WO2017051699A1 - 熱電変換素子 - Google Patents

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WO2017051699A1
WO2017051699A1 PCT/JP2016/076078 JP2016076078W WO2017051699A1 WO 2017051699 A1 WO2017051699 A1 WO 2017051699A1 JP 2016076078 W JP2016076078 W JP 2016076078W WO 2017051699 A1 WO2017051699 A1 WO 2017051699A1
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WO
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thermoelectric conversion
bet
high heat
heat conduction
substrate
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/076078
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English (en)
French (fr)
Inventor
広樹 渡辺
林　直之
佳也 大原
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion element.
  • thermoelectric conversion materials that can mutually convert thermal energy and electrical energy are used for thermoelectric conversion elements such as power generation elements and Peltier elements that generate electricity by heat.
  • the thermoelectric conversion element can convert heat energy directly into electric power, and has an advantage that a movable part is not required. For this reason, a thermoelectric conversion module (power generation device) formed by connecting a plurality of thermoelectric conversion elements is provided in a portion where heat is exhausted, such as an incinerator or various facilities in a factory, so that it is not necessary to incur operation costs and is simple. Can get power.
  • thermoelectric conversion element As such a thermoelectric conversion element, a so-called ⁇ -type thermoelectric conversion element is known.
  • a ⁇ -type thermoelectric conversion element is provided with a pair of electrodes spaced apart from each other, an N-type thermoelectric conversion material on one electrode, and a P-type thermoelectric conversion material on the other electrode, which are also spaced apart from each other. The upper surfaces of both thermoelectric conversion materials are connected by electrodes.
  • a plurality of thermoelectric conversion elements are arranged so that N-type thermoelectric conversion materials and P-type thermoelectric conversion materials are alternately arranged, and the lower electrodes of the thermoelectric conversion material are connected in series, so that thermoelectric conversion is achieved.
  • a module is formed.
  • Normal thermoelectric conversion elements including ⁇ -type thermoelectric conversion elements, have an electrode on a sheet-like substrate, a thermoelectric conversion layer (power generation layer) on the electrode, and a sheet on the thermoelectric conversion layer. It has the structure which has a shape-like electrode. That is, in a normal thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion layer is sandwiched between electrodes in the thickness direction, a temperature difference is generated in the thickness direction of the thermoelectric conversion layer, and heat energy is converted into electric energy.
  • thermoelectric conversion elements have a problem that the manufacturing process becomes complicated and takes time. Further, there has been a problem that the effect of thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient of each member and the occurrence of fatigue phenomenon at the interface due to repeated occurrence of thermal strain change, resulting in performance degradation.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 use a substrate having a high heat conduction portion and a low heat conduction portion to cause a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer, not in the thickness direction of the thermoelectric conversion layer.
  • a thermoelectric conversion element that converts thermal energy into electrical energy is described.
  • a flexible film substrate composed of two types of materials having different thermal conductivities is provided on both surfaces of a thermoelectric conversion layer formed of a P-type material and an N-type material.
  • thermoelectric conversion element in which a material having a different thermal conductivity is positioned at a position opposite to the energizing direction and a material having a high thermal conductivity is positioned at a part of the outer surface of the substrate.
  • Patent Document 2 includes a first temperature difference forming layer that generates a temperature difference in the horizontal direction, a thermoelectric element formed on the first temperature difference forming layer, and a wiring that connects the thermoelectric elements.
  • the main surface on the thermoelectric element side is smaller in area than the other main surface, and the first high thermal conductor and the first low thermal conductor filled in the gap are alternately arranged in the horizontal direction.
  • the thermoelectric element is formed so as to cover at least a part of the first high thermal conductor, and is extended to the first low thermal conductor adjacent to the first high thermal conductor.
  • a thermoelectric conversion module device is described.
  • thermoelectric conversion element that generates a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer and converts heat energy into electric energy, in order to increase the amount of power generation, the temperature difference generated in the thermoelectric conversion layer is increased.
  • one surface is brought into contact with a high-temperature heat source, and the other surface is brought into contact with a low-temperature heat source (or air cooling), thereby causing a temperature difference in the thermoelectric conversion layer. Therefore, it is necessary to efficiently convert the temperature difference between the high-temperature heat source and the low-temperature heat source given from the outside into the temperature difference in the thermoelectric conversion layer.
  • thermoelectric conversion layer by efficiently converting the applied thermal energy into a temperature difference in the thermoelectric conversion layer, the amount of power generation can be increased, and the conversion efficiency between thermal energy and electrical energy can be improved.
  • the conventional thermoelectric conversion element sufficient studies have not been made on the configuration for increasing the temperature difference generated in the thermoelectric conversion layer.
  • An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and in the thermoelectric conversion element, the temperature difference between the high temperature heat source and the low temperature heat source given from the outside can be efficiently obtained in the thermoelectric conversion layer.
  • An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element that can be converted into a temperature difference and can increase power generation.
  • the inventors of the present invention have a thermoelectric conversion layer, a power generation element having an electrode pair arranged with the thermoelectric conversion layer sandwiched in the plane direction, and an electrode on the maximum surface of the power generation element.
  • a power generation element having a thermoelectric conversion layer, and an electrode pair arranged with the thermoelectric conversion layer sandwiched in the plane direction;
  • Two high thermal conductivity parts having a thermal conductivity of 50 W / m ⁇ K or more, which are arranged apart from each other in the arrangement direction of the electrode pair on the maximum surface of the power generation element;
  • the separation distance in the surface direction of the two high heat conduction parts is L bet in the unit ⁇ m
  • the contact area between one high heat conduction part and the external low-temperature heat source is S cool in the unit ⁇ m 2 , Assuming that the cross-sectional area perpendicular to the separating direction of the high heat conducting part is S bet in the unit ⁇ m 2
  • Thermoelectric conversion element satisfying L bet ⁇ S cool / S bet ⁇ 0.01.
  • thermoelectric conversion element according to (1) or (2) that satisfies 1.57 ⁇ 10 2 ⁇ L bet ⁇ S cool / S bet ⁇ 2.0 ⁇ 10 10 .
  • thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (3), wherein a separation distance L bet between the two high heat conducting portions is 20100 ⁇ m or less.
  • the power generation element includes a first substrate and a second substrate that sandwich the thermoelectric conversion layer and the electrode pair in the thickness direction, One high heat conduction part is laminated on the surface of the first substrate opposite to the thermoelectric conversion layer, and the other high heat conduction part is laminated on the surface of the second substrate opposite to the thermoelectric conversion layer (1)
  • the power generation element includes a first substrate and a second substrate that sandwich the thermoelectric conversion layer and the electrode pair in the thickness direction, The thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (4), wherein two high heat conductive portions are laminated on a surface of the first substrate opposite to the thermoelectric conversion layer.
  • the power generation element includes a first substrate on which a thermoelectric conversion layer and an electrode pair are formed, The thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (4), wherein two high heat conduction portions are stacked on a surface of the power generation element on the first substrate side.
  • the power generation element includes a first substrate on which a thermoelectric conversion layer and an electrode pair are formed, The thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (4), wherein two high heat conduction portions are laminated on a surface of the power generation element on the thermoelectric conversion layer side.
  • thermoelectric conversion element in the thermoelectric conversion element, the temperature difference between the high temperature heat source and the low temperature heat source given from the outside can be efficiently converted into the temperature difference in the thermoelectric conversion layer, and the amount of power generation can be reduced.
  • a thermoelectric conversion element that can be enlarged can be provided.
  • FIG. 2 is a top view of FIG. 1. It is sectional drawing of FIG. It is a graph which shows the result of simulation. It is a figure which shows notionally another example of the thermoelectric conversion element of this invention. It is a figure which shows notionally another example of the thermoelectric conversion element of this invention. It is a figure which shows notionally another example of the thermoelectric conversion element of this invention. It is a figure which shows notionally another example of the thermoelectric conversion element of this invention. It is a figure which shows notionally another example of the thermoelectric conversion element of this invention. It is a figure which shows notionally another example of the thermoelectric conversion element of this invention. It is a figure which shows notionally another example of the thermoelectric conversion element of this invention.
  • thermoelectric conversion element of the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.
  • “to” indicating a numerical range includes numerical values written on both sides.
  • ⁇ is a numerical value ⁇ to a numerical value ⁇
  • the range of ⁇ is a range including the numerical value ⁇ and the numerical value ⁇ , and expressed by mathematical symbols, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the angle unless otherwise specified, it means that the difference from the exact angle is within a range of less than 5 °.
  • the difference from the exact angle is preferably less than 4 °, more preferably less than 3 °.
  • “same” and “same” include an error range generally allowed in the technical field.
  • “entire surface” includes an error range generally allowed in the technical field, and includes, for example, 99% or more, 95% or more, or 90% or more. .
  • FIG. 1 is a perspective view conceptually showing an example of the thermoelectric conversion element of the present invention
  • FIG. 2A is a top view of FIG. 1
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG. Note that FIG. 2B shows a cross section of FIG. 2A cut in the horizontal direction in the drawing, but hatching is omitted to simplify the drawing.
