JP6600012B2 - 熱電変換デバイス - Google Patents
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Description
熱電変換素子は、熱エネルギーと電力とを直接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。
π型の熱電変換素子とは、互いに離間する一対の電極を設け、一方の電極の上にn型熱電変換材料からなるn型熱電変換層を、他方の電極の上にp型熱電変換材料からなるp型熱電変換層を、同じく互いに離間して設け、両熱電変換層の上面を電極によって接続してなる構成を有する。
また、n型熱電変換層とp型熱電変換層とが交互に配置されるように、複数の熱電変換素子を配列して、熱電変換層の下部の電極を直列に接続することで、多数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールが形成される。
この熱電変換モジュールは、可撓性および絶縁性を有する支持体の表面に、p型熱電変換層とn型熱電変換層とを、交互に配列し、さらに、各熱電変換層を直列で接続するように、支持体の表面に電極を形成したものである。
これらの熱電変換モジュールは、例えば、支持体を折り曲げ、または、円柱状に巻回したのち、上部および下部に熱伝導板を配置して、熱源に接触させる。また、支持体上に熱電変換材料を成膜し、支持体を断熱性板の間に挟みながら折り曲げることで熱電変換モジュールを形成する場合もある。
熱電変換モジュールの熱電変換効率は、熱電変換層の材料に依存する部分が大きい。そのため、熱電変換層の材料として、より熱電変換効率の高い材料を選択する等によって、形成できる温度差を大きくすることができる。しかしながら、熱電変換層の材料を適切に選択するのみでは、より大きな温度差を得るのは難しい。
このように、複数の熱電変換モジュールを温度勾配の方向に合わせて積層する構成とすることで、熱電変換モジュールごとに所定の温度差が得られるため、全体として、積層数分の温度差を得ることが可能となることが記載されている。
また、前述のとおり、π型の熱電変換素子は、互いに離間して設けられた2つの熱電変換層の上面を電極によって接続してなるπ型の構成を有する。そのため、π型の熱電変換素子を有する熱電変換モジュールを温度勾配の方向に合せて積層する構成では、積層方向への押圧力等により、このπ型の構造が破損してしまうおそれがある。
すなわち、本発明は、以下の構成の熱電変換デバイスを提供する。
複数の熱電変換モジュールは、1つの熱電変換モジュールの山折部と、これに隣接する熱電変換モジュールの谷折部とが、蛇腹構造の折りたたみ方向から見た際に重複するように積層されている熱電変換デバイス。
(2) 積層された熱電変換モジュールは、下段の熱電変換モジュールの山折部の接続電極と、上段の熱電変換モジュールの谷折部の接続電極とが、折りたたみ方向から見た際に重複するように積層されている(1)に記載の熱電変換デバイス。
(3) 積層された熱電変換モジュールの、下段の熱電変換モジュールの山折部と、上段の熱電変換モジュールの谷折部との重複部を折りたたみ方向に押圧する押圧部材を有する(1)または(2)に記載の熱電変換デバイス。
(4) 押圧部材が、フレーム状の部材である(3)に記載の熱電変換デバイス。
(5) 複数の熱電変換モジュールはそれぞれ、重複部に貫通孔を有し、
押圧部材は、ワイヤー状の部材であり、
ワイヤー状の部材が、複数の熱電変換モジュールの貫通孔に挿通されている(3)に記載の熱電変換デバイス。
(6) 上段の熱電変換モジュールの熱電変換層の形成材料と、下段の熱電変換モジュールの熱電変換層の形成材料とは、温度特性が異なる(1)〜(5)のいずれかに記載の熱電変換デバイス。
(7) 熱電変換モジュールは、長尺な支持体と、支持体の一方の面に、支持体の長手方向に間隔を有して交互に形成される複数のp型熱電変換層およびn型熱電変換層と、支持体の長手方向に隣接するp型熱電変換層およびn型熱電変換層を電気的に接続する接続電極と、を有し、隣接するp型熱電変換層とn型熱電変換層との間の、接続電極の位置で交互に山折りまたは谷折りされて蛇腹構造に形成されたものである(1)〜(6)のいずれかに記載の熱電変換デバイス。
