JP2006086210A - 熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールを熱源部へ容易かつ確実に取り付けることができるとともに、熱電変換素子によって排熱を電気エネルギーに効率よく変換して利用することができかつ保守性に優れた熱電変換システムを提供する。
【解決手段】外部に設けられる熱源部からの熱を受熱し熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールと、熱源部に設置された熱電変換モジュールを覆い熱電変換モジュールを冷却するための冷却フィンと、冷却フィンの端部に接合されるとともに熱電変換モジュールおよび冷却フィンを熱源部に固定する永久磁石と、熱源部と熱変換モジュールとの間および冷却フィンと熱変換モジュールとの間を電気的に絶縁する熱伝導性シートとを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ゼーベック効果やペルチェ効果などの熱電効果を有する熱電変換モジュールを用いて、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電変換システムに関する。

熱電変換システムは熱エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換するものであり、民生および産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを有効利用するため、熱電変換素子によって排熱を電気エネルギーに効率よく変換して、排熱を利用することが行われている。

図９は、従来から熱電変換システムに用いられている熱電変換モジュールの構造例を示す斜視図である。Ｐ型素子（Ｐ型半導体）３ａとＮ型素子（Ｎ型半導体）３ｂとを金属部材である電極４を介して接合することにより、Ｐ型素子３ａとＮ型素子３ｂとの対であるＰＮ素子対３を形成する。

熱電変換モジュール７は、複数のＰＮ素子対３が直列或いは並列に接続されて構成されており、これら複数のＰＮ素子対３で合成された電力を外部に取り出すためにリード線１７が接続されている。

熱電変換モジュール７の両面には基板１６が設けられ、片面を冷却水などで冷やし、反対側の片面に熱を加えると起電力が発生して電流が流れる。すなわち、熱電変換モジュール７の両側に温度差を与えることにより、電力を取り出すことができる。

一般に、熱電変換システムにおいては、外部の熱源部に熱電変換モジュール７を取り付ける方法として、グリース（熱伝導グリース）を介したボルト締結による方法がある。この取り付け方法は、温度変化に起因して生じる熱電変換システムの膨張や収縮に対して、グリースによるある程度の応力解放が期待できる圧縮接合である。

この他、熱電変換システムを外部の熱源部に接合する方法には、接着剤あるいはハンダを用いて完全に固定する接合方法等がある。

図１０は、熱電変換モジュールをグリースを介して熱源部２３に圧縮接合する一例を示した側面断面図である。この圧縮接合方法は最も一般的に用いられている固定方法であり、図１０に示すように、熱源部２３に下部グリース層２１ａを介して熱電変換モジュール７を当接し、上部グリース層２１ｂを介して熱電変換モジュール７を冷却部２０の取付部材２４に当接して、締結ボルト１８を熱源部２３に締め付けることにより熱電変換モジュール７を押さえつけて熱源部２３に固定している。締結用のボルト１８に金属を用いる場合は、放熱側（高温側）から吸熱側（低温側）に熱が伝達しないように、プラスチック等で形成された熱絶縁ブッシュ１９を介在させる。このように構成された熱電変換システムにおいては、締結用のボルト１８で固定されていることから、熱電変換モジュール７を常に安定した圧力で固定することができる。

図１１は、熱電変換モジュール７を接着剤により熱源部２３に固定する方法の一例を示す側面断面図である。接着剤は、一般にはエポキシ樹脂が用いられる。図１１に示すように、熱源部２３に下部接着剤２２ａを介して熱電変換モジュール７を当接し、上部接着剤２２ｂを介して熱電変換モジュール７を冷却部２０に当接して熱電変換モジュール７を熱源部２３に固定している。

一般にエポキシ接着剤の熱伝導率は添加剤なしで０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＢＮ（窒化ホウ素）添加剤入りで１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。接合部の熱抵抗をさらに低減させるために、エポキシ接着剤を薄く均一に塗布すると同時に、気泡を確実に除去することが大切である。

このように構成された熱電変換システムにおいては、樹脂系の接着剤の弾性係数は一般的なハンダの弾性係数に対して５０分の１程度なので、温度変化にともなう熱電変換モジュールと接着相手との間に発生する熱応力を緩和することができる。

