JP6371990B2 - 熱電変換モジュールとその製造方法、ならびに熱電発電システムとその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、熱（温度差）と電気とを相互変換する熱電変換モジュール、特に発電を行うモジュールならびにその製造方法およびそのモジュールを使用した熱電発電システムに関する。

現代の産業社会においては、特に工場、発電所、製鉄所、自動車や、ビル、照明、船舶などを中心に、全一次エネルギー供給量の６０％以上の膨大な廃熱が地球環境に排出されており、その７５％以上が２５０℃以下の排水や排気と推定されている。熱電発電は、これらの無駄に捨てられる熱から電気を起こすゆえに、地球環境の保護に極めて有用である。これらの廃熱は一般的に円筒状の排気パイプや排水パイプ等の排熱パイプを通じて輸送されるため、これらの廃熱を熱電発電の熱源として簡便に効率よく利用するためには、熱電変換モジュールは排熱パイプの湾曲した外表面に密着させることができるフレキシブルなものである必要がある。また利用する熱源の温度が低くかつ温度差が小さい故に効率が低いために、発電モジュールとして機能するためには内部抵抗の小さいことが必須である。したがって低抵抗な多数の熱電素子ができるだけ小さな面積に実装され、かつ量産性の良い低コストのモジュールである必要がある。さらに熱電素子にできるだけ温度差を与えるために、実装基板等の熱抵抗、パイプへの装着の際の接触熱抵抗が小さいことが必要である。従来開示されているフレキシブルな熱電変換モジュールとして特許第５２２８１６０号公報に記載のものが知られている。

特許第５２２８１６０号公報 特許文献１には図２９、図３０、図３１、図３２に示すような、樹脂薄膜からなる基板１上の実装ランド２に微小なバルク熱電素子チップ３が高密度実装され、実装ランド間で基板１が少しずつ曲がることによってフレキシブル性を持たせた熱電変換モジュールと、複数の熱電変換モジュールを温排水パイプ外面に装着し、モジュール外側を水冷する手段を具備した熱電発電システムが開示されている。この技術により、熱電素子モジュールを湾曲した排水パイプに沿わせ密着させることができるようになった。４は配線、５は排水パイプである。

しかしながら、特許文献１の技術によれば、片面の熱電素子３間の接続を導電ペースト印刷だけで接続させるため、導電ペーストの形状に凹凸ができる事で、電気抵抗がばらつき、また、表面からの熱伝導にばらつきが生じる。また、導電ペーストが熱電素子３間に垂れ下り断線する危険性があるため熱電素子３間を樹脂で埋める工程が必要となる。また、フレキシブル基板１の両面にメタルは形成されているものの接続されておらず、排水パイプとの密着面は銅箔のみのため、排水パイプとの間に隙間が生じる事で、熱伝導が不十分となる。

また、その冷却方法として、従来、図３３に示すような排水パイプ５の管軸方向に垂直な湾曲面に沿って湾曲した複数あるいはスパイラル状の冷却管６を熱電変換モジュール７の外周に配置した熱交換器が試みられてきた。しかし、固定された固い冷却管６を用いるこの方法では、熱電変換モジュール７外面の排水パイプ５の中心軸からの距離のばらつきや冷却管６の湾曲の曲率半径のばらつき等によって、熱電変換モジュール７の外面と冷却管６の内面との間に空隙８が生じてしまい所望の冷却性能が得られず発電効率が上がらないという課題があった。９は冷却水である。

発明の熱電変換モジュールは、樹脂薄膜からなる２枚のフレキシブル基板上の実装ランドに複数の熱電素子を高密度実装し、片方のフレキシブル基板に、フレキシブル性を持たせる為に複数スリットを設けたことを特徴とする。
また、前記２枚のフレキシブル基板の実装ランドで、前記熱電素子間の接続を行うことにより電気抵抗を下げ、熱電変換効率を向上させることを特徴とする。
また、前記２枚のフレキシブル基板の、少なくとももう一方の基板の外面に熱伝導シートを設け、排熱パイプに密着させることで、前記排熱パイプからの熱を効率よく伝達することを特徴とする。

