JPH1140864A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電発電装置を小型で組み付け性が良く、接
続部分の損傷等を防止できる構造とする。 【解決手段】 高温熱源から集熱する集熱部材１１と低
温熱源に放熱する放熱部材１２との間に、お互いに対向
する高温端面１３ａ及び低温端面１３ｂと側面１３ｄに
より輪郭が画定される熱電変換モジュール１３を複数個
熱的に並列に挾持固定して、高温端面及び低温端面間に
生じる温度差により電力を発生する熱電発電装置におい
て、熱電変換モジュールの各々は、低温端面又は側面か
ら突出した２つのリード電極片１３ｃを有し、放熱部材
１２は、熱電変換モジュールと対向する側の面に形成さ
れた凹部１２ａｃ，１２ｂｃを有し、この凹部には、複
数の熱電変換モジュールのうち相隣接する熱電変換モジ
ュールの一方のリード電極片１３ｃ同士を電気的に接続
する接続端子部材１６を保持した絶縁性のブロック１５
を配置する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のエンジン
あるいは工場の焼却炉等から排出される排気ガス等の熱
エネルギを回収して電力を生成する熱電発電装置に関
し、特に、ゼーベック効果によって電力を発生する熱電
変換モジュールを用いた熱電発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車あるいは工場等において
は、それぞれエンジン、焼却炉等から排出される排気ガ
スの熱エネルギを回収して電力に変換するものとして、
例えば、特開昭６３−２６２０７５号公報等に開示され
ている熱電発電装置が知られている。

【０００３】図１は、特開昭６３−２６２０７５号公報
に開示されている熱電発電装置を示すものであり、この
排熱発電装置では、自動車のエンジンから排出される排
ガスが流れる排気管１に、対向する平面を備える箱形状
の吸熱筒２が介装されている。

【０００４】そして、吸熱筒２の両平面には、複数の熱
電変換モジュール３が対向して配置されており、熱電変
換モジュール３の高温端面と吸熱筒２の平面が接合され
ている。また、熱電変換モジュール３の低温端面と水冷
ジャケット４が対向して配置されており、熱電変換モジ
ュール３の低温端面と水冷ジャケット４の冷却面とが接
合されている。

【０００５】上述した熱電発電装置では、排気管１から
流入した高温の排気ガスの排熱は、吸熱筒２の平面を介
して熱電変換モジュール３の高温端面に伝達され、同時
に熱電変換モジュール３の低温端面は、水冷ジャケット
４内を還流する冷却水により冷却される。

【０００６】そして、熱電変換モジュール３の高温端面
と低温端面との間に生じた温度勾配に応じて、ゼーベッ
ク効果により生じた熱起電力により発電が行われること
で、排気ガスの熱エネルギーを回収して電力に変換する
というものである。

【０００７】また、別の熱電発電装置として、複数の熱
電変換モジュールを集積させ、ディーゼルエンジン搭載
トラック車両の排気ガスから熱エネルギを回収して発電
する装置が報告されている。（Ｊ．Ｃ．Ｂａｓｓ，ｅｔ
ａｌ．，Ｐｒｏｃ．１３ｔｈ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏ
ｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１９９５）。こ
れは、八面体からなる排気管の周囲に、５６ｍｍ（縦）
×５６ｍｍ（横）×５．１ｍｍ（厚）の熱電変換モジュ
ールを配置するものであり、一面に９個ずつ合計７２個
の熱電変換モジュールを装着し、電気的には１８個を直
列に接続したモジュール群を４つ並列に接続するもので
ある。

【０００８】そして、各々の熱電変換モジュールのリー
ド電極を柔軟性のある金属メッシュにより構成し、相隣
接する熱電変換モジュールの金属メッシュ同士をはんだ
付け等により連結して、熱電変換モジュール同士を電気
的に接続するものである。

【０００９】さらに、熱電変換モジュールを電気的に接
続する具体的な方法として、特開平６−２２４４７６号
公報に開示されたものがある。図２は、特開平６−２２
４４７６号公報に開示されている熱電発電装置の一部を
示すものであり、Ｕ字状の絶縁パイプ７で連結された複
数の直線状水冷管５上に、複数の熱電変換モジュール６
を設置し、熱電変換モジュール６相互間の電気的接続部
材として、水冷管５を兼用するものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特開昭６３−２６２０７５号公報に開示された熱電発
電装置では、扁平な吸熱筒２と冷却ジャケット４の間の
狭い空間に設置された熱電変換モジュール３のリード電
極接続部分や熱電変換モジュール３同士を接続するため
の絶縁被覆した電線等は、吸熱筒２の輻射熱によって、
それらのはんだ付け部分が融解したり、又、絶縁被覆部
分が焼失したりして、接続不良が生じる等の問題があっ
た。

