(57)【要約】【課題】従来の熱電変換デバイスでは、デバイスの厚みに制約があり、厚みによっては電圧損失が生じる。【解決手段】本発明の熱電デバイスは、金属層１１と熱電材料層１２とが積層方向１４に対して傾斜して積層された積層体を、デバイスの厚み方向２０に積み重ねて作成された積層体群から構成される。そのため、デバイスの厚みが大きい際の電圧損失の課題を解決し、より効率的かつ設計性の高いデバイスとして有用である。【選択図】図２
2012069626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と熱電材料層とが積層方向に対して傾斜して積層された第1積層体と、
前記積層方向と前記第１積層体が傾斜している方向とが含まれる面において、前記積層方向に垂直な軸である厚み方向の前記第１積層体上に配置され、前記厚み方向に対して前記第1積層体が傾斜する第1角度と対称となる第2角度で、金属層と熱電材料層とが傾斜している第２積層体と、
を具備する熱電デバイス。
【請求項２】
さらに、前記積層方向と厚み方向とに対して垂直な方向に、前記第1積層体と前記第2積層体とに並ぶように配置され、金属層と熱電材料層とが前記第1角度と同一方向に傾斜する第３積層体と、
前記厚み方向の前記第３積層体上に配置され、金属層と熱電材料層とが前記第2角度と同一方向に傾斜する第４積層体と、
を具備する請求項１記載の熱電デバイス。
【請求項３】
前記第1積層体と前記第3積層体、および、前記第2積層体と前記第4積層体が、前記垂直な方向において並ぶように配置された請求項２記載の熱電デバイス。
【請求項４】
前記第1積層体と前記第４積層体、および、前記第2積層体と前記第３積層体が、前記垂直な方向において並ぶように配置された請求項２記載の熱電デバイス。
【請求項５】
さらに、前記積層方向における、前記第1積層体と前記第2積層体の両端部に電極を備える、請求項１記載の熱電デバイス。
【請求項６】
さらに、前記積層方向における、前記第1積層体と前記第2積層体と前記第3積層体と前記第4積層体との両端部に電極を備える、請求項３記載の熱電デバイス。
【請求項７】
さらに、前記積層方向における、前記第1積層体と前記第2積層体と前記第3積層体と前記第4積層体との両端部に電極を備える、請求項4記載の熱電デバイス。
【請求項８】
前記第1積層体および前記第2積層体の両端部のうちのいずれかの同じ端部に備えられた電極において、前記第1角度を有する積層体と前記第2角度を有する積層体とを接続する、請求項５記載の熱電デバイス。
【請求項９】
前記第1積層体および前記第2積層体および前記第３積層体および前記第４積層体の両端部のうちのいずれかの同じ端部に備えられた電極において、前記第1角度を有する積層体と前記第2角度を有する積層体とを接続する、請求項６記載の熱電デバイス。
【請求項１０】
さらに、前記厚み方向における、前記第２積層体上と前記第４積層体上に配置され、金属層と熱電材料層とが前記第1角度で傾斜して積層された第５積層体を備える、
請求項３記載の熱電デバイス。
【請求項１１】
金属層と熱電材料層とが積層方向に対して傾斜して積層された第1積層体と、
前記積層方向と前記第１積層体が傾斜している方向とが含まれる面において、前記積層方向に垂直な軸である厚み方向の前記第１積層体上に配置され、前記厚み方向に対して前記第1積層体が傾斜する第1角度で、金属層と熱電材料層とが傾斜している第６積層体と、
前記第1積層体の両端に備えられた電極と、
前記第6積層体の両端に備えられた電極と、
を具備する熱電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱エネルギーから電気エネルギーへの変換を行う熱発電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱発電は、物質の両端に印加された温度差に比例して起電力が生じるゼーベック効果を利用し、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する技術である。この技術は、僻地用電源、宇宙用電源、軍事用電源等で実用化されている。
【０００３】
従来の熱発電デバイスは、キャリアの符号が異なるP型半導体とN型半導体を組み合わせ、熱的に並列に、かつ電気的に直列につないだ、いわゆるπ型構造と呼ばれる平板状の構造を有している。この平板状のデバイスの一方の面を熱源に接触させ、他方の面を冷却することによってデバイスに温度差を生じさせ、発電が行われる。
