JP6067745B2 - 熱効率を改善可能な構造を有する熱電素子 - Google Patents

Description

本発明は、熱電素子に係り、より具体的には、廃熱環境から容易に電気を回収することができる構造を有する熱電素子に関する。

熱電素子は、エネルギーハーベスティングデバイスの一種として分類される。熱電素子は、通常、熱源、熱吸収源（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）および熱電対列を含む。熱電対列は、直列に接続された複数の熱電対により構成され、熱エネルギーの一部をエネルギーに変換するのに利用される。

一般的に、熱電素子は、半導体物質を利用して形成される。半導体物質は、熱電対を形成するために、電気的には直列に接続され、熱的には並列に接続されて、双方の接合を形成する。半導体物質は、典型的に、Ｎ型およびＰ型があるが、典型的な熱電素子のＰ型およびＮ型半導体物質の間で電気的導電性連結が形成され、キャリアは、熱拡散の結果として、ホット接合からコールド接合へと移動して電流を誘導する。

携帯用電子機器に熱電素子を利用するために、熱電素子をフレキシブルな形態で提供することが知られている（たとえば、韓国公開特許第１０‐２０１１‐７３１６６号）。しかし、提示された熱電素子は、携帯用電子機器に適用するのに適するようにフレキシブル形態で提供されるという点においては意義があるが、熱電素子が多く使用される廃熱環境において使用できるようにする構成については開示できていない。

具体的に、熱電素子の主な応用分野は、廃棄される廃熱から電気を回収するものである。熱エネルギーから熱電素子を利用して電気を生産するためには、高いゼーベック係数、高い温度差の実現が必須的に要求されている。既存の熱電素子によれば、十分な温度差を実現するために、熱電素材の厚みを増やす方法を採用している。

しかし、このような熱電素材の厚みを増やす方法は、（１）熱電素材の熱および電気抵抗のために一定温度以上を実現することが難しく、（２）素材の浪費的側面がある。

また、その素子を廃熱環境に適用することが難しいという問題点がある。すなわち、廃熱が発生する代表的な環境は、工場の煙突を例として挙げることができる。煙突は、丸みを帯びた形態、すなわち、曲面状態に形成される。したがって、厚い熱電素子は、その表面全体が煙突の円形表面に接触することができないため、廃熱から電気を回収するには限界が生じることになる。これと関連して、前記特許のように熱電素子をフレキシブルに構成するならば、煙突のような廃熱環境に適用することができる。しかし、熱電素子がフレキシブルであるということは、長さ方向と比較して、その厚さ方向への厚みが極めて薄いということであるが、この場合、高温の煙突表面に接触する部分とその反対側表面との間の温度差が維持されなくなるため、やはり効率的な熱電素子として機能できないこととなる。

本発明は、前記のような従来技術において現れる問題点を解決するためのものであって、その一の目的は、廃熱環境のような特殊な環境に適用することのできる構造を有する熱電素子を提供することである。

本発明の他の目的は、既存の熱電素材（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）を使用しながらも、熱効率と発生するパワーを高めることのできる構造を有する熱電素子を提供することである。

本発明のまた他の目的は、熱電素子の基板だけでなく、熱電素子を全体的にフレキシブルに構成するとともに、その厚みが十分薄いにもかかわらず、十分な温度差を維持することのできる構造を有する熱電素子を提供することである。

前記目的を達成するための本発明の一の様態に係る熱電素子は、曲面を含む廃熱環境に対応する形状からなる支持体と、前記支持体を取り囲むように前記支持体の表面に形成された熱電素材とを含み、前記支持体は、熱電素子の両端の温度差を維持することができるように、前記熱電素材ではない熱伝導度の低い材料で構成されることを特徴とする。

一実施例において、前記熱電素材は、無機材料または有機材料で構成されてよい。

一実施例において、前記支持体は、アクリルで製造されてよい。

一実施例において、前記熱電素材は、前記支持体の表面に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ‐Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＥＣＶＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはスパッタリングによって形成されてよい。

