JPWO2017086271A1 - 熱電変換素子および熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
熱電変換素子は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要としない等の利点を有する。そのため、複数の熱電変換素子を接続してなる熱電変換モジュール(発電装置)は、例えば、焼却炉や工場の各種の設備など、排熱される部位に設けることで、動作コストを掛ける必要なく、簡易に電力を得ることができる。
すなわち、通常の熱電変換素子は、電極で熱電変換層を厚さ方向に挟持し、熱電変換層の厚さ方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換させている。
具体的には、特許文献1には、P型材料およびN型材料で形成された熱電変換層の両面に、熱伝導率が異なる2種類の材料で構成された柔軟性を有するフィルム基板を設け、熱伝導率が異なる材料を、基板の外面で、かつ、通電方向の逆側に位置するように構成した熱電変換素子が記載されている。
さらに、熱電変換層を薄いシート状にできるので、フレキシブル性にも優れ、曲面等への設置も容易な熱電変換モジュールが得られる。
基板に設けられる熱電変換層と、
熱電変換層を覆う被覆層と、
被覆層に設けられる、被覆層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向に第1高熱伝導部と完全に重複しない第3高熱伝導部と、
面方向に熱電変換層を挟んで熱電変換層に接続される一対の電極と、を有し、
第2高熱伝導部は、第1高熱伝導部よりも薄く、さらに、面方向に第1高熱伝導部と離間し、かつ、面方向に熱電変換層および第3高熱伝導部と少なくとも一部が重複することを特徴とする熱電変換素子を提供する。
また、第2高熱伝導部と第3高熱伝導部とを接続する、基板の低熱伝導部および被覆層よりも熱伝導率が高い接続部材を有するのが好ましい。
また、接続部材が、低熱伝導部に設けられる、第2高熱伝導部に接続する第1接続部材と、被覆層に設けられる、第3高熱伝導部に接続する第2接続部材と、第1接続部材および第2接続部材を接続する第3接続部材と、を有するのが好ましい。
また、低熱伝導部に設けられる、第2高熱伝導部に接続する第1補助部材と、被覆層に設けられる、第2補助部材と、第1補助部材および第2補助部材を接続する第3補助部材と、を有し、かつ、第1補助部材、第2補助部材および第3補助部材は、基板の低熱伝導部および被覆層よりも熱伝導率が高いのが好ましい。
また、第3高熱伝導部の熱抵抗が、第1高熱伝導部の熱抵抗よりも小さいのが好ましい。
また、被覆層が粘着性を有するものであり、さらに、貫通しない溝を有する金属製のシートを、溝の少なくとも一部が面方向に第1高熱伝導部と重複するように、溝を被覆層に向けて被覆層に設けた構成を有するのが好ましい。
また、被覆層が、樹脂製のシート、あるいはさらに、樹脂製のシートと熱電変換層との間に設けられる粘着層からなるものであり、第3高熱伝導部が、金属製で、被覆層の熱電変換層と逆側の面に設けられるのが好ましい。
さらに、基板の低熱伝導部が樹脂製であり、第1高熱伝導部および第2高熱伝導部が、金属製で、低熱伝導部の熱電変換層と逆側の面に設けられるのが好ましい。
さらに、熱電変換素子が一次元的もしくは二次元的に配列されており、全ての熱電変換素子に共通な、1枚の基板および1枚の被覆層を有し、第1高熱伝導部、第2高熱伝導部および第3高熱伝導部は、熱電変換層の配列方向および熱電変換層への一対の電極の接続方向と直交する方向に長尺であるのが好ましい。
具体的には、第1基板12の表面には、熱電変換層16が設けられる。また、第1基板12の表面には、熱電変換層16を第1基板12の基板面方向に挟むようにして、熱電変換層16に接続する電極26および電極28(電極対)が設けられる。さらに、第1基板12、熱電変換層16、電極26および電極28を覆うように、粘着層18が設けられ、この粘着層18には、第2基板20が貼着される。
他方、第2基板20も、シート状の低熱伝導部20aと、低熱伝導部20aに設けられる第3高熱伝導部20bとを有する。第3高熱伝導部20bは、粘着層18および低熱伝導部20aよりも熱伝導率が高い。
さらに、後に詳述するが、第2高熱伝導部12cは、第1高熱伝導部12bよりも薄く、さらに、面方向に第1高熱伝導部12bと離間し、かつ、面方向に少なくとも一部が熱電変換層16および第3高熱伝導部20bと重複する。
本発明において、『面方向』とは、第1基板12の基板面方向すなわちシート状の低熱伝導部12aの面方向である。
電極26と電極28との離間方向とは、すなわち通電方向である。以下、電極26と電極28との離間方向、すなわち、通電方向であり、かつ、熱電変換層16における熱伝導方向でもある方向を、『離間方向』とも言う。
すなわち、熱電変換素子10は、前述のin plane型の熱電変換素子であって熱電変換層16の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
この点に関しては、後に詳述する。
従って、以下の説明では、第1基板12と第2基板20とを区別する必要が有る場合を除いて、第1基板12を代表例として説明を行う。なお、第1基板12の第2高熱伝導部12cについては、後に詳述する。
従って、第1基板12の一面は、離間方向の端部から所定領域までが低熱伝導部12aで、残りの領域は第1高熱伝導部12bとなる。また、第1基板12の他方の面は、全面が低熱伝導部12aとなる。
熱電変換素子10では、第1基板12の低熱伝導部12aの第1高熱伝導部12bが形成されていない側の面が、熱電変換層16の形成面となる。また、第2基板20は、第3高熱伝導部20bが形成されていない側の面が、熱電変換層16(粘着層18)側の面となる。
好ましくは、低熱伝導部12aには、樹脂材料からなるフィルムが利用される。低熱伝導部12aに樹脂材料からなるフィルムを用いることにより、軽量化やコストの低下を計ると共に、可撓性を有する熱電変換素子10(熱電変換モジュール)が作製可能となり、好ましい。
中でも、熱伝導率、耐熱性、耐溶剤性、入手の容易性や経済性等の点で、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等からなるフィルムは、好適に利用される。
従って、第1高熱伝導部12bは、低熱伝導部12a(あるはさらに粘着層18)よりも熱伝導率が高いものであれば、各種の材料からなるものが例示される。
第1高熱伝導部12bの形成材料としては、具体的には、熱伝導率等の点で、金、銀、銅、アルミニウム等の各種の金属が例示される。中でも、熱伝導率、経済性等の点で、銅やアルミニウムは好適に利用される。また、可撓性を有する熱電変換素子(熱電変換モジュール)を得られる等の点で、第1高熱伝導部12bには、金属製のシート(金属箔を含む)も、好適に利用される。
