(57)【要約】本発明の熱電変換素子は、基板と、基板と対面するように配置された絶縁フィルムと、基板及び絶縁フィルムと熱的に接続された導電性フィルムと、導電性フィルムを支持する絶縁性断熱体と、を備え、導電性フィルムは熱電材料である導電性高分子を含み、導電性高分子は基板に対してほぼ垂直な方向に配向している。また、本発明の熱電変換モジュールは、上述の熱電変換素子を複数配置して、複数の導電性フィルムの基板側に位置する部位と、複数の前述の導電性フィルムに隣接する導電性フィルムの絶縁フィルム側に位置する部位と、が連続的に導電線によって直列接続されている。
2013065856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板と対面するように配置された絶縁フィルムと、
前記基板及び前記絶縁フィルムと熱的に接続された導電性フィルムと、
前記導電性フィルムを支持する絶縁性断熱体と、を備え、
前記導電性フィルムは熱電材料である導電性高分子を含み、
前記導電性高分子は前記基板に対してほぼ垂直な方向に配向している、ことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
前記基板が、フレキシブル基板であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記導電性フィルム及び前記絶縁性断熱材の主面が互いに接していることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記導電性高分子がｐ型熱電材料であることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記導電性フィルムは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリエチレン・ジオキシ・チオフェン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、及びこれらの誘導体のうちいずれかを含む導電性高分子であることを特徴とする請求項４に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記絶縁性断熱体は、ポリウレタン、フェノール樹脂、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ユリア樹脂、シリコーン、ポリイミド、メラミン樹脂のうちいずれかを含むことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載した前記熱電変換素子を複数配置した熱電変換モジュールであって、
複数の前記導電性フィルムの前記基板側に位置する部位と、複数の前記導電性フィルムに隣接する導電性フィルムの前記絶縁フィルム側に位置する部位と、が連続的に導電線によって直列接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記導電線が前記絶縁性断熱体の側面に付設されていることを特徴とする請求項７に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記導電性フィルム及び前記絶縁性断熱体の主面が互いに離れていることを特徴とする請求項７に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記熱電変換素子を前記基板に対して平行な面で切断した切断面において、
前記切断面の全面積に対して前記導電性フィルムの断面の占める面積占有率が０．１〜０．６の範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導電性高分子材料を用いた熱電変換素子および熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する素子である。熱電変換素子の両端に温度差を与えると起電力を得られる。熱電変換素子に用いられる熱電材料の特性を評価する指標としては、例えば特許文献１（特許第４５１３５０４号公報）にあるような式１に示したような性能指数Ｚが用いられる。
Ｚ＝Ｓ２σ／κ（１）
ただし、Ｓ：ゼーベック係数、σ：電気伝導度、κ：熱伝導度である。
ゼーベック係数Ｓは、１Ｋの温度差によって生じる起電力の大きさを表す。また、性能指数Ｚと、その値を示す絶対温度Ｔの積である無次元性能指数ＺＴも、熱電材料の特性を評価する指標とされる。
熱電材料は、固有のゼーベック係数Ｓを持っており、ゼーベック係数Ｓが正であるｐ型熱電材料と、負であるｎ型熱電材料に大別される。ｐ型またはｎ型の熱電材料のみで素子形成するよりも、ｐ型とｎ型の熱電材料を、電極となる導電部を介して直列に接合した構造、すなわちπ型素子とよばれる構造とすることによって、大きな出力電力が得られる。