図１１において接着剤２２の部分をハンダに替えたハンダによる固定方法もある。ハンダで固定する場合には、熱電変換モジュール７の表面および接合相手面にハンダ付けを可能にする何らかの金属化処理（メタライズ）を施しておく必要がある。このように構成された熱電変換システムにおいては、ハンダの熱伝導率は通常使われているハンダでは、２０〜５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。ハンダの組織によってかなり異なるものの、グリースの０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）や接着剤の０．３〜１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と比較すると、熱伝導率が高いため、熱抵抗を低く抑えることができる。

この他、例えば特許文献１には、高温側と低温側にそれぞれ備えられた電極の一方の面に複数のＰ型半導体とＮ型半導体との対を交互に配置し、電極の他方の面に配される耐熱性絶縁物として熱伝導グリースを介して接合した熱交換用の伝熱板を有したものがあり、モジュール厚みの異なるモジュールにおいても接触熱抵抗が低減でき、装置全体の熱変換効率を向上させる技術が開示されている。
特開２００３−１７９２７３号公報

しかし、従来の熱電変換システムにおいては、グリースを介した圧縮接合の場合は、締結ボルト１８で固定するため、外部に設けられる熱源部２３に固定用の穴を開けなければならない。熱源部２３が金属の場合には穴を開けるのは大変であり作業に手間がかかる。また、熱源部２３に穴を開けることができない場合もあり、この場合には熱電変換システムを取り付けることができない。

また、接着剤２２による固定方法の場合は、熱源部２３が低温（１００℃以下）の場合は効果的であるが、高温（１００℃以上）で接着剤２２の融点を超える場合は、固定することができない。さらに、熱電変換システムと熱源部２３との接合面の方向が鉛直方向となるような場合には、接着力が弱いと熱電変換システムの重さで圧接力が弱くなったり、熱源部２３から外れてしまうおそれがある。

また、ハンダによる固定方法は、接合面積が大きい場合にハンダのフラックス中の樹脂成分、ハンダ自体に含まれるガス成分、隙間に閉じ込められた空気などによってボイドが発生しやすく、熱抵抗を低く抑えられない。また、ハンダの場合は、温度変化にともなう熱電変換モジュールと接着相手との間に発生する熱応力を緩和しにくいという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、熱電変換モジュールを熱源部へ容易かつ確実に取り付けることができるとともに、熱電変換素子によって排熱を電気エネルギーに効率よく変換して利用することができかつ保守性に優れた熱電変換システムを提供することを目的とする。

本発明に係る熱電変換システムは、上記課題を解決するため、請求項１に記載したように、外部に設けられる熱源部からの熱を受熱し熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールと、熱源部に設置される前記熱電変換モジュールを覆い熱電変換モジュールを冷却する冷却フィンと、冷却フィンに接合されるとともに熱電変換モジュールおよび冷却フィンを熱源部に固定する永久磁石と、熱源部と熱変換モジュールとの間および冷却フィンと熱変換モジュールとの間を電気的に絶縁する熱伝導性シートとを備えたことを特徴とする。

本発明に係る熱電変換システムによれば、熱電変換モジュールを熱源部へ容易かつ確実に取り付けることができるとともに、熱電変換素子によって排熱を電気エネルギーに効率よく変換して利用することができかつ保守性に優れる。

本発明に係る熱電変換システムの実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（１）第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態に係る熱電変換システム１の構成図である。

熱電変換システム１は、外部に設けられた熱源部２３から受熱する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュール７と、熱電変換モジュール７の全体を図１において上側から覆って内部に収容するとともに熱電変換モジュール７を冷却する冷却フィン２と、冷却フィン２の端部２０３に接合され冷却フィン２および冷却フィン２に収容された熱電変換モジュール７を熱源部２３に固定する永久磁石６とを備えている。

熱電変換モジュール７は、熱電変換素子であるＰ型素子（Ｐ型半導体）３ａとＮ型素子（Ｎ型半導体）３ｂとからなるＰＮ素子対３を複数備え、高温端（図１において下側）と低温端（図１において上側）が金属部材である電極４を介して接続され、隣接するＰ型素子３ａ或いはＮ型素子３ｂと相互に電気的かつ機械的に接合されて構成されている。

冷却フィン２は、略正方形をなす上壁の上面に多数の冷却用のフィンを有したフィン部２０１と、フィン部２０１の端辺から垂直に連なる４つのの側壁２０２と、側壁２０２の下端から外側に水平に連なる端部２０３とから一体的に形成されている。

