JP6297025B2 - 熱電変換素子 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明は、以下の(1)〜(8)を提供するものである。
(1)P型熱電素子とN型熱電素子と電極とで構成された熱電変換モジュールの第1面に、直接接するように、熱伝導性樹脂層Aと、該熱伝導性樹脂層Aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層Bとが交互に設けられ、該熱電変換モジュールの第1面とは反対側の第2面に、直接接するように、熱伝導性樹脂層aと、該熱伝導性樹脂層aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層bが交互に設けられていることを特徴とする熱電変換素子。
(2)前記第1面に設けられた熱伝導性樹脂層A及び熱伝導性樹脂層Bに対向する第2面に、それぞれ熱伝導性樹脂層b及び熱伝導性樹脂層aが設けられている上記(1)に記載の熱電変換素子。
(3)前記熱伝導性樹脂層Aと熱伝導性樹脂層Bとが接し、かつ前記熱伝導性樹脂層bと熱伝導性樹脂層aとが接している上記(1)又は(2)に記載の熱電変換素子。
(4)前記熱伝導性樹脂層Aと熱伝導性樹脂層Bが、前記第1面に、それぞれ前記P型熱電素子及び/又はN型熱電素子とに対応して設けられ、かつ第1面とは反対側の第2面に、前記熱伝導性樹脂層bと熱伝導性樹脂層aが、それぞれ前記P型熱電素子及び/又はN型熱電素子とに対応して設けられ、前記熱伝導性樹脂層A、前記熱伝導性樹脂層B、前記熱伝導性樹脂層a及び前記熱伝導性樹脂層bの幅が同じである、上記(1)に記載の熱電変換素子。
(5)前記熱伝導性樹脂層A及びaの熱伝導率が0.5(W/m・K)以上であり、かつ前記熱伝導性樹脂層B及びbの熱伝導率が0.5(W/m・K)未満である上記(1)に記載の熱電変換素子。
(6)前記熱伝導性樹脂層A、熱伝導性樹脂層B、熱伝導性樹脂層a及び熱伝導性樹脂層bの幅が、前記P型熱電素子と前記N型熱電素子の幅と同じである上記(1)に記載の熱電変換素子。
(7)前記P型熱電素子及び前記N型熱電素子の膜厚が、0.1〜100μmである上記(1)に記載の熱電変換素子。
(8)前記熱伝導性樹脂層A、前記熱伝導性樹脂層B、前記熱伝導性樹脂層a及び前記熱伝導性樹脂層bの膜厚が、1〜200μmである上記(1)に記載の熱電変換素子。
本発明の熱電変換素子は、P型熱電素子、N型熱電素子及び電極とで構成された熱電変換モジュールの第1面に、直接接するように、熱伝導性樹脂層Aと、該熱伝導性樹脂層Aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層Bが交互に設けられ、該第1面とは反対側の第2面に、直接接するように、熱伝導性樹脂層aと、該熱伝導性樹脂層aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層bが、交互に設けられていることを特徴とする。
図2に図1の熱電変換素子を構成要素ごとに分解した斜視図を示し、(a)が第1面側に設けられた熱伝導性樹脂層A及び熱伝導性樹脂層Bの斜視図であり、(b)が熱電変換モジュールの斜視図であり、(c)が第2面側に設けられた熱伝導性樹脂層a及び熱伝導性樹脂層bの斜視図である。
前記熱電変換素子には、特に制限されないが、熱電変換モジュールにより電気エネルギーに変換される熱源の温度域において、ゼーベック係数の絶対値が大きく、熱伝導率が低く、電気伝導率が高い、いわゆる熱電性能指数の高い材料を使用することが好ましい。
P型熱電素子1及びN型熱電素子2の膜厚は、0.1〜100μmが好ましく、1〜50μmがさらに好ましい。
なお、P型熱電素子1とN型熱電素子2の膜厚は、特に限定されるものではなく、同じ膜厚でも、異なる膜厚でもよい。
また、熱伝導性樹脂層aと熱伝導性樹脂層bは熱電変換モジュール6の第2面8上では、互いに接していてもいなくてもよいが、熱電変換モジュール6に効率良く温度差を付与し、機械的強度を維持する観点から、互いに接しているほうが好ましい。
前記熱伝導性樹脂層Aを構成する樹脂材料としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂等が挙げられる。前記熱伝導性樹脂層Aを構成する樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリスチレン等のスチレン系樹脂;ポリメタクリル酸メチル等のアクリル系樹脂;ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66等)、ポリm−フェニレンイソフタルアミド、ポリp−フェニレンテレフタルアミド等のアミド系樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート等のポリエステル系樹脂;ノルボルネン系重合体、単環の環状オレフィン系重合体、環状共役ジエン系重合体、ビニル脂環式炭化水素重合体、及びこれらの水素化物等のシクロオレフィン系ポリマー;塩化ビニル;ポリイミド;ポリアミドイミド;ポリフェニレンエーテル;ポリエーテルケトン;ポリエーテルエーテルケトン;ポリカーボネート;ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン等のポリサルフォン系樹脂;ポリフェニレンスルフィド;及びこれらの高分子の二種以上の組合せ;等が挙げられる。
