(57)【要約】【課題】利用可能な用途を広げることができる熱電変換装置を提供する。【解決手段】基板１１と、基板１１上の複数対のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３と、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を覆う断熱膜と、断熱膜の上方の温度をｐ型熱電変換膜１２の第１の部分及びｎ型熱電変換膜１３の第１の部分に伝達する第１の伝熱材２１と、基板１１の下方の温度をｐ型熱電変換膜１２の第１の部分から離間した第２の部分及びｎ型熱電変換膜１３の第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材２２と、が含まれる。対をなすｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３は第１の伝熱材２１の直下で互いに接触し、隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜１２と他方のｎ型熱電変換膜１３とが互いに接触し、複数対がｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の直列体を構成している。【選択図】図１
2017055064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の熱電変換膜と、
前記熱電変換膜を覆う断熱膜と、
前記断熱膜の上方の温度を前記熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
前記基板の下方の温度を前記熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記熱電変換膜は、ｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記熱電変換膜は、交互に、かつ電気的に直列に接続された複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記対をなすｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜同士が前記第１の伝熱材の直下で互いに接触していることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
基板と、
前記基板上の複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜と、
前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜を覆う断熱膜と、
前記断熱膜の上方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の第１の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
前記基板の下方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
を有し、
対をなす前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜は前記第１の伝熱材の直下で互いに接触し、
隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜と他方のｎ型熱電変換膜とが互いに接触し、
前記複数対が前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜の直列体を構成していることを特徴とする熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素（ＣＯ2）の削減及び環境保護の観点から、クリーンな発電機構として、熱電変換装置が注目されている。熱電変換装置を使用することにより、今まで廃棄されていた熱エネルギを電気エネルギに変換して再利用することができる。熱電変換装置は、原理的には、温度差が存在する箇所であればどこでも発電することができる。
【０００３】
しかしながら、従来の熱電変換装置は微細化が困難であり、構造的な制約のために利用可能な用途が限られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７７３４３号公報
【特許文献２】特開２０１０−９５６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、利用可能な用途を広げることができる熱電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
熱電変換装置の一態様には、基板と、前記基板上の熱電変換膜と、前記熱電変換膜を覆う断熱膜と、前記断熱膜の上方の温度を前記熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、前記基板の下方の温度を前記熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、が含まれる。
【０００７】
熱電変換装置の他の一態様には、基板と、前記基板上の複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜と、前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜を覆う断熱膜と、前記断熱膜の上方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の第１の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、前記基板の下方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、が含まれる。対をなす前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜は前記第１の伝熱材の直下で互いに接触し、隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜と他方のｎ型熱電変換膜とが互いに接触し、前記複数対が前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜の直列体を構成している。
【発明の効果】
【０００８】
上記の熱電変換装置によれば、適切な熱電変換膜及び伝熱材が含まれるため、小型化を可能にして、利用可能な用途を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す平面図である。