また、冷却フィン２は、フィン部２０１と４つの側壁２０２とによって収容スペースを形成しており、この収容スペースに熱電変換モジュール７が収容される。

このように、冷却フィン２は熱電変換モジュール７を冷却すると同時に熱電変換モジュール７全体を覆うように収容する。

また、冷却フィン２の端部２０３には永久磁石６が例えば接着剤で接合されており、この永久磁石６の磁力によって熱電変換システム１と熱源部２３とが固定される。

冷却フィン２のフィン部２０１の水平面形状は、収容する熱電変換モジュール７と相似形である略正方形をなす。またフィン部２０１の水平面形状の大きさは、収容される熱電変換モジュール７の水平面形状の外形よりやや大きめに形成されており、側壁２０２と熱電変換モジュール７の側面との間に隙間７ａを確保している。このため、熱電変換モジュール７の熱電変換素子あるいは電極４がフィン部２０１或いは側壁２０２と接触することがなく、電流の漏れによる発電量の低下を防止できる。

冷却フィン２は熱伝導性の高い金属、例えばアルミニウムで造られている。この他ステンレスや銅などを用いてもよい。

フィン部２０１に設けられている多数の板状のフィンの高さは、使用する熱源部２３の温度によって最適な高さが選択される。

熱電変換モジュール７の高温側（図１において下側）の電極４と熱源部２３との間には、電気的な絶縁性を有するとともに熱伝導性の高い下部熱伝導性シート５ｂが配設されている。同様に、熱電変換モジュール７の低温側（図１において上側）の電極４と冷却フィン２のフィン部２０１との間にも電気的な絶縁性を有する上部熱伝導性シート５ａが設配されている。

熱電変換モジュール７は、基本的に電極４が剥き出しになっているスケルトンタイプのものを使用し、熱電変換モジュール７の両側の電極４が直接熱伝導性シート５ａ、５ｂに熱的に接触するような構造になっている。

即ち、電極４と熱源部２３との間、或いは電極４と冷却フィン２との間の電気的絶縁性を確保するために従来用いられていたセラミック基板やアルミナ基板を省略した構成となっている。このため、熱電変換モジュール７の高温側の電極４と熱源部２３との熱抵抗および熱電変換モジュール７の低温側の電極４と冷却フィン２との熱抵抗が低減され、高温部２３から冷却フィン２へ流れる熱流が増加し高い熱電変換効率が実現できる。もちろん、スケルトンタイプ以外のもので構成してもよい。

熱電変換モジュール７の大きさは、例えば６０ｍｍ（横幅）×６０ｍｍ（奥行き）×５ｍｍ（高さ）の大きさを基本サイズとする。この基本サイズの熱電変換モジュール７を収容した熱電変換システム１は単独で熱源部２３へ取り付けることができる。

また、熱源部２３の取り付け可能面積が広いような場合には、複数の熱電変換システム１を直並列に連結することにより、大きな電力を発生させることも可能である。

熱伝導性シート５ａ、５ｂは、例えばシリコンやエポキシ樹脂などの柔軟性がある素材で形成され、電気的な絶縁性を有しかつ熱伝導性が高い。このため、温度変化にともなう熱電変換モジュール７と接着相手、即ち熱源部２３および冷却フィン２のフィン部２０１との間に発生する熱応力を緩和することができる。

熱伝導性シート５ａ、５ｂは、例えば約１ｍｍ以下の厚みに形成されている。

熱電変換システム１を取り付ける熱源部２３の一例としては、例えば変電所における変圧器のタンクや変圧器のラジエータを想定しており、これらの熱源部２３の表面は強磁性体の材料、例えば、鉄、ニッケル、コバルト等で形成されている。

したがって、熱電変換システム１に接合されている永久磁石６と熱源部２３の表面とは、永久磁石の磁力によって相互に吸引力（或いは接合力）が発生し、この吸引力によって熱電変換システム１は熱源部２３の表面に固定される。

このため、熱電変換システム１を取り付ける場合に、熱源部２３の金属表面を加工する必要がないので、既存の変圧器等を加工する必要がない。従って、変圧器等の熱源部２３への熱電変換システム１の取り付けを極めて容易に行うことができる。

第１の実施形態に係る熱電変換システム１によれば、永久磁石６の吸引力によって冷却フィンを熱源部２３に取り付けることによって熱電変換モジュール７を熱源部２３に押し付けることができるため、締結ボルト等で固定する方法に比べると取付け作業を短時間で行うことができる。

