JP5708174B2 - 熱電変換装置及びその製造方法 - Google Patents
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熱電変換装置の一態様は、熱を電気に変換する熱電変換装置であって、柔軟性の基板と、前記基板の主面に設けられており、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなり、表面に突起部が形成された接触板とを含み、前記接触板は、前記突起部が一部残るように前記基板内に埋没させて接合されており、隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙が形成されている。
熱電変換装置の製造方法の一態様は、熱を電気に変換する熱電変換装置の製造方法であって、柔軟性の基板の主面に、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなり、表面に突起部が形成された接触板を、前記突起部が一部残るように埋没させて接合し、隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙を形成する。
図1は、第1の実施形態による熱電変換装置の概略構成を示す模式図であり、(a)が平面図、(b)が(a)の破線I−I'に沿った断面図である。なお、図1(a)では、図面の見易さを考慮して、第2の基板を除いた状態を示している。
この熱電変換装置は、フィルム状基板1と、フィルム状基板1の内部に設けられた熱電変換部材2と、フィルム状基板1の第1の主面1a及び第2の主面1bに設けられた複数の突起部3a,3bとを備えて構成されている。
以下、上記のように構成された本実施形態による熱電変換装置に関して行った各種の実験結果について説明する。
本実施形態による熱電変換装置の発電量について、比較例との比較に基づいて調べた実験結果について説明する。
図3は、発電量を調べた際に用いた熱電変換装置を示す概略断面図であり、比較例を(a)に、第1の実施形態で適正圧力による場合を(b)に、第1の実施形態で過大な圧力による場合を(c)に、それぞれ示す。各図において、一例として、高温源11は100℃、低温源12は0℃とされている。
図4は、熱電変換装置の発電量を調べた結果を示す特性図であり、比較例の結果を(a)に、第1の実施形態で適正な圧力による結果を(b)に、第1の実施形態で過大な圧力による結果を(c)に、それぞれ示す。
本実施形態による熱電変換装置において、図3(b)のような良好な状態を保持するための、突起部3a,3bの突出量について、比較例との比較に基づいて調べた実験結果について説明する。この実験は、数値計算を用いた応力シミュレーションによるものである。
d=PL1L2 3/(2Eh3) (1)
v≧d=PL1L2 3/(2Eh3) (2)
上記のように突出量vを規定した突起部3a,3bを設けることにより、極めて高い熱伝導効率を実現して発電量を大幅に増加させる熱電変換装置を確実に得ることができる。
本実施形態による特定の構成とされた熱電変換装置において、熱電変換装置と熱源との間に付与するグリースの量を変え、実質的に撓み量に見立てて出力電圧を調べた実験結果について説明する。
この場合、数式(1)から算出される撓み量dは19μmである。突出量vは当該撓み量dよりも大きいため、フィルム状基板は変形するものの、空隙の底面が熱源と接触することはなく、熱電変換装置の良好な状態が保持される。
図7(c)の場合では、空隙がグリースで充填されてフィルム状基板と完全に接触し、ィルム状基板がグリースを介して熱源と熱的に接触した状態となっている。このときの出力電圧は6mV程度まで低下している。
以下、本実施形態による熱電変換装置の製造方法について説明する。
図9〜図13は、第1の実施形態による熱電変換装置の製造方法を工程順に説明する模式図である。図9の各図は断面図であり、図10〜図13において、(a)が平面図、(b)が(a)の破線I−I'に沿った断面図である。
詳細には、銅箔22をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、複数の突起部3aを形成する。突起部3aは、横幅1mm程度、縦幅1μm程度の大きさに形成される。
詳細には、突起部3aを一部埋め込むように、ポリイミド基材21上の突起部3a間の部位に熱硬化性の液状のポリイミドを滴下し、熱処理してポリイミド膜23を形成する。ポリイミド膜23は、その表面から突起部3aの一部が所期量だけ突出するように、例えば25μm程度の厚みに形成する。これにより、ポリイミド基材21及びポリイミド膜23から第1の基板1Aが構成される。突起部3aは、25μm程度が第1の基板1A内に埋め込まれ、第1の基板1Aの表面から35μm程度だけ突出する状態となる。突起部3aの突出部分3a1により、隣り合う突起部3aの第1の主面1aの領域には空隙10aが形成される。
