JP2005129784A - 熱電変換モジュール及びその製造方法、並びに流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 管状基材の外周部に接合する場合の発電能力を高めると共に、製造コストを低減することのできる熱電変換モジュール及びその製造方法、並びにこの熱電変換モジュールを用いた流量測定装置を提供する。
【解決手段】 管状基材（１）の少なくとも一部の外周部に添装可能に湾曲した内側面及びこの内側面に対して所定の厚みで隔たった外側面を有する絶縁性基板（４）と、一端を内側面に露呈させ、他端を外側面に露呈させて絶縁性基板に貫設され、かつ、導電形式の異なるものが交互にマトリクス状に配置された複数のＰ型及びＮ型の熱電変換素子（１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４，…、ｍ１〜ｍ４）と、隣接するＰ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子を交互に順次直列接続する導電性部材（２Ｘ，２Ｙ）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、管状基材の外周部に接合され、この管状基材による吸熱又は発熱作用による接合面と最外周面との温度差により電力を発生する熱電変換モジュール及びその製造方法、並びにこの熱電変換モジュールを用いた流量測定装置に関する。

マイコン制御型の水道メータやガスメータ等の流量測定装置には、その駆動電源として電池又は外部電源が用いられていた。このうち、電池式の流量測定装置は電池の寿命による交換の必要性を生じる。電池の寿命は地中の温度や、使用ガス量又は使用水量により左右される。従って、電池が消耗すると使用量が伝送されなくなる。一方、外部電源として交流１００Ｖの商用電源を使用する場合、交流電源が水道メータやガスメータの近傍まで引き込まれていなければならない。しかし、地理的な理由等により交流電源の使用が困難な場合がある。

そこで、熱電変換モジュールを駆動源とする電子式水道メータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この電子式水道メータは、水道管と地面との境界部に熱電変換モジュールを配置し、水道管に流れる水の温度と地面の温度との温度差に応じた起電力を発生させ、発生した起電力を電子回路部に供給する構成になっている。

一方、熱電変換モジュール自体の製造費用を軽減すると共に、大規模な発電能力を有する装置及びその製造方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この熱電変換モジュールは熱源流体又は冷却流体が流通する管状基材の外周面にＮ型半導体及びＰ型半導体を析出成形して形成され、管状基材との接合面と最外周面との温度差により電力を発生させる、半導体の接合対からなっている。
特開２００２−２７０９０８号公報 特開２０００−７７７３２号公報

上述した特許文献１に記載の熱電変換モジュールは、Ｐ型シリコン系半導体からなるＰ型熱電変換素子と、Ｎ型シリコン系半導体からなるＮ型熱電変換素子とが交互に同一平面上にマトリクス状に併設されたものでなっているため、水道管の外周には直線状に接合されるだけで、マトリクス状に配置された熱電変換素子の発電能力が低くなってしまうという問題があった。

