WO2021025060A1 - 熱電変換素子 - Google Patents

Abstract

熱電変換素子は、第１主面及び第２主面を有する基板と、第１主面上に設けられる第１電極、ｎ型熱電変換層、ｐ型熱電変換層、及び第２電極と、第１主面上に設けられ、第１電極、ｎ型熱電変換層、ｐ型熱電変換層、及び第２電極を覆う封止層と、第２主面上に設けられる第１高熱伝導部、第２高熱伝導部、及び低熱伝導部と、を備える。第１電極、ｎ型熱電変換層、ｐ型熱電変換層、及び第２電極は、基板の厚さ方向に直交する並び方向に沿って順に配置されており、第１電極は厚さ方向において第１高熱伝導部に重なっており、第２電極は厚さ方向において第２高熱伝導部に重なっており、ｎ型熱電変換層とｐ型熱電変換層との接触部は厚さ方向において低熱伝導部に重なっており、封止層が、第１主面上に位置する最外層を構成する。

Description

熱電変換素子

　本開示は、熱電変換素子に関する。

　地熱又は工場の排熱等を利用した発電を実施するために、熱電変換素子が用いられることがある。下記特許文献１には、樹脂層と金属層とからなるパターン層を有したフレキシブル基板が、Ｐ型熱電素子材とＮ型熱電素子材とを有する熱電変換モジュールの両面に設けられる態様が開示されている。下記特許文献１では、一方のフレキシブル基板に含まれる金属層は、熱電変換モジュールに含まれる一方の電極に重なっており、他方のフレキシブル基板に含まれる金属層は、熱電変換モジュールに含まれる他方の電極に重なっている。上記態様では、一方のフレキシブル基板を高温状態とし、他方のフレキシブル基板を低温状態とすることによって、熱電変換モジュールの面方向に温度差が生じる。これにより、熱電変換モジュールに起電力が生じる。

特許第４８９５２９３号公報

　上述したような熱電変換素子においては、熱電変換効率の更なる向上が求められる。このため、本開示の一側面の目的は、熱電変換効率を向上可能な熱電変換素子を提供することである。

　本開示の一側面に係る熱電変換素子は、以下の通りである。
［１］第１主面、及び第１主面の反対側に位置する第２主面を有する基板と、第１主面上に設けられる第１電極、第１電極に電気的に接続されるｎ型熱電変換層、ｎ型熱電変換層に接触するｐ型熱電変換層、及びｐ型熱電変換層に電気的に接続される第２電極と、第１主面上に設けられ、第１電極、ｎ型熱電変換層、ｐ型熱電変換層、及び第２電極を覆う封止層と、第２主面上に設けられる第１高熱伝導部、第２高熱伝導部、及び低熱伝導部と、を備える熱電変換素子であって、第１電極、ｎ型熱電変換層、ｐ型熱電変換層、及び第２電極は、基板の厚さ方向に直交する並び方向に沿って順に配置されており、第１電極は厚さ方向において第１高熱伝導部に重なっており、第２電極は厚さ方向において第２高熱伝導部に重なっており、ｎ型熱電変換層とｐ型熱電変換層との接触部は厚さ方向において低熱伝導部に重なっており、封止層が、第１主面上に位置する最外層を構成する、熱電変換素子。
［２］低熱伝導部の熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍＫ以下である、［１］に記載の熱電変換素子。
［３］低熱伝導部の熱伝導率は、０．０８Ｗ／ｍＫ以下である、［１］又は［２］に記載の熱電変換素子。
［４］第１高熱伝導部及び第２高熱伝導部の熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫ以上である、［１］～［３］のいずれかに記載の熱電変換素子。
［５］第１電極及び第２電極の熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫ以上である、［１］～［４］のいずれかに記載の熱電変換素子。
［６］基板は、可撓性を示す、［１］～［５］のいずれかに記載の熱電変換素子。
［７］並び方向に沿った第１高熱伝導部から接触部までの間隔は、厚さ方向に沿った第１高熱伝導部の長さの５倍以上であり、並び方向に沿った第２高熱伝導部から接触部までの間隔は、厚さ方向に沿った第２高熱伝導部の長さの５倍以上である、［１］～［６］のいずれかに記載の熱電変換素子。

　本開示の一側面によれば、熱電変換効率を向上可能な熱電変換素子を提供できる。

図１は、本実施形態に係る熱電変換素子を示す概略断面図である。 図２は、第１のシミュレーション条件を示す模式断面図である。 図３の（ａ）、（ｂ）は、第１のシミュレーション結果を示すグラフである。 図４は、第２のシミュレーション条件を示す模式断面図である。 図５は、第２のシミュレーション結果を示すグラフである。 図６は、第３のシミュレーション条件を示す模式断面図である。 図７は、第３のシミュレーション結果を示すグラフである。 図８の（ａ）は、第１参照例に係る熱電変換素子の概略断面図であり、図８の（ｂ）は、第２参照例に係る熱電変換素子の概略断面図であり、図８の（ｃ）は、第３参照例に係る熱電変換素子の概略断面図である。

　以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。本明細書における「同一」及びそれに類似する単語は、「完全同一」のみに限定されない。

　まず、図１を参照しながら、本実施形態に係る熱電変換素子の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る熱電変換素子を示す概略断面図である。図１に示される熱電変換素子１は、外部から熱が供給されることによって発電可能な素子である。熱電変換素子１は、例えば、その内部の温度差を利用して熱を電気に変換する素子である。熱電変換素子１は、いわゆるインプレーン型（ｉｎ－ｐｌａｎｅ型）の素子である。このため、熱電変換素子１は、例えばπ型の素子（クロスプレーン型の素子）よりも加工性及びフレキシブル性に優れる傾向にある。よって、熱電変換素子１は、例えば工場排熱の回収に用いる円筒パイプ等の側面に沿って設けることができる。すなわち、熱電変換素子１は、様々な箇所へ容易に配置可能である。よって、熱電変換素子１は、例えば排熱を利用したプラント用センサの電源として用いられる。加えて、熱電変換素子１に含まれる熱電変換材料と電極との接触抵抗も、π型のモジュールよりも低い傾向にある。以下では、熱電変換素子１の各構成要件の温度は、空気の自然対流条件下にて測定されたものとする。

