JP6492210B1 - Thermal rectifying substrate and thermoelectric generator - Google Patents

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Abstract

【課題】より製造しやすい熱整流性基板および熱電発電装置を提供する。
【解決手段】熱整流性基板2Aは、複数の薄膜状のPTC領域20と複数の薄膜状のNTC領域10とを備える。平面視および断面視において、複数のPTC領域20および複数のNTC領域10は交互に並べて配置されている。PTC領域20には、P側基材と、P側基材内に配された複数のP側熱伝導粒子とが含まれる。複数のNTC領域には、N側基材と、N側基材内に配された複数のN側熱伝導粒子および複数の熱収縮粒子とが含まれ、複数の熱収縮粒子は温度の上昇に伴って収縮する。
【選択図】図1
The present invention provides a thermal rectifying substrate and a thermoelectric generator that are easier to manufacture.
A heat rectifying substrate (2A) includes a plurality of thin film PTC regions (20) and a plurality of thin film NTC regions (10). In the plan view and the cross sectional view, the plurality of PTC regions 20 and the plurality of NTC regions 10 are alternately arranged. The PTC region 20 includes a P-side substrate and a plurality of P-side thermally conductive particles disposed in the P-side substrate. The plurality of NTC regions include an N-side substrate, a plurality of N-side thermally conductive particles and a plurality of heat-shrinkable particles disposed in the N-side substrate, and the plurality of heat-shrinkable particles It contracts with it.
[Selected figure] Figure 1

Description

本発明は、熱整流性基板および熱電発電装置に関する。   The present invention relates to a thermal rectifying substrate and a thermoelectric power generation device.

従来から、下記特許文献1に示されるような、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換可能な熱電発電装置が知られている。この熱電発電装置は、熱電変換モジュールと、熱整流性基板と、を備えている。熱整流性基板は、熱伝導性フィラーを有する熱伝導性樹脂A(良熱伝導部)と、熱伝導性樹脂Aよりも熱伝導率が低い熱伝導性樹脂B(断熱部)と、を有する。良熱伝導部と断熱部とは、交互に配置されている。そして熱電変換モジュールは、良熱伝導部と断熱部との間の温度差に応じて発電するように構成されている。   DESCRIPTION OF RELATED ART Conventionally, as it shows by following patent document 1, the thermoelectric-generation apparatus which can convert thermal energy into an electrical energy directly is known. The thermoelectric generator includes a thermoelectric conversion module and a heat rectifying substrate. The heat rectifying substrate includes a heat conductive resin A (good heat conductive portion) having a heat conductive filler, and a heat conductive resin B (heat insulating portion) having a heat conductivity lower than that of the heat conductive resin A. . The good heat conducting parts and the heat insulating parts are alternately arranged. The thermoelectric conversion module is configured to generate power in accordance with the temperature difference between the good thermal conductivity portion and the thermal insulation portion.

国際公開第2014/148494号International Publication No. 2014/148494

特許文献1のように、良熱伝導部と断熱部とを交互に配置する場合には、メタルマスクやフォトマスク、スクリーン印刷などを用いて、良熱伝導部および断熱部のうち一方を形成したのち、その隙間に他方を形成するなど、複雑な製造工程が必要となる。   As in Patent Document 1, when the good thermal conductivity part and the thermal insulation part are alternately arranged, one of the good thermal conductivity part and the thermal insulation part is formed using a metal mask, a photomask, screen printing or the like. After that, a complicated manufacturing process is required, such as forming the other in the gap.

本発明はこのような事情を考慮してなされ、より製造しやすい熱整流性基板および熱電発電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a thermal rectifying substrate and a thermoelectric power generator which are easier to manufacture.

上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係る熱整流性基板は、複数のPTC領域と複数のNTC領域とを備え、平面視および断面視において、前記複数のPTC領域および前記複数のNTC領域は交互に並べて配置され、前記複数のPTC領域には、樹脂によって形成されたP側基材と、前記P側基材内に配された複数のP側熱伝導粒子とが含まれ、前記複数のNTC領域には、樹脂によって形成されたN側基材と、前記N側基材内に配された複数のN側熱伝導粒子および複数の熱収縮粒子とが含まれ、前記複数のP側熱伝導粒子は、前記P側基材よりも熱伝導率が大きく、前記複数のN側熱伝導粒子は、前記N側基材よりも熱伝導率が大きく、前記複数の熱収縮粒子は、温度の上昇に伴って収縮する。   In order to solve the above problems, a thermal rectifying substrate according to a first aspect of the present invention includes a plurality of PTC regions and a plurality of NTC regions, and in plan view and cross sectional view, the plurality of PTC regions and the above A plurality of NTC regions are arranged alternately, and the plurality of PTC regions include a P-side substrate formed of a resin and a plurality of P-side thermally conductive particles disposed in the P-side substrate. The plurality of NTC regions include an N-side base formed of a resin, a plurality of N-side thermally conductive particles and a plurality of heat-shrinkable particles disposed in the N-side base, The plurality of P-side thermally conductive particles have a thermal conductivity larger than that of the P-side substrate, and the plurality of N-side thermally conductive particles have a thermal conductivity larger than that of the N-side substrate, and the plurality of thermal contractions The particles shrink as the temperature rises.

上記第1の態様によれば、NTC領域に含まれる熱収縮粒子は、温度の上昇に伴って収縮する。このため、熱収縮粒子の周囲のN側熱伝導粒子同士の間隔が小さくなり、NTC領域の熱伝導率が大きくなる。一方、PTC領域では、温度の上昇に伴ってP側基材が膨張し、P側熱伝導粒子同士の間隔が大きくなる。このため、PTC領域の熱伝導率が小さくなる。このようなPTC領域およびNTC領域を、平面視および断面視で交互に配置することで、熱整流性基板の一方の面を加熱した時に、他方の面内で温度差を生じさせることができる。
そして上記態様の熱整流性基板は、樹脂であるP側基材およびN側基材を主体として形成されているため、製造が比較的容易であり、かつ全体として可撓性を持たせることができる。熱整流性基板が可撓性を有している場合には、複雑な形状の熱源にも取り付けることが可能となり、より幅広い用途に熱整流性基板を適用することができる。
According to the first aspect, the heat-shrinkable particles contained in the NTC region shrink as the temperature rises. Therefore, the distance between the N-side heat conductive particles around the heat-shrinkable particles decreases, and the thermal conductivity in the NTC region increases. On the other hand, in the PTC region, the P-side base material expands as the temperature rises, and the distance between the P-side thermally conductive particles increases. For this reason, the thermal conductivity of the PTC region is reduced. By alternately arranging such PTC regions and NTC regions in plan view and cross-sectional view, when one surface of the thermal rectifying substrate is heated, a temperature difference can be generated in the other surface.
And since the heat-rectifying substrate of the said aspect is mainly formed about the P side base material and N side base material which are resin, manufacture is comparatively easy and it can give flexibility as a whole. it can. If the heat rectifying substrate has flexibility, it can be attached to a heat source of complicated shape, and the heat rectifying substrate can be applied to a wider range of applications.

ここで、平面視において、前記複数のPTC領域および前記複数のNTC領域は、第1方向に長い帯状に形成されるとともに、前記第1方向に直交する第2方向において交互に並べて配置されていてもよい。   Here, in a plan view, the plurality of PTC regions and the plurality of NTC regions are formed in a strip shape long in a first direction, and are alternately arranged in a second direction orthogonal to the first direction. It is also good.

この場合、例えばPTC領域となる膜およびNTC領域となる膜を別個に作成し、それぞれの膜に切り込みを入れて互いに組み合わせることで、熱整流性基板を比較的容易に製造することができる。   In this case, for example, a film to be a PTC region and a film to be an NTC region are separately formed, and the respective films are cut and combined with each other, so that the thermally rectifying substrate can be relatively easily manufactured.

また、平面視において、前記複数のPTC領域および前記複数のNTC領域は、第1方向および前記第1方向に直交する第2方向の双方において、交互に並べて配置されていてもよい。   In addition, in a plan view, the plurality of PTC regions and the plurality of NTC regions may be alternately arranged in both the first direction and a second direction orthogonal to the first direction.

この場合、例えばPTC領域となる帯状の膜およびNTC領域となる帯状の膜を別個に作成し、これらの帯状の膜を編むことで、熱整流性基板を比較的容易に製造することができる。   In this case, for example, by separately forming a band-shaped film to be a PTC region and a band-shaped film to be an NTC region and knitting the band-shaped films, the thermally rectifying substrate can be relatively easily manufactured.

また、本発明の第2の態様に係る熱電発電装置は、上記熱整流性基板と、前記熱整流性基板上に設けられた熱電変換モジュールと、を備え、前記熱電変換モジュールは、少なくとも1つのP型熱電素子と、少なくとも1つのN型熱電素子と、複数の電極と、を有し、前記P型熱電素子および前記N型熱電素子は、前記電極によって接続され、かつ前記P型熱電素子および前記N型熱電素子の両端部にはそれぞれ前記電極が設けられ、平面視において、前記P型熱電素子および前記N型熱電素子は、それぞれが前記PTC領域と前記NTC領域との境界を跨ぐように配置されている。   Further, a thermoelectric power generation device according to a second aspect of the present invention includes the above-described thermal rectifying substrate, and a thermoelectric conversion module provided on the thermal rectifying substrate, the thermoelectric conversion module comprising at least one A P-type thermoelectric element, at least one N-type thermoelectric element, and a plurality of electrodes, wherein the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are connected by the electrode, and the P-type thermoelectric element and The electrodes are provided at both ends of the N-type thermoelectric element, and in plan view, the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element cross the boundary between the PTC region and the NTC region. It is arranged.

上記第2の態様によれば、例えば熱整流性基板の下面に熱を加えた場合に、熱整流性基板の上面内に温度差が生じる。具体的には、上面におけるPTC領域の温度が、上面におけるNTC領域の温度よりも高くなる。そして、NTC領域とPTC領域との境界を跨ぐようにP型熱電素子およびN型熱電素子が配置されているため、PTC領域とNTC領域との間の温度差によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。   According to the second aspect, for example, when heat is applied to the lower surface of the heat rectifying substrate, a temperature difference is generated in the upper surface of the heat rectifying substrate. Specifically, the temperature of the PTC region at the top surface is higher than the temperature of the NTC region at the top surface. Then, since the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are disposed across the boundary between the NTC region and the PTC region, thermal energy is converted to electrical energy by the temperature difference between the PTC region and the NTC region. It is possible to

本発明の上記態様によれば、より製造しやすい熱整流性基板および熱電発電装置を提供することができる。   According to the above aspect of the present invention, it is possible to provide a thermal rectifying substrate and a thermoelectric power generator that are easier to manufacture.

