JP6368860B2 - Thermoelectric conversion module and vehicle exhaust pipe - Google Patents

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Description

本発明は、高温の熱源に利用可能であり、かつ、可撓性を有する熱電変換モジュール、および、この熱電変換モジュールを用いる車両用排気管に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion module that can be used as a high-temperature heat source and has flexibility, and an exhaust pipe for a vehicle that uses the thermoelectric conversion module.

熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換することができる熱電変換材料が、熱によって発電する発電素子やペルチェ素子のような熱電変換素子に用いられている。
熱電変換素子は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要としない等の利点を有する。そのため、複数の熱電変換素子を接続してなる熱電変換モジュール(発電装置)は、例えば、焼却炉や工場の各種の設備など、排熱される部位に設けることで、動作コストを掛ける必要なく、簡易に電力を得ることができる。
Thermoelectric conversion materials that can mutually convert thermal energy and electrical energy are used for thermoelectric conversion elements such as power generation elements and Peltier elements that generate electricity by heat.
The thermoelectric conversion element can convert heat energy directly into electric power, and has an advantage that a movable part is not required. For this reason, a thermoelectric conversion module (power generation device) formed by connecting a plurality of thermoelectric conversion elements is provided in a portion where heat is exhausted, such as an incinerator or various equipment in a factory, so that it is not necessary to incur operation costs and is simple. Can get power.

このような熱電変換素子として、いわゆるπ型の熱電変換素子が知られている。
π型の熱電変換素子とは、基板の上に互いに離間する一対の下部電極を設け、一方の下部電極の上にn型熱電変換材料からなるn型熱電変換層を、他方の下部電極の上にp型熱電変換材料からなるp型熱電変換層を、同じく互いに離間して設け、両熱電変換層の上面を上部電極で接続してなる構成を有する。
また、n型熱電変換層とp型熱電変換層とを交互に配置するように、基板の上に複数のπ型の熱電変換素子を配列して、隣接する熱電変換素子のn型熱電変換層とp型熱電変換層とを接続することにより、複数の熱電変換素子を直列に接続して、熱電変換モジュールが形成される。
As such a thermoelectric conversion element, a so-called π-type thermoelectric conversion element is known.
A π-type thermoelectric conversion element includes a pair of lower electrodes spaced apart from each other on a substrate, an n-type thermoelectric conversion layer made of an n-type thermoelectric conversion material on one lower electrode, and an upper surface on the other lower electrode. P-type thermoelectric conversion layers made of a p-type thermoelectric conversion material are provided separately from each other, and the upper surfaces of both thermoelectric conversion layers are connected by an upper electrode.
Further, a plurality of π-type thermoelectric conversion elements are arranged on the substrate so that the n-type thermoelectric conversion layers and the p-type thermoelectric conversion layers are alternately arranged, and the n-type thermoelectric conversion layers of the adjacent thermoelectric conversion elements are arranged. And a p-type thermoelectric conversion layer are connected to connect a plurality of thermoelectric conversion elements in series to form a thermoelectric conversion module.

例えば、特許文献1には、π型の熱電変換素子を用いる熱電変換モジュールにおいて、基板にアルミニウム板等を用いることで熱交換部材として作用させると共に、熱交換部材にアルミニウムの陽極酸化膜等の絶縁層を設け、さらに、絶縁層に電極と同パターンの金属メッキ層を設け、この金属メッキ層に電極を接合することにより、熱交換部材である基板と金属電極または熱電変換層間の熱抵抗を大幅に低減して、熱交換能力を向上させることが記載されている。   For example, in Patent Document 1, in a thermoelectric conversion module using a π-type thermoelectric conversion element, an aluminum plate or the like is used as a substrate to act as a heat exchange member, and the heat exchange member is insulated with an aluminum anodic oxide film or the like. In addition, a metal plating layer of the same pattern as the electrode is provided on the insulating layer, and the electrode is joined to this metal plating layer, thereby greatly increasing the thermal resistance between the substrate as the heat exchange member and the metal electrode or thermoelectric conversion layer. To improve the heat exchange capacity.

ところで、特許文献1に記載される熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールの可撓性(フレキシブル性)に関しては、全く考慮されていない。
一方で、熱電変換モジュールの用途として、工場等で温水(熱水)を排出するための排水管や自動車の排気管などに装着して、発電装置として用いることが検討されている。
これらの用途では、曲面に熱電変換モジュールを装着する必要が有る。これに対応して、可撓性を有する熱電変換モジュールが、各種、提案されている。
By the way, in the thermoelectric conversion module described in Patent Document 1, no consideration is given to the flexibility (flexibility) of the thermoelectric conversion module.
On the other hand, as a use of a thermoelectric conversion module, it is considered that it is mounted on a drain pipe for discharging hot water (hot water) or an exhaust pipe of an automobile and used as a power generation device in a factory or the like.
In these applications, it is necessary to mount a thermoelectric conversion module on the curved surface. In response to this, various thermoelectric conversion modules having flexibility have been proposed.

例えば、特許文献2には、パイプ外面に装着される熱電変換モジュールとして、樹脂薄膜からなる基板上の実装ランドに熱電変換素子(熱電素子チップ)を実装して、実装ランド間で基板を曲げることにより可撓性を持たせると共に、パイプの外径をD、外周方向の熱電変換素子の寸法をaとした際に、『a≦0.14D1/2 [mm]』を満たす熱電変換モジュールが記載されている。For example, in Patent Document 2, as a thermoelectric conversion module mounted on the outer surface of a pipe, a thermoelectric conversion element (thermoelectric element chip) is mounted on a mounting land on a substrate made of a resin thin film, and the substrate is bent between the mounting lands. The thermoelectric conversion module satisfying “a ≦ 0.14D 1/2 [mm]” when the outer diameter of the pipe is D and the dimension of the thermoelectric conversion element in the outer peripheral direction is a. Have been described.

また、特許文献3には、p型熱電変換素子とn型熱電変換素子とを含む熱電変換素子と、p型熱電変換素子およびn型熱電変換素子に接続されるフレキシブル配線とを有し、フレキシブル配線が、導電性粒子およびシリコーン樹脂を含むことでp型熱電変換素子および/またはn型熱電変換素子の変位に伴って伸縮可能なものであり、かつ、熱電変換素子が、シリコーン樹脂を含む伸縮性を有するフレキシブル基板とポリイミドを含む耐熱性基板とで挟持されている熱電変換モジュールが記載されている。   Patent Document 3 includes a thermoelectric conversion element including a p-type thermoelectric conversion element and an n-type thermoelectric conversion element, and a flexible wiring connected to the p-type thermoelectric conversion element and the n-type thermoelectric conversion element. The wiring can be expanded and contracted with displacement of the p-type thermoelectric conversion element and / or the n-type thermoelectric conversion element by including the conductive particles and the silicone resin, and the thermoelectric conversion element is expanded and contracted including the silicone resin. Describes a thermoelectric conversion module that is sandwiched between a flexible substrate having heat resistance and a heat-resistant substrate containing polyimide.

特開2003−332642号公報JP 2003-332642 A 特許第5228160号公報Japanese Patent No. 5228160 特許第5626830号公報Japanese Patent No. 5626830

特許文献2や特許文献3に記載される熱電変換モジュールは、可撓性を有するため、装着する位置の形状に追従できる。
そのため、工場の排水管や自動車の排気管のようなパイプなど、曲面に装着される発電装置等に好適に利用可能である。
Since the thermoelectric conversion modules described in Patent Document 2 and Patent Document 3 have flexibility, they can follow the shape of the mounting position.
Therefore, it can be suitably used for a power generation device mounted on a curved surface such as a pipe such as a factory drain pipe or an automobile exhaust pipe.

ここで、熱電変換モジュールは、熱源の温度が高いほど、大きな発電量を得やすい。従って、熱電変換モジュールは、例えば300℃を超えるような高温の熱源に装着される場合であっても、十分な耐熱性を有するのが好ましい。
しかしながら、特許文献2や特許文献3に記載されるような従来の可撓性を有する熱電変換モジュールでは、基板や配線に樹脂材料を用いているため、300℃を超えるような高温の熱源での安定した使用は困難である。
Here, as the temperature of the heat source is higher, the thermoelectric conversion module easily obtains a larger amount of power generation. Therefore, it is preferable that the thermoelectric conversion module has sufficient heat resistance even when it is attached to a heat source having a high temperature exceeding 300 ° C., for example.
However, in the conventional flexible thermoelectric conversion module described in Patent Document 2 and Patent Document 3, since a resin material is used for the substrate and the wiring, it is possible to use a high-temperature heat source exceeding 300 ° C. Stable use is difficult.

すなわち、パイプ等の曲面に装着可能な可撓性と、300℃を超えるような高温の熱源に対して安定的に使用できる良好な耐熱性とを両立した熱電変換モジュールは、知られていない。   That is, a thermoelectric conversion module that achieves both flexibility that can be attached to a curved surface such as a pipe and good heat resistance that can be stably used with a high-temperature heat source exceeding 300 ° C. is not known.

本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、自動車の排気管のような高温のパイプなどにも装着可能な、300℃を超えるような高温の熱源での使用が可能な耐熱性と、良好な柔軟性とを合わせ持つ熱電変換モジュール、および、この熱電変換モジュールを用いる車両用排気管を提供することにある。   An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and is used in a heat source having a high temperature exceeding 300 ° C. that can be mounted on a high-temperature pipe such as an exhaust pipe of an automobile. An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion module that has both heat resistance that can be achieved and good flexibility, and a vehicle exhaust pipe that uses this thermoelectric conversion module.

このような目的を達成するために、本発明の熱電変換モジュールは、少なくとも一方の面に陽極酸化膜を有する、可撓性を有するアルミニウム製の基板と、
基板の陽極酸化膜の表面に設けられる互いに離間する2つの下部電極、一方の下部電極の表面に設けられる一方の下部電極と電気的に接続するp型熱電変換層および他方の下部電極の表面に設けられる他方の下部電極と電気的に接続するn型熱電変換層からなる熱電変換層、ならびに、p型熱電変換層とn型熱電変換層とを接続する上部電極を有する、下部電極で直列に接続された複数の熱電変換素子と、を有し、かつ、
上部電極が、可撓性を有し、さらに、撓みを持ってp型熱電変換層とn型熱電変換層とを接続すること特徴とする熱電変換モジュールを提供する。
In order to achieve such an object, the thermoelectric conversion module of the present invention includes a flexible aluminum substrate having an anodized film on at least one surface,
Two lower electrodes provided on the surface of the anodic oxide film of the substrate, the p-type thermoelectric conversion layer electrically connected to one lower electrode provided on the surface of one lower electrode, and the surface of the other lower electrode A thermoelectric conversion layer composed of an n-type thermoelectric conversion layer electrically connected to the other lower electrode provided, and an upper electrode connecting the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer in series with the lower electrode A plurality of connected thermoelectric conversion elements, and
Provided is a thermoelectric conversion module in which an upper electrode has flexibility and further connects a p-type thermoelectric conversion layer and an n-type thermoelectric conversion layer with bending.

このような本発明の熱電変換モジュールにおいて、曲面に装着されるものであり、曲面の曲率半径をL[mm]、熱電変換層の高さをa[mm]、熱電変換層のp型熱電変換層とn型熱電変換層との間隔をb[mm]とした際に、p型熱電変換層およびn型熱電変換層との間における上部電極の長さc[mm]が、b+(ab/L)<c、および、c<(4a2+b21/2を満たすのが好ましい。
また、上部電極が金属箔であるのが好ましい。
また、基板の厚さが120μm以下であるのが好ましい。
また、基板が、一方の面に陽極酸化膜を有するアルミニウム基材と、アルミニウム基材の陽極酸化膜が形成されない側の面に積層される金属基材と、を有するのが好ましい。
また、p型熱電変換層およびn型熱電変換層の少なくとも一方が、上部電極および下部電極の少なくとも一方と、導電性を有する接着層によって接着されているのが好ましい。
また、導電性を有する接着層が、ニッケルを含むのが好ましい。
また、隣接する熱電変換素子の間が空気層であるのが好ましい。
また、熱電変換素子のp型熱電変換層とn型熱電変換層との間が空気層であるのが好ましい。
また、複数の熱電変換素子を覆って、可撓性の保護層を有するのが好ましい。
また、p型熱電変換層およびn型熱電変換層が、それぞれ、p型もしくはn型にドーピングされたシリサイド系材料からなるものであるのが好ましい。
さらに、曲面に装着されるものであり、かつ、曲面の曲率半径が30mm以上であるのが好ましい。
In such a thermoelectric conversion module of the present invention, it is mounted on a curved surface, the curvature radius of the curved surface is L [mm], the height of the thermoelectric conversion layer is a [mm], and the p-type thermoelectric conversion of the thermoelectric conversion layer When the distance between the layer and the n-type thermoelectric conversion layer is b [mm], the length c [mm] of the upper electrode between the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer is b + (ab / L) <c and c <(4a 2 + b 2 ) 1/2 are preferably satisfied.
The upper electrode is preferably a metal foil.
Moreover, it is preferable that the thickness of a board | substrate is 120 micrometers or less.
Moreover, it is preferable that a board | substrate has an aluminum base material which has an anodized film in one surface, and a metal base material laminated | stacked on the surface of the side in which the anodized film of an aluminum base material is not formed.
Moreover, it is preferable that at least one of the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer is bonded to at least one of the upper electrode and the lower electrode by a conductive adhesive layer.
The conductive adhesive layer preferably contains nickel.
Moreover, it is preferable that it is an air layer between adjacent thermoelectric conversion elements.
Moreover, it is preferable that the space between the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer of the thermoelectric conversion element is an air layer.
Moreover, it is preferable to cover a plurality of thermoelectric conversion elements and to have a flexible protective layer.
Moreover, it is preferable that the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer are each made of a silicide-based material doped p-type or n-type.
Further, it is preferably attached to a curved surface, and the curvature radius of the curved surface is preferably 30 mm or more.

また、本発明の車両用排気管は、車両用の排気管であって、本発明の熱電変換モジュールが、熱電変換素子が形成されていない面を内側にして、外面に装着されていることを特徴とする車両用排気管を提供する。   The vehicle exhaust pipe of the present invention is an exhaust pipe for a vehicle, and the thermoelectric conversion module of the present invention is mounted on the outer surface with the surface on which no thermoelectric conversion element is formed facing inward. A vehicle exhaust pipe is provided.

このような本発明によれば、パイプ等に装着可能な良好な可撓性と、300℃を超えるような高温の熱源でも安定して使用可能な高耐熱性とを合わせ持つ熱電変換モジュールを得ることができる。
また、本発明の車両用排気管は、良好な可撓性と高耐熱性とを有する本発明の熱電変換モジュールを利用することで、従来は排熱となっていた排気管の高温の熱を利用して、大きな発電量が得られる。
According to the present invention, a thermoelectric conversion module having both good flexibility that can be attached to a pipe or the like and high heat resistance that can be stably used even with a high-temperature heat source exceeding 300 ° C. is obtained. be able to.
Moreover, the exhaust pipe for vehicles of the present invention uses the thermoelectric conversion module of the present invention having good flexibility and high heat resistance, so that the high-temperature heat of the exhaust pipe that has conventionally been exhaust heat can be obtained. By using it, a large amount of power generation can be obtained.

図1は、本発明の熱電変換モジュールの一例を概念的に示す図である。FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating an example of the thermoelectric conversion module of the present invention. 図2は、図1に示す熱電変換モジュールの熱電変換素子を概念的に示す図である。FIG. 2 is a diagram conceptually showing the thermoelectric conversion element of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 図3(A)および図3(B)は、本発明の熱電変換モジュールに利用される基板の別の例を概念的に示す図である。3 (A) and 3 (B) are diagrams conceptually showing another example of a substrate used in the thermoelectric conversion module of the present invention. 図4は、図1に示す熱電変換モジュールの使用状態を概念的に示す図である。FIG. 4 is a diagram conceptually illustrating a usage state of the thermoelectric conversion module illustrated in FIG. 1. 図5(A)〜図5(E)は、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための概念図である。FIG. 5 (A) to FIG. 5 (E) are conceptual diagrams for explaining an example of the method for manufacturing the thermoelectric conversion module of the present invention.

以下、本発明の熱電変換モジュールおよび車両用排気管について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。   Hereinafter, the thermoelectric conversion module and the vehicle exhaust pipe of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

図1に、本発明の熱電変換モジュールの一例を概念的に示す。また、図2に、図1に示す熱電変換モジュール10を構成する熱電変換素子14を概念的に示す。
図1に示すように、熱電変換モジュール10は、可撓性を有する基板12の上に、複数の熱電変換素子14を配列して、直列に接続してなるものである。
FIG. 1 conceptually shows an example of the thermoelectric conversion module of the present invention. 2 conceptually shows the thermoelectric conversion element 14 constituting the thermoelectric conversion module 10 shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion module 10 is formed by arranging a plurality of thermoelectric conversion elements 14 on a flexible substrate 12 and connecting them in series.

図1および図2に示すように、基板12は、アルミニウム基材18と、絶縁層20とを有して構成される。絶縁層20は、アルミニウム基材18の一面を陽極酸化することで形成される、アルミニウムの陽極酸化膜からなるものである。
他方、熱電変換素子14は、下部電極24と、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nからなる熱電変換層28と、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nを接続する上部電極30とを有して構成される。この熱電変換素子14は、前述のπ型の熱電変換素子である。熱電変換素子14においてp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nは、下部接着層26によって下部電極24に接着、固定される。他方、上部電極30は、上部接着層32によって、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nの上面に接着される。
熱電変換モジュール10において、熱電変換素子14は、絶縁層20の上(表面)に形成され、下部電極24によって隣接する熱電変換素子14と直列に接続される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the substrate 12 includes an aluminum base 18 and an insulating layer 20. The insulating layer 20 is made of an anodized film of aluminum formed by anodizing one surface of the aluminum base 18.
On the other hand, the thermoelectric conversion element 14 connects the lower electrode 24, the thermoelectric conversion layer 28 composed of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n, and the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. And an upper electrode 30. This thermoelectric conversion element 14 is the aforementioned π-type thermoelectric conversion element. In the thermoelectric conversion element 14, the p-type thermoelectric conversion layer 28 p and the n-type thermoelectric conversion layer 28 n are bonded and fixed to the lower electrode 24 by the lower adhesive layer 26. On the other hand, the upper electrode 30 is bonded to the upper surfaces of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n by the upper adhesive layer 32.
In the thermoelectric conversion module 10, the thermoelectric conversion element 14 is formed on the insulating layer 20 (surface) and is connected in series with the adjacent thermoelectric conversion element 14 by the lower electrode 24.

