(57)【要約】【課題】複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率が高い熱電変換デバイスを提供する。【解決手段】本発明に係る熱電変換デバイス１は、基材２と、基材２の上面２ａ上に配置された少なくとも２つの第１の電極４ａと、少なくとも１つの第２の電極４ｂと、少なくとも１つの第１の熱電変換材料５と、少なくとも１つの第２の熱電変換材料６と、基材２の下面２ｂ上に配置された第１の放熱部材７及び第２の放熱部材８のうちの少なくとも一方の放熱部材とを備え、熱電変換デバイス１が第１の放熱部材７を備える場合に、第１の電極４ａの少なくとも一部の領域に対して、第１の放熱部材７が、基材２を介して対向しており、熱電変換デバイス１が第２の放熱部材８を備える場合に、第２の電極４ｂの少なくとも一部の領域に対して、第２の放熱部材８が、基材２を介して対向している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面及び下面を有する基材と、
前記基材の前記上面上に配置された少なくとも２つの第１の電極と、
前記基材の前記上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極と、
前記基材の前記上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料と、
前記基材の前記上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料と、
前記基材の前記下面上に配置された第１の放熱部材及び前記基材の前記下面上に配置された第２の放熱部材のうちの少なくとも一方の放熱部材とを備え、
前記第１の電極と、前記第１の熱電変換材料と、前記第２の電極と、前記第２の熱電変換材料と、前記第１の電極とが、この順で接続されて熱電変換素子が構成されており、
熱電変換デバイスが前記第１の放熱部材を備える場合に、前記第１の電極の少なくとも一部の領域に対して、前記第１の放熱部材が、前記基材を介して対向しており、
熱電変換デバイスが前記第２の放熱部材を備える場合に、前記第２の電極の少なくとも一部の領域に対して、前記第２の放熱部材が、前記基材を介して対向している、熱電変換デバイス。
【請求項２】
前記第１の放熱部材を備え、
前記第１の電極の全体の領域に対して、前記第１の放熱部材が、前記基材を介して対向している、請求項１に記載の熱電変換デバイス。
【請求項３】
前記第２の放熱部材を備え、
前記第２の電極の全体の領域に対して、前記第２の放熱部材が、前記基材を介して対向している、請求項１または２に記載の熱電変換デバイス。
【請求項４】
前記基材の前記下面上に配置された第３の放熱部材を備え、
前記第１の熱電変換材料の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する部分又は前記第２の熱電変換材料の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する部分に対して、前記第３の放熱部材が、前記基材を介して対向しており、前記第１の電極と前記第２の電極とに接続されている前記第１の熱電変換材料の延びる方向、及び、前記第１の電極と前記第２の電極とに接続されている前記第２の熱電変換材料の延びる方向のそれぞれと交差する方向に、前記第３の放熱部材が延びている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
【請求項５】
前記第３の放熱部材を複数備える、請求項４に記載の熱電変換デバイス。
【請求項６】
平面視において、前記第１の熱電変換材料及び前記第２の熱電変換材料の前記第１の電極に接触している面積の合計が、前記第１の電極の面積の５０％以下であり、
平面視において、前記第１の熱電変換材料及び前記第２の熱電変換材料の前記第２の電極に接触している面積の合計が、前記第２の電極の面積の５０％以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
【請求項７】
前記放熱部材が金属膜である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー問題への取り組みが活発化しており、熱エネルギーの回収技術への期待が高まっている。熱は、体温、太陽熱、エンジン及び工業排熱など様々な場面から回収することができ、最も一般的なエネルギー源である。また、エネルギー効率の高い低炭素社会を実現するために、熱エネルギーの回収技術の必要性は増大している。
【０００３】
熱エネルギーの回収技術としては、ゼーベック効果（又はペルチェ効果）に基づく熱電変換デバイスが、温度差発電、熱センサ及び冷却などの様々な場面で既に活用されている。熱電変換デバイスは、例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体との組み合わせである熱電対が多数直列に接続されたモジュール構造を有する。このような熱電変換デバイスは、可動部がないことから騒音及び振動が無く、スケール効果が無く、小さな温度差でも発電でき、様々な機器及び環境に組み込めるという多くの利点を有する。
【０００４】
上記のような熱電変換デバイスの一例が、下記の特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の熱電変換デバイスは、複数の熱電変換材料を有する。熱電変換材料の両端部はそれぞれ電極に接続されている。複数の熱電変換材料は、互いに平行に延びており、熱電変換材料が延びる方向と直交する方向に並んで配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４６４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱電変換デバイスの出力は、一般的に、熱電変換材料を多く配置するほど大きくなる。しかしながら、複数の熱電変換材料間において、放熱側の温度のばらつきが大きい場合には、熱電変換効率が低くなる傾向がある。
