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技術 熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールの製造方法

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11月25日 (9年1ヶ月経過) 出願番号 2010-262762
公開日 2012年6月14日 (7年6ヶ月経過) 公開番号 2012-114290
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 金属パターン間 研摩紙 熱伝導面 アルミニュ 低温面 断熱フィルム 基板コア 基板温度分布
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特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

この項目の情報は公開日時点(2012年6月14日)のものです。
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図面 (7)

課題

柔軟性がありながら効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法を提供する。

解決手段

熱電変換モジュール600は、厚み方向に対して熱の伝導率が異なる不良熱伝導部110と熱伝導部120とを有する基板300と、不良熱伝導部と熱伝導部とに熱的に接合する熱電変換素子500,510とを備え、基板の不良熱伝導部においては、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートが基板の表面に沿って水平に積層して形成され、熱伝導部においては垂直に積層して形成される。

概要

背景

熱電変換素子ゼーベック効果を利用して熱電変換を行なう発電素子であり、これによって得られた電力駆動電源に用いる装置が知られている。例えば、人体外気との温度差を利用して発電し、腕時計ムーブメント補聴器アンプを駆動することが行なわれている。また、温水パイプに熱電変換素子を取り付けて、温水と外気との温度差で発電し、発電した電力により計測した温水の温度データをデータ収集装置に送信することが行なわれている。

これらの熱電変換素子はBi−Te系やPb−Te系などの半導体材料を使用し、大きな電位差を得るためP型半導体N型半導体の熱電変換素子を組み合わせて熱電変換モジュールとすることが一般である。熱電変換モジュールではこれらP型半導体とN型半導体の熱電変換素子を基板上に搭載して電気回路を構成するが、同時に熱電変換素子を接合する基板の部分に温度差を生じさせて電変換素子を発電させることを行なっている。このため、例えば熱電変換素子の高温側の端部を配置する基板の部分に熱伝導の良い材料を埋め込み、基板裏面の発熱体から基板の厚みを介して熱を伝導させることが行なわれている。このような基板として、絶縁樹脂金属箔を貼り合わせた積層板エッチング加工により金属パターンを形成し、その上から樹脂フィルム加熱圧着して金属パターン間に樹脂フィルムを挿入する方法が知られている。この方法により熱伝導のよい金属が埋設された構造の基板を得ることができる。

より積極的に熱電変換素子の端部の温度勾配を持たせるために、熱電変換素子を上記した基板で挟んだサンドイッチ構造とし、熱電変換素子の端部が接合する高温側と低温側のそれぞれの基板部分で熱伝導させることも行なわれている。

概要

柔軟性がありながら効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法を提供する。熱電変換モジュール600は、厚み方向に対して熱の伝導率が異なる不良熱伝導部110と熱伝導部120とを有する基板300と、不良熱伝導部と熱伝導部とに熱的に接合する熱電変換素子500,510とを備え、基板の不良熱伝導部においては、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートが基板の表面に沿って水平に積層して形成され、熱伝導部においては垂直に積層して形成される。

目的

本発明は、柔軟性がありながら効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

厚み方向に対して熱の伝導率が異なる不良熱伝導部と熱伝導部とを有する基板と、前記不良熱伝導部と前記熱伝導部とに熱的に接合する熱電変換素子とを備え、前記基板の不良熱伝導部においては、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートが前記基板の表面に沿って水平に積層して形成され、該熱伝導部においては垂直に積層して形成されたことを特徴とする熱電変換モジュール

請求項2

前記基板の熱伝導部の表面は、前記熱伝導シートの熱伝導層が露出していることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換モジュール。

請求項3

前記熱伝導シートの熱伝導層は、高分子化合物、または金属、またはグラファイトであることを特徴とする請求項1、または請求項2に記載の熱電変換モジュール。

請求項4

前記熱電変換素子は2枚の前記基板に狭持され、該基板の不良熱伝導部と熱伝導部とに熱的に接合したことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の熱電変換モジュール。

