JP6193283B2 - 熱電発電モジュールおよび熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール、およびそのような熱電発電モジュールを複数備えた熱電発電装置に関する。

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部と低温部との間に起電力が生じることは、ゼーベック効果として古くから知られており、このような性質を利用した熱電素子を用いて熱を直接電力に変換する熱電発電装置が数多く提案されている。

このような熱電発電装置としては、ゼーベック効果を利用した熱電変換回路を２枚の金属製の熱交換板（受熱板および冷却板）との間に挟み込んだ熱電発電装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このような熱電発電装置では、熱電変換回路を囲うように、２つの熱交換板の間にＯリング（封止材）を配置し、熱交換板どうしを、これらの外縁部分や中央部分の複数個所に挿入されたボルトによって互いに近づく方向に締め付け、この締め付け力によってＯリングを適度に押し潰すことにより熱交換板に密着させて、熱交換板間の気密性を確保し、熱電変換回路が存在している領域への水分（湿気）の侵入を防止している。

一方、特許文献２には、同様に、熱電変換回路を２枚の金属製熱交換板との間に挟み込み、２つの熱交換板の間をＯリングを介してボルトによって締め付ける構成の熱電発電装置において、熱電変換回路として、所定個数のＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子とを平面状に配列してこれらを直列に接続してなる複数の熱電モジュール（熱電発電モジュール）を複数配置したものを用いることが示されている。そして、特許文献２では、このような複数の熱電発電モジュールどうしをリード線により接続している。