【０００７】
本発明の目的は、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる熱電変換デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の広い局面によれば、上面及び下面を有する基材と、前記基材の前記上面上に配置された少なくとも２つの第１の電極と、前記基材の前記上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極と、前記基材の前記上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料と、前記基材の前記上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料と、前記基材の前記下面上に配置された第１の放熱部材及び前記基材の前記下面上に配置された第２の放熱部材のうちの少なくとも一方の放熱部材とを備え、前記第１の電極と、前記第１の熱電変換材料と、前記第２の電極と、前記第２の熱電変換材料と、前記第１の電極とが、この順で接続されて熱電変換素子が構成されており、熱電変換デバイスが前記第１の放熱部材を備える場合に、前記第１の電極の少なくとも一部の領域に対して、前記第１の放熱部材が、前記基材を介して対向しており、熱電変換デバイスが前記第２の放熱部材を備える場合に、前記第２の電極の少なくとも一部の領域に対して、前記第２の放熱部材が、前記基材を介して対向している、熱電変換デバイスが提供される。
【０００９】
本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記第１の電極の全体の領域に対して、前記第１の放熱部材が、前記基材を介して対向している。
【００１０】
本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記第２の電極の全体の領域に対して、前記第２の放熱部材が、前記基材を介して対向している。
【００１１】
本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、熱電変換デバイスは、前記基材の前記下面上に配置された第３の放熱部材を備え、前記第１の熱電変換材料の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する部分又は前記第２の熱電変換材料の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する部分に対して、前記第３の放熱部材が、前記基材を介して対向しており、前記第１の電極と前記第２の電極とに接続されている前記第１の熱電変換材料の延びる方向、及び、前記第１の電極と前記第２の電極とに接続されている前記第２の熱電変換材料の延びる方向のそれぞれと交差する方向に、前記第３の放熱部材が延びている。
【００１２】
本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、熱電変換デバイスは、前記第３の放熱部材を複数備える。
【００１３】
本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、平面視において、前記第１の熱電変換材料及び前記第２の熱電変換材料の前記第１の電極に接触している面積の合計が、前記第１の電極の面積の５０％以下であり、平面視において、前記第１の熱電変換材料及び前記第２の熱電変換材料の前記第２の電極に接触している面積の合計が、前記第２の電極の面積の５０％以下である。
【００１４】
本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記放熱部材が金属膜である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る熱電変換デバイスは、上面及び下面を有する基材と、上記基材の上記上面上に配置された少なくとも２つの第１の電極と、上記基材の上記上面上に配置された少なくとも１つの第２の電極と、上記基材の上記上面上に配置された少なくとも１つの第１の熱電変換材料と、上記基材の上記上面上に配置された少なくとも１つの第２の熱電変換材料と、上記基材の上記下面上に配置された第１の放熱部材及び上記基材の上記下面上に配置された第２の放熱部材のうちの少なくとも一方の放熱部材とを備え、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極とが、この順で接続されて熱電変換素子が構成されており、熱電変換デバイスが上記第１の放熱部材を備える場合に、上記第１の電極の少なくとも一部の領域に対して、上記第１の放熱部材が、上記基材を介して対向しており、熱電変換デバイスが上記第２の放熱部材を備える場合に、上記第２の電極の少なくとも一部の領域に対して、上記第２の放熱部材が、上記基材を介して対向しているので、複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制することができ、熱電変換効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの平面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの底面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る熱電変換デバイスの底面図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換デバイスの底面図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換デバイスの分解斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施例１及び比較例１における熱電変換デバイスの出力電圧と時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
