專利名稱：熱發(fā)電元件和熱發(fā)電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱發(fā)電元件和熱發(fā)電器件。
背景技術(shù)：
熱發(fā)電技術(shù)是利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接變換成電能的技術(shù)，塞貝克效應(yīng)是指與 在物質(zhì)的兩端產(chǎn)生的溫度差成比例地產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。該技術(shù)被偏僻地區(qū)用電源、空間 技術(shù)用電源、軍事用電源等利用而被實(shí)用化。在熱發(fā)電器件中使用的熱電轉(zhuǎn)換材料的性能大多以性能指數(shù)Z或?qū)⑵渑c絕對(duì)溫 度相乘并被無量綱化的性能指標(biāo)ZT進(jìn)行評(píng)價(jià)。使用物質(zhì)的S=塞貝克系數(shù)，P =電阻率， K =熱傳導(dǎo)率，以ZT = S2T/P K表示ZT。另外，由塞貝克系數(shù)S和電阻率P表示的s2/p 是被稱為功率因數(shù)的值。功率因數(shù)成為在溫度差固定時(shí)決定熱電轉(zhuǎn)換材料和熱電器件等的 發(fā)電性能是否良好的基準(zhǔn)。當(dāng)前，作為熱電材料而被實(shí)用化的Bi系材料，其ZT是1左右，功率因數(shù)是40 50yW/cmK2，現(xiàn)狀下具有較高的特性。但是，使用Bi系材料的一般的π型熱發(fā)電器件中， 也不能說具有充分的發(fā)電性能以用于更多的用途。所謂η型熱發(fā)電器件是指，構(gòu)成為將載 流子的符號(hào)不同的P型半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換材料和η型半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換材料熱并聯(lián)而且電 串聯(lián)地連接的器件。另外，作為η型以外的熱發(fā)電器件，例如存在利用自然或人工制作的 疊層構(gòu)造的熱電特性的各向異性的熱發(fā)電器件，該器件很早就被提出(例如，參照非專利 文獻(xiàn)1)。但是，該熱發(fā)電器件也不能說具有充分的發(fā)電性能。另外，在專利文獻(xiàn)1中，記載 了這樣的熱發(fā)電器件，其具有2個(gè)電極和被該2個(gè)電極夾著的Bi2Te53層和金屬層交替疊層 而成的疊層體，疊層體的疊層面相對(duì)于2個(gè)電極相對(duì)的方向傾斜。該熱發(fā)電器件具有高的 發(fā)電性能。專利文獻(xiàn)1 日本專利第4124807號(hào)非專利文獻(xiàn)1 :Α·Α· Snarskii，P. Bulat，“THERMOELECTRICS HANDBOOK”， Chapter45, CRC Press(2006)

發(fā)明內(nèi)容
然而，現(xiàn)有的熱發(fā)電器件的形狀由于是平板狀，因此存在對(duì)圓柱狀的熱源等具有 曲面的熱源而言不能高效地進(jìn)行熱授受(傳遞)這樣的問題。本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的是提供對(duì)圓柱狀的熱源等具有曲面的熱 源而言，能夠高效地進(jìn)行熱授受的熱發(fā)電元件和熱發(fā)電器件。本發(fā)明者進(jìn)行了各種研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述目的能夠通過以下的本發(fā)明而達(dá)到。即， 本發(fā)明的熱發(fā)電元件，包括從一端至另一端交替疊層有兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料的疊層 體；分別配置在上述疊層體的兩端的第一電極和第二電極，其中上述疊層體具有從上述一 端至上述另一端包圍呈直線的軸的周圍的形狀，在從沿著上述軸的方向觀看上述疊層體的 情況下，上述疊層體的內(nèi)周是圓或圓弧形狀，并且，由上述兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界配置成隨著從上述疊層體的內(nèi)周向外周，遠(yuǎn)離以上述軸為起始點(diǎn)通過上述邊 界的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的直線。另外，本發(fā)明的熱發(fā)電器件，上述多個(gè)熱發(fā)電元件分別具備從一端至另一端交替 疊層有兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料的疊層體，上述疊層體具有從上述一端至上述另一端包圍 呈直線的軸的周圍的形狀，在從沿著上述軸的方向觀看上述疊層體的情況下，上述疊層體 的內(nèi)周是圓或圓弧形狀，并且，由上述兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界配置成 隨著從上述疊層體的內(nèi)周向外周，遠(yuǎn)離以上述軸為起始點(diǎn)并通過上述邊界的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的 直線，上述多個(gè)熱發(fā)電元件彼此電串聯(lián)地連接。