本発明の他の様態に係る発電装置は、熱電素子を利用して電気を生成する発電装置であって、前記熱電素子は、曲面を含む廃熱環境に対応する形状からなる支持体と、前記支持体を取り囲むように前記支持体の表面に形成された熱電素材および電極とを含み、前記支持体は、熱電素子の両端の温度差を維持することができるように、前記熱電素材ではない熱伝導度の低い材料で構成され、前記熱電素子の電極から引き出される導線が前記装置に連結されていることを特徴とする。

一実施例において、前記熱電素材は、無機材料または有機材料で構成されてよく、前記支持体は、アクリルで製造されてよい。

一実施例において、前記熱電素材は、前記支持体の表面に、ＭＯＣＶＤ、ＥＣＶＤまたはスパッタリングによって形成されてよい。

本発明の他の様態に係る熱電素子は、フレキシブル材質の２つの基板と、前記２つの基板で挟まれる電極および熱電素材とを含む熱電素子であって、前記フレキシブル基板のうちの一方が向き合うように折り曲げられ、それによって形成された空間に前記基板を支持する支持体が配設されて当該基板に固定され、前記熱電素子は、曲面を含む廃熱環境に合わせて折り曲げ可能であり、前記支持体は、前記曲面に合わせてその形状が形成されていることを特徴とする。

一実施例において、前記支持体は、前記熱電素材ではない熱伝導度の低い材料で構成されてよく、たとえば、アクリルで製造されてよい。

一実施例において、前記熱電素材は、有機材料で構成されてよく、たとえば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳとＣＮＴの混合物で構成されてよい。

本発明により提供される熱電素子によれば、あらかじめ曲面形状を有する廃熱環境に対応する形状の支持体を構成した後、その支持体を取り囲むように、支持体の表面に熱電素材を形成する。これによれば、熱電素材と関連して特に制限されることなく、より多様に熱電素子を構成することができ、また、廃熱環境に制約されることなく熱電素子を適用することができる。

また、本発明の他の実施例によって提供される熱電素子によれば、従来のものとは異なり、熱電素材を有機材料で構成して、熱電素子に全体として折り曲げ可能な柔軟性を持たせている。これにより、熱電素子を、煙突のように曲面のある廃熱環境に容易に適用することができる。また、熱電素子は、２つの基板のいずれかを向き合うように折り曲げ、それによって形成された空間に熱伝導度の低い支持体を固定しているので、ヒートシンクとヒートソースとの間で十分な温度差が維持できるようにし、その結果、熱電素子としての機能を効果的に発揮できるようにしている。

本発明の第１実施例に採用され得る熱電素子の構成を概略的に示す模式図である。 本発明の第１実施例に係る実際に作製した熱電素子を示す図であって、基板が向き合うように折り曲げられ得る程度に十分な柔軟性を有していることを示している。 本発明の第１実施例に係る支持体を含む熱電素子の構成を示す図であって、熱伝導度の低い支持体によってヒートソースとヒートシンクとの間で十分な温度差が維持されることを模式的に示している。 本発明の第１実施例に係る実際に作製した支持体を含む熱電素子を示す図である。 本発明の第１実施例に係る作製した熱電素子を利用して電力を生成したことを示す図であって、温度差を維持しながら、温度差に比例した電力が生成されることを示している。 本発明の第２実施例に係る熱電素子および従来の熱電素子の構成を概略的に示す図である。 本発明の第２実施例に係る熱電素子および従来の熱電素子の熱による効率を比較して示す図である。

以下では、添付の図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について説明する。以下の説明において、当業界に既に広く知られている技術的構成、たとえば、熱電素子の詳細構成、その機能および動作についての説明は省略する。こうした説明を省略するとしても、当業者であれば、以下の説明を通じて、本発明の特徴的構成を簡単に理解することができるであろう。
＜第１実施例＞
図１には、本発明の第１実施例に採用可能な熱電素子の構成が、概略的な断面図の形態で示されている。