本発明に係る熱電変換デバイスは、基材と、少なくとも２つの第１の電極と、少なくとも１つの第２の電極と、少なくとも１つの第１の熱電変換材料と、少なくとも１つの第２の熱電変換材料とを備える。上記基材は、上面と下面とを有する。上記第１の電極、上記第２の電極、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料は、上記基材の上記上面上に配置されている。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極とが、この順で接続されて熱電変換素子が構成されている。なお、本発明に係る熱電変換デバイスの使用時の方向性は特に限定されない。本明細書においては、上記基材の上記熱電変換素子が配置されている表面を、上面と呼び、上記基材の上記熱電変換素子が配置されている表面とは反対側の表面を、下面と呼ぶ。熱電変換デバイスの使用時には、基材の上面が上方に位置し、下面が下方に位置するとは限らない。
【００１９】
上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料のうち一方が、ｐ型熱電変換材料であり、他方がｎ型熱電変換材料である。上記第１の熱電変換材料がｎ型熱電変換材料であり、上記第２の熱電変換材料がｐ型熱電変換材料であってもよい。上記第１の熱電変換材料がｐ型熱電変換材料であり、上記第２の熱電変換材料がｎ型熱電変換材料であってもよい。
【００２０】
上記熱電変換デバイスは、上記基材の上記下面上に配置された第１の放熱部材及び上記基材の上記下面上に配置された第２の放熱部材のうちの少なくとも一方の放熱部材を備える。上記熱電変換デバイスは、上記第１の放熱部材を備えていてもよく、上記第２の放熱部材を備えていてもよい。
【００２１】
上記熱電変換デバイスが上記第１の放熱部材を備える場合には、上記第１の電極の少なくとも一部の領域に対して、上記第１の放熱部材が、上記基材を介して対向している。平面視において、上記第１の電極と上記第１の放熱部材とは、上記基材を介して重なり合う位置に配置されている。上記熱電変換デバイスが上記第２の放熱部材を備える場合には、上記第２の電極の少なくとも一部の領域に対して、上記第２の放熱部材が、上記基材を介して対向している。平面視において、上記第２の電極と上記第２の放熱部材とは、上記基材を介して重なり合う位置に配置されている。
【００２２】
上記熱電変換デバイスが上記第１の放熱部材を備える場合には、発電に際し、上記第２の電極側が加熱される。これにより、上記第１の電極と上記第２の電極とにおいて温度差が生じる。上記第１の電極から、上記基材を介して上記第１の放熱部材に熱が速やかに伝搬するので、上記第１の電極と上記第２の電極との温度差を効果的に大きくすることができる。上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側とにおける温度差及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側とにおける温度差を大きくすることができる。
【００２３】
さらに、上記複数の第１の電極から上記第１の放熱部材に伝搬した熱は、上記第１の放熱部材から放熱されると同時に、上記第１の放熱部材内において拡散する。上記第１の放熱部材を介して、上記複数の第１の電極の領域の温度の均一性を高めることができる。上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料内の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の均一性を高めることができ、熱電変換効率をより一層高くすることができる。
【００２４】
一方で、上記熱電変換デバイスが上記第２の放熱部材を備える場合には、発電に際し、上記第１の電極側が加熱される。この場合においても、上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側とにおける温度差及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側とにおける温度差を大きくすることができる。
【００２５】
さらに、上記第２の放熱部材内において熱が拡散するので、上記第２の放熱部材を介して、上記第２の電極の領域の温度の均一性を高めることができる。上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料内の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の均一性を高めることができ、熱電変換効率をより一層効果的に高くすることができる。
【００２６】
上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高める観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記第１の熱電変換材料又は上記第２の熱電変換材料を複数有することが好ましい。具体的には、本発明では複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制し、熱電変換効率を高めることができるので、上記熱電変換デバイスは、上記第２の電極を少なくとも２つ有し、上記第１の熱電変換材料を少なくとも２つ有することが好ましい。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極とが、この順で接続されて上記熱電変換素子が構成されていることが好ましい。
【００２７】
また、本発明では複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制し、熱電変換効率を高めることができるので、上記熱電変換デバイスは、上記第１の電極を少なくとも３つ有し、上記第２の熱電変換材料を少なくとも２つ有することがより好ましい。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極とが、この順で接続されて上記熱電変換素子が構成されていることがより好ましい。