(8) 熱電変換モジュールは、隣接する山折りおよび谷折りの間の領域に、折りたたみ方向と直交する方向に配列される、1以上のp型熱電変換層および1以上のn型熱電変換層を有する(1)〜(6)のいずれかに記載の熱電変換デバイス。
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。
複数の熱電変換モジュールは、1つの熱電変換モジュールの山折部と、これに隣接する熱電変換モジュールの谷折部とが、蛇腹構造の折りたたみ方向から見た際に重複するように積層されている熱電変換デバイスである。
図1に示す熱電変換デバイス100は、複数の熱電変換素子が形成された、2つの熱電変換モジュール10aおよび10bを有する。
熱電変換デバイス100の構成については、後に詳述する。
なお、本発明において、蛇腹構造の折りたたみ方向とは、熱電変換モジュールの蛇腹構造の山折部と谷折部とが繰り返される方向である。以下の説明においては、『蛇腹構造の折りたたみ方向』を単に『折りたたみ方向』ともいう。
なお、本発明において、長手方向の長さや間隔とは、熱電変換モジュール10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。
また、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。
この山折りおよび谷折りは、長手方向に一定間隔で形成される。
従って、モジュール10は、熱電変換層に電流を流すことで、図2Bの下側(谷折部V側)と、上側(山折部M側)との間で温度差を生じるペルチェ素子として用いることができる。
また、モジュール10は、図2Bの下側(谷折部V側)に高温熱源を、上側(山折部M側)に低温熱源(放熱フィンなどの放熱手段)を設けられて、図2Bにおける上下方向に温度差をかけることで発電する発電素子として用いることもできる。
一例として、図3に示すように、支持体12のp型熱電変換層14p、n型熱電変換層16nおよび接続電極18側を覆うように、絶縁性シート28を配置し、この絶縁性シート28と共に折りたたみ蛇腹構造に形成することで、短絡を防止することができる。
絶縁性シート28は、熱電変換層および接続電極18の短絡を防止できる程度の絶縁性を有するものが適宜利用可能である。絶縁性シート28には、例えば、ポリイミドが用いられる。
本発明の熱電変換デバイスにおいて、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。
本発明者らの検討によれば、支持体12の厚さは、25μm以下が好ましく、13μm以下がより好ましい。
本発明のモジュール10は、山折りおよび谷折りで、交互に折れ曲がった状態を維持できる必要がある。後述するが、モジュール10においては、接続電極18すなわち金属層の塑性変形によって、この折れ曲がりを維持する。ここで、支持体12が厚いと、接続電極18が、支持体12の折れ曲がりを維持できなくなってしまう可能性が有る。これに対して、支持体12の厚さを15μm以下にすることにより、接続電極18によるモジュール10の折れ曲がりの維持を、より好適にできる。
また、支持体12の厚さを15μm以下にすることにより、熱の利用効率を向上できる等の点でも好ましい。
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、適宜調整することができる。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ン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、絶縁性基板表面全面に、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。
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10を長手方向に圧縮した際において、p型熱電変換層14pとn型熱電変換層16nとの接触を生じ難くできる。
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。