一方、特許文献２に記載の熱電変換モジュールは、管状基材の外周部に半導体を環状に析出させると共に、軸方向に適宜の幅を持たせてＰ型半導体とＮ型半導体を一対として多段連続配置する構成になっている。しかしながら、この構成では管状基材の周囲に環状に半導体を析出させることが難しく、また、管状基材寄りの一端部を残して周方向に凹所を形成する作業が必要になるため、製造コストが高騰するという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は管状基材の外周部に接合する場合の発電能力を高めると共に、製造コストを低減することのできる熱電変換モジュール及びその製造方法、並びにこの熱電変換モジュールを用いた流量測定装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、
管状基材の外周部に接合され、管状基材による吸熱又は発熱作用による接合面と最外周面との温度差により電力を発生する熱電変換モジュールにおいて、
管状基材の少なくとも一部の外周部に添装可能に湾曲した内側面及びこの内側面に対して所定の厚みで隔たった外側面を有する絶縁性基板と、一端を内側面に露呈させ、他端を外側面に露呈させて絶縁性基板に貫設され、かつ、導電形式の異なるものが交互にマトリクス状に配置された複数のＰ型及びＮ型の熱電変換素子と、隣接するＰ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子を交互に順次直列接続する導電性部材と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子は棒状でなり、絶縁性基板は有機性樹脂でなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子は外周部が絶縁性のセラミックで包囲されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子はＢｉ、Ｔｅの少なくとも一方を含む混合物でなり、絶縁性基板の板面と垂直な結晶成長方向が、Ｒ／３ｍ構造のａ軸方向であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子を接続する導電性部材は銅、金、ニッケル及びアルミニウムのうちのいずれか２つ以上の多層被膜でなることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールにおいて、直列接続された熱電変換素子の始端及び終端をそれぞれ電極としてリード線を接続し、電極間にコンデンサを接続したことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、
管状基材の外周部に接合され、管状基材による吸熱又は発熱作用による接合面と最外周面との温度差により電力を発生する熱電変換モジュールの製造方法において、
棒状のＰ型及びＮ型の各熱電変換素子をそれぞれ複数個準備する工程と、
一対の対向側壁の互いに対応する位置に複数の孔がマトリクス状に穿設され、上面が開放された容器を準備する工程と、
容器の対向側壁に穿設された孔にＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とを交互に隣接させて貫入する工程と、
容器内に有機性樹脂を充填し、硬化させてブロックを形成する工程と、
熱電変換素子と略垂直に、管状基材の外周面に添装可能に湾曲させてブロックを切断する工程と、
を備えたことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項６に記載の熱電変換モジュールの製造方法において、熱電変換素子は外周部が絶縁性のセラミックで包囲されていることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、
管状基材の外周部に接合され、管状基材による吸熱又は発熱作用による接合面と最外周面との温度差により電力を発生する熱電変換モジュールの製造方法において、
棒状のＰ型及びＮ型の各熱電変換素子をそれぞれ複数個準備する工程と、
熱電変換素子を挿入することが可能な孔が略平行にマトリクス状に穿設されたセラミック材でなるブロックを準備する工程と、
ブロックの孔にＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とを交互に隣接させて挿入する工程と、
ブロックの孔と熱電変換素子との間隙に有機性樹脂を充填し、硬化させる工程と、
熱電変換素子と略垂直に、管状基材の外周面に添装可能に湾曲させてブロックを切断する工程と、
を備えたことを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールを駆動電源としたことを特徴とする流量測定装置である。

本発明は、上記の構成により、管状基材の外周部に接合する場合の発電能力を高めると共に、製造コストを低減することのできる熱電変換モジュール及びその製造方法、並びにこの熱電変換モジュールを用いた流量測定装置を提供することができる。

以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る熱電変換モジュールの第１の実施形態の構成を、その接合対象と併せて示した斜視図である。図１において、管状基材としての金属管１は、例えば、電子式水道メータ又はその近傍の水道管であり、その外周における径方向の互いに反対の外周面に熱電変換モジュール２がそれぞれ伝熱性樹脂３を介して接合されている。この熱電変換モジュール２は周方向に一定の幅、例えば、１／４周程度の幅と水道メータの本体部に略等しい軸方向長さとを有し、金属管１の外周面に添装可能な内側面及びこの内側面に対して略一定の厚みに形成された外側面を有する絶縁性基板４と、この絶縁性基板４に貫設され、一端が内側面に露呈され、他端が外側面に露呈された熱電変換素子１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４，…、ｍ１〜ｍ４と、これらの熱電変換素子の各露呈端部を接続する表面接続電極２Ｘ及び裏面接続電極２Ｙと、リード線２ａ，２ｂとで構成されている。

熱電変換素子１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４，…、ｍ１〜ｍ４はＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子の２種類でなり、その周方向にＰ型熱電変換素子１１〜Ｎ型熱電変換素子１４が順次交互に配置され、軸方向にＰ型熱電変換素子１１、Ｎ型熱電変換素子２１、…、Ｐ型熱電変換素子ｍ１が順次交互に配置され、全体としてＰ型及びＮ型の熱電変換素子が交互にマトリクス状に配置されている。そして、絶縁性基板４の内側面に露呈したＰ型熱電変換素子の端部とＮ型熱電変換素子２１の端部とが裏面接続電極２Ｙによってそれぞれ接続され、絶縁性基板４の外側面に露呈したＮ型熱電変換素子とＰ型熱電変換素子とが表面接続電極２Ｘによってそれぞれ接続されている。これによって、Ｐ型熱電変換素子１１からＮ型熱電変換素子１４まで全ての熱電変換素子が直列に接続される。また、絶縁性基板４の外側面に露呈したＮ型熱電変換素子１４とＰ型熱電変換素子１１からそれぞれリード線２ａ及びリード線２ｂが導出されている。

