(57)【要約】【課題】熱電変換層の両端の温度差を大きくし、簡易な構成で熱電変換素子を実現すること。【解決手段】可撓性を有する熱電変換層Ｃと、前記熱電変換層Ｃの一端部に設けた第１電極１３ａと、前記熱電変換層Ｃの他端部に設けた第２電極１３ｂとからなる熱電変換部と、前記熱電変換層Ｃの厚み方向で前記第１電極１３ａと重なる位置に設けた第１断熱層１５ａと、前記熱電変換層Ｃの厚み方向で前記第２電極１３ｂと重なる位置に設けた第２断熱層１５ｂとを備え、前記熱電変換層Ｃは、熱源ｈに近い前記第２電極１３ｂ側となる谷部１８に対して前記第１電極１３ａ側が山部１９となって熱源ｈから離間するように撓み変形している熱電変換素子１とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する熱電変換層と、前記熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、前記熱電変換層の他端部に設けた第２電極とからなる熱電変換部と、
前記熱電変換層の厚み方向で前記第１電極と重なる位置に設けた第１断熱層と、
前記熱電変換層の厚み方向で前記第２電極と重なる位置に設けた第２断熱層とを備え、
前記熱電変換層は、熱源に近い前記第２電極側となる谷部に対して前記第１電極側が山部となって熱源から離間するように撓み変形している熱電変換素子。
【請求項２】
前記第２断熱層は厚み方向に積層する複数層の積層体である請求項１記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記熱電変換層は、前記熱電変換層における前記第１電極から前記第２電極までの電極間距離に対して、これに直交する前記熱電変換層の幅の長さが１．５倍以上の長さである請求項１記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記熱電変換部を複数有し、一の前記熱電変換部の前記第２電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第１電極とが導電接続して直列連結を形成した直列連結部を有する請求項１〜請求項３何れか１項記載の熱電変換素子。
【請求項５】
一の前記熱電変換部の前記谷部と前記山部とで形成される斜面と、当該一の熱電変換部に直列連結して隣接する別の一の前記熱電変換部の前記谷部と前記山部とで形成される斜面とが、同一斜面である請求項１〜請求項４何れか１項記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記熱電変換部を複数有し、一の前記熱電変換部の前記第１電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第１電極とが導電接続し、一の前記熱電変換部の前記第２電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第２電極とが導電接続して並列連結を形成した並列連結部を有する請求項１〜請求項４何れか１項記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記直列連結部を複数有し、これらの複数の前記直列連結部が並列連結する請求項４記載の熱電変換素子。
【請求項８】
前記並列連結部を複数有し、これらの複数の前記並列連結部が直列連結する請求項６記載の熱電変換素子。
【請求項９】
前記熱電変換部がベースフィルム上に形成されたものである請求項１〜請求項８何れか１項記載の熱電変換素子。
【請求項１０】
前記ベースフィルムと前記第１断熱層と前記第２断熱層とでベース部を形成しており、当該ベース部の熱源側の表面、または熱源側とは反対側の表面の少なくとも何れかに、当該ベース部を覆う金属層を有する請求項１〜請求項９何れか１項記載の熱電変換素子。
【請求項１１】
前記ベースフィルムと前記金属層とで形成される間を充填する充填層を有する請求項１０記載の熱電変換素子。
【請求項１２】
前記熱電変換部を覆う保護層を備える請求項１〜請求項１１何れか１項記載の熱電変換素子。
【請求項１３】
前記熱電変換部を前記熱電変換層の厚み方向に積層している請求項１〜請求項１２何れか１項記載の熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を電気に変換する熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、半導体等で形成した熱電変換材料の両端に温度差を与えると、その温度差に比例した起電力が得られる素子である。この現象はゼーベック効果と呼ばれ、大きな起電力を得るためにゼーベック係数の高い材料が研究されている。こうした熱電変換素子の電力変換効率は、材料の特性と温度差に依存する。したがって、同一の材料を用いる場合には、効果的に素子の両端の温度差を高める素子構造が電力変換効率を高める鍵となる。
【０００３】
このような熱電変換素子として、特開平９−００８３６２号公報（特許文献１）には、π型の構造が記載されている。また、特開２０１４−１４６７０８号公報（特許文献２）には、平坦な熱電変換層の両端に電極を設け、断熱層と高熱伝導層を特定の位置に配置することで、熱電変換層の両端に温度差を生じさせる構造が記載されている。ＷＯ２０１７／１３０７５１（特許文献３）には、熱電変換層と熱源である発熱部品の間に、断熱層を部分的に配置して、熱電変換層の一端部と他端部の温度差を大きくして熱電変換効率を高める構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−００８３６２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４６７０８号公報