なお、本発明において、厚さとは、言い換えれば、第1基板12、熱電変換層16、粘着層18および第2基板20(被覆層)の積層方向のサイズである。また、第1基板12の厚さとは、第1高熱伝導部12bが無い領域の低熱伝導部12aの厚さである。
本発明者らの検討によれば、第1基板12の厚さは、2〜100μmが好ましく、2〜50μmがより好ましい。
例えば、第1基板12において、第1高熱伝導部12bは、面方向において低熱伝導部12aに内包されてもよい。また、第1高熱伝導部12bは、面方向において、一部を第1基板12の端部に位置し、それ以外の領域が低熱伝導部12aに内包されてもよい。
さらに、第1基板12は、面方向に複数の第1高熱伝導部12bを有してもよい。
しかしながら、本発明は、これ以外にも、第1基板12および第2基板20が、共に、第1高熱伝導部12bおよび第3高熱伝導部20bを積層方向の内側に位置する構成でもよい。あるいは、第1基板12が第1高熱伝導部12bを積層方向の外側に位置し、第2基板20が第3高熱伝導部20bを積層方向の内側に位置するような構成でもよい。
なお、高熱伝導部が金属等の導電性を有する材料で形成され、かつ、高熱伝導部が積層方向の内側に配置される構成において、高熱伝導部と、電極26、電極28および熱電変換層16の少なくとも1つとが電気的に接続されてしまう場合には、高熱伝導部と、電極26、電極28および熱電変換層16の少なくとも1つとの絶縁性を確保するために、間に絶縁層を設けてもよい。
また、熱電変換層16の上には、粘着層18を介して第2基板20が設けられる。第2基板20は、低熱伝導部20aの第3高熱伝導部20bが形成されていない側の面を熱電変換層16に向けて設けられる。
即ち、両基板の第1高熱伝導部12bおよび第3高熱伝導部20bは、熱電変換層16に対して、面方向に異なる位置に配置されるのが好ましく、第1高熱伝導部12bおよび第3高熱伝導部20bの対面する側の端部を熱電変換層16の離間方向の中心に一致して設けるのがより好ましく、図示例のように、第1高熱伝導部12bおよび第3高熱伝導部20bの対面する側の端部が離間方向に離間するように配置されるのがさらに好ましい。
特に、第1高熱伝導部12bと第3高熱伝導部20bとは、離間方向における熱電変換層16のサイズに対して、離間方向に10〜90%離間させるのが好ましく、10〜50%離間させるのがより好ましい。
例えば、熱電変換層16の形成材料として、ニッケルやニッケル合金を用いる場合や、電極26および電極28の形成材料として、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、白金等を用いる場合には、密着層としては、酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)、クロム、チタン等からなる層が例示される。
また、密着層を酸化珪素等の金属酸化物で形成することにより、第1基板12を通過した水分から熱電変換層16を保護する、ガスバリア層としての作用も得られる。
熱電変換層16に用いられる無機系の熱電変換材料としては(1)BiSbTe、BiSeTe、BiTeなどのBiTe系、(2)CoSb3、Zn4Sb3などのアンチモン(Sb)含有化合物、(3)Mg2Si、β―FeSi2、SiGeなどのシリサイド化合物、(4)SrTiO3、ZnO、TiO2などの酸化物半導体、(5)Fe−Alなどの金属間化合物、(6)ニッケル、ニクロム、クロメル、コンスタンタンなどのニッケル、ならびにニッケル合金などの公知の材料が好適に使用できる。
なお、ニッケル合金は、温度差を生じることで発電するニッケル合金が、各種、利用可能である。具体的には、バナジウム、クロム、シリコン、アルミニウム、チタン、モリブデン、マンガン、亜鉛、錫、銅、コバルト、鉄、マグネシウム、ジルコニウムなどの1成分、もしくは、2成分以上と混合したニッケル合金等が例示される。
導電性高分子としては、共役系の分子構造を有する高分子化合物(共役系高分子)が例示される。具体的には、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフルオレン、アセチレン、ポリフェニレンなどの公知のπ共役高分子等が例示される。特に、ポリジオキシチオフェンは、好適に使用できる。
中でも、熱電特性がより良好となる理由から、CNTが好ましく利用される。
単層CNTは、半導体性のものであっても、金属性のものであってもよく、両者を併せて用いてもよい。半導体性CNTと金属性CNTとを両方を用いる場合、組成物中の両者の含有比率は、組成物の用途に応じて適宜調整することができる。また、CNTには金属などが内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたものを用いてもよい。
CNTは、修飾あるいは処理されたものであってもよい。さらに、熱電変換層16にCNTを利用する場合には、ドーパント(アクセプタ)を含んでいてもよい。
電極26および電極28の形成材料としては、具体的には、銅、銀、金、白金、ニッケル、アルミニウム、コンスタンタン、クロム、インジウム、鉄、銅合金などの金属材料、酸化インジウムスズ(ITO)や酸化亜鉛(ZnO)等の各種のデバイスで透明電極として利用されている材料等が例示される。中でも、銅、金、銀、白金、ニッケル、銅合金、アルミニウム、コンスタンタン等は好ましく例示され、銅、金、銀、白金、ニッケルは、より好ましく例示される。
電極26および電極28は、例えば、クロム層の上に銅層を形成してなる構成等、積層電極であってもよい。
本発明は、これ以外にも、電極26および電極28は、各種の構成が利用可能である。一例として、図2Aに概念的に示すように、熱電変換層16の端部から端面に沿って立ち上がり、熱電変換層16の上面の端部近傍に到る電極26および電極28が例示される。また、図2Bに概念的に示すように、熱電変換層16の端部に当接する電極26および電極28も利用可能である。さらに、電極26と電極28とは、構成が異なってもよい。
粘着層18の形成材料は、熱電変換層16、電極26および電極28の形成材料と、第2基板20(低熱伝導部20a)の形成材料とに応じて、両者を貼着可能なものが、各種、利用可能である。
具体的には、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、EVA、α-オレフィンポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ゼラチン、デンプン等が例示される。また、粘着層18は、市販の接着剤、粘着剤、両面テープや粘着フィルム等を利用して形成してもよい。
なお、粘着層18は、基本的に、薄い方が、熱電変換性能を高くできる。具体的には、粘着層18の厚さは、5〜100μmが好ましく、5〜50μmがより好ましい。
粘着層18の厚さを5μm以上とすることにより、熱電変換層16に起因する段差を十分に埋められる、良好な密着性あるいはさらに高い絶縁性が得られる等の点で好ましい。
