JP2019029504A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな発電量を得ることができる熱電変換装置を提供する。【解決手段】厚さ方向に互いに対向する第１の面２ａ及び第２の面２ｂを有する基板２と、基板２の前記第１の面２ａ側に配設された熱電変換体３と、基板２の第１の面２ａ側の面内方向に沿った第１方向に間隔をあけて、熱電変換体３に熱的に接合するように配置されている複数の第１伝熱部材１０と、を備え、第１方向に間隔をあけて配置されている複数の第１伝熱部材１０の間は、第１伝熱部材１０の熱伝導率よりも熱伝導率が低い低熱伝導部（空隙部１７）とされ、基板２の第２の面２ｂが受熱面とされていて、基板２の熱伝導率が熱電変換体３の熱伝導率よりも高い熱電変換装置。【選択図】図３

Description

本発明は、熱電変換装置に関する。

近年、省エネルギーの観点より、利用されないまま消失している熱の利用が着目されている。特に内燃機関や燃焼装置に関連する分野において、排熱を利用した熱電変換に関する研究が盛んに行われている。
熱電変換装置の研究においては、これまで室温付近で高い性能を有するＢｉＴｅ系の材料が主流であったが、その毒性や材料コストの上昇の課題があることに加え、材料系としての熱電効率の向上化が限界に近づきつつあることから、研究の主流から外れる傾向にある。そこで近年では、ＢｉＴｅ系の材料に代わって、多層膜やナノコンポジット配合膜などを用いて量子構造によって熱伝導率を下げ、それによって熱電効率を向上させるといった方向に研究の着眼点が移行してきている。

例えば、下記特許文献１に示されるように、絶縁性基板と、ｐ型及びｎ型の何れか一方の熱電変換材料からなり、絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、絶縁性基板の第１の面側に配置され、第１の電極に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、絶縁性基板の第２の面側に配置され、絶縁性基板の第２の面上であって第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材とを有する熱電変換モジュール（熱電変換装置）が知られている。

この熱電変換装置では、第１の伝熱部材を高温側に、第２の伝熱部材を低温側に配置すると、高温側の熱が第１の伝熱部材を介して第１の電極に伝達し、第２の電極側に伝わった熱が絶縁性基板を介して低温側の第２の伝熱部材に伝達することにより、熱電変換材料膜に温度差が生じる。

国際公開第２０１１／０６５１８５号

上記従来の熱電変換モジュールでは、第２の電極側に伝わった熱を、絶縁性基板を介して伝熱部材に伝達させることによって、熱電変換材料膜に温度差を生じさせる。しかしながら、第１の伝熱部材と第１の電極との間の接合部に熱抵抗が生じて、熱源からの熱が熱電変換材料膜に伝わりにくくなり、発電量が小さくなってしまうという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、大きな発電量を得ることができる熱電変換装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様にかかる熱電変換装置は、厚さ方向に互いに対向する第１の面及び第２の面を有する基板と、前記基板の前記第１の面側に配設された熱電変換体と、前記基板の前記第１の面側の面内方向に沿った第１方向に間隔をあけて、前記熱電変換体に熱的に接合するように配置されている複数の第１伝熱部材と、を備え、前記第１方向に間隔をあけて配置されている複数の前記第１伝熱部材の間は、前記第１伝熱部材の熱伝導率よりも熱伝導率が低い低熱伝導部とされ、前記基板の前記第２の面が受熱面とされていて、前記基板の熱伝導率が前記熱電変換体の熱伝導率よりも高いことを特徴としている。

（２）上記態様の熱電変換装置において、前記低熱伝導部は、空隙部であってもよい。
（３）上記態様の熱電変換装置において、さらに、前記第１伝熱部材に熱的に接合された第２伝熱部材を備えていてもよい。
（４）上記態様の熱電変換装置において、前記第２伝熱部材は、内部に流路を有していてもよい。
（５）上記態様の熱電変換装置において、前記第２伝熱部材は、前記基板の前記第１の面に対向する面以外の面にフィン構造が形成されていてもよい。