【００２８】
さらに、本発明では複数の熱電変換材料間における温度のばらつきを抑制し、熱電変換効率を高めることができるので、上記熱電変換デバイスは、上記第２の電極を少なくとも３つ有し、上記第１の熱電変換材料を少なくとも３つ有することがさらに好ましい。上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極と、上記第２の熱電変換材料と、上記第１の電極と、上記第１の熱電変換材料と、上記第２の電極とが、この順で接続されて上記熱電変換素子が構成されていることがさらに好ましい。
【００２９】
上記熱電変換デバイスが、上記第１の放熱部材を備える場合に、熱電変換効率をより一層高くする観点からは、上記第１の電極の全体の領域に対して、上記第１の放熱部材が上記基材を介して対向していることが好ましい。上記第１の電極の全体の領域から、上記第１の放熱部材に熱を効率的に伝搬させることができるので、熱電変換効率をより一層高くすることができる。さらに、上記第１の放熱部材を介して、上記複数の第１の電極の全体の領域の温度の均一性を効果的に高めることができる。上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料内の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の均一性を高めることができ、熱電変換効率をより一層効果的に高くすることができる。
【００３０】
上記熱電変換デバイスが、上記第２の放熱部材を備える場合に、熱電変換効率をより一層高くする観点からは、上記第２の電極の全体の領域に対して、上記第２の放熱部材が上記基材を介して対向していることが好ましい。上記第２の電極の全体の領域から、上記第２の放熱部材に熱を効率的に伝搬させることができるので、熱電変換効率をより一層高くすることができる。さらに、上記第２の放熱部材を介して、上記第２の電極の全体の領域の温度の均一性を高めることができる。上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の均一性を高めることができ、熱電変換効率をより一層効果的に高くすることができる。
【００３１】
熱電変換効率をより一層高くする観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記第１の放熱部材と上記第２の放熱部材との双方を備えることが好ましい。上記第１の放熱部材と上記第２の放熱部材とは、互いに離れて配置されている。上記第１の電極の領域及び上記第２の電極の領域の双方において温度の均一性を高くすることができる。上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の均一性をより一層高めることができ、熱電変換効率をより一層効果的に高くすることができる。
【００３２】
熱電変換効率をより一層高くする観点からは、複数の上記第１の電極に対して、１つの上記第１の放熱部材が、上記基材を介して対向していることが好ましい。熱電変換効率をより一層高くする観点からは、複数の上記第２の電極に対して、１つの上記第２の放熱部材が、上記基材を介して対向していることが好ましい。
【００３３】
なお、上記第１の放熱部材及び上記第２の放熱部材の双方を備える場合には、上記第１の電極側を加熱してもよく、上記第２の電極側を加熱してもよい。
【００３４】
熱電変換効率を高くする観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記基材の上記下面上に配置された第３の放熱部材を備え、上記第３の放熱部材は、上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極と上記第２の電極との間に位置する部分又は上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極と上記第２の電極との間に位置する部分に対して、上記基材を介して対向していることが好ましい。平面視において、上記第１の熱電変換材料又は上記第２の熱電変換材料と上記第３の放熱部材とは、上記基材を介して重なり合う位置に配置されている。上記基材の上記下面上において、上記第３の放熱部材は上記第１の放熱部材と離れて配置されている。上記基材の上記下面上において、上記第３の放熱部材は上記第２の放熱部材と離れて配置されている。
【００３５】
上記第３の放熱部材の使用によって、上記第１の熱電変換材料又は上記第２の熱電変換材料から上記基材を介して上記第３の放熱部材に速やかに熱が伝搬する。上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差又は上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差を大きくすることができ、熱電変換効率を高くすることができる。
【００３６】
熱電変換効率をより一層高くする観点からは、上記第３の放熱部材が、上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極と上記第２の電極との間に位置する部分及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極と上記第２の電極との間に位置する部分の双方に対して、上記基材を介して対向していることが好ましい。上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の双方を大きくすることができ、熱電変換効率をより一層高くすることができる。
【００３７】