粘着層18の厚さを100μm以下、特に50μm以下とすることにより、熱電変換素子10(熱電変換モジュール)の薄膜化を計れる、可撓性の良好な熱電変換素子10を得ることができる、粘着層18の熱抵抗を小さくでき、より良好な熱電変換性能が得られる等の点で好ましい。
本発明の熱電変換素子10(熱電変換モジュール)は、基本的に、第1基板12(第1高熱伝導部12b)側が熱源30側となるように設置され、第2基板20側に放熱フィン等の放熱手段32が設けられて、使用される。
従って、熱源30の熱は、第1高熱伝導部12bから低熱伝導部12a等を通過して熱電変換層16の図中右側に至り、熱電変換層16を図中右側から図中左側に面方向に伝って、低熱伝導部20a等を通過して、放熱手段32が設けられる第3高熱伝導部20bから、放熱される。
これにより、前述のように、離間方向において、第1高熱伝導部12b側すなわち加熱側と、第3高熱伝導部20b側すなわち冷却側との間で、熱電変換層16内に温度差が生じ、熱電変換層16の内部において、この温度差の方向のキャリア密度に差が生じ、発電する。また、電極26および電極28に配線を接続することにより、加熱によって発生した電力(電気エネルギー)が取り出される。
さらに、熱電変換層を薄いシート状にできるので、フレキシブル性にも優れ、曲面等への設置も容易な熱電変換モジュールが得られる。
すなわち、in plane型の熱電変換素子は、高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用いて、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせる構成を有する。この構成によれば、面方向に温度差を生じさせる距離を長くできる反面、構成上、熱源と、熱電変換層における冷却される側との距離が非常に近くなる。図1Aおよび図1Bに示す熱電変換素子10であれば、熱源30と、熱電変換層16における冷却側である離間方向の図中左側の領域との距離は、第1高熱伝導部12bの厚さ分しか無い。
そのため、熱源と基板との間の空気層を介した熱伝導により、熱電変換層の冷却側が加熱され易く、熱電変換層における加熱側と冷却側との間の温度差が小さくなって、発電量が低下してしまう。図1Aおよび図1Bに示す熱電変換素子10であれば、熱電変換層16の加熱側である離間方向の第1高熱伝導部12b側の温度と、熱電変換層16の冷却側である離間方向の第3高熱伝導部20b側との温度差が小さくなって、発電量が低下してしまう。
特に、自然空冷下では、熱電変換層16における第3高熱伝導部20b側すなわち冷却側における冷却が追い付かずに、熱電変換層16における加熱側と冷却側との温度差が小さくなり易く、発電量が低下し易い。
そのため、本発明の熱電変換素子10では、熱源と基板との間の空気層を介して伝熱された熱等、熱電変換層16の冷却側を加熱する不要な熱を、第2高熱伝導部12cから放熱できる。その結果、自然放冷下であっても、不要な吸熱による熱電変換層16の冷却側の加熱を防止して、冷却側を充分に冷却できる。
本発明の熱電変換素子10は、このような構成を有することにより、自然放冷下においても、熱電変換層16の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
ここで、良好な放熱効果が得られる第2高熱伝導部12cの厚さは、例えば低熱伝導部12aや電極26などの周辺部材の熱抵抗、熱電変換素子(熱電変換モジュール)のサイズ等によって、大きく異なる。従って、第2高熱伝導部12cの厚さは、周辺部材の熱抵抗や熱電変換素子のサイズ等に応じて、適宜、決定すればよい。
本発明者らの検討によれば、第2高熱伝導部12cの厚さは、第1高熱伝導部12bの2/3以下が好ましく、1/2以下がより好ましい。第2高熱伝導部12cの厚さを、第1高熱伝導部12bの2/3以下とすることにより、自然放冷下であっても、熱電変換層16の冷却側の加熱を好適に防止し、熱電変換層16の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
また、第2高熱伝導部12cの厚さは、5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましい。第2高熱伝導部12cが薄すぎると、充分な放熱効果が得られない場合が有るが、5μm以上とすることにより、自然放冷下であっても、熱電変換層16の冷却側の加熱を好適に防止し、熱電変換層16の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
本発明の熱電変換素子10は、基本的に、第1高熱伝導部12b側を熱源30側にして使用される。従って、第2高熱伝導部12cが第1高熱伝導部12bよりも薄いとは、使用状態において、第1高熱伝導部12bの熱源30側の表面よりも、第2高熱伝導部12cの熱源30側の表面が、熱源30から離間していることを意味する。
具体的には、第2高熱伝導部12cの形成材料としては、熱伝導率等の点で、金属が好ましく、具体的には、金、銀、銅、アルミニウム等の各種の金属は好適に例示される。中でも、熱伝導率、経済性等の点で、銅やアルミニウムは好適に利用される。また、可撓性を有する熱電変換素子(熱電変換モジュール)を得られる等の点で、第2高熱伝導部12cには、金属製のシート(金属箔も含む)も、好適に利用される。
しかしながら、本発明は、これに限定はされず、第2高熱伝導部12cは、面方向に第1高熱伝導部12bと離間し、しかも、面方向で熱電変換層16および第3高熱伝導部20bと少なくとも一部が重複していれば、各種の形状およびサイズのものが利用可能であり、また、面方向の配置位置も、各種の位置が利用可能である。
すなわち、第2高熱伝導部12cは、面方向に第1高熱伝導部12bと離間し、しかも、面方向で熱電変換層16および第3高熱伝導部20bと少なくとも一部が重複していれば、好適に、熱電変換層16の冷却側を放熱して加熱を防止できる。
従って、第2高熱伝導部12cの位置、サイズおよび形状等は、周辺部材の熱抵抗や熱電変換素子のサイズ等に応じて、熱電変換層16の冷却側の加熱を好適に防止できる構成を、適宜、決定すればよい。
本発明は、これ以外にも、例えば、第1基板12の第1高熱伝導部12bを図中左側に移動し、第2基板20の第3高熱伝導部20bを図中右側に移動して、第1高熱伝導部12bと第3高熱伝導部20bとの対向する側の端部が、離間方向に同じ位置とする構成でもよい。あるいは、さらに第1基板12の第1高熱伝導部12bを図中左側に移動し、第2基板20の第3高熱伝導部20bを図中右側に移動することによって、第1高熱伝導部12bと第3高熱伝導部20bとの一部を、面方向で重複させてもよい。
すなわち、本発明においては、第1基板と第2基板とで、高熱伝導部が面方向に完全に重複しなければ、第1基板および第2基板は、各種の構成が利用可能である。言い換えれば、第1基板および第2基板は、基板面と垂直方向から見た際に、第1基板と第2基板との高熱伝導部が完全に重なっていなければ、各種の構成が利用可能である。