【００１１】一方、電気的接続部分の熱による破損を防
止するために、厚みの厚い熱電変換モジュールを使用し
て、吸熱筒２と冷却ジャケット４との離隔距離を大きく
する場合は、熱電発電装置の大型化を招き、熱電変換素
子あたりの発電効率が低下する等の問題があった。

【００１２】また、熱電変換モジュールと接する面が平
滑である冷却ジャケット４あるいは吸熱筒２では、数十
個以上の熱電変換モジュール３を設置する際に、その位
置決め精度が悪く、熱電発電装置の組み立て工程が煩雑
になり、又、吸熱筒２には熱分布があるため、熱電変換
モジュール３の設置位置が製造した熱電発電装置ごとに
ばらつけば、熱電変換モジュールの両端間に発生する温
度差がばらつくこととなり、発電出力が熱電発電装置ご
とにばらつく等の問題が生じることになる。

【００１３】熱電変換モジュールのリード電極部が、フ
レキシビリティーのある金属メッシュで形成されている
熱電発電装置では、金属メッシュ同士をはんだ付け等に
より連結して熱電変換モジュール相互間を電気的に接続
する場合、はんだ部分が排気管の輻射熱で溶融する等の
問題があり、又、直列に接続した熱電変換モジュール群
のうち、その１つにでも断線あるいは内部抵抗の増加が
生じれば、そのモジュール群は全て発電不良となり、こ
の発電不良のモジュールを交換する場合には、はんだ付
けによって接続されたモジュールの交換作業が煩雑とな
る等の問題があった。

【００１４】さらに、熱電変換モジュール両端間の温度
差が４００〜５００℃となるような場合の熱歪みを抑制
するために小型の熱電変換モジュールを複数配列する場
合において、排気管や冷却部材等からリード電極部分を
絶縁しつつ、熱電変換モジュール相互間をはんだ付けに
より接続するのは、極めて煩雑である等の問題があっ
た。

【００１５】上述した特開平６−２２４４７６号公報に
開示されたモジュール相互間の電気的な接続方法では、
水冷管の劣化等によって水漏れが生じたり、その他の原
因による漏電、電気的短絡等の不具合が生じる可能性が
高い等の問題があった。

【００１６】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
達成されたものであり、その目的とするところは、複数
の熱電変換モジュール両端面に接合される高温熱源側の
集熱部材と低温熱源側の放熱部材との温度差を大きくす
ることにより、発電出力を大きくでき、かつ、小型で電
気的接合部の劣化や破損を防止できる熱電発電装置を提
供することにある。

【００１７】また、本発明の他の目的は、熱電変換モジ
ュール相互間の電気的な接続部分を熱あるいは機械的振
動から保護するとともに、複数の熱電変換モジュールを
正確な位置に容易に設置することができる熱電発電装置
を提供することにある。

【００１８】さらに、本発明の他の目的は、熱電変換モ
ジュールの発電状態の検知、あるいは、熱電変換モジュ
ールの電気的接続の切り替え等の制御系回路を容易に設
置することのできる熱電発電装置を提供することにあ
る。

【００１９】さらにまた、本発明の他の目的は、コンパ
クトで信頼性が高い熱電発電装置を提供することにあ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
熱電発電装置は、高温熱源から集熱する集熱部材と低温
熱源に放熱する放熱部材との間に、お互いに対向する高
温端面及び低温端面と側面により輪郭が画定される熱電
変換モジュールを複数個熱的に並列に挾持固定して、高
温端面及び低温端面間に生じる温度差により電力を発生
する熱電発電装置であって、前記熱電変換モジュールの
各々は、前記低温端面又は側面から突出した２つのリー
ド電極片を有し、前記放熱部材は、前記熱電変換モジュ
ールと対向する側の面に形成された凹部を有し、前記凹
部には、前記複数の熱電変換モジュールのうち相隣接す
る熱電変換モジュールの一方のリード電極片同士を電気
的に接続する接続端子部材が配置された構成となってい
る。

【００２１】本発明の請求項２に係る熱電発電装置は、
前記凹部が、前記複数の熱電変換モジュールの配列方向
に沿って伸長する長尺な溝として形成された構成となっ
ている。

【００２２】本発明の請求項３に係る熱電発電装置は、
前記接続端子部材が、絶縁材料により形成されたブロッ
クに保持されており、前記ブロックが、前記凹部に埋設
された構成となっている。

【００２３】本発明の請求項４に係る熱電発電装置は、
前記熱電変換モジュールの低温端面と前記放熱部材の接
合面との間に、応力を緩和する緩衝部材が設けられた構
成となっている。

【００２４】本発明の請求項５に係る熱電発電装置は、
前記放熱部材に、放熱用のフィンが一体的に形成された
構成となっている。

【００２５】本発明の請求項６に係る熱電発電装置は、
前記放熱部材に、冷却用の媒体を通す通路が形成された
構成となっている。

【００２６】本発明の請求項７に係る熱電発電装置は、
前記集熱部材が、内部に高温熱媒体を流通させると共に
外周面の少なくとも一部に前記熱電変換モジュールの高
温端面を接合させる扁平部を有する内筒からなり、前記
放熱部材が、前記内筒のまわりを間隔をおいて囲繞する
ように配置されると共に内周面の少なくとも一部に前記
熱電変換モジュールの低温端面を接合させる扁平部及び
前記凹部を有する外筒からなる構成となっている。

