JPWO2005117154A1 - 高密度集積型薄層熱電モジュール及びハイブリッド発電システム - Google Patents

Abstract

本発明は、薄層熱電素子対ユニットを高密度集積型モジュール化することによって、種々の用途への適応性を向上させる。そのために、フレキシブルな熱絶縁性電気絶縁性のシート上に多数のＰ型及びＮ型薄層熱電半導体素子対ユニット並に薄層電極を形成し、熱電効果を向上させるため、熱電半導体素子対ユニットを夫々両面から挟み込むように、かつ低温側と高温側とをオーバーラップするように電極を形成して、電極と熱電半導体素子ユニットとの接触面積が広くなるようにし、シートを折曲げ又は巻き込んで、立体的に加工し、高密度集積型薄層熱電モジュールとする。隣接する熱電素子ユニット間に空気層又は熱絶縁体の層を介在させ、又シート状フィルムで周囲を防湿兼防汚シールしてもよい。

Description

本発明は、比較的低温（常温域）から約８００℃近い高温までの範囲において熱電効果を利用する薄層熱電モジュールと、そのようなモジュールを用いたハイブリッド（複合）発電システムに関する。熱電効果とは、熱電半導体のゼーベック効果、ペルチェ効果、またはトムソン効果の総称であり、したがって、本発明は、熱電半導体又はそれを用いた発電装置もしくは冷却／加熱装置の技術分野に属する。

熱電装置は、図１３に示すように、基本型として、Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とそれらを接合する電極とからなる「π構造」を有する。「π構造」を有する熱電半導体モジュールは、その両端の電極に挟まれた間に温度差（ΔＴ）をとると、ゼーベック効果により熱発電をし、熱電半導体素子のに電流を流すとペルチェ効果により電子が移動し、吸熱サイドと放熱サイドができる。「π構造」は、Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子と電極とが、１対又は交互に複数、電気的には直列に接続され、熱的には低温サイドと高温サイドが上下に別れて並列に形成される。低温サイドと高温サイドに熱エネルギー（温度差ΔＴ）を供給すればゼーベック効果によって図１３（ａ）のように発電装置となる。又電気的に直列な回路に電源を供給すれば図１３（ｂ）のようにペルチェ効果によって冷却装置又は加熱装置になる。

基本的事項として、π構造が必要であることを説明する。熱電素子のゼーベック効果モデルにおいて、素子中の２点間に温度差が与えられた場合、多数キャリヤは低温側に拡散し、図１４のように、高温サイドから低温サイドに向かう電界が生じる。キャリヤが移動すると、平衡が保たれ、素子両端に電位差が生じる。ここで両熱電半導体間に負荷を接続すると、電流が負荷に流れ、負荷の両端に電位差ができる。一方、高温側接続点へ入ってきた熱はリード線を伝わって逃げるので、リード線を低温側へ接続することにより、Ｐ型熱電半導体素子の熱起動電力はＮ型熱電半導体素子の多数キャリヤの移動とは逆であるため、π型構造をとるように、Ｐ型，Ｎ型熱電半導体を構成することによって、電気的には直列に、熱的には並列に、接続することができる。

これまで、熱電装置を構成するπ構造は、剛構造とすることが当然という認識の中で、研究されてきた。スタンダードな製品としては、４ｃｍ角の板の間にＰ／Ｎ熱電半導体素子ペア１２７個をπ構造ユニットとして整列させたものがある。

従来の熱電装置は、インゴット又は焼結されたものから所定のサイズにスライス加工したチップを所定の電極上に整列させ、半田工程を経て一体化された熱電素子モジュールとされるのが一般的であった。剛構造の熱電モジュールは、量産性が劣り、また熱歪みによって寿命にばらつきが生じ、信頼性に問題ができ、性能向上は、低迷状態であった。

熱電素子の性能向上ははかばかしくなく、熱電材料の特徴を表す因子であるＺ値を向上させるしかないとまで言われており、事実、熱電半導体材料に関する提案もなされている（特許文献１）。しかし、Ｚ値は電気伝導率に比例しかつ熱伝導率に逆比例する値である。ふつう、電気伝導率の高い材料は熱伝導率も高い性質を持つ。このことが、Ｚ値を所望の値にすることを難しくし、現在に至るも大きな改善が見られない。

また、現状では、ゼーベック熱電発電装置として、低温領域向けのものは少ない。製鉄所や発電所の炉熱に向けて、非常な高熱下の利用が研究されているものが多い。

本発明以前の、又は参考となる先行技術を挙げる。特許文献１は、Ｚ値の高い熱電材料に関する。特許文献２は、高集積熱電アレー発電モジュールに関する。特許文献３は、太陽電池に温水タンクおよびペルチェ発熱素子ユニットを適用する技術である。
特開２００１−２２３３９２号公報 特開２００２−１７１７７５号公報 特開平１０−２９２９５３号公報

