JPWO2018042708A1 - 熱電変換装置および電子装置 - Google Patents
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Abstract
Description
熱電材料として薄膜を用いる熱電変換装置の構造について検討した。比較例1はπ型のゼーベック素子を用いる例である。図2(a)および図2(b)は、比較例1に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。図2(a)では、熱電薄膜、接続層および電極を図示している。図2(b)は、図2(a)のA−A断面図である。熱電薄膜12aおよび12bの配列方向をX方向およびY方向とし、各層の積層方法をZ方向としている。
比較例2は、インプレーン型のゼーベック素子を用いる例である。図3(a)および図3(b)は、比較例2に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。図3(a)では、熱電薄膜、接続層および基部を図示している。図3(b)は、図3(a)のA−A断面図である。熱電薄膜12aおよび12bの配列方向および延伸方向をそれぞれX方向およびY方向とし、各層の積層方法をZ方向としている。
熱電薄膜12a:n型Fe2VAl1−xTax
熱電薄膜12b:p型Fe2V1−xTixGa
無次元性能指数:0.09
接続層14a、14b:Cu
熱伝導層16a、16b:Cu
絶縁層18:SiO2
絶縁膜20:Al2O3、膜厚tAl2O3:100nm
基部22a、22b:Cu、膜厚tHS:1mm
D×D:10mm×10mm
ΔT:1K
t0=100nm、VS=1Vとしてシミュレーションを行った。図5(a)から図5(c)は、比較例1におけるγに対するそれぞれ素子対数m0、素子寸法γdおよび出力電力POUTのシミュレーション結果を示す図である。ゼーベック素子の素子対数m0は、熱電薄膜12aと12bの一対の数である。素子寸法γdは、各熱電薄膜12aおよび12bのX方向の幅である。出力電力POUTは、負荷抵抗を調整して得られる熱電変換装置の最大の熱電変換装置の出力電力である。ここでのシミュレーションでは、温度差ΔTが必ず1Kつくものとして最適化したものである。実際の設計の際は、投入される熱量を考慮して最適化を行うこととなる。
t0=100nm、VS=100mVとしてシミュレーションを行った。シミュレーション条件は比較例1と同じである。熱伝導層16aおよび16bのX方向の幅は接続層14aおよび14bのX方向の幅と同じとした。図8(a)から図8(c)は、実施例1におけるγに対するそれぞれm0、γdおよびPOUTのシミュレーション結果を示す図である。図8(a)および図8(b)に示すように、γ<0.5では、解がない。0.5<γでは2つの解が得られる。ゼーベック素子1個当たりの起電力が大きく素子数が小さい解(実線)と、ゼーベック素子1個当たりの起電力が小さく素子数が大きい解(点線)である。図8(c)に示すように、出力電力POUTは2つの解とも同じであり、γ=0.5において最大となる。素子の作製の容易性の観点で、素子数が小さい解(実線)を採用した。
図11(a)および図11(b)は、実施例1の変形例1に係る熱電変換装置の断面図である。図11(a)に示すように、熱伝導層16aおよび16bのX方向の幅は、接続層14aおよび14bのX方向の幅より大きくてもよい。図11(b)に示すように、熱伝導層16aおよび16bのX方向の幅は接続層14aおよび14bより小さくてもよい。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。
図12は、実施例1の変形例2に係る熱電変換装置の平面図である。図12に示すように、Y方向に複数のモジュール30が設けられている。各モジュール30は、電極24aと24bとの間にX方向に配列したゼーベック素子10を備えている。各モジュール30間は絶縁層18により電気的および熱的に分離されている。用途に応じ、各モジュール30を直列に接続、並列に接続、または直列と並列を組み合わせて電気接続できる。モジュール30間を接続する配線を基板上に集積化することで、配線の内部抵抗を低減できる。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。
図13(a)および図13(b)は、実施例1の変形例3に係る熱電変換装置の断面図および平面図である。図13(a)に示すように、基部22aおよび絶縁層18aに溝28aが形成され、基部22bおよび絶縁層18bに溝28bが形成されている。絶縁層18aおよび18bは固体である。溝28aおよび28b内は空気等の気体または真空であり絶縁層18aおよび18bより熱伝導率が大きい。このため、基部22aと22b間の温度差が同じでも熱電薄膜12aおよび12bの温度差を大きくできる。図13(b)に示すように、基部22bに複数の溝28bが設けられている。基部22aにも同様に複数の溝28aが設けられている。溝28bはX方向およびY方向に配列されている。溝28bを短く分断することで、熱電変換装置の強度を高くできる。溝28bはY方向に延伸するように設けられていてもよい。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。