  • thermoelectric conversion element 10 shown in FIGS. 1, 2A, and 2B basically includes a thermoelectric conversion layer 16, an electrode 26, an electrode 28, an adhesive layer 18, a thermoelectric conversion layer 16, an electrode 26, an electrode 28, and
  • the power generation element 14 including the first substrate 12 and the second substrate 20 that hold the adhesive layer 18 in the thickness direction, and the high heat conductive portion 13 and the second substrate stacked on a part of the main surface of the first substrate. It has a high heat conduction part 21 laminated on a part of the main surface.
  • the layer composed of the thermoelectric conversion layer 16, the electrode 26, the electrode 28, and the adhesive layer 18 is referred to as the composite layer 15.
  • thermoelectric conversion element 10 includes a power generation element 14 in which the composite layer 15 is held between the first substrate 12 and the second substrate 20, and a high heat conduction portion 13 that is stacked on the surface of the power generation element 14 on the first substrate 12 side. And a high heat conduction portion 21 laminated on the surface of the power generation element 14 on the second substrate 20 side.
  • the power generation element 14 has the thermoelectric conversion layer 16, the electrode 26, and the electrode 28 on the first substrate 12, and has the adhesive layer 18 that covers the thermoelectric conversion layer 16, the electrode 26, and the electrode 28.
  • the second substrate 20 is provided on the adhesive layer 18.
  • the electrode 26 and the electrode 28, that is, the electrode pair are provided so as to sandwich the thermoelectric conversion layer 16 in the direction of the substrate surface of the first substrate 12.
  • the direction of the substrate surface of the first substrate 12 is also simply referred to as “surface direction”.
  • the high heat conduction portion 13 and the high heat conduction portion 21 are located at different positions in the separation direction of the electrode 26 and the electrode 28, that is, in the energization direction and perpendicular to the main surface of the first substrate 12. When viewed from various directions, they are arranged so as not to overlap. That is, the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 are separated from each other by a predetermined distance in the surface direction. Moreover, as shown in the figure, the maximum surfaces of the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 are substantially parallel to the maximum surface of the thermoelectric conversion layer 16. In the present invention, the distance between the high heat conduction portion 13 and the high heat conduction portion 21 in this plane direction is L bet .
  • the thermoelectric conversion element 10 has a configuration in which two high heat conduction portions are located at different positions in the surface direction, and the thermoelectric conversion layer is sandwiched between the two high heat conduction portions in the surface direction. A temperature difference is caused to convert heat energy into electrical energy. At that time, when the separation distance L bet between the high heat conduction portion 13 and the high heat conduction portion 21 in the plane direction satisfies a predetermined condition, a temperature difference can be efficiently generated in the thermoelectric conversion layer 16, and the power generation amount can be reduced. Can be bigger. This point will be described in detail later.
  • first substrate 12 and the second substrate 20 have the same configuration except for the arrangement positions. Therefore, the description is the first except when it is necessary to distinguish the first substrate 12 and the second substrate 20.
  • One substrate 12 is used as a representative example.
  • the first substrate 12 has a lower thermal conductivity than a high heat conduction portion 13 described later, such as a glass plate, a ceramic plate, a plastic film, or a resin layer, and has sufficient heat resistance against the formation of the thermoelectric conversion layer 16 and the electrode 26. As long as it has the property, the thing which consists of various materials can be utilized.
  • the first substrate 12 is a sheet-like material (plate-like material) made of resin (polymer material) such as a plastic film or a layer made of resin. Forming the first substrate 12 with a resin is preferable because the thermoelectric conversion element 10 having flexibility (flexibility) can be formed while reducing the weight and cost.
  • resins that can be used for the first substrate 12 include polyethylene terephthalate, polyethylene isophthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, poly (1,4-cyclohexylenedimethylene terephthalate), and polyethylene-2,6.
  • polyester resins such as phthalenedicarboxylate, polyimide, polycarbonate, polypropylene, polyethersulfone, cycloolefin polymer, polyetheretherketone (PEEK), triacetylcellulose (TAC) and other resins, glass epoxy, liquid crystalline polyester, etc.
  • a sheet-like material film / plate-like material
  • polyimide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, and the like are preferably used in terms of thermal conductivity, heat resistance, solvent resistance, availability, economy, and the like.
  • the thickness and the like of the first substrate 12 may be appropriately set according to the forming material of the first substrate 12, the size of the thermoelectric conversion element 10, and the like.
  • the thickness of the first substrate 12 is preferably 2 to 50 ⁇ m, more preferably 2 to 25 ⁇ m.
  • the size of the surface direction of the first substrate 12 (when viewed from the direction orthogonal to the substrate surface) and the like are appropriately set according to the forming material of the first substrate 12, the size of the thermoelectric conversion element 10, and the like. do it.
  • the composite layer 15 including the thermoelectric conversion layer 16 and the electrode 26 and the electrode 28 is provided on one main surface of the first substrate 12. That is, the first substrate 12 also functions as a formation substrate for the composite layer 15 (thermoelectric conversion layer 16 and electrode 26 and electrode 28).
  • the thermoelectric conversion element 10 can be easily manufactured, and the productivity of the thermoelectric conversion element 10 can be improved. preferable.
  • thermoelectric conversion layer 16 can use any of various configurations using known thermoelectric conversion materials. Therefore, the thermoelectric conversion layer 16 may be a material using an organic thermoelectric conversion material or an inorganic thermoelectric conversion material. Further, the thermoelectric conversion layer 16 may be made of a P-type material, an N-type material, or both a P-type material and an N-type material.
  • thermoelectric conversion material used for the thermoelectric conversion layer 16 organic materials, such as a conductive polymer and a conductive nanocarbon material, are illustrated suitably, for example.
  • the conductive polymer include a polymer compound having a conjugated molecular structure (conjugated polymer). Specifically, known polyaniline, polyphenylene vinylene, polypyrrole, polythiophene, polyfluorene, acetylene, polyphenylene, polydioxythiophene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (4-styrenesulfonate), etc. Examples include ⁇ -conjugated polymers. In particular, polydioxythiophene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (4-styrenesulfonate) can be preferably used.
  • the conductive nanocarbon material include carbon nanotubes (hereinafter also referred to as CNT), carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nanobats, graphite, graphene, and carbon nanoparticles. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, CNT is preferably used for the reason that the thermoelectric characteristics are better.
  • a CNT is a single-walled CNT in which a single carbon film (graphene sheet) is wound in a cylindrical shape, a double-walled CNT in which two graphene sheets are wound in a concentric shape, and a plurality of graphene sheets in a concentric circle There are multi-walled CNTs wound in a shape.
  • single-walled CNTs, double-walled CNTs, and multilayered CNTs may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
  • Single-walled CNTs may be semiconducting or metallic, and both may be used in combination. When both semiconducting CNT and metallic CNT are used, the content ratio of both in the composition can be appropriately adjusted according to the use of the composition.
  • the CNT may contain a metal or the like, or may contain a molecule such as fullerene.
  • the CNTs may be modified or processed.
  • a dopant (acceptor) may be included.
  • thermoelectric conversion material constituting the thermoelectric conversion layer 16 nickel or a nickel alloy is also preferably exemplified.
  • Various nickel alloys that generate electricity by generating a temperature difference can be used. Specific examples include one component such as vanadium, chromium, silicon, aluminum, titanium, molybdenum, manganese, zinc, tin, copper, cobalt, iron, magnesium, zirconium, or a nickel alloy mixed with two or more components. Is done.
  • the thermoelectric conversion layer 16 preferably has a nickel content of 90 atomic% or more, and more preferably has a nickel content of 95 atomic% or more. Preferably, it is made of nickel.
  • the thermoelectric conversion layer 16 made of nickel includes those having inevitable impurities.
  • the thermoelectric conversion layer 16 and the electrode may be formed integrally.
  • thermoelectric conversion element 10 of the present invention the size in the plane direction, the area ratio in the plane direction with respect to the substrate, and the like may be appropriately set according to the forming material of the thermoelectric conversion layer 16, the size of the thermoelectric conversion element 10, and the like. Good. Note that, in the illustrated thermoelectric conversion element 10, the thermoelectric conversion layer 16 has a center in the separation direction between the electrode 26 and the electrode 28 in the plane direction and the center in the separation direction between the high heat conduction portion 13 and the high heat conduction portion 21. Then formed.
  • thermoelectric conversion layer 16 has the electrical conductivity of a surface direction higher than the thickness direction. Since the electric conductivity in the surface direction of the thermoelectric conversion layer 16 is higher than the electric conductivity in the thickness direction, the generated electric power can be efficiently supplied in the separation direction of the electrode 26 and the electrode 28, that is, the energization direction.
  • the thermoelectric conversion layer 16 is connected with the electrode 26 and the electrode 28 so as to be sandwiched in the plane direction.
  • the electrode 26 and the electrode 28 are an electrode pair in the present invention.