図１に示すように、熱電素子は、一般的に、上下の基板１０と、それらの間に複数の熱電材料部材２０と電極３０が挟まれている。本発明において、基板１０は、いずれも、ＰＤＭＡ、ＰＭＭＡ、ＰＥＴといったフレキシブル材質で構成される。

また、既存の熱電素子とは異なり、熱電材料部材２０は、有機材料で構成される。すなわち、既存の熱電素子によれば、通常、熱電材料部材を無機材料で構成する。しかし、かかる構成によれば、基板１０をフレキシブル材質で構成するとしても、熱電材料部材によって、熱電素子を全体的にフレキシブルに構成できなくなる。これと関連して、本発明によれば、熱電材料部材２０を有機材料、たとえばＰＥＤＯＴ：ＰＳＳとＣＮＴとを混合した材質で構成して、熱電素子を全体的に折り曲げ可能にする。一方、電極３０の場合、アルミニウムで構成されている。

前記のような構造で実際に作製した熱電素子を、図２に示した。図２に示すように、本発明に係る熱電素子は、その全体が非常に柔軟に構成されていることが分かる（その厚みが略１０〜２０μｍに過ぎない）。すなわち、本発明に係る熱電素子は、その一方の基板が向き合うように折り曲げ可能な程度に十分な柔軟性を有している。

一方、従来技術と関連して説明したところのように、熱電素子がその機能を効果的に発揮するためには、十分な温度差を維持することができなければならない。ところで、図２に示したような本発明に係る熱電素子は、厚さ方向への厚みが極めて薄いということが分かる。したがって、熱電素子を、廃熱環境、たとえば、丸い曲面の煙突内部に容易に装着することができるものの、熱電素子を媒介として十分な温度差が維持できないので、その機能を十分に発揮することができなくなる。

このような状況を考慮して、本発明に係る熱電素子は、従来にはなかった新規な構造を採用するものであって、その一実施例が、図３に模式図の形態で示されている。

図３に示すように、本発明に係る熱電素子は、その２つの基板のうちのいずれかの基板を向き合うように湾曲した後、これによって形成された空間に挿入される支持体４０を含む。すなわち、支持体４０を向き合う基板の間に取り付け、熱電素子が十分な温度差を維持することができるようにする。このとき、支持体４０は、熱伝導度が可能な限り低い材料（たとえば、アクリル）で構成して、素子の厚さ方向に伝わる熱伝導を最小化して、温度差を維持することが好ましい。

前記のように構成された熱電素子は、環境に制約されることなく、多様な用例に適用可能である。すなわち、支持体４０を除いた熱電素子は、簡単に折り曲げ可能な可撓性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を有しており、廃熱が発生する煙突の表面に容易に装着することができ、煙突の曲面に合わせてあらかじめ支持体の形状を設計して、熱電素子の向き合う基板の間に取り付けさえすれば、十分な温度差を維持することができ、熱電素子としての機能を発揮することができるようになる。すなわち、煙突の曲面は、高い廃熱が発生する熱のソースとなり、この煙突表面に本発明に係る熱電素子を装着すれば、ヒートソースとヒートシンク（大気）との間では、熱電素子の支持体４０によって温度差が維持される。したがって、熱電素子の電極をジェネレータや蓄電池に接続すれば、熱電素子で生成される電気を効率的に利用することができるようになる。すなわち、既存の熱電素子は、素子の厚さ方向での温度差を維持するために熱電素子を厚く製造する他にないため、煙突のような廃熱環境に適用することができなかったのに対し、本発明に係る熱電素子は、曲面に合わせてその形状を自由に変形することができ、かつ、ヒートソースに接触する部分と大気に曝されている部分との間で十分な温度差を維持することができるので、環境に制約されることなく多様な用例に適用することができる。一方、図４は、前記した本発明に係る実際に作製した支持体４０を含む熱電素子の構成を示す図である。