また、熱源部２３の表面に対して穴あけ等の加工をする必要がないので、穴あけ作業等に伴う加工費用や締結ボルトの材料費を削減することができる。

さらに、既存の変圧器等の熱源部２３に対して穴あけ等の加工作業ができない場合もあり得る。第１の実施形態に係る熱電変換システム１によれば、既存の変圧器等の熱源部２３を改修することなく熱電変換システム１を固定することができる。

（２）第２の実施形態
図２は、永久磁石の温度係数およびキュリー点に関する特性を比較した特性比較表である。

第２の実施形態に係る熱電変換システム１ｂの使用環境温度は約２００℃までを想定している。一般に、永久磁石は高温環境で使用すると磁力（吸引力）が低下するため、使用温度によって永久磁石の材料を選定する必要がある。

図２に示すように、永久磁石の使用温度範囲は材料によって異なる。キュリー点が低く温度係数が大きい永久磁石を選定すると、高温環境で使用した場合は磁力が低下して熱源部２３との接着が弱くなり、最終的には熱源部２３から外れてしまう。

このため、熱電変換システム１ｂで使用する永久磁石は、キュリー点が高く、温度係数が低いものを選定する必要があり、本システムにおいてはサマリウムコバルト磁石またはアルニコ磁石が最も適している。なお、磁力が変化しない程度の使用環境温度であれば、必ずしもサマリウムコバルト磁石やアルニコ磁石を選定する必要は無く、ネオジム磁石やフェライト磁石を使用してもよい。

第２の実施形態に係る熱電変換システム１ｂによれば、サマリウムコバルト磁石またはアルニコ磁石を使用することで、約２００℃までの使用環境であれば永久磁石の磁力がほとんど変化しないため、熱電変換モジュールを熱源部２３に安定して固定することが出来る。したがって、熱電変換効率が向上するので熱電変換システムの性能がよくなる。

（３）第３の実施形態
図３は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換システム１ｃを説明するものである。

図３（ａ）第３の実施形態に係る熱電変換システム１ｃの構成を示す図である。第３の実施形態に係る熱電変換システム１ｃは、第１の実施形態において永久磁石６の磁力が大きいものを選定することで、熱源部２３と熱電変換システム１ｃとの接合力が５０Ｎ以上になるように構成したものである。

図３（ｂ）は、６０ｍｍ角の熱電変換モジュール７を使用して、熱源部２３の温度が８０℃の環境で接合力と発電量との関係を実験した結果を示すものである。

図３（ｂ）に示すように、接合力と発電量との関係は接合力が低い領域ではほぼ比例関係にある。これは、接合力が高くなるにつれて熱源部２３と熱電変換モジュール７との接触熱抵抗が低減し、熱源部２３から熱電変換モジュール７へ流れる熱量が増加することによって発電効率が向上することを示している。

一方、接合力が高くなり約５０Ｎ以上の領域になると接触熱抵抗はそれ程変化しなくなり、これに伴って発電量もほぼ飽和状態となって変化しなくなる。

図３（ｂ）に示した実験結果から、熱源部２３と熱電変換システム１ｃとの接合力は最低５０Ｎ以上にすることで、安定した発電量が得られることがわかる。

図３（ｃ）は、永久磁石の残留磁束密度を比較した比較表である。残留磁束密度が大きな永久磁石を用いれば大きな接合力が得られることになる。図３（ｃ）から分かるように、磁力が大きい永久磁石はサマリウムコバルト磁石やネオジム磁石あるいはアルニコ磁石である。

一方、熱電変換システム１ｃによって所定の発電量を得るためには熱電変換システム１ｃを高温の熱源部２３に接合する必要があり、高温環境で使用しても磁力が変化しない材質の永久磁石を選定する必要がある。この点においてネオジム磁石は強い磁力はしめすものの、図２から分かるように高温下での使用には必ずしも適さない場合がある。

従って、高温環境下での使用に耐えかつ強い磁力による接合力を示すという点で、熱電変換システム１ｃにおいてはサマリウムコバルト磁石またはアルニコ磁石が最も適している。

第３の実施形態に係る熱電変換システム１ｃよれば、永久磁石６の材料をサマリウムコバルト磁石またはアルニコ磁石にして、熱源部２３と熱電変換モジュール７との接合力を５０Ｎ以上になるように構成される。この結果、熱源部２３と熱電変換モジュール７との接触熱抵抗及び熱電変換モジュール７と冷却フィン２との接触熱抵抗が低減される。この接触熱抵抗の低減によって、熱電変換モジュール７を流れる熱流が増加し、熱電変換効率の高い熱電変換システム１ｃが得られる。