特開２００２−１４７８８８号公報 特開２０１３−８０８８３号公報

しかしながら、このような熱電発電装置においては、熱電発電モジュールどうしをリード線で接続して配線を構成しているため、配線スペースが必要であり、熱電発電モジュールの実装密度は４０％弱と低く、熱電発電装置の単位面積当たりの出力が小さいという問題がある。また、リード線設置時に生じる摩擦、こすれによりリード線の被覆が劣化して、絶縁性劣化による地絡を生じることがある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、リード線を用いることなく接続することが可能な熱電発電モジュール、および複数の熱電発電モジュールを高密度に配置して単位面積当たりの出力を大きくすることができる熱電発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（１９）を提供する。
（１）所定個数のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが平面状に配列され、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子の一方側の面どうし、および、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子の他方側の面どうしを電極により直列に接続してＰＮ素子対を構成してなり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するとともに、複数個接続されることにより熱電発電装置を構成する熱電発電モジュールであって、
端部の前記Ｐ型熱電素子および端部の前記Ｎ型熱電素子には、接続端子が接合されており、
前記接続端子は、加工により所定パターンに形成された、複数の熱電発電モジュールを接続するための配線に直接接続されるように構成されていることを特徴とする熱電発電モジュール。
（２）前記配線は、基体中に加工により所定パターンで形成され、前記基体には接続端子を差し込む接続口が形成されており、
前記接続端子はポール状をなし、前記接続端子を前記接続口に差し込むことにより、前記接続端子が前記配線に接続されることを特徴とする（１）に記載の熱電発電モジュール。
（３）前記基体は絶縁体からなり、前記配線は前記基体の内部に直接形成されていることを特徴とする（２）に記載の熱電発電モジュール。
（４）前記基体は導電体からなり、前記配線は前記基体の内部に絶縁材を介して形成されていることを特徴とする（２）に記載の熱電発電モジュール。
（５）前記配線は、パターン印刷によって形成されていることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の熱電発電モジュール。
（６）熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電発電モジュールと、熱源からの熱を受ける受熱板と、前記受熱板よりも低温に維持される冷却板と、加工により所定パターンに形成された、前記複数の熱電発電モジュールを接続するための配線とを有し、前記複数の熱電発電モジュールが、前記受熱板と前記冷却板との間に介装されてなる熱電発電装置であって、
前記熱電発電モジュールは、所定個数のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが平面状に配列され、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子の一方側の面どうし、および、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子の他方側の面どうしを電極により直列に接続してＰＮ素子対を構成してなり、端部の前記Ｐ型熱電素子および端部の前記Ｎ型熱電素子には、接続端子が接合されており、
前記複数の熱電発電モジュールの前記接続端子が、前記配線に直接接続されることにより、前記複数の熱電発電モジュールどうしが接続されることを特徴とする熱電発電装置。
（７）前記配線は、基体中に加工により所定パターンで形成され、前記基体には前記複数の熱電発電モジュールの接続端子を差し込む複数の接続口が形成されており、
前記複数の熱電発電モジュールの前記接続端子はポール状をなし、前記接続端子を前記接続口に差し込むことにより、前記接続端子が前記配線に接続され、前記複数の熱電発電モジュールが接続されることを特徴とする（６）に記載の熱電発電装置。
（８）前記基体は絶縁体からなり、前記配線は前記基体の内部に直接形成されていることを特徴とする（７）に記載の熱電発電装置。
（９）前記基体は導電体からなり、前記配線は前記基体の内部に絶縁材を介して形成されていることを特徴とする（７）に記載の熱電発電装置。
（１０）前記基体と前記配線とで配線板が構成され、前記配線板は、前記複数の熱電発電モジュールと前記冷却板との間に設けられていることを特徴とする（７）から（９）のいずれかに記載の熱電発電装置。
（１１）前記基体と前記配線とで配線板が構成され、前記配線板は、前記冷却板の外側の面に設けられていることを特徴とする（８）に記載の熱電発電装置。
（１２）前記基体は、前記冷却板の一部として構成され、前記配線は、前記冷却板の内部に絶縁材を介して形成されていることを特徴とする（７）に記載の熱電発電装置。
（１３）前記配線は、パターン印刷によって形成されていることを特徴とする（７）から（１２）のいずれかに記載の熱電発電装置。
（１４）前記受熱板および前記冷却板の間には、前記複数の熱電発電モジュールの配置空間を囲むように封止材が設けられ、前記受熱板および前記冷却板は前記封止材の外側の位置で締結材により締結されていることを特徴とする（６）から（１３）のいずれかに記載の熱電発電装置。
（１５）前記締結材には、前記受熱板および前記冷却板を互いに近づける方向に付勢する弾性を有する付勢部材が設けられていることを特徴とする（１４）に記載の熱電発電装置。
（１６）前記付勢部材がコイルばねであることを特徴とする（１５）に記載の熱電発電装置。
（１７）前記封止材がＯリングであることを特徴とする（１４）から（１６）のいずれかに記載の熱電発電装置。
（１８）前記複数の熱電発電モジュールは、これらが高実装密度で配置されるように、接続端子の配置位置が異なる複数タイプのものからなることを特徴とする（６）から（１７）のいずれかに記載の熱電発電装置。
（１９）前記複数の熱電発電モジュールは、接続端子の配置位置がすべて同一であり、前記熱電発電モジュールが高実装密度を実現するように配置されていることを特徴とする（６）から（１７）のいずれかに記載の熱電発電装置。

本発明によれば、端部のＰ型熱電素子および端部のＮ型熱電素子に接続端子を接合し、接続端子は、加工により所定パターンに形成された、複数の熱電発電モジュールを接続するための配線に直接接続されるように構成されているので、リード線を用いることなく熱電発電モジュールどうしを接続することができる。このため、従来必要であった配線スペースが不要となり、複数の熱電発電モジュールを高密度に配置して単位面積当たりの出力を大きくすることができる。

本発明の一実施形態に係る熱電発電装置を示す断面図である。 図１の熱電発電装置に搭載された熱電発電モジュールを示す断面図である。 図１の熱電発電装置に搭載された熱電発電モジュールの概略構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る熱電発電装置における熱電発電モジュールの配置例を示す図である。 熱電発電モジュールを図４のように配置した場合の配線パターンを示す図である。 図４，５に示す熱電発電モジュールの複数のタイプを説明するための図である。 従来の熱電発電装置における熱電発電モジュールの配置例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る熱電発電装置を示す断面図である。 配線板の配置の変形例を示す図である。 配線構造の変形例を示す図である。 配線構造の他の変形例を示す図である。 絶縁材で覆った状態の接続端子を示す図である。 熱電発電モジュールの配置の第１の変形例を示す図である。 熱電発電モジュールを図１３のように配置した場合の配線パターンを示す図である。 熱電発電モジュールの配置の第２の変形例を示す図である。 熱電発電モジュールを図１５のように配置した場合の配線パターンを示す図である。 熱電発電モジュールの配置の第３の変形例を示す図である。 熱電発電モジュールを図１７のように配置した場合の配線パターンを示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る熱電発電装置を示す断面図、図２は図１の熱電発電装置に搭載された熱電発電モジュールを示す断面図、図３は図２の熱電発電モジュールの概略構成を示す斜視図である。

