JP7342623B2 - 熱電変換素子及びこれを備える熱電変換デバイス - Google Patents

Description

本発明は熱電変換素子及びこれを備える熱電変換デバイスに関し、特に、磁化方向、温度勾配方向及び起電力方向が互いに直交する熱電変換素子及びこれを備える熱電変換デバイスに関する。

エネルギー問題は人類の抱える大きな問題であり、環境中に存在するエネルギーを電力に変換する技術が強く求められている。特に、ＩｏＴ（Internet of Things）社会を実現するためには、あらゆるデバイスに対する電力供給源の確保が大きな課題となっており、その観点から、温度勾配など、環境中のエネルギーを電力供給源として活用する技術への期待は大きい。温度勾配を利用して発電を行う熱電変換素子としては、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子や、ネルンスト効果を利用した熱電変換素子が知られている。

ネルンスト効果とは、導体に温度勾配を生じさせた状態で、温度勾配方向（熱流方向）に交差（好ましくは直交）する方向に磁場を加えると、温度勾配方向と磁場方向の双方に直交する方向に起電力が生じる現象である。ネルンスト効果は、原理的にゼーベック効果よりも高効率であると言われている。実際に、ネルンスト効果の逆過程であるエッチングスハウゼン効果は、ゼーベック効果の逆過程であるペルチェ効果を凌ぐ効率が得られていることから、ネルンスト効果の効率の高さが証明されている。しかし、ネルンスト効果を発現させるためには強磁場が必要であることが大きな障害となり、ネルンスト効果を利用する熱電素子は未だ実用化されておらず、研究開発も活発ではない。

そこで、外部磁場ではなく材料の異方性磁化を利用する異常ネルンスト効果（Anomalous Nernst Effect：ＡＮＥ）が注目されている。異常ネルンスト効果の定義は必ずしも統一されていないが、ここでは「磁性体の磁化方向に対して垂直な方向に温度勾配が存在するときに、磁化方向と温度勾配方向の双方に対して垂直な方向に起電力が生じる現象」と定義する。

特許文献１及び２には、異常ネルンスト効果を利用した熱電変換素子が開示されている。特許文献１及び２に記載された熱電変換素子は、異常ネルンスト効果を発現する熱電材料からなる直線パターンを絶縁層の表面に複数本配列し、各直線パターンに生じる起電力が累積するよう、直線パターン同士を接続配線によって直列に接続した構成を有している。また、特許文献３には、異常ネルンスト効果を発現する熱起電圧の高い材料が開示されている。

特開２０１４－０７２２５６号公報 特開２０１８－０７８１４７号公報 国際公開第２０１９／００９３０８号パンフレット

しかしながら、特許文献１及び２に記載された熱電変換素子は、熱起電圧が低いという問題があった。熱起電圧を高めるためには、熱電材料からなる直線パターンの合計長さを長くする必要があるが、特許文献１及び２に記載された構造では、単位面積あたりの直線パターンの合計長さを長くすることは困難であった。

したがって、本発明は、磁化方向、温度勾配方向及び起電力方向が互いに直交する熱電変換素子及びこれを備える熱電変換デバイスにおいて、素子サイズの大型化を抑えつつ、熱電材料の起電力方向における長さを長くすることによって熱起電圧を高めることを目的とする。

本発明の一側面による熱電変換素子は、径方向に磁化され、軸方向の温度勾配に応じて周方向に起電力を生じる熱電材料が環状に巻回されてなる熱電変換素子である。

本発明によれば、熱電材料が直線的ではなく環状に巻回されていることから、複数の熱電材料を接続するための接続配線が不要となる。特に、熱電材料を複数ターンに亘って巻回すれば、熱電材料の起電力方向における単位面積あたりの長さを非常に長くすることができることから、素子サイズの大型化を抑えつつ、熱起電圧を大幅に高めることが可能となる。

