(57)【要約】【課題】薄膜の熱電材料を用いた高出力な熱電変換装置を提供すること。【解決手段】第１基部と、前記第１基部に対向し、第１領域と、前記第１基部との間隔が前記第１領域における前記第１基部との間隔より大きい第２領域と、を有する第２基部と、前記第１基部と前記第２基部の前記第１領域との間に設けられ、前記第１基部および前記第２基部に熱的に接続された熱電変換ユニットと、前記第１基部と前記第２基部の前記第２領域との間に設けられ、前記第１基部を前記第２基部に支持する支持体と、前記第１基部と前記第２基部の前記第２領域との間に設けられた熱絶縁体と、を備える熱電変換装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基部と、
前記第１基部に対向し、第１領域と、前記第１基部との間隔が前記第１領域における前記第１基部との間隔より大きい第２領域と、を有する第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部の前記第１領域との間に設けられ、前記第１基部および前記第２基部に熱的に接続された熱電変換ユニットと、
前記第１基部と前記第２基部の前記第２領域との間に設けられ、前記第１基部を前記第２基部に支持する支持体と、
前記第１基部と前記第２基部の前記第２領域との間に設けられた熱絶縁体と、
を備える熱電変換装置。
【請求項２】
前記熱絶縁体は、大気圧より低い圧力を有する気体または真空を含み、
前記支持体は、前記気体または真空を囲むように設けられ前記気体または真空を保持する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記熱絶縁体は、固体である請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
熱電変換ユニットは、
前記第１基部に熱的に接続された複数の第１接続層と、
前記第２基部に熱的に接続された複数の第２接続層と、
前記複数の第１接続層のうち１つの第１接続層と前記複数の第２接続層のうち１つの第２接続層との間に電気的に各々接続された複数の第１熱電層と、
前記１つの第１接続層と前記複数の第２接続層のうち前記１つの第２接続層の隣の第２接続層との間に電気的に各々接続され、前記複数の第１熱電層と反対の導電型を有する複数の第２熱電層と、
を有し、
前記複数の第１熱電層と前記複数の第２熱電層とは、前記複数の第１接続層と前記複数の第２接続層とを交互に介して直列に接続されている請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記複数の第１熱電層および前記複数の第２熱電層は、平面方向に平行な第１方向に交互に設けられ、
前記複数の第１接続層および前記複数の第２接続層は、前記複数の第１熱電層および前記複数の第２熱電層の間に交互設けられ、
前記熱電変換ユニットは、前記第１方向に交差する方向に延伸し前記複数の第１接続層と前記第１基部とをそれぞれ熱的に接続する複数の第１熱伝導層と、前記第１方向に交差する方向に延伸し前記複数の第２接続層と前記第２基部とをそれぞれ熱的に接続する複数の第２熱伝導層と、を有する請求項４に記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記熱電変換ユニットは、前記複数の第１熱電層と前記複数の第２熱電層との間および前記複数の第１接続層と前記複数の第２接続層との間に設けられている内部熱絶縁体を有する請求項４に記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記熱電変換ユニットは、前記複数の第１熱電層、前記複数の第２熱電層、前記複数の第１接続層および前記複数の第２接続層と前記第１基部および前記第２基部との間、並びに前記複数の第１熱伝導層と前記複数の第２熱伝導層との間に設けられている内部熱絶縁体を有する請求項５に記載の熱電変換装置。
【請求項８】
平面視における前記支持体の面積は前記熱絶縁体の面積より小さい請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記第１基部と前記第２基部の第２領域との間隔は、前記第１基部と前記第２基部の第１領域との間隔の１０倍以上である請求項１から８のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項１０】
前記第１基部および前記第２基部のいずれか一方は恒温動物の生体の表面に熱的に接続され、
前記第１基部および前記第２基部の他方は空気に熱的に接続される請求項１から９のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項１１】
前記第１基部と前記第２基部との間に前記熱絶縁体を介し互いに離間した複数の前記熱電変換ユニットを備える請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換装置に関し、例えば基部間に設けられた熱電変換ユニットを有する熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電材料から構成される熱電薄膜を用いるマイクロ熱電発電モジュール（μＴＥＧ：Micro Thermoelectric Generator）と呼ばれる小型の熱電変換装置が知られている。上側の基部の下面および下側の基部の上面にそれぞれ、多数の柱状に加工されたｎ型およびｐ型の熱電材料を互い違いに接続したゼーベック素子を形成し、上側の基部と下側の基部とを接合したμＴＥＧが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７４０２９１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
