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技術 熱電変換部材

出願人 株式会社KRI
発明者 荒木圭一
出願日 2013年1月28日 (6年4ヶ月経過) 出願番号 2013-012988
公開日 2014年8月14日 (4年10ヶ月経過) 公開番号 2014-146640
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 電気絶縁性シート 熱電変換部材 熱交換シート 電気絶縁シート 絶縁性素材 集熱体 絶縁素材 熱電変換デバイス
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年8月14日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

フィルム状の基材に形成された薄膜熱電変換素子において、大きな温度差が得られ、かつ高い柔軟性を有し、曲面への設置が容易であること。

解決手段

薄膜熱電変換素子を形成した電気絶縁シート1を波型にし、底部1bを熱交換シート2上に固定する。電気絶縁シート1の頂部1aはハンドリングの際に摩擦や衝撃などが加わり最も摩耗が激しいと予想されるため、熱伝導性の高い材質を用いた集熱体8を設置することにより保護する。このような構造にすることで、柔軟で曲面への密着性に優れ、且つ大きな温度差を得ることが可能な熱電変換素子が実現できる。さらに、波型に折り曲げられた電気絶縁シート1と熱交換シート2によって囲まれた空間に絶縁性物質から成る管5を設置することにより、素子機械的強度を向上させる。

概要

背景

度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子として、柔軟で、曲面への設置を容易にするため、樹脂などのフィルム上に熱電変換材料薄膜製膜し、熱電変換素子としたものが知られている(特許文献1、2参照)。しかしながら、これらの素子は、平坦なフィルムの面内に温度差を発生させて発電するため、大きな温度差を付けるのが困難であり、従って発電効率が悪いという問題がある。

一方、特許文献3では、図1(a)に示すように熱電変換素子21、22を形成した電気絶縁性シート12を波形状に折り、その頂部12aと底部12bをそれぞれ熱交換シート14,15上に固定した素子構造提示している。この構造は電気絶縁性シート12と熱交換シート14の接点直近に素子の端部があり、もう一方の端部は熱交換シート15との接点の直近にある。このような構造とすることで、素子の表と裏に温度差をつけた際、電気絶縁シート12上で、頂部12aと底部12bの間の温度差が最大となるような温度分布が発生する。しかしながら、この素子10を曲面を有する対象物20に密着させるために波打ち方向に曲げようとすると、図1(b)に示すように、対象物20側にあるカバーシート17および熱交換シート15が部分的に折れ曲がることになる。このため、対象物20との熱交換が効率的に行えず、発電素子としては発電効率の低下の原因となる。また、冷却素子としては、対象物との接触が不十分のため冷却効率低下の原因となる。

概要

フィルム状の基材に形成された薄膜熱電変換素子において、大きな温度差が得られ、かつ高い柔軟性を有し、曲面への設置が容易であること。薄膜熱電変換素子を形成した電気絶縁シート1を波型にし、底部1bを熱交換シート2上に固定する。電気絶縁シート1の頂部1aはハンドリングの際に摩擦や衝撃などが加わり最も摩耗が激しいと予想されるため、熱伝導性の高い材質を用いた集熱体8を設置することにより保護する。このような構造にすることで、柔軟で曲面への密着性に優れ、且つ大きな温度差を得ることが可能な熱電変換素子が実現できる。さらに、波型に折り曲げられた電気絶縁シート1と熱交換シート2によって囲まれた空間に絶縁性物質から成る管5を設置することにより、素子の機械的強度を向上させる。

目的

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、曲面形状を有する対象物(パイプ状の物体、或いは人間の首や腕など)に密着し、これらの対象物との間で効率的な熱交換を行うことを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

波形に折り曲げ電気絶縁シートと、電気絶縁シートに設けた薄膜熱電変換素子と、電気絶縁シートの底部に固定した熱交換シートとを備えた熱電変換デバイスであって、波形状の電気絶縁シートの底部を柔軟な熱交換シートと接着固定したことを特徴とする熱電変換部材

請求項2

前記薄膜熱電変換素子が前記波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側に設けてあることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換部材。

請求項3

前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートの頂部に高熱伝導性素材からなる集熱体接着したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の熱電変換部材。

請求項4

前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートと熱交換シートの空間に絶縁性素材からなる管を挿入したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換部材。

