JP3468586B2 - 熱電モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度差による発電、ある
いは電流を流すことにより冷却、発熱を行うことのでき
る熱電素子を用いた電子機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子は金属電極を介したＰ型熱電半
導体とＮ型熱電半導体がＰＮ接合素子対を形成する構成
となっている。この熱電素子の接合体間に温度差を与え
るとゼーベック効果により起電力が発生し、熱電素子の
接合体間に電流を流すとペルチェ効果により接合間に温
度差が発生することが知られている。現在、これらの現
象を利用した発電装置や冷却装置が実用化されている。

【０００３】一般に、熱電素子は複数個の素子が直列に
接続された熱電モジュールとして用いられる。熱電モジ
ュールの性能は構成している材料や熱設計に加え熱電素
子の数が重要な要素となっている。発電装置では発生す
る起電圧は素子数に比例するため、高い電圧を取り出す
ため熱電モジュールでは直列に並べる素子数を非常に多
くしている。また冷却装置では直列に並べた素子数が少
ないと同じ温度差を得るために必要な電流は大きくな
り、やはり熱電モジュール内の直列に並べる素子数を非
常多くする必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらモジュー
ル内に熱電素子を直列に接続しているため、熱電半導体
材料あるいは金属電極や基盤等の配線中に断線部分が一
カ所でもあると熱電モジュールとして使いものにならな
くなってしまっていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、複数の熱電素子を特定単位数ごとにまとめ
た熱電素子ブロックを直列に複数接続した熱電素子体
と、熱電素子ブロックごとに設けられ必要時に各ブロッ
クを短絡可能なバイパスラインと、各バイパスラインの
導通、非導通を行うバイパススイッチと、熱電素子体の
導通、非導通を検出する導通検出回路と、導通検出回路
の出力によりバイパススイッチのオン、オフを制御する
バイパススイッチコントロール回路を有する構成とし
た。

【０００６】

【作用】上記のように構成された熱電モジュールにおい
ては、たとえ一カ所が断線したとしてもその断線部を含
む熱電素子ブロックを短絡するバイパスラインをオンす
ることにより断線部を含む熱電素子ブロックを見かけ上
バイパスすることができる。従って、他の熱電素子ブロ
ックは正常に機能できるため全体としての性能は断線部
を含む熱電素子ブロックの分は低下するが熱電モジュー
ルとしての機能は維持することができるようになる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１は本発明の実施例の一例を示す機能ブロック図
である。熱電モジュール１は、熱電素子体２とバイパス
スイッチ５とバイパススイッチコントロール回路６と導
通検出回路７と熱電素子体２内に構成される複数の熱電
素子ブロック３とバイパススイッチ５の間を接続するバ
イパスライン４から構成されている。熱電素子体２の内
部は熱電素子を特定単位数ごとにまとめた複数の熱電素
子ブロック３が直列に接続されている。熱電素子体２及
び各熱電素子ブロック３内の熱電素子の数は熱電モジュ
ールを搭載する機器の特性や要求特性等により自由に設
定することができる。

【０００８】本実施例では各熱電素子ブロック３内の熱
電素子数を１０００個とし、熱電素子体２に含まれる熱
電素子ブロック３の数を５つとする。従って熱電素子体
２全体の熱電素子数は５０００個となる。１０００個ず
つの熱電素子をまとめた熱電素子ブロック３は直列に接
続される（３ａ〜３ｅ）。

【０００９】それぞれの熱電素子ブロックの両端の端子
名を３ａはＡＣ、３ｂはＣＥ、３ｃはＥＧ、３ｄはＧ
Ｉ、３ｅはＩＫとする。バイパススイッチ５は、熱電素
子ブロック３と同数のスイッチが直列に配置される（５
ａ〜５ｅ）。図１ではトランジスタスイッチで表現して
いるがその種類はリレーであっても、アナログスイッチ
であってもかまわない。