薄膜の熱電材料を用いることで、熱電変換装置の小型化、軽量化、低コスト化および高集積化が可能である。しかしながら、熱電材料が薄膜であること、および薄膜に対応するモジュールの構造上、ゼーベック素子に温度差を付けることは容易ではない。このため、高出力な熱電変換装置を実現することが難しい。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、薄膜の熱電材料を用いた高出力な熱電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１基部と、前記第１基部に対向し、第１領域と、前記第１基部との間隔が前記第１領域における前記第１基部との間隔より大きい第２領域と、を有する第２基部と、前記第１基部と前記第２基部の前記第１領域との間に設けられ、前記第１基部および前記第２基部に熱的に接続された熱電変換ユニットと、前記第１基部と前記第２基部の前記第２領域との間に設けられ、前記第１基部を前記第２基部に支持する支持体と、前記第１基部と前記第２基部の前記第２領域との間に設けられた熱絶縁体と、を備える熱電変換装置である。
【０００７】
上記構成において、前記熱絶縁体は、大気圧より低い圧力を有する気体または真空を含み、前記支持体は、前記気体または真空を囲むように設けられ前記気体または真空を保持する構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記熱絶縁体は、固体である構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、熱電変換ユニットは、前記第１基部に熱的に接続された複数の第１接続層と、前記第２基部に熱的に接続された複数の第２接続層と、前記複数の第１接続層のうち１つの第１接続層と前記複数の第２接続層のうち１つの第２接続層との間に電気的に各々接続された複数の第１熱電層と、前記１つの第１接続層と前記複数の第２接続層のうち前記１つの第２接続層の隣の第２接続層との間に電気的に各々接続され、前記複数の第１熱電層と反対の導電型を有する複数の第２熱電層と、を有し、前記複数の第１熱電層と前記複数の第２熱電層とは、前記複数の第１接続層と前記複数の第２接続層とを交互に介して直列に接続されている構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記複数の第１熱電層および前記複数の第２熱電層は、平面方向に平行な第１方向に交互に設けられ、前記複数の第１接続層および前記複数の第２接続層は、前記複数の第１熱電層および前記複数の第２熱電層の間に交互設けられ、前記熱電変換ユニットは、前記第１方向に交差する方向に延伸し前記複数の第１接続層と前記第１基部とをそれぞれ熱的に接続する複数の第１熱伝導層と、前記第１方向に交差する方向に延伸し前記複数の第２接続層と前記第２基部とをそれぞれ熱的に接続する複数の第２熱伝導層と、を有する構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記熱電変換ユニットは、前記複数の第１熱電層と前記複数の第２熱電層との間および前記複数の第１接続層と前記複数の第２接続層との間に設けられている内部熱絶縁体を有する構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記熱電変換ユニットは、前記複数の第１熱電層、前記複数の第２熱電層、前記複数の第１接続層および前記複数の第２接続層と前記第１基部および前記第２基部との間、並びに前記複数の第１熱伝導層と前記複数の第２熱伝導層との間に設けられている内部熱絶縁体を有する構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、平面視における前記支持体の面積は前記熱絶縁体の面積より小さい構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記第１基部と前記第２基部の第２領域との間隔は、前記第１基部と前記第２基部の第１領域との間隔の１０倍以上である構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記第１基部および前記第２基部のいずれか一方は恒温動物の生体の表面に熱的に接続され、前記第１基部および前記第２基部の他方は空気に熱的に接続される構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記第１基部と前記第２基部との間に前記熱絶縁体を介し互いに離間した複数の前記熱電変換ユニットを備える構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、薄膜の熱電材料を用いた高出力な熱電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係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】図２（ａ）は、実施例１における熱電変換ユニット近傍の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（ａ）は、比較例１に係る熱電変換装置の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ｃ）は、比較例２に係る熱電変換装置の断面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、シミュレーションに用いた恒温動物モデルを示す図である。
【図５】図５は、比較例１におけるｘに対するＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１におけるそれぞれｘおよびＨに対するγｄ、（１−γ）ｄおよびｍ０、ＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１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８】図８（ａ）は、実施例２に係る熱電変換装置の平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図９】図９（ａ）は、実施例２においてシミュレーションに用いた熱電変換ユニットの平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ実施例１および実施例２に係る熱電変換装置の断面模式図である。
【図１１】図１１は、比較例３におけるｘに対するＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。
【図１２】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施例２におけるそれぞれｘおよびＨに対するＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。
