JPWO2018190177A1 - 熱電変換素子モジュール - Google Patents

Abstract

熱電変換素子モジュール（１０１）は、熱源に当接可能に配置された受熱部（３）と、第１面（１０ａ）および第２面（１０ｂ）を有し、第１面（１０ａ）が受熱部（３）に接して配置された熱電変換素子（１０）と、第２面（１０ｂ）に接して配置され、内部空間（２１）を有する放熱部（５）とを備える。

Description

本発明は、熱電変換素子モジュールに関するものである。

特開２０１５−１０９９４号公報（特許文献１）に温度検出装置の一例が記載されている。この装置は、先端から順に、検出部、第１伝熱部、発電部、第２伝熱部、放出部、および出力部を備える。

特開２０１５−１０９９４号公報

特許文献１に記載された温度検出装置では、検出部と発電部との間は第１伝熱部によって離隔されており、発電部と放出部との間は第２伝熱部によって離隔されているので、全体的に細長い形状となっている。この装置では、出力部は熱源から見て放出部より遠くに位置しているので、小型化しにくい。

そこで、本発明は、コンパクトな構造を備える熱電変換素子モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく熱電変換素子モジュールは、熱源に当接可能に配置された受熱部と、第１面および第２面を有し、上記第１面が上記受熱部に接して配置された熱電変換素子と、上記第２面に接して配置され、内部空間を有する放熱部とを備える。

本発明によれば、熱電変換素子モジュールを小型化することができる。

本発明に基づく実施の形態１における熱電変換モジュールの第１の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱電変換モジュールの第２の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱電変換モジュールの断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱電変換モジュールの概念図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱電変換モジュールの分解図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱電変換モジュールの受熱部の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱電変換モジュールの受熱部の変形例の側面図である。 本発明に基づく実施の形態２における熱電変換素子モジュールの断面図である。 本発明に基づく実施の形態３における熱電変換素子モジュールの分解図である。 本発明に基づく実施の形態４における熱電変換素子モジュールの斜視図である。 本発明に基づく実施の形態４における熱電変換素子モジュールの平面図である。 本発明に基づく実施の形態５における熱電変換素子モジュールの概念図である。 本発明に基づく実施の形態６における熱電変換素子モジュールの概念図である。

図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。

（実施の形態１）
図１〜図６を参照して、本発明に基づく実施の形態１における熱電変換素子モジュールについて説明する。本実施の形態における熱電変換素子モジュール１０１の斜視図を図１に示す。熱電変換素子モジュール１０１を上下逆にした状態で見たときの斜視図を図２に示す。熱電変換素子モジュール１０１の断面図を図３に示す。熱電変換素子モジュール１０１は、熱源に当接可能なように外部に露出する部分を含む受熱部３と、第１面１０ａおよび第２面１０ｂを有し、第１面１０ａが受熱部３に接する状態で配置された熱電変換素子１０と、第２面１０ｂに接して配置され、内部空間２１を有する放熱部５と、内部空間２１に配置された電源回路１１とを備える。

放熱部５は熱伝導率が高い材料で形成される。放熱部５はたとえば金属製である。放熱部５はたとえばアルミニウム合金で形成されていてよい。放熱部５は円筒形状の外周面と、底面とを有している。放熱部５の底面には貫通孔５１が設けられている。貫通孔５１には配線１５ａ，１５ｂが通っている。放熱部５は、図３における上方が開放された構造であるが、この上方の開放された部分を塞ぐように蓋９が設置されている。放熱部５は、ここで示したように容器形状であってもよい。放熱部５は、ここでは底面を有する形状であるが、底面の存在自体は必須ではない。放熱部５の開放されて蓋で塞がれた部分が上方であるとは限らない。これは他の側であってもよい。蓋の存在は必須ではない。放熱部５は、何らかの内部空間を規定することができる構造であればよい。

蓋９はたとえば金属製である。蓋９は、放熱部５と同じ材料によって形成されていてもよい。蓋９はたとえばアルミニウム合金で形成されていてよい。蓋９と放熱部５との間にはＯリングなどの封止部材が配置されていてもよい。図３における放熱部５の下側には固定部６が取り付けられている。固定部６は熱伝導率が低い材料で形成される。固定部６はたとえば樹脂製であってもよい。固定部６はたとえばポリカーボネート樹脂製であってもよい。

内部空間２１には、基板６１，６２が収容されている。基板６１の下面には蓄電部１２が実装されている。基板６１の上面には電源回路１１およびセンサ１４が実装されている。基板間接続部２３は、たとえばピン、ソケットなどを含み、異なる基板間の電気的接続を担う。基板６２の下面には無線通信部１３が実装されている。無線通信部１３は、たとえばＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）による通信を行なうものであってもよい。基板６１，６２という２枚の基板が用いられていることは、あくまで一例であり、内部空間２１に配置される基板の枚数、サイズ、位置、姿勢はここで示したものに限らない。電源回路１１、蓄電部１２、無線通信部１３、センサ１４などの部品が、複数ある基板のうちのいずれの面のいずれの箇所に実装されるかについては、ここで示したものはあくまで一例に過ぎず、ここで示した例に限定されない。

