(57)【要約】      （修正有）【課題】発電性能に優れた熱電変換装置を提供する。【解決手段】第１電極１１１、第１電極に固定された第１熱電変換素子１１２、第１熱電変換素子に固定された第２電極１１３および第２電極に固定された第２熱電変換素子１１４を含む単位を複数有する熱電変換装置１であって、式Iを満足する。ｔ／Ｆ＞０．９（式Ｉ）式Ｉ中、ｔは、複数の第１熱電変換素子の高さの平均値と複数の第２熱電変換素子の高さの平均値との相加平均を示す。Ｆは、第１面積の第２面積に対する比を示す。第１面積は、複数の第１熱電変換素子と複数の第２熱電変換素子とを第１電極が固定された第１基板１２に対して垂直をなす方向で投影したときに映し出される影の面積である。第２面積は、複数の第１熱電変換素子と複数の第２熱電変換素子とが並ぶ第１基板における固定領域の面積である。【選択図】図２
2017092263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、前記第１電極に固定された第１熱電変換素子、前記第１熱電変換素子に固定された第２電極および前記第２電極に固定された第２熱電変換素子を含む単位を複数含み、
前記第１電極に固定された第１基板と、
前記第２電極に固定された第２基板とをさらに含み、
下記式Ｉを満足する熱電変換装置。
ｔ／Ｆ＞０．９          （式Ｉ）
（式Ｉ中、ｔは、前記複数の第１熱電変換素子の高さ（ｍｍ）の平均値と前記複数の第２熱電変換素子の高さ（ｍｍ）の平均値との相加平均を示す。Ｆは、第１面積の第２面積に対する比を示す。前記第１面積は、前記複数の第１熱電変換素子と前記複数の第２熱電変換素子とを前記第１基板に対して垂直をなす方向で投影したときに映し出される影の面積である。前記第２面積は、前記複数の第１熱電変換素子と前記複数の第２熱電変換素子とが並ぶ 前記第１基板における固定領域の面積である。）
【請求項２】
下記式ＩＩをさらに満足する、請求項１に記載の熱電変換装置。
０．１＜ａ／ｘ＜１０          （式ＩＩ）
（式ＩＩ中、ａは、前記複数の第１熱電変換素子および前記複数の第１熱電変換素子それぞれに電流の流れ方向基準でもっとも近くに位置する前記第２熱電変換素子の間隔（ｍｍ）の平均値と、前記複数の第２熱電変換素子および前記複数の第２熱電変換素子それぞれに前記電流の流れ方向基準でもっとも近くに位置する前記第１熱電変換素子の間隔（ｍｍ）の平均値との相加平均を示す。ｘは、前記電流の流れ方向における前記複数の第１熱電変換素子の長さ（ｍｍ）の平均値と前記電流の流れ方向における前記複数の第２熱電変換素子の長さ（ｍｍ）の平均値との相加平均を示す。）
【請求項３】
ｔは０．１ｍｍ〜３０ｍｍである、請求項１または２に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
ｘは０．１ｍｍ〜３０ｍｍである、請求項２または３に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
第１基板上に第１熱源を配置し、前記第１熱源より高温の第２熱源を前記第２基板上に配置したときに、前記第２熱源の温度と前記第１熱源の温度との差１００％に対して、前記第２電極の温度と前記第１電極の温度との差が５０％以上となる請求項１〜４のいずれかに記載の熱電変換装置。
【請求項６】
下記式ＩＩＩをさらに満足する、請求項１〜５のいずれかに記載の熱電変換装置。
０．００１＜Ｌ／ｔ＜０．１          （式ＩＩＩ）
（式ＩＩＩ中、Ｌは、前記複数の第１電極の厚み（ｍｍ）の平均値と前記第１基板の厚み（ｍｍ）との合計値を示す。）
【請求項７】
各前記第１熱電変換素子は直方体状をなし、
各前記第２熱電変換素子は直方体状をなす請求項１〜６のいずれかに記載の熱電変換装置。
【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】
第１電極が固定された第１基板と、第２電極が固定された第２基板と、第１および第２基板の間に位置する複数の熱電変換素子とを有する熱電変換装置が知られている。熱電変換装置は温度差で発電する。第２電極の温度と第１電極の温度との差が大きいほど出力が大きい。
【０００３】