【０００４】
また、本発明者らは金属と熱電材料であるBiからなる異種材料の積層構造における熱電気特性の異方性を利用したデバイスにおいて、積層体における各材料の厚さの比（以下、積層比と書く）と積層方向の傾斜角度qを適切に選択することによって優れた発電性能が実現することを見いだし、これを利用した熱発電デバイスを発明した（特許文献1）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第4078392号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
様々な素性の熱源から発電を行うには前記熱発電デバイスのサイズを適宜設定する必要がある。しかしながら、本発明者らが研究を進めた結果、デバイスの長さに対するデバイスの厚み（d）が大きくなれば積層構造両端における起電圧に損失が生じ、発電効率が著しく低下するということが分った。前述の通り、従来の熱電変換デバイスでは、デバイスの厚みに制約があり、厚みによっては電圧損失が生じる。従ってデバイスの厚みが大きくなるような場合においては効率的な熱発電を行うことが出来ない。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するものであり、熱発電デバイスの形状を適宜設定可能とし、様々な熱源に対する熱発電を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために本発明らは鋭意研究を重ねた結果、金属層と熱電材料層とが積層方向に対して傾斜して積層された積層体を温度勾配が生じる方向に積み重ねることで、電圧損失を生じることなく、効率的な発電が可能なことを見出した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によって、デバイスの厚みに制約なく、高い発電性能を持ったデバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態1における傾斜積層体の断面図
【図２】本発明の実施の形態1における熱発電デバイスの断面図
【図３】本発明の実施の形態2における熱発電デバイスの断面図
【図４】本発明の実施の形態3における熱発電デバイスの斜視図
【図５】本発明の実施の形態4における熱発電デバイスの斜視図
【図６】本発明の実施の形態5における熱発電デバイスの斜視図
【図７】本発明の実施例１における比較例1の断面図
【図８】本発明の実施例１における比較例2の断面図
【図９】本発明の実施例１における発電デバイスの断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
本発明の熱発電デバイスを構成する熱発電デバイスを図１に示す。図1に一例を示すとおり、熱発電デバイスは、金属11及び熱電材料12が交互に一定の積層比で積層された構造を持つ材料を組み合わせて構成される。本材料を傾斜積層体とする。金属11と熱電材料12との境界線に平行な方向13は温度勾配と垂直な方向14（積層方向）に対して角度θで傾斜している。積層比及び傾斜角度の好適な範囲は金属及び熱電材料の組み合わせによって決定される。例えばCuとBiの組み合わせであればθは5°以上45°以下の範囲が好ましい。積層比は1：9から9：1の範囲から選択することが出来る。
【００１３】
図2に本発明の熱発電デバイスを図示する。熱発電デバイスは、図1の傾斜積層体21及び図１の傾斜積層体21における傾斜の向きが反転した傾斜積層体22を交互にデバイスの厚み方向20に積層したデバイスである。また、この積層体には、直列に配線25が配置されている。また電気的に短絡しないように各傾斜積層体の上下面を熱伝導性の高い電気絶縁体23でコーティングすることが必要である。また電力を取り出すためには傾斜積層体21および傾斜積層体22の両端を電極24で挟む必要がある。
【００１４】
また図3に本発明の熱発電デバイスを図示する。熱発電デバイスは図1の傾斜積層体31を積層して構成される。また電気的に短絡しないように各傾斜積層体の上下面を熱伝導性の高い電気絶縁層33でコーティングすることが必要である。更に電力を取り出すためには傾斜積層体を図で示すように電極32を設置の後、配線34を施すことが必要となる。