本発明によれば、大きな発電量を得ることができる熱電変換装置を提供することが可能となる。

本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態を示す分解斜視図である。 図１に示す基板を第１主面側から見た平面図である。 図１に示すIII−III線に沿った熱電変換装置の縦断面図である。 本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を示す縦断面図（図３の視点に対応した縦断面図）である。 第２実施形態に係る熱電変換装置の使用形態の一例を示す縦断面図（図３の視点に対応した縦断面図）である。 本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示す縦断面図（図３の視点に対応した縦断面図）である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態について、図１〜３を参照して説明する。図１は、本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態を示す分解斜視図である。図２は、図１に示す基板を第１主面側から見た平面図である。図３は、図１に示すIII−III線に沿った熱電変換装置の縦断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態の熱電変換装置１は、厚さ方向に互いに対向する第１主面（本発明に係る第１の面）２ａ及び第２主面（本発明に係る第２の面）２ｂを有する基板２と、基板２の第１主面側に配設された熱電変換膜３と、熱電変換膜３に熱的に接合され、空気の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する第１伝熱部材１０と、第１伝熱部材１０に熱的に接合された第２伝熱部材１１とを備える。熱電変換膜３は、第１熱電変換膜４と第２熱電変換膜５を有する。基板２の第１主面２ａには、熱電変換膜３に接続する一対の電極６が配設されている。一対の電極６は、第１電極７と第２電極８を有する。第１伝熱部材１０は、第２電極８を介して、熱電変換膜３と熱的に接合している。本実施形態の熱電変換装置１は、基板２の第２主面２ｂが受熱面とされている。

本実施形態では、基板２の第１主面２ａから第２主面２ｂに向かう方向を上方、その反対方向を下方という。また、基板２の面内に沿う方向のうち一方向を第１方向Ｌ１といい、第１方向Ｌ１に直交する方向を第２方向Ｌ２という。

（基板）
基板２は、第２方向Ｌ２よりも第１方向Ｌ１に長い平面視矩形状に形成されている。ただし、基板２の形状は、この場合に限定されるものではなく、例えば平面視正方形状に形成されていても構わない。
基板２の一例としては、例えばシート抵抗が１０Ω以上の高抵抗シリコン（Ｓｉ）基板が挙げられる。なお、シート抵抗の抵抗値としては１０Ω以上に限定されるものではないが、熱電変換膜３間における電気的な短絡を防止する観点において、シート抵抗が１０Ω以上の高抵抗基板を用いることが好ましい。

ただし、基板２としては、高抵抗シリコン基板に限定されるものではなく、例えば基板内部に酸化絶縁層を有する高抵抗ＳＯＩ基板、その他の高抵抗単結晶基板あるいはセラミック基板であっても構わない。また、シート抵抗が１０Ω以下の低抵抗基板を基板２として用いることも可能である。この場合には、例えば低抵抗基板の表面と熱電変換膜３との間に、高抵抗の材料を設ければ良い。

基板２は、第２主面２ｂが受熱面とされている。受熱面とされているとは、第２主面２ｂの全体もしくは一部が熱源と直接もしくは間接的に接触して、熱を受けるようにされていること、または、第２主面２ｂの全体もしくは一部が熱源からの熱放射を受けることにより、熱を受けるようにされていることを意味する。本実施形態の熱電変換装置１では、基板２の第２主面２ｂで受熱した熱を、後述するように、第１主面２ａを介して熱電変換膜３及び電極６に伝達させる。このため本実施形態の熱電変換装置１では、基板２の熱伝導率は、熱電変換膜３の熱伝導率よりも高くなるように設定されている。高抵抗シリコン基板は、一般に、従来の熱電変換装置の基板として利用されている絶縁体と比較して熱伝導率が高い。この熱伝導率の観点からも、基板２としては高抵抗シリコン基板を用いることが好ましい。

基板２の第２主面２ｂは、物理的な衝撃等による損傷や環境負荷による受熱効率の劣化を防止のため保護膜を設けてもよい。保護膜は、高熱伝導率で高硬度、高耐熱性を有する材料が好ましい。保護膜の材料の例として、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｆｅ（鉄）及びこれらの合金などが挙げられる。

（熱電変換膜）
熱電変換膜３は、基板２の第１主面２ａ上に形成され、複数の第１熱電変換膜４、及び複数の第２熱電変換膜５を有する。
第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、第１方向Ｌ１に沿って一定の隙間をあけて交互に並ぶように配置されている。本実施形態では、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、互いに同じ数だけ形成され、具体的には共に４つ形成されている。
ただし、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５の数は、４つに限定されるものではなく、例えば熱電変換装置１の全体サイズ、用途、使用環境等に応じて適宜変更して構わない。

上述のように第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５が第１方向Ｌ１に沿って交互に配置されているので、第１熱電変換膜４の１つが第１方向Ｌ１に沿った一方向側の最も外側に位置し、第２熱電変換膜５の１つが第１方向Ｌ１に沿った他方向側の最も外側に位置する。
本実施形態では、第１熱電変換膜４の１つが最も外側に位置する上記一方向側を前方といい、第２熱電変換膜５の１つが最も外側に位置する上記他方向側を後方という。

