JPH11225490A

JPH11225490A - 熱電変換モジュール及び電子機器

Info

Publication number: JPH11225490A
Application number: JP10294267A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Sudo; 修三須藤; Minao Yamamoto; 三七男山本; Yasushi Nakabayashi; 靖中林
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】熱勾配を利用して発電する熱電素子の熱変換
効率の低下を防止し、あるいは、その機械的強度を高め
る構成を提供する。【解決手段】熱勾配の発生する機器のフレームの少な
くとも一部を熱電素子で構成する。例えば、フレームに
熱勾配の生じる方向と平行に設けられた穴に、Ｐ型とＮ
型の熱電半導体素子を電気的に接続した熱電素子を挿入
して、接着剤で固定封止する。このような構成により、
熱電素子の強度が保て、逆にフレームの強度を補うこと
となる。この時、Ｐ型とＮ型の熱電半導体の接合部分は
フレーム上下部分になり、熱勾配が生じるとフレーム上
下で温度差を生じ電力が発生する。したがって、機器に
生じた熱勾配を用いて、機器自体に供給できる電力を発
生させることが可能で、かつ、合理的な機器構成を実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ効果を利
用し電気的に冷却もしくは加熱を行う、あるいはゼーベ
ック効果により温度差から熱発電を行う熱電変換モジュ
ールに関する。詳しくは、熱勾配のある機器に搭載さ
れ、その熱を利用する熱電変換モジュール、及びその熱
電変換モジュールを有する電子機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱を電気に変換、あるいは電気を熱に変
換する熱電素子の一般的な概略構造を図９に示す。図９
に示すように、Ｎ型熱電半導体３５およびＰ型熱電半導
体２５は接続電極４５によって挟み込まれるとともに、
交互に電気的に直列接続されている。また、外部へ接続
するための接続電極板４５を両端部に設けている。そし
て、接続電極４５に熱伝導率の高い絶縁基板７を貼り付
けて熱電素子を機械的に保持する構成をとる。

【０００３】上記の構成では、熱電素子の両端にある外
部への接続電極４５に直流電流を流すと、接続電極４５
とＰ型Ｎ型熱電半導体３５、２５の接触する面で吸熱ま
たは発熱が起こり、熱電素子５５の表裏に温度差をつけ
ることが可能となる。逆にＰ型Ｎ型の各熱電半導体３
５、２５の両側の接続電極４５に温度差があると電力を
取り出すことが可能である。

【０００４】この熱電素子５５を熱勾配の発生する機器
に組み込んだ場合には図１０のような構成となる。熱勾
配０が図１０に示すような方向のとき、熱電素子５５の
上下に熱伝導板８５２、８５１を設けてこれらの熱伝導
板を機器のフレーム９５の上下に接合する。このような
構成によれば、フレーム９５についた熱勾配０が熱伝導
板８５１、８５２を介して熱電素子５５に作用するため
発電する、あるいはフレーム９５の熱勾配を無くすよう
に熱電素子５５に電流を流してフレーム９５の熱勾配０
を解消することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の、
個別に設計して組立てられた熱電素子をフレームに外付
けする構成では、フレームと熱電素子との間にある程度
のスペースを確保せざるを得ない。さらに、機器内に熱
電素子のためのスペースを設ける必要があるので、機器
自体を小型化するためには不利である。また、熱伝導板
を外付けすることにより発生する応力やその他のねじれ
や機器内からの振動などの外力が加わるので、熱電素子
にはある程度の機械的強度が必要となる。このため、脆
い材料である熱電半導体を何らかの方法により機械的強
度を向上させる必要がある。このために、熱電素子の変
換効率を落としてしまう可能性が高い。また、図１０の
ような構成では、上下の熱伝導板に挟まれたフレームお
よび熱電素子、その間の空間の熱伝導という３つの熱の
流路があり、熱的な最適設計と構造的な問題を同時に解
決することは困難であった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、熱勾配の発生
する機器の支持体であるフレームあるいはケースの機械
的強度と熱電素子の機械的強度とを共有させる。具板的
には、熱電素子の構成部品をケースあるいはフレームの
極近傍に配置して、外力に対して構造的に一体化を図
る。このため、お互いに独立して十分な機械強度を保つ
必要がなく、熱伝導性の高い補強物質を必要以上用いず
にすむため、熱的な特性を犠牲にすることはない。たと
えば、熱電素子だけでフレームが構成されれば熱の流路
は事実上１つであり、熱電素子とフレームで構成すれば
熱の流路は２つとなる。また、熱電素子がフレームと見
かけ上一体となるので、小型化にも柔軟に対応可能とな
る。

