JPH11177154A - 熱電変換基板及び当該熱電変換基板を用いた電気回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源や電気回路素子等で発生した熱を効率的
に熱電変換機能へ伝えて電気エネルギーに変換する。し
かも、電気回路装置を大きくすることなく熱エネルギー
を電気エネルギーに変換することができるようにする。 【解決手段】 電圧取出し用の端子２ａ，２ｂ間におい
て、基板３の表面にＣｕの導電パターン４ａとＮｉの導
電パターン４ｂを交互に配列し、両導電パターン４ａ，
４ｂの端部どうしを接合して熱電対５と接続点６を形成
し、熱電対５を基板３の一方端部に集め、接続点６を基
板３の他方端部に集める。この熱電変換基板１を回路基
板１０と一体化し、発熱の大きな電気回路素子９Ａが熱
電対５の領域に対応するように配置し、素子の熱を熱電
変換基板１により電気エネルギーに変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換基板及び
当該熱電変換基板を用いた電気回路装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の電子機器においてエネルギーロス
の原因となっているのは、パワートランジスタのコレク
タ損失、高速動作を扱うスイッチング素子（ＣＰＵな
ど）、電力用抵抗器等の素子からの発熱である。これら
素子の発熱によるエネルギー損失には、その削減に努力
が払われているものの、一般的には、素子発熱は動作原
理上許容せざるを得ないとの立場がとられている。すな
わち、素子発熱の低減よりは、ヒートシンクや空冷ファ
ンにより、素子で発生した熱をいかに機器外部へ逃が
し、熱による素子の損傷を防止するかに重点がおかれて
いる。

【０００３】一方、熱電変換素子は、熱エネルギーを直
接電気エネルギーに変換できる方法として、ごみ焼却炉
の排熱利用を含め、実用化が検討されている（特開平８
−３０６９６５号公報等）。また、人体の体温を利用し
て、微小電力の発電を行い、これを腕時計の電源として
利用するなど、微小熱起電力の利用法に関しても検討さ
れている（実願平５−６３２６４号）。

【０００４】さらには、電源や電気回路素子で発生する
熱エネルギーを熱電変換素子を用いて電気エネルギーに
変換し、その電気エネルギーを電源に戻して最利用する
ことも提案されている（特開平７−２４０５３８号公
報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これまでのと
ころ電気回路装置における熱電変換素子の利用は概念的
なものに過ぎず、どのように熱電変換素子を配置し、電
気回路素子等で生じた熱エネルギーをどのようにして熱
電変換素子に集めて電気エネルギーに変換するかといっ
た具体的なレベルまでは考えられていなかった。特に、
電子回路が小型集積化されるにつれ、ますます熱電変換
素子を配置するスペースを確保するのが困難になり、ひ
いては熱電変換素子の利用が困難になっている。

【０００６】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、電源や電気
回路素子等で発生した熱を効率的に熱電変換機能へ伝え
て電気エネルギーに変換することができ、しかも電気回
路装置を大きくすることなく熱エネルギーを電気エネル
ギーに変換することができる熱電変換基板及び電気回路
装置を提供することにある。

【０００７】

【発明の開示】本発明にかかる熱電変換基板は、２種以
上の異種金属材料による導電パターンが基板上に形成さ
れた熱電変換基板であって、前記導電パターンは異種金
属材料どうしの接合部を複数箇所有し、各接合部に生じ
る熱起電力の総和が取り出されるように前記導電パター
ンが形成されていることを特徴としている。

【０００８】このような熱電変換基板を用いれば、電源
や電気回路素子等で発生した熱を電気エネルギーに変換
することができる。従って、電源や電気回路素子等から
放散され浪費されていた熱を電気エネルギーに変換して
回収することができる。そして、変換した電気エネルギ
ーを補助電源として電気回路等へ供給し、あるいは２次
電池等へ充電するなどして再利用することができ、省エ
ネルギー化を図ることができる。