【００２７】本発明の請求項８に係る熱電発電装置は、
前記外筒が、前記内筒を囲むように対向して接合される
第１外筒半体及び第２外筒半体からなる構成となってい
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る熱電発電装置に
よれば、放熱部材の熱電変換モジュールと対向する側の
面に凹部を形成し、この凹部に、熱電変換モジュール相
互間を電気的に接続するための接続端子部材を配置した
構成としていることから、熱電変換モジュール相互間の
電気的接続を容易に行うことができ、又、この電気的接
続部分あるいは配線部分を機械的振動及び集熱部材の輻
射熱から保護することができ、これにより、組み立ての
容易化を達成することができ、又、耐熱性及び機械的振
動に対する耐久性を向上させることができる。

【００２９】また、耐熱性及び耐久性の高い制御回路用
の配線を容易に行うことができ、さらに、発電不良とな
った熱電変換モジュールの交換作業を簡便に行うことが
できる。

【００３０】本発明の請求項２に係る熱電発電装置によ
れば、接続端子部材を配置する凹部を長尺な溝として形
成していることから、組み付けの際に、この溝に沿っ
て、複数の接続端子部材を高精度に配列させることがで
き、さらに、これらの接続端子部材に接続される熱電変
換モジュールを所定の位置に正確にかつ容易に配置する
ことができる。

【００３１】本発明の請求項３に係る熱電発電装置によ
れば、接続端子部材を絶縁材料により形成されたブロッ
クに保持させる、例えば、埋設あるいは表面に固定させ
ることにより、集熱部材及び放熱部材からの絶縁を確実
なものとすることができ、又、上記ブロックを複数の接
続端子部材を一体的に保持する長尺なブロックとし、こ
の長尺なブロックを長尺な溝をなす凹部に埋設すること
で、一度に複数の接続端子部材を設置することができる
ことによる接続端子設置作業の簡略化を達成することが
できる。

【００３２】本発明の請求項４に係る熱電発電装置によ
れば、熱電変換モジュールと放熱部材との界面に応力を
緩和する緩衝部材を設けたことにより、例えば、組み付
け時の締結力のバラツキ、熱による集熱部材の膨張変
形、機械的振動等により、熱電変換モジュールの挾持領
域に応力が生じるようなことがあっても、緩衝部材によ
りこの応力を緩和させることができる。従って、熱電変
換モジュール及び熱電変換モジュールから突出したリー
ド電極片の接合部分等を保護することができ、これによ
り、耐久性、信頼性等を向上させることができる。

【００３３】また、緩衝部材を設けることで、熱電変換
モジュールと放熱部材との熱的接触を良好にすることが
でき、これにより、発電出力を向上させることができ
る。

【００３４】本発明の請求項５及び請求項６に係る熱電
発電装置によれば、放熱部材に放熱用フィンが一体的に
形成され、あるいは、冷却用媒体を通す通路が形成され
ていることから、冷却効率を高めることができる。従っ
て、熱電変換モジュール両端面間の温度差を大きくする
ことができ、これにより、発電出力を向上させることが
できる。

【００３５】また、放熱部材の凹部に配設された、ある
いは、ブロックを介して配設された接続端子部材に接続
された電気的接続部分又は配線部分を効率良く冷却する
ことができる。従って、電気的接続部分，配線部分等の
熱的破損等を防止することができ、これにより、耐熱性
等を向上させることができる。

【００３６】本発明の請求項７に係る熱電発電装置によ
れば、高温熱媒体として自動車の排気ガス等を内筒に流
すだけで高温熱源を確保することができ、又、内筒と外
筒の扁平部に熱電変換モジュールを挾持させる構成故
に、発電出力を高めることができると共に、装置のコン
パクト化を達成することができる。

【００３７】本発明の請求項８に係る熱電発電装置によ
れば、排気ガスの流量、温度等の状況、あるいは、バッ
テリ及び使用電装品の負荷状況等に応じて発電を制御す
る制御系を容易に設置あるいは接続することができ、
又、発電不良の状態にある熱電変換モジュールの交換作
業等を容易に行うことができ、これにより、メンテナン
ス性等を向上させることができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付図面
に基づいて説明する。

【００３９】図３は、本発明に係る熱電発電装置の一実
施例を示すものであり、エンジンの排気ガスが流れる方
向に垂直な面での断面図である。この熱電発電装置１０
は、エンジンからの排気ガスを高温熱源として通す集熱
部材としての内筒１１と、この内筒１１を間隔をおいて
囲繞しすなわち取り囲み低温熱源に放熱する放熱部材と
しての外筒１２（１２ａ，１２ｂ）と、内筒１１と外筒
１２との間に挾持される複数の熱電変換モジュール１３
等により構成されている。