上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第１の熱電変換材料の延びる方向、及び、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第２の熱電変換材料の延びる方向のそれぞれと交差する方向に、上記第３の放熱部材が延びていることが好ましい。この場合には、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の均一性を高めることができ、熱電変換効率を高くすることができる。
【００３８】
上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第１の熱電変換材料の延びる方向、及び、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第２の熱電変換材料の延びる方向とが平行であり、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第１の熱電変換材料の延びる方向、及び、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第２の熱電変換材料の延びる方向のそれぞれと直交する方向に、上記第３の放熱部材が延びていることが好ましい。この場合には、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料の、上記第１の電極に接続されている部分と、上記第３の放熱部材に対向している部分との距離を容易に揃えることができ、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料の温度勾配を容易に揃えることができる。従って、上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差の均一性をより一層高めることができ、熱電変換効率をより一層高くすることができる。
【００３９】
熱電変換効率をより一層高くする観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記第３の放熱部材を複数備えることが好ましい。上記第３の放熱部材が外気に接する表面積を大きくすることができ、放熱性を高くすることができる。
【００４０】
上記第３の放熱部材が、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第１の熱電変換材料の延びる方向、又は、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第２の熱電変換材料の延びる方向に複数配置されていることが好ましい。この場合には、上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差又は上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差をより一層大きくすることができ、熱電変換効率をより一層高くすることができる。
【００４１】
なお、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第１の熱電変換材料の延びる方向、及び、上記第１の電極と上記第２の電極とに接続されている上記第２の熱電変換材料の延びる方向のそれぞれと交差する方向に、上記第３の放熱部材が複数配置されていてもよい。
【００４２】
ここで、上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極と上記第２の電極との間に位置する部分を部分Ｃ（図４における部分Ｃに相当する。）とする。上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極と上記第２の電極との間に位置する部分を部分Ｄ（図４における部分Ｄに相当する。）とする。
【００４３】
熱電変換効率をより一層高くする観点からは、平面視において、上記第１の熱電変換材料の上記部分Ｃ及び上記第２の熱電変換材料の上記部分Ｄの面積１００％中の５０％以下の領域にて、上記部分Ｃ又は上記部分Ｄに対して、上記第３の放熱部材が、上記基材を介して対向していることが好ましい。上記第３の放熱部材が外気に接する表面積を大きくすることができ、放熱性を高くすることができる。
【００４４】
一方、上記第３の放熱部材内においては熱が分散する。上記第３の放熱部材に上記基材を介して対向している上記第１の熱電変換材料の部分又は上記第２の熱電変換材料の部分においては、温度の均一性が高まる。上記第３の放熱部材の配置領域を上記のように５０％以下の領域とすることにより、発電に際し、上記第１の熱電変換材料又は上記第２の熱電変換材料において好適に熱勾配を生じさせることができる。従って、熱電変換効率をより一層高くすることができる。
【００４５】
熱電変換デバイスの信頼性を高くする観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記基材の上記上面上に、上記第１の熱電変換材料、上記第２の熱電変換材料、上記第１の電極及び上記第２の電極を覆うように配置された封止材を備えることが好ましい。上記熱電変換素子は、上記封止材により封止されていることが好ましい。
【００４６】
熱電変換効率を高くする観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記封止材の上記基材側とは反対側の表面上に配置された第４の放熱部材を備えることが好ましい。上記第４の放熱部材は、上記第１の電極又は上記第２の電極に対して、上記封止材を介して対向していることが好ましい。上記第４の放熱部材は、上記第１の電極に対して、上記封止材を介して対向していてもよく、上記第２の電極に対して、上記封止材を介して対向していてもよい。
【００４７】
上記第４の放熱部材の使用によって、上記第１の電極に対して、上記封止材を介して対向している場合には、発電に際し上記第２の電極側から加熱されたときに、上記第１の電極から、上記封止材を介して上記第４の放熱部材に熱が速やかに伝搬するので、放熱性を高めることができる。また、上記第１の電極側又は上記第２の電極側から加熱された場合に、上記第４の放熱部材内において熱が拡散するので、上記第４の放熱部材を介して、上記複数の第１の電極の領域の温度の均一性を高めることができる。
