KR101994133B1 - 열전 발전 유닛 - Google Patents

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Abstract

열전 발전 유닛(1)은 복수의 열전 소자로 구성되는 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)이 수납되며, 또한 가열면 및 냉각면이 설치된 케이스(2)를 갖는 열전 발전 유닛(1)으로서, 열전 소자를 접속하는 출력 회로 형성용의 소자 간 전극(22)을 갖는 제 1 층과, 표리를 관통하는 복수의 스루홀이 형성된 제 2 층과, 스루홀과 도통하는 복수의 바이패스 패턴을 갖는 제 3 층을 갖는 다층 기판을 구비하고, 제 1 층의 표면에서는 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)을 단위로 한 출력 회로의 양단에 대하여 케이스(2)를 내외로 관통하는 리드핀(P1~P10)의 기단이 접속되어 있다.

Description

열전 발전 유닛{THERMOELECTRIC GENERATION UNIT}
본 발명은 열전 발전 유닛에 관한 것이다.
열전 발전 모듈은 온도차를 전압으로 변환하는 제베크 효과에 의해 2개의 물체의 온도차를 이용해서 발전하는 것이다.
종래의 열전 발전 모듈을 구비한 열전 발전 유닛으로서, 예를 들면 특허문헌 1의 것이 알려져 있다.
특허문헌 1의 열전 발전 유닛은 복수의 열전 발전 모듈이 공통의 단자대에 단자 접속됨으로써 1개의 직렬 회로를 구성하고 있다. 특허문헌 1의 열전 발전 유닛에 있어서 각각의 열전 발전 모듈의 상태를 진단할 때에는 단자대로부터 단자를 떼어내고, 떼어낸 단자에 테스터를 대서 각 열전 발전 모듈의 내부 저항 등을 측정함으로써 행한다.
또한, 특허문헌 1의 열전 발전 유닛에 있어서 어느 하나의 열전 발전 모듈의 능력이 저하되거나 또는 기능을 정지했을 경우에는 문제가 발생한 열전 발전 모듈을 단락하고, 나머지 열전 발전 모듈로 발전을 행하도록 단자대에 대한 단자의 부착 위치를 변경한다.
일본 특허공개 2003-110155호 공보
그러나, 열전 발전 유닛 중에서도 열전 소자 및 열전 발전 모듈의 기능 열화를 방지하기 위해서 용접 등에 의해 밀폐된 케이스 내에 열전 발전 모듈을 수납하는 타입의 것에서는 케이스를 필요에 따라 개폐할 수 없는 점에서 단자대를 내부에 수납할 수 없다.
한편, 단자대를 케이스 외에 설치함과 아울러, 열전 발전 모듈로부터의 배선을 외부로 인출하는 구조로 함으로써 열전 발전 모듈의 상태 진단이나 문제가 발생한 열전 발전 모듈의 단락을 가능하게 했을 경우에는 케이스 내의 배선(케이블선)이 많아지는데에 따라 케이스 내에 있어서의 열전 소자 또는 열전 발전 모듈의 충전율이 낮아지고, 케이스에 있어서의 열 손실이 늘어나는 결과, 단위면적당 출력이 낮아진다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 케이스를 개폐시키는 일 없이 열전 발전 모듈의 진단을 확실하게 행할 수 있고, 단위면적당 출력을 크게 할 수 있음과 아울러, 열전 발전 모듈의 이상 시에도 가동을 유지할 수 있는 열전 발전 유닛을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 열전 발전 유닛은 복수의 열전 소자로 구성되는 열전 발전 모듈이 복수 수납되며, 또한 가열면 및 냉각면이 설치된 케이스를 갖는 열전 발전 유닛으로서, 상기 열전 소자를 접속하는 출력 회로 형성용의 소자 간 전극을 갖는 제 1 층과, 표리를 관통하는 복수의 스루홀이 형성된 제 2 층과, 상기 스루홀과 도통하는 복수의 바이패스 패턴을 갖는 제 3 층을 갖는 다층 기판을 구비하고, 상기 제 1 층의 표면에서는 상기 열전 발전 모듈을 단위로 한 출력 회로의 양단에 대하여 상기 케이스를 내외로 관통하는 리드핀의 기단이 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열전 발전 유닛에 의하면, 열전 발전 모듈을 단위로 한 출력 회로의 양단에 대하여 케이스를 내외로 관통하는 리드핀의 기단이 접속되어 있으므로 케이스를 개폐시키는 일 없이 개개의 열전 발전 모듈의 진단을 행할 수 있다.
