JPH03502859A - 熱発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱 本発明は、ｐ素子及びｎ素子を有する、時計、センサ、電流供給装置等用の熱発 電機であって、熱及び冷温度源の間に配設され、該熱素子が薄膜技術又は厚膜技 術によって基板上に付着させられ、且つ該ｎ及びｐ素子の形状が、それらが互い に重なり合うように選択されている熱発電機に関する。

このタイプの熱発電機であって、ＣＩ−ＰＳ　６０４２４９号から知られている ものは、熱電材料を小さいバーに切断することによって形成されるばらばらの部 品であって、その後ブロックを形成すべく組み立てられるものから構成されてい る。この結果、数百側のそのような熱電素子のみが、１個の時計内で直列に接続 され得る。得られる出力電圧は、蓄電池に電流を供給するには十分ではないので 、付加的な高価な電子装置及び変圧器が、蓄電池を充電するのに必要なレベルに 電流を増加させるべく、設けられなければならない。ＰＳ　ＧＢ−Ａ−１３８１ ００１号は、アルミニウム及び酸化アルミニウム基板上に薄膜熱発電機を製造す る方法を記載している。この方法は、非常に小数の熱発電機に対してのみ適して いる。更に、基板の製造が非常に複雑である。

ＰＳ　ＵＳ−Ａ−３６８４４７０号は、部品を加熱又は冷却することに向けられ ているベルチェ素子を記載している。この構成によると、ｐ及びｎ素子は互いに 重なり合っていると共に、電気的に非常に伝導性ではあるが、熱的には不伝導性 である材料が、重なり合っている部分の間に配設されている。

しかしながら、薄膜又は厚膜を製造することにおいては、ｐ及びｎ素子を接続す る材料が、結果的に生ずる冶金的な化合物が良好な接着性、低い電気抵抗及び良 好な熱伝導性をもたらすよう、選択されるということが重要である。

ＰＳ　ＪＰ−Ａ−６１２５９５８０号及びＵＳ−Ａ−４６７７４１６号に記載さ れている層であって、薄膜技術を用いて付着させられるものは、互いに重なり合 っている。常に対の数が非常に少ないので、全電気抵抗の大きさは、全く問題に ならない。

しかしながら、そのような設計は、もし数千対の素子が直列に接続されるならば 、この場合には電気抵抗が余りにも大きくなるので、完全に不適切である。更に 、これらの解決法は、異なる金属間の遷移という金属間の問題を考慮していない 。

ＰＳ　ＵＳ−Ａ−３５５４８１５号は、ｐ層が基板の一方の側に付着させられる 一方、ｎ層が他方の側に付着させられるところの解決法を記載している。しかし ながら、この方法は、大量生産に対しては余りにも高価である。更に、膜の厚さ と基板の厚さとの間の５：１の比率は、薄膜に対しては実際的ではない。この比 率は、後述する応用においては、１：１になる傾向にある。ここで、本発明の目 的は、簡単な手段により、安価且つ大量に製造され得る熱発電機を提供すること である。

本発明は、請求の範囲第１項及び第４項の特徴部分により、上記目的を達成する 。

熱発電機を製造するにおいて、単一のマスクが必要とされ、このマスクは、例え ばｐ素子を製造するのに先ず使用され、次いで、ｎ素子を付着させるべく、１８ ０°反転される。この方法は、ｎ及びｐ材料の重なり合いを自動的にもたらす。

電気抵抗を下げるため、熱発電機のｎ及びｐ材料がそれによって金属化合物を形 成するところの材料からなる付加的な層を付着させることが必要である。この電 気抵抗の減少は、発電機の熱電能力に何ら影響を及ぼさない一方、それは、その 効率を明らかに向上させる。熱発電機の最初及び最後の素子が回路に接続される ことを可能にするため、同時に、且つ同じ操作により、同じ材料からなるコンタ クト面が付着させられる。

熱源から基板への熱伝導は、付加的な問題を提起する。

最適な熱伝導は、請求の範囲第４項に規定されている態様で且つ適切な熱伝導性 ペースト等により、付加的な層を付着させることによって得られ得る。もし基板 、締結手段及び空気に起因する熱損失がかなりなものであるならば、この問題を 解決することは、非常に重要である。

