(57)【要約】  本発明の熱電変換モジュール102は、面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子1及びｎ型熱電変換素子2を有する、膜状の熱電変換素子体10と、熱電変換素子体の一方の面において、ｐ型熱電変換素子1及びｎ型熱電変換素子2の接合部分に結合した熱伝導体4と、を備え、上記一方向における熱伝導体4の両側には、断熱領域5が隣接して配置されており、熱源上に設置された場合に熱電変換素子体10よりも熱源側に、輻射反射体21及び／又は輻射防止体22を有する。
2018143185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、
前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、
前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、
熱源上に設置された場合に、前記熱電変換素子体よりも前記熱源側に、輻射反射体及び／又は輻射防止体を有する、熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記輻射反射体及び前記輻射防止体を備え、
前記輻射防止体が、前記輻射反射体よりも前記熱源に近い位置に配置されてなる、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、
前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、
前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、
熱源上に設置された場合に、前記熱電変換素子体よりも前記熱源側に、発泡材料を有する、熱電変換モジュール。
【請求項４】
面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、
前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、
前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、
熱源上に設置された場合に、前記熱電変換素子体よりも前記熱源側に、前記熱伝導体に接触すると共に前記熱電変換素子体とは非接触の蓄熱材を有する、熱電変換モジュール。
【請求項５】
面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、
前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、
前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、
前記熱伝導体が、前記膜状の熱電変換素子体に対して接続する接続面及び該接続面の反対側の底面を有し、前記底面の面積が前記接続面の面積より大きい、熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記熱伝導体の熱伝導率が、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１〜５の何れかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
さらに、少なくとも一つの基板を有し、
前記熱伝導体は前記少なくとも一つの基板と前記膜状の熱電変換素子体とを接続する、請求項１〜６の何れかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記少なくとも一つの基板が樹脂材料を含んでなる、請求項７に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記少なくとも一つの基板が金属材料を含んでなる、請求項７又は８に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
熱源上に設置された場合に該熱源の反対側に配置される前記少なくとも一つの基板がヒートシンクである、請求項７〜９の何れかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
前記熱伝導体が異方性熱伝導体であり、前記熱伝導体の厚み方向の熱伝導率が、前記熱伝導体の厚み方向に対して横断方向の熱伝導率よりも高い、請求項１〜１０の何れかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの基板が異方性熱伝導基板であり、前記基板の厚み方向に対して横断方向の熱伝導率が、前記基板の厚み方向の熱伝導率よりも高い、請求項７〜１１の何れかに記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換モジュールが注目されている。なかでも、熱電変換モジュールとしては、起電力が大きいことから、ｐ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）型半導体材料とｎ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）型半導体材料とを接合して形成した接合体を含んでなる熱電変換モジュールが注目されている。そして、熱電変換モジュールは、未利用の熱エネルギーを活用するための有効な手段として期待されている。【０００３】
