(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂薄膜からなる基板上の実装ランドに熱電素子チップが実装され、実装ランド間で基板が少しずつ曲がることによってフレキシブル性を持たせた熱電変換モジュールであり、前記モジュールがパイプ外面に装着されるべきものであり、該パイプの外径
0005228160.tif 000007
あることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
0005228160.tif 000008
とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
熱電素子チップの高さが、パイプの外周方向の熱電素子チップの寸法ａおよびパイプの長手方向となる熱電素子チップの寸法ｂより小さいことを特徴とする請求項１および請求項２記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
熱電素子チップの基板と反対側の熱電発電における低温面において、水冷を可能とする、チップとチップ間配線を覆う防水シートが設けられたことを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
請求項１記載の熱電変換モジュールの製造方法であり、少なくとも樹脂薄膜からなる基板を準備する工程、熱電素子チップの実装ランドを形成する工程、チップの高さが、平面の二辺の寸法より小さいｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子チップをスロットにより方向を揃えて供給できる自動実装機を用いて実装する工程、ｎ型とｐ型熱電素子チップ間を接続配線する工程からなることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の熱電変換モジュールの製造方法であり、少なくとも樹脂薄膜からなる基板を準備する工程、熱電素子チップの実装ランドを形成する工程、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子チップを実装する工程、熱電素子チップ側の面に配線層が形成された防水シートを接着し、ｎ型とｐ型熱電素子チップ間を接続配線する工程からなることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項７】
請求項４記載の熱電変換モジュールをパイプ外面に装着し、モジュールの防水シート外側を水冷する手段を具備したことを特徴とする熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、熱（温度差）と電気とを相互変換する熱電変換モジュール、特に発電を行うモジュールならびにその製造方法およびそのモジュールを使用した熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  熱電発電は、無駄に捨てられる熱から電気を起こすゆえに、地球環境の保護に有用である。従来、熱電発電はごみ焼却の高温排ガス等の高温熱源を利用することが考えられてきた。しかしながらこのような熱源は、熱容量が小さいために安定せず、効率的な発電が行われないこと、また熱電素子に大きな熱ストレスおよび熱サイクルがかかるために信頼性に大きな負荷がかかる問題があり、まだ実用化には至っていない。これに対し、焼却炉の冷却排水や蒸気、ガスタービン発電機において熱回収される熱・温水は、温度は低いものの、熱源として大量に存在し、かつ熱容量が大きいために、効率は低いが安定な発電が行える。また温度が低いために熱電素子の信頼性への影響は軽微であるメリットがある。このような冷却排水の熱源を利用するためには熱電発電モジュールは排水パイプに貼り付けられるフレキシブルなものである必要である。また利用する熱源の温度が低くかつ温度差が小さい故に効率が低いために、発電モジュールとして機能するためには内部抵抗の小さいことが必須である。したがって低抵抗な多数の熱電素子ができるだけ小さな面積に実装され、かつ量産性の良い低コストのモジュールである必要がある。さらに熱電素子にできるだけ温度差を与えるために、実装基板等の熱抵抗、パイプへの装着の際の接触熱抵抗が小さいことが必要である。従来開示されているフレキシブルな熱電変換モジュールとして以下のものがある。