高熱伝導性フィラーとしては、特に制限はないが、アルミナ、シリカ、窒化ホウ素等が挙げられる。この中で、アルミナ、窒化ホウ素が好ましく、経済性の観点から、アルミナが特に好ましい。また、熱電変換素子の性能に悪影響を与えない範囲で、金属や半導体材料などの導電性を有する粒子を分散させてもよい。熱伝導性樹脂層A中の高熱伝導性フィラーの含有量は、所望の熱伝導率に応じて適宜調整され、通常30〜60質量%であることが好ましい。
熱伝導性樹脂層Aの膜厚は、1〜200μmが好ましく、3〜150μmがさらに好ましい。この範囲であれば、熱電変換モジュールに効率良く温度差を付与でき、また熱電変換モジュールのフレキシブル性、機械的強度が維持できるため好ましい。
前記熱伝導性樹脂層Bを構成する樹脂材料としては、上記熱伝導性樹脂層Aよりも熱伝導率が低いものであれば特に限定されず、上述の熱伝導性樹脂層Aを構成する樹脂材料として例示した樹脂の中から、適宜決定する。
熱伝導性樹脂層Bの熱伝導率は、0.5(W/m・K)未満が好ましく、0.3(W/m・K)以下がより好ましく、0.1(W/m・K)以下がさらに好ましい。
熱伝導性樹脂層Bの膜厚は、1〜200μmが好ましく、3〜150μmがさらに好ましい。この範囲であれば、熱電変換モジュールに効率良く温度差を付与でき、また熱電変換モジュールのフレキシブル性、機械的強度が維持できるため好ましい。
上記熱伝導性樹脂層A及び熱伝導性樹脂層B、又は熱伝導性樹脂層a及び熱伝導性樹脂層bは、熱電変換モジュールの第1面及び第2面に形成してもよいし、予め上記熱伝導性樹脂層A及び熱伝導性樹脂層B上、又は熱伝導性樹脂層a及び熱伝導性樹脂層b上に熱電変換モジュールを形成してもよい。
次に、本発明者らは、熱電変換モジュール内の熱電素子の内部温度分布を調べるために、図3に示す構成の熱電変換素子のモデルに対して、有限要素法プログラム(アンシス・ジャパン株式会社製、品名:ANSYS−CFD)を用い、シミュレーション計算(定常熱伝導解析)を行った。
図4は、本発明の断面構成における、付与される最大温度差ΔTと熱伝導性樹脂層Aの熱伝導率kbとに係るシミュレーション結果である。同様に、図5は、本発明の断面構成における、温度遷移域Δxと熱伝導性樹脂層Aの熱伝導率kbとに係るシミュレーション結果である。
図3(a)に示した熱電変換素子モデルは、P型熱電素子11とN型熱電素子(図示せず)と電極(図示せず)とで構成される熱電変換モジュール13の第1面17に直接接するように熱伝導性樹脂層A14と該熱伝導性樹脂層Aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層B15が交互に設けられ、さらに前記第1面17とは反対側の第2面18に、直接接するように熱伝導性樹脂層a14’と該熱伝導性樹脂層aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層b15’とが交互に設けられている。
一方、図3(b)に示した従来型の熱電変換素子モデルは、P型熱電素子21で構成される熱電変換モジュール23の両面に2種類の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板26、27を設けたものである。該フィルム状基板26、27は、前記熱電変換モジュール23との接合面側に熱伝導率の低い材料として、ポリイミド25が設けられており、また、前記フィルム状基板26、27は、前記熱電変換モジュール23の接合面と反対側に、熱伝導率の高い材料として、金属(銅)24が基板26、27の外面の一部分に位置するように設けられている。
上面温度:300K
下面温度:330K
熱伝導性樹脂層A14、熱伝導性樹脂層a14’の膜厚:100μm
熱伝導性樹脂層A14、熱伝導性樹脂層a14’の熱伝導率kb:kb=0.5〜400(W/m・K)
熱伝導性樹脂層A14、熱伝導性樹脂層a14’の幅:1000μm
熱伝導性樹脂層B15、熱伝導性樹脂層b15’の膜厚:100μm
熱伝導性樹脂層B15、熱伝導性樹脂層b15’の熱伝導率:0.2(W/m・K)
熱伝導性樹脂層B15、熱伝導性樹脂層b15’の幅:1000μm
P型熱電素子11の膜厚:2μm
P型熱電素子11の熱伝導率(クロメルを想定):10(W/m・K)
P型熱電素子11の長手方向(x軸)の長さ:2000μm
