WO2022176832A1 - 熱電変換装置 - Google Patents

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WO2022176832A1
WO2022176832A1 PCT/JP2022/005838 JP2022005838W WO2022176832A1 WO 2022176832 A1 WO2022176832 A1 WO 2022176832A1 JP 2022005838 W JP2022005838 W JP 2022005838W WO 2022176832 A1 WO2022176832 A1 WO 2022176832A1
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thermoelectric
layers
insulating layer
insulating
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PCT/JP2022/005838
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English (en)
French (fr)
Inventor
菅原聡
熊谷颯人
Original Assignee
国立研究開発法人科学技術振興機構
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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
    • H10N10/17—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
    • 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
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/82—Connection of interconnections

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion device.
  • Thermoelectric layers composed of thermoelectric materials and connection layers connecting the thermoelectric layers are alternately arranged in the plane direction, and heat is extracted from the connection layers through the heat conduction layer in the direction orthogonal to the plane.
  • Thermoelectric Generator is known (for example, Patent Document 1).
  • the transverse ⁇ TEG can be applied to thermoelectric power generation using body temperature with a small temperature difference.
  • thermoelectric material 5a to 5h, 6a to 6h side of the base substrate (A1, B1).
  • Cross-sectional drawings in patents generally have different scales in the plane direction and in the height direction, and Patent Document 2 does not describe the thickness of the heat insulating substrates (A2, B2).
  • paragraph 0057 of Patent Document 2 between the heat dissipation side electrodes (3a to 3i) and the heat absorption side electrodes (2a to 2h, 8a to 8i) arranged in the plane direction, the thermoelectric materials (5a to 5h, 6a) ⁇ 6h) is a problem.
  • thermoelectric materials 5a to 5h, 6a to 6h
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion device with a large output power.
  • the present invention comprises the first thermoelectric layers and the second thermoelectric layers having opposite conductivity types alternately provided in a first direction parallel to the surfaces of the first thermoelectric layers and the second thermoelectric layers; Between the thermoelectric layers and the second thermoelectric layers, first connection layers and second thermoelectric layers are electrically and thermally connected to the first thermoelectric layers and the second thermoelectric layers, and are alternately provided in the first direction.
  • thermoelectric conversion device comprising: a second insulating layer having a thickness of 1/4 or more of the larger distance between the end on the thermoelectric layer side and the center of the second connection layer in the first direction.
  • the first thermal conductive layer is thermally connected to the second connection layer, is provided on the opposite side to the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer, and extends in the second direction.
  • it can be configured to include.
  • the thickness of the second insulating layer may be less than twice the larger distance.
  • the thickness of the first insulating layer may be 1/2 or more of the thickness of the second insulating layer.
  • the second insulating layer may be porous and the first insulating layer may be non-porous.
  • the second insulating layer may be in contact with the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer, and may be in contact with the first insulating layer.
  • the fourth insulating layer may be porous and the third insulating layer may be non-porous.
  • the fourth insulating layer may be in contact with the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer, and in contact with the third insulating layer.
  • the second insulating layer is in contact with the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer and is in contact with the first insulating layer, and the thickness of the second insulating layer is twice the larger distance. or less, and the thickness of the fourth insulating layer may be less than or equal to twice the larger distance.
  • the thermal conductivity of the second insulating layer and the fourth insulating layer is 1/5 times or less and 1/100 times or more the thermal conductivity of the first insulating layer and the second insulating layer. can be configured.
  • the thermal conductivity of the second insulating layer and the fourth insulating layer is the thermal conductivity of the first connection layer, the second connection layer, the first thermally conductive layer, and the second thermally conductive layer. 1/300 times or less and 1/30000 times or more.
  • the thermal conductivities of the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer are the thermal conductivities of the first connection layer, the second connection layer, the first thermal conductive layer, and the second thermal conductive layer. 1/50 times or less.
  • the thermal conductivity of the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer may be higher than the thermal conductivity of the second insulating layer and the fourth insulating layer.
  • the first insulating layer and the third insulating layer may be HSQ layers or silicon oxide layers, and the second insulating layer and the fourth insulating layer may be porous silica.
  • the distance between the end of the first thermally conductive layer on the first thermoelectric layer side and the center of the second connection layer in the first direction, and the second thermoelectric layer side of the first thermally conductive layer and the distance from the center of the second connection layer in the first direction are the same.
  • thermoelectric converter with high output power can be provided.
  • FIG. 1(a) is a plan view of the thermoelectric converter in Example 1
  • FIG. 1(b) is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1(a).
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the thermoelectric conversion device in Example 1.
  • FIG. 3(a) is a plan view of the thermoelectric conversion module in Example 1
  • FIG. 3(b) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3(a).
  • FIG. 4 is a diagram showing heat flow in Comparative Example 1.
  • FIG. 5(a) and 5(b) show the normalized heat flow for normalized X and normalized Z, respectively. 6 is a diagram showing heat flow in Comparative Example 1.
  • FIG. 5(a) and 5(b) show the normalized heat flow for normalized X and normal
  • FIGS. 7(a) and 7(b) show the normalized heat flow for normalized X and normalized Z, respectively.
  • FIGS. 8A to 8C are diagrams showing P out with respect to t ins1 in Example 1.
  • FIGS. 9(a) to 9(e) are diagrams showing current I and output power P out with respect to output voltage V out in each sample.
  • 10 is an enlarged cross-sectional view of a thermoelectric conversion device according to Modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. 8 of Patent Document 2 there is no description of the thickness of the heat insulating substrates (A2, B2) as described above. If the heat insulating substrates (A2, B2) with low mechanical strength are thick, the mechanical strength of the thermoelectric conversion device will be low. If the heat insulating substrates (A2, B2) are thin, the performance of the thermoelectric conversion device will deteriorate. Further, in FIG. 8 of Patent Document 2, a space 15 (that is, a gap) is provided between the thermoelectric materials (5a to 5h, 6a to 6h) and the heat insulating substrate (B2). If a gap is provided between the thermoelectric material and the heat insulating substrate, the strength of the thermoelectric conversion device will be weakened.
  • a space 15 that is, a gap
  • thermoelectric conversion device without air gaps was simulated using a highly accurate distributed constant circuit model developed by the inventors.
  • distributed parameter circuit model by considering the thermal conductivity of each material, highly accurate simulation is possible.
  • the structure can suppress the deterioration of the performance such as the output power while ensuring the mechanical strength. Examples and simulation results will be described below.
  • FIG. 1(a) is a plan view of the thermoelectric conversion device in Example 1
  • FIG. 1(b) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1(a).
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the thermoelectric conversion device in Example 1.
  • FIG. 1(a) the thermoelectric layers, connecting layers and electrodes are illustrated.
  • the surface of the thermoelectric layers 12a and 12b is the XY plane
  • the arrangement direction (width direction) and stretching direction (length direction) of the thermoelectric layers 12a and 12b are the X direction and the Y direction, respectively
  • the stacking method of each layer is the Z direction. .
  • thermoelectric layer 12a first thermoelectric layer
  • thermoelectric layer 12b second thermoelectric layer
  • the thermoelectric layers 12a and 12b are alternately provided in the X direction (first direction parallel to the surface).
  • Thermoelectric layers 12a and 12b are n-type and p-type, respectively, and have opposite conductivity types.
  • Adjacent thermoelectric layers 12a and 12b are electrically and thermally connected to connection layers 14a (first connection layer) and 14b (second connection layer) alternately in the X direction.
  • Connection layers 14a and 14b extend in the Y direction.
  • a pair of thermoelectric layers 12 a and 12 b form one Seebeck element 10 .
  • a plurality of Seebeck elements 10 are connected in series between electrodes 24a and 24b.
  • connection layers 14a and 14b are thermally connected to the thermally conductive layers 16a (first thermally conductive layer) and 16b (second thermally conductive layer) in the ⁇ Z direction and +Z direction (second direction crossing the surface), respectively.
  • Thermally conductive layers 16a and 16b are thermally connected to bases 22a and 22b, respectively, via electrical insulating films 20a and 20b, respectively.
  • Thermally conductive layers 16a and 16b penetrate insulating layers 18a and 18b, respectively.
  • the insulating layer 18a includes insulating layers 17a (first insulating layer) and 17b (second insulating layer). Insulating layer 17b is provided between insulating layer 17a, Seebeck element 10, and connection layers 14a and 14b.
  • the insulating layer 18b includes insulating layers 17c (third insulating layer) and 17d (fourth insulating layer). Insulating layer 17d is provided between insulating layer 17c, Seebeck element 10 and connection layers 14a and 14b. Insulating layers 17b and 17d contact thermoelectric layers 12a and 12b, respectively, and thermally conductive layers 16a and 16b, respectively. The insulating layers 17a and 17c are in contact with the insulating layers 17b and 17d, respectively, the insulating films 20a and 20b, respectively, and the heat conductive layers 16a and 16b.
  • the thermal conductivity of insulating layers 17a and 17c is lower than that of connecting layers 14a, 14b and thermally conductive layers 16a and 16b, and the thermal conductivity of insulating layers 17b and 17d is lower than that of insulating layers 17a and 17c.
  • FIG. 3(a) is a plan view of the thermoelectric conversion module in Example 1, and FIG. 3(b) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3(a).
  • the bases 22a and 22b face each other.
  • a heat sink 33 is thermally connected to the upper surface of the base portion 22b.
  • a surface of the base portion 22a facing the base portion 22b has a convex portion.
  • the base 22a has a region 35 that protrudes toward the base 22b and a region 36 that does not.
  • the distance H between bases 22a and 22b in region 36 is greater than the distance between bases 22a and 22b in region 35.
  • the base portion 22b has a flat plate shape
  • the base portion 22a has a shape in which a convex portion is provided on a flat plate.
  • a convex portion may be provided on the lower surface of the base portion 22b, or may be provided on both the upper surface of the base portion 22a and the lower surface of the base portion 22b.
  • a square is illustrated as an example of the planar shape of the bases 22a, 22b and the region 35, these planar shapes can be arbitrarily selected.
  • a support 34 is provided between the bases 22a and 22b at the periphery of the bases 22a and 22b.
  • a thermal insulator 32 is provided between the bases 22a and 22b surrounded by a support 34. As shown in FIG. Thermal insulator 32 is, for example, a gas or vacuum having a pressure below atmospheric pressure. Support 34 maintains the pressure or vacuum in thermal insulator 32 . Support 34 mechanically supports base 22a and base 22b. The thermal conductivity of the thermal insulator 32 is less than that of the thermoelectric converter 30, the bases 22a, 22b and the support .
  • the thermoelectric conversion device 30 has a plurality of blocks 31a-31c. In each block 31a-31c, a plurality of thermoelectric layers 12a and 12b are alternately arranged in the X direction. A plurality of blocks 31a to 31c are arranged in the Y direction. Electrode 24c connects blocks 31a and 31b, and electrode 24d connects blocks 31b and 31c. The Seebeck element 10 is thereby connected in series between the electrodes 24a and 24b. Other configurations of the thermoelectric conversion device 30 are the same as those in FIGS.
  • thermoelectric material used for the thermoelectric layers 12a and 12b can be a bismuth-tellurium alloy, a full-Heusler alloy, or a half-Heusler alloy.
  • Bismuth tellurium based alloys are for example Bi 2 Te 3-x Se x as n-type and for example Bi 2-x Sb x Te 3 as p-type.