熱電発電装置１００は、例えば、製鉄工場等から排出される熱エネルギーを電力に変換するためのものであり、複数の熱電発電モジュール１と、受熱板１０と、冷却板２０と、配線板３０とを有している。複数の熱電発電モジュール１は、受熱板１０と冷却板２０との間に挟み込まれるように設けられている。

受熱板１０と冷却板２０の間には、熱電発電モジュール１の配置空間を囲むように、封止材としてのＯリング４０が設けられており、Ｏリング４０の外側の位置で、受熱板１０と冷却板２０とがその四隅において締結材としてのボルト５０により締結されている。

受熱板１０は金属製であり、所定の熱源からの熱エネルギーを受けて加熱されるようになっている。一方、冷却板２０も金属製であり、冷却水等により冷却されるようになっている。これらは、それぞれ高温側および低温側の熱交換器として機能する。なお、熱源としては、製鉄所における高温の鋼材が例示される。

配線板３０は、複数の熱電発電モジュール１どうしを電気的に接続するためのものであり、複数の熱電発電モジュール１と冷却板２０との間に設けられており、絶縁体からなる基体３１の内部に所定パターンをなす配線３２が直接形成されている。

熱電発電モジュール１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、平面状に配列された所定個数のＰ型熱電素子２およびＮ型熱電素子３を有している。Ｐ型熱電素子２とＮ型熱電素子３は、下側電極４と上側電極５とにより、順次直列に接続されており、ＰＮ素子対群が形成される。下側電極４は、Ｐ型熱電素子２とＮ型熱電素子３の下面に接合され、上側電極５は、Ｐ型熱電素子２とＮ型熱電素子３の上面に接合されている。下側電極４と上側電極５は、例えば、電極層と拡散防止層との二層構造となっている。

下側電極４は電気絶縁性を有する下側薄膜基板６上に形成されており、上側電極５の上には電気絶縁性を有する上側薄膜基板７が設けられていて、所定個数のＰ型熱電素子２およびＮ型熱電素子３が下側薄膜基板６と上側薄膜基板７とにより上下から挟持されている。基板を省略して、電気絶縁性を有する熱交換器の表面に電極４、５を直接形成するようにしてもよい。

上側薄膜基板７は高温側の熱交換器である受熱板１０により加熱され、下側薄膜基板６は低温側の熱交換器である冷却板２０により冷却される。これにより生じた温度差によりゼーベック効果が生じ、熱電発電モジュール１のＰＮ素子対に起電力が発生して電流が流れる。

ＰＮ素子対群の一方の端部のＮ型熱電素子３と、他方の端部のＰ型熱電素子２には、それぞれ下側電極４を介して導電性材料からなる接続端子８が接合されている。接続端子８は下方に延びるポール状をなしており、この接続端子８が、配線板３０の配線３２に直接接続され、複数の熱電発電モジュール１間の電気的接続がなされる。

より具体的には、配線板３０の上面、すなわち絶縁体からなる基体３１の上面には、熱電発電モジュール１の接続端子８に対応する位置に配線３２に達する接続口３３が形成されおり、接続口３３に接続端子８が差し込まれることにより、接続端子８が配線３２に接続される。なお、基体３１は、絶縁性を保てる限り薄いほうが好ましい。

配線３２はパターン印刷により形成されることが好ましい。パターン印刷により所定パターンの配線を容易に形成することができる。また、配線３２を銅めっき等のめっきにより形成することもできる。例えば、基体３１を加工して配線パターンに対応する凹部を形成し、基体３１に銅が拡散しないようバリア材を入れた後、銅めっきして配線３２を形成することができる。