本発明者等は、前記のようにして構成した熱電素子を利用して、実際に電気を生成することができるのかについて実験を行った。このとき、ヒートソースとしてはヒーターによる加熱を利用し、ヒートシンクは大気とした。その実験結果を図５に示しており、同図に示すように、温度差（ヒーターによる加熱温度の差）は維持しながらも、その温度差に比例して電力が生成されたということを確認することができる。すなわち、熱電素子としての機能が効果的に発揮されるということを確認した。
＜第２の実施例＞
前記実施例においては、熱電素子をフレキシブルに構成した後、これを折り曲げ、それによって形成された空間に支持体を挿入して結合した。なお、本発明は、かかる実施例に制限されない。

具体的に、図６には、本発明の第２実施例に係る熱電素子と従来の熱電素子の構成が概略的に示されている。

同図に示すように、従来の熱電素子は、十分な温度差を実現するために、熱電素子の厚みを増大させる方法にて熱電素子を構成する。しかし、かかる方法によれば、多量の熱電素材を使用しなければならず、何よりも熱電素子を廃熱環境に適用することが事実上困難であるという問題点がある。すなわち、廃熱環境の大部分は、所定の曲率を有する部分を含んでおり、厚く構成された熱電素子を前記曲率に合わせて適用することが困難である。

しかし、本発明によれば、十分な温度差を実現するために、当然のごとく厚みを増大させる従来技術の概念を脱皮して、前記問題を解決した。すなわち、図６に示すように、本発明の第２実施例に係る熱電素子は、素子のうち中空の空間に挿入される支持体と、前記支持体を包み込む形状に熱電素材および電極を構成し、前記支持体は、熱電素材ではない低い熱伝導度を有する材料で構成される。この場合、第１実施例と比較して、より多様に熱電素子を構成することができる。

すなわち、第１実施例においては、支持体を除いた熱電素子をフレキシブルに構成するために、熱電素材を有機材料で構成し、かつ、基板もフレキシブルな材質で構成するなど、材料に制限がある。しかし、本実施例によれば、こうした材料の制限が実質上ないという点で、第１実施例よりも多様に適用され得る。具体的に、本実施例によれば、まず、支持体を、熱電素子を適用しようとする環境に合わせてその形態を構成した後、支持体の表面に、従来の方式に従って熱電素材および電極を構成しさえすれば、簡単に熱電素子を構成することができる。たとえば、所定形状の支持体（たとえば、アクリル材料で構成）の表面に、半導体デバイスの製造の際に用いられるＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ‐Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＥＣＶＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはスパッタリングを用いて、熱電素材を構成することができる。このように構成した本実施例の熱電素子によれば、第１実施例のように基板を必ずしもフレキシブルに構成する必要もなく、かつ、熱電素材を有機材料のみで構成する必要もないので、設計自由度が向上する。

このように、ヒートソースとヒートシンクの間に熱が流れる方向へ支持体を挿入して、支持体の低い熱伝導度により生じた高い熱抵抗により、熱電素子の両端間で大きな温度差を維持することができる。このように構成された熱電素子によれば、支持体を除いた熱電素材および電極（熱電素子部材）は、その厚みを十分に薄くしても、支持体によって十分な温度差を維持することができるので、環境的制約を受けることなく適用することができる。すなわち、支持体は、熱伝導度の低い材料、たとえば、アクリル、低熱伝導度のセラミック等を利用して構成してよく、この場合、煙突のように曲率のある部分に熱電素子を適用する場合に、支持体をその曲率に合わせて作製しさえすれば、熱電素材等は、その厚みが十分に小さいため前記環境に容易に適用することができるので、全体として熱電素子を環境的制約を受けることなく適用することができるようになる。

