JP6134658B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ゼーベック効果による熱電発電を行う熱電変換モジュールに関する。

熱電変換モジュールは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。

このような熱電変換モジュールは、一般的に、複数個の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。このような熱電変換モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている熱電変換モジュールは、一対の基板と、一方の端部が当該基板の一方に配置される第１電極と電気的に接続され、他方の端部が当該基板の他方に配置される第２電極と電気的に接続される複数の熱電変換素子と、当該熱電変換素子に電気的に接続される第１電極を、隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第２電極に、電気的に接続する接続部とを備えている。

特開２０１３−１１５３５９号公報

しかしながら、近年の熱電変換モジュールの使用用途の拡大、及び使用される各種機器の小型化に応じて、熱電変換モジュールの一層の高性能化、小型化、設置場所の自由度の向上が要求されているが、従来の構造の熱電変換モジュールでは、これらの要求を十分に対応することが困難であった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高性能化を図りつつ、小型化及び設置場所の自由度の向上を図ることができる熱電変換モジュールを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換モジュールは、絶縁性を備える多孔質の絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの第１表面に形成された薄膜状の熱電変換素子と、を有し、前記第１表面は、前記第１表面とは反対側に位置する第２表面に対して傾斜した面を含み、前記絶縁フィルムは、前記第１表面と前記第２表面との距離が短い部分ほど密度が大きいことを特徴とする。

上述した熱電変換モジュールにおいて、前記絶縁フィルムは、平坦なフィルム部材を圧縮することにより形成されていてもよい。

上述したいずれかの熱電変換モジュールにおいて、前記第１表面が前記第２表面に対して一定の角度にて傾斜していてもよく、前記第１表面が湾曲していてもよく、又は、前記絶縁フィルムが前記第１表面側に樋状の凹部を備えていてもよい。また、これらに代えて、前記熱電変換素子が、形状が同一である２つの前記絶縁フィルムによって挟持されていてもよい。

本発明に係る熱電変換モジュールによれば、高性能化を図りつつ、小型化及び設置場所の自由度の向上を図ることができる。

実施例に係る熱電変換モジュールの製造工程における断面図である。 実施例に係る熱電変換モジュールの製造工程における断面図である。 実施例に係る熱電変換モジュールの製造工程における断面図である。 実施例に係る熱電変換モジュールの製造工程における断面図である。 実施例に係る熱電変換モジュールの使用状態を示す断面図である。 変形例に係る熱電変換モジュールの断面図である。 変形例に係る熱電変換モジュールの断面図である。 変形例に係る熱電変換モジュールの断面図である。 変形例に係る熱電変換モジュールの断面図である。 変形例に係る熱電変換モジュールの断面図である。

以下、図面を参照し、本発明による熱電変換モジュールの実施の形態について、実施例及び変形例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例及び変形例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による熱電変換モジュール又はその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例及び変形例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜実施例＞
（熱電変換モジュールの製造方法）
以下において、図１及び図４を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。ここで、図１乃至４は本実施例に係る熱電変換モジュールの製造工程における断面図である。

先ず、図１に示すように、絶縁性及び多孔質性を備える平坦なフィルム部材（発泡体）である絶縁フィルム１を準備する。絶縁フィルム１には、例えば、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、アラミド、ポリイミド、若しくはポリウレタン等の高分子系のフィルム、又はセラミックからなるフィルムを用いることができる。絶縁フィルム１の膜厚は、例えば、約２０μｍ、約５０μｍ、約１８０μｍ、又はそれ以上から適宜選択可能である。

次に、図２に示すように、絶縁フィルム１に対して、円柱状のローラ２を押し当てつつ回転移動させ、絶縁フィルム１の全体を圧縮する。より具体的には、ローラ２を絶縁フィルム１の表面に対して傾斜させて押し当て、絶縁フィルム１の第１端部１ａから第２端部２ｂに向かって圧縮量を徐々に減少させるようにする。

このような圧縮行程を経ると、図３に示すように、絶縁フィルム１の断面が三角形状となる。すなわち、絶縁フィルム１の第１表面１ｃは、第１表面１ｃとは反対側に位置する第２表面１ｄに対して一定の角度にて傾斜することになる。換言すれば、圧縮後の絶縁フィルム１においては、第１端部１ａから第２端部１ｂに向かうにつれ、第１表面１ｃと第２表面１ｄとの距離が徐々に長くなっている。ここで、圧縮量が多いほど密度が大きくなるため、第１表面１ｃと第２表面１ｄとの距離が短い部分ほど密度が大きくなる。すなわち、第２端部１ｂから第１端部１ａに向かうにつれ、密度が大きくなる。