第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、第１方向Ｌ１よりも第２方向Ｌ２に長い平面視矩形状にそれぞれ形成され、互いに同形、同サイズに形成されている。これら第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、例えばスパッタ装置を用いて基板２の第１主面２ａ上に成膜され、その後、エッチング加工によって選択的にパターニングされることで、第１方向Ｌ１に沿って一定の間隔をあけて交互に並んで配置されるように形成されている。
ただし、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５の形成方法は、この場合に限定されるものではなく、その他の方法で形成しても構わない。

第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、半導体多層膜とされている。
具体的には、第１熱電変換膜４は、高濃度（例えば１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３）のアンチモン（Ｓｂ）がそれぞれドープされたｎ型のシリコン（Ｓｉ）とｎ型のシリコン・ゲルマニウム合金（ＳｉＧｅ）との多層膜で形成され、ｎ型半導体として機能する。第２熱電変換膜５は、高濃度（例えば１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３）のボロン（Ｂ）がそれぞれドープされたｐ型のシリコン（Ｓｉ）とｐ型のシリコン・ゲルマニウム合金（ＳｉＧｅ）との多層膜で形成され、ｐ型半導体として機能する。

ｎ型のシリコン（Ｓｉ）とｎ型のシリコン・ゲルマニウム合金（ＳｉＧｅ）との多層膜およびｐ型のシリコン（Ｓｉ）とｐ型のシリコン・ゲルマニウム合金（ＳｉＧｅ）との多層膜などの半導体多層膜は、エピタキシャル成長によって形成することができる。半導体多層膜からなる熱電変換膜３をエピタキシャル成長によって形成する場合、基板２の第１主面２ａに、バッファ層（下地層）を設けて、熱電変換膜３と基板２との間の格子定数を整合させることが好ましい。

これにより、ｎ型半導体である第１熱電変換膜４は、冷接点側から温接点側に向けて（すなわち後述する第２電極８側から第１電極７側に向けて）電流が流れ、ｐ型半導体である第２熱電変換膜５は、温接点側から冷接点側に向けて（すなわち後述する第１電極７側から第２電極８側に向けて）電流が流れる。

なお、複数の第１熱電変換膜４は、互いに同じ構成からなるｎ型半導体多層膜であっても構わないし、互いに異なる構成のｎ型半導体多層膜であっても構わない。同様に、複数の第２熱電変換膜５は、互いに同じ構成からなるｐ型半導体多層膜であっても構わないし、互いに異なる構成のｐ型半導体多層膜であっても構わない。
さらに、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、半導体多層膜に限定されるものではなく、ｐ型又はｎ型半導体の単層膜でもよい。また、半導体として酸化物の半導体を用いることもできる。さらに、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、例えば有機高分子膜、金属膜など、他の熱電変換膜で形成されていても構わない。

（電極）
基板２の第１主面２ａ上には、隣り合う第１熱電変換膜４と第２熱電変換膜５とを電気的に接続する電極６が複数形成されている。
電極６は、第１熱電変換膜４と第２熱電変換膜５との間に配置されているだけでなく、最も前方寄りに位置する第１熱電変換膜４のさらに前方側に位置するように配置されていると共に、最も後方寄りに位置する第２熱電変換膜５のさらに後方側に位置するように配置されている。

電極６は、平面視で第２方向Ｌ２に長い縦長状に形成され、第２方向Ｌ２に沿った長さが第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５と同等の長さとなるように形成されている。
ただし、第２方向Ｌ２に沿った電極６の長さは、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５よりも長くても構わないし、短くても良い。

電極６はその厚さが第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５の膜厚よりも厚く形成されており、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５よりも上方に突出している。
ただし、この場合に限定されるものではなく、例えば電極６の厚さが第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５の膜厚と同等であっても、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５の膜厚よりも薄くても構わない。

複数の電極６のうち、第１熱電変換膜４に隣接し、且つ第１熱電変換膜４の後方に位置する電極６は、第１電極７として機能する。複数の電極６のうち残りの電極６、すなわち第１熱電変換膜４に隣接し、且つ第１熱電変換膜４の前方に位置する電極６は、第２電極８として機能する。なお、最も後方に位置する電極６についても、第２電極８として機能する。

これにより、各第１熱電変換膜４における後端部４ａは、第２方向Ｌ２の全長に亘って第１電極７に接触している。また、各第１熱電変換膜４における前端部４ｂは、第２方向Ｌ２の全長に亘って第２電極８に接触している。
同様に、各第２熱電変換膜５における前端部５ｂは、第２方向Ｌ２の全長に亘って第１電極７に接触している。また、各第２熱電変換膜５における後端部５ａは、第２方向Ｌ２の全長に亘って第２電極８に接触している。
従って、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５は、第１電極７及び第２電極８を介して電気的に直列に接続されている。