ここで、熱電変換モジュールとしては、厚み方向の上下両面にフィルム状基板が配置された、薄膜状のｐ型素子及びｎ型素子により構成された熱電変換モジュールが提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の熱電変換モジュールのフィルム状基板は、柔軟性を有すると共に、２種類以上の熱伝導率の異なる材料で構成されている。さらに、かかる基板は、熱伝導率の高い材料が基板の外面の一部分に位置するように構成されている。このため、特許文献１に記載の熱電変換モジュールは、厚み方向の温度勾配を面方向の温度勾配に効率的に変換することが可能であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１８６２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、熱電変換モジュールには、熱電変換効率を一層向上させることが求められている。しかし、特許文献１に記載されたような、温度勾配が薄膜の面方向に形成される薄膜状の熱電変換モジュールには、モジュールの面方向における温度勾配を大きくして、熱電変換効率を高めるという点において改善の余地があった。【０００６】
そこで、本発明は、熱電変換効率の高い熱電変換モジュール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】
【０００７】
この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の熱電変換モジュールは、面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、熱源上に設置された場合に、前記熱電変換素子体よりも前記熱源側に、輻射反射体及び／又は輻射防止体を有することを特徴とする。このように、熱電変換モジュールが、所定位置に配置された輻射反射体及び／又は輻射防止体を有していれば、熱電変換素子体の面方向における温度勾配が大きく、熱電変換効率に優れる。【０００８】
ここで、本発明の熱電変換モジュールは、前記輻射反射体及び前記輻射防止体を備え、前記輻射防止体が、前記輻射反射体よりも前記熱源に近い位置に配置されてなることが好ましい。熱電変換モジュールが、輻射反射体よりも熱源に近い位置に配置された輻射防止体を備えていれば、熱電変換素子体の面方向における温度勾配を一層大きくなり、熱電変換効率に一層優れる。【０００９】
また、上記課題を有利に解決することができる本発明の熱電変換モジュールは、面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、熱源上に設置された場合に、前記熱電変換素子体よりも前記熱源側に、発泡材料を有することを特徴とする。熱電変換モジュールが特定位置に発泡材料を有していれば、熱電変換素子体の面方向における温度勾配が大きく、熱電変換効率に優れる。【００１０】
また、上記課題を有利に解決することができる本発明の熱電変換モジュールは、面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、熱源上に設置された場合に、前記熱電変換素子体よりも前記熱源側に、前記熱伝導体に接触すると共に前記熱電変換素子体とは非接触の蓄熱材を有することを特徴とする。熱電変換モジュールが特定の位置に蓄熱材を有していれば、熱電変換素子体の面方向における温度勾配が大きく、熱電変換効率に優れる。【００１１】
また、上記課題を有利に解決することができる本発明の熱電変換モジュールは、面内の一方向に沿って接合された、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を有する、膜状の熱電変換素子体と、前記熱電変換素子体の一方の面において、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の接合部分に結合した熱伝導体と、前記一方向における前記熱伝導体の両側に隣接した断熱領域と、を備え、且つ、前記熱伝導体が、前記膜状の熱電変換素子体に対して接続する接続面及び該接続面の反対側の底面を有し、前記底面の面積が前記接続面の面積より大きいことを特徴とする。熱電変換モジュールの熱伝導体の底面が接続面よりも大きければ、熱電変換素子体の面方向における温度勾配が大きく、熱電変換効率に優れる。【００１２】
ここで、本発明の熱電変換モジュールは、前記熱伝導体の熱伝導率が、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。熱伝導体の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、熱電変換素子の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層高めることができる。
なお、本明細書において、「熱伝導率」は、熱伝導体等の測定対象物について、例えば、レーザーフラッシュ法を用いて測定することができる値である。【００１３】
また、本発明の熱電変換モジュールは、さらに、少なくとも一つの基板を有し、前記熱伝導体は前記少なくとも一つの基板と前記膜状の熱電変換素子体とを接続することが好ましい。熱電変換素子体と熱伝導体を介して接続する少なくとも一つの基板を設ければ、熱電変換モジュールの機械的強度を向上させることができる。また、かかる少なくとも一つの基板は、外部環境からモジュール内部の構成要素を保護する機能も奏しうる。【００１４】
また、本発明の熱電変換モジュールは、前記少なくとも一つの基板が樹脂材料を含んでなる、ことが好ましい。熱電変換素子体と、熱伝導体を介して接続する基板が樹脂材料を含んでなる基板であれば、熱電変換モジュールに柔軟性を付与することができ、熱電変換モジュールの設置容易性を向上させることができるからである。該熱電変換モジュールの設置場所は、必ずしも平たんな場所ではないので、熱電変換モジュールに柔軟性を付与することができれば、熱電変換モジュールが設置場所の形状に応じて自在に変形可能となり、発電効率を上げることができる。【００１５】
