JP6159532B2

JP6159532B2 - 熱電変換部材

Info

Publication number: JP6159532B2
Application number: JP2013012988A
Authority: JP
Inventors: 圭一荒木
Original assignee: Kansai Research Institute KRI Inc
Current assignee: Kansai Research Institute KRI Inc
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: JP2014146640A

Description

本発明は、ゼーベック効果を利用して温度差を電気に変換する発電素子および、ペルチェ効果を利用して温度差を発生させる冷却・加熱素子を用いた熱電変換部材に関するものである。

温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子として、柔軟で、曲面への設置を容易にするため、樹脂などのフィルム上に熱電変換材料の薄膜を製膜し、熱電変換素子としたものが知られている（特許文献１、２参照）。しかしながら、これらの素子は、平坦なフィルムの面内に温度差を発生させて発電するため、大きな温度差を付けるのが困難であり、従って発電効率が悪いという問題がある。

一方、特許文献３では、図1（ａ）に示すように熱電変換素子２１、２２を形成した電気絶縁性シート１２を波形状に折り、その頂部１２aと底部１２bをそれぞれ熱交換シート１４，１５上に固定した素子構造を提示している。この構造は電気絶縁性シート１２と熱交換シート１４の接点の直近に素子の端部があり、もう一方の端部は熱交換シート１５との接点の直近にある。このような構造とすることで、素子の表と裏に温度差をつけた際、電気絶縁シート１２上で、頂部１２aと底部１２bの間の温度差が最大となるような温度分布が発生する。しかしながら、この素子１０を曲面を有する対象物２０に密着させるために波打ち方向に曲げようとすると、図１（ｂ）に示すように、対象物２０側にあるカバーシート１７および熱交換シート１５が部分的に折れ曲がることになる。このため、対象物２０との熱交換が効率的に行えず、発電素子としては発電効率の低下の原因となる。また、冷却素子としては、対象物との接触が不十分のため冷却効率低下の原因となる。

特開２００３−１３３６００号公報特開２００６−１８６２５５号公報特開２００５−３２８０００号広報

図１（ｂ）に示したシートの折れが発生するメカニズムは以下の通りである。即ち、曲面を有する対象物２０の形状に合わせて素子を波打ち方向に曲げようとすると、隣接する頂部１２ａの間隔を広げようとする力が働くが、頂部１２ａは熱交換シート１４上に固定されているために、広がることができない。そのため、反対側の熱交換シート１５及びカバーシートに圧縮応力が加わり、折れが発生する。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、曲面形状を有する対象物（パイプ状の物体、或いは人間の首や腕など）に密着し、これらの対象物との間で効率的な熱交換を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者は鋭意検討した結果、大きな温度差が得られ、かつ高い柔軟性を有し、曲面への設置が容易である熱電変換部材を発明することができた。すなわち、本発明は以下の技術的特徴を有する構成の熱電変換部材である。

〔１〕波形に折り曲げた電気絶縁シートと、電気絶縁シートに設けた薄膜熱電変換素子と、電気絶縁シートの底部に固定した熱交換シートとを備えた熱電変換デバイスであって、波形状の電気絶縁シートの底部を柔軟な熱交換シートと接着固定し、頂部は固定しない構造とし、前記薄膜熱電変換素子が前記波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側に設けてあることを特徴とする熱電変換部材。
〔２〕前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートの頂部に高熱伝導性素材からなる集熱体を接着したことを特徴とする前記〔１〕に記載の熱電変換部材。
〔３〕前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートと熱交換シートの空間に絶縁性素材からなる管を挿入したことを特徴とする前記〔１〕又は前記〔２〕に記載の熱電変換部材。

本発明の熱電変換部材は、曲面形状を有する対象物（パイプ状の物体、或いは人間の首や腕など）に密着し、これらの対象物との間で効率的な熱交換を行うことが可能である。
また、本発明の熱電変換部材は、大きな温度差が得られ、かつ高い柔軟性を有し、曲面への設置が容易である。

(a）特許文献３の素子の断面構造図である。(b）特許文献３の素子を曲面に密着させようとした際に発生するカバーシートの折れを示す図である。 (a）請求項１の発明を示す断面構造図である。(b）電気絶縁シート１上の熱電変換素子群を示す図である。(c）請求項１の発明により曲面への密着性が向上することを示す図である。請求項３と４の発明を示す断面構造図である。集熱体を対象物に接触させる使用法を示した図である。本発明の実施例１において、電気絶縁シート上に熱電変換素子を形成した状態を示す図である。本発明の実施例１において、電気絶縁シートと管、熱交換シートの相対的な位置関係を示す図である。