図１〜図３に示す例では、第２電極８は、後述する第１伝熱部材１０を介して第２伝熱部材１１に熱的に接続され、第１熱電変換膜４の前端部４ｂ及び第２熱電変換膜５の後端部５ａの熱を、第２伝熱部材１１に伝える機能を有している。よって、第２電極８は、第１方向Ｌ１に隣り合う第１電極７の中間に位置し、冷接点として機能する。これに対して、第１電極７は温接点として機能する。

なお、第１熱電変換膜４の後端部４ａ及び第２熱電変換膜５の前端部５ｂは、第１電極７に対して近接する位置に配置された温接点側の端部として機能する。第１熱電変換膜４の前端部４ｂ及び第２熱電変換膜５の後端部５ａは、第２電極８に対して近接する位置に配置された冷接点側の端部として機能する。

なお、電極６の材料としては、例えば導電性及び熱伝導率が高く、パターニングによる形状加工を行い易い材料が好ましく、銅（Ｃｕ）又は金（Ａｕ）などの金属材料が特に好ましい。
ただし、電極６の材料としては、金属材料に限定されるものではなく、導電性を有し、空気の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料であれば良い。

（端子）
基板２の第１主面２ａ上には第１端子１５及び第２端子１６がさらに形成されている。
第１端子１５は、最も前方寄りに位置する第２電極８のさらに前方側に位置するように形成され、第２電極８に対して接触して電気的に接続されている。第２端子１６は、最も後方寄りに位置する第２電極８のさらに後方側に位置するように形成され、第２電極８に対して接触して電気的に接続されている。

第１端子１５は、第１熱電変換膜４、第２熱電変換膜５、第１電極７、第２電極８、第１端子１５及び第２端子１６で構成される熱電変換回路の電気的な始端となる。これに対して、第２端子１６は上記熱電変換回路の終端となる。これら第１端子１５及び第２端子１６は、図示しない外部回路と電気的に接続される。これにより、第１端子１５及び第２端子１６を通じて、熱電変換装置１から起電力を取り出すことが可能とされている。

なお、第１端子１５及び第２端子１６の材料としては、例えば導電性が高く、パターニングによる形状加工を行い易い材料が好ましく、銅（Ｃｕ）又は金（Ａｕ）などの金属材料が特に好ましい。
ただし、第１端子１５及び第２端子１６の材料としては、金属材料に限定されるものではなく、導電性を有する材料であれば良い。

（第１伝熱部材）
第１伝熱部材１０は、第１主面２ａ側の面内方向に沿った第１方向Ｌ１に間隔をあけて、熱電変換膜３に熱的に接合するように複数配置されている。本実施形態では、第１伝熱部材１０は、第２電極８を介して熱電変換膜３と熱的に接合している。第１伝熱部材１０は、第２電極８の形状に対応して、平面視で第２方向Ｌ２に長い縦長に形成されている。具体的には、第１伝熱部材１０は、第２電極８よりも第２方向Ｌ２に長く形成されている。
ただし、第２方向Ｌ２に沿った第１伝熱部材１０の長さは、第２電極８の長さと同等あるいは第２電極８よりも短くても構わない。

第１伝熱部材１０の上端面及び下端面は、平坦に形成されている。第１方向Ｌ１に沿った第１伝熱部材１０の幅は、第１方向Ｌ１に沿った第２電極８の幅と同等とされている。ただし、第１方向Ｌ１に沿った第１伝熱部材１０の幅は、第１方向Ｌ１に沿った第２電極８の幅よりも広くても構わないし、狭くても構わない。

複数の第１伝熱部材１０の間は、第１伝熱部材１０の熱伝導率よりも熱伝導率が低い低熱伝導部とされている。第１伝熱部材１０は、第２電極８を介して熱電変換膜３と第２伝熱部材１１とを熱的に接合させる機能と、第１方向Ｌ１に隣り合う第１伝熱部材１０の間に、空隙部（本発明に係る低熱伝導部）１７を形成する機能とを有する。
空隙部１７は、第１伝熱部材１０の配置箇所を除いた第２伝熱部材１１の上面と、熱電変換膜３及び第１電極７との間に形成された空間、すなわち空気層であって、第１伝熱部材１０の熱伝導率よりも熱伝導率が低い。
第１伝熱部材１０は、空気の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料で形成されている。従って、熱電変換膜３及び電極６に伝わった熱を、優先的に第１伝熱部材１０を通じて第２伝熱部材１１に伝えることが可能とされている。すなわち、熱電変換膜３及び電極６に伝わった熱は、空隙部１７を通じて第２伝熱部材１１に伝わってしまうよりも優先して、第１伝熱部材１０を通じて第２伝熱部材１１に伝わる。