【０００７】また、薄膜状の熱電素子を使うことで、熱
電素子の必要強度と重さを最小にでき、機器の小型化が
促進可能である。さらに、薄膜は支持基板なしで独立し
て存在可能な有機膜あるいは金属膜あるいは無機膜ある
いはコンポジットな膜から構成されるので、熱的な設計
を第一として、かつ熱電素子を任意形状に製作できる。

【０００８】さらに、予め断熱材を含めて熱電素子を構
成することにより、大きな機械的強度得られ、フレーム
側の機械的強度を減らすことが可能である。さらに、切
着剤、グリース、熱伝導シートを介して位置決め凸凹に
より熱電素子を熱伝導板に固定することで、熱電素子に
対して余分な機械的強度を必要とはしなくなる。

【０００９】さらに、熱勾配を発生する機器としては低
消費電力が不可欠な携帯機器で、特に消費電力が低い腕
時計に適用させ、かつ人体のエネルギーと機器の主にＩ
Ｃから発生する熱を使うことで省エネの意義が大きくな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の熱電変換モジュールで
は、熱勾配が生じる機器のフレームの一部を熱電素子で
構成している。フレームを成形する時点で、熱勾配の生
じる方向と平行に穴を形成する。ここでの熱電素子はＰ
型とＮ型の熱電半導体素子を電気的に接続して形成され
たものであり、その熱電素子を上述の穴に挿入して接着
剤で固定封止する。そのあと、熱伝導板で熱電素子を挟
みこむように接着剤やグリース、熱伝導シートなどを介
して、熱伝導板を熱勾配の両端に配置させる。この時接
着剤以外での配置ではフレームへの接着あるいはネジ止
めなどの手段を用いる。このとき熱電素子が接着され、
かつ熱伝導板で固定されたことで、フレームでは、大き
な機械的強度が保てている。

【００１１】また、機器の発電効率あるいは冷却効率か
ら考えて、熱電素子がフレームの大部分を占めてしまう
こともありうる。この場合は熱電素子が機械的強度のほ
とんどを受け持つため、フレーム部分は機器の外観を向
上するなどの目的のために設けられる。ここで、Ｐ型と
Ｎ型の熱電半導体の接合部分は熱勾配により温度差を生
じ、電力が発生する。逆に、電圧を印加することによ
り、熱勾配を付けたり解消することが可能である。

【００１２】熱電素子は従来例で説明したような熱電素
子でも構わない。あるいは薄膜上に作製された熱電素子
でも構わない。熱電素子の熱電半導体自体は、焼結体あ
るいは単結晶から切り出されたものでもよいし、半導体
プロセスで作られる薄膜で合成してもよい。また、グリ
ーンシートや印刷、メッキなど安価な製法により提供さ
れるもので構わない。

【００１３】また、フレームに密着可能な膜状熱電素子
を用いて、フレーム形状に合わせてフレーム一体型の熱
電変換モジュールを構成することが可能である。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明による熱電変換モジュールの
実施例を図に基づいて説明する。（実施例１）図１は本発明による熱電変換モジュールの
実施例を示す概略図であり、機器のフレーム９０の一部
を熱電素子５０で構成している。例えば、前述のフレー
ム９０を成形する時点で、熱勾配の生じる方向０に平行
な穴、この場合はフレーム９０に上下方向の穴を形成す
る。熱電素子５０はＰ型とＮ型の熱電半導体素子を電気
的に接続したものからなる。その熱電素子５０を上述し
たフレームの穴に挿入して、例えば接着剤で固定封止す
る。この接着剤で接着されたフレーム９０により、熱電
素子５０の強度が保て、逆にフレーム９０自身の強度を
補っている。接着剤はなるべく熱伝導率の低いものがよ
い。例えば、エポキシ系の接着剤を使用する。他に、例
えば発泡性の接着剤を用いると熱伝導率が下がり、フレ
ーム９０と熱電素子５０の密着性もよくなる。

【００１５】熱伝導板（図示せず）には熱伝導率の高い
接着剤、グリース、シートを介して熱的に接触させる。
このとき、例えば、熱電素子の正確な位置については熱
伝導板に位置決め凸凹を設け、熱伝導板をフレームへの
ネジ止め時に正確に位置決めできるようにしておく。本
実施例では、粘度が低く、かつ低熱伝導で遅乾性のエポ
キシ系接着剤で穴の中に熱電素子５０を導入し、熱電素
子の熱伝導板上に熱伝導グリースを付け上下より熱伝導
板をネジなどで固定している。