熱電変換素子モジュール１０１の各構成要素の概念図を図４に示す。熱電変換素子１０は配線１５ａ，１５ｂによって電源回路１１に接続されている。電源回路１１は蓄電部１２に電気的に接続されている。蓄電部１２は、無線通信部１３に電気的に接続されている。センサ１４は、無線通信部１３に電気的に接続されている。電源回路１１は、熱電変換素子１０で生成された電気を昇圧するためのものである。電源回路１１で昇圧された電気は、蓄電部１２に蓄えられる。

熱電変換素子モジュール１０１の分解図を図５に示す。図５では、熱電変換素子１０から延在する配線１５ａ，１５ｂは図示省略している。図５に示すように、固定部６は円筒形状であり、内周面に雌ネジであるネジ山２５を有する。放熱部５は下部に円筒形状の部分があり、その部分の外周面に雄ネジであるネジ山２４を有する。ネジ山２４，２５を介して、固定部６は放熱部５と締結されている。この締結によって、図３に示すように、熱電変換素子１０は受熱部３と放熱部５に挟まれて固定された状態となっている。

受熱部３を単独で取り出したところを図６に示す。受熱部３は、同一材料で一体的に形成された部品である。受熱部３は、中央部３ａとその周りに張り出す鍔部３ｂとを含む。受熱部３の中央部３ａは面３ｆを有する。面３ｆは熱源に当接させるための面である。ここで示す例では、面３ｆは平面である。図３に示すように、受熱部３の面３ｆは、固定部６の下面よりも突出している。

本実施の形態によれば、熱電変換素子モジュールを小型化することができる。特に本実施の形態で示した例では、熱源に当接可能なように外部に露出する部分を含む受熱部３が熱電変換素子１０の一方の面に直接接していて、かつ、熱電変換素子１０の他方の面に接している放熱部５は内部空間２１を有していて、この内部空間２１に電源回路１１を収容しているので、熱電変換素子モジュールの全体をコンパクトに抑えることができる。

本実施の形態で示したように、熱電変換素子モジュールは、受熱部３と放熱部５との間に熱電変換素子１０を保持する固定部６を備えることが好ましい。より詳しく説明すると、熱電変換素子モジュールは、受熱部３と放熱部５とが熱電変換素子１０を挟み込んだ状態で受熱部３を放熱部５に対して相対的に固定する固定部６を備えることが好ましい。この構成を採用することにより、受熱部３と放熱部５とを堅固に相対的に固定し、同時に熱電変換素子を好適な状態で固定することができる。これにより、少ない部品点数で熱電変換素子モジュールを構成することができる。

本実施の形態で示したように、放熱部５にはネジ山２４が形成され、固定部６には、放熱部５のネジ山２４に対して螺合可能なネジ山２５が形成されており、固定部６および放熱部５はいずれか一方が他方に対してねじ込まれることによって結合されていることが好ましい。この構成を採用することにより、固定部６と放熱部５とを容易に接続することができる。また、ネジ山２４，２５をどの程度まで締め込むかによって、受熱部３と放熱部５との間の間隙の大きさを調整することができるので、Ｚ方向の寸法が異なる複数通りのサイズの熱電変換素子１０が使用されうる場合にも、どのサイズの熱電変換素子１０に対しても、受熱部３と放熱部５とで適切に挟み込んだ状態を実現することができる。なお、本実施の形態では、放熱部５のネジ山２４が雄ネジであり、固定部６のネジ山２５が雌ネジである例を示したが、雄ネジ−雌ネジの関係は逆であってもよい。

本実施の形態で示したように、受熱部３は、単一部材から形成されており、受熱部３は、外周を取り囲むように張り出した鍔部３ｂを備え、固定部６は鍔部３ｂに対して当接し、受熱部３は固定部６よりも突出することが好ましい。受熱部３を単一部材で形成することにより、部品点数を少なくすることができる。受熱部３に鍔部３ｂを設けることにより受熱部３を固定しやすくなる。受熱部３が固定部６より突出した構造とすることにより、熱源となる対象物に対して受熱部３は当接して固定部６は当接しない状態を作りやすくなる。

