JPWO2017130751A1 - 熱電変換素子及び熱電変換素子の取付構造 - Google Patents

Abstract

熱を電気に変換する熱電変換素子について，熱電変換層の電極間の温度差を大きくする。熱電変換素子（１１）は，可撓性を有する基材シート（１２）に，熱電変換層（１３）と，熱電変換層の長手側端部に設けられた第１電極（１４ａ）および第２電極（１４ｂ）と，基材シートの裏面に第１電極と重なる位置に設けた断熱層（１５）とを備える。このため熱電変換素子を発熱部品（１８）に取付けると，第１電極は，断熱層によって嵩上げされて第２電極よりも発熱部品から離間するとともに，断熱層によって発熱部品からの熱伝導が抑制される。こうして第１電極とそれを設けた熱電変換層の一端部と，第２電極とそれを設けた熱電変換層の他端部との温度差を大きくすることができ，熱電変換素子の電力変換効率が高まる。

Description

本発明は、熱を電気に変換する熱電変換素子に関する。

熱電変換素子は、半導体等で形成した熱電変換材料の両端に温度差を与えると、その温度差に比例した起電力が得られる素子である。この現象はゼーベック効果と呼ばれ、大きな起電力を得るために多くの研究機関でゼーベック係数の高い材料が研究されている。こうした熱電変換素子の電力変換効率は、材料の特性と温度差に依存する。したがって、同一の材料を用いる場合には、効果的に素子の両端の温度差を高める素子構造が電力変換効率を高める鍵となる。

このような熱電変換素子として、特開平９−００８３６２号公報（特許文献１）には、π型の構造が記載されている。また、特開２０１４−１４６７０８号公報（特許文献２）には、平坦な熱電変換層の両端に電極を設け、断熱層と高熱伝導層を特定の位置に配置することで、熱電変換層の両端に温度差を生じさせる構造が記載されている。

特開平９−００８３６２号公報 特開２０１４−１４６７０８号公報

しかしながら、特開平９−００８３６２号公報（特許文献１）に記載されているπ型熱電変換素子は、熱電変換層を電極で挟む構造であることから、熱電変換層を薄くすると電極間の温度差が小さくなるため、有意な温度差を得るために熱電変換層の厚みを大きくする必要があった。上記文献では、１ｍｍ〜２ｍｍまたは２ｍｍ〜３ｍｍが熱電変換層の最適の厚さであることが記載されている。

また、特開２０１４−１４６７０８号公報（特許文献２）に記載されている構造では、平坦な熱電変換層の両端に温度差を生じさせるために、多くの部材を必要としておりコスト高になるという問題があった。また、高熱伝導層の他に粘着層、接着層、吸熱層などの多くの層を介して電極に熱を伝えるため、それらの多数の層が熱伝導を阻害し熱伝導効率が悪いという問題もあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、熱電変換素子について、従来にない新たな構成によって熱電変換層の両端の温度差を大きくすることを目的とする。また、本発明は熱電変換素子を簡易な構成で実現することを目的とする

上記目的を達成する本発明は以下のとおり構成される。
即ち、本発明は、可撓性を有する熱電変換層と、熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、熱電変換層の他端部に設けた第２電極と、熱電変換層の厚み方向で第１電極と重なる位置に設けた断熱層とを備え、熱電変換層は、断熱層を発熱部品に取付けた状態で、第１電極が断熱層によって第２電極よりも発熱部品から離間するように、撓み変形するものである熱電変換素子を提供する。
また、本発明は、発熱部品に対する前記熱電変換素子の取付構造であって、発熱部品に、少なくとも断熱層の厚さ分の距離を隔てて第１電極を第２電極よりも離間させて配置する熱電変換素子の取付構造を提供する。

本発明の熱電変換素子とその取付構造によれば、断熱層を発熱部品に取付けた状態で、第１電極が断熱層によって第２電極よりも発熱部品から離間するように、熱電変換層が撓み変形するものである。
このため第１電極とそれを形成した熱電変換素子の一端部については、断熱層の厚さ分だけ発熱部品から離間することによる空間的な隔たりと、断熱層が介在することによる断熱効果との重畳的な作用によって、発熱部品の熱を伝えにくくすることができる。
これに対して第２電極とそれを形成した熱電変換素子の他端部については、断熱層を介さずに第１電極よりも発熱部品に近接して取付けられるため、発熱部品の熱を伝えやすくすることができる。
本発明ではこのように第１電極と第２電極との間の温度差を大きくすることで電力変換効率を高めることができる。