【００１０】それぞれのバイパススイッチの両端の端子
名を５ａはＢＤ、５ｂはＤＦ、５ｃはＦＨ、５ｄはＨ
Ｊ、５ｅはＪＬとする。熱電素子ブロック３とバイパス
スイッチ５は、それぞれバイパスラインＡＢ、ＣＤ、Ｅ
Ｆ、ＧＨ、ＩＪ、ＫＬで接続されている。各バイパスス
イッチのコントロール信号（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）は、
バイパススイッチコントロール回路６から出力される。
バイパススイッチコントロール回路６は、導通検出回路
７に対して導通検出信号ｆを出力すると共に検出結果信
号ｇを導通検出回路７から入力し、その結果に応じて各
バイパススイッチ５ａ〜５ｅの導通または非導通を行う
ためのコントロール信号（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）を制御
する。

【００１１】導通検出回路７は、バイパススイッチコン
トロール回路６から出力される導通検出信号ｆにもとづ
き熱電素子体２の導通チェックを行い、導通か非導通か
の検出結果信号ｇをバイパススイッチコントロール回路
６に対して出力する。バイパススイッチコントロール回
路６と導通検出回路７は熱電モジュール１内に独立に構
成されても良いが、本実施例では熱電モジュール１を搭
載した機器のコントロール回路内に設定されているもの
とする。

【００１２】バイパススイッチコントロール回路６は機
器のコントロール回路内のマイクロコンピュータ等によ
りソフトで制御されマイクロコンピュータの入出力端子
を利用してコントロール信号（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）や
導通検出信号ｆ、検出結果信号ｇの入出力を行う。

【００１３】バイパススイッチコントロール回路６をソ
フトで実施した場合のプログラムの概略フローチャート
を図２に示す。動作は後述する。導通検出回路７の回路
を図３に示す。導通検出回路７はバイパススイッチコン
トロール回路６から出力される検出結果信号ｇに応じて
熱電素子体２からの配線経路を変更するスイッチ９と熱
電素子体２の出力電圧を分圧する分圧抵抗１１と基準電
圧抵抗１０と熱電素子体２の出力電圧を分圧した分圧電
圧と基準電圧抵抗１０で作られる基準電圧を比較し、比
較結果を検出結果信号ｇとしてバイパススイッチコント
ロール回路６に出力するコンパレータ１２で構成されて
いる。

【００１４】次に動作を説明する。熱電モジュール１を
搭載した機器のコントロール回路から熱電モジュール確
認命令が出力されると動作が開始される。熱電モジュー
ル確認命令は機器の仕様や諸特性から必要に応じて定期
的または任意的に出力されるが出力条件等に付いてはそ
れぞれの機器に応じて設定されていれば良い。本実施例
では熱電モジュール確認命令の出力条件に付いては触れ
ないこととする。

【００１５】熱電モジュール確認命令を受けたバイパス
スイッチコントロール回路６は、図２に示すフローチャ
ートに従って動作を行う。まずバイパススイッチ５がす
べて非導通の状態で導通検出回路７に対して導通検出信
号ｆを出力し導通チェックを行う（ステップ２０１）。
検出結果信号ｇを入力した導通検出回路７は、スイッチ
９により熱電素子体２からの配線経路を導通検出回路側
に変更する。これにより通常、負荷側に接続されていた
経路が絶縁され熱電素子体２の入力側（図１におけるＡ
点）には電源電圧ＶＤＤが供給される。

【００１６】熱電素子体２の出力側（図１におけるＫ
点）は分圧抵抗１１とコンパレータ１２の比較端子に接
続される。コンパレータ１２の比較端子に入力される電
圧は電源電圧ＶＤＤを熱電素子体２の抵抗分と分圧抵抗
１１の抵抗分で分圧した電圧が入力される。熱電素子体
２の抵抗分は構成する熱電素子の数により変化するが分
圧抵抗１１の値を熱電素子体２の抵抗分の数百倍程度に
設定することでコンパレータ１２の比較端子に入力され
るは電圧ＶＤＤまたはＶＳＳのどちらかに振ることがで
きる。

