JP6564066B2 - 熱電変換モジュールおよび熱伝導性積層体、ならびに、熱電変換モジュールの製造方法および熱伝導性積層体の製造方法 - Google Patents
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Description
熱電変換素子は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要としない等の利点を有する。そのため、複数の熱電変換素子を接続してなる熱電変換モジュール(発電装置)は、例えば、焼却炉や工場の各種の設備など、排熱される部位に設けることで、動作コストを掛ける必要なく、簡易に電力を得ることができる。
π型の熱電変換モジュールは、一例として、P型およびN型の熱電変換材料をブロック状に加工して、セラミックス等の基板の上に交互に配列し、配列した熱電変換材料を直列に接続することで、作製される。
これに対して、樹脂フィルム等の可撓性を有する絶縁性の支持体(基板)上に、印刷などの塗布法や真空蒸着などの真空成膜法によって熱電変換層および電極を形成した熱電変換モジュールが報告されている。
そのため、この熱電変換モジュールは、ブロック状の熱電変換材料を用いるπ型の熱電変換モジュールに比して、製造が容易であり、製造コストも安くできる。
また、熱電変換素子は、一つ当たりの起電力が非常に小さいため、熱電変換モジュールは、数百以上の熱電変換素子を直列に接続して、電圧および発電量を増加させる必要が有る。これに対して、樹脂フィルム等を支持体として用いる熱電変換モジュールであれば、多数個の熱電変換素子の形成にも、印刷等での製造によって容易に対応できる。
しかしながら、このような蛇腹状の熱電変換モジュールは、サイズを小型化できる、伝熱効率を向上できる、熱電変換素子の実装密度を向上できる等の点で、蛇腹状に折り返した支持体を熱電変換層の配列方向に圧縮して、可能な限り蛇腹を閉じた状態とした方が有利である。
ところが、従来の蛇腹状の熱電変換モジュールでは、蛇腹を閉じると、電極同士が接触して、短絡してしまい、全く発電しなくなってしまう。そのため、蛇腹状の熱電変換モジュールに、絶縁部材を組み合わせることが考えられる。
従って、発電量の向上を目的として、蛇腹状の熱電変換モジュールにも、放熱フィン等と同様の放熱部材を組み合わせることが考えられる。
また、可撓性を有する蛇腹状の熱電変換モジュールでは、可撓性を生かして、円筒状の管などの曲面に装着されることが考えられる。従って、蛇腹状の熱電変換モジュールには、絶縁部材や放熱部材を組み合わされた場合でも、可撓性を有するのが好ましい。
モジュール本体と凹凸を合わせて設けられる、蛇腹状に折り返された1以上の蛇腹状部材、および、
モジュール本体の蛇腹状の折り返しによる傾斜面と、少なくとも1つの蛇腹状部材の蛇腹状の折り返しによる傾斜面とを貫通して、モジュール本体と少なくとも1つの蛇腹状部材とを挿通する可撓性の線状部材、を有することを特徴とする熱電変換モジュールを提供する。
また、モジュール本体の熱電変換層の形成面に対面して、絶縁部材が設けられるのが好ましい。
また、絶縁部材のモジュール本体とは逆側の面に対面して、放熱部材が設けられるのが好ましい。
また、絶縁部材の傾斜面と、放熱部材の傾斜面とを貫通して、絶縁部材と放熱部材とを挿通する可撓性の第2線状部材を有するのが好ましい。
また、絶縁部材が、絶縁層の表面に熱伝導性層を有するものであり、絶縁層をモジュール本体の熱電変換層の形成面に向けて設けられるのが好ましい。
また、熱電変換部材が、蛇腹状に折り返された部材支持体と、部材支持体の少なくとも一方の面に形成される、互いに離間する複数の部材熱電変換層と、隣接する熱電変換層を接続する部材接続電極と、を有するのが好ましい。
また、モジュール本体が、支持体の一方の面のみに熱電変換層を有するものであり、熱電変換部材が、部材支持体の一方の面にのみに部材熱電変換層を有するものであり、モジュール本体の熱電変換層に、部材支持体を対面して設けられる熱電変換部材、および、モジュール本体の支持体に、部材熱電変換層を対面して設けられる熱電変換部材の、少なくも一方を有するのが好ましい。
また、熱電変換部材を、複数、有し、部材支持体と部材熱電変換層とを対面して設けられる熱電変換部材の組み合わせを、1以上、有するのが好ましい。
また、線状部材が、モジュール本体の、熱電変換層の形成位置および接続電極の形成位置、以外の場所を貫通するのが好ましい。
また、線状部材が、接続電極に対して、傾斜面の傾斜方向に同位置で、かつ、稜線の長手方向の外側を貫通するのが好ましい。
さらに、モジュール本体の熱電変換層が、支持体の一方の面において、傾斜面に一面ずつ交互に設けられるP型熱電変換層およびN型熱電変換層であるのが好ましい。
絶縁部材と凹凸を合わせて設けられる、蛇腹状に折り返された放熱部材、および、
絶縁部材の蛇腹状の折り返しによる傾斜面と、放熱部材の蛇腹状の折り返しによる傾斜面とを貫通して、絶縁部材と放熱部材とを挿通する可撓性の線状部材、を有することを特徴とする熱伝導性積層体を提供する。
蛇腹状に折り返され、蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して蛇腹を挿通する可撓性の線状部材を有する、蛇腹状部材を作製する工程、
モジュール本体と蛇腹状部材とを、蛇腹状の折り返しによる稜線と直交する方向に搬送しつつ、搬送経路に設けられた搬送経路の変更部において、凹凸を合わせて積層する工程、および、
モジュール本体の傾斜面と蛇腹状部材の傾斜面とを貫通して、積層したモジュール本体と蛇腹状部材とを挿通する可撓性の固定用線状部材を設ける工程、を有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法を提供する。
また、固定用線状部材を挿通する工程では、モジュール本体を挿通する線状部材および蛇腹状部材を挿通する線状部材をそのままにして、モジュール本体と蛇腹状部材とに固定用線状部材を挿通するのが好ましい。
また、蛇腹状部材が、絶縁部材、放熱部材および熱電変換部材から選択される1以上であるのが好ましい。
また、絶縁部材と放熱部材とを凹凸を合わせて積層し、かつ、絶縁部材の傾斜面と放熱部材の傾斜面とを貫通して、絶縁部材と放熱部材とを挿通する可撓性の線状部材を設けるのが好ましい。
さらに、絶縁部材が、絶縁層の表面に熱伝導性層を有するものであるのが好ましい。
シート状物の積層体を、蛇腹状に折り返す工程、および、
蛇腹状に折り返したシート状物の、蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して、可撓性の線状部材を挿通する工程、を有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法を提供する。
蛇腹状に折り返され、蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して蛇腹を挿通する可撓性の線状部材を有する、放熱部材を作製する工程、
絶縁部材と放熱部材とを、蛇腹状の折り返しによる稜線と直交する方向に搬送しつつ、搬送経路に設けられた搬送経路の変更部において、凹凸を合わせて絶縁部材と放熱部材とを積層する工程、ならびに、
積層した絶縁部材および放熱部材の傾斜面を貫通して、可撓性の固定用線状部材を挿通する工程、を有することを特徴とする熱伝導性積層体の製造方法を提供する。
また、固定用線状部材を挿通する工程では、絶縁部材を挿通する線状部材および放熱部材を挿通する線状部材をそのままにして、絶縁部材と放熱部材とに固定用線状部材を挿通するのが好ましい。
さらに、絶縁部材が、絶縁層の表面に熱伝導性層を有するものであるのが好ましい。
なお、本明細書において、『〜』を用いて表される数値範囲は、『〜』の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
図1Aは概略正面図、図1Bは概略斜視図、図1Cは熱電変換モジュール10の蛇腹を閉じた状態を示す概略正面図である。
また、図1Cでは、熱電変換モジュール10の構成や各部材が明瞭に示せるように、蛇腹状の折り返し部を矩形状にして示している。しかしながら、本発明の熱電変換モジュール10において、蛇腹を閉じた状態は、図1Aに示す熱電変換モジュール10を図中横方向に圧縮した状態である。従って、熱電変換モジュール10の蛇腹を閉じた状態では、後述する山折りおよび谷折りされた折り返し部は、鋭角状になる。この点に関しては、後述する図4Bも同様である。