【特許文献３】国際公開第２０１７／１３０７５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開平９−００８３６２号公報（特許文献１）に記載されているπ型熱電変換素子は、熱電変換層を電極で挟む構造であることから、熱電変換層を薄くすると電極間の温度差が小さくなるため、有意な温度差を得るために熱電変換層の厚みを大きくする必要があった。上記文献では、１ｍｍ〜２ｍｍまたは２ｍｍ〜３ｍｍが熱電変換層の最適の厚さであることが記載されている。
【０００６】
また、特開２０１４−１４６７０８号公報（特許文献２）に記載されている構造では、平坦な熱電変換層の両端に温度差を生じさせるために、多くの部材を必要としておりコスト高になるという問題があった。また、高熱伝導層の他に粘着層、接着層、吸熱層などの多くの層を介して電極に熱を伝えるため、それらの多数の層が熱伝導を阻害し熱伝導効率が悪いという問題もあった。さらに、ＷＯ２０１７／１３０７５１（特許文献３）に記載の構造は、熱電変換層の他端部には断熱層が配置されずに熱源と接触するものの、その上面側から熱が逃げる恐れがあったため、一端部と他端部との温度差を大きくするために更なる改善が求められた。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、熱電変換素子について、従来にない新たな構成によって熱電変換層の両端の温度差を大きくすることを目的とする。また、本発明は熱電変換素子を簡易な構成で実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明の熱電変換素子は以下のとおり構成される。即ち、可撓性を有する熱電変換層と、前記熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、前記熱電変換層の他端部に設けた第２電極とからなる熱電変換部と、前記熱電変換層の厚み方向で前記第１電極と重なる位置に設けた第１断熱層と、前記熱電変換層の厚み方向で前記第２電極と重なる位置に設けた第２断熱層とを備え、前記熱電変換層は、熱源に近い前記第２電極側となる谷部に対して前記第１電極側が山部となって熱源から離間するように撓み変形している熱電変換素子として構成した。
【０００９】
可撓性を有する熱電変換層と、前記熱電変換層の一端部に設けた第１電極と、前記熱電変換層の他端部に設けた第２電極とからなる熱電変換部を備えるため、第１電極側と第２電極側の温度差により電力を発生させることができる。後述の基材シートは平坦とすることができるから、熱電変換層や電極、配線等を印刷で簡単に形成することができる。またその場合に、熱電変換層の厚みを均一に形成し易く、配線の微細化も容易である。
【００１０】
また熱電変換素子は、前記熱電変換層の厚み方向で前記第１電極と重なる位置に設けた第１断熱層と、前記熱電変換層の厚み方向で前記第２電極と重なる位置に設けた第２断熱層とを備え、前記熱電変換層は、熱源に近い前記第２電極側となる谷部に対して前記第１電極側が山部となって熱源から離間するように撓み変形しているため、第２電極側を高温部品に接触させた際に、第１電極とその周囲は、第１断熱層の厚さ分だけ高温部品から離間する。したがって、断熱層の断熱効果と、離間したことによる空間的な隔たりによって、第１電極と第１電極の周囲の熱電変換層には、熱を伝え難くすることができる。また、高温部品に接触する第２電極の反対側は、第２断熱層が積層しているため、第２断熱層が無い場合と比較して第２断熱層が存在する部分への熱の伝達を抑制することができる。そのため第２電極側を高温に保つことができる。
【００１１】
熱電変換素子は、前記第２断熱層は厚み方向に積層する複数層の積層体として構成できる。前記第２断熱層は厚み方向に積層する複数層の積層体としたため、第２断熱層の厚みを薄くしながら断熱効果を高めることができる。
【００１２】
熱電変換素子の前記熱電変換層は、前記熱電変換層における前記第１電極から前記第２電極までの電極間距離に対して、これに直交する前記熱電変換層の幅の長さが１．５倍以上の長さであるものとすることができる。前記熱電変換層における前記第１電極から前記第２電極までの電極間距離に対して、これに直交する前記熱電変換層の幅の長さが１．５倍以上の長さであるため、熱電変換素子によって発生する電流を大きくして起電力を高めることができる。また、所定の大きさ範囲内に設置する熱電変換層の面積を高め易く効果的な配置をすることができる。
【００１３】
熱電変換素子は、前記熱電変換部を複数有し、一の前記熱電変換部の前記第２電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第１電極とが導電接続して直列連結を形成した直列連結部を有するものとして構成できる。前記熱電変換部を複数有し、一の前記熱電変換部の前記第２電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第１電極とが導電接続して直列連結を形成した直列連結部を有するため発生する電圧を大きくして起電力を高めることができる。
【００１４】
熱電変換素子は、一の前記熱電変換部の前記谷部と前記山部とで形成される斜面と、当該一の前記熱電変換部に直列連結して隣接する別の一の前記熱電変換部の前記谷部と前記山部とで形成される斜面とが、同一斜面であるものとして構成できる。一の前記熱電変換部の前記谷部と前記山部とで形成される斜面と、当該一の前記熱電変換部に直列連結して隣接する別の一の前記熱電変換部の前記谷部と前記山部とで形成される斜面とが、同一斜面であるため、谷部から山部を経て谷部に至る配線や、山部から谷部を経て山部に至る配線の本数を少なくすることができるため、こうした屈曲した部分における配線の配置が少なくなり、配線の断線を生じ難くすることができる
【００１５】