第1実施形態に係る熱電発電装置の平面図である。It is a top view of the thermoelectric-generation device concerning a 1st embodiment. 図1のII−II断面矢視図である。It is an II-II cross section arrow line view of FIG. (a)はNTC領域の概略構成を示す断面図である。(b)はPTC領域の概略構成を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows schematic structure of NTC area | region. (B) is sectional drawing which shows schematic structure of a PTC area | region. 図3(a)、(b)の熱伝導粒子の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the heat conductive particle of FIG. 3 (a), (b). 図2のNTC領域(NTC膜)の製造方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of NTC area | region (NTC film | membrane) of FIG. 第1実施形態に係る熱整流性基板の製造方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the heat | fever rectifying substrate which concerns on 1st Embodiment. (a)は図2のPTC領域についての、温度と熱伝導率との関係を示す図である。(b)は図2のNTC領域についての、温度と熱伝導率との関係を示す図である。(A) is a figure which shows the relationship of temperature and heat conductivity about the PTC area | region of FIG. (B) is a figure which shows the relationship of temperature and heat conductivity about the NTC area | region of FIG. (a)はN側表面に熱源を設けた場合の概略図である。(b)はP側表面に熱源を設けた場合の概略図である。(A) is the schematic at the time of providing a heat source in the N side surface. (B) is the schematic at the time of providing a heat source in the P side surface. (a)(b)は、熱流の方向に応じた熱伝導率の違いを説明する図である。(A) and (b) are the figures explaining the difference in the heat conductivity according to the direction of a heat flow. 第2実施形態に係る熱電発電装置の平面図である。It is a top view of the thermoelectric-generation device concerning a 2nd embodiment. 第2実施形態に係る熱整流性基板の製造方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the heat | fever rectifying substrate which concerns on 2nd Embodiment. 実施例に係る熱整流性基板を説明する図である。It is a figure explaining the heat | fever rectifying substrate which concerns on an Example. 実施例に係る熱整流性基板の熱特性を説明するグラフである。It is a graph explaining the thermal characteristic of the heat rectification substrate concerning an example.

(第1実施形態)
以下、第1実施形態の熱整流性基板および熱電発電装置について図面に基づいて説明する。
図1に示すように、熱電発電装置1Aは、熱整流性基板2Aと、熱整流性基板2A上に設けられた熱電変換モジュール3と、を備えている。
First Embodiment
Hereinafter, the thermal rectifying substrate and the thermoelectric power generation device of the first embodiment will be described based on the drawings.
As shown in FIG. 1, the thermoelectric power generation device 1A includes a thermally rectifying substrate 2A and a thermoelectric conversion module 3 provided on the thermally rectifying substrate 2A.

(方向定義)
ここで、本実施形態ではXYZ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。Z方向は、熱整流性基板2Aの厚さ方向である。X方向は、Z方向に直交する方向である。Y方向は、Z方向およびX方向の双方に直交する方向である。
以下、各方向を第1方向X、第2方向Y、上下方向Zと表す。また、上下方向Zのうち、熱整流性基板2A側を下方といい、熱電変換モジュール3側を上方という。また、上下方向Zから見ることを平面視といい、上下方向Zに沿う断面で見ることを断面視という。
(Direction definition)
Here, in the present embodiment, an XYZ orthogonal coordinate system is set, and the positional relationship of each configuration will be described. The Z direction is the thickness direction of the heat rectifying substrate 2A. The X direction is a direction orthogonal to the Z direction. The Y direction is a direction orthogonal to both the Z direction and the X direction.
Hereinafter, each direction is referred to as a first direction X, a second direction Y, and an up-down direction Z. Further, in the vertical direction Z, the side of the heat rectifying substrate 2A is referred to as the lower side, and the side of the thermoelectric conversion module 3 is referred to as the upper side. Also, viewing in the vertical direction Z is referred to as plan view, and viewing in a cross section along the vertical direction Z is referred to as cross-sectional view.

(熱整流性基板)
図2に示すように、熱整流性基板2Aは、上層部2aと下層部2bとを有する2層構造になっている。上層部2aおよび下層部2bは薄膜状に形成されており、上層部2aと下層部2bとは密着して一体化している。熱整流性基板2Aの上面は、上層部2aの上面2a1であり、熱整流性基板2Aの下面は、下層部2bの下面2b1である。
上面2a1は、熱電変換モジュール3とともに、絶縁体4により覆われている。なお、絶縁体4はなくてもよい。図1では絶縁体4の図示を省略している。
(Thermal rectifying substrate)
As shown in FIG. 2, the heat rectifying substrate 2A has a two-layer structure having an upper layer portion 2a and a lower layer portion 2b. The upper layer portion 2a and the lower layer portion 2b are formed in a thin film shape, and the upper layer portion 2a and the lower layer portion 2b are in close contact and integrated. The upper surface of the thermal rectifying substrate 2A is the upper surface 2a1 of the upper layer portion 2a, and the lower surface of the thermal rectifying substrate 2A is the lower surface 2b1 of the lower layer portion 2b.
The upper surface 2 a 1 is covered by the insulator 4 together with the thermoelectric conversion module 3. The insulator 4 may be omitted. Illustration of the insulator 4 is omitted in FIG.

上層部2aおよび下層部2bにはそれぞれ、複数の薄膜状のNTC領域10および複数の薄膜状のPTC領域20が含まれている。上層部2aに含まれるNTC領域10(上側NTC領域)の下方には、下層部2bに含まれるPTC領域20(下側PTC領域)が配置されている。上層部2aに含まれるPTC領域20(上側PTC領域)の下方には、下層部2bに含まれるNTC領域10(下側NTC領域)が配置されている。また、図1に示すように、上下方向Zから見た平面視において、NTC領域10およびPTC領域20は、第2方向Yに交互に並べて配置されている。   The upper layer portion 2a and the lower layer portion 2b respectively include a plurality of thin film NTC regions 10 and a plurality of thin film PTC regions 20. Below the NTC region 10 (upper NTC region) included in the upper layer portion 2a, a PTC region 20 (lower PTC region) included in the lower layer portion 2b is disposed. Below the PTC region 20 (upper PTC region) included in the upper layer portion 2a, an NTC region 10 (lower NTC region) included in the lower layer portion 2b is disposed. Further, as shown in FIG. 1, the NTC regions 10 and the PTC regions 20 are alternately arranged in the second direction Y in a plan view as viewed from the vertical direction Z.

上記構成により、熱整流性基板2Aは、複数のPTC領域20および複数のNTC領域10を備え、平面視および断面視において、複数のPTC領域20および複数のNTC領域10が交互に並べて配置されている。
また本実施形態では、NTC領域10およびPTC領域20は第1方向Xに長い帯状に形成されている。
According to the above configuration, thermal rectifying substrate 2A is provided with a plurality of PTC regions 20 and a plurality of NTC regions 10, and a plurality of PTC regions 20 and a plurality of NTC regions 10 are alternately arranged in plan view and cross sectional view. There is.
Further, in the present embodiment, the NTC region 10 and the PTC region 20 are formed in a strip shape long in the first direction X.

NTC領域10およびPTC領域20はそれぞれ、第1面および第2面を有する膜状に形成されている。NTC領域10はNTC特性を有しており、PTC領域20はPTC特性を有している。ここでPTC特性とは、温度上昇により物性値(本明細書では熱抵抗または電気抵抗)が正の係数を持って変化する特性である。NTC特性とはその逆で、温度上昇により物性値(同上)が負の係数を持って変化する特性である。   NTC region 10 and PTC region 20 are each formed in a film shape having a first surface and a second surface. NTC region 10 has NTC characteristics, and PTC region 20 has PTC characteristics. Here, the PTC characteristic is a characteristic in which a physical property value (herein, thermal resistance or electric resistance) changes with a positive coefficient due to temperature rise. On the contrary to the NTC characteristic, the property value (same as above) changes with a negative coefficient due to temperature rise.

NTC領域10およびPTC領域20は、有機材料および無機材料を複合させたコンポジット膜により構成されている。熱整流性基板2Aは、NTC領域10およびPTC領域20を重ね合わせて形成されているため、薄膜状となっている。本実施形態では、NTC領域10およびPTC領域20の内部に存在する熱伝導経路の状態を、熱流の方向によって変化させることで、熱整流性を実現している。以下、より詳しく説明する。   The NTC region 10 and the PTC region 20 are composed of a composite film in which an organic material and an inorganic material are combined. The heat rectifying substrate 2A is in the form of a thin film because it is formed by overlapping the NTC region 10 and the PTC region 20. In the present embodiment, the thermal rectification is realized by changing the state of the heat conduction path existing inside the NTC region 10 and the PTC region 20 depending on the direction of heat flow. The details will be described below.

(NTC領域)
図3(a)は、図2のNTC領域10の拡大図である。図3(a)に示すように、NTC領域10は、N側基材11と、複数のN側熱伝導粒子12と、複数の熱収縮粒子13と、を有している。N側基材11には、第1材料11a(N側第1材料)と、第2材料11b(N側第2材料)と、が含まれている。N側熱伝導粒子12および熱収縮粒子13は、N側基材11内に混練されている。
(NTC area)
FIG. 3A is an enlarged view of the NTC region 10 of FIG. As shown in FIG. 3A, the NTC region 10 has an N-side substrate 11, a plurality of N-side thermally conductive particles 12, and a plurality of heat-shrinkable particles 13. The N-side substrate 11 contains a first material 11 a (N-side first material) and a second material 11 b (N-side second material). The N-side thermally conductive particles 12 and the heat-shrinkable particles 13 are kneaded in the N-side substrate 11.

NTC領域10の厚さ方向(上下方向Z)に沿う断面において、NTC領域10には、交互に配置された複数の結晶性層および複数の非結晶性層が形成されている。結晶性層は主として第1材料11aにより構成され、非結晶性層は主として第2材料11bにより構成されている。結晶性層および非結晶性層はNTC領域10の厚さ方向に延びている。N側熱伝導粒子12および熱収縮粒子13は、主としてNTC領域10の非結晶層(第2材料11b)内に存在している。N側熱伝導粒子12は、NTC領域10の第1面から第2面にかけて、厚さ方向に一直線の列をなすように配されている。なお、この列は一直線状でなくてもよく、途中で枝分かれしていてもよい。   In the cross section along the thickness direction (vertical direction Z) of the NTC region 10, a plurality of crystalline layers and a plurality of non-crystalline layers arranged alternately are formed in the NTC region 10. The crystalline layer is mainly composed of the first material 11a, and the non-crystalline layer is mainly composed of the second material 11b. The crystalline layer and the non-crystalline layer extend in the thickness direction of the NTC region 10. The N-side thermally conductive particles 12 and the thermally shrinkable particles 13 are mainly present in the non-crystalline layer (second material 11 b) of the NTC region 10. The N-side thermally conductive particles 12 are arranged in a straight line in the thickness direction from the first surface to the second surface of the NTC region 10. In addition, this line does not have to be in a straight line, and may be branched on the way.

(PTC領域)
図3(b)は、断面視したPTC領域20の拡大図である。図3(b)に示すように、PTC領域20には、P側基材21と、P側熱伝導粒子22と、が含まれている。P側基材21には、第1材料21a(P側第1材料)と、第2材料21b(P側第2材料)と、が含まれている。P側熱伝導粒子22は、P側基材21内に混練されている。
(PTC area)
FIG. 3B is an enlarged view of the PTC region 20 viewed in cross section. As shown in FIG. 3 (b), the PTC region 20 includes the P-side base 21 and the P-side heat conductive particles 22. The P-side substrate 21 contains a first material 21 a (P-side first material) and a second material 21 b (P-side second material). The P-side thermally conductive particles 22 are kneaded in the P-side substrate 21.

PTC領域20の厚さ方向に沿う断面において、PTC領域20には、交互に配置された複数の結晶性層および複数の非結晶性層が形成されている。結晶性層は主として第1材料21aにより構成され、非結晶性層は主として第2材料21bにより構成されている。結晶性層および非結晶性層はPTC領域20の厚さ方向に延びている。P側熱伝導粒子22は、主としてPTC領域20の非結晶層(第2材料21b)内に存在している。P側熱伝導粒子22は、PTC領域20の厚さ方向に一直線の列をなすように配されている。なお、この列は一直線状でなくてもよく、途中で枝分かれしていてもよい。   In the cross section along the thickness direction of the PTC region 20, the PTC region 20 is formed with a plurality of crystalline layers and a plurality of non-crystalline layers alternately arranged. The crystalline layer is mainly composed of the first material 21a, and the non-crystalline layer is mainly composed of the second material 21b. The crystalline layer and the non-crystalline layer extend in the thickness direction of the PTC region 20. The P-side thermally conductive particles 22 are mainly present in the non-crystalline layer (second material 21 b) of the PTC region 20. The P-side thermally conductive particles 22 are arranged in a straight line in the thickness direction of the PTC region 20. In addition, this line does not have to be in a straight line, and may be branched on the way.