また、本発明の熱電変換モジュールは、前記少なくとも一つの基板が金属材料を含んでなることが好ましい。熱電変換素子体と、熱伝導体を介して接続する基板が金属材料を含めば、熱電変換素子体の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層高めることができる。【００１６】
また、本発明の熱電変換モジュールは、熱源上に設置された場合に該熱源の反対側に配置される前記少なくとも一つの基板がヒートシンクであることが好ましい。熱源上に配置された場合に熱源から遠い側に配置された基板がヒートシンクであれば、熱電変換素子体の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層高めることができる。【００１７】
また、本発明の熱電変換モジュールは、前記熱伝導体が異方性熱伝導体であり、前記熱伝導体の厚み方向の熱伝導率が、前記熱伝導体の厚み方向に対して横断方向の熱伝導率よりも高いことが好ましい。熱伝導体が厚み方向の熱伝導性に富む異方性熱伝導体であれば、熱を伝導する際に生じうるロスを低減して、熱電変換効率を一層向上させることができるからである。【００１８】
また、本発明の熱電変換モジュールは、前記少なくとも一つの基板が異方性熱伝導基板であり、前記基板の厚み方向に対して横断方向の熱伝導率が、前記基板の厚み方向の熱伝導率よりも高いことが好ましい。基板が面方向の熱伝導性に富む異方性熱伝導基板であれば、熱電変換素子の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層向上させることができるからである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、熱電変換効率の高い熱電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の熱電変換モジュールのベースとなる構造を説明するための断面図である。
【図２】上部基板としてヒートシンクを備える熱電変換モジュールの一例の概略構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の熱電変換モジュールのベースとなる構造、及び本発明の実施形態を、図面に基づき詳細に説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一の構成要素を示すものとする。
【００２２】
ここで、本発明の熱電変換モジュールは、特に限定されることなく、保冷庫等に用いられうる温度調節素子、廃熱発電や雪氷発電等のための発電素子、さらには、リチウムイオン電池等のための電極として用いることができる。また、本発明の熱電変換モジュールの熱源としては、特に限定されることなく、例えば、電気機器等の熱源、並びに液化天然ガス、雪、及び氷等の冷熱源でありうる。なお、以下の説明では、明瞭のために、熱源の温度が熱電変換素子内に形成すべき温度勾配の高熱側の温度よりも高い場合、即ち、熱源が冷熱源以外の熱源であると仮定して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の熱電変換モジュール１００のベースとなる構造を説明するための断面図である。熱電変換モジュール１００は一方の面が熱源に隣接して配置されうる。図１では、熱電変換モジュール１００が熱源上に配置されたものとして図示し、図上、下側を熱源側、上側を放熱側として示す。
【００２４】
熱電変換モジュール１００は、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２が面内の一方向に沿って接合されてなる、膜状の熱電変換素子体１０を備える。なお、図上、熱電変換素子体１０は、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を３対有するものとして示すが、これに限定されることなく、熱電変換素子体１０は、少なくとも１対のｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を有していればよい。そして、熱電変換素子体１０は、少なくとも一方の面において、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の接合部分に結合した熱伝導体４を備える。そして、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の接続方向に沿う熱伝導体４の両側には、断熱領域５が隣接して配置されている。
【００２５】
ここで、熱伝導体４に隣接する断熱領域５は、熱伝導体４よりも熱伝導率が低い物質、或いは真空により構成されうる。さらに、熱伝導体４よりも熱伝導率が低い物質は、後述する熱電変換素子基板１１及び１２よりも熱伝導率が低い物質であることが好ましく、断熱物質であることがより好ましい。具体的には、そのような物質としては、特に限定されることなく、無機繊維系断熱材、発泡プラスチック系断熱材、及び空気のような、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ未満、好ましくは０．０６Ｗ／ｍ・Ｋ未満の断熱物質が挙げられる。なかでも、断熱物質は空気であることが好ましい。空気の流動性により断熱効果が高まり、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を高めることができるからである。以下、熱伝導体４に隣接する断熱領域５に空気が含まれるものとして説明する。