請求項5

熱電変換素子が基板に熱的に接合し、該基板に接した発熱体から該基板に熱伝導された温度差を利用して発電する熱電変換モジュールの製造方法であって、前記基板は熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートを、前記発熱体に対して該熱伝導層を水平に積層して不良熱伝導部を形成する不良熱伝導部形成手順と、前記熱伝導シートを、前記発熱体に対して該熱伝導層を垂直に積層して熱伝導部を形成する熱伝導部形成手順と、前記不良熱伝導部形成手順と前記熱伝導部形成手順とを繰り返して基板コアを作成する基板コア作成手順と、前記基板コアの熱伝導部の前記熱伝導シートの熱伝導層を露出させて熱伝導面を形成する熱伝導面形成手順とを含んで製造されることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換モジュールに関するものである。

背景技術

0002

熱電変換素子ゼーベック効果を利用して熱電変換を行なう発電素子であり、これによって得られた電力駆動電源に用いる装置が知られている。例えば、人体外気との温度差を利用して発電し、腕時計ムーブメント補聴器アンプを駆動することが行なわれている。また、温水パイプに熱電変換素子を取り付けて、温水と外気との温度差で発電し、発電した電力により計測した温水の温度データをデータ収集装置に送信することが行なわれている。

0003

これらの熱電変換素子はBi−Te系やPb−Te系などの半導体材料を使用し、大きな電位差を得るためP型半導体N型半導体の熱電変換素子を組み合わせて熱電変換モジュールとすることが一般である。熱電変換モジュールではこれらP型半導体とN型半導体の熱電変換素子を基板上に搭載して電気回路を構成するが、同時に熱電変換素子を接合する基板の部分に温度差を生じさせて電変換素子を発電させることを行なっている。このため、例えば熱電変換素子の高温側の端部を配置する基板の部分に熱伝導の良い材料を埋め込み、基板裏面の発熱体から基板の厚みを介して熱を伝導させることが行なわれている。このような基板として、絶縁樹脂金属箔を貼り合わせた積層板エッチング加工により金属パターンを形成し、その上から樹脂フィルム加熱圧着して金属パターン間に樹脂フィルムを挿入する方法が知られている。この方法により熱伝導のよい金属が埋設された構造の基板を得ることができる。

0004

より積極的に熱電変換素子の端部の温度勾配を持たせるために、熱電変換素子を上記した基板で挟んだサンドイッチ構造とし、熱電変換素子の端部が接合する高温側と低温側のそれぞれの基板部分で熱伝導させることも行なわれている。

0005

MicropelHP、[平成22年9月24日検索]、インターネット

先行技術

0006

特開2008−182160号公報
特開平11−190782号公報

発明が解決しようとする課題

0007

上記したように、熱電変換モジュールは熱電変換モジュールを構成する個々の熱電変換素子の端部間に温度勾配を持たせ起電力を生じさせる必要がある。このため、熱電変換素子を搭載する基板内に部分的に熱伝導の良い材料(例えば、銅やアルミニュムなどの金属)を埋め込み、基板と接した発熱体からの熱がこの埋め込んだ金属を伝導して熱電変換素子の端部が接合する基板部分の温度を高くし、熱電変換素子の他方の端部が接合する基板部分に対して熱勾配を生じさせている。

0008

このような基板として前述した方法は、絶縁樹脂と金属箔とを積層した積層板の金属部分をパターニングすることによって基板中に金属を埋設するものであった。即ち、絶縁樹脂の基材上にパターニングされた金属が配置された構造となり、発熱体からの熱はこの絶縁樹脂を介して熱伝導することになる。絶縁樹脂の熱伝導性は金属に較べてはるかに悪く、伝熱効率の点で問題がある。また、基板に柔軟性を要求されるような場合、基板を曲げることを繰り返すと金属パターンが剥離する恐れがあり、このような場合では問題が生じる恐れがある。

0009

本発明は、柔軟性がありながら効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法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