【図２】実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す断面図である。
【図３】実施形態に係る熱電変換装置の作用を示す図である。
【図４】熱電変換装置及び負荷を含む回路を示す図である。
【図５】熱電変換装置を含む開回路を示す図である。
【図６】熱電変換装置を含む閉回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。本実施形態は、熱電変換装置の一例である。図１は、実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す平面図である。図１（ａ）は主に熱電変換膜と伝熱材との位置関係を示し、図１（ｂ）は主に熱電変換膜の位置関係を示す。図２は、実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す断面図である。図２（ａ）は図１（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面を示し、図２（ｂ）は図１（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示し、図２（ｃ）は図１（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示す。
【００１１】
実施形態に係る熱電変換装置１には、基板１１と、基板１１上のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３と、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を覆う断熱膜１５と、が含まれる。熱電変換装置１には、更に、断熱膜１５の上方の温度をｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の各第１の部分に伝達する伝熱材２１と、基板１１の下方の温度をｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の各第１の部分から離間した各第２の部分に伝達する伝熱材２２と、断熱膜１５の下でｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を覆う電気的な絶縁膜１４と、が含まれる。図１では絶縁膜１４及び断熱膜１５を省略している。
【００１２】
ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３は複数対形成されており、交互に電気的に直列に繋がっている。この直列体は平面視で規則的に蛇行しており、これを横切るように伝熱材２１が延びている。そして、伝熱材２１の直下においてｐ型熱電変換膜１２とｎ型熱電変換膜１３とが接触し、また、蛇行の向きが反転する位置においてもｐ型熱電変換膜１２とｎ型熱電変換膜１３とが接触している。従って、平面視で、伝熱材２１の両側において、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３が伝熱材２１に沿って交互に配置され、対をなすように１個のｐ型熱電変換膜１２と１個のｎ型熱電変換膜１３とが接触し、このような接触が複数存在している。また、伝熱材２１の一方側のｐ型熱電変換膜１２が他方側のｎ型熱電変換膜１３に伝熱材２１の直下で接触し、一方側のｎ型熱電変換膜１３が他方側のｐ型熱電変換膜１２に伝熱材２１の直下で接触している。直列体の一端に位置するｐ型熱電変換膜１２上にパッド２３が設けられ、他端に位置するｎ型熱電変換膜１３上にパッド２４が設けられている。
【００１３】
本実施形態では、１個の伝熱材２１及び２個の伝熱材２２が同じ方向に延びており、平面視で、伝熱材２１は２個の伝熱材２２の間にあり、伝熱材２２は上記直列体の蛇行の向きが反転する位置と重なっている。２個の伝熱材２２は完全に分割されている必要はなく、例えば平面視で伝熱材２１と重ならない位置で一体化されていてもよい。
【００１４】
本実施形態において、断熱膜１５の上方の温度が基板１１の下方の温度よりも高い場合、図３に示すように、ｐ型熱電変換膜１２では、伝熱材２１の下方の部分（第１の部分）から伝熱材２２の上方の部分（第２の部分）に向けて正孔（ｈ）が移動する。また、同じく図３に示すように、ｎ型熱電変換膜１３では、伝熱材２１の下方の部分（第１の部分）から伝熱材２２の上方の部分（第２の部分）に向けて電子（ｅ）が移動する。そして、複数のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３が上記のように電気的に直列に接続されているため、各ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３間で同じ方向に流れる電流が発生する。この電流はパッド２３及びパッド２４から取り出すことができる。
【００１５】
従って、バルクの熱電変換素子を用いなくとも、断熱膜１５の上方の温度と基板１１の下方の温度との温度差に起因する電流を得ることができる。従って、従来のものと比較して著しく薄化することが可能であり、設置可能な範囲を大幅に広げることができる。例えば、従来の熱電変換装置では極めて困難であった体温を用いた発電を容易に行うことが可能となり、例えば心臓のペースメーカの発電に用いることもできる。
【００１６】
伝熱材２１の材料は特に限定されないが、Ｃｕを用いることが好ましい。成膜が容易で、熱伝導率が高いからである。伝熱材２１にフッ素樹脂上に成膜されたＣｒ膜及びＡｕ膜の積層体を用いてもよい。伝熱材２２の材料は特に限定されないが、Ｃｕを用いることが好ましい。ｐ型熱電変換膜１２の材料は特に限定されず、例えばＬａaＳｒ1-aＣｏＯ3（０＜ａ≦１）、ＬａbＣａ1-bＣｏＯ3（０＜ｂ≦１）又はＬａＭｎＯ3を用いることできる。ｎ型熱電変換膜１３の材料は特に限定されず、例えばＳｒcＬａ1-cＴｉＯ3（０＜ｃ＜１）又はＳｒdＮｂ1-dＴｉＯ3（０＜ｄ＜１）を用いることできる。例えば、ｐ型熱電変換膜１２としてのＬａ0.89Ｓｒ0.11ＣｏＯ3膜と、ｎ型熱電変換膜１３としてのＳｒ0.95Ｌａ0.05ＴｉＯ3膜との組み合わせを用いることができる。ｐ型熱電変換膜１２としてのＬａ0.89Ｃａ0.11ＣｏＯ3膜と、ｎ型熱電変換膜１３としてのＳｒ0.95Ｎｂ0.05ＴｉＯ3膜との組み合わせを用いることもできる。ｐ型熱電変換膜１２としてのＬａ0.90Ｓｒ0.10ＣｏＯ3膜と、ｎ型熱電変換膜１３としてのＳｒ0.93Ｎｂ0.07ＴｉＯ3膜との組み合わせを用いることもできる。絶縁膜１４の材料は特に限定されず、例えばＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4又はＳｒＴｉＯ3を用いることできる。断熱膜１５の材料は特に限定されず、例えばモールド樹脂を用いることができる。