另外，本發(fā)明的熱發(fā)電器件，上述多個(gè)熱發(fā)電元件分別具備從一端至另一端交替 疊層有兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料的疊層體，上述疊層體具有從上述一端至上述另一端包圍 呈直線的軸的周圍的形狀，在從沿著上述軸的方向觀看上述疊層體的情況下，上述疊層體 的內(nèi)周是圓或圓弧形狀，并且，由上述兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界配置成 隨著從上述疊層體的內(nèi)周向外周，遠(yuǎn)離以上述軸為起始點(diǎn)并通過上述邊界的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的 直線，上述多個(gè)熱發(fā)電元件彼此電并聯(lián)地連接。另外，本發(fā)明的另一個(gè)方案提供的熱發(fā)電元件，包括疊層體，其配置成相對(duì)于 連接了由具有從一端至另一端交替疊層的兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料的材料所包圍的中心 點(diǎn)和上述材料的內(nèi)周上的上述兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料之間的邊界處的點(diǎn)的直線，從上述 材料的內(nèi)周向外周傾斜，其中，該疊層體由上述材料構(gòu)成；配置在上述一端的第一電極；和 配置在上述另一端的第二電極。這里，疊層體具有一邊從一端行進(jìn)至另一端，一邊包圍呈直 線的軸的周圍的形狀。中心點(diǎn)是從沿著該軸的方向觀看疊層體時(shí)的該軸。另外，在從沿著 該軸的方向觀看疊層體的情況下，各熱電轉(zhuǎn)換材料配置成相對(duì)于連接了疊層體的內(nèi)周上 兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料之間的邊界處的點(diǎn)與中心點(diǎn)的直線，隨著從疊層體的內(nèi)周向外周 而遠(yuǎn)離。根據(jù)本發(fā)明的熱發(fā)電元件和熱發(fā)電器件，由于對(duì)圓柱狀的熱源等具有曲面的熱源 而言能夠高效地進(jìn)行熱授受，具有高的發(fā)電特性，因此是實(shí)用的。本發(fā)明促進(jìn)熱能與電能的 轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，工業(yè)價(jià)值高。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供對(duì)圓柱狀的熱源等具有曲面的熱源等而言能夠高效地進(jìn)行 熱授受的熱發(fā)電元件和熱發(fā)電器件。


圖1是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件的一個(gè)例子的圖。圖2是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件中的疊層體的一個(gè)例子的圖，是從沿著軸的方向 觀看而得到的圖。圖3A是表示在制造本發(fā)明的熱發(fā)電元件時(shí)使用的構(gòu)造保持體的圖。圖;3B是在制造本發(fā)明的熱發(fā)電元件時(shí)使用的熱電轉(zhuǎn)換材料層片的立體圖。圖3C是在制造本發(fā)明的熱發(fā)電元件時(shí)使用的熱電轉(zhuǎn)換材料層片的側(cè)面圖。圖3D是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件的制造方法的一個(gè)例子的第一工序圖。圖3E是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件的制造方法的一個(gè)例子的第二工序圖。
圖3F是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件的制造方法的一個(gè)例子的第三工序圖。圖4是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件的動(dòng)作狀態(tài)的圖。圖5A是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件中的疊層體的另一個(gè)例子的圖，是從沿著軸的 方向觀看而得到的圖。圖5B是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件中的疊層體的另一個(gè)例子的圖，是從沿著軸的 方向觀看而得到的圖。圖5C是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件中的疊層體的另一個(gè)例子的圖，是從沿著軸的 方向觀看而得到的圖。圖6A是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件的另一個(gè)例子的圖。圖6B是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件的另一個(gè)例子，是從沿著軸的方向觀看而得到 的圖。圖7是表示本發(fā)明的熱發(fā)電器件的一個(gè)例子的圖。圖8是表示本發(fā)明的熱發(fā)電器件的另一個(gè)例子的圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。(實(shí)施方式1)圖1示出了本發(fā)明的熱發(fā)電元件的一個(gè)例子。如圖1所示，本發(fā)明的熱發(fā)電元件 10具備疊層體13、分別配置在疊層體13的兩端的第一電極11和第二電極12。