可撓性を有する基板12は、前述のように、アルミニウム基材18と絶縁層20とから構成される。また、絶縁層20は、アルミニウム基材18の一面を陽極酸化して形成されるアルミニウムの陽極酸化膜からなるものである。
後に詳述するが、本発明の熱電変換モジュール10は、アルミニウム基材18の表面に、アルミニウムの陽極酸化処理による絶縁層20を形成してなる、可撓性を有する基板12を用いることにより、良好な可撓性と、300℃を超えるような高温の熱源に対する耐熱性とを、両立している。
As described above, the flexible substrate 12 includes the aluminum base 18 and the insulating layer 20. The insulating layer 20 is made of an anodized film of aluminum formed by anodizing one surface of the aluminum substrate 18.
As will be described in detail later, the thermoelectric conversion module 10 of the present invention uses a flexible substrate 12 formed by forming an insulating layer 20 by anodizing aluminum on the surface of an aluminum base 18. It has both good flexibility and heat resistance against a high-temperature heat source exceeding 300 ° C.

アルミニウム基材18は、アルミニウムを主成分とする板材(シート状物)で、アルミニウムやアルミニウム合金からなるものが、各種、利用可能である。
アルミニウム基材18は、不純物が少ないのが好ましい。特に、アルミニウム基材のアルミニウム純度は、99.5質量%以上であるのが好ましく、99.9質量%以上であるのがより好ましく、99.99質量%以上であるのが特に好ましい。
また、アルミニウム基材18は、高純度アルミニウム以外にも、工業用アルミニウムも利用可能である。工業用アルミニウムを用いることにより、コストの点で有利である。
The aluminum base material 18 is a plate material (sheet-like material) mainly composed of aluminum, and various types made of aluminum or an aluminum alloy can be used.
The aluminum substrate 18 preferably has few impurities. In particular, the aluminum purity of the aluminum substrate is preferably 99.5% by mass or more, more preferably 99.9% by mass or more, and particularly preferably 99.99% by mass or more.
In addition to high-purity aluminum, industrial aluminum can also be used for the aluminum substrate 18. Use of industrial aluminum is advantageous in terms of cost.

絶縁層20は、アルミニウム基材18の表面を陽極酸化することで形成される、アルミニウムの陽極酸化膜である。絶縁層20は、導電性を有するアルミニウム基材18の熱電変換素子14の形成面を絶縁性にするためのものである。   The insulating layer 20 is an anodized aluminum film formed by anodizing the surface of the aluminum substrate 18. The insulating layer 20 is for making the formation surface of the thermoelectric conversion element 14 of the aluminum base 18 having conductivity insulative.

絶縁層20の厚さは、十分な絶縁性を確保できる厚さを、適宜、設定すればよい。
本発明者らの検討によれば、絶縁層20の厚さは、0.1〜20μmが好ましく、1〜15μmがより好ましく、2〜10μmが特に好ましい。
絶縁層20の厚さを0.1μm以上とすることにより、衝撃や傷等に対する絶縁層20の強度を十分に確保して、ハンドリング中などに絶縁層20にクラック等が生じることを防止できる。また、アルミニウムの陽極酸化膜である絶縁層20は、硬く、脆いが、絶縁層20の厚さを20μm以下とすることにより、曲面への装着等によって熱電変換モジュール10を曲げた際にも、絶縁層20にクラック等が生じることを防止できる。
What is necessary is just to set the thickness of the insulating layer 20 suitably that can ensure sufficient insulation.
According to the study by the present inventors, the thickness of the insulating layer 20 is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 1 to 15 μm, and particularly preferably 2 to 10 μm.
By setting the thickness of the insulating layer 20 to 0.1 μm or more, it is possible to sufficiently ensure the strength of the insulating layer 20 against impacts and scratches, and to prevent the insulating layer 20 from being cracked during handling. Further, the insulating layer 20 which is an anodic oxide film of aluminum is hard and brittle, but when the thickness of the insulating layer 20 is 20 μm or less, when the thermoelectric conversion module 10 is bent by mounting on a curved surface or the like, It is possible to prevent the insulating layer 20 from being cracked.

絶縁層20すなわちアルミニウムの陽極酸化膜は、公知の陽極酸化処理によって形成可能である。
一例として、以下の方法が例示される。
The insulating layer 20, that is, the anodic oxidation film of aluminum can be formed by a known anodic oxidation treatment.
The following method is illustrated as an example.

まず、アルミニウム基材18の陽極酸化処理に先立ち、アルミニウム基材18の前処理を行ってもよい。前処理としては、一例として、熱処理が例示される。
また、アルミニウム基材18の陽極酸化処理を施す表面には、あらかじめ脱脂処理、鏡面仕上げ処理を行っておくのが好ましい。
First, prior to the anodizing treatment of the aluminum substrate 18, the aluminum substrate 18 may be pretreated. An example of the pretreatment is heat treatment.
Moreover, it is preferable to perform a degreasing process and a mirror finishing process in advance on the surface of the aluminum substrate 18 to be anodized.

<熱処理>
熱処理は、200〜350℃で30秒〜2分程度施すのが好ましい。具体的な方法としては、例えば、アルミニウム基材18を加熱オーブンに入れる方法が挙げられる。このような熱処理を施すことにより、陽極酸化膜の表面に形成されるマイクロポアの配列の規則性が向上する。
また、熱処理後のアルミニウム基材18は、急速に冷却するのが好ましい。冷却する方法としては、例えば、アルミニウム基材18を水等に直接投入する方法が挙げられる。
<Heat treatment>
The heat treatment is preferably performed at 200 to 350 ° C. for about 30 seconds to 2 minutes. As a specific method, for example, a method of putting the aluminum base material 18 in a heating oven can be mentioned. By performing such heat treatment, the regularity of the arrangement of micropores formed on the surface of the anodized film is improved.
Moreover, it is preferable to cool the aluminum base material 18 after heat processing rapidly. As a method for cooling, for example, a method in which the aluminum substrate 18 is directly poured into water or the like can be mentioned.

<脱脂処理>
脱脂処理は、酸、アルカリ、有機溶剤等を用いて、アルミニウム基材18表面に付着した、ほこり、脂、樹脂等の有機成分等を溶解させて除去する処理である。後述の各処理における有機成分を原因とする欠陥の発生を防止することを目的として行われる。
脱脂処理には、通常の脱脂剤を用いることができる。具体的には、例えば、市販されている各種の脱脂剤を所定の方法で用いることにより行うことができる。
<Degreasing treatment>
The degreasing process is a process of dissolving and removing organic components such as dust, fat, and resin attached to the surface of the aluminum base 18 using an acid, an alkali, an organic solvent, or the like. This is performed for the purpose of preventing the occurrence of defects caused by organic components in each treatment described below.
A normal degreasing agent can be used for the degreasing treatment. Specifically, for example, various commercially available degreasing agents can be used by a predetermined method.

<鏡面仕上げ処理>
鏡面仕上げ処理は、アルミニウム基材18の表面の凹凸、例えばアルミニウム基材18の圧延時に発生した圧延筋等をなくして、電着法等による封孔処理の均一性や再現性を向上させるために行われる。
鏡面仕上げ処理は、特に限定されず、通常の方法を用いることができる。例えば、機械研磨、化学研磨、電解研磨が挙げられる。
<Mirror finish processing>
The mirror finishing process eliminates irregularities on the surface of the aluminum substrate 18, for example, rolling streaks generated during the rolling of the aluminum substrate 18, and improves the uniformity and reproducibility of the sealing treatment by an electrodeposition method or the like. Done.
The mirror finish processing is not particularly limited, and a normal method can be used. Examples thereof include mechanical polishing, chemical polishing, and electrolytic polishing.

機械研磨としては、例えば、各種市販の研磨布で研磨する方法、市販の各種研磨剤(例えば、ダイヤ、アルミナ)とバフとを組み合わせた方法等が挙げられる。具体的には、研磨剤を用いる場合、使用する研磨剤を粗い粒子から細かい粒子へと経時的に変更して行う方法が好適に例示される。この場合、最終的に用いる研磨剤としては、#1500のものが好ましい。   Examples of the mechanical polishing include a method of polishing with various commercially available polishing cloths, a method of combining various commercially available abrasives (for example, diamond, alumina) and a buff. Specifically, when an abrasive is used, a method in which the abrasive used is changed from coarse particles to fine particles over time is preferably exemplified. In this case, the final polishing agent is preferably # 1500.

化学研磨としては、例えば、「アルミニウムハンドブック」、第6版、(社)日本アルミニウム協会編、2001年、p.164−165に記載されている各種の方法等が挙げられる。
また、化学研磨としては、リン酸−硝酸法、Alupol I法、Alupol V法、Alcoa R5法、H3PO4−CH3COOH−Cu法、H3PO4−HNO3−CH3COOH法も好適に挙げられる。中でも、リン酸−硝酸法、H3PO4−CH3COOH−Cu法、H3PO4−HNO3−CH3COOH法が好ましい。
As the chemical polishing, for example, “Aluminum Handbook”, 6th edition, edited by Japan Aluminum Association, 2001, p. Examples thereof include various methods described in 164 to 165.
As chemical polishing, phosphoric acid-nitric acid method, Alupol I method, Alupol V method, Alcoa R5 method, H 3 PO 4 —CH 3 COOH—Cu method, H 3 PO 4 —HNO 3 —CH 3 COOH method are also used. Preferably mentioned. Among these, the phosphoric acid-nitric acid method, the H 3 PO 4 —CH 3 COOH—Cu method, and the H 3 PO 4 —HNO 3 —CH 3 COOH method are preferable.

電解研磨としては、例えば、「アルミニウムハンドブック」、第6版、(社)日本アルミニウム協会編、2001年、p.164−165に記載されている各種の方法; 米国特許第2708655号明細書に記載されている方法; 「実務表面技術」、vol.33、No.3、1986年、p.32−38に記載されている方法; 等が好適に挙げられる。   Examples of the electrolytic polishing include “Aluminum Handbook”, 6th edition, edited by Japan Aluminum Association, 2001, p. 164-165; various methods described in US Pat. No. 2,708,655; “Practical Surface Technology”, vol. 33, no. 3, 1986, p. The method described in 32-38;

これらの方法は、適宜、組み合わせて用いることができる。具体的には、例えば、研磨剤を粗い粒子から細かい粒子へと経時的に変更する機械研磨を施し、その後、電解研磨を施す方法が好適に挙げられる。   These methods can be used in combination as appropriate. Specifically, for example, a method of performing mechanical polishing in which the abrasive is changed from coarse particles to fine particles with time, and then performing electrolytic polishing is preferable.

[アルミニウム基材18の陽極酸化処理]
アルミニウム基材18の陽極酸化処理は、通常の方法により行うことができる。
例えば、自己規則化法を用いることができる。自己規則化法とは、陽極酸化膜に形成されるマイクロポアが規則的に配列する性質を利用し、規則的な配列をかく乱する要因を取り除くことで、規則性を向上させる方法である。具体的には、高純度のアルミニウム基材18を使用し、電解液の種類に応じた電圧で、長時間(例えば、数時間から十数時間)かけて、低速で陽極酸化膜を形成させる。この方法においては、ポア径は電圧に依存するので、電圧を制御することにより、ある程度所望のポア径を得ることができる。
[Anodizing treatment of aluminum substrate 18]
The anodizing treatment of the aluminum substrate 18 can be performed by a normal method.
For example, a self-ordering method can be used. The self-ordering method is a method for improving the regularity by utilizing the property that the micropores formed in the anodic oxide film are regularly arranged and removing a factor that disturbs the regular arrangement. Specifically, a high-purity aluminum substrate 18 is used, and an anodized film is formed at a low speed over a long period of time (for example, several hours to several tens of hours) at a voltage corresponding to the type of the electrolytic solution. In this method, since the pore diameter depends on the voltage, a desired pore diameter can be obtained to some extent by controlling the voltage.

本発明における陽極酸化処理は、具体的には、下記の陽極酸化処理(a−1)により行うことができ、陽極酸化処理(a−1)に加えて、脱膜処理(a−2)、再陽極酸化処理(a−3)を併せて行うことが好ましい。陽極酸化処理(a−1)、脱膜処理(a−2)、再陽極酸化処理(a−3)はそれぞれ複数回行ってもよい。
例えば、陽極酸化処理(a−1)と脱膜処理(a−2)とをこの順に数回繰り返し行い、次いで再陽極酸化処理(a−3)を行うことが好ましい。また、再陽極酸化処理(a−3)の後に脱膜処理(a−2)を行ってもよい。
Specifically, the anodizing treatment in the present invention can be performed by the following anodizing treatment (a-1). In addition to the anodizing treatment (a-1), the film removal treatment (a-2), It is preferable to perform re-anodizing treatment (a-3) together. The anodizing treatment (a-1), the film removal treatment (a-2), and the reanodizing treatment (a-3) may each be performed a plurality of times.
For example, it is preferable to repeat the anodization treatment (a-1) and the film removal treatment (a-2) several times in this order, and then perform the reanodization treatment (a-3). Further, the film removal treatment (a-2) may be performed after the reanodization treatment (a-3).

陽極酸化処理(a−1)
陽極酸化処理は、電解質溶液中でアルミニウム基材18を陽極として電気分解を行い、基板表面を酸化して、表面に酸化アルミニウムの多孔質皮膜を形成させる処理である。
陽極酸化処理の電解質溶液としては、一例として、有機酸を含む電解質溶液を用いる。有機酸は、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、マレイン酸、イタコン酸、酒石酸、りんご酸、クエン酸、グリコール酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、アミドスルホン酸等が挙げられる。これらの酸は単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの有機酸の中でも、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、マレイン酸、イタコン酸、酒石酸、りんご酸、クエン酸が好ましく、シュウ酸が特に好ましい。
Anodizing treatment (a-1)
The anodizing treatment is a treatment in which an aluminum substrate 18 is used as an anode in an electrolyte solution to oxidize the substrate surface to form a porous aluminum oxide film on the surface.
As an example of the anodizing electrolyte solution, an electrolyte solution containing an organic acid is used. Examples of the organic acid include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, maleic acid, itaconic acid, tartaric acid, malic acid, citric acid, glycolic acid, sulfamic acid, benzenesulfonic acid, amidosulfonic acid and the like. These acids can be used alone or in combination of two or more. Among these organic acids, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, maleic acid, itaconic acid, tartaric acid, malic acid, and citric acid are preferable, and oxalic acid is particularly preferable.

陽極酸化処理条件は、使用される電解液に応じて、適宜、設定すればよい。
陽極酸化処理条件は、一般的には、電解液濃度(酸濃度):0.01〜5mol/L、液温:−10〜30℃、電流密度:0.01〜20A/dm2、電圧:3〜300V、電解時間:0.5〜30時間であるのが好ましい。また、陽極酸化処理条件は、電解液濃度:0.05〜3mol/L、液温:−5〜25℃、電流密度:0.05〜15A/dm2、電圧:5〜250V、電解時間:1〜25時間であるのがより好ましい。さらに、陽極酸化処理条件は、電解液濃度:0.1〜1mol/L、液温:0〜20℃、電流密度:0.1〜10A/dm2、電圧:10〜200V、電解時間:1〜20時間であるのが特に好ましい。
What is necessary is just to set the anodizing process conditions suitably according to the electrolyte solution to be used.
The anodizing conditions are generally as follows: electrolyte concentration (acid concentration): 0.01 to 5 mol / L, liquid temperature: −10 to 30 ° C., current density: 0.01 to 20 A / dm 2 , voltage: It is preferable that they are 3-300V and electrolysis time: 0.5-30 hours. The anodizing treatment conditions were as follows: electrolytic solution concentration: 0.05 to 3 mol / L, liquid temperature: −5 to 25 ° C., current density: 0.05 to 15 A / dm 2 , voltage: 5 to 250 V, electrolysis time: More preferably, it is 1 to 25 hours. Furthermore, the anodizing conditions were: electrolyte concentration: 0.1 to 1 mol / L, liquid temperature: 0 to 20 ° C., current density: 0.1 to 10 A / dm 2 , voltage: 10 to 200 V, electrolysis time: 1 It is particularly preferred that it is ˜20 hours.

陽極酸化処理を行う際の平均流速は、0.5〜20.0m/minであるのが好ましく、1.0〜15.0m/minであるのがより好ましく、2.0〜10.0m/minであるのが特に好ましい。上記範囲の流速で陽極酸化処理を行うことにより、均一かつ高い規則性を有するマイクロポアを形成することができる。
また、電解液を流動させる方法は、特に限定されないが、例えば、スターラーのような一般的な攪拌装置を使用する方法が用いられる。特に、攪拌速度をデジタル表示でコントロールできるようなスターラーを用いると、平均流速が制御できるため、好ましい。このような攪拌装置としては、例えば、「マグネティックスターラーHS−50D(AS ONE製)」等が挙げられる。
The average flow rate during the anodizing treatment is preferably 0.5 to 20.0 m / min, more preferably 1.0 to 15.0 m / min, and 2.0 to 10.0 m / min. Particularly preferred is min. By performing the anodic oxidation treatment at a flow rate in the above range, micropores having uniform and high regularity can be formed.
Moreover, the method of flowing the electrolytic solution is not particularly limited, but for example, a method using a general stirring device such as a stirrer is used. In particular, it is preferable to use a stirrer that can control the stirring speed by digital display because the average flow rate can be controlled. Examples of such a stirrer include “Magnetic Stirrer HS-50D (manufactured by AS ONE)” and the like.

陽極酸化処理は、一定電圧下で行う以外に、電圧を断続的または連続的に変化させる方法も用いることができる。この場合は電圧を順次低くしていくのが好ましい。これにより、陽極酸化膜の抵抗を下げることが可能になり、陽極酸化膜に微細なマイクロポアが生成するため、特に電着処理により封孔処理する際に、均一性が向上する点で、好ましい。   The anodizing treatment can be performed by changing the voltage intermittently or continuously in addition to being performed under a constant voltage. In this case, it is preferable to decrease the voltage sequentially. This makes it possible to reduce the resistance of the anodic oxide film, and fine micropores are generated in the anodic oxide film, which is preferable in terms of improving uniformity, particularly when sealing treatment is performed by electrodeposition. .

脱膜処理(a−2)
脱膜処理は、上記陽極酸化処理によりアルミニウム基材18の表面に形成した陽極酸化膜を溶解させて除去する処理である。脱膜処理では、アルミニウム基材18は溶解させず、酸化アルミニウム(アルミナ)からなる陽極酸化膜のみを溶解させる。
陽極酸化膜は、アルミニウム基材18に近くなるほど規則性が高くなるため、脱膜処理により一度陽極酸化膜を除去して、アルミニウム基材18の表面に残存した陽極酸化膜の底部分を表面に露出させて、規則的な窪みを得ることができる。
Film removal treatment (a-2)
The film removal process is a process for dissolving and removing the anodic oxide film formed on the surface of the aluminum base 18 by the anodic oxidation process. In the film removal process, the aluminum substrate 18 is not dissolved, but only the anodized film made of aluminum oxide (alumina) is dissolved.
Since the anodic oxide film becomes more regular as it is closer to the aluminum base material 18, the anodic oxide film is once removed by film removal treatment, and the bottom portion of the anodic oxide film remaining on the surface of the aluminum base material 18 is made the surface. It can be exposed to obtain regular depressions.

