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技術 熱電変換デバイスとその製造方法

出願人 富士通株式会社
発明者 西野琢也鈴木貴志
出願日 2010年9月30日 (8年10ヶ月経過) 出願番号 2010-222230
公開日 2012年4月19日 (7年4ヶ月経過) 公開番号 2012-079841
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 高熱伝導率物質 熱伝導シミュレーション 低熱伝導率層 気化熱冷却 高熱伝導率層 水分含浸 充填電極 熱伝導機構
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この項目の情報は公開日時点(2012年4月19日)のものです。
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図面 (9)

課題

発熱面の熱と水分を利用して温度差が維持できるように、冷却構造一体化することで高い発電効率が可能な可撓性を有する熱電変換デバイスを提供する。

解決手段

P型およびN型熱電材料による薄膜熱電変換素子電気的に直列に接続され、温度勾配のある環境下で発電する熱電変換デバイスに関し、発熱面と同一面から発生する水分を吸収し、基板上部面を冷却する機構薄膜状の熱電変換素子と同一のフィルム基材に設置させたことを特徴とする。

概要

背景

一般的な熱電変換デバイスの構造例を図8に示す。この構造は現在までに熱電変換デバイスとして市販されている形態であり、π型構造と呼ばれている。これは、P型熱電素子102とN型熱電素子101のバルク半導体による熱電変換材料電極材料(上部電極103a、下部電極103b)で電気的に接続し、片端(下面)を高温、他端(上面)を低温にすることによって、熱電変換材料内部に温度分布を設け、温度分布に応じた起電力104を得ることで発電させるものである。

しかし、上述した熱電変換デバイスは、バルク体を使用するため、デバイス自体の厚みが厚く可撓性も低いことから、設置場所に制限が多くなる。

これに対し、熱電変換材料に粉末を用い、樹脂中に混合し、材料そのものに可撓性を持たせることでデバイスに形状、設置に制限の少ない熱電発電デバイスが提案されている。さらに、発熱面以外からの放熱能力を増す目的で基板上に貫通孔を開け、内部に水分を通すことによって冷却したい場所へ水分を移動し、蒸発による気化熱を使用して冷却する機構を適用している。

また、可撓性を持たせる構造として、樹脂フィルムを使用し、フィルム自体に高熱伝導率層低熱伝導率層を設けることによってフィルムに温度分布を設け、フィルム基板上に位置する薄膜熱電変換材料に温度差を作る機構が提案されている。

概要

発熱面の熱と水分を利用して温度差が維持できるように、冷却構造一体化することで高い発電効率が可能な可撓性を有する熱電変換デバイスを提供する。P型およびN型の熱電材料による薄膜熱電変換素子が電気的に直列に接続され、温度勾配のある環境下で発電する熱電変換デバイスに関し、発熱面と同一面から発生する水分を吸収し、基板上部面を冷却する機構を薄膜状の熱電変換素子と同一のフィルム基材に設置させたことを特徴とする。

目的

本発明では、発熱面の熱と水分を利用して温度差が維持できるように、冷却構造を一体化することで高い発電効率が可能な可撓性を有する熱電変換デバイスを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

フィルム基板と、前記フィルム基板上に形成された、交互に配列させた複数のP型及びN型熱電変換素子と該複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続する電極とを有する電気回路と、前記電気回路を保護するための絶縁フィルムと、前記熱電変換素子の両端部近傍において垂直に設けられ、前記フィルム基板側の発熱面から受熱する第1の熱伝導体及び前記絶縁フィルム側に放熱する第2の熱伝導体と、前記電気回路の配線のない箇所で、前記フィルム基板から絶縁フィルムに至るまで貫通させ、前記発熱面と同一面から発生する水分を通過させる水分通過孔と、前記絶縁フィルム上に設けられ、前記水分通過孔を介して水分を蒸発する水分吸収層と、を有することを特徴とする熱電変換デバイス

請求項2

前記熱電変換素子の両端部に設けられた前記第1、第2の熱伝導体は、それぞれ前記フィルム基板、前記絶縁フィルムを貫通し、金属材料を含む熱伝導体で充填させた貫通孔であることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換デバイス。

請求項3

前記水分通過孔は、前記熱電変換素子群の内部、もしくは外周部に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱電変換デバイス。

請求項4

前記水分吸収層は、吸水性の繊維からなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の熱電変換デバイス。