詳細には、開口24aを有するメタルマスク24を、第1の基板1Aの裏面の上方に配置する。スパッタ法により、メタルマスク24の上方からP型半導体材料であるクロメルを堆積する。第1の基板1Aの裏面上で、メタルマスク24の開口24aに位置整合する部位にクロメルが堆積し、熱電変換部材のP型部材2aが形成される。
詳細には、開口25aを有するメタルマスク25を、第1の基板1Aの裏面の上方に配置する。スパッタ法により、メタルマスク24の上方からN型半導体材料であるコンスタンタンを堆積する。第1の基板1Aの裏面上で、メタルマスク25の開口25aに位置整合する部位にコンスタンタンが堆積し、熱電変換部材のN型部材2bが形成される。
詳細には、第1の基板1Aの裏面の上方で、隣接するP型部材2aとN型部材2bの間の部位に位置整合した開口26aを有するメタルマスク26を、第1の基板1Aの裏面の上方に配置する。スパッタ法により、メタルマスク26の上方からCuを0.3μm程度の厚みに堆積する。隣接するP型部材2aとN型部材2bの間にCuが堆積し、両者を電気的に接続する接続部2c,2dが形成される。P型部材2aとN型部材2bとの間は、接続部2cと接続部2dとで交互に接続される。P型部材2a及びN型部材2bは、接続部2c,2dで接続されて第1の基板1Aの裏面上で蛇行配置され、各端部には端子2e,2fが設けられて、熱電変換部材2が形成される。ここで、接続部2c、端子2e,2fの下方に突起部3aが位置する。
詳細には、第1の基板1Aの裏面上に、熱電変換部材2を挟持するように第2の基板1Bの裏面を、粘着性接着剤又は両面テープを用いて接合する。これにより、内部に熱電変換部材2を有する構成にフィルム状基板1が形成される。ここで、接続部2dの上方に突起部3bが位置する。
以上により、本実施形態による熱電変換装置が形成される。
以下、第1の実施形態の変形例について説明する。本例では、第1の実施形態と同様に熱電変換装置を開示するが、熱源が直接的に接触する接触板が付加されている点で相違する。
図13は、第1の実施形態の変形例による熱電変換装置を示す概略断面図であり、第1の実施形態の図1に対応している。
本実施形態では、第1の実施形態と同様に熱電変換装置を開示するが、突起部が接触板と一体形成されている点で、第1の実施形態の変形例と相違する。本実施形態では、熱電変換装置の構成をその製造方法と共に説明する。
図14及び図15は、第2の実施形態による熱電変換装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
詳細には、第1の実施形態の図10〜図12と同様の諸工程を、突起部を形成しない第1の基板1Aに対して実行する。これにより、第1の基板1Aの裏面上に熱電変換部材2が形成される。
詳細には、第1の基板1Aの裏面上に、熱電変換部材2を挟持するように、突起部を形成しない第2の基板1Bの裏面を、粘着性接着剤又は両面テープを用いて接合する。これにより、内部に熱電変換部材2を有する構成にフィルム状基板1が形成される。
詳細には、片面に突起部5aが一体形成された接触板5Aと、片面に突起部5bが一体形成された接触板5Bとを用意する。接触板5A,5Bは、フィルム状基板1の材料よりも熱伝導性の高い材料、例えばCu、Ag、Al又はこれらの合金等、ここではCuからなるものである。突起部5a,5bは、先端面に複数の針状突起6が櫛歯状に形成されている。針状突起6は、例えば25μm程度の高さに形成される。なお、突起部を接触板と異なる高熱伝導性材料で形成して接触板と接合し、一体形成するようにしても良い。
詳細には、フィルム状基板1の第1の主面1aに接触板5Aを、第2の主面1bに接触板5Bを、突起部5a,5bが一部残るように、それぞれ突起部5a,5bの針状突起6をフィルム状基板1に突き刺して埋没させる。これにより、フィルム状基板1に接触板5A,5Bが接合される。接触板5A,5Bの接合を強固に保つべく、針状突起6に予め接着剤等を塗布してフィルム状基板1に突き刺すようにしても良い。
柔軟性の基板と、
前記基板の主面に設けられた、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなる突起部と
を含み、
前記突起部は、前記主面から一部突出しており、隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙が形成されることを特徴とする熱電変換装置。
前記接触板は、前記突起部が一部残るように前記基板内に埋没させて接合されており、隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に前記空隙が形成されていることを特徴とする付記1に記載の熱電変換装置。
v≧d=PL1L2 3/(2Eh3)
により規定されていることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の熱電変換装置。
但し、隣り合う前記突起部間における前記基板の撓み量をd、前記突起部の幅をL1、平面視において隣り合う前記突起部間の隙間をL2、前記基板の厚みをh、当該熱電変換装置の等価縦弾性率をE、前記突起部の上面に加わる圧力をPとする。
前記熱電変換部材は、前記第1の部材と前記第2の部材との間が、第1の接続部と第2の接続部とで交互に接続されており、