疊層體13 具有從一端至另一端包圍呈直線的軸19的周圍的形狀，且具有在軸19的周圍螺旋狀地延 伸的形狀。疊層體13在沿著軸19的方向上邊保持充分距離邊卷繞，以形成空間21，且相互 不接觸。而且，疊層體13具有從一端至另一端交替疊層有第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14和第二 熱電轉(zhuǎn)換材料層15的結(jié)構(gòu)。圖2示出了本發(fā)明的熱發(fā)電元件中的疊層體的一個(gè)例子，是從沿著軸的方向觀看 而得到的圖。如圖2所示，第一、第二熱電轉(zhuǎn)換材料層14、15分別遍及疊層體13的內(nèi)周與 外周之間地?cái)U(kuò)展并且彎曲。第一、第二熱電轉(zhuǎn)換材料層14、15的各層的邊界22配置成，隨 著從疊層體13的內(nèi)周向外周，逐漸遠(yuǎn)離以軸19為起始點(diǎn)并通過邊界22的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)23 的直線17的曲線。直線17是內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)23上的疊層體13的內(nèi)周的法線。另外，連接邊 界22的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)23和外周側(cè)端點(diǎn)M的線段16與直線17構(gòu)成的角度θ優(yōu)選大于等于 15°小于等于210°。另外，第一、第二熱電轉(zhuǎn)換材料層14、15也可以不彎曲，但彎曲的熱 發(fā)電元件10能夠得到更高的功率因數(shù)。另外，第一、第二熱電轉(zhuǎn)換材料層14、15各自的角 度θ也可以不全是相同的值。即，也可以分別在第一、第二熱電轉(zhuǎn)換材料層14、15中混合 有角度θ不同的層。構(gòu)成第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14的熱電轉(zhuǎn)換材料和構(gòu)成第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的熱 電轉(zhuǎn)換材料是相互不同的材料，因此優(yōu)選相互的熱傳導(dǎo)率κ的差和塞貝克系數(shù)S的差大。 由此，熱發(fā)電元件10能夠得到大的發(fā)電量。另外，這些熱電轉(zhuǎn)換材料均優(yōu)選電阻率低。例 如，這些熱電轉(zhuǎn)換材料優(yōu)選是金屬，具體地說，采用含有Bi的材料、含有Bi和Te的材料、含 有1 和Te的材料、Cu、Ag、Au或Al即可。熱電轉(zhuǎn)換材料的一者優(yōu)選是含有Bi的材料、含 有Bi和Te的材料、含有1 和Te的材料，在這種情況下，熱電轉(zhuǎn)換材料的另一者優(yōu)選是Cu、Ag、Au，特別優(yōu)選是Cu、Ag。另外，含有Bi和Te的材料優(yōu)選是Bi2Te3，含有1 和Te的材料 優(yōu)選是inyre。另外，這些熱電轉(zhuǎn)換材料根據(jù)制作條件的不同而存在產(chǎn)生成分偏離的可能性， 但只要是 Bi2TiixO < χ < 4)和 PbTey(O < y < 2)即可。在第一電極11和第二電極12中使用導(dǎo)電性高的材料即可，沒有特別限定，具體地 說，第一電極11和第二電極12是使用Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、In等金屬、TiN等 氮化物或添加錫的氧化銦(ITO)、SnO2等氧化物形成的即可。另外，也可以通過焊料、銀焊 料、導(dǎo)電性漿料等形成第一電極11和第二電極12。另外，由于空間21中存在空氣而被電絕緣，因此疊層體13不會(huì)短路。進(jìn)而，由于空 氣的絕熱性高而能夠抑制來自空間21的散熱，故優(yōu)選。另外，也可以在空間21中填充電絕 緣體。由此，提高熱發(fā)電元件10的強(qiáng)度。絕緣體可以采用環(huán)氧樹脂、石蠟、橡膠聚氯乙烯、 氧化鋁、玻璃等，從高絕熱性這一點(diǎn)出發(fā)，則優(yōu)選環(huán)氧樹脂。本發(fā)明人研究了熱發(fā)電元件10的各種條件，詳細(xì)調(diào)查了與熱發(fā)電性能的關(guān)系，嘗 試優(yōu)化熱發(fā)電元件10。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)構(gòu)成第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的材料，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定角 度θ、第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14的內(nèi)周角度與第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的內(nèi)周角度之比、以及 疊層體13的內(nèi)徑與外徑之比，由此熱發(fā)電元件10獲得高發(fā)電性能。這里，所謂內(nèi)周角度是 指，在從沿著軸19的方向觀看疊層體13的情況下，用以軸19為頂點(diǎn)所得到的角度來表示 疊層體13內(nèi)周上的第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14和第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15在周向上的厚度的 值(參照?qǐng)D2)。