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。
ここで、接続電極18は、モジュール10を蛇腹構造に形成する際に、支持体12と共に山折りまたは谷折りされる。接続電極18の塑性変形によって、モジュール10を蛇腹状に折り曲げた状態を好適に維持できる。
モジュール10を蛇腹状に折り曲げた状態を維持できる、電極として十分な導電性を確保できる等の観点から、接続電極18の厚さは、3μm以上であるのが好ましく、6μm以上であるのがより好ましい。さらに、接続電極18の厚さは、支持体12の厚さよりも厚いのが好ましい。
低剛性部は、接続電極18において他の部分よりも剛性が低い部分であり、すなわち、他の部分よりも折り曲げ易い部分である。
一例として、接続電極18に形成される低剛性部は、幅方向に平行な破線により構成される。言い換えれば、接続電極18に、電極(金属)が有る部分と無い部分とを、幅方向に交互に形成することで、低剛性部とすることができる。
あるいは、低剛性部となる位置の電極(金属)の厚さを他の部分よりも薄くして溝状に形成してもよい。
なお、モジュール10の高さとは、図1における上下方向のモジュール10の大きさであり、すなわち、温度勾配が生じる方向のモジュール10の大きさである。
あるいは、通常の樹脂フィルムなどを支持体12として用い、支持体12の表面に印刷等によってスパッタリングや真空蒸着によって接続電極18を形成してもよい。
したがって、上段のモジュール10aの低温側と下段のモジュール10bの高温側とが重複し熱的に接続されるので、または、上段のモジュール10aの高温側と下段のモジュール10bの低温側とが重複し熱的に接続されるので、熱電変換デバイス100として、上段のモジュール10aによる温度差と下段のモジュール10bによる温度差とを足し合わせた温度差を発生することができる。
また、上段のモジュールと下段のモジュールとの間に、熱伝導板等を挟んで接触面積を確保する構成としても、温度損失が発生するため、やはり十分な温度差を得ることができない。
そのため、本発明の熱電変換デバイス100では、上段のモジュール10aの谷折部Vと下段のモジュール10bの山折部Mとの接触面積を大きくすることができる。また、折りたたみ方向から見た際に重複する山折部Mと谷折部Vとには、接続電極18が配置されるので、接続電極18の形成位置同士が面で向かい合うため、上段のモジュール10aと下段のモジュール10bとの伝熱効率を高くできる。また、上段のモジュール10aの谷折部Vと下段のモジュール10bの山折部Mとが、温度勾配が生じる方向に直交する方向において重複するので、温度損失を小さくすることができる。
したがって、本発明の熱電変換デバイス100は、重ね合わせる位置での温度損失を低減して、十分な温度差を得ることができる。
しかしながら、これに限定はされず、上段のモジュール10aと下段のモジュール10bとが電気的に並列に接続されていてもよく、あるいは、電気的に互いに独立であってもよい。
例えば、3つのモジュールを積層する場合には、下段のモジュール10の山折部Mと、中段のモジュール10の谷折部Vとが、蛇腹構造の折りたたみ方向から見た際に重複するように積層し、中段のモジュール10の山折部Mと、上段のモジュール10の谷折部Vとが、蛇腹構造の折りたたみ方向から見た際に重複するように積層した構成とすればよい。
図4に、本発明の熱電変換デバイスの他の一例を示す。
なお、図4に示す熱電変換デバイス110は、フレーム30を有する以外は、図1に示す熱電変換デバイス100と同じ構成を有するので、同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明は異なる部位を主に行う。
フレーム30は、2つのモジュールの重複部を押圧できれば、その構成に限定はない。例えば、フレーム30は、2つの棒状部材をそれぞれ熱電変換デバイス110の折りたたみ方向の両端部に配置し、この2つの棒状部材をネジ等で固定する構成が挙げられる。
また、フレーム30の大きさのも限定はなく、2つのモジュールの重複部のサイズに合わせて適宜設定すればよい。
また、押圧部材により下段のモジュール10bの山折部Mと上段のモジュール10aの谷折部Vとの重複部を折りたたみ方向に押圧することで、下段のモジュール10bの山折部Mと上段のモジュール10aの谷折部Vとを確実に接触させることができ、伝熱効率をより高くできる。
