JPH07307493A - 熱電素子の集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱電素子を応用した冷却，加熱または排気
ガスなどと常温の温度差を利用した発電装置などに使用
するための２重管の間隙に熱電素子を収納した熱電素子
の集合体におけるリング状の熱電素子の形状を改良し
て，部分品の高い寸法精度を必要とせず，簡単な方法で
組み立てられるようにして，実用的な安価な熱電素子の
集合体を実現する。 【構成】 １．リング状の熱電素子に円周上に３箇所以
上の切り欠きを設けて内側からタガ張り応力がかかった
場合に分断されるような形状としておく。 ２．内部伝熱管と外部伝熱管との間隙にＮ形，Ｐ形の熱
電素子を電気的に交互に直列接続しかつ伝熱管と電気的
に絶縁するための銅帯付きの樹脂膜を挟んで挿入し，内
部伝熱管の内側から機械的に拡管する事によってリング
状の熱電素子を分断し，位置的に自由度を与え電気的，
熱的に充分の密着度を得られるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は熱電効果を応用した，
冷却，加熱ならびに温度差による発電を効率よく，実用
的に行なうための設備にかかわるものである。

【０００２】

【従来の技術】在来のこの種の２重管の間隙に熱電素子
を収納した熱電素子の集合体に使用される熱電素子はそ
の形状が平滑なリング状のものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする問題点】平滑なリング状の熱
電素子を使用して電気導体，熱伝導体とそれぞれ電気的
にかつ熱的に良好な状態の接触を得るためにはリング状
の熱電素子の内外径と同心性について極めて高い寸法精
度が要求される結果となり，工作に高度な技術を要する
ばかりでなく，組み立てについても外管は収縮させ，内
管は拡管させる必要があって，組み立て工程が複雑で高
価についている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はこの点を改良す
るためになされた。特許請求の項にのべたように，本発
明による，リング状の熱電素子は３箇所以上の切り欠き
を持ち，内部からタガ張り応力がかかった場合に分断さ
れるようにしたから，平滑なリング状の熱電素子に比べ
て位置的な自由度が増加して，高度な寸法精度は必要な
くなり，かつ組み立ても内管の内側から一方的に拡管す
るのみで充分の接触圧力が得られる。

【０００５】

【作用】本発明ではリング状の熱電素子をその外径の曲
率と内径の曲率とをそれぞれ銅帯付きの樹脂膜を介して
外部伝熱管，内部伝熱管との２重管の間隙に収納され，
内部伝熱管の内側から拡管されてリング状の３箇所以上
の切り欠き部分から分断されて各部分が密着組み立てさ
れた時に外部伝熱管の内径，内部伝熱管の外径に合致す
るようにしたから，分断された熱電素子に位置的な自由
度が与えられ，内部伝熱管の内側から機械的拡管を行な
えばリング状の熱電素子の外径，内径にあまり高度な寸
法精度を必要とせず，さらに内部伝熱管に軟質の銅管を
用いたので同心性の寸法精度についてもあまりこだわら
ずに，充分の密着度が得られる。

【０００６】なお本発明の組立てについて詳しく説明す
ると次の通りである。まず内部伝熱管の外側にポリイミ
ドなどのように耐熱性の高い樹脂膜の片面に銅などのよ
うな電気伝導性の高い金属箔を接着し，エッチングなど
の方法によって等間隔に縞状の帯に形成し，その銅帯が
外周にかつ軸に直角になるように巻き付ける。

【０００７】その外に３箇所以上の切り欠きをもつリン
グ状のＮ形，Ｐ形の熱電素子を１対として，一本の銅帯
の上に載るように，交互に樹脂膜の縞の間隔に揃えて配
列し，さらにその外に前記と同様の樹脂膜を銅帯が内周
にかつ軸に直角で，内部に既に巻かれた前記樹脂膜の縞
とピッチが半分ずれるような位置にまきつけ，これの外
径に容易に差し込む事の出来る緩い内径を持った外部伝
熱管に収納した後，前記内部伝熱管の内側から機械的な
拡管機で拡管を行なう。

【０００８】リング状の熱電素子は内部伝熱管と内部樹
脂膜を経由して内周からタガ張り応力を受け，リング上
の切り欠き部分に応力が集中して分断され，位置的に自
由度が増加し，さらに拡管の力をうけて，相対的に外周
へ拡がり，外部樹脂膜を介して外部伝熱管に密着，さら
にやや拡管が行なわれると，外部伝熱管，内部伝熱管の
拡管の際に生じる内部残存応力によって，外部伝熱管，
外部樹脂膜，分断されたリング状の熱電素子，内部樹脂
膜，内部伝熱管の相互に充分の接触圧力が生じる。