（４）第４の実施形態
図４は、本発明の第４の実施形態に係る熱電変換システム１ｄの構成を示す構成図である。

第４の実施形態に係る熱電変換システム１ｄは、図１に示した第１の実施形態に対して、断熱シート（断熱材）８を冷却フィン２の端部２０３と永久磁石６との間に設けたものである。図１と同一の構成要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４において、断熱シート８を設ける位置は冷却フィン２の端部２０３と永久磁石６が接触する部分全体とする。断熱シート８は、熱的な絶縁材料、例えばプラスチック、ガラス類、セラミック、合成樹脂等から形成される。この断熱シート８によって熱源部２３から永久磁石６を経由して冷却フィン２に伝達する熱が遮断される。

熱源部２３から永久磁石を介して冷却フィン２の側壁２０２、さらには冷却フィン２のフィン部２０１へ流れる熱流はなんら発電に寄与しない無駄な熱流である。断熱シート８による熱の遮断によってこの無駄な熱流を熱電変換モジュール７の方へ流すことが可能となり、熱電変換モジュール７を流れる熱流が増加し熱電変換効率が向上する。

第４の実施形態に係る熱電変換システム１ｄによれば、熱源部２３から冷却フィン２へ直接熱が逃げなくなるので、熱電変換モジュール７へ流れる熱流が増加し発電量が増える。

（５）第５の実施形態
図５は本発明の第５の実施形態に係る熱電変換システム１ｅの構成を示した図である。

熱電変換システム１ｅと図１に示した第１の実施形態に係る熱電変換システム１との相違点は、冷却フィン２ａの構造にある。

図５に示したように熱電変換システム１ｅの冷却フィン２ａは、熱電変換モジュール７と熱的に接触し熱電変換モジュール７を冷却するフィン部２０１と、フィン部２０１の上から熱電変換モジュール７を熱源部２３に押さえつける圧接金具（圧接構造）９と、圧接金具の下端から水平に伸びて永久磁石６に接合される端部２０３とを備えて形成される。

圧接金具９の上面９ａは、中央にフィン部２０１を貫通させる略正方形の開口を有しており、この開口の周囲の４辺の帯状領域には凹形状をなす圧接部９ｂが設けられている。

この凹形状の圧接部９ｂの先端が、フィン部２０１の周辺部のフィンの無い領域と接触する構造となっている。

また、圧接金具９の側面９ｃは、熱電変換モジュール７の周囲を囲むように形成されており、この圧接金具９の側面９ｃと上面９ａとによって熱電変換モジュール７を覆っている。

圧接金具９の側面９ｃの下端は端部２０３に連なっており、端部２０３に接合された永久磁石６と、端部２０３および圧接金具９とは一体的に連結されている。

圧接金具９は、ステンレス或いは鉄等の弾性変形可能な材料から成形されている。

この圧接金具９と永久磁石６とを一体的に、熱電変換モジュール７の上部に配置されたフィン部２０１の上から覆うように熱源部２３に固定すると、永久磁石による接合力に加えて、圧接金具９の上面９ａ、圧接部９ｂの弾性変形に起因する適度の押圧力が発生する。

この適度の押圧力によって、冷却フィン２のフィン部２０１および熱電変換モジュール７が熱源部２３に押し付けられ、接触熱抵抗が低減する。このため熱電変換モジュール７を流れる熱流が増加し熱電変換効率が向上する。

なお、図５において圧接部９ｂは、圧接金具９の上面９ａの各辺の中央部に１箇所設けたものとしているが、熱電変換モジュール７の面積が大きく、一箇所だけでは安定した圧接力を維持できない場合は、２箇所以上の場所に設けてもよい。

第５の実施形態に係る熱電変換システム１ｅよれば、圧接金具９による圧接力で熱電変換モジュール７と熱源部２３との接合力が増加するため、熱電変換モジュール７への熱伝導性が高くなり熱電変換効率が向上する。

（６）第６の実施形態
図６（ａ）は本発明の第６の実施形態に係る熱電変換システム１ｆの構成図である。

第６の実施形態に係る熱電変換システム１ｆは、冷却フィン２ｂと熱電変換モジュール７との間に電気配線基板１０を設けた構造となっている。また冷却フィン２ｂは、フィン部２０１とベース部２０４とから構成され、ベース部２０４は、熱電変換モジュール７の水平断面形状よりやや大きめの形状としている。