高温熱源と低温熱源とで熱電変換装置を挟んだとき、第２電極の温度と第１電極の温度との差ΔＴは、高温熱源の温度と低温熱源の温度との差ΔＴ０より小さくなる。ΔＴがΔＴ０に近いほど、熱電変換装置の発電能力は高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５４８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、発電性能に優れた熱電変換装置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】
【０００６】
本発明は、単位―第１電極、第１電極に固定された第１熱電変換素子、第１熱電変換素子に固定された第２電極および第２電極に固定された第２熱電変換素子を含む単位―を複数含む熱電変換装置に関する。本発明の熱電変換装置は、第１電極に固定された第１基板をさらに含む。本発明の熱電変換装置は、第２電極に固定された第２基板をさらに含む。本発明の熱電変換装置は下記式Ｉを満足する。
ｔ／Ｆ＞０．９          （式Ｉ）
（式Ｉ中、ｔは、複数の第１熱電変換素子の高さ（ｍｍ）の平均値と複数の第２熱電変換素子の高さ（ｍｍ）の平均値との相加平均を示す。Ｆは、第１面積の第２面積に対する比を示す。第１面積は、複数の第１熱電変換素子と複数の第２熱電変換素子とを第１基板に対して垂直をなす方向で投影したときに映し出される影の面積である。第２面積は、複数の第１熱電変換素子と複数の第２熱電変換素子とが並ぶ 第１基板における固定領域の面積である。）
【０００７】
本発明の熱電変換装置の発電能力は、上記式Ｉを満足しない装置の発電能力とくらべて良好である。上記式Ｉを満足するときは、第１熱電変換素子の高さ、第２熱電変換素子の高さ、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子との間隔などが適当な範囲に収まるのだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１に係る熱電変換装置の概略平面図である。
【図２】実施形態１に係る熱電変換装置を図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た概略断面図である。
【図３】実施形態１に係る熱電変換装置の概略平面図であって、第１基板の固定領域を示したものである。
【図４】固定領域の面積を求めるための平板の概略平面図である。
【図５】実施形態１に係る熱電変換装置の概略断面図であって、第１熱源の断面と第２熱源の断面とを示したものである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に実施形態を掲げ、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
【００１０】
［実施形態１］
（熱電変換装置１）
図１に示すように、単位１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、……、１１ｋ（以下、「単位１１」と総称することがある。）を熱電変換装置１は含む。
【００１１】
図２に示すように、各単位１１は、第１電極１１１、第１電極１１１に固定された第１熱電変換素子１１２、第１熱電変換素子１１２に固定された第２電極１１３および第２電極１１３に固定された第２熱電変換素子１１４を含む。
【００１２】
第１熱電変換素子１１２は直方体状をなす。第１電極１１１に固定された第１端と第２電極１１３に固定された第２端とで第１熱電変換素子１１２の両端は定義される。第１熱電変換素子１１２の第１端は、はんだなどの接合部材で第１電極１１１に固定されている。第１熱電変換素子１１２の第２端は接合部材で第２電極１１３に固定されている。第１熱電変換素子１１２として、たとえばＢｉ２Ｔｅ３系、酸化物半導体系、シリサイド系、スクッテルダイト系、ホイスラー系、炭素・高分子材料系などの半導体素子を使用できる。
【００１３】