第１伝熱部材１０の材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）などの金属材料が特に好ましい。
ただし、第１伝熱部材１０の材料としては、金属材料に限定されるものではなく、空気の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料であれば良い。

（第２伝熱部材）
第２伝熱部材１１は、第１伝熱部材１０を介して第２電極８及び熱電変換膜３と熱的に接合している。本実施形態では、第２伝熱部材１１は、熱電変換膜３及び第２電極８から第１伝熱部材１０を介して伝わった熱を放熱あるいは冷却するための平板状の部材とされている。
第２伝熱部材１１は、基板２の形状に対応して、第２方向Ｌ２よりも第１方向Ｌ１に長い平面視矩形状に形成されていると共に、基板２の外形と同サイズに形成されている。ただし、第２伝熱部材１１の外形サイズは、この場合に限定されるものではなく、例えば基板２よりも大きな外形サイズの平板状に形成しても構わない。

図１〜図３に示す例では、第２伝熱部材１１は、内部に流路１２を有する。流路１２に冷却媒体（図示せず）を流すことによって、第２伝熱部材１１の冷却効率が向上する。冷却媒体としては、空気などの気体あるいは水などの液体を用いることができる。

第２伝熱部材１１の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）などの金属材料が特に好ましい。
ただし、第２伝熱部材１１の材料としては、金属材料に限定されるものではなく、空気の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料であれば良い。

（第２電極と第１伝熱部材と第２伝熱部材の接合）
第１伝熱部材１０及び第２伝熱部材１１の材料として金属を用いる場合は、第２電極８と第１伝熱部材１０との間及び第１伝熱部材１０と第２伝熱部材１１の間の少なくとも一方は、図示しない絶縁性部材を介して電気的に絶縁された状態で熱的に接合されている。なお、第２電極８の下端面と第１伝熱部材１０の上端面との間及び第１伝熱部材１０の下端面と第２伝熱部材１１の上端面は、できるだけ面接触に近い状態で接合することが好ましい。この場合には、上述した熱的な接合を安定して行えると共に、第２電極８と第１伝熱部材１０と第２伝熱部材１１を安定して組み合わせることができる。
なお、絶縁性部材としては、空気の熱伝導率よりも熱伝導率の高い材料で形成され、例えばＵＶ硬化型樹脂やシリコン系樹脂、熱伝導グリース（例えばシリコーン系のグリースや、金属酸化物を含む非シリコーン系のグリース等）などが挙げられる。

（熱電変換装置の作用）
次に、上述のように構成された熱電変換装置１の作用について説明する。
はじめに、熱電変換装置１において、熱電変換は第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５のゼーベック効果を用いて行われる。下記式（１）は、ゼーベック効果に関する式である。

Ｅ＝Ｓ×｜△Ｔ｜・・・式（１）

式（１）におけるＥ（Ｖ）は、熱電変換によって得られる電場（起電力）であり、式（１）に示されるように、第１熱電変換膜４又は第２熱電変換膜５の材料定数であるゼーベック係数Ｓ（Ｖ／Ｋ）と、第１熱電変換膜４又は第２熱電変換膜５における前端部４ｂ、５ｂと後端部４ａ、５ａとの間の温度差△Ｔ（Ｋ）と、により規定される。

本実施形態の熱電変換装置１は、受熱面である基板２の第２主面２ｂの全体もしくは一部が、熱源と直接もしくは間接的に接触して、熱を受けるように配置させる。または、本実施形態の熱電変換装置１は、第２主面２ｂの全体もしくは一部が、熱源からの熱放射を受けることにより、熱を受けるように配置させてもよい。本実施形態の熱電変換装置１では、基板２の熱伝導率が熱電変換膜３の熱伝導率よりも高いので、基板２の第２主面２ｂで受熱した熱は、基板２を通じて第１熱電変換膜４、第２熱電変換膜５及び電極６（第１電極７、第２電極８）に伝えられる。そして、電極６のうち第２電極８に伝わった熱は、第１伝熱部材１０を介して第２伝熱部材１１に伝えられ、第２電極８は冷接点として機能し、隣り合う第２電極８の中間位置にある第１電極７は温接点として機能する。また、第１熱電変換膜４の前端部４ｂ（第２電極８側に位置する端部）に伝わった熱は、第１伝熱部材１０を介して第２伝熱部材１１に伝えられ、第２熱電変換膜５の後端部５ａ（第２電極８側に位置する端部）に伝わった熱は、第１伝熱部材１０を介して第２伝熱部材１１に伝えられる。
そのため、第１熱電変換膜４において、温接点である第１電極７側に位置する後端部４ａ（温接点側の端部）と、冷接点である第２電極８側に位置する前端部４ｂ（冷接点側の端部）と、の間に温度差を生じさせることができる。同様に、第２熱電変換膜５において、温接点である第１電極７側に位置する前端部５ｂ（温接点側の端部）と、冷接点である第２電極８側に位置する後端部５ａ（冷接点側の端部）との間に温度差を生じさせることができる。

