JP2014116505A - 熱電モジュール取り付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電モジュールの劣化を抑制できる熱電モジュール取り付け構造を提供すること。
【解決手段】第１の部材９、１１と、前記第１の部材９、１１に比べて温度差を有する第２の部材１５と、前記第１の部材９、１１及び前記第２の部材１５の間に位置する熱電モジュール１３と、前記第２の部材１５に対し、前記熱電モジュール１３とは反対側から当接し、少なくとも一方において、前記熱電モジュール１３よりも外周側に延出された延出領域１７Ａ、１７Ｂを備える押さえ部材１７と、前記押さえ部材１７に対し前記第１の部材９、１１方向への力を加える複数のねじ２２〜３１と、前記延出領域１７Ａ、１７Ｂを、前記複数のねじ２２〜３１よりも前記外周側において、前記第１部材９、１１側から支持する支持部材３５、３７と、を備えることを特徴とする熱電モジュール取り付け構造１。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電モジュール取り付け構造に関する。

工場炉や自動車の排ガス等が持つ熱から電気を生み出すため、Ｎ型、及びＰ型の熱電素子を多数個直列に接続した熱電モジュールが使用されている。この熱電モジュールの片側面に排ガスの熱を供給して高温とし、もう一方の面を冷却（例えば水冷）して低温とすれば発電することができる。この熱電モジュールを熱源に取り付ける技術が種々検討されている（特許文献１参照）。

特開平９−２９３９０７号公報

熱電モジュールを熱源に取り付ける方法として、図７Ａに示すように、熱源Ｐ１の上に、複数の熱電モジュールＰ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を配置し、その上に、水冷チューブＰ７、及び押さえ板Ｐ９を積層し、さらに、押さえ板Ｐ９を熱源Ｐ１に対しねじＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４、Ｐ１５で固定する方法がある。

この場合、複数の熱電モジュールＰ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６のうち、外周側に位置する熱電モジュールＰ３、Ｐ６が劣化し易くなってしまう。その理由は、図７Ｂに示すように、熱電モジュールＰ３、Ｐ６の外周側には他の熱電モジュールがないため、ねじＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４、Ｐ１５を締め付けたとき、押さえ板Ｐ９の外周部分が押し下げられ、熱電モジュールＰ３、Ｐ６の外周側の端部に過大な力が加わるためであると推測できる。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、熱電モジュールの劣化を抑制できる熱電モジュール取り付け構造を提供することを目的とする。

本発明の熱電モジュール取り付け構造は、第１の部材と、前記第１の部材に比べて温度差を有する第２の部材と、前記第１の部材及び前記第２の部材の間に位置する熱電モジュールと、前記第２の部材に対し、前記熱電モジュールとは反対側から当接し、少なくとも一方において、前記熱電モジュールよりも外周側に延出された延出領域を備える押さえ部材と、前記押さえ部材に対し前記第１の部材方向への力を加える複数のねじと、前記延出領域を、前記複数のねじよりも前記外周側において、前記第１部材側から支持する支持部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の熱電モジュール取り付け構造によれば、支持部材が押さえ部材の延出領域を第１の部材の側から支持するので、複数のねじを締めても、熱電モジュールの端部に押さえ部材が過度に強く当たることがない。そのため、熱電モジュールの劣化を抑制できる。また、支持部材により支持する位置が、複数のねじの外周側であることにより、熱電モジュールの劣化を抑制する効果が一層顕著となる。

第１の実施形態における熱電モジュール取り付け構造１の構成を表す正面図である。 第１の実施形態における熱電モジュール取り付け構造１の構成を表す側面図である。 図１のIII-III断面における断面図である。 Ａは支持部材３５、３７の作用を表す説明図であり、Ｂは支持部材３５、３７の位置が異なる場合における作用を表す説明図であり、Ｃは支持部材としてナット３９を使用した形態を表す説明図である。 第２の実施形態における熱電モジュール取り付け構造１の構成を表す側面図である。 第３の実施形態における熱電モジュール取り付け構造１の構成を表す側面図である。 Ａ、Ｂは、従来の熱電モジュール取り付け構造を表す説明図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
１．熱電モジュール取り付け構造１の構成
熱電モジュール取り付け構造１の構成を、図１〜図４に基づいて説明する。熱電モジュール取り付け構造１は、高温排ガスを流す配管３に適用される。配管３は、高温排ガスの流れの方向（図１、図２における上下方向）に直交する断面における断面形状が矩形である熱交換部５と、断面形状が円形である円形配管部７とを備える。熱交換部５の内面のうち、後述する外側面９、１１の内側にあたる部分には、それぞれ、吸熱フィン９Ａ、１１Ａが複数形成されている。外側面９、１１は、この吸熱フィン９Ａ、１１Ａが高温排ガスの熱を吸収することにより、後述する水冷チューブ１５よりも高温となる。また、外側面９、１１には、後述するねじ２２〜３１を取り付けるためのねじ孔（図示略）が設けられている。