또한, 진단 대상으로 하는 열전 발전 모듈의 변경을 리드핀의 선택만으로 행하는 것이 가능하며, 진단 대상의 변경을 행하기 위한 기구(예를 들면, 단자대)를 케이스 내에 설치했을 경우와 비교하여 열전 소자나 열전 발전 모듈의 충전율을 높일 수 있음과 아울러, 고온의 열전 발전 유닛을 적용한 장치를 정지시킬 필요가 없다.
또한, 제 1 층에 출력 회로 형성용의 소자 간 전극이 설치되고, 제 2 층에 스루홀이 형성되며, 스루홀은 제 3 층의 복수의 바이패스 패턴으로 도통하고 있으므로 바이패스 패턴에 의해 도통되는 복수의 열전 발전 모듈의 진단을 행할 수 있고, 또한 그 도통에 있어서도 케이블선이 불필요하여 충전율의 저하가 발생하지 않는다.
본 발명의 열전 발전 유닛에 있어서 상기 열전 발전 모듈마다의 출력 및 선택적으로 선택되는 복수의 열전 발전 모듈의 조합의 출력을 검출할 수 있게 설치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 열전 발전 유닛에 있어서 상기 다층 기판은 상기 열전 발전 모듈에 대하여 냉각면측에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 열전 발전 유닛에 있어서 상기 케이스 내의 상기 가열면측 및 상기 리드핀 사이에는 단열 부재가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 열전 발전 유닛을 나타내는 사시도이다.
도 2는 열전 발전 유닛을 도 1의 II-II 방향으로부터 본 측단면도이다.
도 3은 열전 발전 유닛을 도 2의 III-III 방향으로부터 본 평단면도이다.
도 4는 제 2 층의 평면도이다.
도 5는 제 3 층 및 제 4 층의 평면도이다.
도 6은 도 2에 있어서의 VI부의 부분 확대도이다.
도 7은 열전 발전 유닛을 도 6의 VII-VII 방향으로부터 본 측단면도이다.
도 8은 열전 발전 유닛의 등가 회로도이다.
도 9는 열전 발전 유닛 진단 처리의 플로우 차트이다.
도 10은 변형예의 열전 발전 유닛의 측단면도이다.
도 11은 변형예의 열전 발전 유닛을 도 10의 XI-XI 방향으로부터 본 평단면도이다.
도 12는 도 10에 있어서의 XII부의 부분 확대도이다.
이하, 본 발명의 일실시형태를 도 1~도 9에 의거하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 열전 발전 유닛(1)의 사시도이며, 도 2는 열전 발전 유닛(1)을 도 1에 있어서의 II-II 방향으로부터 본 측단면도이며, 도 3은 열전 발전 유닛(1)을 도 2의 III-III 방향으로부터 본 평단면도이다.
[열전 발전 유닛의 구성]
열전 발전 유닛(1)은 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 가열면(Th) 및 냉각면(Tc)을 표리에 갖고, 도 3에 나타내는 바와 같이 금속제로 직사각형의 케이스(2) 내에 세로 2×가로 2의 배열로 설치된 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)을 수납한 구조를 갖는다. 또한, 케이스(2)의 형상 및 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)의 배열은 어디까지나 일례이며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 케이스(2)는 도금 처리가 실시되어 상면이 개방된 상자형상의 케이스 본체(2A)와, 도금 처리가 실시되어 케이스 본체(2A)와 같은 평면형상을 갖는 케이스 덮개(2B)로 구성되어 있다. 케이스 본체(2A)와 케이스 덮개(2B)에 실시된 도금 처리는, 예를 들면 니켈 플래시 도금 상에 금 플래시 도금을 실시하는 것이며, 니켈 도금만이어도 좋다.