【０００９】また、熱電変換基板は、熱を電気エネルギ
ーに変換するので、ヒートシンクの機能を有し、電源や
電気回路素子の温度上昇を抑制することができる。

【００１０】しかも、本発明の熱電変換基板は、その上
に電気回路素子や電源等を実装したり、電気回路素子等
を実装する回路基板と積層一体化したりできるので、電
気回路素子や電源等で発生した熱を効率よく熱電変換基
板へ伝え、効率的に電気エネルギーに変換することがで
きる。しかも、電気回路素子等を実装する回路基板を兼
ねたり、回路基板と一体化することにより、電気回路装
置を大きくすることなく電気エネルギーの利用効率を向
上させることができる。

【００１１】具体的には、前記熱起電力取出し方向に対
して熱起電力が正となる接合部を前記基板に集合的に配
置し、前記熱起電力取出し方向に対して熱起電力が負と
なる接合部を別な領域に集合的に配置すれば、回路基板
上に実装された電気回路素子のうち発熱を伴う素子を熱
起電力が正の接合部領域又はその近傍に配置することに
より、電気回路等の熱を効率良く電気エネルギーに変換
することができる。一方、熱起電力が負となる接合部領
域には、発熱の少ない素子やヒートシンク等を配置した
り、空中に露出させたりすることにより、正の接合部領
域における電気エネルギーへの変換効率を良好にするこ
とができる。

【００１２】また、１枚の基板に形成された熱電変換基
板では十分な起電力が得られない場合には、熱起電力が
正となる接合部を形成された領域どうしが互いに重なり
合うように前記基板どうしを積層し、各基板の導電パタ
ーンどうしを直列に接続すれば、熱電変換基板を大型化
することなく、起電力を大きくすることができる。

【００１３】さらに、回路基板上の発熱素子と熱起電力
が負の接合部領域との中間において、回路基板に熱分離
手段を設ければ、発熱素子の熱が熱起電力が負の接合部
領域へ漏れて変換効率が低下するのを抑制することがで
きる。

【００１４】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は本発明
の一実施形態による熱電変換基板１を示す平面図であ
る。この熱電変換基板１は、電圧取出し用の端子２ａ，
２ｂ間において、基板３の表面に異種金属からなる導電
パターン４ａ，４ｂを蛇行状に形成したものである。す
なわち、ストライプ状をした一方の導電パターン４ａと
他方の導電パターン４ｂとが交互に配列され、両導電パ
ターン４ａ，４ｂの端部どうしが接合され、両導電パタ
ーン４ａ，４ｂが電気的に直列に接合されている。そし
て、電圧（熱起電力）取出し方向に対して正の熱起電力
となる接合部（つまり、高温となったとき、電圧取出し
方向に対して電圧取出し端子２ａ，２ｂ間に正の熱起電
力を生じる接合部；以下、熱電対という）５が基板３の
一方端部に配列され、電圧（熱起電力）取出し方向に対
して負の熱起電力となる接合部（つまり、高温となった
とき、電圧取出し方向に対して電圧取出し端子２ａ，２
ｂ間に負の熱起電力を生じる接合部；以下、接続点とい
う）６が基板３の他方端部に配列されている。

【００１５】ここで、基板材料としては、熱伝導率の小
さなセラミック基板、例えばバリウム、アルミナおよび
シリカを主成分とするセラミック基板（ＢＡＳ）、ある
いは耐熱性の優れた樹脂基板（例えばテフロンシート）
等が望ましい。また、導電パターン４ａ，４ｂを形成す
る異種金属としては、熱起電力の大きな異種金属（合金
でもよい）の組み合わせが好ましく、例えばＣｕとＮ
ｉ、あるいはＣｕとＮｉ合金の組み合わせを用いること
ができる。ＣｕとＮｉの組み合わせは、量産性、汎用
性、コストメリットが高い。