熱電変換素子は、前記熱電変換部を複数有し、一の前記熱電変換部の前記第１電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第１電極とが導電接続し、一の前記熱電変換部の前記第２電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第２電極とが導電接続して並列連結を形成した並列連結部を有するものとして構成できる。前記熱電変換部を複数有し、一の前記熱電変換部の前記第１電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第１電極とが導電接続し、一の前記熱電変換部の前記第２電極とこれに隣接する別の一の前記熱電変換部の前記第２電極とが導電接続して並列連結を形成した並列連結部を有するものとしたため、抵抗を少なくして電流を大きくすることができる。よって起電力を高めることができる。
【００１６】
熱電変換素子は、前記直列連結部を複数有し、これらの複数の直列連結部が並列連結するものとして構成できる。前記直列連結部を複数有し、これらの複数の直列連結部が並列連結するものとして構成したため、電圧を大きくしながら電流も大きくすることができる。これにより起電力を高めることができる。
【００１７】
熱電変換素子は、前記並列連結部を複数有し、これらの複数の並列連結部が直列連結するものとして構成できる。前記並列連結部を複数有し、これらの複数の前記並列連結部が直列連結するものとして構成したため、電流を大きくしながら電圧も大きくすることができる。これにより起電力を高めることができる。
【００１８】
熱電変換素子は、前記熱電変換部がベースフィルム上に形成されたものとして構成できる。前記熱電変換部がベースフィルム上に形成されたものであるため、熱電変換部を簡単に形成することができ熱電変換素子の製造が容易である。また、熱電変換素子の層厚を一定にし易く歩留まり良く製造できる。
【００１９】
熱電変換素子は、前記ベースフィルムと前記第１断熱層と前記第２断熱層とでベース部を形成しており、当該ベース部の熱源側の表面、または熱源側とは反対側の表面の少なくとも何れかに、当該ベース部を覆う金属層を有するものとして構成できる。前記ベースフィルムと前記第１断熱層と前記第２断熱層とでベース部を形成しており、当該ベース部の熱源側の表面、または熱源側とは反対側の表面の少なくとも何れかに、当該ベース部を覆う金属層を有するため、熱電変換層の各電極に対して熱源からの加熱を全体的に均一に行うことができる。
【００２０】
熱電変換素子は、前記ベースフィルムと前記金属層とで形成される間を充填する充填層を有するものとして構成できる。前記ベースフィルムと前記金属層とで形成される間を充填する充填層を有するため、第１電極と第２電極との温度差を大きくすることができ、熱電変換層の熱電変換効率が大きくなり、起電力を大きくすることができる。
【００２１】
熱電変換素子は、前記熱電変換部を覆う保護層を備える構成とすることができる。保護層を設けたため、熱電変換素子の耐久性を高めることができる。
【００２２】
熱電変換素子は、前記熱電変換部を前記熱電変換層の厚み方向に積層しているものとして構成できる。前記熱電変換部を前記熱電変換層の厚み方向に積層させたため、所定面積あたりの熱電変換層の数を多くし、また面積を広くすることができる。そのため、熱電変換素子の起電力を高めることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による熱電変換素子は、熱電変換層の第１電極と第２電極との温度差を大きくすることができ、また、熱電変換効率を高め、起電力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態である熱電変換素子の模式平面図である。
【図２】図１の熱電変換素子から断熱層を取り除いて各熱電変換部の導通関係を説明する説明図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３の熱電変換素子の山部と谷部と斜面を説明するための説明図である。
【図５】変形例１の熱電変換素子の図３相当断面図である。
【図６】変形例２の熱電変換素子の図３相当断面図である。
【図７】変形例３の熱電変換素子の図３相当断面図である。
【図８】変形例４の熱電変換素子の図３相当断面図である。
【図９】変形例５の熱電変換素子の図３相当断面図である。
【図１０】変形例６の熱電変換素子の図３相当断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態である熱電変換素子における各熱電変換部の導通関係を説明する図２相当の説明図である。
【図１２】本発明の第３実施形態である熱電変換素子における各熱電変換部の導通関係を説明する図２相当の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
実施形態に即してさらに詳しく説明する。なお、各実施形態において同一の材質、組成、製法、作用、効果等については重複説明を省略する。
【００２６】
第１実施形態［図１〜図４］：
【００２７】
本実施形態の熱電変換素子１について説明する。図１には熱電変換素子１の平面図、図２には熱電変換素子１の導通状態を説明する平面図、図３には図１の断面図を示す。熱電変換素子１は、基材シート１１と、熱電変換層Ｃと、第１電極１３ａおよび第２電極１３ｂ並びにこれらの電極１３ａ，１３ｂを接続する配線１４と、断熱層１５と、を備えている。こうした構成を有する熱電変換素子１は、熱電変換層Ｃの両端に形成された第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間に温度差を与えると、その温度差に比例した起電力が得られる熱電変換部を複数備えた素子である。
【００２８】
基材シート１１の表裏両面のうち、便宜上、熱源ｈから遠い位置にある第１表面を表面１１ａとし、熱源ｈに近い位置にある第２表面を裏面１１ｂと呼ぶものとする。この基材シート１１の表面１１ａ側には、図１で示すように、略長方形状の１６個の熱電変換層Ｃ（ｃ１〜ｃ１６）が設けられている。この各熱電変換層Ｃの両端部には、第１電極１３ａおよび第２電極１３ｂが設けられている。ここで、１６個の熱電変換層Ｃを区別しない場合には熱電変換層Ｃと表現する。それぞれを区別する場合には熱電変換層ｃ１〜ｃ１６と表現する。また、第１電極１３ａと第２電極１３ｂを区別しない場合には電極１３と表現する。