【００１５】
金属11は、電気伝導および熱伝導の良い材料であれば特に限定されない。具体的にはCu、Ag、Al、Au等が良い。
【００１６】
熱電材料12は、Bi、Bi2Te3、又は、Sb、Seなどによるドーピングを行ったBi、Bi2Te3、又は、CoSi、PbTeなどが良いが、これらに限定されるものではなく、様々な熱電材料を用いることができる。
【００１７】
電機絶縁体23は、例えば酸化アルミ、窒化アルミ、窒化硼素、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化タンタル、ポリイミド、フッ素樹脂などを用いることができる。また、これらの材料でコーティングされた金属を用いても良い。
【００１８】
電極24は電気伝導の良い材料であれば特に限定されない。各傾斜積層体の両端が金属11になるように構成すれば電極24を省略することもできる。
【００１９】
また電極間を接続する配線25は電気伝導の良い材料であれば特に限定されない。形状・方法においても電極間を電気的に結線できれば限定されない。例としてワイヤーはもちろんのこと、ペースト状の導電材料を使うことによって簡便に電極間を電気的に結線することが出来る。そのほか、配線25として薄い金属板を用いればデバイスの機械的強度を上げることが出来る。
【００２０】
本発明の熱発電デバイスの作製方法は、上記の構造を実現できれば特に限定されず、様々な方法を用いることができる。例えば予め金属11と熱電材料12を平板上に加工したものを積み重ねて加熱および加圧を行うことによって接合したのちに傾斜角がθとなるように切り出す方法等がある。
【００２１】
（実施の形態２）
図４を用いながら、より高い起電圧を実現する本発明の熱発電デバイスの構成について説明する。本構成を用いることによってより高い起電圧を実現することが出来、より汎用的な用途に使用できる。本実施の形態の熱発電デバイスは、実施の形態1と同様の行程で作製した複数個の熱発電デバイス41を所望の大きさに成型し、電極42を介して電気的に接続することによって得られる。このとき、温度差によって発生する起電圧が隣り合う熱発電デバイス41同士で打ち消しあわないように配線を施す必要がある。よって配線43は図3に示すとおり、起電圧が大きくなるように直列に結線する。
【００２２】
（実施の形態３）
図5を用いながら、より高い起電圧を実現する本発明の熱発電デバイスの構成について説明する。本構成を用いることによってより高い起電圧を実現することが出来るほか、各傾斜積層体間の配線が比較的容易に行える。本実施の形態における熱発電デバイスは実施の形態1と同様の行程で作製できる熱発電デバイス41及び傾斜の向きが反転した熱発電デバイス52を交互に設置することによって構成される。
【００２３】
配線54は、温度差によって発生する起電圧が隣り合う熱発電デバイス同士で打ち消しあわないように、図5の通り起電圧が大きくなるように直列に結線し、電極53はそれぞれの傾斜積層体の両端に配置する。以上の構成を持ってより高い起電圧を実現でき、比較的容易に配線を行うことができる熱発電デバイスができる。
【００２４】
（実施の形態４）
図6を用いながら、本発明の熱発電デバイスの構成について説明する。本構成を用いることにより実施の形態２同様に高い起電圧を実現することが出来、またデバイスを比較的簡便に作製できるという利点がある。まず、実施の形態1で作製した傾斜積層体61を複数個作製した後、積層方向が反転するように構成し、加圧及び過熱を行う。その際、各傾斜積層体の間で電気的に絶縁するため電気絶縁層64を設置する。その後、上方62及び下方63から切れ込みを入れて熱による起電圧が打ち消しあわないように直列に配線66を施す。また電極65はそれぞれの傾斜積層体の両端に配置する。本構成を持って本実施の形態の熱発電デバイスは完成する。
【００２５】
切れ込み62、63は図の通りの構造が実現できれば限定されずに様々な方法を用いて作成することが出来る。方法としては円盤のこぎりやカッター等で切れ込みを入れる方法等がある。
【実施例１】
【００２６】