【００４０】ここで、内筒１１は、長手方向両端部にお
いて、エンジンの排気管に接続されるフランジ部（不図
示）を有し、長手方向に直交する面での断面形状は、図
３に示すように、水平方向に長尺な略矩形形状をなし、
上下方向において相対向する扁平部１１ａを有するもの
となっている。

【００４１】上記外筒１２は、上下方向において２分割
される第１外筒半体としての上部放熱カバー１２ａと第
２外筒半体としての下部放熱カバー１２ｂとにより構成
されている。そして、これら上部放熱カバー１２ａ及び
下部放熱カバー１２ｂには、扁平部１２ａｓ，１２ｂｓ
の外側の面において、それぞれ外側に向かって突出する
複数の放熱用フィン１２ａｆ，１２ｂｆが、アルミニウ
ム材の押し出し成形により一体的に形成されている。ま
た、上部放熱カバー１２ａ及び下部放熱カバー１２ｂの
接合領域には、長手方向に伸長する締結用フランジ１２
ａｊ，１２ｂｊがそれぞれ一対設けられており、この両
締結用フランジ１２ａｊ，１２ｂｊは、お互いに接合さ
れた状態でボルト１７等により締結されるようになって
いる。

【００４２】また、上部放熱カバー１２ａ及び下部放熱
カバー１２ｂには、図３及び図４に示すように、熱電変
換モジュール１３と対向する内側の面に、熱電変換モジ
ュール１３の配列方向に沿って伸長する凹部としての長
尺な溝１２ａｃ，１２ｂｃが形成されており、この長尺
な溝１２ａｃ，１２ｂｃには、図５に示すような相隣接
する熱電変換モジュール１３の一方のリード電極片１３
ｃ同士を電気的に接続する接続端子部材１６を保持すな
わち埋め込んだ長尺なブロック１５が埋設されている。
このブロック１５は、電気絶縁材料により形成されてお
り、熱電変換モジュール１３同士の電気的接続部分を他
の部材から確実に絶縁する役割をなすものである。

【００４３】ここで、接続端子部材１６を保持するブロ
ック１５は、図５に示すように、長尺な溝１２ａｃ，１
２ｂｃに適合して、複数の接続端子部材１６を一体的に
保持するものだけでなく、各々の接続端子部材１６設置
領域に対応させてそれぞれ独立して設けられた凹部ごと
に、絶縁材料により形成されたブロックを埋設し、この
各々のブロックに接続端子部材１６を保持させるような
構成であってもよい。

【００４４】上記熱電変換モジュール１３は、図６に示
すように、一対のＰ型及びＮ型熱電半導体からなる複数
の熱電変換素子２２を所望のパターンで断熱絶縁体２１
に埋め込み、各々の熱電変換素子２２を電気的に接続す
るように、上下端面に電極板２３を接合し、これら電極
板２３を上下から挾むように、高温端面１３ａを形成す
る絶縁板２４と低温端面１３ｂを形成する絶縁板２５と
を接合した構成となっており、さらに、低温端面寄りの
一側面１３ｄから突出しかつ下方に折れ曲った２個の矩
形リード電極片１３ｃが設けられた構成となっている。
尚、本実施例における熱電変換モジュール１３の寸法
は、両端面１３ａ，１３ｂが２ｃｍ四方で、高さが１ｃ
ｍとした。

【００４５】上記接続端子部材１６は、図７に示すよう
に、箱形状をなす本体部分１６ａ内に、湾曲したバネ部
分１６ｂを固定したものを横に２つ並べてろう付けした
構成となっている。そして、相隣接する熱電変換モジュ
ール１３のリード電極片１３ｃは、図７（ｂ）に示す矢
印方向から、バネ部分１６ｂと本体部分１６ａの内壁と
の間に挿着されることにより、電気的に接続されるよう
になっている。

【００４６】以上述べた構成要素を備える熱電発電装置
の組み立て手順について以下に説明する。先ず、上部放
熱カバー１２ａ及び下部放熱カバー１２ｂのそれぞれの
長尺な溝１２ａｃ，１２ｂｃに適合するように成形され
たアルミナ・シリカ系セラミックス製のブロック１５に
対して等間隔にて７箇所穴加工を施し、これらの穴に上
記接続端子部材１６を挿入し、セラミックスボンドで接
着固定する。

【００４７】続いて、接続端子部材１６を埋設固定した
それぞれのブロック１５を長尺な溝１２ａｃ，１２ｂｃ
に埋設して接着剤で固定する。

【００４８】次に、熱電変換モジュール１３の低温端面
１３ｂ上に両面接着性をもつ緩衝部材としてのシリコン
ゲルシート１４を貼付し、各々のリード電極片１３ｃを
接続端子部材１６に差し込みながら、各々の熱電変換モ
ジュール１３を上部及び下部放熱カバー１２ａ，１２ｂ
の扁平部１２ａｓ，１２ｂｓ内側面に固着させる。

