JP2017135278A - 熱電変換デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電極間の温度差を容易に大きくすることができ、出力を高めることができる、熱電変換デバイスを提供する。【解決手段】本発明に係る熱電変換デバイス１は、基材５と、基材５の上面上に配置されており、かつ基材５から突出している突出部３と、突出部３の側面上に配置されている熱電変換材料２と、熱電変換材料２の表面上に配置されている複数の電極４とを備える。基材５から突出している突出部３の突出高さＺが、熱電変換材料２の突出部３の側面上に配置されている部分の、突出部３の側面の面方向に直交する方向における寸法Ｔよりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換材料を用いた熱電変換デバイスに関する。

近年、エネルギー問題への取り組みが活発化しており、熱エネルギーの回収技術への期待が高まっている。熱エネルギーは、体温、太陽熱、エンジン及び工業排熱等様々な場面から回収することができ、最も一般的なエネルギー源である。また、エネルギー効率の高い低炭素社会を実現するために、熱エネルギーの回収技術の必要性は増大している。

熱エネルギーの回収技術としては、ゼーベック効果（又はペルチェ効果）に基づく熱電変換デバイスが、温度差発電、熱センサ及び冷却等の様々な場面で既に活用されている。熱電変換デバイスは、例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体との組み合わせである熱電対を多数直列に接続したモジュール構造を有する。

上記のような熱電変換デバイスの一例が、下記の特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の熱電変換デバイスは、基材と、上記基材上に積層された熱電変換素子とを備える。上記熱電変換素子は、第１の電極と、有機材料を含む熱電変換層と、第２の電極とをこの積層順で有する。上記基材上の一部の領域に、上記第１の電極が積層されている。上記熱電変換層は、上記第１の電極上及び上記基材上にわたって積層されている。特許文献１では、上記熱電変換層と上記基材又は上記第１の電極との密着性が高くなることが記載されている。

特開２０１５−０７２９５４号公報

熱電変換材料の厚みが薄い場合に、熱電変換材料の断熱性が低くなる傾向がある。このため、厚みが薄い熱電変換材料において、厚み方向の一方の電極側に高温部（熱源）を配置し、他方の電極側に低温部を配置した場合に、電極間の温度差を大きくすることが困難である。電極間の温度差を大きくすることができない場合、熱電変換デバイスの出力を高めることは困難である。

本発明の目的は、電極間の温度差を容易に大きくすることができ、出力を高めることができる、熱電変換デバイスを提供することである。

本発明の広い局面によれば、基材と、前記基材の上面上に配置されており、かつ前記基材から突出している突出部と、前記突出部の側面上に配置されている熱電変換材料と、前記熱電変換材料の表面上に配置されている複数の電極とを備え、前記基材から突出している前記突出部の突出高さが、前記熱電変換材料の前記突出部の側面上に配置されている部分の、前記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法よりも大きい、熱電変換デバイスが提供される。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記突出部の熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記基材から突出している前記突出部の突出高さが、前記熱電変換材料の前記突出部の側面上に配置されている部分の、前記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法の２倍以上である。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記熱電変換材料が層状である。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記熱電変換材料が、前記突出部の上方にて前記突出部の上面の面方向に延びるように配置されている。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記電極が、前記熱電変換材料における前記突出部の上方にて前記突出部の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上又は上面上に配置されている。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記熱電変換材料が、前記突出部の側方にて、前記基材の上面の面方向に延びるように配置されている。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記電極が、前記熱電変換材料における前記突出部の側方にて前記基材の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上又は上面上に配置されている。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記熱電変換材料及び前記突出部をそれぞれ複数備える。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記突出部の側面が、前記突出部の下面側から上面側にかけて、前記突出部の内側に向かって傾斜している。

本発明に係る熱電変換デバイスのある特定の局面では、前記熱電変換材料が、カーボンナノチューブを含む。

本発明に係る熱電変換デバイスは、基材と、基材の上面上に配置されており、かつ基材から突出している突出部と、突出部の側面上に配置されている熱電変換材料と、熱電変換材料の表面上に配置されている複数の電極とを備え、基材から突出している突出部の突出高さが、熱電変換材料の突出部の側面上に配置されている部分の、突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法よりも大きいので、電極間の温度差を容易に大きくすることができ、出力を高めることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図３は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。 図４は、本発明の第４の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に係る熱電変換デバイスは、基材と、上記基材の上面上に配置されており、かつ上記基材から突出している突出部と、上記突出部の側面上に配置されている熱電変換材料と、上記熱電変換材料の表面上に配置されている複数の電極とを備える。