次に、図４に示すように、一般的なメッキ技術又は真空蒸着技術を用いて、絶縁フィルム１の第１表面に薄膜状の熱電変換素子３を形成する。図４には示していないものの、熱電変換素子３は、複数のＰ型半導体（熱電変換材料）、及び複数のＮ型半導体（熱電変換材料）が交互に並設されている。また、Ｐ型半導体、及びＮ型半導体の一端は絶縁フィルム１の第１端部１ａ側に位置し、他端は絶縁フィルム１の第２端部１ｂ側に位置している。更に、Ｐ型半導体、及びＮ型半導体の端部は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが直列又は並列に接続されるように、電極（図示せず）によって電気的に接続されている。

以上の工程を経て、熱電変換モジュール１０の形成が完了する。

（熱電変換モジュールの使用態様及び効果）
次に、図５を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１０の使用態様について説明する。ここで、図５は、本実施例に係る熱電変換モジュール１０の使用状態を示す断面図である。

図５に示すように、熱電変換モジュール１０は、熱源１１に対して第２表面１ｄが近接するように配置される。すなわち、熱電変換モジュール１０は、第２表面１ｄ側から熱が供給されることになる。ここで、熱電変換モジュール１０の絶縁フィルム１は、厚みに応じて密度が異なり、密度が大きい部分ほど、熱伝導率が高くなっている。すなわち、絶縁フィルム１においては、第１端部１ａから第２端部１ｂに向かって徐々に熱伝導率が低くなっている。従って、第１端部１ａ側においては、熱源１１の熱が熱電変換素子３に到達しやすく、第２端部１ｂ側においては、熱源１１の熱が熱電変換素子３に到達しにくくなっている。これにより、熱電変換素子３においては、絶縁フィルム１の第１端部１ａ側に位置する一端部が高温となり、絶縁フィルム１の第２端部１ｂ側に位置する他端部が低温となり、かかる温度差による起電力が生じることになる。

上述したように、本実施例に係る熱電変換モジュール１０の熱電変換素子３における温度差は、絶縁フィルム１の構造に起因して生じるため、熱電変換素子３における温度差のバラツキが生じにくく、安定した熱電発電を行うことができる。すなわち、熱電変換モジュール１０の性能を向上させ、高い信頼性を実現することができる。

また、熱電変換素子３が絶縁体である絶縁フィルム１上に形成されているため、熱電変換モジュール１０の絶縁すべき部分において、良好な絶縁特性を確保することができる。更に、熱電変換素子３の端部ではなく、主表面が絶縁フィルム１の第１表面１ｃに接触しているため、熱電変換素子３と絶縁フィルム１との接合面積が大きくなり、熱電変換素子３と絶縁フィルム１との優れた接合特性を確保することができ、熱電変換モジュール１０自体の接合強度を向上することができる。換言すれば、熱電変換モジュール１０においては、熱電変換素子３を構成するＮ型半導体及びＰ型半導体の寸法バラツキが生じたとしても、熱電変換素子３と絶縁フィルム１と接合不良が生じることがなく、熱電変換モジュール１０の信頼性を向上することができる。

そして、本実施例に係る熱電変換モジュール１０は、絶縁フィルム１上に熱電変換素子３が形成されているという比較的に簡易な構造を備えているため、製造コスト及び製造時間の低減を容易に図ることができる。特に、本実施例に係る熱電変換モジュール１０は、フィルム状に形成されているため、フレキシブルであり且つ小型化されているため、様々な場所に容易に設置することができる。

以上のように、本実施例に係る熱電変換モジュール１０は、高性能化を図りつつ、小型化及び設置場所の自由度の向上を図ることができる。

＜変形例＞
上述した実施例においては、熱電変換素子３の形成面とは反対側に位置する第２表面１ｄ側に熱源１１を設置する構成を想定したが、熱源１１を第１表面１ｃ側に設置してもよい。このような場合には、第２表面１ｄ側に冷却装置を配置し、第１表面１ｃと第２表面１ｄとの距離が長い部分に比して短い部分を効率よく冷却し、第１端部１ａから第２端部１ｂに向かうにつれて温度が上昇するようにしてもよい。

また、上述した実施例においては、絶縁フィルム１の断面が三角形となるように、平坦なフィルム部材を圧縮していたが、圧縮後の形状は三角形に限定されることはない。例えば、図６及び図７に示すように、絶縁フィルム１の第１表面を湾曲させてもよい。より具体的には、図６に示すように、第１表面１ｃが外側に向けて突出するように湾曲してもよく、図７に示すように、第１表面１ｃが内側に向けて突出するように湾曲してもよい。いずれの場合であっても、熱電変換素子３は薄膜状に形成されているため、第１表面１ｃの形状に沿って形成される。