請求項5

交互に配列させた複数のP型及びN型の熱電変換素子と該複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続する電極とからなる電気回路をフィルム基板上に形成する工程と、前記電気回路の上に絶縁フィルムを貼り付ける工程と、前記熱電変換素子の両端部近傍において、前記フィルム基板または前記絶縁フィルムを貫通する貫通孔を設け、該貫通孔に金属を充填して第1または第2の熱伝導体を形成する工程と、前記電気回路の配線のない箇所で、前記フィルム基板から絶縁フィルムに至るまで貫通させ、発熱面と同一面から発生する水分を通過させる水分通過孔を形成する工程と、前記絶縁フィルムの上に前記水分通過孔を通過した水分を蒸発させる水分吸収層を貼り付ける工程と、を有することを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、熱電変換デバイスとその製造方法に関する。

背景技術

0002

一般的な熱電変換デバイスの構造例を図8に示す。この構造は現在までに熱電変換デバイスとして市販されている形態であり、π型構造と呼ばれている。これは、P型熱電素子102とN型熱電素子101のバルク半導体による熱電変換材料電極材料(上部電極103a、下部電極103b)で電気的に接続し、片端(下面)を高温、他端(上面)を低温にすることによって、熱電変換材料内部に温度分布を設け、温度分布に応じた起電力104を得ることで発電させるものである。

0003

しかし、上述した熱電変換デバイスは、バルク体を使用するため、デバイス自体の厚みが厚く可撓性も低いことから、設置場所に制限が多くなる。

0004

これに対し、熱電変換材料に粉末を用い、樹脂中に混合し、材料そのものに可撓性を持たせることでデバイスに形状、設置に制限の少ない熱電発電デバイスが提案されている。さらに、発熱面以外からの放熱能力を増す目的で基板上に貫通孔を開け、内部に水分を通すことによって冷却したい場所へ水分を移動し、蒸発による気化熱を使用して冷却する機構を適用している。

0005

また、可撓性を持たせる構造として、樹脂フィルムを使用し、フィルム自体に高熱伝導率層低熱伝導率層を設けることによってフィルムに温度分布を設け、フィルム基板上に位置する薄膜熱電変換材料に温度差を作る機構が提案されている。

先行技術

0006

特開平07−111345号公報
特開2006−186255号公報

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1では、水分蒸発を利用し温度差を維持する機構の熱電変換デバイスは、温度差を一部分の蒸発での気化熱だけで維持させるため、人体等のように発熱面と水分補給面が同一面に存在する場所には、発電効率が低く適さない。また、熱電変換素子上の電極部分で蒸発する機構のために電極に水分が含まれ、化学的腐食が懸念される。

0008

特許文献2では、水分蒸発等を含まない構造のため、発熱面のみが存在する設置個所ではデバイス全体の温度がほぼ一定になってしまい、熱電変換材料の温度差を維持することが難しいという問題を抱える。

0009

そこで、本発明では、発熱面の熱と水分を利用して温度差が維持できるように、冷却構造一体化することで高い発電効率が可能な可撓性を有する熱電変換デバイスを提供する。

課題を解決するための手段

0010

本発明の一つの態様によれば、フィルム基板と、前記フィルム基板上に形成された、交互に配列させた複数のP型及びN型の熱電変換素子と該複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続する電極とを有する電気回路と、前記電気回路を保護するための絶縁フィルムと、前記熱電変換素子の両端部近傍において垂直に設けられ、前記フィルム基板側の発熱面から受熱する第1の熱伝導体及び前記絶縁フィルム側に放熱する第2の熱伝導体と、前記電気回路の配線のない箇所で、前記フィルム基板から絶縁フィルムに至るまで貫通させ、前記発熱面と同一面から発生する水分を通過させる水分通過孔と、前記絶縁フィルム上に設けられ、前記水分通過孔を介して水分を蒸発する水分吸収層と、を有することを特徴とする熱電変換デバイスに関する。

発明の効果

0011

本発明によれば、熱電変換素子の内部電気回路水分移動部とを独立させた水分吸収層と熱電変換素子の両端部近傍に設けた受熱用及び放熱用の熱伝導体を有する構成とすることによって、全体の可撓性を維持し、かつ発電効率の高い薄膜の熱電変換デバイスが提供できる。

図面の簡単な説明

0012

本発明の実施の形態になる熱電変換素子の一基本構造(可撓性フィルム上に形成させた熱電変換素子の例)を示す図である。
本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの構造例(変換素子上面にフィルムと水分吸収層を有する構成)を示す図である。
本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの製造プロセスを示す図である。
本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの製造プロセス(続き)を示す図である。
本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの変形例を示す図である。
本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスのシミュレーション例を示す図である。
本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスのシミュレーション結果を示す図である。
一般的なπ型熱電変換デバイスの構造例を示す図である。