ここで、Ｐ型熱電変換素子は、主にＢｉ−Ｔｅ−Ｓｂ系の混合物でなり、Ｎ型熱電変換素子は、主にＢｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系の混合物でなり、絶縁性基板４の板面と垂直な結晶成長方向が、Ｒ／３ｍ構造のａ軸方向である。また、表面接続電極２Ｘ及び裏面接続電極２Ｙは銅、金、ニッケル及びアルミニウムのうちのいずれか２つ以上の金属を蒸着又はメッキによって積層した多層被膜でなっている。

次に、図１に示した熱電変換モジュールの製造方法について図２を用いて説明する。先ず、（ａ）に示すように、丸棒状をなし、その長手方向の結晶成長方向がＲ／３ｍ構造のａ軸方向である、複数個のＰ型熱電変換素子１０１Ｐ及び複数個のＮ型熱電変換素子１０１Ｎを準備し、さらに、（ｂ）に示すように、横寸法Ｗが絶縁性基板４の周方向の幅に略等しく、縦寸法Ｌが絶縁性基板４を複数組作成するのに適した長さを有し、深さＤが絶縁性基板４の軸方向長さに等しく、長手方向の一対の対向側壁１０６，１０７の互いに対応する位置に複数の孔１０３がマトリクス状に穿設され、上面が開放された容器１０２を準備する。次に、（ｃ）に示すように、容器１０の対向側壁１０６，１０７に穿設された孔１０３にＰ型熱電変換素子１０１ＰとＮ型熱電変換素子１０１Ｎとを交互に隣接させ、末端部を突出させた状態で貫入し、続いて、（ｄ）に示すように、容器１０２内にエポキシ樹脂、ベークライト樹脂、アクリル樹脂等の有機性樹脂１０４を充填し、硬化させてブロックを形成する。次に、（ｅ）に示すように、例えば、ワイヤーソー１０５により、金属管１（図１参照）の外周面に添装させるように半径Ｒの曲率を持たせて垂直に裁断する。このとき、絶縁性基板４の厚さを確保する寸法を隔てて複数回裁断する。これによって、（ｆ）に示すように、金属管１の外周面に添装可能に湾曲させた複数の熱電変換モジュール２が得られる。なお、（ｆ）のように裁断した後、その内側面及び外側面にそれぞれ隣接するＰ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子を交互に順次直列接続し、さらに、Ｐ型熱電変換素子１１に対してリード線２ｂを、Ｎ型熱電変換素子１４に対してリード線２ａをそれぞれ接続することによって、図１に示した熱電変換モジュール２が形成される。

以上の説明によって明らかな如く、第１の実施形態によれば、金属管１の外周面に略１／４周の範囲で、例えば、２箇所に面接合されるため発電能力の向上が図られ、また、管状基材の周囲に環状に半導体を析出させる必要もなく、管状基材寄りの一端部を残して周方向に凹所を形成する作業が不要化されることから、管状基材の外周部に接合する場合の発電能力を高めると共に、製造コストを低減することのできる熱電変換モジュール及びその製造方法が提供される。

図３（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る熱電変換モジュールの第２の実施形態の構成を、その接合対象と併せて示した平面図、断面図及び部分拡大図であり、図中、図１又は図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここに示した熱電変換モジュール２は、第１の実施形態で用いたＰ型熱電変換素子１０１Ｐ、Ｎ型熱電変換素子１０１Ｎの代わりに断面形状が正方形の角棒状のＰ型熱電変換素子２０１Ｐ及びＮ型熱電変換素子２０１Ｎを用いた点が異なり、これ以外は全て第１の実施形態と同一に構成され、かつ、同一の製造方法で製造される。

なお、図面及び説明の簡単化のために第１の実施形態においては金属管１の周方向に４列配置した場合を示し、図３においては金属管１の周方向に２列配置した場合を示しているが、実際にはその配列数をより多くすることによって発電能力が高められる。