例えば、被覆層を粘着層18のみで構成して、粘着層18の上に、第3高熱伝導部20bを面方向の同位置に貼着した構成も利用可能である。この構成においては、必要に応じて、粘着層18の第3高熱伝導部20bで覆われない部分には、樹脂フィルム等を貼着してもよい。
なお、図3に示す熱電変換素子40は、前述の図1Aおよび図1Bに示す熱電変換素子10と、多くの部材を共用するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
この熱電変換素子40では、粘着層18が、本発明における被覆層である。また、粘着層18は、金属シート42と、熱電変換層16、電極26および電極28とを絶縁する絶縁層としても作用する。
この構成においても、必要に応じて、粘着層18の金属シート42で覆われない部分には、樹脂フィルム等を貼着してもよい。
金属と空間とでは、熱伝導率は、空間の方が遥かに小さい。また、溝部42aは、少なくとも一部が面方向で第1高熱伝導部12bと重複する。
従って、熱電変換素子40では、金属シート42の粘着層18に貼着されている領域が、第2基板20の第3高熱伝導部20bと同様の第3高熱伝導部として作用し、溝部42aによる空間が、低熱伝導部すなわち第2基板20の第3高熱伝導部20bを有さない領域と同様に作用する。
そのため、同様に、第1基板12側に熱源30を設けると、第1高熱伝導部12bから熱電変換層16に至り、熱電変換層16を図中右から左へ面方向に移動して、粘着層18との接触面から金属シート42に到る熱の流れが生じる。これにより、熱電変換素子40においても、熱電変換層16の面方向の長い距離の温度差によって、効率の良い発電が可能である。
具体的には、銅、アルミニウム、シリコン、ニッケル等の金属や、銅合金、ステンレス、ニッケル合金等の合金が好適に例示される。
この一例を、図4に示す。
これに対し、図4に示す熱電変換素子46は、第1基板12において、第2高熱伝導部12cの離間方向の長さを短くして、第3高熱伝導部20bの断面積を第2高熱伝導部12cの断面積よりも大きくしている。そのため、第1高熱伝導部12bよりも第3高熱伝導部20bの方が熱が流れ易くなり、第3高熱伝導部20bの熱抵抗が、第1高熱伝導部12bの熱抵抗よりも小さくなる。この際における断面積とは、面方向の断面の断面積である。
これにより、熱源30から第1高熱伝導部12bを経て熱電変換層16に到る熱量よりも、第3高熱伝導部20bからの放熱量を大きくして、自然空冷下であっても、熱電変換層16における加熱側と冷却側との温度差を保ち、大きな発電量を得ることができる。
すなわち、部材の熱抵抗は、熱の伝導方向と直交する方向の断面積、熱の伝導方向の長さ、および、熱伝導率によって変化する。
これに応じて、第3高熱伝導部20bの熱抵抗を、第1高熱伝導部の熱抵抗よりも小さくする方法は、第3高熱伝導部20bの厚さを第1高熱伝導部12bよりも薄くする方法、第3高熱伝導部20bを第1高熱伝導部12bよりも熱伝導度が高い材料で形成する方法等も利用可能である。また、断面積を調節する方法、厚さを調節する方法、および、形成部材の熱伝導度を選択する方法の、2以上を併用することにより、第3高熱伝導部20bの熱抵抗を、第1高熱伝導部の熱抵抗よりも小さくしてもよい。
第2高熱伝導部の冷却は、公知の各種の方法が利用可能である。好ましい方法として、第2高熱伝導部と第3高熱伝導部とを、低熱伝導部および被覆層よりも熱伝導率が高い接続部材で接続する方法が例示される。
なお、図5Aは図1Bと同様の正面図であり、図5Bは熱電変換素子を図5Aの図中上方から見た平面図である。
図5Aおよび図5Bに示す例は、図1に示す熱電変換素子10において、第1基板12の低熱伝導部12a、ならびに、被覆層を構成する粘着層18および第2基板20の低熱伝導部20aよりも熱伝導率が高い、第1接続部材50、第2接続部材52および第3接続部材54からなる接続部材によって、第1基板12の第2高熱伝導部12cと、第2基板20の第3高熱伝導部20bとを接続した構成を有するものである。
これに対し、図5Aおよび図5Bに示す構成では、低熱伝導部12a、粘着層18および低熱伝導部20aの奥手方向のサイズが、第1高熱伝導部12b、第2高熱伝導部12c、熱電変換層16、電極26および電極28、第3高熱伝導部20bの奥手方向のサイズよりも大きい。また、奥手方向のサイズが小さい熱電変換層16等は、奥手方向において、低熱伝導部12a等の一方の端部に、自身の端部を一致して配置される。従って、第1および第2基板間において、熱電変換層16等の奥手方向の他方の端部側には空間が有り、この空間は、粘着層18で埋まった状態になっている。なお、電極26等は、図示を省略する電力取り出し用の配線に接続される。
さらに、図1Aおよび図1Bに示す熱電変換素子10では、第2高熱伝導部12cおよび第3高熱伝導部20bと、第1基板12の低熱伝導部12a、電極26、粘着層18および第2基板20の低熱伝導部20aとは、離間方向の外側の端部が一致している。
これに対し、図5Aおよび図5Bに示す構成では、低熱伝導部12aおよび低熱伝導部20aや粘着層18は、第2高熱伝導部12cおよび第3高熱伝導部20bや電極26等に対して、離間方向の外側に向かって突出している。
低熱伝導部20aの熱電変換層16と逆側の面には、奥手方向および離間方向の端部に、第3高熱伝導部20bに接続する第2接続部材52が設けられる。
さらに、低熱伝導部12a、粘着層18、低熱伝導部20aおよび第2接続部材52を貫通するスルーホールが形成され、このスルーホールを挿通して第3接続部材54が設けられ、第1接続部材50と第2接続部材52とを接続している。
従って、第2高熱伝導部12cと第3高熱伝導部20bとは、充分な伝熱が可能な状態すなわち熱的に接続され、第2高熱伝導部12cと第3高熱伝導部20bとの間で良好な熱伝導率で伝熱が行われる。
従って、第2高熱伝導部12cと第3高熱伝導部20bとを接続する接続部材を有することにより、第2高熱伝導部12cを冷却して、第2高熱伝導部12cからの放熱を、より効率よく行うことができる。その結果、自然空冷下であっても、熱電変換層16における加熱側と冷却側との温度差を保ち、より大きな発電量を得ることができる。
具体的には、熱伝導率等の点で、金属が好ましく、第2高熱伝導部12c等と同様に、金、銀、銅、アルミニウム等の各種の金属が例示される。中でも、熱伝導率、経済性等の点で、銅およびアルミニウムは好適に利用される。また、第1接続部材50、第2接続部材52および第3接続部材54、中でも特に第3接続部材54は、銀ペースト等の金属ペーストを用いて作製してもよい。
すなわち、熱電変換素子の構成上可能であれば、第2高熱伝導部12cと第3高熱伝導部20bとを、1つの接続部材で直接的に接続してもよい。
一例として、図6Aおよび図6Bに示される構成が例示される。図6Aおよび図6Bに示される熱電変換素子は、接続部材に変えて補助部材を設けた以外は、基本的に、図5Aおよび図5Bに示される熱電変換素子と同様の構成を有する。