脱膜処理は、陽極酸化膜が形成されたアルミニウム基材18をアルミナ溶解液に接触させることにより行う。アルミナ溶解液は、アルミナを溶解し、アルミニウムを実質的に溶解しないものであればよい。
アルミナ溶解液としては、酸溶液またはアルカリ溶液を用いることができる。アルミナ溶解液の具体例としては、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等の酸またはこれらの混合物の水溶液、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムおよび水酸化リチウム等のアルカリの水溶液が挙げられる。また、アルミナ溶解液としては、クロム化合物、ジルコニウム系化合物、チタン系化合物、リチウム塩、セリウム塩、マグネシウム塩、ケイフッ化ナトリウム、フッ化亜鉛、マンガン化合物、モリブデン化合物、マグネシウム化合物、バリウム化合物、ハロゲン単体等を含有する水溶液を用いることもできる。
The film removal treatment is performed by bringing the aluminum substrate 18 on which the anodized film is formed into contact with the alumina solution. The alumina solution may be any solution that dissolves alumina and does not substantially dissolve aluminum.
An acid solution or an alkali solution can be used as the alumina solution. Specific examples of the alumina solution include aqueous solutions of acids such as sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, hydrochloric acid or mixtures thereof, and aqueous solutions of alkalis such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, and lithium hydroxide. As the alumina solution, chromium compounds, zirconium compounds, titanium compounds, lithium salts, cerium salts, magnesium salts, sodium fluorosilicate, zinc fluoride, manganese compounds, molybdenum compounds, magnesium compounds, barium compounds, halogens alone An aqueous solution containing the above can also be used.

具体的なクロム化合物としては、例えば、酸化クロム(III)、無水クロム(VI)酸等が挙げられる。
ジルコニウム系化合物としては、例えば、フッ化ジルコンアンモニウム、フッ化ジルコニウム、塩化ジルコニウムが挙げられる。
チタン化合物としては、例えば、酸化チタン、硫化チタンが挙げられる。
リチウム塩としては、例えば、フッ化リチウム、塩化リチウムが挙げられる。
セリウム塩としては、例えば、フッ化セリウム、塩化セリウムが挙げられる。
マグネシウム塩としては、例えば、硫化マグネシウムが挙げられる。
マンガン化合物としては、例えば、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸カルシウムが挙げられる。
モリブデン化合物としては、例えば、モリブデン酸ナトリウムが挙げられる。
マグネシウム化合物としては、例えば、フッ化マグネシウム・五水和物が挙げられる。
バリウム化合物としては、例えば、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウム、塩素酸バリウム、塩化バリウム、フッ化バリウム、ヨウ化バリウム、乳酸バリウム、シュウ酸バリウム、過塩素酸バリウム、セレン酸バリウム、亜セレン酸バリウム、ステアリン酸バリウム、亜硫酸バリウム、チタン酸バリウム、水酸化バリウム、硝酸バリウム、あるいはこれらの水和物等が挙げられる。上記バリウム化合物の中でも、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウムが好ましく、酸化バリウムが特に好ましい。
ハロゲン単体としては、例えば、塩素、フッ素、臭素が挙げられる。
Specific examples of the chromium compound include chromium oxide (III) and chromium (VI) anhydride.
Examples of the zirconium-based compound include zircon ammonium fluoride, zirconium fluoride, and zirconium chloride.
Examples of the titanium compound include titanium oxide and titanium sulfide.
Examples of the lithium salt include lithium fluoride and lithium chloride.
Examples of the cerium salt include cerium fluoride and cerium chloride.
Examples of the magnesium salt include magnesium sulfide.
Examples of the manganese compound include sodium permanganate and calcium permanganate.
Examples of the molybdenum compound include sodium molybdate.
Examples of magnesium compounds include magnesium fluoride pentahydrate.
Examples of barium compounds include barium oxide, barium acetate, barium carbonate, barium chlorate, barium chloride, barium fluoride, barium iodide, barium lactate, barium oxalate, barium perchlorate, barium selenate, selenite. Examples thereof include barium, barium stearate, barium sulfite, barium titanate, barium hydroxide, barium nitrate, and hydrates thereof. Among the barium compounds, barium oxide, barium acetate, and barium carbonate are preferable, and barium oxide is particularly preferable.
Examples of halogen alone include chlorine, fluorine, and bromine.

中でも、脱膜処理は、酸を含有する水溶液を用いることが好ましい。また、酸としては、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸が好ましい。
酸水溶液の酸濃度は、0.01mol/L以上であるのが好ましく、0.05mol/L以上であるのがより好ましく、0.1mol/L以上であるのが特に好ましい。上限は特にないが、一般的には10mol/L以下であるのが好ましく、5mol/L以下であるのがより好ましく、1mol/L以下であるのが特に好ましい。不要に高い濃度は経済的でないし、より高いとアルミニウム基材18が溶解するおそれがある。
Especially, it is preferable to use the aqueous solution containing an acid for the film removal process. Moreover, as an acid, a sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, and hydrochloric acid are preferable.
The acid concentration of the acid aqueous solution is preferably 0.01 mol / L or more, more preferably 0.05 mol / L or more, and particularly preferably 0.1 mol / L or more. Although there is no particular upper limit, it is generally preferably 10 mol / L or less, more preferably 5 mol / L or less, and particularly preferably 1 mol / L or less. An unnecessarily high concentration is not economical, and if it is higher, the aluminum substrate 18 may be dissolved.

アルミナ溶解液の温度は、−10℃以上であるのが好ましく、−5℃以上であるのがより好ましく、0℃以上であるのが特に好ましい。なお、沸騰したアルミナ溶解液を用いて処理すると、規則化の起点が破壊され乱れるので、沸騰させないで用いるのが好ましい。
アルミナ溶解液として酸水溶液を用いる場合、酸水溶液の温度は、20〜60℃であるのが好ましい。
The temperature of the alumina solution is preferably −10 ° C. or higher, more preferably −5 ° C. or higher, and particularly preferably 0 ° C. or higher. In addition, since the starting point of ordering will be destroyed and disturb | disturbed if it processes using the boiling alumina solution, it is preferable to use without boiling.
When using an acid aqueous solution as an alumina solution, the temperature of the acid aqueous solution is preferably 20 to 60 ° C.

陽極酸化膜が形成されたアルミニウム基材18をアルミナ溶解液に接触させる方法は、特に限定されず、例えば、浸漬法、スプレー法が挙げられる。中でも浸漬法が好ましい。
浸漬法は、陽極酸化膜が形成されたアルミニウム基材18をアルミナ溶解液に浸漬させる処理である。浸漬処理の際に攪拌を行うと、ムラのない処理が行われるため好ましい。
浸漬処理の時間は、8〜120分であるのが好ましく、10〜90分であるのがより好ましく、15〜60分であるのが特に好ましい。
また、陽極酸化膜の溶解量は、陽極酸化膜全体の0.001〜50質量%であるのが好ましく、0.005〜30質量%であるのがより好ましく、0.01〜15質量%であるのが特に好ましい。溶解量が上記範囲であると、陽極酸化膜の表面の配列が不規則な部分を溶解させて、マイクロポアの配列の規則性を高くすることができるとともに、マイクロポアの底部分に陽極酸化膜を残存させて、再陽極酸化処理(a−3)で実施する陽極酸化処理の起点を残すことができる。
The method for bringing the aluminum substrate 18 on which the anodized film is formed into contact with the alumina solution is not particularly limited, and examples thereof include an immersion method and a spray method. Of these, the dipping method is preferred.
The dipping method is a process of immersing the aluminum base material 18 on which the anodized film is formed in an alumina solution. It is preferable to perform stirring during the dipping process because a uniform process is performed.
The time for the immersion treatment is preferably 8 to 120 minutes, more preferably 10 to 90 minutes, and particularly preferably 15 to 60 minutes.
The dissolution amount of the anodic oxide film is preferably 0.001 to 50% by mass of the whole anodic oxide film, more preferably 0.005 to 30% by mass, and 0.01 to 15% by mass. It is particularly preferred. When the dissolution amount is in the above range, the irregular portion of the surface of the anodic oxide film can be dissolved to increase the regularity of the micropore arrangement, and the anodic oxide film is formed at the bottom of the micropore. Thus, the starting point of the anodizing treatment performed in the re-anodizing treatment (a-3) can be left.

再陽極酸化処理(a−3)
上記脱膜処理により陽極酸化膜を除去して、アルミニウム基材18の表面に規則的な窪みを形成した後、再び陽極酸化処理を施すことで、マイクロポアの規則化度がより高い陽極酸化膜を形成することができる。
再陽極酸化処理は、通常の方法を用いることができるが、上述した陽極酸化処理(a−1)と同一の条件で行われるのが好ましい。再陽極酸化処理を行う場合、再陽極酸化処理で電解質溶液として用いた有機酸も、後述のアニール処理により分解・除去する必要があるため、電解質溶液に用いる有機酸は、前述の陽極酸化処理(a−1)で使用したのと同じものであることが好ましい。
また、直流電圧を一定としつつ、断続的に電流のオンおよびオフを繰り返す方法、直流電圧を断続的に変化させつつ、電流のオンおよびオフを繰り返す方法も好適に用いることができる。これらの方法によれば、陽極酸化膜に微細なマイクロポアが生成するため、ポア径の均一性が向上する点で、好ましい。
Re-anodizing treatment (a-3)
The anodic oxide film having a higher degree of ordering of micropores is obtained by removing the anodic oxide film by the film removal process and forming regular depressions on the surface of the aluminum base 18 and then performing the anodic oxidation process again. Can be formed.
The re-anodizing treatment can be performed by a normal method, but is preferably performed under the same conditions as the above-described anodizing treatment (a-1). When performing re-anodization treatment, the organic acid used as the electrolyte solution in re-anodization treatment also needs to be decomposed and removed by the annealing treatment described later. It is preferably the same as that used in a-1).
Also, a method of repeatedly turning on and off the current intermittently while keeping the DC voltage constant, and a method of repeatedly turning on and off the current while intermittently changing the DC voltage can be suitably used. According to these methods, fine micropores are generated in the anodic oxide film, which is preferable in terms of improving the uniformity of the pore diameter.

また、再陽極酸化処理を低温で行うと、マイクロポアの配列が規則的になり、また、ポア径が均一になる。一方、再陽極酸化処理を比較的高温で行うことにより、マイクロポアの配列を乱し、また、ポア径のばらつきを所定の範囲にすることができる。また、処理時間によっても、ポア径のばらつきを制御することができる。   When the re-anodizing treatment is performed at a low temperature, the arrangement of micropores becomes regular and the pore diameter becomes uniform. On the other hand, by performing the re-anodizing treatment at a relatively high temperature, the arrangement of the micropores can be disturbed, and the pore diameter variation can be within a predetermined range. Also, the pore diameter variation can be controlled by the processing time.

以上のような方法で、アルミニウム基材18に陽極酸化膜すなわちアルミニウム基材18に絶縁層20を形成できる。   By the method as described above, the anodic oxide film, that is, the insulating layer 20 can be formed on the aluminum substrate 18.

[基板のアニール処理]
陽極酸化によって絶縁層20を形成したアルミニウム基材18、すなわち、基板12は、熱電変換素子14を形成する前に、アニール処理を施すのが好ましい。
アニール処理前に、基板12を、ダイシング、レーザー加工、ギロチンカッター等の通常の方法で所望の大きさにカットしておいてもよい。
アニール処理には、電気炉、ランプアニール炉、オーブン、イナートオーブン等を用いることができる。
[Substrate annealing]
The aluminum base material 18 on which the insulating layer 20 is formed by anodic oxidation, that is, the substrate 12 is preferably subjected to an annealing treatment before the thermoelectric conversion element 14 is formed.
Prior to the annealing treatment, the substrate 12 may be cut into a desired size by a normal method such as dicing, laser processing, or a guillotine cutter.
For the annealing treatment, an electric furnace, a lamp annealing furnace, an oven, an inert oven, or the like can be used.

アニール温度は、陽極酸化処理の電解質溶液に用いた有機酸の沸点、分解温度、昇華温度のいずれかの温度以上で行う。なお、ここでいう陽極酸化処理には、前述の陽極酸化処理(a−1)はもちろん、再陽極酸化処理(a−3)も含まれる。例えば、電解質溶液に有機酸として、(1)シュウ酸を用いた場合には昇華温度である150℃以上、(2)マロン酸を用いた場合には分解温度である134℃以上、(3)コハク酸を用いた場合には沸点である235℃以上、(4)グルタル酸を用いた場合には沸点である302℃以上、の温度でアニール処理を行う。電解質溶液が複数の有機酸を含有する場合や、陽極酸化処理と再陽極酸化処理とで電解質溶液に異なる有機酸を用いた場合には、使用した有機酸すべてが分解、昇華等しうる温度以上で行う。
さらに、基板12の反りや伸びを低減するために、アルミニウムの軟化温度である250℃〜350℃よりも高い温度でアニールすることが好ましい。なお、アニール処理温度の上限値としては、アルミニウムの再結晶温度である400℃未満が好ましい。すなわち、基板12のアニール温度としては、134℃以上、400℃未満で行うことが好ましく、250℃以上、400℃未満で行うことがより好ましく、350℃以上、400℃未満で行うことがさらに好ましい。
The annealing temperature is at least one of the boiling point, decomposition temperature, and sublimation temperature of the organic acid used in the anodizing electrolyte solution. The anodizing treatment here includes not only the above-described anodizing treatment (a-1) but also the reanodizing treatment (a-3). For example, as an organic acid in the electrolyte solution, (1) when oxalic acid is used, the sublimation temperature is 150 ° C. or higher, and (2) when malonic acid is used, the decomposition temperature is 134 ° C. or higher, (3) When succinic acid is used, annealing is performed at a temperature of 235 ° C. or higher, which is a boiling point, and (4) when glutaric acid is used, annealing is performed at a temperature of 302 ° C. or higher, which is a boiling point. When the electrolyte solution contains multiple organic acids, or when different organic acids are used in the electrolyte solution for anodizing treatment and re-anodizing treatment, the temperature exceeds the temperature at which all the organic acids used can be decomposed and sublimated. To do.
Further, in order to reduce the warpage and elongation of the substrate 12, it is preferable to anneal at a temperature higher than 250 ° C. to 350 ° C. which is the softening temperature of aluminum. In addition, as an upper limit of annealing treatment temperature, less than 400 degreeC which is the recrystallization temperature of aluminum is preferable. That is, the annealing temperature of the substrate 12 is preferably 134 ° C. or higher and lower than 400 ° C., more preferably 250 ° C. or higher and lower than 400 ° C., and further preferably 350 ° C. or higher and lower than 400 ° C. .

アニール処理時間は1分〜2時間とすることが好ましい。
アニール処理を行う雰囲気は、大気下でも、窒素、アルゴン等不活性ガス下でもよい。
The annealing time is preferably 1 minute to 2 hours.
The atmosphere for performing the annealing treatment may be in the air or in an inert gas such as nitrogen or argon.

陽極酸化処理の電解質溶液に用いた有機酸は、酸化皮膜に取り込まれて基板12中に残存しているものと考えられ、陽極酸化処理後に、当該酸の沸点、分解または昇華温度以上で基板をアニールすることで、基板に残った酸の残渣を除去することができる。
なお、陽極酸化処理の前処理(脱脂処理等)や、陽極酸化処理の間や後に行う脱膜処理にも酸溶液を使用する場合があるが、これらの処理で使用される酸は基板12上に残存しないため、熱電変換層に影響を及ぼすことはないものと考えられる。そのため、アニール処理では、陽極酸化に用いた電解質溶液中に含まれる有機酸のみを除去できればよい。
It is considered that the organic acid used in the electrolyte solution for the anodizing treatment is taken into the oxide film and remains in the substrate 12. After the anodizing treatment, the substrate is heated at a temperature equal to or higher than the boiling point, decomposition or sublimation temperature of the acid. By annealing, the acid residue remaining on the substrate can be removed.
Note that an acid solution may be used for pretreatment (eg, degreasing treatment) of the anodizing treatment or film removal treatment performed during or after the anodizing treatment. The acid used in these treatments is on the substrate 12. Therefore, it is considered that the thermoelectric conversion layer is not affected. Therefore, in the annealing treatment, it is only necessary to remove only the organic acid contained in the electrolyte solution used for the anodic oxidation.

[基板12の有機酸分解処理]
本発明においては、陽極酸化処理に用いた有機酸の分解・除去を、より完全なものとするため、このようなアニール処理に加えて、基板12の有機酸分解処理を行ってもよい。この処理により、陽極酸化処理後の基板12に残った有機酸の分解を促進できるとともに、基板12表面の洗浄効果により熱電変換層28等の密着性が向上する。その結果、熱電変換層28のひび、割れをより低減でき、さらに優れた熱電変換性能を発揮する熱電変換モジュール10が得られる。
[Organic acid decomposition treatment of substrate 12]
In the present invention, in order to make the decomposition and removal of the organic acid used in the anodic oxidation process more complete, the organic acid decomposition process of the substrate 12 may be performed in addition to the annealing process. By this treatment, the decomposition of the organic acid remaining on the substrate 12 after the anodization treatment can be promoted, and the adhesion of the thermoelectric conversion layer 28 and the like is improved by the cleaning effect on the surface of the substrate 12. As a result, it is possible to obtain the thermoelectric conversion module 10 that can further reduce cracks and cracks in the thermoelectric conversion layer 28 and that exhibits excellent thermoelectric conversion performance.

