JP2016178147A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱電変換モジュールの位置決め並びに熱電変換モジュール間の結線を、迅速、かつ高い信頼性で実施することができる熱電発電装置を提供する。【解決手段】加熱ダクト１０と、冷却ダクト２０と、これら加熱ダクト１０と冷却ダクト２０との間に並べられ、互いに電気的に接続される複数の熱電変換モジュール３０とを備えた熱電発電装置１において、加熱ダクト１０と冷却ダクト２０との間に配線基板４０を配し、複数の熱電変換モジュール３０を、配線基板４０に形成した切り抜き部４１に嵌め込んで配列する。配線基板４０に直列結線のための端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７を形成しておき、切り抜き部４１内に嵌め込んだ熱電変換モジュール３０のリード線３５Ａ，３５Ｂを端子４５Ａ，４５Ｂに接続することで、複数の熱電変換モジュール３０を直列に結線することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールに温度差を与えて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する熱電発電装置に係り、特に、複数の熱電変換モジュールの接続構造に関する。

熱電変換素子に温度差を与えることにより高温側熱源と低温側熱源との間に電位差を生じさせるといったゼーベック効果を利用し、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する熱電変換式の発電装置が知られている。熱電変換素子は、与えられる温度差が大きいほど発電量が大きくなる特性を有し、通常は複数を電極によって接合した熱電変換モジュールという形態で用いられる（例えば特許文献１等）。

通常の熱電変換モジュールは、４ｃｍ角程度の大きさのものが多く、最大でも６ｃｍ角程度の大きさである。熱電変換モジュール１つ当たりの出力は数ワット程度であり、産業排熱用や自動車用などの排熱を利用する熱電発電装置においては、多数の熱電変換モジュールを集合させて必要な出力を得ている。その場合、各熱電変換モジュールは互いに直列に結線されることが一般的である。その理由は、熱電変換モジュールが一般的に大電流・低電圧の特性があるため、直列接続により使い易い電圧を得るためである。ただし全ての熱電変換モジュールを直列接続した場合、いずれか１つの熱電変換モジュールが断線すると発電不能となるため、直列接続と並列接続の併用により冗長性を与える結線方法も採用されているが、いずれにしても多数の熱電変換モジュールを所定の結線ルートで接続する必要がある。

特開２０１４−１２７６１７号公報

熱電変換モジュールにはプラス側とマイナス側のリード線が設けられているが、多数の熱電変換モジュールを結線する際には、これらの極性を誤らないことも重要である。その結線作業には、はんだ付けや配線引き回しなど多数の工数を必要とし、１カ所でも配線に不備があると断線や短絡などによって発電不能を招く。また、熱電発電装置を使用中に振動や衝撃によって配線が移動したり脱落し、短絡や断線となるおそれがある。また、熱電発電装置の構造においては、全ての熱電変換モジュールを高温側熱源および低温側熱源の間に位置決めして整列させることが重要な点である。自動車用など量産される熱電発電装置においては、迅速かつ高い信頼性で熱電変換モジュールの結線を行うことが生産性向上の点から重要となるが、現状ではそのような手法は確立されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、複数の熱電変換モジュールの位置決め並びに熱電変換モジュール間の結線を、迅速、かつ高い信頼性で実施することができ、生産性の向上が図られる熱電発電装置を提供することにある。

本発明の熱電発電装置は、高温側熱源と、低温側熱源と、これら高温側熱源と低温側熱源との間に並べられ、互いに電気的に接続される複数の熱電変換モジュールとを備え、前記高温側熱源と前記低温側熱源とによって前記熱電変換モジュールに温度差が付与されて発電する熱電発電装置において、前記熱電変換モジュールは、所定の配線が施された配線基板に形成された複数の切り抜き部にそれぞれ嵌め込まれて配設されているとともに、前記配線に、前記熱電変換モジュールのリード線と接続するための端子が接続されていることを特徴とする。