도 2에 나타내는 바와 같이 케이스 덮개(2B)의 상면이 가열면(Th)이며, 케이스 본체(2A)의 하면이 냉각면(Tc)이다. 케이스 덮개(2B)는 케이스 본체(2A)에 대하여 모재가 거의 용융하지 않고 도금층만이 용융하는 용접 방법으로 둘레 가장자리부가 전체 둘레 용접되어 있다. 케이스 덮개(2B)에 의해 케이스 본체(2A)의 상면에 있어서의 밀폐성이 확보되어 있다. 또한, 도금층만이 용융하는 용접 방법은 일례이며, 모재의 일부를 용융시키는 용접 방법이어도 좋고, 용접에 한정되지 않고 접합재를 사용하여 접합하는 방법이어도 좋다.
또한, 케이스 본체(2A)의 일측면에는 케이스(2)의 내외에 걸쳐 연장되는 10개의 리드핀(P1~P10)이 병설된 기밀 커넥터(3)가 부착되어 있다. 기밀 커넥터(3)는 케이스 본체(2A)의 일측면을 표리로부터 협지하고, 리드핀(P1~P10)은 케이스 본체(2A)의 일측면에 형성된 10개의 관통 구멍(2C) 각각에 삽입 통과되어 있다.
케이스 덮개(2B) 및 기밀 커넥터(3)가 부착되어 밀폐 상태의 케이스(2) 내에는 불활성 가스(예를 들면, 아르곤 가스, 질소 가스, 헬륨과 질소의 혼합 가스, 헬륨과 아르곤의 혼합 가스 등)가 밀폐되어 있다. 또한, 케이스(2) 내가 진공이어도 좋다.
제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)은 제 1 층~제 5 층을 적층한 다층 기판(10)을 구비한다. 제 1 층은 열전 소자(21)를 전기적으로 접속하는 복수의 소자 간 전극(22)을 갖는다. 제 2 층은 절연층인 제 1 기판(11)과 후술하는 스루홀(H1~H8)을 갖는다. 제 3 층은 도전층인 바이패스 패턴(13~15)을 갖는다. 제 4 층은 전체면이 절연층인 제 2 기판(12)에 의해 구성되어 있다. 제 5 층은 전체면이 도전층인 구리판(16)에 의해 구성되어 있다. 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)은 1매의 다층 기판(10)을 공유한다.
또한, 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)은 제 1 층의 소자 간 전극(22)을 가지 않는 다층 기판과, 열전 소자(21)와, 소자 간 전극(판)만으로 구성되는 모듈(풀스켈레톤 모듈)을 포함하여 형성하는 것도 가능하다.
제 1 층의 표면에 부설된 열전 소자(21)는 P형 열전 소자(21A) 및 N형 열전 소자(21B)로 구성되어 있다. 이들 P형 열전 소자(21A) 및 N형 열전 소자(21B)는, 예를 들면 비스무트·텔루륨계(Bi-Te계)나 실리사이드계 등의 재료에 의해 동일 크기(또는 상이한 크기)의 단면 정방형의 직육면체(또는 원통)로 형성되어 있다. 또한, P형 열전 소자(21A)와 N형 열전 소자(21B)는 교대로 배치되고, 도 3 중에 있어서의 세로 방향으로 병설됨과 아울러, 도 3 중에 있어서의 가로 방향으로 되접히면서 종횡을 일치시켜 부설되어 있다.
P형 열전 소자(21A)에는 제베크 효과에 의해 고온측으로부터 저온측(도 2 중의 하방향)으로 전류가 흐르고, N형 열전 소자(21B)에는 저온측으로부터 고온측(도 2 중의 상방향)으로 전류가 흐른다. 이와 같이, 열전 소자(21)에서 발생한 전류를 어느 한쌍의 리드핀(P1~P10)으로부터 외부로 흘림으로써 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)은 발전을 행한다.
제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)은 Π(파이)형 구조를 갖고, 도 2에 나타내는 바와 같이 인접하는 P형 열전 소자(21A)와 N형 열전 소자(21B)는 소자 간 전극(22)에 상단 및 하단이 교대로 접속되어 있고, P형 열전 소자(21A)→소자 간 전극(22)→N형 열전 소자(21B) 순의 접속을 반복하여 각 열전 발전 모듈(M1~M4) 내에 있어서 모든 열전 소자(21)가 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 이 직렬 회로가 열전 발전 회로로서 기능한다.