前記本発明の熱電変換素子は、より具体的には以下の２つの発明として構成することができる。

第１に本発明は、可撓性を有する基材シートと、基材シートに設けた可撓性を有する熱電変換層と、熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、熱電変換層の他端部に設けた第２電極と、基材シートの厚み方向で第１電極と重なる位置に設けた断熱層とを備え、基材シート及び熱電変換層は、断熱層を発熱部品に取付けた状態で、第１電極が断熱層によって第２電極よりも発熱部品から離間するように、撓み変形するものである熱電変換素子を提供する。

第２に本発明は、離型シートと、離型シートに設けた可撓性を有する熱電変換層と、熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、熱電変換層の他端部に設けた第２電極と、離型シートの厚み方向で第１電極と重なる位置に設けた断熱層とを備えており、離型シート及び熱電変換層は、断熱層を発熱部品に取付けた状態で、第１電極が断熱層によって第２電極よりも発熱部品から離間するように、撓み変形するものである熱電変換素子を提供する。本発明において離型シートは、前記撓み変形した状態で剥離可能なものとすることができる。

前記第１及び第２の熱電変換素子は、前述のように熱電変換層の両端部の温度差を大きくできる効果を、基材シートまたは離型シートと、熱電変換層と、電極と、断熱層とを備える簡易な構成で実現することができる。
基材シートまたは離型シートは平坦形状とすることができるから、熱電変換層や配線等を印刷により簡単に形成することができる。またその場合に、熱電変換層の厚みを均一に形成し易く、配線の微細化も容易である。
前記熱電変換層は、シートの厚み方向ではなく面方向の温度差を利用するため薄膜にすることができる。加えて、薄膜状の各層を形成した後に断熱層を形成すれば、断熱層も略平坦なシート上に形成できる。そのため、断熱層の厚さもまた均一に印刷形成することができる。
さらに、前記第１及び第２の熱電変換素子によれば、平坦なシートに均一な薄膜として熱電変換層等の各層を形成し易いにも関わらず、実際の使用時には、３次元的な構造を有する熱電変換素子と同等の性能を発揮する。すなわち、この熱電変換素子は薄型で単純な構成でありながら、熱電変換層の電極間の温度差を大きくすることができる。

前記本発明の断熱層の厚さは０．１〜２．０ｍｍとすることができる。
断熱層の厚さを０．１〜２．０ｍｍとしたため、熱電変換層の温度差を大きくしつつ、熱電変換素子の厚さが厚くなりすぎないようにすることができる。

前記本発明については、第１電極の端から第２電極の端までの長さを１〜５０ｍｍとすることができる。
前記長さを１〜５０ｍｍとしたため、断熱層の厚さに対応した長さを確保することができる。

前記本発明については、熱電変換層を覆う保護層を備えることができる。保護層を設けたため、熱電変換素子の耐久性を高めることができる。
そしてこの保護層は、断熱層と重なる位置にある薄肉部と、断熱層と重ならない位置にある厚肉部とを有するものとすることができる。これによれば熱電変換素子を発熱部品に取付けた状態で、断熱層の上方に位置する熱電変換素子の上面が突出しないか突出を少なくすることができる。

前記本発明については、発熱部品に貼付する粘着層を備えることができる。粘着層を設けたため、高温部品に対する貼付が容易である。

本発明によれば、単純な構成でありながら、熱電変換層の電極間の温度差を大きくすることができ、薄型の熱電変換素子を提供することができる。

第１実施形態の熱電変換素子の平面図である。 図１のＳＡ−ＳＡ線断面図である。 図２の熱電変換素子の貼付構造を示す断面図である。 変形例１の熱電変換素子の図２相当断面図である。 図４の熱電変換素子の貼付構造を示す断面図である。 第２実施形態の熱電変換素子の図２相当断面図である。 図６の熱電変換素子の貼付構造を示す断面図である。 第３実施形態の熱電変換素子の図２相当断面図である。 図８の熱電変換素子の貼付構造を示す断面図である。 変形例２の熱電変換素子の図２相当断面図である。 図１０の熱電変換素子の貼付構造を示す断面図である。 従来技術の熱電変換素子を示す図２相当断面図である。

実施形態に即してさらに詳しく説明する。なお、各実施形態において同一の材質、組成、製法、作用、効果等については重複説明を省略する。

第１実施形態［図１〜図３］：
本実施形態の熱電変換素子１１およびその貼付構造について説明する。図１には熱電変換素子１１の平面図、図２にはその断面図を示す。熱電変換素子１１は、基材シート１２と、熱電変換層１３ａ〜１３ｄと、第１電極１４ａおよび第２電極１４ｂと、断熱層１５と、を備えている。