  • the separation direction of the electrode 26 and the electrode 28 and the separation direction of the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 correspond. Note that the two electrodes have the same configuration except for the arrangement position, and therefore the description will be made using the electrode 26 as a representative example, unless the electrode 26 and the electrode 28 need to be distinguished.
  • the electrode 26 and the electrode 28 can be formed of various materials as long as they have a necessary conductivity. Specifically, various materials such as copper, silver, gold, platinum, nickel, aluminum, constantan, chromium, indium, iron, copper alloy, and other devices such as indium tin oxide (ITO) and zinc oxide (ZnO) Examples include materials used as transparent electrodes. Among these, copper, gold, silver, platinum, nickel, copper alloy, aluminum, constantan and the like are preferably exemplified, and copper, gold, silver, platinum and nickel are more preferably exemplified.
  • the electrode 26 and the electrode 28 may be laminated electrodes, such as a configuration in which a copper layer is formed on a chromium layer. Further, the electrode 26 and the electrode 28 may be formed of different materials.
  • the thickness and size of the electrode 26 and the electrode 28 may be appropriately set according to the thickness, size and shape of the thermoelectric conversion layer 16 and the size of the thermoelectric conversion element 10.
  • the composite layer 15 has the adhesion layer 18 on the thermoelectric conversion layer 16, the electrode 26, and the electrode 28 as a preferable aspect.
  • a thermoelectric conversion element thermoelectric conversion module
  • the adhesive layer 18 also functions as an insulating layer that insulates the second substrate 20 from the thermoelectric conversion layer 16, the electrode 26, and the electrode 28.
  • the forming material of the adhesive layer 18 is the first substrate 12, the thermoelectric conversion layer 16, the electrode 26, and the first substrate 12, the thermoelectric conversion layer 16, and the electrode 26 according to the forming material of the second substrate 20 and the like.
  • Various types of electrodes that can attach the electrode 28 and the second substrate 20 can be used. Specific examples include acrylic resins, urethane resins, silicone resins, epoxy resins, rubber, EVA, ⁇ -olefin polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl pyrrolidone, gelatin, starch, and the like.
  • the thickness of the adhesive layer 18 is such that the thermoelectric conversion layer 16 or the like and the second substrate 20 are adhered with sufficient adhesion depending on the forming material of the adhesive layer 18, the size of the step caused by the thermoelectric conversion layer 16, and the like.
  • a thickness that can be insulated and insulated may be set as appropriate. Basically, the thinner the adhesive layer 18, the higher the thermoelectric conversion performance. Specifically, it is preferably 3 to 100 ⁇ m, more preferably 3 to 50 ⁇ m, particularly preferably 3 to 25 ⁇ m.
  • the thickness of the adhesive layer 18 By setting the thickness of the adhesive layer 18 to 3 ⁇ m or more, it is preferable in that the level difference caused by the thermoelectric conversion layer 16 can be sufficiently filled, good adhesion can be obtained, and sufficient insulation can be obtained. .
  • the thermoelectric conversion element 10 thermoelectric conversion module
  • the thermoelectric conversion element 10 thermoelectric conversion module
  • the layer 18 is preferable in that the thermal resistance of the layer 18 can be reduced and better thermoelectric conversion performance can be obtained.
  • the interface may be modified or cleaned by performing a known surface treatment such as plasma treatment, UV ozone treatment, electron beam irradiation treatment or the like on at least one surface of the surface to be formed.
  • the second substrate 20 is adhered, and the power generation element 14 holding the composite layer 15 including the thermoelectric conversion layer 16 and the like between the first substrate 12 and the second substrate 20 is provided.
  • S bet be a cross-sectional area perpendicular
  • the high heat conduction unit 13 is stacked on a part of the surface of the power generation element 14 on the first substrate 12 side, and the high heat conduction unit 21 is stacked on a part of the surface of the power generation element 14 on the second substrate 20 side. Is done.
  • the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 are located at different positions in the separation direction of the electrode 26 and the electrode 28, that is, in the energization direction, and are arranged so as not to overlap when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the first substrate 12. Is done. Note that the two high heat conduction parts have the same configuration except for the arrangement positions. Therefore, the description is not provided unless the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 need to be distinguished. As a representative example.
  • the high thermal conductivity portion 13 has a higher thermal conductivity than the first substrate 12 and has a thermal conductivity of 50 W / m ⁇ K or more
  • films and metal foils made of various materials are exemplified.
  • various metals such as gold, silver, copper, and aluminum are exemplified in terms of thermal conductivity and the like.
  • copper and aluminum are preferably used in terms of thermal conductivity, economy, and the like.
  • the thickness and the like of the high heat conductive portion 13 may be set as appropriate according to the material for forming the high heat conductive portion 13, the size of the thermoelectric conversion element 10, and the like.
  • the size of the surface direction of the first substrate 12 is also set as appropriate according to the material for forming the high heat conduction portion 13, the size of the thermoelectric conversion element 10, and the like. do it.
  • the position in the surface direction of the high thermal conductive portion 13 on the first substrate 12 is not limited to the illustrated example, and various positions can be used.
  • the high heat conducting unit 13 may be included in the first substrate 12 in the surface direction.
  • a part of the high heat conducting unit 13 may be positioned at the end of the first substrate 12 in the plane direction, and the other region may be included in the first substrate 12.
  • various configurations can be used in addition to the configuration in which the high thermal conductive portion 13 is stacked on the surface of the first substrate 12.
  • a configuration in which a concave portion is formed in a partial region of one surface of the first substrate 12 and the high heat conducting portion 13 is incorporated in the concave portion so that the surface is uniform may be employed.
  • the formation method may be different between the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21.
  • the high thermal conductivity portion 13 is formed on the first substrate 12 in the stacking direction. Located on the outside.
  • the present invention may have a configuration in which the high thermal conductive portion 13 is positioned inside the first substrate 12 in the stacking direction.
  • the configuration in which the high heat conductive portion 13 is included in the first substrate 12 in the thickness direction may be employed. Further, the formation method may be different between the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21.
  • the high heat conductive portion is formed of a conductive material such as metal and the high heat conductive portion is disposed inside the stacking direction
  • the high heat conductive portion, the electrode 26, the electrode 28, and the thermoelectric conversion layer 16 are provided.
  • an insulating layer may be provided therebetween.
  • thermoelectric conversion element 10 configured as described above, for example, the surface of the thermoelectric conversion layer 16 can be obtained by bringing the high heat conduction portion 13 into contact with the low temperature heat source H 2 and bringing the high heat conduction portion 21 into contact with the high temperature heat source H 1. Electricity is generated by creating a temperature difference in the direction. Moreover, the generated electric power (electric energy) is taken out by connecting wiring to the electrode 26 and the electrode 28.
  • thermoelectric conversion element of the present invention the contact area between the high heat conduction part 13 and the low temperature heat source H 2 is S cool , and the separation distance between the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 in the plane direction is L bet ,
  • L bet ⁇ S cool / S bet ⁇ 0.01 is satisfied.
  • thermoelectric conversion element that converts a thermal energy into an electric energy by generating a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer
  • the applied thermal energy is efficiently converted into a temperature difference in the thermoelectric conversion layer.
  • sufficient studies have not been made on the configuration for increasing the temperature difference generated in the thermoelectric conversion layer.
  • the present inventors can efficiently convert the temperature difference between the high-temperature heat source and the low-temperature heat source given from the outside to the thermoelectric conversion element into the temperature difference in the thermoelectric conversion layer.
  • Various studies were made on the structure of the thermoelectric conversion element that can increase the size of the thermoelectric conversion element. According to the study by the present inventors, the contact area S cool between the high heat conduction part 13 and the low temperature heat source H 2 , the cross-sectional area S bet of the power generation element 14, and the separation distance L bet between the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21. Found that is important.
  • thermoelectric conversion layer 16 can be increased.
  • separation distance L bet The larger the separation distance L bet between the high heat conduction unit 13 and the high heat conduction unit 21 (hereinafter, also simply referred to as “separation distance L bet ”), the more difficult it is for heat to flow in the surface direction of the power generation element 14.
  • the temperature difference at both ends of the layer 16 in the surface direction can be increased.
  • FIG. 3 shows a graph of simulation results.
  • the vertical axis represents the ratio between the contact area S cool and the cross-sectional area S bet
  • the horizontal axis represents the separation distance L bet .
  • the contact area S cool , the cross-sectional area S bet , and the separation distance L bet satisfy this relationship, the temperature difference between the high temperature heat source and the low temperature heat source can be efficiently converted into the temperature difference in the thermoelectric conversion layer.
  • the amount of power generation can be increased.
  • the separation distance L bet between the two high heat conducting portions is preferably 20100 ⁇ m or less. If the separation distance L bet between the two high heat conducting portions is too large, the air layer is geometrically increased, and thus there is a risk that the efficiency may be reduced due to heat dissipation. Therefore, the separation distance L bet is preferably 20100 ⁇ m or less.
  • the high heat conduction part 13 (high heat conduction part 21) is configured to be laminated on the flat first substrate 12 (second substrate 20), but the present invention is not limited thereto. Not done.