【００４９】最後に、内筒１１を挟むようにして、熱電
変換モジュール１３を取り付けた上部及び下部放熱カバ
ー１２ａ，１２ｂを接合し、締結用フランジ１２ａｊ，
１２ｂｊをボルト１７等により締結固定する。

【００５０】本実施例においては、排気ガスが流れる方
向に６個の熱電変換モジュール１３を配置し、この６個
の熱電変換モジュール１３を接続端子部材１６を介して
電気的に直列に接続して、１つのモジュール群を形成し
ている。このモジュール群は、内筒１１を挾んで片側に
４列ずつ、合計８列設けられている。

【００５１】これら８列のモジュール群は、排気ガスの
流量あるいは温度、冷却風の状態、所望する発電電圧電
流、モジュール群の発電状態等に応じて、直列及び並列
接続を組み合わせて接続することができる。

【００５２】また、モジュール群同士を接続する場合
は、例えば、図５に示すように、接続端子部材１６に配
線１８を接続し、この配線の他端を隣接するモジュール
群の端部の接続端子部材１６に接続して、両モジュール
群を直列に接続することができ、又、反対側に位置する
モジュール群と並列に接続することができる。尚、接続
端子部材は、全て同一のものを採用しているが、モジュ
ール群両端部に位置する接続端子部材の形状を変えて、
配線１８をブロック１５内に埋め込むタイプのものとし
てもよい。

【００５３】以上述べた熱電発電装置においては、放熱
部材である外筒１２すなわち上部及び下部放熱カバー１
２ａ，１２ｂに、電気的に直列に接続したモジュール群
の列と平行な方向に伸長する長尺な溝１２ａｃ，１２ｂ
ｃを一体的に形成し、この長尺な溝に接続端子部材１６
を埋め込んだブロック１５を収容する構成とし、矩形板
状のリジッドなリード電極片１３ｃを側面１３ｄから突
出させた熱電変換モジュール１３を配置する際に、その
リード電極片１３ｃを接続端子部材１６に差し込みなが
ら、緩衝部材１４を介して、熱電変換モジュール１３の
低温端面１３ｂを外筒１２に接着して固定する構成とす
ることにより、内筒１１の輻射熱や機械的振動によって
接続端子部材１６とリード電極片１３ｃの接触部分の導
通が断線したり、あるいは、これらの電気的接続部分と
外筒１２の間の絶縁が破壊して漏電するようなことを防
止することができる。

【００５４】また、熱電変換モジュール１３の低温端面
１３ｂと外筒１２の間に緩衝部材１４を配置し、２分割
した外筒１２すなわち上部放熱カバー１２ａ及び下部放
熱カバー１２ｂをボルト締めすることによって、内筒１
１と熱電変換モジュール１３と外筒１２を密着させる構
成としているので、外筒１２の締め付けに伴って熱電変
換モジュール１３の熱電変換素子２２とリード電極片１
３ｃの接合部分、及び、リード電極片１３ｃと接続端子
部材１６の接続部分の押圧力を増すことができ、これに
よって、発電電流の大きい場合においても、接続部分で
抵抗が生じることがなく、機械的振動による電気的接続
部分の破壊等を防止することができる。

【００５５】また、外筒１２には放熱フィン１２ａｆ，
１２ｂｆが一体成形され、接続端子部材１６が外筒１２
の長尺な溝１２ａｃ，１２ｂｃ内に配置されることによ
って、内筒１１から電気的接続部分までの距離を長めに
確保し、電気的接続部分の冷却効率を上げているので、
内筒１１の温度を高くして熱電変換モジュール１３の両
端にかかる温度差を大きくとることができ、又、厚さの
薄い熱電変換モジュール１３を使用することができる。

【００５６】これにより熱電発電装置をコンパクトに形
成することができると共に、大きな発電出力が得られ、
かつ、信頼性の高いものとすることができる。

【００５７】さらに、ブロック１５に固定された接続端
子部材１６に、リジッドなリード電極片１３ｃを差し込
みながら、熱電変換モジュール１３を外筒１２に配置す
ることができるので、複数の熱電変換モジュール１３を
電気的な接続を行いながら容易に正確な位置に配置する
ことができ、又、出力不良や断線した熱電変換モジュー
ル１３を交換する作業も簡便に行うことができる。

【００５８】図８は、本発明に係る熱電発電装置の他の
実施例を示す部分斜視図である。本実施例における放熱
部材としての上部及び下部放熱カバー３２ａ（不図
示），３２ｂには、Ｘ方向に配列された６個の熱電変換
モジュール３３同士が、図９に示すように、接続端子部
材３６を介して電気的に直列に接続され、１つのモジュ
ール群を形成している。