【００２９】
図２を参照して、熱電変換層ｃ１の一方側端部に設けられた第２電極１３ｂは、配線１４を通じて外部接点１４ａに繋がるとともに、この熱電変換層ｃ１に隣接する熱電変換層ｃ２の第２電極１３ｂにも配線１４を通じて連結している。また、熱電変換層ｃ１の他方側端部に設けた第１電極１３ａは、隣接する熱電変換層ｃ２の第１電極１３ａと配線１４を通じて連結しており、この両熱電変換層ｃ１，ｃ２は、並列連結している。同様に熱電変換層ｃ３や熱電変換層ｃ４も熱電変換層ｃ１に並列連結している。
【００３０】
そして、熱電変換層ｃ１〜熱電変換層ｃ４までの４個の熱電変換層Ｃで一つの並列連結部１６（第１並列連結部１６ａ）を形成している。図４は基材シート１１上に配置する熱電変換層Ｃが熱源ｈに対してどのような位置にあるかを説明するための図であるが、この図４で示すように、第１並列連結部１６ａを構成する熱電変換層ｃ１〜ｃ４は何れも、熱源ｈに近い第２電極１３ｂ側となる谷部１８に対して第１電極１３ａ側が山部１９となって形成される第１斜面２０ａ上に設けられている。
【００３１】
また、熱電変換層ｃ５〜ｃ８の４個の熱電変換層は、それらの一方側端部に設けられた第２電極１３ｂどうしが配線１４を通じて接続し、それらの他方側端部に設けた第１電極１３ａどうしが配線１４を通じて接続しており、これらの熱電変換層ｃ５〜ｃ８も並列連結して一つの並列連結部１６（第２並列連結部１６ｂ）を形成している。同様にして、熱電変換層ｃ９〜ｃ１２の４個の熱電変換層も並列連結して一つの並列連結部１６（第３並列連結部１６ｃ）を形成し、熱電変換層ｃ１３〜ｃ１６の４個の熱電変換層も並列連結して一つの並列連結部１６（第４並列連結部１６ｄ）を形成している。
【００３２】
そしてこれらの並列連結部１６どうしは直列連結している。より具体的には図２を参照して、第１並列連結部１６ａの熱電変換層ｃ４の他方側端部に設けた第１電極１３ａと、第２並列連結部１６ｂの熱電変換層ｃ８の一方側端部に設けた第２電極１３ｂとが配線１４で導通接続することで、第１並列連結部１６ａと第２並列連結部１６ｂとが直列連結している。また、第２並列連結部１６ｂの熱電変換層ｃ５の他方側端部に設けた第１電極１３ａと、第３並列連結部１６ｃの熱電変換層ｃ９の一方側端部に設けた第２電極１３ｂとが配線１４で導通接続することで、第２並列連結部１６ｂと第３並列連結部１６ｃとが直列連結している。さらに、第３並列連結部１６ｃの熱電変換層ｃ１２の他方側端部に設けた第１電極１３ａと、第４並列連結部１６ｄの熱電変換層ｃ１６の一方側端部に設けた第２電極１３ｂとが配線１４で導通接続することで、第３並列連結部１６ｃと第４並列連結部１６ｄとが直列連結している。そして、熱電変換層ｃ１３の他方側端部に設けた第１電極１３ａは配線１４を通じて外部接点１４ａに繋がっている。
【００３３】
こうした構造は、図４の断面視で見ると、何れの熱電変換層ｃ１〜ｃ１６も熱源ｈに近い下側の谷部１８には第２電極１３ｂが配置され、熱源ｈから遠い上側の山部１９には第１電極１３ａが配置されている。そして、並列連結部１６のうち、第２並列連結部１６ｂは第２斜面２０ｂ上に設けられ、第３並列連結部１６ｃは第３斜面２０ｃ上に設けられ、第４並列連結部１６ｄは第４斜面２０ｄ上に設けられている。
【００３４】
断熱層１５は、第１断熱層１５ａと第２断熱層１５ｂに区別され、熱源ｈから遠い第１電極１３ａの下には第１断熱層１５ａが配置され、熱源ｈに近接した第２電極１３ｂの上には第２断熱層１５ｂが配置されている。第１断熱層１５ａは、熱源ｈからの熱が第１電極１３ａに伝わらないように断熱する部材であり、第２断熱層１５ｂは、熱源ｈから第２電極１３ｂに伝わる熱をその直上に発散しないように第２電極１３ｂを保温する部材である。こうした構成によって熱電変換層Ｃは第１電極１３ａが加熱され難く冷却され易くなり、第２電極１３ｂは加熱され易く冷却され難くなる。すなわち第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの温度差を大きくすることができ、熱電変換層Ｃの熱電変換効率を大きくでき、起電力を大きくすることができる。なお、第１断熱層１５ａと第２断熱層１５ｂを区別しない場合には断熱層１５と表現する。
【００３５】
熱源ｈには、発熱部品や人体等が適用され得る。発熱部品は例えばバッテリー、モーター、エンジン、光源、ヒーターなどの部品、およびそれらの排熱が伝達された高熱部品などが利用できる。また、近年のウェアラブル用途として人体に装着する電子機器に熱電変換素子１を利用すれば人体の熱が熱源ｈとなる。高熱側となる熱源ｈに対して低温側となる部分には、外気をそのまま適用する場合や、熱拡散性の高い金属部品やヒートシンク、ヒートパイプ等で冷却することができる。空冷技術や水冷技術を利用して高熱側よりも低温にすることは好適である。熱源ｈと熱電変換素子１との間には、図示せぬ粘着層等を設けることで両者を固着することができる。粘着層には粘着剤や両面テープを利用できる。
【００３６】
熱電変換素子１を構成する上記各部材について説明する。
【００３７】
基材シート１１は、可撓性を備えた絶縁性の樹脂フィルムであり、用いられる材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、メタアクリル（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）樹脂、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等などを挙げることができる。また、基材シート１１には、熱電変換層Ｃや電極１３との密着性を高めるプライマー層や、後述する熱源ｈとの密着性を高める表面処理を施したものを用いても良い。