この図３において、Ｐ型熱電変換素子２０１Ｐ及びＮ型熱電変換素子２０１Ｎは交互にマトリクス状に配置され、かつ、隣接するＰ型熱電変換素子２０１Ｐ及びＮ型熱電変換素子２０１Ｎが交互に順次直列接続されており、各熱電変換素子の結晶の絶縁性基板の板面と垂直な結晶成長方向Ｇが、Ｒ／３ｍ構造のａ軸方向である。

かくして、第２の実施形態によれば、断面形状が正方形の型熱電変換素子を用いて管状基材の外周部に接合する場合の発電能力を高めると共に、製造コストを低減することのできる熱電変換モジュール及びその製造方法が提供される。

図４（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る熱電変換モジュールの第３の実施形態の構成を、その接合対象と併せて示した平面図、断面図及び部分拡大図であり、図中、図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここに示した熱電変換モジュール２は、第１の実施形態で用いたＰ型熱電変換素子１０１Ｐ、Ｎ型熱電変換素子１０１Ｎの外周部を絶縁性のセラミックで包囲したものを用いた点が異なり、これ以外は第１の実施形態又は第２の実施形態と全て同一に構成され、かつ、同一の製造方法で製造される。ここで、セラミック管３００は無機性部材でなることから隣接する熱電変換素子間の絶縁性能が高められ、より多くの熱電変換素子を集積させることができ、これによって、発電能力をさらに高めた熱電変換モジュールが得られる。

図５は本発明に係る熱電変換モジュールの第４の実施形態について、その製造工程を示したものである。ここでは、先ず、（ａ）に示すように、丸棒状をなし、その長手方向の結晶成長方向がＲ／３ｍ構造のａ軸方向である、複数個のＰ型熱電変換素子１０１Ｐ及び複数個のＮ型熱電変換素子１０１Ｎを準備し、さらに、（ｂ）に示すように、横寸法Ｗが絶縁性基板４の周方向の幅に略等しく、高さＬが絶縁性基板４を複数組作成するのに適した長さを有し、長さＤが絶縁性基板４の軸方向長さに等しく、縦方向に複数の孔４０２がマトリクス状に穿設されたセラミック部材でなるブロック４０１を準備する。次に、（ｃ）に示すように、ブロック４０１に穿設された孔４０２にＰ型熱電変換素子１０１ＰとＮ型熱電変換素子１０１Ｎとを交互に隣接させた状態で挿入し、Ｐ型熱電変換素子１０１Ｐ及びＮ型熱電変換素子１０１Ｎと孔４０２との隙間にエポキシ樹脂、ベークライト樹脂、アクリル樹脂等の有機性樹脂４０３を浸透、硬化させる。次に、（ｄ）に示すように、例えば、ワイヤーソー１０５により、金属管１（図１参照）の外周面に添装させるように半径Ｒの曲率を持たせて船底状に裁断する。このとき、絶縁性基板４の厚さを確保する寸法を隔てて複数回裁断する。これによって、（ｅ）に示すように、金属管１の外周面に添装可能に湾曲させた熱電変換モジュール２が複数個得られる。なお、（ｅ）のように裁断した後、その内側面及び外側面にそれぞれ隣接するＰ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子を交互に順次直列接続し、さらに、Ｐ型熱電変換素子１１に対してリード線２ｂを、Ｎ型熱電変換素子１４に対してリード線２ａをそれぞれ接続することによって、図１に示した熱電変換モジュール２が形成される。

この場合、ブロック４０１自体は絶縁性能が高いため、隣接する熱電変換素子間の絶縁性能が高められ、より多くの熱電変換素子を集積させることができ、これによって、発電能力をさらに高めた熱電変換モジュールが得られる。

なお、図示を省略するが、リード線２ｂを接続するＰ型熱電変換素子１１とリード線２ａを接続するＮ型熱電変換素子１４との間にコンデンサを接続することによって、熱起電力の平準化及び電力の蓄積が可能となる。また、上述した各実施形態に係る熱電変換モジュールを、特許文献１で提案された電子式水道メータに適用したり、あるいは、図示を省略した電子式ガスメータに適用することによって、管状基材の外周部に接合する場合の発電能力を高めると共に、製造コストを低減することのできる流量測定装置を提供することができる。

