(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の低熱伝導部、ならびに、前記低熱伝導部に設けられる、前記低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第１高熱伝導部、を有する基板と、
前記基板に設けられる熱電変換層と、
前記熱電変換層を覆う被覆層と、
前記被覆層に設けられる、前記被覆層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向に前記第１高熱伝導部と完全に重複しない第２高熱伝導部と、
面方向に前記熱電変換層を挟んで前記熱電変換層に接続される一対の電極と、
前記第１高熱伝導部の、前記熱電変換層とは反対側の面に設置される接合部材と、を有し、
前記接合部材は、厚み方向における熱伝導率が、面方向における熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
前記接合部材の形成材料が、金属、合金、および、フィラーを垂直配向した樹脂のいずれかである請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記接合部材の、前記第１高熱伝導部とは反対側の面に配置される、面方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高い熱伝導シートを有する請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記熱伝導シートが凹部を有し、
前記接合部材が前記熱伝導シートの凹部に嵌合している請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記第２高熱伝導部の熱抵抗が、前記第１高熱伝導部の熱抵抗よりも小さい請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記基板は、前記低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第３高熱伝導部を有し、
前記第３高熱伝導部の厚みは、前記第１高熱伝導部と前記接合部材との合計厚みよりも薄く、さらに、面方向に前記第１高熱伝導部と離間し、かつ、面方向に前記熱電変換層および第２高熱伝導部と少なくとも一部が重複する請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記被覆層が、樹脂製のシート、あるいはさらに、前記樹脂製のシートと前記熱電変換層との間に設けられる粘着層からなるものであり、
前記第２高熱伝導部が、金属製で、前記被覆層の前記熱電変換層と逆側の面に設けられる請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項８】
前記被覆層が粘着性を有するものであり、さらに、
前記第２高熱伝導部が、貫通しない溝を有する金属製のシートであり、
前記金属製のシートは、前記溝の少なくとも一部が面方向に前記第１高熱伝導部と重複するように、前記溝を前記被覆層に向けて前記被覆層に設けた構成を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項９】
前記基板の前記低熱伝導部が樹脂製であり、
前記第１高熱伝導部が、金属製で、前記低熱伝導部の前記熱電変換層と逆側の面に設けられる請求項１〜８のいずれか一項に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、良好な熱電変換性能を有する熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる熱電変換材料が、熱によって発電する発電素子やペルチェ素子のような熱電変換素子に用いられている。
熱電変換素子は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要としない等の利点を有する。そのため、複数の熱電変換素子を接続してなる熱電変換モジュール（発電装置）は、例えば、焼却炉や工場の各種の設備など、排熱される部位に設けることで、動作コストを掛ける必要なく、簡易に電力を得ることができる。
【０００３】
熱電変換素子は、一般的に、板状の基板の上に電極を有し、電極の上に熱電変換層（発電層）を有し、熱電変換層の上に板状の電極を有してなる構成を有する。このような熱電変換素子は、uni leg型の熱電変換素子とも呼ばれている。
すなわち、通常の熱電変換素子は、電極で熱電変換層を厚さ方向に挟持し、熱電変換層の厚さ方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換させている。
【０００４】
これに対し、特許文献１および２には、熱電変換層の厚さ方向ではなく、高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用いて、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子が記載されている。
具体的には、特許文献１には、Ｐ型材料およびＮ型材料で形成された熱電変換層の両面に、熱伝導率が異なる２種類の材料で構成された柔軟性を有するフィルム基板を設け、熱伝導率が異なる材料を、基板の外面で、かつ、通電方向の逆位置に位置するように構成した熱電変換素子が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、シート状の第１絶縁性部および第２絶縁性部と、両絶縁性部の間に収容される熱起電力を取り出すための第１端部および第２端部を有する板状の熱電変換層と、熱電変換層と第１絶縁性部との間に配置される、第１端部の第１絶縁性部側を覆う、第１絶縁性部よりも熱伝導率が高い第１高熱伝導性部と、板状部材と第２絶縁性部との間に配置された、板状部材の第２端部の第２絶縁性部側を覆う、第２絶縁性部よりも熱伝導率が高い第２高熱伝導性部とを有する素子が記載されている。
【０００６】
このような高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用い、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子は、『in plane型の熱電変換素子』とも呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９８１７３８号公報
【特許文献２】特開２０１１−３５２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
in plane型の熱電変換素子は、基板に設けられる高熱伝導部によって熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。そのため、薄い熱電変換層でも、温度差が生じる距離を長くして、効率の良い発電ができる。
さらに、熱電変換層を薄いシート状にできるので、フレキシブル性にも優れ、曲面等への設置も容易な熱電変換モジュールが得られる。
【０００９】
ところが、本発明者らの検討によれば、in plane型の熱電変換素子でも、使用状況等によっては充分な発電量が得られない場合も有り、特に、自然空冷下においては、水冷や強制空冷下に比べ、発電量が低下し易い傾向にあることが判明した。
【００１０】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、基板に設けられた高熱伝導部および低熱伝導部によって、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子において、自然空冷下であっても発電量を向上できる熱電変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、シート状の低熱伝導部、ならびに、低熱伝導部に設けられる、低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第１高熱伝導部、を有する基板と、基板に設けられる熱電変換層と、熱電変換層を覆う被覆層と、被覆層に設けられる、被覆層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向に第１高熱伝導部と完全に重複しない第２高熱伝導部と、面方向に熱電変換層を挟んで熱電変換層に接続される一対の電極と、第１高熱伝導部の、熱電変換層とは反対側の面に設置される接合部材と、を有することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下の構成の熱電変換素子を提供する。
【００１２】
（１）  シート状の低熱伝導部、ならびに、低熱伝導部に設けられる、低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第１高熱伝導部、を有する基板と、
基板に設けられる熱電変換層と、
熱電変換層を覆う被覆層と、
被覆層に設けられる、被覆層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向に第１高熱伝導部と完全に重複しない第２高熱伝導部と、
面方向に熱電変換層を挟んで熱電変換層に接続される一対の電極と、
第１高熱伝導部の、熱電変換層とは反対側の面に設置される接合部材と、を有する熱電変換素子。
（２）  接合部材は、厚み方向における熱伝導率が、面方向における熱伝導率よりも高い（１）に記載の熱電変換素子。
（３）  接合部材の形成材料が、金属、合金、および、フィラーを垂直配向した樹脂のいずれかである（１）または（２）に記載の熱電変換素子。
（４）  接合部材の、第１高熱伝導部とは反対側の面に配置される、面方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高い熱伝導シートを有する（１）〜（３）のいずれかに記載の熱電変換素子。
（５）  熱伝導シートが凹部を有し、
接合部材が熱伝導シートの凹部に嵌合している（４）に記載の熱電変換素子。
（６）  第２高熱伝導部の熱抵抗が、第１高熱伝導部の熱抵抗よりも小さい（１）〜（５）のいずれかに記載の熱電変換素子。
（７）  基板は、低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第３高熱伝導部を有し、
第３高熱伝導部の厚みは、第１高熱伝導部と接合部材との合計厚みよりも薄く、さらに、面方向に第１高熱伝導部と離間し、かつ、面方向に熱電変換層および第２高熱伝導部と少なくとも一部が重複する（１）〜（６）のいずれかに記載の熱電変換素子。
（８）  被覆層が、樹脂製のシート、あるいはさらに、樹脂製のシートと熱電変換層との間に設けられる粘着層からなるものであり、
第２高熱伝導部が、金属製で、被覆層の熱電変換層と逆側の面に設けられる（１）〜（７）のいずれかに記載の熱電変換素子。
（９）  被覆層が粘着性を有するものであり、さらに、
第２高熱伝導部が、貫通しない溝を有する金属製のシートであり、
金属製のシートは、溝の少なくとも一部が面方向に第１高熱伝導部と重複するように、溝を被覆層に向けて被覆層に設けた構成を有する（１）〜（７）のいずれかに記載の熱電変換素子。
（１０）  基板の低熱伝導部が樹脂製であり、
第１高熱伝導部が、金属製で、低熱伝導部の熱電変換層と逆側の面に設けられる（１）〜（９）のいずれかに記載の熱電変換素子。
【発明の効果】