低熱伝導部20aの熱電変換層16と逆側の面には、奥手方向に長尺で、第3高熱伝導部20bとは離間する第2補助部材60が設けられる。第2補助部材60は、低熱伝導部12a、粘着層18および低熱伝導部20aよりも熱伝導率が高い。
さらに、低熱伝導部12a、粘着層18、低熱伝導部20aおよび第2補助部材60を貫通するスルーホールが形成され、このスルーホールを挿通して、前述の第3接続部材54と同様の第3補助部材62が設けられ、第1補助部材58と第2補助部材60とを接続している。
しかしながら、例えば、第2補助部材60に放熱シートを貼着する等の方法で、第2補助部材60を冷却すれば、第2高熱伝導部12cが加熱されても、第2高熱伝導部12cの熱は、第1補助部材58、第3補助部材62および第2補助部材60に伝熱されて、放熱シートから放熱され、その結果、第2高熱伝導部12cが冷却される。
従って、この構成でも、第2高熱伝導部12cを冷却して、第2高熱伝導部12cからの放熱を、より効率よく行うことができ、自然空冷下であっても、熱電変換層16における加熱側と冷却側との温度差を保ち、より大きな発電量を得ることができる。
本例において、第1基板12Aおよび第2基板20Aは、矩形板状の低熱伝導部の表面に、一方向に長尺な四角柱状の第1高熱伝導部12bおよび第3高熱伝導部20bを、四角柱の低熱伝導部に接触する一辺の長さと等間隔で、四角柱の長手方向と直交する方向に配列してなる構成を有する。
すなわち、第1基板12Aおよび第2基板20Aは、一面の表面の全面が低熱伝導部で、他方の表面では、一方向に長尺な低熱伝導部と高熱伝導部とが、長手方向と直交する方向に等間隔で交互に形成された構成を有する(図7A、図7Cおよび図7D参照)。
さらに、第1基板12Aの高熱伝導部の形成面には、外周部の第1高熱伝導部12bおよび第2高熱伝導部12c(低熱伝導部12a)の形成領域外に、第2高熱伝導部12cと同じ厚さの第1接続部材50が形成される。図示例において、第1接続部材50と第2高熱伝導部12cとは、同じ材料によって一体的に形成される。すなわち、第1接続部材50と第2高熱伝導部12cとは接続されている。なお、第1高熱伝導部12bと第1接続部材50とは、完全に離間している。
図7Aおよび図7Bに示すように、第2基板20A(低熱伝導部20a)の第3高熱伝導部20bの形成面には、外周部の第3高熱伝導部20bの形成領域外に、第2接続部材52が形成される。図示例において、第2接続部材52と第3高熱伝導部20bとは、同じ材料によって一体的に形成される。すなわち、第2接続部材52と第3高熱伝導部20bとは接続されている。なお、第2接続部材52の厚さは、第3高熱伝導部20bと同じでも、第3高熱伝導部20bより薄くてもよい。
熱電変換層16の図7Cの横方向のサイズは、第1高熱伝導部12bの幅に対して0.5倍以上2.0倍未満の間に設定される。以下、図7Cの横方向を『横方向』とも言う。すなわち、横方向とは、低熱伝導部12aと第1高熱伝導部12bとの交互の配列方向である。また、第2高熱伝導部12cと熱電変換層16は、面方向に少なくとも一部が重複するように形成される。
熱電変換層16は、横方向に、低熱伝導部12aと第1高熱伝導部12bとの境界に対して、1境界置きに等間隔で形成される。すなわち、熱電変換層16は、横方向の中心が、第1高熱伝導部12bの幅の2倍の距離と同じ間隔で等間隔に形成される。
また、熱電変換層16は、横方向に等間隔に配列された熱電変換層16の列が、図7Cの上下方向に等間隔で配列されるように、二次元的に形成される。以下、図7Cの上下方向を『上下方向』とも言う。すなわち、上下方向とは、低熱伝導部12aと第1高熱伝導部12bの長手方向である。
さらに、図7Cに示すように、熱電変換層16の横方向の配列は、上下方向に隣接する列では、第1高熱伝導部12bの幅の分だけ、横方向にズレて形成される。すなわち、上下方向に隣接する列では、熱電変換層16は、横方向の中心が、第1高熱伝導部12bの幅の分だけ、互い違いに形成される。
熱電変換層16の横方向の列の端部では、上下方向に隣接する列の熱電変換層16が、電極26によって接続される。この横方向の列の端部での電極26による上下方向の熱電変換層16の接続は、一方の端部の熱電変換層16は上側の列の同側端部の熱電変換層16と接続され、他方の端部の熱電変換層16は下側の列の同側端部の熱電変換層16と接続される。
これにより、全ての熱電変換層16が、横方向に、複数回、折り返した1本の線のように直列で接続される。
この積層は、第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと第2基板20Aの第3高熱伝導部20bとが、横方向に互い違いになるように行われる。
なお、図示はされないが、第2基板20Aの積層に先立ち、第1基板12Aを全面的に覆うように、熱電変換層16および電極26の上に粘着層18が形成される。
また、第1基板12Aにおいて第1高熱伝導部12bの間に形成される第2高熱伝導部12cは、面方向に第3高熱伝導部20bと重複する。
これにより、本発明の熱電変換素子10を、複数、直列に接続してなる、本発明の熱電変換モジュールが構成される。
そのため、折り返した1本の線のように直列に接続された熱電変換層16は、接続方向の一方向の流れにおいて、全ての熱電変換層16が、一方の半分が第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと第2基板20Aの低熱伝導部20aのみの領域とに対面し、他方の半分が第1基板12Aの低熱伝導部12aのみの領域と第2基板20Aの第3高熱伝導部20bとに対面する。
例えば、図7Cの上から下への直列の接続方向で見た場合には、図7B〜図7Dに示すように、全ての熱電変換層16が、上流側半分が第1基板12Aの第1高熱伝導部12bおよび第2基板20Aの低熱伝導部20aのみの領域に対面し、下流側の半分が第1基板12Aの低熱伝導部12aのみの領域および第2基板20Aの第3高熱伝導部20bに対面する。
従って、第1基板12A側に熱源を配置した際に、直列に接続された全ての熱電変換層16で、接続方向に対する熱の流れ方向すなわち発電した電気の流れ方向が一致し、熱電変換モジュールが適正に発電を行うことができる。
例えば、ポリイミドの両面に銅が積層された銅ポリイミドフィルムを用意する。この銅ポリイミドフィルムは、市販品も利用可能である。
第1基板12Aおよび第2基板20Aは、この銅ポリイミドフィルム一面を全てエッチングし、もう一方の面を目的とする高熱伝導部等のパターンとなるようにエッチング(ハーフエッチング)して不要な銅を除去することにより作成することができる。また、低熱伝導部となるシート状物を用意し、このシート状物に、帯状の高熱伝導部を長手方向と直交する方向に貼着し、さらに、高熱伝導部の形成領域外に所定形状の接続部材を貼着して、第1基板12Aおよび第2基板20Aを作製する方法も利用可能である。