【００１６】しかして、熱電対５が形成されている領域
を高温領域とする。すなわち、熱電対５の領域を、電源
や発熱の大きな電気回路素子等から発生した熱が伝わり
易い位置に置く。また、接続点６が形成されている領域
は、できるだけ低温領域とする。例えば、電源や発熱の
大きな電気回路素子から離れた位置に置いたり、ヒート
シンクなどに接触させたりしてできるだけ常温に近づけ
る。こうして電源や発熱の大きな電気回路素子の熱によ
って熱電対５の領域が高温になると、各熱電対５には熱
起電力が発生し、これらの総和の熱起電力が電圧取出し
端子２ａ，２ｂ間から取り出される。

【００１７】いま、基板３上においてＣｕの導電パター
ン４ａ及びＮｉの導電パターン４ｂによりｎ個の熱電対
５が直列に接続されており、各熱電対５における変換効
率すなわちゼーベック係数（熱電対５が単位温度上昇し
たときの熱起電力）をαとし、各熱電対５と接続点６と
の温度差（平均傾斜温度）をΔＴ1、ΔＴ2、…、ΔＴn
とすると、電圧取出し端子２ａ，２ｂ間に生じる電圧
（トータルの熱起電力）Ｖsは、 Ｖs＝α（ΔＴ1＋ΔＴ2＋…＋ΔＴn） となる。

【００１８】実験では、ＣｕとＮｉからなる導電パター
ン４ａ，４ｂの場合には、ゼーベック係数αは約３０μ
Ｖ／℃であり、Ｃｕとコンスタンタン（Ｃｕ５５％、Ｎ
ｉ４５％の合金）からなる導電パターン４ａ，４ｂの場
合には、ゼーベック係数αは約６０μＶ／℃である。従
って、ＣｕとＮｉからなる導電パターン４ａ，４ｂの場
合、各熱電対５の平均傾斜温度ΔＴを５０℃とすると、
実用的な起電力（３Ｖ程度）を得るためには、次式より
分かるように、約２０００個の熱電対５が必要となる。 ｎ＝Ｖs／（αΔＴ） ＝３０００／（０.０３×５０）＝２０００個

【００１９】ここでは、ＣｕとＮｉの組み合わせの場合
について計算例を示したが、導電パターン材料の組み合
わせはこれに限らない。例えば、Ｃｕとコンスタンタン
の場合には、前述のように変換効率が約２倍となるの
で、熱電変換基板１の小型化に有効である。

【００２０】（第２の実施形態）実用的な電圧（３Ｖ程
度）を得るためには、例えばＣｕとＮｉからなる導電パ
ターン４ａ，４ｂの場合では約２０００個の熱電対５が
必要となるが、その小型集積化のためには、図２に示す
ように熱電変換基板１を積層化することが有効である。

【００２１】この熱電変換基板１にあっては、異種金属
からなる導電パターン４ａ，４ｂにより熱電対５及び接
続点６を形成された複数枚の基板３ａ，３ｂ，…を積層
し、各基板３ａ，３ｂ，…の導電パターン４ａ，４ｂの
両端にスルーホール７ａ，８ａ，７ｂ，８ｂ，…を形成
している。各基板３ａ，３ｂ，…は、図３に示すよう
に、第１の実施形態と同様な導電パターン４ａ，４ｂを
有しており、一方端部に熱電対５が配列され、他方端部
に接続点６が配列されている。さらに、上下の各基板３
ａ，３ｂ，…でスルーホール７ａ，８ａ，７ｂ，８ｂ，
…の位置が異なっており、下層の基板に設けられている
高電圧側のスルーホールと上層の基板に設けられている
低電圧側のスルーホールが同じ位置に設けられ、当該ス
ルーホール７ａ，８ａ，７ｂ，８ｂ，…を介して上下の
基板３ａ，３ｂ，…に設けられた導電パターン４ａ，４
ｂ及び熱電対５が直列に接続されている。また、上下に
積層された各基板３ａ，３ｂ，…どうしで、熱電対５の
形成されている領域は互いに上下に重なりあっており、
接続点６の集められている領域も互いに上下に重なりあ
っている。