第２熱電変換素子１１４は直方体状をなす。第２電極１１３に固定された第１端と第１端と対向した第２端とで第２熱電変換素子１１４の両端は定義される。第２熱電変換素子１１４の第２端は、電流の流れ方向における次の単位１１の第１電極１１１に固定されている。第２熱電変換素子１１４の第１端は、接合部材で第２電極１１３に固定されている。第２熱電変換素子１１４の第２端は接合部材で第１電極１１１に固定されている。第２熱電変換素子１１４として、たとえばＢｉ２Ｔｅ３系、酸化物半導体系、シリサイド系、スクッテルダイト系、ホイスラー系、炭素・高分子材料系などの半導体素子を使用できる。
【００１４】
第１熱電変換素子１１２がｐ型であるときは第２熱電変換素子１１４がｎ型である。第１熱電変換素子１１２がｎ型であるときは第２熱電変換素子１１４がｐ型である。すなわち、第１熱電変換素子１１２が第１導電型であるときは第２熱電変換素子１１４が第２導電型である。
【００１５】
熱電変換装置１は、単位１１ａの第１電極１１１に固定されたリード線１４をさらに含む。熱電変換装置１は、単位１１ｋにおける第２熱電変換素子１１４の第２端に固定された最後電極１５をさらに含む。熱電変換装置１は、最後電極１５に固定されたリード線１６をさらに含む。
【００１６】
熱電変換装置１は、粘着剤で第１電極１１１に固定された第１基板１２をさらに含む。熱電変換装置１は、粘着剤で第２電極１１３に固定された第２基板１３をさらに含む。第１基板１２は第２基板１３と実質的に平行である。
【００１７】
第１基板１２の両面は、第１主面１２５と第１主面１２５に対向した第２主面１２６とで定義される。第１基板１２は絶縁層１２１を含む。絶縁層１２１はたとえば、ポリイミドなどの電気絶縁材料からなる。第１基板１２は補強層１２２をさらに含む。補強層１２２は絶縁層１２１を補強している。補強層１２２はたとえば金属材料からなる。第１基板１２は、絶縁層１２１と補強層１２２とに挟まれた粘着剤層１２３をさらに含む。
【００１８】
第２基板１３は絶縁層１３１を含む。絶縁層１３１はたとえば、ポリイミドなどの電気絶縁材料からなる。第２基板１３は補強層１３２をさらに含む。補強層１３２は絶縁層１３１を補強している。補強層１３２はたとえば金属材料からなる。第２基板１３は、絶縁層１３１と補強層１３２とに挟まれた粘着剤層１３３をさらに含む。
【００１９】
図３に示すように、第１主面１２５の固定領域１２８は、複数の第１熱電変換素子１１２と複数の第２熱電変換素子１１４とが並ぶ領域である。第１主面１２５の周辺領域１２９は、固定領域１２８の外に位置する。周辺領域１２９は、第１熱電変換素子１１２と第２熱電変換素子１１４とが存在しない領域である。
【００２０】
熱電変換装置１は下記式Ｉを満足する。
ｔ／Ｆ＞０．９          （式Ｉ）
（式Ｉ中、ｔは、複数の第１熱電変換素子１１２の高さ（ｍｍ）の平均値と複数の第２熱電変換素子１１４の高さ（ｍｍ）の平均値との相加平均を示す。Ｆは、第１面積の第２面積に対する比を示す。）
【００２１】
複数の第１熱電変換素子１１２の高さ（ｍｍ）の平均値は、複数の第２熱電変換素子１１４の高さ（ｍｍ）の平均値と実質的に一致する。ｔは、両者の相加平均を示す。ｔは、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍｍ以上、さらに好ましくは１．５ｍｍ以上である。０．１ｍｍ未満であると、加工の精度が低くなる。加工が難しいからである。ｔは、好ましくは３０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下、さらに好ましくは１０ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以下、さらに好ましくは３ｍｍ以下である。３０ｍｍをこえると、歩留まりが悪くなることがある。
【００２２】
第１面積は、複数の第１熱電変換素子１１２と複数の第２熱電変換素子１１４とを第１基板１２に対して垂直をなす方向で投影したときに映し出される影の面積である。
【００２３】
第２面積は固定領域１２８の面積である。図４に示すように、固定領域１２８に合致する輪郭を有する平板４１で固定領域１２８の面積を求めることができる。平板４１に対して垂直をなす方向で平板４１を投影したときに映し出される影の面積が固定領域１２８の面積に等しいからである。
【００２４】
