(57)【要約】【課題】  熱エネルギーを効率的に利用できない。【解決手段】  熱電発電モジュールは、金属性の熱伝導体と、熱伝導体の下面の一部を覆う第１の断熱層と、熱伝導体の上面を覆う第２の断熱層と、上面上に配置された熱電変換素子と、熱電変換素子上に配置された放熱部と、を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属性の熱伝導体と、
前記熱伝導体の下面の一部を覆う第１の断熱層と、
前記熱伝導体の上面を覆う第２の断熱層と、
前記上面上に配置された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子上に配置された放熱部と、を有する熱電発電モジュール。
【請求項２】
前記熱電変換素子が生成した電力により駆動する駆動手段を有する請求項１に記載の熱電発電モジュール。
【請求項３】
前記放熱部がペルチェ素子であり、
前記ペルチェ素子は、前記熱電変換素子が生成した電力により駆動する請求項１または２に記載の熱電発電モジュール。
【請求項４】
前記熱伝導体に熱的に結合された発熱部を有する請求項１から３のいずれかに記載の熱電発電モジュール。
【請求項５】
前記発熱部は、前記熱伝導体と離れている請求項４に記載の熱電発電モジュール。
【請求項６】
前記第１の断熱層は複数の下面開口部を有し、
前記下面開口部から前記下面が露出する請求項１から５のいずれかに記載の熱電発電モジュール。
【請求項７】
前記複数の下面開口部のそれぞれの形状は、長方形、円形、または同心円である請求項６に記載の熱電発電モジュール。
【請求項８】
前記第２の断熱層は上面開口部を有し、
前記上面開口部に前記熱電変換素子が配置される請求項１から７のいずれかに記載の熱電発電モジュール。
【請求項９】
前記熱伝導体の厚み方向の熱伝導率と面内方向の熱伝導率とが同じである請求項１から８のいずれかに記載の熱電発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電モジュールに関し、特に、熱電変換素子と熱電変換素子上に配置された放熱部とを有する熱電発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータの高性能化やディスプレイの大型化、多機能化などにより、電子機器からの発熱量は増加する傾向にある。これに伴い、電子機器から放熱するための方法が研究開発されている。
【０００３】
特許文献１には、放熱用構造体が開示されている。図１１にこの放熱用構造体を示す。この放熱用構造体は、熱伝導部材４２０を有する。熱伝導部材４２０は、グラファイト成形体からなる熱伝導体４１３と熱伝導体４１３の周囲を覆う断熱層４１４から構成されている。ここで、熱伝導体４１３の一方の端部は吸熱部、他方の端部は放熱部とされている。また、放熱用構造体は、発熱体として半導体素子４２１、放熱体として放熱フィン４１２を有する。半導体素子４２１は、熱伝導体４１３の吸熱部に結合される。一方、放熱フィン４１２は熱伝導体４１３の放熱部に結合される。なお、熱伝達特性を高めるために、半導体素子４２１及び放熱フィン４１２のそれぞれは、シリコングリースに熱伝導粒子等を配合した熱伝導性グリース４２２、４２３を介して吸熱部または放熱部に結合されている。
【０００４】
グラファイト成形体は熱伝導性に異方性を有し、層状黒鉛結晶の面内方向（層方向）の熱伝導性が厚み方向の熱伝導性よりも高いという性質を有する。このため、この放熱用構造体では、半導体素子４２１が発した熱が高い熱伝達効率でグラファイト成形体の層方向に移動し、放熱フィン４１２に伝わる。そして、熱は効率的に放熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５０２４９（段落「００１４」、「００１５」、「００１７」、「００３３」、「００３５」、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の放熱用構造体の場合、発熱体からの熱が単なる廃熱として扱われている。このため、熱のエネルギーが効率的に利用できていないという課題があった。
【０００７】
本発明は、熱エネルギーを効率的に利用できないという課題を解決する熱電発電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】
【０００８】
本発明の熱電発電モジュールは、金属性の熱伝導体と、熱伝導体の下面の一部を覆う第１の断熱層と、熱伝導体の上面を覆う第２の断熱層と、上面上に配置された熱電変換素子と、熱電変換素子上に配置された放熱部と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱電発電モジュールによれば、熱エネルギーを効率的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態の熱電発電モジュールを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の熱電発電モジュールを示す（ａ）分解斜視図と、（ｂ）分解斜視図（ａ）の２ｂ−２ｂ線断面図である。