構(gòu)成第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的材料優(yōu)選含有Bi。這種情況下，更優(yōu)選角度θ大 于等于30°小于等于120°。另外，第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14與第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的 內(nèi)周角度之比優(yōu)選在0.2 1 250 1的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選在5 1 20 1的范圍 內(nèi)。另外，疊層體13的內(nèi)徑與外徑之比優(yōu)選在1 1. 1 1 100的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選在 1 1. 5 1 2的范圍內(nèi)。另外，構(gòu)成第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的材料優(yōu)選含有Bi和Te。這種情況下，特別優(yōu) 選角度θ大于等于60°小于等于90°。另外，第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14與第二熱電轉(zhuǎn)換材 料層15的內(nèi)周角度之比優(yōu)選在0.05 1 250 1的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選在5 1 40 1 的范圍內(nèi)。另外，疊層體13的內(nèi)徑與外徑之比優(yōu)選在1 1. 1 1 10的范圍內(nèi)，特別優(yōu) 選 1 1. 5。另外，構(gòu)成第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的材料優(yōu)選含有1 和Te。這種情況下，特別優(yōu) 選角度θ大于等于60°小于等于90°。另外，第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14與第二熱電轉(zhuǎn)換材 料層15的內(nèi)周角度之比優(yōu)選在0.2 1 100 1的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選在5 1 40 1 的范圍內(nèi)。另外，疊層體13的內(nèi)徑與外徑之比優(yōu)選在1 1.05 1 10的范圍內(nèi)，特別 優(yōu)選在1 1.2 1 1.5的范圍內(nèi)。對(duì)于構(gòu)成第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的各材料，在各條件處在上述范圍內(nèi)的情況下， 熱發(fā)電元件10的功率因數(shù)成為極其實(shí)用的值。圖3Α示出了在制造本發(fā)明的熱發(fā)電元件時(shí)使用的構(gòu)造保持體。另外，圖:3Β是在 制造本發(fā)明的熱發(fā)電元件時(shí)使用的熱電轉(zhuǎn)換材料層片的立體圖，圖3C是在制造本發(fā)明的 熱發(fā)電元件時(shí)使用的熱電轉(zhuǎn)換材料層片的側(cè)面圖。圖3D F是表示本發(fā)明的熱發(fā)電元件 的制造方法的一個(gè)例子的第一 第三工序圖。為了制造熱發(fā)電元件10，首先準(zhǔn)備圖3Α所示的構(gòu)造保持體32。構(gòu)造保持體32具備呈螺旋狀的帶部分3 和沿著帶部分32a的相對(duì) 的邊設(shè)置的導(dǎo)向部分32b，形成有螺旋形狀的槽32c。圖;3B和圖3C中所示的熱電轉(zhuǎn)換材料 層片31是與圖1所示的第一或第二熱電轉(zhuǎn)換材料層14、15相當(dāng)?shù)牟考Ｈ绻紤]到后續(xù) 的工序，則熱電轉(zhuǎn)換材料層片31優(yōu)選與第一、第二熱電轉(zhuǎn)換材料層14、15中由熔點(diǎn)高的材 料構(gòu)成的一者相當(dāng)。在第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14的構(gòu)成材料與第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的構(gòu) 成材料相比熔點(diǎn)更高的情況下，熱電轉(zhuǎn)換材料層片31優(yōu)選與第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14相當(dāng)。 熱電轉(zhuǎn)換材料層片31是通過將第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14的構(gòu)成材料切削成與第一熱電轉(zhuǎn)換 材料層14相同的形狀而得到的。另外，也可以根據(jù)需要在切削之后實(shí)施研磨加工。如圖3D所示，在構(gòu)造保持體32的槽32c，隔開規(guī)定的間隔地配置熱電轉(zhuǎn)換材料層 片31，以形成規(guī)定的傾斜角度。接著，如圖3E所示，將所有熱電轉(zhuǎn)換材料層片31配置在槽 32c，然后使熔融的第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的構(gòu)成材料流入相鄰的熱電轉(zhuǎn)換材料層片31的 間隙中，并進(jìn)行冷卻。