上記突出部は、上記基材と一体化されていてもよい。上記基材と上記突出部との間に、界面が存在していてもよく、界面が存在していなくてもよい。上記基材の材料と上記突出部の材料とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。上記熱電変換材料は、上記突出部の少なくとも側面上に配置されていればよい。上記熱電変換材料は、上記突出部の側面以外の表面上にも配置されていてもよい。

上記基材から突出している上記突出部の突出高さは、上記熱電変換材料の上記突出部の側面上に配置されている部分の、上記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法よりも大きい。そのため、上記突出部の側面の面方向に沿う上記熱電変換材料の寸法を容易に大きくすることができ、上記複数の電極間の距離を容易に大きくすることができる。上記複数の電極のうちの一方の電極が加熱されており、他方の電極が冷却されている場合、熱が伝搬する距離が長くなるので、上記複数の電極間の温度差を容易に大きくすることができる。上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高くすることができる。

上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高くする観点からは、上記突出部の熱伝導率は好ましくは０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下、より好ましくは０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下、更に好ましくは０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。上記突出部の熱伝導率が上記上限以下であると、上記突出部が断熱材として効果的に作用し、上記突出部により断熱性を効果的に高めることができる。上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高くする観点からは、上記突出部の熱伝導率が、上記熱電変換材料の熱伝導率よりも低いことが好ましい。

上記基材から突出している上記突出部の突出高さＺが、上記熱電変換材料の上記突出部の側面上に配置されている部分の、上記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法Ｔよりも大きい。すなわち、突出高さＺ／寸法Ｔは、１を超える。上記熱電変換デバイスの出力をより効果的に高くする観点からは、上記基材から突出している上記突出部の突出高さＺが、上記熱電変換材料の上記突出部の側面上に配置されている部分の、上記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法Ｔの好ましくは１．１倍以上、より好ましくは２倍以上、更に好ましくは５倍以上である。

上記突出部の突出高さは、上記基材の面方向と直交する方向において、上記基材の上面と突出部の上面とを結ぶ上記突出部の最大距離である。

上記熱電変換材料は層状であってもよい。この場合には、上記熱電変換デバイスの出力を特に効果的に高めることができる。層状とは、例えば、シート状の形態や、印刷、蒸着、スパッタ等で作成される薄膜状の形態が挙げられる。上記熱電変換材料が層状である場合に、上記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法は、上記熱電変換材料の厚みであることが好ましい。

上記熱電変換デバイスにおける導電性を高くする観点からは、上記熱電変換材料が、上記突出部の上方にて上記突出部の上面の面方向に延びるように配置されていることが好ましい。この場合には、上記電極が、上記熱電変換材料における上記突出部の上方にて上記突出部の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上又は上面上に配置されていることが好ましい。このような配置状態では、上記電極と上記熱電変換材料との接触面積を大きくすることができるので、導電性を効果的に高めることができる。上記電極は、上記熱電変換材料における上記突出部の上方にて上記突出部の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上に配置されていてもよく、上面上に配置されていてもよい。

上記熱電変換デバイスにおける導電性を高くする観点からは、上記熱電変換材料が、上記突出部の側方にて、上記基材の上面の面方向に延びるように配置されていることが好ましい。この場合には、上記電極が、上記熱電変換材料における上記突出部の側方にて上記基材の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上又は上面上に配置されていることが好ましい。このような配置状態では、上記電極と上記熱電変換材料との接触面積を大きくすることができるので、導電性を効果的に高めることができる。上記電極は、上記熱電変換材料における上記突出部の側方にて上記基材の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上に配置されていてもよく、上面上に配置されていてもよい。

なお、上記突出部の上面、上記基材の上面又は上記突出部の側面において、上記熱電変換材料が延びる方向における上記熱電変換材料の先端（端面）が、上記電極に接触するように配置されていてもよい。