熱電変換モジュール10は、蛇腹状に折り返されたモジュール本体11と、蛇腹状に折り返された絶縁部材20とを、凹凸を合わせて積層して、モジュール本体11と、蛇腹状の絶縁部材20と両者にワイヤー24を挿通した構成を有する。以下の説明では、『熱電変換モジュール10』を『モジュール10』とも言う。
従って、図1Aに示す例では、モジュール本体11と絶縁部材20とは、全面的に離間しているが、例えば、積層された状態で、モジュール本体11および絶縁部材20の図中上方に向く凸部の頂部において、対向する面が接触している状態でもよい。あるいは、モジュール本体11と絶縁部材20とが積層された状態で、絶縁部材20の全面が、モジュール本体11の対向する面に接触している構成でもよい。
図1Aおよび図2に示すように、モジュール本体11は、支持体12と、P型熱電変換層14pと、N型熱電変換層16nと、接続電極18とを有する。
図1Aおよび図1Cにおいては、構成を明確に示すために、支持体12には斜線を付し、P型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nには網かけをしている。P型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nの網かけに関しては、図2(後述する図10および図11)も同様である。
以下の説明では、『支持体12の長手方向』を『長手方向』とも言う。また、以下の説明では、支持体12の幅の方向、すなわち長手方向と直交する方向を『幅方向』とも言う。従って、幅方向は、図1Aおよび図1Cでは、紙面に垂直な方向となる。
また、本発明において、長手方向の長さや間隔とは、モジュール本体11を平面状に延ばした状態における、長さおよび間隔である。
なお、本例においては、蛇腹状の折り返しによって、支持体12が内側すなわち接続電極18が凸になる側を山折り、支持体12が外側すなわち接続電極18が凹になる側を谷折りとする。すなわち、図1Aの図中上方が山折り側、同下方が谷折り側となる。
また、前述のように、モジュール本体11は、接続電極18の長手方向の中心で山折りおよび谷折りで折り返されて蛇腹状にされる。
このようなモジュール本体11は、例えば、図1Aの下側に高温熱源を、上側に放熱フィンなどの放熱手段を設けられて、図1Aにおける上下方向に温度差を生じさせられることで、発熱する。言い換えれば、支持体12の傾斜面に形成されたP型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nに対して、長手方向に熱電変換層に温度差を生じさせることで、発電する。
本発明のモジュールにおいて、支持体12は、可撓性および絶縁性を有するものであれば、可撓性支持体を用いる公知の熱電変換モジュールで利用されている長尺なシート状物(フィルム)が、各種、利用可能である。
具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ(1,4−シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート)、ポリエチレン−2,6−フタレンジカルボキシレート等のポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエーテルスルホン、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、トリアセチルセルロース(TAC)等の樹脂、ガラスエポキシ、液晶性ポリエステル等からなるシート状物が例示される。
中でも、熱伝導率、耐熱性、耐溶剤性、入手の容易性や経済性等の点で、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等からなるシート状物は、好適に利用される。
なお、支持体12の長さや幅は、モジュール本体11の大きさや用途等に応じて、適宜、設定すればよい。
さらに、貫通孔28は、好ましくは、支持体12を蛇腹状に折り返した際に、長手方向に直線状になる位置に形成される。すなわち、貫通孔28は、好ましくは、支持体12を蛇腹状に折り返した際に、長手方向に長尺な一本の直線が挿通できる位置に形成される。
なお、符号28aは、必要に応じて設けられる貫通孔28を補強するための補強部材である。補強部材28aは、例えば金属や樹脂材料等の公知の孔部の補強部材を用いて形成すればよい。
以下の説明では、P型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nとを区別する必要がない場合には、両者をまとめて『熱電変換層』とも言う。
P型熱電変換層14pやN型熱電変換層16nを構成する熱電変換材料としては、例えば、ニッケルまたはニッケル合金がある。
ニッケル合金は、温度差を生じることで発電するニッケル合金が、各種、利用可能である。具体的には、バナジウム、クロム、シリコン、アルミニウム、チタン、モリブデン、マンガン、亜鉛、錫、銅、コバルト、鉄、マグネシウム、ジルコニウムなどの1成分、または2成分以上と混合したニッケル合金等が例示される。
P型熱電変換層14pやN型熱電変換層16nにニッケルまたはニッケル合金を用いる場合、P型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nは、ニッケルの含有量が90原子%以上であるのが好ましく、ニッケルの含有量が95原子%以上であるのがより好ましく、ニッケルからなるのが特に好ましい。ニッケルからなるP型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nは、不可避的不純物を有するものも含む。
P型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nとしてニッケルまたはニッケル合金を用いる場合に、接続電極18としてもニッケルまたはニッケル合金を用いる場合には、P型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nと接続電極18とを一体的に形成してもよい。
BiTe系(BiTe、SbTe、BiSe及びこれらの化合物)、PbTe系(PbTe、SnTe、AgSbTe、GeTe及びこれらの化合物)、Si−Ge系(Si、Ge、SiGe)、シリサイド系(FeSi、MnSi、CrSi)、スクッテルダイト系(MX3、若しくはRM4X12と記載される化合物、ここでM=Co、Rh、Irを表し、X=As、P、Sbを表し、R=La、Yb、Ceを表す)、遷移金属酸化物系(NaCoO、CaCoO、ZnInO、SrTiO、BiSrCoO、PbSrCoO、CaBiCoO、BaBiCoO)、亜鉛アンチモン系(ZnSb)、ホウ素化合物(CeB、BaB、SrB、CaB、MgB、VB、NiB、CuB、LiB)、クラスター固体(Bクラスター、Siクラスター、Cクラスター、AlRe、AlReSi)、酸化亜鉛系(ZnO)などが挙げられる。
このような熱電変換材料としては、具体的には、導電性高分子または導電性ナノ炭素材料等の有機系熱電変換材料が例示される。
導電性高分子としては、共役系の分子構造を有する高分子化合物(共役系高分子)が例示される。具体的には、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフルオレン、アセチレン、ポリフェニレン等の公知のπ共役高分子等が例示される。特に、ポリジオキシチオフェンは、好適に使用できる。
導電性ナノ炭素材料としては、具体的には、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラファイト、グラフェン、カーボンナノ粒子等が例示される。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。中でも、熱電特性がより良好となる理由から、カーボンナノチューブが好ましく利用される。以下の説明では、『カーボンナノチューブ』を『CNT』とも言う。
単層CNTは、半導体性のものであっても、金属性のものであってもよく、両者を併せて用いてもよい。半導体性CNTと金属性CNTとを両方を用いる場合、両者の含有比率は、適宜調節することができる。また、CNTには金属等が内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたものを用いてもよい。
