JP6047413B2 - 熱電発電モジュール - Google Patents
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Description
(1)基板の主面方向に複数の熱電変換素子を電気的に直列接続しかつ放射状に配した熱電変換層を有し、
熱電変換層に接して、基板に近い側と遠い側にそれぞれ第1電極と第2電極を有し、第1電極は放射状の中心側に、第2電極は放射状の外周側に配されており、
熱電変換層と第1電極に接して第1断熱層を有し、
基板の主面との反対面には放熱層と第2断熱層を有し、放熱層は熱電変換層の中央部に、第2断熱層は放熱層の外周部に配されており、
基板の主面側に吸熱層と、該吸熱層と前記第2電極との間に配された第2熱伝導部とを有し、
熱電変換素子がp型半導体とn型半導体とで構成され、p型半導体とn型半導体が交互に放射状に配され、かつp型半導体とn型半導体とが電極によって順に電気的に直列接続され、
第1電極から第1熱伝導部を介して放熱層へと放熱の熱伝導経路を構成し、吸熱層から前記第2熱伝導部を介して第2電極へと吸熱の熱伝導経路を構成している
熱電発電モジュール。
(2)第1断熱層および第2断熱層が、ボイド構造を有する(1)に記載の熱電発電モジュール。
(3)ボイド構造の気孔率が、20体積%以上である(2)に記載の熱電発電モジュール。
(4)吸熱層の表面に粘着層を配した(1)〜(3)のいずれか1つに記載の熱電発電モジュール。
(5)粘着層を構成する樹脂が、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、スチレン樹脂、α−オレフィン樹脂、エチレン酢酸ビニルコポリマー樹脂、エポキシ樹脂またはスチレン−ブタジエンゴム樹脂である(4)に記載の熱電発電モジュール。
(6)粘着層の表面に不織布を有する(4)または(5)に記載の熱電発電モジュール。
(7)基板の主面とは反対面に接して接着層を有し、この接着層を介して放熱層と第2断熱層を有する(1)〜(6)のいずれか1つに記載の熱電発電モジュール。
(8)吸熱層を、接着層を介して第1断熱層上に有する(1)〜(7)のいずれか1つに記載の熱電発電モジュール。
(9)接着層の接着剤が、ホットメルト接着剤である(7)または(8)に記載の熱電発電モジュール。
(10)熱電変換層の出力部に電気的に接続される2次電池を実装した(1)〜(9)のいずれか1つに記載の熱電発電モジュール。
(11)2次電池に接続した電子機器を実装した(1)〜(10)のいずれか1つに記載の熱電発電モジュール。
基板1を貫通する第2熱伝導部15を介して熱電変換層3の放射状の中心側に接続するように接着層16を介して放熱層7が設けられている。また放熱層7の外周部には接着層16を介して断熱層8が設けられている。
さらに図2に示すように、上記放熱層7の放熱面7aには、放熱性を高めるため、冷却体9を設定してもよい。冷却体9としは、アルミニウム、銅等の熱伝導性に優れた金属で形成した放熱フィン9a、ポリアクリル酸ナトリウムと水やエチレングリコールをゲル状に形成した保冷剤9b、または、水、アルコール等の気化熱を利用した冷却剤9cなどを用いることができる。好ましくは、上記放熱フィン9a、上記保冷剤9bを用い、より好ましくはポリアクリル酸ナトリウムとエチレングリコールをゲル状に形成した保冷剤9bを用いる。
なお、接着層13を介さず断熱層4上に吸熱層5が直接設けられていてもよい。また、接着層16を介さず、基板1に放熱層7と断熱層8が直接設けられていてもよい。
より具体的には、p型半導体21としては、Bi(2−x)SbxTe3(ただし、0<x<2)、PbTe、Zn4Sb3、CeBi4Te6等が挙げられ、n型半導体としては、Bi2Te3、Bi2Te(3−y)Sey(ただし、0<y<3)、Mg2Si等が挙げられ、より好ましくは、P型半導体材料としてBi(2−x)SbxTe3(ただし、0<x<2)、n型半導体としてBi2Te(3−y)Sey(ただし、0<y<3)が挙げられる。
その他には、融点調整のために、アルミニウム、銅、銀など金属を0.1質量%以上20質量%以下含有してもよい。
断熱層4および断熱層8をボイド構造とすることで、機械的強度を維持した状態で断熱性が向上するとともに、絶縁性も向上するという効果が奏される。
また、皮膚のかぶれ防止の観点で、医療用ガーゼや不織布を上部に設けてもよい。例えば、不織布としてはポリオレフィン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエステル繊維等からからなる不織布を用いることがこのましい。このときの織布の厚みが20μm以上200μm以下であり、かつその坪量は200g/m2以上60g/m2以下であることが好ましい。