(熱伝導粒子)
熱伝導粒子12、22は、基材11、21よりも熱伝導率の高い材質により形成されている。熱伝導粒子12、22の構成としては、図4に示すようなものが挙げられる。図4の例では、熱伝導粒子12、22は、導電性の磁性体粒子Mと、磁性体粒子Mを覆う被覆Cとを有する。
(Heat conduction particles)
The heat conductive particles 12, 22 are formed of a material having a thermal conductivity higher than that of the base materials 11, 21. As a structure of the heat conductive particles 12 and 22, a thing as shown in FIG. 4 is mentioned. In the example of FIG. 4, the heat conductive particles 12 and 22 have conductive magnetic particles M and a coating C covering the magnetic particles M.

磁性体粒子Mは、例えばニッケル(Ni),コバルト(Co),鉄(Fe)のうち1または2以上を含む磁性材料から構成されている。磁性材料は金属であることが好ましい。特に、NiまたはNi合金は、導電性および耐食性に優れた磁性材料であるため、磁性体粒子Mの材質として好適である。   The magnetic particles M are made of, for example, a magnetic material containing one or more of nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe). The magnetic material is preferably a metal. In particular, Ni or a Ni alloy is a magnetic material excellent in conductivity and corrosion resistance, and thus is suitable as a material of the magnetic particles M.

図4に示すように、磁性体粒子Mの粒子本体の外表面には、複数の突起が形成されていてもよい。突起は先細り形状、すなわち外表面から離れるほど幅が小さく狭くなる形状(例えば多角錐状、円錐状などの錐状)であることが好ましい。磁性体粒子Mが突起を有する場合、N側熱伝導粒子12同士またはP側熱伝導粒子22同士が互いに接触する際の接触点が多くなる。これにより、NTC領域10またはPTC領域20内の熱伝導経路の熱伝導性および導電性が高められる。なお、鋭利な先細り形状の複数の突起を有する粒子を「スパイク状粒子」という。磁性体粒子Mはスパイク状粒子であることがより好ましい。   As shown in FIG. 4, a plurality of protrusions may be formed on the outer surface of the particle body of the magnetic particles M. The projections are preferably tapered, that is, they have a shape in which the width decreases with distance from the outer surface (for example, a pyramid such as a polygonal pyramid or a cone). When the magnetic particles M have projections, the number of contact points when the N-side thermally conductive particles 12 or P-side thermally conductive particles 22 come into contact with each other increases. This enhances the thermal conductivity and conductivity of the thermal conduction path in the NTC region 10 or PTC region 20. In addition, the particle | grains which have the several processus | protrusion of sharp taper shape are called "spiky particle | grains." The magnetic particles M are more preferably spike-like particles.

磁性体粒子Mは、例えば、1個の球形の粒子本体の表面に、鋭利な複数の突起(通常は10個〜500個)が形成されている。各突起の高さは、粒子本体の粒径に対して概ね1/3〜1/500である。熱伝導粒子12,22は、例えば、カルボニル金属粉(純度99.99%のニッケルカルボニル)を原料として、Ni(CO)→Ni+4COという反応に従って得られる(特開平5−47503号公報を参照)。 The magnetic particles M have, for example, a plurality of sharp projections (usually 10 to 500) formed on the surface of one spherical particle body. The height of each protrusion is approximately 1/3 to 1/500 with respect to the particle size of the particle body. The heat conductive particles 12 and 22 are obtained, for example, by using a carbonyl metal powder (nickel carbonyl having a purity of 99.99%) as a raw material, according to a reaction of Ni (CO) 4 → Ni + 4CO (see JP-A-5-47503). .

磁性体粒子Mの平均粒径は、例えば0.2〜10μm(好ましくは1〜3μm)である。磁性体粒子Mの粒径が0.2μmより小さい場合、熱整流性基板2Aの製造工程において磁場をかけても、熱伝導粒子12,22に作用する磁力が小さいことで熱伝導粒子12,22が移動しにくくなる。また、磁性体粒子Mの粒径が10μmより大きい場合、製造工程において磁場をかけても、例えば液状の基材11、21内での流動抵抗が高くなることで、熱伝導粒子12,22が移動しにくくなる。これに対して、磁性体粒子Mの平均粒径が上記範囲であれば、熱伝導粒子12,22は磁場中で移動しやすくなり、膜の厚さ方向に列をなす配置をとりやすくなる。   The average particle diameter of the magnetic particles M is, for example, 0.2 to 10 μm (preferably 1 to 3 μm). If the particle size of the magnetic particles M is smaller than 0.2 μm, the heat conduction particles 12 and 22 can be obtained because the magnetic force acting on the heat conduction particles 12 and 22 is small even when a magnetic field is applied in the manufacturing process of the heat rectifying substrate 2A. Is difficult to move. In addition, when the particle size of the magnetic particles M is larger than 10 μm, the heat conductive particles 12 and 22 can be formed, for example, by increasing the flow resistance in the liquid substrates 11 and 21 even if a magnetic field is applied in the manufacturing process. It becomes difficult to move. On the other hand, if the average particle diameter of the magnetic particles M is in the above range, the heat conductive particles 12 and 22 easily move in the magnetic field, and it becomes easy to take an arrangement in a row in the film thickness direction.

磁性体粒子Mの平均粒径は、例えばレーザー回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定することができる。平均粒径としては、例えば50%累積粒子径(質量基準または体積基準)、最頻粒子径などを採用できる。平均粒径は、粒子を観察した画像に基づく十分な数(例えば100以上)の粒子についての測定値の平均値を採用してもよい。粒子の画像は、例えば光学顕微鏡、電子顕微鏡などを用いて得られた観察画像である。非球形の粒子の粒径としては、例えば観察画像における最長径と最短径の平均値を採用してもよい。   The average particle diameter of the magnetic particles M can be measured, for example, by a particle size distribution measuring device based on a laser diffraction scattering method. As the average particle size, for example, a 50% cumulative particle size (mass basis or volume basis), a mode particle size or the like can be adopted. The average particle size may be an average of measurement values of a sufficient number (for example, 100 or more) of particles based on an image obtained by observing the particles. The image of the particle is, for example, an observation image obtained using an optical microscope, an electron microscope, or the like. As the particle diameter of non-spherical particles, for example, an average value of the longest diameter and the shortest diameter in the observation image may be adopted.

被覆Cは、磁性体粒子Mの外表面を覆っている。被覆Cは、例えば炭素材によって形成される。炭素材としては、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンブラックなどが挙げられる。特に、導電性および耐久性に優れた材料であるグラフェンが被覆Cの材質として好適である。被覆Cの厚さは、例えば1〜100nm(好ましくは10〜20nm)である。   The coating C covers the outer surface of the magnetic particles M. The coating C is formed of, for example, a carbon material. Examples of the carbon material include graphene, carbon nanotubes, carbon black and the like. In particular, graphene which is a material excellent in conductivity and durability is suitable as the material of the coating C. The thickness of the coating C is, for example, 1 to 100 nm (preferably 10 to 20 nm).

被覆Cは、磁性体粒子Mを保護する機能を有する。例えば熱整流性基板2Aが液剤などに接触した場合に、被覆Cによって液剤から磁性体粒子Mを保護することができる。また、被覆Cには、熱伝導粒子12,22同士の接触面積を大きくし、NTC領域10またはPTC領域20の熱抵抗および電気抵抗を小さくする機能も有する。   The coating C has a function of protecting the magnetic particles M. For example, when the heat-rectifying substrate 2A comes in contact with a liquid or the like, the coating C can protect the magnetic particles M from the liquid. The coating C also has a function of increasing the contact area between the heat conductive particles 12 and 22 and reducing the thermal resistance and the electrical resistance of the NTC region 10 or the PTC region 20.

熱伝導粒子12,22の平均粒径は、例えば0.2〜10μm(好ましくは1〜3μm)である。熱伝導粒子12,22の平均粒径および最大粒径は、NTC領域10またはPTC領域20の厚さより小さい。熱伝導粒子12,22に、NTC領域10またはPTC領域20の厚さ方向に圧縮歪みが加えられていてもよい。
N側熱伝導粒子12およびP側熱伝導粒子22の材質、構造などは同一であってもよいし、異なっていてもよい。
The average particle diameter of the heat conductive particles 12 and 22 is, for example, 0.2 to 10 μm (preferably 1 to 3 μm). The average particle size and the maximum particle size of the heat transfer particles 12, 22 are smaller than the thickness of the NTC region 10 or the PTC region 20. The thermally conductive particles 12 and 22 may be compressively strained in the thickness direction of the NTC region 10 or the PTC region 20.
The materials, structures, and the like of the N-side thermally conductive particles 12 and the P-side thermally conductive particles 22 may be the same or different.

(熱収縮粒子)
熱収縮粒子13は、負の熱膨張係数を有する材質により形成され、温度の上昇に伴って収縮する。熱収縮粒子13の材質としては、セラミックスが挙げられる。より具体的には、熱収縮粒子13として、MnXN(X:Zn、Cu、Ge、Ga、Snなど)により表されるマンガン窒化物を用いることができる。なお、XはZn(亜鉛)、Cu(銅)、Ge(ゲルマニウム)、Ga(ガリウム)、Sn(スズ)などのうちの1つであってもよいし、これらのうち2つ以上であってもよい。例えば、MnZnCuNにより表されるマンガン窒化物を熱収縮粒子13として用いてもよい。
熱収縮粒子13は、N側熱伝導粒子12とともに、N側基材11の第2材料11b内に主として配されている。
なお、図示は省略するが、熱収縮粒子13にも熱伝導粒子12,22と同様の被覆Cを設けてもよい。この場合、被覆Cによって熱収縮粒子13を保護することができる。
(Heat shrinking particles)
The heat-shrinkable particles 13 are formed of a material having a negative coefficient of thermal expansion, and contract as the temperature rises. Examples of the material of the heat-shrinkable particles 13 include ceramics. More specifically, a manganese nitride represented by Mn 3 XN (X: Zn, Cu, Ge, Ga, Sn, etc.) can be used as the heat shrinkable particle 13. X may be one of Zn (zinc), Cu (copper), Ge (germanium), Ga (gallium), Sn (tin) or the like, or two or more of them. It is also good. For example, a manganese nitride represented by Mn 3 Zn x Cu Y N may be used as the heat shrinkable particle 13.
The heat-shrinkable particles 13 are disposed mainly in the second material 11 b of the N-side substrate 11 together with the N-side heat conductive particles 12.
Although not shown, the heat-shrinkable particles 13 may also be provided with the same coating C as the heat-conductive particles 12 and 22. In this case, the heat shrinkable particles 13 can be protected by the coating C.

(第1材料)
第1材料11a、21aは結晶性の樹脂材料である。第1材料11a、21aは、絶縁性材料である。第1材料11a、21aは、第2材料11b、21bに比べて熱膨張係数が高いことが好ましい。第1材料11a、21aは、液状硬化性の材料(例えば熱可塑性の材料)であることが好ましい。
第1材料11a、21aとしては、ポリエチレンを好適に用いることができる。ポリエチレンの脆化温度は−80〜−20℃で、ガラス転移点は−20〜−120℃である。
(1st material)
The first materials 11a and 21a are crystalline resin materials. The first materials 11a and 21a are insulating materials. The first materials 11a and 21a preferably have a thermal expansion coefficient higher than that of the second materials 11b and 21b. The first materials 11a and 21a are preferably liquid curable materials (for example, thermoplastic materials).
Polyethylene can be suitably used as the first materials 11a and 21a. The embrittlement temperature of polyethylene is −80 to −20 ° C., and the glass transition temperature is −20 to −120 ° C.