【図１３】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２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１４】図１４（ａ）から図１４（ｄ）は、実施例３に係る熱電変換装置の平面図である。
【図１５】図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例４に係る熱電変換装置の断面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、実施例４の変形例１に係る熱電変換装置の平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１（ａ）は、実施例１に係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１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、基部２２ａおよび２２ｂの平面方向をＸ方向およびＹ方向とし、基部２２ａから２２ｂへ向かう方向をＺ方向とする。熱電変換装置１００では、基部２２ａと２２ｂとは対向している。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Ｈ０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て形状である。
【００２１】
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。すなわち、熱絶縁体３２は、大気圧より低い圧力を有する気体または真空を含む。支持体３４は、熱絶縁体３２の圧力または真空を維持する。熱絶縁体３２は大気圧の空気または支持体３４より柔らかい固体でもよい。熱絶縁体３２が気体、真空または柔らかい固体の場合、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ユニット３０、基部２２ａ、２２ｂおよび支持体３４の熱伝導率より小さい。
【００２２】
図２（ａ）は、実施例１における熱電変換ユニット近傍の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、熱電変換ユニット３０では、熱電層１２ａおよび熱電層１２ｂがＸ方向に交互に配列されている。熱電層１２ａおよび１２ｂは例えばそれぞれｎ型およびｐ型である。隣接する熱電層１２ａと１２ｂとは、−Ｚ方向および＋Ｚ方向においてそれぞれ接続層１４ａおよび１４ｂに電気的および熱的に接続されている。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は−Ｚ方向において電気的な絶縁膜２０を介し高温の基部２２ａに熱的に接続されている。接続層１４ｂは＋Ｚ方向において電気的な絶縁膜２０を介し低温の基部２２ｂに熱的に接続されている。熱電層１２ａおよび１２ｂの間に電気的および熱的な絶縁層１８が設けられている。
【００２３】
基部２２ａと２２ｂとの間に温度差が生じるとゼーベック効果によりゼーベック素子１０に起電力が生じる。ゼーベック素子１０を電極２４ａと２４ｂとの間に複数直列に接続することにより、電極２４ａと２４ｂとの間の起電力を大きくできる。
【００２４】
図３（ａ）は、比較例１に係る熱電変換装置の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ｃ）は、比較例２に係る熱電変換装置の断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、比較例１の熱電変換装置１１０では、基部２２ａと２２ｂとの間隔Ｈ０は均一であり、基部２２ａに凸部は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００２５】
図３（ｃ）に示すように、比較例２の熱電変換装置１１２では、支持体３４が設けられていない。熱絶縁体３２は、大気圧の空気または固体である。その他の構成は比較例１と同じであり説明を省略する。
【００２６】
比較例２の熱電変換装置１１２のように、平面視において、基部２２ａおよび２２ｂに対し熱電変換ユニット３０を小さく、基部２２ａと２２ｂとの間に熱絶縁体３２を設ける。比較例２では、比較例１における支持体３４を流れる熱流がない。このため、基部２２ａと２２ｂとの間の温度差を大きくできる。よって、熱電変換ユニット３０の出力を比較例１より大きくできる。
【００２７】
しかしながら、比較例２では、熱絶縁体３２を大気圧より低い圧力の気体または真空とすることはできない。また、熱絶縁体３２が柔らかい物質の場合、基部２２ａと２２ｂとを熱電変換ユニット３０のみにより支持することになる。基部２２ａおよび２２ｂの平面形状が大きくなると、基部２２ｂが不安定となる。
【００２８】
比較例１の熱電変換装置１１０では、基部２２ａと２２ｂとの間に支持体３４を設ける。支持体３４が基部２２ｂを基部２２ａに支持することで、基部２２ｂが不安定となることを抑制できる。支持体３４が熱絶縁体３２を囲むことで、熱絶縁体３２である気体または真空を保持することができる。
【００２９】
しかしながら、比較例１では、支持体３４を介して基部２２ａから２２ｂに熱流が流れる。これにより、基部２２ａと２２ｂとの間の温度差が小さくなり、熱電変換ユニット３０の出力が小さくなる。
【００３０】
実施例１の熱電変換装置１００では、基部２２ａを凸構造とし、支持体３４が設けられている領域３６における基部２２ａと２２ｂとの間隔Ｈを熱電変換ユニット３０が設けられている領域３５における基部２２ａと２２ｂとの間隔Ｈ０より大きくする。これにより、支持体３４の熱抵抗を大きくできるため、基部２２ａから２２ｂに流れる熱流のうち支持体３４を流れる熱流が小さくなる。このため、熱絶縁体３２の材料を適切に選べば、基部２２ａから２２ｂに流れる熱流のうちほとんどは熱電変換ユニット３０を伝導する。よって、基部２２ａと２２ｂとの間の温度差が大きくなり熱電変換ユニット３０の出力が大きくなる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