例えば、特許文献２（特開平８−３１６５３２号公報）に記載されているように、複数のπ型素子を直列で接合した構造の熱電変換モジュールとし、出力電圧を大きくすることができる。π型素子からなる熱電変換モジュールは、例えば、特許文献２のように、直方体ブロック状に加工されたｐ型およびｎ型の熱電変換素子を直列に電気的に接続し、アルミナなどのセラミックス基板上に配置した構造をとることが一般的である。このような熱電変換素子に用いられる熱電材料としては、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ
系などの化合物半導体、ＮａｘＣｏＯ２（０．３≦ｘ≦０．８）、（ＺｎＯ）ｍＩｎ２Ｏ３（１≦ｍ≦１９）、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ２などの酸化物セラミックスなどがある。
Ｎ個の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールから得られる最大起電力Ｐは、式２から求められる。
Ｐ＝Ｖ２／（４ＮＲ）（２）
ただし、Ｖ：モジュール全体の電圧、Ｒ：１個の熱電変換素子の電気抵抗である。
電気機器などから発生する廃熱を熱電変換して利用する場合は、電気機器に熱電変換素子を直接取り付けることによって、効率的に廃熱を電気に変換できる。廃熱を無駄なく電気エネルギーに変換するためには、電気機器の廃熱が集中する廃熱ダクトや配管などに熱電変換モジュールを直接設置することが望ましい。しかしながら、剛直なセラミックス基板上に剛直な熱電変換素子を実装した構造であるために、柔軟性がない。そのような熱電変換モジュールでは、曲面部や凹凸部を有する電子機器の放熱面に直接取り付けることは困難である。
特許文献３（特許第３９２７７８４号公報）では、柔軟性のある基板上に熱電変換素子を形成させた構造としている。しかしながら、熱電変換素子はセラミックスなどの無機物で構成されるため、熱電変換モジュールの柔軟性が不十分であるという問題点があった。
特許文献１や特許文献４（特開２０１０−９５６８８号公報）には、導電性を有する高分子、すなわち導電性高分子を熱電材料として用いることについて記載されている。導電性高分子は、半導体と同様にゼーベック効果により熱電材料として機能するため、導電性高分子からなるフィルムの両端に温度差を与えると、両端に起電力が発生する。例えば、ポリアニリンのゼーベック係数は４０μＶ／Ｋと、熱電材料として十分な値を示す。
導電性高分子を塗布法によって熱電変換素子として形成できれば、熱電変換モジュールの大量生産を容易とし、製造コストを低減できる。しかしながら、現時点では、大気中で塗布成膜が可能なｎ型導電性高分子は得られていない。そのため、塗布によって導電性高分子フィルムを形成して熱電変換素子を製造する場合、ｐ型熱電材料のみで構成しなければならないという制約がある。
ｐ型熱電材料のみで構成した熱電変換素子に関しては、例えば、特許文献５（特開２０１０−２０５８８３号公報）および特許文献６（特開２００６−３１９１１９号公報）に記載されている。特許文献５には、ｐ型熱電材料のみもしくはｎ型熱電材料のみを直列接合した熱電素子について記載されている。特許文献６には、導電型高分子としてｐ型ポリチオフェンのみを用いた熱電変換素子について記載されている。
特許文献１および特許文献４にも、導電性高分子を用いた熱電変換素子に関する記載がある。しかしながら、特許文献１および特許文献４に記載されている導電性高分子の無次元性能指数ＺＴは室温で０．１以下であり、一般的な無機材料の無次元性能指数ＺＴの１０％以下である。そのため、一般的なπ型素子構造で導電性高分子を構成した場合、一般的なセンサや無線タグを駆動できる５０μＷ以上の出力電力を得ることも難しい。
一般的な導電性高分子シートは５０μｍ程度の厚さであり、４０℃程度の電子機器の廃熱ダクトに熱電変換素子を設置しても、高温部と低温部の温度差は０．５℃以下であり、５０μＷ以上の出力電力を得るのは難しいという問題点もあった。
上述した特許文献１および特許文献４に記載されているような導電性高分子を用いてフィルム状の熱電変換モジュールを構成した場合、一般的な素子構造ではフィルムの両面に数℃の温度差を発生させることさえできないため、十分な出力電力が得られないという問題点があった。
上述した特許文献６に記載されている構造のｐ型熱電変換素子からなる熱電変換モジュールでは、吸熱面と排熱面の温度差が小さいために出力電力が小さく、また、センサや無線タグの電源として必要な電圧を得ることができないという問題点があった。