【００１３】
このような本発明によれば、基板に設けられた高熱伝導部および低熱伝導部によって、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子において、自然空冷下であっても発電量を向上できる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】
【００１４】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の熱電変換素子の一例を概念的に示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す熱電変換素子を概念的に示す正面図である。
【図２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本発明の熱電変換素子の別の例を説明するための概念図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明の熱電変換素子の別の例を概念的に示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の部分拡大断面図である。
【図４】本発明の熱電変換素子の別の例を概念的に示す斜視図である。
【図５】本発明の熱電変換素子の別の例を概念的に示す斜視図である。
【図６】本発明の熱電変換素子の別の例を概念的に示す斜視図である。
【図７】本発明の熱電変換素子の別の例を概念的に示す斜視図である。
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、本発明の熱電変換素子を、複数、直列に接続してなる、熱電変換モジュールの一例を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の熱電変換素子について、添付の図面に示される好適実施態様を基に詳細に説明する。
本発明の熱電変換素子は、シート状の低熱伝導部、ならびに、低熱伝導部に設けられる、低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第１高熱伝導部、を有する基板と、
基板に設けられる熱電変換層と、
熱電変換層を覆う被覆層と、
被覆層に設けられる、被覆層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向に第１高熱伝導部と完全に重複しない第２高熱伝導部と、
面方向に熱電変換層を挟んで熱電変換層に接続される一対の電極と、
第１高熱伝導部の、熱電変換層とは反対側の面に設置される接合部材と、を有する熱電変換素子である。
【００１６】
図１（Ａ）に、本発明の熱電変換素子の一例を斜視図によって概念的に示す。また、図１（Ｂ）に、図１（Ａ）に示す熱電変換素子を正面から見た正面図を示す。
【００１７】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す熱電変換素子１０は、基本的に、第１基板１２と、熱電変換層１６と、粘着層１８と、第２基板２０と、電極２６および電極２８と、接合部材２２とを有して構成される。
具体的には、第１基板１２の表面には、熱電変換層１６が設けられる。また、第１基板１２の表面には、熱電変換層１６を第１基板１２の基板面方向に挟むようにして、熱電変換層１６に接続して電極２６および電極２８（電極対）が設けられる。さらに、第１基板１２、熱電変換層１６、電極２６および電極２８を覆うように、粘着層１８が設けられ、この粘着層１８には、第２基板２０が貼着される。さらに、第１基板１２の熱電変換層１６とは反対側の面にある第１高熱伝導部１２ｂ上に接合部材２２が配置される。
【００１８】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、第１基板１２は、シート状（フィルム状、板状）の低熱伝導部１２ａと、低熱伝導部１２ａの一面に設けられる第１高熱伝導部１２ｂとを有する。第１高熱伝導部１２ｂは、低熱伝導部１２ａよりも熱伝導率が高い。
他方、第２基板２０も、シート状の低熱伝導部２０ａと、低熱伝導部に設けられる第２高熱伝導部２０ｂとを有する。第２高熱伝導部２０ｂは、粘着層１８および低熱伝導部２０ａよりも熱伝導率が高い。
さらに、後に詳述するが、第２高熱伝導部２０ｂは、面方向に第１高熱伝導部１２ｂと完全に重複しない。
本発明において、『面方向』とは、第１基板１２の基板面方向すなわちシート状の低熱伝導部１２ａの面方向である。
【００１９】
熱電変換素子１０においては、第１基板１２が本発明における基板に、粘着層１８および第２基板２０の低熱伝導部２０ａが本発明における被覆層に、それぞれ対応する。
【００２０】
熱電変換素子１０において、両基板は、第１高熱伝導部１２ｂと第２高熱伝導部２０ｂとが、電極２６と電極２８との離間方向に異なる位置となるように配置される。
電極２６と電極２８との離間方向とは、すなわち通電方向である。以下、電極２６と電極２８との離間方向、すなわち、通電方向であり、かつ、熱電変換層１６における伝熱方向でもある方向を、『離間方向』とも言う。
【００２１】
熱電変換素子１０は、低熱伝導部１２ａおよび第１高熱伝導部１２ｂを有する第１基板１２と、低熱伝導部２０ａおよび第２高熱伝導部２０ｂを有する第２基板２０とを有し、第１高熱伝導部１２ｂと第２高熱伝導部２０ｂとを面方向に異なる位置として、熱電変換層１６および粘着層１８を、第１基板１２と第２基板とで挟持した構成を有する。
すなわち、熱電変換素子１０は、前述のin plane型の熱電変換素子であって熱電変換層１６の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
この点に関しては、後に詳述する。
【００２２】
図示例の熱電変換素子１０において、第１基板１２および第２基板２０は、配置位置、表裏や面方向（基板面方向）の向きが異なるのみで、基本的な構成は同じである。すなわち、第１基板１２および第２基板２０において、低熱伝導部１２ａおよび低熱伝導部２０ａ、ならびに、第１高熱伝導部１２ｂおよび第２高熱伝導部２０ｂは、同じものである。
従って、以下の説明では、第１基板１２と第２基板２０とを区別する必要が有る場合を除いて、第１基板１２を代表例として説明を行う。
【００２３】
図示例の熱電変換素子１０において、第１基板１２（第２基板２０）は、低熱伝導部１２ａ（低熱伝導部２０ａ）の離間方向を端部から所定部分まで覆うように、低熱伝導部１２ａに第１高熱伝導部１２ｂを積層してなる構成を有する。
従って、第１基板１２の一面は、離間方向の端部から所定領域までが低熱伝導部１２ａで、残りの半分の領域は第１高熱伝導部１２ｂとなる。また、第１基板１２の他方の面は、全面が低熱伝導部１２ａとなる。
熱電変換素子１０では、第１基板１２の低熱伝導部１２ａの第１高熱伝導部１２ｂが形成されていない側の面が、熱電変換層１６の形成面となる。また、第２基板２０は、第２高熱伝導部２０ｂが形成されていない側の面が、熱電変換層１６（粘着層１８）側の面となる。
【００２４】
なお、本発明の熱電変換素子において、第１基板１２は、低熱伝導部の表面に高熱伝導部を積層してなる構成以外にも、各種の構成が利用可能である。例えば、第１基板は、低熱伝導部１２ａとなる板状物の、一方の面の所定領域に凹部を形成して、この凹部に、第１高熱伝導部１２ｂを組み込んだ構成でもよい。
【００２５】
低熱伝導部１２ａは、ガラス板、セラミックス板、プラスチックフィルムなどの樹脂材料（高分子材料）からなるフィルムなど、絶縁性を有し、かつ、熱電変換層１６や電極２６等の形成等に対する十分な耐熱性を有するものであれば、各種の材料からなる物が利用可能である。
好ましくは、低熱伝導部１２ａには、樹脂材料からなるフィルムが利用される。低熱伝導部１２ａに樹脂材料からなるフィルムを用いることにより、軽量化やコストの低下を計ると共に、可撓性を有する熱電変換素子１０（熱電変換モジュール）が作製可能となり、好ましい。
【００２６】
低熱伝導部１２ａに利用可能な樹脂材料としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ（１，４−シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート）、ポリエチレン−２，６−フタレンジカルボキシレート等のポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエーテルスルホン、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等の樹脂、ガラスエポキシ、液晶性ポリエステル等が例示される。
中でも、熱伝導率、耐熱性、耐溶剤性、入手の容易性や経済性等の点で、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等からなるフィルムは、好適に利用される。
【００２７】
本発明において、高熱伝導部および低熱伝導部とは、隣接する層（隣接する高熱伝導部もしくは低熱伝導部）に対して熱伝導率が高い、もしくは低いことを示す。隣接する高熱伝導部と低熱伝導部との熱伝導率の比は、１００：１以上が好ましく、５００：１以上がより好ましく、１０００：１以上がさらに好ましい。
従って、第１高熱伝導部１２ｂは、低熱伝導部１２ａ（あるはさらに粘着層１８）よりも熱伝導率が高いものであれば、各種の材料からなるものが例示される。
第１高熱伝導部１２ｂの形成材料としては、具体的には、熱伝導率等の点で、金、銀、銅、アルミニウム等の各種の金属が例示される。中でも、熱伝導率、経済性等の点で、銅やアルミニウムは好適に利用される。また、可撓性を有する熱電変換素子（熱電変換モジュール）を得られる等の点で、第１高熱伝導部１２ｂには、金属製のシート（金属箔を含む）も、好適に利用される。
【００２８】
なお、本発明において、第１基板１２の厚さ、低熱伝導部１２ａの厚さ、第１高熱伝導部１２ｂの厚さ等は、第１高熱伝導部１２ｂおよび低熱伝導部１２ａの形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
なお、本発明において、厚さとは、言い換えれば、第１基板１２、熱電変換層１６、粘着層１８および第２基板２０（被覆層）の積層方向のサイズである。また、第１基板１２の厚さとは、第１高熱伝導部１２ｂが無い領域の低熱伝導部１２ａの厚さである。
本発明者らの検討によれば、第１基板１２の厚さは、２〜１００μｍが好ましく、２〜５０μｍがより好ましい。
【００２９】
また、第１基板１２の面方向の大きさ、第１基板１２における第１高熱伝導部１２ｂの面方向の面積率等も、低熱伝導部１２ａおよび第１高熱伝導部１２ｂの形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。なお、面方向の大きさや面積率とは、すなわち、面方向と直交する方向から見た際の大きさや面積率である。
【００３０】
さらに、第１基板１２における第１高熱伝導部１２ｂの面方向の位置も、図示例に限定されず、各種の位置が利用可能である。
例えば、第１基板１２において、第１高熱伝導部１２ｂは、面方向において低熱伝導部１２ａに内包されてもよい。また、第１高熱伝導部１２ｂは、面方向において、一部を第１基板１２の端部に位置し、それ以外の領域が低熱伝導部１２ａに内包されてもよい。
さらに、第１基板１２は、面方向に複数の第１高熱伝導部１２ｂを有してもよい。
【００３１】