　熱電変換素子１は、熱電変換モジュール２と、シート部材３とを備える。熱電変換モジュール２は、熱電変換素子１における熱電変換部であり、基板１１と、第１電極１２と、第２電極１３と、素子部１４と、封止層１５とを有する。

　基板１１は、例えば、耐熱性及び可撓性を示す樹脂製のシート部材であり、略平板形状を呈する。基板１１を構成する樹脂は、例えば（メタ）アクリル系樹脂、（メタ）アクリロニトリル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、オルガノシロキサン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリスルホン系樹脂等である。基板１１の厚さは、例えば５μｍ以上５０μｍ以下である。基板１１の熱伝導率は、例えば０．１Ｗ／ｍＫ（０．１ワット毎メートル毎ケルビン、及び０．１Ｗ×ｍ^－１×Ｋ^－１に相当する）以上０．３Ｗ／ｍＫ以下である。基板１１の熱伝導率が０．３Ｗ／ｍＫ以下であることによって、素子部１４の内部に温度差が生じ得る。基板１１は、第１主面１１ａと、第１主面１１ａの反対側に位置する第２主面１１ｂとを有する。第１主面１１ａと第２主面１１ｂとは、基板１１の厚さに沿った方向に対して交差する面である。第１主面１１ａと第２主面１１ｂとの形状は、特に限定されないが、例えば多角形状、円形状、楕円形状等である。以下では、基板１１の厚さに沿った方向を単に厚さ方向Ｄ１と表する。厚さ方向Ｄ１から見ることは平面視に相当する。

　第１電極１２は、熱電変換モジュール２に含まれる端子を構成する部材であり、基板１１の第１主面１１ａ上に設けられる導電体である。第１電極１２は、例えば金属製、合金製、もしくは導電性樹脂製の導電体である。第１電極１２が金属製もしくは合金製である場合、第１電極１２は、例えば種々の乾式法によって基板１１上に形成される。乾式法は、例えば、物理気相蒸着法（ＰＶＤ法）、金属箔もしくは合金箔のパターニング等である。金属粒子が分散したナノペースト等を用いて第１電極１２が形成されてもよい。平面視における第１電極１２の形状は特に限定されないが、例えば多角形状、円形状、楕円形状等である。第１電極１２の厚さは、例えば６μｍ以上７０μｍ以下である。第１電極１２の熱伝導率は、例えば５Ｗ／ｍＫ以上である。この場合、第１電極１２が外部から加熱されやすい傾向にある。第１電極１２の熱伝導率は、例えば３０Ｗ／ｍＫ以上でもよい。

　第２電極１３は、第１電極１２と同様に、熱電変換モジュール２に含まれる端子を構成する部材であり、基板１１の第１主面１１ａ上に設けられる導電体である。第２電極１３は、第１電極１２と離間している。第２電極１３は、第１電極１２と同時に形成される。このため、第２電極１３は、第１電極１２と同一材料から構成される。平面視における第２電極１３の形状は特に限定されないが、例えば多角形状、円形状、楕円形状等である。第２電極１３の熱伝導率は、第１電極１２と同様に、例えば５Ｗ／ｍＫ以上である。第２電極１３の熱伝導率は、例えば３０Ｗ／ｍＫ以上でもよい。

　素子部１４は、熱電変換モジュール２において熱電変換が実施される部材である。平面視における素子部１４の形状は特に限定されないが、例えば多角形状、円形状、楕円形状等である。素子部１４は、ｎ型熱電変換層１４ａと、ｐ型熱電変換層１４ｂとを有する。本実施形態では、ｎ型熱電変換層１４ａとｐ型熱電変換層１４ｂとは、互いに同一形状を呈するが、これに限られない。

　ｎ型熱電変換層１４ａは、基板１１の第１主面１１ａ上に設けられると共に第１電極１２に電気的に接続される。本実施形態では、ｎ型熱電変換層１４ａは、第１電極１２と第２電極１３との間に位置しており、且つ、第１電極１２に接触している。ｎ型熱電変換層１４ａは、第１電極１２の一部を覆っている。ｎ型熱電変換層１４ａは、例えばｎ型半導体層である。ｎ型熱電変換層１４ａは、例えば無機物と有機物の複合物、もしくは複数の有機物の複合物を含む。無機物は、例えば二硫化チタン（ＴｉＳ_２）、ビスマステルル（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）、スクッテルダイト、ニッケル（Ｎｉ）等である。有機物は、例えばｎ型の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、テトラチアフルバレン－テトラシアノキノジメタン（ＴＴＦ－ＴＣＮＱ）等である。ｎ型熱電変換層１４ａは、例えば種々の乾式法もしくは湿式法によって形成される。湿式法は、例えばドクターブレード法、ディップコート法、スプレーコート法、スピンコート法、インクジェット法等である。ｎ型熱電変換層１４ａの厚さは、例えば９μｍ以上２００μｍ以下である。ｎ型熱電変換層１４ａの熱伝導率は、例えば０．０１Ｗ／ｍＫ以上０．５Ｗ／ｍＫ以下である。この場合、ｎ型熱電変換層１４ａの内部にて温度勾配が容易に形成され得る。ｎ型熱電変換層１４ａの厚さは、厚さ方向Ｄ１において第１電極１２と重なっていない部分の厚さに相当する。