  • a recess is formed in a partial region of one surface of the first substrate 12 (second substrate 20) so that the surface is uniform in the recess. It is good also as a structure which incorporates the high heat conduction part 13 (high heat conduction part 21).
  • the cross-sectional area S bet in the case where the high heat conduction part is incorporated in the substrate in this way is, as shown in FIG. 4, the distance between the two high heat conduction parts in the thickness direction ⁇ the width in the plane direction (2 The width of the two high heat conducting portions in the direction perpendicular to the separating direction).
  • thermoelectric conversion element in the example shown in FIG. 1, a high temperature heat source H 1 and the low temperature heat source H 2 is to sandwich the thickness direction of the thermoelectric conversion element 10, in contact with high-temperature heat source H 1 and the high thermal conductive portion 21, a low temperature heat source H 2
  • the present invention is not limited to this.
  • 5A to 5D conceptually show other configurations of the thermoelectric conversion element of the present invention.
  • Thermoelectric conversion element 30a shown in Figure 5A except that the contact position between the high-temperature heat source H 1 and the low-temperature heat source H 2 are different, one having the same configuration as the thermoelectric conversion element 10 shown in FIG.
  • Thermoelectric conversion elements 30a are on both end faces in the plane direction of the thermoelectric conversion elements 30a, has a structure in which high-temperature heat source H 1 and the low-temperature heat source H 2 is in contact with.
  • thermoelectric conversion element 30a the contact area between the end surface and the low-temperature heat source of H 2 highly thermal conductive portion 13 and S cool, and the contact area S cool, and the sectional area S bet, and a distance L bet, L bet ⁇ S cool / S bet ⁇ 0.01 may be satisfied.
  • the configuration in which the both ends in the surface direction of the thermoelectric conversion element are in contact with the heat source is also referred to as a vertical thermoelectric conversion element.
  • the vertical thermoelectric conversion element may have a configuration in which two high heat conduction portions are formed on one substrate side. That is, like the thermoelectric conversion element 30b shown in FIG. 5B, the power generation element 14 holding the composite layer 15 in the thickness direction between the first substrate 12 and the second substrate 20, and the surface of the power generation element 14 on the first substrate 12 side It is good also as a structure which has the high heat conduction part 13 laminated
  • FIG. The positional relationship between the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 in the plane direction is the same as described above.
  • the power generation element 14 includes the composite layer 15 and the first substrate 12 that supports the composite layer 15, and the power generation element 14 on the first substrate 12 side. It is good also as a structure by which the high heat conductive part 13 and the high heat conductive part 21 are laminated
  • the power generation element 14 includes the composite layer 15 and the first substrate 12 that supports the composite layer 15, and the surface of the power generation element 14 on the composite layer 15 side.
  • the high heat conduction part 13 and the high heat conduction part 21 may be stacked.
  • the positional relationship between the high heat conduction portion 13 and the high heat conduction portion 21 in the plane direction is the same as described above.
  • thermoelectric conversion element of the present invention can be used for various applications. Examples include various power generation applications such as hot spring thermal generators, solar thermal generators, waste heat generators, and other devices (devices) such as wristwatch power supplies, semiconductor drive power supplies, and small sensor power supplies.
  • power generation applications such as hot spring thermal generators, solar thermal generators, waste heat generators, and other devices (devices) such as wristwatch power supplies, semiconductor drive power supplies, and small sensor power supplies.
  • sensor element uses such as a thermal sensor and a thermocouple, are illustrated besides a power generation use.
  • thermoelectric conversion element of the present invention has been described in detail, but the present invention is not limited to the above-described examples, and various modifications and changes may be made without departing from the scope of the present invention. Of course.
  • thermoelectric conversion element 10 As shown in FIG. 1, simulation was performed to obtain temperature conversion efficiency.
  • the size of the power generating element 14 was 6060 ⁇ m wide ⁇ 100 ⁇ m wide, 78 ⁇ m thick, and the cross-sectional area S bet was 7.8 ⁇ 10 3 ⁇ m 2 .
  • the combined thermal conductivity ⁇ bet of the power generation element 14 was set to 1.0 W / (m ⁇ K) from the thermal conductivity of each component of the power generation element 14.
  • the size (area S hot ) of the high heat conductive portion 13 is 3.0 ⁇ 10 5 ⁇ m 2
  • the height H hot is 1.0 ⁇ 10 4 ⁇ m
  • the thermal conductivity ⁇ hot is assumed to be copper. 3.98 ⁇ 10 2 W / (m ⁇ K).
  • the size (area S cool ) of the high heat conduction portion 21 is 3.0 ⁇ 10 5 ⁇ m 2
  • the height H cool is 1.0 ⁇ 10 4 ⁇ m
  • the heat conductivity ⁇ cool is assumed to be copper. 3.98 ⁇ 10 2 W / (m ⁇ K).
  • the ambient was air, and the thermal conductivity ⁇ air was 2.4 ⁇ 10 ⁇ 2 W / (m ⁇ K). Further, assuming that the low-temperature heat source H 2 is air-cooled, the heat transfer coefficient h between the low-temperature heat source H 2 and the high heat conducting portion 21 is 6.0 ⁇ 10 W / (m 2 ⁇ K). The temperature of the high temperature heat source H 1 was 80 ° C., and the temperature of the low temperature heat source H 2 was 24 ° C.
  • Example 2 Assuming that the low-temperature heat source H 2 is water-cooled, the heat transfer coefficient h between the low-temperature heat source H 2 and the high heat conduction portion 21 is 1.0 ⁇ 10 5 W / (m 2 ⁇ K) Similarly, a simulation was performed to obtain a temperature difference ⁇ T bet in the surface direction of the power generation element 14. As a result, ⁇ T bet was 15.7 ° C. That is, the temperature conversion efficiency was about 28% of the temperature difference (56 ° C.) given from the outside.
  • the size of the power generation element 14 was 60 ⁇ m wide ⁇ 100 ⁇ m wide, the thickness was 5000 ⁇ m, and the cross-sectional area S bet was 5.0 ⁇ 10 5 ⁇ m 2 . Further, the combined thermal conductivity ⁇ bet of the power generation element 14 was set to 1.0 ⁇ 10 ⁇ 2 W / (m ⁇ K) from the thermal conductivity of each component of the power generation element 14. Further, the size (area S hot ) of the high heat conducting portion 13 is 1.0 ⁇ 10 3 ⁇ m 2 , the height H hot is 1.0 ⁇ 10 ⁇ m, and the thermal conductivity ⁇ hot is assumed to be copper. It was set to 3.98 ⁇ 10 2 W / (m ⁇ K).
  • the size (area S cool ) of the high thermal conductivity portion 21 is 1.0 ⁇ 10 2 ⁇ m 2
  • the height H cool is 1.0 ⁇ 10 ⁇ m
  • the thermal conductivity ⁇ cool is assumed to be copper. It was set to 3.98 ⁇ 10 2 W / (m ⁇ K).
  • the ambient was air, and the thermal conductivity ⁇ air was 2.4 ⁇ 10 ⁇ 2 W / (m ⁇ K). Further, assuming that the low-temperature heat source H 2 is water-cooled, the heat transfer coefficient h between the low-temperature heat source H 2 and the high heat conduction portion 21 is 1.0 ⁇ 10 5 W / (m 2 ⁇ K). The temperature of the high temperature heat source H 1 was 80 ° C., and the temperature of the low temperature heat source H 2 was 24 ° C.
  • Example 2 Under such conditions, a simulation was performed in the same manner as in Example 1, and the temperature difference ⁇ T bet in the surface direction of the power generation element 14 was obtained. As a result, ⁇ T bet was 4.5 ° C. That is, the temperature conversion efficiency was about 8% of the temperature difference (56 ° C.) given from the outside.
  • Examples 1 and 2 which are the thermoelectric conversion elements of the present invention can obtain a higher temperature conversion efficiency than that of Comparative Example 1, and the temperature difference given from the outside can be efficiently obtained from the thermoelectric conversion layer. It can be converted to a temperature difference, and it can be seen that a high power generation amount can be obtained. From the above results, the effects of the present invention are clear.