電気配線基板１０は、冷却フィン２ｂのベース部２０４とほぼ同じ平面形状をなし、中央部には熱電変換モジュール７を貫通可能な開口が設けられている。

電気配線基板１０の開口周辺の下面には、熱源部２３からの熱を遮断するための断熱材８ａが接合され、断熱材８ａにはさらに永久磁石６ａが接合されている。

冷却フィン２ｂ、電気配線基板１０、断熱材８ａ、及び永久磁石６ａは、互いに例えば接着剤によって一体的に接合されている。

永久磁石６ａの磁力によってこれら一体に形成された冷却フィン２ｂ、電気配線基板１０、断熱材８ａ、及び永久磁石６ａは熱電変換モジュール７を上から覆うように圧接するとともに熱電変換モジュール７を流れる熱を冷却フィン２で冷却する。

図６（ｂ）は電気配線基板１０の構造を示したものである。図６（ｂ）に示したように、電気配線基板１０は、中央に略正方形の開口を有しており、この開口を通って熱電変換モジュール７の低温側の電極４が熱伝導性シート５ａを介して冷却フィン２と熱的に接続可能となっている。

電気配線基板１０の周辺の基板上には、プラス側とマイナス側の電気配線１１が熱電変換モジュール７の周囲を周回するように２本設けられている。また、熱電変換モジュール７には発電した電力を外部に取り出すためのプラス電極１２ａおよびマイナス電極１２ｂが設けられている。このプラス電極１２ａおよびマイナス電極１２ｂを電気配線基板１０の電気配線１１に接続することで、四辺のいずれの方向からもプラス極またはマイナス極の出力を取り出すことが可能となっている。

第６の実施形態に係る熱電変換システム１ｆよれば、正方形状をなす熱電変換システム１ｆの四方向のいずれの方向からも出力電力を取り出すことが可能なので、熱源部２３に複数の熱電変換システム１ｆを直列または並列に取り付ける際に、連結する方の出力端子部を例えばハンダで接合することで、熱源部２３に隙間なく熱電変換システム１ｆを取り付けることができる。したがって、熱源部２３に効率よく熱電変換システム１ｆを固定することができるので、熱源部２３の排熱を無駄なく回収することが可能である。

（７）第７の実施形態
図７（ａ）は本発明の第７の実施形態に係る熱電変換システム１ｇが備える電気配線基板１０ａの構成図である。第７の実施形態に係る熱電変換システム１ｇは、図６（ｂ）に示した第６の実施形態に係る熱電変換システム１ｆが備える電気配線基板１０の四辺の電気配線１１にコネクタ１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄを設けたものである。図６（ｂ）と同一の構成要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

コネクタ１３ａおよび１３ｂはピン型（オス）のコネクタで、またコネクタ１３ｃおよび１３ｄはソケット型（メス）のコネクタとしている。

図７（ｂ）は、複数の熱電変換システム１ｆ或いは１ｇを連結する方法の一例を示したものであり、熱電変換システム１ｆ或いは１ｇの四方向のいずれの方向からも出力電力を取り出すことが可能であるため、熱電変換システム１ｆ或いは１ｇを直列あるいは並列に熱源部２３の上に隙間無く連結させることが可能である。

さらに、第７の実施形態に係る熱電変換システム１ｆでは、着脱可能なコネクタを介して出力電力を取り出すことが可能であるため、複数の熱電変換システム１ｆを容易に連結或いは取り外すことができる。

第７の実施形態に係る熱電変換システム１ｆによれば、複数の熱電変換システム１ｇを熱源部２３に取り付ける際に、各々の連結をハンダで固定する必要が無いため作業時間が短縮できるとともに、コネクタで接合することで容易に連結および着脱ができる。これにより、取り付け作業および保守作業が容易になる。

（８）第８の実施形態
図８は本発明の第８の実施形態に係わる熱電変換システム１ｈの構成図である。

第８の実施形態に係わる熱電変換システム１ｈは、図６に示した第６の実施形態に係る熱電変換システム１ｆ対し、永久磁石６ａ、断熱材８ａ、電気配線基板１０および冷却フィン２ｂの各構成品の接合を、接着剤を用いることなく、各構成品に貫通させたネジ穴１５に熱絶縁性のネジ１４を通して各々を接合するようにしたものである。