【００５９】そして、Ｘ方向と直交するＹ方向に配列さ
れた熱電変換モジュール３３の配列方向に沿って長尺な
溝３２ｂｃが形成され、又、この溝３３ｂｃと平行に冷
却水を流すための複数の通路３２ｂｈが形成されてい
る。

【００６０】さらに、上記長尺な溝３２ｂｃには、絶縁
材料により形成されて、図１１に示すような接続端子部
材３６を埋設したブロック３５が収容されており、この
ブロック３５に埋設された接続端子部材３６にリード電
極片３３ｃを挿入するようにして、上記熱電変換モジュ
ール３３が取り付けられている。

【００６１】ここで、上記熱電変換モジュール３３とし
ては、図１０に示すように、相対向する両側の側面３３
ｄ上でかつ低温端面３３ｂ近傍から突出しかつ下方に向
けて折れ曲がった２つのリード電極片３３ｃを有するも
のを採用し、又、接続端子部材３６としては、図１１に
示すように、２個の本体部分３６ａと各々の内部に固定
されたバネ部分３６ｂを有するものを採用し、さらに一
部の接続端子部材３６には、本体部分３６ａの接続部分
に個々の熱電変換モジュール３３の発電電圧をモニター
するモニター用電線３７をはんだ付けしたものを採用し
た。

【００６２】上記モニター用電線３７は、ブロック３５
に埋め込まれ、外筒３２の端部から取り出されている、
そして、この電線３７に必要に応じて電圧計を接続し
て、個々の熱電変換モジュール３３の発電電圧をモニタ
ーすることにより、集熱部材である内筒の温度分布や熱
電変換モジュール３３の劣化具合を検出し、この検出結
果に基づいて、モジュール群の直並列接続を切り替え、
最適発電出力が得られるように制御することができる。

【００６３】本発明に係る熱電発電装置に使用される熱
電変換モジュールは、高温端面とこれに対向する低温端
面と側面とにより輪郭が画定され、板状あるいは棒状の
リード電極片が低温端面あるいは側面から２個突出した
構成に特徴があり、この構成を満たすものであれば、リ
ード電極片としては、リジッドで、低温端電極板のうち
２個をモジュールから突出させた構成とすることもでき
るし、低温端電極板の２個所に別に用意した板状あるい
は棒状のリード電極片をろう付けやはんだ付け等により
接合した構成とすることもできる。

【００６４】図１２ないし図１５は、熱電変換モジュー
ルの他の実施例を示すものであり、図１６ないし図１８
は、これらの熱電変換モジュールに対応した接続端子部
材を示す断面図である。

【００６５】図１２に示す熱電変換モジュール４３は、
低温端面４３ｂ側寄りの両側の側面４３ｄから突出しか
つ下向きに折れ曲がりさらに水平に折れ曲がった２つの
リード電極片４３ｃを有するものであり、このリード電
極片４３ｃは、図１６に示すように、放熱部材である外
筒４２の溝に配置されたセラミックス厚板からなるブロ
ック４５上に必要な配線等と共に印刷あるいは接着され
た接続端子部材４６に対して、ネジ４７により固定され
る。

【００６６】上記構成によれば、大電流を発電する場合
において、リード電極片４３ｃと接続端子部材４６との
接触部分における電気抵抗を小さくすることができ、
又、良好な接続状態を維持することができる。

【００６７】図１３に示す熱電変換モジュール５３は、
図１３（ａ）に示すように、一対のＰ型及びＮ型熱電半
導体からなる複数の熱電変換素子６２を所望のパターン
で断熱絶縁体６１に埋め込み、各々の熱電変換素子６２
を電気的に接続するように、上下端面に電極板６３を接
合し、これら電極板６３を上下から挾むように、高温端
面５３ａを形成する絶縁板６４と低温端面５３ｂを形成
する絶縁板６５とを接合し、さらに、低温端側の電極板
６３に接合された２つの棒状リード電極片５３ｃが、低
温端面５３ｂ側から突出した構成となっている。そし
て、この熱電変換モジュール５３は、図１７に示すよう
に、放熱部材である外筒５２の溝に配置された断面コ字
状のブロック５５に設けられたスプリングあるいはバネ
機能を備える接続端子部材５６に対して、２分割構造の
外筒５２を締結する際の締め付け力を利用して、リード
電極片５３ｃを圧着するように固定される。

【００６８】上記構成において、ブロック５５の上端
は、外筒５２の熱電変換モジュール５３を設置する設置
面より低く設定されており、リード電極片５３ｃ及び接
続端子部材５６の接触部分あるいは接続端子部材５６の
大部分は、熱電変換モジュール５３と外筒５２との間に
設置されているため、集熱部材である内筒の輻射熱を直
接受けない構成となっている。これにより、熱電変換モ
ジュールの設置密度を上げることができるとともに、電
気的接続部分の熱による破損をより確実に防止すること
ができる。