電極26および電極28の形成は、メタルマスクを用いる真空蒸着法など、電極26および電極28の形成材料等に応じて、公知の方法で行えばよい。
また、電極26および電極28の形成に先立ち、電極の形成面にクロム層などの密着層を形成してもよい。
熱電変換層16は、用いる熱電変換材料に応じて、公知の方法で形成すればよい。
例えば、熱電変換材料とバインダとを有する塗布組成物を調製して、この塗布組成物をスクリーン印刷やインクジェット等の公知の方法でパターニングして塗布して、乾燥し、バインダを硬化することにより、バインダに熱電変換材料を分散してなる熱電変換材料を形成する方法が例示される。
また、熱電変換材料としてCNTを用いる場合には、分散剤(界面活性剤)を用いてCNTを水に分散してなる塗布組成物を調製して、この塗布組成物を同様に公知の方法でパターニングして塗布して、乾燥することにより、主にCNTと界面活性剤とから熱電変換層を形成する方法が例示される。この際においては、塗布組成物を乾燥した後、アルコール等の分散剤を溶解する洗浄剤で熱電変換層を洗浄することで分散剤を除去し、その後、洗浄剤を乾燥することにより、実質的にCNTのみからなる熱電変換層とするのが好ましい。洗浄は、熱電変換層を洗浄剤に浸漬する方法や、熱電変換層を洗浄剤で濯ぐ方法等で行えばよい。
また、熱電変換材料としてニッケルあるいはニッケル合金を用いる場合には、真空蒸着やスパッタリング等の気相成膜法によって、メタルマスク等を用いる公知の方法で、ニッケルあるいはニッケル合金からなる熱電変換層をパターン形成する方法が例示される。
あるいは、第1基板12の全面に熱電変換層を形成して、エッチング等によって、熱電変換層16をパターン形成してもよい。
次いで、用意した第2基板20Aを、第3高熱伝導部20bが形成されていない側を向けて、位置合わせして粘着層18に貼着して、熱電変換モジュール(熱電変換素子10)を作製する。
あるいは、第1基板12Aに粘着層18を形成するのではなく、第2基板20Aの第3高熱伝導部20bが形成されていない面に粘着層18を形成して、第1基板12Aに貼着してもよい。
第3接続部材54を複数箇所に形成する場合は、等間隔で形成しても、非等間隔で形成してもよい。
熱電変換モジュールの加熱側、もしくは冷却側に貼付して用いられる熱伝導接着シートおよび熱伝導性接着剤には特に限定はない。従って、市販されている熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤を用いることができる。熱伝導接着シートとしては、例えば、信越シリコーン社製のTC−50TXS2、住友スリーエム社製のハイパーソフト放熱材5580H、電気化学工業社製のBFG20A、日東電工社製のTR5912F等を用いることができる。なお、耐熱性の観点から、シリコーン系粘着剤からなる熱伝導接着シートが好ましい。熱伝導性接着剤としては、例えば、スリーエム社製のスコッチ・ウェルドEW2070、アイネックス社製のTA−01、シーマ電子社製のTCA−4105、TCA−4210、HY−910、薩摩総研社製のSST2−RSMZ、SST2−RSCSZ、R3CSZ、R3MZ等を用いることができる。
熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤を用いることで、熱源との密着性が向上して熱電変換モジュールの加熱側の表面温度が高くなる、冷却効率が向上して熱電変換モジュールの冷却側の表面温度を低くできるなどの効果により、発電量を高くすることができる。
なお、本発明の熱電変換モジュール(熱電変換素子)では、通常、第2基板20A側が冷却側になる。
放熱フィンのフィン高さとしては10〜56mm、フィンピッチとしては2〜10mm、板厚としては0.1〜0.5mmが好ましく、放熱特性が高く、モジュールの冷却ができ発電量が高くなる点で、フィン高さが25mm以上であるのがより好ましい。また、フィンのフレキシブル性が高い、軽量である等の点で、板厚0.1〜0.3mmのアルミ製を用いるのが好ましい。
また、放熱シートとしては、パナソニック社製のPSGグラファイトシート、沖電線社製のクールスタッフ、セラミッション社製のセラックα等の公知の放熱シートを用いることができる。
一例として、温泉熱発電機、太陽熱発電機、廃熱発電機などの発電機や、腕時計用電源、半導体駆動電源、小型センサ用電源などの各種装置(デバイス)の電源等、様々な発電用途が例示される。また、本発明の熱電変換素子の用途としては、発電用途以外にも、感熱センサや熱電対などのセンサー素子用途も例示される。
(両面銅張ポリイミド基板の処理)
接着剤フリーの両面銅張ポリイミド基板(パナソニック電工社製、FELIOS R-F775)を用意した。この銅張ポリイミド基板は、サイズが110×80mmで、ポリイミド層の厚さが20μm、銅層の厚さが70μmのものである。
この両面銅張ポリイミド基板の一面の銅層を、エッチング処理により完全に除去した。
一面の銅層を除去した銅張ポリイミド基板の残った銅層をエッチング処理およびハーフエッチング処理して、厚さが70μmで、幅が0.75mmで、ピッチが1.5mmの銅ストライプパターン1と、厚さが30μmで、幅が0.2mmで、ピッチが1.5mmの銅ストライプパターン2とを形成した。すなわち、銅ストライプパターン1同士の間隔は0.75mm、銅ストライプパターン2同士の間隔は1.3mmである。なお、銅ストライプパターン1と銅ストライプパターン2とは、互いの間隔が0.275mmとなるような配置とした。
同時に、銅張ポリイミド基板の外周部のストライプパターンを形成しない領域に、厚さが30μmで幅10mmの、全ての銅ストライプパターン2に接続する銅パターンを形成した。なお、銅ストライプパターン1と銅パターンとは、離間するように形成した。
これにより、厚さが70μmで、幅が0.75mmの帯状の第1高熱伝導部12bを1.5mmピッチで有し、厚さが30μmで、幅が0.2mmの帯状の第2高熱伝導部12cも同様に1.5mmピッチで有し、さらに、厚さが30μmで幅が10mmで全ての第2高熱伝導部12cに接続する第1補助部材(第1接続部材50)を有する、図7Dおよび図7Eに示すような第1基板12Aを作製した。
前述のように、銅ストライプパターン1と銅ストライプパターン2との間隔は0.275mmであるので、作製する熱電変換素子における第1高熱伝導部12bと第2高熱伝導部12cとの間隔は0.275mmである。また、第1高熱伝導部12b等すなわちストライプパターンの幅方向が、熱電変換素子における離間方向となる。
また、一面の銅層を除去した銅張ポリイミド基板の残った銅層をエッチング処理して、厚さが70μmで、幅が0.75mmで、ピッチが1.5mmの銅ストライプパターン3を形成した。すなわち、銅ストライプパターン3同士の間隔は0.75mmである。
同時に、銅張ポリイミド基板の銅ストライプパターン3を形成しない外周部に、幅が10mmの銅パターンを形成した。なお、銅パターンは、第1基板12Aの第1補助部材に対応する位置に、全ての銅ストライプパターン3と離間して形成した。