本発明の目的は、上述した課題であるフィルム状の熱電変換素子および熱電変換モジュールにおいて、フィルムの両面に十分な温度差を発生することができない、という問題点を解決する熱電変換素子および熱電変換モジュールを提供することにある。
また、本発明の目的は、上述した課題である、ｐ型熱電材料である導電性高分子のみでは十分な出力電力および出力電圧が得られない、という問題点を解決する熱電変換素子および熱電変換モジュールを提供することにある。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の熱電変換素子は、基板と、基板と対面するように配置された絶縁フィルムと、基板及び絶縁フィルムと熱的に接続された導電性フィルムと、導電性フィルムを支持する絶縁性断熱体と、を備え、導電性フィルムは熱電材料である導電性高分子を含み、導電性高分子は基板に対してほぼ垂直な方向に配向している。
また、本発明の熱電変換モジュールは、上述の熱電変換素子を複数配置して、複数の導電性フィルムの基板側に位置する部位と、複数の前述の導電性フィルムに隣接する導電性フィルムの絶縁フィルム側に位置する部位と、が連続的に導電線によって直列接続されている。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】第１の実施形態の熱電変換モジュールの斜視図である。
【図２】第１の実施形態の熱電変換モジュールの側面図である。
【図３】第１の実施形態のモジュールの上面図である。
【図４】第１の実施形態の熱電変換モジュールの製造工程の第１の説明図である。
【図５】第１の実施形態の熱電変換モジュールの製造工程の第２の説明図である。
【図６】第１の実施形態の熱電変換モジュールの製造工程の第３の説明図である。
【図７】第２の実施形態の熱電変換モジュールの斜視図である。
【図８】第２の実施形態の熱電変換モジュールの側面図である。
【図９】第２の実施形態の熱電変換モジュールの上面図である。
【図１０】実施例１の熱電変換モジュールを設置した図である。
【図１１】実施例２の導電性フィルムに生じる温度差の占有率依存性を示したグラフである。
【図１２】実施例３の熱電変換モジュールの出力電力密度の占有率依存性を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
〔第１の実施形態〕図１に、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの斜視図を示す。図２に、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの側面図を示す。図３に、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの上面図を示す。図１は、図３の線ＡＢで切断したモジュールの一部を斜視図として表現した図である。図２は、線ＡＢで切断したモジュールの一部を側面図として表現した図であり、図１と同じ対象について描いている。図３は、モジュール内部を説明しやすくするために上部の導電線３、上部電極６、第１電極７および絶縁フィルム８は省略して図示した。
第１の実施形態の熱電変換モジュールは、基板１、下部電極２、導電線３、絶縁性断熱体４、導電性フィルム５、上部電極６、第１電極７、絶縁フィルム８、第２電極９からなる。導電性フィルム５は熱電変換素子として働く。一枚の導電性フィルム５中の導電性高分子は、大部分が一方向に配向している。第１の実施形態の熱電変換素子において、全ての導電性フィルム５は、導電性高分子が矢印１０の方向に配向するように配置している。
図２では、上部電極６と導電性フィルム５、導電線３と下部電極２、導電性フィルム５と下部電極２が、それぞれ電気的に接続されており、基板１上に配置された複数の熱電変換素子において、第１電極７から第２電極９まで電気的に直列に接続している。第１の実施形態では、基板１を高温側、絶縁フィルム８を低温側にして設置することを想定している。ｐ型熱電材料の場合、低温側が正極に、高温側が負極になる。第１の実施形態の熱電変換モジュールでは、低温側から引き出された第１電極７が正極、高温側から引き出された第２電極９が負極となる。なお、高温側と低温側を入れ替える場合、電極の極性は逆転する。同様に、ｐ型熱電材料をｎ型熱電材料に置換した場合、電極の極性は逆転する。
図３では、基板１上に複数の熱電変換素子からなるブロック１３が列を成すように配置し、それぞれのブロック１３が電極２０を介して電気的に接続しており、全ての熱電変換素子を電気的に直列接続している。実際の素子数は、設置場所で得られる温度差に応じて、センサ等を駆動するのに必要な出力電力が得られるように設定する。