【００２６】
熱電変換モジュール１００による発電の概略スキームは以下の通りである。まず、熱源より放出された熱が熱伝導体４を経て、接合部３にて接合されたｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の各端部に伝えられる。これにより、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２のそれぞれにて、熱電変換モジュール１００の面方向の温度勾配が生じる。この温度勾配に起因するゼーベック効果により起電力が生じ、熱電変換モジュール１００が発電する。温度勾配が大きければ、生じる起電力が大きくなり、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率が向上しうる。
【００２７】
熱電変換素子体１０を構成するｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を形成するための熱電変換材料としては、特に限定されることなく、ビスマステルル系化合物、アンチモン系化合物、シリコン系化合物、金属酸化物系化合物、ホイスラー合金系化合物、導電性高分子化合物、導電性繊維、及びこれらの複合材料等を用いることができる。中でも、導電性繊維を用いることが好ましく、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとも称する）などの繊維状の炭素ナノ構造体を用いることがより好ましい。ＣＮＴを使用すれば、本発明の熱電変換モジュール１００の機械的強度を更に向上させると共に、軽量化することができるからである。さらに、ＣＮＴとしては特に限定されることなく、単層ＣＮＴおよび／または多層ＣＮＴを用いることができるが、ＣＮＴは、単層ＣＮＴであることが好ましい。単層ＣＮＴの方が、熱電特性（ゼーベック係数）が優位である傾向があるからである。なお、単層カーボンナノチューブとしては、ＣＮＴ製造用の触媒層を表面に有する基材上に、原料化合物およびキャリアガスを供給して、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によりＣＮＴを合成する際に、系内に微量の酸化剤（触媒賦活物質）を存在させることで、触媒層の触媒活性を飛躍的に向上させるという方法（スーパーグロース法；国際公開第２００６／０１１６５５号参照）に準じて製造したＣＮＴを用いることができる（以下、かかる方法に準じて製造されたＣＮＴを「ＳＧＣＮＴ」と称することがある）。さらにＳＧＣＮＴは折れ曲がりが多いという特徴を持っている。ここで、ＣＮＴは、電子移動による熱伝導性は高いが、フォノン振動による熱伝導性の低下効果も高いと考えられている。しかし、ＳＧＣＮＴは、他の一般的な方法に従って製造したＣＮＴよりも折れ曲がりが多いため、フォノン振動が増幅されにくい構造となっており、フォノン振動に起因した熱伝導性の低下を抑制することができる。よって、ＳＧＣＮＴは、他の一般的なＣＮＴと比較して、熱電変換材料としてより優位な材料でありうる。
【００２８】
そして、熱電変換素子体１０を構成するための熱電変換材料としてＣＮＴを使用するにあたり、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２をそれぞれ構成するＣＮＴのゼーベック係数を異なるものとする必要がある。ここで、ＣＮＴは、そのままではｐ型熱電変換素子としての特性を有する。よって、ｎ型熱電変換素子２を得るための処理（以下、「ｎ化処理」とも称する）をＣＮＴについて適用する必要がある。具体的には、例えば、既知の方法により作製した、或いは市販されている、薄膜状に成形されたＣＮＴであるバッキーペーパーを、一般的な方法、例えば、国際公開第２０１５／１９８９８０号に記載の方法に従ってｎ化処理することで、ｎ型熱電変換素子２として機能しうるバッキーペーパーを得ることができる。
【００２９】
なお、熱電変換素子体１０を備える熱電変換モジュール１００の厚みは、１０ｍｍ以下であることが好ましく、６ｍｍ以下であることがより好ましい。熱電変換モジュール１００の取り付け容易性を向上させることができるからである。
【００３０】
さらに、熱電変換素子体１０を構成するｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を形成するための熱電変換材料として、内部に空隙を有する構造の熱電変換材料を用いることが好ましい。内部に空隙を有する構造の熱電変換材料としては、密度が０．１ｇ／ｃｍ3以下であると共に、繊維状の網目構造を有する導電性構造体が挙げられる。そのような導電性構造体は、具体的には、ＣＮＴのような繊維状炭素ナノ構造体により構成されうる。ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を形成するための熱電変換材料として、内部に空隙を有する構造の熱電変換材料を用いれば、熱電変換素子体１０の熱伝導性を低下させることで、熱電変換素子の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層向上させることができる。
【００３１】
なお、内部に空隙を有する構造の熱電変換材料は、特に限定されることなく、例えば、ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体と未発泡の発泡粒子とを併用して形成することができる。内部に空隙を有する構造の熱電変換材料では、相互に直交（交差）する２つの方向における各熱伝導率が、相異なり得る。そこで、熱伝導率の高い方向が、熱電変換モジュール１００の厚み方向に一致するように形成することができる。具体的には、例えば、未発泡の発泡粒子とＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体を含むシートを形成し、得られたシートを上下又は左右が開放された金型にて挟み、発泡粒子を発泡させることにより作製することができる。