図5に、本発明の熱電変換デバイスの他の一例の概略断面図を示し、図6に、図5の熱電変換デバイスを説明するための概略斜視図を示す。図5に示す熱電変換デバイス120は、図6に示す2つのモジュール10を積層した後のB−B線における断面図である。
図5に示す熱電変換デバイス120は、モジュール10に、金属層20、貫通孔21、金属層22および貫通孔23が形成され、ワイヤー32を有する以外は、図1に示す熱電変換デバイス100と同じ構成を有するので、同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明は異なる部位を主に行う。
図5に示すように、金属層20は、モジュール10を蛇腹構造に折りたたんだ際に山折部M側に配置され、金属層22は、谷折部V側に配置される。また、金属層20および金属層22はそれぞれ、全ての山折部Mおよび谷折部Vに形成されている。全ての山折部Mの金属層20の位置には貫通孔21が形成されており、全ての谷折部Vの金属層22の位置には、貫通孔23が形成されている。
図6に一点鎖線で示すように、ワイヤー32は、上段のモジュール10aの谷折部Vに形成された貫通孔23と、下段のモジュール10bの山折部Mに形成された貫通孔21とに交互に挿通される。
また、ワイヤー32で押圧する構成とすることで、熱電変換デバイス120にフレキシブル性を持たせることができる。
また、ワイヤー32の太さ、長さ等も限定はなく、モジュール10の大きさや構成等に応じて適宜設定すればよい。
例えば、上段のモジュール10aと下段のモジュール10bとで、温度特性の異なる材料を熱電変換層の形成材料として用いる構成としてもよい。これにより、上段のモジュール10aおよび下段のモジュール10bそれぞれの温度域において、効率よく温度勾配を生じさせることができ、より大きな温度差を設けることができる。
また、上段のモジュール10aと下段のモジュール10bとで蛇腹構造の折り目の数を同じとしたが、これに限定はされず、上段のモジュール10aと下段のモジュール10bとで蛇腹構造の折り目の数が互いに異なる構成としてもよい。
図7に、熱電変換モジュールの他の一例を説明するための上面図を示す。なお、図7において、図2A〜図2Dに示す熱電変換モジュール10と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
また、図7中上側のp型熱電変換層14pとこれに隣接するn型熱電変換層16nとは、谷折り側で接続電極19aにより電気的に接続されている。接続電極19aは、支持体12の幅方向に延在して、p型熱電変換層14pおよびn型熱電変換層16nの谷折り側の端部に接続している。
また、図7中上側のp型熱電変換層14pの山折り側の端部には、接続電極18が接続されている。
また、n型熱電変換層16nとこれに隣接する図7中下側のp型熱電変換層14pとは、山折り側で接続電極19bにより電気的に接続されている。この接続電極19bは、支持体12の幅方向に延在して、n型熱電変換層16nおよびp型熱電変換層14pの山折り側の端部に接続している。
また、図7中下側のp型熱電変換層14pは、谷折り側の端部において、接続電極18により、支持体の長手方向に隣接するn型熱電変換層16nに接続されている。
また、図7中上側のn型熱電変換層16nとこれに隣接するp型熱電変換層14pとは、谷折り側で接続電極19aにより電気的に接続されている。接続電極19aは、支持体12の幅方向に延在して、n型熱電変換層16nおよびp型熱電変換層14pの谷折り側の端部に接続している。
また、図7中下側のn型熱電変換層16nは、谷折り側の端部において、接続電極18により、支持体の長手方向に隣接する、1番目の領域のp型熱電変換層14pに接続されている。
また、p型熱電変換層14pとこれに隣接する図7中下側のn型熱電変換層16nとは、山折り側で接続電極19bにより電気的に接続されている。この接続電極19bは、支持体12の幅方向に延在して、p型熱電変換層14pおよびn型熱電変換層16nの山折り側の端部に接続している。