第１の実施形態では、導電性フィルム５と絶縁性断熱体４を交互に隣接させたブロック１３を形成している。そのため、基板１に対して垂直な方向に導電性フィルム５が保持されている。このような形態にすることによって、導電性フィルム５の占有率を大きくすることができる。なお、導電性フィルム５の占有率ηは、基板１に平行な面で熱電変換素子を切った切断面において、導電性フィルム５の断面が占める面積の割合で定義する。このように一定の面積のモジュールに多数の導電性フィルムを充填させることによって、センサ等を駆動するのに必要な出力電圧が得られる。
また、導電性フィルム５を構成する導電性高分子の配向方向は、基板１に垂直な方向に向くように設置している。電流は、導電性高分子の配向方向に沿って選択的に流れるため、第１の実施形態のように導電性高分子を配向させることによって、熱電変換素子の電気抵抗を小さくでき、出力電力を大きくすることができる。
第１の実施形態に係る熱電変換モジュールでは、絶縁性断熱体４と細い導電線３を用いる。絶縁性断熱体４によって、基板１と絶縁フィルム８の熱伝導を低減できる。また、導電線３の断面積を小さくすることによって、導電線３を通じた基板１から絶縁フィルム８の方向に向かった熱の移動を小さくすることができる。その結果、導電性フィルム５に生じる温度差を大きくでき、出力電力を大きくすることができる。
なお、第１の実施形態においては、基板１と、絶縁フィルム８と、絶縁性断熱体４と、導電性フィルム５からなる熱電変換素子を発電の最小構成単位とする。そのため、単一の熱電変換素子を取り出して用いる場合は、導電線３は必須の構成とはならない。通常は、十分な電圧を得るため、熱電変換素子を導電性３によって直列に電気的接続し、熱電変換モジュールとして用いる。
第１の実施形態に係る導電性フィルム５の材料としては、導電性高分子として知られるポリチオフェン、ポリエチレン・ジオキシ・チオフェン（ＰＥＤＯＴ：Ｐｏｌｙ（３、４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ））、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレン及びこれらの誘導体を使用できる。あるいはこれらの材料に金属ナノ粒子を分散させた材料も使用できる。
導電性高分子は、２重結合と単結合が交互に並んだπ共役構造を有する主鎖を持ち、自由に動ける移動電荷であるキャリアをドープすることで導電性が得られる。このドーピングは、ヨウ素や五フッ化砒素などを高分子に添加することで行われ、添加剤はアクセプタとして機能する。
塗布で得られる導電性高分子には、ポリチオフェン、ポリアニリンなどをあげられるが、いずれもｐ型の導電性を有する。現在、塗布法でｎ型の導電性フィルムを製膜する技術は実用化されていないため、第１の実施形態に係るフィルム状の熱電変換素子および熱電変換モジュールでは、ｐ型熱電材料を前提としている。しかしながら、塗布以外の方法でｎ型熱電材料を得る場合には、本実施形態にｎ型熱電材料を適用することもできる。なお、ｎ型熱電材料を用いる場合は、第１電極７が負極となり、第２電極９が正極となる。
導電性フィルム５の形成方法には、上述した導電性高分子を有機溶剤に溶解させ、基板上にスピンコートするスピンコート法や、基板に溶液を塗布した直後にローラで薄く延ばすローラ法がある。導電性高分子は、スピンコート法では遠心力方向に、ローラ法では基板を引っ張った方向に配向できる。上述の工程を繰り返すことで、面内方向に配向したフィルムを厚くできる。なお、その他のフィルム形成方法で導電性フィルム５を形成しても、第１の実施形態と同様な構造とすることによって、同様な作用を得ることができる。
導電性フィルム５の長さＬが２ｍｍ以下では、導電性フィルム５の両端の温度差を十分取れないために十分な出力電力が得られない。また、導電性フィルム５の３０ｍｍ以上だと、モジュールの可撓性が小さくなる。
そのため、導電性フィルム５の長さＬは、２ｍｍ以上かつ３０ｍｍ以下が適切である。導電性フィルム５の長さＬは、５ｍｍ以上かつ２０ｍｍ以下であることがより望ましい。長さＬに目安を設ける理由は、必要な可撓性と出力電力に適合させるためである。
導電性フィルム５の膜厚ｄが３０μｍ以下では、導電性フィルム５の断面積が小さくなるため、接触抵抗と電気抵抗が増大し、出力電力が低下してしまう。また、導電性フィルム５の断面積Ｓが５００μｍ以上に厚いと、製造時間が増大してしまう。
そのため、導電性フィルム５の膜厚ｄは３０μｍ以上かつ５００μｍ以下であることが望ましい。さらに、熱電変換モジュールの柔軟性や製造上の効率などを考慮すると、導電性フィルム５の膜厚ｄは５０μｍ以上かつ２００μｍ以下であるのが最適である。