【００３２】
ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を電気的に接続する接合部３は、特に限定されることなく、導電性及び熱伝導性を有する金属により形成されうる。かかる導電性及び熱伝導性を有する金属としては、導電率（ＪＩＳ Ｋ ０１３０：２００８）が１０Ｓ/ｍ以上であると共に熱伝導率が１０Ｗ/ｍ・Ｋ以上である金属材料、より具体的には、Ａｇ及びＣｕ等が挙げられる。中でも、入手しやすいペースト状の材料があり、プロセスの低コスト化を実現し、且つプロセスの容易性を付与し得るといった観点から、Ａｇが好ましい。或いは、接合部３は、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２が、界面にて導電材料を介在させることなく電気的に接続可能であれば、上述したような導電材料が介在しない接合部であっても良い。
例えば、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を、導電材料としてＡｇを含むペースト状の樹脂材料を用いて接続して、接合部３を形成することができる。なお、樹脂材料としては、特に限定されることなく、（メタ）アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、及びポリイミド系樹脂等の一般的な樹脂材料を用いることができる。好ましくは、樹脂材料として、柔軟性に富むと共に耐熱性の高いポリイミド系樹脂を用いる。なお、本明細書において（メタ）アクリルとは、「アクリル」又は「メタアクリル」を意味する。
【００３３】
熱電変換素子体１０に接続する熱伝導体４は、上述したように、接合部３に結合される。ここで、熱伝導体４は、熱伝導体４に隣接する断熱領域５が相互に連通するように配置されることが好ましい。断熱領域５間を空気が流通することで、断熱領域５の断熱性を一層高めて、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を高めることができるからである。さらに、熱伝導体４は、熱伝導体４に隣接する断熱領域５が相互に連通すると共に、各複数の断熱領域５のそれぞれが、熱電変換モジュール１００の外側雰囲気と直接的又は間接的に連通するように配置されることが好ましい。断熱領域５の断熱性をより一層高めることで、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層高めることができるからである。
【００３４】
熱伝導体４は、特に限定されることなくＡｌやＣｕ等の熱伝導性無機材料、及び熱伝導性樹脂などの熱伝導性有機材料を含む熱伝導性材料により形成されうる。中でも、軽量性の観点から、Ａｌが好ましい。熱伝導体４の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましく、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがさらに好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが特に好ましい。また、熱伝導体４は、熱電変換モジュール１００の厚み方向長さが１ｍｍ以上であることが好ましい。熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくすることができるからである。さらに、熱伝導体４は、接合部３と、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の各面方向長さの１／５以下の領域で、熱電変換素子体１０に接触することが好ましい。
【００３５】
図１では、熱電変換素子体１０の両面側に熱伝導体４が配置される構成を例示した。しかし、熱電変換モジュール１００は、熱電変換素子体１０の少なくとも熱源側の面に熱伝導体４が接続されていればよい。連続接合する各ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の一端に対して熱が入力されれば温度勾配を生じさせることができるからである。なお、熱源側とは反対側、即ち放熱側にも熱伝導体４が接続されていれば、加熱されて温度上昇した端部とは反対側の端部付近の領域で、各ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２から熱を放出させることができ、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくすることができることがある。
【００３６】
さらに、熱伝導体４は異方性熱伝導体であることが好ましい。異方性熱伝導体では、厚み方向の熱伝導率が、厚み方向に対して横断方向の熱伝導率よりも高い。熱伝導体４が厚み方向の熱伝導性に富む異方性熱伝導体であれば、熱伝導体４が熱を伝導する際に生じうるロスを低減して、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層向上させることができるからである。そして、熱伝導体４が異方性熱伝導体である場合において、かかる異方性熱伝導体の厚み方向の熱伝導率が、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましく、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがさらに好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが特に好ましい。