金属として無酸素銅を、熱電材料としてBi0.5Sb1.5Te3を用いて本発明の熱発電デバイスを作製した。あらかじめ平板上に加工した７枚の無酸素銅と６枚のBi0.5Sb1.5Te3を交互に積み重ね、積層方向に一定に圧力がかかるように材料上に１ｋｇの銅ブロックを設置した。また銅ブロックと材料との加熱による接着を避けるため、材料との間にグラファイトシートを挿入した。このとき無酸素銅とBi0.5Sb1.5Te3の積層比は1：4となるように設計し、それぞれの厚みは2mm、8mmとした。このようにして組み合わせた積層体をArフローした箱型炉において、500℃で2時間加熱して圧着し、室温までの冷却後に取り出した。次に傾斜角度が30oとなるように積層体を精密切断機で切断した後に切断面に窒化アルミを厚さ2mmでコーティングし、電気絶縁膜を形成した。本傾斜積層体の大きさは6.5×1×2cm3であった。傾斜積層体の長さに対する厚みの比は0.14となる。
【００２７】
同様の行程を繰り返し、上記傾斜積層体を合計７個作製した。それらを図2に示すとおりに、隣り合う傾斜積層体の傾斜の向きが交互に反転するように配置し、再度同様の行程でArフローした箱型炉において、500℃で2時間加熱した後、室温まで冷却した。次に室温で硬化する銀ペーストを塗布して電極を作製した。最後に銀ペーストを用いて図２のように電極間を銅線で接続し、本発明の熱発電デバイスが得られた。本デバイスを実施例1とする。
【００２８】
（比較例１−１)
比較例1-1の熱発電デバイスを図7に示す構成で作製した。平板状のBi0.5Sb1.5Te3及び無酸素銅を実施例1と同じ厚み及び厚みの比で交互に重ね、実施例1と同様の行程で傾斜積層体61を形成した。その後、傾斜角度が30°となるように傾斜積層体71を成型した。本比較例におけるデバイスの大きさは6.5×7×2cm3であった。また電極７2については実施例1と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００２９】
（比較例１−２）
比較例1-2の熱発電デバイスを図8に示す構成で作製した。比較例１と同様の行程で作製した傾斜積層体８１を傾斜の向きが逆になるように配置して構成した。それぞれの傾斜積層体71は6.5×7×1cm3であった。また電極82については実施例２と同様に銀ペーストを用いて設置した。また比較例1−２において傾斜積層体8１を6.5×1×1ｃｍ３の大きさで作製した場合には電力を取り出すことが可能であった。
【００３０】
（比較結果)
厚さ1μmの窒化アルミでコーティングした銅製のヒートシンク９２、９３を2個用いて本実施例における熱発電デバイス９１を挟み込んでアピエゾングリースによって固定し、図9に示すような発電デバイスを作製した。銅製のヒートシンク９２、９３の内部には銅パイプが埋め込まれている。このパイプに冷水を流すことによりヒートシンク９２、９３を冷却することができ、またパイプに温水を流すことによってヒートシンク９２、９３を加熱することができる。比較例においても同様の発電デバイスを作成した。
【００３１】
銅製ヒートシンク９２、９３の一方に15℃の冷水を流し他方に65℃の温水を流すことによって、発電デバイスに温度差をつけた。その際の各デバイスの発電量を表１に示す。比較例比較例１−１，１−２においてはそれぞれ0mWの発電量であったのに対して、実施例1においては50℃の温度差によって最大50mWの電力を取り出すことが出来た。
【００３２】
【表１】
2012069626.tif 000003
【実施例２】
【００３３】
実施例１と同様にして本発明の熱発電デバイスを作製した。あらかじめ平板上に加工した７枚の無酸素銅と６枚のBi0.5Sb1.5Te3を交互に積み重ね、積層方向に一定に圧力がかかるように材料上に１ｋｇの銅ブロックを設置した。また銅ブロックと材料との加熱による接着を避けるため、材料との間にグラファイトシートを挿入した。このとき無酸素銅とBi0.5Sb1.5Te3の積層比は1：4となるように設計し、それぞれの厚みは2mm、8mmとした。このようにして組み合わせた積層体をArフローした箱型炉において、500℃で2時間加熱して圧着し、室温までの冷却後に取り出した。次に傾斜角度が30oとなるように積層体を精密切断機で切断した後に切断面に窒化アルミを厚さ2mmでコーティングし、電気絶縁膜を形成した。本傾斜積層体の大きさは6.5×1×2cm3であった。傾斜積層体の長さに対する厚みの比は0.14となる。
【００３４】