【０００９】熱電的には内部樹脂膜の一端の第１番目の
銅帯から始まりそこに密着した第１組目のＮ型熱電素子
の内周面から外ラジアル方向に外周へと至りそこに密着
した外部樹脂膜の第１番目の銅帯から同じ銅帯に密着隣
接する第１組目のＰ形熱電素子の外周面を経て内ラジア
ル方向へ内周へと至り，さらにそこに密着している内部
樹脂膜の第２番目の銅帯に接続，さらに同じ銅帯に密着
した第２組目のＮ型熱電素子の内周面を経て外ラジアル
方向に外周へとゆう様に連続的に熱電素子内部ではラジ
アル方向に銅帯では軸方向に電気的に直列接続となって
いる。

【００１０】熱流としても，熱電素子内部を電気の流れ
と平行に流れる事になるので，リング状の熱電素子は分
断されていても，性能的に何らの支障もない。内部樹脂
膜の第１番目の銅帯と他端の最後の銅帯に直流電圧を印
加すると，前記の如く全部の分断されたリング状の熱電
素子は電気的に直列接続されているので，Ｎ形素子では
外ラジアル方向，Ｐ形素子では内ラジアル方向に電流が
生じ，Ｎ形素子では熱流が電流と同方向に，Ｐ形素子で
は電流と反対方向に流れて，各熱電素子の外周が熱く，
内周が冷たくなる。この熱は銅帯，樹脂膜を介して，外
部伝熱管，内部伝熱管に伝えられ，それぞれこれらの伝
熱管に接する目的の流体を加熱，冷却する。また，前記
直流電圧の極性を逆にして印加してやれば，電流の方向
は逆転し熱流も逆転して，外周が冷たく，内周が熱くな
る事は無論である。

【００１１】これとは逆に外部伝熱管の外に接して高温
の流体を，また内部伝熱管の内部に接して低温の流体を
流過せしめてやると熱の流れに伴って電流を生ぜしめ，
両端の銅帯の間に発生した電圧によって発電が可能とな
る。

【００１２】

【実施例】以下本発明の実施例について図面にそって説
明する。

【図１】はその曲率が５０ミクロンの厚さ，幅９ミリ，
ピッチ１ミリで平行に縞状に配列されたの銅帯を持つ４
０ミクロンの厚さの外部樹脂膜を介して，１５ミリの内
径の外部伝熱管に拡管の結果，密着するような外周形状
で，最大外径にて１４．５ミリ，かつその曲率が外部樹
脂膜と同じ厚さの内部樹脂膜を介して１０ミリの外径の
内部伝熱管に同じく拡管の結果，密着するような内周形
状で，最小内径にて１０．５ミリ，円周上にこれを８等
分する位置に深さ外周から０．７ミリ，内周から０．３
ミリ，内周付近における幅１ミリの切り欠きをもった厚
さ２ミリのＮ形熱電素子１と，ほぼ同一の寸法で切り欠
きの深さが外周から０．３ミリ，内周から０．７ミリと
ゆう点だけ寸法変更して見分けの付くようにしたＰ形熱
電素子２を示す。

【００１３】

【図２】は前記樹脂膜３を示し，図中４は厚さ５０ミク
ロンの銅箔５を１０ミクロンの接着剤の層６を介して厚
さ４０ミクロンの樹脂膜７に接着したのち，エッチング
にて前記銅箔を幅９ミリ，ピッチ１ミリに平行に縞状に
仕上げた銅帯である。

【００１４】

【図３】は外径１０ミリ厚さ０．３ミリの銅製の内部伝
熱管８の外周に，その銅帯９，１０が外周に来るよう，
かつ軸に直角になるように前記樹脂膜３を内部樹脂膜１
１として巻き付け，第１番目の銅帯９には前記Ｎ形熱電
素子１を１個，次いで２番目以降の銅帯１０にはＰ形熱
電素子２，Ｎ形熱電素子１の順で１対を互いに芯々で５
ミリピッチとなるように等間隔ではめこんだ状態を示
す。

【００１５】

【図４】は

【図３】で示した内部伝熱管８に内部樹脂膜１１を巻き
付けて，Ｎ形熱電素子１と，Ｐ形熱電素子２を交互に等
間隔ではめたさらに外周に，縞をピッチ半分すなわち５
ミリずらして，かつ銅帯１２が内周に来て，軸に直角に
なるように，

【図２】の樹脂膜３を外部樹脂膜１３として巻き付け，
さらにこの外側に内径１５ミリ，厚さ０．４ミリの銅製
の外部伝熱管１４を左方からはめこみつつある状態を示
す。

【００１６】

【図５】は

【図４】に示した状態より進めて外部伝熱管１４を完全
にはめこんだ状態とした断面の拡大図，

【図６】はこれを内部伝熱管８の内側部分１５から機械
的に拡管して，内部樹脂膜１１を介して，リング状のＮ
形，Ｐ形各熱電素子１，２に内部からタガ張り応力をか
けて切り欠き部分１６から８個に分断させ，さらに，外
部樹脂膜１３を介して外部伝熱管１４にこの応力を伝え
て圧着した状態の断面の拡大図である。