技術分野

0001

本発明は、ゼーベック効果を利用して温度差電気に変換する発電素子および、ペルチェ効果を利用して温度差を発生させる冷却・加熱素子を用いた熱電変換部材に関するものである。

背景技術

0002

温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換素子として、柔軟で、曲面への設置を容易にするため、樹脂などのフィルム上に熱電変換材料薄膜製膜し、熱電変換素子としたものが知られている(特許文献1、2参照)。しかしながら、これらの素子は、平坦なフィルムの面内に温度差を発生させて発電するため、大きな温度差を付けるのが困難であり、従って発電効率が悪いという問題がある。

0003

一方、特許文献3では、図1(a)に示すように熱電変換素子21、22を形成した電気絶縁性シート12を波形状に折り、その頂部12aと底部12bをそれぞれ熱交換シート14,15上に固定した素子構造提示している。この構造は電気絶縁性シート12と熱交換シート14の接点直近に素子の端部があり、もう一方の端部は熱交換シート15との接点の直近にある。このような構造とすることで、素子の表と裏に温度差をつけた際、電気絶縁シート12上で、頂部12aと底部12bの間の温度差が最大となるような温度分布が発生する。しかしながら、この素子10を曲面を有する対象物20に密着させるために波打ち方向に曲げようとすると、図1(b)に示すように、対象物20側にあるカバーシート17および熱交換シート15が部分的に折れ曲がることになる。このため、対象物20との熱交換が効率的に行えず、発電素子としては発電効率の低下の原因となる。また、冷却素子としては、対象物との接触が不十分のため冷却効率低下の原因となる。

先行技術

0004

特開2003−133600号公報
特開2006−186255号公報
特開2005−328000号広報

発明が解決しようとする課題

0005

図1(b)に示したシートの折れが発生するメカニズムは以下の通りである。即ち、曲面を有する対象物20の形状に合わせて素子を波打ち方向に曲げようとすると、隣接する頂部12aの間隔を広げようとする力が働くが、頂部12aは熱交換シート14上に固定されているために、広がることができない。そのため、反対側の熱交換シート15及びカバーシートに圧縮応力が加わり、折れが発生する。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、曲面形状を有する対象物(パイプ状の物体、或いは人間の首や腕など)に密着し、これらの対象物との間で効率的な熱交換を行うことを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

上記目的を達成するために、本発明者は鋭意検討した結果、大きな温度差が得られ、かつ高い柔軟性を有し、曲面への設置が容易である熱電変換部材を発明することができた。すなわち、本発明は以下の技術的特徴を有する構成の熱電変換部材である。

0007

〔1〕波形に折り曲げた電気絶縁シートと、電気絶縁シートに設けた薄膜熱電変換素子と、電気絶縁シートの底部に固定した熱交換シートとを備えた熱電変換デバイスであって、波形状の電気絶縁シートの底部を柔軟な熱交換シートと接着固定したことを特徴とする熱電変換部材。
〔2〕 前記薄膜熱電変換素子が前記波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側に設けてあることを特徴とする前記〔1〕に記載の熱電変換部材。
〔3〕 前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートの頂部に高熱伝導性素材からなる集熱体接着したことを特徴とする前記〔1〕又は前記〔2〕に記載の熱電変換部材。
〔4〕 前記熱電変換素子において、波形状の電気絶縁シートと熱交換シートの空間に絶縁性素材からなる管を挿入したことを特徴とする前記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の熱電変換部材。

発明の効果

0008

本発明の熱電変換部材は、曲面形状を有する対象物(パイプ状の物体、或いは人間の首や腕など)に密着し、これらの対象物との間で効率的な熱交換を行うことが可能である。
また、本発明の熱電変換部材は、大きな温度差が得られ、かつ高い柔軟性を有し、曲面への設置が容易である。

図面の簡単な説明

0009

(a)特許文献3の素子の断面構造図である。(b)特許文献3の素子を曲面に密着させようとした際に発生するカバーシートの折れを示す図である。
(a)請求項1の発明を示す断面構造図である。(b)電気絶縁シート1上の熱電変換素子群を示す図である。(c)請求項1の発明により曲面への密着性が向上することを示す図である。
請求項3と4の発明を示す断面構造図である。
集熱体を対象物に接触させる使用法を示した図である。
本発明の実施例1において、電気絶縁シート上に熱電変換素子を形成した状態を示す図である。
本発明の実施例1において、電気絶縁シートと管、熱交換シートの相対的な位置関係を示す図である。