上記粘着層の測定方法は、JIS規格:JISZ0237 粘着テープ・粘着シート試験方法を用いて測定する。
このようにして、熱電変換素子2には高温側と低温側が生じるため、熱源の温度が人間や動物の体温程度低い温度であって、効率よく熱電発電することができる。
また熱電変換層3の熱電変換素子2の一方端(高温側)に熱伝導部14を介して吸熱層5が接続されていることで、熱電変換素子2の一方端(高温側)から集中して吸熱が進む。さらに、熱電変換層3の熱電変換素子2の他方端(低温側)に熱伝導部15を介して放熱層7が接続されていることで、熱電変換素子2の他方端(低温側)から集中して放熱が進むため。そのため、熱電変換素子2は、両端の温度差がより大きくなる。したがって、熱電変換層3による発電効率を高めることができる。
熱電発電モジュール10で発生した電力は直流電力であり、電圧が低いため、そのままでは電子機器等を駆動させる電力として用いることが難しい。そこで、DC−DCコンバーター31により熱電発電モジュール10で得られた電圧を昇圧する。例えば、4.0Vに昇圧する。
続いて、その昇圧した電圧で、2次電池33の充電および放電を制御する2次電池制御IC32を介して2次電池33としての薄膜固体2次電池に充電する。2次電池制御IC32は、図示はしていないが、充電用の直流電力を作る電源装置と、電池の充電を制御する充電制御回路からなる。
2次電池制御IC32を介して2次電池33としての薄膜固体2次電池から放電された電力をDC−DCコンバーター31に送り、DC−DCコンバーター31により電子機器(図示せず)で使用する電圧に変換して出力する。通常、電子機器の使用電圧は種々の電圧になっている。そこで、DC−DCコンバーター31により電子機器の使用電圧に降圧もしくは昇圧する。例えば3.3Vに変圧して出力する。
上記2次電池制御IC32には、例えば、リニアテクノロジー製 LTC4070、LTC4071、マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ製MAX17710等を用いることができる。
上記薄膜固体2次電池には、例えば、Infinite Power Solution製 MEC201、MEC220等を用いることができる。
図5に示すように、熱電発電モジュール10は、粘着層6(図1参照)を介して皮膚50に貼り付ける。したがって、粘着層6は、熱電発電モジュール10の表面側の全面に形成されていることが好ましい。
熱電発電モジュール10を構成する熱電発電装置20、二次電池33(例えば、薄膜固体2次電池)および電子機器40としての心電図モニター装置(41)は、フレキシブル基板(図示せず)上に2次電池制御IC32(図3、4参照)などを実装したケーブル35で接続されている。ケーブル35には、FPC(フレキシブルプリントサーキット)ケーブルやFFC(フレキシブルフラットケーブル)を用いる。また、心電図モニター装置41に接続されている電極42は、皮膚50に接着される。
貫通孔17の形成は、ドリル加工法、レーザーアブレーション法などにより行うことが好ましい。なお、必要に応じてデスミア処理を行ってもよい。
次に、貫通孔17内に熱伝導性に優れた材料を埋め込み、第2熱伝導部15を形成する。熱伝導性に優れた材料の埋め込み方法は、めっき加工、導電性ペースト等により行うことが好ましい。
もしくは、前述した金属を微粒子化し、バインダーと溶剤を添加した金属ペーストを用いても良い。金属ペースト用いた場合には、スクリーン印刷法、ディスペンサー法による印刷法を用いることができる。印刷後、乾燥のための加熱や、バインダーの分解や金属の焼結のための加熱処理を行ってもよい。
前述したように、p型半導体21としては、Bi(2−x)SbxTe3(ただし、0<x<2)、PbTe、Zn4Sb3、CeBi4Te6等が挙げられ、n型半導体としては、Bi2Te3、Bi2Te(3−y)Sey(ただし、0<y<3)、Mg2Si、等が挙げられ、より好ましくは、P型半導体材料としてBi(2−x)SbxTe3、n型半導体としてBi2Te(3−y)Seyが挙げられる。
その形成方法は、リフトオフ法を用いたスパッタ法やイオンプレーティング法、メタルマスクを用いたスパッタ法やイオンプレーティング法により行うことが好ましい。
熱電変換素子2のアニール処理は、熱電変換素子2の結晶化度を高めて熱電変換性能を向上させるために有用な処理である。