また、前記フレキシブル基板の両面にメタルを設け、この両面のメタルを接続することで、熱抵抗を下げることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の熱電変換モジュール。
また、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は１枚のフレキシブル基板の実装ランド上にｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子を自動実装機を用いて高密度実装する工程と、実装ランド上に導電ペーストを印刷した他の１枚のフレキシブル基板に、前記フレキブル基板を一括実装する工程とを備えたことを特徴とする。また、本発明の熱電発電システムは熱電変換モジュールの高温側となる排熱パイプと逆側に、冷却用のヒートシンク、又は、水冷管が、熱伝導シートにより固定されていることを特徴とする。

また、同熱電発電システムは微小な熱電素子を樹脂薄膜等からなる基板上の実装ランドに高密度実装した熱電変換モジュールが、排熱パイプの外面に装着されていて、前記熱電変換モジュールの外側を冷却する手段を具備した熱電発電システムにおいて、前記冷却する手段が高熱伝導性と可撓性を有するフレキシブル熱伝導基板とその上に形成される複数の放熱フィンにより構成されていて、前記放熱フィンが排熱パイプの管軸に平行に前記フレキシブル熱伝導基板上に設けられていて、前記フレキシブル熱伝導基板が排熱パイプの外面に沿って湾曲し、排熱パイプに密着した構造をとることを特徴とする。
また、同熱電発電システムは微小な熱電素子チップを樹脂薄膜等からなる基板上の実装ランドに高密度実装した熱電変換モジュールが、排熱パイプなどの熱源の外面に装着されていて、かつ前記熱電変換モジュールの外側を冷却する手段を具備した熱電発電システムにおいて、前記冷却する手段が複数の冷却管により構成されていて、前記冷却管が、お互いどうしは完全には固着されておらず、少なくとも前記熱電変換モジュールの外側表面の湾曲あるいは屈曲に沿う自由度を残し、緩く繋がっていることを特徴とする。

また、同熱電発電システムは冷却管相互の保持方法が、冷却管の側面の一部分に、フレキシブルシートを張り付けてお互いを繋ぐ、あるいは冷却管どうしをワイヤで結ぶ構造であることを特徴とする。
また、同熱電発電システムは前記フレキシブルシートが放熱シートであって、前記放熱シートと熱電変換モジュールの外側とが密着する構造であることを特徴とする。
また、同熱電発電システムは金属製シート上に前記冷却管どうしを平行に配設し、前記熱電変換モジュールに密着させた構造を特徴とする。
また、同熱電発電システムはそれぞれの前記冷却管への冷却液の注水、排水のための配水管として、前記冷却管相互の位置関係を完全には固着させない柔軟性を有するフレキシブルな薄肉細管や樹脂チューブが用いられていることを特徴とする。
さらに、同熱電発電システムの製造方法はあらかじめ、前記フレキシブル熱伝導基板あるいは前記冷却管に前記熱電変換モジュールを貼り付けた後、前記排熱パイプの表面に前記熱電発電システムを沿わせて密着、固定させることを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュールによれば、片方のフレキシブル基板にスリットを設ける事で、フレキシブル基板が２枚のデバイス構造でも曲げやすくなり、排熱パイプの曲面に追従することができる。また熱源となる排熱パイプとの装着面は、熱伝導シートにより完全に密着させる事ができるため、熱電素子への熱伝導ばらつきを低減できる。

また、熱電素子間は、両側ともフレキシブル基板のランドで接続されているため、熱電素子間への導電ペースト沈みこみなどによる導電ペーストの形状や、硬化状態による電気抵抗のばらつきは無い。また、表面の凹凸が小さいため、外側に水冷管を装着した場合でも、均一に冷却する事が可能となる。
また、両面にメタルが形成され接続されているフレキシブル基板であり、従来の構造で、最も熱抵抗が高い箇所であるポリイミド基材の厚み方向の熱伝導率を上げることができる。このことで、熱源側、冷却側とも良好な熱伝導が得られ、熱電素子に、ロスなく温度差をつけることができる。
また、１枚目のフレキシブル基板に実装された熱電素子と２枚目の実装ランド上に導電ペーストを印刷したフレキシブル基板を重ね合わせて一括で実装することにより、効率よく生産が可能である。
また、ヒートシンク、または冷却管と、熱電変換モジュールが、熱伝導シートにより密着しているため、個々の熱電素子にかかる温度差のばらつきが低減し、熱電変換効率を高めることが可能である。