0010

発明の一観点によれば、本発明の熱電変換モジュールは、厚み方向に対して熱の伝導率が異なる不良熱伝導部と熱伝導部とを有する基板と、不良熱伝導部と熱伝導部とに熱的に接合する熱電変換素子とを備え、基板の不良熱伝導部においては、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シートが基板の表面に沿って水平に積層して形成され、熱伝導部においては垂直に積層して形成された、熱電変換モジュールが提供される。

0011

発明の他の一観点によれば、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、熱電変換素子が基板に熱的に接合し、基板に接した発熱体から基板に熱伝導された温度差を利用して発電する熱電変換モジュールの製造方法であって、基板は、熱伝導層の両面に断熱接着層を設けた熱伝導シート発熱体に対して熱伝導層を水平に積層して不良熱伝導部を形成する不良熱伝導部形成手順と、熱伝導シートを発熱体に対して熱伝導層を垂直に積層して熱伝導部を形成する熱伝導部形成手順と、不良熱伝導部形成手順と熱伝導部形成手順とを繰り返して基板コアを作成する基板コア作成手順と、基板コアの熱伝導部の熱伝導シートの熱伝導層を露出させて熱伝導面を形成する熱伝導面形成手順とを含んで製造される、熱電変換モジュールの製造方法が提供される。

発明の効果

0012

基板の不良熱伝導部においては、熱伝導シートを発熱体に対して水平方向に積層したので基板の厚み方向には断熱接着層が複数の層を成し、この断熱接着層が基板の厚み方向に対する熱伝導を抑制する。一方、熱伝導部においては、熱伝導シートを発熱体に対して垂直方向に積層したので、熱伝導層が基板の厚み方向を貫通し良好に熱伝導させることができる。このため、効率よく発電できる熱電変換モジュール、および熱電変換モジュールの製造方法を提供できる。

0013

また、熱伝導シートは可撓性を有するので、基板は柔軟性がある。

図面の簡単な説明

0014

基板コアの作成例である。
基板の作成例である。
発熱体上に置かれた基板の温度分布例である。
熱電変換モジュールの作成例である。
他の熱電変換モジュールの構成例である。
熱電変換モジュールの基板温度分布シミュレーション例である。

実施例

0015

本発明の熱電変換モジュールは、前述したように温度差を生じさせる基板と、その基板に接合する熱電変換素子とを含んで構成される。熱電変換モジュールの実施形態の説明に当たって、まず基板の作成方法から説明する。

0016

図1は、基板のコアとなる部分の作成方法を説明するための図で、図1(a)は基板コアを作成するための熱伝導シート10の断面を示し、熱伝導シート10は熱伝導層11と接着層12とを有している。熱伝導層11の材料はここではグラファイトを用いており、その熱伝導率は平面方向1,000W/mk、厚み方向6W/mkである。なお、熱伝導層の厚さは60μmである。また、接着層12はアクリル系粘着剤の層で、熱伝導層11の両面に配置されている。それぞれの接着層12の厚さは20μmである。従って、熱伝導シートの全体の厚さは100μmとなる。アクリル系粘着剤の熱伝導度は熱伝導層11に較べて圧倒的に低く、接着層12は前述の断熱接着層に相当する。

0017

図1(a)に示す熱伝導シート10を用いて基板のコアとなる部分を作成する。ここでは、厚さ4mmの基板を作成することとする。また、基板の面内において、熱伝導が良好な熱伝導部と熱伝導が悪い不良熱伝導部の長さがそれぞれ8mmで、熱伝導部と不良熱伝導部とが交互に形成するものとする。

0018

最初に不良熱伝導部を作成するため、熱伝導シート10を長さ8mmで40回折り重ねることを行なう(熱伝導シート10の厚さ100μm×40で4mmの基板厚となる)。熱伝導シート10が水平方向に40回折り重ねられることにより、厚み方向に40μm(20μm×2)の接着層12が熱伝導層11を挟んで40層積層し、厚み方向の熱伝導を抑制する。