  • Full Heusler alloys are n-type such as Fe 2 VAl 1-x Ge x , Fe 2 VAl 1-x Si x or Fe 2 VTax Al 1-x and p-type such as Fe 2 V 1-x W x Al, Fe 2 V 1-x Ti x Al or Fe 2 V 1-x Ti x Ga, and other materials based on, for example, Fe 2 NbGa, Fe 2 HfSi, Fe 2 TaIn, Fe 2 TiSn or Fe 2 ZrGe. .
  • Half-Heusler alloys include, for example, TiPtSn, (Hf 1-x Zr x )NiSn or NbCoSn as n-type, and TiCoSn x Sb 1-x , Zr(Ni 1-x Co x )Sn, Zr(Ni 1 ⁇ x In x )Sn, HfPtSn.
  • the thermoelectric layers 12a and 12b can be easily produced. If the temperature range used is sufficiently higher than room temperature, the thermoelectric material used for the thermoelectric layers 12a and 12b may be Si, SiGe alloy or GeSn alloy.
  • thermoelectric layers 12a and 12b use, for example, the above-exemplified materials having n-type and p-type, respectively.
  • the thermoelectric layers 12a and 12b may use different material systems among the materials exemplified above.
  • one of the thermoelectric layers 12a and 12b may be of the n-type or p-type material exemplified above, and the other of the thermoelectric layers 12a and 12b may be replaced by a suitable metal that is not a thermoelectric material.
  • connection layers 14a and 14b A material with high electrical conductivity and thermal conductivity is preferable for the connection layers 14a and 14b, and metal layers such as Cu, Al, Au or Ag can be used, for example.
  • the connection layers 14a and 14b may be of different materials.
  • the insulating layers 17a and 17c for example, inorganic insulators such as silicon oxide, alkyl group-containing silica or similar oxides and insulators (eg, hydrogen silsesquioxane), resins (eg, acrylic resins, epoxy resins, vinyl chloride resins, , silicone resin, fluorine resin, phenol resin, bakelite resin, polyethylene resin, polycarbonate resin, polystyrene resin, polypropylene resin) or rubber (natural rubber, ethylene propylene rubber, chloroprene rubber, silicone rubber, butyl rubber or polyurethane rubber), etc. be able to.
  • the insulating layers 17b and 17d can be made of porous insulators (for example, porous silicon or porous silica).
  • Porous silicon is, for example, porous silicon using high resistance silicon.
  • Porous silica is, for example, porous silicon made into an electrical and thermal insulator by oxidation or the like.
  • the insulating layers 18a and 18b can be formed using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a sputtering method, or a spin coating method.
  • the bases 22a and 22b Materials with high thermal conductivity are preferable for the bases 22a and 22b.
  • metals such as Cu, Al, Au or Ag, ceramics such as Si or alumina, or the like can be used.
  • the electrically insulating films 20a and 20b are preferably made of a material having high electrical insulation and high thermal conductivity, such as an aluminum oxide film.
  • the insulating films 20a and 20b may be formed on the bases 22a and 22b by sputtering or CVD. If bases 22a and 22b are electrical insulators, insulating films 20a and 20b may not be used. At least one of the bases 22a and 22b can be formed using a sputtering method or a CVD method.
  • the thickness of the base portions 22a and 22b can be reduced.
  • At least one of the bases 22a and 22b can be formed by plating.
  • the base portions 22a and 22b can be made thick to some extent.
  • a coating film by spin coating or the like can be used.
  • a structure for example, a fin structure or a heat sink structure
  • a material for example, a heat dissipation sheet, a heat dissipation material or a heat absorption material containing a volatile material, or Al whose surface is anodized
  • the support 34 preferably has low thermal conductivity, but is preferably harder than the thermal insulator 32 from the viewpoint of supporting the bases 22a and 22b and/or from the viewpoint of retaining the gas layer or vacuum.
  • a polymer organic material such as resin or rubber can be used.
  • the support 34 if the thermal insulator 32 is solid, the support 34 preferably has a higher yield strength than the thermal insulator 32 from the viewpoint of reinforcing the thermal insulator 32 .
  • Comparative Example 1 First, a simulation was performed for Comparative Example 1 in which the insulating layers 17b and 17d were not provided and the entire insulating layers 18a and 18b were used as the insulating layers 17a and 17c.
  • thermoelectric conversion module 100 When the thermoelectric conversion module 100 is used as a power source for a wearable device, the thermoelectric conversion module 100 generates power using the temperature difference between the body temperature of the human body and the temperature of the atmosphere. Therefore, a warm-blooded animal model was used for the body temperature of the human body. Details of the simulation are described in IEEE Transactions on Electron Devices, doi: 10.1109/TED.2020.3006168. In the simulation, ⁇ , ⁇ d, (1 ⁇ )d, m 0 , L and t C1 are optimized so that the output power P out is maximized. A highly accurate distributed constant circuit model is used as the model in the thermoelectric converter 30 .
  • Connection layers 14a, 14b, thermally conductive layers 16a and 16b Material: Cu Thermal conductivity ⁇ C : 386W/(m ⁇ K) Electric resistivity ⁇ C : 17n ⁇ m Insulating films 20a and 20b Material: AlOx Thermal conductivity ⁇ PI : 1.5 W/(m ⁇ K) support 34 Material: Organic material Thermal conductivity ⁇ WL : 0.15 W/(m ⁇ K) thermal insulator 32 Vacuum contact resistance BiTe and Cu Contact electrical resistance r PC : 1.0 ⁇ m 2 Contact thermal resistance k PC : 140 ⁇ m 2 ⁇ K/mW Cu and AlOx Contact thermal resistance k C-PI : 3.4 ⁇ m 2 ⁇ K/mW The temperature difference between the body temperature of the human body and the temperature of the atmosphere was assumed to be 10K.
  • the electrical contact resistance is the electrical resistance per unit area on the surfaces where the two materials are in contact
  • the contact thermal resistance is the thermal resistance per unit area on the surfaces where the two materials are in contact.
  • Sample PS Material Porous silica Thermal conductivity ⁇ PS : 35.7 mW/(m K) sample HSQ Material: Hydrogen silsesquioxane Thermal conductivity ⁇ HSQ : 0.3 W/(m K) Sample SiO2 Material: SiO2 Thermal conductivity ⁇ SiO2 : 0.9 W/(m K) PS has low thermal conductivity but is brittle. Therefore, it is difficult to form a thick film. SiO2 has high mechanical strength and is easy to form thickly, but has high thermal conductivity.
  • HSQ hydrogen silsesquioxane
  • HSQ hydrogen silsesquioxane
  • Table 1 shows the optimized output power P out and each It is a table showing parameters. As shown in Table 1, the output power P out of the sample PS is 16.15 ⁇ W, but the output power P out of the sample HSQ is less than half that of the sample PS, and the output power P out of the sample SiO2 is less than that of the sample PS. 1/5 or less. Since the thermal conductivity of the insulating layers 18a and 18b differs from sample to sample, each parameter when optimizing the output power P out differs from sample to sample.
  • Comparative Example 1 when PS is used as the insulating layers 18a and 18b, the output power Pout is large, but the mechanical strength is weak and the process is difficult. Using HSQ and SiO 2 for the insulating layers 18a and 18b has sufficient mechanical strength and is easy to process, but the output power Pout is greatly reduced.
  • thermoelectric layers 12a, 12b and the thermally conductive layers 16a and 16b to the insulating layers 18a and 18b in the samples PS and HSQ of Comparative Example 1 was simulated using a highly accurate distributed constant circuit model.
  • FIG. 4 is a diagram showing heat flow in Comparative Example 1.
  • the lower surface of the insulating film 20a is set to a high temperature
  • the upper surface of the insulating film 20b is set to a low temperature.
  • a heat flow 54 leaking from the heat conductive layer 16a to the insulating layer 18a and a heat flow 53 flowing from the insulating layer 18a to the thermoelectric layers 12a and 12b were simulated.
  • the positions X of the X coordinates of the thermoelectric layers 12a and 12b are normalized.
  • the position X where the thermoelectric layers 12a and 12b and the connection layer 14b are in contact is set to 0, and the position X where the thermoelectric layers 12a and 12b and the connection layer 14a are in contact is set to 1.
  • the position Z of the Z coordinate of the heat conductive layer 16a is normalized.
  • the position Z at which the heat conductive layer 16a and the insulating film 20a are in contact is set to 0, and the position Z at which the heat conductive layer 16a and the connection layer 14a are in contact is set to 1.
  • FIGS. 5(a) and 5(b) are diagrams showing the normalized heat flow for normalized X and normalized Z, respectively.
  • the 0-1 range of normalized X and the 0-1 range of normalized Z were divided into 10 and 15 ranges, respectively.
  • the dots in FIGS. 5(a) and 5(b) indicate the sum of the normalized heat flow within the divided range.
  • a straight line is a line that connects dots.
  • FIG. 5(a) shows normalized heat flow 53 flowing from insulating layer 18a into thermoelectric layers 12a and 12b.
  • the normalized heat flow is a heat flow obtained by standardizing each heat flow with the total heat flow that flows into the insulating film 20a from the outside. As shown in FIG.
  • the normalized heat flow 53 is large when the normalization x is near 0, and the normalized heat flow 53 decreases as the normalization X increases. This corresponds to a higher temperature of the thermoelectric layers 12a and 12b as the normalization X increases. The lower the temperature of thermoelectric layers 12a and 12b, the greater the heat flow from insulating layer 18a. In region 50, normalized heat flow 53 increases as normalized X increases.
  • FIG. 5(b) shows a normalized heat flow 54 leaking from the thermally conductive layer 16a to the insulating layer 18a.
  • the normalized heat flow 54 is almost zero in the region 52.
  • FIG. In region 50 normalized heat flow 54 increases as normalized Z increases.
  • the contact thermal resistance k PC is sufficiently small, the heat flow through the region 50 is attributed to the high thermal conductivity of the insulating layer 18a.
  • the normalized heat flows 53 and 54 in FIGS. 5(a) and 5(b) are smaller than for sample HSQ. This is probably because in the sample PS, the thermal conductivity of the insulating layer 18a is low, so that the amount of heat passing through the insulating layer 18a is small.
  • FIG. 6 is a diagram showing heat flow in Comparative Example 1.
  • the lower surface of the insulating film 20a is set to a high temperature
  • the upper surface of the insulating film 20b is set to a low temperature.
  • a heat flow 58 leaking from the thermoelectric layers 12a and 12b to the insulating layer 18b and a heat flow 59 flowing from the insulating layer 18b to the thermally conductive layer 16b were simulated.
  • Normalization X is the same as in FIG.
  • a position Z at which the heat conductive layer 16b and the connection layer 14b contact is set to 0, and a position Z at which the heat conductive layer 16b and the insulating film 20b are in contact is set to 1.
  • FIGS. 7(a) and 7(b) are diagrams showing the normalized heat flow for normalized X and normalized Z, respectively.
  • FIG. 7(a) shows normalized heat flow 58 from thermoelectric layers 12a and 12b into insulating layer 18b.
  • the normalized heat flow 58 is large when the normalization X is around 1 in the region 56, and the normalized heat flow 58 becomes small when the normalization X becomes small. This is due to the temperature distribution of thermoelectric layers 12a and 12b.
  • region 55 normalized heat flow 58 increases as normalized X decreases.
  • FIG. 7(b) shows a normalized heat flow 59 flowing from the insulating layer 18b to the heat conducting layer 16b.
  • the normalized heat flow 59 is almost zero in the region 57.
  • FIG. In region 55 normalized heat flow 59 increases as normalized Z decreases.