【００３８】
基材シート１１の厚みは、１０〜２００μｍとすることが好ましい。２００μｍまでの厚みがあれば熱電変換素子１としての強度を充足し、２００μｍを超えて厚くするほど強度を高める必要性に乏しい。また、２００μｍを超えて厚くすれば熱源ｈからの熱が伝わり難くなるという不都合もある。一方、１０μｍ未満では、基材としての耐久性が不十分となるおそれがある。
【００３９】
熱電変換層Ｃとしては、ｐ型熱電変換材料やｎ型熱電変換材料である半導体、酸化物熱電材料等、あるいはスピンゼーベック効果を利用できる磁性材料等の無機熱電変換材料、導電性高分子を主体とする有機熱電変換材料等を用いることができる。より具体的には、無機熱電変換材料としては、Ｂｉ２Ｔｅ３等の半導体、ＣｏＯ２系の層状コバルト酸化物、充填スクッテルダイトやクラスレート化合物、ホイッスラー型化合物、有機熱電変換材料としては、カーボンナノチューブやその他のカーボンナノ材料を分散させたポリアニリンやポリエチレンジオキシチオフェン等の導電性高分子などを例示することができる。
【００４０】
従来技術として例示したπ型熱電変換素子は、熱電変換層を電極で挟む構造であるため熱電変換層を厚み方向で変形させるという発想がない。また厚み方向で生じる電極間の温度差を利用するため、温度差を大きくするために熱電変換層が厚くなり、熱電変換層を変形させること自体が困難である。これに対して上記熱電変換素子１は、熱電変換層Ｃが撓み変形するので、第１電極１３ａを第１断熱層１５ａによって第２電極１３ｂよりも熱源ｈから離間させて熱電変換層Ｃの両端の温度差を大きくすることができる。したがって、熱電変換層Ｃをなす有機熱電変換材料、無機熱電変換材料は、そうした熱電変換層Ｃの撓み変形を許容する可撓性を有するものが使用される。また、こうした熱電変換材料の可撓性や材料特性、さらに熱電変換素子１のデバイスサイズを考慮すると、有機熱電変換材料でなる熱電変換層Ｃの厚さは１０〜５００μｍ、無機熱電変換材料でなる熱電変換層Ｃの厚さは０．１〜１０μｍが好ましい厚みとして考えられる。
【００４１】
熱電変換層Ｃの電極間距離（両側に第１電極１３ａと第２電極１３ｂを備える熱電変換層Ｃの長さ）が１〜５０ｍｍの範囲となるように形成することが好ましい。電極間距離が１ｍｍ未満では熱電変換層Ｃの両端に充分な温度差を生じさせることが困難である。一方、５０ｍｍを超えて電極間距離を大きくしても熱電変換層Ｃの両端の温度差を大きくすることが困難であり、また電極間距離の増大とともに電極間の抵抗値も大きくなってかえって熱電変換効率が悪化するおそれがある。１〜５０ｍｍの電極間距離があれば熱の伝わりを充分抑制できて好ましい。
【００４２】
電極１３には、電気配線に利用する導電性材料を用いることができる。例えば、銅、ニッケル、銀、アルミニウムなどの金属や、銀等の導電性粒子をバインダーに分散させた導電性材料が挙げられる。これらの中でも特にバインダーに導電性粒子を分散させた導電性ペースト（導電性塗液）が好ましい。導電性ペーストは、印刷して回路パターンを形成できるため、従来技術のような銅箔をエッチングして形成する回路パターンよりも少ない工程数で配線自由度の高い回路を形成できる利点がある。
【００４３】
導電性ペーストは、（１）導電性粒子とバインダーを溶剤に溶解したり、（２）導電性粒子とバインダーの前駆体（主剤と硬化剤）を溶剤に溶解したり、（３）バインダーの前駆体が液状の場合には、バインダーの前駆体に導電性粒子を分散させたりしたものを用いることができる。なお、導電性ペーストには前記成分に加えて分散剤、消泡剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤などを適宜添加してもよい。
【００４４】
導電性粒子としては、金属でなる粒子を用いることができ、具体的には銀、銅、アルミニウム、ニッケルやそれらの合金、あるいは金属を銀や金でコーティングした粒子を挙げることができる。これらの中でも導電性が高く、耐候性を備えた銀粒子を用いることが好ましい。バインダーとしては、有機高分子を用いることができる。具体的にはアクリル、エポキシ、ポリエステル、ポリウレタン、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン、ポリアミド、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、などの各種樹脂を例示することができる。これらの中でもポリエステルが好ましい。
【００４５】
電極１３の厚みは２〜５０μｍとすることができる。また、４〜２０μｍとすることが好ましい。２μｍ未満では、抵抗値が高くなるおそれがあり、５０μｍを超えると、導電性ペーストの使用量が増えることからコスト高となる。厚さを４μｍ以上とすれば、低抵抗の電極１３とすることができ、また、厚さを２０μｍ以下とすれば、電極１３とその周囲の基材シート１１の表面との間の段差が小さくなり、さらに保護層２１を塗布する際の気泡の混入を抑えることができる。
【００４６】
電極１３は、前記導電性ペーストを用いるのであれば、それを印刷して基材シート１１上に塗布形成することができる。電極１３以外の配線１４や外部接点１４ａについても、電極１３と同じ材料を用いて、同時に形成することができる。
【００４７】
断熱層１５としては、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料を用いることが好ましい。具体的には、高分子の発泡体や高分子に中空フィラーを充填した高分子多孔体や、エアロゲルなどの無機材料からなる無機多孔体等を用いることができる。また、前記熱電変換素子１の厚み方向に積層する複数層の積層体とすることができる。これらの中でも、可撓性が得られることや製造の容易さから、高分子の発泡体を用いることが好ましい。また、複数層を重ねることで比較的薄い厚みで効率的に断熱するという観点から複数層の積層体とすることが好ましい。複数層の積層体には、樹脂フィルムからなる層とこれを接着する接着材からなる層の積層体が挙げられる。