本発明において、熱電材料は、同軸状に積層され、互いに巻回方向が逆である第１及び第２のスパイラルパターンを構成し、第１のスパイラルパターンの内周端は、第２のスパイラルパターンの内周端に接続されていても構わない。これによれば、２つのスパイラルパターンが積層されることから、温度勾配方向に対して垂直な方向における素子サイズを大型化させることなく、熱起電圧を高めることが可能となる。しかも、２つのスパイラルパターンの内周端同士が接続されていることから、熱電材料と端子電極の接続を容易に行うことができる。

本発明の他の側面による熱電変換素子は、磁化方向、温度勾配の方向及び起電力の方向が互いに垂直となる熱電材料を含む配線層が絶縁層を介して複数積層され、複数の配線層に含まれる熱電材料は、起電力が累積するよう直列に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、熱電材料を含む配線層が複数積層されていることから、積層方向に対して垂直な方向における平面サイズを抑えつつ、熱起電圧を高めることが可能となる。

本発明において、複数の配線層は温度勾配の方向に積層され、複数の配線層は熱電材料からなり起電力の方向に延在する複数の直線パターンをそれぞれ有し、複数の配線層に含まれる複数の直線パターンは、起電力が累積するよう、複数の配線層の面内において直列に接続されるとともに、絶縁層に設けられたビアを介して複数の配線層の層間において直列に接続されていても構わない。これによれば、温度勾配方向に対して垂直な方向における平面サイズを抑えつつ、熱起電圧を高めることが可能となる。

本発明による熱電変換素子は、磁化方向に隣接する熱電材料間に埋め込まれ、絶縁性を有するとともに熱電材料よりも熱伝導率の低い充填材をさらに備えていても構わない。これによれば、熱流の大部分が熱電材料を通過することから、より大きな熱起電圧を得ることが可能となる。この場合、充填材の熱伝導率は、熱電材料を支持する絶縁層の熱伝導率よりも低くても構わないし、熱電材料の熱伝導率をａとし、絶縁層の熱伝導率をｂとした場合、ｂ≧０．８ａを満たしていても構わない。これらによれば、よりいっそう大きな熱起電圧を得ることが可能となる。

本発明による熱電変換素子は、熱電材料を温度勾配方向から挟み込むように設けられ、熱伝導率が絶縁層の熱伝導率よりも高い第１及び第２の均熱層をさらに備えていても構わない。これによれば、面内における温度差が小さくなることから、温度勾配の面内分布がより均一化される。

本発明において、熱電材料は、フェルミエネルギー近傍にワイル点を有し、かつ異常ネルンスト効果を示す材料からなるものであっても構わない。これによれば、よりいっそう大きな熱起電圧を得ることが可能となる。

本発明による熱電変換素子は、熱電材料の起電力方向における一端及び他端に接続された第１及び第２の端子電極をさらに備えていても構わない。これによれば、第１及び第２の端子電極に所望の回路を接続することが可能となる。

本発明による熱電変換デバイスは、第１及び第２の配線パターンを有する基板と、上記の熱電変換素子とを備え、第１及び第２の配線パターンは、それぞれ第１及び第２の端子電極に接続されていても構わない。これによれば、第１及び第２の配線パターンに現れる電圧を所望の回路によって利用することが可能となる。

このように、本発明によれば、磁化方向、温度勾配方向及び起電力方向が互いに直交する熱電変換素子及びこれを備える熱電変換デバイスにおいて、素子サイズの大型化を抑えつつ、熱電材料の起電力方向における長さを長くすることによって熱起電圧を高めることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による熱電変換素子１の外観を示す略斜視図である。 図２は、熱電変換素子１の内部構造を説明するための略分解斜視図である。 図３は、熱電変換素子１の内部構造を説明するための略断面図である。 図４は、第１の変形例によるスパイラルパターンＳａのパターン形状を説明するための略平面図である。 図５は、第２の変形例によるスパイラルパターンＳｂのパターン形状を説明するための略平面図である。 図６は、均熱層３１と端子電極Ｅ１，Ｅ２を同一面に形成した例を示す略底面図である。 図７は、熱電変換素子１を備える熱電変換デバイスの略部分断面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態による熱電変換素子２の内部構造を説明するための略分解斜視図である。 図９（ａ）は図８に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図であり、図９（ｂ）は図８に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。 図１０は、実施例１～１２の熱電変換素子の構成及び起電力を示す表である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による熱電変換素子１の外観を示す略斜視図である。また、図２及び図３は、それぞれ熱電変換素子１の内部構造を説明するための略分解斜視図及び略断面図である。