  • the normalized heat flows 58 and 59 of sample PS are also smaller than those of sample HSQ. This is probably because in the sample PS, the heat flow passing through the insulating layer 18b is small because the thermal conductivity of the insulating layer 18b is small.
  • the heat flow passing through the insulating layers 18a and 18b includes the heat flow dependent on the temperature distribution of the thermoelectric layers 12a and 12b and the thermal conductivity of the insulating layers 18a and 18b passing through the regions 50 and 55.
  • Patent Document 2 does not suggest the existence of two heat flows with different mechanisms. It is believed that the leakage of heat flow to the insulating layers 18a and 18b by these two mechanisms causes the output power P out to be lower for samples HSQ and SiO 2 than for sample PS. The output power of Example 1 in the presence of the above two mechanisms was simulated.
  • the sample HSQ/PS is a sample using HSQ as the insulating layers 17a and 17c and using PS as the insulating layers 17b and 17d.
  • the sample SiO 2 /PS is a sample using SiO 2 as the insulating layers 17a and 17c and using PS as the insulating layers 17b and 17d.
  • the optimized output power P out was simulated.
  • FIGS. 8A to 8C are diagrams showing P out with respect to t ins1 in Example 1.
  • FIG. Samples HSQ/PS and SiO 2 /PS as Example 1 and sample PS as Comparative Example 1 are shown.
  • FIGS. 8A to 8C when t ins1 is around 0, the output power P out of both samples HSQ/PS and SiO 2 /PS is less than half that of sample PS.
  • Table 2 is a table showing the ratio P out HSQ/P out PS indicating the output voltage P out HSQ of the sample HSQ/PS to the output voltage P out PS of the sample PS.
  • Table 3 is a table showing the ratio P out SiO 2 /P out PS indicating the output voltage P out SiO 2 of the sample SiO 2 /PS to the output voltage P out PS of the sample PS.
  • Tables 2 and 3 show P out HSQ/P out PS and P out SiO 2 /P out PS when t C2 is 1 ⁇ m, 10 ⁇ m and 30 ⁇ m, and t ins1 is t C1 and tC /2. .
  • Tables 2 and 3 show P out HSQ/P out PS and P out SiO 2 /P out PS when t C2 is 1 ⁇ m, 10 ⁇ m and 30 ⁇ m, and t ins1 is t C1 and tC /2.
  • Tables 2 and 3 show P out HSQ/P out PS and P out SiO 2 /P out PS when t C2 is 1 ⁇ m, 10 ⁇ m and 30 ⁇ m, and t ins1 is t C1 and tC /2.
  • P out HSQ and P out SiO 2 are approximately
  • the reason why the output power Pout cannot be increased unless the thickness t ins1 of the insulating layers 17b and 17d is increased is considered as follows.
  • the heat flow 53 flowing from the insulating layer 18a to the thermoelectric layers 12a and 12b when the normalization X is near 0 passes through the range from the thermoelectric layers 12a and 12b in the insulating layer 18a to about tC1 . it is conceivable that.
  • the region 50 where the heat flow 54 leaking from the heat conductive layer 16a to the insulating layer 18a exists extends from the thermoelectric layers 12a and 12b to about t C1 . Also in FIG.
  • thermoelectric layers 12a and 12b it is thought that the heat flow 58 leaking from the thermoelectric layers 12a and 12b to the insulating layer 18b when the normalization X is around 1 passes through the range from the thermoelectric layers 12a and 12b in the insulating layer 18b to about tC1 . be done. Furthermore, it is considered that the region 55 where the heat flow 59 flowing from the insulating layer 18b to the heat conductive layer 16b exists extends from the thermoelectric layers 12a and 12b to about t C1 .
  • the thickness t ins1 of the insulating layers 17b and 17d is set to t C1 /4 or more. This allows the output power P out to be 75% or more of the output power P out of the sample PS.
  • t C1 is the distance between the end of the heat conductive layer 16a on the thermoelectric layer 12a side and the center of the heat conductive layer 16b in the X direction, or the distance between the end of the heat conductive layer 16a on the thermoelectric layer 12b side and the heat conductive layer 16b and the center of the X direction, whichever is larger.
  • the thickness t ins1 is more preferably t C1 /3 or more, further preferably t C1 /2 or more.
  • the thickness t int1 of the insulating layers 17b and 17d By setting the thickness t int1 of the insulating layers 17b and 17d to 1/2 of t C1 , an output power of about 90% of the output power of the sample PS is obtained, and the thickness t int1 is set to 1/3 of t C1 . This is because it was obtained from a highly accurate distributed constant circuit model simulation that an output power of about 85% of the output power of the sample PS can be obtained.
  • the thickness t ins1 is preferably 2 ⁇ t C1 or less, more preferably 1.5 ⁇ t C1 or less, and even more preferably t C1 or less.
  • a preferable range of the thickness t ins1 is determined by changing the materials of the insulating layers 17b and 17d and T C2 as shown in FIGS. 8(a) to 8(c). does not change.
  • the thickness t ins1 of either one of the insulating layers 17b and 17d may be t C1 /4 or more and 2 ⁇ t C1 or less.
  • Thickness t ins2 of insulating layers 17a and 17b is preferably thick in order to increase the mechanical strength of insulating layers 18a and 18b. Therefore, t ins2 is preferably t ins1 /2 or more, more preferably t ins1 or more, and even more preferably 1.5 ⁇ t ins1 or more.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 18a and 18b should be lower than that of the thermal conductive layers 16a and 16b.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 17a and 17c is preferably 1/300 or less, more preferably 1/1000 or less, of the thermal conductivity of the thermal conductive layers 16a and 16b.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d should be lower than that of the insulating layers 17a and 17c, preferably 1/5 or less of the thermal conductivity of the insulating layers 17a and 17c, more preferably 1/10 or less. , is more preferably 1/50 or less.
  • insulating layers 17b and 17d may be porous and insulating layers 17a and 17c may be non-porous.
  • the porosity of the insulating layers 17b and 17d is preferably 10% or more, more preferably 50% or more. Thereby, the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d can be lowered.
  • the porosity of the insulating layers 17a and 17b is preferably 1% or less, more preferably 0.1% or more. Thereby, the mechanical strength of the insulating layers 17a and 17b can be increased.
  • Table 4 is a table showing the rate of increase in the output power P out of the sample HSQ/PS with respect to the sample HSQ and the rate of increase in the output power P out of the sample SiO 2 /PS with respect to the sample SiO 2 .
  • sample HSQ/PS increases P out by 125% compared to sample HSQ
  • sample SiO 2 /PS increases P out by 426% compared to sample SiO 2 .
  • FIGS. 9(a) to 9(e) are diagrams showing current I and output power P out with respect to output voltage V out in each sample.
  • 9(a) is sample PS
  • FIG. 9(b) is sample HSQ
  • FIG. 9(c) is sample SiO 2
  • FIG. 9(d) is sample HSQ/PS
  • FIG. 9(e) is sample SiO 2 /PS.
  • the output power Pout peaks when the output voltage Vout is approximately 1V.
  • the output power P out of about 2 mW can be achieved when the mounting area S A is 120 cm 2 .
  • the sample PS has low mechanical strength of the insulating layers 18a and 18b.
  • the output power P out is 1 mW or 0.5 mW or less. As shown in FIGS. 9A to 9E, the output power P out peaks when the output voltage Vout is approximately 1V.
  • the output power P out of about 2 mW can be achieved when the mounting area S A is 120 cm 2 .
  • the sample PS has low mechanical strength of the insulating layers 18a and 18b.
  • the output power P out is 1 mW or 0.5 mW or less.
  • [Modification 1 of Embodiment 1] 10 is an enlarged cross-sectional view of a thermoelectric conversion device according to Modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. 10 in Modification 1 of Example 1, the lengths in the X direction of thermoelectric layers 12a and 12b are different.
  • the distance between the end of the heat conductive layer 16b on the side of the thermoelectric layer 12b and the center of the heat conductive layer 16a in the X direction is d1
  • the end of the heat conductive layer 16b on the side of the thermoelectric layer 12a and the center of the heat conductive layer 16b in the X direction Let d2 be the distance from Let d be the pitch in the X direction.
  • the distance d2 which is the larger one of the distances d1 and d2 , is used as a reference. That is, t ins1 is preferably d 2 /4 or more, more preferably d 2 /3 or more, and even more preferably d 2 /2 or more. t ins1 is preferably 2 ⁇ d 2 or less, more preferably 1.5 ⁇ d 2 or less, and even more preferably d 2 or less.
  • the distances d1 and d2 may be the same as the manufacturing error, or as in Modification 1 of Embodiment 1 , the distances d1 and d2 may differ by the manufacturing error or more . good too.
  • the insulating layers 18a and 18b whose cross section is shown in FIG. 10 are repeatedly arranged at a pitch d in the X direction. Since the pitch d is a constant value, there are two distances, distances d1 and d2. Note that the pitch d may not be constant. In this case, the largest distance among the plurality of distances d1 and the plurality of distances d2 may be used as a reference.
  • the first thermally conductive layer penetrates, has a lower thermal conductivity than the first insulating layer, and is provided between the first insulating layer and the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer, a distance between an end of the first thermally conductive layer on the first thermoelectric layer side and a center of the second connection layer in the first direction, and an end of the first thermally conductive layer on the second thermoelectric layer side and the
  • the insulating layers 17b and 17d are used.
  • thermoelectric layers 12a and 12b and the insulating layer 17a when the insulating layer 17b is in contact with the thermoelectric layers 12a and 12b and the insulating layer 17a, and the insulating layer 17d is in contact with the thermoelectric layers 12a and 12b and the insulating layer 17a, the base 22a and Between the thermoelectric layers 12a and 12b and between the base portion 22b and the thermoelectric layers 12a and 12b, no space 15 (that is, a void) as shown in FIG. 8 of Patent Document 2 is formed. This is because the base portion 22a, the thermoelectric layers 12a and 12b, and the base portion 22b are produced by a fine lamination process such as a semiconductor formation process. As a result, it is possible to provide a very high-density, small-sized thermoelectric conversion device at a low manufacturing cost, and to increase the strength of the thermoelectric conversion device.
  • thermoelectric conversion device in which voids are not formed, by making the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d smaller than the thermal conductivity of the insulating layers 17a and 17c, the simulations of FIGS. You can apply the results. That is, by setting the thickness of each of the insulating layers 17b and 17d with low thermal conductivity to 1/4 times or more of tC1 , the output power is reduced compared to the case where all of the insulating layers 18a and 18b are made of a material with low thermal conductivity. Power P out can be increased.
  • the output power can be increased, for example, by 75% or more compared to the case of using SiO 2 .
  • the insulating layers 17a and 17c having high thermal conductivity and high mechanical strength are provided, and the thickness of each of the insulating layers 17b and 17d having low mechanical strength is set to be twice or less than tC1 .
  • the mechanical strength of the thermoelectric conversion device can be increased compared to the case where all of 18b are made of a material with low mechanical strength such as porous silica. In this way, it is possible to suppress the decrease in the output power Pou while ensuring the mechanical strength of the thermoelectric conversion device.
  • the thermal conductivity of insulating layers 17b and 17d ( porous silica) is ) are 1/8.4 and 1/25.2 times the thermal conductivity of ), respectively.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d (porous silica) is 1/10800 times the thermal conductivity of the connection layers 14a and 14b and the thermal conductive layers 16a and 16b (Cu).
  • the thermal conductivity range of the insulating layers 17b and 17d should be 1/5 of the thermal conductivity of the insulating layers 17a and 17c. It is preferably not more than two times and not less than 1/100 times.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d is suppressed to the same range as the simulation result. can. Thereby, a decrease in output power can be suppressed.