　ｐ型熱電変換層１４ｂは、基板１１の第１主面１１ａ上に設けられると共にｎ型熱電変換層１４ａに接触している。本実施形態では、ｐ型熱電変換層１４ｂは、第１電極１２と第２電極１３との間に位置しており、且つ、ｎ型熱電変換層１４ａを挟んで第１電極１２の反対側に位置する。ｐ型熱電変換層１４ｂは、第２電極１３の一部を覆うと共に、当該一部に接触している。ｐ型熱電変換層１４ｂは、例えばｐ型の半導体層である。ｐ型熱電変換層１４ｂは、例えばカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブとは異なる導電性高分子とを含む。カーボンナノチューブは、例えばｐ型のＳＷＣＮＴ等である。導電性高分子は、例えばポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）等である。ｐ型熱電変換層１４ｂでは、カーボンナノチューブと導電性高分子とが凝集してもよい。ｐ型熱電変換層１４ｂには、カーボンナノチューブ同士を導電性高分子が結合した多孔質構造が含まれてもよい。

　ｐ型熱電変換層１４ｂは、ｎ型熱電変換層１４ａと同様に、例えば種々の乾式法もしくは湿式法によって形成される。ｐ型熱電変換層１４ｂの厚さは、例えば９μｍ以上２００μｍ以下である。ｐ型熱電変換層１４ｂの熱伝導率は、例えば０．０１Ｗ／ｍＫ以上０．５Ｗ／ｍＫ以下である。この場合、ｐ型熱電変換層１４ｂの内部にて温度勾配が容易に形成され得る。ｐ型熱電変換層１４ｂの厚さは、厚さ方向Ｄ１において第２電極１３と重なっていない部分の厚さに相当する。

　封止層１５は、第１電極１２と、第２電極１３と、ｎ型熱電変換層１４ａと、ｐ型熱電変換層１４ｂとを保護する樹脂層であり、第１主面１１ａ上に位置する熱電変換素子１の最外層を構成する。本実施形態では、当該最外層は、封止層１５のみから構成される。封止層１５は、第１主面１１ａ上に設けられ、第１電極１２と、第２電極１３と、ｎ型熱電変換層１４ａと、ｐ型熱電変換層１４ｂとを覆っている。封止層１５を構成する樹脂は、例えば（メタ）アクリル系樹脂、（メタ）アクリロニトリル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、オルガノシロキサン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリスルホン系樹脂等である。封止層１５の厚さは、例えば５０μｍ以上２００μｍ以下であり、後述する間隔Ｓ１，Ｓ２よりも小さい。封止層１５の熱伝導率は、例えば０．０１Ｗ／ｍＫ以上０．５Ｗ／ｍＫ以下である。

　第１電極１２と、ｎ型熱電変換層１４ａと、ｐ型熱電変換層１４ｂと、第２電極１３とは、厚さ方向Ｄ１に直交する並び方向Ｄ２に沿って順に配置されている。例えば、第１電極１２は並び方向Ｄ２における熱電変換モジュール２の一端側に位置し、第２電極１３は並び方向Ｄ２における熱電変換モジュール２の他端側に位置する。熱電変換モジュール２の各構成要件の熱伝導率の違いに鑑みれば、例えば基板１１側から熱電変換モジュール２が加熱されたとき、ｎ型熱電変換層１４ａにおいては第１電極１２に接触する部分の温度が最も高くなる傾向にあり、ｐ型熱電変換層１４ｂにおいては第２電極１３に接触する部分の温度が最も高くなる傾向にある。ｎ型熱電変換層１４ａとｐ型熱電変換層１４ｂとの接触部ＣＰの温度が最も低くなる傾向にある。このため、ｎ型熱電変換層１４ａとｐ型熱電変換層１４ｂとのそれぞれにおいては、並び方向Ｄ２に沿って温度勾配が発生し得る。平面視にて接触部ＣＰは、例えば厚さ方向Ｄ１と並び方向Ｄ２との両方に交差する方向に沿って延在する。平面視にて、接触部ＣＰは直線形状でもよいし、波線形状でもよいし、円弧形状でもよい。

　並び方向Ｄ２に沿ったｎ型熱電変換層１４ａの長さは、厚さ方向Ｄ１に沿った封止層１５の長さよりも長い。並び方向Ｄ２に沿ったｎ型熱電変換層１４ａの長さは、例えば厚さ方向Ｄ１に沿った封止層１５の長さの５倍以上もしくは１０倍以上である。上述したように、封止層１５の熱伝導率は、例えば０．１Ｗ／ｍＫ以上０．５Ｗ／ｍＫ以下である。このため、例えば第１電極１２から封止層１５へ伝導する熱は、接触部ＣＰよりも封止層１５の上面１５ａに到達しやすい。換言すると、接触部ＣＰは封止層１５を介して伝熱されにくくなっている。むしろ、接触部ＣＰの熱が封止層１５を介して外部に放出される傾向にある。

　シート部材３は、熱電変換モジュール２と熱源との間に配置される部材であり、基板１１の第２主面１１ｂ上に設けられる。このため、熱源から発生した熱は、シート部材３を介して熱電変換モジュール２へ伝導する。シート部材３は、第１高熱伝導部２１と、第２高熱伝導部２２と、低熱伝導部２３とを有する。