図14(a)は、実施例1の変形例4に係る熱電変換装置の断面図である。図14(a)に示すように、熱電薄膜12aおよび12bのZ方向の位置は同じでない。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。熱電薄膜12aおよび12bの製造方法によっては、熱電薄膜12aと12bとは同一のXY平面上に位置していなくてもよい。
図14(c)は、実施例1の変形例5に係る熱電変換装置の断面図である。図14(c)に示すように、基部22aと22bとの間に、層48が絶縁膜20を介し複数積層されている。各層48は、実施例1の変形例4の熱電薄膜12aおよび12b、接続層14aおよび14b、熱伝導層16aおよび16b、並びに絶縁層18aおよび18bを含む。絶縁膜20は、電気的な絶縁体でありかつ熱伝導率が高い。その他の構成は、実施例1と同じであり説明を省略する。
実施例1の変形例6は、実施例1およびその変形例に係る熱電変換装置をペルチェ素子として用いる例である。図15(a)および図15(b)は、実施例1の変形例6に係る熱電変換装置を用いた電子装置の断面図である。図15(a)に示すように、プリント基板等の基板58上に集積回路素子52が搭載されている。集積回路素子52は、例えばマイクロプロセッサまたはSoC(System on a Chip)である。集積回路素子52上に熱伝導部材56、熱電変換装置51、熱伝導部材56および放熱部材54が設けられている。熱電変換装置51は、実施例1およびその変形例に係る熱電変換装置をペルチェ素子として用いている。熱伝導部材56は例えば銅またはインジウム等のように熱コンタクトをとる金属層である。放熱部材54は例えば放熱フィンである。熱伝導部材56および放熱部材54には、実施例2において例示する材料を用いてもよい。図15(b)に示すように、集積回路素子52上に熱電変換装置51を直接搭載してもよい。
図17は、実施例2の変形例1に係る電子装置のブロック図である。図17に示すように、電子装置106は、実施例2に係る電子装置105に加え制御回路60および蓄電装置62を備えている。蓄電装置62は、例えば2次電池である。制御回路60には、外部電力70が供給される。制御回路60は電力71を集積回路素子52に供給する。制御回路60は、集積回路素子52の電源電圧に対応し集積回路素子52に複数の電圧の電力71を供給してもよい。
図18は、実施例2の変形例2に係る電力システムのブロック図である。図18に示すように、電力システム108は、電子装置105に加え制御回路60および電力回収装置64を備えている。制御回路60は、外部電力70を集積回路素子52に供給する。電力回収装置64は、複数の電子装置105における発電装置50が発電した電力72を回収する。電力回収装置64は、回収した電力72を集積した電力75を外部に供給する。
上記比較例1および実施例1のシミュレーションは、熱電変換装置に加わる温度差ΔTが一定としている。このモデルは熱電発電モジュール単体の評価方法の1つである。しかし、熱電変換装置をウエアラブルデバイスの電源として用いる場合、熱電変換装置は人体の体温と大気の温度との温度差を用いて発電することになる。このような場合、上記シミュレーションは適正でない。そこで、人体の皮膚温度に恒温動物モデルを用い、実施例1における熱電変換装置のシミュレーションを行った。
以下にシミュレーション条件を示す。
大気の熱抵抗kair:212.5K/W
熱電薄膜12aおよび12b
ゼーベック係数S=Sp−Sn:434μV/K
熱伝導率λ=(λp+λn)/2:1.43Wm−1K−1
電気抵抗率ρ=(ρp+ρn)/2:8.11μΩm
接続層14aおよび14b:Cu
膜厚tCu:10μm(実施例1)、≦10μm(比較例1)
熱伝導率λCu:386Wm−1K−1
電気抵抗率λCu:1.69×10−8Ωm
絶縁層18:真空
D×D:10mm×10mm
ΔTS:10K
SnおよびSpはそれぞれn型およびp型の熱電薄膜12aおよび12bのゼーベック係数、λnおよびλpはそれぞれn型およびp型の熱電薄膜12aおよび12bの熱伝導率、並びにρnおよびρpはそれぞれn型およびp型の熱電薄膜12aおよび12bの電気抵抗率である。Dはモジュールの一辺の長さである。
実施例1について恒温動物モデルを用いシミュレーションを行った。ΔTを一定としたシミュレーションと同様に、出力電力POUTが最大となるトレードオフパラメータγおよび出力電力POUTが最大となる素子対数m0で最適化した。
比較例1のπ型について恒温動物モデルを用い実施例1と同様にシミュレーションを行った。図22は、比較例1におけるt0に対するγd、(1−γ)d、ΔT、βΔT、VSおよびPOUTのシミュレーション結果を示す図である。ここでは、γdおよび(1−γ)dの最小値を1μmに制限してある。図22に示すように、膜厚t0が小さくなるとPOUTが小さくなる。膜厚t0が1000nm以下となるとPOUTが100μW以下となる。