基材シート１２の表裏両面のうち、説明の便宜上、後述する断熱層１５とは反対側の第１表面を表面１２ａとし、断熱層１５と接触する側の第２表面を裏面１２ｂと呼ぶものとする。この基材シート１２の表面１２ａ側には、略長方形状の４つの熱電変換層１３ａ〜１３ｄが設けられている。この各熱電変換層１３ａ〜１３ｄの長手側の両端部には、第１電極１４ａおよび第２電極１４ｂが設けられている。ここで、４つの熱電変換層１３ａ〜１３ｄを区別しない場合には熱電変換層１３と記述する。また、第１電極１４ａと第２電極１４ｂを区別しない場合には電極１４と記述する。

熱電変換層１３ａの一方側端部には第２電極１４ｂが設けられており、この第２電極１４ｂは外部接点１４ｄとなっている。一方、熱電変換層１３ａの他方側端部には第１電極１４ａが設けられている。そして、この第１電極１４ａは配線１４ｃを通じて、熱電変換層１３ｂの第２電極１４ｂに導通接続されている。熱電変換層１３ｂの第２電極１４ｂとは反対側の第１電極１４ａは配線１４ｃを通じて、熱電変換層１３ｃの第２電極１４ｂに導通接続されている。また、熱電変換層１３ｃの第１電極１４ａは配線１４ｃを通じて、熱電変換層１３ｄの第２電極１４ｂに通じている。そして、その第２電極１４ｂと反対側の第１電極１４ａは、配線１４ｃを通じて基材シート１２の左端（図１）に伸長しており、外部接点１４ｄとなっている。こうした構造は、図１の平面視で見ると、基材シート１２の中央側に第１電極１４ａが、基材シート１２の端部側に第２電極１４ｂが配置するようになっている。

基材シート１２の表面１２ａ側には、全ての熱電変換層１３と電極１４等を覆い、外部接点１４ｄを露出する保護層１６が設けられている。なお、図１では保護層１６は説明の便宜上、二点鎖線の想像線で示している。
また、基材シート１２の裏面１２ｂ側には、平面視で全ての熱電変換層１３の第１電極１４ａと重なる位置に断熱層１５が設けられている。
そして、基材シート１２の裏面１２ｂや断熱層１５の裏面には粘着層１７が設けられている。

熱電変換素子１１を構成する上記各部材について説明する。

基材シート１２は、可撓性を備えた絶縁性の樹脂フィルムであり、用いられる材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、メタアクリル（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）樹脂、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等などを挙げることができる。
基材シート１２には、熱電変換層１３や電極１４との密着性を高めるプライマー層や、後述する発熱部品１８との密着性を高める表面処理を施したものを用いても良い。

基材シート１２の厚みは、１０〜２００μｍとすることが好ましい。２００μｍまでの厚みがあれば熱電変換素子１１としての強度を充足し、２００μｍを超えて厚くするほど強度を高める必要性に乏しい。また、２００μｍを超えて厚くすれば発熱部品１８からの熱が伝わり難くなるという不都合もある。一方、１０μｍ未満では、基材としての耐久性が不十分となるおそれがある。

熱電変換層１３としては、ｐ型熱電変換材料やｎ型熱電変換材料である半導体、酸化物熱電材料等、あるいはスピンゼーベック効果を利用できる磁性材料等の無機熱電変換材料、導電性高分子を主体とする有機熱電変換材料等を用いることができる。より具体的には、無機熱電変換材料としては、Ｂｉ_２Ｔｅ_３等の半導体、ＣｏＯ_２系の層状コバルト酸化物、充填スクッテルダイトやクラスレート化合物、ホイッスラー型化合物、有機熱電変換材料としては、カーボンナノチューブやその他のカーボンナノ材料を分散させたポリアニリンやポリエチレンジオキシチオフェン等の導電性高分子などを例示することができる。

従来技術として例示したπ型熱電変換素子は、熱電変換層を電極で挟む構造であるため熱電変換層を厚み方向で変形させるという発想がなく、また厚み方向で生じる電極間の温度差を利用するため、温度差を大きくするために熱電変換層を厚くするため、熱電変換層を変形させること自体が困難である。これに対して本願発明に係る実施形態の熱電変換素子１１は、熱電変換層１３が撓み変形することで、第１電極１４ａを断熱層１５によって第２電極１４ｂよりも発熱部品１８から離間させて熱電変換層１３の両端の温度差を大きくする。したがって、熱電変換層１３をなす有機熱電変換材料、無機熱電変換材料は、そうした熱電変換層１３の撓み変形を許容する可撓性を有するものが使用される。また、こうした熱電変換材料の可撓性や材料特性、さらに熱電変換素子１１のデバイスサイズを考慮すると、有機熱電変換材料でなる熱電変換層１３の厚さは１０〜５００μｍ、無機熱電変換材料でなる熱電変換層１３の厚さは０．１〜１０μｍが好ましい厚みとして考えられる。