【００３７】
異方性熱伝導体は、特に限定されることなく、例えば、グラファイトシート、及びＣＮＴ等の有機系異方性熱伝導材料、並びに扁平金属粒子等の無機異方性熱伝導材料を用いて形成することができる。なお、扁平金属粒子とは、例えば、アスペクト比が３以上である扁平形状の金属粒子を意味する。好ましくは、熱電変換素子体１０に柔軟性を付与すると共に、軽量化する観点から、有機系異方性熱伝導材料を用いることが好ましい。さらに、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層向上させる観点から、熱伝導体４を構成する異方性熱伝導体を、ＣＮＴを用いて形成することが好ましい。
なお、異方性熱伝導体は、特に限定されることなく、これらの異方性熱伝導材料と、接合部３の形成にも用いられうる一般的な樹脂材料とを併用して形成することができる。異方性熱伝導体は、これらを用いて、異方性熱伝導材料の熱伝導率の高い方向が、熱電変換モジュール１００の厚み方向に一致するように、塗布工程及び加圧工程等を含む既知の製造方法により作製することができる。
【００３８】
さらに、熱電変換モジュール１００が熱電変換素子体１０の両面側に熱伝導体４を有する図示のような構造を有する場合には、放熱側に配置された複数の熱伝導体４と熱源側に配置された複数の熱伝導体４とは、それぞれ、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の接合部３の一つおきに、放熱側と熱源側が相互に互い違いになるように配置されていることが好ましい。
【００３９】
さらに、熱電変換モジュール１００は、少なくとも一つの基板を有することが好ましい。熱伝導体４は、少なくとも一つの基板と膜状の熱電変換素子体１０とを接続することが好ましい。熱電変換素子体１０と熱伝導体４を介して接続する少なくとも一つの基板を設ければ、熱電変換モジュール１００の機械的強度を向上させることができる。また、かかる少なくとも一つの基板は、外部環境からモジュール内部の構成要素を保護する機能も奏しうる。
【００４０】
図１では、熱電変換モジュール１００は、熱源側に配置された下部基板６と放熱側に配置された上部基板７とを有する。これらの下部基板６及び上部基板７は、樹脂基板及び／又は金属基板であることが好ましい。樹脂基板としては柔軟性を有する樹脂材料を含んでなる基板である、いわゆるフレキシブル基板が挙げられる。そのようなフレキシブル基板としては、熱伝導性が低く、且つ耐熱性及び柔軟性に優れる樹脂を用いて形成された基板が挙げられ、具体的には、ポリイミド基板が挙げられる。また、金属基板としては、アルミニウム、銅、及び銀等の熱伝導性の高い金属材料を含んでなる基板が挙げられる。なお、樹脂基板及び金属基板は、それぞれ単独で用いることができるが、両方を積層して併用することも可能である。
【００４１】
下部基板６又は上部基板７として、樹脂基板を採用した場合には、熱電変換モジュールに柔軟性を付与することができ、熱電変換モジュールの設置容易性を向上させることができる。これは、熱電変換モジュールの設置場所は、必ずしも平たんな場所ではないので、熱電変換モジュールに柔軟性を付与することができれば、熱電変換モジュールが設置場所の形状に応じて自在に変形可能となり、発電効率を上げることができるからである。
一方、下部基板６又は上部基板７として、金属基板を採用した場合には、熱電変換素子の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層高めることができる。
【００４２】
下部基板６及び上部基板７は同一材料で形成される必要はなく、例えば、下部基板６は樹脂基板、上部基板７は金属基板とすることももちろん可能である。この場合、上部基板における放熱効果を向上させて、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層高めることができる。
また、熱源の温度が不均一な場合に、熱電変換モジュール全体に熱を均一に行き渡らせるために、下部基板６に金属基板を用いることもある。その場合、上部基板７は金属基板としても良いし、樹脂基板としても良い。
【００４３】
さらに、下部基板６及び／又は上部基板７として、熱伝導体４と同様の異方性熱伝導材料を用いて形成した異方性熱伝導基板を用いることができる。異方性熱伝導基板では、基板の厚み方向に対して横断方向の熱伝導率が、基板の厚み方向の熱伝導率よりも高い。よって、少なくとも下部基板６が面方向の熱伝導性に富む異方性熱伝導基板であれば、熱源からの集熱効率を高めて、熱伝導体４を介して熱電変換素子体１０へと入力される熱量を増大させることができる。これにより、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層向上させることができる。さらに、下部基板６に加えて上部基板７も面方向の熱伝導性に富む異方性熱伝導基板であれば、上部基板７からの放熱効率を向上させることができる。このことによっても、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層向上させることができる。なお、下部基板６及び／又は上部基板７を異方性熱伝導基板とする場合には、熱伝導体４と同様に、柔軟性及び軽量化の観点から、有機系異方性熱伝導材料を用いることが好ましい。
【００４４】