0010

本発明は、図2(a)に示すように薄膜熱電変換素子3と4を形成した電気絶縁シート1を波型に折り曲げ、底部を柔軟な熱交換シート2で固定した熱電変換部材である。波型電気絶縁シート1の底部を固定する熱交換シートを柔軟な熱交換シートにし、頂部は固定しない構造とすることにより、図2(c)に示すように素子00を曲面を有する対象物20に密着させる際、隣接する頂部1aの間隔が広がろうとする動きに対して障害となるものが一切無く、対象物にスムーズにフィットさせることができる。

0011

前記薄膜熱電変換素子は、n型およびp型熱電変換材料薄膜が対となって一つの素子を構成する。電気絶縁シート1上に熱電変換素子を形成した状態を図2(b)に示す。図ではn型熱電変換材料3およびp型熱電変換材料4が電極6を介して接合して一つの素子を構成しており、複数の素子が配線7により直列接続されている。このように、多数の素子を直列接続した構成にするのは、通常一つの素子から発生しうる熱起電力実用レベルに比べて極めて小さいからである。起電力目安として、現在最も一般的な熱電変換材料であるビスマステルル(Bi2Te3)の場合、ゼーベック係数(温度差が1℃のときに発生する熱起電力)は150〜200μV/K程度のため、例えば温度差が30℃の場合、発生する熱起電力は4.5〜6.0mVである。

0012

素子の構成としては、n型およびp型熱電変換材料薄膜が電極を介して接続した構成以外に、電極を介さず直接n型およびp型熱電変換材料薄膜が接続した構成でもよい。また、どちらか一方の熱電変換材料のみでも素子を構成できる。その場合の素子は、図2(b)における3あるいは4のどちらかが電極・配線と同じ素材になったものと同じ構成である。

0013

薄膜の作製方法には真空蒸着法スパッタ法といった乾式法と、塗布法メッキ法電解析出法といった湿式法を用いることができる。薄膜の材料には、金属、半導体導電性樹脂カーボンナノチューブグラフェンなどのカーボン系材料といった材料を用いることができる。また、電極、配線にはAg、Au、Cu、Ptなどの金属薄膜を用いることができる。成膜方法には、真空蒸着法やスパッタ法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法を用いることができる。

0014

前記電気絶縁シートとしては、ポリイミドポリエチレンテレフタレートなどの樹脂フィルムを用いることができる。

0015

前記熱交換シートとしてはポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどの樹脂フィルム、銅箔アルミ箔といった金属箔、或いは樹脂と金属の積層フィルムを用いることができる。

0016

また、本発明の熱電変換部材においては、前記薄膜熱電変換素子は、前記波形状の電気絶縁シートのどちらの側に設けても良いが、好ましくは、前記波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側に設けてあることが好ましい。図2(b)に示すように、素子3と4はフィルム1のM2面側に形成してあるが、これはM1面だと素子が外部に露出してしまうためである。薄膜熱電変換素子を波形状の電気絶縁シートの熱交換シート側(内側)に設けることにより、薄膜熱電変換素子は保護され、耐候性耐光性に優れるとともに、破損されにくい熱電変換部材にすることができる。

0017

また、本発明の熱電変換部材においては、図3に示すように、電気絶縁シート1の頂部を保護するため、高熱伝導素材から成る集熱体8を設置することもできる。こうすることで、最も摩耗が激しいと推測される頂部の補強ができる。これにより集熱体を対象物に接触させて使用することも可能となる。

0018

前記集熱体には、銅やアルミニウムといった熱伝導性に優れた金属材料を用いることができる。集熱体の設置方法には、銅箔やアルミ箔などを接着する方法と、電気絶縁シート1上に直接製膜する方法がある。成膜方法には、真空蒸着法やスパッタ法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法を用いることができる。

0019

更に、本発明の熱電変換部材においては、電気絶縁シートと熱交換シートで囲まれた空間に絶縁性素材からなる管5を挿入することもできる。こうすることで、上からの圧力によって波形状が潰れることを防止できる。