【００１７】
本実施形態では、ｐ型熱電変換膜１２の伝熱材２１の直下の部分及びｎ型熱電変換膜１３の伝熱材２１の直下の部分が第１の部分に相当し、ｐ型熱電変換膜１２の伝熱材２２の直上の部分及びｎ型熱電変換膜１３の伝熱材２２の直上の部分が第２の部分に相当する。ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３が複数である必要はない。ｐ型熱電変換膜１２又はｎ型熱電変換膜１３の一方が１個のみ含まれていてもよい。この場合でも、ｐ型熱電変換膜１２又はｎ型熱電変換膜１３の第１の部分と第２の部分との間を温度差に応じて正孔又は電子が移動するため、電流を得ることができる。
【００１８】
次に、熱電変換装置１の性能について説明する。ここでは、基板１１の熱的なコンダクタンス及び電気的なコンダクタンスが無視できるものとし、図４に示すように、パッド２３とパッド２４との間に負荷２５が接続されているとする。熱電変換装置１に流入する熱量をＱH、負荷２５を流れる電流をＩ、負荷２５の電気抵抗をＲL、熱電変換効率をηとすると、次の式（１）が成り立つ。
【００１９】
【数１】
2017055064.tif 000003
【００２０】
伝熱材２１の上方の温度をＴH、この温度ＴＨと基板１１の下方の温度との差をΔＴ、熱電変換装置１の内部抵抗をＲ、内部抵抗Ｒに対する抵抗ＲＬの比（ＲL／Ｒ）をμ、性能指数をＺとすると、熱電変換効率ηは次の式（２）で表すこともできる。
【００２１】
【数２】
2017055064.tif 000004
【００２２】
性能指数Ｚは、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の対の数をＮ、熱電変換装置１の熱コンダクタンスをＫ、一対のｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の実効（effective）ゼーベック係数をαとすると、次の式（３）で表される。
【００２３】
【数３】
2017055064.tif 000005
【００２４】
熱コンダクタンスＫはｐ型熱電変換膜１２の熱コンダクタンスＫpとｎ型熱電変換膜１３の熱コンダクタンスＫnとの和である。そして、ｐ型熱電変換膜１２、ｎ型熱電変換膜１３の熱伝導率をそれぞれκp、κn、断面積をそれぞれＡp、Ａn、長さをそれぞれＬp、Ｌnとすると、熱コンダクタンスＫは次の式（４）で表される。
【００２５】
【数４】
2017055064.tif 000006
【００２６】
内部抵抗Ｒはｐ型熱電変換膜１２の内部抵抗Ｒpとｎ型熱電変換膜１３の内部抵抗Ｒnとの和である。そして、ｐ型熱電変換膜１２、ｎ型熱電変換膜１３の伝導率をそれぞれσp、σnとすると、内部抵抗Ｒは次の式（５）で表される。
【００２７】
【数５】
2017055064.tif 000007
【００２８】
実効ゼーベック係数αは次の式（６）で表される。
【００２９】
【数６】
2017055064.tif 000008
【００３０】
式（３）に示すように、性能指数Ｚは熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒに反比例する。従って、性能指数Ｚの向上には、熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒの低減が有効である。熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒの積は次の式（７）で表される。
【００３１】
【数７】
2017055064.tif 000009
【００３２】
ここで、σpnはσnに対するσpの比（σp／σn）であり、κpnはκnに対するκpの比（κp／κn）であり、ｘは「（Ａp／Ａn）×（Ｌn／Ｌp）」である。ｘはｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の形状に関するパラメータである。熱コンダクタンスＫ及び内部抵抗Ｒの積ＫＰを最小にして性能指数Ｚを最大にするｘの値（ｘminKR）は下記の式（８）で表される。
【００３３】
【数８】
2017055064.tif 000010
【００３４】
そして、この値を式（７）に代入すると、積ＫＰの最小値が得られる（式（９））。
【００３５】
【数９】
2017055064.tif 000011
【００３６】
更に、この積ＫＰの最小値を用いると、性能指数Ｚの最大値が得られる（式（１０））。
【００３７】
【数１０】
2017055064.tif 000012
【００３８】
そして、図５に示す開回路を構成した場合の端子間の電圧ＶOCは式（１１）で表され、図６に示す閉回路を構成した場合の電流値ＩSCは式（１２）で表される。
【００３９】
【数１１】
2017055064.tif 000013
【００４０】
【数１２】
2017055064.tif 000014
【００４１】
最大電力Ｐmaxは「（ＶOC／２）×（ＩSC／２）」で表されるので、式（１１）及び式（１２）から次の式（１３）が導かれる。
【００４２】
【数１３】
2017055064.tif 000015
【００４３】
式（５）から明らかなように、内部抵抗Ｒは数Ｎに比例するため、式（１３）から最大電力Ｐmaxが数Ｎに比例するといえる。ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３を設けることができる面積が決まっている場合、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３のパターンを小さくするほど数Ｎが増え、最大電力Ｐmaxが増加し、式（１４）の関係が成り立つ。
【００４４】
【数１４】
2017055064.tif 000016
【００４５】
従って、高い最大電力Ｐmaxを得るためには実効ゼーベック係数及び伝導率が高い材料を用いることが望ましい。
【００４６】