【００４８】
また、上記第４の放熱部材の使用によって、上記第２の電極に対して、上記封止材を介して対向している場合には、発電に際し上記第１の電極側から加熱されたときに、上記第２の電極から、上記封止材を介して上記第４の放熱部材に熱が速やかに伝搬するので、放熱性を高めることができる。また、上記第１の電極側又は上記第２の電極側から加熱された場合に、上記第４の放熱部材内において熱が拡散するので、上記第４の放熱部材を介して、上記複数の第２の電極の領域の温度の均一性を高めることができる。
【００４９】
上記第４の放熱部材は、上記第１の熱電変換材料の上記部分Ｃ又は上記第２の熱電変換材料の上記部分Ｄに対して、上記封止材を介して対向していることが好ましい。上記第４の放熱部材は、上記第１の熱電変換材料の上記部分Ｃに対して、上記封止材を介して対向していてもよく、上記第２の熱電変換材料の上記部分Ｄに対して、上記封止材を介して対向していてもよい。この場合には、上記第１の熱電変換材料又は上記第２の熱電変換材料から上記封止材を介して上記第４の放熱部材に速やかに熱が伝搬する。上記第１の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差又は上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極側と上記第２の電極側との温度差を大きくすることができ、熱電変換効率を高くすることができる。
【００５０】
上記熱電変換デバイスは、放熱部材として、上記第１の放熱部材を有する。また、上記熱電変換デバイスは、放熱部材として、上記第２の放熱部材、上記第３の放熱部材または上記第４の放熱部材を有することが好ましい。
【００５１】
上記第１の放熱部材は金属膜であることが好ましい。第１の電極の領域の温度の均一性を効果的に高めることができる。また、上記第２の電極側が加熱される場合には、上記第１の電極側の放熱性を高めることができる。従って、上記熱電変換デバイスの熱電変換効率を高くすることができる。
【００５２】
上記第２の放熱部材は金属膜であることが好ましい。第２の電極の領域の温度の均一性を効果的に高めることができる。また、上記第１の電極側が加熱される場合には、上記第２の電極側の放熱性を高めることができる。従って、上記熱電変換デバイスの熱電変換効率を高くすることができる。
【００５３】
上記第３の放熱部材は金属膜であることが好ましい。上記第３の放熱部材と上記基材を介して対向している上記第１の熱電変換材料の部分又は上記第２の熱電変換材料の部分の温度の均一性を高めることができる。放熱性を高めることもできる。従って、上記熱電変換デバイスの熱電変換効率を高くすることができる。
【００５４】
上記第４の放熱部材は金属膜であることが好ましい。上記第４の放熱部材と上記封止材を介して対向している上記第１の電極の部分、上記第２の電極の部分、上記第１の熱電変換材料の部分又は上記第２の熱電変換材料の部分の温度の均一性を高めることができる。放熱性を高めることもできる。従って、上記熱電変換デバイスの熱電変換効率を高くすることができる。
【００５５】
上記第１〜第４の放熱部材の材料は、それぞれＣｕやＡｌ等の金属であることが好ましく、熱伝導率が高い金属であることがより好ましい。このような材料により形成された放熱部材の使用によって、放熱性やそれぞれの部分の温度の均一性をより一層高くすることができる。
【００５６】
熱電変換効率を高くする観点からは、平面視において、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料の上記第１の電極に接触している面積の合計が、上記第１の電極の面積の５０％以下であることが好ましい。この場合には、上記第１の電極が外気に接する表面積を大きくすることができる。上記第２の電極側から加熱された場合に、上記第１の電極側での放熱性を高めることができ、熱電変換効率を高くすることができる。
【００５７】
同様に、平面視において、上記第１の熱電変換材料及び上記第２の熱電変換材料の上記第２の電極に接触している面積の合計が、上記第２の電極の面積の５０％以下であることが好ましい。この場合には、上記第２の電極が外気に接する表面積を大きくすることができる。上記第１の電極側から加熱された場合に、上記第２の電極側での放熱性を高めることができ、熱電変換効率を高くすることができる。
【００５８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明する。
【００５９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの平面図である。図２は、第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの底面図である。
【００６０】
なお、実施形態において参照する図面は、模式的に記載されており、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。具体的な物体の寸法の比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００６１】
図１に示す熱電変換デバイス１は、基材２を備える。基材２は、上面２ａ及び下面２ｂを有する。基材２の材料として、例えば、樹脂やセラミックスなどを用いることができる。基材２の材料は、熱伝導率が下記の第１，第２の熱電変換材料よりも低い材料であることが好ましい。
【００６２】
熱電変換デバイス１は、基材２の上面２ａ上に形成された複数の熱電変換素子３を備える。熱電変換素子３は、２つの第１の電極４ａと、１つの第２の電極４ｂと、第１の熱電変換材料５と、第２の熱電変換材料６とを有する。第１の電極４ａ、第１の熱電変換材料５、第２の電極４ｂ、第２の熱電変換材料６、第１の電極４ａが、この順で接続されて１つの熱電変換素子３部分（この５つの接続部分を、熱電変換素子と区別して熱電変換素子部分と呼ぶ）が構成されている。本実施形態では、第１の熱電変換材料５はｐ型熱電変換材料であり、第２の熱電変換材料６はｎ型熱電変換材料である。