上記熱電変換デバイスは、複数の電極を備える。上記熱電変換材料の表面上に配置された第１の電極と、上記第１の電極と離れた位置において、上記熱電変換材料の表面上に配置された第２の電極とを備えることが好ましい。上記第１の電極と、上記熱電変換材料と、上記第２の電極とを備える構造部分は熱電変換素子である。

上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高める観点からは、上記熱電変換デバイスは、上記熱電変換材料及び上記突出部をそれぞれ複数備えることが好ましい。上記熱電変換デバイスは、上記熱電変換素子を複数備えることが好ましい。

上記熱電変換デバイスの出力をより効果的に高める観点からは、上記突出部の側面が、上記突出部の下面側から上面側にかけて、上記突出部の内側に向かって傾斜していることが好ましい。上記突出部の側面における下面側の端部から上面側の端部までの寸法を大きくすることができるので、上記電極間の距離を大きくすることができる。そのため、電極間の温度差を大きくすることができ、出力をより効果的に高めることができる。また、上記突出部と上記熱電変換材料との密着性を容易に高めることができる。

さらに、例えば、上記熱電変換材料を印刷等により形成する場合、上記突出部の傾斜した側面上に、上記熱電変換材料を容易に形成することができ、上記熱電変換デバイスの生産性を高めることができる。

上記突出部の側面が上述のように傾斜している場合、上記熱電変換デバイスの出力をより一層高める観点からは、上記突出部の側面の傾斜角度θは、好ましくは９０°以下、より好ましくは８５°以下、より好ましくは７５°以下、更に好ましくは６５°以下、更に一層好ましくは５５°以下、特に好ましくは４５°以下である。上記突出部の側面の傾斜角度θは、１２０°以下であってもよく、５°以上であってもよく、１５°以上であってもよく、２５°以上であってもよく、３５°以上であってもよく、４５°以上であってもよい。上記傾斜角度θは、上記突出部の側面及び下面部分の内角である（図１参照）。

なお、上記突出部の側面が傾斜していれば、傾斜角度が大きくても傾斜角度が小さくても、上記電極間の距離をある程度大きくすることができるので、上記熱電変換デバイスの出力をある程度高めることができる。

上記熱電変換材料は、カーボンナノチューブを含んでいてもよい。上記熱電変換材料は、例えば、上記カーボンナノチューブを分散媒に分散させた分散液を減圧ろ過法や加圧ろ過法によってろ紙に堆積させ、得られた堆積物を乾燥させることにより得ることができる。上記カーボンナノチューブのアスペクト比が大きく、上記分散液の濃度が低い場合、上記方法によりろ紙に堆積させた場合、上記カーボンナノチューブは面方向に平行になりやすい。この場合には、上記熱電変換材料の電気抵抗を効果的に低くすることができ、上記熱電変換デバイスの出力を効果的に高めることができる。

上記熱電変換材料は、高分子材料を含んでいてもよい。上記高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン及びポリイミド等が挙げられる。上記熱電変換材料は、導電性高分子材料を含んでいてもよい。上記導電性高分子材料としては、例えば、ポリチエニンビニレンにヨウ素をドープした材料等が挙げられる。

なお、上記熱電変換材料は無機材料を含んでいてもよい。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。

なお、実施形態において参照する図面は、模式的に記載されており、図面に描画された物体の寸法の比率等は、現実の物体の寸法の比率等とは異なる場合がある。具体的な物体の寸法の比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１に示す熱電変換デバイス１は、基材５を備える。基材５の材料は、ポリイミド等の樹脂材料や、適宜のセラミック材料等である。

熱電変換デバイス１は、基材５の上面上に配置されており、かつ基材５から突出している突出部３を備える。突出部３の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。突出部３の材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂等が挙げられる。

熱電変換デバイス１は、基材５の上面上、突出部３の側面上及び突出部３の上面上にわたって配置されている熱電変換材料２を備える。熱電変換材料２は、基材５の上面上の突出部３がない領域に配置されている。熱電変換材料２は層状である。熱電変換デバイス１は、突出部３及び熱電変換材料２をそれぞれ複数備える。熱電変換デバイス１は、後述する電極４により、同種の半導体である熱電変換材料２同士が互いに直列に接続された、ユニレグ型の熱電変換デバイスである。熱電変換材料２は、ｎ型半導体であってもよく、ｐ型半導体であってもよい。