本発明では、配線基板には複数の熱電変換モジュールに対応して切り抜き部が形成されており、それら切り抜き部に熱電変換モジュールを嵌め込むことで複数の熱電変換モジュールが位置決めされて整列させられる。そして各熱電変換モジュールのリード線を配線基板の端子に接続することで複数の熱電変換モジュールが結線され、配線基板ごと１つの熱電発電装置として構成される。本発明によれば、配線基板の配線および端子を、切り抜き部に嵌め込む熱電変換モジュールのリード線の位置等に応じて予め設計しておくことで、複数の熱電変換モジュールの位置決め並びに熱電変換モジュール間の結線を、迅速、かつ高い信頼性で実施することができる。

本発明は、前記配線基板が、少なくとも前記高温側熱源または前記低温側熱源のいずれか一方に設置されている形態を含む。また、前記配線基板が、前記高温側熱源と前記低温側熱源との間の空間に支持されている形態を含む。

本発明によれば、複数の熱電変換モジュールの位置決め並びに熱電変換モジュール間の結線を、迅速、かつ高い信頼性で実施することができ、生産性の向上が図られる熱電発電装置が提供されるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る熱電発電装置の平面図である。 図１のII−II断面図である。 一実施形態の発電装置が具備する熱電変換モジュールの斜視図である。 同熱電変換モジュールの側面図である。 一実施形態を基本構成とする他の実施形態の発電装置の平面図である。 配線基板の設置箇所を変更した他の実施形態であって、配線基板を（ａ）加熱ダクトに設置した形態の断面図、（ｂ）加熱ダクトと冷却ダクトの間の空間に設置した形態の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］熱電発電装置の構成
図１および図２は、本発明を適用した一実施形態に係る熱電発電装置１を示している。この発電装置１は、図２に示すように上下に離間して配設される加熱ダクト（高温側熱源）１０および冷却ダクト（低温側熱源）２０と、これら加熱ダクト１０と冷却ダクト２０との間に並べられ、互いに電気的に接続される複数の熱電変換モジュール３０と、熱電変換モジュール３０の配列および電気的接続の機能を果たす配線基板４０とを備えている。

加熱ダクト１０は、扁平状で矩形状に形成されており、内部に加熱媒体が流される。また、冷却ダクト２０も、扁平状で矩形状に形成されており、内部に冷却媒体が流される。熱電変換モジュール３０は、これら加熱ダクト１０と冷却ダクト２０とによって温度差が与えられることによって発電する。

本実施形態の発電装置１は、高温排熱用、あるいは極低温用などの用途に適用される。高温排熱用に適用される場合においては、加熱ダクト１０内には例えば自動車エンジンの排気ガス、工場やゴミ焼却炉等で発生する排熱ガス等の加熱媒体が流され、冷却ダクト２０内には水などの冷却媒体が流される。また、極低温用に適用される場合においては、加熱ダクト１０内には例えば室温の水などが流され、冷却ダクト２０内には例えば極低温の液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素等が流される。以下の説明では、発電装置１は高温排熱用に適用されるものとする。

冷却ダクト２０の上面には矩形状の配線基板４０が載置されており、個々の熱電変換モジュール３０は、配線基板４０に形成された切り抜き部４１にそれぞれ嵌め込まれることにより冷却ダクト２０上に配列されている。この場合、図１に示すように熱電変換モジュール３０は複数が縦に配列された縦列が横２列に設けられている。なお、配線基板４０が冷却ダクト２０上に設置されているのは、配線基板４０が加熱ダクト１０から熱影響を受け難くする観点からである。

図２に示すように、冷却ダクト２０は、内部に仕切り２２１によって冷却媒体通路２２２が区画された箱状のダクト本体２２を蓋体２３で閉じた構成のものである。蓋体２３は、ダクト本体２２の上縁部２２３に形成された段部２２４に嵌合されて固定されている。上縁部２２３の外周側は蓋体２３よりも上方に突出する枠部２２５を有している。

熱電変換モジュール３０は、図３および図４に示すように、マトリクス状に配列され、温度差が与えられることで発電する複数の熱電変換素子３１と、これら熱電変換素子３１を直列に接続する高温側電極３２および低温側電極３３とからなるもので、全体として矩形状に形成されている。なお、図１および図２では熱電変換モジュール３０を簡略化して示している。熱電変換素子３１は、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリサイド系、マンガン−シリサイド系、鉄−シリサイド系、ビスマス−テルル系等の、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するものが適宜用いられる。