本発明の課題は、比較的低温領域から１０００°Ｃ近い高温域まで使用できる集積型薄層熱発電モジュールを提供することにある。また、ペルチェ効果による冷却／加熱手段として利用する場合、現在難問題とされる耐久性、熱膨張による歪破壊寿命やにばらつきの問題を解消することをも課題とする。より具体的には、熱電半導体の特性を生かしつつ熱電効果の効率を向上させるには、第１に、集積化によってトータル発電量を向上させること、第２に、薄層熱電半導体の電極との接触面積を広くして電流密度を大きくすること、そして第３に、熱放散、熱貫流のロスを防ぐ構造を提供する必要がある。

π構造の素子サイズ（長さ、幅）を、発電効率が最大となるようにするには、モジュールの内部抵抗を低く設定することが考えられる。モジュールの内部抵抗を低く設定すると、見かけ上発電量が向上するようにみえるが、同時に、ジュール熱と熱伝導によるロスを考慮しなければならない。ジュール熱は、電気抵抗のある物質に電流を流すとき発生し、熱伝導は、熱電素子内の温度勾配があると素子を伝わって熱の流れを生じるものである。ゼーベック効果、ペルチェ効果およびトムソン効果は可逆現象であるが、ジュール熱と熱伝導は非可逆現象である。薄層熱電モジュールとしての熱の収支関係は、可逆現象と非可逆現象との複合作用であり、非可逆現象の部分がゼーベック効果、ペルチェ効果の能力を低下させる要因になりやすい。

Ｐ型及びＮ型熱電半導体を対にして接合した回路では、電気抵抗が低く熱伝導率が高い異種金属（銅の電極）を介してπ構造を形成するとき、電極の温度は、熱電半導体素子接合部と等しく、Ｐ型とＮ型の熱電半導体に発生する多数キャリヤの移動方向は同じになる。このことは、電気的には直列に、熱的には並列になるようにπ構造を形成したとき、ジュール熱および熱伝導に関する熱の移動が最小となって、熱の放散による損失がなくなることを意味する。これは、多数集積化における発電量向上に必要な条件となる。

したがって、本発明の主要な課題は、π構造を基本として、多数の薄層熱電半導体ユニットを集積することによって、トータルの発電量を向上させるとともに、熱歪みやそのばらつきの問題を最小にする手段を提供することである。

本発明の第２の主要な課題は、熱電半導体素子と電極との接触面積を広くする具体的手段を提案することである。そのために、改良された電極の形態および熱電半導体素子の形態、電極との接触関係を提供することである。

更に本発明の第３の課題は、熱放散、熱貫流によるロスの少ないπ構造の形状、構造を提案することである。

本発明は、前記主要な課題であるπ構造の熱電素子を、従来の剛構造ではなく、薄層ベースとする（「薄層」は、いわゆる薄膜又は厚膜を含む）ことによって解決する。薄層の特徴であるフレキシビリティ、量産、ローコストを達成するものである。すなわち、柔軟な熱絶縁性で電気絶縁性のシート上に、多数のＰ型、Ｎ型熱電半導体素子の対およびそれらを接合する電極を、薄い層のパターンとして、１列又は複数列形成し、そのシートを適宜ジグザグに折曲げ又はスパイラル（渦巻）に巻き込んで、立体構造に加工した中に多数のπ構造を形成し、高密度集積型薄層熱電モジュールとするものである。

本発明においては、主要な課題である熱電半導体素子と電極との接触面積を広くする具体的手段として、電極の形態を、熱電半導体素子端面から素子の側面にまで広げて挟むように、あるいは囲むように設けることにより、電極面積を実質的に大きくし、電極面積に応じた自由キャリヤがゼーベック効果によって形成され、熱起電力を生じる。また、電極が接合される熱電半導体の表面を平面でなく、波型や孔あき構造とすることで、熱電半導体素子と電極との実質的な接触面積は、さらに広くすることができる。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールは、また、熱電半導体素子の任意の位置において、ドットホールを有する構造とし、熱電半導体素子ユニットと電極との接触面積を積極的に大きくすると共に、熱電半導体素子ユニットの抵抗調整が出来ることが望ましい。