導電線３の断面積Ｓは、４０平方マイクロメートル以上かつ４００平方マイクロメートル以下が望ましい。４０平方マイクロメートル以下では、電気抵抗が高くなり、機械強度が小さくなる欠点がある。４００平方マイクロメートル以上では、熱抵抗が小さくなるために熱電変換モジュールの高温部と低温部の温度差が減少してしまう。導電線３には熱抵抗が大きくかつ電気抵抗が小さい材料を用いるのが望ましい。例えば、金、銀、銅からなる材料が適用可能であるが、本発明の実施形態では、それらの材料に限定されない。
基板１は、ポリイミドあるいはポリエチレンナフタレートが最適である。また、他の基板１の材料として、アイオノマー、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、ポリアミド、フッ素樹脂などを用いることができる。ただし、ここであげた材料は一例に過ぎず、基板１の材料を限定するわけではない。また、絶縁フィルム８の材料も、基板と同様の材料を選定することができる。
耐久性の観点からは、基板１の厚さｄは５０μｍ以上が望ましい。また、柔軟性の観点からは、基板１の厚さｄは５ｍｍ以下であることが望ましい。基板１の厚さが５０μｍ〜５ｍｍの範囲にある場合、基板１がフレキシブル基板として機能するために変形可能であり、一定の曲率を有する設置面に熱電変換モジュールを接して設置できる。
絶縁性断熱体４は、断熱性と絶縁性に優れた高分子材料からなる。特に、ポリウレタンやフェノール樹脂などを原料とした発泡高分子は、超微細気泡の中に多量の空気を含んでいるために優れた断熱性能と絶縁性能を示す。ポリウレタン発泡高分子の熱伝導率は０．０３３Ｗ／ｍＫ、フェノール発泡高分子の熱伝導率は０．０２０Ｗ／ｍＫであり、空気の熱伝導率０．０２４Ｗ／ｍＫと同程度の値である。発泡剤としては、イソシアネートと水を含むポリオールを混合することで発生する炭酸ガスを利用できる。また、ポリウレタンやフェノール樹脂以外でも、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ユリア樹脂、シリコーン、ポリイミド、メラミン樹脂などを発泡高分子として用いることができる。なお、上述の高分子材料は一例であり、第１の実施形態に係る絶縁性断熱体４を限定するわけではない。
以下において、第１の実施形態を説明するために、一部の部材に具体的な数値を当てはめて説明する。なお、第１の実施形態は、ここで示した数値に限定されるわけではない。
第１の実施形態に係る導電性フィルム５の導電性高分子は、基板１に垂直な方向に配向させている。導電性フィルム５の基板に垂直な方向の長さＬは１０ｍｍ、幅Ｗは１０ｍｍ、フィルムの厚さｄは１００μｍである。絶縁性断熱体４の基板に垂直な方向の長さは１０ｍｍ、幅は１０ｍｍ、厚さは１５０μｍである。導電線３は長さ１０ｍｍ程度、幅４０μｍ、厚さ５μｍである。導電線３は、導電性フィルム５より３桁程度熱伝導性が高いので、素子の温度差を保つために細くした。下部電極２は、長さ１０ｍｍ、幅２００μｍ、厚さ１０μｍである。上部電極６も下部電極２と同じサイズである。導電線３と下部電極２および上部電極６、導電性フィルム５と下部電極２および上部電極６は、導電性接着剤で電気的に接続している。
以下に図面を参照して、熱電変換素子および熱電変換モジュールの製造方法の一例を示す。
図４には、第１の実施形態に係る熱電変換素子を製造するプロセスで形成される、多層フィルム１１を図示する。多層フィルム１１は、導電性フィルム５と絶縁断熱体４を積層した構造になる。
２ｍｍ厚の基材１２上に、すべての導電性フィルム５の高分子の配向方向１０を一定の方向に揃えた状態で、絶縁性断熱体４と導電性フィルム５を交互に重ね合わせる。重ね合わせたフィルム全体を加圧して、１５０℃で加熱すると一体化した多層フィルム１１が得られる。なお、多層フィルム１１を製造する上で基材１２を用いているが、基材１２は後の工程でブロック１３から分離する。
図５には、第１の実施形態に係る熱電変換素子を製造するプロセスで形成される、ブロック１３を図示した。
まず、機械的な切断方法もしくはレーザ光を用いた切断方法により、多層フィルムを１０ｍｍの幅で高分子の配向方向１０に沿った方向に切断分割する。分割した多層フィルムの切断面において、絶縁性断熱体４の中央にあたる部位に、図５に示したストライプ状の導電線３を形成する。導電線３と高分子の配向方向１０は平行になっている。
ストライプ状の導電線３を形成する方法は、例えば、インクジェット法によって、金、銀、銅などの金属ナノ粒子を含む溶液を切断面に吹き付けてストライプを形成し、光や熱で焼成する方法を用いることができる。さらに、重ね描画することによって、数μｍ厚の導電線３のストライプを形成できる。他の導電線３の形成の方法としては、２０μｍ径以下の金ワイヤをエポキシ系接着剤で接着する方法がある。
次に、導電線３に対して垂直な方向に機械的に多層フィルムを１０ｍｍの幅で切断分割し、図５に示したブロック１３を得る。