各電極３２，３３は銅板等からなるもので、熱電変換素子３１はそれら電極３２，３３を介して交互に直列に接続されている。高温側電極３２は、隣接する一対の熱電変換素子３１の上面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。また、低温側電極３３は、隣接する一対の熱電変換素子３１の下面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。

図３に示すように、１つの熱電変換モジュール３０においては、四辺の端縁のうちの１つの端縁の両端部から接続用の＋（プラス）／−（マイナス）のリード線３５Ａ，３５Ｂが引き出されている。一対のリード線３５Ａ，３５Ｂは例えば銅線の撚り線等からなるもので、低温側の電極３３に接続されている。各リード線３５Ａ，３５Ｂの設置箇所は、設置される端縁を上下方向に沿わせて配置した場合において、例えば上端部にプラス側リード線３５Ａ、下端部にマイナス側リード線３５Ｂというように統一されている。

本実施形態の熱電変換モジュール３０は、上下両方の電極３２，３３が露出しているが、上下の電極３２，３３の露出面に放熱用のセラミック板を積層して電極３２，３３および熱電変換素子３１を挟んだ構成のものや、上下いずれか一方の電極３２（３３）にセラミック板を積層した構成のものを採用してもよい。その場合のセラミック板は、上側の全ての電極３２および下側の全ての電極３３の露出面をそれぞれカバーし得る大きさの矩形状のものとされる。

配線基板４０には、１つの熱電変換モジュール３０が嵌め込まれる上記切り抜き部４１が縦横に整列した状態に複数形成されている。この場合、切り抜き部４１は図１に示すように複数が配列された縦列が横２列に設けられている。

切り抜き部４１は熱電変換モジュール３０を位置決めする孔であって、熱電変換モジュール３０の外形平面寸法よりも僅かに大きい寸法の矩形状に形成されている。切り抜き部１は、熱電変換モジュール３０が嵌め込まれた状態で、その熱電変換モジュール３０の外形縁との間に例えば０．１〜１．０ｍｍの間隔が空く程度の大きさとされる。熱電変換モジュール３０が上記セラミック板を具備したものの場合には、切り抜き部４１の大きさはそのセラミック板よりも僅かに大きなものとされる。

配線基板４０は複数の切り抜き部４１が形成されることで、切り抜き部４１間の仕切り部４２と外周余縁部４３とを有する。切り抜き部４１間の間隔すなわち仕切り部４２の幅は等しく設定されている。配線基板４０の外形寸法は、冷却ダクト２０の蓋体２３上に載置可能なものとされる。配線基板４０は蓋体２３の上面に載置され、ダクト本体２２の枠部２２５内に配される。配線基板４０は枠部２２５によって冷却ダクト２０上からのはみ出しや脱落が防がれるようになされている。なお、配線基板４０は、必要に応じて蓋体２３上に接着等の手段で固定される場合もある。

横２列に形成された複数の切り抜き部４１には、図１に示すようにリード線３５Ａ，３５Ｂを外側方、すなわち左側の切り抜き部４１では左方に、右側の切り抜き部４１では右方に向けて、熱電変換モジュール３０が嵌め込まれて配置される。各熱電変換モジュール３０は、低温側の電極３３の下面が冷却ダクト２０の蓋体２３上に載置される。配線基板４０には、このように切り抜き部４１に配置される熱電変換モジュール３０を直列に結線する端子４５Ａ，４５Ｂと配線４６，４７とが、切り抜き部４１に対応して外周余縁部４３に形成されている。