なお、第1材料11a、21aとして、例えばポリオレフィン樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂等を用いてもよい。第1材料11a、21aは、これらのうち1つを単独で用いてもよいし、2つ以上を混合して用いてもよい。ポリオレフィン樹脂としては、例えば、高密度ポリエチレン(融点120〜140℃)、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン(融点95〜130℃)、エチレンプロピレンジエン共重合体(EPDM)、エチレン・酢酸ビニル共重合体(EVA)等のポリエチレン類;アイソタクチックポリプロピレン、シンジオタクチックポリプロピレン等のポリプロピレン類(融点100〜140℃);ポリブテン等を挙げることができる。ポリアミド系樹脂としては、例えば、ナイロン6、ナイロン8、ナイロン11、ナイロン66、ナイロン610等を挙げることができる。   As the first materials 11a and 21a, for example, a polyolefin resin, a polyamide resin, a polyacetal resin, a polyester resin, a fluorine resin or the like may be used. Among the first materials 11a and 21a, one of them may be used alone, or two or more may be mixed and used. As a polyolefin resin, for example, high density polyethylene (melting point 120 to 140 ° C.), medium density polyethylene, low density polyethylene (melting point 95 to 130 ° C.), ethylene propylene diene copolymer (EPDM), ethylene / vinyl acetate copolymer Polyethylenes such as (EVA); polypropylenes such as isotactic polypropylene and syndiotactic polypropylene (melting point: 100 to 140 ° C.); polybutene and the like. Examples of polyamide resins include nylon 6, nylon 8, nylon 11, nylon 66, nylon 610 and the like.

(第2材料)
第2材料11b、21bは、非結晶性の樹脂材料である。第2材料11b、21bは、絶縁性材料である。
第2材料11b、21bとしては、例えばパラフィン類を好適に用いることができる。なお、第2材料11b、21bとしてポリスチレン樹脂、または非結晶性ポリエチレン等を用いてもよい。第2材料11b、21bは、これらのうち1つを単独で用いてもよいし、2つ以上を混合して用いてもよい。
第2材料11b、21bは、液状硬化性の材料(例えば熱可塑性の材料)であることが好ましい。第2材料11b、21bは、第1材料11a、21aに比べて分子量が低いことが好ましい。
(2nd material)
The second materials 11 b and 21 b are non-crystalline resin materials. The second materials 11 b and 21 b are insulating materials.
For example, paraffins can be suitably used as the second materials 11 b and 21 b. A polystyrene resin, non-crystalline polyethylene or the like may be used as the second material 11 b and 21 b. Among the second materials 11b and 21b, one of them may be used alone, or two or more may be mixed and used.
The second materials 11 b and 21 b are preferably liquid curable materials (for example, thermoplastic materials). The second materials 11 b and 21 b preferably have a lower molecular weight than the first materials 11 a and 21 a.

第2材料11b、21bの融点は、第1材料11a、21aの融点より低い。第2材料11b、21bの融点は、例えば54〜58℃とされる。第2材料11b、21bの融点が54℃以上であると、第2材料11b、21bの過度の流動化を抑えることができる。そのため、第2材料11b、21bがNTC領域10またはPTC領域20の表面付近に流出することによって、熱伝導粒子12、22の列形成が阻害されるのを防ぐことができる。第2材料11b、21bの融点が58℃以下であると、第2材料11b、21bに適度な流動性を与え、第2材料11b、21b(非結晶性相)における熱伝導粒子12,22の列形成を促すことができる。   The melting point of the second material 11b, 21b is lower than the melting point of the first material 11a, 21a. The melting point of the second material 11 b, 21 b is, for example, 54 to 58 ° C. When the melting point of the second material 11 b or 21 b is 54 ° C. or more, excessive fluidization of the second material 11 b or 21 b can be suppressed. Therefore, when the second materials 11 b and 21 b flow out to the vicinity of the surface of the NTC region 10 or the PTC region 20, it is possible to prevent the inhibition of the formation of the thermally conductive particles 12 and 22. The second materials 11b and 21b have appropriate fluidity when the melting point of the second materials 11b and 21b is 58 ° C. or less, and the heat conductive particles 12 and 22 in the second materials 11b and 21b (noncrystalline phase) It can encourage column formation.

(熱電変換モジュール)
図1に示すように、熱電変換モジュール3は、NTC領域10の上に配置された少なくとも1つの電極31(N側電極)と、PTC領域20の上に配置された少なくとも1つの電極32(P側電極)と、少なくとも1つのN型熱電素子34と、少なくとも1つのP型熱電素子33と、を有している。本実施形態では、熱電変換モジュール3は、電極31、32、N型熱電素子34、およびP型熱電素子33をそれぞれ複数有している。
(Thermoelectric conversion module)
As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion module 3 includes at least one electrode 31 (N-side electrode) disposed on the NTC region 10 and at least one electrode 32 (P Side electrode, at least one N-type thermoelectric element 34, and at least one P-type thermoelectric element 33. In the present embodiment, the thermoelectric conversion module 3 includes a plurality of the electrodes 31 and 32, the N-type thermoelectric element 34, and the P-type thermoelectric element 33, respectively.

N型熱電素子34およびP型熱電素子33は、電極31、32によって直列接続されている。N型熱電素子34の一方の端部には電極31が配置され、他方の端部には電極32が配置されている。P型熱電素子33の一方の端部には電極31が配置され、他方の端部には電極32が配置されている。N型熱電素子34およびP型熱電素子33は、平面視においてNTC領域10とPTC領域20との境界を跨ぐように配置されている。   The N-type thermoelectric element 34 and the P-type thermoelectric element 33 are connected in series by the electrodes 31 and 32. An electrode 31 is disposed at one end of the N-type thermoelectric element 34, and an electrode 32 is disposed at the other end. An electrode 31 is disposed at one end of the P-type thermoelectric element 33, and an electrode 32 is disposed at the other end. The N-type thermoelectric element 34 and the P-type thermoelectric element 33 are arranged to cross the boundary between the NTC region 10 and the PTC region 20 in plan view.

熱電変換モジュール3は、電極31と電極32との間の温度差によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている。N型熱電素子34およびP型熱電素子33の材質は、特に限定されないが、例えばビスマス・テルル系材料、鉛・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料などを用いることができる。より効率よく発電するため、電極31と電極32との間の温度差はなるべく大きいことが好ましい。   The thermoelectric conversion module 3 is configured to convert thermal energy into electrical energy by a temperature difference between the electrode 31 and the electrode 32. The material of the N-type thermoelectric element 34 and the P-type thermoelectric element 33 is not particularly limited. For example, a bismuth-tellurium-based material, a lead-tellurium-based material, a silicon-germanium-based material or the like can be used. In order to generate power more efficiently, it is preferable that the temperature difference between the electrodes 31 and 32 be as large as possible.

(製造方法)
次に、上記のような熱整流性基板2Aの製造方法の一例について説明する。
本実施形態では、NTC領域10となるNTC膜F1、およびPTC領域20となるPTC膜F2を別個に作成し、これらを組み合わせることで熱整流性基板2Aを得る(図6参照)。このため、はじめにNTC膜F1およびPTC膜F2の製造方法を説明する。
(Production method)
Next, an example of a method of manufacturing the above-described thermal rectifying substrate 2A will be described.
In the present embodiment, the NTC film F1 to be the NTC region 10 and the PTC film F2 to be the PTC region 20 are separately formed, and by combining these, the thermally rectifying substrate 2A is obtained (see FIG. 6). Therefore, first, a method of manufacturing the NTC film F1 and the PTC film F2 will be described.

まず、磁性体粒子Mの表面に、例えばCVD等の気相蒸着法、アルコール液相法、液相放電法等の液相成長法などにより被覆Cを形成する。これにより、図4に示すような熱伝導粒子12,22が得られる。   First, a coating C is formed on the surface of the magnetic particles M by, for example, a vapor phase deposition method such as CVD, a liquid phase growth method such as an alcohol liquid phase method, a liquid phase discharge method, or the like. Thereby, the heat conduction particles 12 and 22 as shown in FIG. 4 are obtained.

次に、N側基材11と熱伝導粒子12と熱収縮粒子13とを混練して、図5(a)に示すようなN側混練物10Aを得る(N側混練工程)。N側混練工程における混練の方法は、例えば各材料を加熱・混合して、N側基材11が未硬化のままシート状に成形する。なお、N側基材11が第1材料11aおよび第2材料11bを含む場合には、これらの材料11a、11bを熱伝導粒子12および熱収縮粒子13と混練する。N側基材11が3以上の材料により構成される場合も同様である。   Next, the N-side base material 11, the heat conductive particles 12, and the heat-shrinkable particles 13 are kneaded to obtain an N-side kneaded product 10A as shown in FIG. 5A (N-side kneading step). In the method of kneading in the N-side kneading step, for example, the respective materials are heated and mixed, and the N-side substrate 11 is formed into a sheet shape without being cured. When the N-side base material 11 includes the first material 11 a and the second material 11 b, these materials 11 a and 11 b are kneaded with the thermally conductive particles 12 and the thermally contracted particles 13. The same applies to the case where the N-side substrate 11 is made of three or more materials.

また、P側基材21と熱伝導粒子22とを混練してP側混練物を得る(P側混練工程)。P側混練工程における混練の方法は、例えば各材料を混合して、未硬化のままシート状に成形する。なお、P側基材21が第1材料21aおよび第2材料21bを含む場合には、これらの材料21a、21bを熱伝導粒子22と混練する。P側基材21が3以上の材料により構成される場合も同様である。   Further, the P-side substrate 21 and the heat conductive particles 22 are kneaded to obtain a P-side kneaded product (P-side kneading step). In the method of kneading in the P-side kneading step, for example, the respective materials are mixed and molded into a sheet without being cured. When the P-side substrate 21 includes the first material 21 a and the second material 21 b, these materials 21 a and 21 b are kneaded with the heat conduction particles 22. The same applies to the case where the P-side substrate 21 is made of three or more materials.

N側混練工程の時点では、図5(a)に示すように、熱伝導粒子12および熱収縮粒子13はN側基材11内に均一に分散されている。また、N側基材11は、第1材料11aおよび第2材料11bが混ざり合った状態となっている。
P側混練工程の時点では、熱伝導粒子22はP側基材21内に均一に分散されている。図示は省略するが、P側基材21は、図5(a)におけるN側基材11と同様に、第1材料21aおよび第2材料21bが混ざり合った状態となっている。
At the time of the N-side kneading step, as shown in FIG. 5A, the heat conductive particles 12 and the heat-shrinkable particles 13 are uniformly dispersed in the N-side base material 11. Further, the N-side base material 11 is in a state where the first material 11a and the second material 11b are mixed.
At the time of the P-side kneading step, the heat conductive particles 22 are uniformly dispersed in the P-side base material 21. Although illustration is omitted, the P-side base material 21 is in a state where the first material 21a and the second material 21b are mixed, as in the N-side base material 11 in FIG. 5 (a).

次に、N側混練物のシートをその厚さ方向に圧縮して薄膜状にすることで、NTC膜F1が得られる(NTC成膜工程)。
また、P側混練物のシートをその厚さ方向に圧縮して薄膜状にすることで、PTC膜F2が得られる(PTC成膜工程)。
Next, the sheet of the N-side kneaded material is compressed in the thickness direction to form a thin film, whereby the NTC film F1 is obtained (NTC film forming step).
Moreover, the PTC film F2 is obtained by compressing the sheet | seat of P side kneading | mixing material in the thickness direction, and making it thin-film-like (PTC film-forming process).