高密度集積型薄層熱電モジュールにおいては、隣接する熱電素子ユニットを完全に密着させようとしても、ユニット間に空隙ができるものである。しかし、本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールにおいては、隣接する熱電素子ユニット間にできてしまう空隙を、積極的に熱絶縁体の層として利用し、このような空気層等を介在させることによって、内部ユニット間に熱絶縁性をもたせ、熱放散、熱貫流の問題を解決した。熱絶縁体の層としては、真空、空気、その他熱伝導率の低い材料がある。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールのさらに別の大きい特徴は、熱電半導体素子と薄層電極との接合面において、熱電半導体素子の表面を非平面に、すなわち波型、櫛型、あるいはドットホール構造とすることによって、接触面積を実質的に拡大して、電流密度を大きくすることができたことである。さらに、製造工程において非平面の形状、たとえばドットホールやスリットを変更することによって、熱電半導体素子の抵抗値を任意に調整することができるようにしたことである。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールにおいて、高温側と低温側との熱貫流の問題を解決する手段として、熱電半導体素子をくびれ構造とすることを提案する。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールにおいて、シート状フィルムで周囲の一部又は全部をシールして、防湿防塵を兼ねることができる。

柔軟なシートの上に熱電モジュールパターンを形成したうえで立体構造とすることにより、柔軟性と適応性を併せ持った熱電半導体素子モジュールをベースとし、種々の立体的加工をする事によって、熱電半導体素子を高密度に集積させた薄層熱電素子モジュールを構成することができる。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールのスパイラル構造やジグザグの構造により集積化した大きい効果は、多数の熱電半導体ユニットを効率的に集合集積させたので、単位面積あたりの効率を上げることができ、小型のデバイスによって高いゼーベック効果及びペルチェ効果が得られることである。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールのさらに大きい効果は、ベースであるシートの素材が柔軟であるとともに、その上に熱電半導体や薄層電極からなる構造をスパイラル構造やジグザグの構造によって集積した結果、立体構造とした状態においても猶、柔軟性を有するものとすることができたことである。そのため、剛構造が持っていた耐久性や、熱膨張による歪破壊の問題が解消される。

本発明においては、熱電半導体素子及び電極を薄い層とし、柔軟な構造を実現したので、これを種々の機器に付加する場合、モジュールのサイズや形状、数を適宜選ぶことによって、種々の機器への用途に対しても、うまく適応させることができる。用途である機器が種々のサイズや凹凸などの形状構造を持っていても、モジュールを多数、種々のサイズ準備し、用途である利用機器に合うように、組み合わせて配置することができる。

高密度集積型薄層熱電素子は、その製造において、パターン化技術を利用しており、量産によりローコストを達成する。

（実施例１）スパイラルに立体加工する本発明実施例 （ａ）は片面の電極のパターン （ｂ）は熱電半導体素子および片面の電極のパターン （ｃ）は両面電極により熱電半導体素子を接合した図 （ｄ）はスパイラルに加工した略図 （ｅ）はスパイラルに加工した実体図 （実施例２）１列ジグザグに立体加工する本発明実施例 （ａ）は片面の電極のパターン （ｂ）は熱電半導体素子および片面の電極のパターン （ｃ）は両面電極により熱電半導体素子を接合した図 （ｄ）は断面図 （ｅ）はジグザクに加工した略図 （実施例３）横複数列ジグザグに立体加工する本発明実施例 （ａ）は複数列の両面電極により熱電半導体素子を接合した図 （ｂ）はジグザグに加工した略図 ジグザグ加工するシートパターンとその断面、及びジグザグ加工した部分を拡大した実施例３ （実施例４）薄層熱電半導体素子と薄層電極との接触面積を広くする実施例の薄層熱電半導体素子の薄層の厚みに平行な断面の図 （ａ）は薄層電極によって熱電半導体素子を挟み又は囲む実施例 （ｂ），（ｃ）は熱電半導体素子の表面を非平面とする実施例 （ｄ）は熱電半導体素子をドットホール構造を設けた実施例 （ｅ）は熱電半導体素子にスリットを設けた実施例 （実施例５）スパイラル加工する実施例を量産する手法を示す。 （実施例６）ジグザグ加工する実施例を量産する手法（ａ）（ｂ）を示す。 （実施例７）熱電半導体素子の抵抗値を調整し、高温サイドと低温サイドとを熱遮断する実施例 （ａ）は熱電半導体素子にスリット又はドットホールを設ける実施例 （ｂ）は熱電半導体素子をくびれ形状にした実施例 （実施例８）図１のスパイラルに立体加工する実施例において熱電半導体素子をくびれ形状にした例 （実施例９）図２，図３のジグザグに立体加工する実施例２，３に適用して熱電半導体素子をくびれ形状にした例 （実施例１０）ソーラーセル発電装置と薄層熱電モジュールとを組み合わせた本発明実施例 （ａ）はソーラーセル発電装置の略図 （ｂ）は薄層熱電モジュールの略図 （ｃ）はソーラーセル発電装置と薄層熱電モジュールとを組み合わせた本発明実施例 （実施例１１）ソーラーセル発電装置と薄層熱電モジュールとを組み合わせた本発明複合発電システムの裏面略図（ａ）および横断面図（ｂ） 温度範囲の異なる薄層熱電モジュールを多段に組み合わせた本発明実施例（ａ）および熱電半導体素子の温度特性略図（ｂ） 既存の熱電装置の説明図 （ｂ）はπ構造による加熱／冷却装置の原理図 （ａ）はπ構造による発電の原理図 既存の熱電装置の熱電半導体素子における電子移動の説明図