絶縁層１８ａおよび１８ｂとしては、絶縁性が高く熱伝導率が熱電層１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａ、１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂに比べ十分小さな材料が好ましい。絶縁層１８ａおよび１８ｂとして、例えば酸化シリコン等の無機絶縁体もしくはこれをポーラス化した材料、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、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、シリコンゴム、ブチルゴムもしくはポリウレタンゴム）等の絶縁体、窒素もしくは空気等の絶縁性ガス、大気圧より圧力の低い気体または真空等を用いることができる。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。
【００３５】
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。絶縁膜２０は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２０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２０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。
【００３６】
熱絶縁体３２は、窒素ガス等の気体または真空以外にも、絶縁層１８ａおよび１８ｂの材料を用いることができる。例えば、熱絶縁体３２は、ポーラスシリコンまたはポーラスシリカのような多孔質な固体層でもよい。ポーラスシリコンとしては、例えば高抵抗シリコンを用いたポーラスシリコン、または酸化等により電気的および熱的に絶縁体となるポーラスシリコンを用いることができる。
【００３７】
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。
【００３８】
［実施例１のシミュレーション］
実施例１および比較例１についてシミュレーションを行った。シミュレーションでは、図１（ａ）から図３（ｂ）に示すように、基部２２ａ、２２ｂ、熱電変換ユニット３０、熱電層１２ａおよび１２ｂの平面形状をＸ方向およびＹ方向の辺を有する正方形とした。なお、実際の熱電変換装置では、各部材の平面形状および断面形状は目的に応じ任意に設計できる。
【００３９】
以下のように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
Ｈ：実施例１の領域３６における基部２２ａと２２ｂとの間隔
Ｈ０：比較例１における基部２２ａと２２ｂとの間隔、および実施例１の領域３５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
Ｌ：熱電変換ユニット３０のＸ方向およびＹ方向の幅
Ｌ０：実施例１の領域３５のＸ方向およびＹ方向の幅
ｄ：熱電層１２ａおよび１２ｂのＸ方向およびＹ方向のピッチ
γ：トレードオフパラメータ、熱電変換ユニット３０のうち熱電層１２ａおよび１２ｂのうち１つが占める面積が（γｄ）２となるパラメータ
γｄ：熱電層１２ａおよび１２ｂのＸ方向およびＹ方向の幅、接続層１４ａおよび１４ｂのＺ方向の高さ
（１−γ）ｄ：熱電層１２ａと１２ｂとのＸ方向およびＹ方向の間隔
ｔ０：熱電層１２ａおよび１２ｂのＺ方向の高さ
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）
Ｐｏｕｔ：熱電変換装置の出力電力
なお、接続層１４ａおよび１４ｂのＺ方向の高さはγｄでなくともよいが、設計を簡単にするため、シミュレーションでは接続層１４ａおよび１４ｂのＺ方向の高さをγｄとした。
【００４０】
熱電変換装置をウエアラブルデバイスの電源として用いる場合、熱電変換装置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。
【００４１】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、シミュレーションに用いた恒温動物モデルを示す図である。図４（ａ）に示すように、熱抵抗Ｋｈ、ＫＭおよびＫａｉｒに直列に定温度差源５０が接続されている。Ｋｈは、人の皮膚近傍の熱抵抗である。ＫＭは、熱電変換装置の熱抵抗である。Ｋａｉｒは熱電変換装置の基部２２ｂから大気への放熱に関する熱抵抗である。ΔＴＳは、人と大気との温度差である。恒温動物は、体温と大気との温度差を一定とする。そこで、定温度差源５０はΔＴＳが一定となるように熱抵抗Ｋｈ、ＫＭおよびＫａｉｒに熱流Ｑを流す。ΔＴは熱電変換装置に加わる温度差である。温度差ΔＴＳを熱抵抗で分割したときの熱抵抗ＫＭに加わる温度差がΔＴとなる。
【００４２】
図４（ｂ）に示すように、熱抵抗ＫＭおよびＫａｉｒ´に直列に定温度差源５０が接続されている。Ｋａｉｒ´を図４（ａ）のＫａｉｒ＋Ｋｈとした。人の産熱能力を考慮し、１０ｍＷ／ｃｍ２を熱流Ｑの最大値とした。
【００４３】
図２（ａ）および図２（ｂ）のような熱電変換ユニット３０では、温度差ΔＴを大きくしようとすると、熱電層１２ａおよび１２ｂの断面積（γｄ）２を小さくする、または、熱電層１２ａおよび１２ｂの高さｔ０を大きくする。しかし、断面積（γｄ)２を小さくし高さｔ０を大きくすると、電極２４ａと２４ｂとの間の電気抵抗が高くなる。温度差ΔＴを大きくしようとすると電極２４ａと２４ｂとの間の電気抵抗が高くなる。温度差ΔＴを大きくしても電極２４ａと２４ｂとの間の電気抵抗が高くなると出力電力Ｐｏｕｔは大きくならない。このように、熱抵抗と電気抵抗とがトレードオフとなる。
【００４４】
そこで、トレードオフパラメータγを用い、基部２２ａの下面と基部２２ｂの上面との間の熱抵抗、および電極２４ａと２４ｂとの間の電気抵抗を表現する。熱電変換装置の出力電力Ｐｏｕｔは、トレードオフパラメータγ、ゼーベック素子１０の対数ｍ０、および熱電変換ユニット３０の幅Ｌ等で表現できる。これにより、出力電力Ｐｏｕｔが最大化できる、または、所望の出力電力Ｐｏｕｔを得られるγ、ｍ０およびＬ等の構造パラメータを算出できる。
【００４５】
γ等の構造パラメータの最適化は、次の２つの方法を用いて行った。