  • thermoelectric conversion device can be ensured while suppressing the heat flow through the insulating layers 17b and 17d to the same range as the simulation result.
  • the range of thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d is preferably 1/300 times or less and 1/30000 times or more that of the connection layers 14a and 14b and the thermal conductive layers 16a and 16b.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d can be at least 1/30000 times the thermal conductivity of the connection layers 14a and 14b and the thermally conductive layers 16a and 16b.
  • the insulating layers 17b and 17d can be used for microstructures such as semiconductor formation processes. Practical materials such as porous silica applicable to the lamination process can be used. Therefore, costs can be reduced.
  • the thickness of the insulating layers 17b and 17d is preferably 1/4 or more and 2 or less times t C1 .
  • the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d should be 1/10 of the thermal conductivity of the insulating layers 17a and 17c. It is more preferably twice or less, and further preferably 1/20 or less.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d is more preferably 1/1000 times or less, more preferably 1/5000 times or less, that of the connection layers 14a and 14b and the thermal conductive layers 16a and 16b. preferable.
  • thermoelectric layers 12a and 12b When the thermal conductivity of the thermoelectric layers 12a and 12b is small, a temperature distribution occurs in the thermoelectric layers 12a and 12b in Comparative Example 1. Therefore, the heat flow from the insulating layer 18a to the thermoelectric layers 12a and 12b like the heat flow 53 in FIG. 4 and the heat flow from the thermoelectric layers 12a and 12b to the insulating layer 18b like the heat flow 58 in FIG. 6 increase. .
  • the thermal conductivity of thermoelectric layers 12a and 12b (BiTe) is 1/1 that of connecting layers 14a and 14b and thermally conductive layers 16a and 16b (Cu). 270 times. Therefore, in order to apply the simulation results of FIGS. 8(a) to 8(c), the thermal conductivity of the thermoelectric layers 12a and 12b should It is preferably 1/50 times or less of the ratio.
  • the thermal conductivity of the thermoelectric layers 12a and 12b should be It is more preferably 1/100 times or less of the thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of the thermoelectric layers 12a and 12b is, for example, 1/1000 times or more the thermal conductivity of the connection layers 14a and 14b and the thermal conductive layers 16a and 16b.
  • thermoelectric layers 12a and 12b are too small, the heat flow through the thermoelectric layers 12a and 12b is reduced.
  • the thermal conductivity of thermoelectric layers 12a and 12b (BiTe) is 40 times that of insulating layers 17b and 17d (porous silica). Therefore, in order to obtain effects similar to those of the simulations of FIGS. preferable.
  • the thermal conductivity of the thermoelectric layers 12a and 12b is more preferably 10 times or more the thermal conductivity of the insulating layers 17b and 17d. .
  • the thermal conductivity of the thermoelectric layers 12a and 12b is, for example, 100 times or less that of the insulating layers 17b and 17d.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

熱電変換装置は、第１熱電層１２ａおよび第２熱電層１２ｂ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第１熱電層および第２熱電層と、第１熱電層と第２熱電層との間において第１熱電層および第２熱電層と電気的および熱的に接続され、第１方向に交互に設けられた第１接続層１４ａおよび第２接続層１４ｂと、第１接続層に熱的に接続し表面に交差する第２方向に延伸する第１熱伝導層１６ａと、第１熱伝導層が貫通し、第１熱伝導層より熱伝導率が小さい第１絶縁層１７ａと、第１熱伝導層が貫通し、第１絶縁層より熱伝導率が小さく、第１絶縁層と第１熱電層および第２熱電層との間に設けられ、第１熱伝導層の第１熱電層側の端と第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、第１熱伝導層の第２熱電層側の端と第２接続層の第１方向における中心との距離と、のうち大きい方の距離の１／４以上の厚さを有する第２絶縁層１７ｂと、を備える。　

Description

熱電変換装置
　本発明は、熱電変換装置に関する。
　熱電材料から構成される熱電層と熱電層を接続する接続層とを平面方向に交互配置し、接続層から平面に直交する方向に熱伝導層を介し熱を引き出すトランスバース型μＴＥＧ（μＴＥＧ：Micro Thermoelectric Generator）が知られている（例えば特許文献１）。トランスバース型μＴＥＧは、温度差の小さい体温を用いた熱電発電に応用することができる。熱伝導率が異なる積層された絶縁層（ベース基板および断熱基板）に引き出し電極を埋め込むことが知られている（例えば特許文献２）。
国際公開第２０１８／０４２７０８号 特開２００９－１５８７６０号公報
　特許文献２の図８では、ベース基板（Ａ１、Ｂ１）の熱電材料(５ａ～５ｈ、６ａ～６ｈ)側に断熱性の高い断熱基板（Ａ２、Ｂ２）を設けている。特許の断面図面では平面方向と高さ方向の縮尺は異なることが一般的であり、特許文献２には、断熱基板（Ａ２、Ｂ２）の厚さについての記載はない。特許文献２の００５７段落では、平面方向に配置された放熱側電極（３ａ～３ｉ）と吸熱側電極（２ａ～２ｈ、８ａ～８ｉ）との間において、熱流が熱電材料(５ａ～５ｈ、６ａ～６ｈ)を迂回することを問題としている。平面方向の熱流が問題の場合、断熱基板（Ａ２、Ｂ２）が薄くても平面方向の熱流の迂回を抑制することができると考えられる。しかしながら、平面方向の熱流を考慮するだけでは、熱電材料(５ａ～５ｈ、６ａ～６ｈ)を迂回する熱流を抑制できず、熱電変換装置の出力電力が小さくなる。
　本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、出力電力の大きな熱電変換装置を提供することを目的とする。
　本発明は、第１熱電層および第２熱電層の表面に平行な第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熱電層および前記第２熱電層と、前記第１熱電層と前記第２熱電層との間において前記第１熱電層および前記第２熱電層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接続層に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熱伝導層と、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が小さい第１絶縁層と、前記第１熱伝導層が貫通し、前記第１絶縁層より熱伝導率が小さく、前記第１絶縁層と前記第１熱電層および前記第２熱電層との間に設けられ、前記第１熱伝導層の前記第１熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、前記第１熱伝導層の前記第２熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、のうち大きい方の距離の１／４以上の厚さを有する第２絶縁層と、を備える熱電変換装置である。
　上記構成において、前記第２接続層に熱的に接続し、前記第１熱伝導層とは前記第１熱電層および前記第２熱電層に対し反対側に設けられ、前記第２方向に延伸する第２熱伝導層と、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が小さい第３絶縁層と、前記第２熱伝導層が貫通し、前記第３絶縁層より熱伝導率が小さく、前記第３絶縁層と前記第１熱電層および前記第２熱電層との間に設けられ、前記大きい方の距離の１／４以上の厚さを有する第４絶縁層と、を備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記第２絶縁層の厚さは前記大きい方の距離の２倍以下である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１絶縁層の厚さは、前記第２絶縁層の厚さの１／２以上である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第２絶縁層は多孔質であり、前記第１絶縁層は非多孔質である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第２絶縁層は、前記第１熱電層および前記第２熱電層と接し、前記第１絶縁層と接する構成とすることができる。
　上記構成において、前記第４絶縁層は多孔質であり、前記第３絶縁層は非多孔質である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第４絶縁層は、前記第１熱電層および前記第２熱電層と接し、前記第３絶縁層と接する構成とすることができる。