また、図８に示すように、絶縁フィルム１が第１表面１ｃ側に樋状の凹部１５を備えるように平坦なフィルム部材を圧縮してもよく、図９に示すように絶縁フィルム１が第１表面１ｃ側に凸部１６を備えるように平坦なフィルム部材を圧縮してもよい。図８又は図９に示すような熱電変換モジュール１０においては、第１表面１ｃと第２表面１ｄとの距離の最短部分が高温側となるようにしつつ、当該距離の最長部分が低温側となるように、Ｎ型半導体及びＰ型半導体を並置しつつ直列に接続する必要がある。なお、第１表面１ｃと第２表面１ｄとの距離の最長部分が高温側となるようにしつつ、当該距離の最短部分が低温側となるようにしてもよい。

図６乃至図９に示した変形例のいずれの場合においても、上述した実施例に係る熱電変換モジュール１０と同様の効果を奏することができる。また、熱電変換モジュール１０の設置場所の状態に応じて、絶縁フィルム１の形状を変更し、当該設置場所に最適な形状の熱電変換モジュール１０を提供することができる。

更に、上述した実施例１においては、熱電変換素子３の片側のみに絶縁フィルム１を配設したが、図１０に示すように、２つの絶縁フィルム１、２１によって熱電変換素子３を挟持してもよい。具体的には、図１０に示すように、２つの絶縁フィルム１、２１の第１表面１ｃ、２１ｃ同士の間に熱電変換素子３が位置するようにする。ここで、絶縁フィルム２１は、絶縁フィルム１と同一の構造及び特性を備えている。

このような構造を備える熱電変換モジュール１０’においては、上述した実施例１に係る熱電変換モジュール１０と比較して、より一層の良好な絶縁特性を確保することができる。また、熱電変換モジュール１０’の絶縁フィルム１の第２表面１ｄ側に熱源１１が近接されると、上述した実施例と同様に、第１端部１ａが高温側となり、第２端部１ｂが低温側となる。ここで、第１端部１ａに対向するように、絶縁フィルム２１の第２端部２１ｂ（第１表面２１ｃと第２表面２１ｄとの距離が長い端部）が配置されていることから、熱電変換素子３に伝達された熱が、第２表面２１ｄに伝わりにくくなる。このため、第１端部１ａ及び第２端部２１ｂの間に位置する熱電変換素子３の一端は、高温状態を良好に維持することができる。一方、第２端部１ｂに対向するように、絶縁フィルム２１の第１端部２１ａ（第１表面２１ｃと第２表面２１ｄとの距離が短い端部）が配置されていることから、熱電変換素子３に伝達された熱が、第２表面２１ｄに伝わりやすくなる。このため、第２端部１ｂ及び第１端部２１ａの間に位置する熱電変換素子３の他端は、低温状態を良好に維持することができる。すなわち、本変形例に係る熱電変換モジュール１０’においては、熱電変換素子３の両端の温度差を容易に大きくし、且つその温度差を良好に保つことができることから、より優れた熱電変換効率を備えることができる。

なお、第２表面２１ｄにヒートシンク等の冷却装置を配置してもよく、これによって熱電変換素子３の両端の温度差をより大きくし、且つその温度差を良好に保つことができることとなり、熱電変換モジュール１０’の熱電変換効率をより一層向上することができる。

１、２１ 絶縁フィルム
１ａ、２１ａ 第１端部
１ｂ、２１ｂ 第２端部
１ｃ、２１ｃ 第１表面
１ｄ、２１ｄ 第２表面
２ ローラ
３ 熱電変換素子
１０、１０’ 熱電変換モジュール
１１ 熱源
１５ 凹部
１６ 凸部

Claims (6)

1. 絶縁性を備える多孔質の絶縁フィルムと、
   前記絶縁フィルムの第１表面に形成された薄膜状の熱電変換素子と、を有し、
   前記第１表面は、前記第１表面とは反対側に位置する第２表面に対して傾斜した面を含み、
   前記絶縁フィルムは、前記第１表面と前記第２表面との距離が短い部分ほど密度が大きいことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記絶縁フィルムは、平坦なフィルム部材を圧縮することにより形成され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。
3. 前記第１表面は、前記第２表面に対して一定の角度にて傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記第１表面は、湾曲していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記絶縁フィルムは、前記第１表面側に樋状の凹部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
6. 前記熱電変換素子は、形状が同一である２つの前記絶縁フィルムによって挟持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。

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