【図３】本発明の（ａ）第１の実施形態の熱電発電モジュールの模式図と、（ｂ）参考例の模式図とを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の熱電発電モジュールの製造方法を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の熱電発電モジュールの製造方法を示す別の図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の熱電発電モジュールを示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の熱電発電モジュールの別の例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の熱電発電モジュールのさらに別の例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の熱電発電モジュールのさらに別の例を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の熱電発電モジュールを示す図である。
【図１１】特許文献１に記載の放熱用構造体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態の熱電発電モジュール１００は、図１に示すように、金属性の熱伝導体１１３と、熱伝導体１１３の下面の一部を覆う第１の断熱層１１４と、熱伝導体１１３の上面の一部を覆う第２の断熱層１１４とを有する。また、熱伝導体１１３の上面上には、熱電変換素子１１１が配置される。また、熱電変換素子１１１上には、放熱部１１２が配置される。なお、本実施形態では、熱伝導体１１３と、これを覆う断熱層１１４とを併せたものを集熱板１２０と呼ぶこととする。
【００１３】
熱伝発電モジュール１００が有するそれぞれの構成について、図２（ａ）、（ｂ）を用いて、さらに詳細に説明する。図２（ｂ）に示すように、集熱板１２０は熱伝導体１１３および断熱材１１４から構成される。この集熱板１２０の下面には下面開口部１１６が設けられていて、熱伝導体１１３の下面はこの下面開口部１１６から露出している。一方、集熱板１２０の上面には上面開口部１１５が設けられていて、熱伝導体１１３の上面はこの上面開口部１１５から露出している。そして、図２（ａ）に示すように、上面開口部１１５に、熱電変換素子１１１および放熱部１１２が配置される。
【００１４】
熱電発電モジュール１００はこのような構造を有することで、発熱部からの熱エネルギーを下面開口部１１６から取り入れ、取り入れた熱エネルギーを、熱伝導体１１３を介して、熱電変換素子１１１に伝えることができる。これにより、熱電変換素子１１１の熱伝導体１１３と接する面は高温となる。一方、熱電変換素子１１１の上には放熱部１１２が配置されているため、高温となった面とは反対の面は低温となる。このように、熱電変換素子１１１の一方の面を高温に、他方の面を低温にして、熱電変換素子１１１の両端に温度差を生じさせることで、熱電変換素子１１１は発電することができる。
【００１５】
本実施形態の熱電発電モジュールでは、上述のように、発熱体からの熱を廃熱としてではなく、発電に用いることができる。このため、本実施形態の熱電発電モジュールを用いて熱エネルギーを効率的に利用することができる。
【００１６】
本実施形態の熱電発電モジュール１００の熱伝導体１１３は金属からなるため、熱電発電素子１１１が高い起電力を生み出すことができる。これについて、以下、説明する。特許文献１に記載された熱伝導部材のように熱伝導体１５３がグラファイトからなる場合、熱伝導体１５３の面内方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高くなる。熱伝導体１５３がグラファイトからなる熱電発電モジュール１４０を参考例として図３（ｂ）に示す。熱電発電モジュール１４０は、熱伝導体１５３とこれを覆う断熱層１５４、上面開口部１５５と下面開口部１５６、上面開口部１５５に配置された熱電変換素子１５１と放熱部１５２とを有する。参考例に示すように、熱はまず初めに熱伝導体１５３の面内方向に広がり、その後、厚み方向に移動する。よって、熱伝導体１５３の発熱部側の面である下面の温度は高くなり易く、熱伝導体１５３の熱電変換素子１５１側の面である上面の温度は高くなり難くなる。すなわち、熱伝導体１５３の上面と下面で温度勾配が生じる。この結果、熱電変換素子１５１が高温になり難くなり、熱電変換素子１５１の起電力が低くなる。一方、本実施形態の熱電発電モジュール１００のように、熱伝導体１１３が金属性である場合、熱伝導体１１３の熱伝導率は均質であり、すなわち、熱伝導体１１３の厚み方向の熱伝導率と面内方向の熱伝導率とが同じである。このため、図３（ａ）に示すように、熱は、熱伝導体１１３を介して、熱電変換素子１１１に伝わり易くなる。この結果、熱伝変換素子１１１が高温になり、熱電変換素子１１１の起電力が高くなる。