また、単純な構造で簡便に、冷却管群が湾曲する熱電変換モジュールの外表面に容易に沿い密着する構造の熱電発電システムを実現することができる。これらは、既存の配管上に施工することができるため、熱電発電システムを設置する際に、わざわざ複雑で高コストな専用配管に交換する必要がなくなる。また本発明により、熱電変換モジュールの湾曲した外表面に沿って曲げた複数の冷却銅管、あるいはスパイラル状の冷却銅管を用いていた従来の熱電発電システムで課題となっていた、熱電変換モジュール外面の排熱パイプ中心軸からの距離のばらつきと冷却銅管の湾曲の曲率半径のばらつき等によって生じる熱電変換モジュール外面と冷却銅管内面との間の空隙が解消されるため、飛躍的な冷却性能の向上を実現することができる。これにより、従来技術に比べ、発電効率が高く、かつ低コストで、施工性、信頼性が高い熱電発電システムを実現することができる。
また、熱電変換モジュールと冷却管あるいは放熱フィンを形成した熱交換器との間の熱抵抗を安定的に低く維持することができるとともに、熱電発電システムの排熱パイプへの設置施工が容易かつ安定的に行える。

図１は本発明の一実施形態における熱電変換モジュールの平面図である。
図２は同熱電変換モジュールのフレキシブル基板の平面図である。
図３は第１図のＡ−Ｂ断面図である。
図４は第１図のＣ−Ｄ断面図である。
図５は、同下側のフレキシブル基板に、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を、フレキシブル基板の実装ランドへ搭載した部分拡大平面図である。
図６は、同上側フレキシブル基板の実装ランドに、導電ペーストを印刷した部分拡大平面図である。
図７は、同上側フレキ基板の図６と反対面を示す図である。
図８は、同排熱パイプに、冷却水パイプを貼り付け、止め金で固定した斜視図である。

図９は、同冷却水パイプを表側から見た斜視図である。
図１０は、同冷却水パイプの裏側に、熱電変換モジュールを貼り付けた斜視図である。
図１１は、同温排水パイプに装着された、熱電変換モジュールの部分拡大断面図である。
図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８は同熱電変換モジュールの製造フローの部分拡大断面図である。
図１９は、同排熱パイプに設置する熱電発電システムを示す斜視図である。
図２０は、熱交換器と熱電変換モジュールとで構成される熱電発電システムを排熱パイプに設置した状態の、温排気パイプの管軸方向に垂直な面における断面図である。

図２１は、熱交換器と熱電変換モジュールとで構成される熱電発電システムを排熱パイプに設置した状態の、排熱パイプの管軸方向に平行な面における断面図である。
図２２は同他の実施形態における熱交換器とそれに密着した熱電変換モジュールで構成される熱電発電システムを示す斜視図である。
図２３は、同熱交換器と熱電変換モジュールとで構成される熱電発電システムを排熱パイプに設置した状態の、排熱パイプの管軸方向に垂直な面における断面図である。

図２４は、同熱電発電システムを排熱パイプに設置した状態の、排熱パイプの管軸方向に平行な面における拡大断面図である。
図２５は同熱電発電システムを排熱パイプに設置した状態の、排熱パイプの管軸方向に平行な面における断面図である。
図２６、図２７は同熱交換器が金属シートとその上に平行に配設された冷却管とで構成される形態を示す斜視図及び断面図である。
図２８は同熱電発電システムの製造方法を示す斜視図である。
図２９、図３０、図３１、図３２、図３３は従来の熱電変換モジュール、ならびに熱電発電システムを示す図である。

本発明の一実施形態を、図１、図２に示す。図１はフレキシブル基板１０を下側にして、熱電素子１１を搭載した平面図である。ｐ型熱電素子１１ａとｎ型熱電素子１１ｂがＡＢ方向では同じものがＣＤ方向では交互に搭載されている。
１２は治具穴である。図２の上側のフレキシブル基板１３は、ランド部で熱電素子１１と接合される。また、フレキシブル基板１３はＡ−Ｂ間で曲げやすくするための複数本のスリット１４がＣＤ方向に入っている。スリット１４の幅は、約０．２ｍｍであり、フレキシブル基板１３を製造する時に、金型パンチにより形成される。下側基板１０と上側基板１３には、両基板を精度良く合わせるための治具穴１２が４隅にある。