従って、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５のそれぞれにおいて、ゼーベック効果に基づく起電力を生じさせることができる。
特に、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５が直列に電気接続されているので、第１端子１５及び第２端子１６を通じて、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５のそれぞれから生じた起電力を総和した起電力を得ることができ、熱電変換膜３の数に応じた発電量を得ることができる。

上記起電力について詳細に説明すると、第１熱電変換膜４はｎ型半導体であるので、冷接点となる第２電極８側から温接点となる第１電極７側に向けて、図２に示す矢印Ｆ１のように電流が流れる。これに対して、第２熱電変換膜５はｐ型半導体であるので、温接点となる第１電極７側から冷接点となる第２電極８側に向けて、図２に示す矢印Ｆ２のように電流が流れる。

従って、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５において、同じ向きの起電力を生じさせることができ、上述したように複数の第１熱電変換膜４及び複数の第２熱電変換膜５のそれぞれで生じた起電力を、第１端子１５及び第２端子１６を通じて、その総和として取り出すことができる。

以上説明したように、本実施形態の熱電変換装置１によれば、基板２の第２主面２ｂで受熱した熱を、伝熱部材を介さずに熱電変換膜３に伝えるので、受熱した熱を効率良く熱電変換膜３に伝えることができる。従って、本実施形態の熱電変換装置１によれば、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５に効率よく熱を伝えることができ、より大きな発電量を得ることができる。また、熱電変換膜３は第１伝熱部材１０を介して第２伝熱部材１１と熱的に接合し、第１伝熱部材１０の間は、第１伝熱部材１０の熱伝導率よりも熱伝導率が低い低熱伝導部（空隙部１７）とされているので、熱電変換膜３に伝わった熱のうち、熱電変換膜３の冷接点側の端部に伝わった熱を選択して効率良く放熱もしくは冷却することができる。さらに、流路１２に冷却媒体を流すことによって、第２伝熱部材１１の放熱効率が向上し、熱電変換膜３の冷接点側の端部の熱をより効率良く放熱もしくは冷却することができる。

すなわち、従来の熱電変換装置では、基板を受熱面とする場合、基板の熱伝導性が低いので、伝熱部材に凸部を設けて、凸部を介して局所的に基板から熱電変換膜（温接点）に熱を伝達することによって熱電変換膜内に温度差（ΔＴ）を形成させる。これに対して、本実施形態の熱電変換装置１では、基板２の第２主面２ｂで受熱した熱を、基板２全体から熱電変換膜３に熱を伝達させ、熱電変換膜３の冷接点側の端部の熱を第２伝熱部材１１で局所的に放熱することによって、熱電変換膜３内に温度差（ΔＴ）を形成させる。本実施形態の熱電変換装置１は、受熱した熱をそのまま熱電変換膜３に伝熱するので熱の利用効率が高い。また、第２伝熱部材による冷却効率によって温度差（ΔＴ）を調整することができ、装置設計や発電効率の調整が容易となる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態について、図４〜図５を参照して説明する。図４は、本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を示す縦断面図（図３の視点に対応した縦断面図）である。図５は、第２実施形態に係る熱電変換装置の使用形態の一例を示す縦断面図（図３の視点に対応した縦断面図）であり、（ａ）は、熱源として固体熱源を用いた使用形態を示し、（ｂ）は、熱源として熱流を用いた使用形態を示す。
なお、第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態の熱電変換装置２０は、基板２のうち、第１電極７が配設される部分は、第２主面２ｂが突出した突出部２１が設けられている。

突出部２１は、基板２の第２主面２ｂが上方に向けて突出するように形成され、第１方向Ｌ１に一定の間隔をあけて複数形成されている。
具体的には、突出部２１は、第１電極７の個数に対応して、第１方向Ｌ１に間隔をあけて４つ形成され、温接点として機能する各第１電極７に対して上方から対向するように配置されている。