　上記構成において、前記第２絶縁層は、前記第１熱電層および前記第２熱電層と接し、前記第１絶縁層と接し、前記第２絶縁層の厚さは前記大きい方の距離の２倍以下であり、　前記第４絶縁層の厚さは前記大きい方の距離の２倍以下である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第２絶縁層および前記第４絶縁層の熱伝導率は、前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の熱伝導率の１／５倍以下かつ１／１００倍以上である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第２絶縁層および前記第４絶縁層の熱伝導率は、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熱伝導層の熱伝導率の１／３００倍以下かつ１／３００００倍以上である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１熱電層および前記第２熱電層の熱伝導率は、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熱伝導層の熱伝導率の１／５０倍以下である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１熱電層および前記第２熱電層の熱伝導率は、前記第２絶縁層および前記第４絶縁層の熱伝導率より大きい構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１絶縁層および前記第３絶縁層は、ＨＳＱ層または酸化シリコン層であり、前記第２絶縁層および前記第４絶縁層はポーラスシリカである構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１熱伝導層の前記第１熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、前記第１熱伝導層の前記第２熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、は同じである構成とすることができる。
　本発明によれば、出力電力の大きな熱電変換装置を提供することができる。
図１（ａ）は、実施例１における熱電変換装置の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図２は、実施例１における熱電変換装置の拡大断面図である。 図３（ａ）は、実施例１における熱電変換モジュールの平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図４は、比較例１における熱流を示す図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ規格化Ｘおよび規格化Ｚに対する規格化熱流を示す図である。 図６は、比較例１における熱流を示す図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ規格化Ｘおよび規格化Ｚに対する規格化熱流を示す図である。 図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１におけるtｉｎｓ１に対するＰｏｕｔを示す図である。 図９（ａ）から図９（ｅ）は、各サンプルにおける出力電圧Ｖｏｕｔに対する電流Ｉおよび出力電力Ｐｏｕｔを示す図である。 図１０は、実施例１の変形例１における熱電変換装置の拡大断面図である。
　特許文献２の図８では、上述のように断熱基板（Ａ２、Ｂ２）の厚さについての記載はない。機械的強度が低い断熱基板（Ａ２、Ｂ２）が厚いと熱電変換装置の機械的強度が低くなる。断熱基板（Ａ２、Ｂ２）が薄いと熱電変換装置の性能が低下する。また、特許文献２の図８では熱電材料(５ａ～５ｈ、６ａ～６ｈ)と断熱基板（Ｂ２）との間に空間１５（すなわち空隙）が設けられている。熱電材料と断熱基板との間に空隙が設けられると、熱電変換装置の強度が弱くなってしまう。
　そこで、空隙を有さない熱電変換装置について、発明者らが開発した高精度な分布定数回路モデルを用いシミュレーションした。分布定数回路モデルでは、各材料の熱伝導率を考慮することで、精度の高いシミュレーションが可能となった。シミュレーションの結果、機械的強度を確保しつつ、出力電力等の性能の低下を抑制できる構造が初めて明らかになった。以下に、その実施例とシミュレーション結果について説明する。
　図１（ａ）は、実施例１における熱電変換装置の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図２は、実施例１における熱電変換装置の拡大断面図である。図１（ａ）では、熱電層、接続層および電極を図示している。熱電層１２ａおよび１２ｂの表面をＸＹ平面とし、熱電層１２ａおよび１２ｂの配列方向（幅方向）および延伸方向（長さ方向）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。
　図１（ａ）、図１（ｂ）および図２に示すように、熱電変換装置３０では、熱電層１２ａ（第１熱電層）および熱電層１２ｂ（第２熱電層）はＹ方向に延伸する短冊状である。熱電層１２ａおよび１２ｂは、Ｘ方向（表面に平行な第１方向）に交互に設けられている。熱電層１２ａおよび１２ｂは、それぞれｎ型およびｐ型であり、互に反対の導電型を有する。隣接する熱電層１２ａと１２ｂとは、Ｘ方向において交互に接続層１４ａ（第１接続層）および１４ｂ（第２接続層）に電気的および熱的に接続されている。接続層１４ａおよび１４ｂはＹ方向に延伸している。一対の熱電層１２ａと１２ｂとは１つのゼーベック素子１０を形成する。複数のゼーベック素子１０は、電極２４ａと２４ｂとの間に直列に接続されている。
　接続層１４ａおよび１４ｂはそれぞれ－Ｚ方向よび＋Ｚ方向（表面に交差する第２方向）において熱伝導層１６ａ（第１熱伝導層）および１６ｂ（第２熱伝導層）と熱的に接続されている。熱伝導層１６ａおよび１６ｂは電気的な絶縁膜２０ａおよび２０ｂをそれぞれ介し基部２２ａおよび２２ｂに熱的にそれぞれ接続されている。熱伝導層１６ａおよび１６ｂはそれぞれ絶縁層１８ａおよび１８ｂを貫通する。絶縁層１８ａは、絶縁層１７ａ（第１絶縁層）と１７ｂ（第２絶縁層）とを備えている。絶縁層１７ｂは絶縁層１７ａとゼーベック素子１０および接続層１４ａおよび１４ｂとの間に設けられている。絶縁層１８ｂは、絶縁層１７ｃ（第３絶縁層）と１７ｄ（第４絶縁層）とを備えている。絶縁層１７ｄは絶縁層１７ｃとゼーベック素子１０および接続層１４ａおよび１４ｂとの間に設けられている。絶縁層１７ｂおよび１７ｄは、熱電層１２ａおよび１２ｂにそれぞれ接し、熱伝導層１６ａおよび１６ｂにそれぞれ接する。絶縁層１７ａおよび１７ｃは、絶縁層１７ｂおよび１７ｄにそれぞれ接し、絶縁膜２０ａおよび２０ｂにそれぞれ接し、熱伝導層１６ａおよび１６ｂに接する。絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率は接続層１４ａ、１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂより小さく、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率は絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率より小さい。
　図３（ａ）は、実施例１における熱電変換モジュールの平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、熱電変換モジュール１００では、基部２２ａと２２ｂとは対向している。基部２２ｂの上面にはヒートシンク３３が熱的に接続されている。基部２２ａの基部２２ｂに対向する面は凸部を有する。基部２２ａは、基部２２ｂの方に突出した領域３５と突出していない領域３６とを有する。領域３６における基部２２ａと２２ｂとの間隔Ｈは、領域３５における基部２２ａと２２ｂとの間隔より大きい。例えば基部２２ｂは平板状であり、基部２２ａは平板に凸部が設けられた形状である。基部２２ｂの下面に凸部が設けられていてもよく、基部２２ａの上面および２２ｂの下面の両方に凸部が設けられていてもよい。基部２２ａ、２２ｂおよび領域３５の平面形状として正方形を例に図示したが、これらの平面形状は任意に選択できる。
　基部２２ａおよび２２ｂの周縁における基部２２ａと２２ｂとの間に支持体３４が設けられている。支持体３４に囲まれた基部２２ａと２２ｂとの間に熱絶縁体３２が設けられている。熱絶縁体３２は例えば大気圧より低い圧力を有する気体または真空である。支持体３４は、熱絶縁体３２の圧力または真空を維持する。支持体３４は基部２２ａと基部２２ｂとを機械的に支持する。熱絶縁体３２の熱伝導率は熱電変換装置３０、基部２２ａ、２２ｂおよび支持体３４の熱伝導率より小さい。
　熱電変換装置３０は複数のブロック３１ａ～３１ｃを有している。各ブロック３１ａ～３１ｃでは、複数の熱電層１２ａおよび１２ｂが交互にＸ方向に配列されている。複数のブロック３１ａから３１ｃはＹ方向に配列されている。電極２４ｃはブロック３１ａと３１ｂとを接続し、電極２４ｄはブロック３１ｂと３１ｃとを接続する。これにより、ゼーベック素子１０は電極２４ａと２４ｂとの間に直列に接続される。その他の熱電変換装置３０の構成は図１（ａ）から図２と同じであり、説明を省略する。
　使用温度が室温近傍または数１００℃程度までの応用では、熱電層１２ａおよび１２ｂに用いる熱電材料として、ビスマステルル系合金、フルホイスラー系合金またはハーフホイスラー系合金とすることができる。ビスマステルル系合金は、ｎ型として例えばＢｉ２Ｔｅ３－ｘＳｅｘ、およびｐ型として例えばＢｉ２－ｘＳｂｘＴｅ３である。フルホイスラー系合金は、ｎ型として例えばＦｅ２ＶＡｌ１－ｘＧｅｘ、Ｆｅ２ＶＡｌ１－ｘＳｉｘまたはＦｅ２ＶＴａｘＡｌ１－ｘ、およびｐ型として例えばＦｅ２Ｖ１－ｘＷｘＡｌ、Ｆｅ２Ｖ１－ｘＴｉｘＡｌまたはＦｅ２Ｖ１－ｘＴｉｘＧａ、その他例えばＦｅ２ＮｂＧａ、Ｆｅ２ＨｆＳｉ、Ｆｅ２ＴａＩｎ、Ｆｅ２ＴｉＳｎまたはＦｅ２ＺｒＧｅを母体とした材料である。ハーフホイスラー系合金は、ｎ型として例えばＴｉＰｔＳｎ、（Ｈｆ１－ｘＺｒｘ）ＮｉＳｎまたはＮｂＣｏＳｎ、およびｐ型として例えばＴｉＣｏＳｎｘＳｂ１－ｘ、Ｚｒ（Ｎｉ１－ｘＣｏｘ）Ｓｎ、Ｚｒ（Ｎｉ１－ｘＩｎｘ）Ｓｎ、ＨｆＰｔＳｎである。ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料とを同系の材料とすることで、熱電層１２ａおよび１２ｂの作製が容易となる。また、使用する温度領域が室温より十分に高い場合には、熱電層１２ａおよび１２ｂに用いる熱電材料として、Ｓｉ、ＳｉＧｅ合金またはＧｅＳｎ合金を用いることもできる。
　熱電層１２ａおよび１２ｂは、例えばそれぞれｎ型およびｐ型を有する上記例示した材料を用いる。熱電層１２ａと１２ｂとは、上記例示した材料のうち異なる材料系を用いてもよい。また、熱電層１２ａおよび１２ｂの一方をｎ型またはｐ型の上記例示した材料を用い、熱電層１２ａおよび１２ｂの他方を熱電材料ではない適切な金属で置き換えてもよい。
　接続層１４ａおよび１４ｂとしては電気伝導率および熱伝導率が大きな材料が好ましく、例えばＣｕ、Ａｌ、ＡｕまたはＡｇ等の金属層を用いることができる。接続層１４ａと１４ｂとは異なる材料でもよい。
　絶縁層１７ａおよび１７ｃとして、例えば酸化シリコン等の無機絶縁体、アルキル基含有シリカもしくは同様の酸化物および絶縁体（例えば、水素シルセスキオキサン）、樹脂（例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ベークライト樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロプレン樹脂）もしくはゴム（天然ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、シリコーンゴム、ブチルゴムもしくはポリウレタンゴム）等を用いることができる。絶縁層１７ｂおよび１７ｄとして、上記絶縁体の多孔質（例えばポーラスシリコンまたはポーラスシリカ）を用いることができる。ポーラスシリコンは、例えば高抵抗シリコンを用いたポーラスシリコンである。ポーラスシリカは、例えばポーラスシリコンを酸化等により電気的および熱的に絶縁体としたポーラスシリカである。絶縁層１８ａおよび１８ｂは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法またはスピンコート法を用い形成できる。
　基部２２ａおよび２２ｂとしては、熱伝導率が大きい材料が好ましく、例えばＣｕ、Ａｌ、ＡｕもしくはＡｇ等の金属、Ｓｉもしくはアルミナなどのセラミックス等を用いることができる。電気的絶縁膜２０ａおよび２０ｂは電気的な絶縁性が高く熱伝導性が高い材料が好ましく、例えば酸化アルミニウム膜等である。絶縁膜２０ａおよび２０ｂは基部２２ａおよび２２ｂにスパッタ法またはＣＶＤ法を用い形成してもよい。基部２２ａおよび２２ｂが電気的な絶縁体の場合、絶縁膜２０ａおよび２０ｂは用いなくてもよい。基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方は、スパッタ法またはＣＶＤ法を用い形成できる。これにより、基部２２ａおよび２２ｂを薄膜化できる。基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方は、メッキ法で形成できる。これにより、基部２２ａおよび２２ｂをある程度厚い膜にすることができる。基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方を酸化膜またはセラミックスとする場合、スピンコート等による塗布膜を用いることができる。基部２２ａおよび２２ｂとして、熱交換特性および放熱特性の高い構造（例えばフィン構造またはヒートシンク構造）および材料（例えば放熱シート、揮発性材料を含んだ放熱材料または吸熱材料、または表面をアルマイト加工したＡｌなど）を用いることができる。
