JPH1074987A - 薄膜熱電変換装置 - Google Patents

薄膜熱電変換装置

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JPH1074987A
JPH1074987A JP8228585A JP22858596A JPH1074987A JP H1074987 A JPH1074987 A JP H1074987A JP 8228585 A JP8228585 A JP 8228585A JP 22858596 A JP22858596 A JP 22858596A JP H1074987 A JPH1074987 A JP H1074987A
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thin
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Izumi Kataoka
泉 潟岡
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィルムの表面に熱電変換材料薄膜をコーテ
ィングし、温度差を形成されるべき熱電変換材料の薄膜
部分に電極を取り付ける構成を採用することにより、様
々な形状に加工し易く、且つ熱電変換効率の良好な薄膜
熱電変換装置を提供する。 【解決手段】 薄板状支持体或はフィルム状支持体5の
表面に熱電変換材料薄膜1、2を成膜して熱電変換素子
100を構成し、熱電変換材料薄膜1、2の互に対向す
る端縁部3、4に熱源電極6或は冷却部電極7を取り付
けた薄膜熱電変換装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、薄膜熱電変換装
置に関し、特に、薄膜に構成した熱電変換素子の電極間
の温度差を拡大する薄膜熱電変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来例を図5を参照して説明する。図5
に示される熱電変換装置の従来例は、バルク型熱電変換
素子を使用している。50は熱電変換材料を示す。60
1 および602 は熱電変換材料50の両端縁部に取り付
けられた電極である。以上によりバルク型熱電変換素子
100’が構成される。80は熱源に取り付ける熱源電
極であり、90は冷却部に取り付ける冷却部電極であ
る。熱電変換素子100’に熱源電極80および冷却部
電極90を取り付けることによりバルク型熱電変換装置
の組み立ては終了する。
【0003】ここで、熱電変換素子100’の熱起電力
Wは、一般に、下記の通りに表現することができる。 W=α(Th−Tc)I 但し、α:ゼーベック係数、Th:高温度部の温度、T
c:低温度部の温度 I:素子を流通する電流 この式に従えば、物質のゼーベック係数αが定まれば、
熱起電力は温度差に比例することになり、良好な熱電変
換をするには、高温度部を構成する電極と低温度部を構
成する電極との間に大きな温度差を生成させる必要があ
る。
【0004】以上の熱電変換素子100’の熱電変換材
料50は、Siその他の半導体のバルク材により構成さ
れている。即ち、熱電変換材料50は、具体的には角柱
状或は円柱状の半導体熱電変換材料の一方の端縁部に金
属の熱源電極80を取り付けると共に、他方の端縁部に
金属の冷却部電極90を取り付けている。そして、これ
ら熱源電極80と冷却部電極90との間に温度差を形成
して発電し、或は両電極間に電流を流通して両電極間に
温度差を生成する。
【0005】熱電変換素子100’の従来例は、上述し
た通り、熱電変換材料50はバルク材を基本にして構成
されている。半導体に加工を施してこれを様々な形状の
熱電変換材料50に構成するに際して、半導体のインゴ
ットを原材料としてこれから切り出し加工により構成さ
れる。この場合、原材料に多くのムダが発生する上に加
工工程は複雑であるところから、バルクの熱電変換材料
50は、一部の特殊な分野を除いて、広く利用されるに
は到っていない。
【0006】熱電変換材料であるを半導体をバルクに加