具体的には、熱伝導性樹脂層Aの熱伝導率kbを変数として、熱電変換素子の長手方向(x軸)における温度差を計算し、最大温度差ΔTを求めた。なお、熱電変換素子の長手方向(x軸)の範囲は、図中、P型熱電素子11の左端をx=0とし、温度変化が顕著に表れる、x=500〜1500μmである。前述したように、図4に、本発明の断面構成における、付与される最大温度差ΔTと熱伝導性樹脂層Aの熱伝導率kbとに係るシミュレーション結果を示す。
さらに、得られた最大温度差ΔTの10%を示す長手方向(x軸)の位置から90%を示す長手方向(x軸)の位置までの領域長を温度遷移域Δxとして、下記式(1)により算出した。
さらに、同様に、熱伝導性樹脂層Aの熱伝導率kbに対する温度遷移域Δxを算出した。温度遷移域Δxが177μmというシミュレーション結果が得られた。
上面温度:300K
下面温度:330K
熱伝導性樹脂層A24の膜厚:80μm
熱伝導性樹脂層A24の熱伝導率kb:kb=400(W/m・K)
熱伝導性樹脂層B25の膜厚:100μm
(ただし、金属(銅)と熱電素子に挟まれた熱伝導性樹脂層B25の膜厚:20μm)
熱伝導性樹脂層B25の熱伝導率(ポリイミド):0.2(W/m・K)
P型熱電素子21の膜厚:2μm
P型熱電素子21の長手方向(x軸)の長さ:2000μm
P型熱電素子21の熱伝導率(クロメルを想定):10(W/m・K)
1:P型熱電素子
2:N型熱電素子
3:電極(銅)
4:熱伝導性樹脂層A
4’:熱伝導性樹脂層a
5:熱伝導性樹脂層B
5’:熱伝導性樹脂層b
6:熱電変換モジュール
7:6の第1面
8:6の第2面
11:P型熱電素子
13:熱電変換モジュール
14:熱伝導性樹脂層A
14’:熱伝導性樹脂層a
15:熱伝導性樹脂層B
15’:熱伝導性樹脂層b
17:13の第1面
18:13の第2面
19:断熱部
21:P型熱電素子
23:熱電変換モジュール
24:金属(銅)
25:ポリイミド
26:フィルム状基板
27:フィルム状基板
29:断熱部
41:P型熱電素子
42:N型熱電素子
43:電極
44:フィルム状基板
45:フィルム状基板
46:熱電変換モジュール
47:絶縁体(ポリイミド)
48:絶縁体(ポリイミド)
49:金属
50:金属
Claims (7)
- P型熱電素子とN型熱電素子と電極とで構成された熱電変換モジュールの第1面に、直接接するように、熱伝導性樹脂層Aと、該熱伝導性樹脂層Aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層Bとが交互に設けられ、該熱電変換モジュールの第1面とは反対側の第2面に、直接接するように、熱伝導性樹脂層aと、該熱伝導性樹脂層aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂層bが交互に設けられ、
前記第1面に設けられた熱伝導性樹脂層A及び熱伝導性樹脂層Bに対向する第2面に、それぞれ前記熱伝導性樹脂層b及び熱伝導性樹脂層aが設けられ、
前記熱伝導性樹脂層Aと熱伝導性樹脂層Bとが接し、かつ前記熱伝導性樹脂層bと熱伝導性樹脂層aとが接し、
前記熱伝導性樹脂層Aと熱伝導性樹脂層Bが、前記第1面に、それぞれ前記P型熱電素子及び/又はN型熱電素子とに対応して設けられ、かつ第1面とは反対側の第2面に、前記熱伝導性樹脂層bと熱伝導性樹脂層aが、それぞれ前記P型熱電素子及び/又はN型熱電素子とに対応して設けられ、さらに前記熱伝導性樹脂層A及び前記熱伝導性樹脂層aが、高熱伝導性フィラーを含むことを特徴とする熱電変換素子。 - 前記熱伝導性樹脂層A、前記熱伝導性樹脂層B、前記熱伝導性樹脂層a及び前記熱伝導性樹脂層bの幅が同じである請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記熱伝導性樹脂層A中及び前記熱伝導性樹脂層a中の高熱伝導性フィラーの含有量が、30〜60質量%である請求項1又は2に記載の熱電変換素子。
- 前記熱伝導性樹脂層A及びaの熱伝導率が0.5(W/m・K)以上であり、かつ前記熱伝導性樹脂層B及びbの熱伝導率が0.5(W/m・K)未満である請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記熱伝導性樹脂層A、熱伝導性樹脂層B、熱伝導性樹脂層a及び熱伝導性樹脂層bの幅が、前記P型熱電素子と前記N型熱電素子の幅と同じである請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記P型熱電素子及び前記N型熱電素子の膜厚が、0.1〜100μmである請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記熱伝導性樹脂層A、前記熱伝導性樹脂層B、前記熱伝導性樹脂層a及び前記熱伝導性樹脂層bの膜厚が、1〜200μmである請求項1に記載の熱電変換素子。
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