熱交換部５における４つの外側面のうち、対向する外側面９、１１に、熱電モジュール１３、水冷チューブ１５、及び押さえ板１７が順次積層されている。なお、外側面９における構成と、外側面１１における構成とは同様であるので、以下では、外側面９における構成を説明する。

熱電モジュール１３は、外側面９と水冷チューブ１５との間に位置する矩形の板状部材であり、４枚の熱電モジュール１３が縦一列に隙間無く配置されている。熱電モジュール１３は、Ｎ型、及びＰ型の熱電素子を多数個直列に接続した周知の構造を有するものであり、株式会社ＫＥＬＫ社製のＫＴＧＭ１６１−１８である。なお、以下では、４枚の熱電モジュール１３を区別するときは、４枚の熱電モジュール１３の符号を、縦方向における位置が高い順に、それぞれ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄとする。熱電モジュール１３は、その片面において高温の外側面９に接し、反対側の面において低温の水冷チューブ１５に接することで、電力を発生する。

水冷チューブ１５は、水を流すことができる流路をその内部に備えており、その流路の一端は、外部の水供給部（図示略）から水を取り入れる取水部２１に接続しているとともに、流路の反対側の端部は、外部に水を排出する排出部２３に接続している。水冷チューブ１５は、その幅方向（図１、図２における横方向）においては、熱電モジュール１３と同じ範囲に広がっている。また、縦方向（図１、図２における上下方向）においては、熱電モジュール１３よりも広い範囲に広がっている。水冷チューブ１５の温度は、熱交換部５の外側面９における温度よりも低温である。

押さえ板１７は、矩形の板状部材であって、水冷チューブ１５に対し、熱電モジュール１３とは反対側から当接している。押さえ板１７は、縦方向において、熱電モジュール１３よりも外周側に延出された延出領域１７Ａ、１７Ｂを備えている。また、押さえ板１７は、幅方向において、熱電モジュール１３及び水冷チューブ１５よりも外周側に延出している。

押さえ板１７は、複数のねじ２２〜３１により、外側面９に固定されている。押さえ板１７が、複数のねじ２２〜３１によって外側面９の方向に押し付けられることにより、熱電モジュール１３及び水冷チューブ１５の位置が外側面９に対し固定される。押さえ板１７における複数のねじ２２〜３１の取り付け位置は、幅方向においては、熱電モジュール１３及び水冷チューブ１５の端部よりも外周側である。また、縦方向においては、ねじ２２、２３の位置は、熱電モジュール１３Ａの上端と同じであり、ねじ２４、２５の位置は、熱電モジュール１３Ｂの上端と同じであり、ねじ２６、２７の位置は、熱電モジュール１３Ｃの上端と同じであり、ねじ２８、２９の位置は、熱電モジュール１３Ｄの上端と同じであり、ねじ３０、３１の位置は、熱電モジュール１３Ｄの下端と同じである。

熱電モジュール取り付け構造１は、延出領域１７Ａを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材３５と、延出領域１７Ｂを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材３７とを備えている。

支持部材３５は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域１７Ａの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材３５の厚みは、熱電モジュール１３と同じである。支持部材３５の縦方向における位置は、ねじ２３、２４よりも上側（外周側）である。

また、支持部材３７は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域１７Ｂの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材３７の厚みは、熱電モジュール１３と同じである。支持部材３７の縦方向における位置は、ねじ３０、３１よりも下側（外周側）である。