なお、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す熱電変換素子１０は、第１基板１２と第２基板２０との間での温度差を生じ易い好ましい態様として、第１基板１２および第２基板２０は、共に、第１高熱伝導部１２ｂおよび第２高熱伝導部２０ｂを積層方向の外側に位置している。
しかしながら、本発明は、これ以外にも、第１基板１２が第１高熱伝導部１２ｂを積層方向の外側に位置し、第２基板２０が第２高熱伝導部２０ｂを積層方向の内側に位置するような構成でもよい。
なお、高熱伝導部が金属等の導電性を有する材料で形成され、かつ、高熱伝導部が積層方向の内側に配置される構成において、高熱伝導部と、電極２６、電極２８および熱電変換層１６の少なくとも１つとが電気的に接続されてしまう場合には、高熱伝導部と、電極２６、電極２８および熱電変換層１６の少なくとも１つとの絶縁性を確保するために、間に絶縁層を設けてもよい。
【００３２】
また、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂおよび第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂは、両者が面方向で完全に重複しなければ、各種のサイズ、形状および位置のものが利用可能である。
【００３３】
前述のように、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す熱電変換素子では、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂと、第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂとが、対向する端面が離間するように配置されている。
本発明は、これ以外にも、例えば、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂを図中左側に移動し、第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂを図中右側に移動して、第１高熱伝導部１２ｂと第２高熱伝導部２０ｂとの対向する端部が、離間方向に同じ位置とする構成でもよい。あるいは、さらに第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂを図中左側に移動し、第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂを図中右側に移動することによって、第１高熱伝導部１２ｂと第２高熱伝導部２０ｂとの一部を、面方向で重複させてもよい。
【００３４】
あるいは、第１基板に円形の第１高熱伝導部を形成し、第２基板に同サイズの正方形の第３高熱伝導部を形成して、両高熱伝導部の中心を面方向で一致させるように、両基板を配置してもよい。この構成でも、距離は短いが、両高熱伝導部は、端部（周辺）位置が面方向で異なるので、熱電変換層には面方向の温度差が生じ、厚さ方向に温度差を生じさせる熱電変換素子に比して、効率の良い発電が可能である。なお、同サイズの円形および正方形とは、直径と一辺の長さとが一致している円形および正方形である。
すなわち、本発明においては、第１基板と第２基板とで、高熱伝導部が面方向に完全に重複しなければ、第１基板および第２基板は、各種の構成が利用可能である。言い換えれば、第１基板および第２基板は、基板面と垂直方向から見た際に、第１基板と第２基板との高熱伝導部が完全に重なっていなければ、各種の構成が利用可能である。
【００３５】
熱電変換素子１０において、第１基板１２の全面が低熱伝導部１２ａである面には、熱電変換層１６が形成される。
また、熱電変換層１６の上には、粘着層１８を介して第２基板２０が設けられる。第２基板２０は、低熱伝導部２０ａの第２高熱伝導部２０ｂが形成されていない側の面を熱電変換層１６に向けて設けられる。
【００３６】
両基板において、第１高熱伝導部１２ｂおよび第２高熱伝導部２０ｂは、熱電変換層１６の面方向に効率的に温度差を生じさせるように配置される。
即ち、両基板の第１高熱伝導部１２ｂおよび第２高熱伝導部２０ｂは、熱電変換層１６に対して、面方向に異なる位置に配置されるのが好ましく、第１高熱伝導部１２ｂおよび第２高熱伝導部２０ｂの対面する側の端部を熱電変換層１６の離間方向の中心に一致して設けるのがより好ましく、図示例のように、第１高熱伝導部１２ｂおよび第２高熱伝導部２０ｂの対面する側の端部が離間方向に離間するように配置されるのがさらに好ましい。
特に、第１高熱伝導部１２ｂと第２高熱伝導部２０ｂとは、離間方向における熱電変換層１６の大きさに対して、離間方向に１０〜９０％離間させるのが好ましく、１０〜５０％離間させるのがより好ましい。
【００３７】
また、熱電変換層１６には、面方向に挟むように、電極２６および電極２８からなる電極対が接続される。
【００３８】
なお、熱電変換素子１０において、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂを形成されていない側の表面には、必要に応じて、密着層を有してもよい。密着層を有することにより、第１基板１２と、熱電変換層１６や電極２６および電極２８との密着性を良好にして、耐屈曲性など、機械的強度が良好な熱電変換素子（熱電変換モジュール）が得られる。
【００３９】
密着層は、第１基板１２（低熱伝導部１２ａ）、熱電変換層１６、電極２６および電極２８の形成材料に応じて、熱電変換層１６や両電極と第１基板１２との密着性を確保できるものであれば、各種のものが利用可能である。
例えば、熱電変換層１６の形成材料として、ニッケルやニッケル合金を用いる場合や、電極２６および電極２８の形成材料として、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、白金等を用いる場合には、密着層としては、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、クロム、チタン等からなる層が例示される。
また、密着層を酸化珪素等の金属酸化物で形成することにより、第１基板１２を通過した水分から熱電変換層１６を保護する、ガスバリア層としての作用も得られる。
【００４０】
熱電変換素子１０は、熱源との接触などによる加熱によって熱電変換層１６の内部に温度差が生じることにより、この温度差に応じて、熱電変換層１６の内部において、この温度差の方向のキャリア密度に差が生じ、電力が発生する。
【００４１】
本発明の熱電変換素子１０において、熱電変換層１６は、公知の熱電変換材料を用いる各種の構成が、全て、利用可能である。従って、有機系の熱電変換材料を用いる物であっても、無機系の熱電変換材料を用いるものであってもよい。
熱電変換層１６に用いられる熱電変換材料としては、無機系の熱電変換材料として、（１）ＢｉＳｂＴｅ、ＢｉＳｅＴｅ、ＢｉＴｅなどのＢｉＴｅ系、（２）ＣｏＳｂ3、Ｚｎ4Ｓｂ3などのアンチモン（Ｓｂ）含有化合物、（３）Ｍｇ2Ｓｉ、β―ＦｅＳｉ２、ＳｉＧｅなどのシリサイド化合物、（４）ＳｒＴｉＯ３、ＺｎＯ，ＴｉＯ２などの酸化物半導体、（５）Ｆｅ−Ａｌなどの金属間化合物、（６）ニッケル、ニクロム、クロメル、コンスタンタンなどのニッケル、ならびニッケル合金どの公知の材料が好適に使用できる。
なお、ニッケル合金は、温度差を生じることで発電するニッケル合金が、各種、利用可能である。具体的には、バナジウム、クロム、シリコン、アルミニウム、チタン、モリブデン、マンガン、亜鉛、錫、銅、コバルト、鉄、マグネシウム、ジルコニウムなどの１成分、もしくは、２成分以上と混合したニッケル合金等が例示される。
あるいは、熱電変換層１６に用いられる熱電変換材料としては、例えば、導電性高分子や導電性ナノ炭素材料等の有機材料が好適に例示される。
【００４２】
導電性高分子としては、共役系の分子構造を有する高分子化合物（共役系高分子）が例示される。具体的には、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフルオレン、アセチレン、ポリフェニレンなどの公知のπ共役高分子等が例示される。特に、ポリジオキシチオフェンは、好適に使用できる。
【００４３】
導電性ナノ炭素材料としては、具体的には、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラファイト、グラフェン、カーボンナノ粒子等が例示される。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。以下の説明では、『カーボンナノチューブ』を『ＣＮＴ』とも言う。
中でも、熱電特性がより良好となる理由から、ＣＮＴが好ましく利用される。
【００４４】
ＣＮＴには、１枚の炭素膜（グラフェン・シート）が円筒状に巻かれた単層ＣＮＴ、２枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた２層ＣＮＴ、及び複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層ＣＮＴがある。本発明においては、単層ＣＮＴ、２層ＣＮＴ、多層ＣＮＴを各々単独で用いてもよく、２種以上を併せて用いてもよい。特に、導電性及び半導体特性において優れた性質を持つ単層ＣＮＴおよび２層ＣＮＴを用いることが好ましく、単層ＣＮＴを用いることがより好ましい。
単層ＣＮＴは、半導体性のものであっても、金属性のものであってもよく、両者を併せて用いてもよい。半導体性ＣＮＴと金属性ＣＮＴとを両方を用いる場合、組成物中の両者の含有比率は、組成物の用途に応じて適宜調整することができる。また、ＣＮＴには金属などが内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたものを用いてもよい。
ＣＮＴは、修飾あるいは処理されたものであってもよい。さらに、熱電変換層１６にＣＮＴを利用する場合には、ドーパント（アクセプタ）を含んでいてもよい。
【００４５】
熱電変換層１６を構成する熱電変換材料としては、ニッケルあるいはニッケル合金も好適に例示される。
【００４６】
本発明の熱電変換素子１０において、熱電変換層１６の厚さ、面方向の大きさ、基板に対する面方向の面積率等は、熱電変換層１６の形成材料、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
【００４７】
このような熱電変換層１６には、面方向に挟持するように、電極２６および電極２８が接続される。熱電変換素子１０において、電極２６および電極２８は、端部を熱電変換層１６に覆われて、熱電変換層１６に接続される。
【００４８】
電極２６および電極２８は、必要な導電率を有するものであれば、各種の材料で形成可能である。
電極２６および電極２８の形成材料としては、具体的には、銅、銀、金、白金、ニッケル、アルミニウム、コンスタンタン、クロム、インジウム、鉄、銅合金などの金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の各種のデバイスで透明電極として利用されている材料等が例示される。中でも、銅、金、銀、白金、ニッケル、銅合金、アルミニウム、コンスタンタン等は好ましく例示され、銅、金、銀、白金、ニッケルは、より好ましく例示される。
電極２６および電極２８は、例えば、クロム層の上に銅層を形成してなる構成等、積層電極であってもよい。
【００４９】