리드핀(P1~P10)에 가까운 측에 배치된 제 1 및 제 4 열전 발전 모듈(M1, M4)은 도 3에 있어서의 좌상방 모서리와 우상방 모서리에 전기적인 배열의 단부가 형성되어 있다.
제 1 열전 발전 모듈(M1)에 있어서 좌상방 모서리에 설치된 소자 간 전극(22A)은 +극이며, 우상방 모서리에 설치된 소자 간 전극(도시하지 않음)은 -극이다. +극이 된 소자 간 전극(22A)에는 리드핀(P1)이 접속되어 있고, -극이 된 우상방 모서리의 소자 간 전극에는 리드핀(P5)이 접속되어 있다.
제 4 열전 발전 모듈(M4)에 있어서 좌상방 모서리에 설치된 소자 간 전극(도시하지 않음)은 +극이며, 우상방 모서리에 설치된 소자 간 전극(22D)은 -극이다. +극이 된 좌상방 모서리의 소자 간 전극에는 리드핀(P6)이 접속되어 있고, -극이 된 우상방 모서리의 소자 간 전극(22D)에는 리드핀(P10)이 접속되어 있다.
한편, 리드핀(P1~P10)으로부터 먼 측에 배치된 제 2 및 제 3 열전 발전 모듈(M2, M3)은 도 2에 있어서의 좌하방 모서리와 우하방 모서리에 전기적인 배열의 단부가 형성되어 있다.
제 2 열전 발전 모듈(M2)에 있어서 좌하방 모서리에 설치된 소자 간 전극(22B)은 -극이며, 우하방 모서리에 설치된 소자 간 전극(도시하지 않음)은 +극이다.
제 3 열전 발전 모듈(M3)에 있어서 좌하방 모서리에 설치된 소자 간 전극은 -극이며, 우하방 모서리에 설치된 소자 간 전극(22C)은 +극이다.
리드핀(P2, P3, P8, P9)은 열전대(4A, 4B)(도 3 및 도 8 참조)에 접속되어 있다. 리드핀(P2, P3)이 접속된 열전대(4A)는 케이스 덮개(2B) 이면에 설치되어 있고, 가열면(Th)의 온도로서 케이스 덮개(2B) 이면의 온도를 측정한다. 리드핀(P8, P9)이 접속되는 열전대(4B)는 제 1 기판(11)에 설치되어 있고, 냉각면(Tc)의 온도로서 제 1 기판(11)의 온도를 측정한다.
가열면(Th)측의 소자 간 전극(22) 상에는 열전도성을 가지며 열전도율이 높은 절연판(23)이 설치되고, 절연판(23)의 상면은 열전도 시트(24)를 통해 케이스 덮개(2B)의 이면에 전체면으로 접하고 있다. 또한, 케이스 덮개(2B)의 이면에 있어서 절연판(23)에 덮이지 않는 주변 부분은 절연 차폐판(25)에 의해 덮여 있다.
상술한 구성에 의해 열원으로부터 가열면(Th)으로 전달된 열은 케이스 덮개(2B), 열전도 시트(24), 및 절연판(23)을 통해 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)에 양호하게 전달된다.
한편, 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)의 외주와 케이스 본체(2A) 사이의 영역에 있어서는 절연 차폐판(25)에 의해 복사열이 억제된다. 복사열이 억제됨으로써 리드핀(P1~P10)과 접합 부재(6)의 박리, 기밀 커넥터(3)의 실링성의 악화, 및 리드핀(P1~P10)이 고온이 되어 후술하는 열전 발전 유닛(1)의 진단이 곤란해지는 것이 방지된다. 또한, 케이스(2) 내의 분위기(불활성 가스 또는 진공)에 의해 산화나 복사열에 의한 열화가 억제된다.