突出部２１は、例えば、基板２の第１電極７が配設される部分以外の部分（熱電変換膜３、第２電極８、第１端子１５、第２端子１６が配設される部分）に厚さ方向で対向する第２主面２ｂ側の表面を、切削加工によって削り取ることによって形成されている。

（熱電変換装置の作用）
次に、上述のように構成された熱電変換装置２０の作用について説明する。
図５（ａ）に示すように、熱源として固体熱源２２を用いた場合は、例えば、突出部２１の上端面が固体熱源２２の表面に直接接触するように熱電変換装置２０を配置させる。この場合、突出部２１は、伝熱接点として機能し、突出部２１が固体熱源２２の熱を受熱して、基板２に伝える。突出部２１は、基板２の第１電極７が配設される部分に厚さ方向で対向する部分に配置されているので、突出部２１で受熱した熱は、第１電極７及び熱電変換膜３の温接点側の端部に伝わり易く、第２電極８及び熱電変換膜３の冷接点側の端部には伝わりにくい。このため、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５において、温接点側と冷接点側との間の温度差をさらに大きくすることができる。

図５（ｂ）に示すように、熱源として熱流２３を用いた場合は、基板２の第２主面２ｂの全体が熱流２３に触れるように熱電変換装置２０を配置させる。この場合、突出部２１は、蓄熱部として機能し、基板２の第２主面２ｂが熱流２３から受熱した熱を蓄熱して、基板２に伝える。また、基板２の第２主面２ｂが熱放射を受ける場合でも、突出部２１は、蓄熱部として機能し、基板２の第２主面２ｂ側で発生する熱を蓄熱して、基板２に伝える。突出部２１は、基板２の第１電極７が配設される部分に厚さ方向で対向する部分に配置されているので、突出部２１で蓄熱された熱は、第１電極７及び熱電変換膜３の温接点側の端部に伝わり易く、第２電極８及び熱電変換膜３の冷接点側の端部には伝わりにくい。このため、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５において、温接点側と冷接点側との間の温度差をさらに大きくすることができる。

以上説明したように、本実施形態の熱電変換装置２０によれば、基板２のうち、第１電極７が配設される部分に厚さ方向で対向する部分に突出部２１が設けられているので、この突出部２１を伝熱接点あるいは蓄熱部として機能させることによって、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５において、温接点側と冷接点側との間の温度差をさらに大きくすることができ、さらに大きな発電量を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態について、図６を参照して説明する。図６は、本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示す縦断面図（図３の視点に対応した縦断面図）である。
なお、第３実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の熱電変換装置３０では、第２伝熱部材１１は、第１伝熱部材１０と接続する面とは反対側の面（下側の面）にフィン構造３１が形成されている。第２伝熱部材１１にフィン構造３１を形成することによって、第２伝熱部材１１の放熱効率を向上させることができ、第２電極８の熱をさらに効率良く放熱もしくは冷却することができる。

なお、図６において、フィン構造３１は、第２方向Ｌ２に沿って伸びた突起３２が設けられた構造とされているが、フィン構造３１の形状には特に制限はなく、例えば、突起３２は、第１方向Ｌ１に沿って伸びていてもよい。また、フィン構造３１は、第２伝熱部材１１の第１伝熱部材１０と接続する面以外の面に形成されていればよく、第２伝熱部材１１の側面に形成されていてもよい。第２伝熱部材１１は、フィン構造３１とともに、内部に冷却媒体を流すことが可能な流路が形成されていてもよい。

以上説明したように、本実施形態の熱電変換装置３０によれば、第２伝熱部材１１にフィン構造３１が設けられているので、第２伝熱部材１１の放熱効率を向上させることができ、第１熱電変換膜４及び第２熱電変換膜５において、温接点側と冷接点側との間の温度差をさらに大きくすることができ、さらに大きな発電量を得ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。各実施形態は、その他様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが可能であることに加え、各実施形態における変形例を適宜組み合わせてもよい。さらに、これら実施形態やその変形例には、例えば当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものなどが含まれる。

例えば、上記各実施形態では、第２伝熱部材１１を基板２と同形、同サイズに形成された１枚の平板状に形成したが、この場合に限定されるものではなく、複数の部材によって構成しても構わない。

また、上記各実施形態では、熱電変換体の一例として熱電変換膜３を例に挙げて説明したが、熱電変換体の形状は膜に限定されるものではなく、例えばバルク状の熱電変換素子などであっても構わない。