次に、NTC膜F1およびPTC膜F2を加熱し、N側基材11およびP側基材21を溶融させる。加熱により流動化したN側基材11またはP側基材21中では、熱伝導粒子12,22および熱収縮粒子13が移動可能となる。
ここで、第1材料11a、21aの融点は第2材料11b、21bの融点より高い。このため、溶融したN側基材11およびP側基材21が硬化する過程において、第1材料11a、21aは第2材料11b、21bより先に流動性が低下し、集合して結晶性相を形成する(図5(b)参照)。このとき、第2材料11b、21bでは分子鎖の動きが束縛されず、第2材料11b、21bに熱伝導粒子12,22および熱収縮粒子13が移入しやすい。その一方で、第1材料11a、21aでは分子鎖間に働く引力が強く、第1材料11a、21aには熱伝導粒子12,22および熱収縮粒子13が移入しにくい。このため、熱伝導粒子12、22および熱収縮粒子13は、主として第2材料11b、21b内に安定して存在することになる。
Next, the NTC film F1 and the PTC film F2 are heated to melt the N-side substrate 11 and the P-side substrate 21. In the N-side substrate 11 or the P-side substrate 21 fluidized by heating, the thermally conductive particles 12 and 22 and the thermally shrinkable particles 13 can move.
Here, the melting point of the first materials 11a and 21a is higher than the melting point of the second materials 11b and 21b. Therefore, in the process of curing the melted N-side base material 11 and P-side base material 21, the first materials 11a and 21a have lower fluidity than the second materials 11b and 21b, and are aggregated to form a crystalline phase. (See FIG. 5 (b)). At this time, in the second material 11b, 21b, the movement of the molecular chain is not constrained, and the heat conductive particles 12, 22 and the heat-shrinkable particle 13 are easily transferred to the second material 11b, 21b. On the other hand, in the first materials 11a and 21a, the attractive force acting between molecular chains is strong, and the thermally conductive particles 12 and 22 and the heat-shrinkable particles 13 hardly enter the first materials 11a and 21a. For this reason, the heat conductive particles 12 and 22 and the heat shrinkable particles 13 are stably present mainly in the second material 11 b and 21 b.

次に、NTC膜F1をN側基材11の融点以上に加熱した状態で、NTC膜F1に磁界をかける。また、PTC膜F2をP側基材21の融点以上に加熱した状態で、PTC膜F2に磁界をかける(磁気整列工程)。ここで、N側基材11またはP側基材21が、複数種類の材料によって構成されている場合には、最も融点の高い材料における融点を、「N側基材11およびP側基材21の融点」と定義する。   Next, in a state in which the NTC film F1 is heated to the melting point or more of the N-side substrate 11, a magnetic field is applied to the NTC film F1. Further, in a state where the PTC film F2 is heated to the melting point or more of the P-side substrate 21, a magnetic field is applied to the PTC film F2 (magnetic alignment step). Here, when the N-side substrate 11 or the P-side substrate 21 is made of a plurality of types of materials, the melting point of the material having the highest melting point is referred to as “N-side substrate 11 and P-side substrate 21 Defined as the melting point of

磁界をかける際は、例えば図5(b)に示すように、N側混練物10A(またはP側混練物)のシートの一方の面に磁石のS極側を近づけ、他方の面に磁石のN極側を近づける。熱伝導粒子12、22は磁性を有しているため、磁場によって、少なくとも一部の熱伝導粒子12,22は、シートの厚さ方向に列をなすように配置される。特に、低融点で流動性の高い第2材料11b、21b内に存在する熱伝導粒子12、22は、容易に厚さ方向に整列される。これにより、N側混練物10Aについては図5(c)に示すように、熱伝導粒子12が第2材料11b内において厚さ方向に整列した状態となる。図示は省略するが、P側混練物も同様である。   When a magnetic field is applied, for example, as shown in FIG. 5 (b), the S pole side of the magnet is brought close to one side of the sheet of the N-side kneader 10A (or P-side kneader) Close the N pole side. Since the thermally conductive particles 12 and 22 have magnetism, at least a portion of the thermally conductive particles 12 and 22 are arranged in a row in the thickness direction of the sheet by the magnetic field. In particular, the thermally conductive particles 12, 22 present in the low melting point and highly fluid second material 11b, 21b are easily aligned in the thickness direction. As a result, as shown in FIG. 5C, the heat conductive particles 12 are aligned in the thickness direction in the second material 11 b for the N-side kneaded material 10 A. Although illustration is omitted, the same applies to the P-side kneaded material.

次に、NTC膜F1またはPTC膜F2を徐冷して硬化させる。
なお、NTC膜F1については、徐冷の際に熱収縮粒子13が膨張することで、その周囲の熱伝導粒子12同士の間隔が広がる(図5(d)参照)。
Next, the NTC film F1 or the PTC film F2 is gradually cooled and cured.
In the NTC film F <b> 1, when the heat-shrinkable particles 13 expand at the time of slow cooling, the distance between the heat-conductive particles 12 around them expands (see FIG. 5 (d)).

次に、NTC膜F1およびPTC膜F2の形状を、図6(a)に示すような矩形状(長方形状)に整える。
次に、図6(b)に示すように、NTC膜F1に切り込みを入れて複数のスリットS1を形成する。同様に、PTC膜F2に切り込みを入れて複数のスリットS2を形成する。NTC膜F1のスリットS1同士の間隔と、PTC膜F2のスリットS2同士の間隔とは、略同等であることが好ましい。
Next, the shapes of the NTC film F1 and the PTC film F2 are arranged in a rectangular shape (rectangular shape) as shown in FIG. 6 (a).
Next, as shown in FIG. 6B, the NTC film F1 is cut to form a plurality of slits S1. Similarly, the PTC film F2 is cut to form a plurality of slits S2. The distance between the slits S1 of the NTC film F1 and the distance between the slits S2 of the PTC film F2 are preferably substantially equal.

次に、スリットS1をスリットS2に差し込むようにして、NTC膜F1とPTC膜F2とを組み合わせる。このとき、膜の厚さ方向から見て、NTC膜F1とPTC膜F2とが交互に並ぶようにする。この状態で、NTC膜F1およびPTC膜F2を熱圧着することで、NTC膜F1およびPTC膜F2が一体化する(熱圧着工程)。熱圧着は、N側基材11およびP側基材21の融点より高い温度で行う。例えばN側基材11およびP側基材21の第1材料11a、21aがいずれもポリエチレンである場合には、ポリエチレンの融点以上(例えば220℃、4Mpa)で熱圧着を行う。これにより、PTC膜F2およびNTC膜F1をより確実に一体化させて、PTC領域20とNTC領域10との間での熱伝導を確実に行うことができる。   Next, the NTC film F1 and the PTC film F2 are combined by inserting the slit S1 into the slit S2. At this time, when viewed from the film thickness direction, the NTC film F1 and the PTC film F2 are alternately arranged. In this state, the NTC film F1 and the PTC film F2 are integrated by thermocompression bonding the NTC film F1 and the PTC film F2 (thermocompression bonding process). The thermocompression bonding is performed at a temperature higher than the melting points of the N-side substrate 11 and the P-side substrate 21. For example, when the first materials 11a and 21a of the N-side substrate 11 and the P-side substrate 21 are both polyethylene, thermocompression bonding is performed at the melting point of polyethylene or more (for example, 220 ° C., 4 Mpa). Thereby, PTC film F2 and NTC film F1 can be integrated more reliably, and heat conduction between PTC region 20 and NTC region 10 can be performed reliably.

次に、図6(d)に示すように、一体化されたNTC膜F1およびPTC膜F2の両端部を切り落とすことで、熱整流性基板2Aが得られる。
そして、熱整流性基板2Aの上面2a1に熱電変換モジュール3を設けることで、熱電発電装置1Aを製造することができる。
Next, as shown in FIG. 6D, by cutting off both ends of the integrated NTC film F1 and PTC film F2, the heat rectifying substrate 2A is obtained.
Then, by providing the thermoelectric conversion module 3 on the upper surface 2a1 of the heat rectifying substrate 2A, the thermoelectric power generation device 1A can be manufactured.

なお、上記製造方法における各工程の順序は適宜変更してもよい。例えば、熱圧着工程の後に磁気整列工程を行ってもよい。この場合、熱圧着して熱整流性基板2Aの状態となった後、熱整流性基板2Aの上面2a1および下面2b1のうち一方にS極を近づけ、他方にN極を近づけることで、NTC領域10内およびPTC領域20内の熱伝導粒子12、22を同時に整列させることができる。   In addition, the order of each process in the said manufacturing method may be changed suitably. For example, the magnetic alignment process may be performed after the thermocompression bonding process. In this case, after the thermocompression bonding substrate 2A is obtained by thermocompression bonding, the S pole is brought closer to one of the upper surface 2a1 and the lower surface 2b1 of the heat rectifying substrate 2A, and the N pole is brought closer to the other. The thermally conductive particles 12, 22 in 10 and in the PTC region 20 can be aligned simultaneously.

(作用)
次に、以上のように構成された熱整流性基板2Aおよび熱電発電装置1Aの作用について説明する。
(Action)
Next, the operation of the heat rectifying substrate 2A and the thermoelectric generator 1A configured as described above will be described.

図7(a)は、温度変化に応じたPTC領域20(PTC膜F2)の状態および熱伝導性を示す模式図である。図7(a)中のグラフの横軸は温度を示し、縦軸は熱伝導率を示している。
図7(a)に示すように、温度が低い場合、PTC領域20に含まれる熱伝導粒子22同士が互いに接触し、PTC領域20の厚さ方向に連なって列をなしている。これにより、熱伝導粒子22を伝って熱が伝わりやすい状態となっている。以下、熱伝導粒子22が連なった列をP側熱伝導経路という。
FIG. 7A is a schematic view showing the state and thermal conductivity of the PTC region 20 (PTC film F2) according to the temperature change. The horizontal axis of the graph in FIG. 7A indicates the temperature, and the vertical axis indicates the thermal conductivity.
As shown in FIG. 7A, when the temperature is low, the heat conductive particles 22 included in the PTC region 20 are in contact with each other, and are connected in a row in the thickness direction of the PTC region 20. As a result, the heat is easily transmitted along the heat transfer particles 22. Hereinafter, the row in which the heat transfer particles 22 are connected is referred to as a P-side heat transfer path.

また図7(a)に示すように、温度が高くなると、PTC領域20の全体が熱膨張する。これにより、PTC領域20に含まれる熱伝導粒子22が互いに離間し、P側熱伝導経路が崩れる。したがって、温度が高くなるとPTC領域20の熱伝導率は小さくなる。
このように、PTC領域20の熱伝導率は、低温の場合に大きくなり、高温の場合に小さくなる。換言すると、PTC領域20の熱抵抗は、低温の場合に小さくなり、高温の場合に大きくなる。
Further, as shown in FIG. 7A, when the temperature rises, the entire PTC region 20 thermally expands. Thereby, the heat conductive particles 22 included in the PTC region 20 are separated from each other, and the P-side heat conduction path is broken. Therefore, as the temperature rises, the thermal conductivity of the PTC region 20 decreases.
Thus, the thermal conductivity of the PTC region 20 increases at low temperatures and decreases at high temperatures. In other words, the thermal resistance of the PTC region 20 decreases at low temperatures and increases at high temperatures.