本実施形態による熱電変換素子１は、ｚ方向の温度勾配に基づいて熱起電圧を発生させる素子であり、図１～図３に示すように、積層構造体１０と、積層構造体１０をｚ方向に挟み込む均熱層３１，３２と、熱起電圧が現れる端子電極Ｅ１，Ｅ２を備えている。また、積層構造体１０及び均熱層３１，３２には、ｚ方向に貫通する貫通孔Ｈが設けられている。貫通孔Ｈは、空洞であっても構わないし、樹脂などで埋め込まれていても構わない。本実施形態による熱電変換素子１の用途については特に限定されず、温度勾配を利用して発電を行うマイクロ発電デバイスに応用しても構わないし、微弱な熱流を検出する熱流センサに応用しても構わない。

積層構造体１０は、樹脂などからなる絶縁層１１～１５と、絶縁層１１～１４の表面にそれぞれ形成された熱電材料からなるスパイラルパターンＳ１～Ｓ４と、絶縁層１１～１４の表面にそれぞれ形成され、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４で覆われていない領域に埋め込まれた充填材２１～２４を含んでいる。スパイラルパターンＳ１～Ｓ４はそれぞれ配線層５１～５４を構成する。したがって、本実施形態による熱電変換素子１は、４つの配線層５１～５４が積層された構造を有している。

スパイラルパターンＳ１～Ｓ４を構成する熱電材料は、磁化方向、温度勾配の方向及び起電力の方向が互いに垂直となる材料であれば特に限定されず、異常ネルンスト効果を有する材料（Ｃｏ_２ＭｎＧａ、Ｍｎ_３Ｓｎ、ＦｅＰｔなど）や、スピンゼーベック効果を有する材料（ＹＩＧ／Ｐｔなど）を用いることができる。異常ネルンスト効果を有する材料のうち、ＦｅＰｔの熱電係数は約１μＶ／Ｋであり、Ｃｏ_２ＭｎＧａの熱電係数は約７μＶ／Ｋである。特に、異常ネルンスト効果を有する材料として、フェルミエネルギー近傍にワイル点を有する材料を用いれば、より大きな起電力を得ることが可能となる。

ここで、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４を構成する熱電材料が異常ネルンスト効果を有する材料である場合、温度勾配ΔＴ／ｔによって得られる電圧Ｖは、
Ｖ＝Ｓ_ＮΔＴ（ｌ／ｔ）
で定義される。ここで、Ｓ_Ｎはネルンスト係数であり、ｌは熱電材料の起電力方向における長さであり、ｔは熱電材料の温度勾配方向における厚みである。したがって、より高い電圧Ｖを得るためには、熱電材料の起電力方向における長さｌを長くするか、熱電材料の温度勾配方向における厚みｔを薄くすれば良い。しかしながら、熱電材料の温度勾配方向における厚みを薄くすると、その分、温度差ΔＴが小さくなるため、熱電材料の温度勾配方向における厚みｔを薄くすることによって電圧Ｖを高めることは困難である。このため、より高い電圧Ｖを得るためには、熱電材料の起電力方向における長さｌを長くする必要がある。