本実施の形態で示したように、熱電変換素子１０で作られた電気を貯めることができる蓄電部１２を備え、蓄電部１２は、内部空間２１に配置されている。この構成を採用することにより、温度差を利用して発電した電気を貯めておいて使用することができるので、電池交換が不要な熱電変換素子モジュールとすることができる。蓄電部１２としては、ＭＬＣＣ（Multi-Layered Ceramic Capacitor）、全固体電池などを用いてもよい。蓄電部１２としてＭＬＣＣまたは全固体電池を採用することで、高温または低温の環境下でも長期に使用可能な熱電変換素子モジュールとすることができる。図３および図４では、蓄電部１２として３個の素子を含むように表示しているが、これはあくまで一例である。蓄電部１２に含まれる素子の数は３個に限らず何個であってもよい。

本実施の形態で示したように、蓄電部１２に貯められた電気を用いて送信および受信のうち少なくとも一方を行なうための無線通信部１３を備え、無線通信部１３は、内部空間２１に配置されていることが好ましい。この構成を採用することにより、無線通信部１３によって何らかの情報を外部から受信または外部へ送信することができる。

本実施の形態で示したように、蓄電部１２に貯められた電気を用いて測定を行なうセンサ１４を備える。この構成を採用することにより、所望の種類の測定をすることができる。特に、センサ１４を動作させる電気は蓄電部１２から供給され、蓄電部１２へは温度差によって発電された電気が貯められるので、電池交換が不要なまま測定作業を続けることができる。ここで示した例では、センサ１４は、内部空間２１に配置されている。ここで示したセンサ１４の大きさ、形、位置は模式的に示したものであり、あくまで一例である。センサを配置する位置は、内部空間２１内に限らない。センサは、たとえば受熱部３および固定部６によって形成される空間内に配置されてもよい。あるいは、センサは、熱電変換素子モジュールの外に配置されてもよい。

本実施の形態では、熱電変換素子モジュール１０１の受熱部３が平坦な下面を有するものとして説明したが、受熱部の下面の形状は適宜選択可能である。たとえば図７に示す受熱部３ｉのようなものも考えられる。受熱部３ｉは、面３ｆｉを有する。面３ｆｉは、円筒の外周面の一部を取り出した曲面形状である。このような受熱部３ｉを採用することにより、配管などの円筒形状の対象物の外周面に受熱部３ｉを当接させやすくなる。特に面３ｆｉの曲率半径を対象物の曲率半径に合わせておけば、受熱部３ｉと対象物との接触面積が大きくなり、効率良く熱を受け取ることができる。

（実施の形態２）
図８を参照して、本発明に基づく実施の形態２における熱電変換素子モジュールについて説明する。熱電変換素子モジュール１０２の断面図を図８に示す。熱電変換素子モジュール１０２の構成は、基本的には実施の形態１で説明した熱電変換素子モジュール１０１と同様であるが、以下の点で異なる。

熱電変換素子モジュール１０２では、放熱部５の上方の開口部分を塞ぐように蓋２６が設置されている。蓋２６は絶縁体で形成されている。蓋２６はたとえば樹脂製である。蓋２６は透明または半透明な樹脂で形成されていてもよい。内部空間２１には動作状態などを表示するためのＬＥＤ（Light Emitting Diode）を配置してもよい。蓋２６を透明または半透明な材料で形成しておくことにより、ＬＥＤの発光状態を外部から視認することができるようになる。

本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、蓋２６が絶縁体で形成されている。すなわち、内部空間２１は導電体で完全に囲まれているわけではないので、無線通信部１３で送受信する際の電波が遮蔽されない。したがって、無線通信部１３による通信が行ないやすい。

（実施の形態３）
図９を参照して、本発明に基づく実施の形態３における熱電変換素子モジュールについて説明する。本実施の形態における熱電変換素子モジュールの分解図を図９に示す。熱電変換素子モジュールの構成は、基本的には実施の形態１で説明した熱電変換素子モジュール１０１と同様であるが、以下の点で異なる。

本実施の形態における熱電変換素子モジュールは、実施の形態１における放熱部５および蓋９に代えて、放熱部５ｉおよび蓋９ｉを備える。放熱部５ｉおよび蓋９ｉの形状は、それぞれ円筒形ではなく直方体である。

本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。内部空間に収めるべき部品などの形状によっては、放熱部５ｉの形状が円筒形であるよりも直方体である方が好都合な場合がある。本実施の形態のようにすることで、内部空間の容量を大きくすることができる場合がある。

ここでは、放熱部の形状が直方体となっている例を示したが、放熱部の形状はこれに限らず、さらに他の形状であってもよい。

（実施の形態４）
図１０〜図１１を参照して、本発明に基づく実施の形態４における熱電変換素子モジュールについて説明する。本実施の形態における熱電変換素子モジュール１０３の斜視図を図１０に示す。熱電変換素子モジュール１０３の平面図を図１１に示す。熱電変換素子モジュールの構成は、基本的には実施の形態１で説明した熱電変換素子モジュール１０１と同様であるが、以下の点で異なる。