【特許文献１】  特許第２８９６４９７号公報  ここには図７に示すような、熱電素子１の側面を部分的に柔軟な保持部材４で支持し、熱電素子を直列に接続する電極２、３を曲げ可能な厚さ、または可撓性のある厚さにしておくことで、曲面に適合できる熱電素子モジュールが開示されている。【特許文献２】  特許第３５０１３９４号公報  ここには図８に示すような、高、低温端電極１０２、１０３によって電気的接続がされ、ガラス接着層１０４で側面同士が接着されたｐ型１０１Ａとｎ型１０１Ｂの熱電素子対列１００が、電気絶縁性のフィルム上に間隔をあけて複数接着され電気配線がされる熱電変換モジュールが開示されている。【特許文献３】  特開２００５−２１７３５３号公報  ここには基板に設けられた孔にペースト状の熱電半導体素子を塗布するという印刷技術によって製造される熱電変換モジュールであり、基板にフレキシブル性を持たせることにより曲面状に成形するものが開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  しかしながら、以上の特許文献１の技術によれば、熱電素子モジュール全体を保持するものが無いか、あっても可撓性テープであり、堅牢性に著しく劣ること、さらに曲面に適合する場合に曲がるのは熱電素子を接続する電極であり、熱電素子の接続の信頼性を劣化させる恐れがあることの問題がある。また製造に際しては、一定の厚さに保たれた接着剤層上へ熱電変換素子を押し付けることにより側面にはみ出した接着剤により側面接着を自動化できるとされるが、電極接続後の上下両面からの工程であるため再現性、量産性に問題があると予想される。さらに低抵抗を実現する技術についてはなんら開示されていない。また特許文献２の技術によれば熱電素子が固着、配線接続された長い熱電素子対列が複数基板上に装着されるため、高密度なモジュールを量産性良く提供することが難しく、また低抵抗を実現する技術、低コスト化技術についてはなんら開示されていない。また特許文献３の技術によれば、熱電素子粉末が樹脂、ゴムやガラス材中に混練されたペーストを基板に薄膜状に塗布して製造される熱電素子であるため、低抵抗を実現することは困難である。
そこで、この発明は、高性能なバルク熱電素子を用いて低抵抗を実現するとともに排水パイプ外面に低接触熱抵抗で装着できるフレキシブル性を有する、温排水を熱源とする発電に適した、低コストの熱電変換モジュールならびにその製造方法、および複数のモジュールを具備した発電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  以上の課題を解決するために、第一発明は、少なくとも樹脂薄膜からなる基板上の実装ランドにバルク熱電素子チップが実装され、実装ランド間で基板が少しずつ曲がることによってフレキシブル性を持たせた熱電変換モジュールであり、前記モジュールがパイプ外面に装着されるべきものであり、該パイプの外径をＤ、外周方向の熱電
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熱電変換モジュールである。
また、第二発明は、前記第一発明において、パイプの長手方向となる熱電素子チッ
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また、第三発明は、前記第一および第二発明において、熱電素子チップの高さが、パイプの外周方向の熱電素子チップの寸法ａおよびパイプの長手方向となる熱電素子チップの寸法ｂの寸法より小さいことを特徴とする熱電変換モジュールである。
また、第四発明は、前記第一ないし第三発明において、熱電素子チップの基板と反対側の熱電発電における低温面において、水冷を可能とする、チップとチップ間配線を覆う防水シートが設けられたことを特徴とする熱電変換モジュールである。
また、第五発明は、第一発明の熱電変換モジュールの製造方法であって、少なくとも樹脂薄膜からなる基板を準備する工程、熱電素子チップの実装ランドを形成する工程、チップの高さが平面の二辺の寸法より小さいｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子チップをスロットにより方向を揃えて供給できる自動実装機を用いて実装する工程、ｎ型とｐ型熱電素子チップ間を接続配線する工程からなることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法である。
また、第六発明は、第一発明の熱電変換モジュールの製造方法であって、少なくとも樹脂薄膜からなる基板を準備する工程、熱電素子チップの実装ランドを形成する工程、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子チップを実装する工程、熱電素子チップ側の面に配線層が形成された防水シートを接着し、ｎ型とｐ型熱電素子チップ間を接続配線する工程からなることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法である。
また、第七発明は、第四発明の熱電変換モジュールをパイプ外面に装着し、モジュールの防水シート外側を水冷する手段を具備したことを特徴とする熱電発電システムである。
【発明の効果】
【０００５】  第一発明、ないし第六発明によれば、樹脂薄膜からなる基板上の実装ランドに、パイプの外径に対応した小さい寸法の熱電素子チップが実装され、実装ランド間で基板が少しずつ曲がることによってフレキシブル性を持たせた、パイプ外面に低熱損失で装着できる発電に適した、低抵抗で低コストの熱電変換モジュールを実現でき、また第七発明によれば、該熱電変換モジュールをパイプ外面に装着し、モジュール外側を水冷する手段を具備する温排水を熱源とするに適した発電システムを提供できるので、焼却炉等の廃熱を利用した発電等未利用エネルギーの活用、ひいては原油消費量削減により、地球環境の保護に貢献すること極めて大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】  この発明の一実施形態を、図１に示す。（ａ）は排水パイプの外面に装着されるべき熱電変換モジュールのパイプの円周方向の断面図である。（ｂ）はパイプの長手方向の断面図である。（ｃ）は平面図である。（ｄ）は（ａ）の断面図において、パイプに装着した場合の図であり、（ｅ）はそのときの部分拡大図である。