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Abstract

熱電変換素子において、外部から与えられた、高温熱源と低温熱源との温度差を、効率よく熱電変換層内の温度差に変換することができ、発電量を大きくできる熱電変換素子を提供する。熱電変換層、および、熱電変換層を面方向に挟んで配置された電極対を有する発電素子と、発電素子の最大面に電極対の配列方向に離間して配置される、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の２つの高熱伝導部とを有し、２つの高熱伝導部の面方向の離間距離をＬbet（μｍ）とし、一方の高熱伝導部と外部の低温熱源との接触面積をＳcool（μｍ2）とし、発電素子の、２つの高熱伝導部の離間方向に垂直な断面積をＳbet（μｍ2）とすると、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧０．０１を満たす。

Description

熱電変換素子
　本発明は、熱電変換素子に関する。
　熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換することができる熱電変換材料が、熱によって発電する発電素子やペルチェ素子のような熱電変換素子に用いられている。
　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。
　このような熱電変換素子としては、いわゆるπ型の熱電変換素子が知られている。
　π型の熱電変換素子とは、互いに離間する一対の電極を設け、一方の電極の上にＮ型熱電変換材料を、他方の電極の上にＰ型熱電変換材料を、同じく互いに離間して設け、両熱電変換材料の上面を電極によって接続してなる構成を有する。
　また、Ｎ型熱電変換材料とＰ型熱電変換材料とが交互に配置されるように、複数の熱電変換素子を配列して、熱電変換材料の下部の電極を直列に接続することで、熱電変換モジュールが形成される。
　π型の熱電変換素子を含め、通常の熱電変換素子は、シート状の基板の上に電極を有し、電極の上に熱電変換層（発電層）を有し、熱電変換層の上にシート状の電極を有してなる構成を有する。
　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。
　しかしながら、このようなπ型の熱電変換素子を多数接続するように製造するのは、製造工程が複雑になり手間がかかるという問題があった。また、各部材の熱膨張係数の違いによる熱歪みの影響や、熱歪みの変化が繰り返し発生することで界面の疲労現象が発生し、性能が低下するという問題があった。
　これに対し、特許文献１や特許文献２には、高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用いて、熱電変換層の厚さ方向ではなく、熱電変換層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熱電変換素子が記載されている。
　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、かつ、フィルム基板を、熱伝導率が異なる材料を通電方向の逆位置に位置し、熱伝導率が高い材料が基板の外面の一部に位置した熱電変換素子が記載されている。
　また、特許文献２には、水平方向に温度差を生じさせる第１温度差形成層と、第1温度差形成層上に形成された熱電素子と、熱電素子間を接続する配線と、を備え、第１温度差形成層は、熱電素子側の主面が他方の主面よりも面積が小さい第１高熱伝導体と、この隙間に充填された第１低熱伝導体とが、水平方向に交互に形成され、熱電素子は、第１高熱伝導体の少なくとも一部を覆うように形成され、かつ、第１高熱伝導体に隣接する第１低熱伝導体まで延在されるように形成されている熱電変換モジュール装置が記載されている。
特開２００６－１８６２５５号公報 ＷＯ２０１３／１２１４８６Ａ１
　このような熱電変換層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熱電変換素子では、発電量をより大きくするためには、熱電変換層に生じる温度差をより大きくする必要がある。
　このような熱電変換素子では、例えば、一方の面を高温熱源に接触させて、他方の面を低温熱源に接触（あるいは、空冷）することで、熱電変換層に温度差を生じさせる。
　したがって、外部から与えられた、高温熱源と低温熱源との温度差を、熱電変換層内の温度差に効率よく変換することが必要である。すなわち、与えられた熱エネルギーを効率よく熱電変換層内の温度差に変換することで、発電量をより大きくでき、熱エネルギーと電気エネルギーとの変換効率を向上することができる。
　しかしながら、従来の熱電変換素子においては、熱電変換層に生じる温度差をより大きくするための構成については、十分な検討がなされていなかった。
　本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、熱電変換素子において、外部から与えられた、高温熱源と低温熱源との温度差を、効率よく熱電変換層内の温度差に変換することができ、発電量を大きくできる熱電変換素子を提供することにある。
　本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意研究した結果、熱電変換層、および、熱電変換層を面方向に挟んで配置された電極対を有する発電素子と、発電素子の最大面に電極対の配列方向に離間して配置される、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の２つの高熱伝導部とを有し、２つの高熱伝導部の面方向の離間距離をＬbet（μｍ）とし、一方の高熱伝導部と外部の低温熱源との接触面積をＳcool（μｍ2）とし、発電素子の、２つの高熱伝導部の離間方向に垂直な断面積をＳbet（μｍ2）とすると、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧０．０１を満たすことにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
　すなわち、本発明は、以下の熱電変換素子を提供する。
　（１）　熱電変換層、および、熱電変換層を面方向に挟んで配置された電極対を有する発電素子と、
　発電素子の最大面に電極対の配列方向に離間して配置される、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の２つの高熱伝導部とを有し、
　２つの高熱伝導部の面方向の離間距離を単位μｍにてＬbetとし、一方の高熱伝導部と外部の低温熱源との接触面積を単位μｍ2にてＳcoolとし、発電素子の、２つの高熱伝導部の離間方向に垂直な断面積を単位μｍ2にてＳbetとすると、
　Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧０．０１を満たす熱電変換素子。
　（２）　２つの高熱伝導部の離間距離Ｌbet、一方の高熱伝導部と外部の低温熱源との接触面積Ｓcool、および、発電素子の２つの高熱伝導部の離間方向に垂直な断面積Ｓbetが、
　１．１１≦Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≦２．０×１０10を満たす（１）に記載の熱電変換素子。
　（３）　２つの高熱伝導部の離間距離Ｌbet、一方の高熱伝導部と外部の低温熱源との接触面積Ｓcool、および、発電素子の２つの高熱伝導部の離間方向に垂直な断面積Ｓbetが、
　１．５７×１０2≦Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≦２．０×１０10を満たす（１）または（２）に記載の熱電変換素子。
　（４）　２つの高熱伝導部の離間距離Ｌbetが、２０１００μｍ以下である（１）～（３）のいずれかに記載の熱電変換素子。
　（５）　発電素子は、熱電変換層と電極対を厚さ方向に挟持する第１基板および第２基板を有し、
　第１基板の、熱電変換層とは反対側の面に一方の高熱伝導部が積層され
　第２基板の、熱電変換層とは反対側の面に他方の高熱伝導部が積層される（１）～（４）のいずれかに記載の熱電変換素子。
　（６）　発電素子は、熱電変換層と電極対を厚さ方向に挟持する第１基板および第２基板を有し、
　第１基板の、熱電変換層とは反対側の面に２つの高熱伝導部が積層される（１）～（４）のいずれかに記載の熱電変換素子。
　（７）　発電素子は、熱電変換層と電極対が形成される第１基板を有し、
　発電素子の、第１基板側の面に２つの高熱伝導部が積層される（１）～（４）のいずれかに記載の熱電変換素子。
　（８）　発電素子は、熱電変換層と電極対が形成される第１基板を有し、
　発電素子の、熱電変換層側の面に２つの高熱伝導部が積層される（１）～（４）のいずれかに記載の熱電変換素子。
　（９）　熱電変換層の最大面、および、２つの高熱伝導部それぞれの最大面が、平行である（１）～（８）のいずれかに記載の熱電変換素子。
　このような本発明によれば、熱電変換素子において、外部から与えられた、高温熱源と低温熱源との温度差を、効率よく熱電変換層内の温度差に変換することができ、発電量を大きくできる熱電変換素子を提供することができる。
本発明の熱電変換素子の一例を概念的に示す斜視図である。 図１の上面図である。 図１の断面図である。 シミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の熱電変換素子の他の一例を概念的に示す図である。 本発明の熱電変換素子の他の一例を概念的に示す図である。 本発明の熱電変換素子の他の一例を概念的に示す図である。 本発明の熱電変換素子の他の一例を概念的に示す図である。 本発明の熱電変換素子の他の一例を概念的に示す図である。
　以下、本発明の熱電変換素子について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
　なお、以下において数値範囲を示す「～」とは両側に記載された数値を含む。例えば、εが数値α～数値βとは、εの範囲は数値αと数値βを含む範囲であり、数学記号で示せばα≦ε≦βである。
　角度については、特に記載がなければ、厳密な角度との差異が５°未満の範囲内であることを意味する。厳密な角度との差異は、４°未満であることが好ましく、３°未満であることがより好ましい。
　また、「同一」、「同じ」とは、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。また、「全面」等は、１００％である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば、９９％以上、９５％以上、または９０％以上である場合を含むものとする。
　図１は、本発明の熱電変換素子の一例を概念的に示す斜視図であり、図２Ａは、図１の上面図であり、図２Ｂは、図１の断面図である。なお、図２Ｂは、図２Ａを図中横方向に切断した断面を示しているが、図を簡略化するために、ハッチは省略している。
　図１、図２Ａおよび図２Ｂに示す熱電変換素子１０は、基本的に、熱電変換層１６と、電極２６と、電極２８と、粘着層１８と、熱電変換層１６、電極２６、電極２８および粘着層１８を厚さ方向に挾持する第１基板１２および第２基板２０とを備える発電素子１４、ならびに、第１基板の主面の一部に積層された高熱伝導部１３および第２基板の主面の一部に積層された高熱伝導部２１を有して構成される。