도 4는 제 1 기판(11)(제 2 층)의 평면도이다. 동 도면에 있어서의 제 1 기판(11)의 방향은 도 3에 있어서의 열전 발전 유닛(1)의 방향에 대응하고 있다. 제 1 기판(11)은 직사각형이며 좌우 대칭의 평면형상을 갖고, 제 1 기판(11)의 상단부 및 하단부에는 표리를 관통하는 스루홀(H1~H4, H5~H8)이 좌우 방향으로 나란히 형성되어 있다. 스루홀(H1~H8)은 내부에 도전체가 충전된 구조를 갖고 있다.
도 5는 제 1 기판(11)의 안측에 겹쳐진 제 2 기판(12)의 평면도이다. 또한, 도면 중에 있어서 참고로서 제 1 기판(11)의 스루홀(H1~H8)의 위치를 2점 쇄선으로 나타내고 있다. 제 2 기판(12)의 표면에는 도전체의 박막으로 이루어지는 중앙 바이패스 패턴(13)과, 그 좌우 양측에 설치된 좌측 바이패스 패턴(14) 및 우측 바이패스 패턴(15)이 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 이들 바이패스 패턴(13~15)이 다층 기판(10)의 제 3 층을 구성하고 있고, 제 2 기판(12)이 다층 기판(10)의 제 4 층을 구성하고 있다.
중앙 바이패스 패턴(13)은 도면 중의 세로 방향으로 연장되는 「Ｉ」형의 평면형상을 갖고, 상단부에 스루홀(H2, H3)이, 하단부에 스루홀(H6, H7)이 각각 겹쳐져 있다. 또한, 중앙 바이패스 패턴(13)의 상단부에는 스루홀(H2, H3)을 통해 리드핀(P4, P7)이 각각 접속되어 있다.
좌측 바이패스 패턴(14) 및 우측 바이패스 패턴(15)은 중앙 바이패스 패턴(13)과 평행하게 연장되는 띠형상의 평면형상을 갖는다. 좌측 바이패스 패턴(14)의 상단부에는 스루홀(H1)이, 하단부에는 스루홀(H5)이 각각 겹쳐 있고, 우측 바이패스 패턴(15)의 상단부에는 스루홀(H4)이, 하단부에는 스루홀(H8)이 각각 겹쳐 있다.
스루홀(H2) 주변의 구성에 대하여 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 6은 도 2 중에 있어서 1점 쇄선으로 둘러싸여 나타낸 VI부의 확대도이며, 도 7은 도 6의 VII-VII 방향으로부터 본 측단면도이다.
스루홀(H2) 상에는 스루홀 전극(5)이 설치되어 접하고 있다. 이 스루홀 전극(5)은 제 3 층의 바이패스 패턴(13)과 스루홀(H3)을 통해 리드핀(P7)과 도통하고 있다. 즉, 스루홀(H2)은 리드핀(P7)과 도통하고 있다. 스루홀 전극(5)과 접합 부재(6)의 접합, 및 접합 부재(6)와 리드핀(P4)의 접합은 열의 영향을 받지 않는 기계적 접합(압착 등), 또는 열의 영향이 작은 용접(스폿 용접 등)에 의해 행해진다. 스루홀(H2)의 하면에는 제 2 기판(12)의 중앙 바이패스 패턴(13)이 접해 있고, 제 2 기판(12)의 하측에는 냉각면(Tc)과의 사이에 구리판(16)이 부설되어 있다. 상술한 바와 같이 이 구리판(16)이 다층 기판(10)의 제 5 층을 구성하고 있다.
상술한 구성은 스루홀(H3) 주변의 구성과 대략 동일하다. 단, 스루홀(H3)은 스루홀 전극(5) 및 리드핀(P7)과 도통하고 있다.
또한, 스루홀(H2)과 스루홀(H3)은 중앙 바이패스 패턴(13)을 통해 도통하고 있다. 즉, 리드핀(P4)과 리드핀(P7)은 도통하고 있다.
스루홀(H1) 상에는 제 1 열전 발전 모듈(M1)의 +극이 된 소자 간 전극(22A)이 설치되어 접하고 있다. 이 소자 간 전극(22A)에는 리드핀(P1)이 접합되어 있다. 즉, 스루홀(H1)은 리드핀(P1)과 도통하고 있다.
상술한 구성은 스루홀(H4) 주변의 구성과 같다. 단, 스루홀(H4)은 제 4 열전 발전 모듈(M4)의 -극이 된 소자 간 전극 및 리드핀(P10)과 도통하고 있다.