熱電発電装置１００は、例えば、図４に示すように、縦横４枚ずつ合計１６個の熱電発電モジュール１がマトリックス状に配列されており、各熱電発電モジュール１の接続端子８が、配線板３０の接続口３３に差し込まれ、配線３２に接続される（図１参照）。

配線板３０の内部の配線３２は、複数の熱電発電モジュール１が直列に接続されるようにパターン形成される。熱電発電モジュール１が図４のように配置される場合には、絶縁体からなる基体３１の内部の配線３２は、図５に示すパターンに形成される。なお、図４では、図５に示す、配線板３０の内部の配線３２のパターンも併せて示している。熱電発電装置１００は、直列に接続される複数の熱電発電モジュール１のプラス側の端部と、マイナス側の端部から電気ライン６０が引き出され、これらの電気ライン６０から電力が取り出される。

以上のような構成の熱電発電装置１００においては、熱電発電モジュール１がポール状の接続端子８を有し、この接続端子８が熱電発電モジュール１どうしを接続するための配線に直接接続されるようになっているので、リード線を用いることなく熱電発電モジュール１どうしを接続することができる。このため、配線スペースが不要であり、複数の熱電発電モジュールを高密度で配置した熱電発電装置を提供することができる。その結果、従来に比べて熱電発電装置内における熱電発電モジュールの実装密度を著しく高めることができ、単位面積あたりの発電量を多くすることができる。したがって、熱源から放出される熱エネルギーを高レベルで回収することができる。また、リード線を用いる必要がないので、絶縁性劣化による地絡を生じることもない。

特に、図４、５に示す熱電発電モジュール１の配置例では、図６に示すような、接続端子８の位置が異なるＡタイプ、Ｂタイプ、Ｃタイプの３つのタイプの熱電発電モジュールを接続端子８を内側にして、適切に配置することにより極めて高い実装密度を実現している。

図７は、従来の熱電発電装置１００′における熱電発電モジュールの配置例を示す図であり、図４と同様、縦横４枚ずつ合計１６個の熱電発電モジュール１をマトリックス状に配列した例である。この図に示すように、従来の熱電発電装置１００′では、複数の熱電発電モジュール１がリード線８０で接続されているため、配線スペースが必要であり、熱電発電モジュール１を高密度に配置することが困難である。図７と図４を比較すると明らかなように、従来の熱電発電装置１００′に比べて、本実施形態の熱電発電装置１００は、熱電発電モジュール１の実装密度が高くなっており、ほぼ２倍程度である。

また、従来は熱電発電モジュールを装着する際にリード線どうしを手作業で一対ずつ接続する必要があったが、本実施形態では接続端子８を配線板３０の接続口３３に差し込むだけの極めて簡単な操作で熱電発電モジュールを装着することができる。このため熱電発電モジュールの装着時間を大幅に削減することができ、生産性を著しく向上させることができる。

さらに、絶縁体からなる基体３１に配線３２を形成してなる配線板３０を冷却板２０側に設け、そこに熱電発電モジュール１の接続端子８を接続するようにしたので、受熱板１０から配線板３０や接続端子８への熱影響を抑制することができ、熱電発電装置１００の耐久性を高めることができる。すなわち、配線板３０およびそれに接続される接続端子８が高温の受熱板１０側に設けられている場合には、これらが高温になって、常温との熱応力が発生し、接続端子８および配線板３０そのものや、これらの接続部分が破損する危険性が高くなるが、これらを低温の冷却板２０側に設けることにより、このような危険性を回避することができる。

また、受熱板１０と冷却板２０（配線板３０）の間には、熱電発電モジュール１の配置空間を囲むように、封止材であるＯリング４０が設けられ、その状態で受熱板１０と冷却板２０が締結材であるボルト５０により締結されているので、熱電発電モジュール１の配置空間を密閉空間とすることができ、熱電素子の酸化等による劣化を抑制することができる。