方法１：支持体３４の幅ｘ＝０とし、構造パラメータの最適化を行い、最適化した構造パラメータに固定して支持体３４の幅ｘおよび基部２２ａと２２ｂとの間隔Ｈの最適化を行う。
方法２：各ｘで構造パラメータの最適化を行う。
【００４６】
各材料および寸法のシミュレーション条件は以下とした。
熱電層１２ａおよび１２ｂ
ゼーベック係数＝Ｓｐ−Ｓｎ：４３４μＶ／Ｋ
熱伝導率λ＝（λｐ＋λｎ）／２：１．４３Ｗｍ−１Ｋ−１
電気抵抗率ρ＝（ρｐ＋ρｎ）／２：８．１１μΩｍ
接続層１４ａおよび１４ｂ：Ｃｕ
膜厚ｔＣｕ：１０μｍ（実施例１）
熱伝導率λＣｕ：３８６Ｗｍ−１Ｋ−１
電気抵抗率ρＣｕ：１．６９×１０−８Ωｍ
絶縁層１８：ポーラスシリコン
熱絶縁体３２：真空
支持体３４：熱伝導率λが０．１５Ｗｍ−１Ｋ−１の絶縁体
Ｄ×Ｄ：１０ｍｍ×１０ｍｍ
Ｌ０＝Ｌ＝１ｍｍ
ｔ０：１０００ｎｍ
ΔＴＳ：１０Ｋ
Ｋａｉｒ´：各シミュレーションにより異なる。詳細は後述する。
Ｐｏｕｔ：出力をインピーダンス整合したときの出力電力
ＳｎおよびＳｐはそれぞれｎ型およびｐ型の熱電層１２ａおよび１２ｂのゼーベック係数、λｎおよびλｐはそれぞれｎ型およびｐ型の熱電層１２ａおよび１２ｂの熱伝導率、並びにρｎおよびρｐはそれぞれｎ型およびｐ型の熱電層１２ａおよび１２ｂの電気抵抗率である。温度差ΔＴＳを１０Ｋと一定とした。これは、例えば体温が３５℃であり気温が２５℃の場合に相当する。
【００４７】
比較例１について、方法１を用い構造パラメータを最適化した。最適化されたパラメータは、Ｌ＝２０μｍ、ｍ０＝１４５００対、γｄ＝７４ｎｍおよび（１−γ）ｄ＝４３ｎｍである。
【００４８】
図５は、比較例１におけるｘに対するＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。ｘにおけるＰｏｕｔは最大の出力電力を示す。図５に示すように、ｘが大きくなると熱抵抗ＫＭが急激に低下し、出力電力Ｐｏｕｔが急激に低下する。ｘが１μｍ以上ではＰｏｕｔはほぼ０となる。これは、支持体３４を介し基部２２ａから２２ｂに熱が伝導してしまうためと考えられる。
【００４９】
実施例１について、ｔ０＝１０００ｎｍ、Ｌ＝１００μｍおよびＨ＝５ｍｍまたはｘ＝０．３ｍｍとして、方法２を用い、各ｘのときにγｄ、（１−γ）ｄおよびｍ０を最適化した。Ｋａｉｒ´については最適化した値を用いている。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１におけるそれぞれｘおよびＨに対するγｄ、（１−γ）ｄおよびｍ０、ＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。図６（ａ）に示すように、ｘが１ｍｍ以下ではＰｏｕｔは１０μＷ以上になる。図６（ｂ）に示すように、Ｈが１ｍｍではＰｏｕｔは約１０μＷである。Ｈが５ｍｍではＰｏｕｔは約２０μＷである。
【００５０】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１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。ｔ０＝１０００ｎｍ，Ｌ＝１００μｍ、ｘ＝０．３ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ、ｍ０＝５５対、γｄ＝３．９μｍおよび（１−γ）ｄ＝５．６μｍとした。図７（ａ）では、Ｑ＝１０ｍＷ／ｃｍ２となるように、Ｋａｉｒ´を最適化し、６８７．１ｃｍ２Ｋ／Ｗとした。図７（ｂ）では、実際に作製しやすいＫａｉｒ´を用いた場合で、Ｋａｉｒ´＝１０００ｃｍ２Ｋ／Ｗとした。基部２２ａおよび２２ｂの実装面積Ｓを２０ｃｍ２から１２０ｃｍ２まで２０ｃｍ２ステップで変えている。
【００５１】
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔが１Ｖのとき出力電力Ｐｏｕｔはピークとなるように、Ｄ×Ｄ＝１ｃｍ２のモジュールを適宜、直列および／または並列に接続している。モジュールをリストバンド状に実装した場合、面積Ｓが１００ｃｍ２のとき、１ｍＷ程度から２ｍＷ程度の出力電力Ｐｏｕｔを得ることができる。この値は、ヘルスケアデバイスまたはウエアラブルデバイスに十分応用化可能である。
【００５２】
実施例１によれば、熱電変換ユニット３０は、基部２２ａ（第２基部）の領域３５（第１領域）と基部２２ｂ（第１基部）との間に設けられ、基部２２ａおよび２２ｂに熱的に接続されている。支持体３４は、基部２２ａの領域３６（第２領域）と基部２２ｂとの間に設けられている。熱絶縁体３２は、基部２２ａの領域３６と基部２２ｂとの間に設けられている。
【００５３】
熱電変換ユニット３０は基部２２ａと２２ｂとの間隔Ｈ０が小さい領域３５に設けられ、支持体３４は基部２２ａと２２ｂとの間隔Ｈが大きい領域３６に設けられている。これにより、基部２２ａから２２ｂに至る熱流は主に熱電変換ユニット３０を伝導する。これにより、熱電変換ユニット３０に加わる温度差を大きくできる。よって、比較例１に比べ、出力電力Ｐｏｕｔを大きくできる。
【００５４】
基部２２ａの上面に凸部が設けられている例を説明したが、基部２２ｂの下面に凸部が設けられていてもよい。また、基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方に凹部が設けられていてもよい。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。
【００５５】
熱電層１２ａ、１２ｂ、基部２２ａ、２２ｂおよび支持体３４の熱伝導率より小さい熱伝導率を有することが好ましい。例えば、熱絶縁体３２は、大気圧より低い圧力を有する気体または真空を含む。これにより、熱絶縁体３２の熱伝導率を低くできる。しかし、気体または真空を保持するため、支持体３４を気体または真空を囲むように設けることになる。このため、支持体３４のＸＹ平面おける断面積が大きくなってしまう。そこで、領域３６における間隔Ｈを領域３５における間隔Ｈ０より大きくする。これにより、支持体３４を伝導する熱流を小さくできる。よって、出力電力を大きくできる。熱絶縁体３２は固体でもよい。
【００５６】