しかしながら、熱電材料の起電力方向における長さｌを直線的に長くすると、熱電変換素子のサイズが大きくなってしまう。この点を考慮し、本実施形態による熱電変換素子１は、熱電材料を直線的に長くするのではなく、熱電材料を複数ターンに亘って平面スパイラル状に巻回するとともに、同軸状に積層された複数のスパイラルパターンＳ１～Ｓ４を直列に接続している。これにより、平面サイズの増加を抑えつつ、熱電材料の起電力方向における長さｌを十分に確保することが可能となる。本実施形態においては、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４の磁化方向は径方向であり、軸方向（ｚ方向）の温度勾配に応じて、周方向に起電力が生じる。スパイラルパターンＳ１～Ｓ４を径方向に磁化させるためには、貫通孔Ｈの内部をＮ極（又はＳ極）とし、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４の周囲をＳ極（又はＮ極）とした着磁を行えば良い。

図２に示すように、スパイラルパターンＳ１，Ｓ３は外周端から内周端に向かって右回り（時計回り）に巻回されているのに対し、スパイラルパターンＳ２，Ｓ４は外周端から内周端に向かって左回り（反時計回り）に巻回されている。つまり、スパイラルパターンＳ１，Ｓ３とスパイラルパターンＳ２，Ｓ４は、巻回方向が互いに逆である。そして、スパイラルパターンＳ１，Ｓ２の内周端は、絶縁層１２に設けられたビアＶ１を介して相互に接続され、スパイラルパターンＳ２，Ｓ３の外周端は、絶縁層１３に設けられたビアＶ２を介して相互に接続され、スパイラルパターンＳ３，Ｓ４の内周端は、絶縁層１４に設けられたビアＶ３を介して相互に接続される。スパイラルパターンＳ１の外周端は端子電極Ｅ１に接続され、スパイラルパターンＳ４の外周端は端子電極Ｅ２に接続される。これにより、端子電極Ｅ１，Ｅ２間には、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４が直列に接続されることになる。

これにより、ｚ方向の温度勾配が存在すると、各スパイラルパターンＳ１～Ｓ４において周方向に起電力が生じ、これら起電力が累積するようスパイラルパターンＳ１～Ｓ４が直列に接続されていることから、端子電極Ｅ１，Ｅ２間には従来の熱電変換素子よりも高い電圧Ｖが現れる。

充填材２１～２４は、ｚ方向の温度勾配を効率よくスパイラルパターンＳ１～Ｓ４に印加するために用いられる。したがって、充填材２１～２４の熱伝導率は十分に低いことが好ましく、少なくとも、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４を構成する熱電材料の熱伝導率よりも低い必要がある。このような材料としては、ポリイミドなどの樹脂が挙げられる。ポリイミドの熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ未満である。スパイラルパターンＳ１～Ｓ４の熱伝導率は、使用する熱電材料によって異なり、１～１００Ｗ／ｍＫ程度である。例えば、Ｃｏ_２ＭｎＧａの熱伝導率は約２５Ｗ／ｍＫであり、ＦｅＰｔの熱伝導率は約１０Ｗ／ｍＫである。このように、磁化方向に隣接する熱電材料間に熱伝導率の低い充填材２１～２４を埋め込めば、図３に示すように、熱流Ｆの大部分がスパイラルパターンＳ１～Ｓ４をｚ方向に通過するため、より高い電圧Ｖを得ることが可能となる。

一方、絶縁層１１～１５については、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４をｚ方向に通過する熱流Ｆを妨げないよう、熱伝導率が十分に高い材料を用いることが好ましい。特に、熱電材料の熱伝導率をａとし、絶縁層１１～１５の熱伝導率をｂとした場合、ｂ≧０．８ａを満たす材料を用いることが好ましい。このような材料としては、樹脂にＡｌ_２Ｏ_３など熱伝導率の高いフィラーが添加された複合材料が挙げられる。このような複合材料を用いれば、フィラーの種類及び充填率によって、熱伝導率を１～１００Ｗ／ｍＫ程度に調整することができる。