また、CNTの直径は特に限定されないが、耐久性、透明性、成膜性、導電性等の観点から、0.4〜100nmが好ましく、50nm以下がより好ましく、15nm以下が特に好ましい。特に、単層CNTを用いる場合には、CNTの直径は、0.5〜2.2nmが好ましく、1.0〜2.2nmがより好ましく、1.5〜2.0nmが特に好ましい。
CNTには、欠陥のあるCNTが含まれていることがある。このようなCNTの欠陥は、熱電変換層の導電性を低下させるため、低減化することが好ましい。CNTの欠陥の量は、ラマンスペクトルのG−バンドとD−バンドの比率G/Dで見積もることができる。G/D比が高いほど欠陥の量が少ないCNT材料であると推定できる。CNTは、G/D比が10以上であるのが好ましく、30以上であるのがより好ましい。
また、CNTを利用する場合には、単層CNTおよび多層CNTの他に、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノビーズ、グラファイト、グラフェン、アモルファスカーボン等のナノカーボンが含まれてもよい。
(P型ドーパント)
P型ドーパントとしては、ハロゲン(ヨウ素、臭素等)、ルイス酸(PF5、AsF5等)、プロトン酸(塩酸、硫酸等)、遷移金属ハロゲン化物(FeCl3、SnCl4等)、金属酸化物(酸化モリブデン、酸化バナジウム等)、有機の電子受容性物質等が例示される。有機の電子受容性物質としては、例えば、2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン、2,5−ジメチル−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン、2−フルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン、2,5−ジフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン等のテトラシアノキノジメタン(TCNQ)誘導体、2,3−ジクロロ−5,6−ジシアノ−p−ベンゾキノン、テトラフルオロ−1,4−ベンゾキノン等のベンゾキノン誘導体等、5,8H−5,8−ビス(ジシアノメチレン)キノキサリン、ジピラジノ[2,3−f:2’,3’−h]キノキサリン−2,3,6,7,10,11−ヘキサカルボニトリル等が好適に例示される。
中でも、材料の安定性、CNTとの相溶性等の点で、TCNQ(テトラシアノキノジメタン)誘導体またはベンゾキノン誘導体等の有機の電子受容性物質は好適に例示される。
P型ドーパントおよびN型ドーパントは、いずれも単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
N型ドーパントとしては、(1)ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、(2)トリフェニルホスフィン、エチレンビス(ジフェニルホスフィン)等のホスフィン類、(3)ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン等のポリマー類等の公知の材料を用いることができる。
また、例えば、ポリエチレングリコール型の高級アルコールエチレンオキサイド付加物、フェノールまたはナフトール等のエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、多価アルコール脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、脂肪酸アミドエチレンオキサイド付加物、油脂のエチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、ジメチルシロキサン−エチレンオキサイドブロックコポリマー、ジメチルシロキサン−(プロピレンオキサイド−エチレンオキサイド)ブロックコポリマー等、または多価アルコール型のグリセロールの脂肪酸エステル、ペンタエリスリトールの脂肪酸エステル、ソルビトールおよびソルビタンの脂肪酸エステル、ショ糖の脂肪酸エステル、多価アルコールのアルキルエーテル、アルカノールアミン類の脂肪酸アミド等が挙げられる。また、アセチレングリコール系とアセチレンアルコール系のオキシエチレン付加物、フッ素系、シリコーン系等の界面活性剤も同様に使用することができる。
中でも、樹脂材料に導電性ナノ炭素材料を分散してなる熱電変換層は、より好適に例示される。その中でも、高い導電性が得られる等の点で、樹脂材料にCNTを分散してなる熱電変換層は、特に好適に例示される。
樹脂材料は、公知の各種の非導電性の樹脂材料(高分子材料)が利用可能である。
具体的には、ビニル化合物、(メタ)アクリレート化合物、カーボネート化合物、エステル化合物、エポキシ化合物、シロキサン化合物、ゼラチン等が例示される。
樹脂材料に熱電変換材料を分散してなる熱電変換層において、樹脂材料と熱電変換材料との量比は、用いる材料、要求される熱電変換効率、印刷に影響する溶液の粘度または固形分濃度等に応じて、適宜設定すればよい。
熱電変換層をCNTと界面活性剤とで構成することにより、熱電変換層を界面活性剤を添加した塗布組成物で形成できる。そのため、熱電変換層の形成を、CNTを無理なく分散した塗布組成物で行うことができる。その結果、長くて欠陥が少ないCNTを多く含む熱電変換層によって、良好な熱電変換性能が得られる。
従って、界面活性剤は、イオン性でも非イオン性でもよい。また、イオン性の界面活性剤は、カチオン性、アニオン性および両性のいずれでもよい。
一例として、アニオン性界面活性剤としては、ドデシルベンゼンスルホン酸等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸塩等の芳香族スルホン酸系界面活性剤、モノソープ系アニオン性界面活性剤、エーテルサルフェート系界面活性剤、フォスフェート系界面活性剤およびでデオキシコール酸ナトリウムまたはコール酸ナトリウム等のカルボン酸系界面活性剤、カルボキシメチルセルロースおよびその塩(ナトリウム塩、アンモニウム塩等)、ポリスチレンスルホン酸アンモニウム塩、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩等の水溶性ポリマー等が例示される。
さらに、非イオン性界面活性剤としては、ソルビタン脂肪酸エステル等の糖エステル系界面活性剤、ポリオキシエチレン樹脂酸エステルどの脂肪酸エステル系界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のエーテル系界面活性剤等が例示される。
中でも、イオン性の界面活性剤は好適に利用され、その中でも、コール酸塩またはデオキシコール酸塩は好適に利用される。
界面活性剤/CNTの質量比を5以下とすることにより、より高い熱電変換性能が得られる等の点で好ましい。
なお、熱電変換層が、無機材料を含有する場合には、その含有量は20質量%以下であるのが好ましく、10質量%以下であるのがより好ましい。
まず、熱電変換材料と、界面活性剤などの必要な成分とを含有する、熱電変換層を形成するための塗布組成物を調製する。
次いで、調製した熱電変換層となる塗布組成物を、形成する熱電変換層に応じてパターニングして塗布する。この塗布組成物の塗布は、マスクを使う方法、印刷法等、公知の方法で行えばよい。
塗布組成物を塗布したら、樹脂材料に応じた方法で塗布組成物を乾燥して、熱電変換層を形成する。なお、必要に応じて、塗布組成物を乾燥した後に、紫外線照射等による塗布組成物(樹脂材料)の硬化を行ってもよい。
また、絶縁性の支持体の表面全面に、調製した熱電変換層となる塗布組成物を塗布し、乾燥した後、エッチング等によって、熱電変換層をパターン形成してもよい。
これにより、熱電変換層から界面活性剤を除去して、界面活性剤/CNTの質量比が極めて小さい、より好ましくは界面活性剤が存在しない、熱電変換層を形成できる。熱電変換層は、印刷によってパターン形成することが好ましい。
印刷条件は、用いる塗布組成物の物性(固形分濃度、粘度、粘弾性物性)、印刷版の開口サイズ、開口数、開口形状、印刷面積等により、適宜設定すればよい。
なお、前述のように、P型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nは、長手方向には同じ長さである。また、熱電変換層は、一定間隔で形成されるので、P型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nは、同間隔で交互に形成される。