電極２６および電極２８の厚さや大きさ、形状等も、熱電変換層１６の厚さや大きさ、形状、熱電変換素子１０の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。
【００５０】
図示例の熱電変換素子において、電極２６および電極２８は、離間方向の端部を熱電変換層１６に覆われて、熱電変換層１６に接続されている。
本発明は、これ以外にも、電極２６および電極２８は、各種の構成が利用可能である。一例として、図２（Ａ）に概念的に示すように、熱電変換層１６の端部から端面に沿って立ち上がり、熱電変換層１６の上面の端部近傍に到る電極２６および電極２８が例示される。また、図２（Ｂ）に概念的に示すように、熱電変換層１６の端部に当接する電極２６および電極２８も利用可能である。さらに、電極２６と電極２８とは、構成が異なってもよい。
【００５１】
熱電変換素子１０において、熱電変換層１６、電極２６および電極２８を覆って、粘着層１８が積層される。粘着層１８は、十分な密着力で第２基板２０を貼着するためのものである。また、粘着層１８は、絶縁層としての作用を有してもよい。
粘着層１８の形成材料は、熱電変換層１６、電極２６および電極２８の形成材料と、第２基板２０（低熱伝導部２０ａ）の形成材料とに応じて、絶縁性を有し、かつ、両者を貼着可能なものが、各種、利用可能である。
具体的には、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ＥＶＡ、α-オレフィンポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ゼラチン、デンプン等が例示される。また、粘着層１８は、市販の接着剤、粘着剤、両面テープや粘着フィルム等を利用して形成してもよい。
【００５２】
粘着層１８の厚さは、粘着層１８の形成材料、熱電変換層１６に起因する段差の大きさ等に応じて、熱電変換層１６等と第２基板２０とを十分な密着力で貼着でき、かつ、絶縁できる厚さを、適宜、設定すればよい。なお、粘着層１８は、基本的に、薄い方が、熱電変換性能を高くできる。
具体的には、５〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍがより好ましい。
粘着層１８の厚さを５μｍ以上とすることにより、熱電変換層１６に起因する段差を十分に埋められる、良好な密着性および十分な絶縁性が得られる等の点で好ましい。
粘着層１８の厚さを１００μｍ以下、特に５０μｍ以下とすることにより、熱電変換素子１０（熱電変換モジュール）の薄膜化を計れる、可撓性の良好な熱電変換素子１０を得ることができる、粘着層１８の熱抵抗を小さくでき、より良好な熱電変換性能が得られる等の点で好ましい。
【００５３】
なお、必要に応じて、密着性を向上するために、熱電変換層１６、電極２６および電極２８と粘着層１８との界面、粘着層１８と第２基板２０との界面の１以上において、界面を形成する表面の少なくとも１面に、プラズマ処理、ＵＶオゾン処理、電子線照射処理等の公知の表面処理を施して、表面の改質や清浄化を行ってもよい。
【００５４】
前述のように、粘着層１８の上には、低熱伝導部２０ａを粘着層１８側に向けて、第２基板２０が積層、貼着されて、熱電変換素子１０が構成される。また、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂと第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂとは、離間方向に異なる位置に配置される。
本発明の熱電変換素子１０（熱電変換モジュール）は、基本的に、第１基板１２（第１高熱伝導部）側が熱源３０側となるように設置され、第２基板２０側に放熱フィン等の放熱手段３２が設けられて、使用される。
従って、熱源３０の熱は、第１高熱伝導部１２ｂから低熱伝導部１２ａ等を通過して熱電変換層１６の図中右側に至り、熱電変換層１６を図中左側から図中右側に面方向に伝って、低熱伝導部２０ａ等を通過して、放熱手段３２が設けられる第２高熱伝導部２０ｂから、放熱される。
これにより、前述のように、離間方向において、第１高熱伝導部１２ｂ側すなわち加熱側と、第２高熱伝導部２０ｂ側すなわち冷却側との間で、熱電変換層１６内に温度差が生じ、熱電変換層１６の内部において、この温度差の方向のキャリア密度に差が生じ、発電する。また、電極２６および電極２８に配線を接続することにより、加熱によって発生した電力（電気エネルギー）が取り出される。
【００５５】
このように、前述のin plane型である本発明の熱電変換素子１０は、熱電変換層１６の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。そのため、薄い熱電変換層１６でも、熱電変換層１６内において温度差が生じる距離を長くして、効率の良い発電ができる。
さらに、熱電変換層を薄いシート状にできるので、フレキシブル性にも優れ、曲面等への設置も容易な熱電変換モジュールが得られる。
【００５６】
ところが、本発明者らの検討によれば、in plane型の熱電変換素子は、このような利点を有する反面、水冷や強制空冷下に比べ、自然空冷下において、発電量が低下し易い傾向にあることが判明した。
【００５７】
本発明者らは、この原因について検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
すなわち、in plane型の熱電変換素子は、高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用いて、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせる構成を有する。この構成によれば、面方向に温度差を生じさせる距離を長くできる反面、構成上、熱源と、熱電変換層における冷却される側との距離が非常に近くなる。具体的には、熱源３０と、熱電変換層１６における冷却側である離間方向の図中左側の領域との距離は、第１高熱伝導部１２ｂと低熱伝導部１２ａの厚さ分しか無い。
そのため、熱源と基板との間の空気層を介した熱伝導により、熱電変換層の冷却側が加熱され易く、熱電変換層における加熱側と冷却側との間の温度差が小さくなって、発電量が低下してしまう。すなわち、熱電変換層１６の加熱側である離間方向の第１高熱伝導部１２ｂ側の温度と、熱電変換層１６における冷却側である離間方向の第２高熱伝導部２０ｂ側との温度差が小さくなって、発電量が低下してしまう。
特に、自然空冷下では、熱電変換層１６における第２高熱伝導部２０ｂ側すなわち冷却側における冷却が追い付かずに、熱電変換層１６における加熱側と冷却側との温度差が小さくなり易く、発電量が低下し易い。
【００５８】
これに対し、本発明の熱電変換素子１０は、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂの、熱電変換層１６側（低熱伝導部１２ａ側）とは反対側の面に設置される接合部材２２を有する。
本発明の熱電変換素子１０は、第１高熱伝導部１２ｂと熱源３０との間に接合部材２２を配置して、熱源３０と第１基板１２との距離を取ることで、空気層を介した熱伝導を抑制する。その結果、自然放冷下であっても、不要な吸熱による熱電変換層１６の冷却側の加熱を防止して、冷却側を十分に冷却できる。これにより、熱電変換層１６における加熱側と冷却側との温度差が小さくなるのを抑制して、熱電変換層１６の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
【００５９】
接合部材２２は、第１高熱伝導部１２ｂと熱源３０との間に配置されるものであるため、熱源３０の熱を第１高熱伝導部１２ｂに好適に熱伝導できる材料からなるのが好ましく、接合部材２２は、第１高熱伝導部１２ｂの熱伝導率の７０％以上の熱伝導率を有する材料からなるのが好ましい。また、接合部材２２の熱伝導率は、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるのが好ましく、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるのがより好ましい。
【００６０】
具体的には、接合部材２２の形成材料としては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム等の各種の金属、ニッケル合金、銅合金、銀合金はんだ等の合金、あるいは、炭素繊維や金属粒子等のフィラーを、シリコーンやゴム等の樹脂材料中に分散し、垂直配向した材料などが好適に利用される。
また、接合部材２２の形成材料として、フィラーを垂直配向した材料を用いる場合には、フィラーの配向方向を厚さ方向と一致させることが好ましい。すなわち、接合部材２２の厚さ方向における熱伝導率が、面方向における熱伝導率よりも高いことが好ましい。
接合部材２２として、厚さ方向の熱伝導率が面方向の熱伝導率よりも高いものを用いることで、熱源３０から第１高熱伝導部１２ｂへの伝熱を好適に行いつつ、接合部材２２から外部（空気層）への放熱を抑制することができる。
なお、接合部材２２として、熱伝導率に異方性を有する材料を用いる場合には、厚さ方向における接合部材２２の熱伝導率が第１高熱伝導部１２ｂの熱伝導率の７０％以上であるのが好ましく、また、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるのが好ましい。
【００６１】
また、図１（Ａ）に示すように、接合部材２２は基本的に、面方向において、第１高熱伝導部１２ｂが配置された領域に設置され、第１高熱伝導部１２ｂが配置されない領域（第２高熱伝導部２０ｂが配置された領域）には設置されない。
これにより、冷却側における空気層の厚さを厚くして、熱源３０の熱が、接合部材２２を介して熱電変換層１６の冷却側に伝熱するのを抑制する。
【００６２】
また、接合部材２２の厚さには限定はなく、接合部材の形成材料、熱電変換素子１０のサイズ、第１高熱伝導部１２ｂのサイズ等に応じて適宜設定すればよい。熱源３０と第１基板１２との距離を取り、空気層を介した熱伝導を抑制する観点から、接合部材２２の厚さは、第１高熱伝導部１２ｂの厚さ以上であることが好ましく、第１高熱伝導部１２ｂの厚さの１．５倍以上２．０倍以下であるのがより好ましい。また、接合部材２２の厚さは、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、１．０ｍｍ以上が特に好ましい。
【００６３】
ここで、本発明の熱電変換素子においては、さらに、接合部材２２上に配置される、面方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高い熱伝導シートを有するのが好ましい。
図３（Ａ）は、熱伝導シートを有する熱電変換素子の一例を概念的に表す斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の接合部材と熱伝導シートとの接続部分を拡大して示す断面図である。
なお、図３（Ａ）に示す熱電変換素子５０は、前述の図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す熱電変換素子１０と、多くの部材を共用するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
【００６４】
図３（Ａ）に示す熱電変換素子５０は、接合部材２２の、第１高熱伝導部１２ｂとは反対側の面に配置される熱伝導シート２４を有する。すなわち、熱伝導シート２４は、熱電変換素子５０の第１高熱伝導部１２ｂと熱源３０との間に配置される。