符号の説明

１ Ｐ型又はＮ型熱電半導体素子
２ 薄膜電極
３ シート
４ 伝熱板（放熱部、集熱部）
５ 防湿、電気絶縁、断熱層
６，７ 折曲線
８ 切断線
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 薄層熱電モジュール
７１ スリット
７２ 孔あき（ドットホール）構造
７３ くびれ形状
１００ ソーラーセル（ソーラー瓦）
１０１ 強化ガラス
１０２ 透明電極
１０３ ＰＮ接合
１０４ ソーラーセルの電極
１０５ ボトムベース
１０６ 高温側ベース
１０７ 電気絶縁性熱良導体
１０８ 低温側ベース

熱絶縁性且つ電気絶縁性で柔軟な縦長の薄いシートの上に、Ｐ型熱電半導体素子の薄層及びＮ型熱電半導体素子の薄層を縦方向に交互に配し、シートの片方縁部にＰ型からＮ型へ熱電半導体素子を接合する薄層電極を、シートの反対側縁部にＮ型からＰ型へ熱電半導体素子を接合する薄層電極を夫々設けて、多数縦続するπ構造熱電ユニットをシート上に形成し、シートをスパイラル（渦巻）に巻き込むことによって、円柱状ないし角柱状の立体に加工し、立体の電極の集まる２面を夫々低温サイド及び高温サイドとしたことを特徴とする高密度集積型薄層熱電モジュール。

熱絶縁性且つ電気絶縁性で柔軟な薄いシートの上に、縦方向に、Ｐ型熱電半導体素子の薄層、Ｎ型熱電半導体素子の薄層および各熱電半導体素子を接合する電極の各薄層を一列又は複数列に配置し、電極のほぼ中央部を横方向の線に沿ってジグザグ（蛇腹、波状）に折曲げることにより多数のπ構造熱電ユニットを立体として縦続させて形成し、立体の横方向折曲げ線の集合する２面が夫々低温サイド及び高温サイドとなるようにしたことを特徴とする高密度集積型薄層熱電モジュール。

熱電半導体素子に薄層電極を接合する際、電極は熱電半導体素子の端面から側面にかけて熱電半導体素子を挟み又は囲むようにし、かつ又は熱電半導体素子の電極と接する部分の面を非平面にして、電極と熱電半導体素子との接触面積を広くすることにより、電流密度が大きくなるようにしたことを特徴とする前記スパイラル又はジグザグ型の高密度集積型薄層熱電モジュール。

さらに、各熱電半導体素子の薄層は低温サイドと高温サイドの中間部にくびれた形状、スリット及び／又はドットホールを持たせ、必要に応じて周囲の一部又は全部を断熱性（空気又は真空を含む）、電気絶縁性、防湿性の材料によってシールし、熱貫流ロスを少なくした上記の高密度集積型薄層熱電モジュール。

図１は、高密度集積型薄層熱電モジュールを、スパイラルに立体化加工する本発明の実施例１である。１はＰ型およびＮ型熱電半導体素子、２は薄層の電極、３は熱絶縁性で電気絶縁性の柔軟なフィルムシートで、この例では縦長である。４は板状の放熱部又は受熱部４であり、薄層の電気絶縁層を介してもよい。薄層電極２は、フィルムシート３に印刷、蒸着等の方法でパターンを形成する。

熱絶縁性且つ電気絶縁性で柔軟な縦長の薄いシート３の上に、図１（ｂ）のように、Ｐ型熱電半導体素子及びＮ型熱電半導体素子２の薄層を、縦方向に交互に連続するパターンとして印刷又は蒸着によって形成する。電極２は、図１（ａ）の太字のように、シートの左右両縁部にやはり印刷、蒸着等によってパターン形成する。シートの片側縁部の電極パターンは、Ｐ型からＮ型へ熱電半導体素子２を接合し、シートの反対側縁部の電極パターンは、Ｎ型からＰ型へ熱電半導体素子２を接合する。こうして、図１（ｃ）のように、縦長のシート３の平面上に多数連続してπ構造熱電ユニットが形成される。図１（ｄ）は（ｃ）をスパイラルに巻き込んだ略図、（ｅ）は（ｄ）の側面であるが、上の各図より小さく記載している。次に、シートを図１（ｆ）は丸型スパイラルに巻き込み加工することによって、円柱状に加工したものである。円柱でなく、角柱（四角、六角など）の立体でもよい。この立体が高密度集積型薄層熱電モジュールであり、電極が集まった図の上面と下面とが夫々低温サイド及び高温サイドとなる。高密度集積型薄層熱電モジュールの低温サイド及び高温サイドは、１対の伝熱板４（放熱部、受熱部）によってサンドイッチ状に挟み、後述する図１０のように、伝熱板４を介して、利用機器に装着し、発電装置、冷却あるいは加熱装置として動作させる。