熱電変換層１３の電極間距離（両側に第１電極１４ａと第２電極１４ｂを備える熱電変換層１３の長さ）が１〜５０ｍｍの範囲となるように形成することが好ましい。電極間距離が１ｍｍ未満では熱電変換層１３の両端に充分な温度差を生じさせることが困難である。一方、５０ｍｍを超えて電極間距離を大きくしても熱電変換層１３の両端の温度差を大きくすることが困難であり、また電極間距離の増大とともに電極間の抵抗値も大きくなってかえって熱電変換効率が悪化するおそれがある。１〜５０ｍｍの電極間距離があれば熱の伝わりを充分抑制できて好ましい。

電極１４には、電気配線に利用する導電性材料を用いることができる。例えば、銅、ニッケル、銀、アルミニウムなどの金属や、銀等の導電性粒子をバインダーに分散させた導電性材料が挙げられる。これらの中でも特にバインダーに導電性粒子を分散させた導電性ペースト（導電性塗液）が好ましい。導電性ペーストは、印刷して回路パターンを形成できるため、従来技術のような銅箔をエッチングして形成する回路パターンよりも少ない工程数で配線自由度の高い回路を形成できる利点がある。

導電性ペーストは、（１）導電性粒子とバインダーを溶剤に溶解したり、（２）導電性粒子とバインダーの前駆体（主剤と硬化剤）を溶剤に溶解したり、（３）バインダーの前駆体が液状の場合には、バインダーの前駆体に導電性粒子を分散させたりしたものを用いることができる。なお、導電性ペーストには前記成分に加えて分散剤、消泡剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤などを適宜添加してもよい。

導電性粒子としては、金属でなる粒子を用いることができ、具体的には銀、銅、アルミニウム、ニッケルやそれらの合金、あるいは金属を銀や金でコーティングした粒子を挙げることができる。これらの中でも導電性が高く、耐候性を備えた銀粒子を用いることが好ましい。
バインダーとしては、有機高分子を用いることができる。具体的にはアクリル、エポキシ、ポリエステル、ポリウレタン、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン、ポリアミド、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、などの各種樹脂を例示することができる。これらの中でもポリエステルが好ましい。

電極１４の厚みは２〜５０μｍとすることができる。また、４〜２０μｍとすることが好ましい。２μｍ未満では、抵抗値が高くなるおそれがあり、５０μｍを超えると、導電性ペーストの使用量が増えることからコスト高となる。厚さを４μｍ以上とすれば、低抵抗の電極１４とすることができ、また、厚さを２０μｍ以下とすれば、電極１４とその周囲の基材シート１２の表面との間の段差が小さくなり、さらに保護層１６を塗布する際の気泡の混入を抑えることができる。

電極１４は、前記導電性ペーストを用いるのであれば、それを印刷して基材シート１２上に塗布形成することができる。電極１４以外の配線１４ｃや外部接点１４ｄについても、電極１４と同じ材料を用いて、同時に形成することができる。

断熱層１５としては、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料を用いることが好ましい。具体的には、高分子の発泡体や高分子に中空フィラーを充填した高分子多孔体や、エアロゲルなどの無機材料からなる無機多孔体等を用いることができる。これらの中でも、可撓性が得られることや製造の容易さから、高分子の発泡体を用いることが好ましい。

発泡体の材質としては樹脂やゴムであり、例えばポリスチレン、ポリウレタン、ポリエチレン、シリコーン、アクリロニトリルコポリマー、ポリオレフィンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。
発泡体のタイプとしては、連続気泡タイプと独立気泡タイプの何れであっても良いが、連続気泡タイプは、連続した孔内を気体が対流して熱が伝わるおそれがあるのに対して、独立気泡タイプでは気体が対流しないため、より断熱効果を高めることができる。そのため、独立気泡タイプを用いることが好ましい。
高分子の発泡体からなる断熱層１５は、機械的発泡法、物理的発泡法、化学的発泡法によって製造することができる。

中空フィラーを充填するポリマー組成物には、ウレタン、シリコーン、アクリルゴム、ポリオレフィンゴム等が挙げられる。また、中空フィラーとしては、ガラスバルーン、シリカバルーン、カーボンバルーン、アルミナバルーン、ジルコニアバルーン等から選択される無機中空フィラーや、フェノール樹脂、ユリア樹脂、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルから選択されるモノマーの重合物、並びにこれらの２種類以上のモノマーの共重合物から選択される有機中空フィラー等が挙げられるが、フェノール樹脂、ユリア樹脂、塩化ビニリデン、アクリロニトリル、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルから選択されるモノマーの重合物並びにこれらの２種類以上のモノマーの共重合物から選択される有機中空フィラーが好ましい。