【００６９】図１４及び図１５に示す熱電変換モジュー
ル７３及び８３は、低温端面７３ｂ，８３ｂに近い側の
一側面７３ｄあるいは両側面８３ｄから、２つのリード
電極片７３ｃ，８３ｃが水平方向に突出した構成をなす
ものであり、これら熱電変換モジュール７３，８３は、
例えば図１８に示すように、放熱部材である外筒８２の
溝に配設されかつ高さの高いブロック８５内に埋設され
た接続端子部材８６にリード電極片８３ｃを挿入するこ
とで、電気的接続を行うと共に緩衝部材１４を介して外
筒８２に固定される。

【００７０】ここで、ブロック５５の上端が、外筒８２
のモジュール設置面よりも突出していることから、ブロ
ック５５は、熱電変換モジュール８３を設置する際のガ
イド機能を果たし、その結果、熱電変換モジュール８３
の位置決めが容易で、また、機械的振動に対する熱電変
換モジュールの位置ずれを防止する効果があるととも
に、熱電変換モジュール相互間の空間をブロック５５で
満たして断熱することにより、熱電変換モジュール以外
を通って集熱部材から放熱部材へ流れる熱流を減少させ
ることができ、これにより、発電効率を大きくすること
ができる。

【００７１】以上述べた実施例における熱電変換モジュ
ールにおいては、熱電変換素子の間を断熱絶縁材で充填
し、両端面の電極板上に絶縁板を設けた構成としたが、
集熱部材や放熱部材の表面を絶縁処理した場合、あるい
は放熱部材と熱電変換モジュールの間の緩衝部材１４が
絶縁機能を有する場合は、絶縁板の貼付されていない熱
電変換モジュールを採用することができる。

【００７２】また、熱電変換モジュールのリード電極片
は、乾電池と同様に＋と−を区別して設置する必要があ
るが、上記の如き熱電変換モジュール、ブロック、放熱
部材等の構成とすることにより、＋と−のリード電極片
と接続端子部材の形状を異なるものとすることが容易
で、これにより、接続ミスを容易に防ぐことができ、信
頼性の高い熱電発電装置を製造することができる。

【００７３】本発明に係る接続端子部材には、上記の如
く隣接する熱電変換モジュールのリード電極片同士を電
気的に接続する機能あるいは電圧測定用回路を接続する
機能の他に、モジュール群の直並列接続切り替え用回路
あるいはモジュール群の切り離し用回路等の制御用回路
を接続する機能を具備させることができる。

【００７４】また、発電出力取り出し用の他に、制御用
に必要な配線をブロックに埋め込んだ構成とすることが
できる。

【００７５】本発明に係る接続端子部材を保持するブロ
ックは、複数の接続端子部材が所望のパターンで埋め込
まれた構成あるいは接着固定された構成のもので、この
絶縁性のブロックは、例えば、アルミナ系、シリカ系、
マグネシア系等のセラミックス製の直方体あるいは厚板
の形状をなすものを用いることができる。この場合、接
続端子部材や配線を印刷あるいは厚膜形成方法等で形成
することもできる。また、セラミックスボンドや石膏、
セメント等を型に流し込んで、接続端子部材や配線用電
線を埋め込んだブロックを形成することもできる。

【００７６】特に、図１８に示す構成を採る場合は、集
熱部材に近い上方部は、絶縁性ブロックが断熱体を兼ね
るため、断熱性を有するものが好ましい。

【００７７】一方、接続端子部材より放熱部材に近い下
方部は、熱伝導率が良好で、接続端子部材や配線部分が
十分冷却されるようにするのが望ましい。

【００７８】それゆえ、熱伝導率の高いセラミックス板
上に接続端子部材や配線を設置し、熱伝導率の低い断熱
材を上部に設置した複合体の絶縁性ブロックを使用する
こともできる。

【００７９】本発明に係る緩衝部材は、熱電発電モジュ
ールの低温端面と放熱部材との間に設置されて、集熱部
材と放熱部材とを締結する場合等の締め付け力あるいは
使用時の機械的振動に対し、熱電変換モジュールおよび
リード電極片の取り付け部分を保護するとともに、熱電
変換モジュールの低温端面と放熱部材との密着性を向上
させることにより、冷却効率を向上させる効果がある。

【００８０】尚、緩衝部材の材料としては、例えば、シ
リコーンゴムやシリコーン樹脂、あるいは、熱伝導性グ
リース等を使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の熱電発電装置を示す斜視外観図である。

【図２】従来の熱電発電装置の一部を示す平面図であ
る。

【図３】本発明の熱電発電装置に係る一実施例を示す断
面図である。

【図４】本発明の熱電発電装置の一部を示す斜視図であ
る。

【図５】図４中のＡ−Ａ部における断面図である。

【図６】本発明に係る熱電変換モジュールを示すもので
あり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は斜視外観図であ
る。