【００２２】上記のような多層構造を有する熱電変換基
板１の上には、電気回路素子９，９Ａを実装した回路基
板１０が重ねられ、最上層の基板３ａのスルーホール７
ａと最下層の基板３ｄのスルーホール８ｄは回路基板１
０のスルーホール１１ａ，１１ｂに接続され、電気回路
装置１２が構成される。パワートランジスタのように発
熱の大きな電気回路素子９Ａは、熱電変換基板１の熱電
対５を形成された領域の上方に重なるように配置され
る。

【００２３】（製造方法）つぎに、上記熱電変換基板１
の製造方法を説明する。基板３がバリウム、アルミナ、
石英を主原料とするセラミックで形成されている場合を
説明する。厚み５０μｍのセラミックグリーンシート
に、スクリーン印刷により、ペースト状のＮｉ導電パタ
ーン４ｂを印刷し乾燥させる。Ｎｉ導電パターン４ｂの
ライン幅Ｗは１５０μｍ、印刷膜厚は２０μｍ前後が望
ましい。つぎに、Ｎｉ導電パターン４ｂの端部間をつな
ぐようにして、セラミックグリーンシートにペースト状
のＣｕ導電パターン４ａを印刷し乾燥させる。Ｃｕ導電
パターン４ａも、Ｎｉ導電パターン４ｂと同様にライン
幅Ｗは１５０μｍ、印刷膜厚２０μｍ前後とするのが望
ましい。また、導電パターン４ａ，４ｂ間の間隔Ｓは１
００μｍとした。このような構成によれば、１０ｃｍ
（＝Ｌ１）×２０ｃｍ（＝Ｌ２）サイズの基板３ａで
は、１枚につき２００個の熱電対５を得ることができる
ので、全体としての変換効率（ゼーベック係数：ｎα）
は６ｍＶ／℃となる。

【００２４】基板３ａの導電パターン４ａ，４ｂの両端
に設けるスルーホール７ａ，８ａは、直径０.２ｍｍの
通孔とし、導電パターン４ａ，４ｂをスクリーン印刷す
る際、同時にＣｕ又はＮｉペーストを埋め込み、基板３
ａの両面で導通を得る。

【００２５】２層目以降の基板３ｂ，…にも、同様の方
法で導電パターン４ａ，４ｂ及びスルーホール７ｂ，８
ｂ，…を形成する。なお、各基板３ａ，３ｂ，…の導電
パターン４ａ，４ｂの接続が直列となるよう、図２に示
すようにスルーホール８ａ，７ｂ，…，７ｄの位置合わ
せを行って各基板３ａ，３ｂ，…を積層一体化する。最
後に、配線パターンが形成された回路基板１０を熱電変
換基板１の上に積層し、加圧プレス後、窒素雰囲気中に
おいて１０００℃で１時間の焼成を行なう。なお、電気
回路素子９，９Ａは、こうして熱電変換基板１の上に形
成された回路基板１０の上に、通常の回路基板と同様に
して表面実装する。

【００２６】発熱の大きな電気回路素子９Ａが実装され
た基板３ａ，３ｂ，…の、接続点６と熱電対５の間の平
均傾斜温度ΔＴが約５０℃であるとすると、１枚の熱電
変換基板１により６ｍＶ／℃の熱起電力（変換効率）が
得られ、このような熱電変換基板１を１０枚積層一体化
すると、得られる出力電圧Ｖabはつぎのようになる。 Ｖab＝６〔ｍＶ／℃〕・５０〔℃〕・１０〔枚〕＝３
〔Ｖ〕 すなわち、Ｖab＝３Ｖで１〜１００ｍＡ程度の実用的な
電源が得られる。

【００２７】図４は、このような熱電変換基板１の利用
方法を説明する図であって、熱電変換基板１で発生する
電圧の順方向に向けてダイオード１４を熱電変換基板１
に接続し、これを２次電池１３と並列に接続している。