こうした中空フィラーの比重は、無機中空フィラーで０．１〜０．８程度であり、有機中空フィラーで０．０１〜０．２程度である。また、中空フィラーの平均粒子径は２μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。
中空フィラーを充填するポリマー組成物中への中空フィラーの配合量は、ポリマー組成物１００重量部に対し、無機中空フィラーの場合で２０〜３０重量部、有機中空フィラーの場合で５〜２０重量部とすることが好ましい。

断熱層１５の配置を、基材シート１２の裏面１２ｂであって、４つある第１電極１４ａと平面視で重なる位置としたのは、第１電極１４ａと、その第１電極１４ａ側の熱電変換層１３の端部への熱伝達を抑制するためである。こうして、この熱電変換層１３の端部を、これとは反対の第２電極１４ｂ側の熱電変換層１３の端部に対して相対的に低温にすることができる。

断熱層１５の厚みは０．１ｍｍ〜２ｍｍとすることが好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍとすることがより好ましい。厚さが０．１ｍｍ未満では、第１電極１４ａと第２電極１４ｂの温度差が大きくならないおそれがあり、厚さが２ｍｍを超えても温度差はあまり変化しない。また、厚さが２ｍｍを超えて大きくなると、基材シート１２を撓ませた際の歪みが大きくなりすぎて断線するおそれがあり、基材シート１２の歪みを小さくするには厚さを１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

保護層１６は、熱電変換層１３や電極１４等を擦れや酸化から保護するために設けられる絶縁性の樹脂被膜である。また、電極１４が銀を含む場合にその硫化を防止する手段としても好適である。
保護層１６とする樹脂材料には、硬質の樹脂が好ましく、例えば、アクリル系やウレタン系、エポキシ系、ポリオレフィン系の樹脂、その他の樹脂を挙げることができる。なお、ここでいう「硬質」とは撓み変形しない程度の「硬質」を意味するのではなく、図３で示すように基材シート１２の変形に伴い追随変形できるだけの柔軟性を有するものである。
保護層１６の厚さは、６〜３０μｍとすることができ、好ましくは１０〜２０μｍである。３０μｍを超えると柔軟性に乏しくなり、６μｍ未満であると熱電変換層１３や電極１４の保護が不十分となるおそれがある。

熱電変換素子１１は、図２に示すように、平坦な基材シート１２の両面に熱電変換層１３や断熱層１５等の各部位が形成されている。この熱電変換素子１１を発熱部品１８に取付ける際には、図３で示すように、断熱層１５の表面と、基材シート１２の裏面１２ｂの露出面が、粘着層１７を介して発熱部品１８に貼り付いて密着する構造となる。そのため、取付状態ではこれらの表面が発熱部品１８の表面に沿って面一となる。換言すれば、基材シート１２の第１電極１４ａとその周囲は、断熱層１５の厚さの分だけ発熱部品１８から離間することになる。

こうした熱電変換素子１１とその取付構造によれば、基材シート１２が平坦であることから、熱電変換層１３や配線１４ｃ等の素子を構成する回路要素を印刷で容易に形成できる。熱電変換層１３の厚みを均一にし易く、また微細な配線１４ｃを形成することができる。さらに、熱電変換層１３や配線１４ｃを形成した後に断熱層１５を印刷形成すれば、断熱層１５もまた略平坦な基材シート１１上に設けることができ、断熱層１５の厚さもまた均一なものとすることができる。
熱電変換素子１１の貼付構造によれば、その製造時には、平坦な基材シート１２に素子を構成する回路要素を均一な薄膜で形成し易く、その使用時には、３次元構造を有する熱電変換素子と同等の性能を発揮することができる。

熱電変換素子１１の第２電極１４ｂ側では、基材シート１２が粘着層１７を介するものの、実質的には発熱部品１８に対して直接接触する構成となる。したがって、多数の余分な層を介さずに発熱部品１８から第２電極１４ｂ側の熱電変換層１３に熱を伝えることができる。そうした一方で、熱電変換素子１１の第１電極１４ａ側では、基材シート１２が断熱層１５の厚さの分だけ発熱部品１８から離間する。したがって、断熱層１５の断熱効果と、距離をおいて離れたことによる空間的な隔たりとによって、第１電極１４ａ側の熱電変換層１３に熱を伝え難くすることができる。