本発明は、図２（ａ）に示すように薄膜熱電変換素子３と４を形成した電気絶縁シート１を波型に折り曲げ、底部を柔軟な熱交換シート２で固定した熱電変換部材である。波型電気絶縁シート１の底部を固定する熱交換シートを柔軟な熱交換シートにし、頂部は固定しない構造とすることにより、図２（ｃ）に示すように素子００を曲面を有する対象物２０に密着させる際、隣接する頂部１ａの間隔が広がろうとする動きに対して障害となるものが一切無く、対象物にスムーズにフィットさせることができる。

前記薄膜熱電変換素子は、ｎ型およびｐ型熱電変換材料薄膜が対となって一つの素子を構成する。電気絶縁シート１上に熱電変換素子を形成した状態を図２（ｂ）に示す。図ではｎ型熱電変換材料３およびｐ型熱電変換材料４が電極６を介して接合して一つの素子を構成しており、複数の素子が配線７により直列接続されている。このように、多数の素子を直列接続した構成にするのは、通常一つの素子から発生しうる熱起電力は実用レベルに比べて極めて小さいからである。起電力の目安として、現在最も一般的な熱電変換材料であるビスマステルル（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）の場合、ゼーベック係数（温度差が１℃のときに発生する熱起電力）は１５０〜２００μＶ/Ｋ程度のため、例えば温度差が３０℃の場合、発生する熱起電力は４．５〜６．０ｍＶである。

素子の構成としては、ｎ型およびｐ型熱電変換材料薄膜が電極を介して接続した構成以外に、電極を介さず直接ｎ型およびｐ型熱電変換材料薄膜が接続した構成でもよい。また、どちらか一方の熱電変換材料のみでも素子を構成できる。その場合の素子は、図２（ｂ）における３あるいは４のどちらかが電極・配線と同じ素材になったものと同じ構成である。

薄膜の作製方法には真空蒸着法やスパッタ法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法を用いることができる。薄膜の材料には、金属、半導体、導電性樹脂、カーボンナノチューブやグラフェンなどのカーボン系材料といった材料を用いることができる。また、電極、配線にはＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いることができる。成膜方法には、真空蒸着法やスパッタ法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法を用いることができる。

前記電気絶縁シートとしては、ポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどの樹脂フィルムを用いることができる。

前記熱交換シートとしてはポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどの樹脂フィルム、銅箔やアルミ箔といった金属箔、或いは樹脂と金属の積層フィルムを用いることができる。

また、本発明の熱電変換部材においては、前記薄膜熱電変換素子は、前記波形状の電気絶縁シートのどちらの側に設けても良いが、好ましくは、前記波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側に設けてあることが好ましい。図２（ｂ）に示すように、素子３と４はフィルム１のＭ２面側に形成してあるが、これはＭ１面だと素子が外部に露出してしまうためである。薄膜熱電変換素子を波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側（内側）に設けることにより、薄膜熱電変換素子は保護され、耐候性、耐光性に優れるとともに、破損されにくい熱電変換部材にすることができる。

また、本発明の熱電変換部材においては、図３に示すように、電気絶縁シート１の頂部を保護するため、高熱伝導素材から成る集熱体８を設置することもできる。こうすることで、最も摩耗が激しいと推測される頂部の補強ができる。これにより集熱体を対象物に接触させて使用することも可能となる。

前記集熱体には、銅やアルミニウムといった熱伝導性に優れた金属材料を用いることができる。集熱体の設置方法には、銅箔やアルミ箔などを接着する方法と、電気絶縁シート１上に直接製膜する方法がある。成膜方法には、真空蒸着法やスパッタ法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法を用いることができる。

更に、本発明の熱電変換部材においては、電気絶縁シートと熱交換シートで囲まれた空間に絶縁性素材からなる管５を挿入することもできる。こうすることで、上からの圧力によって波形状が潰れることを防止できる。

挿入する前記管には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン等の樹脂製の管を用いることができる。

本発明における接着箇所、即ち、電気絶縁シート１を波形にした際の底部1bと熱交換シート２の接着、管と電気絶縁シート１、熱交換シート２の接着、さらに電気絶縁シート１と集熱体８の接着には、接着剤、両面テープを用いることができる。また、熱圧着などの手法を用いてもよい。