均熱層３１，３２は、ｘｙ平面方向における温度差を小さくすることによって、積層構造体１０に与えられる温度勾配の面内分布をより均一化する役割を果たす。均熱層３１，３２の材料としては、Ｃｕなど熱伝導率の高い金属材料を用いることができる。Ｃｕの熱伝導率は約３８０Ｗ／ｍＫである。

以上説明したように、本実施形態による熱電変換素子１は、径方向に磁化された熱電材料によってスパイラルパターンＳ１～Ｓ４が構成され、これらスパイラルパターンＳ１～Ｓ４が軸方向に積層されるとともに、起電力が累積するよう直列に接続されていることから、ｘｙ平面サイズを抑えつつ、ｚ方向の温度勾配に応じて高い電圧Ｖを得ることが可能となる。

ここで、熱電材料のパターン形状については、環状であれば特に限定されず、図４に示すスパイラルパターンＳａのように、ｘ方向に直線的に延在する区間とｙ方向に直線的に延在する区間を組み合わせからなる矩形状のスパイラルパターンであっても構わない。このような矩形状のスパイラルパターンを用いれば、熱電材料の起電力方向における単位面積あたり長さをより長くすることが可能となる。また、図５に示すスパイラルパターンＳｂのように、ターン数が１ターン又はそれ以下であっても構わない。図５に示すスパイラルパターンＳｂは、基板サイズが非常に小さく、複数ターンに亘って熱電材料を平面スパイラル状に巻回することが困難な場合に有効である。さらに、複数の環状パターンを軸方向に積層する点も必須ではなく、環状パターンが１層のみであっても構わない。

さらに、端子電極Ｅ１，Ｅ２の位置についても特に限定されず、図６に示す例のように、Ｃｕなどからなる均熱層３１にスリットＳＬ１，ＳＬ２を設け、スリットＳＬ１，ＳＬ２によって分離された領域をそれぞれ端子電極Ｅ１，Ｅ２として利用しても構わない。この場合、スパイラルパターンＳ１～Ｓ４に印加される温度勾配の面内分布をより均一化するためには、平面視でスパイラルパターンＳ１～Ｓ４の形成領域と重ならない位置にスリットＳＬ１，ＳＬ２を設けることが好ましい。

このように、均熱層３１の一部を端子電極Ｅ１，Ｅ２として用いれば、図７に示すように、熱電変換素子１を熱電変換デバイスの基板３に表面実装することが可能となる。図７に示す例では、基板３の表面にランドパターンＰ１～Ｐ３が設けられており、ハンダ３３を介して端子電極Ｅ１，Ｅ２及び均熱層３１がそれぞれランドパターンＰ１～Ｐ３に接続されている。これによれば、基板３の熱が均熱層３１を介して積層構造体１０に効率よく伝わるため、基板３の熱を効率よく電力に変換することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態による熱電変換素子２の内部構造を説明するための略分解斜視図である。また、図９（ａ）は図８に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図であり、図９（ｂ）は図８に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。

図８及び図９に示すように、本実施形態による熱電変換素子２は、積層構造体１０の内部構造が第１の実施形態による熱電変換素子１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態による熱電変換素子１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、絶縁層１１の表面に熱電材料からなる直線パターンＬ１と接続配線４１が設けられ、絶縁層１２の表面に熱電材料からなる直線パターンＬ２と接続配線４２が設けられ、絶縁層１３の表面に熱電材料からなる直線パターンＬ３と接続配線４３が設けられている。接続配線４１～４３はＣｕなどの良導体からなる。絶縁層１１～１３の表面のうち、直線パターンＬ１～Ｌ３又は接続配線４１～４３で覆われていない領域には、充填材２１～２３が埋め込まれている。直線パターンＬ１及び接続配線４１は１層目の配線層６１を構成し、直線パターンＬ２及び接続配線４２は２層目の配線層６２を構成し、直線パターンＬ３及び接続配線４３は３層目の配線層６３を構成する。したがって、本実施形態による熱電変換素子２は、３つの配線層６１～６３が積層された構造を有している。