端子４５Ａ，４５Ｂは、切り抜き部４１に配置される熱電変換モジュール３０の各リード線３５Ａ，３５Ｂの直下に当たる位置に上下一対に形成され、リード線３５Ａ，３５Ｂの極性に対応してプラス側端子４５Ａとマイナス側端子４５Ｂとに分けられる。そして、１つの切り抜き部４１に対応するプラス側端子４５Ａと、図１において縦方向（上下方向）に隣接する切り抜き部４１に対応するマイナス側端子４５Ｂとが、配線４６を介して接続されている。また、図１において上端部に形成された左側のマイナス側端子４５Ｂと右側のプラス側端子４５Ａとが、上端部の外周余縁部４３に形成された比較的長い配線４７によって接続されている。端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７は、接着または埋め込み等の手段によって配線基板４０に形成される。さらに、下端部の左側のプラス側端子４５Ａと右側のマイナス側端子４５Ｂには、外部に延びるプラス側外部接続配線４８Ａとマイナス側外部接続配線４８Ｂとがそれぞれ接続されている。

配線基板４０はこのように端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７，４８Ａ，４８Ｂを具備し、これら端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７，４８Ａ，４８Ｂにより、配線基板４０は切り抜き部４１に配置される熱電変換モジュール３０を介してプラス側外部接続配線４８Ａからマイナス側外部接続配線４８Ｂにわたって直列の電気接続がなされるように設計されている。

なお、配線基板４０の材質であるが、配線基板４０には端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７が形成されることから、電気絶縁性を有する材料が選択される。また、後述するリード線３５Ａ，３５Ｂのはんだ付けによる熱影響を受けない程度の耐熱性も必要となる。

また、端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７の形成方法としては、接着または埋め込みの他に、配線基板４０上の全面に銅などをスパッタリングなどの方法で層状化させ、次いで不要部分をエッチングで除去して端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７を残存形成するエッチング法や、３Ｄプリンタによる形成などが挙げられる。

上記配線基板４０に対し、熱電変換モジュール３０は、低温側電極３３を下側に配し、かつ上記のようにリード線３５Ａ，３５Ｂを外側方に向けた状態で、冷却ダクト２０の上面に載置された配線基板４０の全ての切り抜き部４１内に嵌め込まれる。これによりそれら熱電変換モジュール３０は、冷却ダクト２０上にマトリクス状に位置決めされて配列される。

この配列状態で、各熱電変換モジュール３０のプラス側リード線３５Ａは配線基板４０のプラス側端子４５Ａの上方に配置され、マイナス側リード線３５Ｂは配線基板４０のマイナス側端子４５Ｂの上方に配置される。それら対となるプラス側リード線３５Ａとプラス側端子４５Ａ、およびマイナス側リード線３５Ｂとマイナス側端子４５Ｂは、例えばはんだ付け等の手段でそれぞれ結線される。このように結線されることにより、複数の熱電変換モジュール３０が各端子４５Ａ，４５Ｂおよび各配線４６，４７を介して直列に接続される。なお、端子４５Ａ，４５Ｂへのリード線３５Ａ，３５Ｂの結線方法は、はんだ付け以外の適宜な手段であってもよい。

上記のように冷却ダクト２０上に設置された複数の熱電変換モジュール３０上に、上記加熱ダクト１０が設置されて発電装置１が構成される。加熱ダクト１０は、熱電変換モジュール３０の全ての高温側の電極３２に接触可能な大きさを有している。加熱ダクト１０と冷却ダクト２０は熱電変換モジュール３０をある程度の応力で挟持するように組まれる。また、必要に応じて、高温側の電極３２と加熱ダクト１０との間、および低温側の電極３３と冷却ダクト２０との間に、カーボンシート等の緩衝材が挟まれる。

［２］発電装置の発電作用
上記構成からなる発電装置１は、加熱ダクト１０内に加熱媒体が流され、冷却ダクト２０内に水などの冷却媒体が流される。すると熱電変換モジュール３０の熱電変換素子３１は、上側が加熱ダクト１０により加熱され、かつ、下側が冷却ダクト２０により冷却される。これにより熱電変換素子３１に温度差が与えられて熱電変換素子３１が発電し、発電装置１が稼働状態となる。発電された電気は、直列に接続された各熱電変換モジュール３０を経て外部接続配線４８Ａ，４８Ｂから取り出される。