熱電変換素子１１は、薄型で単純な構成とすることができ、厚み方向ではなく面方向の温度差を利用して、熱電変換層１３における電極１４ａ側と電極１４ｂ側の両端部間の温度差を大きくすることができるので、電力変換効率を高めることができる。

また、発熱部品１８の表面に凹凸や段差があるような場合であっても、発熱部品１８と熱電変換層１３との間に基材シート１２を介して固着するため、この凹凸や段差を基材シート１２で覆うことから、熱電変換素子１１を発熱部品１８に圧着する際に熱電変換層１３が破損し難い。したがって、表面に凹凸や段差が設けられた発熱部品１８に固着する際には熱電変換素子１１は好ましい態様である。

変形例１［図４、図５］：
図４には、熱電変換素子１１の変形例である熱電変換素子２１を示す。また、図５には、その熱電変換素子２１の取付構造を示す。
熱電変換素子２１が熱電変換素子１１と異なるのは、保護層１６の形状である。即ち、熱電変換素子１１の保護層１６は発熱部品１８に取付ける前の状態で上面が平坦面として形成されている。これに対して熱電変換素子２１では、発熱部品１８に取付ける前の状態で、第１電極１４ａと重なる位置周辺に薄厚部１６ａが形成されており、第２電極１４ｂと重なる位置周辺に薄厚部１６ａよりも厚い厚肉部１６ｂを形成したものである。薄厚部１６ａに対する厚肉部１６ｂの厚さの増加分ｔは、断熱層１５の厚さｔ２に対応したものとすることが好ましい。

熱電変換素子２１は、保護層１６が第２電極１４ｂと重なる位置周辺に厚肉部１６ｂを有するため、この部分の基材シート１２を発熱部品１８に接触させると、図５で示すように、発熱部品１８側に厚肉部１６ｂが変形して、表面１２ａ側で薄肉部１６ａに対する厚肉部１６ｂの膨らみが低減するか無くなって、保護層１６の表面は実質的に平坦状になる。

熱電変換素子２１によれば、熱電変換素子２１の保護層１６の表面を平坦状に近づけることができる。そのため、この保護層１６に接触させる発熱部品１８よりも低温の他の部品を密着させることができ、熱電変換素子２１の第１電極１４ａ側の中央部をより低温にすることができる。

第２実施形態［図６、図７］：
図６には、本実施形態で説明する熱電変換素子３１を示す。また、図７には、この熱電変換素子３１の取付構造を示す。
熱電変換素子３１は、基材シート１２の裏面１２ｂに、熱電変換層１３と電極１４、断熱層１５を設けている。また、先の実施形態で説明した熱電変換素子１１に備わる保護層１６は設けていない。外部接点１４ｄは、基材シート１２に設けたスルーホール１２ｃを通じて基材シート１２の表面１２ａに形成されている。また、熱電変換層１３や電極１４にはその表面を覆う粘着層１７を設けている。

熱電変換素子３１を発熱部品１８に貼付する際には、図７で示すように、断熱層１５の表面と基材シート１２の裏面１２ｂの露出面とに形成された粘着層１７が発熱部品１８に密着する構造となる。そのため、貼付時にはこれらの表面が発熱部品１８の表面に沿って面一となる。換言すれば、基材シート１２の第１電極１４ａとその周囲は、断熱層１５の厚さの分だけ発熱部品１８から離間することになる。

また、熱電変換素子３１では、発熱部品１８の熱が基材シート１２を介さずに熱電変換層１３や第１電極１３ａに伝わる構成となっている。したがって、第１実施形態と比べると基材シート１２を介さないだけ発熱部品１８の熱が熱電変換層１３に伝わり易くなっている。

また、熱電変換素子３１では、発熱部品１８と熱電変換層１３の間に基材シート１２を介さない構成であるため、発熱部品１８の表面が平滑な場合に好ましく用いることができる。発熱部品１８の表面に凹凸や段差があると熱電変換層１３や電極１４を傷つけるおそれがあるからである。

熱電変換素子３１は保護層１６を備えていないため、保護層１６を設ける工程の分だけコストを削減することができ、また保護層１６の厚みを設けない分だけ薄型の熱電変換素子３１とすることができる。

第３実施形態［図８、図９］：
図８には、第３実施形態の熱電変換素子４１を示す。また、図９には、この熱電変換素子４１の取付構造を示す。
熱電変換素子４１は、基材シート１２を設けていない点に特徴がある。基材シート１２の代わりに離型シート１９を準備し、この離型シート１９上に保護層１６、熱電変換層１３、電極１４、断熱層１５、粘着層１７を順次積層して構成している。なお、保護層１６は、図１で想像線により示す第１実施形態の保護層１６と同じ多角形の平面形状であり、熱電変換層１３、電極１４、断熱層１５を形成していない部分には粘着層１７が直接積層する構成となっている。