熱電変換ユニット３０は、基部２２ａに熱的に接続された接続層１４ａ（第１接続層）と、基部２２ｂに熱的に接続された接続層１４ｂ（第２接続層）と、接続層１４ａと１４ｂとの間に電気的に接続された熱電層１２ａ（第１熱電層）および熱電層１２ｂ（第２熱電層）と、を有する。複数の熱電層１２ａは、複数の接続層１４ａのうち１つの接続層１４ａと複数の接続層１４ｂのうち１つの接続層１４ｂとの間に電気的に各々接続されている。複数の熱電層１２ｂは、熱電層１２ａを挟む接続層１４ａと、複数の接続層１４ｂのうち熱電層１２ａを挟む接続層１４ｂの隣の接続層１４ｂとの間に電気的に各々接続され、熱電層１２ａと反対の導電型を有する。複数の熱電層１２ａと複数の熱電層１２ｂとは、複数の接続層１４ａと複数の接続層１４ｂとを交互に介して直列に接続されている。これにより、熱電変換ユニット３０は、基部２２ａと２２ｂとの間の温度差により発電できる。
【００５７】
図２（ａ）および図２（ｂ）のように、熱電変換ユニット３０は、Ｘ方向およびＹ方向における熱電層１２ａと１２ｂとの間および接続層１４ａと１４ｂとの間に設けられた絶縁層１８（内部熱絶縁体）を有している。このように、熱電変換ユニット３０内の熱電層１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａおよび１４ｂ以外を絶縁層とする。このように、絶縁層１８を設けることで、モジュールの作製が容易となる。しかし、絶縁層１８を設けると、ゼーベック素子の形成領域（領域３５）の熱抵抗を減少させる。また、真空封じ等に用いる支持体３４によってもモジュールの熱抵抗は減少する。絶縁層１８および熱絶縁体３２を熱抵抗の高い熱絶縁体とし、ｘおよびＨを適切に選択することで、高い出力電力を得ることができる。例えば絶縁層１８を大気圧より低い気体または真空とすることにより、特に高い出力電力を得ることができる。絶縁層１８が気体または真空を含む場合、支持体３４は、絶縁層１８の気体または真空を保持してもよい。
【００５８】
支持体３４を伝導する熱流を小さくするため、平面視における支持体３４の面積は熱絶縁体３２の面積より小さいことが好ましい。支持体３４の面積は、熱絶縁体３２の面積の１／１０以下が好ましく、１／１００以下がより好ましい。
【００５９】
支持体３４を伝導する熱流を小さくするため、基部２２ｂと基部２２ａの領域３６との間隔Ｈは、基部２２ｂと基部２２ａの領域３５との間隔Ｈ０の１０倍以上が好ましく、１００倍以上がより好ましく、１０００倍以上がさらに好ましい。
【００６０】
温度差ΔＴを適切にするため、平面視における熱電変換ユニット３０の面積は基部２２ａおよび２２ｂの面積の１／１０以下が好ましく、１／１００以下がより好ましい。また、領域３５の面積は、基部２２ａおよび２２ｂの面積の１／１０以下が好ましく、１／１００以下がより好ましい。
【００６１】
基部２２ａは恒温動物の生体の表面に熱的に接続され、基部２２ｂは空気に熱的に接続される。このように、恒温動物の体温と大気との温度差を用いて発電する場合、温度差が１０Ｋ程度と小さい。よって、実施例１の熱電変換装置１００を用いることで、熱電変換装置１００の出力電力を大きくできる。熱電変換装置１００は他の温度差を用い発電してもよい。
【実施例２】
【００６２】
実施例２は、熱電変換ユニットが実施例１と異なる例である。図８（ａ）は、実施例２に係る熱電変換装置の平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、熱電変換装置１０２では、熱電変換ユニット３０は複数のブロック３１ａから３１ｃを有している。各ブロック３１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。その他の構成は実施例１の図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであり、説明を省略する。なお、ブロック３１は、直線状に配置されていてもよいし、その他の形状で配置されていてもよい。
【００６３】
図９（ａ）は、実施例２においてシミュレーションに用いた熱電変換ユニットの平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、シミュレーションでは、Ｄ×Ｄの基部２２ａおよび２２ｂのＸ方向にＹ方向の幅がＬの熱電変換ユニット３０が設けられているとした。
【００６４】
熱電変換装置１０２において、平面視において熱電層１２ａおよび熱電層１２ｂは短冊状である。熱電層１２ａおよび１２ｂはＸ方向に交互に配列されており、Ｙ方向に延伸している。熱電層１２ａおよび１２ｂはＹ方向に交互に配置されており、Ｘ方向に延伸していてもよい。熱電層１２ａおよび１２ｂは例えばそれぞれｎ型およびｐ型である。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および１４ｂ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とで１つのゼーベック素子１０を形成する。
【００６５】
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方向および＋Ｚ方向において熱伝導層１６ａおよび１６ｂ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２０を介しそれぞれ高温の基部２２ａおよび低温の基部２２ｂに熱的に接続されている。熱伝導層１６ａおよび１６ｂの間に絶縁層１８ａおよび１８ｂが設けられている。
【００６６】
微細加工技術および薄膜形成技術を用い熱電変換装置を作製するためには、熱電層１２ａおよび１２ｂの膜厚は数１０μｍ以下、好ましくは数μｍ以下である。このように、熱電層１２ａおよび１２ｂが薄いとき、実施例２では実施例１に比べ出力電力Ｐｏｕｔを大きくできる理由を説明する。
【００６７】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ実施例１および実施例２に係る熱電変換装置の断面模式図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、実施例１および実施例２とも温度差ΔＴの方向はＺ方向である。実施例１では、熱電層１２ａおよび１２ｂの熱流の流れる方向は温度差ΔＴと同じＺ方向である。実施例２では、熱電層１２ａおよび１２ｂの熱流の流れる方向は温度差ΔＴと交差するＸ方向である。
【００６８】