図７は、前記第２実施例に従って作製した熱電素子および従来の熱電素子の熱による効率を比較したグラフである。すなわち、支持体の大きさは略５×５×１０（ｍｍ）であり、その周辺を代表的な熱電物質であるＢｉＴｅで１５０μｍ厚に包んだ場合（ＳＴＥＧ）（このとき、ＢｉＴｅは、前記のように、ＭＯＣＶＤ、ＥＣＶＤまたはスパッタリングといった方法を用いて形成してよい）と、同じ大きさのＢｉＴｅ（ｐ‐ｔｙｐｅ）物質のみで構成した従来の熱電素子のとの効率を比較したものである。

図７から確認できるように、本発明に係る熱電素子の効率は、従来の熱電素子の効率よりも大きい。このように効率が大きく増大した理由は、支持体の低い熱伝導度によって素子の両端に発生する温度差が大きくなるためである。すなわち、支持体を取り囲む熱電素材の熱伝導度よりも支持体の熱伝導度が低いために熱が伝わりにくく、同一のヒートソースにおいてより大きな温度差を作ることができ、その結果、効率を大きく改善することができる。

以上、本発明について、好ましい実施例を参照しつつ説明したが、前記実施例は、例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものと解釈されてはならない。すなわち、前記実施例は、以下の特許請求の範囲内において多様に変形および変更することができ、かつ、それらはすべて本発明の範囲内に属するものである。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ制限される。

Claims (8)

1. 曲面を含む廃熱環境に対応する形状からなり、両端面と側面とを含む柱状の支持体と、
   前記支持体を取り囲むように前記支持体の両端面と側面とに形成された熱電素材および電極と
   を含み、
   前記支持体は、熱電素子の両端の温度差を維持することができるように、前記熱電素材よりも低い熱伝導度を有する材料で構成され、
   前記熱電素材および電極は、前記支持体の両端面と側面とを完全に包み込む形状に構成され、
   前記熱電素材は、無機材料または有機材料で構成される、
   ことを特徴とする熱電素子。
2. 前記支持体は、アクリルで製造されることを特徴とする、請求項１に記載の熱電素子。
3. 熱電素子を利用して電気を生成する発電装置であって、
   前記熱電素子は、曲面を含む廃熱環境に対応する形状からなり、両端面と側面とを含む柱状の支持体と、前記支持体を取り囲むように前記支持体の両端面と側面とに形成された熱電素材および電極とを含み、前記支持体は、熱電素子の両端の温度差を維持することができるように、前記熱電素材よりも低い熱伝導度を有する材料で構成され、前記熱電素材および電極は、前記支持体の両端面と側面とを完全に包み込む形状に構成され、
   前記熱電素材の電極から引き出される導線が前記装置に連結され、
   前記熱電素材は、無機材料または有機材料で構成される、
   ことを特徴とする発電装置。
4. 前記支持体は、アクリルで製造されることを特徴とする、請求項３に記載の発電装置。
5. フレキシブル材質の２つの基板と、
   前記２つの基板で挟まれる電極および熱電素材と、
   を含む熱電素子であって、
   前記フレキシブル基板のうちの一方が向き合うように折り曲げられ、これによって形成された空間に前記基板を支持する支持体が配設されて当該基板に固定され、
   前記熱電素子は、曲面を含む廃熱環境に合わせて折り曲げ可能であり、前記支持体は、前記曲面に合わせてその形状が形成されるとともに、前記熱電素材よりも低い熱伝導度を有する材料で構成され、
   前記熱電素子では、前記フレキシブル基板の他方での一方の端部及び他方の端部に対して、それぞれ前記廃熱環境及びヒートシンクが接している、
   ことを特徴とする熱電素子。
6. 前記支持体は、アクリルで製造されることを特徴とする、請求項５に記載の熱電素子。
7. 前記熱電素材は、有機材料で構成されることを特徴とする、請求項５または６に記載の熱電素子。
8. 前記熱電素材は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳとＣＮＴの混合物質で構成されることを特徴とする、請求項７に記載の熱電素子。