さらに、基板１に、下部電極２と第２電極９のパターンを形成する。形成方法としては、蒸着・露光によるパターンニングする方法、金属ナノ粒子を含む溶液をインクジェット印刷もしくはスクリーン印刷する方法、めっきによる方法が可能である。
例えば、めっきによる方法としては、基板１に、ポリピロール樹脂を下部電極２の形状にあわせて印刷法によってパターンニングした後、Ｐｄ粒子を触媒とし、金メッキ液に浸して下部電極２を形成する方法がある。同様の方法で、絶縁フィルム８にも上部電極６と第１電極７のパターンを形成できる。
図６には、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの製造において、下部電極２および上部電極６にブロック１３を接合する工程を図示した。
基板１の下部電極２のパターン上と、絶縁フィルム８の上部電極６のパターン上にディスペンサで導電性接着剤１４を塗布する。導電性接着剤１４としては、銀粉末８４％、液状エポキシ樹脂１５％、アミン系硬化剤１％からなるエポキシ系導電性接着剤が利用できる。
顕微鏡とＣＣＤカメラを有するアライメント用の接合装置を用いて、図６に示したように、ブロック１３を、導電線３が基板１に垂直になる方向に向け、導電線３と導電性フィルム５の対が下部電極２と接するように接着する。同様に上部電極６のパターンが形成された絶縁フィルム８を、導電線３と導電性フィルム５の対が上部電極６に接するように接着し、全ての導電性フィルム５が直列接続になるようにする。軽く上下のフィルムを固定冶具で押さえ、１５０℃のヒータに載せて、接着剤を固化させて固着する。
以上が第１の実施形態の熱電変換モジュール製造工程の説明である。ただし、第１の実施形態の熱電変換モジュールを製造する方法は、上述の方法に限定するわけではない。
〔第２の実施形態〕図７には、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの斜視図を示す。図８は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの側面図である。なお、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールを構成する部材や材料は、特に断りのない限り第１の実施形態と同様である。
第２の実施形態に係る熱電変換モジュールは、基板２１、断熱性フィルム２１１、下部電極２２、導電線２３、絶縁性断熱体２４、導電性フィルム２５、上部電極２６、第１電極２７、絶縁フィルム２８、第２電極２９からなる。導電性フィルム２５における高分子の配向方向３０は矢印で示した。第２の実施形態では、基板２１から絶縁フィルム２２への放射熱の伝導を低減するために、基板２１上に断熱性フィルム２１１を貼った。
図７では、基板２１上に複数の熱電変換素子が配置され、電気的に直列に結合されている。第２の実施形態では、基板２１を高温側、絶縁フィルム２８を低温側にして設置することを想定する。この場合、ｐ型熱電材料からなる熱電変換モジュールでは、高温側から引き出された第１電極２７が負極、低温側から引き出された第２電極２９が正極となる。なお、高温側と低温側を入れ替える場合、電極の極性は逆転する。同様に、ｐ型熱電材料をｎ型熱電材料に置換した場合、電極の極性は逆転する。
以下において、第２の実施形態を具体的に説明するために、一部の部材に数値を当てはめて説明する。ただし、第２の実施形態は、ここで示した数値に限定されるわけではない。
絶縁性断熱体２４の基板２１に対して垂直な方向の長さは８ｍｍ、幅は１６ｍｍ、厚さは２ｍｍであり、導電性フィルム２５が基板２１に対してほぼ垂直となるように支持している。なお、ほぼ垂直とは、導電性フィルム２５のフィルム面の大部分は基板に対して垂直な方向に向いているが、フィルム面の全面が厳密には垂直ではないことを意味する。
第２の実施形態の構造では、導電性フィルム２５の端部を絶縁性断熱体２４の端部に接着するため、フィルム面は一様な平面ではない。また、第１の実施形態のように正確に垂直であるわけではない。そのため、導電性フィルム５は、基板１に対してほぼ垂直となるように支持されることとなる。
導電性フィルム２５の導電性高分子は、すなわち基板２１に対してほぼ垂直な方向に配向しており、高分子の配向方向３０として示した。
導電性フィルム２５の基板２１に対して垂直な方向の長さＬは約８ｍｍ、幅Ｗは１６ｍｍ、フィルムの厚さｄは１５０μｍである。なお、導電性フィルム２５の長さＬ方向の両端には、下部電極２２および上部電極２６と接着するためののりしろを設けるため、長さＬはおよその長さである。