　支持体３４は、熱伝導率が低いことが好ましいが、基部２２ａと２２ｂとを支持する観点、および／または気体層または真空を保持する観点から、熱絶縁体３２より硬い材料が好ましい。支持体３４として、例えば、樹脂またはゴム等の高分子有機材料を用いることができる。例えば熱絶縁体３２が固体の場合、支持体３４は熱絶縁体３２を補強する観点から支持体３４の降伏強度は熱絶縁体３２より大きいことが好ましい。
［比較例１］
　まず、絶縁層１７ｂおよび１７ｄを設けず、絶縁層１８ａおよび１８ｂの全体を絶縁層１７ａおよび１７ｃとした比較例１について、シミュレーションを行った。
［比較例１のシミュレーション］
　以下のように、図１～図３に記載の構造パラメータを定義した。
Ｄ：基部２２ａおよび２２ｂのＸ方向およびＹ方向の幅
Ｄ´：領域３５のＸ方向およびＹ方向の幅
Ｄ０：熱電変換装置３０のＸ方向の長さ（ブロック３１ａ～３１ｃの合計の長さ）
Ｈ：領域３６における基部２２ａと２２ｂとの間隔
ｘ：支持体３４のＸ方向およびＹ方向の幅
ｄ：熱電層１２ａおよび１２ｂのＸ方向のピッチ
γ：トレードオフパラメータ、熱電層１２ａおよび１２ｂの占める幅がγｄとなるパラメータ
γｄ：熱電層１２ａおよび１２ｂのＸ方向の幅
（１－γ）ｄ：熱電層１２ａと１２ｂとのＸ方向の間隔
Ｌ：熱電層１２ａおよび１２ｂのＹ方向の長さ
ｔｓ：熱電層１２ａおよび１２ｂのＺ方向の厚さ
ｔｉnｓ１：絶縁層１７ｂおよび１７ｄのＺ方向の厚さ、比較例１ではｔｉnｓ１は０である。
ｔｉnｓ２：絶縁層１７ａおよび１７ｃのＺ方向の厚さ
ｔＣ＝ｔＣ１＋ｔＣ２：絶縁層１８ａおよび１８ｂのＺ方向の厚さ
ｔＣ１：熱伝導層１６ａの端と熱伝導層１６ｂの中心とのＸ方向の距離、熱伝導層１６ｂの端と熱伝導層１６ａの中心とのＸ方向の距離のうち大きい方
ｔＰＩ：絶縁膜２０ａおよび２０ｂのＺ方向の厚さ
ｍ０：熱電層１２ａおよび１２ｂの対数（すなわちゼーベック素子１０の個数）
ΔＴＳ：基部２２ａの下面と基部２２ｂの上面の温度差
Ｐｏｕｔ：熱電変換装置の出力電力
　熱電変換モジュール１００をウエアラブルデバイスの電源として用いる場合、熱電変換モジュール１００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。そこで、人体の体温に恒温動物モデルを用いた。シミュレーションの詳細はIEEE Transactions on Electron Devices , doi: 10.1109/TED.2020.3006168に記載されている。シミュレーションでは、出力電力Ｐｏｕｔが最大となるように、γ、γｄ、（１－γ）ｄ、ｍ０、ＬおよびｔＣ１を最適化している。熱電変換装置３０内のモデルは、高精度な分布定数回路モデルを用いた。
　各寸法および材料のシミュレーション条件は以下とした。
　Ｄ×Ｄ＝１０ｍｍ×１０ｍｍ
　Ｄ´×Ｄ´＝３ｍｍ×３ｍｍ
　Ｄ０＝９ｍｍ
　Ｈ＝５ｍｍ
　ｘ＝０．５ｍｍ
　ｔＳ＝１０００ｎｍ
　ｔＰＩ＝１００ｎｍ
　熱電層１２ａおよび１２ｂ
　　材料：ＢｉＴｅ
　　ゼーベック係数＝Ｓｐ－Ｓｎ：４３４μＶ／Ｋ
　　熱伝導率λ＝（λｐ＋λｎ）／２：１．４３Ｗ／（ｍ・Ｋ）
　　電気抵抗率ρ＝（ρｐ＋ρｎ）／２：８．１１μΩ・ｍ
　λｎおよびρｎはそれぞれ熱電層１２ａの熱伝導率および電気抵抗率であり、λｐおよびρｐはそれぞれ熱電層１２ｂの熱伝導率および電気抵抗率である。
　接続層１４ａ、１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂ
　　材料：Ｃｕ
　　熱伝導率λＣ：３８６Ｗ／（ｍ・Ｋ）
　　電気抵抗率ρＣ：１７ｎΩ・ｍ
　絶縁膜２０ａおよび２０ｂ
　　材料：ＡｌＯｘ
　　熱伝導率λＰＩ：１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）
　支持体３４
　　材料：有機材料
　　熱伝導率λＷＬ：０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）
　熱絶縁体３２
　　真空
接触抵抗
　ＢｉＴｅとＣｕ
　　接触電気抵抗ｒＰＣ：１．０Ω・μｍ２
　　接触熱抵抗ｋＰＣ：１４０μｍ２・Ｋ／ｍＷ
　ＣｕとＡｌＯｘ
　　接触熱抵抗ｋＣ－ＰＩ：３．４μｍ２・Ｋ／ｍＷ
人体の体温と大気の温度との温度差を１０Ｋとした。なお、接触電気抵抗は２つの材料が接触する面における単位面積当たりの電気抵抗であり、接触熱抵抗は２つの材料が接触する面における単位面積当たりの熱抵抗である。
絶縁層１８ａおよび１８ｂの材料として、以下の３つの材料についてシミュレーションした。
　サンプルＰＳ
　　材料：ポーラスシリカ
　　熱伝導率λＰＳ：３５．７ｍＷ／（ｍ・Ｋ）
　サンプルＨＳＱ
　　材料：水素シルセスキオキサン
　　熱伝導率λＨＳＱ：０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）
　サンプルＳｉＯ２
　　材料：ＳｉＯ２
　　熱伝導率λＳｉＯ２：０．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）
　ＰＳは、熱伝導率が低いが脆い。このため、厚く形成することが難しい。ＳｉＯ２は、機械的強度が高く、厚く形成することが容易であるが熱伝導率が高い。ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン：hydrogen silsesquioxane）は、シリカとシリコンの中間材料であるシルセスキオキサンに水素をドープした分子であり、機械的強度はＳｉＯ２より弱いが熱伝導率はＳｉＯ２より低い。
　表１は、図２に示されているｔＣ２＋ｔＣ１との関係はなく、絶縁層１８ａおよび１８ｂが各々１層構造において、ｔＣ２＝３０μｍのとき、最適化された出力電力Ｐｏｕｔおよび各パラメータを示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１に示すように、サンプルＰＳでは、出力電力Ｐｏｕｔが１６．１５μＷであるが、サンプルＨＳＱの出力電力ＰｏｕｔはサンプルＰＳの１／２以下、サンプルＳｉＯ２の出力電力ＰｏｕｔはサンプルＰＳの１／５以下である。絶縁層１８ａおよび１８ｂの熱伝導率がサンプルごとに異なるため、出力電力Ｐｏｕｔを最適化したときの各パラメータはサンプルごとに異なる。
　比較例１では、絶縁層１８ａおよび１８ｂとしてＰＳを用いると、出力電力Ｐｏｕｔが大きいが機械的強度が弱く、プロセスが難しい。絶縁層１８ａおよび１８ｂとしてＨＳＱおよびＳｉＯ２を用いると、機械的強度が十分であり、プロセスが容易であるが、出力電力Ｐｏｕｔが大幅に低下してしまう。
　比較例１のサンプルＰＳおよびＨＳＱにおける熱電層１２ａ、１２ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂから絶縁層１８ａおよび１８ｂへの熱流の漏れを高精度な分布定数回路モデルを用いシミュレーションした。
　図４は、比較例１における熱流を示す図である。絶縁膜２０ａの下面を高温とし、絶縁膜２０ｂの上面を低温とした。熱伝導層１６ａから絶縁層１８ａに漏れる熱流５４、絶縁層１８ａから熱電層１２ａおよび１２ｂにそれぞれ流入する熱流５３をシミュレーションした。熱電層１２ａおよび１２ｂのＸ座標の位置Ｘを規格化した。熱電層１２ａおよび１２ｂと接続層１４ｂとが接する位置Ｘを０とし、熱電層１２ａおよび１２ｂと接続層１４ａとが接する位置Ｘを１とした。熱伝導層１６ａのＺ座標の位置Ｚを規格化した。熱伝導層１６ａと絶縁膜２０ａとが接する位置Ｚを０とし、熱伝導層１６ａと接続層１４ａとが接する位置Ｚを１とした。
　図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ規格化Ｘおよび規格化Ｚに対する規格化熱流を示す図である。シミュレーションでは、規格化Ｘの０～１の範囲および規格化Ｚの０～１の範囲をそれぞれ１０個および１５個の範囲に分割した。図５（ａ）および図５（ｂ）のドットは分割された範囲内の規格化熱流の総和を示している。直線はドットをつなぐ線である。図５（ａ）は、絶縁層１８ａから熱電層１２ａおよび１２ｂに流入する規格化熱流５３を示している。なお、規格化熱流は、各熱流を外部から絶縁膜２０ａに流入する全熱流により規格化した熱流である。図５（ａ）に示すように、サンプルＨＳＱにおいて、領域５１では規格化ｘが０付近で規格化熱流５３が大きく、規格化Ｘが大きくなると規格化熱流５３が小さくなる。これは、規格化Ｘが大きいほど熱電層１２ａおよび１２ｂの温度が高いことに相当する。熱電層１２ａおよび１２ｂの温度が低くなると、絶縁層１８ａから流入する熱流が大きくなる。領域５０では、規格化Ｘが大きくなると規格化熱流５３が大きくなる。
　図５（ｂ）は、熱伝導層１６ａから絶縁層１８ａに漏れる規格化熱流５４を示している。図５（ｂ）に示すように、サンプルＨＳＱにおいて、領域５２では規格化熱流５４はほぼ０である。領域５０では、規格化Ｚが大きくなると規格化熱流５４が大きくなる。このように、図４の領域５０では、熱伝導層１６ａから絶縁層１８ａを経由し熱電層１２ａおよび１２ｂに至る熱流が存在することがわかった。これは、熱伝導層１６ａと熱電層１２ａおよび１２ｂとの間の接触熱抵抗ｋＰＣに起因し、接続層１４ａから熱電層１２ａおよび１２ｂに流入しにくくなった熱流が領域５０を通過することが原因とも考えられる。しかし、接触熱抵抗ｋＰＣは十分に小さいため、領域５０を介した熱流は絶縁層１８ａの熱伝導率の高さに起因すると考えられる。サンプルＰＳでは、図５（ａ）および図５（ｂ）における規格化熱流５３および５４はサンプルＨＳＱに比べ小さい。これは、サンプルＰＳでは、絶縁層１８ａの熱伝導率が小さいため絶縁層１８ａを通過する熱が小さいためと考えられる。
　図６は、比較例１における熱流を示す図である。絶縁膜２０ａの下面を高温とし、絶縁膜２０ｂの上面を低温とした。熱電層１２ａおよび１２ｂから絶縁層１８ｂにそれぞれ漏れる熱流５８、絶縁層１８ｂから熱伝導層１６ｂに流入する熱流５９をシミュレーションした。規格化Ｘは図４と同じである。熱伝導層１６ｂと接続層１４ｂが接する位置Ｚを０とし、熱伝導層１６ｂと絶縁膜２０ｂとが接する位置Ｚを１とした。
　図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ規格化Ｘおよび規格化Ｚに対する規格化熱流を示す図である。図７（ａ）は、熱電層１２ａおよび１２ｂから絶縁層１８ｂに流入する規格化熱流５８を示している。図７（ａ）に示すように、サンプルＨＳＱにおいて、領域５６では規格化Ｘが１付近で規格化熱流５８が大きく、規格化Ｘが小さくなると規格化熱流５８が小さくなる。これは、熱電層１２ａおよび１２ｂの温度分布に起因する。領域５５では、規格化Ｘが小さくなると規格化熱流５８が大きくなる。
　図７（ｂ）は、絶縁層１８ｂから熱伝導層１６ｂに流入する規格化熱流５９を示している。図７（ｂ）に示すように、サンプルＨＳＱにおいて、領域５７では規格化熱流５９はほぼ０である。領域５５では、規格化Ｚが小さくなると規格化熱流５９が大きくなる。このように、図６の領域５５では、熱電層１２ａおよび１２ｂから絶縁層１８ｂを経由し熱伝導層１６ｂに至る熱流が存在することがわかった。領域５５を介した熱流は絶縁層１８ｂの熱伝導率の高さに起因すると考えられる。図７（ａ）および図７（ｂ）においても、サンプルＰＳの規格化熱流５８および５９はサンプルＨＳＱに比べ小さい。これは、サンプルＰＳでは、絶縁層１８ｂの熱伝導率が小さいため絶縁層１８ｂを通過する熱流が小さいためと考えられる。
　以上のように、絶縁層１８ａおよび１８ｂを通過する熱流には、熱電層１２ａおよび１２ｂの温度分布に依存する熱流と、領域５０および５５を通過する絶縁層１８ａおよび１８ｂの熱伝導率の高さに起因する熱流の２つの熱流がある。このようにメカニズムの異なる２つの熱流の存在は特許文献２では示唆されていない。この２つのメカニズムによる絶縁層１８ａおよび１８ｂへの熱流の漏れにより、サンプルＨＳＱおよびＳｉＯ２ではサンプルＰＳより出力電力Ｐｏｕｔが低くなると考えられる。上記のような２つのメカニズムが存在する場合における実施例１の出力電力をシミュレーションした。
［実施例１のシミュレーション］
　サンプルＨＳＱ／ＰＳは、絶縁層１７ａおよび１７ｃとしてＨＳＱを用い、絶縁層１７ｂおよび１７ｄとしてＰＳを用いたサンプルである。サンプルＳｉＯ２／ＰＳは、絶縁層１７ａおよび１７ｃとしてＳｉＯ２を用い、絶縁層１７ｂおよび１７ｄとしてＰＳを用いたサンプルである。ｔＣ１＝７μｍおよびｔＣ２＝１μｍ、ｔＣ１＝８μｍおよびｔＣ２＝１０μｍ、ｔＣ１＝９．４μｍおよびｔＣ２＝３０μｍの３つの条件について、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さtｉｎｓ１を変化させ最適化した出力電力Ｐｏｕｔをシミュレーションした。
　図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１におけるtｉｎｓ１に対するＰｏｕｔを示す図である。実施例１としてサンプルＨＳＱ／ＰＳおよびＳｉＯ２／ＰＳと、比較例１としてサンプルＰＳを示している。サンプルＰＳではtｉｎｓ１＝ｔＣ１＋ｔＣ２であるが、サンプルＨＳＱ／ＰＳおよびＳｉＯ２／ＰＳと比較するためＰｏｕｔをtｉｎｓ１の値に依らずに一定の値をとる点線で示す直線で図示している。図８（ａ）から図８（ｃ）に示すように、tｉｎｓ１が０付近では、サンプルＨＳＱ／ＰＳおよびＳｉＯ２／ＰＳとも出力電力ＰｏｕｔはサンプルＰＳの１／２以下である。tｉｎｓ１が大きくなると出力電力ＰｏｕｔはサンプルＰＳに近づき、tｉｎｓ１＝ｔＣ１のとき、サンプルＨＳＱ／ＰＳおよびＳｉＯ２／ＰＳの出力電力ＰｏｕｔはほぼサンプルＰＳの出力電力Ｐｏｕｔとほぼ同じとなる。