基材５から突出している突出部３の突出高さＺは、熱電変換材料２の突出部３の側面上に配置されている部分の、突出部３の側面の面方向に直交する方向における寸法Ｔよりも大きい。

熱電変換デバイス１は、各熱電変換材料２の表面上に配置されている複数の電極４を備える。各電極４は、２つの熱電変換材料２を接続している。各電極４は、並んで配置された２つの熱電変換材料２を接続しており、隣り合う２つの熱電変換材料２を接続している。電極４が延びる方向における電極４の一方端は、一方の熱電変換材料２における突出部３の上面上に配置されている部分の上面上に配置されている。電極４が延びる方向における電極４の他方端は、他方の熱電変換材料２における基材５の上面上に配置されている部分の上面上に配置されている。電極４の上記一方端及び上記他方端の間の部分の一部は、突出部３の側面上に配置されている。

電極４は、例えば、印刷等により形成することができる。熱電変換デバイス１においては、電極４を１つの工程において形成することができるので、生産性を高めることができる。電極４は、隣り合う熱電変換材料２同士を接続していることが好ましい。この場合には、電極４を容易に形成することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。

図２に示す熱電変換デバイス１１は、基材５と、基材５の上面上に配置されており、かつ基材５から突出している突出部３と、突出部３の側面上に配置されている熱電変換材料１２とを備える。熱電変換材料１２は、基材５の上面上及び突出部３の上面上には配置されていない。熱電変換デバイス１１は、突出部３及び熱電変換材料１２をそれぞれ複数備える。

熱電変換デバイス１１は、熱電変換材料１２が延びる方向における熱電変換材料１２の一方端に接続されている第１の電極１４ａと、上記方向における熱電変換材料１２の他方端に接続されている第２の電極１４ｂとを備える。熱電変換デバイス１１は、第１，第２の電極１４ａ，１４ｂをそれぞれ複数備える。

第１の電極１４ａは、突出部３の側面上における熱電変換材料１２が配置されていない部分及び突出部３の上面上に配置されている。第２の電極１４ｂは、基材５の上面上に配置されている。第１の電極１４ａは、当該第１の電極１４ａが接続されている熱電変換材料１２とは別の熱電変換材料１２に接続されている第２の電極１４ｂに接続されている。

なお、第１の電極と第２の電極とは、突出部の側面上又は上面上において接続されていてもよい。このとき、第２の電極は、突出部の側面上に配置されていてもよく、突出部の上面上に配置されていてもよい。また、第１の電極は、基材の上面上に至っていてもよい。

熱電変換材料は、突出部の側面に配置されており、かつ突出部の側方にて、第２の電極の上面の面方向に延びるように配置されていてもよい。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。

図３に示す熱電変換デバイス２１は、基材５と、基材５の上面上に配置されており、かつ基材５から突出している突出部２３とを備える。突出部２３の側面は、突出部２３の下面側から上面側にかけて、突出部２３の内側に向かって傾斜している。

熱電変換デバイス２１は、基材５の上面上、突出部２３の側面上及び突出部２３の上面上にわたって配置されている熱電変換材料２２を備える。熱電変換デバイス２１は、突出部２３及び熱電変換材料２２をそれぞれ複数備える。

熱電変換デバイス２１は、各熱電変換材料２２の表面上に配置されている複数の電極２４を備える。各電極２４は、２つの熱電変換材料２２を接続している。電極２４は、基材５の上面上、突出部２３の側面上及び突出部２３の上面上にわたって配置されている。電極２４が延びる方向における電極２４の一方端は、突出部２３の上面上において、一方の熱電変換材料２２の下面上に配置されている。電極２４が延びる方向における電極２４の他方端は、基材５上において、他方の熱電変換材料２２の下面上に配置されている。

図４は、本発明の第４の実施形態に係る熱電変換デバイスの断面図である。

図４に示す熱電変換デバイス３１は、第１の基材３５ａと、第１の基材３５ａの上面上に配置されており、かつ第１の基材３５ａから突出している突出部２３とを備える。突出部２３の側面は、突出部２３の下面側から上面側にかけて、突出部２３の内側に向かって傾斜している。