　第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２は、低熱伝導部２３よりも高い熱伝導率を示す部分であり、互いに離間している。第１高熱伝導部２１は、厚さ方向Ｄ１において第１電極１２に重なっており、第２高熱伝導部２２は、厚さ方向Ｄ１において第２電極１３に重なっている。平面視における第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２の形状は特に限定されないが、例えば多角形状、円形状、楕円形状等である。平面視にて、第１高熱伝導部２１の形状と第１電極１２の形状とは、互いに同一でもよいし、互いに異なってもよい。同様に、平面視にて、第２高熱伝導部２２の形状と第２電極１３の形状とは、互いに同一でもよいし、互いに異なってもよい。第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２のそれぞれは、例えば金属（銀、銅、アルミニウム等）、カーボン等を含む。第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２のそれぞれは、高熱伝導性を示す窒化ホウ素、窒化アルミニウム等のセラミックを含んでもよい。第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２のそれぞれの熱伝導率は、例えば５Ｗ／ｍＫ以上４００Ｗ／ｍＫ以下である。これにより、シート部材３が加熱されたとき、第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２を介して、第１電極１２及び第２電極１３へそれぞれ良好に伝熱する。

　第１高熱伝導部２１から第１電極１２への伝熱効率を高める観点から、平面視にて、第１電極１２は、第１高熱伝導部２１の縁よりも内部に位置してもよいし、第１電極１２の縁と第１高熱伝導部２１の縁とが完全に重なってもよい。同様に、平面視にて、第２電極１３は、第２高熱伝導部２２の縁よりも内部に位置してもよいし、第２電極１３の縁と第２高熱伝導部２２の縁とが完全に重なってもよい。ｎ型熱電変換層１４ａ内部での並び方向Ｄ２に沿った温度勾配を広げる観点から、第１高熱伝導部２１は、第１電極１２よりも並び方向Ｄ２における一端側に位置してもよい。すなわち、平面視にて、第１高熱伝導部２１の上記一端側の縁は、第１電極１２の上記一端側の縁よりも外側に位置してもよい。同様に、第２高熱伝導部２２は、第２電極１３よりも並び方向Ｄ２における他端側に位置してもよい。

　厚さ方向Ｄ１に沿った第１高熱伝導部２１の長さＴ１は、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。平面視にて、並び方向Ｄ２に沿った第１高熱伝導部２１（第１高熱伝導部２１と低熱伝導部２３との接触部）から接触部ＣＰまでの間隔Ｓ１は、例えば第１高熱伝導部２１の長さＴ１の５倍以上もしくは１０倍以上である。この場合、並び方向Ｄ２に沿ったｎ型熱電変換層１４ａ内部の温度勾配が良好に発生し得る。同様に、厚さ方向Ｄ１に沿った第２高熱伝導部２２の長さＴ２は、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。平面視にて、並び方向Ｄ２に沿った第２高熱伝導部２２（第２高熱伝導部２２と低熱伝導部２３との接触部）から接触部ＣＰまでの間隔Ｓ２は、例えば第２高熱伝導部２２の長さＴ２の５倍以上もしくは１０倍以上である。この場合、並び方向Ｄ２に沿ったｐ型熱電変換層１４ｂ内部の温度勾配が良好に発生し得る。第１高熱伝導部２１の長さＴ１によっては、間隔Ｓ１は、長さＴ１の５倍以上でもよいし、１０倍以上でもよいし、２０倍以下でもよい。同様に、間隔Ｓ２は、長さＴ２の５倍以上でもよいし、１０倍以上でもよいし、２０倍以下でもよい。例えば、長さＴ１が１００μｍ以上２００μｍ以下である場合、間隔Ｓ１は長さＴ１の５倍以上であることが好適であり、１０倍以上であることがより好適である。

　低熱伝導部２３は、第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２よりも低い熱伝導率を示す部分であり、シート部材３の主部である。低熱伝導部２３は、厚さ方向Ｄ１において少なくとも接触部ＣＰに重なっており、第２主面１１ｂの大部分を覆っている。本実施形態では、低熱伝導部２３は、厚さ方向Ｄ１において、接触部ＣＰに加えてｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂの大部分に重なっている。低熱伝導部２３は、並び方向Ｄ２において第１高熱伝導部２１と第２高熱伝導部２２との隙間を充填している。低熱伝導部２３は、例えばセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）、シリカエアロゲル等を含む。低熱伝導部２３は、発泡体でもよい。

　低熱伝導部２３の熱伝導率は、第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２の熱伝導率よりも顕著に低く、例えば０．０１Ｗ／ｍＫ以上０．２Ｗ／ｍＫ以下である。これにより、シート部材３が加熱されたとき、熱電変換モジュール２において第１主面１１ａ上に位置すると共に低熱伝導部２３に重なる部分が加熱されにくくなる。よって、接触部ＣＰ及びその近傍が加熱されにくくなるので、並び方向Ｄ２に沿ったｎ型熱電変換層１４ａ内部の温度勾配と、ｐ型熱電変換層１４ｂ内部の温度勾配とのそれぞれが良好に発生し得る。上記温度勾配をより良好に発生させる観点から、低熱伝導部２３の熱伝導率は、０．０８Ｗ／ｍＫ以下でもよい。

　シート部材３は、例えば第２主面１１ｂ上に直接形成される。この場合、第１高熱伝導部２１、第２高熱伝導部２２、及び低熱伝導部２３のそれぞれは、種々の乾式法もしくは湿式法によって形成される。もしくは、シート部材３は、図示しない接着剤によって第２主面１１ｂに貼り付けられてもよい。接着剤は、例えば（メタ）アクリル系樹脂、（メタ）アクリロニトリル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、オルガノシロキサン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリスルホン系樹脂等である。接着剤の熱伝導率は、例えば基板１１の熱伝導率と同程度である。

　熱電変換素子１は、上記以外の構成を更に備えてもよい。例えば、熱電変換素子１は、他の熱電変換素子を電気的に接続するための配線、外部回路に電力を取り出すための配線等を備えてもよい。