実施例１では、図１０（ａ）のように、熱電層１２ａおよび１２ｂの薄膜化のため熱電層１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を小さくすると熱電層１２ａおよび１２ｂの熱抵抗Ｋが小さくなる。これにより、熱電層１２ａおよび１２ｂの各々の両端間の温度差βΔＴが小さくなってしまう。これにより出力電力Ｐｏｕｔが小さくなる。
【００６９】
実施例２では、図１０（ｂ）のように、熱電層１２ａおよび１２ｂの薄膜化のため熱電層１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を小さくすると熱電層１２ａおよび１２ｂの熱抵抗Ｋが大きくなる。これにより、熱電変換装置全体に生じる温度差ΔＴは大きくなる。熱電層１２ａおよび１２ｂの各々の両端間の温度差βΔＴと温度差ΔＴとを同じにできる。膜厚ｔ０を小さくすると、接続層１４ａおよび１４ｂの電気抵抗が高くなる。接続層１４ａおよび１４ｂのＹ方向の長さＬを大きくすることで、接続層１４ａおよび１４ｂ並びに熱電層１２ａおよび１２ｂの電気抵抗を低くできる。これにより、膜厚ｔ０が小さくなっても出力電力Ｐｏｕｔは低下しない。このように、実施例２では実施例１に比べ、熱電層１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を小さくできる。
【００７０】
［実施例２のシミュレーション］
シミュレーションでは、簡略化のため、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、熱電変換ユニット３０は１列で、Ｘ方向の幅をＤとした。熱電層１２ａおよび１２ｂはＹ方向に延びる短冊状であり、Ｙ方向の長さをＬとした。なお、実際の熱電変換装置では、図８（ａ）のように、熱電変換ユニット３０を複数のブロック３１ａから３１ｃに分割することができる。また、熱電変換ユニット３０をＸ方向およびＹ方向に斜めに配置することができる。このように、熱電変換ユニット３０の平面形状は任意に設計できる。
【００７１】
以下のように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、熱電変換ユニットのＸ方向の幅
Ｈ：実施例２の領域３６における基部２２ａと２２ｂとの間隔
Ｈ０：実施例２の領域３５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
Ｌ：熱電変換ユニットの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、熱電変換ユニット３０のうち熱電層１２ａおよび１２ｂが占める幅が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
ｔ０：熱電層１２ａおよび１２ｂのＺ方向の高さ
ｔＣ：絶縁層１８ａおよび１８ｂのＺ方向の高さ
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）
Ｐｏｕｔ：熱電変換装置の出力電力
【００７２】
各材料および寸法のシミュレーション条件は以下とした。
熱伝導層１６ａ，１６ｂ：Ｃｕ
ｔ０：５００ｎｍ
Ｋａｉｒ´：各シミュレーションにより異なる。詳細は後述する。
その他のシミュレーションの方法およびパラメータは実施例１のシミュレーションと同じである。
【００７３】
比較例３として、熱電変換ユニット３０は実施例２と同様であり、図３（ａ）および図３（ｂ）のようにＨ＝Ｈ０の構造の熱電変換装置について、方法１を用い構造パラメータを最適化した。最適化されたパラメータは、Ｌ＝３０μｍ、ｍ０＝４８０対、γｄ＝１０μｍおよび（１−γ）ｄ＝２５０ｎｍである。
【００７４】
図１１は、比較例３におけるｘに対するＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。図１１に示すように、ｘが大きくなると熱抵抗ＫＭが急激に低下し、出力電力Ｐｏｕｔが急激に低下する。ｘが１００μｍ以上ではＰｏｕｔはほぼ０となる。
【００７５】
実施例２について、方法１を用いｘおよびＨを変化させＰｏｕｔおよびＫＭをシミュレーションした。すなわち、各パラメータを比較例２において最適化したＬ＝３０μｍ、ｍ０＝４８０対、γｄ＝１０μｍおよび（１−γ）ｄ＝２５０ｎｍとした。
【００７６】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施例２におけるそれぞれｘおよびＨに対するＰｏｕｔおよびＫＭを示す図である。図１２（ａ）では、Ｈ＝５ｍｍとし、図１２（ｂ）では、ｘ＝０．５ｍｍとした。Ｋａｉｒ´については最適化した値を用いた。図１２（ａ）に示すように、ｘが１００μｍ以下ではＰｏｕｔはほぼ一定である。図１２（ｂ）に示すように、Ｈが１ｍｍではＰｏｕｔは約５μＷである。Ｈが３ｍｍではＰｏｕｔは約１０μＷである。
【００７７】
図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２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。ｔ０＝５００ｎｍ、Ｌ＝３０μｍ、ｘ＝０．５ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ、ｍ０＝４８０対、γｄ＝１０μｍおよび（１−γ）ｄ＝２５０ｎｍとした。図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、Ｋａｉｒ´をそれぞれ、７１７ｃｍ２Ｋ／Ｗおよび１０００ｃｍ２Ｋ／Ｗとした。基部２２ａおよび２２ｂの面積Ｓ＝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Ｓを２０ｃｍ２から１２０ｃｍ２まで２０ｃｍ２ステップで変えている。
【００７８】
図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔが１Ｖのとき出力電力Ｐｏｕｔはピークとなる。実施例２では、熱電層１２ａおよび１２ｂの膜厚（ｔ０＝５００ｎｍ）が、実施例１の膜厚（ｔ０＝１０００ｎｍ）より薄くても、実装面積Ｓが１００ｃｍ２程度で、実施例１と同様の１ｍＷ程度から２ｍＷ程度の出力電力Ｐｏｕｔを得ることができる。
【００７９】
