(57)【要約】【課題】  機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供すること。【解決手段】  Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電素子１とＮ型材料からなる薄膜のＮ型熱電素子２とで構成された熱電変換モジュール６の両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板４、５を設け、熱伝導率の高い材料４２、５２が前記基板４、５の外面の一部分に位置するように構成したものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子であって、Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電素子とＮ型材料からなる薄膜のＮ型熱電素子とで構成された熱電変換モジュールの両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設け、熱伝導率の高い材料が前記基板の外面の一部分に位置するように構成したことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の異なる材料のうち熱伝導率の低い方は少なくとも絶縁体であることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項３】
請求項１に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の低い材料が前記熱電変換モジュール側に位置するように構成したことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の低い材料がポリイミドなどの樹脂であり、前記熱伝導率の高い材料が銅などの金属であることを特徴とする熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子として、例えばＢi−Ｔe系の半導体を利用したものが知られている。この半導体を利用した熱電変換素子は、例えば図３に示すように、Ｐ型半導体１０とＮ型半導体２０を接合して電気的に接続し、接合側を高温にさらすとともに分岐側を低温にさらすことにより、その温度差を利用して発電することができるものである。また、従来より時計等に用いられている熱電変換素子の構造は、例えば図４に示すように、Ｐ型半導体１０やＮ型半導体２０である溶製材または焼結材をブロック状に切り出し、セラミックス等の基板４０上に電極３０を介して配列したものが知られている。（特許文献１、２、３参照）
しかしながら、前記従来例の熱電変換素子は、機械的強度が低く加工性が悪い。従って、自動化が困難で大量生産が困難である。また、基板に高硬度のものを使用するため、柔軟性が悪く曲面箇所等への設置が困難であり、設置箇所が制限される。（特許文献２、３参照）
また、前記問題点を解決するために、図５に示すように、基板４０に柔軟性を有するポリイミド製のフィルムを使用したものがある。（特許文献１参照）しかしながら、この場合においては、発電効率が悪いという問題がある。
【特許文献１】特開２００３−１３３６００号公報
【特許文献２】特許第３５７３４４８号公報
【特許文献３】特開平１１−２５１６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
解決しようとする課題は、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供するという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、前記課題を解決するために、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子であって、Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電素子とＮ型材料からなる薄膜のＮ型熱電素子とで構成された熱電変換モジュールの両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設け、熱伝導率の高い材料が前記基板の外面の一部分に位置するように構成したことを特徴とするものである。
【０００５】
また、請求項１に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の異なる材料のうち熱伝導率の低い方は少なくとも絶縁体であることを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項１に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の低い材料が前記熱電変換モジュール側に位置するように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項１〜請求項３に記載の熱電変換素子において、前記熱伝導率の低い材料がポリイミドなどの樹脂であり、前記熱伝導率の高い材料が銅などの金属であることを特徴とする熱電変換素子。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の熱電変換素子は、Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電素子とＮ型材料からなる薄膜のＮ型熱電素子とで構成された熱電変換モジュールの両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設け、熱伝導率の高い材料が前記基板の外面の一部分に位置するように構成したので、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の熱電変換素子は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子であって、Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電素子とＮ型材料からなる薄膜のＮ型熱電素子とで構成された熱電変換モジュールの両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設け、熱伝導率の高い材料が前記基板の外面の一部分に位置するように構成したものである。このように構成することにより、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供することができる。