直線パターンＬ１～Ｌ３はいずれもｘ方向に延在し、且つ、ｙ方向に磁化されている。このため、ｚ方向の温度勾配が存在すると、直線パターンＬ１～Ｌ３にはｘ方向の起電力が生じる。そして、起電力が累積するよう接続配線４１によって複数の直線パターンＬ１が直列に接続され、起電力が累積するよう接続配線４２によって複数の直線パターンＬ２が直列に接続され、起電力が累積するよう接続配線４３によって複数の直線パターンＬ３が直列に接続される。さらに、端部に位置する直線パターンＬ１の一端は、絶縁層１２に設けられたビアＶ４を介して端部に位置する接続配線４２の一端に接続され、端部に位置する直線パターンＬ２の一端は、絶縁層１３に設けられたビアＶ５を介して端部に位置する接続配線４３の一端に接続される。端部に位置する接続配線４１の一端は端子電極Ｅ１に接続され、端部に位置する直線パターンＬ３の一端は端子電極Ｅ２に接続される。これにより、端子電極Ｅ１，Ｅ２間には、直線パターンＬ１～Ｌ３が直列に接続されることになる。

これにより、ｚ方向の温度勾配が存在すると、各直線パターンＬ１～Ｌ３においてｘ方向に起電力が生じ、これら起電力が累積するよう、直線パターンＬ１～Ｌ３が直列に接続されていることから、端子電極Ｅ１，Ｅ２間には従来の熱電変換素子よりも高い電圧Ｖが現れる。

このように、本実施形態においては、複数の直線パターンＬ１～Ｌ３に生じる起電力が累積するよう、接続配線４１～４３を用いて電流方向を折り返すことにより、各配線層の面内及び層間において直線パターンＬ１～Ｌ３を直列に接続していることから、ｘｙ平面サイズを抑えつつ、ｚ方向の温度勾配に応じて高い電圧Ｖを得ることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

図１０は、実施例１～１２の熱電変換素子の構成及び起電力を示す表である。

［実施例１］
図２に示す絶縁層１１及びスパイラルパターンＳ１のみからなる熱電変換素子を作製した。熱電材料としては厚さ２０μｍのＦｅＰｔを用い、面積が１ｃｍ^２である絶縁層１１の表面に複数ターンに亘って巻回することにより、周方向における長さを１５．６９ｃｍとした。スパイラルパターンの径方向におけるパターン幅は２００μｍであり、径方向に隣接するパターン間隔は３００μｍである。貫通孔Ｈの径は２ｍｍである。また、熱電材料の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫであり、絶縁層の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫである。このような構造を有する実施例１の熱電変換素子に対し、ｚ方向に５０℃／ｃｍの温度勾配を与え、スパイラルパターンの両端に現れる電圧を測定した。その結果、得られた電圧は０．４３ｍＶであった。

［実施例２］
絶縁層を介してスパイラルパターンを５層積層することによって積層構造体を構成し、各スパイラルパターンを直列に接続した他は、実施例１と同様の構造を持つ実施例２の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は２．１５ｍＶであり、実施例１に対して約５倍の電圧が得られた。

［実施例３］
各絶縁層の表面に充填材を設けた他は、実施例２と同様の構造を持つ実施例３の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。充填材の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍＫである。その結果、得られた電圧は２．３８ｍＶであり、実施例２よりも高い電圧が得られた。

［実施例４］
絶縁層の材料として、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫである材料を用いた他は、実施例３と同様の構造を持つ実施例４の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は２．７４ｍＶであり、実施例３よりも高い電圧が得られた。

［実施例５］
積層構造体の軸方向における両面にＣｕからなる均熱層を設けた他は、実施例４と同様の構造を持つ実施例５の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は３．０６ｍＶであり、実施例４よりも高い電圧が得られた。

［実施例６］
絶縁層を介してスパイラルパターン及び充填材を１０層積層し、各スパイラルパターンを直列に接続した他は、実施例５と同様の構造を持つ実施例６の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は６．７１ｍＶであり、実施例５に対して２倍以上の電圧が得られた。