【００１７】つまり、熱電素子体２が通電状態の場合コ
ンパレータ１２の比較端子に入力される電圧値はほぼＶ
ＤＤレベルとなり、熱電素子体２が非通電状態の場合コ
ンパレータ１２の比較端子に入力される電圧値は分圧抵
抗１１によりＶＳＳにプルダウンされ、ＶＳＳレベルと
なる。コンパレータ１２の基準電圧入力端子には電源電
圧を基準抵抗１０で分圧した基準電圧が入力される。本
実施例ではほぼ１／２ＶＤＤに設定する。従って、検出
結果信号ｇとなるコンパレータ１２の出力は熱電素子体
２が通電状態の場合ＨＩＧＨレベルとなり、熱電素子体
２が非通電状態の場合ＬＯＷレベルとなる。

【００１８】バイパススイッチコントロール回路６は、
前述の動作で導通検出回路７から出力される検出結果信
号ｇをもとにコントロールを行う。ここで、バイパスス
イッチコントロール回路６の動作に戻る。バイパススイ
ッチ５がすべて非導通の状態で導通検出回路７が出力す
る検出結果信号ｇがＨＩＧＨレベル、つまり導通状態で
あった場合、全ての熱電素子ブロックが正常であり断線
していないと判断し動作を終了する（ステップ２０
９）。バイパススイッチ５がすべて非導通の状態で導通
検出回路７が出力する検出結果信号ｇがＬＯＷレベルで
あった場合、熱電素子体２の中で断線部分が発生してい
ると判断して断線部分の確認及びバイパススイッチのコ
ントロール動作を行う。

【００１９】検出結果信号ｇがＬＯＷレベルであった場
合、バイパススイッチ５ａを導通させるためコントロー
ル信号ａをｏｎ状態にする（ステップ２０２）。これに
よりバイパススイッチ５ａが導通し、熱電素子体２内の
導通経路は図１においてＡＢＤＣＥＧＩＫとなる。次に
導通検出回路７に対して再び導通検出信号ｆを出力し導
通チェックを行う（ステップ２０３）。

【００２０】バイパススイッチ５ａのみが導通している
状態で導通検出回路７が出力する検出結果信号ｇがＨＩ
ＧＨレベル、つまり導通状態であった場合、熱電素子ブ
ロック３ａが断線しているとと判断し動作を終了する
（ステップ２０９）。バイパススイッチ５ａは導通状態
を保持しているため、以後熱電素子体２の導通経路は図
１においてＡＢＤＣＥＧＩＫとなり、熱電素子体２内の
導通経路はバイパススイッチ５ａを通して不良熱電素子
ブロック３ａをバイパスしたことになる。これにより、
熱電モジュールとしての性能は不良熱電素子ブロック３
ａの分だけ低下するが、熱電モジュール全体としての機
能は維持できることになる。

【００２１】次にバイパススイッチ５ａのみが導通して
いる状態で導通検出回路７が出力する検出結果信号ｇが
ＬＯＷレベル、つまり非導通状態であった場合、熱電素
子ブロック３ａ以外にも断線部分が発生していると判断
し、バイパススイッチ５ａを非導通にするためコントロ
ール信号ａをＯＦＦ状態にし（ステップ２０４）、バイ
パススイッチ５ｂを導通にするためコントロール信号ｂ
をｏｎ状態にする。これによりバイパススイッチ５ｂが
導通し、熱電素子体２内の導通経路は図１においてＡＣ
ＤＦＥＧＩＫとなる。ここで前述と同様に、通電チェッ
クを行い（ステップ２０６）、熱電素子ブロック３ｂが
不良熱電素子ブロックであった場合はバイパススイッチ
５ｂを通してバイパスされる。

【００２２】バイパススイッチ５ｂのみが導通している
状態で導通検出回路７が出力する検出結果信号ｇがＬＯ
Ｗレベル、つまり非導通状態であった場合、熱電素子ブ
ロック３ｂ以外にも断線部分が発生していると判断し、
以降の熱電素子ブロックの導通確認を同様にして行う。
以上の動作を続けて、もし熱電素子ブロック３ｅの確認
を行うため、バイパススイッチ５ｅのみが導通している
状態（ステップ２０７）で導通検出回路７が出力する検
出結果信号ｇがＬＯＷレベル（ステップ２０８）であっ
た場合は、断線等の不良熱電素子ブロックが複数存在し
ていると判断できる。