基板12の有機酸分解処理は、コロナ処理、UVオゾン処理、大気圧プラズマ処理や低圧プラズマ処理等のプラズマ処理、電子線照射処理等により行うことができる。コロナ処理、UVオゾン処理では、放電もしくは紫外線照射により生じたオゾンやOHラジカルにより有機酸を分解する。大気圧プラズマ処理、低圧プラズマ処理では窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素等からなる単独、もしくは混合ガスをプラズマ状態にし、そこから発生した、イオン、ラジカル、電子により有機酸を分解する。電子線照射では電子線により有機酸を分解する。
具体的には、基板12に、特開昭57−11931号、特開平5−339397号、同10−67869号等の各公報に記載されるコロナ処理、特開平11−169806号、特開2009−262046号等の各公報に記載されるUVオゾン処理、特開2000−250017号、同2006−272319号等の各公報に記載される大気圧プラズマ処理、特開2001−237213号、同2010−89014号等の各公報に記載される低圧プラズマ処理、特開平5−74750号、特開2004−53563号等の各公報に記載される電子線照射処理を行うことができる。
これらの処理は、処理方法に応じて、大気下、不活性ガス雰囲気下、真空下でのいずれかで行うことができる。
The organic acid decomposition treatment of the substrate 12 can be performed by corona treatment, UV ozone treatment, plasma treatment such as atmospheric pressure plasma treatment or low pressure plasma treatment, electron beam irradiation treatment, or the like. In the corona treatment and UV ozone treatment, the organic acid is decomposed by ozone or OH radical generated by discharge or ultraviolet irradiation. In the atmospheric pressure plasma treatment and the low pressure plasma treatment, a single or mixed gas composed of nitrogen, argon, helium, oxygen, hydrogen or the like is brought into a plasma state, and the organic acid is decomposed by ions, radicals, and electrons generated therefrom. In the electron beam irradiation, the organic acid is decomposed by the electron beam.
Specifically, the substrate 12 is subjected to corona treatment described in JP-A-57-11931, JP-A-5-339397, JP-A-10-67869, JP-A-11-169806, JP-A-2009. UV ozone treatment described in each publication such as JP-A-6262646, atmospheric pressure plasma treatment described in JP-A Nos. 2000-250017 and 2006-272319, JP-A No. 2001-237213, 2010- Low-pressure plasma treatment described in each publication such as 89014, and electron beam irradiation treatment described in each publication such as JP-A-5-74750 and JP-A-2004-53563 can be performed.
These treatments can be performed in the atmosphere, in an inert gas atmosphere, or in a vacuum depending on the treatment method.

このような有機酸の分解処理は、基板12上に熱電変換層を形成する前の時点であれば、いつ行ってもよい。例えば、前述の陽極酸化膜(絶縁層20)を形成したアルミニウム基材18のアニール処理の前または後、あるいはアニール処理と同時に行うことができる。好ましくは、有機酸の分解処理は、基板12のアニール処理後に行う。また、有機酸の分解処理工程は複数回行ってもよく、例えば、アニール処理の前と後のように2回行ってもよい。   Such an organic acid decomposition treatment may be performed at any time before the thermoelectric conversion layer is formed on the substrate 12. For example, it can be performed before or after the annealing treatment of the aluminum substrate 18 on which the anodic oxide film (insulating layer 20) is formed, or simultaneously with the annealing treatment. Preferably, the decomposition process of the organic acid is performed after the annealing process of the substrate 12. In addition, the organic acid decomposition treatment step may be performed a plurality of times, for example, twice before and after the annealing treatment.

図1および図2に示す基板12は、アルミニウム基材18の一方の面のみに絶縁層20を有するものであるが、本発明において、基板12は、アルミニウム基材18の両面に絶縁層20を有するものであってもよい。   The substrate 12 shown in FIGS. 1 and 2 has the insulating layer 20 on only one surface of the aluminum base 18. In the present invention, the substrate 12 has the insulating layer 20 on both sides of the aluminum base 18. You may have.

本発明の熱電変換モジュールにおいて、基板12は、アルミニウム基材18の絶縁層20が形成されない側の表面に、アルミニウムを除く金属で形成される板材(シート状物)である金属基材が積層されたものでもよい。
すなわち、本発明の熱電変換モジュールにおいて、基板は、図3(A)に概念的に示す基板12aのように、金属基材16の上(表面)にアルミニウム基材18を有し、このアルミニウム基材18の上にアルミニウム基材18の陽極酸化膜による絶縁層20を有するものでもよい。
あるいは、本発明の熱電変換モジュールにおいて、基板は、図3(B)に概念的に示す基板12bのように、金属基材16の両面にアルミニウム基材18を有し、両方のアルミニウム基材18の上に、アルミニウム基材18の陽極酸化膜による絶縁層20を有するものであってもよい。このような金属基材16の両面にアルミニウム基材18を有する構成では、絶縁層20を一方のアルミニウム基材18のみに形成したものでもよい。
このような金属基材16を有する基板を用いることにより、高温の熱原でアルミニウム基材18や絶縁層20が加熱されることによる、アルミニウム基材18や絶縁層20すなわち基板の変形や損傷を防止して、より耐熱性の高い熱電変換モジュールが得られる。
In the thermoelectric conversion module of the present invention, the substrate 12 is formed by laminating a metal base material, which is a plate material (sheet-like material) formed of a metal excluding aluminum, on the surface of the aluminum base material 18 where the insulating layer 20 is not formed. May be good.
That is, in the thermoelectric conversion module of the present invention, the substrate has an aluminum base 18 on the metal base 16 (surface) like the substrate 12a conceptually shown in FIG. The insulating layer 20 made of the anodized film of the aluminum substrate 18 may be provided on the material 18.
Or in the thermoelectric conversion module of this invention, the board | substrate has the aluminum base material 18 on both surfaces of the metal base material 16 like the board | substrate 12b shown conceptually in FIG.3 (B), and both aluminum base materials 18 are used. Further, an insulating layer 20 made of an anodic oxide film of the aluminum base 18 may be provided thereon. In such a configuration having the aluminum base 18 on both surfaces of the metal base 16, the insulating layer 20 may be formed only on one aluminum base 18.
By using the substrate having such a metal base material 16, the aluminum base material 18 or the insulating layer 20, that is, the substrate is deformed or damaged by heating the aluminum base material 18 or the insulating layer 20 with a high-temperature heat source. Therefore, a thermoelectric conversion module with higher heat resistance can be obtained.

金属基材16は、各種の金属材料からなるものが利用可能である。好ましくは、鋼、鉄基合金、およびTi(Ti合金を含む)からなるものが例示される。なお、鉄基合金とは、ステンレス等の主構成元素がFeである合金(特殊鋼)を意味する。
より具体的には、金属基材16として利用可能な鋼や鉄基合金としては、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、36インバー合金、42インバー合金、コバール合金等が好適に例示される。また、金属基材16として利用可能なTi材としては、Tiを用いることができるが、純Tiに限らず、展伸用合金であるTi−6Al−4VやTi−15V−3Cr−3Al−3Sn等も利用可能である。
The metal substrate 16 can be made of various metal materials. Preferably, those composed of steel, iron-based alloy, and Ti (including Ti alloy) are exemplified. The iron-based alloy means an alloy (special steel) whose main constituent element such as stainless steel is Fe.
More specifically, examples of the steel and iron-based alloy that can be used as the metal substrate 16 include carbon steel, austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, 36 invar alloy, 42 invar alloy, and kovar alloy. . Further, Ti can be used as a Ti material that can be used as the metal base material 16, but is not limited to pure Ti, and Ti-6Al-4V and Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, which are alloys for extending. Etc. are also available.

なお、本発明の熱電変換モジュールにおいて、金属基材16を有する基板を用いる場合には、通常、金属基材16とアルミニウム基材18とを接合した接合材、いわゆるクラッド材(クラッド鋼)を用い、接合材のアルミニウム基材18に、前述のような陽極酸化処理を施して、絶縁層20を形成する。
金属基材16とアルミニウム基材18との接合材は、加圧による接合、圧延による接合等、公知の方法で作製すればよい。また、金属基材16とアルミニウム基材18とを接合した接合材は、市販品も利用可能である。
In addition, when using the board | substrate which has the metal base material 16 in the thermoelectric conversion module of this invention, normally, the joining material which joined the metal base material 16 and the aluminum base material 18, what is called a clad material (clad steel) is used. Then, the anodizing treatment as described above is performed on the aluminum base 18 of the bonding material to form the insulating layer 20.
What is necessary is just to produce the joining material of the metal base material 16 and the aluminum base material 18 by well-known methods, such as joining by pressurization and joining by rolling. Moreover, the commercial item can also be utilized for the joining material which joined the metal base material 16 and the aluminum base material 18. FIG.

本発明の熱電変換モジュール10において、基板12の絶縁層20(陽極酸化膜)の上、すなわち、熱電変換素子14の形成面には、必要に応じて、酸化ケイ素層等が形成されていてもよい。   In the thermoelectric conversion module 10 of the present invention, a silicon oxide layer or the like may be formed on the insulating layer 20 (anodized film) of the substrate 12, that is, on the surface on which the thermoelectric conversion element 14 is formed, if necessary. Good.

本発明の熱電変換モジュール10において、基板12(基板12aおよび基板12b)の厚さは、熱電変換モジュールの大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。本発明者らの検討によれば、基板12の厚さは、120μm以下であるのが好ましく、100μm以下であるのがより好ましい。
基板12の厚さを120μm以下とすることにより、良好な可撓性を有する熱電変換モジュール10が得られる、基板12に熱が溜まることを防止して効率の良い発電ができる等の点で好ましい。
In the thermoelectric conversion module 10 of the present invention, the thickness of the substrate 12 (substrate 12a and substrate 12b) may be set as appropriate according to the size of the thermoelectric conversion module. According to the study by the present inventors, the thickness of the substrate 12 is preferably 120 μm or less, and more preferably 100 μm or less.
By setting the thickness of the substrate 12 to 120 μm or less, it is preferable in that the thermoelectric conversion module 10 having good flexibility can be obtained, heat can be prevented from accumulating on the substrate 12, and efficient power generation can be performed. .

前述のように、熱電変換モジュール10において、熱電変換素子14は、下部電極24と、下部接着層26と、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nからなる熱電変換層28と、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nを接続する上部電極30とを有して構成される。   As described above, in the thermoelectric conversion module 10, the thermoelectric conversion element 14 includes the lower electrode 24, the lower adhesive layer 26, the thermoelectric conversion layer 28 including the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n, p And an upper electrode 30 connecting the n-type thermoelectric conversion layer 28n and the n-type thermoelectric conversion layer 28n.

基板12の絶縁層20の上(表面)には、下部電極24が形成される。
1個の熱電変換素子14において、下部電極24は、離間して2つが設けられる。一方の下部電極24の上には、下部接着層26およびp型熱電変換層28pが設けられ、他方の下部電極の上には、下部接着層26およびn型熱電変換層28nが設けられる。
また、熱電変換モジュール10は、隣接する熱電変換素子14において、p型熱電変換層28pが形成される下部電極24と、n型熱電変換層28nが形成される下部電極24とを接続することで、各熱電変換素子14が直列に接続される。言い換えれば、熱電変換モジュール10は、隣接する熱電変換素子14において、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとで下部電極24を共用することによって、熱電変換素子14を直列に接続している。
A lower electrode 24 is formed on the insulating layer 20 (surface) of the substrate 12.
In one thermoelectric conversion element 14, two lower electrodes 24 are provided apart from each other. A lower adhesive layer 26 and a p-type thermoelectric conversion layer 28p are provided on one lower electrode 24, and a lower adhesive layer 26 and an n-type thermoelectric conversion layer 28n are provided on the other lower electrode.
Moreover, the thermoelectric conversion module 10 connects the lower electrode 24 in which the p-type thermoelectric conversion layer 28p is formed and the lower electrode 24 in which the n-type thermoelectric conversion layer 28n is formed in the adjacent thermoelectric conversion elements 14. The thermoelectric conversion elements 14 are connected in series. In other words, the thermoelectric conversion module 10 connects the thermoelectric conversion elements 14 in series by sharing the lower electrode 24 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n in the adjacent thermoelectric conversion elements 14. ing.

下部電極24は、十分な導電性および耐熱性を有するものであれば、π型の熱電変換素子で利用されている公知の材料からなるものが、各種、利用可能である。
具体的には、下部電極24としては、銀、金、銅、ニッケル、アルミニウム等の金属材料からなるものが例示される。また、十分な耐熱性を有する基材を、このような金属材料で被覆してなる下部電極24も、利用可能である。
As the lower electrode 24, various types of known materials used in π-type thermoelectric conversion elements can be used as long as they have sufficient conductivity and heat resistance.
Specifically, examples of the lower electrode 24 include those made of a metal material such as silver, gold, copper, nickel, and aluminum. A lower electrode 24 formed by coating a base material having sufficient heat resistance with such a metal material can also be used.

このような下部電極24は、銀ナノペースト(銀ロウ)等の金属ペーストを用いる方法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、熱CVD、CVD、スパッタリング、真空蒸着などの気相成膜法を利用する方法等、下部電極24の形成材料に応じた、公知の方法で形成すればよい。   Such a lower electrode 24 uses a method using a metal paste such as silver nanopaste (silver brazing), or a gas phase film forming method such as plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), thermal CVD, CVD, sputtering, or vacuum deposition. What is necessary is just to form by a well-known method according to the formation material of the lower electrode 24, such as a method.

下部電極24の大きさ、厚さ、形状等は、熱電変換モジュール10の構成、熱電変換素子14の大きさや形状等に応じて、適宜、設定すればよい。   What is necessary is just to set suitably the magnitude | size, thickness, shape, etc. of the lower electrode 24 according to the structure of the thermoelectric conversion module 10, the magnitude | size, shape, etc. of the thermoelectric conversion element 14. FIG.

下部電極24と絶縁層20との間には、必要に応じて、下部電極24の密着力を向上するため密着層を設けてもよい。
密着層は、下部電極24の形成材料および形成方法に応じた、各種のものが利用可能である。例えば、気相成膜法によって金を成膜することで下部電極24を形成する場合には、密着層として、クロム層等が例示される。密着層も、形成材料に応じて、真空蒸着法等の公知の方法で形成すればよい。
An adhesion layer may be provided between the lower electrode 24 and the insulating layer 20 to improve the adhesion of the lower electrode 24 as necessary.
As the adhesion layer, various types of materials can be used depending on the forming material and the forming method of the lower electrode 24. For example, when the lower electrode 24 is formed by depositing gold by a vapor deposition method, a chromium layer or the like is exemplified as the adhesion layer. The adhesion layer may be formed by a known method such as a vacuum deposition method depending on the forming material.

下部電極24の上には、下部接着層26が形成される。下部接着層26は、下部電極24に、p型熱電変換層28pやn型熱電変換層28nを接着して固定すると共に、下部電極24と熱電変換層とを電気的に接続するものである。   A lower adhesive layer 26 is formed on the lower electrode 24. The lower adhesive layer 26 adheres and fixes the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n to the lower electrode 24, and electrically connects the lower electrode 24 and the thermoelectric conversion layer.

下部接着層26は、下部電極24の形成材料、ならびに、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nの形成材料に応じて、下部電極24とp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nとを接着可能で、かつ、十分な導電性および耐熱性を有するものであれば、公知の各種の材料からなるものが利用可能である。   The lower adhesive layer 26 is formed of the lower electrode 24, the p-type thermoelectric conversion layer 28p, and the n-type thermoelectric conversion according to the formation material of the lower electrode 24 and the formation material of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. Any material made of various known materials can be used as long as it can adhere to the layer 28n and has sufficient conductivity and heat resistance.

このような下部接着層26としては、一例として、銀ナノペースト、銅ナノペースト、ニッケルナノペースト、あるいはこれらの合金からなるペースト等の金属ペーストによって形成される下部接着層26、すなわち金属ペーストに分散される金属材料(金属粒子)からなる下部接着層26が例示される。また、下部接着層26は、はんだ等からなるものも利用可能である。   For example, the lower adhesive layer 26 is dispersed in the lower adhesive layer 26 formed by a metal paste such as a silver nano paste, a copper nano paste, a nickel nano paste, or a paste made of an alloy thereof, that is, a metal paste. The lower adhesive layer 26 made of a metal material (metal particles) is exemplified. The lower adhesive layer 26 may be made of solder or the like.

中でも、下部接着層26は、銀ナノペーストあるいはニッケルナノペーストで形成するのが好ましく、特に、ニッケルナノペーストによって形成するのが好ましい。なお、下部接着層26は、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nの両者に対応してニッケルナノペーストで形成するのが好ましい。しかしながら、下部接着層26は、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nのいずれか一方のみに対応してニッケルナノペーストで形成してもよい。
ニッケルは、融点が1455℃と非常に高い(銀は961℃)。そのため、ニッケルナノペーストを用いて下部接着層26を形成することにより、高温下でも利用可能な熱電変換モジュール10を得ることができる。
Among these, the lower adhesive layer 26 is preferably formed of silver nano paste or nickel nano paste, and particularly preferably formed of nickel nano paste. The lower adhesive layer 26 is preferably formed of nickel nano paste corresponding to both the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. However, the lower adhesive layer 26 may be formed of nickel nano paste corresponding to only one of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n.
Nickel has a very high melting point of 1455 ° C. (silver is 961 ° C.). Therefore, the thermoelectric conversion module 10 that can be used even at high temperatures can be obtained by forming the lower adhesive layer 26 using nickel nanopaste.

また、銀ナノペーストやニッケルナノペーストは、焼成後、ほぼ、それぞれのバルクの金属の物性に近くなることが知られている。
ここで、ニッケルの温度膨張係数(熱膨張係数)は13.3ppm/K、銀の温度膨張係数は19.7ppm/Kである。これに対し、後に実施例でも示すが、陽極酸化膜を有するアルミニウム材である基板12の温度膨張係数、ステンレスと陽極酸化膜を有するアルミニウム材とのクラッド材である基板12aの温度膨張係数、および、熱電変換層に利用される材料の温度膨張係数は、一般的に、13.3ppm/Kよりも小さい。
すなわち、ニッケルは、銀に比べて、基板12や熱電変換層の形成材料との温度膨張係数の差が小さい。そのため、下部接着層26をニッケルナノペーストで形成することにより、発熱を行うために高温下に曝されても、基板12および熱電変換層という隣接する部材を形成する素材間での熱膨張の差を小さくできる。従って、下部接着層26をニッケルナノペーストで形成することにより、熱膨張の差に起因する下部接着層26のマイクロクラックの発生や各部材の界面での剥離等を抑制でき、マイクロクラック等に起因する抵抗の上昇などによる出力の低下を防止できる。
Further, it is known that silver nano-paste and nickel nano-paste are almost similar to physical properties of each bulk metal after firing.
Here, the temperature expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of nickel is 13.3 ppm / K, and the temperature expansion coefficient of silver is 19.7 ppm / K. On the other hand, as will be shown later in Examples, the temperature expansion coefficient of the substrate 12 which is an aluminum material having an anodized film, the temperature expansion coefficient of a substrate 12a which is a clad material of stainless steel and an aluminum material having an anodized film, and The temperature expansion coefficient of the material used for the thermoelectric conversion layer is generally smaller than 13.3 ppm / K.
That is, nickel has a smaller difference in temperature expansion coefficient from the material for forming the substrate 12 and the thermoelectric conversion layer than silver. Therefore, by forming the lower adhesive layer 26 with nickel nanopaste, even if it is exposed to high temperatures to generate heat, the difference in thermal expansion between the materials forming the adjacent members such as the substrate 12 and the thermoelectric conversion layer Can be reduced. Therefore, by forming the lower adhesive layer 26 with nickel nanopaste, it is possible to suppress the occurrence of microcracks in the lower adhesive layer 26 due to the difference in thermal expansion, separation at the interface of each member, and the like. It is possible to prevent a decrease in output due to an increase in resistance.