冷卻之后通過去除構(gòu)造保持體32，如圖3F所示制造出疊層體13。構(gòu) 造保持體32可以通過在疊層體13的卷繞方向上旋轉(zhuǎn)，與疊層體13分離從而去除。另外， 構(gòu)造保持體32也可以為使多個(gè)部件組合而構(gòu)成，通過將構(gòu)造保持體32分解成各部件，與疊 層體13分離從而去除。然后，通過對(duì)疊層體13實(shí)施研磨處理，調(diào)整形狀即可。然后，在疊層體13的兩端分別形成第一電極11和第二電極12，由此完成圖1所示 的熱發(fā)電元件10。在第一電極11和第二電極12的制作中，除了蒸鍍法、濺射法等氣相生長(zhǎng) 方法之外，還能夠使用導(dǎo)電性漿料的涂敷、電鍍、熱噴焊、焊料、由銀焊料進(jìn)行的接合等各種 方法。本發(fā)明的熱發(fā)電元件10的制造方法，只要是能夠?qū)崿F(xiàn)熱發(fā)電元件10的構(gòu)造的方 法，則不會(huì)特別限定于上述方法。例如，通過切削、研磨熱電轉(zhuǎn)換材料層片31和第二熱電轉(zhuǎn) 換材料層15的構(gòu)成材料，制作與第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15相同的形狀的熱電轉(zhuǎn)換材料層片， 并將它們壓接，也可以制作疊層體13。具體地說，將這些熱電轉(zhuǎn)換材料層片在構(gòu)造保持體 32的槽32c中分別交替配置成規(guī)定的傾斜角度，然后邊加熱邊進(jìn)行輥壓延，壓延后進(jìn)行冷 卻，由此能夠制作疊層體13。為了使熱發(fā)電元件10動(dòng)作，可以在疊層體13中從內(nèi)周側(cè)向外周側(cè)產(chǎn)生溫度梯度。 由此，在疊層體13中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。所產(chǎn)生的電力經(jīng)由第一電極11和第二電極12輸出。圖 4示出了本發(fā)明的熱發(fā)電元件的動(dòng)作狀態(tài)。如圖4所示，按照分別與熱發(fā)電元件10緊貼的 方式在熱發(fā)電元件10的內(nèi)周側(cè)設(shè)置圓柱狀的高溫部44，在外周側(cè)設(shè)置低溫部41。由此，從 疊層體13的內(nèi)周側(cè)向外周側(cè)產(chǎn)生溫度梯度。圖5A C示出了本發(fā)明的熱發(fā)電元件中的疊層體的另一個(gè)例子，是從沿著軸的方 向觀看而得到的圖。圖5A、圖5B所示的熱發(fā)電元件的疊層體13a、13b的外周形狀不是圓 形，而是四邊形、三角形。除此以外，為與疊層體13同樣的結(jié)構(gòu)。例如，像多邊形等那樣，即 使外周形狀是圓形以外的形狀，但只要在內(nèi)周側(cè)和外周側(cè)產(chǎn)生溫度梯度，則在疊層體13a、 13b中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。另外，圖5C所示的熱發(fā)電元件13c在外周上設(shè)置有墊片(filler) 51。 除此以外是與疊層體13同樣的結(jié)構(gòu)。由于具有墊片51，疊層體13的外周側(cè)的表面積增大， 外周側(cè)的散熱量增加，因此熱轉(zhuǎn)換效率提高。圖6A示出了本發(fā)明的熱發(fā)電元件的又一個(gè)例子。圖6B是從沿著軸的方向觀看該 元件而得到的圖。如圖6A和圖6B所示，熱發(fā)電元件60的疊層體63不是螺旋狀，而是欠缺了一部分的環(huán)狀。從而，在從沿著軸的方向觀看的情況下，疊層體63的內(nèi)周和外周為圓弧 形狀。除此以外，為與熱發(fā)電元件10相同的結(jié)構(gòu)。在熱發(fā)電元件60中，如果也從內(nèi)周側(cè)向 外周側(cè)產(chǎn)生溫度梯度，則經(jīng)由第一電極11和第二電極12輸出電力。本發(fā)明的熱發(fā)電元件10例如能夠與汽車的消音器或用于將工廠內(nèi)的排出氣體釋 放到外部的管等圓筒或圓柱狀的熱源的外周緊貼地設(shè)置。由此，由于能夠從熱源高效率地 吸收熱，因此熱電轉(zhuǎn)換效率高。另外，疊層體13由于具有在軸19的周圍呈螺旋狀地延伸的 形狀，因此能夠充分?jǐn)U展與熱源相接的部位(內(nèi)周部分)的面積。根據(jù)本發(fā)明的熱發(fā)電元件10，通過適當(dāng)?shù)剡x擇構(gòu)成材料、角度θ、內(nèi)周角度之比、 內(nèi)徑與外徑之比，能夠得到高的發(fā)電性能。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)用的熱發(fā)電元件10。本發(fā)明促 進(jìn)了熱能與電能轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，工業(yè)價(jià)值很高。(實(shí)施方式2)圖7示出了本發(fā)明的熱發(fā)電器件的一個(gè)例子。熱發(fā)電器件70具有電連接的2個(gè) 疊層體13。關(guān)于疊層體13的結(jié)構(gòu)，由于已在實(shí)施方式1中說明過，因此省略說明。各疊層 體13的一端通過連接電極73相互電連接。在各疊層體13的另一端都形成有取出電極71。在取出電極71和連接電極73中，可以使用導(dǎo)電性高的材料，材質(zhì)沒有特別限定。 具體地說，可以使用Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、In等金屬、TiN等氮化物或添加錫的 氧化銦(ITO)、SnO2等氧化物。