前記第1の接続部に位置整合して前記第1の主面側の前記突起部が、前記第2の接続部に位置整合して前記第2の主面側の前記突起部がそれぞれ配置されることを特徴とする付記7に記載の熱電変換装置。
柔軟性の基板の主面に、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなる突起部を設けるに際して、前記突起部を前記主面から一部突出させ、隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙を形成することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
v≧d=PL1L2 3/(2Eh3)
により規定されていることを特徴とする付記9又は10に記載の熱電変換装置の製造方法。
但し、隣り合う前記突起部間における前記基板の撓み量をd、前記突起部の幅をL1、平面視において隣り合う前記突起部間の隙間をL2、前記基板の厚みをh、当該熱電変換装置の等価縦弾性率をE、前記突起部の上面に加わる圧力をPとする。
前記熱電変換部材は、前記第1の部材と前記第2の部材との間が、第1の接続部と第2の接続部とで交互に接続されており、
前記第1の接続部に位置整合するように前記第1の主面側の前記突起部を、前記第2の接続部に位置整合するように前記第2の主面側の前記突起部をそれぞれ配置することを特徴とする付記15に記載の熱電変換装置の製造方法。
1a 第1の主面
1b 第2の主面
1A 第1の基板
1B 第2の基板
2 熱電変換部材
2a P型部材
2b N型部材
2c,2d 接続部
2e,2f 端子
3a,3b,5a,5b 突起部
3a1,3b1 突出部分
4a,4b,5A,5B 接触板
6 針状突起
10a,10b 空隙
11 高温源
12 低温源
21 ポリイミド基材
22 銅箔
23 ポリイミド膜
24,25,26 メタルマスク
24a,25a,26a 開口
Claims (6)
- 熱を電気に変換する熱電変換装置であって、
柔軟性の基板と、
前記基板の内部に設けられた熱電変換部材と、
前記基板の主面に設けられた、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなる突起部と
を含み、
前記突起部は、前記基板内に一部埋設されると共に前記主面から一部突出しており、前記熱電変換部材の一部と離間して対向し、
隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙が形成されることを特徴とする熱電変換装置。 - 前記基板の前記主面に設けられた、前記突起部の突出部位と熱的に接触する接触板を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置。
- 熱を電気に変換する熱電変換装置であって、
柔軟性の基板と、
前記基板の主面に設けられており、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなり、表面に突起部が形成された接触板と
を含み、
前記接触板は、前記突起部が一部残るように前記基板内に埋没させて接合されており、隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙が形成されていることを特徴とする熱電変換装置。 - 前記突起部は、前記主面からの突出量vが、
v≧d=PL1L2 3/(2Eh3)
により規定されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電変換装置。
但し、隣り合う前記突起部間における前記基板の撓み量をd、前記突起部の幅をL1、平面視において隣り合う前記突起部間の隙間をL2、前記基板の厚みをh、当該熱電変換装置の等価縦弾性率をE、前記突起部の上面に加わる圧力をPとする。 - 熱を電気に変換する熱電変換装置の製造方法であって、
柔軟性の基板の主面に、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなる突起部を設けるに際して、前記突起部を前記基板内に一部埋設させると共に前記主面から一部突出させ、前記基板の内部に配置される熱電変換部材の一部と離間して対向するように配置し、
隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙を形成することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。 - 熱を電気に変換する熱電変換装置の製造方法であって、
柔軟性の基板の主面に、前記基板よりも熱伝導性の高い材料からなり、表面に突起部が形成された接触板を、前記突起部が一部残るように埋没させて接合し、
隣り合う前記突起部間における前記主面の領域に空隙を形成することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
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