そして、さらに図８に示すように、締結材であるボルト５０に、受熱板１０および冷却板２０を互いに近づける方向に付勢する弾性を有する付勢部材であるコイルばね７０を設けることにより、高温の受熱板１０に熱変形が生じた場合などにも封止材であるＯリング４０の密着性を良好に維持して熱電素子の酸化等を一層効果的に抑制することができるとともに、受熱板１０および冷却板２０の熱電発電モジュール１に対する熱接触状態を良好に保つことができる。このため、熱電発電装置１００の耐久性および発電効率をより高めることができる。

次に、配線の変形例について説明する。
図９は配線板の配置の変形例を示す図である。上記実施形態では、配線板３０を複数の熱電発電モジュール１と冷却板２０との間に設けたが、配線板３０は絶縁性の基体３１の中に配線３２が形成された構造であるため、熱抵抗が比較的高い。このため、図９の例では、配線板３０を冷却板２０の外側の面に設け、熱電発電モジュール１と冷却板２０を接触するようにしている。これにより、熱抵抗を低減して効率よく熱電発電を行うことができる。ただし、本例では、冷却板２０に貫通孔２１を設け、貫通孔２１を介して接続端子８が配線３２に接続されるように、接続端子８を長くし、かつ接続端子８が金属からなる冷却板２０と接触して導通しないように貫通孔の周囲に絶縁材２２を設ける必要がある。絶縁材２２は、例えば、貫通孔２１の内壁へテフロン（登録商標）等の樹脂をコーティングすること、貫通孔２１へシリコン材を注入すること、または、貫通孔２１に紙を挟むことにより形成することが可能である。また、接続口３３（図１参照）にも同様に絶縁材３４を設けることが必要である。

図１０、１１は、配線構造の変形例を示す図である。図１０の例では、図１の配線板３０の代わりに、導電体からなる基体３５の中に、絶縁材３６で覆った状態で配線３２を配置した配線板３０′を設けている。また、接続口３３にも絶縁材３４が設けられている。これにより、配線板３０′を配線板３０と同様に熱電発電モジュール１と冷却板２０との間に設けても、熱抵抗の問題は生じない。接続端子８の長さも図１と同様にすることができる。図１１の例では、配線板３０を設けず、配線３２を絶縁材３６で覆った状態で冷却板２０内に設けている。すなわち、冷却板２０の一部を基体として機能させる。これにより、熱電発電装置１００をよりコンパクトにすることができる。

なお、熱電発電モジュール１を近接して設けると、隣接する接続端子８が接触して短絡する可能性がある。そのような場合には、図１２に示すように、接続端子８の周囲を絶縁材３８で覆うことが好ましい。

次に、熱電発電モジュールの配置の他の例について説明する。
上記図４、５に示す例では、上述したように接続端子８の位置が異なるＡタイプ、Ｂタイプ、Ｃタイプの３つのタイプの熱電発電ユニットを用い、接続端子８を内側にして、実装密度が極めて高い配置を実現している。しかし、熱電発電モジュールが３種類あることにより、製造および組立が煩雑になるという問題がある。

そこで、１種類の熱電発電モジュールを用いて実装密度を極力高めた変形例について説明する。
図１３は熱電発電モジュールの配置の第１の変形例を示す図であり、図１４はその配線パターンを示す図である。この例では、上記パターンＡのみを用いて最密に実装した例である。ただし、この例では、配線３２の一部が外側に存在せざるを得ず、そのことで実装密度がやや低下してしまう。

図１５は熱電発電モジュールの配置の第２の変形例を示す図であり、図１６はその配線パターンを示す図である。この例では、一つの辺に２つの接続端子を設けた上記タイプＡ〜Ｃとは異なるタイプの熱電発電モジュールのみを用いて最密に実装しており、接続端子８を内側にした状態で、実装密度も高い。