　表２は、サンプルＰＳの出力電圧ＰｏｕｔＰＳに対するサンプルＨＳＱ／ＰＳの出力電圧ＰｏｕｔＨＳＱを示す比ＰｏｕｔＨＳＱ／ＰｏｕｔＰＳを示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表３は、サンプルＰＳの出力電圧ＰｏｕｔＰＳに対するサンプルＳｉＯ２／ＰＳの出力電圧ＰｏｕｔＳｉＯ２を示す比ＰｏｕｔＳｉＯ２／ＰｏｕｔＰＳを示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表２および表３では、ｔＣ２が１μｍ、１０μｍおよび３０μｍのとき、ｔｉnｓ１がｔＣ１およびｔＣ／２のときのＰｏｕｔＨＳＱ／ＰｏｕｔＰＳおよびＰｏｕｔＳｉＯ２／ＰｏｕｔＰＳを示している。表２および表３に示すように、ｔｉnｓ１＝ｔＣ１では、ｔＣ２によらず、ＰｏｕｔＨＳＱおよびＰｏｕｔＳｉＯ２はほぼＰｏｕｔＰＳと同じとなる。ｔｉnｓ１＝ｔＣ１／２では、ｔＣ２によらず、ＰｏｕｔＨＳＱおよびＰｏｕｔＳｉＯ２はＰｏｕｔＰＳのほぼ９０％となる。また、図８（ａ）から図８（ｃ）のように、ｔｉnｓ１＝ｔＣ１／４では、ＰｏｕｔＨＳＱおよびＰｏｕｔＳｉＯ２はＰｏｕｔＰＳのほぼ７５％となり、ｔｉnｓ１＝ｔＣ１／３では、ＰｏｕｔＨＳＱおよびＰｏｕｔＳｉＯ２はＰｏｕｔＰＳのほぼ８５％となる。このように、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さｔｉnｓ１を所定の値以上に大きくしないと出力電力Ｐｏｕｔを大きくできない。
　絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さｔｉnｓ１を大きくしないと出力電力Ｐｏｕｔを大きくできない理由としては以下が考えられる。まず、図４において、規格化Ｘが０付近で絶縁層１８ａから熱電層１２ａおよび１２ｂに流入する熱流５３は、絶縁層１８ａ内の熱電層１２ａおよび１２ｂからｔＣ１程度までの範囲を通過するためと考えられる。さらに、熱伝導層１６ａから絶縁層１８ａに漏れる熱流５４が存在する領域５０は、熱電層１２ａおよび１２ｂからｔＣ１程度の範囲まで広がっているためと考えられる。図６においても、規格化Ｘが１付近で熱電層１２ａおよび１２ｂから絶縁層１８ｂに漏れた熱流５８は、絶縁層１８ｂ内の熱電層１２ａおよび１２ｂからｔＣ１程度まで範囲を通過するためと考えられる。さらに、絶縁層１８ｂから熱伝導層１６ｂに流入する熱流５９が存在する領域５５は、熱電層１２ａおよび１２ｂからｔＣ１程度の範囲まで広がっているためと考えられる。
　このような、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さｔｉnｓ１に対する出力電力Ｐｏｕｔの振る舞いは特許文献２の記載からは示唆されておらず、図４から図７（ｂ）のように、精度の高い分布定数回路モデルのシミュレーションを行い始めて得られた知見である。
　実施例１によれば、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さｔｉnｓ１をｔＣ１／４以上とする。これにより、出力電力ＰｏｕｔをサンプルＰＳの出力電力Ｐｏｕｔの７５％以上とすることができる。なお、ｔＣ１は、熱伝導層１６ａの熱電層１２ａ側の端と、熱伝導層１６ｂのＸ方向の中心と、の距離、または熱伝導層１６ａの熱電層１２ｂ側の端と、熱伝導層１６ｂのＸ方向の中心と、の距離の大きい方である。厚さｔｉnｓ１はｔＣ１／３以上がより好ましく、ｔＣ１／２以上がさらに好ましい。絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さｔｉｎｔ１をｔＣ１の１／２とすることでサンプルＰＳの出力電力の９０％程度の出力電力が得られ、厚さｔｉｎｔ１をｔＣ１の１／３とすることでサンプルＰＳの出力電力の８５％程度の出力電力が得られることが精度の高い分布定数回路モデルのシミュレーションから得られたからである。
　厚さｔｉnｓ１がｔＣ１より厚くなっても出力電力Ｐｏｕｔは大きくならない。よって、絶縁層１８ａおよび１８ｂの機械的強度を高めるため、厚さｔｉnｓ１は２×ｔＣ１以下が好ましく、１．５×ｔＣ１以下がより好ましく、ｔＣ１以下がさらに好ましい。なお、厚さｔｉnｓ１の好ましい範囲（例えばｔＣ１／２以上かつｔＣ１以下）は、図８（ａ）から図８（ｃ）のように、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの材料およびＴＣ２を変えても変わらない。また、絶縁層１７ｂおよび１７ｄのいずれか一方の厚さｔｉnｓ１をｔＣ１／４以上かつ２×ｔＣ１以下としてもよい。
　絶縁層１８ａおよび１８ｂの機械的強度を大きくするためには、絶縁層１７ａおよび１７ｂの厚ｔｉｎｓ２は厚い方が好ましい。よって、ｔｉｎｓ２はｔｉｎｓ１／２以上が好ましく、ｔｉｎｓ１以上がより好ましく、１．５×ｔｉｎｓ１以上がさらに好ましい。
　絶縁層１８ａおよび１８ｂの熱伝導率は、熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率より低ければよい。絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率は、熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の１／３００以下が好ましく、１／１０００以下がより好ましい。絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率は、絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率より低ければよいが、絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率の１／５以下が好ましく、１／１０以下がより好ましく、1／５０以下がさらに好ましい。絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率を絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率より低くするため、絶縁層１７ｂおよび１７ｄを多孔質（ポーラス）とし、絶縁層１７ａおよび１７ｃを非多孔質としてもよい。絶縁層１７ｂおよび１７ｄが多孔質のとき、絶縁層１７ｂおよび１７ｄのポロシティ（空隙率）は１０％以上が好ましく、５０％以上がより好ましい。これにより、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率を低くできる。絶縁層１７ａおよび１７ｃが非多孔質のとき、絶縁層１７ａおよび１７ｂのポロシティは１％以下が好ましく、０．１％以上がより好ましい。これにより、絶縁層１７ａおよび１７ｂの機械的強度を高くできる。
　表４は、サンプルＨＳＱに対するサンプルＨＳＱ／ＰＳの出力電力Ｐｏｕｔの増加率、サンプルＳｉＯ２に対するサンプルＳｉＯ２／ＰＳの出力電力Ｐｏｕｔの増加率を示す表である。ｔＣ２＝３０μｍであり、ｔｉnｓ１＝ｔＣ１である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 　表４に示すように、サンプルＨＳＱ／ＰＳはサンプルＨＳＱに比べＰｏｕｔが１２５％増加し、サンプルＳｉＯ２／ＰＳはサンプルＳｉＯ２に比べＰｏｕｔが４２６％増加する。
　図９（ａ）から図９（ｅ）は、各サンプルにおける出力電圧Ｖｏｕｔに対する電流Ｉおよび出力電力Ｐｏｕｔを示す図である。図９（ａ）はサンプルＰＳ、図９（ｂ）はサンプルＨＳＱ、図９（ｃ）はサンプルＳｉＯ２、図９（ｄ）はサンプルＨＳＱ／ＰＳおよび図９（ｅ）はサンプルＳｉＯ２／ＰＳを示している。基部２２ａおよび２２ｂの面積がＤ×Ｄ＝１ｃｍ２のモジュールを複数直列および／または並列に接続して、実装面積ＳＡを２０ｃｍ２から１２０ｃｍ２まで２０ｃｍ２ステップで変えている。いずれのサンプルもｔＣ２＝３０μｍであり、サンプルＨＳＱ／ＰＳおよびＳｉＯ２／ＰＳではｔｉnｓ１＝ｔＣ１である。
　図９（ａ）から図９（ｅ）のように、出力電圧Ｖｏｕｔがほぼ１Ｖのとき出力電力Ｐｏｕｔはピークとなる。図９（ａ）のように、サンプルＰＳでは実装面積ＳＡが１２０ｃｍ２において、出力電力Ｐｏｕｔとして２ｍＷ程度を実現できる。しかし、サンプルＰＳは絶縁層１８ａおよび１８ｂの機械的強度が低い。図９（ｂ）および図９（ｃ）のように、サンプルＨＳＱおよびＳｉＯ２では、絶縁層１８ａおよび１８ｂの機械的強度は高いものの実装面積ＳＡを１２０ｃｍ２しても、出力電力Ｐｏｕｔは１ｍＷまたは０．５ｍＷ以下である。図９（ｄ）および図９（ｅ）のように、サンプルＨＳＱ／ＰＳおよびＳｉＯ２／ＰＳでは、ＳＡが１２０ｃｍ２において、出力電力Ｐｏｕｔは２ｍＷ程度であり、サンプルＰＳとほとんど変わらない。絶縁層１７ａおよび１７ｃがＨＳＱまたはＳｉＯ２のため、機械的強度を確保できる。
［実施例１の変形例１］
　図１０は、実施例１の変形例１における熱電変換装置の拡大断面図である。図１０に示すように、実施例１の変形例１では、熱電層１２ａと１２ｂのＸ方向における長さが異なる。熱伝導層１６ｂの熱電層１２ｂ側の端と熱伝導層１６ａのＸ方向の中心との距離をｄ１とし、熱伝導層１６ｂの熱電層１２ａ側の端と熱伝導層１６ｂのＸ方向の中心との距離をｄ２とする。Ｘ方向のピッチをｄとする。
　実施例１の変形例１のように、距離ｄ１とｄ２が異なる場合、絶縁層１８ａを迂回する熱流と絶縁層１８ｂを迂回する熱流の両方を抑制することが求められる。よって、距離ｄ１とｄ２のうち大きい方の距離ｄ２を基準とする。すなわち、ｔｉｎｓ１はｄ２／４以上が好ましく、ｄ２／３以上がより好ましく、ｄ２／２以上がさらに好ましい。ｔｉｎｓ１は２×ｄ２以下が好ましく、１．５×ｄ２以下がより好ましく、ｄ２以下がさらに好ましい。実施例１のように、距離ｄ１とｄ２とは製造誤差程度に同じでもよいし、実施例１の変形例１のように、距離ｄ１とｄ２とは製造誤差程度以上異なっていてもよい。上述した実施例においては図１０にその断面を示した絶縁層１８ａと絶縁層１８ｂとがＸ方向のピッチｄで繰り返し配列されている。ピッチｄが一定値であるので、距離ｄ１とｄ２との二つの距離が存在する。なお、ピッチｄは一定でなくてもよい。この場合、複数の距離ｄ１と複数の距離ｄ２のうち最も大きい距離を基準とすればよい。
　上述した実施例においては、第１熱伝導層が貫通し、第１絶縁層より熱伝導率が小さく、前記第１絶縁層と前記第１熱電層および第２熱電層との間に設けられ、前記第１熱伝導層の前記第１熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、前記第１熱伝導層の前記第２熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、のうち大きい方の距離の１／４以上の厚さを有する第２絶縁層を図２または図１０に示す絶縁体の多孔質が用いられた絶縁層１７ｂ、１７ｄとした。
　図１（ａ）から図２のように、絶縁層１７ｂが熱電層１２ａおよび１２ｂと絶縁層１７ａと接し、絶縁層１７ｄが熱電層１２ａおよび１２ｂと絶縁層１７ａと接している場合、基部２２ａと熱電層１２ａおよび１２ｂとの間並びに基部２２ｂと熱電層１２ａおよび１２ｂとの間に、特許文献２の図８のような空間１５（すなわち空隙）が形成されない。半導体形成プロセスなどの微細積層プロセスによって、基部２２ａと、熱電層１２ａおよび１２ｂと、基部２２ｂとを生成するからである。これにより、非常に高密度で、小型の熱電変換装置を、低製造コストで提供することができ、さらには熱電変換装置の強度を高めることができる。
　空隙が形成されていない熱電変換装置において、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率を絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率より小さくすることで、図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションの結果を適用できる。すなわち、熱伝導率が低い絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さを各々ｔＣ１の１／４倍以上とすることで、絶縁層１８ａおよび１８ｂの全てを熱伝導率が低い材料とする場合に比べ出力電力Ｐｏｕｔを大きくできる。図８（ａ）から図８（ｃ）のように、絶縁層１７ｂおよび１７ｄがポーラスシリカであり、絶縁層１７ａおよび１７ｃがＨＳＱまたはＳｉＯ２である場合、絶縁層１８ａおよび１８ｂの全てをＨＳＱまたはＳｉＯ２にする場合に比べ、出力電力を例えば７５％以上とすることができる。
　また、図８（ａ）から図８（ｃ）のように、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さを各々ｔＣ１の２倍より大きくしても出力電力は向上しない。そこで、熱伝導率が高く機械的強度が高い絶縁層１７ａおよび１７ｃを設け、機械的強度が低い絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さを各々ｔＣ１の２倍以下とすることで、絶縁層１８ａおよび１８ｂの全てをポーラスシリカのような機械的強度が低い材料にする場合に比べ、熱電変換装置の機械的強度を高めることができる。このように、熱電変換装置の機械的強度を確保しつつ、出力電力Ｐｏｕの低下を抑制できる。