　以上に説明した本実施形態に係る熱電変換素子１では、第１電極１２は厚さ方向Ｄ１において第１高熱伝導部２１に重なっており、第２電極１３は厚さ方向Ｄ１において第２高熱伝導部２２に重なっており、ｎ型熱電変換層１４ａとｐ型熱電変換層１４ｂとの接触部ＣＰは厚さ方向Ｄ１において低熱伝導部２３に重なっている。これにより、シート部材３側から熱電変換モジュール２を加熱すると、ｎ型熱電変換層１４ａにおいては、接触部ＣＰの温度が最も低くなる傾向にあり、第１電極１２に最も近い部分の温度が最も高くなる傾向にある。同様に、ｐ型熱電変換層１４ｂにおいては、接触部ＣＰの温度が最も低くなる傾向にあり、第２電極１３に最も近い部分の温度が最も高くなる傾向にある。この場合、例えば、並び方向Ｄ２において一方の電極側を高温状態にすると共に他方の電極側を低温状態にするよりも、並び方向Ｄ２におけるｎ型熱電変換層１４ａの温度勾配と、並び方向Ｄ２におけるｐ型熱電変換層１４ｂの温度勾配との両方が大きくなる傾向にある。換言すると、並び方向Ｄ２において一方の電極側を高温状態にすると共に他方の電極側を低温状態にすることよりも、並び方向Ｄ２におけるｎ型熱電変換層１４ａの両端の温度差と、並び方向におけるｐ型熱電変換層１４ｂの両端の温度差との両方が広がる傾向にある。加えて、封止層１５が第１主面１１ａ上に位置する最外層を構成することによって、上記温度勾配を維持できる傾向にある。したがって、本実施形態に係る熱電変換素子１によれば、熱電変換効率の向上が可能である。

　本実施形態では、低熱伝導部２３の熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍＫ以下でもよい。この場合、並び方向Ｄ２におけるｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂのそれぞれの両端の温度差を良好に広げられる。低熱伝導部２３の熱伝導率が０．０８Ｗ／ｍＫ以下である場合、上記温度差をより良好に広げられる。

　本実施形態では、第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２の熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫ以上でもよい。この場合、並び方向Ｄ２におけるｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂのそれぞれの両端の温度差を良好に広げられる。

　本実施形態では、第１電極１２及び第２電極１３の熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫ以上でもよい。この場合、並び方向Ｄ２におけるｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂのそれぞれの両端の温度差を良好に広げられる。

　本実施形態では、基板１１は、可撓性を示す。このため、熱電変換素子１が可撓性を示すことができる。よって、例えば円筒パイプの表面に沿って熱電変換素子１を容易に設けることができる。すなわち、熱電変換素子１の装着箇所の制限を緩和できる。

　本実施形態では、並び方向Ｄ２に沿った第１高熱伝導部２１から接触部ＣＰまでの間隔Ｓ１は、厚さ方向Ｄ１に沿った第１高熱伝導部２１の長さＴ１の５倍以上もしくは１０倍以上であり、並び方向Ｄ２に沿った第２高熱伝導部２２から接触部ＣＰまでの間隔Ｓ２は、厚さ方向Ｄ１に沿った第２高熱伝導部２２の長さＴ２の５倍以上もしくは１０倍以上である。このため、並び方向Ｄ２におけるｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂのそれぞれの両端の温度差を良好に広げられる。

　以下では、熱電変換素子に含まれる構成要件の位置もしくは特性を変化させたときの素子内の温度変化をシミュレーションした結果について説明する。以下の各シミュレーションでは、２次元のモデルを設定する。以下のシミュレーションの実施にあたっては、２次元の熱伝導の基礎微分方程式を差分化に適用した、ＥＸＣＥＬモデルを用いた。差分化の手法として、有限体積法を適用した。

　図２は、第１のシミュレーション条件を示す模式断面図である。図２に示されるように、第１のシミュレーションにおけるモデル３０は、上記実施形態のシート部材３と同様に、高熱伝導部３１，３２と、低熱伝導部３３とを備える。高熱伝導部３１は、厚さ方向Ｄ１における一方側にて露出しており、且つ、並び方向Ｄ２におけるモデル３０の一端に位置している。高熱伝導部３２は、厚さ方向Ｄ１における他方側にて露出しており、且つ、並び方向Ｄ２におけるモデル３０の他端に位置している。モデル３０では、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部３１，３２の寸法を同一と設定した。低熱伝導部３３は、厚さ１ｍｍのシート形状を呈しており、高熱伝導部３１，３２と一体化されているものと設定した。高熱伝導部３１，３２の熱伝導率を３９８Ｗ／ｍＫと設定し、低熱伝導部３３の熱伝導率を０．３Ｗ／ｍＫと設定した。

　モデル３０では、並び方向Ｄ２に沿った高熱伝導部３１，３２の間隔を間隔Ｘ（ｍｍ）とし、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部３１，３２の間隔を間隔Ｙ（ｍｍ）とする（間隔Ｙは１未満である）。間隔Ｘが０ｍｍである場合、並び方向Ｄ２において高熱伝導部３１の中心側の縁３１ａは、並び方向Ｄ２において高熱伝導部３２の中心側の縁３２ａと、厚さ方向Ｄ１において重なる。間隔Ｙが０ｍｍである場合、厚さ方向Ｄ１において高熱伝導部３１の中心側の縁３１ｂは、厚さ方向Ｄ１において高熱伝導部３２の中心側の縁３２ｂと、並び方向Ｄ２において重なる。

　モデル３０には、２つの温度評価点３４，３５が設定される。温度評価点３４は、厚さ方向Ｄ１において高熱伝導部３１の中心側の縁３１ａ上であって、間隔Ｙの中心に位置する。このため、間隔Ｙが０ｍｍである場合、温度評価点３４は、縁３１ａ，３１ｂの交点に重なる。温度評価点３５は、厚さ方向Ｄ１において高熱伝導部３２の中心側の縁３２ａ上であって、間隔Ｙの中心に位置する。このため、間隔Ｙが０ｍｍである場合、温度評価点３５は、縁３２ａ，３２ｂの交点に重なる。