また、上記各実施形態では、第２電極８、第１伝熱部材１０、第２伝熱部材１１をそれぞれ熱的に接合する構成を例に挙げて説明したが、第２電極８と第１伝熱部材１０とを一体として、第２電極８の厚さを第１電極７よりも厚くして、その第２電極８の下端面と第２伝熱部材１１の上端面を熱的に接合してもよい。また、第１伝熱部材１０と第２伝熱部材１１とを一体として、第２伝熱部材１１の上端面に凸部を形成し、その凸部の上端面と第２電極８の下端面とを熱的に接合してもよい。さらに、第２電極８と第１伝熱部材１０の一部とを一体として、第２電極８の厚さを第１電極７よりも厚くし、第１伝熱部材１０の残部と第２伝熱部材１１を一体として、第２伝熱部材１１の上端面に凸部を形成し、その凸部の上端面と第２電極８の下端面とを熱的に接合してもよい。なお、第２電極８と第２伝熱部材１１との間の熱抵抗を低減させる観点から、第１伝熱部材１０は、第２電極８あるいは第２伝熱部材１１のどちらかと一体に形成されていることが好ましい。

さらに、上記各実施形態では、第１電極７と第２伝熱部材１１との間及び熱電変換膜３と第２伝熱部材１１との間を空間としたが、この場合に限定されるものではない。例えば、第１伝熱部材１０の間の空隙部１７に、絶縁性でかつ第１伝熱部材１０の熱伝導率よりも熱伝導率が低い低熱伝導材料を充填してもよい。低熱伝導材料としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリイミド樹脂などの樹脂が挙げられる。低熱伝導材料を充填することによって、熱電変換装置の強度を向上させることができる。

またさらに、上記各実施形態において、第１電極７及び第２電極８は必須なものではなく、具備しなくても構わない。
例えば、第１実施形態の熱電変換装置において、基板２の第１主面２ａ上に、第１熱電変換膜４と第２熱電変換膜５とを第１方向Ｌ１に沿って交互に配置し、且つ第１熱電変換膜４と第２熱電変換膜５とが互いに接触するように形成してもよい。この場合、第１伝熱部材１０は、第１熱電変換膜４の後端部４ａ及び第２熱電変換膜５の前端部５ｂに熱的に接合するように配設する。この場合も、第１伝熱部材１０は、絶縁性部材を介して電気的に絶縁された状態で、第１熱電変換膜４の後端部４ａ及び第２熱電変換膜５の前端部５ｂに熱的に接合されることが好ましい。
この場合であっても、例えば第１実施形態と同様の作用効果を奏功することができる。

さらにまた、上記各実施形態では、ｎ型半導体である第１熱電変換膜４、及びｐ型半導体である第２熱電変換膜５によって熱電変換膜３を構成したが、この場合に限定されるものではなく、ｎ型半導体あるいはｐ型半導体のいずれか一方で形成される熱電変換膜であっても構わない。

１、２０、３０…熱電変換装置、２…基板、２ａ…第１主面（第１の面）、２ｂ…第２主面（第２の面）、３…熱電変換膜（熱電変換体）、４…第１熱電変換膜、５…第２熱電変換膜、６…電極、７…第１電極、８…第２電極、１０…第１伝熱部材、１１…第２伝熱部材、１２…流路、１５…第１端子、１６…第２端子、１７…空隙部（低熱伝導部）、２１…突出部、２２…固体熱源、２３…熱流、３１…フィン構造、３２…突起

Claims (5)

1. 厚さ方向に互いに対向する第１の面及び第２の面を有する基板と、
   前記基板の前記第１の面側に配設された熱電変換体と、
   前記基板の前記第１の面側の面内方向に沿った第１方向に間隔をあけて、前記熱電変換体に熱的に接合するように配置されている複数の第１伝熱部材と、を備え、
   前記第１方向に間隔をあけて配置されている複数の前記第１伝熱部材の間は、前記第１伝熱部材の熱伝導率よりも熱伝導率が低い低熱伝導部とされ、
   前記基板の前記第２の面が受熱面とされていて、前記基板の熱伝導率が前記熱電変換体の熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記低熱伝導部は、空隙部である請求項１に記載の熱電変換装置。
3. さらに、前記第１伝熱部材に熱的に接合された第２伝熱部材を備える請求項１または２に記載の熱電変換装置。
4. 前記第２伝熱部材は、内部に流路を有する請求項３に記載の熱電変換装置。
5. 前記第２伝熱部材は、前記基板の前記第１の面に対向する面以外の面にフィン構造が形成されている請求項３に記載の熱電変換装置。

Images