビスマス（Ｂｉ）−スズ（Ｓｎ）合金半田（Ｂｉ：５８％、Ｓｎ：４２％）又は当該合金半田を主体とするものを用いることができる。この場合、ｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３の端面には、半田との濡れ性及び半田との密着性を高めるために、ニッケル（Ｎｉ）めっきを形成しておいてもよい。

例えばサイズが５×５×２ｍｍの前記熱電変換素子１０が、前記吸熱板２の中央付近に配置され、前記吸熱板２に、はんだ接続されている。前記熱電変換素子１０の側面の周囲には、例えば親水性多孔質ポリエチレン等の透水性を有する断熱体４が配設されている。前記熱電変換素子１０及び断熱体４の上には、例えばサイズは３０×３０ｍｍで、厚さ数百μｍの放熱板３が配設され、前記熱電変換素子１０とはんだ接続されている。放熱板３の材料としては、例えば銅板等の熱伝導性に優れた材料が挙げられる。吸熱板２と同様に、放熱板３も厚さを極めて薄くしているので、柔軟性を有している。

本第１の実施形態に係る熱電変換モジュール１を、人の腕に装着させることで、熱電変換素子１０の下側基板１１は、吸熱板２を介して、体温が伝わり、体温とほぼ同等の温度になる。熱電変換素子１０の上側基板１８は、放熱板３を介して外気とほぼ同等の温度になる。よって、前記下側基板１１と前記上側基板１８とによって、挟み込まれたｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３の下端部は、前記下側基板１１から熱が伝わり体温とほぼ同等の温度になる。前記ｐ型半導体ブロック１２と前記ｎ型半導体ブロック１３の上端部には上側基板１８から熱が伝わり外気とほぼ同等の温度になる。

ｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３の下端部と上端部の間に温度差が発生すると、ｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３内で自由電子が移動する。ｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３とでは、材質が異なるため、ｐ型半導体ブロック１２内での自由電子の移動度とｎ型半導体ブロック１３内での自由電子の移動度も異なる。そこで、ｐ型半導体ブロック１２、ｎ型半導体ブロック１３、下側電極１４及び上側電極１５によって構成される直列回路の末端のリード線１９と２０とを接続して、ループ回路を構成する。その結果、ｐ型半導体ブロック１２内での自由電子の移動度とｎ型半導体ブロック１３内での自由電子の移動度の差によって、一定方向に電流が流れる。この現象は、ゼーベック効果と呼ばれている。

自由電子の移動とともに、熱伝導も発生するので、吸熱板２の熱は、熱電変換素子１０の下側基板１１、ｐ型半導体ブロック１２、ｎ型半導体ブロック１３、上側基板１８を介して放熱板３に伝わり、放熱板３から放出される。

吸熱板２も放熱板３も、その厚さは、極めて薄くしてあるので柔軟性を有する。その間に挟まれる断熱体４も柔軟性を有するため、熱電変換モジュール１全体として、柔軟性を有するため、人体表面に密着して張り付けることが可能となる。よって、体温を効率よく熱電変換素子１０に供給し、発電させることが可能となる。また、本第１の実施形態では、吸熱板２及び放熱板３のサイズを３０×３０ｍｍとし、熱電変換素子１０のサイズの５×５ｍｍの３６倍の面積にしているため、吸熱板３で吸熱した体温を熱電変換素子１０に効率良く伝え、放熱板３で、効率良く放熱することが可能である。

さらに、汗をかいている場合は、汗の中の水分が、毛細管現象によって吸熱板２の貫通穴に吸い上げられ、さらに親水性を有する断熱体４の中に浸透する。親水性のある断熱体４に浸透した水分は、毛細管現象によりさらに放熱板３の貫通穴６に吸い上げられ放熱板３の表面に導かれ、放熱板３の表面から蒸発させることができる。すると、放熱板３から気化熱が奪われて、放熱板３の温度が下がる。その結果、ｐ型半導体ブロック１２とｎ型半導体ブロック１３の両端の温度差が大きくなり、各々の半導体ブロック内での自由電子の移動量も増える。当然、ｐ型半導体ブロック１２内での自由電子の移動度とｎ型半導体ブロック１３内での自由電子の移動度の差も大きくなり、ループ回路に流れる電流も増える。貫通穴６を有する吸熱板２、貫通穴６を有する放熱板３、及び断熱体４は、透水性を有することになる。吸熱板２、断熱体４及び放熱板３は、熱電変換素子１０が発生する電力を増加させる。汗の中の水分は、親水性のある断熱体４を介して放熱板3の表面に導かれるため、熱電変換素子１０は、汗の中の水分に晒されることはない。よって、熱電変換素子１０の電極が、汗の中の塩分によって電極が腐食し、発電性能が劣化してしまうことは無い。

比較例として、熱電変換素子については第１の実施形態の熱電変換素子１０と同等の熱電変換素子を用い、断熱体に透水性の無い発泡ポリエチレンを用いた熱電変換モジュールを作製し、人の腕に装着させて発電出力を測定した。その結果、気温２０℃で静止している状態では第１の実施形態と比較例とでほとんど差は見られなかった。しかし気温３０℃で静止している状態では、第１の実施形態は比較例と比べて約２倍、さらに、歩行などの軽い運動時には約３倍、激しい運動時は約１０倍の発電出力の差があった。