【００６３】
第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第１の熱電変換材料５の延びる方向、及び、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第２の熱電変換材料６の延びる方向とは平行である。第１の熱電変換材料５と第２の熱電変換材料６とは、互いに離れて、並んで配置されている。
【００６４】
上記と同様の構成を有する熱電変換素子３部分が複数配置されている。具体的には、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第１の熱電変換材料５の延びる方向、及び、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第２の熱電変換材料６の延びる方向のそれぞれと直交する方向に、複数の熱電変換素子３部分が並んで配置されている。各熱電変換素子３部分の１つの第１の電極４ａは、隣接する熱電変換素子３部分の１つの第１の電極４ａと共通の電極である。すなわち、第２の熱電変換材料６が接続された第１の電極４ａには第１の熱電変換材料５が接続されており、該熱電変換材料５には、さらに第２の電極４ｂが接続されている。図１では、５つの熱電変換素子３部分が連なっている。２つ以上の熱電変換素子部分が連なっていてもよく、３つ以上の熱電変換素子部分が連なっていてもよい。
【００６５】
図２に示すように、基材２の下面２ｂ上には、第１の放熱部材７及び第２の放熱部材８が配置されている。第１の放熱部材７は基材２を介して全ての第１の電極４ａの領域に対向している。第２の放熱部材８は基材２を介して全ての第２の電極４ｂに対向している。第１の放熱部材７及び第２の放熱部材８として、例えば、金属膜等を用いることができる。
【００６６】
発電に際しては、第１の電極４ａ側を加熱してもよく、第２の電極４ｂ側を加熱してもよい。熱電変換デバイス１は第１の放熱部材７及び第２の放熱部材８を有するため、上記のいずれの場合においても放熱性を高めることができる。第１の熱電変換材料５の第１の電極４ａ側と第２の電極４ｂ側との温度差及び第２の熱電変換材料６の第１の電極４ａ側と第２の電極４ｂ側との温度差の均一性を高めることもできる。従って、熱電変換効率を効果的に高くすることができる。
【００６７】
図２中の一点鎖線Ａ１は、平面視において、第１の熱電変換材料５の第１の電極４ａに接触している部分を示す。一点鎖線Ｂ１は、平面視において、第２の熱電変換材料６の第１の電極４ａに接触している部分を示す。熱電変換デバイス１においては、一点鎖線Ａ１，Ｂ１で示す部分の面積の合計が、第１の電極４ａの面積の５０％以下である。これにより、第１の電極４ａ側での放熱性を高めることができる。他の第１の電極においても同様である。
【００６８】
図２中の一点鎖線Ａ２は、平面視において、第１の熱電変換材料５の第２の電極４ｂに接触している部分を示す。一点鎖線Ｂ２は、平面視において、第２の熱電変換材料６の第２の電極４ｂに接触している部分を示す。熱電変換デバイス１においては、一点鎖線Ａ２，Ｂ２で示す部分の面積の合計が、第２の電極４ｂの面積の５０％以下である。これにより、第２の電極４ｂ側での放熱性を高めることができる。他の第２の電極においても同様である。
【００６９】
図３は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る熱電変換デバイスの底面図である。
【００７０】
図３に示す熱電変換デバイス１１は、第２の放熱部材８を有し、かつ第１の放熱部材を有さない。この場合においても、第１の電極４ａ側から加熱された場合に、熱電変換効率を高くすることができる。なお、第２の放熱部材を有さず、かつ第１の放熱部材を有する場合には、第２の電極側を加熱された場合に、熱電変換効率を高くすることができる。このように、本発明に係る熱電変換デバイスは、第１の放熱部材及び第２の放熱部材のうち少なくとも一方を有していればよい。本発明に係る熱電変換デバイスは、第１の放熱部材を有し、かつ第２の放熱部材を有していなくてもよい。
【００７１】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換デバイスの底面図である。
【００７２】
図４に示す熱電変換バイス２１は、基材２と、基材２の上面２ａ上に配置された複数の熱電変換素子３とを備える。熱電変換デバイス２１は、基材２の下面２ｂ上に配置された第１の放熱部材７と、第２の放熱部材８とを備える。熱電変換素子３は、第１の電極４ａ、第１の熱電変換材料５、第２の電極４ｂ、第２の熱電変換材料６、第１の電極４ａが、この順で接続されて構成されている。
【００７３】
さらに、熱電変換デバイス２１は、基材２の下面２ｂ上に配置された複数の第３の放熱部材２９を備える。第３の放熱部材２９には、例えば、金属膜等を用いることができる。
【００７４】
第３の放熱部材２９は、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第１の熱電変換材料５の延びる方向、及び、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第２の熱電変換材料６の延びる方向のそれぞれと直交する方向に延びている。第３の放熱部材２９は、基材２の下面２ｂ上において、第１の放熱部材７及び第２の放熱部材８と離れて配置されている。
【００７５】
第３の放熱部材２９は、第１の熱電変換材料５の第１の電極４ａと第２の電極４ｂとの間に位置する部分Ｃ及び第２の熱電変換材料６の第１の電極４ａと第２の電極４ｂとの間に位置する部分Ｄに対して、基材２を介して対向している。
【００７６】
複数の第３の放熱部材２９は、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第１の熱電変換材料５の延びる方向、及び、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第２の熱電変換材料６の延びる方向に並べて配置されている。