モジュールは、板部４を介して熱エネルギーの授受を行う。このようなパターンにより、数百から数千の対を持った熱電素子とすることもできる。発電装置として利用するときは、両端から引き出した電極から、バッテリーに蓄電するか、利用機器へ電気的に接続する。

実施例１で用いる熱電半導体素子２の材料は、ＢｉＴｅＰｂ（低温〜２００℃）や鉄シリサイド（３００〜７００℃）等である。ベースとなるシート３は、電気絶縁性、断熱性、防湿性のもので、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、ふっ素樹脂、シート状セラミックなどがある。電極は銅など導電率の高い材料がよい。なお、以下の実施例でも同じ材料を用いることができる。

図２は、本発明の実施例２であり、高密度集積型薄層熱電モジュールを、縦長のシート３をジグザグ（蛇腹、波状）に立体に加工する、説明のため付した番号は実施例１と同じであるが、フィルムシート３は必要に応じて多数の横方向に折曲げ加工可能な部分６，７を持もたせるとよい。この実施例２では、熱絶縁性且つ電気絶縁性で柔軟な縦長の薄いシートの縦方向に、図２（ｂ）のように、Ｐ型熱電半導体素子、電極、Ｎ型熱電半導体素子、電極のように薄層を一列に配置する。更に電極を、その両隣のＰ型熱電半導体素子からＮ型熱電半導体素子へ、又はＮ型熱電半導体素子からＰ型熱電半導体素子へ接合する。電極のほぼ中心部を横方向の一点鎖線６，７に沿ってジグザグに折曲げることにより、多数のπ構造熱電ユニットが立体として形成される。断面図（ｄ）では矢印のところで折曲げる（図は厚みを誇張して描いてあるが、電極は薄い層である）。この立体加工してなる高密度集積型薄層熱電モジュールは、一点鎖線の折り曲げ部分６，７は一つおきに上面及び反対の下面に集まり、夫々低温サイド及び高温サイドになる。伝熱板４については、先の実施例１同様、必要に応じて取り付け、利用機器に装着する。なお、図示していないが、フィルムシートの電極を設ける箇所に、等間隔に電極よりわずか小さい穴をあけておき、シートの表と裏とから電極を蒸着させて、熱電半導体素子を挟むように固定してもよい。（←？）

図３の本発明実施例３は、図２の実施例同様、Ｐ型熱電半導体素子、電極、Ｎ型熱電半導体素子、電極の薄層を列に配してジグザグに立体化加工するものであるが、この実施例では前記列は、複数列とし、列の両端で電流方向をターンさせる電極を設けている。ベースのシートは、方形など２次元に広がったものとする。電極は、同じ列上の両側にあるＰ型熱電半導体素子からＮ型熱電半導体素子に、又はＮ型熱電半導体素子からＰ型熱電半導体素子に、接合をするものであることも実施例２と同じである。ただし、熱電半導体素子のＰ型、Ｎ型の配置順および利用時印加する電源の極性方向を考えて、高温サイドおよび低温サイドが、列を横断する横方向の一点鎖線６，７の上に交互に（上下に）揃って並んで形成されるようにしなければならない。そのため、図３（ａ）のパターンでは、左端および右端を交互に電流をターンさせている。各列の最初と末尾とは、次の列と接続できるように、パターンの蒸着を施す。このようなパターンを形成して、図３の横方向の破線に沿ってジグザク（蛇腹又は波状）に折曲げると、多数のπ構造熱電ユニットが立体として縦横に形成され、かつ低温サイドを例えばその折曲線の集まった上面に、また高温サイドを逆の折曲線が集まった下面に、揃えることができる。

図３のモジュールも、熱伝板４を設けて両側から挟み、絶縁筐体の中に両端電極側を多少空けてセットする。そして、両端電極からリード線を引き出して、高密度集積薄層熱電モジュールとする。図３ｃは、ジグザグ加工する前のシートパターン（図の左）とその断面（図の左下）、ジグザグ加工した部分を拡大したもの（図の右）を実施した寸法（ｍｍ）も入れて記載したものである。

図４の本発明実施例４は、集積化による効果をさらに有効にする。すなわち、電極と熱電半導体素子との接触面積を実質的に広くすることにより、電流密度が大きくなるようにした本発明の実施例を、熱電半導体素子の薄層の厚みに沿ってスライスする断面として描いている。図４（ａ）の実施例では、熱電半導体素子に薄層電極を接合する際、単に両端部でそれらを接合させるのでなく、電極によって熱電半導体素子の端面から側面にかけて熱電半導体素子を挟み又は囲むようにする。