なお、吸熱板２、放熱板３の材料としては、熱伝導率が高い材料が適しており、Ｃｕのほかに、アルミ、アルミ合金、グラファイトシート等を用いても良い。また、面内方向の熱伝導が重要であるため、上記の高熱伝導性材料と樹脂などの低熱伝導材料とを積層させたものでも構わない。

貫通穴６を設けた吸熱板２、放熱板３については、水分を透過する働きを有する他の手段に置き換えが可能である。例えば吸熱板２、放熱板３の全体を、金属粒子を焼結させた多孔質焼結体、または金属あるいはカーボンの繊維を固めもの、または金属あるいはカーボンの繊維を織り込んだもので構成しても良い。ただし、空隙率が高すぎると熱伝導率が大きく低下するため、透水性と熱伝導率のバランスを取ることが重要である。

断熱体４については、熱伝導率が小さい材料が適しており、ポリエチレン以外にも各種樹脂が利用できる。熱伝導率を下げるために、水分を透過させる上下に貫通した空隙以外にも上下に貫通しない微小な空洞があっても構わない。

続いて、開示の技術を適用した第２の実施形態に係る熱電変換モジュールについて説明する。図４は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュール７の断面図である。第２の実施形態に係る熱電変換モジュール７は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュール１に比べて放熱板３を図４に示す形状の放熱板８に変更している点を除いて、その他の構成要素は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュール１と同じである。

第２の実施形態に係る放熱板８は多孔質焼結体からなり、図４のごとく垂直方向に複数の板状の放熱部を設けたフィン形状に加工して表面積を増加させているため、放熱効果に優れている。焼結体とは、粉体に熱をかけて固めたもので、連続気孔を有する。親水性のある断熱体４に浸透した水分は、毛細管現象により連続気孔内に吸い上げられ放熱板８の表面に導かれ、蒸発させることができる。さらに、連続気孔の内面も含め、放熱板８の表面全体を親水性加工することにより、水分を吸い上げる効果を高めている。

なお、熱抵抗の低減および気化面積の拡大のために放熱板の表面積を大きくすることは発電出力を向上させるのに有効であり、フィン形状の他に、放熱板の表面に円柱を設けて柱形状にしたり、複数の溝を設けて表面をノコギリ形状にしても、発電出力を向上させることが可能である。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以上の実施形態１、２を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
透水性及び熱伝導性を有する第１の基板と、
前記第１の基板上に配設された熱電変換素子と、
前記第１の基板上で、前記熱電変換素子周囲に配設された、透水性を有する断熱体と、
前記熱電変換素子及び前記断熱体上に配設され、透水性及び熱伝導性を有する第２の基板と
を含むことを特徴とする熱電変換モジュール。
（付記２）
前記第１及び第２の基板、及び断熱体には、表裏に通じる貫通穴または、連続気孔が形成されている
ことを特徴とする付記１に記載の熱電変換モジュール。
（付記３）
前記第１及び第２の基板は、銅、アルミニウム、アルミ合金またはグラファイトからなる
ことを特徴とする付記２に記載の熱電変換モジュール。
（付記４）
前記第１または第２の基板は、粒子を焼結した多孔質焼結体、金属またはカーボンからなる繊維の固形体、または金属またはカーボンからなる繊維の織込み体で形成されている
ことを特徴とする付記１に記載の熱電変換モジュール。
（付記５）
前記第１及び第２の基板、及び断熱体の前記貫通穴の内壁、または、前記連続気孔の内壁は親水性を有する
ことを特徴とする付記２に記載の熱電変換モジュール。
（付記６）
前記断熱体は、多孔質ポリエチレンからなる
ことを特徴とする付記１乃至５のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
（付記７）
前記第２の基板表面には、複数の突起、または溝が形成されていることを特徴とする付記１に記載の熱電変換モジュール。
（付記８）
前記第１の基板、前記第２の基板、および前記断熱体は、柔軟性を有する
ことを特徴とする付記１に記載の熱電変換モジュール。
（付記９）
前記熱電変換素子は、２枚の伝熱板の間に２種の半導体ブロックを交互に直列接続したπ型熱電変換素子である
ことを特徴とする付記１乃至６のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
（付記１０）
前記熱電変換素子は樹脂封止されていることを特徴とする付記９に記載の熱電変換モジュール。

１、７熱電変換モジュール
２吸熱板
３、８放熱板
４断熱体
６貫通穴
１０熱電変換素子
１１下側基板
１２ｐ型半導体ブロック
１３ｎ型半導体ブロック
１４下側電極
１５上側電極
１６、１７接合部材
１８上側基板
１９、２０リード線

Claims

透水性及び熱伝導性を有する第１の基板と、
前記第１の基板上に配設された熱電変換素子と、
前記第１の基板上で、前記熱電変換素子周囲の少なくとも一部の領域に配設された、透水性を有する断熱体と、
前記熱電変換素子及び前記断熱体上に配設され、透水性及び熱伝導性を有する第２の基板と
を含み、
前記第１の基板には、表裏に通じる第１の貫通穴が形成され、
前記第２の基板には、表裏に通じる第２の貫通穴が形成され、
前記断熱体には、連続気孔が形成され、
前記第１の貫通穴の内壁、前記第２の貫通穴の内壁、または、前記連続気孔の内壁は親水性を有する
ことを特徴とする熱電変換モジュール。
前記熱電変換素子は、２枚の伝熱板の間に２種の半導体ブロックを交互に直列接続したπ型熱電変換素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。