【００１７】
発熱部は、熱伝導体１１３に熱的に結合されているのが望ましい。ここでいう熱的に結合されているというのは、発熱部が発した熱が熱伝導体１１３に伝わる位置に発熱部が配置されることを意味する。従って、発熱部は熱伝導体１１３に直接接していても良いし、接していなくても良い。
【００１８】
発熱部は、熱伝導体１１３と離れていても良い。発熱部と熱伝導体１１３とが離れることにより、熱電発電モジュール１００が設置される場所の自由度が増す。また、発熱部と熱伝導体１１３を離すことで、下面開口部１１６と断熱層１１４とが窪みを形成することとなる。この窪みは、発熱部により加熱された雰囲気の流れをかく乱することができ、発熱部と熱伝導体１１３との間に乱流を生じさせることができる。この乱流により、発熱部が熱した雰囲気からの熱が下面開口部１１６より吸収され易くなる。
【００１９】
断熱層１１４の熱抵抗は、１．５℃／W以上であるのが望ましい。また、熱電変換素子１１１の熱抵抗は０．８℃／W以下であるのが望ましい。また、熱伝導体１１３は金属性であるため、熱伝導体１１３の熱抵抗は断熱層１１４の熱抵抗より低くなる。このように、熱電変換素子１１１と熱伝導体１１３の熱抵抗を断熱層１１４よりも小さくすることで、下面開口部１１６から熱伝導体１１３に取り入れられた熱は、熱伝導体１１３、上面開口部１１５の順を経て、効率良く熱電変換素子１１１に伝えられる。
【００２０】
熱電変換素子は熱と電力を変換する素子であれば良く、例えば、ビスマス・テルル系（Ｂｉ−Ｔｅ系）、鉛・テルル系（Ｐｂ−Ｔｅ系）、シリコン・ゲルマニウム系（Ｓｉ−Ｇｅ系）のものが用いられる。
【００２１】
放熱部は熱を放出することができるものであれば良く、例えば、放熱部としてヒートシンクやペルチェ素子を用いることができる。
【００２２】
発熱部は熱を発するものであれば良く、例えば、発熱部としてＣｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ（ＣＰＵ）などの電子回路や、パーソナルコンピュータ、サーバー、家電の電子機器自体を用いることができる。
【００２３】
熱伝導体の材料には、例えば、アルミ、銅、鉄などが用いられる。
【００２４】
断熱層の材料には、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂などが用いられる。
【００２５】
熱電発電モジュールは、熱電変換素子が生成した電力により駆動する駆動手段を有していても良い。駆動手段には、例えば、電子機器の設置場所や動作状況を管理するＩＣタグが含まれる。
【００２６】
また、放熱部がペルチェ素子であって、ペルチェ素子は熱電変換素子が生成した電力により駆動しても良い。
【００２７】
次に、図４、５を参照して本実施形態の熱電発電モジュール１００の製造方法を説明する。
【００２８】
はじめに、図４に示すように、熱伝導体１１３を用意し、この熱伝導体１１３を断熱材で被覆して、断熱層１１４を形成する。熱伝導体１１３には板金、例えば、スチール、鉄、アルミニウムを用いることができ、この熱伝導体１１３をプレス成型しても良い。また、断熱層１１４を樹脂系材料、発泡材等の熱伝導率の低い材料でラミネートしても良い。
【００２９】
次に、図５に示すように、熱電変換素子１１５を設置する位置の断熱層１１４の一部を除去して、上面開口部１１５を形成する。さらに、断熱層１１４の一部を除去して、下面開口部１１６を形成する。
【００３０】
次に、上面開口部１１５に熱電変換素子１１１を設ける。さらに、熱電変換素子１１１
の上に放熱部１１２を設ける。
【００３１】
このような方法により、熱電発電モジュールを製造することができる。
〔第２の実施形態〕
次に本発明の第２の実施形態の熱電発電モジュールについて説明する。本実施形態の熱電発電モジュールは、任意の形状の下面開口部を有し、これにより、集熱板の集熱能力が向上するという特徴を有する。
【００３２】
第２の実施形態の熱電発電モジュール２００ａは、図６（ｂ）に示すように、熱伝導体２１３ａと熱伝導体２１３ａを覆う断熱層２１４ａとからなる集熱板２２０ａと、熱電変換素子２１１ａと、放熱部２１２ａとを有する。
【００３３】