図28(a)は、実施例4の変形例1に係る熱電変換装置の平面図、図28(b)は、図28(a)のA−A断面図である。図28(a)は、基部22a、22bおよび熱電変換ユニット44を示している。図28(a)および図28(b)に示すように、熱電変換ユニット44は、実施例1の図4(a)および図4(b)と同様に熱電薄膜12a、12b、接続層14a、14b、熱伝導層および絶縁層を有している。平面視において基部22aおよび22bに比べ熱電変換ユニット44の面積を小さくする。熱絶縁体46は、熱電薄膜12a、12b、接続層14a、14b、基部22aおよび22bより熱伝導率が小さい。基部22aおよび22bの大きさはD×Dであり、熱電変換ユニット44の長さはLである。
図31は、実施例4の変形例2に係る熱電変換装置の断面図である。図31に示すように、基部22aと22bとの間を真空46aに保持するための保持壁47を備えている。その他の構成は実施例4およびその変形例1と同じであり説明を省略する。
図32(a)は、実施例4の変形例3に係る熱電変換装置の平面図、図32(b)は、図32(a)のA−A断面図である。図32(a)および図32(b)に示すように、単一の基部22aと単一の基部22bとの間に実施例4の熱電変換ユニット44に対応する熱電変換ユニット44が複数設けられている。各熱電変換ユニット44は平面視において熱絶縁体46に囲まれている。複数の熱電変換ユニット44は、電気的に直列または並列に接続されていてもよい。
図33(a)は、実施例4の変形例4に係る熱電変換装置の平面図、図33(b)は、図33(a)のA−A断面図である。図33(a)および図33(b)に示すように、単一の基部22aと単一の基部22bとの間に実施例4お変形例1の熱電変換ユニット44に対応する熱電変換ユニット44が複数設けられている。各熱電変換ユニット44は平面視において熱絶縁体46に囲まれている。複数の熱電変換ユニット44は、電気的に直列または並列に接続されていてもよい。
12a、12b 熱電薄膜
14a、14b 接続層
16a、16b 熱伝導層
18、18a、18b 絶縁層
20 絶縁膜
22a、22b 基部
24a、24b 電極
28a、28b 溝
44 熱電変換ユニット
46 熱絶縁体
47 保持壁
50 発電装置
52 集積回路素子
54 放熱部材
60 制御回路
62 蓄電装置
Claims (18)
- 第1熱電薄膜および第2熱電薄膜の表面に平行な第1方向に交互に設けられた互いに反対の導電型を有する前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜と、
前記第1熱電薄膜と前記第2熱電薄膜との間において前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜と電気的および熱的に接続され、前記第1方向に交互に設けられた第1接続層および第2接続層と、
前記第1接続層および前記第2接続層にそれぞれ熱的に接続し前記表面に交差する第2方向に延伸する第1熱伝導層および第2熱伝導層と、
を具備することを特徴とする熱電変換装置。 - 前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜の膜厚は10μm以下であることを特徴とする請求項1記載の熱電変換装置。
- 前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層は、前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜の表面に対し互いに反対側に設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の熱電変換装置。
- 前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層が貫通し前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層より熱伝導率の小さな絶縁体を具備することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の熱電変換装置。
- 前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜は、前記表面に平行であって前記第1方向に交差する第3方向に延伸し、
前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜の前記第3方向の長さは、前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜の膜厚の10倍以上であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項記載の熱電変換装置。 - 前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜の前記第1方向の幅は、前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜の膜厚より大きい請求項1から5のいずれか一項記載の熱電変換装置。
- 前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層にそれぞれ熱的に接続する第1基部および第2基部を具備する請求項1から6のいずれか一項記載の熱電変換装置。