P型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nの厚さを上記範囲とすることにより、良好な電気伝導性が得られる、良好な印刷適性が得られる等の点で好ましい。
なお、P型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nとは、厚さが同じでも異なってもよいが、基本的に、同じ厚さである。
接続電極18は、長手方向に交互に形成されたP型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nとを直列で電気的に接続するものである。前述のように、図示例において、熱電変換層は、長手方向に一定長さのものが一定間隔で形成される。従って、接続電極18も、一定長さのものが一定間隔で形成される。また、モジュール本体11は、接続電極18の長手方向の中心で、幅方向に平行な折り返し線で山折りおよび谷折りで折り返される。
具体的には、銅、銀、金、白金、ニッケル、アルミニウム、コンスタンタン、クロム、インジウム、鉄、銅合金などの金属材料、酸化インジウムスズ(ITO)や酸化亜鉛(ZnO)等の各種のデバイスで透明電極として利用されている材料等が例示される。中でも、銅、金、銀、白金、ニッケル、銅合金、アルミニウム、コンスタンタン等は好ましく例示され、銅、金、銀、白金、ニッケルは、より好ましく例示される。
また、接続電極18は、例えば、クロム層の上に銅層を形成してなる構成等、積層電極であってもよい。
また、接続電極18の厚さは、形成材料に応じて、P型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nとを十分な導電性を確保できる厚さを、適宜、設定すればよい。
一例として、平板状の長尺な支持体12に、形成材料に応じた公知の方法で熱電変換層および接続電極18をパターニングして形成し、また、幅方向の接続電極18等の外側の、長手方向に山折りとなる接続電極18に対応する位置に貫通孔28あるいはさらに補強部材28aを形成する。その後、プレス加工や突起を有するローラによる加工など、公知のシート状物の折り曲げ加工を行って、蛇腹状に折り返して、蛇腹状のモジュール本体11とする。
また、これらの操作は、支持体12(被処理基板)を長手方向に搬送しつつ各種の処理を連続的に行う、いわゆるロール・トゥ・ロールで行うのが好ましい。
絶縁部材20は、絶縁性および可撓性を有する、長尺な支持体30(絶縁層)の一方の表面に、熱伝導性層32を形成したもので、モジュール本体11と同様に、山折りおよび谷折りで交互に折り返された蛇腹状である。なお、本例においては、絶縁部材20の折り返しによって支持体30が内側すなわち熱伝導性層32が凸になる側を山折り、同支持体12が外側すなわち熱伝導性層32が凹になる側を谷折りとする。
絶縁部材20は、支持体30をモジュール本体11の接続電極18や熱電変換層の形成面に向けて、凹凸を合わせて、モジュール本体11に積層される。
支持体30すなわち絶縁部材20の幅は、モジュール本体11の幅に応じて、適宜、設定すればよい。また、支持体30の長さは、モジュール本体11の長さ、モジュール本体11および絶縁部材20の凹凸の高さに応じて、適宜、設定すればよい。
支持体30の厚さは、モジュール10のサイズ等に応じて、充分な絶縁性を確保でき、かつ、熱伝導性層32の支持体として作用できる厚さを、適宜、設定すればよい。
従って、絶縁部材20は、必ずしも、熱伝導性層32を有する必要はなく、絶縁性の支持体30のみで、絶縁部材20を構成してもよい。
しかしながら、絶縁部材20が熱伝導性層32を有することにより、絶縁部材20が放熱部材としても作用するため、熱電変換層の温度差を大きくして、発電量を向上できる。さらに、熱伝導性層32を金属材料等で形成することで、絶縁部材20の蛇腹状を好適に維持できる。
熱伝導性層32の厚さは、熱伝導性層32の形成材料や絶縁部材20の凹凸の大きさ等に応じて、必要な熱伝導性すなわち放熱効果を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
熱伝導性層32は、接続電極18と同様、形成材料に応じて、真空蒸着等の真空成膜法や印刷等の塗布法など、公知の方法で形成すればよい。
具体的には、絶縁部材20の貫通孔36は、幅方向には、モジュール本体11の貫通孔28と同じ位置に形成される。また、長手方向には、谷折り部において、谷折りの折り返し線に対して対称の位置に、一対、形成される。
モジュール本体11の貫通孔28と同様、貫通孔36は、好ましくは、絶縁部材20を蛇腹状に折り返した際に、長手方向に直線状となる位置に形成される。さらに、貫通孔36は、好ましくは、絶縁部材20をモジュール本体11に積層した際に、モジュール本体11の貫通孔28とも直線状になるように、形成される。
一例として、平板状の長尺な支持体30の一面全面に、形成材料に応じた公知の方法で熱伝導性層32を形成し、また、支持体30の所定位置に貫通孔34を形成する。
その後、プレス加工や突起を有するローラによる加工など、公知のシート状物の折り曲げ加工を行って、蛇腹状に折り返すことで、蛇腹状の絶縁部材20とする。
これらの操作は、モジュール本体11と同様、ロール・トゥ・ロールで行うのが好ましい。また、絶縁部材20は、樹脂製の支持体に金属層等を形成してある市販品を用いて作製してもよい。
本発明は、このような構成を有することにより、蛇腹状のモジュール本体11に、蛇腹状の絶縁部材20や放熱部材等を組み合わせ、尚且つ、安定してモジュール本体11と絶縁部材20等とを組み合わせた構成を維持可能にして取り扱い性を向上し、さらに、可撓性を有し、例えば、管状の熱源等にも良好な取り扱い性で容易に装着することを可能にした、モジュール10を得ている。
そのため、蛇腹状の熱電変換モジュールの蛇腹を閉じる場合には、絶縁部材を組み合わせることが考えられる。
蛇腹状の熱電変換モジュールにおいて、何らかの部材を組み合わせる場合には、当然、組み合わせる部材も蛇腹状であるのが好ましい。例えば、蛇腹状の熱電変換モジュールにおいて、山折り部における電極同士の接触を防止するためには、長尺な絶縁体を蛇腹状に折り返した絶縁部材を、熱電変換モジュールに積層し、絶縁部材によって山折り部の接続電極を覆う構成が考えられる。
これにより、熱電変換モジュールの蛇腹を閉じた状態としても、山折り部の接続電極が短絡することを防止できる。
すなわち、蛇腹状の熱電変換モジュールに、蛇腹状の部材を積層しただけでは、取り扱い性が悪く、熱源への装着等の作業性が悪い。加えて、熱電変換モジュールからの蛇腹状の部材の脱離を防止するためには、熱源の形状等にも制約が生じる可能性が有る。
そのため、折り曲げるなどモジュール10を変形させたり、モジュール本体11および絶縁部材20のいずれか一方のみを支持した場合でも、モジュール本体11と絶縁部材20とが解離することが無い。
そのため、取り扱いが良好であり、曲面や屈折している面などの様々な形状の熱源に装着する際にも、良好な作業性で装着を行うことができる。
特に、ワイヤー24は、図示例のように、幅方向に接続電極18の外側で、かつ、長手方向(傾斜面の傾斜方向)には接続電極18と同じ位置で、傾斜面を貫通するのが好ましい。モジュール10を長手方向に押圧して、図1Cに示すように蛇腹を閉じた(蛇腹を畳んだ)場合には、ワイヤー24で縛って、蛇腹を閉じた状態を維持することが考えられる。そのため、図示例のように、幅方向に接続電極18の外側で、長手方向に接続電極18と同じ位置にワイヤー24を挿通することにより、蛇腹を閉じた際に、通常、金属材料で形成される接続電極を支持体12を介して密着させることができ、山折り側において、幅方向および長手方向における熱電変換層の温度ムラを小さくして、効率の良い発電を行うことができる。
従って、図3に概念的に示すように、絶縁部材20の山折り部の高さを、モジュール本体11の山折り部の高さよりも高くして、絶縁部材20の山折り部をモジュール本体11から大きく突出させてもよい。これにより、絶縁部材20を放熱フィンとして作用させて、熱電変換層の温度差を大きくして、モジュール10の発電量を大きくできる。また、図示例においては、長手方向に接続電極18と同じ位置にワイヤー24を挿通しているので、熱伝導性が高い接続電極18と、放熱フィンとして作用する絶縁部材20の熱伝導性層32とを、支持体30を介して密着させることができ、より放熱効果を向上できる。