この熱伝導シート２４は、面方向の熱伝導率が、厚み方向の熱伝導率よりも高いものである。また、熱伝導シート２４は、面方向において、第１高熱伝導部１２ｂが配置された領域のみならず、第１高熱伝導部１２ｂが配置されない領域（第２高熱伝導部２０ｂが配置された領域）も包含する大きさを有する。したがって、熱伝導シート２４と、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂが形成されない領域との間には空気層が形成され、また、熱伝導シート２４の、第１高熱伝導部１２ｂとは反対側の面は全面的に熱源３０と接触する。
【００６５】
さらに、図３（Ａ）、および、図３（Ｂ）に示す熱電変換素子５０は、好適な態様として、熱伝導シート２４が凹部２４ａを有し、接合部材２２がこの凹部２４ａに嵌合する構成を有する。
なお、本明細書において、接合部材２２が熱伝導シート２４の凹部２４ａに嵌合する構成の場合には、接合部材２２の厚さとは、熱伝導シート２４の表面からの高さとする。すなわち、熱伝導シート２４と第１高熱伝導部１２ｂとの間の距離を、接合部材２２の厚さとする。
【００６６】
面方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高い熱伝導シート２４を、接合部材２２上に配置することにより、熱源３０からの熱が空気層に伝わることを抑制できるので、熱電変換層１６の冷却側の加熱を防止して、冷却側を十分に冷却できる。これにより、熱電変換層１６における加熱側と冷却側との温度差が小さくなるのを抑制して、熱電変換層１６の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
【００６７】
さらに、熱伝導シート２４に凹部２４ａを形成し、凹部２４ａに接合部材２２を嵌合する構成とすることで、熱伝導シート２４と接合部材２２との面方向の熱伝導により熱源３０からの熱を接合部材２２に伝えることができるため、熱源３０からの熱が空気層に伝わることを抑制しつつ、接合部材２２（第１高熱伝導部１２ｂ）へ熱を好適に伝えることができる。これにより、熱電変換層１６における加熱側はより高い温度に、冷却側は、より低い温度にすることができ、加熱側と冷却側との温度差をより高くできる。
【００６８】
熱伝導シート２４としては、面方向の熱伝導率が、厚み方向の熱伝導率よりも高いものであれば限定はないが、例えば、グラファイトシート、炭素繊維やグラファイトを分散し、水平配向したシート等を用いることができる。
【００６９】
また、熱伝導シート２４の厚みは、接合部材２２への熱伝導、空気層への熱伝導の抑制等の観点から、１０μｍ以上が好ましく、１００μｍ以上がより好ましい。
【００７０】
また、本発明の熱電変換素子は、上述した構成に限定はされず、第１基板１２が、低熱伝導部１２ａよりも熱伝導率の高い第３高熱伝導部１２ｃを有していてもよい。
図４は、第３高熱伝導部１２ｃを有する熱電変換素子の一例を示す概略斜視図である。
図４に示す熱電変換素子５２は、第１基板１２が第３高熱伝導部１２ｃを有する以外は、前述の図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す熱電変換素子１０と、同様の構成を有するので同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
【００７１】
図４に示す熱電変換素子５２は、第１基板１２が、面方向に第１高熱伝導部１２ｂと離間し、かつ、面方向に少なくとも一部が熱電変換層１６および第２高熱伝導部２０ｂと重複する第３高熱伝導部１２ｃを有する。
この第３高熱伝導部１２ｃの厚みは、第１高熱伝導部１２ｂと接合部材２２との合計厚みよりも薄い。
【００７２】
このような第３高熱伝導部１２ｃを有することで、熱源と基板との間の空気層を介して伝熱された熱等、熱電変換層１６の冷却側を加熱する不要な熱を、第３高熱伝導部１２ｃから放熱できる。その結果、自然放冷下であっても、不要な吸熱による熱電変換層１６の冷却側の加熱を防止して、冷却側を充分に冷却でき、熱電変換層１６の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
【００７３】
第３高熱伝導部１２ｃの厚さは、第１高熱伝導部１２ｂと接合部材２２との合計厚みよりも薄ければ、限定は無い。
ここで、良好な放熱効果が得られる第３高熱伝導部１２ｃの好適な厚さは、例えば低熱伝導部１２ａや電極２６などの周辺部材の熱抵抗、熱電変換素子（熱電変換モジュール）の大きさ等によって、大きく異なる。従って、第３高熱伝導部１２ｃの厚さは、周辺部材の熱抵抗や熱電変換素子の大きさ等に応じて、適宜、決定すればよい。
本発明者らの検討によれば、第３高熱伝導部１２ｃの厚さは、第１高熱伝導部１２ｂの厚さ以下が好ましく、第１高熱伝導部１２ｂの１／２以下がより好ましい。第３高熱伝導部１２ｃの厚さを、第１高熱伝導部１２ｂの厚さ以下とすることにより、自然放冷下であっても、熱電変換層１６の冷却側の加熱を好適に防止し、熱電変換層１６の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
また、第３高熱伝導部１２ｃの厚さは、１０μｍ以上が好ましく、３０μｍ以上がより好ましい。第３高熱伝導部１２ｃが薄すぎると、充分な放熱効果が得られない場合が有るが、５μｍ以上とすることにより、自然放冷下であっても、熱電変換層１６の冷却側の加熱を好適に防止し、熱電変換層１６の加熱側と冷却側との温度差を確保して、発電量の向上を図ることができる。
【００７４】
なお、本発明において、第３高熱伝導部１２ｃが第１高熱伝導部１２ｂおよび接合部材２２の合計厚みよりも薄いとは、接合部材２２の第１高熱伝導部１２ｂと逆側の表面よりも、第３高熱伝導部１２ｃの熱電変換層１６と逆側の表面が、熱電変換層１６側に位置する、という意味でもある。
本発明の熱電変換素子は、基本的に、接合部材２２側を熱源３０側にして使用される。従って、第３高熱伝導部１２ｃが第１高熱伝導部１２ｂおよび接合部材２２の合計厚みよりも薄いとは、使用状態において、接合部材２２の熱源３０側の表面よりも、第３高熱伝導部１２ｃの熱源３０側の表面が、熱源３０から離間していることを意味する。
【００７５】
第３高熱伝導部１２ｃは、低熱伝導部１２ａよりも熱伝導率が高いものであれば、各種の材料からなるものが利用可能である。
第３高熱伝導部１２ｃの形成材料としては、具体的には、熱伝導率等の点で、金属が好ましく、金、銀、銅、アルミニウム等の各種の金属は好適に例示される。中でも、熱伝導率、経済性等の点で、銅やアルミニウムは好適に利用される。また、可撓性を有する熱電変換素子（熱電変換モジュール）を得られる等の点で、第３高熱伝導部１２ｃには、金属製のシート（金属箔も含む）も、好適に利用される。
【００７６】
図４に示す熱電変換素子５２において、第３高熱伝導部１２ｃは、第２高熱伝導部２０ｂと同じ矩形状の平面形状を有し、面方向において第２高熱伝導部２０ｂと完全に重複して設けられる。なお、本発明において、平面形状とは、面方向と直交する方向から見た際の形状である。
しかしながら、本発明は、これに限定はされず、第３高熱伝導部１２ｃは、面方向に第１高熱伝導部１２ｂと離間し、しかも、面方向で熱電変換層１６および第２高熱伝導部２０ｂと少なくとも一部が重複していれば、各種の形状および大きさのものが利用可能であり、また、面方向の配置位置も、各種の位置が利用可能である。
すなわち、第３高熱伝導部１２ｃは、面方向に第１高熱伝導部１２ｂと離間し、しかも、面方向で熱電変換層１６および第２高熱伝導部２０ｂと少なくとも一部が重複していれば、好適に、熱電変換層１６の冷却側の加熱を好適に防止できる。
【００７７】
ここで、前述の第３高熱伝導部１２ｃの厚さと同様、良好な放熱効果が得られる第３高熱伝導部１２ｃの好適な位置、サイズおよび形状等は、例えば低熱伝導部１２ａや電極２６などの周辺部材の熱抵抗、熱電変換素子（熱電変換モジュール）の大きさ等によって、大きく異なる。
従って、第３高熱伝導部１２ｃの位置、サイズおよび形状等は、周辺部材の熱抵抗や熱電変換素子のサイズ等に応じて、熱電変換層１６の冷却側の加熱を好適に防止できる構成を、適宜、決定すればよい。
【００７８】
また、本発明の熱電変換素子においては、第３高熱伝導部の冷却を行うのが好ましい。第３高熱伝導部を冷却することにより、第３高熱伝導部からの放熱を、より効率よく行い、自然空冷下であっても、熱電変換層１６における加熱側と冷却側との温度差を保ち、大きな発電量を得ることができる。
第３高熱伝導部の冷却は、公知の各種の方法が利用可能である。好ましい方法として、第３高熱伝導部と第２高熱伝導部とを、低熱伝導部および被覆層よりも熱伝導率が高い接続部材で接続する方法が例示される。
【００７９】
本発明の熱電変換素子において、被覆層は、粘着層１８および第２基板２０を構成する低熱伝導部２０ａによって形成される構成に限定はされない。
例えば、被覆層を粘着層１８のみで構成して、粘着層１８の上に、第２高熱伝導部２０ｂを面方向の同位置に貼着した構成も利用可能である。この構成においては、必要に応じて、粘着層１８の第２高熱伝導部２０ｂで覆われない部分には、樹脂フィルム等を貼着してもよい。
【００８０】
別の例として、図５に概念的に示す熱電変換素子４０のように、第２基板２０に変えて、貫通しない溝部４２ａを有する金属シート４２を用いる構成が例示される。
なお、図５に示す熱電変換素子は、前述の図４に示す熱電変換素子１０と、多くの部材を共用するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
【００８１】
この金属シート４２を用いる熱電変換素子４０では、溝部４２ａの少なくとも一部が面方向で第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂと重複するように、溝部を粘着層１８に向けて、金属シート４２を粘着層１８に貼着する。従って、図５に示す例のように、面方向において、溝部４２ａが第１高熱伝導部１２ｂを完全に包含してもよい。
この熱電変換素子４０では、粘着層１８が、本発明における被覆層である。また、粘着層１８は、金属シート４２と熱電変換層１６、電極２６および電極２８とを絶縁する絶縁層としても作用する。
この構成においても、必要に応じて、粘着層１８の金属シート４２で覆われない部分には、樹脂フィルム等を貼着してもよい。
【００８２】
このような構成を有する熱電変換素子４０では、金属シート４２と粘着層１８との間には、溝部４２ａに起因する空間が形成される。
金属と空間とでは、熱伝導率は、空間の方が遥かに小さい。また、溝部４２ａは、少なくとも一部が面方向で第１高熱伝導部１２ｂと重複する。
従って、熱電変換素子４０では、金属シート４２の粘着層１８に貼着されている領域が、第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂと同様の第２高熱伝導部として作用し、溝部４２ａによる空間が、低熱伝導部すなわち第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂを有さない領域と同様に作用する。
そのため、同様に、第１基板１２側に熱源３０を設けると、第１高熱伝導部１２ｂから熱電変換層１６に至り、熱電変換層１６を図中右から左へ面方向に移動して、粘着層１８との接触面から金属シート４２に到る熱の流れが生じる。これにより、熱電変換素子４０においても、熱電変換層１６の面方向の長い距離の温度差によって、効率の良い発電が可能である。