　以下の説明においては、熱電変換層１６、電極２６、電極２８および粘着層１８からなる層を複合層１５という。すなわち、熱電変換素子１０は、第１基板１２および第２基板２０で複合層１５を挾持してなる発電素子１４と、発電素子１４の第１基板１２側の面に積層される高熱伝導部１３と、発電素子１４の第２基板２０側の面に積層される高熱伝導部２１を有する。
　具体的には、発電素子１４は、第１基板１２の上に熱電変換層１６、電極２６および電極２８を有し、熱電変換層１６、電極２６および電極２８を覆って粘着層１８を有し、粘着層１８の上に第２基板２０を有する。また、電極２６および電極２８すなわち電極対は、第１基板１２の基板面の方向に熱電変換層１６を挟むように設けられる。以下、第１基板１２の基板面の方向を、以下、単に『面方向』とも言う。
　図１、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、高熱伝導部１３および高熱伝導部２１は、電極２６と電極２８との離間方向すなわち通電方向に異なる位置となり、第１基板１２の主面に垂直な方向から見た際に、重複しないように配置される。すなわち、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１とは、面方向に所定の距離離間している。
　また、図に示すとおり、高熱伝導部１３および高熱伝導部２１それぞれの最大面は、熱電変換層１６の最大面と略平行である。
　本発明においては、この面方向における、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間距離をＬbetとする。
　熱電変換素子１０は、２つの高熱伝導部を面方向に異なる位置として、この２つの高熱伝導部で熱電変換層を面方向に挟持してなる構成を有することにより、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。
　その際、面方向における、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間距離Ｌbetが所定の条件を満たすことで、効率よく熱電変換層１６に温度差を生じさせることができ、発電量をより大きくできる。この点については後に詳述する。
　なお、第１基板１２および第２基板２０は、配置位置が異なるのみで構成は同じであるので、第１基板１２と第２基板２０とを区別する必要がある場合を除いて、説明は第１基板１２を代表例として行う。
　第１基板１２は、ガラス板、セラミックス板、プラスチックフィルム、樹脂からなる層など、後述する高熱伝導部１３よりも熱伝導率が低く、熱電変換層１６や電極２６等の形成等に対する十分な耐熱性を有するものであれば、各種の材料からなる物が利用可能である。
　好ましくは、第１基板１２には、プラスチックフィルム等の樹脂（高分子材料）からなるシート状物（板状物）や樹脂からなる層が利用される。第１基板１２を樹脂で形成することにより、軽量化やコストの低下を計ると共に、可撓性（フレキシブル性）を有する熱電変換素子１０が形成可能となり、好ましい。
　第１基板１２に利用可能な樹脂としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ（１，４－シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート）、ポリエチレン－２，６－フタレンジカルボキシレート等のポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエーテルスルホン、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等の樹脂、ガラスエポキシ、液晶性ポリエステル等からなるシート状物（フィルム／板状物）が例示される。
　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は、好適に利用される。
　なお、本発明において、第１基板１２の厚さ等は、第１基板１２の形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。本発明者らの検討によれば、第１基板１２の厚さは、２～５０μｍが好ましく、２～２５μｍがより好ましい。
　また、第１基板１２の面方向（基板面と直交する方向から見た際）の大きさ等も、第１基板１２の形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
　熱電変換素子１０において、第１基板１２の一方の主面には、熱電変換層１６、ならびに、電極２６および電極２８を含む複合層１５が設けられる。
　すなわち、第１基板１２は、複合層１５（熱電変換層１６、ならびに、電極２６および電極２８）の形成基板としても作用する。このような熱電変換層１６等の形成基板となる第１基板１２を有することにより、熱電変換素子１０の製造を容易に行える、熱電変換素子１０の生産性を向上することができる等の点で好ましい。
　本発明の熱電変換素子１０において、熱電変換層１６は、公知の熱電変換材料を用いる各種の構成が、全て、利用可能である。従って、熱電変換層１６は、有機系の熱電変換材料を用いる物であっても、無機系の熱電変換材料を用いるものであってもよい。さらに、熱電変換層１６は、Ｐ型材料からなるものでも、Ｎ型材料からなるものでも、Ｐ型材料およびＮ型材料の両方からなるものでもよい。
　熱電変換層１６に用いられる熱電変換材料としては、例えば、導電性高分子や導電性ナノ炭素材料等の有機材料が好適に例示される。
　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、ポリジオキシチオフェン、ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（4-スチレンスルホン酸塩）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、ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（4-スチレンスルホン酸塩）は、好適に使用できる。
　導電性ナノ炭素材料としては、具体的には、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとも言う）、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノバット、グラファイト、グラフェン、カーボンナノ粒子等が例示される。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
　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。
　ＣＮＴには、１枚の炭素膜（グラフェン・シート）が円筒状に巻かれた単層ＣＮＴ、２枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた２層ＣＮＴ、及び複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層ＣＮＴがある。本発明においては、単層ＣＮＴ、２層ＣＮＴ、多層ＣＮＴを各々単独で用いてもよく、２種以上を併せて用いてもよい。特に、導電性及び半導体特性において優れた性質を持つ単層ＣＮＴおよび２層ＣＮＴを用いることが好ましく、単層ＣＮＴを用いることがより好ましい。
　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。
　熱電変換層１６を構成する熱電変換材料としては、ニッケルあるいはニッケル合金も好適に例示される。
　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。
　熱電変換層１６にニッケルあるいはニッケル合金を用いる場合には、熱電変換層１６は、ニッケルの含有量が９０原子％以上であるのが好ましく、ニッケルの含有量が９５原子％以上であるのがより好ましく、ニッケルからなるのが特に好ましい。ニッケルからなる熱電変換層１６とは、不可避的不純物を有するものも含む。
　また、熱電変換層１６としてニッケルあるいはニッケル合金を用いる場合であって、電極としてもニッケルあるいはニッケル合金を用いる場合には、熱電変換層１６と電極とを一体的に形成してもよい。
　本発明の熱電変換素子１０において、面方向の大きさ、基板に対する面方向の面積率等は、熱電変換層１６の形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
　なお、図示例の熱電変換素子１０において、熱電変換層１６は、面方向における電極２６と電極２８との離間方向の中心を、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間方向の中心に一致して形成される。
　また、熱電変換層１６は、厚さ方向よりも面方向の導電率が高いことが好ましい。
　熱電変換層１６の面方向の導電率が、厚さ方向の導電率よりも高いことで、発電した電力を、電極２６と電極２８との離間方向すなわち通電方向に効率よく通電することができる。
　このような熱電変換層１６には、面方向に挟持するように、電極２６および電極２８が接続される。電極２６および電極２８は、本発明における電極対である。
　また、電極２６および電極２８の離間方向と、高熱伝導部１３および高熱伝導部２１の離間方向とは一致している。
　なお、２つの電極は、配置位置が異なるのみで、構成は同じであるので、電極２６と電極２８とを区別する必要がある場合を除いて、説明は電極２６を代表例として行う。
　電極２６および電極２８は、必要な導電率を有するものであれば、各種の材料で形成可能である。
　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。
　また、電極２６と電極２８とが異なる材料で形成されていてもよい。
　電極２６および電極２８の厚さや大きさ等は、熱電変換層１６の厚さや大きさ、形状、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
　複合層１５は、好ましい態様として、熱電変換層１６、電極２６および電極２８の上には、粘着層１８を有する。このような粘着層１８を有することにより第１基板１２と第２基板２０との密着性を良好にして、耐屈曲性など、機械的強度が良好な熱電変換素子（熱電変換モジュール）が得られる。また、粘着層１８は、第２基板２０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。
　粘着層１８の形成材料は、第１基板１２、熱電変換層１６、電極２６および電極２８、ならびに、第２基板２０の形成材料等に応じて、第１基板１２、熱電変換層１６、電極２６および電極２８と、第２基板２０と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。
　粘着層１８の厚さは、粘着層１８の形成材料、熱電変換層１６に起因する段差の大きさ等に応じて、熱電変換層１６等と第２基板２０とを十分な密着力で貼着でき、かつ、絶縁できる厚さを、適宜、設定すればよい。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、３～１００μｍが好ましく、３～５０μｍがより好ましく、３～２５μｍが特に好ましい。
　粘着層１８の厚さを３μｍ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ることができる、良好な密着性が得られ、十分な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２５μｍ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。