同様の行程を繰り返し、上記傾斜積層体を合計７個作製した。それらを図2に示すとおりに、隣り合う傾斜積層体の傾斜の向きが同じ方向になるように配置し、再度同様の行程でArフローした箱型炉において、500℃で2時間加熱した後、室温まで冷却した。次に室温で硬化する銀ペーストを塗布して電極を作製した。最後に銀ペーストを用いて図３のように電極間を銅線で接続し、本発明の熱発電デバイスが得られた。本デバイスを実施例２とする。
【００３５】
（比較例２−１)
比較例２-1の熱発電デバイスを図7に示す構成で作製した。平板状のBi0.5Sb1.5Te3及び無酸素銅を実施例1と同じ厚み及び厚みの比で交互に重ね、実施例1と同様の行程で傾斜積層体７1を形成した。その後、傾斜角度が30°となるように傾斜積層体71を成型した。本比較例におけるデバイスの大きさは6.5×7×2cm3であった。また電極７2については実施例1と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００３６】
（比較例２−２）
比較例２-2の熱発電デバイスを図8に示す構成で作製した。比較例１と同様の行程で作製した傾斜積層体７１を傾斜の向きが逆になるように配置して構成した。それぞれの傾斜積層体71は6.5×7×1cm3であった。また電極82については実施例２と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００３７】
（比較結果）
厚さ1μmの窒化アルミでコーティングした銅製のヒートシンク９２、９３を2個用いて本実施例における熱発電デバイス９１を挟み込んでアピエゾングリースによって固定し、図9に示すような発電デバイスを作製した。銅製のヒートシンク９２、９３の内部には銅パイプが埋め込まれている。このパイプに冷水を流すことによりヒートシンク９２、９３を冷却することができ、またパイプに温水を流すことによってヒートシンク９２、９３を加熱することができる。比較例においても同様の発電デバイスを作成した。
【００３８】
銅製ヒートシンク９２、９３の一方に15℃の冷水を流し他方に65℃の温水を流すことによって、発電デバイスに温度差をつけた。その際の各デバイスの発電量を表１に示す。比較例比較例２−１，２−２においてはそれぞれ0mWの発電量であったのに対して、実施例1においては50℃の温度差によって最大25mWの電力を取り出すことが出来た。
【００３９】
【表２】
2012069626.tif 000004
【実施例３】
【００４０】
金属としてニッケルを、熱電材料としてBi0.３Sb1.７Te3を用いて本発明の熱発電デバイスを作製した。あらかじめ平板上に加工した７枚のニッケルと６枚のBi0.3Sb1.7Te3を交互に積み重ね、積層方向に一定に圧力がかかるように材料上に１ｋｇの銅ブロックを設置した。また銅ブロックと材料との加熱による接着を避けるため、材料との間にグラファイトシートを挿入した。このときニッケルとBi0.3Sb1.7Te3の積層比は1：4となるように設計し、それぞれの厚みは2ｍｍ,8mmとした。このようにして組み合わせた積層体を実施例１と同様の手法で作製した。次に傾斜角度が35oとなるように積層体を精密切断機で切断した後に切断面に窒化アルミを厚さ2mmでコーティングし、電気絶縁膜を形成した。本傾斜積層体の大きさは6.5×1×2cm3であった。傾斜積層体の長さに対する厚みの比は0.14となる。
【００４１】
同様の行程を繰り返し、上記傾斜積層体を合計７個作製した。それらを図2に示すとおりに、隣り合う傾斜積層体の傾斜の向きが交互に反転するように配置し、再度同様の行程でArフローした箱型炉において、500℃で2時間加熱した。次に室温で硬化する銀ペーストを塗布して電極を作製した。最後に銀ペーストを用いて図２のように電極間を銅線で接続し、本発明の熱発電デバイスが得られた。本デバイスを実施例2とする。
【００４２】
（比較例３−１）
比較例3−１の熱発電デバイスを図7に示す構成で作製した。平板状のBi0.3Sb1.7Te3及びニッケルを実施例と同じ厚み及び厚みの比で交互に重ね、実施例2と同様の行程で傾斜積層体61を形成した。その後、傾斜角度が30°となるように傾斜積層体71を成型した。本比較例におけるデバイスの大きさは6.5×7×2cm3であった。また電極72については実施例3と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００４３】
（比較例３−２）