熱電変換素子４１を発熱部品１８に取付ける際には、図９で示すように、熱電変換層１３、電極１４、断熱層１５、保護層１６の表面に積層する粘着層１７を発熱部品１８に貼り付けて密着させてから、離型シート１９を剥離する。換言すれば、離型シート１９上に設けた熱電変換素子４１を発熱部品１８の表面に転写している。
離型シート１９としては、保護層１６および電極１４を剥離可能な樹脂フィルムでなる離型フィルムや離型紙を用いることができる。低価格で入手が容易である剥離処理をしたポリエチレンテレフタレートフィルムは好適な一例である。

先の実施形態で説明した熱電変換素子１１で用いた基材シート１２に比べて、熱電変換素子４１に形成する保護層１６を薄膜にすることができる。そのため、熱電変換素子４１の厚さをより薄型にすることができる。また、保護層１６が薄膜であることから、低温側の部材に接触した際に冷却され易い。そのため、発熱部品１８に接触する第２電極１４ｂ側と、低温部材に接触する第１電極１４ａ側との温度差を大きくすることができる。
本実施形態では、先の実施形態で説明した熱電変換素子３１のようなスルーホール１２ｃを設けることなく、表面１２ａ側に外部接点１４ｄを露出させることができる。

変形例２［図１０、図１１］：
図１０には、本実施形態で説明する熱電変換素子５１を示す。また、図１１には、この熱電変換素子５１の取付構造を示す。
熱電変換素子５１は、断熱層１５を基材シート１２の両外側に設けたことを特徴とする。こうした構成の場合は、断熱層１５に重なる位置に第１電極１４ａが設けられ、第２電極１４ｂは基材シート１２の中央側に設けられる。つまり、第１実施形態と比較すると第１電極１４ａと第２電極１４ｂの位置が入れ替わった形となる。そして本実施形態では基材シート１２の外周側にある第１電極１４ａ側が高温に、基材シート１２の中央側にある第２電極１４ｂ側が低温になり、両電極１４ａ，１４ｂ間に所定の温度差を生じさせることができる。熱電変換素子５１の構成は、発熱部品１８が小さい場合や、発熱部品１８に温度勾配があり高温領域が狭い場合などに好適に採用できる。

上記実施形態は本発明の例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施形態の変更または公知技術の付加や、組合せ等を行い得るものであり、それらの技術もまた本発明の範囲に含まれるものである。
例えば、変形例１と変形例２を組合せた実施形態として、変形例２で示した両外側に断熱層１５を設ける場合に、変形例１で示した両外側に厚盛りにした保護層１５を変形して、第１電極１４ａに対応する中央側を厚盛りにした保護層１５を形成することができる。

具体的な実験例に基づいて本発明をさらに説明する。
＜試料の作製＞
次に説明する試料１〜試料７の熱電変換素子を作製し種々の試験を行った。

試料１：
試料１として、図１、図２で示す構造の熱電変換素子を作製した。基材シートとしては、縦５０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタレート樹脂を準備し、その一方面にＢｉ_２Ｔｅ_３からなり、電極間距離３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１μｍの熱電変換層を４つ形成した。そして、銀ペーストで、図１に示すように４つの熱電変換層それぞれを接続し、レジストインクで熱電変換層と配線を覆う厚さ１５μｍの保護層を形成した。次に、基材シートの他方面に厚さ０．１ｍｍの断熱層を形成して試料１を得た。なお、断熱層は、アクリル樹脂からなり、密度が０．２５ｇ／ｃｍ^３、熱伝導率０．０５５Ｗ／ｍ・Ｋ、独立気泡の発泡層とした。

試料２〜試料５：
断熱層の厚さを表１に示す厚さにそれぞれ変更した以外は試料１と同様にして試料２〜試料５の熱電変換素子を作製した。
試料６：
断熱層を設けなかった以外は試料１と同様にして試料６の熱電変換素子を作製した。

試料７：
図１２で示すように、断熱層(15)に並べて断熱層と同じ厚さ０．５ｍｍの熱伝導層(20)を形成した以外は試料１と同様にして比較例としての試料７の熱電変換素子を作製した。なお、熱伝導層としては、シリコーンゴムに酸化アルミニウムを配合した熱伝導率１．３Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導性シートを用いた。