【００７７】
ここで、第３の放熱部材２９が延びる方向に直交する方向に沿う第３の放熱部材２９の寸法を幅とする。複数の第３の放熱部材２９の幅の合計は、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとの距離の５０％以下である。このため、熱電変換デバイス２１においては、平面視において、第１の熱電変換材料５の部分Ｃ及び第２の熱電変換材料６の部分Ｄの面積１００％中の５０％以下の領域にて、部分Ｃ及び部分Ｄに対して、第３の放熱部材２９が、基材２を介して対向している。
【００７８】
熱電変換デバイス２１は第３の放熱部材２９を有するため、放熱性をより一層高めることができる。第３の放熱部材２９の配置を、平面視において、部分Ｃ及び部分Ｄの面積１００％中の５０％以下の領域とすることにより、発電に際し、第１の熱電変換材料５及び第２の熱電変換材料６において好適に熱勾配を生じさせることもできる。従って、熱電変換効率をより一層高くすることができる。
【００７９】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換デバイスの分解斜視図である。
【００８０】
図５に示す熱電変換デバイス３１は、基材２と、基材２の上面２ａ上に配置された複数の熱電変換素子３とを備える。熱電変換デバイス３１は、基材２の下面２ｂ上に配置された第１の放熱部材７と、第２の放熱部材８と、複数の第３の放熱部材２９とを備える。熱電変換素子３は、第１の電極４ａ、第１の熱電変換材料５、第２の電極４ｂ、第２の熱電変換材料６、第１の電極４ａが、この順で接続されて構成されている。
【００８１】
さらに、熱電変換デバイス３１は、基材２の上面２ａ上に、第１の熱電変換材料５、第２の熱電変換材料６、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂを覆うように配置された封止材３２を備える。熱電変換デバイス３１は、封止材３２の基材２側とは反対側の表面３２ｂ上に配置された第４の放熱部材３７〜３９を備える。封止材３２として、例えば、樹脂等を用いることができる。第４の放熱部材３７〜３９として、例えば、金属膜等を用いることができる。
【００８２】
第４の放熱部材３７は、第１の電極４ａに対して、封止材３２を介して対向している。第４の放熱部材３７は封止材３２を介して全ての第１の電極４ａの領域に対向している。第４の放熱部材３８は、第２の電極４ｂに対して、封止材３２を介して対向している。第４の放熱部材３８は封止材３２を介して全ての第２の電極４ｂの領域に対向している。第４の封止部材３７，３８は、第１，第２の放熱部材７，８と同様に配置されている。
【００８３】
第４の放熱部材３９は、第１の熱電変換材料５の部分Ｃ又は第２の熱電変換材料６の部分Ｄに対して、封止材３２を介して対向している。第４の放熱部材３９は、複数配置されている。具体的には、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第１の熱電変換材料５の延びる方向、及び、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとに接続されている第２の熱電変換材料６の延びる方向に並べて配置されている。第４の放熱部材３９は、第３の放熱部材２９と同様に配置されている。
【００８４】
封止材３２により、第１の熱電変換材料５、第２の熱電変換材料６、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂが覆われているため、信頼性を高めることができる。
【００８５】
発電に際し、第４の放熱部材３７〜３９を有するため、第１の電極４ａ側から加熱された場合及び第２の電極４ｂ側から加熱された場合において、放熱性を高めることができる。また、第１の熱電変換材料５の第１の電極４ａ側と第２の電極４ｂ側との温度差及び第２の熱電変換材料６の第１の電極４ａ側と第２の電極４ｂ側との温度差の均一性を高めることができる。従って、熱電変換効率を効果的に高くすることができる。
【００８６】
以下、下記の実施例１と比較例１とを比較することにより、本発明の効果を具体的に説明する。
【００８７】
実施例１は、図１及び図２に示す本発明の第１の実施形態の構成を有する。比較例１は、第１の放熱部材及び第２の放熱部材を有さない点以外においては、第１の実施形態と同様の構成を有する。
【００８８】
（評価）
出力電圧の測定：
実施例１及び比較例１の熱電変換デバイスを第１の電極側から加熱し、出力電圧を測定した。評価の結果を下記の図６に示す。
【００８９】
図６は、実施例１及び比較例１における熱電変換デバイスの出力電圧と時間との関係を示す図である。太線は実施例１の結果を示し、細線は比較例１の結果を示す。なお、図６における横軸は相対的な時間を示している。図６においては、第１の電極側の加熱を開始した後に、第１の電極側と第２の電極側との温度差がある程度安定してからの出力電圧を示している。
【００９０】
図６に示すように、実施例１では、比較例１より出力電圧が高いことがわかる。さらに、実施例１では、比較例１より出力電圧の安定性が高いことがわかる。
【符号の説明】
【００９１】
１…熱電変換デバイス
２…基材
２ａ…上面
２ｂ…下面
３…熱電変換素子
４ａ，４ｂ…第１，第２の電極
５，６…第１，第２の熱電変換材料
７，８…第１，第２の放熱部材
１１，２１…熱電変換デバイス
２９…第３の放熱部材
３１…熱電変換デバイス
３２…封止材
３２ｂ…表面
３７〜３９…第４の放熱部材
【図１】
2018088446.tif 000003
【図２】
2018088446.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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