【００８３】
なお、金属シート４２の形成材料は、各種の金属材料が全て利用可能である。
具体的には、銅、アルミニウム、シリコン、ニッケル等の金属や、銅合金、ステンレス、ニッケル合金等の合金が好適に例示される。
【００８４】
本発明の熱電変換素子において、大きな発電量を得るためには、第２高熱伝導部からの放熱が大きい方が好ましい。これに応じて、本発明の熱電変換素子においては、第２高熱伝導部の熱抵抗を、第１高熱伝導部の熱抵抗よりも小さくするのが好ましい。
この一例を、図６に示す。
【００８５】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す熱電変換素子１０においては、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂと第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂとは、全く同じものである。従って、第２高熱伝導部２０ｂと第１高熱伝導部１２ｂとの熱抵抗は同じである。
これに対し、図６に示す熱電変換素子４６は、第１基板１２において、第１高熱伝導部１２ｂの離間方向の長さを短くして、第２高熱伝導部２０ｂの断面積を第１高熱伝導部１２ｂの断面積よりも大きくしている。そのため、第１高熱伝導部１２ｂよりも第２高熱伝導部２０ｂの方が熱が流れ易くなり、第２高熱伝導部２０ｂの熱抵抗が、第１高熱伝導部１２ｂの熱抵抗よりも小さくなる。この際における断面積とは、面方向の断面の断面積である。
これにより、熱源３０から第１高熱伝導部１２ｂを経て熱電変換層１６に到る熱量よりも、第２高熱伝導部２０ｂからの放熱量を大きくして、自然空冷下であっても、熱電変換層１６における加熱側と冷却側との温度差を保ち、大きな発電量を得ることができる。
【００８６】
第２高熱伝導部２０ｂの熱抵抗を、第１高熱伝導部１２ｂの熱抵抗よりも小さくする方法は、断面積を調節する方法以外にも、各種の方法が、利用可能である。
すなわち、部材の熱抵抗は、熱の伝導方向と直交する方向の断面積、熱の伝導方向の長さ、および、熱伝導率によって変化する。
これに応じて、第２高熱伝導部２０ｂの熱抵抗を、第１高熱伝導部の熱抵抗よりも小さくする方法は、第２高熱伝導部２０ｂの厚さを第１高熱伝導部１２ｂよりも薄くする方法、第２高熱伝導部２０ｂを第１高熱伝導部１２ｂよりも熱伝導度が高い材料で形成する方法等も利用可能である。また、断面積を調節する方法、厚さを調節する方法、および、形成部材の熱伝導度を選択する方法の、２以上を併用することにより、第２高熱伝導部２０ｂの熱抵抗を、第１高熱伝導部の熱抵抗よりも小さくしてもよい。
【００８７】
また、図７に示す熱電変換素子５４のように、第２基板２０に変えて、貫通しない溝部４２ａを有する金属シート４２を用い、かつ、第２高熱伝導部２０ｂの断面積を第１高熱伝導部１２ｂの断面積よりも大きくして、第２高熱伝導部２０ｂの熱抵抗を第１高熱伝導部１２ｂの熱抵抗よりも小さくした構成としてもよい。
【００８８】
次に、本発明の熱電変換素子を複数用いる熱電変換モジュールについて説明する。
図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、本発明の熱電変換素子１０を、複数、直列に接続してなる、熱電変換モジュールの一例を概念的に示す図である。なお、図８（Ａ）および図８（Ｅ）は正面図、図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）は平面図である。
本例において、第１基板１２Ａおよび第２基板２０Ａはそれぞれ、矩形板状の低熱伝導材料の表面に、一方向に長尺な四角柱状の第１高熱伝導部１２ｂおよび第２高熱伝導部２０ｂそれぞれを、四角柱の低熱伝導部に接触する一辺の長さと等間隔で、四角柱の長手方向と直交する方向に配列してなる構成を有する。
すなわち、第１基板１２Ａおよび第２基板２０Ａは、一面の表面の全面が低熱伝導部で、他面の表面が、一方向に延在する低熱伝導部と高熱伝導部とが、延在方向と直交する方向に等間隔で交互に形成された構成を有する（図８（Ａ）、図８（Ｃ）および図８（Ｄ）参照）。
【００８９】
また、図８（Ｅ）に示すように、第１高熱伝導部１２ｂの低熱伝導部とは反対側の面には、長尺な四角柱状の接合部材２２が配置されている。図に示すように、面方向において、接合部材２２は第１高熱伝導部１２ｂと同様の大きさ、形状を有し、第１高熱伝導部１２ｂ上に配置される。
【００９０】
図８（Ｄ）および図８（Ｅ）に示すように、第１基板１２Ａには、第１高熱伝導部１２ｂの間に、第１高熱伝導部１２ｂと同方向に長尺な第３高熱伝導部１２ｃが形成される。また、前述のように、第３高熱伝導部１２ｃは、第１高熱伝導部１２ｂおよび接合部材２２の合計厚みよりも薄い。
また、図示は省略するが、第３高熱伝導部１２ｃと第２基板２０Ａの第２高熱伝導部２０ｂとは、低熱伝導部および被覆層よりも熱伝導率が高い接続部材で接続されている。
【００９１】
図８（Ｃ）に示すように、熱電変換層１６は矩形の面形状を有し、第１基板１２Ａの全面が低熱伝導部１２ａである側の表面に、低熱伝導部１２ａと第１高熱伝導部１２ｂとの境界と中心とを面方向で一致させて形成される。
熱電変換層１６の図８（Ｃ）の横方向の大きさは、第１高熱伝導部１２ｂの幅に対して０．５倍から２．０倍未満の間に設定される。以下、図８（Ｃ）の横方向を単に『横方向』とも言う。すなわち、横方向とは、低熱伝導部１２ａと第１高熱伝導部１２ｂとの交互の配列方向である。また、第１高熱伝導部１２ｂと熱電変換層１６は、面方向に少なくとも一部が重複するように形成される。
熱電変換層１６は、横方向に、低熱伝導部１２ａと第１高熱伝導部１２ｂとの境界に対して、１境界置きに等間隔で形成される。すなわち、熱電変換層１６は、横方向の中心が、第１高熱伝導部１２ｂの幅の２倍の距離と同じ間隔で等間隔に形成される。
また、熱電変換層１６は、横方向に等間隔に配列された熱電変換層１６の列が、図８（Ｃ）の上下方向に等間隔で配列されるように、二次元的に形成される。以下、図８（Ｃ）の上下方向を単に『上下方向』とも言う。すなわち、上下方向とは、低熱伝導部１２ａと第１高熱伝導部１２ｂの延在方向である。
さらに、図８（Ｃ）に示すように、熱電変換層１６の横方向の配列は、上下方向に隣接する列では、第１高熱伝導部１２ｂの幅の分だけ、横方向にズレて形成される。すなわち、上下方向に隣接する列では、熱電変換層１６は、横方向の中心が、第１高熱伝導部１２ｂの幅の分だけ、互い違いに形成される。
【００９２】
ここで、本発明においては、第３高熱伝導部１２ｃと熱電変換層１６は、面方向に少なくとも一部が重複するように形成される。
【００９３】
各熱電変換層１６は、電極２６（第２電極２８）によって直列に接続される。具体的には、図８（Ｃ）に示すように、図中横方向の熱電変換層１６の配列において、電極２６が、各熱電変換層１６を横方向に挟むように設けられる。これにより、横方向に配列された熱電変換層１６が、電極２６によって直列に接続される。なお、図８（Ｃ）では、構成を明確にするために、電極２６に網掛けをしている。
熱電変換層１６の横方向の列の端部では、上下方向に隣接する列の熱電変換層１６が、電極２６によって接続される。この横方向の列の端部での電極２６による上下方向の熱電変換層１６の接続は、一方の端部の熱電変換層１６は上側の列の同側端部の熱電変換層１６と接続され、他方の端部の熱電変換層１６は下側の列の同側端部の熱電変換層１６と接続される。
これにより、全ての熱電変換層１６が、横方向に、複数回、折り返した１本の線のように直列で接続される。
【００９４】
図８（Ｂ）に概念的に示すように、熱電変換層１６および電極２６の上に、第２基板２０Ａの全面が低熱伝導部２０ａである側を下方にして、かつ、第１基板１２Ａの低熱伝導部１２ａと第１高熱伝導部１２ｂとの境界と、第２基板２０Ａの低熱伝導部２０ａと第２高熱伝導部２０ｂとの境界を一致させて、第２基板２０Ａが積層される。
この積層は、第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂと第２基板２０Ａの第２高熱伝導部２０ｂとが、互い違いになるように行われる。
なお、図示はされないが、第２基板２０Ａの積層に先立ち、第１基板１２Ａを全面的に覆うように、熱電変換層１６および電極２６の上に粘着層１８が形成される。
【００９５】
従って、第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂと、第２基板２０Ａの低熱伝導部のみの領域とが面方向に一致して対面し、かつ、第１基板１２Ａの低熱伝導部１２ａおよび第３高熱伝導部１２ｃが形成された領域と、第２基板２０Ａの第２高熱伝導部２０ｂが形成された領域とが面方向に一致して対面する。また、第１基板１２Ａにおいて第１高熱伝導部１２ｂの間に形成される第３高熱伝導部１２ｃは、面方向に第２高熱伝導部２０ｂと重複する。
これにより、本発明の熱電変換素子１０を、複数、直列に接続してなる、本発明の熱電変換モジュールが構成される。
【００９６】
ここで、前述のように、熱電変換層１６の横方向の配列は、上下方向に隣接する列では、熱電変換層１６の横方向の中心線が、第１高熱伝導部１２ｂ（すなわち第２高熱伝導部２０ｂ）の幅の分だけ、横方向にズレて形成される。すなわち、上下方向に隣接する列では、熱電変換層１６は、熱電変換層１６の横方向の中心線が、第１高熱伝導部１２ｂの幅の分だけ、互い違いに形成される。
そのため、折り返した１本の線のように直列に接続された熱電変換層１６は、接続方向の一方向の流れにおいて、全ての熱電変換層１６が、一方の半分が第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂと第２基板２０Ａの低熱伝導部２０ａのみの領域とに対面し、他方の半分が第１基板１２Ａの低熱伝導部１２ａのみの領域と第２基板２０Ａの第２高熱伝導部２０ｂとに対面する。
例えば、図８（Ｃ）の上から下への直列の接続方向で見た場合には、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すように、全ての熱電変換層１６が、上流側半分が第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂおよび第２基板２０Ａの低熱伝導部２０ａのみの領域に対面し、下流側の半分が第１基板１２Ａの低熱伝導部１２ａのみの領域および第２基板２０Ａの第２高熱伝導部２０ｂに対面する。
従って、第１基板１２Ａ側に熱源を配置した際に、直列に接続された全ての熱電変換層１６で、接続方向に対する熱の流れ方向すなわち発電した電気の流れ方向が一致し、熱電変換モジュールが適正に発電を行うことができる。
【００９７】
以下に、図８（Ａ）〜図８（Ｅ）に示す熱電変換モジュールの製造方法の一例を説明する。なお、熱電変換素子は、この熱電変換モジュールの製造方法に準じて製造できる。
【００９８】
まず、低熱伝導部１２ａ、第１高熱伝導部１２ｂ、および、第３高熱伝導部１２ｃを有する第１基板１２Ａ（第１基板１２）、および、低熱伝導部２０ａ、および、第２高熱伝導部２０ｂを有する第２基板２０Ａ（第２基板２０）を用意する。
【００９９】
第１基板１２Ａおよび第２基板２０Ａは、フォトリソグラフィー、エッチング、真空蒸着、スパッタリング、印刷技術等を利用して、公知の方法で作製すればよい。