Ｆは、好ましくは０．２以上、より好ましくは０．３以上、さらに好ましくは０．４以上、さらに好ましくは０．５以上、さらに好ましくは０．６以上である。Ｆは、好ましくは０．９８以下、より好ましくは０．９５以下である。
【００２５】
上記式Ｉを満足しない装置とくらべて熱電変換装置１の発電能力は良好である。第１熱電変換素子１１２の高さ、第２熱電変換素子１１４の高さ、第１熱電変換素子１１２と第２熱電変換素子１１４との間隔などが適当な範囲に収まるのだろう。ｔ／Ｆの上限はたとえば３．０、２．５、２．３などである。
【００２６】
好ましくは熱電変換装置１が下記式ＩＩをさらに満足する。
０．１＜ａ／ｘ＜１０          （式ＩＩ）
（式ＩＩ中、ａは、複数の第１熱電変換素子１１２および複数の第１熱電変換素子１１２それぞれに電流の流れ方向基準でもっとも近くに位置する第２熱電変換素子１１４の間隔（ｍｍ）の平均値と、複数の第２熱電変換素子１１４および複数の第２熱電変換素子１１４それぞれに電流の流れ方向基準でもっとも近くに位置する第１熱電変換素子１１２の間隔（ｍｍ）の平均値との相加平均を示す。ｘは、電流の流れ方向であって第１基板１２に対して平行なもの（方向）における複数の第１熱電変換素子１１２の長さ（ｍｍ）の平均値と電流の流れ方向であって第１基板１２に対して平行なもの（方向）における複数の第２熱電変換素子１１４の長さ（ｍｍ）の平均値との相加平均を示す。）
【００２７】
ａ／ｘが０．１以下であると、第１熱電変換素子１１２の実装や第２熱電変換素子１１４の実装が困難である。ａ／ｘが１０以上であると、熱電変換装置１の剛直性が低すぎることがある。ａ／ｘが１０以上であると、単位面積あたりにおける熱電変換装置１の発電能力が低すぎることがある。
【００２８】
複数の第１熱電変換素子１１２およびそれぞれの第１熱電変換素子１１２に電流の流れ方向基準でもっとも近くに位置する第２熱電変換素子１１４の間隔（ｍｍ）の平均値は、複数の第２熱電変換素子１１４およびそれぞれの第２熱電変換素子１１４に電流の流れ方向基準でもっとも近くに位置する第１熱電変換素子１１２の間隔（ｍｍ）の平均値と実質的に一致する。ａは、両者の相加平均を示す。ａの下限はたとえば０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍである。ａの上限はたとえば３．０ｍｍ、２．５ｍｍ、２．０ｍｍ、１．５ｍｍ、１．０ｍｍである。
【００２９】
電流の流れ方向であって第１基板１２に対して平行なもの（方向）における複数の第１熱電変換素子１１２の長さ（ｍｍ）の平均値は、電流の流れ方向であって第１基板１２に対して平行なもの（方向）における複数の第２熱電変換素子１１４の長さ（ｍｍ）の平均値と実質的に一致する。ｘは、両者の相加平均を示す。ｘは、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上、さらに好ましくは１．５ｍｍ以上である。０．１ｍｍ未満であると、加工の精度が低くなる。加工が難しいからである。ｘは、好ましくは３０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下、さらに好ましくは１０ｍｍ以下である。３０ｍｍをこえると、歩留まりが悪くなることがある。
【００３０】
好ましくは熱電変換装置１が下記式ＩＩＩをさらに満足する。
０．００１＜Ｌ／ｔ＜０．１          （式ＩＩＩ）
（式ＩＩＩ中、Ｌは、複数の第１電極１１１の厚み（ｍｍ）の平均値と第１基板１２の厚み（ｍｍ）との合計値を示す。）
【００３１】
Ｌ／ｔが０．００１以下であると、熱電変換装置１の変形や破壊が起きやすい傾向がある。０．１をこえると、第１電極１１１における熱の損失が大きくなり過ぎることがある。
【００３２】
Ｌの下限はたとえば０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍである。Ｌの上限はたとえば１０ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍである。
【００３３】