＜温度試験＞
上記試料１〜試料７の熱電変換素子を発熱部材に貼付した後、各熱電変換素子の所定部位の温度測定を行い、その温度特性について評価を行った。

熱電変換素子の発熱部品への取付け
平面視で縦１００ｍｍ、横２００ｍｍの大きさで１００Ｗのラバーヒーターの表面に、各熱電変換素子を密着して配置させた。ラバーヒーターは熱電変換素子よりも大きく、全体を略均一に加熱することが可能である。そして、ラバーヒーターに１０Ｖの交流電圧を印加して３０分後の温度を測定した。

各温度の測定：
熱電変換層の高温側端部の温度、および低温側端部の温度は、日本アビオニクス株式会社製赤外線サーモグラフィ「ＮｅＯＴｈｅｒｍｏＴＶＳ−７００」によって測定した。また、その温度差を計算した。これらの結果も表１に示す。

温度差の分析：
試料１〜試料４を見ると、厚さが厚いほど温度差が大きくなり、好ましいことがわかる。特に断熱層を設けない試料６との比較から０．１ｍｍの断熱層を設けるだけでも、大きな温度差が得られることがわかった。また、断熱層の厚さが０．１〜１．５ｍｍの範囲ではおおむね厚みに比例して温度差が大きなっており、この範囲では断熱層の厚みを増すことが効果的であることがわかった。一方、厚さが１．５ｍｍの試料４と厚さが２．０ｍｍの試料４の比較では、温度差の増大はやや小さいものとなっていた。このことから、断熱層の厚さは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲が好ましいことがわかった。
また、断熱層と熱伝導層を並べて配置した試料７については、試料１よりも温度差が小さく、図１２で示す従来の構成に見られる熱伝導層を配置した熱電変換素子に対して、本発明の構成が極めて優位であることがわかった。

１、１１、２１、３１、４１、５１ 熱電変換素子
１２ 基材シート
１２ａ 表面（第１表面）
１２ｂ 裏面（第２表面）
１２ｃ スルーホール
１３ 熱電変換層
１３ａ〜１３ｄ 熱電変換層
１４ 電極
１４ａ 第１電極
１４ｂ 第２電極
１４ｃ 配線
１４ｄ 外部接点
１５ 断熱層
１６ 保護層
１６ａ 薄肉部
１６ｂ 厚肉部
１７ 粘着層
１８ 発熱部品
１９ 離型シート
２０ 熱伝導層

Claims (10)

1. 可撓性を有する熱電変換層と、
   熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、
   熱電変換層の他端部に設けた第２電極と、
   熱電変換層の厚み方向で第１電極と重なる位置に設けた断熱層とを備え、
   熱電変換層は、断熱層を発熱部品に取付けた状態で、第１電極が断熱層によって第２電極よりも発熱部品から離間するように、撓み変形するものである熱電変換素子。
2. 可撓性を有する基材シートと、
   基材シートに設けた可撓性を有する熱電変換層と、
   熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、
   熱電変換層の他端部に設けた第２電極と、
   基材シートの厚み方向で第１電極と重なる位置に設けた断熱層とを備え、
   基材シート及び熱電変換層は、断熱層を発熱部品に取付けた状態で、第１電極が断熱層によって第２電極よりも発熱部品から離間するように、撓み変形するものである熱電変換素子。
3. 離型シートと、
   離型シートに設けた可撓性を有する熱電変換層と、
   熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、
   熱電変換層の他端部に設けた第２電極と、
   離型シートの厚み方向で第１電極と重なる位置に設けた断熱層とを備えており、
   離型シート及び熱電変換層は、断熱層を発熱部品に取付けた状態で、第１電極が断熱層によって第２電極よりも発熱部品から離間するように、撓み変形するものである熱電変換素子。
4. 離型シートが前記撓み変形した状態で剥離可能である
   請求項３記載の熱電変換素子。
5. 断熱層の厚さが０．１〜２．０ｍｍである
   請求項１〜請求項４何れか１項記載の熱電変換素子。
6. 熱電変換層に設けた第１電極の端から第２電極の端までの長さが１〜５０ｍｍである
   請求項１〜請求項５何れか１項記載の熱電変換素子。
7. 熱電変換層を覆う保護層を有する
   請求項１〜請求項６何れか１項記載の熱電変換素子。
8. 保護層は、断熱層と重なる位置にある薄肉部と、断熱層と重ならない位置にある厚肉部とを有する
   請求項７記載の熱電変換素子。
9. 発熱部品に貼り付ける粘着層を有する
   請求項１〜請求項８何れか１項記載の熱電変換素子。
10. 発熱部品に対する請求項１〜請求項９何れか１項記載の熱電変換素子の取付構造であって、発熱部品に、少なくとも断熱層の厚さ分の距離を隔てて第１電極を第２電極よりも離間させて配置する熱電変換素子の取付構造。

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