また、図7中上側のn型熱電変換層16nは、山折り側の端部において、接続電極18により、支持体の長手方向に隣接する、3番目の領域のp型熱電変換層14pに接続されている。
これにより、複数のp型熱電変換層14pおよびn型熱電変換層16nが、交互に直列に接続した構成となる。したがって、熱電変換モジュール40に、電流を流すことで、谷折部と、山折部との間で温度差を生じることができる。
ただし、蛇腹の一方の傾斜部の熱電変換層から、山部の電極を越えて隣接する傾斜部の熱電変換層への電気接続の観点から、一つの傾斜部の熱電変換層は奇数であることが好ましい。
12 支持体
14p p型熱電変換層
16n n型熱電変換層
18、19a、19b 接続電極
20、22 金属部
21、23 貫通孔
28 絶縁性シート
30 フレーム
32 ワイヤー
100、110、120 熱電変換デバイス
Claims (8)
- 可撓性を有する絶縁性の支持体と、前記支持体の一方の面に、間隔を有して交互に形成される複数のp型熱電変換層およびn型熱電変換層と、隣接する前記p型熱電変換層および前記n型熱電変換層を電気的に接続する接続電極と、を有し、一方向に隣接する前記p型熱電変換層と前記n型熱電変換層との間の、前記接続電極の位置で交互に山折りまたは谷折りされて蛇腹構造に形成された熱電変換モジュールを複数有し、
複数の前記熱電変換モジュールは、1つの熱電変換モジュールの山折部と、これに隣接する熱電変換モジュールの谷折部とが、蛇腹構造の折りたたみ方向から見た際に重複するように積層されていることを特徴とする熱電変換デバイス。 - 積層された前記熱電変換モジュールは、下段の前記熱電変換モジュールの山折部の前記接続電極と、上段の前記熱電変換モジュールの谷折部の前記接続電極とが、折りたたみ方向から見た際に重複するように積層されている請求項1に記載の熱電変換デバイス。
- 積層された前記熱電変換モジュールの、下段の前記熱電変換モジュールの山折部と、上段の前記熱電変換モジュールの谷折部との重複部を折りたたみ方向に押圧する押圧部材を有する請求項1または2に記載の熱電変換デバイス。
- 前記押圧部材が、フレーム状の部材である請求項3に記載の熱電変換デバイス。
- 複数の前記熱電変換モジュールはそれぞれ、重複部に貫通孔を有し、
前記押圧部材は、ワイヤー状の部材であり、
前記ワイヤー状の部材が、複数の前記熱電変換モジュールの貫通孔に挿通されている請求項3に記載の熱電変換デバイス。 - 上段の前記熱電変換モジュールの熱電変換層の形成材料と、下段の前記熱電変換モジュールの熱電変換層の形成材料とは、温度特性が異なる請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱電変換デバイス。
- 前記熱電変換モジュールは、長尺な前記支持体と、前記支持体の一方の面に、前記支持体の長手方向に間隔を有して交互に形成される複数のp型熱電変換層およびn型熱電変換層と、前記支持体の長手方向に隣接する前記p型熱電変換層および前記n型熱電変換層を電気的に接続する接続電極と、を有し、隣接する前記p型熱電変換層と前記n型熱電変換層との間の、前記接続電極の位置で交互に山折りまたは谷折りされて蛇腹構造に形成されたものである請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱電変換デバイス。
- 前記熱電変換モジュールは、前記折りたたみ方向、および、前記折りたたみ方向と直交する方向に配列される、1以上のp型熱電変換層および1以上のn型熱電変換層を有し、
前記折りたたみ方向と直交する方向に隣接するp型熱電変換層およびn型熱電変換層は、隣接する山折りおよび谷折りの間の1つの領域ごとに、交互に配列されており、
前記折りたたみ方向と直交する方向に隣接するp型熱電変換層およびn型熱電変換層を電気的に接続する第2の接続電極を有し、
山折部または谷折部に配置される前記接続電極は、前記折りたたみ方向と直交する方向の端部で、前記折りたたみ方向に隣接する前記p型熱電変換層および前記n型熱電変換層を電気的に接続する請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱電変換デバイス。
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