【００４８】
発泡体の材質としては樹脂やゴムであり、例えばポリスチレン、ポリウレタン、ポリエチレン、シリコーン、アクリロニトリルコポリマー、ポリオレフィンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。発泡体のタイプとしては、連続気泡タイプと独立気泡タイプの何れであっても良いが、連続気泡タイプは、連続した孔内を気体が対流して熱が伝わるおそれがあるのに対して、独立気泡タイプでは気体が対流しないため、より断熱効果を高めることができる。そのため、独立気泡タイプを用いることが好ましい。
【００４９】
高分子の発泡体からなる断熱層１５は、機械的発泡法、物理的発泡法、化学的発泡法によって製造することができる。中空フィラーを充填するポリマー組成物には、ウレタン、シリコーン、アクリルゴム、ポリオレフィンゴム等が挙げられる。また、中空フィラーとしては、ガラスバルーン、シリカバルーン、カーボンバルーン、アルミナバルーン、ジルコニアバルーン等から選択される無機中空フィラーや、フェノール樹脂、ユリア樹脂、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルから選択されるモノマーの重合物、並びにこれらの２種類以上のモノマーの共重合物から選択される有機中空フィラー等が挙げられるが、フェノール樹脂、ユリア樹脂、塩化ビニリデン、アクリロニトリル、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルから選択されるモノマーの重合物並びにこれらの２種類以上のモノマーの共重合物から選択される有機中空フィラーが好ましい。
【００５０】
こうした中空フィラーの比重は、無機中空フィラーで０．１〜０．８程度であり、有機中空フィラーで０．０１〜０．２程度である。また、中空フィラーの平均粒子径は２μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。中空フィラーを充填するポリマー組成物中への中空フィラーの配合量は、ポリマー組成物１００重量部に対し、無機中空フィラーの場合で２０〜３０重量部、有機中空フィラーの場合で５〜２０重量部とすることが好ましい。
【００５１】
第１断熱層１５ａの配置を、基材シート１１の裏面１１ｂであって、第１電極１３ａと平面視で重なる位置に配置し熱源ｈと隔離したため、第１電極１３ａと、その第１電極１３ａ側の熱電変換層Ｃの端部への熱源ｈからの熱伝達を抑制することができる。そのため、熱電変換層Ｃの第１電極１３ａ側の端部を、これとは反対の第２電極１３ｂ側の熱電変換層Ｃの端部に対して相対的に低温にすることができる。
【００５２】
第１断熱層１５ａの厚みは０．１ｍｍ〜２ｍｍとすることが好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍとすることがより好ましい。厚さが０．１ｍｍ未満では、第１電極１３ａと第２電極１３ｂの温度差が大きくならないおそれがあり、厚さが２ｍｍを超えても温度差はあまり変化しない。また、厚さが２ｍｍを超えて大きくなると、基材シート１１を撓ませた際の歪みが大きくなりすぎて断線するおそれがあり、基材シート１１の歪みを小さくするには厚さを１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５３】
第２断熱層１５ｂを、基材シート１１の表面１１ａであって、第２電極１３ｂと平面視で重なる位置に配置したため、第２電極１３ｂと、その第２電極１３ｂ側の熱電変換層Ｃの端部へ熱源ｈから伝わる熱は、第２断熱層１５ｂの存在する方向には伝わり難くなる。そのため、熱電変換層Ｃの第２電極１３ｂ側の端部を、これとは反対の第１電極１３ａ側の熱電変換層Ｃの端部に対して相対的に高温に保つことができる。
【００５４】
第２断熱層１５ｂの厚みも第１断熱層１５ａと同様に、０．１ｍｍ〜２ｍｍとすることが好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍとすることがより好ましい。厚さが０．１ｍｍ未満では、第１電極１３ａと第２電極１３ｂの温度差が大きくならないおそれがあり、厚さが２ｍｍを超えても温度差はあまり変化しない。また、厚さが２ｍｍを超えて大きくなると、基材シート１１を撓ませた際の歪みが大きくなりすぎて断線するおそれがあり、基材シート１１の歪みを小さくするには厚さを１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５５】
こうした熱電変換素子１によれば、平坦な基材シート１１に熱電変換層Ｃや配線１４等の素子を構成する回路要素を印刷で容易に形成できる。そのため、熱電変換層Ｃの厚みを均一にし易く、また微細な配線１４を形成することができる。さらに、熱電変換層Ｃや配線１４を形成した後に断熱層１５を印刷形成すれば、断熱層１５もまた略平坦な基材シート１１上に設けることができ、断熱層１５の厚さもまた均一なものとすることができる。
【００５６】
熱電変換素子１の第２電極１３ｂ側では、基材シート１１が熱源ｈに対して接触する構成となる。したがって、多数の余分な層を介さずに熱源ｈから第２電極１３ｂ側の熱電変換層Ｃに熱を伝えることができる。そうした一方で、第１電極１３ａ側では、基材シート１１が断熱層１５の厚さの分だけ熱源ｈから離間する。したがって、断熱層１５の断熱効果と、距離をおいて離れたことによる空間的な隔たりとによって、第１電極１３ａ側の熱電変換層Ｃに熱を伝え難くすることができる。
【００５７】
また、熱源ｈと熱電変換層Ｃとの間に基材シート１１を介して固着するため、熱源ｈの表面に凹凸や段差があるような場合であっても、基材シート１１がこの凹凸や段差を覆うことから、熱電変換素子１を熱源ｈに圧着する際に熱電変換層Ｃが破損し難い。したがって、表面に凹凸や段差が設けられた熱源ｈに固着する際には熱電変換素子１は好ましい態様である。