絶縁部材20の山折り部の突出量Lをモジュール10の凹凸の高さHの0.5倍以上とすることにより、充分な放熱効果を得て、発電量を向上できる。
また、絶縁部材20の山折り部の突出量Lをモジュール10の凹凸の高さHの5倍以下とすることにより、モジュール10が不要に大きくなることを防止して、設置場所の自由度の向上、モジュール10の用途の拡大等を図ることができる。
この際において、絶縁部材20の山折り部の突出量を前述の突出量Lと同様にして、最も高い山折り部における突出量を最大突出量L1、それ以外の山折り部の突出量をL2とした際に、最大突出量L1と突出量L2との差Ldが、最大突出量L1の1/2以上であるのが好ましい。すなわち、『Ld≧0.5L1(但し、Ld=L1−L2)』を満たすのが好ましい。
高さが異なる頂部を有する絶縁部材20において、最大突出量L1と突出量L2との差Ldを、最大突出量L1の1/2以上とすることにより、モジュール10において、絶縁部材20の突出部に空気が篭もることを好適に防止して、放熱効果を向上して、より大きな発電量が得られる。
なお、図4A等に示す熱電変換モジュールは、前述の図1A等に示す熱電変換モジュールと同じ部材を多用するので、同じ部材には同じ符号を付し、説明は、異なる部位を主に行う。この点に関しては、後述する本発明の熱伝導性積層体も含めて、本発明の熱電変換モジュールの他の態様も同様である。
これに対して、図4Aに示す熱電変換モジュール40は、モジュール10の絶縁部材20に、さらに、蛇腹状の放熱部材42を蛇腹の凹凸を合わせて積層し、絶縁部材20および放熱部材42に第2線状部材としてのワイヤー46を挿通したものである。すなわち、放熱部材42は、絶縁部材20のモジュール本体11とは逆側の面に積層される。放熱部材42は、本発明における蛇腹状部材の1つである。
以下の説明では、熱電変換モジュール40を『モジュール40』とも言う。
放熱部材42の形成材料としては、金属材料など、前述の熱伝導性層32の形成材料として例示した各種の材料が利用可能である。また、蛇腹状とする折り返し加工も、プレス加工等の公知の方法で行えばよい。
他方、放熱部材42の蛇腹状の折り返しによる傾斜面にも、幅方向の両端部近傍に、貫通孔50が形成される。貫通孔50は、幅方向には貫通孔48と同位置に形成される。また、貫通孔50は、長手方向には、谷折り部において、谷折りの折り返し線に対称に、一対、形成される。貫通孔50は、好ましくは、放熱部材42を蛇腹状に折り返した際に、長手方向に直線状になるように形成される。さらに、貫通孔50は、好ましくは、絶縁部材20に放熱部材42を積層した際に、絶縁部材20の貫通孔48とも直線状になるように形成される。
従って、モジュール40は、放熱部材42が放熱フィンとして作用するので、熱電変換層の温度差を大きくして、大きな発電量を得られる。
また、モジュール本体11および絶縁部材20にはワイヤー24が挿通され、絶縁部材20および放熱部材42にはワイヤー46が挿通されている。そのため、前述のモジュール10と同様、各部材が解離することがなく、また、蛇腹を閉じることも、蛇腹の凹凸の間隔すなわち蛇腹の間隔の調節も容易に行えるので、取り扱いが良好であり、曲面などの様々な形状の熱源に装着する際にも、良好な作業性で装着を行うことができる。
また、放熱部材42を有するモジュール40においても、放熱部材42は、高さの異なる山折り部すなわち高さの異なる凹凸を有してもよい。この際において、放熱部の山折り部の高さの差は、前述の例と同様にするのが好ましい。
すなわち、モジュール本体11、絶縁部材20および放熱部材42の位置関係、蛇腹の凹凸の大きさ、蛇腹同士での凹部への凸部の挿入量等に応じて、可能な場合には、モジュール本体11、絶縁部材20および放熱部材42に共通のワイヤーを挿通してもよい。この点に関しては、後述する各種の構成において、3以上の蛇腹状物を積層する構成でも、同様である。すなわち、本発明においては、3以上の蛇腹状物を積層する様々な積層構成において、3以上の蛇腹状物に共通のワイヤーを挿通してもよい。
また、別の例として、図6に概念的に示すように、モジュール本体11と絶縁部材20とを積層してワイヤー24を挿通した構成を挟むように、蛇腹の凹凸を合わせて放熱部材42を配置して、放熱部材42およびモジュール本体11にワイヤー52を挿通し、絶縁部材20および放熱部材42にワイヤー46を挿通した構成も利用可能である。
さらに、図5に示す熱電変換モジュールにおいて、絶縁部材20を有さず、モジュール本体11の下側すなわち支持体12側に放熱部材42を設けた、モジュール本体11および放熱部材42のみを積層した構成も利用可能である。
なお、ワイヤー(線状部材)が貫通する貫通孔は、基本的に、モジュール本体11の貫通孔28と絶縁部材20の貫通孔36、絶縁部材20の貫通孔48と放熱部材42の貫通孔と同様であるので、図5および図6では省略している。
具体的には、絶縁部材20および放熱部材42以外の蛇腹状部材としては、蛇腹間の距離調節用の部材等が例示される。蛇腹間の距離調節用の部材は、一例として、金属で形成すればよい。
一例として、図7に、図1A〜図1Cに示すモジュール10を例示して概念的に示すように、絶縁部材20の幅方向の大きさを、モジュール本体11の幅方向の大きさよりも大きくして、幅方向の一方、あるいは幅方向の両側で、モジュール本体11の幅方向の端部から、絶縁部材20が突出するようにしてもよい。
なお、図7は、モジュール10を長手方向に見た図であり、すなわち、図1Aを図中横方向から見た図である。
また、図5および図6に示すように、絶縁部材20に加えて放熱部材42を用いた場合にも、同様に、モジュール本体11の幅方向の端部から、絶縁部材20および/または放熱部材42が突出するようにしてもよい。図6に示すように、2つの放熱部材42を有する場合には、モジュール本体11の幅方向の端部から突出するのは、一方の放熱部材42でも両方の放熱部材42でもよい。さらに、絶縁部材20を有さず、放熱部材42をモジュール本体11の支持体12側に設けた前述の構成でも、モジュール本体11の幅方向の端部から、放熱部材42が突出するようにしてもよい。
従って、図7に示すように、絶縁部材20(放熱部材42)を、幅方向にモジュール本体11から突出させることにより、絶縁部材20のモジュール本体11から突出する領域が放熱フィンのように作用して、良好な放熱効果が得られる。そのため、この構成によれば、モジュール本体11の熱電変換層における温度差を大きくして、熱電変換モジュールにおける発電量を大きくできる。
具体的には、図7に示すように、モジュール本体11の幅をW、モジュール本体11からの幅方向への絶縁部材20(放熱部材42)の突出量をPとした際に、突出量Pが、モジュール本体11の幅Wの0.1〜10倍であるのが好ましい。すなわち、『0.1W≦P≦10W』を満たすのが好ましい。
幅方向への絶縁部材20の突出量Pをモジュール本体11の幅Wの0.1倍以上とすることにより、充分な放熱効果を得て、発電量を向上できる。
また、幅方向への絶縁部材20の突出量Pをモジュール本体11の幅Wの10倍以下とすることにより、モジュール10が不要に大きくなることを防止して、設置場所の自由度の向上、モジュール10の用途の拡大等を図ることができる。
すなわち、放熱部材42をモジュール本体11から幅方向に突出させる場合には、放熱フィンの山折り部の高さと、絶縁部材20の山折り部の高さとの差は、放熱部材42の厚さ分のみであってもよい。
この点に関しては、図5および図6に示す熱電変換モジュールでも、同様である。
図8に、その一例を示す。
以下の説明では、熱電変換モジュール70を『モジュール70』とも言う。
図8に示される熱電変換部材72は、好ましい態様として、モジュール本体11と同様の構成を有する。
すなわち、熱電変換部材72は、長尺な支持体12の長手方向に、一定間隔で、一定長さのP型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nを、交互に有している。また、熱電変換部材72は、隣接するP型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nとを接続する接続電極18を有し、接続電極18の長手方向の中心において山折りおよび谷折りに交互に折り返した、蛇腹状の形状を有する。
もう1つの熱電変換部材72は、モジュール本体11に積層される熱電変換部材72の支持体12(部材支持体)と、自身の熱電変換層とを対面して、熱電変換部材72に積層される。