加えて、ニッケルナノペーストは、(1)窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス中で、300℃程度の温度で加熱する、あるいは、(2)リフロー装置を用いてギ酸や水素ガスなどの還元雰囲気で加熱するなどの公知の方法で焼成可能である。そのため、本発明において基板12に用いられる陽極酸化アルミニウム材や熱電変換層が、十分に耐えられる条件下で、下部接着層26を形成できる。
さらに、ニッケルは、銀に比して安価であり、下部接着層26としてニッケルナノペーストを用いることで、熱電変換モジュール10のコストダウンも図ることができる。
In addition, the nickel nanopaste is (1) heated at a temperature of about 300 ° C. in an inert gas such as nitrogen gas or argon gas, or (2) reduced formic acid or hydrogen gas using a reflow apparatus. It can be fired by a known method such as heating in an atmosphere. Therefore, the lower adhesive layer 26 can be formed under a condition that the anodized aluminum material and the thermoelectric conversion layer used for the substrate 12 in the present invention can sufficiently withstand.
Furthermore, nickel is cheaper than silver, and the cost of the thermoelectric conversion module 10 can be reduced by using nickel nano paste as the lower adhesive layer 26.

下部接着層26の大きさ、厚さ、形状等は、下部電極24とp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nとの接着面の形状や大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
なお、下部電極24を銀ペースト等の金属ペーストで形成する場合には、下部電極24が下部接着層26を兼ねてもよい。すなわち、下部電極24を銀ペースト等の金属ペーストで形成する場合には、下部接着層26を設けなくてもよい。
The size, thickness, shape, etc. of the lower adhesive layer 26 are appropriately set according to the shape, size, etc. of the adhesive surface between the lower electrode 24 and the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. That's fine.
When the lower electrode 24 is formed of a metal paste such as silver paste, the lower electrode 24 may also serve as the lower adhesive layer 26. That is, when the lower electrode 24 is formed of a metal paste such as silver paste, the lower adhesive layer 26 may not be provided.

熱電変換素子14において、一方の下部電極24の上の下部接着層26の上には、p型熱電変換層28pが接着、固定される。他方の下部電極24の上の下部接着層26の上には、n型熱電変換層28nが接着、固定される。
このp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとによって、熱電変換層28が構成される。熱電変換層28は、基板12側と上部電極30側とに温度差が生じることにより、この温度差に応じた電力を発生する。
熱電変換モジュール10は、基板12の上に、各熱電変換素子14のp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとが交互に配列される。また、前述のように、熱電変換モジュール10は、隣接する熱電変換素子14において、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとで下部電極24を共用することで、熱電変換素子14が直列に接続される。
In the thermoelectric conversion element 14, a p-type thermoelectric conversion layer 28 p is bonded and fixed on the lower adhesive layer 26 on the one lower electrode 24. On the lower adhesive layer 26 on the other lower electrode 24, an n-type thermoelectric conversion layer 28n is bonded and fixed.
The p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n constitute a thermoelectric conversion layer 28. The thermoelectric conversion layer 28 generates electric power according to the temperature difference when a temperature difference occurs between the substrate 12 side and the upper electrode 30 side.
In the thermoelectric conversion module 10, p-type thermoelectric conversion layers 28 p and n-type thermoelectric conversion layers 28 n of the thermoelectric conversion elements 14 are alternately arranged on the substrate 12. Further, as described above, in the thermoelectric conversion module 10, in the adjacent thermoelectric conversion element 14, the p-type thermoelectric conversion layer 28 p and the n-type thermoelectric conversion layer 28 n share the lower electrode 24. Connected in series.

p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nは、十分な耐熱性を有するものであれば、公知の各種のp型熱電変換材料およびn型熱電変換材料からなるものが利用可能である。
ここで、300℃を超えるような高温の熱源に対する耐熱性を考慮すると、熱電変換材料は、無機材料が好適に用いられる。具体的には、シリコン−ゲルマニウム系材料、コバルト−アンチモン系材料、亜鉛−アンチモン系材料、アルミニウム−マンガン−シリコン系材料、銀−アンチモン−ゲルマニウム−テルル系材料、酸化ストロンチウムチタン、酸化ナトリウムコバルト、酸化カルシウムコバルト、酸化亜鉛、シリサイド系材料などの熱電変換材料を、p型もしくはn型にドーピングした材料からなるものが例示される。
中でも、安価である、安全性が高い、汎用性が高い材料が利用できる等の点で、マンガンシリサイド、マグネシウムシリサイド、鉄シリサイド等のシリサイド系材料を、p型もしくはn型にドーピングした材料は、好適に用いられる。その中でも特に、鉄シリサイドをp型もしくはn型にドーピングした材料は、好適に用いられる。
The p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n may be made of various known p-type thermoelectric conversion materials and n-type thermoelectric conversion materials as long as they have sufficient heat resistance.
Here, in consideration of heat resistance against a high-temperature heat source exceeding 300 ° C., an inorganic material is preferably used as the thermoelectric conversion material. Specifically, silicon-germanium material, cobalt-antimony material, zinc-antimony material, aluminum-manganese-silicon material, silver-antimony-germanium-tellurium material, strontium titanium oxide, sodium cobalt oxide, oxidation Examples include those made of a material obtained by doping a p-type or n-type thermoelectric conversion material such as calcium cobalt, zinc oxide, or silicide-based material.
Among them, materials that are doped with p-type or n-type silicide materials such as manganese silicide, magnesium silicide, iron silicide, etc. in that they are inexpensive, have high safety, and can be used for versatile materials. Preferably used. In particular, a material obtained by doping iron silicide into p-type or n-type is preferably used.

このようなp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nは、形成材料に応じた公知の方法で形成すればよい。
また、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nの大きさや形状等は、熱電変換モジュール10の構成、熱電変換素子14の大きさや形状等に応じて、適宜、設定すればよい。
Such p-type thermoelectric conversion layer 28p and n-type thermoelectric conversion layer 28n may be formed by a known method according to the forming material.
In addition, the size, shape, and the like of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n may be appropriately set according to the configuration of the thermoelectric conversion module 10, the size, shape, and the like of the thermoelectric conversion element 14.

ところで、一般的に、π型の熱電変換素子14を用いる熱電変換モジュールは、基板12側を熱源に接触して用いられる。
従って、熱電変換モジュール10は、基板12や、基板12に近い下部電極24、下部接着層26、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28n等が、加熱され易い。そのため、これらの部材の温度膨張係数の差が大きいと、加熱による熱膨張に起因して、下部接着層26のクラックの発生や、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nが剥離等が生じてしてしまう可能性が有る。
この点を考慮すると、基板12、下部電極24、下部接着層26、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nのそれぞれの温度膨張係数は、差が小さいのが好ましい。この点で、下部接着層26をニッケルナノペーストを用いて形成するのが好ましいのは、前述のとおりである。
By the way, in general, a thermoelectric conversion module using the π-type thermoelectric conversion element 14 is used by contacting the substrate 12 side with a heat source.
Therefore, in the thermoelectric conversion module 10, the substrate 12, the lower electrode 24 close to the substrate 12, the lower adhesive layer 26, the p-type thermoelectric conversion layer 28p, the n-type thermoelectric conversion layer 28n, and the like are easily heated. Therefore, if the difference in the coefficient of thermal expansion of these members is large, cracks in the lower adhesive layer 26 are generated due to thermal expansion due to heating, the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n are peeled off, etc. May occur.
Considering this point, it is preferable that the temperature expansion coefficients of the substrate 12, the lower electrode 24, the lower adhesive layer 26, the p-type thermoelectric conversion layer 28p, and the n-type thermoelectric conversion layer 28n are small in difference. In this respect, as described above, it is preferable to form the lower adhesive layer 26 using a nickel nano paste.

図示例の熱電変換素子14は、好ましい態様として、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間が空気層になっている。
熱電変換素子14は、この空気層によって、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを絶縁して、上部電極30による接続以外において、不要にp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとが接続されることを防止している。
また、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを空気層で絶縁することにより、後述する撓みを有する上部電極30の装着を容易にし、さらに、熱電変換モジュール10の可撓性の向上や軽量化、熱電変換素子14の構成の簡略化等も図ることができる。
The thermoelectric conversion element 14 in the illustrated example has an air layer between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n as a preferred mode.
The thermoelectric conversion element 14 insulates the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n by this air layer, and is unnecessary for the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric other than the connection by the upper electrode 30. The conversion layer 28n is prevented from being connected.
Further, by insulating the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n with an air layer, it is possible to easily mount the upper electrode 30 having a later-described bending, and further, the flexibility of the thermoelectric conversion module 10 is improved. Improvement, weight reduction, simplification of the configuration of the thermoelectric conversion element 14 and the like can also be achieved.

また、図示例の熱電変換モジュール10は、隣接する熱電変換素子14のp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間も、空気層になっている。
熱電変換モジュール10は、隣接する熱電変換素子14を空気層によって絶縁することにより、下部電極24による接続以外において、隣接する熱電変換素子14が不要に接続されることを防止している。
また、隣接する熱電変換素子14間を空気層で絶縁することにより、熱電変換モジュール10の可撓性の向上や軽量化、熱電変換モジュール10の構成の簡略化等を図ることができる。
The illustrated thermoelectric conversion module 10 is also an air layer between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n of the adjacent thermoelectric conversion elements 14.
The thermoelectric conversion module 10 prevents the adjacent thermoelectric conversion elements 14 from being unnecessarily connected in addition to the connection by the lower electrode 24 by insulating the adjacent thermoelectric conversion elements 14 by the air layer.
Further, by insulating the adjacent thermoelectric conversion elements 14 with an air layer, it is possible to improve the flexibility and weight of the thermoelectric conversion module 10, simplify the configuration of the thermoelectric conversion module 10, and the like.

なお、本発明の熱電変換モジュールは、この構成に限定はされず、熱電変換素子14におけるp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間に、十分な耐熱性を有する接着剤等からなる絶縁層を形成してもよい。   The thermoelectric conversion module of the present invention is not limited to this configuration, and an adhesive having sufficient heat resistance between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n in the thermoelectric conversion element 14 or the like. An insulating layer made of may be formed.

熱電変換素子14において、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとは、通常のπ型の熱電変換素子と同様、上面において、上部電極30によって接続される。また、図示例において、上部電極30は、上部接着層32によって、p型熱電変換層28pの上面およびn型熱電変換層28nの上面に接着される。   In the thermoelectric conversion element 14, the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n are connected to each other by the upper electrode 30 on the upper surface in the same manner as a normal π-type thermoelectric conversion element. In the illustrated example, the upper electrode 30 is bonded to the upper surface of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the upper surface of the n-type thermoelectric conversion layer 28n by the upper adhesive layer 32.

上部電極30は、十分な導電性および耐熱性を有するものであれば、π型の熱電変換素子で利用されている各種の材料からなるものが、利用可能である。具体的には、上部電極30は、金、銀、銅、ニッケル、あるいはこれらの合金等の金属材料からなるものが例示される。
後述するが、本発明の熱電変換モジュール10においては、アルミニウム基材18とアルミニウム基材18を陽極酸化処理した絶縁層20とからなる基板12を用いると共に、上部電極30が、可撓性を有し、かつ、撓みを持ってp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続することにより、可撓性および耐熱性に優れる熱電変換モジュール10を実現している。この点を考慮すると、上部電極30は、これらの金属材料からなる金属箔で形成するのが好ましい。
The upper electrode 30 may be made of various materials used in π-type thermoelectric conversion elements as long as it has sufficient conductivity and heat resistance. Specifically, the upper electrode 30 is made of a metal material such as gold, silver, copper, nickel, or an alloy thereof.
As will be described later, in the thermoelectric conversion module 10 of the present invention, the substrate 12 including the aluminum base 18 and the insulating layer 20 obtained by anodizing the aluminum base 18 is used, and the upper electrode 30 has flexibility. In addition, the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n are connected with bending to realize the thermoelectric conversion module 10 having excellent flexibility and heat resistance. Considering this point, the upper electrode 30 is preferably formed of a metal foil made of these metal materials.

また、上部接着層32は、上部電極30の形成材料、ならびに、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nの形成材料に応じて、上部電極30とp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nとを接着可能で、かつ、十分な導電性および耐熱性を有するものであれば、公知の各種の材料からなるが利用可能である。
このような上部接着層32としては、一例として、銀ナノペーストやニッケルナノペースト等の金属ペーストによって形成される上部接着層32、はんだ、導電性の接着剤等、下部接着層26で例示した各種の物が例示される。
中でも、前述の下部接着層26と同様の理由で、ニッケルナノペーストを用いて形成される上部接着層32は、好適である。また、上部接着層32は、両方の熱電変換層に対応してニッケルナノペーストで形成するのが好ましいが、いずれか一方のみに対応してニッケルナノペーストで形成してもよいのは、下部接着層26と同様である。
The upper adhesive layer 32 is formed of the upper electrode 30, the p-type thermoelectric conversion layer 28p, and the n-type according to the formation material of the upper electrode 30, and the formation material of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. Any material can be used as long as it can adhere to the thermoelectric conversion layer 28n and has sufficient conductivity and heat resistance.
Examples of the upper adhesive layer 32 include, as an example, the upper adhesive layer 32 formed of a metal paste such as silver nano paste or nickel nano paste, solder, conductive adhesive, and the like exemplified in the lower adhesive layer 26. The thing of is illustrated.
Among these, for the same reason as the lower adhesive layer 26 described above, the upper adhesive layer 32 formed using nickel nanopaste is suitable. The upper adhesive layer 32 is preferably formed of nickel nano paste corresponding to both thermoelectric conversion layers, but may be formed of nickel nano paste corresponding to only one of the lower adhesive layers. Similar to layer 26.

前述のように、上部電極30側は、熱電変換モジュール10の使用時には、冷却側となる。従って、上部電極30および上部接着層32は、下部電極24や下部接着層26のような高い耐熱性は不要である。   As described above, the upper electrode 30 side becomes the cooling side when the thermoelectric conversion module 10 is used. Therefore, the upper electrode 30 and the upper adhesive layer 32 do not require high heat resistance like the lower electrode 24 and the lower adhesive layer 26.

上部接着層32の大きさ、厚さ、形状等は、上部電極30とp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nとの接着面の形状や大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
また、上部電極30および上部接着層32は、形成材料に応じて、公知の方法で形成すればよい。
The size, thickness, shape, etc. of the upper adhesive layer 32 are appropriately set according to the shape, size, etc. of the adhesive surface between the upper electrode 30 and the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. That's fine.
The upper electrode 30 and the upper adhesive layer 32 may be formed by a known method according to the forming material.

ここで、本発明の熱電変換モジュール10において、熱電変換素子14のp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続する上部電極30は、可撓性を有し、かつ、撓みを有した状態でp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続する。
また、本発明の熱電変換モジュール10は、アルミニウム基材18と、アルミニウム基材18の表面を陽極酸化処理して形成されるアルミニウムの陽極酸化膜からなる絶縁層20を有する、可撓性の基板12を用いる。
本発明の熱電変換モジュール10は、このような構成を有することにより、良好な可撓性(フレキシブル性)と、300℃を超えるような高温の熱源での使用を可能にした優れた耐熱性とを実現している。
Here, in the thermoelectric conversion module 10 of the present invention, the upper electrode 30 that connects the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n of the thermoelectric conversion element 14 has flexibility and bends. In this state, the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n are connected.
The thermoelectric conversion module 10 of the present invention includes a flexible substrate having an aluminum base 18 and an insulating layer 20 made of an anodized aluminum film formed by anodizing the surface of the aluminum base 18. 12 is used.
The thermoelectric conversion module 10 of the present invention has such a configuration, and thus has excellent flexibility (flexibility) and excellent heat resistance that enables use in a high-temperature heat source exceeding 300 ° C. Is realized.

前述の特許文献2および特許文献3にも示されるように、従来の可撓性を有する熱電変換モジュールは、良好な可撓性を実現するために、基板や配線に樹脂材料を用いている。そのため、従来の可撓性を有する熱電変換モジュールでは、300℃を超えるような高温の熱源に対して、安定した使用は困難である。
これに対し、本発明の熱電変換モジュールでは、アルミニウム基材18と、アルミニウムの陽極酸化膜からなる絶縁層20を有する、可撓性を有する基板12を用いる。アルミニウムは金属であり、また、アルミニウムの陽極酸化膜(酸化アルミニウム)は樹脂材料等に比して非常に耐熱性が高い。
そのため、本発明の熱電変換モジュール10は、300℃を超えるような高温の熱源に使用しても、基板12が熱で損傷することを防止できる。
As shown in Patent Document 2 and Patent Document 3 described above, the conventional flexible thermoelectric conversion module uses a resin material for a substrate or wiring in order to achieve good flexibility. Therefore, it is difficult to stably use a conventional thermoelectric conversion module having flexibility with respect to a heat source having a high temperature exceeding 300 ° C.
On the other hand, in the thermoelectric conversion module of the present invention, a flexible substrate 12 having an aluminum base 18 and an insulating layer 20 made of an anodized aluminum film is used. Aluminum is a metal, and an anodic oxide film (aluminum oxide) of aluminum has a very high heat resistance compared to a resin material or the like.
Therefore, the thermoelectric conversion module 10 of the present invention can prevent the substrate 12 from being damaged by heat even when used in a heat source having a high temperature exceeding 300 ° C.

しかしながら、熱電変換モジュールでは、可撓性を有し、かつ、耐熱性の高い基板を用い、さらに、各部材を耐熱性の高い材料で形成しただけでは、十分な耐熱性、および、高温の熱源に対応した十分な可撓性を実現することはできない。   However, in a thermoelectric conversion module, sufficient heat resistance and a high-temperature heat source can be obtained by using a flexible and highly heat-resistant substrate and forming each member with a material having high heat resistance. It is not possible to realize sufficient flexibility corresponding to the above.

本発明の熱電変換モジュール10は、良好な可撓性を有するものであり、従って、パイプ等の曲面に装着されるものである。好ましくは、本発明の熱電変換モジュール10は、その良好な可撓性を生かして、曲率半径が30mm以上の曲面に装着される。
ここで、前述のように、熱電変換モジュール10は、基板12を熱源側にして、熱源に装着される。従って、曲面の熱源に装着されると、図4に概念的に示すように、上部電極30側では、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔が広がる。
そのため、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極30の長さが、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔分しかないと、熱電変換モジュール10を曲面に装着した際に、上部電極30が破断する可能性や、上部電極30がp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nのいずれかから剥離してしまう可能性が有る。
The thermoelectric conversion module 10 of the present invention has good flexibility, and is therefore mounted on a curved surface such as a pipe. Preferably, the thermoelectric conversion module 10 of the present invention is mounted on a curved surface having a radius of curvature of 30 mm or more by taking advantage of its good flexibility.
Here, as described above, the thermoelectric conversion module 10 is mounted on the heat source with the substrate 12 facing the heat source. Therefore, when mounted on a curved heat source, as conceptually shown in FIG. 4, the distance between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n increases on the upper electrode 30 side.
Therefore, if the length of the upper electrode 30 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is only an interval between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n, the thermoelectric conversion When the module 10 is mounted on a curved surface, the upper electrode 30 may be broken or the upper electrode 30 may be peeled off from either the p-type thermoelectric conversion layer 28p or the n-type thermoelectric conversion layer 28n.