図３は、熱電変換モジュールの図１に示したＡ−Ｂ間の断面図である。フレキシブル基板１０、１３の基材となるポリイミドは、貫通孔により両面にあるＣｕ配線１５、実装ランド１６が繋がっている。ポリイミド（フレキシブル基板１０、１３）の厚みは、１０μｍ〜３８μｍ、Ｃｕ配線１５の厚みは、８μｍ〜３５μｍである。また、熱電素子１１は、上側と下側基板の実装ランド１６に、導電ペースト１７により接合されている。導電ペースト１７は、熱電変換モジュールを使用する配管の排熱温度により使いわける。低温タイプ（１５０℃）はＳｎ‐Ａｇ‐Ｂｉ系のはんだ等、融点が１５０℃以上のはんだを用い、高温タイプ（２５０℃）は、Ａｕ‐Ｓｎはんだ等、融点が２５０℃以上のはんだを用いる。１８は実装ランド１６を覆うソルダーレジスト、１９は外側となる熱伝導シートである。
図４は熱電変換モジュールの図１に示したＣ−Ｄ間の断面図である。基板１０、１３の同一実装ランド１６に、ｐ型熱電素子１１ａとｎ型熱電素子１１ｂが１個ずつ搭載され、実装ランド１６は、それを直列に接続する配線を兼ねている。

図５は、下側のフレキシブル基板１０に、ｐ型熱電素子１１Ａとｎ型熱電素子１１ｂを、フレキシブル基板１０の実装ランド１６へ搭載した部分拡大図である。実装ランド間は、導電ペースト１７の流れだしによるショートを防ぐためソルダーレジスト１８が印刷されている。ソルダーレジスト１８の厚みは、約５μｍ〜４０μｍである。

図６は、上側フレキシブル基板１３の実装ランドに、導電ペースト１７を印刷した部分拡大図である。上側フレキシブル基板１３には、曲がりやすくするため、スリット１４を形成している。図７は、上側フレキシブル基板１３の、図６と反対面である。図８は、排熱パイプ２０に、冷却水パイプ２１を貼り付け、止め金２２で固定した図である。２３は冷却水注入口、２５は冷却水排出口である。２６は温排水注入口である。図９は、冷却水パイプ２１を表側から見た図である。図１０は、冷却水パイプ２１の裏側に、熱電変換モジュール２４を貼り付けた図である。冷却水パイプ２１は２分割されており、排熱パイプ２０に装着する際に、接合して使用する。図１１は、排熱パイプ２０に装着された、熱電変換モジュール２４の部分拡大断面図である。熱電変換モジュール２４の両面に形成した熱伝導シート１９で、排熱パイプ２０、及び、冷却水パイプ２１に、隙間なく接着される。

熱伝導シート１９には粘着性をもたせ前記接着を容易にすることができる。例えば、アクリル等の粘着性物質に、シリカや金属などのフィラーを混ぜてシートにしたものであり、厚みは、約１０μｍ〜１００μｍである。なお以上の実施形態において、上側フレキシブル基板１３の基材にシリコーン樹脂シート等の伸びる素材を用い、スリットはＣｕ配線１５に形成しても良い。伸びる基材使用により容易に曲げることができる。
図１２は、熱電変換モジュール２４の製造フロー部分拡大断面図である。図１２から図１８の手順で製造することができる。図１２は下側のフレキシブル基板１０に設けられた実装ランド１６に対しソルダーレジスト１８を設ける。図１３は下側のフレキシブル基板１０の実装ランド１６へ、導電ペースト１７をスクリーン印刷する。図１４では、表面実装機を用いｐ型熱電素子１１ａとｎ型熱電素子１１ｂを搭載し、加熱して、導電ペースト１７を硬化させる。次に、図１５では上側フレキシブル基板１３の実装ランド１６へ導電ペースト１７をスクリーン印刷する。次に、図１６では下側フレキシブル基板１０と上側フレキシブル基板１３の治具穴１２で位置合わせを行い、金属の規制治具２７により、上側フレキシブル基板１３に形成した導電ペースト１７を下側フレキシブル基板１０の熱電素子１１に貼り合わせ、治具２７により固定した状態で、加熱し、導電ペースト１７の硬化を行う。次に、図１７では上側フレキシブル基板１３と下側フレキシブル基板１０に、熱伝導シート１９を貼り付ける。最後に、図１８に示すように冷却水パイプ２１の内面に、熱伝導シート１９を介し貼り付ける。