図7(b)は、温度変化に応じたNTC領域10の状態および熱伝導性を示す模式図である。図7(b)中のグラフの横軸は温度を示し、縦軸は熱伝導率を示している。
図7(b)に示すように、温度が高い場合、NTC領域10に含まれる熱伝導粒子12同士が互いに接触し、NTC領域10の厚さ方向に連なって列をなしている。これにより、熱伝導粒子12を伝って熱が伝わりやすい状態となっている。以下、熱伝導粒子12が連なった列をN側熱伝導経路という。
FIG. 7 (b) is a schematic view showing the state and thermal conductivity of the NTC region 10 according to the temperature change. The horizontal axis of the graph in FIG. 7 (b) indicates the temperature, and the vertical axis indicates the thermal conductivity.
As shown in FIG. 7B, when the temperature is high, the thermally conductive particles 12 included in the NTC region 10 are in contact with each other, and are connected in a row in the thickness direction of the NTC region 10. As a result, heat is easily transmitted along the heat conduction particles 12. Hereinafter, the row in which the heat transfer particles 12 are connected is referred to as an N-side heat transfer path.

また図7(b)に示すように、温度が低くなると、熱収縮粒子13が膨張する。これにより、熱収縮粒子13の周囲に存在する熱伝導粒子12同士が互いに離間し、N側熱伝導経路が崩れる。したがって、温度が低くなるとNTC領域10の熱伝導率は小さくなる。
このように、NTC領域10の熱伝導率は、高温の場合に大きくなり、低温の場合に小さくなる。換言すると、NTC領域10の熱抵抗は、高温の場合に小さくなり、低温の場合に大きくなる。
As shown in FIG. 7 (b), the heat shrinkable particles 13 expand as the temperature decreases. Thereby, the heat conduction particles 12 present around the heat-shrinkable particles 13 are separated from each other, and the N-side heat conduction path is broken. Therefore, the thermal conductivity of the NTC region 10 decreases as the temperature decreases.
Thus, the thermal conductivity of the NTC region 10 increases at high temperatures and decreases at low temperatures. In other words, the thermal resistance of the NTC region 10 decreases at high temperatures and increases at low temperatures.

図7(a)に示すように、理想的にはある温度(境界温度T)を境として、PTC領域20内で熱伝導粒子22が連なった状態と離れた状態とが変化する。したがって、境界温度Tより低温の場合は熱伝導率が大きくなり(KHigh)、境界温度Tより高温の場合には熱伝導率が小さくなる(KLow)。
図7(b)に示すように、理想的には境界温度Tを境として、NTC領域10内で熱伝導粒子12が離れた状態と連なった状態とが変化する。したがって、境界温度Tより低温の場合は熱伝導率が小さくなり(KLow)、境界温度Tより高温の場合は熱伝導率が大きくなる(KHigh)。
As shown in FIG. 7A, ideally, the state in which the heat conductive particles 22 are continuous and the state in which they are separated change in the PTC region 20 with a certain temperature (boundary temperature T) as a boundary. Therefore, when the temperature is lower than the boundary temperature T, the thermal conductivity increases (K High ), and when the temperature is higher than the boundary temperature T, the thermal conductivity decreases (K Low ).
As shown in FIG. 7B, ideally, the thermally conductive particles 12 are separated from each other in the NTC region 10 with the boundary temperature T as a boundary. Therefore, the thermal conductivity decreases (K Low ) when the temperature is lower than the boundary temperature T, and the thermal conductivity increases when the temperature is higher than the boundary temperature T (K High ).

なお、図7(a)、(b)では熱伝導率が段階的に変化しているが、実際には熱伝導粒子12、22の列のうち、連なっている部分の割合と離れている部分の割合とが温度に応じて徐々に変化する。したがって、PTC領域20は温度の上昇に伴って次第に熱伝導率が下がっていき、NTC領域10は温度の上昇に伴って次第に熱伝導率が上がっていく。   In FIGS. 7 (a) and 7 (b), although the thermal conductivity changes stepwise, in actuality, a portion of the row of heat conductive particles 12 and 22 that is separated from the ratio of the continuous portion The rate of change gradually with the temperature. Therefore, the thermal conductivity of the PTC region 20 gradually decreases as the temperature rises, and the thermal conductivity of the NTC region 10 gradually increases as the temperature rises.

上記の通り、PTC領域20およびNTC領域10は逆の熱的特性を有している。このようなPTC領域20およびNTC領域10を重ねることで、熱整流性基板2Aの熱整流性を実現することができる。以下、図8(a)、(b)を用いてより詳しく説明する。   As mentioned above, PTC region 20 and NTC region 10 have opposite thermal properties. By superimposing such PTC region 20 and NTC region 10, it is possible to realize the thermal rectifying property of the thermal rectifying substrate 2A. Hereinafter, this will be described in more detail with reference to FIGS. 8 (a) and 8 (b).

図8(a)は、熱整流性基板2AにおけるNTC領域10側の表面(N側表面P1)に熱源Hを接触させた場合の模式図である。図8(b)は、熱整流性基板2AにおけるPTC領域20側の表面(P側表面P2)に熱源Hを接触させた場合の模式図である。図8(a)、(b)中に記載の矢印は熱流の方向を示している。つまり、図8(a)ではN側表面P1からP側表面P2に向けて熱が移動し、図8(b)ではP側表面P2からN側表面P1に向けて熱が移動する。このように熱流の方向が逆であるため、熱整流性基板2A内の温度勾配も、図8(a)と図8(b)とで逆になる。   FIG. 8A is a schematic view in the case where the heat source H is in contact with the surface (N-side surface P1) on the NTC region 10 side of the thermal rectifying substrate 2A. FIG. 8B is a schematic view in the case where the heat source H is in contact with the surface (P-side surface P2) on the PTC region 20 side of the heat rectifying substrate 2A. The arrows shown in FIGS. 8A and 8B indicate the direction of heat flow. That is, heat moves from the N-side surface P1 to the P-side surface P2 in FIG. 8 (a), and moves from the P-side surface P2 to the N-side surface P1 in FIG. 8 (b). As described above, since the direction of the heat flow is reversed, the temperature gradient in the heat rectifying substrate 2A is also reversed in FIGS. 8 (a) and 8 (b).

図9(a)は図8(a)に対応する熱整流性基板2Aの熱伝導率を示し、図9(b)は図9(b)に対応する熱整流性基板2Aの熱伝導率を示している。
図9(a)に示すように、N側表面P1に熱源Hを接触させた場合、熱整流性基板2A内の温度分布は、N側表面P1からP側表面P2に向かうに従って温度が小さくなるような勾配となる。図9(a)ではこの温度分布を模式的に表しており、N側表面P1の温度をTHighと表し、P側表面P2の温度をTLowと表している。
9 (a) shows the thermal conductivity of the thermal rectifying substrate 2A corresponding to FIG. 8 (a), and FIG. 9 (b) shows the thermal conductivity of the thermal rectifying substrate 2A corresponding to FIG. 9 (b) It shows.
As shown in FIG. 9A, when the heat source H is brought into contact with the N-side surface P1, the temperature distribution in the heat rectifying substrate 2A decreases in temperature from the N-side surface P1 toward the P-side surface P2. It becomes such a gradient. Figure 9 (a) At represents the temperature distribution schematically represents the temperature of the N-side surface P1 and T High, represents the temperature of the P-side surface P2 and T Low.

ここで、例えば図7(a)、(b)に示すような理想的な熱特性を有するPTC領域20およびNTC領域10を用いた熱整流性基板2Aにおいて、PTC領域20とNTC領域10との境界面の温度が境界温度Tとなった場合を考える。このとき、NTC領域10の温度が境界温度Tより高く、PTC領域20の温度が境界温度Tより低くなる。したがって、NTC領域10およびPTC領域20の双方とも、熱伝導率が大きい(KHigh)状態になる。 Here, for example, in the thermal rectifying substrate 2A using the PTC region 20 and the NTC region 10 having ideal thermal characteristics as shown in FIGS. 7A and 7B, the PTC region 20 and the NTC region 10 are different. Consider the case where the temperature of the boundary surface becomes the boundary temperature T. At this time, the temperature of the NTC region 10 is higher than the boundary temperature T, and the temperature of the PTC region 20 is lower than the boundary temperature T. Therefore, both the NTC region 10 and the PTC region 20 are in the state of high thermal conductivity (K High ).

一方、図9(b)に示すように、P側表面P2に熱源Hを接触させた場合、熱整流性基板2A内の温度分布は、P側表面P2からN側表面P1に向かうに従って温度が小さくなるような勾配となる。図9(b)ではこの温度分布を模式的に表しており、P側表面P2の温度をTHighと表し、N側表面P1の温度をTLowと表している。
この場合も、図9(a)の場合と同様に考えると、NTC領域10およびPTC領域20の双方とも、熱伝導率が小さい(KLow)状態になる。
On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the heat source H is brought into contact with the P-side surface P2, the temperature distribution in the heat rectifying substrate 2A is such that the temperature increases from the P-side surface P2 toward the N-side surface P1. It becomes a gradient that becomes smaller. Figure 9 (b) in represents the temperature distribution schematically represents the temperature of the P-side surface P2 and T High, represents the temperature of the N-side surface P1 and T Low.
Also in this case, in the same manner as the case of FIG. 9A, both the NTC region 10 and the PTC region 20 are in the state of low thermal conductivity (K Low ).

このように、熱整流性基板2Aでは、NTC領域10からPTC領域20に向けた熱伝導率は比較的大きく、PTC領域20からNTC領域10に向けた熱伝導率は比較的小さくなる。そして、熱整流性基板2Aは、平面視および断面視の双方において、NTC領域10およびPTC領域20が交互に配置されている。この構成により、熱整流性基板2Aの下面2b1に熱を加えた場合、上面2a1の面内に温度差が生じる。具体的には、上面2a1内におけるNTC領域10が、上面2a1内におけるPTC領域20よりも低温となる。   Thus, in the thermal rectifying substrate 2A, the thermal conductivity from the NTC region 10 to the PTC region 20 is relatively large, and the thermal conductivity from the PTC region 20 to the NTC region 10 is relatively small. The thermal rectifying substrate 2A has the NTC regions 10 and the PTC regions 20 alternately arranged in both a plan view and a cross-sectional view. With this configuration, when heat is applied to the lower surface 2b1 of the heat rectifying substrate 2A, a temperature difference occurs in the surface of the upper surface 2a1. Specifically, the NTC region 10 in the upper surface 2a1 is lower in temperature than the PTC region 20 in the upper surface 2a1.

以上説明したように、本実施形態の熱整流性基板2Aによれば、NTC領域10に含まれる熱収縮粒子13は、温度の上昇に伴って収縮する。このため、熱収縮粒子13の周囲のN側熱伝導粒子12同士の間隔が小さくなり、NTC領域10の熱伝導率が大きくなる。一方、PTC領域20では、温度の上昇に伴ってP側基材21が膨張し、P側熱伝導粒子22同士の間隔が大きくなる。このため、PTC領域20の熱伝導率が小さくなる。このようなPTC領域20およびNTC領域10を、平面視および断面視で交互に配置することで、熱整流性基板2Aの一方の面を加熱した時に、他方の面内で温度差を生じさせることができる。   As described above, according to the heat rectifying substrate 2A of the present embodiment, the heat-shrinkable particles 13 contained in the NTC region 10 shrink as the temperature rises. Therefore, the distance between the N-side heat conductive particles 12 around the heat-shrinkable particles 13 becomes smaller, and the thermal conductivity of the NTC region 10 becomes larger. On the other hand, in the PTC region 20, the P-side base material 21 expands as the temperature rises, and the distance between the P-side thermally conductive particles 22 increases. Therefore, the thermal conductivity of the PTC region 20 is reduced. By alternately arranging such PTC regions 20 and NTC regions 10 in plan view and cross sectional view, when one surface of the heat rectifying substrate 2A is heated, a temperature difference is generated in the other surface. Can.