これに対し、上部電極30が、可撓性を有し、かつ、撓みを有した状態でp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続することにより、熱電変換モジュール10が曲面の熱源に装着され、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔が広がった場合でも、図4に示すように、上部電極30の撓み分が、この広がりを吸収して、上部電極30の破断や熱電変換層からの剥離を防止できる。
しかも、この構成によれば、上部電極30を、伸縮性および導電性を有する特殊な樹脂組成物等で形成する必要も無い。
On the other hand, the thermoelectric conversion module 10 is curved by connecting the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n in a state where the upper electrode 30 has flexibility and is bent. Even when the distance between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is widened, the deflection of the upper electrode 30 absorbs this spread as shown in FIG. Breakage of the upper electrode 30 and peeling from the thermoelectric conversion layer can be prevented.
Moreover, according to this configuration, it is not necessary to form the upper electrode 30 with a special resin composition having stretchability and conductivity.

また、熱源に近い基板12、下部電極24および下部接着層26等に比して小さいとはいえ、熱電変換モジュール10を高温の熱源に装着した場合には、上部電極30も、熱源の熱によって熱膨張し、熱源の温度低下によって元の長さに戻ることを繰り返す。
上部電極30の長さが、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔分しかないと、熱電変換モジュール10が曲面に装着された状態では、上部電極30が張力を掛けられた状態になる。張力を掛けられた状態での熱膨張および収縮の繰り返しは、上部電極30にとって大きな負担となり、たとえ伸縮性を有する材料で上部電極30を形成した場合でも、上部電極30の断線や剥離の原因となる。
これに対し、上部電極30を可撓性にして、かつ、撓みを持たせることにより、熱電変換モジュール10が高温の曲面に装着された場合でも、熱膨張および収縮の繰り返しによって上部電極30にかかる負担を大幅に低減して、上部電極30の断線や剥離を防止できる。すなわち、上部電極30を可撓性にして撓みを持たせることにより、熱電変換モジュールの可撓性のみならず、熱電変換モジュールの耐熱性も向上できる。
Moreover, although it is small compared with the board | substrate 12, the lower electrode 24, the lower adhesive layer 26, etc. which are close to a heat source, when the thermoelectric conversion module 10 is mounted | worn with a high temperature heat source, the upper electrode 30 is also by heat of a heat source. It expands thermally and repeats returning to its original length due to a temperature drop of the heat source.
If the length of the upper electrode 30 is only the distance between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n, the upper electrode 30 is tensioned when the thermoelectric conversion module 10 is mounted on a curved surface. It becomes a state. Repeated thermal expansion and contraction in a tensioned state is a heavy burden on the upper electrode 30, and even if the upper electrode 30 is formed of a stretchable material, it may cause disconnection or peeling of the upper electrode 30. Become.
On the other hand, by making the upper electrode 30 flexible and having a bend, even when the thermoelectric conversion module 10 is mounted on a high-temperature curved surface, it is applied to the upper electrode 30 by repeated thermal expansion and contraction. The load can be greatly reduced, and disconnection and peeling of the upper electrode 30 can be prevented. That is, not only the flexibility of the thermoelectric conversion module but also the heat resistance of the thermoelectric conversion module can be improved by making the upper electrode 30 flexible to bend.

従って、本発明によれば、高温の熱源に対応した、十分な耐熱性、および、十分な可撓性を実現した熱電変換モジュール10が得られる。   Therefore, according to this invention, the thermoelectric conversion module 10 which implement | achieved sufficient heat resistance corresponding to a high temperature heat source and sufficient flexibility is obtained.

p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極30の長さは、熱電変換モジュール10が装着されることが想定される曲面の曲率半径等に応じて、上部電極30の破断等を確実に防止できる長さを、適宜、設定すればよい。
なお、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極30の長さとは、言い換えれば、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nに接触しない領域における上部電極30の長さであり、すなわち、図示例においては、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nとの接着部を除いた上部電極30の長さである。
The length of the upper electrode 30 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n depends on the curvature radius of the curved surface on which the thermoelectric conversion module 10 is assumed to be mounted, etc. What is necessary is just to set suitably the length which can prevent the fracture | rupture of this, etc. reliably.
In addition, the length of the upper electrode 30 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is, in other words, the upper electrode in a region not in contact with the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. 30, that is, in the illustrated example, the length of the upper electrode 30 excluding the bonding portion between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n.

ここで、本発明者らの検討によれば、熱電変換モジュール10が装着される曲面の曲率半径をL[mm]、熱電変換素子14の熱電変換層28の高さをa[mm]、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔をb[mm]とした際に、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極の長さc[mm]が、
b+(ab/L)<c、および、c<(4a2+b21/2
を満たすのが好ましい。
なお、熱電変換層28の高さaとは、下部電極24および下部接着層26を含めた高さであり、すなわち、絶縁層20の表面から熱電変換層28の上端までの高さである。また、p型熱電変換層28pおよび/またはn型熱電変換層28nの上部(上面)において、高さが均一では無い場合には、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとが対面する面における上端までの高さを、熱電変換層28の高さaとする。
Here, according to the study by the present inventors, the radius of curvature of the curved surface on which the thermoelectric conversion module 10 is mounted is L [mm], and the height of the thermoelectric conversion layer 28 of the thermoelectric conversion element 14 is a [mm], p When the distance between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is b [mm], the length c [mm] of the upper electrode between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n ]But,
b + (ab / L) <c and c <(4a 2 + b 2 ) 1/2
It is preferable to satisfy.
The height a of the thermoelectric conversion layer 28 is the height including the lower electrode 24 and the lower adhesive layer 26, that is, the height from the surface of the insulating layer 20 to the upper end of the thermoelectric conversion layer 28. When the height is not uniform at the upper part (upper surface) of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and / or the n-type thermoelectric conversion layer 28n, the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n face each other. The height to the upper end of the surface to be performed is defined as the height a of the thermoelectric conversion layer 28.

上部電極30の長さcが『b+(ab/L)<c』を満たすことにより、熱電変換モジュール10が曲率半径が小さい曲面に装着された場合でも、上部電極30の撓みが、余裕を持ってp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの広がりを吸収でき、上部電極30の破断等をより確実に防止できる。
また、上部電極30が絶縁層20に接触すると、上部電極30が、p型熱電変換層28p、n型熱電変換層28nや、下部電極24、下部接着層26等に接触して、ショート、動作の不安定化等を生じる可能性が有る。これに対して、上部電極30の長さが『c<(4a2+b21/2』を満たすことにより、上部電極30が不要に長くなって、絶縁層20に接触することを防止して、安定した発電を行うことが可能になる。
When the length c of the upper electrode 30 satisfies “b + (ab / L) <c”, even when the thermoelectric conversion module 10 is mounted on a curved surface having a small radius of curvature, the deflection of the upper electrode 30 has a margin. Thus, the spread of the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n can be absorbed, and breakage of the upper electrode 30 can be prevented more reliably.
When the upper electrode 30 contacts the insulating layer 20, the upper electrode 30 contacts the p-type thermoelectric conversion layer 28p, the n-type thermoelectric conversion layer 28n, the lower electrode 24, the lower adhesive layer 26, etc. May cause instability. On the other hand, when the length of the upper electrode 30 satisfies “c <(4a 2 + b 2 ) 1/2 ”, the upper electrode 30 is prevented from becoming unnecessarily long and coming into contact with the insulating layer 20. Thus, stable power generation can be performed.

本発明の熱電変換モジュール10は、全ての熱電変換素子14を覆って、可撓性を有する保護層を有するのが好ましい。これにより、熱電変換素子14の損傷を防止して、熱電変換モジュールの耐久性を向上できる。
保護層としては、十分な耐熱性および可撓性を有し、かつ、上部電極30、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nに対する絶縁性を確保できるものであれば、各種のシート状物が利用可能である。また、保護層としては、好ましくは、良好な熱伝導性を有するシート(熱伝導シート)が利用される。
具体的には、保護層としては、基板12と同様の絶縁層を形成したグラファイトシート、陽極酸化膜を有するアルミニウムシートなどの絶縁層を形成した金属シート、シリコーン樹脂シートや耐熱性アラミドフィルム等の樹脂フィルム等が例示される。また、陽極酸化膜を有するアルミニウムシート等の金属シートは、必要に応じて、ステンレス層等の裏打ち層を有してもよい。
The thermoelectric conversion module 10 of the present invention preferably covers all the thermoelectric conversion elements 14 and has a flexible protective layer. Thereby, damage to the thermoelectric conversion element 14 can be prevented and durability of the thermoelectric conversion module can be improved.
As the protective layer, various sheets can be used as long as they have sufficient heat resistance and flexibility and can ensure insulation with respect to the upper electrode 30, the p-type thermoelectric conversion layer 28p, and the n-type thermoelectric conversion layer 28n. Things are available. Moreover, as a protective layer, Preferably, the sheet | seat (heat conductive sheet) which has favorable heat conductivity is utilized.
Specifically, as the protective layer, a graphite sheet on which an insulating layer similar to the substrate 12 is formed, a metal sheet on which an insulating layer such as an aluminum sheet having an anodized film is formed, a silicone resin sheet, a heat-resistant aramid film, etc. A resin film etc. are illustrated. In addition, a metal sheet such as an aluminum sheet having an anodized film may have a backing layer such as a stainless steel layer as necessary.

また、本発明の熱電変換モジュール10は、基板12の熱電変換素子14の形成面とは逆側の面に、熱源に熱電変換モジュール10を貼着するための貼着用接着層を有してもよい。以下、基板12の熱電変換素子14の形成面とは逆側の面を、『裏面』とも言う。
基板12の裏面に、貼着用接着層を有することにより、熱電変換モジュール10を熱源に確実に密着させて、効率の良い発電が可能になると共に、簡易にパイプ等の曲面に熱電変換モジュール10を装着することが可能になる。
Moreover, even if the thermoelectric conversion module 10 of this invention has the adhesion layer for sticking the thermoelectric conversion module 10 on the surface on the opposite side to the formation surface of the thermoelectric conversion element 14 of the board | substrate 12 to a heat source. Good. Hereinafter, the surface of the substrate 12 opposite to the surface on which the thermoelectric conversion elements 14 are formed is also referred to as “back surface”.
By having a bonding adhesive layer on the back surface of the substrate 12, the thermoelectric conversion module 10 is securely adhered to a heat source, efficient power generation becomes possible, and the thermoelectric conversion module 10 is simply attached to a curved surface such as a pipe. It becomes possible to install.

貼着用接着層は、十分な耐熱性および可撓性を有するものであれば、公知の各種のものが利用可能であり、例えば、市販の熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤を用いることができる。
熱伝導接着シートとしては、一例として、信越シリコーン社製のTC−50TXS2、住友スリーエム社製のハイパーソフト放熱材 5580H、電気化学工業社製のBFG20A、日東電工社製のTR5912F等を用いることができる。なお、耐熱性の観点から、シリコーン系粘着剤からなる熱伝導接着シートが好ましい。他方、熱伝導性接着剤としては、一例として、スリーエム社製のスコッチ・ウェルドEW2070、アイネックス社製のTA−01、シーマ電子社製のTCA−4105、TCA−4210、HY−910、薩摩総研社製のSST2−RSMZ、SST2−RSCSZ、R3CSZ、R3MZ等を用いることができる。
なお、想定される熱源の温度が高く、これらの熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤では耐熱性が不十分である場合には、熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤を用いずに、ボルト/ナットや金属部材等を用いて、熱源に熱電変換モジュール10を取り付ければよい。
As the adhesive layer for sticking, various known materials can be used as long as they have sufficient heat resistance and flexibility. For example, a commercially available heat conductive adhesive sheet or a heat conductive adhesive can be used. it can.
As an example of the heat conductive adhesive sheet, TC-50TXS2 manufactured by Shin-Etsu Silicone Co., Ltd., Hypersoft heat dissipation material 5580H manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd., BFG20A manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., TR5912F manufactured by Nitto Denko Corporation, etc. can be used. . In addition, the heat conductive adhesive sheet which consists of silicone type adhesives from a heat resistant viewpoint is preferable. On the other hand, examples of the thermally conductive adhesive include Scotch Weld EW 2070 manufactured by 3M, TA-01 manufactured by Inex, TCA-4105, TCA-4210, HY-910 manufactured by Cima Electronics, and Satsuma Research Institute. SST2-RSMZ, SST2-RSCSZ, R3CSZ, R3MZ, etc. made from manufacture can be used.
In addition, when the temperature of the assumed heat source is high and the heat resistance is insufficient with these heat conductive adhesive sheets and heat conductive adhesives, without using the heat conductive adhesive sheet or the heat conductive adhesive, What is necessary is just to attach the thermoelectric conversion module 10 to a heat source using a volt | bolt / nut, a metal member, etc.

また、本発明の熱電変換モジュールは、前述の保護層、あるいは、全ての熱電変換素子14を覆うようにアラミドフィルム等の絶縁性フィルムを貼り付け、その上に、アルミニウムフィン等の冷却用のフィンを積層してもよい。   In addition, the thermoelectric conversion module of the present invention has an insulating film such as an aramid film attached so as to cover the above-described protective layer or all the thermoelectric conversion elements 14, and a cooling fin such as an aluminum fin thereon. May be laminated.

本発明の熱電変換モジュール10は、基本的に、π型の熱電変換素子を用いる熱電変換モジュールの作製に準じて作製できる。一例として、以下の方法が例示される。   The thermoelectric conversion module 10 of the present invention can be basically manufactured according to the manufacture of a thermoelectric conversion module using a π-type thermoelectric conversion element. The following method is illustrated as an example.

まず、アルミニウム基材18の表面を前述のように陽極酸化処理してなる、アルミニウム基材18の上に、絶縁層20としてアルミニウムの陽極酸化膜が形成された基板12を用意する。   First, a substrate 12 is prepared in which an aluminum anodic oxide film is formed as an insulating layer 20 on an aluminum base 18 obtained by anodizing the surface of the aluminum base 18 as described above.

この基板12の絶縁層20の上に、長方形の密着層を、直交する2方向に等間隔で配列してなる、図5(A)に示すようなパターンで形成し、この密着層の上に、同じパターンで下部電極24(斜線)を形成する。なお、図5(A)に示すように、下部電極24は、長手方向を図中横方向に一致して配列される。
ここで、図中最上列および最下列の図中左端の下部電極24は、熱電変換モジュール10が発電した電力を取り出すための引き出し電極を兼ねる。そのため、この下部電極24は、他の下部電極に比して、図中横方向に長尺になっている。
なお、以下の説明では、『図中』は省略し、単に、『縦横』、『上下』、『左右』のように表現する。
On the insulating layer 20 of the substrate 12, a rectangular adhesive layer is formed in a pattern as shown in FIG. 5A, which is arranged at equal intervals in two orthogonal directions, and on this adhesive layer. The lower electrode 24 (shaded line) is formed in the same pattern. Note that, as shown in FIG. 5A, the lower electrodes 24 are arranged with the longitudinal direction aligned with the horizontal direction in the figure.
Here, the lower electrode 24 at the left end in the uppermost row and the lowermost row also serves as a lead electrode for taking out the electric power generated by the thermoelectric conversion module 10. Therefore, the lower electrode 24 is longer in the horizontal direction in the figure than the other lower electrodes.
In the following description, “in the drawing” is omitted, and is simply expressed as “vertical and horizontal”, “up and down”, and “left and right”.

次いで、図5(B)に示すように、各下部電極24の上に、2つの下部接着層26(細かいドット)を横方向に離間するパターンで形成する。なお、図5(B)に示すように、引き出し電極を兼ねる下部電極24は、右側端部のみに下部接着層26を形成する。
次いで、下部接着層26の上に、p型熱電変換層28p(白抜き)およびn型熱電変換層28n(黒塗り)を、図5(C)に示すように、縦方向および横方向が共に交互になるように載置し、必要に応じて加熱処理や焼成処理を行うことによって、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nを下部電極24に接着する。
次いで、図5(D)に示すように、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nの上に、上部接着層32(細かいドット)を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, two lower adhesive layers 26 (fine dots) are formed on each lower electrode 24 in a pattern that is spaced apart in the horizontal direction. As shown in FIG. 5B, a lower adhesive layer 26 is formed only on the right end of the lower electrode 24 that also serves as an extraction electrode.
Next, on the lower adhesive layer 26, a p-type thermoelectric conversion layer 28p (white) and an n-type thermoelectric conversion layer 28n (black coating) are arranged in both the vertical and horizontal directions as shown in FIG. The p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n are bonded to the lower electrode 24 by placing them alternately and performing heat treatment or baking treatment as necessary.
Next, as shown in FIG. 5D, the upper adhesive layer 32 (fine dots) is formed on the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n.

さらに、図5(E)に示すように、下部電極24で接続されていないp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続するように、上部接着層32に上部電極30(粗いドット)を載置して、必要に応じて加熱処理や焼成処理を行うことによって、上部電極30をp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nに接着して接続し、熱電変換素子14を作製する。   Further, as shown in FIG. 5E, the upper electrode 30 (coarse) is connected to the upper adhesive layer 32 so as to connect the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n that are not connected by the lower electrode 24. The upper electrode 30 is adhered and connected to the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n by placing a dot) and performing heat treatment or baking treatment as necessary, and the thermoelectric conversion element 14 Is made.

ここで、前述のように、上部電極30は金属箔等で形成された可撓性を有するものであり、また、撓みを持ってp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続する。
好ましくは、熱電変換モジュール10が装着される曲面の曲率半径L、熱電変換層28の高さa、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔b、および、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極の長さcが、
b+(ab/L)<c、および、c<(4a2+b21/2
を満たすように、上部電極30が、撓みを持って、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続する。
Here, as described above, the upper electrode 30 is made of metal foil and has flexibility, and the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n are connected with bending. To do.
Preferably, the curvature radius L of the curved surface on which the thermoelectric conversion module 10 is mounted, the height a of the thermoelectric conversion layer 28, the interval b between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n, and the p-type thermoelectric conversion The length c of the upper electrode between the layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is
b + (ab / L) <c and c <(4a 2 + b 2 ) 1/2
The upper electrode 30 connects the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n so as to satisfy the above.