図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）の実施例４では、さらに、熱電半導体素子に薄層電極を接合する際、熱電半導体素子の電極と接する部分の面を非平面にして、熱電半導体素子と電極との接触面積を実質的に広くすることにより、電流密度が大きくなるようにした。すなわち、熱電半導体素子の接合部の形状を、図４（ｂ）（ｃ）（ｅ）のように凹凸、櫛形、波形、あるいは（ｄ）のように孔あき（ドットホール）などの構造とし、電極はそれら非平面に合わせて接合する。図４の（ｂ）〜（ｅ）の実施例は、任意に組み合わせることができる。又、後に述べる実施例７（図７，８，９）とも組合せることができる。

前記図１の実施例１の集積された薄層熱電モジュールは、製造手順として、図５の実施例５のように方形のシートにパターン形成し、図５の一点鎖線８で切断することによって、量産することができる。

前記図２の実施例２も、量産のために、図６（ａ）（ｂ）の実施例６のように、方形のシートに複数列配置し、ジグザグ加工の前又は後、図６の一点鎖線８の部分を切断することができる。同じ製造手順は実施例３においても可能である。

以上図１〜３、５又は６のように集積化し、又図４のように熱電半導体素子と電極との接触面積を拡大することにより、本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールでは、ほぼ同サイズの従来からあるスタンダードな剛構造製品と比較して、総断面積で従来の剛構造装置の熱電半導体素子の１．２倍以上とすることができ、さらに熱電半導体素子と電極の接触面積で従来の約４〜６倍以上にもできる。これらの改良により、熱電半導体素子中を流れる電流密度が高くなり、効率の良い熱電装置を得ることができる。

高密度集積型薄層熱電モジュールから効率的に電力を取り出すために、熱電ユニットにおける熱電半導体素子の抵抗値を最適の値にしなければならない。そのため、図７の実施例７（ａ）のように、熱電半導体素子の任意の場所にスリット７１又はドットホール７２を設け抵抗値を所望の値に調整することができる。

高密度集積型薄層熱電モジュールにおいて、各熱電半導体素子は低温サイドと高温サイドとを断熱する必要がある。そのため、図７（ｂ）のように、両サイドの中間を糸巻きのようなくびれた形状７３とすることができる。

図８は、実施例７（ｂ）と同様、スパイラルに立体加工する実施例１、５において、各熱電半導体素子１の電極と電極との中間をくびれ形状７３として、高温サイドと低温サイド間の熱貫流ロスを減じたものである。

図９も、実施例７（ｂ）と同様、ジグザグに立体加工する実施例２又は実施例３、６において、熱電半導体素子１の電極と電極との中間をくびれ形状７３として、高温サイドと低温サイド間の熱貫流ロスを減じたものである。

断熱性を持たせることは、立体に加工することによって、隣接した位置にくる熱電半導体素子間においても重要である。そのため、立体の内部において、熱絶縁性を高くすることが必要になる。高密度集積型薄層熱電モジュールにおいて、内部のユニット間を熱遮断する熱絶縁性の高い層としては、真空が最も優れているが、空気の層又は熱遮断性材料の層を設けてもよい。なお、ユニット間の空隙は、通常の立体化加工の際、自然にできるものであり、むしろ避けられないものであるが、これを、本発明では、積極的に、熱遮断のために利用することができる。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールは、周囲の一部又は全部をシール又はコーティングして、断熱性、電気絶縁性、を持たせることができる。併せて、防湿、防塵を兼ねる作用がある。

高密度集積型薄層熱電モジュールは、防湿、防塵のためのコーティング層は、電気絶縁性、断熱性、防湿性をもった、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＴＰＸ（ポリ４メチルペンテン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＰＯ（ポリフェニルオキサイド）、独立気泡性ウレタン、有機ナノ発泡樹脂などが適している。これらの材料は、以上および以下のどの実施例でも用いることができる。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールは、一般に廃熱を利用する発電装置として適用することができる。特に、図１０は、次に述べる実施例であるソーラーセル発電装置への応用と説明を兼ねた。図１０（ａ）は既知のソーラーセルの略図１００、（ｂ）は薄層熱電モジュール１０の略図、（ｃ）はソーラーセル発電装置１００と薄層熱電モジュール１０とを組み合わせた図である。ソーラーセルとの組合せについては以下に詳述する。