本発明に係る熱電変換モジュールの第１の実施形態の構成を、その接合対象と併せて示した斜視図。 図１に示した熱電変換モジュールの製造方法を説明するための工程図。 本発明に係る熱電変換モジュールの第２の実施形態の構成を、その接合対象と併せて示した平面図、断面図及び部分拡大図。 本発明に係る熱電変換モジュールの第３の実施形態の構成を、その接合対象と併せて示した平面図、断面図及び部分拡大図。 本発明に係る熱電変換モジュールの第４の実施形態について、その製造工程を示した図。

符号の説明

１ 金属管
２ 熱電変換モジュール
２ａ，２ｂ リード線
２Ｘ 表面接続電極
２Ｙ 裏面接続電極
３ 伝熱性樹脂
４ 絶縁性基板
１１，２４，３１，ｍ１，１０１Ｐ，２０１Ｐ Ｐ型熱電変換素子
１４，２１，３４，ｍ４，１０１Ｎ，２０１Ｎ Ｎ型熱電変換素子
１０２ 容器
１０３ 孔
１０４ 有機性樹脂
１０５ ワイヤーソー
３００ セラミック管
４０１ セラミック整ブロック
４０２ 孔
４０３ 有機性樹脂

Claims (10)

1. 管状基材の外周部に接合され、前記管状基材による吸熱又は発熱作用による接合面と最外周面との温度差により電力を発生する熱電変換モジュールにおいて、
   前記管状基材の少なくとも一部の外周部に添装可能に湾曲した内側面及びこの内側面に対して所定の厚みで隔たった外側面を有する絶縁性基板と、一端を内側面に露呈させ、他端を外側面に露呈させて前記絶縁性基板に貫設され、かつ、導電形式の異なるものが交互にマトリクス状に配置された複数のＰ型及びＮ型の熱電変換素子と、隣接する前記Ｐ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子を交互に順次直列接続する導電性部材と、を備えたことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記熱電変換素子は棒状でなり、前記絶縁性基板は有機性樹脂でなることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記熱電変換素子は外周部が絶縁性のセラミックで包囲されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記熱電変換素子はＢｉ、Ｔｅの少なくとも一方を含む混合物でなり、前記絶縁性基板の板面と垂直な結晶成長方向が、Ｒ／３ｍ構造のａ軸方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記熱電変換素子を接続する導電性部材は銅、金、ニッケル及びアルミニウムのうちのいずれか２つ以上の多層被膜でなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
6. 直列接続された前記熱電変換素子の始端及び終端をそれぞれ電極としてリード線を接続し、前記電極間にコンデンサを接続したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
7. 管状基材の外周部に接合され、前記管状基材による吸熱又は発熱作用による接合面と最外周面との温度差により電力を発生する熱電変換モジュールの製造方法において、
   棒状のＰ型及びＮ型の各熱電変換素子をそれぞれ複数個準備する工程と、
   一対の対向側壁の互いに対応する位置に複数の孔がマトリクス状に穿設され、上面が開放された容器を準備する工程と、
   前記容器の対向側壁に穿設された孔にＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とを交互に隣接させて貫入する工程と、
   前記容器内に有機性樹脂を充填し、硬化させてブロックを形成する工程と、
   前記熱電変換素子と略垂直に、前記管状基材の外周面に添装可能に湾曲させて前記ブロックを切断する工程と、
   を備えたことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
8. 前記熱電変換素子は外周部が絶縁性のセラミックで包囲されていることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
9. 管状基材の外周部に接合され、前記管状基材による吸熱又は発熱作用による接合面と最外周面との温度差により電力を発生する熱電変換モジュールの製造方法において、
   棒状のＰ型及びＮ型の各熱電変換素子をそれぞれ複数個準備する工程と、
   前記熱電変換素子を挿入することが可能な孔が略平行にマトリクス状に穿設されたセラミック材でなるブロックを準備する工程と、
   前記ブロックの孔に前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とを交互に隣接させて挿入する工程と、
   前記ブロックの孔と前記熱電変換素子との間隙に有機性樹脂を充填し、硬化させる工程と、
   前記熱電変換素子と略垂直に、前記管状基材の外周面に添装可能に湾曲させて前記ブロックを切断する工程と、
   を備えたことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
10. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールを駆動電源としたことを特徴とする流量測定装置。

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