実施例

0013

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

0014

図1は、本発明の熱電変換素子の基本構造を示す。本発明は、冷却構造を一体化することで発熱面の熱と水分を利用して温度差を維持し、高い発電効率と可撓性を有する熱電変換デバイスを提供する。図1では、可撓性フィルム基板上に薄膜の熱電変換素子及び電極を形成させた例を示し、(a)は平面配線図、(b)は(a)におけるa−a’ラインの断面図を示している。

0015

フィルム基板10上に、P型材料からなる薄膜のP型熱電変換素子11、N型材料からなる薄膜のN型熱電変換素子12、およびP型熱電変換素子11とN型熱電変換素子12を接続する電極15を有する熱電変換デバイスが形成されている。さらに、フィルム基板10には、貫通孔14が設けられ、フィルム基板10上の熱電変換素子(11、12)の両端近傍には、貫通孔内部にメッキ等によってCuなどの高熱伝導率物質充填させた熱伝導体充填層13a、13bと、そうでない部分は、水分の通り道として貫通孔14が確保される構造となっている。

0016

このような構造は、発熱面と水分発生面とが同一面において、例えば、人体表面のように発熱の発生が同時に起こる系において有効となる。つまり、発熱面の熱は、充填された貫通孔である熱伝導体充填層13aを介して熱電変換素子(11、12)端部まで効率よく伝わり、水分はデバイス上部に吸い上げられる。そして、後述する水分吸収層で吸水、蒸発潜熱で冷却され、下部側における発熱面からの温度上昇によって、上下温度差が維持される。

0017

こうした機構を採用することによって、熱電変換素子の電気回路と水分の移動部分とをそれぞれ独立に作動させることが可能となり、電極部分における化学的な腐食の問題を無くすことができる。かつ、内部の熱電変換材料に高い温度差を維持することが可能となり、素子全体の可撓性を維持しつつ、発電効率の高い薄膜の熱電変換デバイスが提供できる。

0018

図2は、本発明の熱電変換デバイスの構造例(変換素子上面にフィルムと水分吸収層を有する構成)を示す。本発明の熱電変換デバイスは、図1のフィルム基板上に形成された熱電変換素子(11、12)の上面に、上面フィルム17と、該上面フィルム17上に接着剤層18を介して張り合わせた水分吸収層19とを有する構造となっている。なお、上面フィルム17は、内部の熱電変換素子を含む配線の絶縁水分含浸を可能な限り避けるために設けられるものである。

0019

上記熱電変換デバイスの構成によって、熱電変換素子(11、12)を含む平面配線部は、表面に接する絶縁部分を確保しつつ、水分吸収層19に吸収される水分から確実に分離することが可能となる。

0020

水分吸収層19と熱電変換素子(11、12)が直接接着剤層18で接合している場合、接着剤には乾燥後も気泡が多数含まれているため、水分が熱電変換素子層に到達する可能性がある。さらに、接着剤層18は、厚みの制御が難しく、充填させた貫通銅部分との熱伝導率の差を出しにくく、熱電変換素子(11、12)に十分に冷却熱が伝わらない可能性がある。そのため熱伝導率が低く、厚みが変化しにくく、かつ水分透過性の低い樹脂フィルムを上面フィルム17として間に挟んでおくことによって上述した懸念を払拭することができる。

0021

また、水分吸収層19は、貫通孔14より吸い上げた水分を熱電変換素子層上部を含む全面に拡散させて蒸発面積を稼ぐ役割がある。この部分が無いと蒸発面積が貫通孔14の周囲にのみに限定されてしまい、表面積が非常に小さくなるため蒸発能力が劣る。

0022

以下、図3図4を使って、図2の熱電変換デバイスの製造方法について説明する。

0023

図3図4は、本発明の熱電変換デバイスの製造プロセスを示す。図3には、製造工程1〜工程5を示し、図4には、製造工程6〜工程8を示している。

0024

まず、工程1において、フィルム基板10上に薄膜の熱電変換素子及びそれらを接続する電極15が形成される。熱電変換材料としては、N型にNi48Cu52、P型にNi90Cr10、電極材料に銅(Cu)を用いた。スパッタリング法により、これらの熱電変換材料を、厚さ25μmのポリイミドフィルムや30μmの薄ガラス基板上に所定の形状となるように厚さ1.0μm成膜し、電気回路を構成した。

0025

つぎに、工程2において、工程1で電気回路が形成されたフィルム基板10全体に渡って、熱硬化性樹脂エポキシ樹脂)を用いて内部回路を覆うように塗布し、接着剤層16を形成する。

0026

その後、工程3において、上部に下部のフィルム基板と同様の上面フィルム17を貼付け、位置合わせを行い、150℃の窒素雰囲気中で加熱することによって接着剤を硬化した。