実施例２によれば、複数の熱電層１２ａおよび複数の熱電層１２ｂはＸ方向（平面方向に平行な第１方向）に交互に設けられている。複数の接続層１４ａおよび複数の接続層１４ｂは、複数の熱電層１２ａおよび複数の接続層１４ｂの間に交互設けられている。複数の熱伝導層１６ａ（第１熱伝導層）はＺ方向（第１方向に交差する方向）に延伸し複数の接続層１４ａと基部２２ａとをそれぞれ熱的に接続する。複数の熱伝導層１６ｂ（第２熱伝導層）はＺ方向に延伸し複数の接続層１４ｂと基部２２ｂとをそれぞれ熱的に接続する。熱電変換ユニット３０をこのような構造とすることで、図１０（ａ）および図１０（ｂ）において説明したように、熱電層１２ａおよび１２ｂを薄膜化できる。これにより、微細加工技術および薄膜形成技術を用いた熱電変換装置の製造が容易となる。
【００８０】
図９（ａ）および図９（ｂ）のように、熱電変換ユニット３０は、Ｘ方向における熱電層１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａおよび１４ｂと基部２２ａおよび２２ｂとの間、並びに複数の熱伝導層１６ａと１６ｂとの間に設けられた絶縁層１８ａおよび１８ｂ（内部熱絶縁体）を有する。このように、熱電変換ユニット３０内の熱電層１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａ、１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂ以外を絶縁層１８ａおよび１８ｂとする。これにより、ｘおよびＨを適切に選択することで、高い出力電力を得ることができる。絶縁層１８ａおよび１８ｂは大気圧より低い気体または真空を含むことが好ましい。この場合、支持体３４は、絶縁層１８ａおよび１８ｂの気体または真空を保持してもよい。図８（ａ）のようにブロック３１ａから３１ｃが配列している場合、ブロック３１ａから３１ｃの間にも絶縁層１８ａおよび１８ｂを設けることが好ましい。
【００８１】
熱電層１２ａおよび１２ｂは、Ｙ方向に延伸することが好ましい。これにより、熱電層１２ａおよび１２ｂのＸ方向の電気抵抗を小さくできる。実施例１と同様に、絶縁層１８ａおよび１８ｂにより、高い出力電力を得ることができる。
【実施例３】
【００８２】
図１４（ａ）から図１４（ｄ）は、実施例３に係る熱電変換装置の平面図である。図１４（ａ）に示すように、実施例１および実施例２のＤ×Ｄのユニットを複数配置してもよい。図１４（ｂ）に示すように、隣り合う支持体３４を共通にしてもよい。図１４（ｃ）に示すように、複数の熱電変換ユニット３０を囲む１つの支持体３４ａを設けてもよい。支持体３４ａ以外に基部２２ａと２２ｂとを支持する支柱状の支持体３４ｂを設けてもよい。支柱状の支持体３４ｂは設けられていなくてもよいし、１または複数設けられていてもよい。図１４（ｄ）に示すように、熱絶縁体３２が大気または固体の場合、熱絶縁体３２を囲む支持体を設けず、支柱状の支持体３４ｂを１または複数設けてもよい。その他の構造は実施例１および２と同じである。
【００８３】
実施例３によれば、基部２２ａと２２ｂとの間に熱絶縁体３２を介し互いに離間した複数の熱電変換ユニット３０を備える。複数の熱電変換ユニット３０の相互接続により、出力電圧および電力を適切に設定できる。複数の熱電変換ユニット３０をＺ方向に積層させてもよい。
【実施例４】
【００８４】
図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例４に係る熱電変換装置の断面図である。図１５（ａ）に示すように、基部２２ａおよび基部２２ｂの熱電変換ユニット３０と接する面にシート４０ａおよび４０ｂが設けられている。シート４０ａおよび４０ｂは、基部２２ａおよび２２ｂより熱伝導率の高い材料であり、例えばグラファイトシートである。基部２２ｂの空気と接する面に放熱用の層４２が設けられている。層４２は、例えばアルマイト加工した層であり、表面が微細なフィン構造となっていてもよい。図１５（ｂ）に示すように、基部２２ｂの空気と接する面に層４２の代わりにフィン構造を有する放熱部４３が設けられている。その他の構造は実施例１および２と同じであり説明を省略する。
【００８５】
実施例３のように、基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方の熱電変換ユニット３０が接する面に放熱用のシートを設けてもよい。これにより、ＸＹ平面内の熱伝導が大きくなる。また、基部２２ｂの空気と接する面に、放熱用の凹凸を設けてもよい。
【００８６】
［実施例４の変形例１］
図１６（ａ）は、実施例４の変形例１に係る熱電変換装置の平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１６（ｂ）は、熱電変換ユニット３０および基部２２ａおよび２２ｂ内のマイクロヒートパイプ４６を図示している。
【００８７】
図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、基部２２ａおよび２２ｂ内に複数のマイクロヒートパイプ４６が設けられている。マイクロヒートパイプ４６は、熱電変換ユニット３０を中心に放射状に設けられている。マイクロヒートパイプ４６を設けることで、ＸＹ平面内の熱伝導を大きくできる。マイクロヒートパイプ４６は、基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方に設けられていればよい。
【００８８】
実施例１から４およびその変形例の熱電変換装置として、発電装置を例に説明したがペルチェ素子のように温度制御装置でもよい。
【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
１０  ゼーベック素子
１２ａ、１２ｂ  熱電層
１４ａ、１４ｂ  接続層
１６ａ、１６ｂ  熱伝導層
１８、１８ａ、１８ｂ  絶縁層
２０  絶縁膜
２２ａ、２２ｂ  基部
２４ａ−２４ｄ  電極
３０  熱電変換ユニット
３２  熱絶縁体
３４  支持体
【図１】
2019140182.tif 000003
【図２】
2019140182.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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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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