- 前記第1熱伝導層が貫通し前記第1熱伝導層より熱伝導率の小さな固体の第1絶縁体と、
前記第2熱伝導層が貫通し前記第2熱伝導層より熱伝導率の小さな固体の第2絶縁体と、
前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層にそれぞれ熱的に接続する第1基部および第2基部と、
を具備し、
前記第1基部および前記第1絶縁体は、前記第1熱伝導層の間において第1溝を有し、
前記第2基部および前記第2絶縁体は、前記第2熱伝導層の間において第2溝を有することを特徴とする請求項3記載の熱電変換装置。 - 前記第1熱電薄膜、前記第2熱電薄膜、前記第1接続層、前記第2接続層、前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層を含む層が前記表面に交差する方向に複数積層され、
前記複数の層のうち隣接する層の一方に含まれる第1熱伝導層と、前記隣接する層の他方に含まれる第2熱伝導層と、は熱的に接続されている請求項1から8のいずれか一項記載の熱電変換装置。 - 恒温動物の生体の表面に熱的に接続される第1基部と、
空気に熱的に接続される第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部との間に設けられ、前記第1熱電薄膜、前記第2熱電薄膜、前記第1接続層、前記第2接続層、前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層を備え、前記第1熱伝導層および前記第2熱伝導層はそれぞれ前記第1基部および前記第2基部に接続された熱電変換ユニットと、
前記第1基部と前記第2基部との間であって前記熱電変換ユニットの外側に設けられ、前記第1熱電薄膜、前記第2熱電薄膜、前記第1基部および前記第2基部の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する熱絶縁体と、
を具備することを特徴とする請求項1から9のいずれか一項記載の熱電変換装置。 - 恒温動物の生体の表面に熱的に接続される第1基部と、
空気に熱的に接続される第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部との間に設けられ、第1接続層と第2接続層との間に設けられた第1熱電材料と前記第1熱電材料と反対の導電型を有する第2熱電材料とが、前記第1接続層と前記第2接続層とを介して交互に直列に接続され、前記第1接続部および前記第2接続部はそれぞれ前記第1基部および前記第2基部に熱的に接続された熱電変換ユニットと、
前記第1基部と前記第2基部との間であって前記熱電変換ユニットの外側に設けられ、前記第1熱電材料、前記第2熱電材料、前記第1基部および前記第2基部の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する熱絶縁体と、
を具備することを特徴とする熱電変換装置。 - 前記熱絶縁体は、固体層であることを特徴とする請求項10または11記載の熱電変換装置。
- 前記熱絶縁体は、大気圧より低い圧力を有する気体層または真空であり、
前記熱電変換装置は、前記気体層または真空を保持する保持部を具備することを特徴とする請求項10または11記載の熱電変換装置。 - 前記第1基部と前記第2基部との間に前記熱絶縁体を介し互いに離間した複数の前記熱電変換ユニットを具備することを特徴とする請求項10から13のいずれか一項記載の熱電変換装置。
- 集積回路素子と、
前記集積回路素子において発生した熱を放熱する放熱部材と、
請求項1から10のいずれか一項記載の熱電変換装置を含み、前記集積回路素子と前記放熱部材との間に設けられ、前記第1熱伝導層が前記集積回路素子に熱的に接続し、前記第2熱伝導層が前記放熱部材に接続された発電装置と、
を具備することを特徴とする電子装置。 - 集積回路素子と、
前記集積回路素子において発生した熱を放熱する放熱部材と、
第1接続層と第2接続層との間に設けられた第1熱電材料と前記第1熱電材料と反対の導電型を有する第2熱電材料とが、前記第1接続層と前記第2接続層とを介して交互に直列に接続された熱電変換装置を含み、前記集積回路素子と前記放熱部材との間に設けられ、前記第1接続層が前記集積回路素子に熱的に接続し、前記第2接続層が前記放熱部材に接続された発電装置と、
を具備することを特徴とする電子装置。 - 前記発電装置が発電した電力を蓄え、前記集積回路素子に供給する蓄電装置を具備することを特徴とする請求項15または16記載の電子装置。
- 第1基部および第2基部と、
前記第1基部および前記第2基部の面方向に配列され、互いに反対の導電型を有する前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜と、
前記面方向に交差する方向において前記第1熱電薄膜と前記第2熱電薄膜と交互に熱的および電気的に接続され、それぞれ前記第1基部および前記第2基部と熱的に接続された第1接続層および第2接続層と、
を具備し、
前記第1熱電薄膜および前記第2熱電薄膜の前記面方向の大きさは1μm以下であることを特徴とする熱電変換装置。
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