なお、膜状の熱電変換素子体１０は、熱電変換素子体１０を支持する少なくとも一つの熱電変換素子基板を備えうる。図１では、熱電変換素子体１０は、熱電変換素子基板１１及び１２により両面が支持されてなる。熱電変換素子が少なくとも一つの熱電変換素子基板を備えれば、熱電変換モジュール１００の機械的強度を一層向上させることができる。熱電変換素子基板１１及び１２は、熱伝導性の低い材料であれば特に限定されることなく、下部基板６及び／又は上部基板７の形成に用いうる樹脂材料と同様の樹脂材料により形成することができる。
【００４５】
なお、図１には示さないが、熱電変換モジュール１００は、熱電変換素子体１０の両端に導電線が接続されてなり、熱電変換素子体１０により生じた電力を取り出すことができる。
【００４６】
図２に上部基板としてヒートシンクを備える熱電変換モジュールの一例の概略構造を示す。図２に示す熱電変換モジュール１０１では、熱源上に設置された場合に該熱源の反対側、即ち、図２に示す放熱側に配置される上部基板７’がヒートシンクであることが好ましい。熱源上に配置された場合に熱源から遠い側、即ち、図２に示す放熱側に配置された上部基板７’がヒートシンクであれば、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換効率を一層高めることができる。
【００４７】
上部基板７’を構成しうるヒートシンクとしては、特に限定されることなく、Ａｌ、Ｆｅ、及びＣｕ等の高熱伝導性金属材料により構成される、板状や棒状の複数のフィンを表面に有する板状体が挙げられる。そのようなヒートシンクは、熱伝導性に富み、表面積が大きいために、放熱性に優れる。任意で、ヒートシンクに対してファン等を取り付けて、放熱性を一層向上させることができる。
本発明の熱電変換モジュールのベースとなる構造は、上記説明に従うものである。以下、本発明の各実施形態に従う各熱電変換モジュールについて詳述するが、これらの実施形態においても、上記説明にて必須又は任意の構成として説明した各構成部は、必須又は任意に備えられうる。
【００４８】
（第１実施形態）
図３に、本発明の第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す。本発明の第１実施形態にかかる熱電変換モジュール１０２は、熱源上に設置された場合に、熱電変換素子体１０よりも熱源側に、輻射反射体２１及び／又は輻射防止体２２を有する。ここで、熱電変換素子体１０よりも熱源側の領域は、例えば、２つの熱伝導体４、下部基板６、及び熱電変換素子体１０の熱源側面により四方が区画される空隙である。そして、かかる空隙は、断熱領域５に一致しうる。輻射反射体２１は、下部基板６に非接触である限りにおいて、上記空隙内の何れかの位置にて配置されうる。かかる特定配置の輻射反射体２１によれば、熱源からの輻射を反射して、熱伝導体４を介することなく熱電変換素子が直接加熱されることを抑制することで、熱電変換素子の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を一層高めることができる。好ましくは、輻射反射体２１は、輻射反射率が９０％以上でありうる。さらに好ましくは、輻射反射効果を最大化する観点から、輻射反射体２１は、熱電変換素子体１０の熱源に対向する面に対して隣接配置し、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の接続方向の両端部が、上記空隙を区画する２つの熱伝導体４に接するように配置されうる。
なお、熱電変換モジュール１０２が下部基板６を備えない場合には、輻射反射体２１は、熱源と非接触である限りにおいて、２つの熱伝導体４、熱源、及び熱電変換素子体１０の熱源側面により四方が区画される空隙内の何れかの位置にて配置されうる。
【００４９】
輻射反射体２１は、特に限定されることなく、例えば、上述したような一般的な樹脂に対して扁平金属粒子を配合してなるシート状の構造体でありうる。かかるシート状の構造体中において、扁平金属粒子は、面方向に略平行になるように配向されていることが好ましい。
【００５０】
さらに、輻射防止体２２は、熱電変換素子体１０及び輻射反射体２１に非接触である限りにおいて、上記空隙内の何れかの位置にて配置されうる。熱電変換モジュール１０２が上述した輻射反射体２１を備える場合には、輻射防止体２２の配置は、かかる輻射反射体２１よりも熱源側（即ち、熱電変換素子体１０を規準として、輻射反射体２１よりも、熱電変換モジュールの厚み方向に遠い位置）である必要がある。そして、輻射防止体２２により、熱源からの輻射を防止して、熱伝導体４を介することなく熱電変換素子体１０が直接加熱されることを抑制することで、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換モジュール１０２の熱電変換効率を一層高めることができる。好ましくは、輻射防止効果を最大化する観点から、輻射防止体２２は、下部基板６に隣接配置し、ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２の接続方向における輻射防止体２２の両端部が、上記空隙を区画する２つの熱伝導体４に接するように配置することができる。なお、熱電変換モジュール１０２が下部基板６を備えない場合には、輻射防止体２２を熱源に直接隣接して配置することができる。
【００５１】
輻射防止体２２は、特に限定されることなく、輻射反射体２１と同様の材料、或いは、例えば、市販の遮熱フィルム（日本遮熱社製、「トップヒートバリアー（登録商標）ＴＨＢ−ＷＢＥ１」）のような、一般的な輻射の小さい材料により形成することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す。本発明の第２実施形態にかかる熱電変換モジュール１０３は、熱源上に設置された場合に熱電変換素子体１０よりも熱源側に、発泡材料２３を有することが好ましい。発泡材料２３の断熱効果及び輻射防止効果により、熱伝導体４が接続されていない領域にて熱電変換素子体１０が加熱されることを抑制することができる。これにより、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換モジュール１０３の熱電変換効率を一層高めることができる。