【００２３】不良熱電素子ブロックが複数存在する場合
は、今までとは逆に１つの熱電素子ブロックのみ導通さ
せながら確認を行うことになる。まずバイパスコントロ
ール回路６によりバイパススイッチ５ｂ、５ｃ、５ｄ、
５ｅを導通させるためコントロール信号ｂ、ｃ、ｄ、ｅ
をｏｎ状態にする（ステップ２１０）。これによりバイ
パススイッチ５ａのみが非導通状態となり、熱電素子体
２内の導通経路は図１においてＡＣＤＦＨＪＬＫとな
る。ここで前述と同様の導通チェックを行い、導通検出
回路７が出力する検出結果信号ｇがＬＯＷレベル、つま
り非導通状態であった場合は熱電素子ブロック３ａは断
線等の不良熱電素子ブロックであると判断できる。ここ
でソフト上３ａ不良フラグをたてておき（ステップ２１
２）、次の熱電素子ブロック３ｂの導通チェックを行
う。

【００２４】一方、導通検出回路７が出力する検出結果
信号ｇがＨＩＧＨレベル、つまり導通状態であった場合
は熱電素子ブロック３ａは正常な熱電素子ブロックであ
ると判断し３ａ不良フラグを立てること無く熱電素子ブ
ロック３ｂの導通チェックに移る。熱電素子ブロック３
ｂの導通チェックも同様に行われる。バイパスコントロ
ール回路６によりバイパススイッチ５ａ、５ｃ、５ｄ、
５ｅを導通させるためコントロール信号ａ、ｃ、ｄ、ｅ
をｏｎ状態にする（ステップ２１３）。これによりバイ
パススイッチ５ｂのみが非導通状態となり、熱電素子体
２内の導通経路は図１においてＡＢＤＣＥＦＨＪＬＫと
なる。ここで前述と同様の導通チェックを行い、導通検
出回路７が出力する検出結果信号ｇがＬＯＷレベル、つ
まり非導通状態であった場合は熱電素子ブロック３ｂは
断線等の不良熱電素子ブロックであると判断できる。こ
こでソフト上３ｂ不良フラグをたてておき（ステップ２
１５）、次の熱電素子ブロック３ｃの導通チェックを行
う。

【００２５】一方、導通検出回路７が出力する検出結果
信号ｇがＨＩＧＨレベル、つまり導通状態であった場合
は熱電素子ブロック３ｂは正常な熱電素子ブロックであ
ると判断し３ｂ不良フラグを立てること無く熱電素子ブ
ロック３ｃの導通チェックに移る。

【００２６】同様にして、熱電素子ブロック３ｅの導通
チェックまで終了すると不良熱電素子ブロックのフラグ
のみが立っていることになり対応するバイパススイッチ
５を導通させるためのコントロール信号をｏｎにする
（ステップ２１６）ことで不良の熱電素子ブロックをバ
イパスすることができる。

【００２７】例えば、熱電素子ブロック３ｂと熱電素子
ブロック３ｅが不良熱電素子ブロックであった場合、３
ｂ不良フラグと３ｅ不良フラグが立っているので、バイ
パススイッチ５ｂ、５ｅを導通させるためコントロール
信号ｂ、ｅをｏｎ状態にして動作を終了する（ステップ
２０９）。これにより、バイパススイッチ５ａ、５ｃ、
５ｄが非導通状態となり、熱電素子体２内の導通経路は
図１においてＡＣＤＦＥＧＩＪＬＫとなる。