導電線２３は、直径２０μｍで長さ１０ｍｍ程度の金ワイヤである。金ワイヤの直径は、高温側から低温側への熱移動を低減し、素子の温度差を保つために細くした。下部電極２２は、長さ１６ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ１０μｍである。上部電極２６は、長さ１６ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ１０μｍである。
導電性フィルム２５は、下部電極２２と上部電極２６に導電性接着剤で電気的に接続されている。導電性フィルム２５の長さは、可撓性を要求される用途には小さくし、出力電力を要求される用途には大きくする。
図９に、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの上面図を示す。図９ではモジュール内部を見やすくするために上部の絶縁フィルム２８の記載を省略した。基板２１上に、複数の熱電変換素子が列になるように配置し、各列は電極４０を介して電気的に直列結合させる。第２の実施形態では、熱電変換素子の間隔が広いため、第１の実施形態と比較すると導電性フィルム２５の占有率は小さい。実際の素子数は、設置場所によって得られる温度差に応じて、センサ等を駆動するのに必要な出力電力が得られるように調整する。
第２の実施形態では、導電性フィルム２５の面の少なくとも一部が基板２１にほぼ垂直になるように絶縁性断熱体２４に支持されている。第２の実施形態では、金ワイヤで余裕をもって配線されているため、熱電変換モジュール全体の変形に対して断線がおこりにくい。さらに、第２の実施形態では、導電性フィルム２５が下部電極２２と上部電極２６に接する面積が第１の実施形態と比較して大きいために接触抵抗を小さくでき、出力電力を大きくすることができる。
【実施例１】
【０００６】
図１０に、実施例１の熱電変換モジュールの設置例を示す。発生した出力電力を外部に取り出すため、引き出し電線（正極）１７を第２電極９に、引き出し電線（負極）１９を第２電極７に接続した。実施例１では、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールにおいて、導電性フィルム５を、基板１に対して垂直にすることによる効果を検証した。なお、実施例１における熱電変換モジュールの基本構成は、第１の実施形態と同様である。
導電性フィルム５としては、ポリアニリンからなるフィルムを用いた。実施例１においては、導電性フィルム５の占有率ηは約４０％に設定した。実施例１では、導電性フィルム５の高さＬは１０ｍｍである。
電子機器の廃熱ダクト側面に配置することを想定し、熱電変換モジュールの設置面の温度が４０℃に設定した。加熱ステージ１５を４０℃に、環境温度を２５℃に制御して保持し、モジュール表面部１６の温度を測定したところ、モジュール表面部１６は温度３２．６℃であった。すなわち７．４℃（＝４０．０−３２．６）の温度差が得られた。
また、比較実験のために、導電性フィルム５を基板１に対して水平に寝かせて設置し、モジュール表面部１６の温度を測定した。なお、導電性フィルム５を基板１に対して水平に寝かせて設置することは、導電性フィルム５の高さＬを１ｍｍとした場合と同等である。この結果、高温部と低温部の温度差は０．７℃であった。
すなわち、実施例１では、比較実験の１０倍の温度差を保持できることが確認できた。実施例１の導電性フィルム５は、基板１に対して垂直に設置しているため、水平に寝かせて設置した場合よりも１桁以上大きな温度差が得られたことになる。
導電性フィルム５の両端に生じる温度差は、導電性フィルム５の長さＬに比例して大きくなり、得られる出力電力が大きくなる。この検証によって、フィルム状に形成した熱電変換モジュールであっても、絶縁性断熱体４と導電性フィルム５の長さＬを設定することによって、出力電圧を高めることができることを実証できた。
【実施例２】
【０００７】
導電性フィルム５の高さＬを１０ｍｍにそろえ、占有率を変える検証を行った。実施例２では、実施例１と同様の評価環境で、導電性フィルム５に生じる温度差を測定した。占有率は、導電性フィルム５の厚さｄを１００μｍに固定し、絶縁性断熱体４の厚さを変えることで制御した。
図１１に、導電性フィルム５に生じる温度差の占有率依存性を示す。占有率が０のものは全て絶縁性断熱体の場合の温度差であり、占有率が１のものは全て導電性フィルム５の場合の温度差である。
絶縁性断熱体４の方が、導電性フィルム５より熱伝導率が１桁近く小さい。そのため、導電性フィルム５の占有率が大きくなると、温度差が減少することを確認できた。
実施例２の検証により、占有率を設定することによって、高温部と低温部の間の温度差を制御できることが確認できた。熱電変換モジュールを実用化する際には、導電性フィルム５や絶縁性断熱体４からなる熱電変換素子の電気抵抗や熱伝導度を設定することによって、温度差や出力電力を設定できることが確認できたことになる。