図８において、熱絶縁性のネジ１４は、例えばセラミックス、テフロン（登録商標）、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリプロピレンなどの材料で構成されたものを使用する。また、熱源部２３に熱電変換システム１ｈを接合した際に永久磁石６と熱源部２３との間に隙間が発生しないように、ネジ１４は、例えば皿ネジ等のようにネジの頭部が永久磁石６の中に入るものが好ましい。

ネジ１４は、ネジ穴１５に設けられたタップにねじ込まれる形態であってもよいし、冷却フィン２の上側からナット（図示せず）で固定する形態であってもよい。

なお、本発明は上記の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

例えば熱絶縁性のネジ１４を用いた第８の実施形態は、第６の実施形態だけでなく、第１ないし第５の実施形態や第７の実施形態と組み合わせた実施形態としてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る熱電変換システムの構成を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る永久磁石の特性を比較した図。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換システムの構成を示す図、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換システムの接合力と発電量の関係を示す図、（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換システムの永久磁石の特性を比較した図。 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換システムの構成を示す図。 本発明の第５の実施形態に係る熱電変換システムの構成を示す図。 （ａ）は、本発明の第６の実施形態に係る熱電変換システムの構成を示す図、（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る熱電変換システムの電気配線基板の構成を示す図。 （ａ）は、本発明の第７の実施形態に係る熱電変換システムの電気配線基板の構成を示す図、（ｂ）は、本発明の第７の実施形態に係る熱電変換システムの相互の連結方法を例示する図。 本発明の第８の実施形態に係る熱電変換システムの構成を示す図。 従来の熱電変換システムに用いられる熱電変換モジュールの斜視図。 従来の熱電変換モジュールをグリースを介して熱源部に圧縮接合する一例を示す側面断面図。 従来の熱電変換モジュールを接着剤により熱源部に固定方法の一例を示す側面断面図。

符号の説明

１ 熱電変換システム
２ 冷却フィン
３ ＰＮ素子対
３ａ Ｐ型素子
３ｂ Ｎ型素子
４ 電極
５ 熱伝導性シート
６ 永久磁石
７ 熱電変換モジュール
８ 断熱シート（断熱材）
９ 圧接金具（圧接構造）
１０ 電気回路基板
１１ 電気配線
１２ 熱電変換モジュールの出力端子
１３ コネクタ
１４ ネジ
１５ ネジ穴
１６ 基板
１７ リード線
１８ 締結ボルト
１９ 熱絶縁ブッシュ
２０ 冷却部
２１ グリース
２２ 接着剤
２３ 熱源部
２４ 冷却部取り付け部材

Claims (10)

1. 外部に設けられる熱源部からの熱を受熱し熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールと、
   前記熱源部に設置される前記熱電変換モジュールを覆い熱電変換モジュールを冷却する冷却フィンと、
   前記冷却フィンに接合されるとともに前記熱電変換モジュールおよび前記冷却フィンを前記熱源部に固定する永久磁石と、
   前記熱源部と前記熱変換モジュールとの間および前記冷却フィンと前記熱変換モジュールとの間を電気的に絶縁する熱伝導性シートと、
   を備えたことを特徴とする熱電変換システム。
2. 前記永久磁石はアルニコ磁石を用いたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
3. 前記永久磁石はサマリウムコバルト磁石を用いたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
4. 前記永久磁石による接合力は５０Ｎ以上であることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の熱電変換システム。
5. 前記冷却フィンと前記永久磁石との間に伝わる熱を遮断する断熱材を、前記冷却フィンと前記永久磁石との間にさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
6. 前記冷却フィンは、前記熱電変換モジュールおよび前記熱伝導性シートを前記熱源部に押さえつける圧接構造をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
7. 他の熱電変換システムと電気的に接続するための電気配線基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
8. 前記電気配線基板は、他の熱電変換システムと電気的に接続する着脱可能なコネクタを備えたことを特徴とする請求項７に記載の熱電変換システム。
9. 前記冷却フィンと前記永久磁石との間に伝わる熱を遮断する断熱材を前記冷却フィンと前記永久磁石との間に備えるとともに、他の熱電変換システムと電気的に接続するための電気配線基板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
10. 前記冷却フィンと前記電気配線基板と前記断熱材と前記永久磁石とを固定する熱絶縁性のネジを備えたことを特徴とする請求項９に記載の熱電変換システム。

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