「実施形態の効果」
この実施形態によれば、多数の熱電素子１１を搭載した下側フレキシブル基板１０に、上側フレキシブル基板１３の実装ランド１６を介し接合することで、ｎ型熱電素子１１ｂとｐ型熱電素子１１ａを、実装ランド１６を配線として兼用することで、電気抵抗を下げることができ、熱電変換効率を高めることが可能となった。
従来、ｐ型熱電素子１１ａとｎ型熱電素子１１ｂを接続するために、導電性ペーストによる配線を使用していたが、この配線を形成するために、熱電素子間の隙間を樹脂で埋める必要があったが、今回の発明により、不要となった。導電ペーストによる配線では、配線表面の凹凸により、冷却水パイプとの密着性が悪く、熱伝導性が悪化する要因となっていたが、上側フレキシブル基板１３の実装ランド１６で、配線を兼用することで、この課題が解決できた。

温排水や温排気などの排熱パイプ２０や冷却水パイプ２１のような曲面に対しても、上側フレキシブル基板１３のスリット１４により、熱電発電モジュール２４が曲がりやすく装着が容易となる。熱伝導シート１９とフレキシブル基板の両面のＣｕ配線１５により、排熱パイプと冷却水との温度差を、熱電素子間にロス少なく伝えることが可能となり、これにより熱電変換効率を高めることができる。
熱電変換モジュール２４の両面に熱伝導シート１９を貼ることにより、排熱パイプ２０、及び、冷却水パイプ２１との密着性が良くなると同時に、予め冷却水パイプ２１へ熱電変換モジュール２４を貼り付けることで、排熱パイプ２０で固定するだけの作業となり施工が容易となる。特に粘着性のある熱伝導シートを用いればより容易となる。

「他の実施形態１」
本発明の他の実施形態について説明する。図で前の実施形態と同一物については同一番号を付して説明する。図１９に、排熱パイプ２０に設置する熱電発電システムを示す。熱電発電システムは、熱交換器とそれに密着した熱電変換モジュール２４で構成される。熱交換器は、フレキシブル熱伝導基板３０と放熱フィン２８により構成される。本実施形態では、フレキシブル熱伝導基板３０には厚さ１０〜２００μｍのアルミニウム製のシートを用いた。同じく放熱フィン２８にも、厚さ１０〜５００μｍのアルミニウムを用いた。フレキシブル熱伝導基板３０、放熱フィン２８の材質は、例えば銅などの高熱伝導性を有する他の材料を用いてもよい。また、フレキシブル熱伝導基板３０は、容易に湾曲でき、熱電変換モジュール２４と密着した状態で排熱パイプ２０に密着できる可撓性を有する薄さがあればよい。

図２０に熱交換器と熱電変換モジュール２４とで構成される熱電発電システムを排熱パイプ２０に設置した状態の、排熱パイプ２０の管軸方向に垂直な面における断面図を示す。熱電変換モジュール２４は、その最外層の熱伝導シート３１を介してフレキシブル熱伝導基板３０に密着している。本実施形態では間に熱伝導シート３１を介した構成を例示したが、その代わりに薄い接着層により熱電変換モジュール２４とフレキシブル熱伝導基板３０とを直接接着して構成してもよい。一方、熱源である排熱パイプ２０への熱電発電システムの設置は、熱伝導シート２９を介して貼り付ける。熱伝導シート２９には、排熱パイプ２０の表面温度に耐え、高熱伝導性を有する例えば、ポリウレタン系樹脂、もしくはシリコーン樹脂、シリコーンゴム、あるいはグラファイトシート、窒化ボロンペーストなどを用いる。また、排熱パイプ２０の表面粗さに応じて、所定のクッション性を有する熱伝導シート２９を用いる。

放熱フィン２８は、図示するように、排熱パイプ２０の管軸に平行な方向に所定の間隔で並べてフレキシブル熱伝導基板３０上に設置する。
熱交換フィン２８には、図１９のように下部の矢印Ｗの方向から送風ファンにより所定の風量の風が送風され、冷却される。本実施形態では、送風ファンによる強制空冷の例を示したが、本発明は、送風ファンを用いない自然空冷のシステムにおいても適用できる。
図１９では、わかりやすいように一つのモジュールの部分だけを抜き出して図示しているが、目的に応じ複数の熱電変換モジュール２４をフレキシブル熱伝導基板３０に並べ、排熱パイプ２０の外周を囲む構成をとってもよい。
図２１に、熱交換器と熱電変換モジュール２４とで構成される熱電発電システムを排熱パイプ２０に設置した状態の、排熱パイプ２０の管軸方向に平行な面における断面図を示す。熱電発電システムは、熱交換器端部、あるいは中央部のフレキシブル熱伝導基板３０の面上から固着バンド３２を用いて縛り排熱パイプ２０に固着させる。下部に熱電変換モジュール２４がない端部などにおいては、図示するように高断熱スペーサ３３を枕にして、その上から締める。高断熱スペーサ３３には、例えばグラスウール繊維やセラミック繊維などからなる断熱シートを用いた。