0027

工程4において、上面フィルム17に、熱電変換素子と同一の面まで50μmの貫通孔を開け、さらに、工程5において、無電解銅めっきを施すことによってこの貫通孔を穴埋めして熱伝導体充填層13bを形成する。

0028

つぎに、工程6において、上部に、水分吸収層19として、吸水性繊維(例えば、(株)帝人ファイバーベルオアシス)を接着剤(接着剤層18)によって貼付する。

0029

その後、工程7において、上部に繊維分まで貫通する貫通孔14と熱電変換素子近傍の部分に貫通孔をそれぞれ設け、さらに、工程8において、無電解銅メッキによって熱電変換素子近傍の貫通孔のみに銅を充填して熱伝導体充填層13aが形成される。

0030

上述した工程によって、全体厚さ100μm程の薄く可撓性を持った熱電変換デバイスが形成される。

0031

図5は、本発明の熱電変換デバイスの変形例を示す。これまで述べてきた実施例では、同一基板内の熱電変換素子パターン間に水分吸収孔としての貫通孔14が設けられていたが、図5は、この孔部分を熱電変換素子の外周部分に配置させた場合の熱電変換デバイスについて示している。

0032

外周部に配置する場合、熱電変換デバイスの全体面積は大きくなるが、水分吸収孔の範囲を広げることができるため、多くの水分の輸送が可能となる。この場合も、作製工程は図3図4に示した工程と基本的に同様であるが、熱電変換素子部と水分吸収孔が分離していることで効率良い水分の吸収と熱の輸送が可能である。

0033

図6は、本発明の熱電変換デバイスのシミュレーション例を示す。本発明の熱電変換デバイスの気化熱冷却による効果を熱伝導シミュレーションによって計算した。図6には、熱伝導シミュレーションに適用する本発明例及び比較例の構造と熱電変換素子における温度差の計算の根拠となる境界条件を示した。

0034

図6(a)、(b)は、本発明例及び比較例それぞれのシミュレーションモデルを示している。シミュレーションに供する本発明例の試料は、図6(a)に示すように、図2に示した構造から接着剤層16、18及び電極15を省略した構造で、水分吸収層19、上面フィルム17、熱電変換素子11または12、その両端部に設けられた熱伝導体充填層13a、13b、貫通孔14、およびフィルム基板10を有する構造となっている。

0035

また、比較例の試料は、図6(a)に示すように、熱電変換素子11または12、その両端部に設けられた充填電極15、貫通孔14、およびフィルム基板10を有する構造となっている。

0036

上記モデルは、気化熱による蒸発を境界面の熱伝達係数に置き換え、発熱面を36℃に固定することで人体を模擬した系を仮定した。また、気化熱蒸発を伴う境界面において、熱伝達係数は、1000W/m2K程度と言われているが、空気のような自然対流の場合では、50W/m2K程度である。

0037

比較例では、熱電変換素子の一端(貫通孔の上部の電極部分)が気化熱蒸発を伴い、もう一端は自然対流による境界条件を仮定した。これに対し、本発明例では、気化熱蒸発が基板上全面に渡ることから、上部境界に熱伝達係数1000W/m2Kを定義した。

0038

上記モデルを元に、有限要素法シミュレーションソフトANSYS(登録商標)を用いて熱電変換素子の温度差を計算した。

0039

図7は、本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスのシミュレーション結果を示す。上述した熱電変換デバイスの発熱面及び蒸発面における条件下で計算を行ったところ、図7に示すように、熱電変換素子内部の温度差は、いずれの構造も熱電変換素子端部間に温度差が生じているが、本発明例の方が3倍程大きく、比較例より大きな温度差が得られている。

0040

熱電変換デバイスは、貫通孔14から吸い上げた水分が表面の水分吸収層19全面で蒸発して冷却される冷却機構と、熱電変換素子(11、12)の両端部近傍に設けられた熱伝導体充填層13による熱伝導機構を有することを特徴としている。したがって、熱電変換素子端子の一方の端部で基板面から受熱し、他端部で上面の該冷却機構へ放熱する仕組みによって、熱電変換素子端部間でこのように大きな温度差を作ることが可能となる。

0041

本発明は、ゼーベック効果を利用して材料内部の温度差により熱を電気に変換する熱電変換デバイスとその製造方法に適用される。

0042

10フィルム基板
11P型熱電変換素子
12N型熱電変換素子
13a、13b熱伝導体充填層
14貫通孔(水分通過孔)
15電極
16接着剤層
17 上面フィルム
18 接着剤層
19 水分吸収層

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