比較例3-2の熱発電デバイスを図8に示す構成で作製した。比較例3−１と同様の行程で作製した傾斜積層体8１を傾斜の向きが逆になるように配置して構成した。それぞれの傾斜積層体81は6.5×7×1cm3であった。また電極82については実施例3と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００４４】
（比較結果)
実施例１と同様にして厚さ1μmの窒化アルミでコーティングした銅製のヒートシンク９２、９３を2個用いて本実施例における熱発電デバイス９１を挟み込んでアピエゾングリースによって固定し、図9に示すような発電デバイスを作製した。銅製のヒートシンク９２、９３の内部には銅パイプが埋め込まれている。このパイプに冷水を流すことによりヒートシンク９２、９３を冷却することができ、またパイプに温水を流すことによってヒートシンク９２、９３を加熱することができる。比較例においても同様の発電デバイスを作成した。
【００４５】
銅製ヒートシンク９２、９３の一方に15℃の冷水を流し他方に65℃の温水を流すことによって、発電デバイスに温度差をつけた。その際の各デバイスの発電量を表2に示す。比較例3-1,3-2においてはそれぞれ0mWの発電量であったのに対して、実施例3においては50℃の温度差によって最大45mWの電力を取り出すことが出来た。
【００４６】
【表３】
2012069626.tif 000005
【実施例４】
【００４７】
金属として無酸素銅を、熱電材料としてBiを用いて本発明の熱発電デバイスを作製した。実施例２と同様の手法を用い、無酸素銅とBiの積層比は1：1となるように設計し、それぞれの厚みは4ｍｍ,4mmとした。このようにして組み合わせた積層体をArフローした箱型炉において、200℃で2時間加熱して圧着し、室温までの冷却後に取り出した。次に傾斜角度が40oとなるように積層体を精密切断機で切断した後に切断面に窒化アルミを厚さ2mmでコーティングし、電気絶縁膜を形成した。本傾斜積層体の大きさは6.5×1×2cm3であった。傾斜積層体の長さに対する厚みの比は0.14となる。
【００４８】
同様の行程を繰り返し、上記傾斜積層体を合計７個作製した。それらを図2に示すとおりに、隣り合う傾斜積層体の傾斜の向きが交互に反転するように配置し、再度同様の行程でArフローした箱型炉において、200℃で2時間加熱した後、室温まで冷却した。次に室温で硬化する銀ペーストを塗布して電極を作製した。最後に銀ペーストを用いて図２のように電極間を銅線で接続し、またデバイスの裏側についても熱による起電力が大きくなるように配線を施した。上記の方法を持って本発明の熱発電デバイスが得られた。本デバイスを実施例3とする。
【００４９】
（比較例４−１）
比較例4−１の熱発電デバイスを図7に示す構成で作製した。平板状のBi及び無酸素銅を実施例4と同じ厚み及び厚みの比で交互に重ね、実施例1と同様の行程で傾斜積層体71を形成した。その後、傾斜角度が40°となるように傾斜積層体71を成型した。本比較例におけるデバイスの大きさは6.5×7×2cm3であった。また電極62については実施例4と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００５０】
（比較例４−２)
比較例4-2の熱発電デバイスを図8に示す構成で作製した。比較例4-１と同様の行程で作製した傾斜積層体8１を傾斜の向きが逆になるように配置して構成した。それぞれの傾斜積層体71は6.5×7×1cm3であった。また電極82については実施例4と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００５１】
（比較結果）
厚さ1μmの窒化アルミでコーティングした銅製のヒートシンク９２、９３を2個用いて本実施例における熱発電デバイス９１を挟み込んでアピエゾングリースによって固定し、図9に示すような発電デバイスを作製した。銅製のヒートシンク９２、９３の内部には銅パイプが埋め込まれている。このパイプに冷水を流すことによりヒートシンク９２、９３を冷却することができ、またパイプに温水を流すことによってヒートシンク９２、９３を加熱することができる。比較例においても同様の発電デバイスを作成した。
【００５２】
銅製ヒートシンク９２、９３の一方に15℃の冷水を流し他方に65℃の温水を流すことによって、発電デバイスに温度差をつけた。その際の各デバイスの発電量を表4に示す。比較例4-1,4-2においてはそれぞれ0mWの発電量であったのに対して、実施例4においては50℃の温度差によって最大15mWの電力を取り出すことが出来た。