本実施形態においては、排熱パイプ２０の管軸（紙面右方向）に平行な方向に放熱フィン２８がフレキシブル熱伝導基板３０上に設置されているため、管軸方向には熱電発電システムを排熱パイプ２０に密着させるに十分な曲げ強度を有し、かつ、直行する湾曲方向には、各々の放熱フィンが設けられているフレキシブル熱伝導基板３０が容易に湾曲することと、本発明の熱電変換モジュールの特徴である可撓性により、排熱パイプ２０の湾曲面に沿って自由に湾曲させることができるため、熱電発電システムを排熱パイプ２０に沿って簡単に密着させることができた。これは、本発明の特徴である放熱フィン２８の面に平行な方向には固く、それと直行する湾曲方向にはフレキシブルに角度を変えられる構造により、放熱フィン２８の面が排熱パイプ２０の管軸と多少角度をもった状態で熱電発電システムを排熱パイプ２０にとりつける場合でも、「すだれ」のように、自ら排熱パイプ２０の湾曲面に馴染み、その表面に密着させることができる特徴による効果が寄与している。
本実施形態により、従来の冷却構造で問題となっていた熱交換器と熱電変換モジュールの間に生じる空隙により所望の冷却性能が得られない課題を大幅に改善することができ、発電効率が飛躍的に向上した。

「他の実施形態２」
本発明の他の実施形態２を図２２に示す。図で前の実施形態と同一物については同一番号を付して説明する。熱交換器とそれに密着した熱電変換モジュール２４で構成される熱電発電システムを示す。熱交換器は、複数の冷却管３４により構成される。冷却管３４どうしはフレキシブルシート３５により繋がっている。熱電変換モジュール２４と冷却管３４は密着している。本実施形態では、冷却管３４には、断面の外寸が３〜２０ｍｍ角で両端が封じられた銅製の矩形管を用いた。冷却管３４の両端には継手３６が設けられていて、それを介して冷却水が矢印Ｗのように冷却管３４に流入・流出し、密着する熱電変換モジュール２４の表面を冷却する構造になっている。フレキシブルシート３５には、例えば耐熱性のシリコーンゴム、あるいはシリコーンゴムと高断熱性のグラスウール繊維ないしはセラミック繊維からなる積層シートを用いた。冷却管３４の材質は、銅以外の高熱伝導性を有する材料を用いてもよい。

図２３に熱交換器と熱電変換モジュール２４とで構成される熱電発電システムを排熱パイプ２０に設置した状態の、排熱パイプ２０の管軸方向に垂直な面における断面図を示す。熱電変換モジュール２４は、その最外層の熱伝導シート３１を介して冷却管３４の底面に密着している。本実施形態では冷却管３４は、その底面がフラットな矩形管を用いたが、円柱管などの曲率を有する冷却管を用いてもよい。熱伝導シート１９には、厚さ５０〜５００μｍの可撓性とクッション性を有するポリウレタン系樹脂あるいはシリコーン樹脂あるいはシリコーンゴムを用いた。

冷却管３４は、排熱パイプ２０の管軸に平行な方向に所定の間隔で並ぶようにフレキシブルシート３５により、お互いが繋がれる。フレキシブルシート３５の代わりに、ワイヤでそれぞれの冷却管３４を繋いでもよい。本実施形態では、冷却管３４どうしの連結をフレキシブルシート３５を介して行ったが、接着性を有する熱伝導シート２９を介して、直接熱電変換モジュール２４に接着することで、各々の冷却管を連結してもよい。その場合は、フレキシブルシート３５は無くてもよい。