제 1 열전 발전 모듈(M1)의 -극이 된 소자 간 전극에는 리드핀(P5)과 접합되어 있다.
제 4 열전 발전 모듈(M4)의 +극이 된 소자 간 전극에는 리드핀(P6)이 접합되어 있다. 또한, 제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극이 된 소자 간 전극은 스루홀(H6) 및 리드핀(P4 및 P7)과 도통하고 있다.
스루홀(H5) 상에는 제 2 열전 발전 모듈(M2)의 -극이 된 소자 간 전극(22B)이 설치되어 접하고 있다. 또한, 스루홀(H8)은 좌측 바이패스 패턴(14)을 통해 스루홀(H1) 및 리드핀(P1)과 도통하고 있다.
스루홀(H8) 상에는 제 3 열전 발전 모듈(M3)의 +극이 된 소자 간 전극(22C)이 설치되어 접하고 있다. 또한, 스루홀(H8)은 우측 바이패스 패턴(15)을 통해 스루홀(H4) 및 리드핀(P10)과 도통하고 있다.
스루홀(H6) 상에는 제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극이 된 소자 간 전극(22)이 설치되어 접촉하고 있고, 스루홀(H7) 상에는 제 3 열전 발전 모듈(M3)의 -극이 된 소자 간 전극(22)이 설치되어 접하고 있다. 또한, 스루홀(H6) 및 스루홀(H7)은 중앙 바이패스 패턴(13)을 통해 스루홀(H2, H3) 및 리드핀(P4, P7)과 도통하고 있다.
[열전 발전 모듈의 진단]
상술한 구성을 구비하는 열전 발전 유닛(1)은 개별의 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)의 출력을 검출하는 것, 및 2개 이상의 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)로 이루어지는 조합의 출력을 검출하는 것이 가능하다.
출력을 검출하는 열전 발전 모듈(M1~M4)과 그때에 사용하는 리드핀(P1~P10) 및 전류 경로는 이하와 같다.
(1) M1, P1-P5
리드핀(P1)→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 +극→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 -극→리드핀(P5).
(2) M2, P4-P1
리드핀(P4)→스루홀(H2)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H6)→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 -극→스루홀(H5)→좌측 바이패스 패턴(14)→스루홀(H1)→리드핀(P1).
(3) M3, P10-P7
리드핀(P10)→스루홀(H4)→우측 바이패스 패턴(15)→스루홀(H8)→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 +극→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 -극→스루홀(H7)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H3)→리드핀(P7).
(4) M4, P6-P10
리드핀(P6)→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 +극→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 -극→리드핀(P10).
(5) M1+M2, P4-P5
리드핀(P4)→스루홀(H2)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H6)→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 -극→스루홀(H5)→좌측 바이패스 패턴(14)→스루홀(H1)→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 +극→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 -극→리드핀(P5).
(6) M1+M2+M3, P10-P5
리드핀(P10)→스루홀(H4)→우측 바이패스 패턴(15)→스루홀(H8)→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 +극→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 -극→스루홀(H7)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H6)→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 -극→스루홀(H5)→좌측 바이패스 패턴(14)→스루홀(H1)→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 +극→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 -극→리드핀(P5).
(7) M2+M3+M4, P6-P1
리드핀(P6)→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 +극→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 -극→스루홀(H4)→우측 바이패스 패턴(15)→스루홀(H8)→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 +극→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 -극→스루홀(H7)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H6)→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 -극→스루홀(H5)→좌측 바이패스 패턴(14)→스루홀(H1)→리드핀(P1).
(8) M1+M2+M3+M4, P6-P5
리드핀(P6)→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 +극→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 -극→스루홀(H4)→우측 바이패스 패턴(15)→스루홀(H8)→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 +극→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 -극→스루홀(H7)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H6)→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 -극→스루홀(H5)→좌측 바이패스 패턴(14)→스루홀(H1)→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 +극→제 1 열전 발전 모듈(M1)의 -극→리드핀(P5).