0019

続いて、熱伝導部を作成するために熱伝導シート10を90度基板の板厚方向に折り曲げ、垂直方向に80回折り重ねる(熱伝導シート10の厚さ100μm×80で約8mmの長さが得られる)ことを行なう。図1(b)は、折り重ねの方法が分かるように模式的に示した図で、水平方向の折り重ねが終わり、垂直方向の折り重ねを行なっている状態を示している。実際には、折り重ねながら熱伝導シート10を密着させるので、接着層12同士が互いに接着して図1(c)に示す板状になる。なお、垂直に折り重ねるとき、折り曲げる位置は水平に重ね合わせた面より突き出した位置で折り曲げるようにしている。垂直に折り重ねた部分(図1(c)の熱伝導部120)の厚さは約4.5mmで、水平に折り重ねた部分(図1(c)の不良熱伝導部110)に対して膨らんだ状態になる。

0020

上記の水平の折り重ねと垂直の折り重ねとを交互に行なうことで、8mm長さの不良熱伝導部110と熱伝導部120とが交互に形成された基板コア100を作成できる。

0021

次に、上記した基板コアを用いた基板の作成例を図2を用いて説明する。図2(a)は図1で作成した基板コア100である。図2(a)に示すように、基板コア100の不良熱伝導部110および熱伝導部120のそれぞれの上下の面は接着層12が露出している。

0022

図2(a)の基板コア100の不良熱伝導部110の部分に対し、断熱フィルム200を貼り付ける。断熱フィルム200は100μmのポリイミドをここでは用いているが、これに限定されるものではない。接着層12が露出しているため、断熱フィルム200を押し当てるだけで貼り付けることができる。断熱フィルム200は図2(b)に示すように不良熱伝導部110の上下の両面に対して貼り付ける。断熱フィルム200は、基板の厚さ方向の熱伝導を抑制すると共に、平滑な基板表面が得られる。

0023

断熱フィルム200を貼り付けた基板コア100に対し、断熱フィルム200の表面から突き出した熱伝導部120の部分(突起部)を研摩紙研摩クロスを用いて削り取り、基板300は完成する(図2(c))。研摩により熱伝導部120の面は熱伝導シート10の熱伝導層11の断面が露出することになる。熱伝導層11のグラファイトは面方向の熱伝導率は高いので、基板300の厚みを介して良好な熱伝導を行なわせることができる。

0024

熱電変換モジュールの基板は、基板に搭載した熱電変換素子の端部間に温度勾配が生じるように基板を発熱体に当着させる必要がある。完成した基板300の温度分布について図3を用いて説明する。図3は、基板300の一方の面(図3では下方の面)を発熱体20に接した状態を示している。発熱体20の温度は外気に較べて充分高い温度になっているものとする。基板300の発熱体20に接していない面(図3では上方の面)の温度は、発熱体20からの熱の基板300に対する伝導度合いによる。熱伝導シートを垂直方向に折り重ねた熱伝導部120では、発熱体20からの熱が熱伝導層を伝わり高温部となる。また、熱伝導シートを水平に折り重ねた不良熱伝導部110では、発熱体20からの熱が接着層や断熱フィルムにより伝わり難く低温部となる。基板300は熱伝導部120と不良熱伝導部110とを交互に形成しているので、基板300上に高温部と低温部の個所が交互に在る温度分布を成すことになる。この高温部と低温部に跨がって熱電変換素子を配置することで熱電変換素子は発電する。

0025

次に、基板300を用いた熱電変換モジュールの作成例を図4を用いて説明する。まず、基板300の熱電変換素子を搭載する面(図4では上方の面)の全体に絶縁膜となるSiO2膜400をスパッタリング法により成膜する。膜厚は約1μmである(図4(a)参照)。

0026

SiO2膜400の上に、P型半導体とN型半導体の材料をそれぞれスパッタリング法を用いて成膜し、P型熱電変換素子500、およびN型熱電変換素子510を形成する。このとき、図4(b)に示すようにP型熱電変換素子500、およびN型熱電変換素子510のそれぞれの端部が不良熱伝導部110と熱伝導部120に跨がるように形成される。