これにより、厚さが70μmで、幅が0.75mmの帯状の第3高熱伝導部20bを、1.5mmピッチで有し、さらに、外周部に、第3高熱伝導部20bと接続しない厚さが70μmの第2補助部材を有する第2基板を作製した。すなわち、この第2基板は、第2接続部材52と第3高熱伝導部20bとが接続しない以外は、図7Aおよび図7Bに示す第2基板20Aと同様の構成を有するものである。
さらに、電極26の離間方向の端部を覆うように、真空蒸着法によって、厚さ1μmのニッケルからなる熱電変換層16を形成した。熱電変換層16は、メタルマスクを用い、0.75×1.5mmの矩形パターンを1185個形成した。
熱電変換層16は、第1高熱伝導部12bと低熱伝導部20aとの境界(銅ストライプパターン1の境界)と、0.75×1mmのパターンの0.75mm側の中心とが一致するように形成した(図7C参照)。
一方で、全面がポリイミドである面(平坦な面)の全面に、粘着層18として、厚さ30μmの粘着剤(日東電工社製、両面テープNo.5630)を貼着した。次いで、0.4MPa、40℃で、20分、オートクレーブ処理を行った。
オートクレーブ処理を行った第2基板と、熱電変換層を形成した第1基板とを、第3高熱伝導部20bと、第1高熱伝導部12bおよび第2高熱伝導部12cとの長手方向と一致させて、かつ、第3高熱伝導部20bと第1高熱伝導部12bとが面方向すなわち横方向に一致しないように積層、貼着して、積層フィルムを作製した。
次いで、レーザ加工によって、第2補助部材、低熱伝導部20a、粘着層18および低熱伝導部12aを貫通する穴あけ加工を行い、φ3mmのスルーホールを3箇所に等間隔で形成した。次いで、スルーホールに銀ペーストを充填して第3補助部材を形成して、第1基板に形成した第1補助部材と第2基板に形成した第2補助部材とを接続した。
これにより、第2基板の第3高熱伝導部20bと第2接続部材52とが接続しない以外は、図7A〜図7Eに示されるような熱電変換モジュール作製した。さらに、第2補助部材に、放熱シート(沖電線社製、クールスタッフ)を貼着した。
作製した熱電変換モジュールを、熱伝導接着シート(信越化学工業社製、TC−50TXS2)を用いて、φ80mmのパイプ状ヒーターに接着した。
また、熱電変換モジュールの第3高熱伝導部20bの上に熱伝導接着シート(信越化学工業社製、TC−50TXS2)をさらに接着した。さらに、アルミ製のフォールディングフィン(サイズ50×60mm、高さ30mm、ピッチ7mm、板厚0.5mm、最上インクス社製)を熱電変換モジュールの曲面に追随するように固定した。なお、フォールディングフィンは第3高熱伝導部20bの形成領域上のみに固定した。
パイプ状ヒーターの温度を120℃、室内温度を20℃に設定し、発電量を測定した。測定方法は、直列に接続した最上流の熱電変換層16の電極および最下流の熱電変換層16の電極と、ソースメーター(ケースレー社製、ソースメーター2450)とを接続し、開放電圧と短絡電流とを計測し、下記式から発電量を求めた。
(発電量)=0.25×(開放電圧)×(短絡電流)
その結果、発電量は6μWであった。
(熱電変換モジュールの作製)
第2基板の作製において、第2補助部材となる銅パターンと、第3高熱伝導部20bとなる全ての銅ストライプパターン3とが接続するようにして、全ての第3高熱伝導部20bと接続する第2接続部材52を有する、図7Aおよび図7Bに示すような第2基板20Aを作製した。また、第2補助部材(第2接続部材52)には、放熱シートを貼着しなかった。これ以外は、実施例1と同様に熱電変換モジュールを作製した。
(発電量の評価)
アルミ製のフォールディングフィンとして、サイズ50×60mm、高さ30mm、ピッチ7mm、板厚0.5mm(最上インクス社製)を用い、かつ、フォールディングフィンを第2基板20Aの全面に接着した以外には、実施例1と同様に発電量を測定した。
その結果、発電量は9μWであった。
第1基板の作製において、第2高熱伝導部12cを作製せず、かつ、スルーホールの形成および第3接続部材の形成を行わない以外は、実施例2と同様に熱電変換モジュールを作製した。
実施例2と同様に発電量を測定した結果、発電量は2.5μWであった。
第1基板12Aの作製において、第1高熱伝導部12bの幅を0.75mmから0.7mmに変更した以外は、実施例2と同様に熱電変換モジュールを作製した。
実施例2の熱電変換モジュールは、各熱電変換素子において、第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと、第2基板20Aの第3高熱伝導部20bとは、対面する側の端部が、離間方向で一致している(離間距離0mm)。
これに対し、本例では、第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと、第2基板20Aの第3高熱伝導部20bとは、対面する側の端部が離間方向で0.1mm離間している(離間距離0.1mm、図1B参照)。
実施例2と同様に発電量を測定した結果、発電量は11μWであった。
第1基板12Aの作製において、第1高熱伝導部12bの幅を0.75mmから0.5mmに変更し、さらに、第2基板20Aの作製において、第3高熱伝導部20bの幅を0.75mmから0.9mmに変更した以外は、実施例2と同様に熱電変換モジュールを作製した。
本例では、第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと、第2基板20Aの第3高熱伝導部20bとは、対面する側の端部が離間方向で0.1mm離間している(離間距離0.1mm)。
実施例2と同様に発電量を測定した結果、発電量は13μWであった。
第1基板12Aの作製において、第1高熱伝導部12bの幅を0.75mmから0.5mmに、第2高熱伝導部12cの幅を0.4mmに、それぞれ変更し、さらに、第2基板20Aの作製において、第3高熱伝導部20bの幅を0.75mmから0.9mmに変更した以外は、実施例2と同様に熱電変換モジュールを作製した。
本例では、第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと、第2基板20Aの第3高熱伝導部20bとは、対面する側の端部が離間方向で0.1mm離間している(離間距離0.1mm)。
実施例2と同様に発電量を測定した結果、発電量は16μWであった。
(溝部を有する金属シートの作製)
サイズが110×80mmで厚さ0.2mmの銅箔を用意した。
この銅箔にハーフエッチング処理を行い、深さが0.075mmで、幅が0.8mmの溝状の凹部を1.5mmピッチでストライプ状に形成した。
これにより、厚さが0.2mmの銅製で、深さが0.075mmで幅が0.8mmの溝部を、長手方向と直交する方向に1.5mmピッチで有する、溝部を有する金属シートを作製した(図3参照)。すなわち、溝状の凹部同士の間隔は、0.7mmである。
(第1基板の作製)
第1高熱伝導部12bの幅を0.75mmから0.7mmに変更した以外は、実施例2と同様に第1基板12Aを作製した。