工したものとは別に、半導体を薄膜状に加工した熱電変
換材料も使用されているが、この薄膜状熱電変換材料を
その厚さ方向に温度差を形成する場合、熱源と冷却部と
の間の距離を充分に大きくとることができないところか
ら、熱源と冷却部との間に充分な温度差を保持すること
ができない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、フィルム
の表面に熱電変換材料薄膜をコーティングし、温度差を
形成されるべき熱電変換材料の薄膜部分に電極を取り付
ける構成を採用することにより、様々な形状に加工し易
く、且つ熱電変換効率の良好な薄膜熱電変換装置を提供
するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】薄板状支持体或はフィル
ム状支持体5の表面に熱電変換材料薄膜1、2を成膜し
て熱電変換素子100を構成し、熱電変換材料薄膜1、
2の互に対向する端縁部3、4に熱源電極6或は冷却部
電極7を取り付けた薄膜熱電変換装置を構成した。
【0009】そして、薄板状支持体或はフィルム状支持
体5の一方の表面に一方の導電型の熱電変換材料薄膜1
を成膜すると共に他方の表面に他方の導電型の熱電変換
材料薄膜2を成膜して熱電変換素子100を構成し、熱
電変換材料薄膜1、2の互に対向する端縁部3、4に熱
源電極6或は冷却部電極7を取り付け、ここで熱源電極
6或は冷却部電極7の内の一方は分割電極として各別に
熱電変換材料薄膜1、2に取り付けた薄膜熱電変換装置
を構成した。
【0010】また、薄板状支持体或はフィルム状支持体
5は絶縁材料により構成した薄膜熱電変換装置を構成し
た。更に、薄板状支持体或はフィルム状支持体5は導電
体フィルム表面に絶縁膜9をコーティングしたものより
成る薄膜熱電変換装置を構成した。そして、熱電変換素
子100は長さ方向に蛇行屈曲せしめたものである薄膜
熱電変換装置を構成した。
【0011】また、熱源電極6および冷却部電極7はメ
ッシュ状電極であることを特徴とする薄膜熱電変換装置
を構成した。
【0012】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1およ
び図2の実施例を参照して説明する。図1はn型熱電変
換材料或はp型熱電変換材料の内の何れか一方の薄膜を
フィルムの両面にコーティングしたフィルム型熱電変換
素子を含む薄膜熱電変換装置の分解斜視図である。図2
は図1の部品により構成されたフィルム型熱電変換装置
の断面を示す図である。
【0013】図1および図2において、5は支持体を構
成する薄板或はフィルムを示す。1および2は支持体で
ある絶縁体フィルム5の両面にコーティングされた熱電
変換材料薄膜である。3は熱電変換材料薄膜1および2
の上端縁部から集電する上端集電電極であり、4は熱電
変換材料薄膜1および2の下端縁部から集電する下端集
電電極である。6は熱源電極であり、7は冷却部電極を
示す。8は絶縁性接着剤であり、支持体を構成するフィ
ルム5の上端に適用されて熱源電極6をフィルム5の上
端に強固に結合するものである。
【0014】熱電変換材料薄膜1および熱電変換材料薄
膜2は、フィルム5に熱電変換材料をコーティングする
ことにより形成される。熱電変換材料のコーティングの
仕方としては、スパッタリング、イオンビームスパッタ
リング、レーザアプレーションその他の物理的薄膜形成
法を採用することができる。これ以外の熱電変換材料の
薄膜形成法として、これらの溶液或はペーストから化学
的に合成することができる。この様にしてフィルム5に
形成した熱電変換材料薄膜1および2に上端集電電極3
および下端集電電極4を形成する。これらの集電電極
は、通常、真空蒸着法或はスパッタリング法その他の薄
膜成膜方法により形成するが、これら以外の適宜の薄膜
成膜法も適用することができる。支持体であるフィルム
5が金属フィルムの如き導電体フィルムである場合は、
熱電変換材料薄膜1および2をコーティングするに先だ
って、9により示される絶縁膜を導電体フィルム表面に
予めコーティングしておいて、この絶縁膜9表面に熱電