另外，也可以使用焊料、銀焊料或?qū)щ娦詽{料。連接電極73 和取出電極71，除了蒸鍍法、濺射法等氣相生長(zhǎng)方法以外，也能夠使用電鍍、熱噴焊等各種 方法而制作。如圖7所示，在疊層體13的內(nèi)周側(cè)設(shè)置成，汽車的消音器等圓柱狀的高溫部分75 與疊層體13緊貼。疊層體13的外周側(cè)暴露在空氣中。由此，從疊層體13的內(nèi)周側(cè)至外周 側(cè)產(chǎn)生溫度梯度，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。所產(chǎn)生的電力經(jīng)由取出電極71輸出。熱發(fā)電器件70是電串 聯(lián)地連接2個(gè)疊層體13的結(jié)構(gòu)。在熱發(fā)電器件70中，與疊層體13是1個(gè)的情況相比較， 進(jìn)行熱授受(傳遞)的部位(疊層體13的外周面、內(nèi)周面)的面積增大。從而，與1個(gè)疊 層體13相比較，熱發(fā)電器件70的輸出更高。疊層體13的數(shù)量不限于2個(gè)，可以通過電串 聯(lián)地連接多個(gè)疊層體13來構(gòu)成熱發(fā)電器件70。隨著疊層體13增加，熱發(fā)電器件70的輸出 電壓增加。圖8示出了本發(fā)明的熱發(fā)電器件的又一個(gè)例子。熱發(fā)電器件80具有被電連接的 2個(gè)疊層體13。各疊層體13的一端通過配線84相互電連接。另外，各疊層體13的另一端 通過配線84相互電連接。而且，配線84分別與取出電極81連接。在配線84和取出電極81中，可以使用導(dǎo)電性高的材料，材質(zhì)沒有特別限定。具體 地說，可以使用Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、In等金屬、TiN、添加錫的氧化銦(ITO)、 SnO2等氮化物或氧化物。另外，也可以使用焊料、銀焊料或?qū)щ娦詽{料。配線84和取出電 極81，除了蒸鍍法、濺射法等氣相生長(zhǎng)方法以外，也能夠使用電鍍、熱噴焊等各種方法制作。如圖8所示，在各疊層體13的內(nèi)周側(cè)，緊貼地設(shè)置有汽車的消音器等圓柱狀的高 溫部分75。疊層體13的外周側(cè)暴露在空氣中。由此，從疊層體13的內(nèi)周側(cè)向外周側(cè)產(chǎn)生 溫度梯度，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。所產(chǎn)生的電力經(jīng)由取出電極81輸出。熱發(fā)電器件80是電并聯(lián)地 連接了 2個(gè)疊層體13的結(jié)構(gòu)，因此熱發(fā)電器件80的器件整體的內(nèi)部電阻小。另外，即使熱 發(fā)電器件80的電連接的一部分?jǐn)嗦?，也能夠保持器件整體上的電連接。疊層體13的數(shù)量不限于2個(gè)，可以通過電并聯(lián)地連接多個(gè)疊層體13來構(gòu)成熱發(fā)電器件80。另外，也可以以 串聯(lián)連接和并聯(lián)連接適當(dāng)?shù)亟M合的方式連接疊層體13，構(gòu)成熱發(fā)電器件。本發(fā)明的熱發(fā)電器件，在熱源具有圓柱形狀等曲面的情況下，也能夠與熱源緊貼， 能夠高效地進(jìn)行熱的授受。從而，熱發(fā)電器件能夠高效地發(fā)電。[實(shí)施例]以下，說明本發(fā)明的更具體的實(shí)施例。(實(shí)施例1)實(shí)施例1的熱發(fā)電元件10中，使用Cu作為第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14的構(gòu)成材料， 使用Bi作為第二熱電轉(zhuǎn)換材料層15的構(gòu)成材料，成為圖1所示的構(gòu)造。疊層體13的形狀 是內(nèi)徑100mm，外徑150mm，寬度50mm，Cu與Bi的內(nèi)周角度比是20 1。另外，使角度θ在 0° Μ0°的范圍內(nèi)變化。另外，疊層體13的寬度是沿著軸19的方向上的寬度。通過圖3D F所示的制造方法制造熱發(fā)電元件10。首先，通過對(duì)IOOmmX 100mm、 厚度50mm的Cu板實(shí)施切削加工，制作出具有與第一熱電轉(zhuǎn)換材料層14相同的形狀的熱電 轉(zhuǎn)換材料層片31(參照?qǐng)D3B、圖3C)。熱電轉(zhuǎn)換材料層片31的內(nèi)周角度為18°。圖3A所 示的構(gòu)造保持體32是通過切削直徑150mm、長(zhǎng)度IOOOmm的銅制的管而制成的。另外，以疊 層體13的空間21在軸19方向上的距離為40mm的方式制作構(gòu)造保持體32。在構(gòu)造保持體32的槽32c中隔開一定間隔地配置熱電轉(zhuǎn)換材料層片31。在配置 熱電轉(zhuǎn)換材料層片31之后，使加熱到650°C的Bi流入其間，然后進(jìn)行M小時(shí)(h)的空氣冷 卻。在去除了構(gòu)造保持體32之后，對(duì)疊層體13實(shí)施切削研磨加工。在疊層體13的兩端，利用濺射法形成由Au構(gòu)成的第一電極11和第二電極12，由 此得到熱發(fā)電元件10。對(duì)利用上述方法制作的熱發(fā)電元件10，進(jìn)行發(fā)電性能的評(píng)價(jià)。用溫水將疊層體 13的內(nèi)周側(cè)加熱到30°C，通過水冷使外周側(cè)為20°C，測(cè)定在第一電極11與第二電極12之 間的電動(dòng)勢(shì)和電阻。在作為傾斜角的角度θ是60°的情況下，電動(dòng)勢(shì)是10. 5mV，電阻是 0. 16πιΩ。由此，能夠推測(cè)功率因數(shù)是290 μ W/cmK2。同樣，使角度θ變化而制作出多個(gè)熱 發(fā)電元件10，并測(cè)定功率因數(shù)。表1表示其結(jié)果。[表 1]Cu/Bi疊層器件的層傾斜角和功率因數(shù)(μ W/cmK2)