【００１６】Ｐ型とＮ型の熱電半導体の接合部分はフレ
ーム９０の上下部分になる。熱の流れる方向０に熱勾配
が生じるとフレーム９０の上下で温度差を生じ、電力が
発生する。逆に電圧を印加することにより、熱勾配を付
けたり解消することが可能である。図１でのフレーム９
０は熱勾配が生じるものであれば何でもよい。例えば、
図３に示す腕時計のフレーム９２に適用することが可能
である。このフレーム９２の部分を熱伝導率の低い有機
樹脂で構成すると、外気温と腕表面に５度程度の温度が
あれば、フレーム９０にある程度の熱勾配を作る事がで
きる。その熱勾配により、数μＷ以上の発電量が得ら
れ、その電力を蓄積して、時計を定常的に動かすことは
可能である。腕時計に限らず、身につける携帯機器のフ
レームやケースにおいても、人体の熱と外気温との温度
差を有効利用することが可能である。

【００１７】また、パソコンなどに搭載されるＩＣ、特
に、ＣＰＵの周辺から発生する熱を利用するために、例
えば、回路ボードを支える支持機材や基板そのものをフ
レームとして適用することができる。大型分析機器など
においても電気回路部、高電圧発生源、冷却の必要な検
出器などの、熱勾配が発生する部分あるいは温度差を必
要とする個所において、実施例が適用可能である。

【００１８】フレーム９２には有機樹脂を用いたが、熱
は熱の流れる方向に沿ってフレーム９０と熱電素子５０
に流れるだけなので、従来例で示したように、熱電素子
とフレームとの間の熱伝導を気にする必要はない。この
ため、フレーム９２は熱伝導率がある程度高い材料、例
えばセラミックや熱電素子５０を埋め込む側面が電気的
に絶縁されている金属材料でもよい。

【００１９】熱電素子５０は図９に示した従来例の熱電
素子５５でも構わない。接着封止の際に、強度を必要と
するなら、Ｐ型熱電半導体２５とＮ型熱電半導体３５と
の間に接着剤を塗り込んで固めた後、フレーム９０に接
着封止してもよい。このとき使用する接着剤の種類は違
っていてもよい。また、接着材の代わりにＰ型熱電半導
体２５とＮ型熱電半導体３５との間にある程度の強度が
保てるような断熱材、例えば多孔質のセラミックなどを
使用することもできる。

【００２０】また図４に示すような、絶縁薄膜１０上に
形成したシート状の熱電素子５２をそのまま用いてもよ
いし、図５で示すように複数枚重ねて一つの熱電素子５
３として用いてもよい。絶縁薄膜１０としては、例えば
ポリイミドを使用できる。他にも、有機膜あるいは絶縁
処理した金属膜あるいは無機膜あるいはコンポジットな
膜を使用することもできる。

【００２１】さらに、図６に示すように、Ｐ型熱電半導
体３１とＮ型熱電半導体２１を断熱かつ電気絶縁材１１
でしっかり挟み込んだ構造の熱電素子５４を用いても構
わない。なお、この熱電素子５４の電極は図示していな
い。このときの断熱かつ電気絶縁材１１には、発泡スチ
ロール等の有機発泡材料を使用した。他にセラミック材
なども有効である。有機発泡材料は、熱伝導率が低いの
で熱電素子には有効である。この断熱かつ電気絶縁材の
熱伝導率、厚さを変えることにより、熱電素子の性能と
温度差に合わせた設計をすることが可能である。

【００２２】なお、図１の熱電素子５０には大きさ及び
配置に制限はない。すなわち、発電量や熱設計に合わせ
て、フレーム９０すべてを熱電素子５０で構成してもよ
い。（実施例２）他の実施例について、図２を用いて説明す
る。この場合は、前述した実施例１とは違い、フレーム
９１の機械的強度で熱電素子５１の機械的強度を保つ構
成である。具体的には、図４に示すようにシート状の熱
電素子５２をフレームの形状に合わせて貼り付けてい
る。この時、フレーム９１が絶縁物あるいはフレーム表
面が絶縁処理されていれば、絶縁薄膜１０を介さずに直
接フレーム形状に合わせて熱電素子５１を構成してもよ
い。また、この熱電素子は図２に示すように、フレーム
９１の一部分に貼り付けられるだけでなく、熱的に最適
となるような大きさが可能である。例えば、フレーム９
１内側すべてに構成されてもよいし、さらに２重、３重
に重ねて貼り付けることもできる。（実施例３）さらに、他の実施例を図７に示す。本実施
例では熱伝導板とフレームとの接合について詳しく説明
する。図７（ａ）に本実施例の概略構造を示す。最初の
実施例と同じようにフレーム９３に熱の流れる方向（図
示せず）と平行に穴を空けておく。ただし、熱電素子５
６はフレーム９３の中で予め固定せずに挿入して、位置
決め凸凹８１０のついた熱伝導板８５３、８５４をフレ
ーム９３に接着剤あるいはネジ止めすることで固定す
る。ここで、フレーム９３に設けた位置決め凸凹８１０
により、熱電素子５６は適切な位置に配置される。この
時位置決め凸凹８１０は必要に応じて片側あるいは両側
あるいはなくてもよい。