次に、上記の数式に基づいて算出される起電力について２通りのパターンに基づいて説明する。ここでは、基板１１の平面形状は１５ｍｍ×１５ｍｍの正方形とし、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の厚さは１μｍ、直列方向の長さは６ｍｍとする。一方のパターンでは、メタルマスクを用いることを想定し、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の線幅を８０μｍ、対の数を８３とする。この結果を表１に示す。他方のパターンでは、リソグラフィを用いることを想定し、ｐ型熱電変換膜１２及びｎ型熱電変換膜１３の線幅を２０μｍ、対の数を５００とする。この結果を表２に示す。表１及び表２において、条件Ａでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ0.89Ｓｒ0.11ＣｏＯ3膜が用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてＳｒ0.95Ｌａ0.05ＴｉＯ3膜が用いられる。条件Ｂでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ0.89Ｓｒ0.11ＣｏＯ3膜が用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてゼーベック係数がＳｒ0.95Ｌａ0.05ＴｉＯ3膜の２倍のものが用いられる。条件Ｃでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ0.89Ｓｒ0.11ＣｏＯ3膜の２倍のものが用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてゼーベック係数がＳｒ0.95Ｌａ0.05ＴｉＯ3膜の２倍のものが用いられる。条件Ｄでは、ｐ型熱電変換膜１２としてＬａ0.89Ｓｒ0.11ＣｏＯ3膜の４倍のものが用いられ、ｎ型熱電変換膜１３としてゼーベック係数がＳｒ0.95Ｌａ0.05ＴｉＯ3膜の４倍のものが用いられる。
【００４７】
【表１】
2017055064.tif 000017
【００４８】
【表２】
2017055064.tif 000018
【００４９】
例えば、温度計には０．３ｍＷ程度の起電力が好ましく、計算機には２０μＷ程度の起電力が好ましく、心臓のペースメーカには８μＷ程度の起電力が好ましく、腕時計には３μＷ〜５μＷ程度の起電力が好ましい。上記の２パターンによれば、これらの用途に適した起電力を得ることができ、特にリソグラフィを用いることを想定したパターンによれば、より高い起電力を得ることができる。
【００５０】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５１】
（付記１）
基板と、
前記基板上の熱電変換膜と、
前記熱電変換膜を覆う断熱膜と、
前記断熱膜の上方の温度を前記熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
前記基板の下方の温度を前記熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。
【００５２】
（付記２）
前記熱電変換膜は、ｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする付記１に記載の熱電変換装置。
【００５３】
（付記３）
前記熱電変換膜は、交互に、かつ電気的に直列に接続された複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜を含むことを特徴とする付記１に記載の熱電変換装置。
【００５４】
（付記４）
前記対をなすｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜同士が前記第１の伝熱材の直下で互いに接触していることを特徴とする付記３に記載の熱電変換装置。
【００５５】
（付記５）
基板と、
前記基板上の複数対のｐ型熱電変換膜及びｎ型熱電変換膜と、
前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜を覆う断熱膜と、
前記断熱膜の上方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の第１の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の第１の部分に伝達する第１の伝熱材と、
前記基板の下方の温度を前記ｐ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分及び前記ｎ型熱電変換膜の前記第１の部分から離間した第２の部分に伝達する第２の伝熱材と、
を有し、
対をなす前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜は前記第１の伝熱材の直下で互いに接触し、
隣り合う対の間では一方のｐ型熱電変換膜と他方のｎ型熱電変換膜とが互いに接触し、
前記複数対が前記ｐ型熱電変換膜及び前記ｎ型熱電変換膜の直列体を構成していることを特徴とする熱電変換装置。
【００５６】
（付記６）
前記第１の伝熱材はＣｕを含有することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【００５７】
（付記７）
前記第２の伝熱材はＣｕを含有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【００５８】
（付記８）
前記ｐ型熱電変換膜は、ＬａaＳｒ1-aＣｏＯ3膜（０＜ａ≦１）、ＬａbＣａ1-bＣｏＯ3（０＜ｂ≦１）膜又はＬａＭｎＯ3膜であることを特徴とする付記２乃至７のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【００５９】
（付記９）
前記ｎ型熱電変換膜は、ＳｒcＬａ1-cＴｉＯ3膜（０＜ｃ＜１）又はＳｒdＮｂ1-dＴｉＯ3膜（０＜ｄ＜１）であることを特徴とする付記２乃至８のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【００６０】
（付記１０）
前記断熱膜の下で前記熱電変換膜を覆う電気的な絶縁膜を有することを特徴とする付記１乃至９のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【００６１】
（付記１１）
前記絶縁膜は、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜又はＳｒＴｉＯ3膜であることを特徴とする付記１０に記載の熱電変換装置。
【符号の説明】
【００６２】
１：熱電変換装置
１１：基板
１２：ｐ型熱電変換膜
１３：ｎ型熱電変換膜
１４：絶縁膜
１５：断熱膜
２１、２２：伝熱材
２３、２４：パッド
２５：負荷
【図１】
2017055064.tif 000019
【図２】
2017055064.tif 000020
【図３】
2017055064.tif 000021
【図４】
2017055064.tif 000022
【図５】
2017055064.tif 000023
【図６】
2017055064.tif 000024