図１７は熱電発電モジュールの配置の第３の変形例を示す図であり、図１８はその配線パターンを示す図である。この例においても、上記第２の変形例と同様、一つの辺に２つの接続端子を設けたタイプの熱電発電モジュールのみを用い、接続端子８を内側にして配置されているが、この例では、図８に示すＯリング等の封止材の配置を含めた熱電発電装置の全体を考慮している。すなわち、封止材４０がＯリングの場合、熱電発電モジュール群の四隅のモジュールの外側の角の部分で拘束されればよく、四隅以外の部分で熱電発電モジュール１がＯリングから若干突き出てもＯリングにより封止が可能である。第３の変形例では、この点を考慮して四隅の熱電発電ユニット１の位置をＯリングの拘束部分が極力内側になるように配置し、その代わりに、四隅以外の外周側の熱電発電ユニット１をＯリングから突き出るように配置して、同じタイプの熱電発電モジュールのみを用いながら、全体的な実装密度が図４、５の例から大きく低下しないようにしている。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、封止材としてＯリングを用いた場合を示したが、これに限らず、熱電発電モジュールの配置空間を密閉空間として封止できるものであれば他のものを用いることもできる。例えば封止治具を受熱板または冷却板に接合して封止材としてもよい。また、締結材としてボルトを用いた例を示したが、これに限るものではない。

また、付勢部材としてコイルばねを用いた例を示したが、これに限らず、例えばエラストマ材からなる弾性体を用いることもできる。

さらに、熱源として製鉄所における高温の鋼材を例示したが、これに限らず、種々の製造設備において受熱板に熱エネルギーを供給可能な物体であれば熱源として適用することができる。また、冷却板として冷却水等により冷却されるものを例示したが、冷却板は受熱板に対して低温に維持されていればよく、積極的な冷却手段が存在しなくてもよい。

さらにまた、上記実施形態では、複数の熱電発電モジュールを直列に接続した場合について説明したが、接続形態はこれに限るものではない。

さらにまた、上記実施形態では、熱電発電装置として１６枚の熱電発電モジュールを有するものを用いたが、熱電発電モジュールの数はこれに限定されるものではなく、また、複数の熱電発電モジュールを受熱板および冷却板で挟んだ構造のものを一つのユニットとし、このユニットを複数有するものを熱電発電装置とする場合も含まれる。

さらにまた、受熱板と冷却板の配置についても上記実施形態に限るものではなく、受熱板と冷却板とが上下逆でも、受熱板および冷却板の面が鉛直であってもよい。

さらにまた、熱電発電モジュールの接続端子としてポール状のものを例示したが、加工により形成された配線に直接接続可能であればこれに限るものではない。また、上記実施形態では、配線板を冷却板側に設けた例を示したが、これに限らず受熱板側に設けてもよい。ただし、上述したように、配線板や接続端子への熱影響を抑制して熱電発電装置の耐久性を高める観点からは、配線板を冷却板側に設けることが好ましい。

以下、本発明の実施例について説明する。
まず、ポール状の接続端子を有する熱電発電モジュールを配線板に差し込むことにより、図４に示すように縦横４枚ずつ合計１６個マトリックス状に配列した図１に示す断面構造の熱電発電装置を作製した（本発明例１）。熱電発電モジュールの平面サイズは５０ｍｍ×５０ｍｍであり、熱電発電装置の平面サイズは２３５ｍｍ×２３５ｍｍである。各熱電発電モジュールの発電量は１５Ｗであり、合計の発電量は２４０Ｗとなった。

比較のため、本発明例１と同様の平面サイズの熱電発電モジュールどうしを従来のようにリード線で接続して、縦横４枚ずつ合計１６個マトリックス状に配列し、図７に示す熱電発電装置を作製した（比較例１）。その結果、本発明例１と同様、各熱電発電モジュールの発電量は１５Ｗであり、合計の発電量は２４０Ｗとなったが、配線スペースが必要であるため、比較例１の熱電発電装置の平面サイズは２８０ｍｍ×４００ｍｍと全体の面積が本発明例１の２倍程度となり、熱電発電モジュールの配置密度が低いことが確認された。また、比較例１の熱電発電装置は、使用中に、リード線の絶縁が悪化し、地絡が発生した。