例えば、ポリイミドの両面に銅が積層された銅張ポリイミドフィルムを用意する。この銅張ポリイミドフィルムは、市販品も利用可能である。
この銅張ポリイミドフィルム一面を全てエッチングし、もう一方の面を目的とする高熱伝導部等のパターンとなるようにエッチング（ハーフエッチング）して不要な銅を除去することにより作製することができる。また、低熱伝導部となるシート状物を用意し、このシート状物に、帯状の高熱伝導部を長手方向と直交する方向に貼着し、さらに、高熱伝導部の形成領域外に所定形状の接続部材を貼着して、第１基板１２Ａおよび第２基板２０Ａを作製する方法も利用可能である。
【０１００】
次いで、第１基板１２Ａの全面が低熱伝導部１２ａである面の熱電変換層１６に対応する位置に、熱電変換層１６を面方向で挟むように、電極２６および電極２８を形成する。
電極２６および電極２８の形成は、メタルマスクを用いる真空蒸着法など、電極２６および電極２８の形成材料等に応じて、公知の方法で行えばよい。
また、電極２６および電極２８の形成に先立ち、電極の形成面にクロム層などの密着層を形成してもよい。
【０１０１】
次いで、第１基板１２Ａの全面が低熱伝導部１２ａである面の目的とする位置に、熱電変換層１６を形成する。なお、図示例の熱電変換素子１０においては、熱電変換層１６が、電極２６および電極２８の端部を覆うように形成する。
熱電変換層１６は、用いる熱電変換材料に応じて、公知の方法で形成すればよい。
例えば、熱電変換材料とバインダとを有する塗布組成物を調製して、この塗布組成物をスクリーン印刷やインクジェット等の公知の方法でパターンニングして塗布して、乾燥し、バインダを硬化することにより、バインダに熱電変換材料を分散してなる熱電変換材料を形成する方法が例示される。
また、熱電変換材料としてＣＮＴを用いる場合には、分散剤（界面活性剤）を用いてＣＮＴを水に分散してなる塗布組成物を調製して、この塗布組成物を同様に公知の方法でパターンニングして塗布して、乾燥することにより、主にＣＮＴと界面活性剤とから熱電変換層を形成する方法が例示される。この際においては、塗布組成物を乾燥した後、アルコール等の分散剤を溶解する洗浄剤で熱電変換層を洗浄することで分散剤を除去し、その後、洗浄剤を乾燥することにより、実質的にＣＮＴのみからなる熱電変換層とするのが好ましい。洗浄は、熱電変換層を洗浄剤に浸漬する方法や、熱電変換層を洗浄剤で濯ぐ方法等で行えばよい。
また、熱電変換材料として無機材料を用いる場合には、真空蒸着やスパッタリング等の気相成膜法によって、メタルマスク等を用いる公知の方法で、熱電変換層をパターン形成する方法が例示される。
あるいは、第１基板１２の全面に熱電変換層を形成して、エッチング等によって、熱電変換層１６をパターン形成してもよい。
【０１０２】
次いで、第１基板１２Ａの全面に対応して、熱電変換層１６、電極２６および第２電極２８を覆って、粘着層１８を形成する。
粘着層１８は、粘着層１８の形成材料に応じて、塗布法等の公知の方法で形成すればよい。また、両面テープや粘着フィルムを利用して粘着層１８を形成してもよい。
あるいは、第１基板１２Ａに粘着層１８を形成するのではなく、第２基板２０Ａの第２高熱伝導部２０ｂが形成されていない面に粘着層１８を形成して、第１基板１２Ａに貼着してもよい。
【０１０３】
さらに、粘着層１８の上に、第２基板２０Ａの全面が低熱伝導部２０ａである面を粘着層１８側に向けて、第１基板１２の第１高熱伝導部１２ｂと第２基板２０の第２高熱伝導部２０ｂとが、離間方向に異なる位置となるように、第２基板２０Ａを積層して、熱電変換モジュール（熱電変換素子１０）を作製する。
【０１０４】
本発明の熱電変換モジュール（熱電変換素子）を熱源に接着し、発電する際には、熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤を用いてもよい。
熱電変換モジュールの加熱側、もしくは冷却側に貼付して用いられる熱伝導接着シートおよび熱伝導性接着剤には特に限定はない。従って、市販されている熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤を用いることができる。熱伝導接着シートとしては、例えば、信越シリコーン社製のＴＣ−５０ＴＸＳ２、住友スリーエム社製のハイパーソフト放熱材  ５５８０Ｈ、電気化学工業社製のＢＦＧ２０Ａ、日東電工社製のＴＲ５９１２Ｆ等を用いることができる。なお、耐熱性の観点から、シリコーン系粘着剤からなる熱伝導接着シートが好ましい。熱伝導性接着剤としては、例えば、スリーエム社製のスコッチ・ウェルドＥＷ２０７０、アイネックス社製のＴＡ−０１、シーマ電子社製のＴＣＡ−４１０５、ＴＣＡ−４２１０、ＨＹ−９１０、薩摩総研社製のＳＳＴ２−ＲＳＭＺ、ＳＳＴ２−ＲＳＣＳＺ、Ｒ３ＣＳＺ、Ｒ３ＭＺ等を用いることができる。
熱伝導接着シートや熱伝導性接着剤を用いることで、熱源との密着性が向上して熱電変換モジュールの加熱側の表面温度が高くなる、冷却効率が向上して熱電変換モジュールの冷却側の表面温度を低くできるなどの効果により、発電量を高くすることができる。
【０１０５】
さらに、熱電変換モジュールの冷却側の表面には、ステンレス、銅、アルミ等の公知の材料からなる放熱フィン（ヒートシンク）や放熱シートを設けてもよい。放熱フィン等を用いることで、熱電変換モジュールの低温側をより好適に冷却することができ、熱源側と冷却側との温度差が大きくなり、熱電効率がより向上する点で好ましい。
なお、本発明の熱電変換モジュール（熱電変換素子）では、通常、第２基板２０Ａ側が冷却側になる。
【０１０６】
放熱フィンとしては、太陽金網社製のＴ−Ｗｉｎｇ、事業創造研究所製のＦＬＥＸＣＯＯＬや、コルゲートフィン、オフセットフィン、ウェービングフィン、スリットフィン、フォールディングフィンなどの各種フィンなどの公知のフィンを用いることができる。特に、フィン高さのあるフォールディングフィンを用いるのが好ましい。
放熱フィンのフィン高さとしては１０〜５６ｍｍ、フィンピッチとしては２〜１０ｍｍ、板厚としては０．１〜０．５ｍｍが好ましく、放熱特性が高く、モジュールの冷却ができ発電量が高くなる点で、フィン高さが２５ｍｍ以上であるのがより好ましい。また、フィンのフレキシブル性が高い、軽量である等の点で、板厚０．１〜０．３ｍｍのアルミ製を用いるのが好ましい。
また、放熱シートとしては、パナソニック社製のＰＳＧグラファイトシート、沖電線社製のクールスタッフ、セラミッション社製のセラックα等の公知の放熱シートを用いることができる。
【０１０７】
このような本発明の熱電変換素子は、各種の用途に利用可能である。
一例として、温泉熱発電機、太陽熱発電機、廃熱発電機などの発電機や、腕時計用電源、半導体駆動電源、小型センサ用電源などの各種装置（デバイス）の電源等、様々な発電用途が例示される。また、本発明の熱電変換素子の用途としては、発電用途以外にも、感熱センサや熱電対などのセンサー素子用途も例示される。
【０１０８】
以上、本発明の熱電変換素子について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
【実施例】
【０１０９】
以下、本発明の具体的実施例を挙げて、本発明の熱電変換素子について、より詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０１１０】
［実施例１］
（両面銅張ポリイミド基板の処理）
接着剤フリーの両面銅張ポリイミド基板（FELIOS R-F775、パナソニック電工社製）を用意した。この銅張ポリイミド基板は、サイズが１１０×８０ｍｍで、ポリイミド層の厚さが２０μｍ、Ｃｕ層の厚さが７０μｍのものである。
この両面銅張ポリイミド基板の一面の銅層を、エッチング処理により完全に除去した。
【０１１１】
（第１基板の作製）
一面の銅層を除去した銅張ポリイミド基板の残った銅層をエッチングして、厚さが７０μｍで、幅が０．７５ｍｍで、１．５ｍｍピッチの銅ストライプパターン１を形成した。
これにより、厚さが７０μｍで、幅が０．７５ｍｍの帯状の第１高熱伝導部１２ｂを、１．５ｍｍピッチで有する、図８（Ｄ）および図８（Ｅ）に示すような第１基板１２Ａを作製した。
【０１１２】
（第２基板の作製）
また、一面の銅層を除去した銅張ポリイミド基板の残った銅層をエッチングおよびハーフエッチングして、厚さが７０μｍで、幅が０．７５ｍｍで、間隔が０．７５ｍｍの銅ストライプパターン２を形成した。
これにより、厚さが７０μｍで、幅が０．７５ｍｍの帯状の第２高熱伝導部２０ｂを、０．７５ｍｍ間隔で有する、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すような第２基板２０Ａを作製した。
【０１１３】
（電極および熱電変換層の作製）
第１基板１２Ａの全面がポリイミドである面（平坦な面）の全面に、真空蒸着法によって、厚さ０．０５μｍのクロムからなる密着層を形成した。次いで、次に形成する熱電変換層１６の形成位置に応じて、真空蒸着法によって、厚さ０．５μｍの銅からなる電極２６を形成した。なお、電極は、メタルマスクを用いてパターン形成した。
さらに、電極２６の離間方向の端部を覆うように、真空蒸着法によって、厚さ１μｍのニッケルからなる熱電変換層１６を形成した。熱電変換層１６は、メタルマスクを用い、０．７５×１．５ｍｍのパターンを１１８５個形成した。
熱電変換層１６は、第１高熱伝導部１２ｂと低熱伝導部１２ａとの境界（銅ストライプパターン１の境界）と、０．７５×１ｍｍのパターンの０．７５ｍｍ側の中心とが一致するように形成した（図８（Ｃ）参照）。
【０１１４】
（熱電変換モジュールの作製）
一方で、第２基板２０Ａの全面がポリイミドである面（平坦な面）の全面に、粘着層１８として、厚さ３０μｍの粘着剤（両面テープＮｏ．５６３０、日東電工製）を貼着した。次いで、０．４ＭＰａ、４０℃で、２０分、オートクレーブ処理を行った。
オートクレーブ処理を行った第２基板と、熱電変換層を形成した第１基板とを、第２高熱伝導部２０ｂと、第１高熱伝導部１２ｂとの長手方向と一致させて、かつ、第２高熱伝導部２０ｂと第１高熱伝導部１２ｂとが面方向すなわち横方向に一致しないように積層、貼着した。
【０１１５】
（接合部材の形成）
次に、第１高熱伝導部１２ｂの上に接合部材２２を形成した。
接合部材２２としては、フィラーとして炭素繊維を樹脂中に垂直配向した、厚さ１ｍｍの熱伝導シート（ポリマテック製ＰＴ−Ｖ）を用いた。
この熱伝導シートを幅０．７５ｍｍに切断して、第１高熱伝導部１２ｂに貼着し、厚さ１ｍｍの接合部材２２を形成することで、本発明の熱電変換素子が多数配列された熱電変換モジュールを作製した。
【０１１６】
［実施例２］
接合部材２２の形成材料として銀ペースト（藤倉化成社製ＦＡ−３３３）を用いた以外は、実施例１と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
具体的には、銅層をエッチングして第１高熱伝導部１２ｂを形成した第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂ上に、銀ペーストをメタルマスク印刷法で塗布し、焼成して接合部材２２を形成した。
【０１１７】
［実施例３］
接合部材２２の厚みを２ｍｍとした以外は実施例２と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１１８】
［実施例４］