図２２では、わかりやすいように一つのモジュールの部分だけを抜き出して図示しているが、目的に応じ複数の熱電変換モジュール２４を並べ、排熱パイプ２０の外周を囲む構成をとってもよい。
図２４に、熱電発電システムを排熱パイプ２０に設置した状態の、排熱パイプ２０の管軸方向に平行な面における断面の拡大図を示す。熱電発電システムは、熱交換器端部、あるいは中央部の冷却管３４の上部から固着バンド３２を用いて縛り排熱パイプ２０に固着させる。下部に熱電変換モジュール２４がない端部においては、図示するように高断熱性を有するフレキシブルシート３５を枕にして、その上から締める。フレキシブルシート３５を冷却管３４の連結に使用しない場合は、フレキシブルシート３５同様に高断熱性を有する高断熱スペーサをフレキシブルシートの代わりに下敷きにし、その上部から固着バンド３２を用いて縛り、排熱パイプ２０に熱電発電システムを密着させる。

熱電発電システムは、熱交換器端部、あるいは中央部の冷却管３４の上部から固着バンド３２を用いて縛り排熱パイプ２０に固着させる。下部に熱電変換モジュール２４がない端部においては、図示するように高断熱性を有するフレキシブルシート３５を枕にして、その上から締める。フレキシブルシート３５を冷却管３４の連結に使用しない場合は、フレキシブルシート３５同様に高断熱性を有する高断熱スペーサをフレキシブルシートの代わりに下敷きにし、その上部から固着バンド３２を用いて縛り、排熱パイプ２０に熱電発電システムを密着させる。

図２５に、熱電発電システムを排熱パイプ２０に設置した状態の、排熱パイプ２０の管軸方向に平行な面における断面図を示す。冷却管３４を冷却するための冷却水の注水、排水に用いられる冷却水チューブ３７には、冷却管相互の位置関係が、そのチューブによって固定されないよう、柔軟性を有するフレキシブルな銅製あるいはアルミニウム製の薄肉金属細管、あるいは樹脂チューブを用いた。各冷却管に接続する冷却水チューブ３７は、元管から並列に、あるいは各冷却管を順次直列に繋ぐように冷却管に接続される。

本実施形態においては、排熱パイプ２０の管軸に平行な方向に冷却管３４が配列されるようフレキシブルシート３５、あるいは熱電変換モジュール２４の最外層の熱伝導シート１９を介して配列しているため、管軸方向には熱電発電システムを排熱パイプ２０に密着させるに十分な曲げ強度を有し、かつ直行する湾曲方向には、各々の冷却管が自由に向きを変えられる自由度を残した構成であることと、本発明の熱電変換モジュール２４の特徴である可撓性により、排熱パイプ２０の湾曲面に沿って自由に湾曲させることができるため、熱電発電システムを排熱パイプ２０に沿って簡単に密着させることができた。これは本発明の特徴である冷却管３４の長手方向には固く、それと直行する湾曲方向にはフレキシブルに角度を変えられる構造により、冷却管３４が排熱パイプ２０の管軸と多少角度をもった状態で熱電発電システムを排熱パイプ２０にとりつける場合でも、「すだれ」のように、自ら排熱パイプ２０の湾曲面に馴染み、その表面に密着させることができる特徴による効果が寄与している。
本実施形態により、従来の冷却構造で問題となっていた熱交換器と熱電変換モジュールの間に生じる空隙により所望の冷却性能が得られない課題を大幅に改善することができ、発電効率が飛躍的に向上した。

「他の実施形態３」
本発明の他の実施形態３として、図２６及び２７に、前述の実施形態２において熱交換器が金属シート３８とその上に平行に配設された冷却管３４とで構成される形態を示す。ここでは冷却管３４と同じく、厚さ１０〜３００μｍの銅製の金属シート３８を用いた。冷却管３４と金属シート３８は高熱伝導性の接着剤で固着したが、必要に応じ銀ロウで固着してもよい。その他の構成、作用、効果は実施形態２と同様である。３９は高断熱スペーサである。

「熱電発電システムの製造方法の実施形態」
図２８に本発明の熱電発電システムの製造方法の実施形態を示す。熱電発電システムは、あらかじめ熱電変換モジュール２４を冷却管３４に貼り付けた後、排熱パイプの表面に熱電発電システムを沿わせて湾曲させ、密着・固定させる。これにより、少なくとも熱電変換モジュール２４と冷却管３４が固着されるため、熱電変換モジュール２４と冷却管３４との間の熱抵抗を安定的に低く維持することができるとともに、熱電発電システムの排熱パイプへの設置においても施工が容易かつ安定的に行える。
図２８は、冷却管を用いた実施形態２に対する熱電発電システムの製造方法を示したが、放熱フィンを用いた実施形態１に対しても同様の製造方法をとることができ、上記と同じ効果を得ることができる。