　厚さ方向Ｄ１において、モデル３０よりも一方側は熱源側と設定され、モデル３０よりも他方側は空気側と設定される。第１のシミュレーションでは、熱源側の温度は７０℃に設定され、空気側は室温（２３℃）に設定される。第１のシミュレーションでは、厚さ方向Ｄ１において熱源側に位置するモデル３０の表面３０ｂは自然対流にて加熱されるものとし、厚さ方向Ｄ１において空気側に位置するモデル３０の表面３０ａは自然対流にて冷却されるものとする。

　図３の（ａ）、（ｂ）は、第１のシミュレーション結果を示すグラフである。図３の（ａ）は、間隔Ｘを変化させたときの温度評価点３４，３５の温度差の変化を示すグラフである。図３の（ａ）において、横軸は間隔Ｘを示し、縦軸は温度評価点３４，３５の温度差を示す。プロット４１は間隔Ｙが０ｍｍである場合のシミュレーション結果を示し、プロット４２は間隔Ｙが０．１ｍｍである場合のシミュレーション結果を示し、プロット４３は間隔Ｙが０．２ｍｍである場合のシミュレーション結果を示し、プロット４４は間隔Ｙが０．３ｍｍである場合のシミュレーション結果を示し、プロット４５は間隔Ｙが０．４ｍｍである場合のシミュレーション結果を示し、プロット４６は間隔Ｙが０．５ｍｍである場合のシミュレーション結果を示す。図３の（ａ）に示されるように、間隔Ｘが１ｍｍ以下の条件においては、間隔Ｙの数値にかかわらず、間隔Ｘが広がるほど温度評価点３４，３５の温度差も大きくなった。間隔Ｘが１ｍｍ以上２ｍｍ未満の条件においては、間隔Ｘが広がっても上記温度差が大きくなりにくかった。そして間隔Ｘが２ｍｍ以上の条件においては、間隔Ｙの数値にかかわらず、間隔Ｘが広がっても上記温度差はほぼ変化しなかった。このことから、例えば上記実施形態のシート部材３において、並び方向Ｄ２における第１高熱伝導部２１と第２高熱伝導部２２との間隔を２ｍｍ以上にする場合、厚さ方向Ｄ１における第１高熱伝導部２１と第２高熱伝導部２２との間隔を考慮しなくてもよいことが示唆された。

　図３の（ｂ）は、間隔Ｙを変化させたときの温度評価点３４，３５の温度差の変化を示すグラフである。図３の（ｂ）において、横軸は間隔Ｙを示し、縦軸は温度評価点３４，３５の温度差を示す。プロット４７は間隔Ｘが０ｍｍである場合のシミュレーション結果を示し、プロット４８は間隔Ｘが１０ｍｍである場合のシミュレーション結果を示す。図３の（ｂ）に示されるように、間隔Ｘの数値にかかわらず、間隔Ｙが短いほど温度評価点３４，３５の温度差も大きくなった。このことから、例えばモデル３０においては、厚さ方向Ｄ１における高熱伝導部３１，３２の間隔Ｙは短いほど、上記温度差が大きくなる傾向が示唆された。

　図４は、第２のシミュレーション条件を示す模式断面図である。図４に示されるように、第２のシミュレーションにおけるモデル５０は、上記モデル３０と同様に、高熱伝導部５１，５２と、低熱伝導部５３とを備える。モデル５０において高熱伝導部５１，５２と低熱伝導部５３とが設けられる位置、並びにこれらの熱伝導率は、モデル３０と同一である。モデル５０では、並び方向Ｄ２に沿った高熱伝導部５１，５２の間隔を２ｍｍに設定した。厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部５１の長さをＺｍｍと設定し、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部５２の長さを１－Ｚｍｍと設定した。モデル５０の周囲の温度条件は、第１のシミュレーションと同一とする。

　モデル５０には、２つの温度評価点５４，５５が設定される。温度評価点５４は、並び方向Ｄ２に沿った高熱伝導部５１における中心側の縁５１ａと、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部５１における中心側の縁５１ｂとの交点に位置する。温度評価点５５は、並び方向Ｄ２に沿った高熱伝導部５２における中心側の縁５２ａと、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部５２における中心側の縁５２ｂとの交点に位置する。

　図５は、第２のシミュレーション結果を示すグラフであり、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部５１の長さを変化させたときの温度評価点５４，５５の温度差の変化を示す。図５において、横軸は長さＺを示し、縦軸は温度評価点５４，５５の温度差を示す。図５に示されるように、厚さ方向Ｄ１において熱源側に位置する高熱伝導部５１の厚さ方向Ｄ１に沿った長さが大きいほど、上記温度差が大きくなった。この結果から、モデル５０において並び方向Ｄ２に沿った温度評価点５４，５５の温度差を広げるにあたっては、熱源側に位置する高熱伝導部の厚さを可能な限り大きくすることが有効と示唆された。

　図６は、第３のシミュレーション条件を示す模式断面図である。第３のシミュレーションにて用いられるモデルは、第１及び第２のシミュレーション結果を踏まえて、並び方向Ｄ２において最も温度差が生じると推定される構造とした。具体的には図６に示されるように、第３のシミュレーションにおけるモデル６０は、高熱伝導部６１と、低熱伝導部６２とを備える。高熱伝導部６１と低熱伝導部６２とは、並び方向Ｄ２に沿って順に配置されると共に互いに一体化している。高熱伝導部６１と低熱伝導部６２との厚さ方向Ｄ１に沿った寸法は１ｍｍである。高熱伝導部６１の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫに設定される。