そして熱整流性基板2Aは、樹脂であるP側基材21およびN側基材11を主体として形成されているため、製造が比較的容易であり、かつ全体として可撓性を持たせることができる。熱整流性基板2Aが可撓性を有することで、複雑な形状の熱源にも取り付けることが可能となり、より幅広い用途に熱整流性基板2Aを適用することができる。
また、原料としてレアメタルなどを用いる必要が無いため、比較的低コストで熱整流性基板2Aを製造することができる。
Since the heat rectifying substrate 2A is mainly formed of the P-side base material 21 and the N-side base material 11 which are resins, it is relatively easy to manufacture and to have flexibility as a whole. it can. The flexibility of the heat rectifying substrate 2A makes it possible to attach it to a heat source of a complicated shape, and the heat rectifying substrate 2A can be applied to a wider range of applications.
Further, since it is not necessary to use a rare metal or the like as a raw material, the heat rectifying substrate 2A can be manufactured at relatively low cost.

また、平面視において、複数のPTC領域20および複数のNTC領域10は、第1方向Xに長い帯状に形成されるとともに、第2方向Yにおいて交互に並べて配置されている。
この構成により、例えば図6(a)〜(d)に示すように、PTC領域20となるPTC膜F2およびNTC領域10となるNTC膜F1を別個に作成し、各膜に切り込みを入れて互いに組み合わせることで、熱整流性基板2Aを比較的容易に製造することができる。
Further, in plan view, the plurality of PTC regions 20 and the plurality of NTC regions 10 are formed in a strip shape long in the first direction X, and arranged alternately in the second direction Y.
With this configuration, for example, as shown in FIGS. 6A to 6D, the PTC film F2 to be the PTC region 20 and the NTC film F1 to be the NTC region 10 are separately formed, and each film is cut to cut each other. By combining them, the thermal rectifying substrate 2A can be manufactured relatively easily.

また、PTC膜F2およびNTC膜F1を組み合わせることで熱整流性基板2Aが構成されている。このため、薄膜状で大きな表面積を持つ熱整流性基板2Aを実現することが可能となり、より幅広い用途に熱整流性基板2Aを応用することが可能となる。   Further, the heat rectifying substrate 2A is configured by combining the PTC film F2 and the NTC film F1. For this reason, it becomes possible to realize the thin-film thermal rectifying substrate 2A having a large surface area, and it becomes possible to apply the thermal rectifying substrate 2A to wider applications.

また、熱伝導粒子12、22が磁性を有しているため、熱整流性基板2Aを製造する際に磁界をかけることで、これらの熱伝導粒子12、22を熱整流性基板2Aの厚さ方向に配列させることができる。そして、熱伝導粒子12,22が熱整流性基板2Aの厚さ方向に配列されることで、PTC領域20の厚さ方向におけるPTC特性、およびNTC領域10の厚さ方向におけるNTC特性が安定する。したがって、熱整流性基板2Aの熱特性が安定する。   Further, since the heat conductive particles 12 and 22 have magnetism, by applying a magnetic field when manufacturing the heat rectifying substrate 2A, the thickness of the heat conductive particles 12 and 22 is set to the heat rectifying substrate 2A. It can be arranged in the direction. Then, the thermal conduction particles 12, 22 are arranged in the thickness direction of the thermal rectifying substrate 2A, whereby the PTC characteristics in the thickness direction of the PTC region 20 and the NTC characteristics in the thickness direction of the NTC region 10 are stabilized. . Therefore, the thermal characteristics of the heat rectifying substrate 2A are stabilized.

また、N側基材11が、第1材料11aと、第1材料11aよりも融点が低い第2材料11bとを含んでいる。そして、第1材料11aは結晶性の樹脂材料であり、第2材料11bは非結晶性の樹脂材料である。このため、結晶性の樹脂材料である第1材料11aによってNTC領域10の機械的強度を確保することができる。そして、NTC領域10を加熱して磁界をかけた際に、結晶性の樹脂材料である第1材料11aには粒子12、13が入り込みにくい一方で、非結晶性の樹脂材料である第2材料11bには粒子12、13が入り込みやすい。したがって、第2材料11b中に安定して熱伝導粒子12を膜厚方向に配列させることができる。この作用効果は、PTC領域20についても同様に得られる。   In addition, the N-side base material 11 includes a first material 11 a and a second material 11 b having a melting point lower than that of the first material 11 a. The first material 11a is a crystalline resin material, and the second material 11b is a noncrystalline resin material. Therefore, the mechanical strength of the NTC region 10 can be secured by the first material 11a which is a crystalline resin material. Then, when the NTC region 10 is heated and a magnetic field is applied, the particles 12 and 13 hardly enter the first material 11a which is a crystalline resin material, while the second material is a noncrystalline resin material. Particles 12 and 13 easily enter into 11b. Therefore, the thermally conductive particles 12 can be stably arranged in the film thickness direction in the second material 11 b. This effect is similarly obtained for the PTC region 20.

また、本実施形態の熱電発電装置1Aは、熱整流性基板2Aと、熱電変換モジュール3と、を備えている。そして熱電変換モジュール3は、平面視において、NTC領域10とPTC領域20との境界を跨ぐように配置されたP型熱電素子33およびN型熱電素子34を有している。この構成により、熱電発電装置1Aは、PTC領域20とNTC領域10との間の温度差によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。   Further, the thermoelectric power generation device 1A of the present embodiment includes the thermal rectifying substrate 2A and the thermoelectric conversion module 3. The thermoelectric conversion module 3 has a P-type thermoelectric element 33 and an N-type thermoelectric element 34 disposed so as to cross the boundary between the NTC region 10 and the PTC region 20 in plan view. With this configuration, the thermoelectric power generation device 1A can convert thermal energy into electrical energy by the temperature difference between the PTC region 20 and the NTC region 10.

(第2実施形態)
次に、本発明に係る第2実施形態について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態では、熱整流性基板の構成が第1実施形態と異なっている。
Second Embodiment
Next, a second embodiment according to the present invention will be described, but the basic configuration is the same as the first embodiment. For this reason, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure, the description is abbreviate | omitted, and only a different point is demonstrated.
In the present embodiment, the configuration of the heat rectifying substrate is different from that of the first embodiment.

図10は、本実施形態の熱電発電装置1Bの平面図である。図10に示すように熱電発電装置1Bは、熱整流性基板2Bと、熱電変換モジュール3とを備えている。
熱整流性基板2Bは、複数のNTC領域10および複数のPTC領域20を有している。本実施形態では、図10に示す平面視において、NTC領域10およびPTC領域20が第1方向Xおよび第2方向Yの双方で交互に並べて配置されている。
図示は省略するが、本実施形態の熱整流性基板2Bの断面形状は、図2に示す第1実施形態の断面形状と同様である。つまり、熱整流性基板2Bは、断面視においてNTC領域10およびPTC領域20が交互に並べて配置されている。また、熱整流性基板2Bは上層部と下層部とを有し、上層部に含まれるNTC領域10の下方にはPTC領域20が配置され、上層部に含まれるPTC領域20の下方にはNTC領域10が配置されている。
FIG. 10 is a plan view of the thermoelectric power generation system 1B of the present embodiment. As shown in FIG. 10, the thermoelectric power generation device 1B includes a thermal rectifying substrate 2B and a thermoelectric conversion module 3.
The thermal rectifying substrate 2B has a plurality of NTC regions 10 and a plurality of PTC regions 20. In the present embodiment, the NTC regions 10 and the PTC regions 20 are alternately arranged in both the first direction X and the second direction Y in plan view shown in FIG.
Although illustration is omitted, the cross-sectional shape of the heat rectifying substrate 2B of the present embodiment is the same as the cross-sectional shape of the first embodiment shown in FIG. That is, in the cross-sectional view, the thermal rectifying substrate 2B has the NTC regions 10 and the PTC regions 20 alternately arranged. The heat rectifying substrate 2B has an upper layer portion and a lower layer portion, the PTC region 20 is disposed below the NTC region 10 included in the upper layer portion, and the NTC region 20 is included below the upper layer portion. Region 10 is arranged.

図11(a)〜(c)は、本実施形態における熱整流性基板2Bの製造方法の一例を示す図である。なお、NTC膜F1およびPTC膜F2を得るまでの工程は第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態では、図11(a)、(b)に示すように、複数の帯状のNTC膜F1およびPTC膜F2を用意する。各膜F1、F2は、当初から帯状に形成されていてもよい。あるいは、矩形状に形成された膜F1,F2を、帯状に裁断加工してもよい。
11 (a) to 11 (c) are diagrams showing an example of a method of manufacturing the heat rectifying substrate 2B in the present embodiment. The steps for obtaining the NTC film F1 and the PTC film F2 are the same as in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
In the present embodiment, as shown in FIGS. 11A and 11B, a plurality of strip-like NTC films F1 and PTC films F2 are prepared. Each film F1 and F2 may be formed in a band shape from the beginning. Alternatively, the films F1 and F2 formed in a rectangular shape may be cut into strips.

次に、図11(c)に示すように、複数の帯状の膜F1、F2を編む。この状態で膜F1、F2を熱圧着して一体化させることで、熱整流性基板2Bが得られる。なお、第1実施形態と同様に、各工程の順序を入れ替えてもよい。
そして、熱整流性基板2B上に熱電変換モジュール3を設けることで、熱電発電装置1Bを製造することができる。
本実施形態の場合も、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 11 (c), a plurality of band-like films F1 and F2 are knitted. By thermally compressing and integrating the films F1 and F2 in this state, the heat rectifying substrate 2B is obtained. As in the first embodiment, the order of the steps may be interchanged.
Then, by providing the thermoelectric conversion module 3 on the heat rectifying substrate 2B, the thermoelectric power generation device 1B can be manufactured.
Also in the case of the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

以下、具体的な実施例を用いて、上記実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。   Hereinafter, the above embodiment will be described using specific examples. The present invention is not limited to the following examples.

本実施例では、NTC領域10およびPTC領域20を図12に示すように断面視で交互に配置し、一方の面にヒーターHを設けた場合の、ヒーターHと反対側の面内の温度差を確認した。
第1材料11a、21aとして結晶性ポリエチレン(アズワン社製、結晶性HDPEシート:型番6−619−01、JIS K 6760に基づくビカット軟化温度:124℃)を用いた。第2材料11b、21bとして非結晶性ポリエチレン(住友化学社製、エクセレン(登録商標)、型番:VL−100、JIS K 6760に基づくビカット軟化温度:70℃)を用いた。熱伝導粒子12、22として、スパイク状のNi粒子の粉末(ニューメタルス・エンド・ケミカルス・コーポレーション社製、粒径1〜2μm)を用いた。熱収縮粒子13として、組成Mn−Sn−Zn−Nのマンガン窒化物(株式会社高純度化学研究所製、Smartec(登録商標)シリーズ、Smartec−H)の粉末を、乳鉢で粉砕後にふるいを用いて粒径20μm以下に分粒した。
In this embodiment, when the NTC regions 10 and the PTC regions 20 are alternately arranged in a cross sectional view as shown in FIG. 12 and the heater H is provided on one surface, the temperature difference in the surface opposite to the heater H It was confirmed.
As the first materials 11a and 21a, crystalline polyethylene (crystalline HDPE sheet manufactured by AS ONE Corporation: model number 6-619-01, Vicat softening temperature based on JIS K 6760: 124 ° C.) was used. Non-crystalline polyethylene (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., EXCELLE (registered trademark), model number: VL-100, Vicat softening temperature based on JIS K 6760: 70 ° C.) was used as the second materials 11 b and 21 b. A powder of spiked Ni particles (manufactured by New Metals End Chemicals Corporation, particle size 1 to 2 μm) was used as the heat conductive particles 12 and 22. A powder of manganese nitride of composition Mn-Sn-Zn-N (Smartec (registered trademark) series, Smartec-H, manufactured by High Purity Chemical Laboratory, Inc.) as heat-shrinkable particles 13 is crushed with a mortar and then sieved. The particle size is then reduced to 20 μm or less.