［３］実施形態の作用効果
上記実施形態の発電装置１は、冷却ダクト２０上に設置した配線基板４０の各切り抜き部４１に個々の熱電変換モジュール３０を嵌め込むことで、これら熱電変換モジュール３０を冷却ダクト２０上に整列して設置することができる。そして設置した後に各熱電変換モジュール３０の、プラス側リード線３５Ａをプラス側端子４５Ａに、マイナス側リード線３５Ｂをマイナス側端子４５Ｂにそれぞれに接続するだけで、熱電変換モジュール３０間の直列結線を完了させることができる。したがって、組み立て工程における熱電変換モジュール３０の位置決め並びに熱電変換モジュール３０間の直列結線を、迅速で低コスト、かつ高い信頼性で実施することができ、生産性の向上が図られる。

［４］他の実施形態
本発明においては、熱電変換モジュール３０の配列形態は任意である。図５は、２０個の熱電変換モジュール３０を、縦列５個／横列４個に配列した形態であり、配線基板４０にはその配列に応じた切り抜き部４１が形成されている。そして、左側の縦２列と右側の縦２列とがそれぞれ１つのブロックとされてブロックごとに熱電変換モジュール３０が端子４５Ａ，４５Ｂおよび配線４６，４７によって直列に接続され、ブロック間が配線４６ｂによって接続されている。そして、熱電変換モジュール３０で発電された電気は、外部接続配線４８Ａ，４８Ｂから取り出される。

上記一実施形態では、配線基板４０は、加熱ダクト１０からの熱影響を受け難くするという観点から冷却ダクト２０上に設置されているが、配線基板４０は装置の用途、すなわち加熱ダクト１０あるいは冷却ダクト２０の温度に応じて適宜に配置される。例えば、冷却ダクト２０内に流される冷却媒体として液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素等が用いられ、加熱ダクト１０内に流される加熱媒体が室温とされることで熱電変換モジュール３０に温度差を与える極低温用の場合には、冷却ダクト２０の極低温の影響を配線基板４０が受けることのないように、図６（ａ）に示すように加熱ダクト１０に配線基板４０を固定することが望ましい。また、加熱ダクト１０と冷却ダクト２０の双方からの熱影響を受け難くする場合には、例えば図６（ｂ）に示すように、加熱ダクト１０と冷却ダクト２０との間の空間にスペーサ２９を介して配線基板４０を冷却ダクト２０から浮上させて支持し、配線基板４０を加熱ダクト１０と冷却ダクト２０から離間させた構成にするとよい。

なお、図１および図５に示す配線基板４０では、複数の熱電変換モジュール３０がマトリクス状に整列されているが、配線基板の切り抜き部は、このような実施例に限定されない。例えば加熱ダクトや冷却ダクトの上流側または下流側に熱電変換モジュールを意図的に密集配置するなどの実施例もあり得る。また、切り抜き部４１は、全て同一形状や同一の大きさである必要はない。例えば、加熱ダクトの上流側に高温用モジュールを設置し、加熱ダクトの下流側に低温用モジュールを設置する構成では、高温用モジュールと低温用モジュールの形状や寸法が異なる場合もあり得る。また熱電変換モジュールは正方形や長方形以外に、多角形や円形、楕円形状もあるため、切り抜き部４１はこれらモジュールの形状に沿った形状とすべきである。

１…熱電発電装置
１０…加熱ダクト（高温側熱源）
２０…冷却ダクト（低温側熱源）
３０…熱電変換モジュール
３５Ａ，３５Ｂ…リード線
４０…配線基板
４１…切り抜き部
４５Ａ，４５Ｂ…端子
４６，４６ｂ，４７…配線

Claims (3)

1. 高温側熱源と、低温側熱源と、これら高温側熱源と低温側熱源との間に並べられ、互いに電気的に接続される複数の熱電変換モジュールとを備え、前記高温側熱源と前記低温側熱源とによって前記熱電変換モジュールに温度差が付与されて発電する熱電発電装置において、
   前記熱電変換モジュールは、所定の配線が施された配線基板に形成された複数の切り抜き部にそれぞれ嵌め込まれて配設されているとともに、前記配線に、前記熱電変換モジュールのリード線と接続するための端子が接続されていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記配線基板は、少なくとも前記高温側熱源または前記低温側熱源のいずれか一方に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記配線基板は、前記高温側熱源と前記低温側熱源との間の空間に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。

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