【００１７】

【図７】は拡管圧着して２重管の間隙に熱電素子を収納
した熱電素子の集合体１７の両端の銅帯に電源接続用リ
ード線１８．１９を取り付け両端部をシール剤２０にて
密封して熱電素子の集合体を完成させた状態を示す。

【００１８】

【図８】は応用例として外部伝熱管１４の外側にフィン
２１を多数取り付けて内部の熱流体には水などの液体
を，外部の熱流体には空気などの気体を使用するに便利
なように手を加えた応用製品２２を示す。

【００１９】

【発明の効果】本発明では２重管の間隙に熱電素子を収
納するためのリング状の熱電素子の形状を改良し，内部
からタガ張り応力がかかった場合に３個以上の部分に分
断されるようにしたから，組み立てを行なう際に，

【図４】に示すように各部品をセットし内部伝熱管の内
側から機械的に拡管をするだけで，あまり部品の寸法精
度にこだわらないで，簡単な組み立て方法と工程で組み
立てる事が出来，電気的にも熱的にも充分な密着度を得
られ，実用的で価格的にもかなり安価な熱電素子の集合
体を提供する事が可能になった。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱電素子集合体に使用される円周
上に切り欠きを持つリング状熱電素子の形状を示す。

【図２】本発明による熱電素子集合体に使用される樹脂
膜の形状を示す。

【図３】本発明による熱電素子集合体の組み立て初期の
状態を示す。

【図４】本発明による熱電素子集合体の組み立て完成前
の状態を示す。

【図５】本発明による熱電素子集合体の組み立て最終工
程である拡管工程直前の状態を示す拡大断面図である。

【図６】拡管工程後の完成した状態の拡大断面図であ
る。

【図７】本発明による熱電素子集合体の完成した状態を
示す。

【図８】本発明による熱電素子集合体にフィンを取付け
た応用製品の外観図である。

【符号の説明】

１．円周上に切り欠きのあるリング状のＮ型熱電素子。 ２．円周上に切り欠きのあるリング状のＰ形熱電素子。 ３．等間隔に縞状の銅帯を配置したポリイミド樹脂膜。 ４．縞状に等間隔に平行に配置された銅帯。 ５．厚さ５０ミクロンの銅箔。 ６．銅箔と樹脂膜を接着する接着剤の層。 ７．厚さ４０ミクロンのポリイミド樹脂膜。 ８．内部伝熱管。 ９．内部樹脂膜上の第１番目の銅帯。 １０．内部樹脂膜上の第２番目以降の銅帯。 １１．内部樹脂膜。 １２．外部樹脂膜上の銅帯。 １３．外部樹脂膜。 １４．外部伝熱管。 １５．内部伝熱管の内側の空間。 １６．リング上の熱電素子の円周上に設けた切り欠き部
分。 １７．拡管して密着させた２重管式熱電素子の集合体。 １８．電源用リード線。 １９．電源用リード線。 ２０．フィン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項 １】それぞれが所定の曲率の外径と内径を持
   ち，内側からタガ張り応力がかかった場合に分断される
   ような切り欠き部を３箇所以上設けたリング状のＮ形，
   Ｐ形の熱電素子を交互に多数用意し，縞状に銅のような
   電気伝導性の高い所定幅の金属箔の帯ををエッチングな
   どの方法で等間隔に取り付けたポリイミドなどのような
   耐熱性の良好な樹脂膜を，その銅帯が軸に直角になるよ
   うに銅管など熱伝導性の高い伝熱管に銅帯を外周になる
   ように巻き付けて，前記熱電素子のＮ形，Ｐ形の１対が
   それぞれ１本の銅帯にのるように，縞と同じ間隔で配置
   し，その外周に前記樹脂膜と同様の樹脂膜を，同じくそ
   の銅帯が軸に直角かつ内周になるように，かつ，前記樹
   脂膜の銅帯の縞とピッチが半分ずれるように巻き付け
   て，前記銅管より直径の大きい伝熱管の内径にやや緩い
   状態で収納したのち，内部の前記伝熱管の内径を拡管機
   によって機械的に拡管し，前記リング状の熱電素子にタ
   ガ張り応力を作用させて切り欠き部から分断して，内部
   伝熱管，内部樹脂膜，分断された各熱電素子，外部樹脂
   膜，外部伝熱管を互いに拡管の際に生じる残存応力によ
   って圧着させた状態で２重管の間隙に熱電素子を収納し
   た事を特色とする熱電素子の集合体。