0027

熱電変換素子を形成した後、P型熱電変換素子500とN型熱電変換素子510の端部(端子)の電気的接続を図るためにアルミニュムや銅、金などの導体材料を成膜し、図4(c)示すように電極410を形成する。必要に応じて全体を保護膜で覆い、熱電変換モジュール600は完成する。例えば人体などの発熱体は、図4(c)の熱電変換モジュール600の基板300の下面に当接され、その発熱体の熱が熱伝導部120を伝わり熱電変換素子500、510の端部の温度を上昇させ、不良熱伝導部110との温度差で発電する。

0028

上記に説明した熱電変換モジュール600は、1枚の基板上に熱電変換素子を搭載する構造であるが、熱電変換素子を2枚の基板で狭持するサンドイッチ構造としてもよい。図5は、そのようなサンドイッチ構造の熱電変換モジュール601を示す。熱電変換モジュール601は、前述した熱電変換モジュール600の上に接着剤420を塗布し、その上に基板301を被せた構造である。基板301は、基板300と同一構造の基板である。基板301の内側の面(図5の下方の面)には、SiO2膜401を被着している。また、図5に示すように、基板301の不良熱伝導部111と熱伝導部121とは、下部の基板300の熱伝導部120と不良熱伝導部110とがそれぞれ熱電変換素子を挟んで対向するように配置している。このような構造とすることで、発熱体と外気との熱が熱伝導部120、121を介して伝熱し、熱電変換素子の端部間の温度勾配はより大きなものとなり、発電効率を高くすることができる。

0029

次に、熱電変換モジュール601の構造の基板断面の温度分布をシミュレーションにより求めた例を説明する。図6(a)は、熱電変換モジュール601の基板断面をモデル化した図で、網点掛けた図形であるモデル13は図1に示した熱伝導層11を表し、白抜きの図形であるモデル14は接着層12を表している。また、斜線の図形であるモデル15は熱電変換素子が搭載される領域(この領域は接着剤で満たされているものとした)である。モデル15を境に上方が図5に示す基板301、下方が基板300に相当する。また図中に示した領域16と領域17は、熱電変換素子の端部が配置される位置の領域を示している。ここでは、下方の基板側(図6(a)の高温面)が接する温度を36℃と設定し、上方の基板側(図6(a)の低温面)を26℃と設定した。なお、計算に用いた熱伝導率は、熱伝導層11に相当するモデル13は水平方向1,000W/mk、垂直方向(厚み方向)6W/mk、接着層12に相当するモデル14と接着剤で満たした領域16に相当するモデル15は共に0.2W/mkとした。

0030

計算結果図6(b)に示され、高温面からの熱は左下側の垂直に配置したモデル13(熱伝導部120に相当)を伝導して高い温度(モデル15から下側の網点の密度が高い方が温度が高い状態を示している)を示し、領域17はその中に含まれている。反対に低温面からの熱は右上側の垂直に配置したモデル13(熱伝導部121に相当)を伝導して低い温度を示し、領域16はその中に含まれている。領域17と領域16との温度差は9.5℃あり、略高温面と低温面に設定した温度が端部位置に伝わっていることが分かる。これにより、熱伝導シートを用いて作成した基板は、効率よく熱電変換素子を発電させることが確認された。

0031

以上、本発明の熱電変換モジュールの実施例を説明したが、これらは上記した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。

0032

10熱伝導シート
11熱伝導層
12接着層
13モデル(熱伝導層相当)
14 モデル(接着層相当)
15 モデル(熱電変換素子の搭載領域
16 領域(熱電変換素子の低温側端部配置領域)
17 領域(熱電変換素子の高温側端部配置領域)
20発熱体
100基板コア
110 不良熱伝導部
111 不良熱伝導部
120 熱伝導部
121 熱伝導部
200断熱フィルム
300基板
301 基板
400 SiO2膜
401 SiO2膜
410電極
420接着剤
500P型熱電変換素子
510N型熱電変換素子
600熱電変換モジュール
601 熱電変換モジュール

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