【００５８】
変形例１［図５］：  図５には、熱電変換素子１の変形例である熱電変換素子１ｂを示す。熱電変換素子１ｂが熱電変換素子１と異なるのは、保護層２１を設けた点にある。即ち、熱電変換素子１ｂでは、基材シート１１の表面１１ａ側に、全ての熱電変換層Ｃと電極１３等を覆い、外部接点１４ａを露出する保護層２１を有している。
【００５９】
保護層２１は、熱電変換層Ｃや電極１３等を擦れや酸化から保護するために設けられる絶縁性の樹脂被膜である。また、電極１３が銀を含む場合にその硫化を防止する手段としても好適である。保護層２１とする樹脂材料には、硬質の樹脂が好ましく、例えば、アクリル系やウレタン系、エポキシ系、ポリオレフィン系の樹脂、その他の樹脂を挙げることができる。なお、ここでいう「硬質」とは撓み変形しない程度の「硬質」を意味するのではなく、図３で示すように基材シート１１の変形に伴い追随変形できるだけの柔軟性を有するものである。
【００６０】
保護層２１の厚さは、６〜３０μｍとすることができ、好ましくは１０〜２０μｍである。３０μｍを超えると柔軟性に乏しくなり、６μｍ未満であると熱電変換層Ｃや電極１３の保護が不十分となるおそれがある。
【００６１】
変形例２［図６］：  図６には、熱電変換素子１の変形例である熱電変換素子１ｃを示す。熱電変換素子１ｃが熱電変換素子１と異なるのは、基材シート１１の裏面１１ｂ側において、基材シート１１と第１断熱層１５ａと熱源ｈとの間の空間を充填層２２で埋めて隙間をなくした点である。充填層２２の材質には樹脂やゴムを用いることができ、第１断熱層１５ａと同様の材質（高分子多孔体や無機多孔体等）を用いることもできる。充填層２２を形成することで、後述する断熱部２４を形成したのと同様の効果があるとともに、断熱部２４を空隙とするよりも充填層２２とした方が安定性や断熱性に優れるため好ましい。充填層２２は断熱層と異なる部材を用いることも可能だが、同じ材質で一部材として設けることも可能である。また、基材シート１１の表面１１ａ側に充填層２２を設けることも可能である。
【００６２】
変形例３［図７］：  図７には、熱電変換素子１の変形例である熱電変換素子１ｄを示す。熱電変換素子１ｄが熱電変換素子１と異なるのは、基材シート１１の裏面１１ｂ側に金属層として金属板２３を配置した点である。これによって、熱電変換層Ｃの各電極に対して熱源からの加熱を全体的に均一に行うことができる。金属板２３には、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼、鉄、金、銀等の金属やそれを含む合金を利用することができる。基材シート１１の裏面１１ｂや第１電極の裏面に対して密着していることが好ましく、粘着剤や両面テープによる貼着が利用できる。熱源ｈの表面形状に追随させて金属板２３を貼着するためには金属板２３は薄く曲げやすいことが好ましい。また、金属板２３の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下が好ましい。５μｍよりも薄いと金属板２３を用いることの所望の効果が出難く、５００μｍを超えると固くなりフレキシブル性が乏しくなる。
【００６３】
金属板２３を設けることにより、この金属板２３と熱電変換層Ｃとの間の部分が断熱部２４を形成する。この断熱部２４によって熱電変換層Ｃは、第１電極１３ａが加熱され難く冷却され易くなる。すなわち第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの温度差を大きくすることができ、熱電変換層Ｃの熱電変換効率が大きくなり、起電力を大きくすることができる。
【００６４】
変形例４［図８］：  図８には、熱電変換素子１の変形例である熱電変換素子１ｅを示す。熱電変換素子１ｅが熱電変換素子１と異なるのは、基材シート１１の表面１１ａ側に金属板２３を配置した点である。これによって、熱電変換層Ｃの各電極１３に対して表面１１ａ側からの冷却を全体的に均一に行うことができる。
【００６５】
金属板２３を設けることにより、この金属板２３と熱電変換層Ｃとの間の部分が断熱部２４を形成する。この断熱部２４によって熱電変換層Ｃは、第２電極１３ｂが加熱され易く冷却され難くなる。すなわち第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの温度差を大きくすることができ、熱電変換層Ｃの熱電変換効率が大きくなり、起電力を大きくすることができる。
【００６６】
変形例５［図９］：  図９には、熱電変換素子１の変形例である熱電変換素子１ｆを示す。熱電変換素子１ｆが熱電変換素子１と異なるのは、基材シート１１の表裏両面１１ａ，１１ｂに金属板２３を配置した点である。これによって、熱電変換層Ｃの各電極１３に対して熱源ｈからの加熱や、表面１１ａ側からの冷却を全体的に均一に行うことができる。
【００６７】
基材シート１１の表裏両面１１ａ，１１ｂに金属板２３を設けることで、表面１１ａ側の金属板２３と熱電変換層Ｃとの間に断熱部２４を形成し、裏面側の金属板２３と熱電変換層Ｃとの間に断熱部２４を形成するため、熱電変換層Ｃは第１電極１３ａが加熱され難く冷却され易くなり、第２電極１３ｂは加熱され易く冷却され難くなる。すなわち第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの温度差を大きくすることができ、熱電変換層Ｃの熱電変換効率が大きくなり、起電力を大きくすることができる。
【００６８】
変形例６［図１０］：  図１０には、熱電変換素子１の変形例である熱電変換素子１ｇを示す。熱電変換素子１ｇが熱電変換素子１と異なるのは、基材シート１１上に形成された熱電変換層Ｃおよび第１電極１３ａと第２電極１３ｂを、三層に積層して連結したことである。各層同士の電極１３の連結は、導電性の金属クリップで挟持したり、基材シート１１を折曲げて電極面同士を接続したりすること等によって行なうことができる。三層に積層することで一定面積内における熱電変換層Ｃの数を多くすることができ、熱電変換効率を向上させることができる。