支持部材３５、３７は、本体部４１と、テフロン（登録商標）シート４３とから成る。本体部４１は、高温排ガスの温度でも変形・変質しない耐熱性を有し、かつ熱伝導率が熱電モジュール１３と同等程度以下である材料から成る。このような材料として、例えば、ガラス、セラミックが挙げられる。テフロン（登録商標）シート４３は、本体部４１における水冷チューブ１５側に接合しているシートである。テフロン（登録商標）シート４３は、本体部４１より一層小さい熱伝導率を有する。テフロン（登録商標）シート４３により、支持部材３５、３７における熱流を一層低下させることができる。

なお、外側面９、１１は第１の部材の一実施形態であり、水冷チューブ１５は第２の部材の一実施形態であり、押さえ板１７は押さえ部材の一実施形態である。
２．熱電モジュール取り付け構造１が奏する効果
（１）熱電モジュール取り付け構造１において、支持部材３５、３７が押さえ板１７の延出領域１７Ａ、１７Ｂを外側面９の側から支持するので、複数のねじ２２〜３１を締めても、熱電モジュール１３Ａの上端部や、熱電モジュール１３Ｄの下端部に、押さえ板１７が過度に強く当たることがない。そのため、熱電モジュール１３の劣化を抑制できる。
（２）また、支持部材３５の縦方向における位置が、ねじ２３、２４よりも外周側（上方）であり、支持部材３７の縦方向における位置が、ねじ３０、３１よりも外周側（下方）であることにより、熱電モジュール１３の劣化を抑制する効果が一層顕著となる。このことを図４Ａ、図４Ｂに基づき説明する。なお、図４Ａ、図４Ｂでは、説明の便宜上、水冷チューブ１５等、一部の構成の記載を省略している。

図４Ａでは、上述したように、支持部材３５の縦方向における位置が、ねじ２２、２３よりも外周側（上方）であり、支持部材３７の縦方向における位置が、ねじ３０、３１よりも外周側（下方）となっている。この場合、複数のねじ２２、２３、３０、３１を締めても、熱電モジュール１３の端部に、押さえ板１７が過度に強く当たることがない。

一方、図４Ｂに示すように、支持部材３５の縦方向における位置が、ねじ２２、２３よりも内周側であり、支持部材３７の縦方向における位置が、ねじ３０、３１よりも内周側である場合、複数のねじ２２、２３、３０、３１を締めると、押さえ板１７が撓み、熱電モジュール１３の端部に、押さえ板１７が方当りしてしまい、熱電モジュール１３が劣化するおそれがある。

３．変形例
支持部材３５、３７の代わりに、図４Ｃに示すように、ナット３９を用いてもよい。ナット３９は、金属から成る部材であり、熱電モジュール１３と同じ厚みを有する。ナット３９は、ねじ２２、２３、３０、３１の軸部に外挿されており、少なくともその一部は、ねじ２２、２３、３０、３１よりも外周側に位置する。ナット３９も、支持部材３５、３７と略同様の効果を奏する。また、ナット３９は、ねじ２２、２３、３０、３１の腐食を防止する効果も奏する。
＜第２の実施形態＞
１．熱電モジュール取り付け構造１の構成
熱電モジュール取り付け構造１の構成を図５に基づいて説明する。熱電モジュール取り付け構造１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、一部において相違する。以下では、相違する部分を中心に説明し、前記第１の実施形態と同様の部分の説明は省略乃至簡略化する。また、外側面９における構成と、外側面１１における構成とは同様であるので、以下では、外側面９における構成を説明する。

本実施形態では、３枚の熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが、外側面９上に、間隔を空けて、縦一列に配置されている。また、３枚の押さえ板４５、４７、４９が、それぞれ、熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを固定している。押さえ板４５、４７、４９は、矩形の板状部材であって、水冷チューブ１５に対し、熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃとは反対側から当接している。

押さえ板４５は、縦方向において、熱電モジュール１３Ａよりも外周側に延出された延出領域４５Ａ、４５Ｂを備えている。また、押さえ板４５は、幅方向において、熱電モジュール１３Ａ及び水冷チューブ１５よりも外周側に延出している。

押さえ板４５は、複数のねじ５１〜５４により、外側面９に固定されている。押さえ板４５が、複数のねじ５１〜５４によって外側面９の方向に押し付けられることにより、熱電モジュール１３Ａ及び水冷チューブ１５の位置が外側面９に対し固定される。押さえ板４５における複数のねじ５１〜５４の取り付け位置は、幅方向においては、熱電モジュール１３Ａ及び水冷チューブ１５の端部よりも外周側である。また、縦方向においては、ねじ５１、５２の位置は、熱電モジュール１３Ａの上端と同じであり、ねじ５３、５４の位置は、熱電モジュール１３Ａの下端と同じである。