【００５３】
【表４】
2012069626.tif 000006
【実施例５】
【００５４】
金属としてアルミニウムを、熱電材料としてPbTeを用いて本発明の熱発電デバイスを作製した。実施例１と同様の手法を用い、ニッケルとPbTeの積層比は1：4となるように設計した。それぞれの厚みは2ｍｍ,8mmとした。このようにして組み合わせた積層体をArフローした箱型炉において、500℃で2時間加熱して圧着し、室温までの冷却後に取り出した。次に傾斜角度が30oとなるように積層体を精密切断機で切断した後に切断面に窒化アルミを厚さ2mmでコーティングし、電気絶縁膜を形成した。本傾斜積層体の大きさは6.5×1×2cm3であった。傾斜積層体の長さに対する厚みの比は0.14となる。
【００５５】
同様の行程を繰り返し、上記傾斜積層体を合計７個作製した。それらを図2に示すとおりに、隣り合う傾斜積層体の傾斜の向きが交互に反転するように配置し、再度同様の行程でArフローした箱型炉において、500℃で2時間加熱した後、室温まで冷却した。次に室温で硬化する銀ペーストを塗布して電極を作製した。最後に銀ペーストを用いて図２のように電極間を銅線で接続し、またデバイスの裏側についても熱による起電力が大きくなるように配線を施した。上記の方法を持って本発明の熱発電デバイスが得られた。本デバイスを実施例1とする。
【００５６】
（比較例５−１)
比較例5−1の熱発電デバイスを図7に示す構成で作製した。平板状のPbTe及びニッケルを実施例1と同じ厚み及び厚みの比で交互に重ね、実施例1と同様の行程で傾斜積層体71を形成した。その後、傾斜角度が30°となるように傾斜積層体71を成型した。本比較例におけるデバイスの大きさは6.5×7×2cm3であった。また電極72については実施例1と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００５７】
（比較例５−２)
比較例5−２の熱発電デバイスを図8に示す構成で作製した。比較例１と同様の行程で作製した傾斜積層体8１を傾斜の向きが逆になるように配置して構成した。それぞれの傾斜積層体81は6.5×7×1cm3であった。また電極82については実施例２と同様に銀ペーストを用いて設置した。
【００５８】
（比較結果）
厚さ1μmの窒化アルミでコーティングした銅製のヒートシンク９２、９３を2個用いて本実施例における熱発電デバイス９１を挟み込んでアピエゾングリースによって固定し、図9に示すような発電デバイスを作製した。銅製のヒートシンク９２、９３の内部には銅パイプが埋め込まれている。このパイプに冷水を流すことによりヒートシンク９２、９３を冷却することができ、またパイプに温水を流すことによってヒートシンク９２、９３を加熱することができる。比較例においても同様の発電デバイスを作成した。
【００５９】
銅製ヒートシンク９２、９３の一方に15℃の冷水を流し他方に65℃の温水を流すことによって、発電デバイスに温度差をつけた。その際の各デバイスの発電量を表5に示す。比較例5-1,5-2においてはそれぞれ0mWの発電量であったのに対して、実施例5においては50℃の温度差によって最大30mWの電力を取り出すことが出来た。
【００６０】
【表５】
2012069626.tif 000007
【実施例６】
【００６１】
実施例１と同様の方法で、図2で示されるような実施例１と同様の熱発電デバイスを作製した。本実施例におけるすべてのデバイスの大きさは6.5×7×2cm3で同様であるが、デバイスを構成する傾斜積層体の数が表2のように異なる。
【００６２】
本実施例における各デバイスの上下面に50℃の温度差を付けて測定した各デバイスの発電量を表6に示す。本実施例の結果よりデバイスの長さに対する厚みが大きくなるにつれて発電量が減少していることが明らかになった。
【００６３】
【表６】
2012069626.tif 000008
【実施例７】
【００６４】
実施例1と同様の方法で無酸素銅及びBi0.5Sb1.5Te3からなる傾斜積層体を4個作製し、それらを加熱圧着することによって熱発電デバイスを作成した。得られたデバイスの大きさは6.5×7×4cm3であった。得られたデバイスを精密切断機で5個に切断し、図4で示すように熱発電デバイスを構成した。
