業界最高強度、素子強化構造の熱電変換モジュールを開発

パナソニック プレシジョンデバイス株式会社は、業界最高※1当社従来比5倍の耐荷重強度20kgf/mm2に強化した熱電変換素子を用いることで、従来品よりも発電量をアップした熱電変換モジュールを開発しました。

（※1）溶製ビスマス・テルルの熱電変換素子において、2012年12月27日現在、当社調べ。

【効　果】
近年、エコロジーや省エネ気運の高まりから、熱電変換[1]モジュールを用いた廃熱発電など、エナジーハーベスト（環境発電）[2]へのニーズが高まっています。当社は、この拡大が見込まれる市場に向け、熱電変換素子[3]そのものを保護強化したことで、同じ条件で同じ熱源に対し1.6倍※2の発電量を得られる熱電変換モジュールを開発いたしました。　（※2）当社従来比

【特　長】
本製品は以下の特長を有しております。

1.強化構造により素子の耐荷重強度が5倍※2に向上
熱電変換素子の材料であるビスマス・テルル[4]は非常に脆いため、素子に力が加わると割れや欠けを生じやすく、十分な性能が出ないという課題がありました。このため当社では、素子を剛性の高い材料で補強することで5倍※2の強度を実現しました。

2.素子の高さに自由度があり、熱電変換モジュール性能の最適設計が可能
熱電変換モジュールでは、熱電変換素子のアスペクト比である縦横高さの比を変えることで、特性を最適化することができます。しかし、従来は素子そのものが脆いため、特に高さ方向に限界がありました。今回、強化構造にしたことで、高さ寸法の自由度が3倍※2に向上し、使用環境に適した性能を確保することが容易となりました。この結果、同じ条件で同じ熱源を用いた場合の発電量は1.6倍※2に増加しました。

3.基板には熱伝導の高い素材やフィルム素材も使用可能
素子強化構造を採用したことにより、モジュールの強度確保のため一般的に用いられているセラミック基板の代わりに、熱伝導率の高い銅板や曲面密着設置に適したフィルム素材を用いることが可能となりました。基板に銅を用いる場合でも、より薄い銅板を用いることが出来るため、温度に対する応答性が向上します。


【内　容】
本製品は以下の技術によって実現しました。

1.素子を保護材で補強するシンプルな構造を実現した精密加工技術
素子を保護材で補強するという単純で信頼性の高い構造を開発しました。これまで培った精密加工（切削、貼り合わせ）技術やノウハウを活かし、強度特性の異なる素材を貼り合わせ、素子と一体化した保護材で支えることで、素子へのストレスを軽減します。

2.剛性が高くかつ熱伝導率が低い保護材を実現した材料技術
保護材には、剛性が高く、熱伝導率の低いシリコン系材料を採用しました。その結果、強化素子の耐荷重はビスマス・テルル素子単体の5倍※2の20kgf/mm2に向上しました。

3.精密光学部品の製造で培った量産技術
今回開発した素子のように、硬さの異なる材料を正確かつ大量に切り出すには、高い精密加工技術が求められます。弊社は、長年に渡る精密光学部品の生産で培った加工技術ならびに加工ノウハウを駆使し、今回の素子強化構造の熱電変換モジュールの製造量産化を実現しました。また、お客様の使用される環境に応じた素子サイズのカスタマイズにより、最適なモジュールの提案ができるようになりました。

【従来例】
従来の熱電変換モジュールは、複数個の素子を単純にセラミック基板に挟み込む構造をしていますが、素子そのものが脆いため、剛体のセラミックで保持することが不可欠でした。この熱伝導率の低いセラミック基板を介して熱源と接触させるために、熱を熱電変換素子に取り込む際の効率が低いという課題がありました。

【実用化】
サンプル出荷：2013年1月より
サンプル価格：数量応談

【会社概要】
パナソニック プレシジョンデバイス株式会社
所在地：熊本県玉名郡和水町高野1080
設 立：2012年1月 （1980年6月　九州松下電器株式会社　磁気ヘッド工場として操業開始）
事業内容：パナソニック株式会社　デバイス社傘下で、光ディスクドライブ、小型ビューアー、産業用インクジェットプリンタヘッド等の開発、製造、販売

【用語説明】
[1] 熱電変換
熱から電気を、また電気から熱を取り出すことです。
[2] エナジーハーベスト（環境発電）
身の回りにある太陽光、熱、電磁波や振動など、従来エネルギー源としては有効活用していなかったエネルギーを回収し、電力に変えて活用することです。
[3] 熱電変換素子
熱電変換の現象を発現する素子のことです。
[4] ビスマス・テルル
熱電効果に優れており、熱電変換材料として広く用いられている合金です。

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