押さえ板４７は、縦方向において、熱電モジュール１３Ｂよりも外周側に延出された延出領域４７Ａ、４７Ｂを備えている。また、押さえ板４７は、幅方向において、熱電モジュール１３Ｂ及び水冷チューブ１５よりも外周側に延出している。

押さえ板４７は、複数のねじ５５〜５８により、外側面９に固定されている。押さえ板４７が、複数のねじ５５〜５８によって外側面９の方向に押し付けられることにより、熱電モジュール１３Ｂ及び水冷チューブ１５の位置が外側面９に対し固定される。押さえ板４７における複数のねじ５５〜５８の取り付け位置は、幅方向においては、熱電モジュール１３Ｂ及び水冷チューブ１５の端部よりも外周側である。また、縦方向においては、ねじ５５、５６の位置は、熱電モジュール１３Ｂの上端と同じであり、ねじ５７、５８の位置は、熱電モジュール１３Ｂの下端と同じである。

押さえ板４９は、縦方向において、熱電モジュール１３Ｃよりも外周側に延出された延出領域４９Ａ、４９Ｂを備えている。また、押さえ板４９は、幅方向において、熱電モジュール１３Ｃ及び水冷チューブ１５よりも外周側に延出している。

押さえ板４９は、複数のねじ５９〜６２により、外側面９に固定されている。押さえ板４９が、複数のねじ５９〜６２によって外側面９の方向に押し付けられることにより、熱電モジュール１３Ｃ及び水冷チューブ１５の位置が外側面９に対し固定される。押さえ板４９における複数のねじ５９〜６２の取り付け位置は、幅方向においては、熱電モジュール１３Ｃ及び水冷チューブ１５の端部よりも外周側である。また、縦方向においては、ねじ５９、６０の位置は、熱電モジュール１３Ｃの上端と同じであり、ねじ６１、６２の位置は、熱電モジュール１３Ｃの下端と同じである。

熱電モジュール取り付け構造１は、延出領域４５Ａを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材６３と、延出領域４５Ｂを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材６５と、延出領域４７Ａを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材６７と、延出領域４７Ｂを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材６９と、延出領域４９Ａを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材７１と、延出領域４７Ｂを外側面９の側から支持する板状部材である支持部材７３とを備えている。

支持部材６３は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域４５Ａの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材６３の厚みは、熱電モジュール１３Ａと同じである。支持部材６３の縦方向における位置は、ねじ５１、５２よりも上側（外周側）である。

また、支持部材６５は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域４５Ｂの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材６３の厚みは、熱電モジュール１３Ａと同じである。支持部材６５の縦方向における位置は、ねじ５３、５４よりも下側（外周側）である。

また、支持部材６７は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域４７Ａの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材６７の厚みは、熱電モジュール１３Ｂと同じである。支持部材６７の縦方向における位置は、ねじ５５、５６よりも上側（外周側）である。

また、支持部材６９は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域４７Ｂの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材６９の厚みは、熱電モジュール１３Ｂと同じである。支持部材６９の縦方向における位置は、ねじ５７、５８よりも下側（外周側）である。

また、支持部材７１は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域４９Ａの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材７１の厚みは、熱電モジュール１３Ｃと同じである。支持部材７１の縦方向における位置は、ねじ５９、６０よりも上側（外周側）である。

また、支持部材７３は、外側面９と水冷チューブ１５との間であって、延出領域４９Ｂの裏側に該当する位置に設けられている。支持部材７３の厚みは、熱電モジュール１３Ｃと同じである。支持部材７３の縦方向における位置は、ねじ６１、６２よりも下側（外周側）である。

支持部材６３、６５、６７、６９、７１、７３は、前記第１の実施形態と同様に、本体部４１と、テフロン（登録商標）シート４３とから成る。
２．熱電モジュール取り付け構造１が奏する効果
（１）本実施形態の熱電モジュール取り付け構造１は、支持部材６３、６５、６７、６９、７１、７３を備えることにより、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。
（２）本実施形態の熱電モジュール取り付け構造１は、熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃごとに、独立した押さえ板４５、４７、４９を備えている。そのため、熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの厚みが異なる場合でも、各熱電モジュールと外側面９、１１、水冷チューブ１５とを密着させることができる。