　厚さ方向Ｄ１において、モデル６０よりも一方側は熱源側と設定され、モデル６０よりも他方側は空気側と設定される。第３のシミュレーションでは、第１のシミュレーションとは異なり、熱源側の温度は１００℃に設定されている。一方、空気側は第１のシミュレーションと同一条件である。

　モデル６０には、モデル６０の表面６０ａ上に位置する温度評価点６３が設定される。温度評価点６３は、高熱伝導部６１と低熱伝導部６２との接触部６４から、並び方向Ｄ２に沿って２ｍｍ離れた低熱伝導部６２上に位置している。このため、温度評価点６３の温度は、モデル６０が加熱されたときの表面６０ａの温度（より具体的には、低熱伝導部６２にて構成される表面６０ａの温度）を示す。

　図７は、第３のシミュレーション結果を示すグラフであり、低熱伝導部６２の熱伝導率を変化させたときの温度評価点６３の温度変化を示す。図７において、横軸は低熱伝導部６２の熱伝導率を示し、縦軸は温度評価点６３の温度を示す。図７に示されるように、低熱伝導部６２の熱伝導率が小さいほど、温度評価点６３の温度が低くなっている。低熱伝導部６２の熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫである場合、熱源と温度評価点６３との温度差は、約８℃になった。低熱伝導部６２の熱伝導率が０．０８Ｗ／ｍＫである場合、熱源と温度評価点６３との温度差は、約１５℃になった。一方、低熱伝導部６２の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上である場合、熱源と温度評価点６３との温度差はほぼ０にった。このことから、例えばシート部材３に含まれる低熱伝導部２３の熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫ以下である場合には低熱伝導部２３が良好な断熱性を示す傾向にあること、並びに、低熱伝導部２３の熱伝導率が０．０８Ｗ／ｍＫ以下である場合には低熱伝導部２３がより良好な断熱性を示す傾向にあることが示唆された。

　次に、熱電変換素子の構成を変化させたときの素子部内の最大温度差のシミュレーション結果について説明する。図８の（ａ）は、第１参照例に係る熱電変換素子の概略断面図であり、図８の（ｂ）は、第２参照例に係る熱電変換素子の概略断面図であり、図８の（ｃ）は、第３参照例に係る熱電変換素子の概略断面図である。

　図８の（ａ）に示される熱電変換素子１０１は、熱電変換素子１の各構成要件に加えて、封止層１５上に設けられる高熱伝導部１１０及び低熱伝導部１２０を備える。高熱伝導部１１０は、ｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂの放熱性向上を図って設けられたものであり、厚さ方向Ｄ１において接触部ＣＰに重なっている。並び方向Ｄ２における高熱伝導部１１０の中心は、厚さ方向Ｄ１において接触部ＣＰに重なっている。低熱伝導部１２０は、第１電極１２、第２電極１３及びこれらの周囲の放熱性低下を図って設けられたシート部材である。低熱伝導部１２０は、厚さ方向Ｄ１に直交する方向において高熱伝導部１１０を囲んでおり、厚さ方向Ｄ１において第１電極１２、第２電極１３、第１高熱伝導部２１、及び第２高熱伝導部２２に重なっている。高熱伝導部１１０及び低熱伝導部１２０の厚さ方向Ｄ１に沿った長さは、同一とする。

　図８の（ｂ）に示される熱電変換素子２０１は、熱電変換素子１の各構成要件に加えて、封止層１５上に設けられる低熱伝導部２２０を備える。低熱伝導部２２０は、封止層１５の上面を覆うシート部材である。厚さ方向Ｄ１に沿った低熱伝導部２２０の長さは、図８の（ａ）に示される高熱伝導部１１０及び低熱伝導部１２０の厚さ方向Ｄ１に沿った長さと同一とする。

　図８の（ｃ）に示される熱電変換素子３０１は、熱電変換素子１の各構成要件に加えて、封止層１５上に設けられる高熱伝導部３１０を備える。高熱伝導部３１０は、封止層１５の上面を覆うシート部材である。厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部３１０の長さは、図８の（ａ）に示される高熱伝導部１１０及び低熱伝導部１２０の厚さ方向Ｄ１に沿った長さと同一とする。

　このシミュレーションでは、熱電変換素子１，１０１，２０１，３０１において、厚さ方向Ｄ１に沿った熱電変換モジュール２の長さを０．６ｍｍと設定し、厚さ方向Ｄ１に沿った基板１１の長さを５０μｍと設定し、厚さ方向Ｄ１に沿ったシート部材３の長さを４００μｍと設定し、並び方向Ｄ２に沿った熱電変換モジュール２及びシート部材３の長さを１５ｍｍと設定した。厚さ方向Ｄ１に沿った熱電変換モジュール２の長さは、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部１１０，３１０の長さと、厚さ方向Ｄ１に沿った低熱伝導部１２０，２２０の長さとを含まない。厚さ方向Ｄ１に沿った第１電極１２及び第２電極１３の長さを２５μｍと設定し、厚さ方向Ｄ１に沿ったｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂの長さを１００μｍと設定し、厚さ方向Ｄ１に沿った封止層１５の最大長さを１５０μｍと設定し、厚さ方向Ｄ１に沿った第１高熱伝導部２１、第２高熱伝導部２２及び低熱伝導部２３の長さを４００μｍと設定し、並び方向Ｄ２に沿った第１電極１２及び第２電極１３の長さを３ｍｍと設定し、並び方向Ｄ２に沿ったｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂの長さを２．５ｍｍと設定し、並び方向Ｄ２に沿った第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２の長さを３ｍｍと設定した。加えて、厚さ方向Ｄ１に沿った高熱伝導部１１０の長さを４００μｍと設定し、並び方向Ｄ２に沿った高熱伝導部１１０の長さを３ｍｍと設定した。