貫通孔28と同様、貫通孔76は、好ましい態様として、幅方向には、支持体12の幅方向のP型熱電変換層14pおよびN型熱電変換層16nと、接続電極18との形成領域の外側に位置する。また、貫通孔28は、長手方向には、谷折りされる接続電極18と同位置に、長手方向に接続電極18の中心(図2に一点鎖線で示す折り返し線を参照)に対して対称の位置に、一対、形成される。
さらに、貫通孔28と同様、貫通孔76も、好ましくは、支持体12を蛇腹状に折り返した際に、長手方向に直線状になる位置に形成される。
具体的には、熱電変換部材72の貫通孔78は、幅方向には、モジュール本体11の貫通孔76と同じ位置に形成される。また、長手方向には、谷折り部において、谷折りの折り返し線に対して対称の位置に、一対、形成される。
貫通孔78は、好ましくは、熱電変換部材72を蛇腹状に折り返した際に、長手方向に直線状となる位置に形成される。さらに、貫通孔78は、好ましくは、熱電変換部材72をモジュール本体11に積層した際に、モジュール本体11の貫通孔76とも直線状になるように、形成される。
従って、モジュール70でも、前述のモジュール10と同様、各部材が解離することがなく、また、蛇腹を閉じることも、蛇腹の凹凸の間隔すなわち蛇腹の間隔の調節も容易に行えるので、取り扱いが良好であり、曲面などの様々な形状の熱源に装着する際にも、良好な作業性で装着を行うことができる。また、モジュール70は、実質的に熱電変換による発電を行う蛇腹状の発電モジュール単体を、3つ、積層した構成を有するので、大きな発電量を得られる。さらに、モジュール本体11および熱電変換部材72の熱電変換層は、他の部材の支持体12に対面して積層されるので、蛇腹を閉じた場合における熱電変換層の短絡も防止できる。
本発明においては、このように、熱電変換による発電を行う蛇腹状の発電モジュール単体を複数有する構成では、いずれの蛇腹状の発電モジュール単体を、本発明の熱電変換モジュールにおけるモジュール本体と見なしてもよい。
従って、モジュール70においては、熱電変換部材72およびモジュール本体11の、いずれの蛇腹状の発電モジュール単体を、本発明におけるモジュール本体と見なしてもよい。
しかしながら、図8に示すモジュール70は、モジュール本体11と、モジュール本体11の支持体12に、熱電変換層を対面して積層される熱電変換部材72と、モジュール本体11の熱電変換層に、支持体12を対面して積層される熱電変換部材72と、を有する構成と見なすこともできる(熱電変換部材72/モジュール本体11/熱電変換部材72の構成)。
あるいは、モジュール70は、モジュール本体11と、モジュール本体11の熱電変換層に、支持体12を対面して積層される熱電変換部材72と、この熱電変換部材72の支持体12に、熱電変換層を対面して積層される熱電変換部材72と、を有する構成と見なすこともできる(熱電変換部材72/熱電変換部材72/モジュール本体11の構成)。
例えば、本発明の熱電変換モジュールが、後述する図10に示すモジュール本体84と同様の構成の蛇腹状の発電モジュール単体と、モジュール本体11と同様の構成の蛇腹状の発電モジュール単体とを有する場合には、モジュール本体84と同構成の物を本発明におけるモジュール本体と見なし、モジュール本体11と同構成の物を本発明における熱電変換部材と見なしてもよく、逆に、モジュール本体11と同構成の物を本発明におけるモジュール本体と見なし、モジュール本体84と同構成の物を本発明における熱電変換部材と見なしてもよい。
あるいは、熱電変換部材72を3以上有する、4以上の蛇腹状の発電モジュール単体を積層した構成でもよい。
すなわち、本発明において、蛇腹状部材として熱電変換部材を有する構成では、モジュール本体と熱電変換部材とで、熱電変換層の形状および/または位置、接続電極の形状および/または位置、熱電変換層の種類(P型およびN型の両方、P型のみ、N型のみ)等が異なってもよい(後述する図10および図11参照)。すなわち、モジュール本体と熱電変換部材とで構成が異なってもよい。また、複数の熱電変換部材を有する場合には、熱電変換部材同士で、構成が異なってもよい。
この場合には、いずれの蛇腹状の発電モジュール単体を本発明におけるモジュール本体と見なしてもよいのは、前述のとおりである。
しかしながら、後述する本発明の製造方法の第2の態様に示すように、モジュール本体11と熱電変換部材72を積層した状態での蛇腹状の折り返しが可能である等の点で、複数の蛇腹状の発電モジュール単体を有する場合には、全ての蛇腹状の発電モジュール単体で、山折りおよび谷折りの位置を一致するのが好ましく、図8に示すように、全ての蛇腹状の発電モジュール単体が同じ構成であるのが特に好ましい。
例えば、図9に示す熱電変換モジュール80のように、図8に示すモジュール70に、図1A〜図1Cに示すモジュール10と同様に絶縁部材20を設けてもよい。
あるいは、図4に示すモジュール40、図5に示す熱電変換モジュール、および、図6に示す熱電変換モジュール等において、モジュール本体11に、1以上の熱電変換部材72(熱電変換による発電を行う蛇腹状の発電モジュール単体)を積層してもよい。
また、図1A〜図1Cに示すモジュール10において、絶縁部材20の上に熱電変換部材72を設けてもよい。
例えば、図8に示すように、モジュール本体11と熱電変換部材72とが同じ構成を有する場合には、熱電変換部材72を表裏反転して、熱電変換層同士を対面して、モジュール本体11と熱電変換部材72とを積層してもよい。言い換えれば、図8に示すように、モジュール本体11と熱電変換部材72とが同じ構成を有する場合には、支持体12の一点鎖線(図2参照)における山折りと谷折りとを逆にして、熱電変換層同士を対面して、モジュール本体11と熱電変換部材72とを積層してもよい。
この場合には、モジュール本体11と熱電変換部材72とで、P型熱電変換層14p同士が接触し、また、N型熱電変換層16n同士が接触する。そのため、モジュール本体11と熱電変換部材72とを熱電変換層を対面した状態で積層しても、短絡は生じない。
例えば、モジュール本体(熱電変換部材)は、蛇腹状に折り返した支持体12の1つの傾斜面に、互いに離間して、P型熱電変換層14pとN型熱電変換層16nとを設けてもよい。
なお、図10に示すモジュール本体84は、図2等に示す前述のモジュール本体11と同じ部材を多数用いているので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる点を主に行う。この点に関しては、図11に示すモジュール本体95も同様である。
また、これらのモジュール本体は、熱電変換部材としても利用可能である。
図10に示すモジュール本体84は、互いに離間するP型熱電変換層86p、N型熱電変換層90nおよびP型熱電変換層86pを有する傾斜面と、互いに離間するN型熱電変換層90n、P型熱電変換層86pおよびN型熱電変換層90nを有する傾斜面とを、長手方向に交互に有する。
この傾斜面において、P型熱電変換層86pとN型熱電変換層90nとP型熱電変換層86pとは、2本の接続電極94で直列に接続される。接続電極94は、長手方向にN型熱電変換層90nを挟むようにして、一方のP型熱電変換層86pとN型熱電変換層90nとを接続し、N型熱電変換層90nと他方のP型熱電変換層86pとを接続する。
他方、N型熱電変換層90n、P型熱電変換層86pおよびN型熱電変換層90nを有する傾斜面においては、2つのN型熱電変換層90nで幅方向にP型熱電変換層86pを挟むように、熱電変換層が配置される。
この傾斜面において、N型熱電変換層90nとP型熱電変換層86pとN型熱電変換層90nとは、2本の接続電極94で直列に接続される。接続電極94は、長手方向にP型熱電変換層86pを挟むようにして、一方のN型熱電変換層90nとP型熱電変換層86pとを接続し、P型熱電変換層86pと他方のN型熱電変換層90nとを接続する。
これにより、支持体12に形成される全てのP型熱電変換層86pとN型熱電変換層90nとが、交互に、直列に接続される。
図11に、その一例を示す。
図11に示すモジュール本体95は、幅方向の端部近傍に2つのP型熱電変換層86pを有する傾斜面と、幅方向の中央に1つのP型熱電変換層86pを有する傾斜面とを、長手方向に交互に有する。
この傾斜面において、2つのP型熱電変換層86pには、傾斜面の稜線を跨ぐ接続電極92が接続される。各P型熱電変換層86pに接続される接続電極92は、互いに異なる傾斜面に到る。