アニール処理時の雰囲気については、不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、窒素ガスを用いることができる。熱電変換素子2の還元を行いたい場合には、アルゴン/水素、窒素/水素ガスなどを用いることができる。この時の圧力は、特に限定的ではなく、減圧、大気圧、加圧のいずれでもよい。
アニール処理時間は、熱電変換素子2の大きさや厚さなどによって異なるが、熱電変換素子2の結晶化が十分に進行するまで行えばよく、通常、10分以上12時間以下、好ましくは1時間以上4時間以下の処理時間とすればよい。
塗布後は、必要に応じて乾燥処理を行う。例えば、熱風を吹き付けることにより溶媒を揮発、乾燥させることができる。
また、吸熱層5表面に粘着層6を貼り付ける。粘着層6には、前述した材料を用いることが好ましい。
上記接着層13の形成は、スクリーン印刷法、ブレードコート法、ダイコート法、ディスペンサー法により行うことが好ましい。また吸熱層5は、接着層13に圧着して接着する。さらに、粘着層6は、吸熱層5に圧着して接着する。
さらに、基板1の裏面側には、接着層16を形成する。接着層16の形成方法は上述の接着層13と同様な方法を採用することができる。さらに接着層16に放熱層7を圧着して接着し、断熱層8を圧着して接着する。放熱層7および断熱層8は前述した材料を用いることが好ましい。
2 熱電変換素子
3 熱電変換層
4 断熱層
5 吸熱層
6 粘着層
7 放熱層
8 断熱層
9 冷却体
10 熱電発電モジュール
11 電極(第1電極)
12 電極(第2電極)
13,16 接着層
14 第2熱伝導部
15 第1熱伝導部
17 貫通孔
18 開口
20 熱電発電装置
31 DC−DCコンバーター
32 2次電池制御IC
33 2次電池
35 ケーブル
40 心電図モニター装置
41 電極
50 皮膚
Claims (11)
- 基板の主面方向に複数の熱電変換素子を電気的に直列接続しかつ放射状に配した熱電変換層を有し、
前記熱電変換層に接して、前記基板に近い側と遠い側にそれぞれ第1電極と第2電極を有し、該第1電極は前記放射状の中心側に、該第2電極は前記放射状の外周側に配されており、
前記熱電変換層と前記第1電極に接して第1断熱層を有し、
前記基板の主面との反対面には放熱層と第2断熱層を有し、該放熱層は前記熱電変換層の中央部に、該第2断熱層は該放熱層の外周部に配されており、
前記基板の主面側に吸熱層と、該吸熱層と前記第2電極との間に配された第2熱伝導部とを有し、
前記熱電変換素子がp型半導体とn型半導体とで構成され、該p型半導体と該n型半導体が交互に放射状に配され、かつ該p型半導体と該n型半導体とが前記電極によって順に電気的に直列接続され、
前記第1電極から第1熱伝導部を介して前記放熱層へと放熱の熱伝導経路を構成し、前記吸熱層から前記第2熱伝導部を介して前記第2電極へと吸熱の熱伝導経路を構成している
熱電発電モジュール。 - 前記第1断熱層および第2断熱層が、ボイド構造を有する請求項1に記載の熱電発電モジュール。
- 前記ボイド構造の気孔率が、20体積%以上である請求項2に記載の熱電発電モジュール。
- 前記吸熱層の表面に粘着層を配した請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電発電モジュール。
- 前記粘着層を構成する樹脂が、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、スチレン樹脂、α−オレフィン樹脂、エチレン酢酸ビニルコポリマー樹脂、エポキシ樹脂またはスチレン−ブタジエンゴム樹脂である請求項4に記載の熱電発電モジュール。
- 前記粘着層の表面に不織布を有する請求項4または5に記載の熱電発電モジュール。
- 前記基板の主面とは反対面に接して接着層を有し、この接着層を介して前記放熱層と前記第2断熱層を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電発電モジュール。
- 前記吸熱層を、接着層を介して前記第1断熱層上に有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱電発電モジュール。
- 前記接着層の接着剤が、ホットメルト接着剤である請求項7または8に記載の熱電発電モジュール。
- 前記熱電変換層の出力部に電気的に接続される2次電池を実装した請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱電発電モジュール。
- 前記2次電池に接続した電子機器を実装した請求項1〜10のいずれか1項に記載の熱電発電モジュール。
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