N側基材11およびP側基材21ともに、上記結晶性ポリエチレン(第1材料11a、21a)と上記非結晶性ポリエチレン(第2材料11b、21b)を同体積混練した。N側基材11をN側熱伝導粒子12および熱収縮粒子13の粉体とともに溶融混練し、P側基材21をP側熱伝導粒子22の粉体とともに溶融混練した。NTC膜F1は、N側熱伝導粒子12(Ni)の体積密度を5Vol.%とし、熱収縮粒子13の体積密度を5Vol.%とした。PTC膜F2は、P側熱伝導粒子22(Ni)の体積密度を5Vol.%とした。   The crystalline polyethylene (the first materials 11a and 21a) and the non-crystalline polyethylene (the second materials 11b and 21b) were kneaded in the same volume for both the N-side substrate 11 and the P-side substrate 21. The N-side substrate 11 was melt-kneaded with the powder of the N-side thermally conductive particles 12 and the heat-shrinkable particles 13, and the P-side substrate 21 was melt-kneaded with the powder of the P-side thermally conductive particles 22. The NTC film F1 has a volume density of the N-side thermally conductive particles 12 (Ni) of 5 vol. %, And the volume density of the heat shrinkable particles 13 is 5 vol. %. The PTC film F2 has a volume density of the P-side thermally conductive particles 22 (Ni) of 5 Vol. %.

それぞれを溶融混練後にホットプレスを用いて薄膜化し、NTC膜F1およびPTC膜F2を得た。ホットプレスの際にスペーサーを用いることで、NTC膜F1およびPTC膜F2の厚さはそれぞれ150μmとした。NTC膜F1およびPTC膜F2を組み合わせて、第1材料11a、21a(結晶性ポリエチレン)の溶融温度より高い温度(220℃)で熱圧着した後、第1材料11a、21a(結晶性ポリエチレン)の溶融温度より高い温度(220℃)で加熱しながら、膜内に一様に0.2Tの磁力(吸着力14.7N)を印加して磁気整列を行った。徐冷は、NTC膜F1およびPTC膜F2が室温となるまで、自然空冷により行った。これにより、厚さ約300μmの薄膜状の熱整流性基板(図12)を得た。   Each was melt-kneaded and then thinned using a hot press to obtain an NTC film F1 and a PTC film F2. The thickness of each of the NTC film F1 and the PTC film F2 was set to 150 μm by using a spacer during hot pressing. The thermocompression bonding of the NTC film F1 and the PTC film F2 at a temperature (220 ° C.) higher than the melting temperature of the first material 11a, 21a (crystalline polyethylene), and then the first material 11a, 21a (crystalline polyethylene) Magnetic alignment was performed by applying a magnetic force of 0.2 T uniformly (at an adsorption force of 14.7 N) uniformly in the film while heating at a temperature (220 ° C.) higher than the melting temperature. Slow cooling was performed by natural air cooling until the temperature of the NTC film F1 and the PTC film F2 reached room temperature. Thus, a thin-film thermal rectifying substrate (FIG. 12) having a thickness of about 300 μm was obtained.

図12に示すように、熱整流性基板の一方の面にヒーターHを設けた。以下、ヒーターHと反対側の面における、PTC領域20の表面をP側表面P3といい、NTC領域10の表面をN側表面P4という。
P側表面P3およびN側表面P4にそれぞれ熱電対を設けて温度を測定しながら、ヒーターHの温度を変化させた結果を図13に示す。
As shown in FIG. 12, a heater H was provided on one side of the heat rectifying substrate. Hereinafter, the surface of the PTC region 20 in the surface opposite to the heater H is referred to as a P-side surface P3 and the surface of the NTC region 10 is referred to as an N-side surface P4.
The results of changing the temperature of the heater H while measuring the temperature by providing thermocouples on the P-side surface P3 and the N-side surface P4 respectively are shown in FIG.

図13における「NTC→PTC(P3)」のデータは、P側表面P3の温度測定結果を示している。また、「PTC→NTC(P4)」のデータは、N側表面P4の温度測定結果を示している。
図13に示すように、P側表面P3は、N側表面P4よりも温度が高くなっている。これは、NTC領域10からPTC領域20に向けて熱が移動する際の熱抵抗が、PTC領域20からNTC領域10に向けて熱が移動する際の熱抵抗よりも小さいためである。
このように、本実施例の熱整流性基板によれば、ヒーターHと反対側の面内で温度差を生じさせることができた。
The data of “NTC → PTC (P3)” in FIG. 13 indicates the temperature measurement result of the P-side surface P3. Moreover, the data of "PTC-> NTC (P4)" have shown the temperature measurement result of the N side surface P4.
As shown in FIG. 13, the temperature of the P-side surface P3 is higher than that of the N-side surface P4. This is because the thermal resistance when heat is transferred from the NTC region 10 toward the PTC region 20 is smaller than the thermal resistance when heat is transferred from the PTC region 20 toward the NTC region 10.
As described above, according to the heat rectifying substrate of the present embodiment, a temperature difference can be generated in the surface opposite to the heater H.

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。   The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば前記第1、第2実施形態では、N側基材11およびP側基材21がそれぞれ2種類の材料によって形成されていたが、基材11、21の構成は適宜変更可能である。例えば1種類の樹脂材料によってN側基材11およびP側基材21を構成してもよい。この場合でも、N側基材11およびP側基材21を加熱して流動可能な状態で磁界をかけることで、熱伝導粒子12、22を膜厚方向に整列させることができる。   For example, in the first and second embodiments, the N-side substrate 11 and the P-side substrate 21 are respectively formed of two types of materials, but the configuration of the substrates 11 and 21 can be changed as appropriate. For example, the N-side substrate 11 and the P-side substrate 21 may be configured by one type of resin material. Even in this case, the heat conductive particles 12 and 22 can be aligned in the film thickness direction by heating the N-side substrate 11 and the P-side substrate 21 and applying a magnetic field in a flowable state.

また、前記第1、第2実施形態では熱伝導粒子12、22を膜厚方向に整列させたが、このような整列を行わなくても、熱による膨張・収縮によって熱伝導粒子12、22同士の間隔を変化させることで、NTC特性またはPTC特性をある程度実現することが可能である。したがって、前記実施形態の磁気整列工程は必須ではない。   Further, in the first and second embodiments, the thermally conductive particles 12 and 22 are aligned in the film thickness direction, but even if such alignment is not performed, the thermally conductive particles 12 and 22 are mutually It is possible to realize NTC characteristics or PTC characteristics to some extent by changing the interval of. Therefore, the magnetic alignment step of the embodiment is not essential.

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。   In addition, it is possible to replace components in the above-described embodiment with known components as appropriate without departing from the spirit of the present invention, and the above-described embodiments and modifications may be combined as appropriate.

1A、1B…熱電発電装置 2A、2B…熱整流性基板 3…熱電変換モジュール 10…NTC領域 11…N側基材 12…N側熱伝導粒子 13…熱収縮粒子 20…PTC領域 21…P側基材 22…P側熱伝導粒子 31、32…電極 33…P型熱電素子 34…N型熱電素子 X…第1方向 Y…第2方向 Z…厚さ方向   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A, 1B ... Thermoelectric-generation apparatus 2A, 2B ... Thermal rectification board | substrate 3 ... Thermoelectric conversion module 10 ... NTC area | region 11 ... N side base material 12 ... N side heat conduction particle 13 ... heat contraction particle 20 ... PTC area 21 ... P side Base material 22 ... P side heat conduction particle 31, 32 ... electrode 33 ... P type thermoelectric element 34 ... N type thermoelectric element X ... first direction Y ... second direction Z ... thickness direction

Claims (4)

複数のPTC領域と複数のNTC領域とを備え、
平面視および断面視において、前記複数のPTC領域および前記複数のNTC領域は交互に並べて配置され、
前記複数のPTC領域には、樹脂によって形成されたP側基材と、前記P側基材内に配された複数のP側熱伝導粒子とが含まれ、
前記複数のNTC領域には、樹脂によって形成されたN側基材と、前記N側基材内に配された複数のN側熱伝導粒子および複数の熱収縮粒子とが含まれ、
前記複数のP側熱伝導粒子は、前記P側基材よりも熱伝導率が大きく、
前記複数のN側熱伝導粒子は、前記N側基材よりも熱伝導率が大きく、
前記複数の熱収縮粒子は、温度の上昇に伴って収縮する、熱整流性基板。
With multiple PTC areas and multiple NTC areas,
In plan view and cross-sectional view, the plurality of PTC regions and the plurality of NTC regions are alternately arranged,
The plurality of PTC regions include a P-side base formed of a resin, and a plurality of P-side thermally conductive particles disposed in the P-side base,
The plurality of NTC regions include an N-side substrate formed of a resin, a plurality of N-side thermally conductive particles and a plurality of heat-shrinkable particles disposed in the N-side substrate,
The plurality of P-side thermally conductive particles have a thermal conductivity larger than that of the P-side base material,
The plurality of N-side thermally conductive particles have a thermal conductivity larger than that of the N-side substrate,
The heat rectifying substrate, wherein the plurality of heat shrinkable particles shrink with an increase in temperature.
平面視において、前記複数のPTC領域および前記複数のNTC領域は、第1方向に長い帯状に形成されるとともに、前記第1方向に直交する第2方向において交互に並べて配置されている、請求項1に記載の熱整流性基板。   In a plan view, the plurality of PTC regions and the plurality of NTC regions are formed in a strip shape elongated in a first direction, and are alternately arranged in a second direction orthogonal to the first direction. The thermal rectifying substrate according to 1. 平面視において、前記複数のPTC領域および前記複数のNTC領域は、第1方向および前記第1方向に直交する第2方向の双方において、交互に並べて配置されている、請求項1に記載の熱整流性基板。   The thermal system according to claim 1, wherein the plurality of PTC regions and the plurality of NTC regions are alternately arranged in both a first direction and a second direction orthogonal to the first direction in a plan view. Rectifying board. 請求項1から3のいずれか1項に記載の熱整流性基板と、
前記熱整流性基板上に設けられた熱電変換モジュールと、を備え、
前記熱電変換モジュールは、少なくとも1つのP型熱電素子と、少なくとも1つのN型熱電素子と、複数の電極と、を有し、
前記P型熱電素子および前記N型熱電素子は、前記電極によって接続され、かつ前記P型熱電素子および前記N型熱電素子の両端部にはそれぞれ前記電極が設けられ、
平面視において、前記P型熱電素子および前記N型熱電素子は、それぞれが前記PTC領域と前記NTC領域との境界を跨ぐように配置されている、熱電発電装置。
A thermal rectifying substrate according to any one of claims 1 to 3;
A thermoelectric conversion module provided on the thermal rectifying substrate,
The thermoelectric conversion module includes at least one P-type thermoelectric element, at least one N-type thermoelectric element, and a plurality of electrodes.
The P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are connected by the electrodes, and the electrodes are provided at both ends of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element, respectively.
The thermoelectric generation device according to claim 1, wherein the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are arranged to straddle the boundary between the PTC region and the NTC region in plan view.
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