【００６５】
それぞれの傾斜積層体を温度差によって発生する起電圧を打ち消さないように直列に結線した。その際、電極には常温硬化銀ペーストを用い、結線には銅線を用いた。
【００６６】
実施例１同様の発電デバイスを作成し、本デバイスの上下面に50℃の温度差を設定した。その際に測定して得られた起電圧は50mVであった。実施例１と同様の構成で同じ大きさのデバイスと比較した際、約4倍の起電圧が得られた。
【実施例８】
【００６７】
実施例7と同様にして5個の熱発電デバイスを得た。それぞれ隣り合うデバイスにおいて傾斜積層体の傾斜の向きが反転するように設置した。
【００６８】
それぞれの傾斜積層体を温度差によって発生する起電圧を打ち消さないように直列に結線した。その際、電極には常温硬化銀ペーストを用い、結線には銅線を用いた。実施例6と比較して、結線に用いる銅線が交差せず本実施例では比較的簡単に結線を行うことが出来た。
【００６９】
またデバイスの上下面に50℃の温度差を設定した場合の起電力は実施例7と同様であった。
【実施例９】
【００７０】
実施例１と同様の行程を用いて２種類の大きさの傾斜積層体から構成される熱発電デバイスを作製した。一方は11×6.5×1cm3であり、他方は11×6.5×0.5cm3であった。この大きさの異なる傾斜積層体の上底面を厚さ2mmの窒化アルミでコーティングし、図6に示すように交互に重ねてArフローした箱型炉において500℃で2時間加熱圧着した。その後、精密切断機において切れ込みを入れた。その際切れ込みは図5に示すとおり上・下方向より交互に入れた。上からの場合は最下の傾斜積層体の上面まで、下からの場合は最上の傾斜積層体の底面まで切れ込みを入れた。次に端部の電極については常温硬化する銀ペーストを用いることで結線し、配線には銅線を用いた。
【００７１】
実施例１同様の発電デバイスを作成し、本デバイスの上下面に50℃の温度差を設定した。その際に測定して得られた起電圧は35mVであった。実施例１と同様の構成で同じ大きさのデバイスと比較した際、約3倍の起電圧が得られた。
【００７２】
以上の実施の形態、実施例で記載した本願発明により、デバイスの厚みに制約なく、高い発電性能を持ったデバイスを実現できる。これは、上述のように、積層された傾斜積層体を温度勾配方向に積み上げたからである。特に、積層体間で、金属および熱電材料の傾斜が反転するように構成すると、より大きい発電量が期待できる。そのため、電極は必須の構成要素ではなく、本願発明の熱電デバイスで生じる起電力を取り出すことができれば、電極以外の構成でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明にかかる熱発電デバイスは、デバイスの厚みが大きい際の電圧損失の課題を解決し、より効率的かつ設計性の高いデバイスとして有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１１    金属
１２    熱電材料
１３    層に平行な方向
１４    温度勾配に垂直な方向
２０    デバイスの厚み方向
２１    傾斜積層体
２２    傾斜の向きが反転した傾斜積層体
２３    電気絶縁層
２４    電極
２５    配線
３１    傾斜積層体
３２    電極
３３    電気絶縁層
３４    配線
４１    傾斜積層体
４２    電極
４３    配線
５１    傾斜積層体
５２    傾斜の向きが反転した傾斜積相体
５３    電極
５４    配線
６１    傾斜積層体
６２    上方
６３    下方
６４    電気絶縁層
６５    電極
６６    配線
７１    傾斜積層体
７２    電極
８１    傾斜積層体
８２    電極
９１    集熱体
９２    放熱体
９３    熱発電デバイス
【図１】
2012069626.tif 000009
【図２】
2012069626.tif 000010
【図３】
2012069626.tif 000011
【図４】
2012069626.tif 000012
【図５】
2012069626.tif 000013
【図６】
2012069626.tif 000014
【図７】
2012069626.tif 000015
【図８】
2012069626.tif 000016
【図９】
2012069626.tif 000017