変換材料薄膜1および2をコーティングする。絶縁膜9
はポリイミドその他の耐熱性合成樹脂を金属フィルム5
表面に塗布して乾燥することにより強固に形成すること
ができる。図2はフィルム5が金属フィルムである場合
を示している。10は熱源電極6とフィルム5に取り付
けた上端集電電極3とを接続するワイヤを示す。熱源電
極6は図示される通りのメッシュ状熱源電極であり、冷
却部電極7も図示される通りのメッシュ状冷却部電極で
ある。以上の通りにして熱電変換素子100が構成さ
れ、この上端にメッシュ状熱源電極6を設置すると共に
下端にメッシュ状冷却部電極7を設置することにより熱
電変換装置の組み立ては終了する。熱源電極6および冷
却部電極7は熱電変換素子100が蛇行する幅にほぼ匹
敵する幅および長さを有するものとする。
【0015】電極6および7をこの様にメッシュ状電極
に構成し、熱電変換装置を例えば自動車のラジエータ前
面に熱源電極6を介して取り付けた様な場合、冷却用の
大気の取り入れを阻害することなしにスムーズに大気を
流通せしめながら、メッシュ状熱源電極6とメッシュ状
冷却部電極7との間に良好な温度勾配を形成することが
できる。そして、支持体であるフィルム5をエンジニア
リングプラスチック等により構成すると、熱電変換素子
100の熱伝導率が下がることにより熱電変換効率を上
げることができる。
【0016】図3および図4を参照して他の実施例を説
明する。図3は薄板或はフィルムの両面に形成される熱
電変換材料の導電型を相違せしめて、n型熱電変換材料
薄膜とp型熱電変換材料薄膜とを直列に接続したフィル
ム型熱電変換装置の断面を示す図である。図4は図3の
部品により構成されたフィルム型熱電変換装置の断面を
示す図である。
【0017】熱電変換材料薄膜1および熱電変換材料薄
膜2は一方をn型熱電変換材料薄膜とし、他方をp型熱
電変換材料薄膜として支持体を構成するフィルム5に形
成されている。熱電変換材料薄膜1および2の上端縁部
から集電する上端集電電極3はこれら薄膜上端に形成さ
れている。熱電変換材料薄膜1および2の下端縁部から
集電する下端集電電極4も同様にこれら薄膜下端に形成
されている。この実施例においては、電極6は分割電極
6’および6''分割電極に2分されており、互いに対向
する分割端縁には絶縁材料より成る取り付け部70およ
び70’が構成されている。これはフィルム5両面に形
成される熱電変換材料薄膜が互いに極性を異にしている
ことに対応している。絶縁膜9はポリイミドその他の耐
熱性合成樹脂をフィルム5が金属フィルムである場合に
表面に塗布して乾燥することにより強固に形成する。
【0018】
【発明の効果】以上の通りであって、熱電変換材料の電
気導伝率の良好なものは一般に熱伝導率も良好であると
いう傾向があるが、この発明の薄膜熱電変換装置は、熱
電変換材料薄膜の支持体を構成するフィルムとして熱伝
導率の悪い絶縁材料使用することにより特に熱の放散伝
導を少くし、結果的に熱電変換素子の熱電変換効率を向
上することができる。
【0019】そして、この発明は、熱電変換材料を薄板
或はフィルムの表面にコーティングし、薄板またはフィ
ルムをひだ状に折りたたみ、その両端に電極を設け、そ
の一方の電極に熱源を構成し、他方の電極に冷却部を構
成することにより両電極の間隔を大きくとることができ
る上に、ひだ状に構成することにより大気の冷媒の流通
を良くし、冷却面積を広げ、良好な冷却効率を得ること
ができる。これは、大きな温度差を両電極間に生成する
ことに貢献する。
【0020】また、一般に熱電変換材料の効率の指標と
して Z=α2 σ/K ここで、α:ゼーベック係数、σ:伝導率、K:熱伝導
率 が定義されている。Zを大きくするにはαが大きいこと
は当然であるが、σが大きく、Kが小さい材料であるこ
とが必要となる。ところが、一般に、σが大きい材料は
Kも大きい傾向にあり、バルク状の熱電変換素子はこの
条件を同時に満することは困難である。ところが、支持
体フィルム表面に熱電変換材を薄膜に形成した場合、熱
の大部分は支持体フィルムを伝導することとなり、熱伝