本実施の形態における熱電変換素子モジュールでは、放熱部５ｊを備える。放熱部５ｊは、円筒形の本体を備え、本体の外周に放射状に複数のフィン２７が生えている。ここで示したフィン２７の形状、サイズ、枚数、位置関係はあくまで一例として示したものである。たとえばフィン２７は１枚のみであってもよく、２枚であってもよい。複数のフィン７２はそれぞれ平坦であるものとしたが、平坦とは限らない。

本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、放熱部５ｊが少なくとも１つのフィン２７を備えているので、フィン２７の作用によって放熱が促進される。したがって、信頼性が高い熱電変換素子モジュールとすることができる。フィンは他の部品と接続されていてもよい。

（実施の形態５）
図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態５における熱電変換素子モジュールについて説明する。図１２に示すように、本実施の形態における熱電変換素子モジュールは、無線通信部１３の代わりにデータ記録部１６を備える。データ記録部１６は、蓄電部１２に接続されている。センサ１４で測定した結果のデータは、データ記録部１６に記録される。データ記録部１６は放熱部５の内部空間２１に配置されていてよい。

本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。データ記録部１６は、蓄電部１２から電力の供給を受けることによって動作することができる。

（実施の形態６）
図１３を参照して、本発明に基づく実施の形態６における熱電変換素子モジュールについて説明する。本実施の形態における熱電変換素子モジュールは、他の実施の形態に比べてシンプルな構成となっている。本実施の形態における熱電変換素子モジュールは、無線通信部１３もセンサ１４もデータ記録部１６も備えていないが、蓄電部１２を備える。蓄電部１２は電源回路１１に接続されている。

本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、部品点数を少なくすることができる。この熱電変換素子モジュールは、熱電変換素子１０で生成した電気を蓄電部１２に蓄えることができる。このように蓄電部１２に蓄えた電気は、熱電変換素子モジュールから何らかの手段によって取り出すこととすればよい。たとえば熱電変換素子１０で生成した電気を蓄電部１２に蓄える時期には熱電変換素子モジュールを熱源に貼り付けておいて、のちに熱電変換素子モジュールを熱源から取り外して回収した後で、熱電変換素子モジュールの蓄電部１２から電気を取り出すこととしてもよい。

なお、これまでに説明した実施の形態のうち無線通信部１３を備える構成において、無線の代わりに有線によって情報を取り出すこととしてもよい。すなわち、熱電変換素子モジュールから何らかの配線を延在させておいてこの配線を経由して情報を取り出してもよい。熱電変換素子モジュールに何らかのコネクタを設けておいて、着脱可能なケーブルを用いて情報を取り出すこととしてもよい。

なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

３ 受熱部、３ａ 中央部、３ｂ 鍔部、３ｆ，３ｆｉ 面、５，５ｉ，５ｊ 放熱部、６ 固定部、９ （金属製の）蓋、１０ 熱電変換素子、１０ａ 第１面、１０ｂ 第２面、１１ 電源回路、１２ 蓄電部、１３ 無線通信部、１４ センサ、１５ａ，１５ｂ 配線、１６ データ記録部、２１ 内部空間、２３ 基板間接続部、２４，２５ ネジ山、２６ （樹脂製の）蓋、２７ フィン、５１ 貫通孔、６１，６２ 基板、１０１，１０２，１０３ 熱電変換素子モジュール。

Claims (7)

1. 熱源に当接可能に配置された受熱部と、
   第１面および第２面を有し、前記第１面が前記受熱部に接して配置された熱電変換素子と、
   前記第２面に接して配置され、内部空間を有する放熱部とを備える、熱電変換素子モジュール。
2. 前記受熱部と前記放熱部との間に前記熱電変換素子を保持する固定部を備える、請求項１に記載の熱電変換素子モジュール。
3. 前記放熱部にはネジ山が形成され、前記固定部には、前記放熱部のネジ山に対して螺合可能なネジ山が形成されており、前記固定部および前記放熱部はいずれか一方が他方に対してねじ込まれることによって結合されている、請求項２に記載の熱電変換素子モジュール。
4. 前記受熱部は、単一部材から形成されており、前記受熱部は、外周を取り囲むように張り出した鍔部を備え、前記固定部は前記鍔部に対して当接し、前記受熱部は前記固定部よりも突出する、請求項２または３に記載の熱電変換素子モジュール。
5. 前記内部空間に配置された電源回路と、
   前記内部空間に配置され、前記熱電変換素子で作られた電気を前記電源回路を介して蓄電可能な蓄電部をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の熱電変換素子モジュール。
6. 前記内部空間に配置された無線通信部をさらに備える、請求項５に記載の熱電変換素子モジュール。
7. 前記蓄電部に貯められた電気を用いて測定を行なうセンサを備える、請求項５または６に記載の熱電変換素子モジュール。

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