このように、本発明例１の熱電発電装置では、熱電発電モジュールの接続にリード線が不要であるため、リード線を用いた比較例１よりも熱電発電モジュールの配置密度を２倍程度に高めることができ、また、本発明例１では、ポール状の接続端子を配線板にワンタッチで接続することができるため、リード線同士を手作業で一対ずつ接続する比較例１の場合よりも、熱電発電モジュールの熱電発電装置への組み込み時間を大幅に削減でき、生産性が向上した。また、本発明例１では地絡が生じないため、絶縁不良による故障を大幅に低減することができた。

次に、図４に示すように縦横４枚ずつ合計１６個マトリックス状に配列した図８に示す断面構造の熱電発電装置を作製した（本発明例２）。すなわち、本発明例２は、本発明例１の熱電発電装置に付勢部材であるコイルばねを付加したものである。その結果、本発明例２では、本発明例１に比べて熱接触状態が向上し、出力が約５％向上した。また、本発明例１よりもＯリングの着性が良好に維持され、耐久性の高いものとなった。

本発明は、製鉄工場に限らず、種々の工業用設備や、エンジンにて駆動される自動車、建設機械、鉄道車両等、熱を発生する種々の装置ないし設備に適用することが可能である。

１ 熱電発電モジュール
２ Ｐ型熱電素子
３ Ｎ型熱電素子
４ 下側電極
５ 上側電極
６ 下側薄膜基板
７ 上側薄膜基板
８ 接続端子
１０ 受熱板
２０ 冷却板
２１ 貫通孔
２２，３４，３６，３８ 絶縁材
３０，３０′ 配線板
３１ 絶縁体からなる基体
３２ 配線
３３ 接続口
３５ 導電体からなる基体
４０ Ｏリング（封止材）
５０ ボルト（締結材）
６０ 電気ライン
７０ コイルばね
１００ 熱電発電装置

Claims (9)

1. 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電発電モジュールと、熱源からの熱を受ける受熱板と、前記受熱板よりも低温に維持される冷却板と、加工により所定パターンに形成された、前記複数の熱電発電モジュールを接続するための配線とを有し、前記複数の熱電発電モジュールが、前記受熱板と前記冷却板との間に介装されてなる熱電発電装置であって、
   前記熱電発電モジュールは、所定個数のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが平面状に配列され、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子の一方側の面どうし、および、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子の他方側の面どうしを電極により直列に接続してＰＮ素子対を構成してなり、端部の前記Ｐ型熱電素子および端部の前記Ｎ型熱電素子には、接続端子が接合されており、
   前記複数の熱電発電モジュールの前記接続端子が、前記配線に直接接続されることにより、前記複数の熱電発電モジュールどうしが接続され、
   前記配線は、基体中に加工により所定パターンで形成され、前記基体には前記複数の熱電発電モジュールの接続端子を差し込む複数の接続口が形成されており、
   前記接続端子はポール状をなし、前記接続端子を前記接続口に差し込むことにより、前記接続端子が前記配線に接続され、
   前記基体は絶縁体からなり、前記配線は前記基体の内部に直接形成されており、
   前記基体と前記配線とで配線板が構成され、前記配線板は、前記冷却板の外側の面に設けられていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記冷却板は、前記接続端子が貫通する貫通孔を有し、前記接続端子は、前記貫通孔を貫通した後、前記接続口に差し込まれて配線に接続され、前記貫通孔の周囲に絶縁材が設けられて前記冷却板と前記接続端子が絶縁されることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記配線は、パターン印刷によって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記受熱板および前記冷却板の間には、前記複数の熱電発電モジュールの配置空間を囲むように封止材が設けられ、前記受熱板および前記冷却板は前記封止材の外側の位置で締結材により締結されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
5. 前記締結材には、前記受熱板および前記冷却板を互いに近づける方向に付勢する弾性を有する付勢部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。
6. 前記付勢部材がコイルばねであることを特徴とする請求項５に記載の熱電発電装置。
7. 前記封止材がＯリングであることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
8. 前記複数の熱電発電モジュールは、これらが高実装密度で配置されるように、接続端子の配置位置が異なる複数タイプのものからなることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
9. 前記複数の熱電発電モジュールは、接続端子の配置位置がすべて同一であり、前記熱電発電モジュールが高実装密度を実現するように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

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