さらに、接合部材２２の、第１高熱伝導部１２ｂとは反対側の面に熱伝導シート２４を配置した以外は実施例１と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
熱伝導シート２４としては、厚さ０．１ｍｍのグラファイトシート（パナソニック社製ＥＹＧＡ０９１２１０Ｍ）を用いた。このグラファイトシートは、面方向の熱伝導率が７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、厚み方向の熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【０１１９】
［実施例５］
さらに、接合部材２２の、第１高熱伝導部１２ｂとは反対側の面に、実施例４と同様の熱伝導シート２４を配置した以外は実施例２と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１２０】
［実施例６］
さらに、接合部材２２の、第１高熱伝導部１２ｂとは反対側の面に、実施例４と同様の熱伝導シート２４を配置した以外は実施例３と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１２１】
［実施例７］
以下のようにして作製した、第３高熱伝導部１２ｃを有する第１基板１２Ａを用いる構成とした以外は、実施例５と同様にして熱電変換モジュールを作製した（図４参照）。
【０１２２】
（第１基板の作製）
一面の銅層を除去した銅張ポリイミド基板の残った銅層をエッチングおよびハーフエッチングして、厚さが７０μｍで、幅が０．７５ｍｍで、１．５ｍｍピッチの銅ストライプパターン１と、厚さが３０μｍで、幅が０．２ｍｍで、１．５ｍｍピッチの銅ストライプパターン２とを形成した。銅ストライプパターン１と銅ストライプパターン２とは、互いのスペースが０．２７５ｍｍの配置とした。
これにより、厚さが７０μｍで、幅が０．７５ｍｍの帯状の第１高熱伝導部１２ｂを、１．５ｍｍピッチで有し、厚さが３０μｍで、幅が０．２ｍｍの帯状の第３高熱伝導部１２ｃを、１．５ｍｍピッチで有する、図８（Ｄ）および図８（Ｅ）に示すような第１基板１２Ａを作製した。
【０１２３】
［実施例８］
第１高熱伝導部１２ｂの幅を０．４ｍｍとした以外は、実施例７と同様にして熱電変換モジュールを作製した（図６参照）。
【０１２４】
［実施例９］
第２基板２０Ａに代えて、以下のようにして作製した溝部を有する金属シートを用いる構成とした以外は、実施例７と同様にして熱電変換モジュールを作製した（図５参照）。
【０１２５】
（溝部を有する金属シートの作製）
サイズが１１０×８０ｍｍで厚さ０．２ｍｍの銅箔を用意した。
この銅箔にハーフエッチング処理を行い、深さが０．０７５ｍｍで、幅が０．８ｍｍの溝状の凹部を１．５ｍｍピッチでストライプ状に形成した。
これにより、厚さが０．２ｍｍの銅製で、深さが０．０７５ｍｍで幅が０．８ｍｍの溝部を、長手方向と直交する方向に１．５ｍｍピッチで有する、溝部を有する金属シートを作製した。
【０１２６】
（熱電変換モジュールの作製）
第２基板２０Ａに変えて、この金属シートの溝部の形成面に粘着層１８を形成して、溝部の長手方向と第１高熱伝導部１２ｂの長手方向と一致し、かつ、溝部と第１高熱伝導部１２ｂとが幅方向で重複するように、第１基板１２Ａの熱電変換層１６の形成面に貼着し、熱電変換モジュールを作製した。
従って、本例では、金属シートの溝部形成部以外の部分が第２高熱伝導部であり、第２高熱伝導部の幅は、０．７ｍｍである。また、本例では、第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂと、金属シートの第２高熱伝導部２０ｂとは、対面する側の端部が離間方向で０．１ｍｍ離間している（離間距離０．１ｍｍ）。
【０１２７】
［実施例１０］
第２基板２０Ａに代えて、実施例９と同様の溝部を有する金属シートを用いる構成とした以外は、実施例８と同様にして熱電変換モジュールを作製した（図７参照）。
【０１２８】
［実施例１１］
熱伝導シート２４として、以下のようにして形成した熱伝導シート２４を用いた以外は、実施例７と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１２９】
実施例４の熱伝導シート２４と同様のグラファイトシートに、幅０．７５ｍｍ、深さ０．０５ｍｍの溝を１．５ｍｍピッチで形成した。溝の加工は、サンドブラスト加工で行った。
一方で、実施例２と同様にして、銀ペーストを焼成した接合部材２２を、第１高熱伝導部１２ｂ上に形成した。
グラファイトシートに形成した溝にディスペンサーで銀ペースト（藤倉化成製ＦＡ−７０５ＢＮ）を充填し、接合部材２２を嵌合して、加熱硬化することで熱電変換モジュールを作製した。
第１高熱伝導部１２ｂと熱伝導シート２４との間の間隙、すなわち、接合部材２２の実質的な厚さは、１ｍｍである。
【０１３０】
［実施例１２］
実施例１１と同様に、熱伝導シート２４に溝を形成して、この溝に接合部材２２を嵌合する構成とした以外は、実施例８と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３１】
［実施例１３］
実施例１１と同様に、熱伝導シート２４に溝を形成して、この溝に接合部材２２を嵌合する構成とした以外は、実施例９と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３２】
［実施例１４］
実施例１１と同様に、熱伝導シート２４に溝を形成して、この溝に接合部材２２を嵌合する構成とした以外は、実施例１０と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３３】
［実施例１５］
第１高熱伝導部１２ｂと熱伝導シート２４との間の間隙、すなわち、接合部材２２の実質的な厚さを２ｍｍとした以外は、実施例１１と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３４】
［実施例１６］
第１高熱伝導部１２ｂと熱伝導シート２４との間の間隙、すなわち、接合部材２２の実質的な厚さを２ｍｍとした以外は、実施例１２と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３５】
［実施例１７］
第１高熱伝導部１２ｂと熱伝導シート２４との間の間隙、すなわち、接合部材２２の実質的な厚さを２ｍｍとした以外は、実施例１３と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３６】
［実施例１８］
第１高熱伝導部１２ｂと熱伝導シート２４との間の間隙、すなわち、接合部材２２の実質的な厚さを２ｍｍとした以外は、実施例１４と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３７】
［比較例１］
接合部材２２を有さない以外は、実施例１と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
【０１３８】
［比較例２］
接合部材２２に代えて、実施例１で接合部材２２として用いた熱伝導シートをシート状のまま第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂ側に配置した以外は、実施例１と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
すなわち、比較例２は、接合部材が第１高熱伝導部に合わせてパターニングされていない構成とした。
【０１３９】
［比較例３］
接合部材２２に代えて、実施例２で接合部材２２として用いた銀ペーストをシート状に焼成し、第１基板１２Ａの第１高熱伝導部１２ｂ側に配置した以外は、実施例１と同様にして熱電変換モジュールを作製した。
すなわち、比較例３は、接合部材が第１高熱伝導部に合わせてパターニングされていない構成とした。
【０１４０】
（発電量の評価）
作製した熱電変換モジュールの第１高熱伝導部１２ｂ（接合部材２２）側を、熱伝導接着シート（信越化学工業社製、ＴＣ−５０ＴＸＳ２）を用いて、ホットプレートの加熱面に接着した。
また、熱電変換モジュールの第２高熱伝導部２０ｂの上に熱伝導接着シート（信越化学工業社製、ＴＣ−５０ＴＸＳ２）をさらに接着した。さらに、アルミ製のフォールディングフィン（サイズ５０×６０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、ピッチ７ｍｍ、板厚０．５ｍｍ、最上インクス社製）を熱電変換モジュールの曲面に追随するように固定した。なお、フォールディングフィンは第２高熱伝導部２０ｂの形成領域上のみに固定した。
ホットプレートの温度を１２０℃、室内温度を２０℃に設定し、発電量を測定した。測定方法は、直列に接続した最上流の熱電変換層１６の電極および最下流の熱電変換層１６の電極と、ソースメーター（ケースレー社製、ソースメーター２４５０）とを接続し、開放電圧と短絡電流とを計測し、下記式から発電量を求めた。
（発電量）＝０．２５×（開放電圧）×（短絡電流）
比較例２の発電量を１として、各実施例および比較例の発電量の相対値を求めた。
結果を下記の表１に示す。
【０１４１】
【表１】
0006505585.tif 000002
表１に示されるように、第１高熱伝導部１２ｂ上に接合部材を有する本発明の熱電変換モジュールは、比較例に比して、大きな発電量が得られる。
また、実施例２と実施例３との対比、実施例５と実施例６との対比、実施例１１〜１４と実施例１５〜１８との対比から、接合部材の厚みは２ｍｍ以上が好ましいことがわかる。
また、実施例１〜３と実施例４〜６との対比から、接合部材２２上に熱伝導シート２４を配置するのが好ましいことがわかる。
また、実施例７〜１０と実施例１１〜１４との対比から、熱伝導シート２４と接合部材２２とを嵌合するのが好ましいことがわかる。
また、実施例５と実施例７との対比等から、第１基板１２が第３高熱伝導部１２ｃを有するのが好ましいことがわかる。
また、実施例７と実施例８との対比、実施例１１と実施例１２との対比、実施例１５と実施例１６との対比から、第１高熱伝導部１２ｂの幅を狭くする、すなわち、第１高熱伝導部１２ｂの熱伝導率を小さくすることが好ましいことがわかる。
また、実施例７と実施例９との対比、実施例１１と実施例１３との対比、実施例１５と実施例１７との対比から、第２基板２０として溝部を形成した金属シートを用いることが好ましいことがわかる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
【符号の説明】
【０１４２】
１０、４０、４６、５０、５２、５４  熱電変換素子
１２、１２Ａ  第１基板
１２ａ  低熱伝導部
１２ｂ  第１高熱伝導部
１２ｃ  第３高熱伝導部
１６  熱電変換層
１８  粘着層
２０、２０Ａ  第２基板
２０ａ  低熱伝導部
２０ｂ  第２高熱伝導部
２２  接合部材
２４  熱伝導シート
２６、２８  電極
３０  熱源
３２  放熱手段
４２  金属シート
４２ａ  溝部
【図１】
0006505585.tif 000003
【図２】
0006505585.tif 000004
【図３】
0006505585.tif 000005
【図４】
0006505585.tif 000006
【図５】
0006505585.tif 000007
【図６】
0006505585.tif 000008
【図７】
0006505585.tif 000009
【図８】
0006505585.tif 000010