【００２３】なお、位置決め凸凹８１０の熱電素子接触
部分に熱伝導グリース８２０を塗布して熱的な接触を向
上させている。このため、フレーム９３には熱電素子５
６の部分に余分な圧力がかからないように熱伝導板８５
３、８５４の接着時の空気の逃がしとして、空気抜き穴
８３０を設けている。さらに、熱伝導グリース８２０と
熱電素子５６との密着性が向上するように、図７（ｂ）
に示すように、位置決め凸凹８１０には一部切り欠きを
設けている。なお、前述した熱伝導グリース８２０以外
に接着剤や熱伝導シートなども適用できる。

【００２４】本実施例では熱電素子５６を予め固定しな
いでフレーム９３の穴中に配置させたが、粘度が低く、
かつ熱伝導性の低い接着剤やオイル、グリース等も用い
ることができる。（実施例４）さらに、他の実施例について図８を用いて
説明する。図８は小型携帯機器の裏ブタを兼ねた熱伝導
板をはずした概略図であり、熱電素子５７の配置とフレ
ーム９４と関係を示している。なお、本実施例では熱の
流れる方向は紙面に向かって垂直である。

【００２５】ここではフレーム９４の一部を熱電素子５
７に形状に合わせてフレーム９４上に溝を形成して、小
型携帯機器の内部の容積を大きくしている。この時、熱
電素子５７の固定には小型携帯機器の内部にいれる部品
と兼用の板ばねを用いて、内部からフレーム９４に押さ
えつけることで固定している。もちろん接着剤などを用
いても構わない。この場合もフレーム９４で機械的強度
を保つようにしているので、前述した実施例で述べた熱
伝導板構造と取り付け方法を用いている。ただし、本実
施例では独立した小型携帯機器を構成するため、フレー
ム９４に防水パッキン９０２を設け、ネジ穴９０１によ
り熱伝導板を接合するようにしている。

【００２６】なお、防水パッキン９０２には熱伝導性の
高いグリースを用いて、かつ防水パッキン９０２位置を
熱電素子５７のごく近傍に配置させて、熱伝導と防水を
兼ねる構造としてもよい。なお、本実施例では熱電素子
５７を２つ用いているが、いくつでも構わない。また配
置においても3時9時方向であるが、どの方向でも構わな
い。

【００２７】本発明における熱電素子は、（Ｂｉ，Ｓ
ｂ）−（Ｔｅ，Ｓｅ）の組み合わせでP型、N型熱電半導
体を固溶体合成した後、粉砕して、焼結したものから切
り出して製作した。他の製造方法として、単結晶からの
切り出し、グリーンシートの積層、スラリービルド法、
メッキ法、組成を変化させずに蒸着するフラッシュ蒸着
法、多元素同時蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の真空
蒸着法、印刷、常圧ＣＶＤ等の常圧製膜といった方法で
製作してもよい。

【００２８】また、４つの実施例とも、熱電半導体とし
て（Ｂｉ，Ｓｂ）−（Ｔｅ，Ｓｅ）系材料を使用した
が、もちろんその他の熱電半導体材料、例えばＺｎ−Ｓ
ｂ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料、金属珪化物等の材料を使
用しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
また、本発明における熱伝導グリースとしてはシリコー
ン系のものを用いているが、熱伝導率が高いものであれ
ば何系でも適用可能である。また、熱伝導シートとして
はやはりシリコーン系を基材として、ＢＮやダイヤモン
ド、アルミナ、銀等の粉を含んだものや、グラファイト
等を使用しているが、熱伝導率が高く、柔らかく、復元
力のあるシート状のものであれば適用可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明により、熱電素子
をフレームに外付けしないため、熱電素子とフレームと
の間にある程度のスペースが不必要となり、機器自体の
小型化が可能となった。また、熱電素子がフレーム一体
型となったことで熱電素子に加わる外力をフレームと分
散でき、熱電素子の信頼性が向上した。また、熱電素子
の機械的強度を十分に取る必要がないために、熱電素子
自体の熱設計の最適化が可能となった。また、熱の流れ
はフレームと熱電素子の部分のみとなるので、機器のフ
レームに付いた熱勾配を有効に利用することが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電変換モジュールの一実施例を示す
斜視図である。