［実施例７］
絶縁層を介してスパイラルパターン及び充填材を２０層積層し、各スパイラルパターンを直列に接続した他は、実施例６と同様の構造を持つ実施例７の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は１３．４２ｍＶであり、実施例６に対して約２倍の電圧が得られた。

［実施例８］
熱電材料としてＣｏ_２ＭｎＧａを用い、積層数を２層とした他は、実施例６，７と同様の構造を持つ実施例８の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。Ｃｏ_２ＭｎＧａの熱伝導率は２５Ｗ／ｍＫである。その結果、得られた電圧は１０．４３ｍＶであり、層数に比して高い電圧が得られた。

［実施例９］
積層数を４層とした他は、実施例８と同様の構造を持つ実施例９の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は２０．５８ｍＶであり、実施例８に対して約２倍の電圧が得られた。

［実施例１０］
図８に示した配線層６１～６３を５層構造とし、１層当たりの直線パターンの合計長さを実施例１～９と同様に１５．６９ｃｍとした他は、実施例５と同様の構造を持つ実施例１１の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は０．２７ｍＶであった。

［実施例１１］
積層数を１０層とした他は、実施例１０と同様の構造を持つ実施例１１の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は０．５４ｍＶであり、実施例１０に対して約２倍の電圧が得られた。

［実施例１２］
積層数を１５層とした他は、実施例１０と同様の構造を持つ実施例１２の熱電変換素子を作製し、同様の条件で電圧を測定した。その結果、得られた電圧は０．８１ｍＶであり、実施例１０に対して約３倍の電圧が得られた。

１，２ 熱電変換素子
３ 基板
１０ 積層構造体
１１～１５ 絶縁層
２１～２４ 充填材
３１，３２ 均熱層
３３ ハンダ
４１～４３ 接続配線
５１～５４，６１～６３ 配線層
Ｅ１，Ｅ２ 端子電極
Ｆ 熱流
Ｈ 貫通孔
Ｌ１～Ｌ３ 直線パターン
Ｐ１～Ｐ３ ランドパターン
Ｓ１～Ｓ４，Ｓａ，Ｓｂ スパイラルパターン
ＳＬ１，ＳＬ２ スリット
Ｖ１～Ｖ５ ビア

Claims (8)

1. 径方向に磁化され、軸方向の温度勾配に応じて周方向に起電力を生じる熱電材料が環状に巻回されてなる熱電変換素子であって、
   前記熱電材料は、同軸状に積層され、互いに巻回方向が逆である第１及び第２のスパイラルパターンを構成し、
   前記第１のスパイラルパターンの内周端は、前記第２のスパイラルパターンの内周端に接続されていることを特徴とする熱電変換素子。
2. 磁化方向に隣接する熱電材料間に埋め込まれ、絶縁性を有するとともに前記熱電材料よりも熱伝導率の低い充填材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子。
3. 前記充填材の熱伝導率は、前記熱電材料を支持する絶縁層の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子。
4. 前記熱電材料の熱伝導率をａとし、前記絶縁層の熱伝導率をｂとした場合、ｂ≧０．８ａを満たすことを特徴とする請求項３に記載の熱電変換素子。
5. 前記熱電材料を温度勾配方向から挟み込むように設けられ、熱伝導率が前記絶縁層の熱伝導率よりも高い第１及び第２の均熱層をさらに備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の熱電変換素子。
6. 前記熱電材料は、フェルミエネルギー近傍にワイル点を有し、かつ異常ネルンスト効果を示す材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
7. 前記熱電材料の起電力方向における一端及び他端に接続された第１及び第２の端子電極をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
8. 第１及び第２の配線パターンを有する基板と、
   請求項７に記載の熱電変換素子と、を備え、
   前記第１及び第２の配線パターンは、それぞれ前記第１及び第２の端子電極に接続されていることを特徴とする熱電変換デバイス。

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