【図７】本発明に係る接続端子部材を示すものであり、
（ａ）は斜視外観図、（ｂ）は図７（ａ）中のＢ−Ｂ部
における断面図である。

【図８】本発明の熱電発電装置に係る他の実施例の一部
を示す斜視図である。

【図９】図８中のＣ−Ｃ部における断面図である。

【図１０】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施
例を示す斜視外観図である。

【図１１】本発明に係る接続端子部材の他の実施例を示
す斜視外観図である。

【図１２】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施
例に示す斜視外観図である。

【図１３】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施
例を示すものであり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は斜
視外観図である。

【図１４】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施
例を示す斜視外観図である。

【図１５】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施
例を示す斜視外観図である。

【図１６】図１２に示した熱電変換モジュールを接続端
子部材に接続した状態を示す断面図である。

【図１７】図１３に示した熱電変換モジュールを接続端
子部材に接続した状態を示す断面図である。

【図１８】図１５に示した熱電変換モジュールを接続端
子部材に接続した状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１０ 熱電発電装置 １１ 内筒（集熱部材） １２ 外筒（放熱部材） １２ａ 上部放熱カバー １２ａｃ 長尺な溝（凹部） １２ｂ 下部放熱カバー １２ｂｃ 長尺な溝（凹部） １３ 熱電変換モジュール １３ａ 高温端面 １３ｂ 低温端面 １３ｃ リード電極片 １３ｄ 側面 １４ 緩衝部材 １５ ブロック １６ 接続端子部材 ３２ｂ 下部放熱カバー（放熱部材） ３２ｂｃ 長尺な溝（凹部） ３２ｂｈ 通路 ３３ 熱電変換モジュール ３３ｃ リード電極片 ３５ ブロック ３６ 接続端子部材 ４２ 外筒（放熱部材） ４３ 熱電変換モジュール ４３ｃ リード電極片 ４５ ブロック ４６ 接続端子部材 ４７ ネジ ５２ 外筒（放熱部材） ５３ 熱電変換モジュール ５３ｃ リード電極片 ５５ ブロック ５６ 接続端子部材 ７３ 熱電変換モジュール ７３ｃ リード電極片 ８２ 外筒（放熱部材） ８３ 熱電変換モジュール ８３ｃ リード電極片 ８５ ブロック ８６ 接続端子部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小 林 正 和 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 古 谷 健 司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 天 田 克 己 東京都中野区南台５丁目24番15号 カルソ ニック株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温熱源から集熱する集熱部材と低温熱
   源に放熱する放熱部材との間に、お互いに対向する高温
   端面及び低温端面と側面により輪郭が画定される熱電変
   換モジュールを複数個熱的に並列に挾持固定して、高温
   端面及び低温端面間に生じる温度差により電力を発生す
   る熱電発電装置であって、 前記熱電変換モジュールの各々は、前記低温端面又は側
   面から突出した２つのリード電極片を有し、 前記放熱部材は、前記熱電変換モジュールと対向する側
   の面に形成された凹部を有し、 前記凹部には、前記複数の熱電変換モジュールのうち相
   隣接する熱電変換モジュールの一方のリード電極片同士
   を電気的に接続する接続端子部材が配置されている、 ことを特徴とする熱電発電装置。
2. 【請求項２】 前記凹部は、前記複数の熱電変換モジュ
   ールの配列方向に沿って伸長する長尺な溝として形成さ
   れている、ことを特徴とする請求項１記載の熱電発電装
   置。
3. 【請求項３】 前記接続端子部材は、絶縁材料により形
   成されたブロックに保持されており、前記ブロックは、
   前記凹部に埋設されている、ことを特徴とする請求項１
   又は２記載の熱電発電装置。
4. 【請求項４】 前記熱電変換モジュールの低温端面と前
   記放熱部材の接合面との間には、応力を緩和する緩衝部
   材が設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし
   ３いずれか１つに記載の熱電発電装置。
5. 【請求項５】 前記放熱部材には、放熱用のフィンが一
   体的に形成されている、ことを特徴とする請求項１ない
   し４いずれか１つに記載の熱電発電装置。
6. 【請求項６】 前記放熱部材には、冷却用の媒体を通す
   通路が形成されている、ことを特徴とする請求項１ない
   し４いずれか１つに記載の熱電発電装置。
7. 【請求項７】 前記集熱部材は、内部に高温熱媒体を流
   通させると共に外周面の少なくとも一部に前記熱電発電
   変換モジュールの高温端面を接合させる扁平部を有する
   内筒からなり、 前記放熱部材は、前記内筒のまわりを間隔をおいて囲繞
   するように配置されると共に、内周面の少なくとも一部
   に前記熱電変換モジュールの低温端面を接合させる扁平
   部及び前記凹部を有する外筒からなる、ことを特徴とす
   る請求項１ないし６いずれか１つに記載の熱電発電装
   置。
8. 【請求項８】 前記外筒は、前記内筒を囲むように対向
   して接合される第１外筒半体及び第２外筒半体からな
   る、ことを特徴とする請求項７記載の熱電発電装置。