バルクすなわち単結晶あるいは多結晶の微小な熱電素子チップ１１が樹脂基板１２上の実装ランド１３に実装されている。熱電素子チップ上においてｐ型チップ１１Ａとｎ型チップ１１Ｂの接続配線１４が例えばリボンボンディングでなされている。なお図では熱電素子チップの電極と半田等接着層は図示していない。本例では、図１（ｂ）に示すように、ｐ型チップ１１Ａとｎ型チップ１１Ｂ対列はパイプの長手方向に配置し、直列接続されており、図１（ａ）のようにパイプの円周方向には実装ランドと熱電素子チップ上とも接続は無いが、図１（ｃ）のように列の両端で並列接続されている。熱源の高温端は樹脂基板１２の裏面である。低温端は熱電素子チップ１１と接続配線１４の上面であり、本実施形態では、この低温端は空冷される。【０００７】「実施形態の効果」
この実施形態によれば、図１（ａ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）に示すように、多数の熱電素子チップの実装ランド１３の間において、薄い樹脂基板１２が排水パイプの外周方向に沿って少しずつ曲がり、全体として排水パイプ１５に装着が可能なフレキシブル性を持たせることができる。排水パイプの長手方向では曲がらないので、熱電素子チップの実装電極およびｐ−ｎチップ間の接続に影響を与えることは無い。樹脂基板１２は、熱損失をできるだけ少なくする必要があるので、熱伝導率が大きい材料を用い、丈夫で実装に耐え、モジュールとして保持できる最低限の厚さにすることが望ましい。
またこの実施形態では、微小チップ部品の高密度自動実装機を用いて熱電素子チップを実装することにより低コストモジュールを実現することができる。この場合、少なくとも熱電素子チップの電極面ないし高さ方向（電極面に垂直方向）を識別する必要があるが、チップの高さｈを平面（電極面）の２辺の寸法（後述のａおよびｂ）より小さくすることによって容易に識別できる。また寸法に合わせたスロットにより方向を揃えて供給できる。これはチップの内部抵抗を低減することにも重要な要素である。
図１（ｄ）の部分拡大図に示すように、本実施形態の熱電変換モジュールを排水パイプに装着したとき、排水パイプ外周１５Ａと基板１２の間に間隙が発生する。熱電素子チップの平面寸法において外周の方向の寸法をａ、チップ端での最大の間隙をｓ、排水パイプの外径をＤとすると、
ｓ〜ａ２／（４Ｄ）
である。現状で温排水を熱源とする発電に最適なバルク熱電素子材料はＢｉＴｅ系である。その熱伝導率は〜２Ｗ／ｍＫであり、熱電素子チップの低抵抗化のため高さｈを１ｍｍ以下とすると、空気の熱伝導率は０．０２４Ｗ／ｍＫであるから、間隙により大きな熱損失
0005228160.tif 000004
寸法の条件は、
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である。排水パイプの外径１００ｍｍ程度までの装着を考えると、熱電素子チップの寸法は１．４ｍｍ以下である必要がある。
具体的な実施例は、高耐熱性の０．１ｍｍ厚のガラス繊維強化熱硬化樹脂、実装ランドに０．０４ｍｍ厚の銅箔、熱電素子チップはＢｉＴｅ系０．９×０．９ｍｍ角、高さ０．５ｍｍ、実装ランド間隔（熱電素子チップ間隙）０．１ｍｍ、接続リボン幅０．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍで、モジュールは５０ｐ−ｎチップ対直列、１００並列、計５０００ｐ−ｎチップ対構成で、大きさ約１００ｍｍ角、高温端９５℃、低温端４０℃の条件で、出力３０Ｗである。
なお本熱電変換モジュールを湾曲させて排水パイプに装着後、全体にワニス等を浸透、硬化させて堅牢性を増大させても良い。【０００８】「他の実施形態１」
他の実施形態１では、上記実施形態の図１（ｂ）に対して、図２の構成を用いる。すなわちパイプの長手方向の熱電素子チップの寸法を大きくする。長手方向では曲げる必要が無く、チップ寸法を大きくすることによって、チップの内部抵抗を小さくするとともに電極の接触抵抗も低減でき、さらに実装数も減らせる効果がある。具体例では、長手方向のチップの寸法を１．９ｍｍで、内部抵抗を上記の４７％に、チップ数は１／２になるのでモジュール全体では９４％に低減できる。【０００９】「他の実施形態２」
他の実施形態２を図３に示す。（ａ）は、図１（ｄ）に対するもので、熱電変換モジュールのパイプの円周方向の断面図でパイプに装着した場合の図であり、（ｂ）はその部分拡大図である。本実施形態では、熱電素子チップ１１と接続配線１４の上に防水シート１６を設けている。低温端はこの防水シートの上面であって、水冷が可能となり、前記実施形態より大きくかつ安定な温度差がとれ、熱電発電に好適である。