３．変形例
支持部材６３、６５、６７、６９、７１、７３の代わりに、図４Ｃに示すナット３９を用いてもよい。ナット３９は、金属から成る部材であり、熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃと同じ厚みを有する。ナット３９は、ねじ５１〜６２の軸部に外挿され、少なくともその一部は、ねじ５１〜６２よりも外周側に位置する。ナット３９も、支持部材６３、６５、６７、６９、７１と略同様の効果を奏する。また、ナット３９は、ねじ５１〜６２の腐食を防止する効果も奏する。
＜第３の実施形態＞
１．熱電モジュール取り付け構造１の構成
熱電モジュール取り付け構造１の構成を図６に基づいて説明する。本実施形態の熱電モジュール取り付け構造１は、基本的には前記第２の実施形態と同様であるが、支持部材６５、６７、６９、７１が熱電モジュールであるという点で異なる。なお、支持部材６３、７３の構成は、前記第２の実施形態と同様である。

２．熱電モジュール取り付け構造１が奏する効果
本実施形態の熱電モジュール取り付け構造１は、前記第２の実施形態と同様の効果を奏するとともに、支持部材６５、６７、６９、７１が熱電モジュールであることにより、出力密度を向上させることができる。

３．変形例
支持部材６３、７３の代わりに、図４Ｃに示すナット３９を用いてもよい。ナット３９は、金属から成る部材であり、熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃと同じ厚みを有する。ナット３９は、ねじ５１、５２、６１、６２の軸部に外挿され、少なくともその一部は、ねじ５１、５２、６１、６２よりも外周側に位置する。ナット３９も、支持部材６３、７３と略同様の効果を奏する。また、ナット３９は、ねじ５１、５２、６１、６２の腐食を防止する効果も奏する。また、支持部材６３、７３も、熱電モジュールとしてもよい。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記第１〜第３の実施形態の構成の一部又は全部を適宜組み合わせてもよい。

また、前記各実施形態において、複数のねじを固定する対象は、外側面９、１１以外の部材であってもよい。
また、前記各実施形態において、押さえ板と水冷チューブとは直接接触せず、それらの間に他の部材が介在してもよい。

また、前記各実施形態において、支持部材は、熱電モジュールの周囲における３方又は４方に設けてもよい。

１・・・熱電モジュール取り付け構造、３・・・配管、５・・・熱交換部、
７・・・円形配管部、９、１１・・・外側面、９Ａ、１１Ａ・・・吸熱フィン、
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ・・・熱電モジュール、
１５・・・水冷チューブ、１７、４５、４７、４９・・・押さえ板、
１７Ａ、１７Ｂ、４５Ａ、４５Ｂ、４７Ａ、４７Ｂ、４９Ａ、４９Ｂ・・・延出領域、
２１・・・取水部、２３・・・排出部、
３５、３７、６３、６５、６７、６９、７１、７３・・・支持部材、
３９・・・ナット、４１・・・本体部、４３・・・テフロン（登録商標）シート

Claims (5)

1. 第１の部材と、
   前記第１の部材に比べて温度差を有する第２の部材と、
   前記第１の部材及び前記第２の部材の間に位置する熱電モジュールと、
   前記第２の部材に対し、前記熱電モジュールとは反対側から当接し、少なくとも一方において、前記熱電モジュールよりも外周側に延出された延出領域を備える押さえ部材と、
   前記押さえ部材に対し前記第１の部材方向への力を加える複数のねじと、
   前記延出領域を、前記複数のねじよりも前記外周側において、前記第１部材側から支持する支持部材と、
   を備えることを特徴とする熱電モジュール取り付け構造。
2. 前記支持部材は、前記第１の部材と前記第２の部材との間に挟まれ、前記熱電モジュールと略同じ厚みを有する部材であることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール取り付け構造。
3. 前記支持部材は、前記複数のねじのうち、最も前記外周側にあるねじの軸部に外挿されたナットであることを特徴とする請求項２記載の熱電モジュール取り付け構造。
4. 前記支持部材の少なくとも一部は、熱電モジュールから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の熱電モジュール取り付け構造。
5. 前記支持部材は、前記熱電モジュールよりも熱伝導率が小さい材料から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の熱電モジュール取り付け構造。