權(quán)利要求
1.一種熱發(fā)電元件，其特征在于，包括從一端至另一端交替疊層有兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料的疊層體； 分別配置在所述疊層體的兩端的第一電極和第二電極，其中 所述疊層體具有從所述一端至所述另一端包圍呈直線的軸的周圍的形狀， 在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，所述疊層體的內(nèi)周是圓或圓弧形狀，并且， 由所述兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界配置成隨著從所述疊層體的內(nèi)周向外 周，遠(yuǎn)離以所述軸為起始點(diǎn)并通過所述邊界的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的直線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱發(fā)電元件，其特征在于所述疊層體是螺旋狀，且具有從所述一端至所述另一端包圍所述軸的周圍的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱發(fā)電元件，其特征在于在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，由所述兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層彎曲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱發(fā)電元件，其特征在于 在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，在連接由所述兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界處的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)和外周側(cè) 端點(diǎn)的線段與以所述軸為起始點(diǎn)并通過該內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的直線所構(gòu)成的角度θ大于等于 15°小于等于210°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱發(fā)電元件，其特征在于 所述熱電轉(zhuǎn)換材料的至少一種含有Bi。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱發(fā)電元件，其特征在于所述疊層體由交替疊層的第一熱電轉(zhuǎn)換材料層和第二熱電轉(zhuǎn)換材料層構(gòu)成， 所述第二熱電轉(zhuǎn)換材料層由含有Bi的所述熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成， 在用以所述軸為頂點(diǎn)的角度來表示在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)所述疊 層體的內(nèi)周上的所述第一熱電轉(zhuǎn)換材料層和所述第二熱電轉(zhuǎn)換材料層在周向上的厚度所 得到的值作為內(nèi)周角度時(shí)，所述第一熱電轉(zhuǎn)換材料層和所述第二熱電轉(zhuǎn)換材料層的內(nèi)周角 度之比在0.2 1 250 1的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱發(fā)電元件，其特征在于在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，所述疊層體的外周是圓或圓弧形狀， 所述疊層體的內(nèi)徑與外徑之比在1 1. 1 1 100的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱發(fā)電元件，其特征在于 所述熱電轉(zhuǎn)換材料的至少一種含有Bi和Te。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱發(fā)電元件，其特征在于所述疊層體由交替疊層的第一熱電轉(zhuǎn)換材料層和第二熱電轉(zhuǎn)換材料層構(gòu)成， 所述第二熱電轉(zhuǎn)換材料層由含有Bi和Te的所述熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成， 在用以所述軸為頂點(diǎn)而得到的角度來表示在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí) 所述疊層體的內(nèi)周上的所述第一熱電轉(zhuǎn)換材料層和所述第二熱電轉(zhuǎn)換材料層在周向上的 厚度并將該角度的值作為內(nèi)周角度時(shí)，該內(nèi)周角度之比在0.05 1 250 1的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱發(fā)電元件，其特征在于在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，所述疊層體的外周是圓或圓弧形狀，所述疊層體的內(nèi)徑與外徑之比在1 1. 