第2基板20Aに変えて、この金属シートの溝部の形成面に粘着層18を形成して、溝部の長手方向と第1高熱伝導部12bの長手方向と一致し、かつ、溝部と第1高熱伝導部12bとが幅方向で重複するように、第1基板12Aの熱電変換層16の形成面に貼着した。これ以外は、実施例2と同様に熱電変換モジュールを作製した。
従って、本例では、金属シートの溝部形成部以外の部分が第3高熱伝導部であり、第3高熱伝導部の幅は、0.7mmである。また、本例では、第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと、金属シートの第3高熱伝導部20bとは、対面する側の端部が離間方向で0.1mm離間している(離間距離0.1mm)。
(発電量の評価)
実施例2と同様に発電量を測定したところ、発電量は16μWであった。
金属シートの作製において、溝部の幅を0.6mmとし、さらに、第1基板12Aの作製において、第1高熱伝導部12bの幅を0.75mmから0.5mmに変更した以外は、実施例6と同様に熱電変換モジュールを作製した。
従って、本例では、第3高熱伝導部の幅は、0.9mmである。また、本例では、第1基板12Aの第1高熱伝導部12bと、金属シートの第3高熱伝導部20bとは、対面する側の端部が離間方向で0.1mm離間している(離間距離0.1mm)。
実施例2と同様に発電量を測定したところ、発電量は16μWであった。
結果を下記の表に示す。
表1に示されるように、第1基板に、熱電変換層16の冷却側からの放熱を行う第2高熱伝導部12cを有する本発明の熱電変換モジュールは、第2高熱伝導部12cを有さない比較例1に比して、大きな発電量が得られる。また、実施例1および実施例2より、第2高熱伝導部12cと第3高熱伝導部20bとを低熱伝導部等よりも熱伝導率の高い接続部材で接続することにより、第2高熱伝導部12cからの放熱効果をより好適に得て、発電量を大きくできる。
実施例2〜実施例5より、第1高熱伝導部12bと第3高熱伝導部20bとの対向面を離間方向に離間することにより発電量を大きくでき、さらに、第3高熱伝導部20bの熱抵抗を第1高熱伝導部12bより小さくすることにより(実施例4)、また、第2高熱伝導部12cを大きくすることにより(実施例5)、発電量を大きくできる。
実施例3および実施例6、ならびに、実施例4および実施例7より、第2基板に変えて、溝部を有する金属シートを粘着層に貼着する構成を有することにより、第3高熱伝導部すなわち冷却側から熱伝導率が低い低熱伝導部(ポリイミドフィルム)を無くして、発電量を大きくできる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
12,12A 第1基板
12a 低熱伝導部
12b 第1高熱伝導部
12c 第2高熱伝導部
16 熱電変換層
18 粘着層
20,20A 第2基板
20a 低熱伝導部
20b 第3高熱伝導部
26,28 電極
30 熱源
32 放熱手段
42 金属シート
42a 溝部
50 第1接続部材
52 第2接続部材
54 第3接続部材
58 第1補助部材
60 第2補助部材
62 第3補助部材
Claims (12)
- シート状の低熱伝導部、ならびに、前記低熱伝導部に設けられる、前記低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第1高熱伝導部および第2高熱伝導部、を有する基板と、
前記基板に設けられる熱電変換層と、
前記熱電変換層を覆う被覆層と、
前記被覆層に設けられる、前記被覆層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向に前記第1高熱伝導部と完全に重複しない第3高熱伝導部と、
面方向に前記熱電変換層を挟んで前記熱電変換層に接続される一対の電極と、を有し、
前記第2高熱伝導部は、前記第1高熱伝導部よりも薄く、さらに、面方向に前記第1高熱伝導部と離間し、かつ、面方向に前記熱電変換層および第3高熱伝導部と少なくとも一部が重複することを特徴とする熱電変換素子。 - 前記第2高熱伝導部が金属製のシートである請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記第2高熱伝導部と第3高熱伝導部とを接続する、前記基板の低熱伝導部および被覆層よりも熱伝導率が高い接続部材を有する請求項1または2に記載の熱電変換素子。
- 前記接続部材が、前記低熱伝導部に設けられる、前記第2高熱伝導部に接続する第1接続部材と、前記被覆層に設けられる、前記第3高熱伝導部に接続する第2接続部材と、前記第1接続部材および第2接続部材を接続する第3接続部材と、を有する請求項3に記載の熱電変換素子。
- 前記低熱伝導部に設けられる、前記第2高熱伝導部に接続する第1補助部材と、前記被覆層に設けられる、第2補助部材と、前記第1補助部材および第2補助部材を接続する第3補助部材と、を有し、かつ、
前記第1補助部材、第2補助部材および第3補助部材は、前記基板の低熱伝導部および被覆層よりも熱伝導率が高い請求項1または2に記載の熱電変換素子。 - 前記第3高熱伝導部の熱抵抗が、前記第1高熱伝導部の熱抵抗よりも小さい請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 前記被覆層が粘着性を有するものであり、さらに、
貫通しない溝を有する金属製のシートを、前記溝の少なくとも一部が面方向に前記第1高熱伝導部と重複するように、前記溝を被覆層に向けて前記被覆層に設けた構成を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 - 前記被覆層が、樹脂製のシート、あるいはさらに、前記樹脂製のシートと熱電変換層との間に設けられる粘着層からなるものであり、
前記第3高熱伝導部が、金属製で、前記被覆層の前記熱電変換層と逆側の面に設けられる請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 - 前記基板の低熱伝導部が樹脂製であり、
前記第1高熱伝導部および第2高熱伝導部が、金属製で、前記低熱伝導部の熱電変換層と逆側の面に設けられる請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱電変換素子を、複数、直列に接続してなる熱電変換モジュール。
- 前記第3高熱伝導部側に、放熱フィンあるいは放熱シートが設けられる請求項10に記載の熱電変換モジュール。
- 前記熱電変換素子が一次元的もしくは二次元的に配列されており、全ての熱電変換素子に共通な、1枚の前記基板および1枚の前記被覆層を有し、
前記第1高熱伝導部、第2高熱伝導部および第3高熱伝導部は、前記熱電変換層の配列方向および前記熱電変換層への一対の電極の接続方向と直交する方向に長尺である請求項10または11に記載の熱電変換モジュール。
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