有利に、熱伝導を向上させるべく意図されている層は、コンタクト面即ち付加的 な伝導層に対して使用されたものと同じ材料からなっている。最も重要な熱損失 源の一つは、２つの源の間の隔たりにあるものと思われる。空気は熱を比較的効 率良く伝え、そして、源間の容積はかなりのものであろう。この熱損失を減少さ せるため、プラスチックフィルムが、空気と接触している両方の面上に有利に付 着させられ、もって、源と空気との間の熱伝導が減少させられる。これらの解決 法は、２つの温度源の間の温度差が小さい（例えば３〜５℃の範囲内）ところの 時計において特に効果的であるということが見出された。もし熱発電機が時計に 使用されるならば、時計仕掛けは、多くの場合、円形である。もし矩形のハウジ ングが使用されるならば、熱発電機は、四隅に有利に搭載され得る。薄膜熱発電 機は、はぼ１０００対の直列に接続されている素子を有している。全体で、直列 に接続されている４０００の対は、蓄電池又はほぼＩＦの容量を有する畜電器を 充電するため、はぼ１．５Ｖの電圧を供給する。１０００対からなる熱発電機は 、はぼ３０ｃｍの長さを有し、このため、それが時計内に組み込まれるときには 、それは捲回されなければならない。

薄膜は、蒸着、陰極スパッタリング又は真空蒸着によって製造され得る。厚膜は 、スクリーン印刷又は他の印刷方法によって塗布され得る。熱発電機素子の付着 に続く熱処理が必要ならば、雲母又はセラミック材料が、基板として有利に用い られ得る。あるいは、カプトン又はマイラーの商品名で商業的に入手可能なポリ アミド又はポリテレフタレートのようなプラスチック材料が、好適である。これ らの材料も、限定された熱処理に曝され得る。

熱的な短絡を最小にするため、基板の厚さは可能な限り薄い方がよい。熱効率は 、基板の両方の側に熱電素子を付着させることにより、向上させられ得る。

マスクを用いる代りに、基板全体に熱電材料の層を付着させ、化学エツチング法 又はイオンビームによって所望の幾何学的形状を形成することも可能である。

ｎ及びｐ熱素子は、Ｂ１５Ｔｅ、Ｓｂ、Ｓｅ又はｐｂ。

Ｓｅ又はＰｂ、Ｔｅ又は他の合金のような周知材料からなり得る。

熱電時計に使用される場合、基板は時計仕掛けの周囲に配設され得、又は別々の 基板が時計ハウジング内部の便利な位置に配置され得る。

熱発電機の電流は、畜電器又は蓄電池を直接的に充電し得る。蓄電池は、それが 電解質を含んでいるという重大な不都合と結び付いている。このことは、蓄電池 を長い期間に亘って固定し続けるということを困難にする。現在使用されている 電解質であるＫＯＨ及びＮａＯＨの場合、蓄電池を少なくとも１０年間固定し続 けることは、実際的に不可能である。これに対し、畜電器は、これらの不都合を もたらさない。

本発明に係る熱発電機の時計における上述した応用に加えて、例えばセンサ、電 流供給装置等における他の応用も、可能である。加熱システムに対して現在要求 されているエネルギ節約手段のために、もし熱の流れが測定され得るならば、そ れは好都合である。もしこの応用に対して使用されるならば、熱発電機は、電子 回路に供給するに十分な電流及び電圧を供給し、そして、積分器が、電子的なメ モリに記憶され得るところの熱量を測定し得る。そのようなシステムは、周期的 に交換されなければならないところのリチウム蓄電池がなくても、作動すること ができる。

そのようなセンサは、大きな加熱装置及び賃貸アパートにおける使用だけでなく 、温度プロセスの全自動監視用の工業的システムであって、線間電圧又は蓄電池 と独立に動作しなければならないものにおける使用にも適している。

本発明の一実施例が、図面に示されている。

第１ａ図及び第１ｂ図は、ｎ及びｎ素子をそれぞれ示す。

第２図は、コンタクト面を有する熱発電機を示す。

第３図は、組み立てられた熱発電機を示す。

第４図は、熱発電機を有する基板を示す。

第１ａ図はマスクによって製造されるｎ素子を示す一方、第１ｂ図は、そのマス クが１８０°反転された後に、その同じマスクによって製造されるｎ素子を示す 。ここで、ｎ及びｎ素子１，２が同じ位置で基板上に付着させられると、第２図 に示されている種類の熱発電機が得られる。

熱発電機５の電気抵抗を下げるため、付加的な層３が、ｎ及び／又はｎ素子の接 触面上に付着させられる。層３に使用されたのと同じ合金が、コンタクト面４を 付着させるのに使用される。層３及びコンタクト面４は、ｎ及びｎ素子１，２と 金属的に可溶性な材料からなっている。