図示例においては、図5(E)に示すように、横方向は、横方向に隣接し、かつ、下部電極24によって接続されていないp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを、上部電極30で接続する。
また、横方向の端部においては、縦方向に隣接するp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを、上部電極30によって接続する。ここで、縦方向の接続は、図5(E)に示すように、左端と右端とで、1列ずつ、互い違いになるように行う。
これにより、二次元的に配列された複数の熱電変換素子を、1本の線を、複数回、折り返すように直列に接続してなる、本発明の熱電変換モジュールが作製される。
In the illustrated example, as shown in FIG. 5E, the lateral direction includes a p-type thermoelectric conversion layer 28p and an n-type thermoelectric conversion layer 28n that are adjacent to each other in the lateral direction and are not connected by the lower electrode 24. The upper electrode 30 is connected.
Further, the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n adjacent in the vertical direction are connected by the upper electrode 30 at the end in the horizontal direction. Here, as shown in FIG. 5E, the vertical connection is made so that the left end and the right end are staggered one by one.
As a result, the thermoelectric conversion module of the present invention is produced, in which a plurality of thermoelectric conversion elements arranged two-dimensionally are connected in series so that one line is folded a plurality of times.

図示例においては、下部電極24の上に下部接着層26を設け、その上にp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nを載置して、接着している。
しかしながら、本発明は、これに限定はされず、下部電極24を銀ペースト等の金属ペーストで形成する場合には、下部電極24となる金属ペーストを接着剤として作用させることにより、接着層を形成することなく、下部電極24に、直接、p型熱電変換層28p等を接着してもよいのは、前述のとおりである。この点に関しては、上部電極30も同様である。
In the illustrated example, a lower adhesive layer 26 is provided on the lower electrode 24, and a p-type thermoelectric conversion layer 28p and an n-type thermoelectric conversion layer 28n are placed thereon and bonded.
However, the present invention is not limited to this, and when the lower electrode 24 is formed of a metal paste such as silver paste, the adhesive layer is formed by causing the metal paste to be the lower electrode 24 to act as an adhesive. As described above, the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the like may be directly bonded to the lower electrode 24 without doing so. This is the same for the upper electrode 30.

本発明の車両用排気管は、オートバイや自動車等の車両に装着される排気管の外面に、本発明の熱電変換モジュール10を、裏面を内側にして装着したものである。
周知のように、排気管は、車両の走行中に最も高温になる。また、車両の走行中は、冷却側となる上部電極30側は、車両の走行による生じる風で空冷される。従って、このような本発明の車両用排気管によれば、熱電変換モジュール10に放熱フィン等を設けなくても、熱源側となる熱電変換モジュール10の基板12側と、冷却側となる上部電極30側とに大きな温度差を設けて、熱電変換モジュール10による大きな発電量が得られる。
The vehicle exhaust pipe of the present invention is obtained by mounting the thermoelectric conversion module 10 of the present invention on the outer surface of an exhaust pipe mounted on a vehicle such as a motorcycle or an automobile, with the back surface inside.
As is well known, the exhaust pipe becomes hottest while the vehicle is running. Further, during traveling of the vehicle, the upper electrode 30 side serving as a cooling side is air-cooled by wind generated by traveling of the vehicle. Therefore, according to such an exhaust pipe for a vehicle of the present invention, the thermoelectric conversion module 10 is not provided with heat radiation fins or the like, and the substrate 12 side of the thermoelectric conversion module 10 on the heat source side and the upper electrode on the cooling side. A large temperature difference is provided on the 30 side, and a large amount of power generated by the thermoelectric conversion module 10 is obtained.

なお、本発明の車両用排気管は、本発明の熱電変換モジュール10をキャタライザ(排気ガス浄化装置)やマフラ(消音器/サイレンサ)に装着したものも含む。   In addition, the exhaust pipe for vehicles of this invention includes what attached the thermoelectric conversion module 10 of this invention to the catalyzer (exhaust gas purification apparatus) and the muffler (silencer / silencer).

以上、本発明の熱電変換モジュールおよび車両用排気管について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。   As described above, the thermoelectric conversion module and the vehicle exhaust pipe of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described example, and various improvements and modifications are made without departing from the gist of the present invention. Of course, it's also good.

以下、本発明の具体的実施例を挙げて、本発明の熱電変換モジュールについて、より詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the thermoelectric conversion module of the present invention will be described in more detail with reference to specific examples of the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
<第1基板の作製>
(A) 前処理(電解研磨処理)
高純度アルミニウム基板(住友金属社製、純度99.99質量%、厚さ100μm)を10cm四方の面積での陽極酸化処理できるようにカットし、以下の組成の電解研磨液を用い、電圧25V、液温度65℃、液流速3.0m/minの条件で電解研磨処理を施した。
陰極はカーボン電極とし、電源はGP0110−30R(高砂製作所製)を用いた。また、電解液の流速は渦式フローモニターFLM22−10PCW(AS ONE製)を用いて計測した。
<<電解研磨液の組成>>
85質量%リン酸(和光純薬社製試薬) 660ml
純水 160ml
硫酸 150ml
エチレングリコール 30ml
[Example 1]
<Fabrication of first substrate>
(A) Pretreatment (electropolishing)
A high-purity aluminum substrate (manufactured by Sumitomo Metals Co., Ltd., purity 99.99% by mass, thickness 100 μm) was cut so as to be anodized in an area of 10 cm square, and an electropolishing liquid having the following composition was used, and a voltage of 25 V, Electropolishing was performed under conditions of a liquid temperature of 65 ° C. and a liquid flow rate of 3.0 m / min.
The cathode was a carbon electrode, and the power source was GP0110-30R (manufactured by Takasago Seisakusho). The flow rate of the electrolytic solution was measured using a vortex flow monitor FLM22-10PCW (manufactured by AS ONE).
<< Composition of electrolytic polishing liquid >>
85% by mass phosphoric acid (reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 660 ml
160ml of pure water
150ml sulfuric acid
Ethylene glycol 30ml

(B) 陽極酸化処理(処理液:シュウ酸(昇華温度150℃))
電解研磨処理を行ったアルミニウム基板に、0.50mol/L(リットル)シュウ酸の電解液で、電圧40V、液温度15℃、液流速3.0ml/minの条件で、1時間、陽極酸化処理を施した。さらに、陽極酸化処理後の基板に、0.5mol/Lリン酸の混合水溶液を用いて、40℃の条件で25分間浸漬して脱膜処理を施した。以上の処理を、この順に4回繰り返した。
その後、基板に0.50mol/Lシュウ酸の電解液で、電圧40V、液温度15℃、液流速3.0ml/minの条件で、4時間、再陽極酸化処理を施した。さらに、0.5mol/Lリン酸の混合水溶液を用いて、40℃の条件で25分間浸漬して脱膜処理を施し、アルミニウム基板の表面に、マイクロポアが直管状でかつハニカム状に配列された、厚さ10μmの陽極酸化膜を形成させた。
なお、陽極酸化処理および再陽極酸化処理は、共に、陰極はステンレス電極とし電源はGP0110−30R(高砂製作所社製)を用いた。また、冷却装置はNeoCool BD36(ヤマト科学社製)を用い、撹拌加温装置はペアスターラーPS100(EYELA社製)を用いた。電解液の流速は渦式フローモニターFKM22−10PCW(AS ONE社製)を用いて計測した。
(B) Anodizing treatment (treatment liquid: oxalic acid (sublimation temperature 150 ° C.))
An electrolytically polished aluminum substrate was anodized with 0.50 mol / L (liter) oxalic acid electrolyte at a voltage of 40 V, a liquid temperature of 15 ° C., and a liquid flow rate of 3.0 ml / min for 1 hour. Was given. Further, the substrate after the anodizing treatment was immersed in a mixed solution of 0.5 mol / L phosphoric acid for 25 minutes at 40 ° C. to perform film removal treatment. The above process was repeated 4 times in this order.
Thereafter, the substrate was reanodized with an electrolyte of 0.50 mol / L oxalic acid for 4 hours under the conditions of a voltage of 40 V, a liquid temperature of 15 ° C., and a liquid flow rate of 3.0 ml / min. Further, using a mixed aqueous solution of 0.5 mol / L phosphoric acid, it was immersed for 25 minutes at 40 ° C. for film removal treatment, and micropores were arranged in a straight tubular and honeycomb shape on the surface of the aluminum substrate. An anodic oxide film having a thickness of 10 μm was formed.
In both the anodizing treatment and the re-anodizing treatment, a stainless steel electrode was used as the cathode and GP0110-30R (manufactured by Takasago Seisakusho) was used as the power source. Moreover, NeoCool BD36 (made by Yamato Kagaku) was used for the cooling device, and Pear Stirrer PS100 (made by EYELA) was used for the stirring and heating device. The flow rate of the electrolyte was measured using a vortex flow monitor FKM22-10PCW (AS ONE).

(C) アニール処理
陽極酸化膜を形成したアルミニウム基板をダイシング法によりカットし、350℃の電気炉中で2時間アニール処理を行い、そのまま電気炉中で室温まで冷却した。
これにより、基板12として、アルミニウム基材18と、アルミニウムの陽極酸化膜からなる絶縁層20とを有する第1基板を作製した。アルミニウム基材18の厚さは90μm、絶縁層20の厚さは10μmであった。
(C) Annealing treatment The aluminum substrate on which the anodized film was formed was cut by a dicing method, annealed in an electric furnace at 350 ° C. for 2 hours, and then cooled to room temperature in the electric furnace.
Thereby, the 1st board | substrate which has the aluminum base material 18 and the insulating layer 20 which consists of an anodic oxide film of aluminum as the board | substrate 12 was produced. The thickness of the aluminum substrate 18 was 90 μm, and the thickness of the insulating layer 20 was 10 μm.

<熱電変換モジュールの作製>
前述の図5(A)〜図5(E)に示す例と同様にして、基板12の絶縁層20の上に、熱電変換素子14を形成して、熱電変換モジュールを作製した。
(A) 下部電極の形成
第1基板に、メタルマスクを用いた真空蒸着法によって、密着層として、厚さ50nmのクロム層を図5(A)に示すパターンで形成した。次いで、メタルマスクを用いた真空蒸着法によって、厚さ500nmの金からなる長方形の下部電極24(斜線)を、直交する2方向に等間隔で配列した図5(A)に示すパターンで形成した。
<Production of thermoelectric conversion module>
In the same manner as the example shown in FIGS. 5A to 5E, the thermoelectric conversion element 14 was formed on the insulating layer 20 of the substrate 12 to produce a thermoelectric conversion module.
(A) Formation of Lower Electrode A 50 nm thick chromium layer was formed in the pattern shown in FIG. 5A as an adhesion layer on the first substrate by a vacuum deposition method using a metal mask. Next, a rectangular lower electrode 24 (hatched line) made of gold having a thickness of 500 nm was formed by a vacuum deposition method using a metal mask with a pattern shown in FIG. 5A in which two orthogonal directions were arranged at equal intervals. .

(B) 下部接着層、p型熱電変換層およびn型熱電変換層の形成
下部電極24の上に、図5(B)に示すパターンで、下部接着層26となる銀ナノペースト(細かいドット)を約30μの厚さで塗布した。
次いで、銀ナノペーストの上に、p型熱電変換層28p(白抜き)、および、n型熱電変換層28n(黒塗り)を、ぞれぞれ、図5(C)に示すように載置した。
なお、p型熱電変換層28pはマンガンシリサイド系材料からなるもので、n型熱電変換層28nはマグネシウムシリサイド系材料からなるものであり、大きさは、共に、2mm×1.5mm×1.5mm(縦×横×高さ)とした。
さらに、銀ナノペーストを焼成して、銀からなる下部接着層26に、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nを接着した。
密着層および焼成後の下部接着層26の膜厚は、熱電変換層28の高さ1.5mmに比して極めて小さく、無視できる厚さである。従って、熱電変換素子14における熱電変換層28の高さaは1.5mmと見なせる。また、各熱電変換素子14におけるp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nの間隔bは、1.0mmとした。
(B) Formation of lower adhesive layer, p-type thermoelectric conversion layer, and n-type thermoelectric conversion layer Silver nano paste (fine dots) to be the lower adhesive layer 26 on the lower electrode 24 in the pattern shown in FIG. Was applied in a thickness of about 30 μm.
Next, on the silver nanopaste, the p-type thermoelectric conversion layer 28p (outlined) and the n-type thermoelectric conversion layer 28n (blacked out) are respectively placed as shown in FIG. 5C. did.
The p-type thermoelectric conversion layer 28p is made of a manganese silicide-based material, the n-type thermoelectric conversion layer 28n is made of a magnesium silicide-based material, and the size thereof is 2 mm × 1.5 mm × 1.5 mm. (Vertical × horizontal × height).
Further, the silver nanopaste was baked, and the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n were bonded to the lower adhesive layer 26 made of silver.
The thickness of the adhesion layer and the lower adhesive layer 26 after firing is extremely small compared to the height of the thermoelectric conversion layer 28 of 1.5 mm, and is negligible. Therefore, the height a of the thermoelectric conversion layer 28 in the thermoelectric conversion element 14 can be regarded as 1.5 mm. The interval b between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n in each thermoelectric conversion element 14 was 1.0 mm.

(C) 上部電極の形成
図5(D)に示すように、p型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nの上に、上部接着層32となる銀ナノペーストを約30μmの厚さで塗布した。
さらに、図5(E)に示すように、上部電極30として厚さ18μmの銅箔を銀ナノペーストに貼り付け、銀ナノペーストを焼成して、上部電極30をp型熱電変換層28pおよびn型熱電変換層28nに接着して、59個の熱電変換素子14を直列に接続した、熱電変換モジュール10を作製した。
なお、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極30の長さcは、1.5mmとした。従って、上部電極30は、撓みを有する状態でp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとを接続している。
(C) Formation of Upper Electrode As shown in FIG. 5D, a silver nanopaste to be the upper adhesive layer 32 is formed on the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n with a thickness of about 30 μm. Applied.
Further, as shown in FIG. 5E, a copper foil having a thickness of 18 μm is attached to the silver nano paste as the upper electrode 30, and the silver nano paste is baked to form the upper electrode 30 in the p-type thermoelectric conversion layers 28p and n. The thermoelectric conversion module 10 in which 59 thermoelectric conversion elements 14 were connected in series was bonded to the thermoelectric conversion layer 28n.
Note that the length c of the upper electrode 30 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n was 1.5 mm. Therefore, the upper electrode 30 connects the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n in a state of being bent.

[実施例2]
<第2基板の作製>
厚さ50μmのSUS430製の板の両面に、厚さ30μmのアルミニウム板(純度99.99%)を積層して一体化したクラッド材を用意した。
高純度アルミニウム基板(住友金属社製、純度99.99質量%、厚さ100μm)に代えて、このクラッド材を用いた以外は、実施例1の第1基板の作製と同様にして、アルミニウム基材18の表面にアルミニウムの陽極酸化膜からなる絶縁層20を形成して、図3(B)に示すような基板12bを第2基板として作製した。すなわち、この第2基板は、厚さ50μmのSUS430製の金属基材16の両面に、厚さ20μmのアルミニウム基材18を有し、両アルミニウム基材18の上に、厚さ10μmの絶縁層20を有する、厚さ110μmのものである。
<熱電変換モジュールの作製>
第1基板に代えて、この第2基板を用いた以外は、実施例1と同様にして、一方の面の絶縁層20の上に熱電変換素子14を形成して、熱電変換モジュールを作製した。
[Example 2]
<Production of second substrate>
A clad material was prepared by laminating and integrating a 30 μm thick aluminum plate (purity 99.99%) on both surfaces of a 50 μm thick SUS430 plate.
An aluminum substrate was prepared in the same manner as in the production of the first substrate of Example 1, except that this clad material was used instead of a high purity aluminum substrate (manufactured by Sumitomo Metals, purity 99.99 mass%, thickness 100 μm). An insulating layer 20 made of an anodic oxide film of aluminum was formed on the surface of the material 18, and a substrate 12b as shown in FIG. 3B was produced as a second substrate. That is, this second substrate has a 20 μm thick aluminum substrate 18 on both surfaces of a 50 μm thick SUS430 metal substrate 16, and an insulating layer 10 μm thick on both aluminum substrates 18. 20 having a thickness of 110 μm.
<Production of thermoelectric conversion module>
A thermoelectric conversion module was produced by forming the thermoelectric conversion element 14 on the insulating layer 20 on one surface in the same manner as in Example 1 except that this second substrate was used instead of the first substrate. .

[実施例3]
p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極の長さcを、1.05mmにした以外は、実施例1と同様に熱電変換モジュールを作製した。
[Example 3]
A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that the length c of the upper electrode between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n was 1.05 mm.

[実施例4]
下部接着層26および上部接着層32を、銀ナノペーストに代えて、ニッケルナノペーストで形成した以外は、実施例2と同様に熱電変換モジュールを作製した。
[Example 4]
A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 2 except that the lower adhesive layer 26 and the upper adhesive layer 32 were formed of nickel nano paste instead of silver nano paste.

[比較例1]
<基板の用意>
銅の厚さが18μm、ポリイミドの厚さが25μmの両面銅張りポリイミド基板を用意した。
<熱電変換モジュールの作製>
第1基板に代えて、この両面銅張りポリイミド基板を用いた以外は、実施例1と同様にして、基板の1面に熱電変換素子14を形成して、熱電変換モジュールを作製した。なお、下部電極24は、図5(A)と同パターンになるように銅箔をパターンエッチングすることで形成した。すなわち、本例では、ポリイミドフィルムが絶縁層としても作用する。
[Comparative Example 1]
<Preparation of substrate>
A double-sided copper-clad polyimide substrate having a copper thickness of 18 μm and a polyimide thickness of 25 μm was prepared.
<Production of thermoelectric conversion module>
A thermoelectric conversion module was produced by forming the thermoelectric conversion element 14 on one surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that this double-sided copper-clad polyimide substrate was used instead of the first substrate. The lower electrode 24 was formed by pattern etching of a copper foil so as to have the same pattern as in FIG. That is, in this example, the polyimide film also acts as an insulating layer.

[比較例2]
p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極の長さcを、熱電変換素子のp型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔bと同じにした以外、実施例1と同様に熱電変換モジュールを作製した。
すなわち、この熱電変換モジュールは、熱電変換素子の上部電極が撓んでいない。
[Comparative Example 2]
The length c of the upper electrode between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is made the same as the distance b between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n of the thermoelectric conversion element. A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as Example 1 except for the above.
That is, in this thermoelectric conversion module, the upper electrode of the thermoelectric conversion element is not bent.

[耐熱性評価]
このようにして作製した実施例1〜4、ならびに、比較例1および2の各熱電変換モジュールに関して、全ての熱電変換素子14を覆って、上部電極30の上に、絶縁のために厚さ約4μmの耐熱性のアラミドフィルムを貼り合わせた。
さらに、各熱電変換モジュールを、基板側を内側にして直径40mmのパイプ状のヒータに巻き付け、アラミドフィルムの上に空冷用のアルミニウムフィンを積層した。
[Heat resistance evaluation]
Regarding each of the thermoelectric conversion modules of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 produced in this manner, the thermoelectric conversion elements 14 were covered and the upper electrode 30 was covered with a thickness of about 1 mm for insulation. A 4 μm heat-resistant aramid film was bonded.
Furthermore, each thermoelectric conversion module was wound around a pipe-shaped heater having a diameter of 40 mm with the substrate side facing inside, and aluminum fins for air cooling were laminated on the aramid film.