1 1 10的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱發(fā)電元件，其特征在于 所述熱電轉(zhuǎn)換材料的至少一種含有1 和Te。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱發(fā)電元件，其特征在于所述疊層體由交替疊層的第一熱電轉(zhuǎn)換材料層和第二熱電轉(zhuǎn)換材料層構(gòu)成， 所述第二熱電轉(zhuǎn)換材料層由含有1 和Te的所述熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成， 在用以所述軸為頂點(diǎn)而得到的角度來表示在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí) 所述疊層體的內(nèi)周上的所述第一熱電轉(zhuǎn)換材料層和所述第二熱電轉(zhuǎn)換材料層在周向上的 厚度并將該角度的值作為內(nèi)周角度時(shí)，該內(nèi)周角度之比在0.2 1 100 1的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱發(fā)電元件，其特征在于在從沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，所述疊層體的外周是圓或圓弧形狀， 所述疊層體的內(nèi)徑與外徑之比在1 1.05 1 10的范圍內(nèi)。
14.一種熱發(fā)電器件，其具備多個(gè)熱發(fā)電元件，該熱發(fā)電器件的特征在于所述多個(gè)熱發(fā)電元件分別具備從一端至另一端交替疊層有兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料 的疊層體，所述疊層體具有從所述一端至所述另一端包圍呈直線的軸的周圍的形狀，在從 沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，所述疊層體的內(nèi)周是圓或圓弧形狀，并且，由所述兩 種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界配置成隨著從所述疊層體的內(nèi)周向外周，遠(yuǎn)離 以所述軸為起始點(diǎn)并通過所述邊界的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的直線，所述多個(gè)熱發(fā)電元件彼此電串聯(lián) 地連接。
15.一種熱發(fā)電器件，其具備多個(gè)熱發(fā)電元件，該熱發(fā)電器件的特征在于所述多個(gè)熱發(fā)電元件分別具備從一端至另一端交替疊層有兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料 的疊層體，所述疊層體具有從所述一端至所述另一端包圍呈直線的軸的周圍的形狀，在從 沿著所述軸的方向觀看所述疊層體時(shí)，所述疊層體的內(nèi)周是圓或圓弧形狀，并且，由所述兩 種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界配置成隨著從所述疊層體的內(nèi)周向外周，遠(yuǎn)離 以所述軸為起始點(diǎn)并通過所述邊界的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的直線， 所述多個(gè)熱發(fā)電元件彼此電并聯(lián)地連接。
16.一種熱發(fā)電元件，其特征在于，具備疊層體，其由具有從一端至另一端交替疊層的兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料的材料構(gòu)成， 所述材料配置成相對(duì)于連接了由所述材料包圍的中心點(diǎn)和所述材料的內(nèi)周上的所述兩種 不同的熱電轉(zhuǎn)換材料之間的邊界處的點(diǎn)的直線，從所述材料的內(nèi)周向外周傾斜； 配置在所述一端的第一電極；和 配置在所述另一端的第二電極。
全文摘要
本發(fā)明提供熱發(fā)電元件和熱發(fā)電器件，該熱發(fā)電元件對(duì)圓柱狀的熱源等具有曲面的熱源而言能夠高效地進(jìn)行熱傳遞。本發(fā)明的熱發(fā)電元件，包括從一端至另一端交替疊層有兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料的疊層體；分別配置在疊層體的兩端的第一電極和第二電極，其中，疊層體具有從一端至另一端包圍呈直線的軸的周圍的形狀，在從沿著軸的方向觀看疊層體的情況下，疊層體的內(nèi)周是圓或圓弧形狀，并且，由兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成的各層的邊界配置成隨著從疊層體的內(nèi)周向外周，遠(yuǎn)離以軸為起始點(diǎn)并通過邊界的內(nèi)周側(cè)端點(diǎn)的直線。
文檔編號(hào)H01L35/32GK102047457SQ20098012031
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者小森知行, 菅野勉, 足立秀明 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社