さらに、底面図である図６（ａ）に示すように、第２の実施形態の熱電発電モジュール２００ａは、複数の下面開口部２１６ａを有する。下面開口部２１６ａは長方形の形状を有する。このように、下面開口部２１６ａを複数個を設けることにより、集熱板２２０ａの表面に凹凸構造が形成される。そして、この凹凸構造により、発熱部と熱伝導体２１３ａとの間に乱流を生じやすくなる。この結果、発熱部からの熱が熱伝導体２１３ａに伝わり易くなる。また、下面開口部２１６ａをこのように分割することによって、下面開口部２１６ａから露出する熱伝導体２１３ａの面積を同じとする単一の下面開口部を設けた場合よりも、発熱部から熱伝導体２１３ａへの熱の伝達効率を高めることができる。
【００３４】
下面開口部２１６ｂは、図７に示すように、縦長の開口であっても良い。図７に示す熱電発電モジュール２００ｂは、熱伝導体２１３ｂと熱伝導体２１３ｂを覆う断熱層２１４ｂとからなる集熱板２２０ｂと、熱電変換素子２１１ｂと、放熱部２１２ｂとを有する。
【００３５】
また、下面開口部２１６ｃは、図８に示すように、円形であっても良い。図８に示す熱電発電モジュール２００ｃは、熱伝導体２１３ｃと熱伝導体２１３ｃを覆う断熱層２１４ｃとからなる集熱板２２０ｃと、熱電変換素子２１１ｃと、放熱部２１２ｃとを有する。
【００３６】
また、複数の下面開口部２１６ｄのそれぞれは、図９に示すように、同心円の形状を有していても良い。図７に示す熱電発電モジュール２００ｄは、熱伝導体２１３ｄと熱伝導体２１３ｄを覆う断熱層２１４ｄとからなる集熱板２２０ｄと、熱電変換素子２１１ｄと、放熱部２１２ｄとを有する。
〔第３の実施形態〕
次に本発明の第３の実施形態の熱電発電モジュールについて説明する。本実施形態の熱電発電モジュールは、放熱部がペルチェ素子であり、ペルチェ素子が熱電変換素子が生成した電力により駆動することを特徴とする。
【００３７】
図１０に示すように、本実施形態の熱電発電モジュール３００は、熱伝導体３１３と熱伝導体３１３を覆う断熱層３１４とからなる集熱板３２０と、熱電変換素子３１１と、放熱部３１２とを有する。この集熱板３２０の下面には下面開口部３１６が設けられていて、熱伝導体３１３の下面はこの下面開口部３１６から露出している。一方、集熱板３２０の上面には上面開口部が設けられていて、熱伝導体３１３の上面はこの上面開口部から露出している。そして、上面開口部に、熱電変換素子３１１および放熱部３１２が配置される。
【００３８】
本実施形態の熱電発電モジュール３００では、放熱部３１２がペルチェ素子であり、このペルチェ素子３１２が、熱電変換素子３１１が生成した電力により駆動することを特徴とする。このように、熱電変換素子３１１が発電した電力によりペルチェ素子３１２が駆動することにより、熱電発電モジュール３００では高いエネルギー効率と放熱作用の両方を実現することが可能となる。
【００３９】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４０】
１００、１４０、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、３００    熱電発電モジュール
１１１、１５１、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄ、３１１    熱電変換素子
１１２、１５２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ、３１２    放熱部
１１３、１５３、２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ、２１３ｄ、３１３    熱伝導体
１１４、１５４、２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄ、３１４    断熱層
１１５、１５５    上面開口部
１１６、１５６、２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃ、２１６ｄ、３１６    下面開口部
１２０、２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、３２０    集熱板
４１２    放熱フィン
４１３    熱伝導体
４１４    断熱層
４２０    熱伝導部材
４２１    半導体素子
４２２、４２３    熱伝導性グリース
【図１】
2012244116.tif 000003
【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】
2012244116.tif 000009
【図８】
2012244116.tif 000010
【図９】
2012244116.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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