前述のように、実施例1、2および4、比較例1は、熱電変換素子14の高さaが約1.5mm、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間隔bが1.0mm、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極30の長さcが1.5mmである。
また、熱電変換モジュールを巻き付けたパイプ状のヒータの直径が40mmである。従って、モジュールが巻き付けられる曲面の曲率半径Lは20mmである。
従って、実施例1、2および4、比較例1は、c=1.5で、
b+(ab/L)=1+([1.5×1.0]/20)=1.075、および、
(4a2+b21/2=(4×1.52+1.021/2=3.16であるので、いずれも、
b+(ab/L)<c、および、c<(4a2+b21/2
を満たす。
一方、実施例3は、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極30の長さcが1.05mmである点のみが、実施例1と異なる。
従って、p型熱電変換層28pとn型熱電変換層28nとの間における上部電極30は撓みを有し、かつ、c<(4a2+b21/2は満たすものの、b+(ab/L)<cは満たさない。
また、比較例2は、上部電極が撓みを有さない。
As described above, in Examples 1, 2 and 4, and Comparative Example 1, the height a of the thermoelectric conversion element 14 is about 1.5 mm, and the distance b between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is The length c of the upper electrode 30 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is 1.5 mm.
Moreover, the diameter of the pipe-shaped heater around which the thermoelectric conversion module is wound is 40 mm. Accordingly, the curvature radius L of the curved surface around which the module is wound is 20 mm.
Therefore, Examples 1, 2, and 4 and Comparative Example 1 have c = 1.5,
b + (ab / L) = 1 + ([1.5 × 1.0] / 20) = 1.075, and
Since (4a 2 + b 2 ) 1/2 = (4 × 1.5 2 +1.0 2 ) 1/2 = 3.16,
b + (ab / L) <c and c <(4a 2 + b 2 ) 1/2
Meet.
On the other hand, Example 3 is different from Example 1 only in that the length c of the upper electrode 30 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is 1.05 mm.
Therefore, the upper electrode 30 between the p-type thermoelectric conversion layer 28p and the n-type thermoelectric conversion layer 28n is bent and satisfies c <(4a 2 + b 2 ) 1/2 , but b + (ab / L ) <C is not satisfied.
In Comparative Example 2, the upper electrode has no deflection.

この状態で、パイプ状のヒータの表面温度を200℃に加熱した。
引き出し電極と、ソースメーター(ソースメーター2450、ケースレー社製)とを接続し、開放電圧と短絡電流を計測し、下記式から発電量を求めた。
(発電量)=0.25×(開放電圧)×(短絡電流)
この発電量を200℃になった直後と1時間後とに測定した。また、同様の測定を、パイプ状のヒータの表面温度を300℃および400℃にして行った。
下記の表1に、各熱電変換モジュールの発電量[mW]を示す。
In this state, the surface temperature of the pipe-shaped heater was heated to 200 ° C.
A lead electrode and a source meter (source meter 2450, manufactured by Keithley) were connected, open circuit voltage and short circuit current were measured, and the amount of power generation was determined from the following formula.
(Power generation amount) = 0.25 × (open circuit voltage) × (short circuit current)
This power generation was measured immediately after reaching 200 ° C. and 1 hour later. Further, the same measurement was performed with the surface temperature of the pipe-shaped heater being 300 ° C. and 400 ° C.
Table 1 below shows the power generation [mW] of each thermoelectric conversion module.

表1に示されるように、アルミニウム基材18とアルミニウムの陽極酸化膜による絶縁層20とからなる耐熱性の高い基板12を用いる実施例1および実施例3の熱電変換モジュールは、ポリイミド製の基板を用いる比較例1の熱電変換モジュールに比して、発電量が高い。さらに、1時間経過後の発電量の落ち込みも少ない。
これは、基板にポリイミドを用いる比較例1の熱電変換モジュールは、加熱によって基板が変形して、この基板の変形に起因して発電量が低下したのに対し、耐熱性の高い基板12を用いる本発明の熱電変換モジュールは、高温の熱源でも基板の変形が少ないためと考えられる。また、比較例1は、400℃では、基板の変形によって配線が断線したと考えられ、発電量が測定できなかった。
実施例2および実施例4の熱電変換モジュールは、実施例1および実施例3の熱電変換モジュールよりも、さらに、発電量が高く、300℃以上では1時間後の発電量の落ち込みが少ない。これは、実施例2および実施例4は、ステンレス板を積層したクラッド材を基板として用いているため、実施例1および実施例3よりも、さらに基板の変形が少ないためであると考えられる。
他方、上部電極の撓みが無い比較例2は、パイプ状のヒータに装着したことに起因して、上部電極が断線したと考えられ、発電量が測定できなかった。
As shown in Table 1, the thermoelectric conversion modules of Example 1 and Example 3 using a substrate 12 having high heat resistance composed of an aluminum base 18 and an insulating layer 20 made of an aluminum anodic oxide film are polyimide substrates. Compared with the thermoelectric conversion module of the comparative example 1 using this, the electric power generation amount is high. Furthermore, there is little drop in the amount of power generated after 1 hour.
This is because the thermoelectric conversion module of Comparative Example 1 using polyimide for the substrate uses the substrate 12 with high heat resistance, whereas the substrate is deformed by heating and the amount of power generation is reduced due to the deformation of the substrate. The thermoelectric conversion module of the present invention is considered to be because the deformation of the substrate is small even with a high-temperature heat source. In Comparative Example 1, it was considered that the wiring was disconnected due to the deformation of the substrate at 400 ° C., and the amount of power generation could not be measured.
The thermoelectric conversion modules of Example 2 and Example 4 have a higher power generation amount than the thermoelectric conversion modules of Example 1 and Example 3, and there is less drop in the power generation amount after 1 hour at 300 ° C. or higher. This is presumably because Example 2 and Example 4 use a clad material in which stainless steel plates are laminated as a substrate, so that the substrate is less deformed than Example 1 and Example 3.
On the other hand, in Comparative Example 2 in which the upper electrode was not bent, it was considered that the upper electrode was disconnected due to being attached to the pipe-shaped heater, and the amount of power generation could not be measured.

[ヒートサイクル試験]
実施例1〜4、ならびに、比較例1および比較例2の熱電変換モジュールに関して、先の耐熱性評価と同様にしてパイプ状のヒータの表面温度を400℃まで加熱して、1時間維持した後、30分かけてパイプ状のヒータの表面温度を50℃まで下げて、この温度で1時間維持し、その後、再度、パイプ状のヒータの表面温度を400℃に上げて1時間維持することを、20回繰り返し、20回目の400℃になった直後に、先の耐熱性評価と同様にして、各熱電変換モジュールの発電量を測定した。
下記の表2に、各熱電変換モジュールの発電量を示す。
[Heat cycle test]
For the thermoelectric conversion modules of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the surface temperature of the pipe-shaped heater was heated to 400 ° C. and maintained for 1 hour in the same manner as in the previous heat resistance evaluation. The surface temperature of the pipe-shaped heater is lowered to 50 ° C. over 30 minutes and maintained at this temperature for 1 hour, and then the surface temperature of the pipe-shaped heater is again increased to 400 ° C. and maintained for 1 hour. The heat generation amount of each thermoelectric conversion module was measured in the same manner as in the previous heat resistance evaluation, immediately after 20 times and immediately after reaching the 20th 400 ° C.
Table 2 below shows the power generation amount of each thermoelectric conversion module.

表2に示されるように、本発明の熱電変換モジュールは、50℃と400℃との間で加熱および冷却を繰り返しても、高い発電量を維持している。特に、基板に、ステンレス板を積層したクラッド材を用いている実施例2および実施例4の熱電変換モジュールは、熱変形に強く、激しい温度変動を繰り返した後でも、高い発電量を維持している。
また、上部電極が撓みを有し、かつ、c<(4a2+b21/2は満たすが、b+(ab/L)<cは満たさない実施例3は、実施例1よりも発電量がやや小さくなった。これは、上部電極の撓みに余裕が無く、ヒートサイクルによって接合部にマイクロクラックなどの欠陥ができて、抵抗が上がったため、発電量が低下したものと考えられる。
なお、比較例1の熱電変換モジュールは、先と同様、400℃では、基板の変形によって配線が断線したと考えられ、発電量が測定できなかった。また、比較例2の熱電変換モジュールも、先と同様に、パイプ状のヒータに装着したことに起因して、上部電極が断線したと考えられ、発電量が測定できなかった。
As shown in Table 2, the thermoelectric conversion module of the present invention maintains a high power generation amount even when heating and cooling are repeated between 50 ° C. and 400 ° C. In particular, the thermoelectric conversion modules of Example 2 and Example 4 using a clad material in which a stainless steel plate is laminated on a substrate are resistant to thermal deformation and maintain a high power generation amount even after repeated severe temperature fluctuations. Yes.
Further, the power generation amount of the third embodiment is higher than that of the first embodiment, in which the upper electrode is bent and c <(4a 2 + b 2 ) 1/2 is satisfied but b + (ab / L) <c is not satisfied. Was slightly smaller. This is thought to be due to the fact that there was no allowance for the deflection of the upper electrode, and defects such as microcracks were formed in the joint due to the heat cycle, and the resistance increased, so the power generation amount was reduced.
In addition, as for the thermoelectric conversion module of the comparative example 1, it was thought that wiring was disconnected by deformation | transformation of a board | substrate at 400 degreeC like the previous, and electric power generation amount was not measurable. Further, similarly to the thermoelectric conversion module of Comparative Example 2, it was considered that the upper electrode was disconnected due to being attached to the pipe-shaped heater, and the power generation amount could not be measured.

また、共に基板としてステンレス板を積層したクラッド材を用いている実施例2と実施例4とを見ると、耐熱性評価に関しては、下部接着層26および上部接着層32を銀ナノペーストで形成した実施例2より、下部接着層26および上部接着層32をニッケルナノペーストで形成した実施例4の方が、200℃の1時間後、ならびに、300℃および400℃では直後および1時間後共に、発電量が高かった。
加えて、ヒートサイクル試験でも、下部接着層26および上部接着層32をニッケルナノペーストで形成した実施例4は、顕著に発電量が高い結果が得られた。
Moreover, when Example 2 and Example 4 which use the clad material which laminated | stacked the stainless plate as a board | substrate are both seen, regarding heat resistance evaluation, the lower adhesive layer 26 and the upper adhesive layer 32 were formed with the silver nano paste. From Example 2, Example 4 in which the lower adhesive layer 26 and the upper adhesive layer 32 are formed of nickel nanopaste is after 1 hour at 200 ° C., and immediately after 1 hour at 300 ° C. and 400 ° C. The amount of power generation was high.
In addition, also in the heat cycle test, Example 4 in which the lower adhesive layer 26 and the upper adhesive layer 32 were formed of nickel nanopaste obtained a result that the power generation amount was remarkably high.

前述のように、銀ナノペーストやニッケルナノペーストは、焼成後、ほぼ、それぞれのバルクの金属の物性に近くなることが知られている。
ここで、ニッケルの温度膨張係数は13.3ppm/K、銀の温度膨張係数は19.7ppm/Kである。また、ステンレスと陽極酸化膜を有するアルミニウム材とのクラッド材である基板12aの温度膨張係数は10ppm/K、n型熱電変換層28n(Mg2Si)の温度膨張係数は7.5ppm/Kである。
各材料の温度膨張係数を[熱電変換層/接着層金属/基板]の順番で並べると、実施例2は[7.5/19.7/10]で、実施例4は[7.5/13.3/10]である。なお、陽極酸化膜を有するアルミニウム材である基板12の温度膨張係数は5ppm/Kであるので、実施例1の温度膨張係数は[7.5/19.7/5]である。
As described above, it is known that silver nano-paste and nickel nano-paste are almost similar to physical properties of each bulk metal after firing.
Here, the temperature expansion coefficient of nickel is 13.3 ppm / K, and the temperature expansion coefficient of silver is 19.7 ppm / K. Further, the temperature expansion coefficient of the substrate 12a, which is a clad material of stainless steel and an aluminum material having an anodized film, is 10 ppm / K, and the temperature expansion coefficient of the n-type thermoelectric conversion layer 28n (Mg 2 Si) is 7.5 ppm / K. is there.
When the thermal expansion coefficients of the respective materials are arranged in the order of [thermoelectric conversion layer / adhesion layer metal / substrate], Example 2 is [7.5 / 19.7 / 10] and Example 4 is [7.5 / 13.3 / 10]. In addition, since the temperature expansion coefficient of the board | substrate 12 which is an aluminum material which has an anodized film is 5 ppm / K, the temperature expansion coefficient of Example 1 is [7.5 / 19.7 / 5].

すなわち、隣接する部材同士における素材間の温度膨張係数の差は、実施例4が最も小さく、従って、実施例4は、高温時の隣接する部材間での熱膨張の差が小さい。
その結果、前述のように、実施例4では、熱膨張の差に起因する下部接着層26および上部接着層32のマイクロクラックの発生や、各部材の界面での剥離等を抑制できており、これにより、抵抗の上昇等が押えられ、高い出力が得られたものと考えられる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
That is, the difference in the temperature expansion coefficient between the adjacent members is the smallest in Example 4, and therefore the difference in thermal expansion between the adjacent members at high temperatures is small in Example 4.
As a result, as described above, in Example 4, the occurrence of microcracks in the lower adhesive layer 26 and the upper adhesive layer 32 due to the difference in thermal expansion, peeling at the interface of each member, and the like can be suppressed. As a result, it is considered that a rise in resistance or the like was suppressed and a high output was obtained.
From the above results, the effects of the present invention are clear.

10 熱電変換モジュール
12 基板
14 熱電変換素子
16 金属基材
18 アルミニウム基材
20 絶縁層
24 下部電極
26 下部接着層
28 熱電変換層
28p p型熱電変換層
28n n型熱電変換層
30 上部電極
32 上部接着層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Thermoelectric conversion module 12 Board | substrate 14 Thermoelectric conversion element 16 Metal base material 18 Aluminum base material 20 Insulating layer 24 Lower electrode 26 Lower adhesion layer 28 Thermoelectric conversion layer 28p P-type thermoelectric conversion layer 28n N-type thermoelectric conversion layer 30 Upper electrode 32 Upper adhesion layer

Claims (11)

一方の面に陽極酸化膜を有するアルミニウム基材、および、前記アルミニウム基材の陽極酸化膜が形成されない側の面に積層される金属基材、を有する、可撓性を有する基板と、
前記基板の陽極酸化膜の表面に設けられる互いに離間する2つの下部電極、一方の前記下部電極の表面に設けられる前記一方の下部電極と電気的に接続するp型熱電変換層および他方の前記下部電極の表面に設けられる前記他方の下部電極と電気的に接続するn型熱電変換層からなる熱電変換層、ならびに、前記p型熱電変換層とn型熱電変換層とを接続する上部電極を有する、前記下部電極で直列に接続された複数の熱電変換素子と、を有し、かつ、
前記上部電極が、金属箔であり、可撓性を有し、さらに、撓みを持って前記p型熱電変換層とn型熱電変換層とを接続すること特徴とする熱電変換モジュール。
A flexible substrate having an aluminum base material having an anodized film on one surface and a metal base material laminated on the surface of the aluminum base on which the anodized film is not formed ;
Two lower electrodes provided on the surface of the anodic oxide film of the substrate and spaced apart from each other, a p-type thermoelectric conversion layer electrically connected to the one lower electrode provided on the surface of one of the lower electrodes, and the other lower portion A thermoelectric conversion layer composed of an n-type thermoelectric conversion layer electrically connected to the other lower electrode provided on the surface of the electrode, and an upper electrode connecting the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer A plurality of thermoelectric conversion elements connected in series with the lower electrode, and
The thermoelectric conversion module, wherein the upper electrode is a metal foil, has flexibility, and further connects the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer with bending.
曲面に装着されるものであり、
前記曲面の曲率半径をL[mm]、前記熱電変換層の高さをa[mm]、前記熱電変換層のp型熱電変換層とn型熱電変換層との間隔をb[mm]とした際に、前記p型熱電変換層およびn型熱電変換層との間における前記上部電極の長さc[mm]が、
b+(ab/L)<c、および、c<(4a2+b21/2
を満たす請求項1に記載の熱電変換モジュール。
It is attached to the curved surface,
The radius of curvature of the curved surface is L [mm], the height of the thermoelectric conversion layer is a [mm], and the distance between the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer of the thermoelectric conversion layer is b [mm]. In this case, the length c [mm] of the upper electrode between the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer is
b + (ab / L) <c and c <(4a 2 + b 2 ) 1/2
The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein:
前記基板の厚さが120μm以下である請求項1または2に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1 or 2 , wherein the thickness of the substrate is 120 µm or less. 前記p型熱電変換層およびn型熱電変換層の少なくとも一方が、前記上部電極および下部電極の少なくとも一方と、導電性を有する接着層によって接着されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 4. The device according to claim 1 , wherein at least one of the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer is bonded to at least one of the upper electrode and the lower electrode by an adhesive layer having conductivity. The thermoelectric conversion module as described. 前記導電性を有する接着層が、ニッケルを含む請求項4に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 4 , wherein the conductive adhesive layer contains nickel. 隣接する前記熱電変換素子の間が空気層である請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 5 , wherein a space between the adjacent thermoelectric conversion elements is an air layer. 前記熱電変換素子のp型熱電変換層とn型熱電変換層との間が空気層である請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 6, wherein a space between the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer of the thermoelectric conversion element is an air layer. 前記複数の熱電変換素子を覆って、可撓性の保護層を有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1 , wherein the thermoelectric conversion module has a flexible protective layer so as to cover the plurality of thermoelectric conversion elements. 前記p型熱電変換層およびn型熱電変換層が、それぞれ、p型もしくはn型にドーピングされたシリサイド系材料からなるものである請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 8 , wherein each of the p-type thermoelectric conversion layer and the n-type thermoelectric conversion layer is made of a silicide-based material doped to be p-type or n-type. 曲面に装着されるものであり、かつ、前記曲面の曲率半径が30mm以上である請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 9 , wherein the thermoelectric conversion module is attached to a curved surface, and a curvature radius of the curved surface is 30 mm or more. 車両用の排気管であって、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の熱電変換モジュールが、前記熱電変換素子が形成されていない面を内側にして、外面に装着されていることを特徴とする車両用排気管。
An exhaust pipe for a vehicle,
An exhaust pipe for a vehicle, wherein the thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 10 is mounted on an outer surface with a surface on which the thermoelectric conversion element is not formed being inward.
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