熱電変換デバイス３１は、第１の基材３５ａの上面上、突出部２３の側面上及び突出部２３の上面上にわたってそれぞれ配置されている、熱電変換材料３２ａ，３２ｂを備える。熱電変換材料３２ａはｎ型半導体であり、熱電変換材料３２ｂはｐ型半導体である。熱電変換デバイス３１は、突出部２３及び熱電変換材料３２ａ，３２ｂをそれぞれ複数備える。熱電変換デバイス３１は、後述する第１，第２の電極３４ａ，３４ｂにより、異なる種類の半導体である熱電変換材料３２ａと熱電変換材料３２ｂとが互いに接続された、π型の熱電変換デバイスである。

第１の基材３５ａから突出している突出部２３の突出高さＺは、熱電変換材料３２ａの突出部２３の側面上に配置されている部分の、突出部２３の側面の面方向に直交する方向における寸法Ｔ１よりも大きい。上記突出高さＺは、熱電変換材料３２ｂの突出部２３の側面上に配置されている部分の、突出部２３の側面の面方向に直交する方向における寸法Ｔ２よりも大きい。

熱電変換デバイス３１は、突出部２３の上面上に配置されている第１の電極３４ａと、第１の基材３５ａの上面上に配置されている第２の電極３４ｂとを備える。第１の電極３４ａは、突出部２３の上面の上方において、熱電変換材料３２ａと熱電変換材料３２ｂとを接続している。第２の電極３４ｂは、第１の基材３５ａの上面において、熱電変換材料３２ａと熱電変換材料３２ｂとを接続している。

熱電変換デバイス３１は、第１の電極３４ａの上面上に配置されている第２の基材３５ｂを備える。第１，第２の基材３５ａ，３５ｂの材料は、例えば、ポリイミド等の樹脂材料や、適宜のセラミック材料等である。なお、第２の基材は設けられていなくてもよい。

１…熱電変換デバイス
２…熱電変換材料
３…突出部
４…電極
５…基材
１１…熱電変換デバイス
１２…熱電変換材料
１４ａ，１４ｂ…第１，第２の電極
２１…熱電変換デバイス
２２…熱電変換材料
２３…突出部
２４…電極
３１…熱電変換デバイス
３２ａ，３２ｂ…熱電変換材料
３４ａ，３４ｂ…第１，第２の電極
３５ａ，３５ｂ…第１，第２の基材

Claims (11)

1. 基材と、
   前記基材の上面上に配置されており、かつ前記基材から突出している突出部と、
   前記突出部の側面上に配置されている熱電変換材料と、
   前記熱電変換材料の表面上に配置されている複数の電極とを備え、
   前記基材から突出している前記突出部の突出高さが、前記熱電変換材料の前記突出部の側面上に配置されている部分の、前記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法よりも大きい、熱電変換デバイス。
2. 前記突出部の熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、請求項１に記載の熱電変換デバイス。
3. 前記基材から突出している前記突出部の突出高さが、前記熱電変換材料の前記突出部の側面上に配置されている部分の、前記突出部の側面の面方向に直交する方向における寸法の２倍以上である、請求項１又は２に記載の熱電変換デバイス。
4. 前記熱電変換材料が層状である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
5. 前記熱電変換材料が、前記突出部の上方にて前記突出部の上面の面方向に延びるように配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
6. 前記電極が、前記熱電変換材料における前記突出部の上方にて前記突出部の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上又は上面上に配置されている、請求項５に記載の熱電変換デバイス。
7. 前記熱電変換材料が、前記突出部の側方にて、前記基材の上面の面方向に延びるように配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
8. 前記電極が、前記熱電変換材料における前記突出部の側方にて前記基材の上面の面方向に延びるように配置されている部分の、下面上又は上面上に配置されている、請求項７に記載の熱電変換デバイス。
9. 前記熱電変換材料及び前記突出部をそれぞれ複数備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
10. 前記突出部の側面が、前記突出部の下面側から上面側にかけて、前記突出部の内側に向かって傾斜している、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。
11. 前記熱電変換材料が、カーボンナノチューブを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱電変換デバイス。

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