　なお、必要に応じて、密着性を向上するために、熱電変換層１６、電極２６および電極２８と粘着層１８との界面、粘着層１８と第２基板２０との界面の１以上において、界面を形成する表面の少なくとも１面に、プラズマ処理、ＵＶオゾン処理、電子線照射処理等の公知の表面処理を施して、表面の改質や清浄化を行ってもよい。
　複合層１５（粘着層１８）の上には、第２基板２０が貼着されて、熱電変換層１６等を含む複合層１５を第１基板１２および第２基板２０で挾持した発電素子１４が構成される。
　ここで、本発明においては、発電素子１４の、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間方向に垂直な断面積をＳbetとする。この断面積Ｓbetが所定の条件を満たすことで、効率よく熱電変換層１６に温度差を生じさせることができ、発電量をより大きくできる。この点については後に詳述する。
　前述のとおり、高熱伝導部１３は、発電素子１４の第１基板１２側の面の一部に積層され、高熱伝導部２１は、発電素子１４の第２基板２０側の面の一部に積層される。高熱伝導部１３と高熱伝導部２１は、電極２６と電極２８との離間方向すなわち通電方向に異なる位置となり、第１基板１２の主面に垂直な方向から見た際に、重複しないように配置される。
　なお、２つの高熱伝導部は、配置位置が異なるのみで、構成は同じであるので、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１とを区別する必要が有る場合を除いて、説明は高熱伝導部１３を代表例として行う。
　高熱伝導部１３は、第１基板１２よりも熱伝導率が高く、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものであれば、各種の材料からなるフィルムや金属箔が例示される。
　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、銅およびアルミニウムは好適に利用される。
　なお、本発明において、高熱伝導部１３の厚さ等は、高熱伝導部１３の形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
　また、第１基板１２の面方向（基板面と直交する方向から見た際）の大きさ等も、高熱伝導部１３の形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
　さらに、第１基板１２上の高熱伝導部１３の面方向の位置も、図示例に限定されず、各種の位置が利用可能である。
　例えば、高熱伝導部１３は、面方向において第１基板１２に内包されてもよい。あるいは、高熱伝導部１３は、面方向において、一部を第１基板１２の端部に位置し、それ以外の領域を第１基板１２に内包されてもよい。
　さらに、第１基板１２上に、面方向に複数の高熱伝導部１３を有してもよい。
　また、本発明においては、高熱伝導部１３が、第１基板１２の表面に積層される構成以外にも、各種の構成が利用可能である。例えば、第１基板１２の一方の面の一部の領域に凹部を形成して、この凹部に、表面が均一となるように高熱伝導部１３を組み込んでなる構成でもよい。
　また、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１とで、形成方法が異なってもよい。
　また、図２Ｂに示す熱電変換素子１０は、第１基板１２と第２基板２０との間での温度差を生じ易い好ましい態様として、高熱伝導部１３は、積層方向において、第１基板１２の外側に位置している。
　しかしながら、本発明は、これ以外にも、高熱伝導部１３が、積層方向において、第１基板１２の内側に位置する構成でもよい。あるいは、高熱伝導部１３が、厚さ方向において、第１基板１２に内包される構成でもよい。
　また、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１とで形成方法が異なってもよい。
　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つとが接触する場合には、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。
　以上のように構成される熱電変換素子１０においては、例えば、高熱伝導部１３を低温熱源Ｈ2に接触させ、高熱伝導部２１を高温熱源Ｈ1に接触させることで、熱電変換層１６の面方向に温度差を生じさせることにより、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、発生した電力（電気エネルギー）が取り出される。
　ここで、本発明の熱電変換素子は、高熱伝導部１３と低温熱源Ｈ2との接触面積をＳcoolとし、面方向における高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間距離をＬbetとし、発電素子１４の、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間方向に垂直な断面積をＳbetとしたときに、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧０．０１を満たすものである。
　前述のとおり、従来、熱電変換層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熱電変換素子において、与えられた熱エネルギーを効率よく熱電変換層内の温度差に変換し、熱電変換層に生じる温度差をより大きくするための構成については、十分な検討がなされていなかった。
　これに対して、本発明者らは、熱電変換素子に外部から与えられた、高温熱源と低温熱源との温度差を、効率よく熱電変換層内の温度差に変換することができ、発電量を大きくできる熱電変換素子の構成について種々の検討を行った。
　本発明者らの検討によれば、高熱伝導部１３と低温熱源Ｈ2との接触面積Ｓcool、発電素子１４の断面積Ｓbet、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間距離Ｌbetが重要であることを見出した。
　高熱伝導部１３と低温熱源Ｈ2との接触面積Ｓcool（以下、単に、「接触面積Ｓcool」ともいう）は、大きいほど高熱伝導部１３と低温熱源Ｈ2との間で熱が流れやすくなるため、熱電変換層１６内の温度差を大きくすることができる。
　発電素子１４の断面積Ｓbet（以下、単に、「断面積Ｓbet」ともいう）は、小さいほど、発電素子１４の面方向に熱が流れにくくなるため、熱電変換層１６の面方向の両端部での温度差を大きくすることができる。
　高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との離間距離Ｌbet（以下、単に、「離間距離Ｌbet」ともいう）は、大きいほど、発電素子１４の面方向に熱が流れにくくなるため、熱電変換層１６の面方向の両端部での温度差を大きくすることができる。
　そこで、接触面積Ｓcool（μｍ2）、断面積Ｓbet（μｍ2）、および、離間距離Ｌbet（μｍ）について、有限要素法構造解析ソフトウェア（ANSYS）を用いたシミュレーションで種々検討を行った。
　具体的には、接触面積Ｓcool、断面積Ｓbet、および、離間距離Ｌbet等を種々変更して、与えた高温熱源Ｈ1と低温熱源Ｈ2との温度差に対する、熱電変換層内の温度差の比率（以下、温度変換効率ともいう）を求めた。また、これら以外の各部材の熱伝導率λや、低温側高熱伝導部の冷却能力などの他のパラメータについては、現実的な範囲で種々設定して検討を行った。
　図３に、シミュレーションの結果のグラフを示す。
　図３に示すグラフは、縦軸が接触面積Ｓcoolと断面積Ｓbetとの比で、横軸が離間距離Ｌbetである。温度変換効率を１０％以上とするためには、このグラフにおいて、少なくとも実線で示すラインよりも上の領域である必要があることがわかった。このラインを式で表すと、Ｓcool／Ｓbet＝０．０１／Ｌbetであった。
　したがって、温度変換効率を１０％以上とするためには、少なくとも、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧０．０１を満たす必要があることがわかった。接触面積Ｓcool、断面積Ｓbet、および、離間距離Ｌbetがこの関係を満たすことで、高温熱源と低温熱源との温度差を、効率よく熱電変換層内の温度差に変換することができ、発電量を大きくできる。
　ここで、低温熱源Ｈ2が空冷である場合をシミュレーションしたところ、温度変換効率を１０％以上とするためには、図３に示すグラフにおいて、破線で示すラインよりも上の領域である必要があることがわかった。このラインを式で表すと、Ｓcool／Ｓbet＝１．１１／Ｌbetであった。
　したがって、空冷の場合に温度変換効率を１０％以上とするためには、少なくとも、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧１．１１を満たすことが好ましい。
　さらに、低温熱源Ｈ2が空冷である場合のシミュレーションにおいて、温度変換効率を９４％以上とするためには、図３に示すグラフにおいて、一点鎖線で示すラインよりも上の領域である必要があることがわかった。このラインを式で表すと、Ｓcool／Ｓbet＝１．５７×１０2／Ｌbetであった。
　したがって、空冷の場合に温度変換効率を９４％以上とするためには、少なくとも、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧１．５７×１０2を満たすことが好ましい。これにより、より効率よく、高温熱源と低温熱源との温度差を熱電変換層内の温度差に変換することができ、発電量をさらに大きくできる。
　また、低温熱源Ｈ2が空冷である場合のシミュレーションにおいて、温度変換効率が１００％となる領域を求めたところ、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧２．０×１０10であったが、温度変換効率が１００％超となることはないため、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbetは、最大でも２．０×１０10であるのが好ましい。
　ここで、２つの高熱伝導部の離間距離Ｌbetは、２０１００μｍ以下であるのが好ましい。２つの高熱伝導部の離間距離Ｌbetが大きすぎると、幾何学的に空気層が大きくなるため、熱籠りにより効率が低下してしまうおそれがある。したがって、離間距離Ｌbetは、２０１００μｍ以下であるのが好ましい。
　ここで、図１に示す例では、高熱伝導部１３（高熱伝導部２１）は、平坦な第１基板１２（第２基板２０）上に積層して配置される構成としたが、これに限定はされない。例えば、図４に示す熱電変換素子４０のように、第１基板１２（第２基板２０）の一方の面の一部の領域に凹部を形成して、この凹部に、表面が均一となるように高熱伝導部１３（高熱伝導部２１）を組み込んでなる構成としてもよい。
　なお、このように高熱伝導部を基板に組み込んだ構成とする場合の断面積Ｓbetは、図４に示すように、厚さ方向における２つの高熱伝導部間の距離×面方向における幅（２つの高熱伝導部の離間方向に直交する方向の幅）とする。