【００５３】
ここで、発泡材料２３は、上述した輻射反射体２１及び輻射防止体２２と同様に、例えば、２つの熱伝導体４、下部基板６、及び熱電変換素子体１０の熱源側面により四方が区画される空隙内に配置されうる。そして、発泡材料２３は、上述した、輻射反射体２１及び輻射防止体２２とは異なり、断熱効果を保持する観点から、上記空隙を区画する２つの熱伝導体４には非接触である必要がある。また、発泡材料２３は、熱電変換素子体１０及び任意の下部基板６のうちの少なくとも一方に接していても良いし、双方と非接触であっても良い。なお、発泡材料２３としては、特に限定されることなく、発泡プラスチックのような発泡樹脂材料が挙げられる。なお、発泡材料２３の熱伝導率は、例えば、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ未満であり得る。
【００５４】
（第３実施形態）
図５に、本発明の第３実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す。本発明の第３実施形態にかかる熱電変換モジュール１０４は、熱源上に設置された場合に熱電変換素子体１０よりも熱源側に、熱伝導体４に接触すると共に熱電変換素子体１０とは非接触の蓄熱材２４を有することが好ましい。蓄熱材２４の蓄熱効果により、熱源からの輻射熱を低減するとともに、熱源の非稼働時にも熱電変換素子体１０に対して熱供給することができる。蓄熱効果を高めて熱電変換モジュール１０４の熱電変換効率を一層向上させる観点から、蓄熱材２４は、下部基板６に隣接配置し、面方向両端部が、上記空隙を区画する２つの熱伝導体４に接するように配置することが好ましい。なお、熱電変換モジュール１０４が下部基板６を備えない場合には、蓄熱材２４を熱源に直接隣接して配置することができる。
【００５５】
蓄熱材２４としては、特に限定されることなく、温度変化に応じて相が変化する相変化物質が挙げられる。かかる相変化物質としては、パラフィンを含む炭化水素、及びステアリン酸や酢酸を含む脂肪酸のような有機系相変化物質、並びに、MgCl2(H2O)6、Ba(OH)2(H2O)8、及びCaCl2(H2O)6等を含む無機系相変化物質が挙げられる。
【００５６】
（第４実施形態）
図６に、本発明の第４実施形態にかかる熱電変換モジュールの概略構造を示す。本発明の第４実施形態にかかる熱電変換モジュール１０５では、熱伝導体４’が、膜状の熱電変換素子体１０に対して接続する接続面２５及び該接続面２５の反対側の底面２６を有し、底面２６の面積が接続面２５の面積より大きいことが好ましい。下部基板６に接続する熱伝導体４’の底面２６が接続面２５よりも大きければ、熱源からの集熱効率を高めることができる。また、上部基板７に接続する熱伝導体４’の底面２６が接続面２５よりも大きければ、上部基板７を介した放熱効率を高めることができる。このような構造によれば、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換モジュール１０５熱電変換効率を一層向上させることができるからである。さらに、図示しないが、第４実施形態にかかる熱電変換モジュール１０５にて、第１実施形態にて説明したような輻射反射体２１及び／又は輻射防止体２２を設けることが好ましい。熱電変換モジュール１０５が輻射反射体２１及び／又は輻射防止体２２を備えていれば、熱伝導体４’の表面から発せられうる輻射により接続面２５以外を介して熱電変換素子体１０が加熱されることを抑制することができる。これにより、熱電変換素子体１０の面方向における温度勾配を一層大きくして、熱電変換モジュール１０５の熱電変換効率を一層高めることができる。
【００５７】
熱伝導体４’は、熱伝導体４と同様の熱伝導性材料を用いて形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上説明したように、本発明によれば、熱電変換効率の高い熱電変換モジュールを提供することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１              ｐ型熱電変換素子
２              ｎ型熱電変換素子
３              接合部
４，４’        熱伝導体
５              断熱領域
６              下部基板
７，７’        上部基板
１０            熱電変換素子体
１１，１２      熱電変換素子基板
２１            輻射反射体
２２            輻射防止体
２３            発泡材料
２４            蓄熱材
２５            接続面
２６            底面
１００〜１０５  熱電変換モジュール
【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】
2018143185.tif 000008
【国際調査報告】
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2018143185.tif 000011
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