コンタクト面４は、熱発電機が電気回路に接続されることを可能にする。

時計に使用される一実施例の実際的な例：ｐ又はｎ素子の寸法： 膜厚：０．００５ｍｍ、膜幅：０．１ｍｍ、膜長：０．７５１１Ｉｍ１固有電気 抵抗：０．００００１オーム・ｍｏこれは、１対の素子毎に３０オームの電気抵 抗を生ずる。直列に接続されている素子の対の数が７５００であるとすると、抵 抗は２２５キロオームに等しくなる。この抵抗は、付加的な層のために２０〜４ ０％減少させられ得る。６℃の温度差に対して、はぼ１．６■の端子電圧が期待 され得る。このような発電機は、１１マイクロワツトの電力を供給することがで きる。

他の考えられ得る解決法によると、熱発電機は、腕に対して熱的に絶縁されてい る表面を有する時計バンドに搭載され得る。この場合、熱発電機は、電気的な伝 導体を介して、時計の蓄電器又は蓄電池に接続される。時計に代えて、パルセー タ、血圧計、電子高度計、温度計、電トコンパス等のような携帯測定機も考えら れ得る。

第３図は、２つの温度源７の間に配設されている熱発電機５を示している。熱伝 導を最適にするため、温度源７と熱発電機５との間に材料６が付着させられてい る。この材料は、温度源７から熱発電機５への熱伝導を促進するよう、可能な限 り効率的に熱を伝えなければならない。

そのように付着させられている材料は、比較的大きな比率の熱伝導性粉末を含む 、軟らかい又は硬化した状態にあるエラストマであってよい。

熱発電機の場合、できるだけ多量の熱が熱素子１，２を流れるのが、好ましい。

この点において、平行な熱ブリッジによって熱損失が最小化されるということが 、重要である。空気を介する熱損失は、この点における重要な因子である。これ らの熱損失は、一方又は両方の温度源７に付加的なフィルム８を付着させること によって減少させられ得る。

第４図は、その上に付着させられている熱発電機１．２を有する基板１０を示し ている。更に、熱素子１，２と接触しないところの層９が、付着させられている 。層９は、接続層３と同じ材料の金属からなっていてもよい。

層９は、源７であって、既にそれらの間に熱伝導材料６を含んでいるものからの 熱伝導を向上させるという利点をもたらす。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８＃；項） 平成２年８月９日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．ｐ及びｎ素子を有する、時計、センサ、電流供給装置等用の熟発電機であっ て、熱及び冷温度源の間に配設され、該熱素子が薄膜技術又は厚膜技術によって 基板上に付着させられ、且つ該ｎ及びｐ素子の形状が、それらが互いに重なり合 うように選択されているものにおいて、付加的な電気的に伝導性の層が、当該熟 発電機の電気抵抗を減少させるべく、該ｐ及び／又はｎ素子上に付着させられ、 且つ、最初及び最後の直列接続されている素子が、コンタクト面に接続されてい ることを特徴とする熱発電機。
2. ２．前記伝導性の層及び／又は前記コンタクト面が、該素子の材料と金属的に可 溶性である金属又は合金からなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の熱発 電機。
3. ３．前記基板が、両側が熱素子で塗布されていることを特徴とする請求の範囲第 １項又は第２項記載の熱発電機。
4. ４．ｐ素子及びｎ素子を有する、時計、センサ、電流供給装置等用の熱発電機で あって、熱及び冷温度源の間に配設され、該熱素子が薄膜技術又は厚膜技術によ って基板上に付着させられているものにおいて、該２つの源の間の熱の流れが、 少なくとも部分的に、付加的な熱ブリッジを横切るようにして導かれることを特 徴とする熱発電機。
5. ５．前記熱ブリッジが、前記源と前記熱素子との間の熱伝導を向上させるため、 エラストマのような、熱的に伝導性で電気的に絶縁性の材料であって、熱的に伝 導性の粉末の添加剤を含有すると共に、前記源と前記基板との間に付着させられ ているもの、及び／又は、前記基板の縦方向と平行に該基板上に付着させられて いる金属からなっていることを特徴とする請求の範囲第４項記載の熱発電機。
6. ６．絶縁性のフィルムが、空気を介する熱損失を減少させる目的で、前記源上に 付着させられていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記 載の熱発電機。
7. ７．請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の熱発電機を具備する時計であ って、１つ以上の基板が当該時計の周囲に配設されていること、又は、電気的に 内部接続されている複数の基板が当該時計の周囲に配設されていることを特徴と する時計。
8. ８．前記１つ以上の基板が捲回されていることを特徴とする請求の範囲第７項記 載の時計。
9. ９．当該時計が、畜電器であって、前記熱発電機によって充電され且つ時計仕掛 けに電流を供給するように配設されているものを設けられていることを特徴とす る請求の範囲第７項又は第８項記載の時計。
10. １０．請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の熱発電機を具備するセンサ であって、熱の量を測定する積分器が設けられていることを特徴とするセンサ。