導率を著しく小さくすることができる。支持体フィルム
として、特に、合成樹脂熱絶縁体等を使用することによ
り、熱伝導率を更に小さくすることができる。その結
果、熱電変換素子としての熱電変換効率を著しく向上に
することができる。
【0021】また、支持体フィルムの表面に熱電変換材
料薄膜を形成し、素子の面に平行な方向に電極を設ける
ことにより、熱源と冷却部の距離を離して大きな温度勾
配を設定することができ、且つ、支持体フィルムの熱伝
導率を下げて熱電変換素子としての変換効率を上げ、全
体として効率の良い熱電変換装置を構成することができ
る。
【0022】更に、極性を異にするn型およびp型の熱
電変換材料薄膜を支持体フィルムの両面にそれぞれ形成
し、低温部と高温部の極性を逆に構成して両薄膜を直列
接続したことにより、低温部、高温部に発生する電位が
正、負逆となり、2倍の電圧を得ることができる。ま
た、電極をメッシュ状電極に構成することにより、熱電
変換装置を自動車のラジエータ前面に熱源電極を介して
取り付けた様な場合、冷却用の大気の取り入れを阻害す
ることなしにスムーズに大気を流通せしめながら、メッ
シュ状熱源電極とメッシュ状冷却部電極との間に良好な
温度勾配を形成することができる。
【0023】この発明に依り、フィルムの表面に熱電変
換材料薄膜をコーティングし、温度差を形成されるべき
熱電変換材料の薄膜部分に電極を取り付ける構成を採用
して様々な形状に加工し易く、且つ熱電変換効率の良好
な薄膜熱電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例を説明する図。
【図2】図1の実施例の断面を示す図。
【図3】他の実施例を説明する図。
【図4】図3の実施例の断面を示す図。
【図5】従来例を説明する図。
【符号の説明】
1 熱電変換材料薄膜 2 熱電変換材料薄膜 3 端縁部 4 端縁部 5 支持体フィルム 6 熱源電極 6’分割電極 6''分割電極 7 冷却部電極 8 絶縁性接着剤 9 絶縁膜 10 接続ワイヤ 70 取り付け部 70’取り付け部 100 熱電変換素子

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 薄板状支持体或はフィルム状支持体の表
    面に熱電変換材料薄膜を成膜して熱電変換素子を構成
    し、熱電変換材料薄膜の互に対向する端縁部に熱源電極
    或は冷却部電極を取り付けたことを特徴とする薄膜熱電
    変換装置。
  2. 【請求項2】 薄板状支持体或はフィルム状支持体の一
    方の表面に一方の導電型の熱電変換材料薄膜を成膜する
    と共に他方の表面に他方の導電型の熱電変換材料薄膜を
    成膜して熱電変換素子を構成し、熱電変換材料薄膜の互
    に対向する端縁部に熱源電極或は冷却部電極を取り付
    け、ここで熱源電極或は冷却部電極の内の一方は分割電
    極として各別に熱電変換材料薄膜に取り付けたことを特
    徴とする薄膜熱電変換装置。
  3. 【請求項3】 請求項1および請求項2の内の何れかに
    記載される薄膜熱電変換装置において、 薄板状支持体或はフィルム状支持体は絶縁材料により構
    成したことを特徴とする薄膜熱電変換装置。
  4. 【請求項4】 請求項1および請求項2の内の何れかに
    記載される薄膜熱電変換装置において、 薄板状支持体或はフィルム状支持体は導電体フィルム表
    面に絶縁膜をコーティングしたものより成ることを特徴
    とする薄膜熱電変換装置。
  5. 【請求項5】 請求項1ないし請求項4の内の何れかに
    記載される薄膜熱電変換装置において、 熱電変換素子は長さ方向に蛇行屈曲せしめたものである
    ことを特徴とする薄膜熱電変換装置。
  6. 【請求項6】 請求項1ないし請求項5の内の何れかに
    記載される薄膜熱電変換装置において、 熱源電極および冷却部電極はメッシュ状電極であること
    を特徴とする薄膜熱電変換装置。
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