【００２８】しかして、２次電池１３や回路基板１０上
の発熱の大きな電気回路素子９Ａ等からの放熱により熱
電変換基板１の熱電対５が加熱されると、熱電変換基板
１の電圧取出し端子２ａ，２ｂ間には起電力（電圧）が
発生する。２次電池１３が通常の出力電圧を保っている
場合には、ダイオード１４のため熱電変換基板１から電
流が流れ出さないが、２次電池１３の出力が熱電変換基
板１の両端電圧よりも低下すると、熱電変換基板１から
２次電池１３へチャージすることができる。よって、省
エネルギー化を図ることができ、２次電池１３を再充電
するまでの期間を延ばすことができる。

【００２９】あるいは、主電気回路１５が交流電源を用
いるものである場合には、図５に示すように、主電気回
路１５から得た熱で起電力を発生させ、ＬＥＤ、ＬＣＤ
等のディスプレイ、ブザー、あるいはアクチュエータ等
の付属的な直流機器１６に熱電変換基板１から電気エネ
ルギーを供給し、節電することができる。このとき、交
流電源の整流が不要になる。

【００３０】また、熱電変換基板１（補助電源）は、蓄
熱作用により電源をオフにした後も、余熱によって電流
供給を継続することができるので、電源をオフにした後
の各種監視機能など新たな応用が広がる。例えば、誤っ
てメインスイッチをオフしてしまったり、突然停電が発
生した場合、揮発性メモリのデータや記憶媒体へ保存す
る前のデータが失われてしまう不具合を回避することが
できる。従って、バックアップ用電池やコンデンサの代
用としたり、その機能強化に用いることができる。

【００３１】さらに、電気回路素子９，９Ａで発生した
熱が電気エネルギーに変換されるので、エネルギー保存
則によって熱による電気回路素子９，９Ａの温度上昇を
抑制することができ、電気回路素子９，９Ａを温度上昇
から保護する効果もある。

【００３２】（第３の実施形態）図６（ａ）（ｂ）は本
発明のさらに別な実施形態による電気回路装置２１を示
す表面側及び裏面側からの斜視図である。この電気回路
装置２１にあっては、基板３の裏面に異種金属からなる
導電パターン４ａ，４ｂを配線し、一方端部に熱電対５
を配列し、他方端部に接続点６を配列して熱電変換基板
１を構成している。また、基板３の表面には配線パター
ン（図示せず）を形成して回路基板１０を構成してあ
る。配線パターンの上に実装された電気回路素子９，９
Ａのうち、発熱の大きな電気回路素子９Ａは熱電対５の
配列されている領域に対向させてを配置され、発熱の小
さな電気回路素子９は接続点６の配列されている領域に
対向させて配置される。

【００３３】平均傾斜温度ΔＴが大きい場合、熱電対５
の形成密度を高めた場合、あるいは導電パターン材料と
してより変換効率（ゼーベック係数）の高い材料を使用
した場合などには、第２の実施形態のように積層構造に
しなくても、実用的な電圧を得ることができる。

【００３４】例えば、基板３としてサイズ１００ｍｍ
（＝Ｌ１）×２００ｍｍ（＝Ｌ２）、厚み０.６ｍｍの
テフロン基板を用い、電気回路素子９，９Ａを実装する
ための配線パターンは素子実装面（表面）に設け、裏面
には異種金属からなる導電パターン４ａ，４ｂを微細に
形成する。Ｃｕ及びＮｉの導電パターン４ａ，４ｂのラ
イン幅Ｗはいずれも１５μｍとなっており、導電パター
ン４ａ，４ｂ間の間隔Ｓは１０μｍとなっている。この
ような構成によれば、１枚の基板３で２０００個の熱電
対５を形成することができ、実用レベルの出力電圧（３
Ｖ程度）を得ることができる。