　図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションにおいて、サンプルＨＳＱ／ＰＳおよびＳｉＯ２／ＰＳでは、絶縁層１７ｂおよび１７ｄ（ポーラスシリカ）の熱伝導率は絶縁層１７ａおよび１７ｃ（ＨＳＱおよびＳｉＯ２）の熱伝導率のそれぞれ１／８．４倍および１／２５．２倍である。また、絶縁層１７ｂおよび１７ｄ（ポーラスシリカ）の熱伝導率は接続層１４ａおよび１４ｂ並びに熱伝導層１６ａおよび１６ｂ（Ｃｕ）の熱伝導率の１／１０８００倍である。
　図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーション結果と同様の作用効果を得るためには、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率の範囲が絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率の１／５倍以下かつ１／１００倍以上であることが好ましい。絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率を絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率の１／５倍以下とすることで、絶縁層１７ｂおよび１７ｄを介した熱流を前記シミュレーション結果とほぼ同様の範囲に抑制できる。これにより、出力電力の低下を抑制できる。さらには、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率を絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率の１／１００倍以上とすることで、絶縁層１７ａおよび１７ｃに機械的強度の大きい材料を用いることができる。このため、絶縁層１７ｂおよび１７ｄを介した熱流を前記シミュレーション結果とほぼ同様の範囲に抑制しつつ、熱電変換装置の機械的強度を確保することができる。
　また、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率の範囲が接続層１４ａおよび１４ｂ並びに熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の１／３００倍以下かつ１／３００００倍以上であることが好ましい。絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率を接続層１４ａおよび１４ｂ並びに熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の１／３００倍以下とすることで、接続層１４ａおよび１４ｂ並びに熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率を高くでき、絶縁層１７ｂおよび１７ｄを介した熱流を抑制できる。よって、出力電力の低下を抑制できる。絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率を接続層１４ａおよび１４ｂ並びに熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の１／３００００倍以上とすることで、絶縁層１７ｂおよび１７ｄとして、半導体形成プロセスなどの微細積層プロセスに適用可能なポーラスシリカ等の実用的な材料を用いることができる。このため、コストを低減することができる。さらに、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率が上記範囲の場合、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの厚さを各々ｔＣ１の１／４倍以上かつ２倍以下とすることが好ましい。
　図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションの結果と同様の作用効果を得るためには、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率は、絶縁層１７ａおよび１７ｃの熱伝導率の１／１０倍以下であることがより好ましく、１／２０以下であることがさらに好ましい。絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率は、接続層１４ａおよび１４ｂ並びに熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の１／１０００倍以下であることがより好ましく、１／５０００倍以下であることがさらに好ましい。
　熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率が小さい場合、比較例１では熱電層１２ａおよび１２ｂ内に温度分布が生ずる。このため、図４の熱流５３のように絶縁層１８ａから熱電層１２ａおよび１２ｂに流入する熱流、および図６の熱流５８のように熱電層１２ａおよび１２ｂから絶縁層１８ｂに流出する熱流が増加する。図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションにおいて、熱電層１２ａおよび１２ｂ（ＢｉＴｅ）の熱伝導率は接続層１４ａおよび１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂ（Ｃｕ）の熱伝導率の１／２７０倍である。そこで、図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションの結果を適用するためには、熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率は、接続層１４ａおよび１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の１／５０倍以下であることが好ましい。
　図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションの結果と同様の作用効果を得るためには、熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率は、接続層１４ａおよび１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の１／１００倍以下であることがより好ましい。熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率は、接続層１４ａおよび１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂの熱伝導率の例えば１／１０００倍以上である。
　熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率が小さすぎると、熱電層１２ａおよび１２ｂ内を流れる熱流が減少する。図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションにおいて、熱電層１２ａおよび１２ｂ（ＢｉＴｅ）の熱伝導率は絶縁層１７ｂおよび１７ｄ（ポーラスシリカ）の熱伝導率の４０倍である。そこで、図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションと同様の作用効果を得るためには、熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率は、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率より大きいことが好ましい。図８（ａ）から図８（ｃ）のシミュレーションの結果を適用するため、熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率は、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率の１０倍以上であることがより好ましい。熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率は、絶縁層１７ｂおよび１７ｄの熱伝導率の例えば１００倍以下である。
　以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　１０　ゼーベック素子
　１２ａ、１２ｂ　熱電層
　１４ａ、１４ｂ　接続層
　１６ａ、１６ｂ　熱伝導層
　１７ａ～１７ｄ、１８ａ、１８ｂ　絶縁層
　２２ａ、２２ｂ　基部
　２４ａ～２４ｄ　電極
　

Claims (15)

  1. 　第１熱電層および第２熱電層の表面に平行な第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熱電層および前記第２熱電層と、
    　前記第１熱電層と前記第２熱電層との間において前記第１熱電層および前記第２熱電層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接続層に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熱伝導層と、
    　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が小さい第１絶縁層と、
    　前記第１熱伝導層が貫通し、前記第１絶縁層より熱伝導率が小さく、前記第１絶縁層と前記第１熱電層および前記第２熱電層との間に設けられ、前記第１熱伝導層の前記第１熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、前記第１熱伝導層の前記第２熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、のうち大きい方の距離の１／４以上の厚さを有する第２絶縁層と、
    を備える熱電変換装置。
  2. 　前記第２接続層に熱的に接続し、前記第１熱伝導層とは前記第１熱電層および前記第２熱電層に対し反対側に設けられ、前記第２方向に延伸する第２熱伝導層と、
    　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が小さい第３絶縁層と、
    　前記第２熱伝導層が貫通し、前記第３絶縁層より熱伝導率が小さく、前記第３絶縁層と前記第１熱電層および前記第２熱電層との間に設けられ、前記大きい方の距離の１／４以上の厚さを有する第４絶縁層と、
    を備える請求項１に記載の熱電変換装置。
  3. 　前記第２絶縁層の厚さは前記大きい方の距離の２倍以下である請求項１または２に記載の熱電変換装置。
  4. 　前記第１絶縁層の厚さは、前記第２絶縁層の厚さの１／２以上である請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
  5. 　前記第２絶縁層は多孔質であり、前記第１絶縁層は非多孔質である請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
  6. 　前記第２絶縁層は、前記第１熱電層および前記第２熱電層と接し、前記第１絶縁層と接する請求項１から５のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
  7. 　前記第４絶縁層は多孔質であり、前記第３絶縁層は非多孔質である請求項２に記載の熱電変換装置。
  8. 　前記第４絶縁層は、前記第１熱電層および前記第２熱電層と接し、前記第３絶縁層と接する請求項２または７に記載の熱電変換装置。
  9. 　前記第２絶縁層は、前記第１熱電層および前記第２熱電層と接し、前記第１絶縁層と接し、
    　前記第２絶縁層の厚さは前記大きい方の距離の２倍以下であり、
    　前記第４絶縁層の厚さは前記大きい方の距離の２倍以下である請求項８に記載の熱電変換装置。
  10. 　前記第２絶縁層および前記第４絶縁層の熱伝導率は、前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の熱伝導率の１／５倍以下かつ１／１００倍以上である請求項９に記載の熱電変換装置。
  11. 　前記第２絶縁層および前記第４絶縁層の熱伝導率は、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熱伝導層の熱伝導率の１／３００倍以下かつ１／３００００倍以上である請求項１０に記載の熱電変換装置。
  12. 　前記第１熱電層および前記第２熱電層の熱伝導率は、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熱伝導層の熱伝導率の１／５０倍以下である請求項１１に記載の熱電変換装置。
  13. 　前記第１熱電層および前記第２熱電層の熱伝導率は、前記第２絶縁層および前記第４絶縁層の熱伝導率より大きい請求項１２に記載の熱電変換装置。
  14. 　前記第１絶縁層および前記第３絶縁層は、ＨＳＱ層または酸化シリコン層であり、前記第２絶縁層および前記第４絶縁層はポーラスシリカである請求項２、および７から１３のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
  15. 　前記第１熱伝導層の前記第１熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、前記第１熱伝導層の前記第２熱電層側の端と前記第２接続層の前記第１方向における中心との距離と、は同じである請求項１から１４のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
    　
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