本発明は、熱（温度差）と電気とを相互変換する熱電変換モジュール、特に発電を行うモジュールならびにその製造方法およびそのモジュールを使用した熱電発電システムに関し、熱を有効に利用できるあらゆる処に用いて有用である。

１０：フレキシブル基板
１１：熱電素子
１１ａ：ｐ型熱電素子
１１ｂ：ｎ型熱電素子
１３：フレキシブル基板
１４：スリット
１６：実装ランド
１７：導電ペースト
１８：ソルダーレジスト
１９：熱伝導シート
２０：排熱パイプ
２１：冷却水パイプ
２２：止め金具
２４：熱電変換モジュール
２８：放熱フィン
２９：熱伝導シート
３０：フレキシブル熱電導基板
３１：熱伝導シート
３２：固着バンド
３３：高断熱スペーサ
３４：冷却管
３５：フレキシブルシート
３６：継手
３８：金属シート

Claims (10)

1. 樹脂薄膜からなる２枚のフレキシブル基板上の実装ランドに複数の熱電素子を高密度実装し、該熱電素子の直列接続した列の間において、片方のフレキシブル基板のみに、前記列と平行に複数スリットを設けたことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記２枚のフレキシブル基板の実装ランドで前記熱電素子の接続を行うことにより電気抵抗を下げ、熱電変換効率を向上させることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記２枚のフレキシブル基板の外面に熱伝導シートあるいは熱伝導粘着シートを設け、排熱パイプに密着させることで、前記排熱パイプからの熱を効率よく伝達することを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の熱電変換モジュール。
4. 前記フレキシブル基板の両面にメタルを設け、この両面のメタルを接続することで、熱抵抗を下げることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の熱電変換モジュール。
5. 樹脂薄膜からなる２枚のフレキシブル基板上の実装ランドに複数の熱電素子を高密度実装し、該熱電素子の直列接続した列の間において、片方のフレキシブル基板のみに、前記列と平行に複数スリットを設けた熱電変換モジュールと、もう一方の前記フレキシブル基板の外側が排熱パイプの外面に装着されていて、前記スリットを設けた基板の外側を冷却する手段を具備し、前記冷却する手段が高熱伝導性と可撓性を有するフレキシブル熱伝導基板とその上に形成される複数の放熱フィンにより構成されていて、前記放熱フィンが前記排熱パイプの管軸に平行に前記フレキシブル熱伝導基板上に設けられていて、前記フレキシブル熱伝導基板が前記排熱パイプの外面に沿って湾曲し、前記排熱パイプに密着した構造をとることを特徴とする熱電発電システム。
6. 樹脂薄膜からなる２枚のフレキシブル基板上の実装ランドに複数の熱電素子を高密度実装し、該熱電素子の直列接続した列の間において、片方のフレキシブル基板のみに、前記列と平行に複数スリットを設けた熱電変換モジュールと、もう一方の前記フレキシブル基板の外側が排熱パイプの外面に装着されていて、前記スリットを設けた前記フレキシブル基板の外側を冷却する手段を具備し、前記冷却する手段が複数の冷却管により構成されていて、前記冷却管が、お互いどうしは完全には固着されておらず、少なくとも前記熱電変換モジュールの外側表面の湾曲あるいは屈曲に沿う自由度を残し、緩く繋がっていることを特徴とする熱電発電システム。
7. 冷却管相互の保持方法が、冷却管の側面の一部分に、フレキシブルシートを張り付けてお互いを繋ぐ、あるいは冷却管どうしをワイヤで結ぶ構造であることを特徴とする請求項６に記載の熱電発電システム。
8. 前記フレキシブルシートが放熱シートであって、前記放熱シートと熱電変換モジュールの外側とが密着する構造であることを特徴とする請求項７に記載の熱電発電システム。
9. 金属製シート上に前記冷却管どうしを平行に配設し、前記熱電変換モジュールに密着させた構造を特徴とする請求項８に記載の熱電発電システム。
10. それぞれの前記冷却管への冷却液の注水、排水のための配水管として、前記冷却管相互の位置関係を完全には固着させない柔軟性を有するフレキシブルな薄肉細管や樹脂チューブが用いられていることを特徴とする請求項６又は請求項７又は請求項８又は請求項９に記載の熱電発電システム。