【実施例３】
【０００８】
導電性フィルム５の長さを変える以外は、実施例１と同様の環境で、導電性フィルムの長さを２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍと変えた際の熱電変換モジュールの出力電力を測定した。熱電変換モジュールには、１０ｃｍ角と１５ｃｍ角のものを用いた。なお、実施例３では、センサ等を駆動するために必要な出力電力を５０μＷに設定し、５０μＷ以上の出力電力を発電によって得られればセンサ等を駆動できると判断した。
図１２には、１０ｃｍ角の熱電変換モジュールにおいて、加熱ステージ１５を４０℃に、環境温度を２５℃に制御して保持し、導電性フィルムの長さを変えた場合の熱電変換モジュールの出力電力密度Ｐａの占有率η依存性を示す。図１２の曲線は理論曲線である。
出力電力のピークは、導電性フィルムの占有率が０．６の付近にあり、０．６以上では出力電力が減少した。
導電性フィルムの長さが１０ｍｍの場合、出力電力密度Ｐａとして８．８マイクロワット平方メートルという値が得られた。すなわち、１０ｃｍ角の熱電変換モジュールからは、８８μＷの出力電力が得られることになる。センサ等を駆動するのに必要な電力を５０μＷに設定しているため、センサ等を駆動することが可能であると判断できる。
図１２から、導電性フィルム５の長さが１０ｍｍの場合、占有率が０．１６以上あればセンサ駆動に必要となる５０μＷ以上の出力電力が得られたことが読み取れる。また、導電性フィルム５の長さが５ｍｍ以下の場合、センサ駆動に必要な出力電力を得られなかった。
１５ｃｍ角の熱電変換モジュールにおいては、占有率が０．１でも１００μＷの出力電力が得られた。すなわち、１５ｃｍ角の熱電変換モジュールであれば、占有率が１０％と小さい場合であっても、センサ駆動に必要となる出力電力が得られることが確認できたことになる。
以上の結果より、本発明の実施形態に係る構造により、センサ等の電源として用いることができる熱電変換モジュールが得られることを確認できた。なお、本発明の実施形態は、上述のように記載した内容に限定されるものではない。
本発明によれば、フィルム状の熱電変換モジュールであっても、フィルムの両面に十分な温度差を発生させることができ、センサなどを駆動するために必要な電力および電圧を発生させることが可能になる。
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１１年１１月１日に出願された日本出願特願２０１１−２４０２８２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールは、薄いフィルム形状であり、柔軟な部材で構成されているため、電子機器の配管やダクト、さらには人体表面などの様々な曲面に設置できる。そのため、工場や車から発生する高温廃熱のみならず、オフィスの空調、サーバー、パソコン、照明などの電気機器から発生する低温廃熱から電力を取り出すことができる。
本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールは、容易に大面積のモジュールとして製造できるため、大量生産に適用可能であり、低コスト化が可能となる。そのため、本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールを大量に製造し、生活環境に大量に設置することが可能となる。生活環境に設置させたセンサから得られた温度などの環境情報を、アクティブ無線タグによってサーバーに伝送し、サーバーからオフィスの電子機器を制御できれば、無駄に消費される電気エネルギーの節約を可能とするシステムを構築できる。
【符号の説明】
【００１０】
１  基板
２  下部電極
３  導電線
４  絶縁性断熱体
５  導電性フィルム
６  上部電極
７  第１電極
８  絶縁フィルム
９  第２電極
１０  高分子の配向方向
１１  多層フィルム
１２  基材
１３  ブロック
１４  導電性接着剤
１５  加熱ステージ
１６  モジュール表面部
１７  引き出し電線（正極）
１９  引き出し電線（負極）
２０  電極
２１  基板
２１１  断熱性フィルム
２２  下部電極
２３  導電線
２４  絶縁性断熱体
２５  導電性フィルム
２６  上部電極
２７  第１電極
２８  絶縁フィルム
２９  第２電極
３０  高分子の配向方向
４０  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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