なお本実施形態において、熱電変換モジュールを排水パイプに装着したとき、図３（ｂ）のように防水シート１６はチップ間において伸びる必要がある。その伸展量をΔＰとすると、実装ランド間隔（熱電素子チップ間隔）が熱電素子チップ寸法ａに較べて十分小さいとき、
ΔＰ〜２ａｈ／Ｄ
である。Ｄ＝１００ｍｍ、実装ランド間隔すなわちチップ間での防水シート長さ０．１ｍ
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である必要がある。前記具体的実施例でのａ＝０．９ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍはこの条件を満たしている。【００１０】「他の実施形態３」
他の実施形態３を図４に示す。本形態では、基板１２として金属箔例えば銅箔１２Ａと樹脂薄層１２Ｂとから成っている。熱伝導率の小さい樹脂層を薄くし、かつその基体に熱伝導率の大きい銅箔を用いて、丈夫で熱損失の小さいモジュール基板を構成したものである。具体例では０．１ｍｍ厚の銅箔と０．０２ｍｍ厚のポリイミド層で構成する。【００１１】「製造方法の実施形態」
本発明の熱電変換モジュールの製造の実施形態を図５の工程図で示す。工程は、（１）少なくとも樹脂薄膜１２Ａからなる基板１２を準備する工程、（２）熱電素子チップの実装ランド兼接続電極１３を形成する工程、（３）ｐ型熱電素子１１Ａおよびｎ型熱電素子チップ１１Ｂを自動実装機を用いて高密度実装する工程、（４）ｐ型とｎ型熱電素子を接続配線１４で接続する工程、必要に応じて、（５）熱電素子および接続配線の表面側を防水シート１６で覆う工程から成る。また（４）に代えて、（３Ａ）防水シートとなる樹脂層下面に配線層１４Ａを形成する工程、（４Ａ）実装した熱電素子上に前記配線層を形成した防水シートを接着する工程、（５Ａ）モジュール端部防水１７を施す工程から成る。本工程において、実装ランド兼接続電極１３および配線層１４Ａの形成を導電性接着剤のスクリーン印刷を用いて行えば、量産性の良い低コストの製造工程となる。【００１２】「熱電発電システムの実施形態」
本発明の熱電発電システムの実施形態の例を図６に示す。前記本発明の熱電変換モジュールにおいて、熱電素子チップの高さは低く、かつ高密度実装されているので熱抵抗が小さく、モジュールを通過する熱流は膨大なものとなり、したがってその放熱手段が肝要である。水の比熱は大きいので冷却手段として優れており、本実施形態ではモジュールの低温端、すなわちモジュールの防水シートの外側を水冷して、大きな温度差を確保する。本実施形態では二重管構成を採り、内側の温排水パイプ１５の外面に複数の熱電変換モジュール１０を装着し、外側の冷却水パイプ２０の冷却水で熱電変換モジュールの低温端を冷却する。この冷却水には、温排水の源の焼却炉等の冷却水の供給水を利用することができる。また電圧の昇圧およびＤＣ−ＡＣ変換のためのコンバータ２１が具備される。なお図６は、二重管の外側の一部を模式的にカットして、内部の構成を示すようにした斜視図である。
以上の実施形態では冷却水は二重管構成で供給したが、冷却水タンクに温排水パイプ１５を貫通させて冷却水を得る構成も採ることができる。この場合には豊富な冷却水が確保でき、上記より効果的な冷却手段を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の熱電変換モジュールの実施形態を示す断面図である。
【図２】この発明の熱電変換モジュールの実施形態を示す断面図である。
【図３】この発明の熱電変換モジュールの実施形態を示す断面図である。
【図４】この発明の熱電変換モジュールの実施形態を示す断面図である。
【図５】この発明の熱電変換モジュールの製造方法の実施形態を示す工程図である。
【図６】この発明の熱電発電システムの実施形態を示す斜視図である。
【図７】従来技術を示す断面図および斜視図である。
【図８】従来技術を示す断面図および斜視図である。
【符号の説明】
【００１４】  １０  熱電変換モジュール      １１  熱電素子チップ      １２  基板
１３  実装ランド（兼接続電極）      １４  接続配線
１５  排水パイプ      １６  防水シート      １７  端部防水
２０  冷却水パイプ      ２１  コンバータ
【図１（ａ）】
0005228160.tif 000009
【図１（ｂ）】
0005228160.tif 000010
【図１（ｃ）】
0005228160.tif 000011
【図１（ｄ）】
0005228160.tif 000012
【図１（ｅ）】
0005228160.tif 000013
【図２】
0005228160.tif 000014
【図３（ａ）】
0005228160.tif 000015
【図３（ｂ）】
0005228160.tif 000016
【図４】
0005228160.tif 000017
【図５】
0005228160.tif 000018
【図６】
0005228160.tif 000019
【図７】
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【図８】
0005228160.tif 000021