図５に示すように、第１基板１２上に第１熱源４４を配置し、第１熱源４４より高温の第２熱源４５を第２基板１３上に配置したときに、第２熱源４５の温度と第１熱源４４の温度との差１００％に対して、第２電極１１３の温度と第１電極１１１の温度との差が５０％以上となる―という性能を熱電変換装置１が有することが好ましい。上限はたとえば９０％、８０％である。
【００３４】
（変形例１）
変形例１は、第１熱電変換素子１１２は円柱状をなす。
【００３５】
（変形例２）
変形例２は、第２熱電変換素子１１４は円柱状をなす。
【００３６】
（変形例３）
実施形態１に係る熱電変換装置１においてリード線１６が最後電極１５に固定されている。しかしながら、変形例３に係る熱電変換装置１では、リード線１６は最後電極１５に固定されていない。変形例３に係る熱電変換装置１では、最後電極１５に第３熱電変換素子の一端が固定され、第３熱電変換素子の他端が第２最後電極に固定され、第２最後電極にリード線１６が固定されている。第２最後電極は、粘着剤で第２基板１３に固定されている。単位１１ｋの第２熱電変換素子１１４がｐ型であるときは第３熱電変換素子はｎ型である。単位１１ｋの第２熱電変換素子１１４がｎ型であるときは第３熱電変換素子はｐ型である。すなわち、単位１１ｋの第２熱電変換素子１１４が第１導電型であるときは第３熱電変換素子が第２導電型である。第３熱電変換素子の高さはｔと実質的に一致する。
【００３７】
（そのほか）
変形例１〜変形例３などは、任意に組み合わせることができる。
【実施例】
【００３８】
以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている材料や配合量などは、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００３９】
図１に示す構造の熱電変換装置１を作製した。熱電変換装置１は５９個の単位１１を含む。熱電変換装置１は次に示す部材からなる。ｔ、ｘ、ａ、Ｆは表１に示す。
第１電極１１１および第２電極１１３：厚み１２．５μｍの銅電極
第１熱電変換素子１１２および第２熱電変換素子１１４：熱伝導率１Ｗ／ｍＫの直方体状の熱電変換素子
第１基板１２および第２基板１３：厚み５００μｍのアルミニウム板と、厚み１２μｍのポリイミド層と、アルミニウム板およびポリイミド層の間に位置する厚み２５μｍの粘着剤層とからなる基板
第１基板１２を第１電極１１１に固定している粘着剤：厚み１０μｍの粘着剤層
第２基板１３を第２電極１１３に固定している粘着剤：厚み１０μｍの粘着剤層
接合部材：厚み２０μｍの錫銀銅はんだ
【００４０】
図５に示すように、第１熱源４４と第２熱源４５とで熱電変換装置１を３０分間挟み、第１熱源４４の表面温度と第２熱源４５の表面温度と第１電極１１１の温度と第２電極１１３の温度とをＫ熱電対で測定した。第２電極１１３の温度と第１電極１１１の温度との差ΔＴ を求めた。第２熱源４５の表面温度と第１熱源４４の表面温度との差ΔＴ０ も求めた。結果を表１に示す。
第１熱源４４：冷却水循環装置（ＥＹＥＬＡ社製のＣＣＡ−１３０１）で表面温度２０℃に調整したプレート（寸法：１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２０ｍｍｔ）
第２熱源４５：９７℃設定の過熱防止装置（大昭化学機械工業社製）で表面温度９５℃に調整したホットプレート（寸法：２００ｍｍ×２００ｍｍ×２０ｍｍｔ）
【００４１】
【表１】
2017092263.tif 000003
【符号の説明】
【００４２】
１        熱電変換装置
１１      単位
１１１    第１電極
１１２    第１熱電変換素子
１１３    第２電極
１１４    第２熱電変換素子
１２      第１基板
１２８    固定領域
１２９    周辺領域
１３      第２基板
１４      リード線
１５      最後電極
１６      リード線
４１      平板
４４      第１熱源
４５      第２熱源
【図１】
2017092263.tif 000004
【図２】
2017092263.tif 000005
【図３】
2017092263.tif 000006
【図４】
2017092263.tif 000007
【図５】
2017092263.tif 000008