【００２８】本実施例では熱電素子体２の全素子数５０
００個を５つの熱電素子ブロックに分けた例で説明した
が不良熱電素子ブロックのバイパスによる弊害（熱電モ
ジュールの性能の低下等）をなるべく押さえるために熱
電素子ブロック数をもっと増やしてもかまわない。また
本実施例ではバイパススイッチコントロール回路６と導
通検出回路７を熱電モジュール１を搭載した機器のコン
トロール回路内に設定されているものとして説明した
が、熱電モジュール１内に独立に構成されソフトプログ
ラムに依存しない回路でも構成することができる。また
不良熱電ブロックを確認するためのバイパススイッチの
コントロール方法も他にいろいろな手順が考えられる。

【００２９】本発明の熱電モジュールを搭載した電子機
器の機能ブロックの実施例の一例を図４に示す。図４に
おいて熱電モジュール１にて発電された電気エネルギー
は蓄電器１２に蓄えられながら電子機器のコントロール
回路１３及び、モータや表示装置から成る負荷８の電源
として電子時計、駆動装置などの電子機器を駆動する。
この場合、熱電モジュール１は発電モジュールとして用
いられている。

【００３０】また、図５に本発明の熱電モジュールを搭
載した冷却または加熱を行う熱変換機器の機能ブロック
の実施例の一例を示す。熱変換機器の場合はシステム全
体の電源１４と機器の駆動及び、熱電モジュール１に流
す電流を制御するための電流制御回路１５をコントロー
ルするコントロール回路１３と熱電モジュール１に流す
電流を制御するための電流制御回路１５及び熱変換を行
う熱電モジュール１から構成されている。この場合熱電
モジュール１は熱交換モジュールとして用いられてい
る。

【００３１】

【発明の効果】以上、複数の熱電素子を特定単位数ごと
にまとめた熱電素子ブロックを直列に複数接続した熱電
素子体と、熱電素子ブロックごとに設けられ必要時に各
ブロックを短絡可能なバイパスラインと、各バイパスラ
インの導通、非導通を行うバイパススイッチと、熱電素
子体の導通、非導通を検出する導通検出回路と、導通検
出回路の出力によりバイパススイッチのオン、オフを制
御するバイパススイッチコントロール回路を有する構成
としたことで、たとえ一カ所が断線したとしてもその断
線部を含む熱電素子ブロックを短絡するバイパスライン
をオンすることにより断線部を含む熱電素子ブロックを
見かけ上バイパスすることができる。従って他の熱電素
子ブロックは正常に機能できるため全体としての性能は
断線部を含む熱電素子ブロックの分は低下するが熱電モ
ジュールとしての機能は維持することができるようにな
る。これにより本発明の熱電モジュールを搭載した機器
では使用中または携帯中に一部の熱電素子あるいは配線
の断線等で全く使用できなくなるというトラブルを未然
に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の一例を示す機能ブロック図で
ある。

【図２】バイパスコントロール手段をソフトプログラム
により実施した場合の概略フローチャートである。

【図３】導通検出回路の一例を示す回路図である。

【図４】本発明の熱電モジュールを搭載した電子機器の
一例を示す機能ブロック図である。

【図５】本発明の熱電モジュールを搭載した熱交換機器
の一例を示す機能ブロック図である。

【符号の説明】 １ 熱電モジュール ２ 熱電素子体 ３ 熱電素子ブロック ４ バイパスライン ５ バイパススイッチ ６ バイパススイッチコントロール回路 ７ 導通検出回路 ８ 負荷

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の熱電素子を特定単位数ごとにまと
   めた熱電素子ブロック（３）を直列に複数接続した熱電
   素子体（２）と、熱電素子ブロックごとに設けられ必要
   時に各ブロックを短絡可能なバイパスライン（４）と、
   バイパスラインの導通、非導通を行うバイパススイッチ
   （５）と、熱電素子体の導通、非導通を検出する導通検
   出回路（７）と、導通検出回路の出力によりバイパスス
   イッチのオン、オフを制御するバイパススイッチコント
   ロール回路（６）とを有することを特徴とする熱電モジ
   ュール。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱電モジュールをエネル
   ギー源として用いたことを特徴とする電子機器。
3. 【請求項３】 電源と、電源により動作する請求項１記
   載の熱電モジュール有することを特徴とする熱交換機
   器。