一方の接続電極98は、一方の傾斜面側の稜線を跨ぐ接続電極92に接続される。他方の接続電極98は、長手方向に逆側の傾斜面側の稜線を跨ぐ接続電極92に接続される。
これにより、支持体12に形成される多数のP型熱電変換層86pが、直列に接続される。
さらに、本発明の熱電変換モジュールにおいて、熱電変換部材を有し、かつ、モジュール本体の熱電変換層と熱電変換部材の熱電変換層とを対面して積層する場合や、熱電変換部材同士の熱電変換層を対面して積層する場合には、モジュール本体と熱電変換層との間に絶縁性材料のみからなる蛇腹状の絶縁部材を設けてもよく、あるいは、モジュール本体および/または熱電変換層の熱電変換層を、絶縁性の被膜で被覆してもよい。
図12に示す熱伝導性積層体56は、前述の絶縁部材20と放熱部材42とを、蛇腹の凹凸を合わせて積層して、絶縁部材20の貫通孔および放熱部材の貫通孔50を貫通して、ワイヤー46で絶縁部材20および放熱部材42を挿通したものである。
すなわち、熱伝導性積層体56は、図4Aに示すモジュール10から、モジュール本体11を取り除いたものである。言い換えれば、図4Aに示すモジュール10は、モジュール本体11に、蛇腹の凹凸を合わせて、図12に示す熱伝導性積層体56を組み合わせたものである。
しかしながら、前述のモジュール10と同様、本発明の熱伝導性積層体56は、これに限定はされず、絶縁部材20は、樹脂フィルム等の絶縁性を有するシート状物を蛇腹状に折り消したのみの構成であってもよい。
なお、このモジュール本体11および絶縁部材20の搬送は、ローラ62およびローラ64によって搬送経路を屈曲された時点で、モジュール本体11の熱電変換層等の形成面と、絶縁部材20の支持体30とが対面するように行う。
モジュール本体11および絶縁部材20を90°屈曲する箇所すなわち搬送経路を変更する箇所において、図14および図15Aに示すように、モジュール本体11と絶縁部材20とを、蛇腹の凹凸を合わせて積層する。
また、モジュール本体11はワイヤー24を、絶縁部材20はワイヤー60を、それぞれ挿通された状態で搬送されるので、長手方向への搬送、搬送経路の変更および積層を行われても、適正な蛇腹状を維持することができる。そのため、凹凸を合わせた適正なモジュール本体11と絶縁部材20との積層を安定して行うことができる。
また、モジュール本体11と絶縁部材20とを凹凸を合わせて積層するために搬送経路を変更するのは、モジュール本体11および絶縁部材20の一方のみでもよい。
次いで、図16Aに示すように、モジュール本体11と絶縁部材20との位置合わせを行う。本例においては、モジュール本体11の貫通孔28と、絶縁部材20の貫通孔とが、直線状に配列されるようにモジュール本体11と絶縁部材20との位置合わせを行う。
さらに、図16Bに示すように、モジュール本体11から引き抜いたワイヤー24を、モジュール本体11の貫通孔28および絶縁部材20の貫通孔を貫通するように挿通する。これにより、蛇腹状の長尺なモジュール本体11および絶縁部材20を、蛇腹の凹凸合わせて、ワイヤー24で挿通した、本発明のモジュール10とする。
従って、本例では、モジュール本体11から引き抜いたワイヤー24が固定用線状部材となる。なお、固定用線状部材として、絶縁部材20から引き抜いたワイヤー60を用いてもよいのは、もちろんである。
これに対し、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の第1の態様の別の形態では、ワイヤー24およびワイヤー60を引き抜かず、そのままにして、別のワイヤーで、モジュール本体11および絶縁部材20を挿通する。
この際において、固定用線状部材となるワイヤーが貫通する貫通孔は、予め、モジュール本体11および絶縁部材20の傾斜面の所定位置に形成しておく。あるいは、固定用線状部材となるワイヤーをモジュール本体11および絶縁部材20の傾斜面に貫通させることで、貫通孔を形成してもよい。
また、図12に示す熱伝導性積層体56も、線状部材が挿通された蛇腹状の絶縁部材20および線状部材が挿通された蛇腹状の放熱部材42を用いて、同様に製造できる。
また、図12に示す熱伝導性積層体56と、図13に示す、ワイヤー24を挿通されたモジュール本体11とを用いて、同様にして、図4Aに示すモジュール40を作製してもよい。この際においては、絶縁部材20の貫通孔36に対応する位置に、別途、ワイヤーを挿通してもよい。
さらに、本発明の製造方法では、モジュール本体11とは別の、1以上のモジュール本体を蛇腹状部材と見なすことにより、モジュール本体11を積層した熱電変換モジュールを製造することもできる。
図17A〜図17Cに示す製造方法は、一例として、図8に示すモジュール70を製造する製造方法である。すなわち、本発明の製造方法の第2の態様は、図8に示すような、同じ構成を有する蛇腹状の発電モジュール単体を、複数、積層した構成を有する熱電変換モジュールの製造に好適な方法である。
図17A〜図17Cは、図8に示すモジュール70の製造方法である。従って、モジュール本体11に加え、2枚の熱電変換部材72を有するものであり、1枚目の平板状の熱電変換部材72の上に2枚目の平板状の熱電変換部材72を積層し、2枚目の平板状の熱電変換部材72の上に平板状のモジュール本体11を積層している。
積層体を蛇腹状に折り曲げる方法は、互いに歯合するギアの間を挿通する方法など、シート状物や、シート状物の積層体を蛇腹状に折り曲げる公知の方法が、各種、利用可能である。
なお、ワイヤー74を貫通するモジュール本体11の貫通孔76および熱電変換部材72の貫通孔78は、図17Aに示す蛇腹状に折り曲げる前の状態に形成してもよく、図17Bに示す、積層体を蛇腹状に折り曲げた段階で形成してもよい。あるいは、蛇腹状に折り曲げた後に、ワイヤー74を挿通することで、貫通孔76および貫通孔78を形成してもよい。
11,84,95 モジュール本体
12,30 支持体
14p,86p P型熱電変換層
16n,90n N型熱電変換層
18,92,94,96,98 接続電極
20 絶縁部材
24,46,52,60,74 ワイヤー
28,36,48,50,76,78 貫通孔
32 熱伝導性層
42 放熱部材
62,64 ローラ
Claims (29)
- 蛇腹状に折り返された支持体と、前記支持体の少なくとも一方の面に形成される、互いに離間する複数の熱電変換層と、隣接する前記熱電変換層を接続する接続電極と、を有するモジュール本体、
前記モジュール本体と凹凸を合わせて設けられる、蛇腹状に折り返された1以上の蛇腹状部材、および、
前記モジュール本体の蛇腹状の折り返しによる傾斜面と、少なくとも1つの前記蛇腹状部材の蛇腹状の折り返しによる傾斜面とを貫通して、前記モジュール本体と少なくとも1つの前記蛇腹状部材とを挿通する可撓性の線状部材、を有することを特徴とする熱電変換モジュール。 - 前記蛇腹状部材が、絶縁部材、放熱部材および熱電変換部材から選択される1以上である請求項1に記載の熱電変換モジュール。
- 前記モジュール本体の熱電変換層の形成面に対面して、前記絶縁部材が設けられる請求項2に記載の熱電変換モジュール。
- 前記絶縁部材の前記モジュール本体とは逆側の面に対面して、前記放熱部材が設けられる請求項3に記載の熱電変換モジュール。
- 前記絶縁部材の傾斜面と、前記放熱部材の傾斜面とを貫通して、前記絶縁部材と放熱部材とを挿通する可撓性の第2線状部材を有する請求項4に記載の熱電変換モジュール。
- 前記絶縁部材が、絶縁層の表面に熱伝導性層を有するものであり、前記絶縁層を前記モジュール本体の熱電変換層の形成面に向けて設けられる請求項2〜5のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。
- 前記熱電変換部材が、蛇腹状に折り返された部材支持体と、前記部材支持体の少なくとも一方の面に形成される、互いに離間する複数の部材熱電変換層と、隣接する前記熱電変換層を接続する部材接続電極と、を有する請求項2〜6のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。
- 前記モジュール本体が、前記支持体の一方の面のみに前記熱電変換層を有するものであり、前記熱電変換部材が、前記部材支持体の一方の面にのみに前記部材熱電変換層を有するものであり、
前記モジュール本体の熱電変換層に、前記部材支持体を対面して設けられる熱電変換部材、および、前記モジュール本体の支持体に、前記部材熱電変換層を対面して設けられる熱電変換部材の、少なくも一方を有する請求項7に記載の熱電変換モジュール。 - 前記熱電変換部材を、複数、有し、