【図２】本発明の熱電変換モジュールであり、他の実施
例を示す斜視図である。

【図３】本発明の熱電モジュールを適用した腕時計のフ
レームを表す斜視図である。

【図４】本発明で使用される熱電素子の斜視図である。

【図５】本発明で使用される別の熱電素子の斜視図であ
る。

【図６】本発明で使用される別の熱電素子の斜視図であ
る。

【図７】本発明の熱電変換モジュールの概略構造を示す
断面図である。

【図８】本発明の熱電変換モジュールであり、他の実施
例を示す上面図である。

【図９】一般的な構成の熱電素子の斜視図である。

【図１０】熱電素子がフレームに組み合わされた状態を
示す従来構造の斜視図である。

【符号の説明】

０熱の流れる方向１０絶縁薄膜１１断熱かつ電気絶縁材２０、２１、２５Ｐ型熱電半導体３０、３１、３５Ｎ型熱電半導体４０、４５接続電極５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７
熱電素子７絶縁基板８１０位置決め凸凹８２０熱伝導グリース８３０空気抜き穴８５１、８５２、８５３、８５４熱伝導板９０、９１、９２、９３、９４、９５フレーム９０１ネジ穴９０２防水パッキン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中林靖千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱勾配を利用して電力を発生するあるい
は温度差を解消する熱電素子を備える熱電変換モジュー
ルであって、熱勾配が発生する機器の機械的強度を保つ
支持体が前記熱電素子の機械的強度の一部あるいはすべ
てを補うことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】熱勾配を利用して電力を発生するあるい
は温度差を解消する熱電素子を備える熱電変換モジュー
ルであって、熱勾配が発生する機器の機械的強度を保つ
ための支持体の機械的強度の一部あるいはすべてを、前
記熱電素子の機械的強度が補うことを特徴とする熱電変
換モジュール。
【請求項３】前記支持体の少なくとも一部が、前記熱
電素子の構成部品と共有であり、かつ一体構造をなして
いることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換
モジュール。
【請求項４】前記支持体と、前記熱電素子がお互いに
構成部品を共有せずに、それぞれ別体構造からなること
を特徴とする請求項１または２記載の熱電変換モジュー
ル。
【請求項５】前記熱電素子が薄膜上に成形されたこと
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電
変換モジュール。
【請求項６】前記薄膜は支持基板なしで独立して存在
可能な有機膜あるいは金属膜あるいは無機膜あるいはコ
ンポジットな膜から構成されていることを特徴とする請
求項５記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】前記熱電素子が、p型とｎ型の熱電材料
と、断熱かつ電気絶縁性材料を備えることを特徴とする
請求項１〜４のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】前記支持体の熱勾配を前記熱電素子に伝
える熱伝導板と前記熱電素子との接続は、接着剤あるい
はグリースあるいは熱伝導シートを介して接続すること
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電変換
モジュール。
【請求項９】前記熱伝導板には、接着剤あるいはグリ
ースあるいは熱伝導シートを介して、前記熱電素子の位
置決め用の凹凸を持つことを特徴とする請求項８記載の
熱電変換モジュール。
【請求項１０】熱勾配を利用して電力を発生するある
いは温度差を解消する熱電素子を備える電子機器であっ
て、熱勾配が生じる電子機器の構成部材が前記熱電素子
の機械的強度を補うことを特徴とする電子機器。
【請求項１１】熱勾配を利用して電力を発生するある
いは温度差を解消する熱電素子を備える電子機器であっ
て、前記熱電素子の機械的強度が熱勾配の生じる電子機
器の構成部材の機械的強度を補うことを特徴とする電子
機器。
【請求項１２】前記構成部材の少なくとも一部が、前
記熱電素子の構成部品と共有であり、かつ一体構造をな
していることを特徴とする請求項１０または１１記載の
電子機器。
【請求項１３】前記構成部材の少なくとも一部が、前
記支持体と、前記熱電素子がお互いに構成部品を共有せ
ずに、それぞれ別体構造からなることを特徴とする請求
項１０または１１記載の電子機器。
【請求項１４】前記構成部材の熱勾配が、体温あるい
は機器の発生する熱と外気温度により生じることを特徴
とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の電子機器。
【請求項１５】前記熱勾配が発生する機器が、携帯機
器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載の熱電変換モジュール。
【請求項１６】前記熱勾配が発生する機器が、腕時計
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の熱電変換モジュール。