【実施例１】
【００１０】
本発明の一実施例について、図１に基づき説明する。図１に示した熱電変換素子は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子であり、Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電素子１とＮ型材料からなる薄膜のＮ型熱電素子２とを直列接続となるように成膜し、その両側に電極３を成膜して熱電変換モジュール６を構成し、この熱電変換モジュール６の両面に２種類の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板４、５を設けたものである。
【００１１】
フィルム状基板４、５は、熱電変換モジュール６側に熱伝導率の低い材料４１、５１を設け、この熱伝導率の低い材料４１、５１として絶縁体であるポリイミドなどの樹脂を用いた。
【００１２】
また、フィルム状基板４、５は、熱電変換モジュール６の接合面と反対側に、熱伝導率の高い材料４２、５２が基板４、５の外面の一部分に位置するように設け、この熱伝導率の高い材料４２、５２として銅などの金属を用いた。
【００１３】
フィルム状基板４、５の材料選定においては、材料が安価で入手が容易であること、柔軟性が高いこと、加工が容易であることなどから、熱伝導率の低い材料４１、５１として絶縁体であるポリイミドを選定し、熱伝導率の高い材料４２、５２として銅を選定した。
【００１４】
以上のように、熱電変換モジュール６の両面に熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板４、５を設けたが、これは基板４、５の上下面に温度差を加えた時の各層の熱流束の違いから基板４、５内部に温度差を生じさせるためである。
【００１５】
そして、フィルム状基板４、５は、熱電変換モジュール６側に熱伝導率の低い材料４１、５１を設け、熱電変換モジュール６の接合面と反対側に、熱伝導率の高い材料４２、５２が基板４、５の外面の一部分に位置するように設けることで、基板４、５の厚さ方向の温度勾配を、基板４、５の面内方向の温度勾配に効率よく変換することができる。この温度勾配を利用して、熱電変換モジュール６で効率良く発電を行うことができる。
【００１６】
次に、熱電変換素子の下面に熱を加えた際の、熱電変換素子の上下面温度差と熱電変換モジュール６の内面温度差についてシミュレーション及び実測した結果を図２に示す。実測値（図中＊印）とシミュレーション値（図中実線）はほぼ一致した。上下面温度差５４℃で内面温度差１６．３℃が発生した。この際の熱電変換モジュール６の膜厚は４μｍ、ポリイミド４１、５１の膜厚は２５μｍ、銅４２、５２の膜厚は１２μｍである。なお、銅４２、５２は、基板４、５の外面の面積の約半分に設定した。
【００１７】
本発明の熱電変換素子を、例えば５１４０個集積した場合の発電は、電力７．４６ｍＷと想定される。この場合、熱電材料（熱電素子）に希土類材料ＣｅＰｄ３−ＹｂＰｄを使用した。
【００１８】
以上の説明では、熱電変換モジュール６の両面に2種類の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板４、５について説明したが、基板４、５には、種々の条件によっては、３種類以上の熱伝導率の異なる材料を使用した方が、基板４、５の厚さ方向の温度勾配を、基板４、５の面内方向の温度勾配に、より効率よく変換することができる場合がある。これにより熱電変換モジュール６でより効率良く発電を行うことができる。
【００１９】
以上のように本発明の熱電変換素子は、柔軟なフィルム状基板４、５を用いるので、熱電変換モジュール６への熱ショック等を緩和でき、機械的強度を高めることができ、薄膜プロセス、印刷プロセスを利用して製造プロセスの自動化、簡略化が可能となり、大面積化が可能となるなどの利点を有することができる。また、パイプなど曲面への設置が可能となり、従来の熱電変換素子では設置が困難であった箇所への設置も可能である。さらに、フィルム状基板４、５は、熱電変換モジュール６側に熱伝導率の低い材料４１、５１を設け、熱電変換モジュール６の接合面と反対側に、熱伝導率の高い材料４２、５２が基板４、５の外面の一部分に位置するように設けることで、基板４、５の厚さ方向の温度勾配を、基板４、５の面内方向の温度勾配に効率よく変換することができる。この温度勾配を利用して、熱電変換モジュール６で効率良く発電を行うことができる。つまり、本発明の熱電変換素子は、Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電素子１とＮ型材料からなる薄膜のＮ型熱電素子２とで構成された熱電変換モジュール６の両面に、2種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板４、５を設け、熱伝導率の高い材料４２、５２が前記基板４、５の外面の一部分に位置するように構成したので、機械的強度が高く、加工性に優れ、従って自動化が容易で大量生産が容易、しかも曲面等への設置も可能で設置場所が制限されることのない、発電効率の高い熱電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例の主要部概要構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例の実験結果を示すグラフである。
【図３】従来例を示す説明図である。
【図４】従来例を示す断面図である。
【図５】他の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１    Ｐ型熱電素子
２    Ｎ型熱電素子
４    基板
５    基板
６    熱電変換モジュール
４２  熱伝導率の高い材料
５２  熱伝導率の高い材料
【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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