以上示した例では、熱交換シートを対象物に接触させて用いる場合の例を記載したが、図４に示すように集熱体８を対象物に接触させて用いることも可能である。この使用法は、吸熱部に対して放熱部の面積を相対的に広くすることができるという点で、素子に大きな温度差を発生させるのに有効である。また、図４に示すように熱交換シートの表面積を大きくするための加工を施すことで、より放熱性を高めることも可能である。図の例では、内側の２ａは絶縁性の素材、外側の２ｂには銅やアルミニウムなどの金属素材を想定しており、微細な溝を形成して表面積を大きくする工夫をしている。

この発明の実施の形態を図５、図６の実施例を参照して説明する。図５は電気絶縁シート１の表面に１対のn型熱電変換材料３とp型熱電変換材料４より成る熱電変換素子が６個直列に接続されたものである。電気絶縁シート１はポリイミドフィルム（厚さ７０μｍ）を用いた。前記シートに要求される特性は、（ａ）柔軟性があること、（ｂ）絶縁体であれこと、（ｃ）熱電変換材料や電極、配線の製膜時に熱処理が必要な場合、その熱に耐えられることであり、条件を満足する材質であれば何でもよいが、ポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどの樹脂フィルムが熱伝導率が低いという利点があるため好ましい。熱電変換材料としては、n型にビスマステルル（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）を真空蒸着により、ｐ型に導電性ポリマーであるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをスリットコート法により、それぞれ２ｍｍ×１ｍｍの長方形の領域に製膜した。熱電変換材料の薄膜の製膜方法としては、他にインクジェットやスクリーン印刷などの湿式プロセス、スパッタリング、ＣＶＤなどのドライプロセスを採用することができる。電極及び素子間を接続する配線部には銀ペースト（藤倉化成ドータイトＤ−５５０）をスリットコートで製膜した。

次に、図６に示すように、図５のフィルムを波板上に変形させ、底部を絶縁シート２に接着、頂部に高熱伝導素材より成る集熱体８を接着、さらに電気絶縁シート１と熱交換シート２の間の空間に絶縁素材から成る管５を挿入した熱電変換モジュールを図４に示す。集熱体８は銅箔を使用した。管５はポリスチレン製のチューブ（外径３ｍｍ）を使用した。熱交換シート２には銅とポリイミドの積層フィルム（新日鉄住金化学製エスパネックスＭＣ１２−２５−００ＣＭ）を用いた。接着面はポリイミド面とした。ここに示した例では、素子数は６個であるが、実用的な起電力を得るためには、より多く（数１００から１０００個が好ましい）の素子が必要になる。素子数を増やす方法としては、（ａ）一列当たりの素子数を増やす、（ｂ）列の数を増やす、（ｃ）多層構造にする方法などがある。

上述のように、本発明によれば、薄膜熱電変換素子の柔軟性が向上し、特に管状の物体（パイプや人間の首、腕など）に巻きつけても、折れなどが発生せずにフィットさせることが可能となる。その結果、発電素子の場合は、大きな温度差を得ることができ、発電効率が向上する。また、冷却素子の場合は、対象物に密着することで冷却効率が向上する。
従って、本発明は工場内の配管や、建物内の空調や給湯設備の配管などの表面に貼り付けて発電したり、人体の首や腕、足などに巻きつけて局所的に冷却するといった用途に適用できる。

１電気絶縁シート
１a 1を波形にした際の頂部
１b 1を波形にした際の底部
２熱交換シート
３ n型熱電変換材料薄膜
４ p型熱電変換材料薄膜
５管
６電極
７配線
８集熱体
１２電気絶縁シート
１２a １２を波形にした際の頂部
１２b １２を波形にした際の底部
１４，１５熱交換シート
１６，１７カバーシート
２０対象物
２１ n型熱電変換材料薄膜
２２ p型熱電変換材料薄膜

Claims

波形に折り曲げた電気絶縁シートと、電気絶縁シートに設けた薄膜熱電変換素子と、電気絶縁シートの底部に固定した熱交換シートとを備えた熱電変換デバイスであって、波形状の電気絶縁シートの底部を柔軟な熱交換シートと接着固定し、頂部は固定しない構造とし、前記薄膜熱電変換素子が前記波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側に設けてあることを特徴とする熱電変換部材。
前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートの頂部に高熱伝導性素材からなる集熱体を接着したことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換部材。
前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートと熱交換シートの空間に絶縁性素材からなる管を挿入したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電変換部材。