　また、図１に示す例では、高温熱源Ｈ1と低温熱源Ｈ2が熱電変換素子１０を厚さ方向に挟むようにして、高温熱源Ｈ1と高熱伝導部２１とが接触し、低温熱源Ｈ2と高熱伝導部１３とが接触するようにしたが、本発明はこれに限定はされない。
　図５Ａ～図５Ｄそれぞれに、本発明の熱電変換素子の他の構成を概念的に示す。
　図５Ａに示す熱電変換素子３０ａは、高温熱源Ｈ1および低温熱源Ｈ2との接触位置が異なる以外は、図１に示す熱電変換素子１０と同様の構成を有するものである。
　熱電変換素子３０ａは、熱電変換素子３０ａの面方向の両端面に、高温熱源Ｈ1および低温熱源Ｈ2がそれぞれ接する構成を有する。
　このような熱電変換素子３０ａにおいては、高熱伝導部１３の端面と低温熱源Ｈ2との接触面積をＳcoolとし、この接触面積Ｓcoolと、断面積Ｓbetと、離間距離Ｌbetとが、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧０．０１を満たせばよい。
　なお、以下の説明では、このように熱電変換素子の面方向の両端面にて熱源と接触させる構成を、縦型の熱電変換素子ともいう。
　縦型の熱電変換素子では、２つの高熱伝導部を一方の基板側に形成した構成としてもよい。
　すなわち、図５Ｂに示す熱電変換素子３０ｂのように、複合層１５を厚さ方向に第１基板１２および第２基板２０で挾持した発電素子１４と、発電素子１４の第１基板１２側の面の一部に積層される高熱伝導部１３と、発電素子１４の第１基板１２側の、高熱伝導部１３とは異なる位置に積層される高熱伝導部２１とを有する構成としてもよい。
　なお、面方向における高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との位置関係については、前述と同様である。
　また、図５Ｃに示す熱電変換素子３０ｃのように、発電素子１４が、複合層１５と、この複合層１５を支持する第１基板１２とからなり、この発電素子１４の第１基板１２側の面に、高熱伝導部１３および高熱伝導部２１が積層される構成としてもよい。
　あるいは、図５Ｄに示す熱電変換素子３０ｄのように、発電素子１４が、複合層１５と、この複合層１５を支持する第１基板１２とからなり、この発電素子１４の複合層１５側の面に、高熱伝導部１３および高熱伝導部２１が積層される構成としてもよい。
　なお、図５Ｃの熱電変換素子３０ｃ、図５Ｄの熱電変換素子３０ｄの場合も、面方向における高熱伝導部１３と高熱伝導部２１との位置関係については、前述と同様である。
　このような本発明の熱電変換素子は、各種の用途に利用可能である。
　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。
　以上、本発明の熱電変換素子について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
　以下、本発明の具体的実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
　［実施例１］
　図１に示すような熱電変換素子１０について、シミュレーションを行い温度変換効率を求めた。
　具体的には、発電素子１４の大きさを、横６０６０μｍ×幅１００μｍ、厚さを７８μｍとし、断面積Ｓbetを７．８×１０３μｍ2とした。また、発電素子１４の各構成要素の熱伝導率から、発電素子１４の合成熱伝導率λbetを１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、高熱伝導部１３の大きさ（面積Ｓhot）は、３．０×１０５μｍ2、高さＨhotは１．０×１０4μｍとし、熱伝導率λhotは、銅を想定して、３．９８×１０2Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、高熱伝導部２１の大きさ（面積Ｓcool）は、３．０×１０５μｍ2、高さＨcoolは１．０×１０４μｍとし、熱伝導率λcoolは、銅を想定して、３．９８×１０2Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１の面方向の離間距離Ｌbetは、６．０×１０μｍとした。
　すなわち、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet＝２２９０μｍとした。
　また、周囲は空気とし、熱伝導率λairは、２．４×１０-2Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、低温熱源Ｈ2は空冷と想定して、低温熱源Ｈ2と高熱伝導部２１との熱伝達率ｈは、６．０×１０Ｗ／（ｍ2・Ｋ）とした。
　また、高温熱源Ｈ1の温度は８０℃とし、低温熱源Ｈ2の温度は２４℃とした。
　このような条件で、有限要素法構造解析ソフトウェア（ANSYS）を用いてシミュレーションを行い、発電素子１４の面方向の温度差ΔＴbetを定常熱伝導解析により求めた。
　シミュレーションの結果、ΔＴbetは、６．７℃であった。すなわち、温度変換効率は、外部から与えられる温度差（５６℃）の約１２％であった。
　[実施例２]
　低温熱源Ｈ2を水冷と想定して、低温熱源Ｈ2と高熱伝導部２１との熱伝達率ｈを、１．０×１０5Ｗ／（ｍ2・Ｋ）とした以外は実施例１と同様にしてシミュレーションを行い、発電素子１４の面方向の温度差ΔＴbetを求めた。
　その結果、ΔＴbetは、１５．７℃であった。すなわち、温度変換効率は、外部から与えられる温度差（５６℃）の約２８％であった。
　［比較例１］
　発電素子１４の大きさを、横６０μｍ×幅１００μｍ、厚さを５０００μｍとし、断面積Ｓbetを５．０×１０5μｍ2とした。また、発電素子１４の各構成要素の熱伝導率から、発電素子１４の合成熱伝導率λbetを１．０×１０-2Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、高熱伝導部１３の大きさ（面積Ｓhot）は、１．０×１０3μｍ2、高さＨhotは１．０×１０μｍとし、熱伝導率λhotは、銅を想定して、３．９８×１０2Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、高熱伝導部２１の大きさ（面積Ｓcool）は、１．０×１０2μｍ2、高さＨcoolは１．０×１０μｍとし、熱伝導率λcoolは、銅を想定して、３．９８×１０2Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、高熱伝導部１３と高熱伝導部２１の面方向の離間距離Ｌbetは、４．９×１０μｍとした。
　すなわち、Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet＝９．７×１０-3μｍとした。
　また、周囲は空気とし、熱伝導率λairは、２．４×１０-2Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
　また、低温熱源Ｈ2は水冷と想定して、低温熱源Ｈ2と高熱伝導部２１との熱伝達率ｈは、１．０×１０5Ｗ／（ｍ2・Ｋ）とした。
　また、高温熱源Ｈ1の温度は８０℃とし、低温熱源Ｈ2の温度は２４℃とした。
　このような条件で、実施例１と同様にシミュレーションを行い、発電素子１４の面方向の温度差ΔＴbetを求めた。
　その結果、ΔＴbetは、４．５℃であった。すなわち、温度変換効率は、外部から与えられる温度差（５６℃）の約８％であった。
　以上の結果から、本発明の熱電変換素子である実施例１および２は、比較例１に比較して、高い温度変換効率を得られ、外部から与えられた温度差を効率よく熱電変換層の温度差に変換することができ、高い発電量を得られることがわかる。
　以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
　１０、３０、４０　熱電変換素子
　１２　第１基板
　１３、２１　高熱伝導部
　１４　発電素子
　１５　複合層
　１６　熱電変換層
　１８　粘着層
　２０　第２基板
　２６、２８　電極

Claims (9)

  1. 　熱電変換層、および、前記熱電変換層を面方向に挟んで配置された電極対を有する発電素子と、
    　前記発電素子の最大面に前記電極対の配列方向に離間して配置される、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の２つの高熱伝導部とを有し、
    　２つの前記高熱伝導部の面方向の離間距離を単位μｍにてＬbetとし、一方の前記高熱伝導部と外部の低温熱源との接触面積を単位μｍ2にてＳcoolとし、前記発電素子の、２つの前記高熱伝導部の離間方向に垂直な断面積を単位μｍ2にてＳbetとすると、
    　Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≧０．０１を満たすことを特徴とする熱電変換素子。
  2. 　２つの前記高熱伝導部の前記離間距離Ｌbet、一方の前記高熱伝導部と外部の前記低温熱源との前記接触面積Ｓcool、および、前記発電素子の２つの前記高熱伝導部の離間方向に垂直な前記断面積Ｓbetが、
    　１．１１≦Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≦２．０×１０10を満たす請求項１に記載の熱電変換素子。
  3. 　２つの前記高熱伝導部の前記離間距離Ｌbet、一方の前記高熱伝導部と外部の前記低温熱源との前記接触面積Ｓcool、および、前記発電素子の２つの前記高熱伝導部の離間方向に垂直な前記断面積Ｓbetが、
    　１．５７×１０2≦Ｌbet×Ｓcool／Ｓbet≦２．０×１０10を満たす請求項１または２に記載の熱電変換素子。
  4. 　２つの前記高熱伝導部の前記離間距離Ｌbetが、２０１００μｍ以下である請求項１～３のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
  5. 　前記発電素子は、前記熱電変換層と前記電極対を厚さ方向に挟持する第１基板および第２基板を有し、
    　前記第１基板の、前記熱電変換層とは反対側の面に一方の前記高熱伝導部が積層され
    　前記第２基板の、前記熱電変換層とは反対側の面に他方の前記高熱伝導部が積層される請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
  6. 　前記発電素子は、前記熱電変換層と前記電極対を厚さ方向に挟持する第１基板および第２基板を有し、
    　前記第１基板の、前記熱電変換層とは反対側の面に２つの前記高熱伝導部が積層される請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
  7. 　前記発電素子は、前記熱電変換層と前記電極対が形成される第１基板を有し、
    　前記発電素子の、前記第１基板側の面に２つの前記高熱伝導部が積層される請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
  8. 　前記発電素子は、前記熱電変換層と前記電極対が形成される第１基板を有し、
    　前記発電素子の、前記熱電変換層側の面に２つの前記高熱伝導部が積層される請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
  9. 　前記熱電変換層の最大面、および、２つの前記高熱伝導部それぞれの最大面が、平行である請求項１～８のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
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