0020

挿入する前記管には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンポリスチレン等の樹脂製の管を用いることができる。

0021

本発明における接着箇所、即ち、電気絶縁シート1を波形にした際の底部1bと熱交換シート2の接着、管と電気絶縁シート1、熱交換シート2の接着、さらに電気絶縁シート1と集熱体8の接着には、接着剤両面テープを用いることができる。また、熱圧着などの手法を用いてもよい。

0022

以上示した例では、熱交換シートを対象物に接触させて用いる場合の例を記載したが、図4に示すように集熱体8を対象物に接触させて用いることも可能である。この使用法は、吸熱部に対して放熱部の面積を相対的に広くすることができるという点で、素子に大きな温度差を発生させるのに有効である。また、図4に示すように熱交換シートの表面積を大きくするための加工を施すことで、より放熱性を高めることも可能である。図の例では、内側の2aは絶縁性の素材、外側の2bには銅やアルミニウムなどの金属素材を想定しており、微細な溝を形成して表面積を大きくする工夫をしている。

0023

この発明の実施の形態を図5図6の実施例を参照して説明する。図5は電気絶縁シート1の表面に1対のn型熱電変換材料3とp型熱電変換材料4より成る熱電変換素子が6個直列に接続されたものである。電気絶縁シート1はポリイミドフィルム(厚さ70μm)を用いた。前記シートに要求される特性は、(a)柔軟性があること、(b)絶縁体であれこと、(c)熱電変換材料や電極、配線の製膜時に熱処理が必要な場合、その熱に耐えられることであり、条件を満足する材質であれば何でもよいが、ポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどの樹脂フィルムが熱伝導率が低いという利点があるため好ましい。熱電変換材料としては、n型にビスマステルル(Bi2Te3)を真空蒸着により、p型に導電性ポリマーであるPEDOT:PSSスリットコート法により、それぞれ2mm×1mmの長方形の領域に製膜した。熱電変換材料の薄膜の製膜方法としては、他にインクジェットスクリーン印刷などの湿式プロセススパッタリングCVDなどのドライプロセスを採用することができる。電極及び素子間を接続する配線部には銀ペースト化成ドータイトD−550)をスリットコートで製膜した。

実施例

0024

次に、図6に示すように、図5のフィルムを波板上に変形させ、底部を絶縁シート2に接着、頂部に高熱伝導素材より成る集熱体8を接着、さらに電気絶縁シート1と熱交換シート2の間の空間に絶縁素材から成る管5を挿入した熱電変換モジュール図4に示す。集熱体8は銅箔を使用した。管5はポリスチレン製チューブ外径3mm)を使用した。熱交換シート2には銅とポリイミドの積層フィルム(新日鉄住金化学エスパネックスMC12−25−00CM)を用いた。接着面はポリイミド面とした。ここに示した例では、素子数は6個であるが、実用的な起電力を得るためには、より多く(数100から1000個が好ましい)の素子が必要になる。素子数を増やす方法としては、(a)一列当たりの素子数を増やす、(b)列の数を増やす、(c)多層構造にする方法などがある。

0025

上述のように、本発明によれば、薄膜熱電変換素子の柔軟性が向上し、特に管状の物体(パイプや人間の首、腕など)に巻きつけても、折れなどが発生せずにフィットさせることが可能となる。その結果、発電素子の場合は、大きな温度差を得ることができ、発電効率が向上する。また、冷却素子の場合は、対象物に密着することで冷却効率が向上する。
従って、本発明は工場内の配管や、建物内の空調や給湯設備の配管などの表面に貼り付けて発電したり、人体の首や腕、足などに巻きつけて局所的に冷却するといった用途に適用できる。

0026

1電気絶縁シート
1a 1を波形にした際の頂部
1b 1を波形にした際の底部
2熱交換シート
3 n型熱電変換材料薄膜
4 p型熱電変換材料薄膜
5 管
6電極
7配線
8集熱体
12 電気絶縁シート
12a 12を波形にした際の頂部
12b 12を波形にした際の底部
14,15 熱交換シート
16,17カバーシート
20対象物
21 n型熱電変換材料薄膜
22 p型熱電変換材料薄膜

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