図１１は、ソーラーセル発電装置１００の背面に本発明の高密度集積型薄層熱電モジュール１０を取り付けた、本発明の複合発電システムの裏面略図（ａ）および横断面図（ｂ）である。ソーラーセル発電装置は、図１０（ａ）に示すように、ボトムベース１０５上に、ＰＮ接合１０３が強化ガラス１０１、透明電極１０２を介して太陽光エネルギーを受け、透明電極１０２およびもう一方の電極１０４間で発電起電力を生じる。ソーラー発電装置では、一般に、集熱部分が太陽光エネルギーによって発熱し、それがソーラー発電の効率を低下させていた。なお、本発明の高密度集積型薄層熱電モジュール１０は、高温側ベース１０６、電気絶縁性熱良導体１０７を介して、熱エネルギーを受けて起電力を生じるものである。

図１０（ｃ）および図１１の本発明の実施例１１では、１つ又は多数の高密度集積型薄層熱電モジュール１０が、ソーラーセル（例えば、「ソーラー瓦」と呼ばれる住宅用屋根建材）と組み合わせられる。そして、太陽の熱により発生する７０℃前後の熱源を集熱し、ゼーベック効果により発電する。同時に、ソーラーセルシステムそのものの発電効率を助ける役目をも果たす。ソーラーセル発電システム（ソーラー瓦）１００の発熱部分に上記本発明の高密度集積型薄層熱電素子１０を取り付けると、高密度集積型薄層熱電モジュールは、ゼーベック効果により、温度差ΔＴに応じて発電するが、ソーラー発電における発熱の相当部分は、高密度集積型薄層熱電モジュールを伝わって、モジュールが発電する電気エネルギーおよびモジュールの放熱部４、低温側ベース１０８から放熱される熱エネルギーとなって逃げてゆき、その結果、ソーラセル１００は温度が低下する。このことは、ソーラーセルに効率のよい小型の放熱手段を付加したことと等しい。ソーラーセルの発熱による能率低下は、本発明の高密度集積型薄層熱電素子の働きにより、発熱が相当量防がれ、太陽光の変動があっても、より安定に発電動作をする。これまでも、ソーラーセルシステムの発熱部分には、水道水を流したり、ファンを利用して冷却し、効率を向上させようとしてきたものが知られていたが、本発明実施例では、このソーラー発電システムにおいて避けられない発熱作用を逆に利用して、発熱解消と発電量の向上とを一度に解決する有効なシステムを構築する。

ソーラー発電システムに、ソーラーセルを住宅の屋根材に適用した、いわゆる「ソーラー瓦」と、本発明によるローコストの高密度集積薄層熱電モジュールを組み合わせ、効率改善と、トータルの発電量を向上させる発電システムとすることができる。ソーラー発電システムの導入コストメリットは、２５０万円／１軒当たりが分岐点と言われている。本発明が提案する熱電発電の併用によって、フレキシブルなフィルムシートを基にした高密度集積熱電半導体素子の相乗効果により、発電量を向上させる。ソーラー発電の効率向上のために、本発明の高密度集積型薄層熱電素子モジュールを、図１１のようにソーラーセルの裏側にセットし、ソーラーセルの発電効率を低下させている輻射発熱源を逆に利用して受熱ゼーベック効果による発電をする。この高密度集積型薄層熱電素子モジュールは、ソーラーセル発電システムと一体構造で製造する事も可能であるが、既設で使用中のソーラー発電に追加して併用しても、大きな効率改善を得ることができる。

本発明のソーラー発電への応用の期待は、これからますます増える。民間需要の早期達成に大きな意味を持ち、京都議定書の達成にも大きく貢献すると考えられる。離島や無電源地帯の２０億人の人々に未来をもたらす大きな財産となる。新しいパーツの開発や多機能化や提案も、本発明の産業上の利用を多く助ける。

店舗や乗り物内の冷房装置向けのソーラーや宇宙開発の電力部品、さらに住宅の前記「ソーラー瓦」や無人販売機の電力、遠隔地の無人情報機器の増幅器や遠隔地のケーブル監視装置などの電源など、数知れない応用がある。

本発明は、広範囲に温度が変化するようなシステムに適用することもできる。図１２に一例を示す。先述したように、熱電材料により、発電量と温度の関係は種々のものがある。図１２（ａ）の実施例は、本発明を複数の温度範囲の異なる熱電材料を用いて多段構成にして、広い温度範囲に使用可能にしたものである。図１２の例では、高密度集積型薄層熱電素子モジュール１０Ａは約８００〜６００℃で使用し、熱電半導体素子としてはＳｉＧｅ化合物を、モジュール１０Ｂは約６００〜２００℃で熱電半導体素子はＰｂＴｅ化合物、あるいはＦｅＳｉ化合物を、そしてモジュール１０Ｃは約２００〜２５℃の範囲でＢｉＴｅ化合物を、夫々用いることができる。各モジュールは電気絶縁熱良導の１０７を介して段構造にし、防湿、電気絶縁、断熱層５によってケーシングを構成することができる。