【００６９】
その他の変形例：  上記各変形例の構成は適宜組み合わせることができる。例えば、変形例２で設けた充填層２２を変形例３〜変形例５にも設けて断熱部２４を充填層２２とすることができる。充填層２２が空間を埋めていることによって、形状的に安定するとともに、空間が沈み込むようなことが起こり難くなるため、より安定して断熱効果を発揮させることができる。また、変形例１で設けた保護層２１をそれ以外の変形例の構成の表面に設けるなどの変形を行うことができる。
【００７０】
第２実施形態［図１１］：
【００７１】
本実施形態の熱電変換素子１について説明する。図１１には熱電変換素子２の平面図において、断熱層１５を省略して熱電変換素子２の導通状態を説明する平面図を示す。本実施形態の熱電変換素子２が先に説明した熱電変換素子１と異なるのは、熱電変換層Ｃの配列である。先の熱電変換素子１では、４個の熱電変換層Ｃが並列につながって生じた並列連結部１６の４個が直列につながった構成であったのに対し、本実施形態の熱電変換素子２では、４個の熱電変換層Ｃ（ｃ２１〜ｃ２４）が直列につながった構成を有しており、熱電変換層ｃ２１〜ｃ２４のそれぞれが第１斜面〜第４斜面上に設けられている。
【００７２】
熱電変換素子２では、熱電変換層Ｃの形状に特徴があり、図１１で示すように、４個の熱電変換層ｃ２１〜ｃ２４は、第１電極１３ａ側の端部から第２電極１３ｂ側の端部までの熱電変換層Ｃの長さ（電極間距離）ｔ１に比べて、それに直交する熱電変換層Ｃの幅の長さｔ２を長くしている。ｔ１に対するｔ２は、１．５倍以上とすることが好ましい。１．５倍より小さければ電流値を高める効果が期待できないからである。また、上限を設けていないのは、倍率が高まるほど電気抵抗が小さくなり電流値が大きくなるからである。
【００７３】
第３実施形態［図１２］：
【００７４】
本実施形態の熱電変換素子３の導通状態を説明する平面図を図１２に示す。この図１２で示すように、本実施形態の熱電変換素子３では、６個の熱電変換層Ｃが直列につながって生じた直列連結部１７の４個が並列につながった構成を有している。
【００７５】
より具体的には、熱電変換層ｃ３１の他方側端部に設けられた第１電極１３ａは、配線１４を通じて外部接点１４ａに繋がっている。一方で熱電変換層ｃ３１の一方側端部に設けられた第２電極１３ｂは配線１４を通じて隣接する熱電変換層ｃ３２の第１電極１３ａと連結し、この両熱電変換層ｃ３１，ｃ３２は直列連結している。さらに熱電変換層ｃ３２の第２電極１３ｂは隣接する熱電変換層ｃ３３の第１電極１３ａと連結している。熱電変換層ｃ３４〜ｃ３６も同様である。こうして熱電変換層ｃ３１〜ｃ３６の６個の熱電変換層が直列連結して直列連結部（第１直列連結部１７ａ）１７を形成している。
【００７６】
同様に、熱電変換層ｃ３７〜ｃ４２の６個の熱電変換層も直列連結して、６個の熱電変換層ｃ３７〜ｃ４２からなる直列連結部（第２直列連結部１７ｂ）１７を形成し、熱電変換層ｃ４３〜ｃ４８の６個の熱電変換層も直列連結して、６個の熱電変換層ｃ４３〜ｃ４８からなる直列連結部（第３直列連結部１７ｃ）１７を形成し、熱電変換層ｃ４９〜ｃ５４の６個の熱電変換層も直列連結して、６個の熱電変換層ｃ４９〜ｃ５４からなる直列連結部（第４直列連結部１７ｄ）１７を形成している。そして、これら４つの直列連結部１７ａ〜１７ｄが並列連結している。より具体的には、熱電変換層ｃ３６の第２電極１３ｂと熱電変換層ｃ４２の第２電極と熱電変換層ｃ４８の第２電極と熱電変換層ｃ５４の第２電極とが配線１４を通じて連結し、そうした一方で、熱電変換層ｃ３１の第１電極１３ａと熱電変換層ｃ３７の第１電極１３ａと熱電変換層ｃ４３の第１電極１３ａと熱電変換層ｃ４９の第１電極１３ａとが配線１４を通じて連結している。そして、第１直列連結部１７ａ〜第４直列連結部１７ｄのそれぞれが第１斜面２０ａ〜第４斜面２０ｄ上に設けられている。
【００７７】
本実施形態の熱電変換素子１は、谷部１８から山部１９を経て谷部１８に至る配線１４や、山部１９から谷部１８を経て山部１９に至る配線１４が複数並行配置されるため、仮に一箇所が断線したとしても断線していない配線が残り、起電力がゼロに下がることが生じ難い点で好ましい。
【００７８】
上記実施形態は本発明の例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施形態の変更または公知技術の付加や、組合せ等を行い得るものであり、それらの技術もまた本発明の範囲に含まれるものである。
【００７９】
熱電変換層の個数や大きさは、熱電変換素子の用途や、要求される電圧値や電流値に応じて適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１，１ｂ〜１ｇ，２，３  熱電変換素子
ｈ  熱源
１１  基材シート
１１ａ  表面
１１ｂ  裏面
Ｃ，ｃ１〜ｃ５４  熱電変換層
１３  電極
１３ａ  第１電極
１３ｂ  第２電極
１４  配線
１４ａ  外部接点
１５  断熱層
１５ａ  第１断熱層
１５ｂ  第２断熱層
１６  並列連結部
１６ａ〜１６ｄ  第１並列連結部〜第４並列連結部
１７  直列連結部
１７ａ〜１７ｄ  第１直列連結部〜第４直列連結部
１８  谷部
１９  山部
２０  斜面
２０ａ〜２０ｄ  第１斜面〜第４斜面
２１  保護層
２２  充填層
２３  金属板（金属層）
２４  断熱部
ｔ１  熱電変換層の電極間距離
ｔ２  熱電変換層の幅の長さ
【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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