前記部材支持体と前記部材熱電変換層とを対面して設けられる熱電変換部材の組み合わせを、1以上、有する請求項8に記載の熱電変換モジュール。 - 前記線状部材が、前記モジュール本体の、前記熱電変換層の形成位置および前記接続電極の形成位置、以外の場所を貫通する請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。
- 前記線状部材が、前記接続電極に対して、前記傾斜面の傾斜方向に同位置で、かつ、前記蛇腹状の折り返しによる稜線の長手方向の外側を貫通する請求項10に記載の熱電変換モジュール。
- 前記モジュール本体の熱電変換層が、前記支持体の一方の面において、前記傾斜面に一面ずつ交互に設けられるP型熱電変換層およびN型熱電変換層である請求項1〜11のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。
- 蛇腹状に折り返された絶縁部材、
前記絶縁部材と凹凸を合わせて設けられる、蛇腹状に折り返された放熱部材、および、
前記絶縁部材の蛇腹状の折り返しによる傾斜面と、前記放熱部材の蛇腹状の折り返しによる傾斜面とを貫通して、前記絶縁部材と前記放熱部材とを挿通する可撓性の線状部材、を有することを特徴とする熱伝導性積層体。 - 前記絶縁部材が、絶縁層の表面に熱伝導性層を有するものである請求項13に記載の熱伝導性積層体。
- 蛇腹状に折り返された支持体と、前記支持体の少なくとも一方の面に形成される、互いに離間する複数の熱電変換層と、隣接する前記熱電変換層を接続する接続電極と、前記蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して蛇腹を挿通する可撓性の線状部材と、を有するモジュール本体を作製する工程、
蛇腹状に折り返され、前記蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して蛇腹を挿通する可撓性の線状部材を有する、蛇腹状部材を作製する工程、
前記モジュール本体と蛇腹状部材とを、前記蛇腹状の折り返しによる稜線と直交する方向に搬送しつつ、搬送経路に設けられた搬送経路の変更部において、凹凸を合わせて積層する工程、および、
前記モジュール本体の傾斜面と前記蛇腹状部材の傾斜面とを貫通して、前記積層したモジュール本体と蛇腹状部材とを挿通する可撓性の固定用線状部材を設ける工程、を有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。 - 前記固定用線状部材が、前記モジュール本体を挿通する線状部材および前記蛇腹状部材を挿通する線状部材の少なくとも一方であり、
前記固定用線状部材を挿通する工程では、前記積層したモジュール本体および蛇腹状部材から前記線状部材を引き抜く工程、前記モジュール本体と蛇腹状部材との位置合わせを行う工程、ならびに、前記線状部材を抜いた斜面の貫通孔に、前記モジュール本体から引き抜いた線状部材および前記蛇腹状部材から引き抜いた線状部材の少なくとも一方を挿通する工程、を行う請求項15に記載の熱電変換モジュールの製造方法。 - 前記固定用線状部材を挿通する工程では、前記モジュール本体を挿通する線状部材および蛇腹状部材を挿通する線状部材をそのままにして、前記モジュール本体と蛇腹状部材とに前記固定用線状部材を挿通する請求項15に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 前記蛇腹状部材が、絶縁部材、放熱部材および熱電変換部材から選択される1以上である請求項15〜17のいずれか1項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 前記絶縁部材と放熱部材とを凹凸を合わせて積層し、かつ、前記絶縁部材の傾斜面と前記放熱部材の傾斜面とを貫通して、前記絶縁部材と放熱部材とを挿通する可撓性の線状部材を設ける請求項18に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 前記絶縁部材が、絶縁層の表面に熱伝導性層を有するものである請求項18または19に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 前記熱電変換部材が、蛇腹状に折り返された部材支持体と、前記支持体の少なくとも一方の面に形成される、互いに離間する複数の部材熱電変換層と、隣接する前記部材熱電変換層を接続する部材接続電極と、を有する請求項18〜20のいずれか1項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 前記固定用線状部材を、前記モジュール本体の熱電変換層の形成位置、および、前記接続電極の形成位置、以外の場所を貫通させる請求項15〜21のいずれか1項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 前記固定用線状部材を、前記接続電極に対して、前記傾斜面の傾斜方向に同位置で、かつ、前記稜線の長手方向の外側を貫通させる請求項22に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 前記モジュール本体の熱電変換層が、前記支持体の一方の面において、前記傾斜面に一面ずつ交互に設けられるP型熱電変換層およびN型熱電変換層である請求項15〜23のいずれか1項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 支持体と、前記支持体の少なくとも一方の面に形成される互いに離間する複数の熱電変換層と、隣接する前記熱電変換層を接続する接続電極と、を有するシート状物を、複数枚、積層する工程、
前記シート状物の積層体を、蛇腹状に折り返す工程、
前記蛇腹状に折り返したシート状物の、前記蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して、可撓性の線状部材を挿通する工程、
前記蛇腹状に折り返したシート状物に、蛇腹状に折り返した絶縁部材および放熱部材の少なくとも一方を、蛇腹の凹凸を合わせて積層する工程、および、
前記積層した、前記蛇腹状に折り返したシート状物と、前記蛇腹状に折り返した絶縁部材および放熱部材の少なくとも一方との、前記蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して、可撓性の線状部材を挿通する工程、を有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。 - 蛇腹状に折り返され、前記蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して蛇腹を挿通する可撓性の線状部材を有する、絶縁部材を作製する工程、
蛇腹状に折り返され、前記蛇腹状の折り返しによる傾斜面を貫通して蛇腹を挿通する可撓性の線状部材を有する、放熱部材を作製する工程、
前記絶縁部材と放熱部材とを、蛇腹状の折り返しによる稜線と直交する方向に搬送しつつ、搬送経路に設けられた搬送経路の変更部において、凹凸を合わせて前記絶縁部材と放熱部材とを積層する工程、ならびに、
前記積層した絶縁部材および放熱部材の傾斜面を貫通して、可撓性の固定用線状部材を挿通する工程、を有することを特徴とする熱伝導性積層体の製造方法。 - 前記固定用線状部材が、前記絶縁部材の傾斜面を挿通する線状部材および前記放熱部材の傾斜面を挿通する線状部材の少なくとも一方であり、
前記固定用線状部材を挿通する工程では、前記積層した絶縁部材および放熱部材から前記線状部材を引き抜く工程、前記絶縁部材と放熱部材との位置合わせを行う工程、ならびに、前記線状部材を抜いた斜面の貫通孔に、前記絶縁部材から引き抜いた線状部材および前記放熱部材から引き抜いた線状部材の少なくとも一方を挿通する工程、を行う請求項26に記載の熱伝導性積層体の製造方法。 - 前記固定用線状部材を挿通する工程では、前記絶縁部材を挿通する線状部材および放熱部材を挿通する線状部材をそのままにして、前記絶縁部材と放熱部材とに前記固定用線状部材を挿通する請求項26に記載の熱伝導性積層体の製造方法。
- 前記絶縁部材が、絶縁層の表面に熱伝導性層を有するものである請求項26〜28のいずれか1項に記載の熱伝導性積層体の製造方法。
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