【００３５】（第４の実施形態）図７は本発明のさらに
別な実施形態による電気回路装置２２を示す斜視図であ
る。ここで用いられている熱電変換基板１は、ポリイミ
ド等のフレキシブルな基板３の上に異種金属からなる導
電パターン４ａ，４ｂを形成したものである。このフレ
キシブルな熱電変換基板１は、シリコーングリースなど
を介して回路基板１０の上に貼りつけられている。熱電
変換基板１の熱電対５は、回路基板１０上の発熱の大き
な電気回路素子９Ａの位置と対応するように配置されて
おり、この熱電対５の形成されている領域を発熱の大き
な電気回路素子９Ａへ直接付着させるように重ねてい
る。

【００３６】（第５の実施形態）導電パターン４ａ，４
ｂの接続点６の温度が上昇すると、平均傾斜温度ΔＴが
小さくなるので、出力できる電圧が小さくなる。そのた
め、発熱の大きな電気回路素子９Ａの熱はできるだけ接
続点６側には伝わらないようにするのが望ましい。

【００３７】そのためには、発熱の大きな電気回路素子
９Ａが実装されている箇所と熱電変換基板１の接続点６
が配置されている領域との中間において、回路基板１０
に開口、溝、ホール、切り欠き、窓などの熱伝達を阻止
する熱分離手段を設け、発熱の大きな電気回路素子９Ａ
と接続点６との熱的な分離を図ればよい。例えば、図８
に示す電気回路装置２３では、回路基板１０に熱分離の
ための長孔状をした開口２４を設けている。あるいは、
接続点６の形成されている領域を回路基板１０から突出
するようにしたり、放熱用のヒートシンクと接触させた
りしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による熱電変換基板を示す
平面図である。

【図２】本発明の別な実施形態による電気回路装置を示
す分解斜視図である。

【図３】同上の基板のうち１枚を示す斜視図である。

【図４】同上の熱電変換基板の利用方法を説明する回路
図である。

【図５】同上の熱電変換基板の別な利用方法を説明する
回路図である。

【図６】（ａ）（ｂ）は本発明のさらに別な実施形態に
よる電気回路装置を示す斜視図である。

【図７】本発明のさらに別な実施形態による電気回路装
置を示す斜視図である。

【図８】本発明のさらに別な実施形態による電気回路装
置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 熱電変換基板 ３ 基板 ４ａ，４ｂ 導電パターン ５ 熱電対 ６ 接続点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２種以上の異種金属材料による導電パタ
   ーンが基板上に形成された熱電変換基板であって、 前記導電パターンは異種金属材料どうしの接合部を複数
   箇所有し、各接合部に生じる熱起電力の総和が取り出さ
   れるように前記導電パターンが形成されていることを特
   徴とする熱電変換基板。
2. 【請求項２】 前記熱起電力取出し方向に対して熱起電
   力が正となる接合部が前記基板に集合的に配置され、前
   記熱起電力取出し方向に対して熱起電力が負となる接合
   部が、前記基板の別な領域に集合的に配置されているこ
   とを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換基板。
3. 【請求項３】 異種金属材料による導電パターンを形成
   した基板が複数枚積層された熱電変換基板であって、 熱起電力が正となる接合部を形成された領域どうしが互
   いに重なり合うように前記基板どうしを積層し、各基板
   の導電パターンどうしを直列に接続したことを特徴とす
   る、請求項１に記載の熱電変換基板。
4. 【請求項４】 電気回路素子を実装した回路基板を、請
   求項２又は３に記載の熱電変換基板と積層し、前記電気
   回路素子のうち発熱を伴う素子を前記熱電変換基板にお
   ける熱起電力が正となる接合部を形成された領域もしく
   はその近傍と対向するように配置したことを特徴とする
   電気回路装置。
5. 【請求項５】 前記回路基板上に形成された発熱を伴う
   素子と、前記熱起電力が負となる接合部を形成された領
   域との中間において、前記回路基板に熱分離手段を設け
   たことを特徴とする、請求項４に記載の電気回路装置。