　このシミュレーションでは、熱電変換素子１，１０１，２０１，３０１において、基板１１及び封止層１５の熱伝導率を０．３Ｗ／ｍＫと設定し、第１電極１２及び第２電極１３の熱伝導率を３９８Ｗ／ｍＫと設定し、ｎ型熱電変換層１４ａ及びｐ型熱電変換層１４ｂの熱伝導率を０．５Ｗ／ｍＫと設定し、第１高熱伝導部２１及び第２高熱伝導部２２の熱伝導率を５．０Ｗ／ｍＫと設定し、低熱伝導部２３の熱伝導率を０．０５Ｗ／ｍＫと設定した。高熱伝導部１１０，３１０の熱伝導率を５．０Ｗ／ｍＫと設定し、低熱伝導部１２０の熱伝導率を０．０５Ｗ／ｍＫと設定し、低熱伝導部２２０の熱伝導率を０．１Ｗ／ｍＫと設定した。

　熱電変換素子１，１０１，２０１，３０１においては、上述した第３のシミュレーションと同様に、熱源側の温度は１００℃に設定され、空気側は室温（２３℃）に設定される。厚さ方向Ｄ１に交差するシート部材３の露出表面の温度も１００℃と設定した。

　上述した条件に設定された熱電変換素子１，１０１，２０１，３０１において、素子部１４の最大温度差をシミュレーションした。その結果、熱電変換素子１の素子部１４の最大温度差は５．２５９℃であり、熱電変換素子１０１の素子部１４の最大温度差は４．９０９℃であり、熱電変換素子２０１の素子部１４の最大温度差は４．７８５℃であり、熱電変換素子３０１の素子部１４の最大温度差は１．５７７℃であった。熱電変換素子１０１の素子部１４の最大温度差を基準（１００％）とした場合、熱電変換素子１の素子部１４の最大温度差は１０７％であり、熱電変換素子２０１の素子部１４の最大温度差は８７％であり、熱電変換素子３０１の素子部１４の最大温度差は３２％であった。以上の結果より、熱電変換素子１を備える構成においては、基板１１の第１主面１１ａ上に位置する最外層が封止層１５から構成される場合、最も熱電変換効率が高くなる傾向にあることが示唆された。

　本開示に係る熱電変換素子は、上記実施形態に限定されず、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、第１主面上に位置する最外層は封止層のみから構成されているが、これに限られない。例えば、上記最外層は、上記封止層と、当該封止層とは異なる部材とから構成されてもよい。

　上記実施形態では、第１主面上に一つの熱電変換モジュールが設けられるが、これに限られない。例えば、第１主面上には複数の熱電変換モジュールが設けられてもよい。この場合、複数の熱電変換モジュールは、互いに電気的に接続されてもよい。少なくとも一部の熱電変換モジュールにおいて、第１電極もしくは第２電極が共通化されてもよい。第１主面上に複数の熱電変換モジュールが設けられる場合、シート部材は、第１及び第２高熱伝導部以外の高熱伝導部を備えてもよい。

　上記実施形態では、第１電極と第２電極とは同時に形成されるが、これに限られない。第１電極と第２電極とは、異なる材料から形成されてもよい。

　１，１０１，２０１，３０１…熱電変換素子、２…熱電変換モジュール、３…シート部材、１１…基板、１１ａ…第１主面、１１ｂ…第２主面、１２…第１電極、１３…第２電極、１４…素子部、１４ａ…ｎ型熱電変換層、１４ｂ…ｐ型熱電変換層、１５…封止層、２１…第１高熱伝導部、２２…第２高熱伝導部、２３…低熱伝導部、１１０，３１０…高熱伝導部、１２０，２２０…低熱伝導部、ＣＰ…接触部、Ｓ１，Ｓ２…間隔、Ｔ１…第１高熱伝導部の長さ、Ｔ２…第２高熱伝導部の長さ。

Claims (7)

1. 　第１主面、及び前記第１主面の反対側に位置する第２主面を有する基板と、
   　前記第１主面上に設けられる第１電極、前記第１電極に電気的に接続されるｎ型熱電変換層、前記ｎ型熱電変換層に接触するｐ型熱電変換層、及び前記ｐ型熱電変換層に電気的に接続される第２電極と、
   　前記第１主面上に設けられ、前記第１電極、前記ｎ型熱電変換層、前記ｐ型熱電変換層、及び前記第２電極を覆う封止層と、
   　前記第２主面上に設けられる第１高熱伝導部、第２高熱伝導部、及び低熱伝導部と、を備え、
   　前記第１電極、前記ｎ型熱電変換層、前記ｐ型熱電変換層、及び前記第２電極は、前記基板の厚さ方向に直交する並び方向に沿って順に配置されており、
   　前記第１電極は前記厚さ方向において前記第１高熱伝導部に重なっており、前記第２電極は前記厚さ方向において前記第２高熱伝導部に重なっており、前記ｎ型熱電変換層と前記ｐ型熱電変換層との接触部は前記厚さ方向において前記低熱伝導部に重なっており、
   　前記封止層が、前記第１主面上に位置する最外層を構成する、
   熱電変換素子。
2. 　前記低熱伝導部の熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍＫ以下である、請求項１に記載の熱電変換素子。
3. 　前記低熱伝導部の熱伝導率は、０．０８Ｗ／ｍＫ以下である、請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
4. 　前記第１高熱伝導部及び前記第２高熱伝導部の熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
5. 　前記第１電極及び前記第２電極の熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
6. 　前記基板は、可撓性を示す、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
7. 　前記並び方向に沿った前記第１高熱伝導部から前記接触部までの間隔は、前記厚さ方向に沿った前記第１高熱伝導部の長さの５倍以上であり、
   　前記並び方向に沿った前記第２高熱伝導部から前記接触部までの間隔は、前記厚さ方向に沿った前記第２高熱伝導部の長さの５倍以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱電変換素子。

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