上の実施例の他にも、本発明の高密度集積型薄層熱電素子モジュールは、種々の形状やサイズで製造することが可能である。複数の形状やサイズのものを準備し、組み合わせて、種々の利用機器に適応させることができる。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールは、効率の良いペルチェ効果冷却装置としても利用可能である。熱電半導体素子のＺ値は現状の能力のままでも、単位面積あたりのゼーベック効果による発電能力又はペルチェ効果による冷却能力が向上する。

本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールは、廃熱利用の発電システムへ付加し、ゼーベック効果を利用して環境にやさしい熱電発電をさせることができる。

本発明は、集積技術を利用した薄層熱電素子モジュールであって、柔軟性を持つ構造によって応用性を向上させることにより、ゼーベック効果やペルチェ効果の利用として、発電だけでなく、冷却や加熱の用途においても、利用先の諸条件に合わせたモジュールの組み合わせを可能とする。機能的には、薄層パターンを変更すれば、カスタム化に容易に貢献対応でき、利用範囲も広がる。もちろん、上記Ｚ値を向上させる技術が開発されれば、応用して効率改善が期待できる。

本発明は、熱電半導体素子及び電極を薄い層とし、柔軟な構造を実現したので、これを種々の機器に付加する場合、モジュールのサイズや形状、数を適宜選ぶことによって、種々の機器への用途に対しても、うまく適応させることができた。用途である機器がどのようなサイズや凹凸などの形状構造を持っていても、本発明の高密度集積型薄層熱電モジュールを多数、種々のサイズに製造して準備し、用途である機器に合うように、組み合わせて配置することができる。

本発明は電力需要対策としてだけでなく、地球環境にも大きく貢献する。ゼーベック効果では、用途機器に対する本発明の向上した適応性を生かし、さらに製造方法を適宜変更させれば、炉熱や車の廃棄熱利用の分野にも大きく貢献できる。ペルチェ効果を利用する分野への効果としても効率の改善技術の行き詰まりに大きく貢献するばかりでなく、製造の困難さの問題をも改善し、大きなコストメリットを生み出すことができる。

Claims (7)

1. 熱絶縁性且つ電気絶縁性で柔軟な薄いシートの上に、Ｐ型熱電半導体素子の薄層及びＮ型熱電半導体素子の薄層を縦方向に交互に配し、シートの片方縁部にＰ型からＮ型へ熱電半導体素子を接合する薄層電極を、シートの反対側縁部にＮ型からＰ型へ熱電半導体素子を接合する薄層電極を夫々設けて、多数縦続するπ構造熱電ユニットをシート上に形成し、シートを巻き込むことによって、円柱状ないし角柱状の立体に加工し、立体における電極の集まる２面を夫々低温サイド及び高温サイドとしたことを特徴とする高密度集積型薄層熱電モジュール
2. 熱絶縁性且つ電気絶縁性で柔軟な薄いシートの上に、縦方向に、Ｐ型熱電半導体素子の薄層、Ｎ型熱電半導体素子および各熱電半導体素子を接合する電極の各薄層を一列又は複数列に配置し、電極のほぼ中央部を横方向の折曲線に沿ってジグザグに折曲げることにより多数のπ構造熱電ユニットを立体として縦続させて形成し、立体の横方向前記折曲線の集まる２面が夫々低温サイド及び高温サイドとなるようにしたことを特徴とする高密度集積型薄層熱電モジュール
3. 熱電半導体素子の薄層に薄層電極を接合する際、電極は熱電半導体素子の端面から側面にかけて熱電半導体素子を挟み又は囲むようにして、電極と熱電半導体素子との接触面積を広くすることにより、電流密度が大きくなるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２の高密度集積型薄層熱電モジュール
4. 熱電半導体素子の薄層に薄層電極を接合する際、熱電半導体素子の電極と接する部分の面を非平面にして、熱電半導体素子の薄層と電極との接触面積を実質的に広くすることにより、電流密度が大きくなるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の高密度集積型薄層熱電モジュール
5. 各熱電半導体素子の薄層は低温サイドと高温サイドの中間部にドットホール、スリット及び／又はくびれた形状を持たせて熱貫流を小さくするとともに、熱電半導体素子の薄層の抵抗値を調整することを特徴とする請求項１ないし請求項４の高密度集積型薄層熱電モジュール
6. 高密度集積型薄層熱電モジュールを形成する部分間又は全体に、真空、空気層及び／又は熱絶縁性且つ電気絶縁性の高い層を有する請求項１ないし請求項５の高密度集積型薄層熱電モジュール
7. ソーラーセル発電装置とその背面に取り付けた１以上の高密度集積型薄層熱電モジュールとを含み、高密度集積型薄層熱電モジュールは前記請求項１ないし請求項６の構成であることを特徴とするハイブリッド発電システム

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