(9) M2+M3, P10-P1
리드핀(P10)→스루홀(H4)→우측 바이패스 패턴(15)→스루홀(H8)→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 +극→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 -극→스루홀(H7)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H6)→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 +극→제 2 열전 발전 모듈(M2)의 -극→스루홀(H5)→좌측 바이패스 패턴(14)→스루홀(H1)→리드핀(P1).
(10) M3+M4, P6-P7
리드핀(P6)→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 +극→제 4 열전 발전 모듈(M4)의 -극→스루홀(H4)→우측 바이패스 패턴(15)→스루홀(H8)→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 +극→제 3 열전 발전 모듈(M3)의 -극→스루홀(H7)→중앙 바이패스 패턴(13)→스루홀(H3)→리드핀(P7).
[열전 발전 모듈 진단 처리]
이어서, 도 9에 의거하여 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)의 진단 처리를 설명한다. 이 처리는 열화나 고장에 의해 사용 불가가 된 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)을 특정함과 아울러, 나머지 정상인 열전 발전 모듈(M1~M4)을 사용하여 발전을 행하는 것이다.
본 처리가 개시되면, 스텝 S1에 있어서 리드핀(P6) 및 리드핀(P5)을 사용하여 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)에 의한 「100% 가동」의 발전을 행하고, 스텝 S2에 있어서 열전 발전 유닛(1)으로서의 발전량을 측정하는 「전체 진단」을 행한다. 이 「전체 진단」은 소정 기간마다 행해진다.
이어서, 스텝 S3에 있어서 측정된 발전량이 미리 설정된 100% 가동용의 역치보다 큰 지의 여부를 판별 결과에 의거하여 「출력 이상」이 발생하고 있는지의 여부를 판정한다. 발전량과 비교하는 100% 가동용의 역치는 모든 열전 발전 모듈(M1~M4)에 열화도 고장도 발생하고 있지 않은 상태에 있어서 열전 발전 유닛(1)을 발전할 수 있을 발전량의 하한값이다.
100% 가동의 발전량이 100% 가동용의 역치 이상일 때에는 「출력 이상」이 발생하고 있지 않은 것으로 판정하여 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)에 의한 발전을 계속함과 아울러, 소정 기간이 경과하면 스텝 S2의 「전체 진단」을 다시 실행한다.
한편, 100% 가동의 발전량이 100% 가동용의 역치 미만일 때에는 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4) 중 어느 하나에 열화 및/또는 고장이 발생하고 있다고 하고, 「출력 이상」이 발생하고 있는 것으로 판정한다. 이 경우에는 스텝 S4로 진행하여 「개별 진단」을 행한다. 상술한 바와 같이, 열전 발전 유닛(1)은 개별의 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)의 출력을 검출하는 것이 가능하다. 「개별 진단」에서는 제 1 열전 발전 모듈(M1)로부터 순서대로 발전량을 검출하고, 열전 발전 모듈(M1~M4) 중 어느 하나에 이상이 발생하고 있는지를 특정한다.
이상이 발생하고 있는 열전 발전 모듈을 특정하면, 스텝 S5에 있어서 사용하는 리드핀(P1~P10)을 변경함으로써 이상이 발생하고 있는 열전 발전 모듈을 단락한다. 예를 들면, 제 1 열전 발전 모듈(M1)에 이상이 발생하고 있을 경우에는 제 2~제 4 열전 발전 모듈(M2~M4)에 의한 발전을 행하기 위하여 리드핀(P6) 및 리드핀(P1)을 사용한다.
이어서, 스텝 S6에 있어서 제 2~제 4 열전 발전 모듈(M2~M4)에 의한 「75% 가동」의 발전을 행하고, 스텝 S7에 있어서 「전체 진단」을 행한다.
이어서, 스텝 S8에 있어서 측정된 발전량이 미리 설정된 75% 가동용의 역치보다 큰 지의 여부의 판별 결과에 의거하여 「출력 이상」이 발생하고 있는지의 여부를 판정한다.
75% 가동의 발전량이 75% 가동용의 역치 이상일 때에는 「출력 이상」이 발생하고 있지 않은 것으로 판정하고, 제 2~제 4 열전 발전 모듈(M2~M4)을 사용한 발전을 계속함과 아울러, 스텝 S7의 「전체 진단」을 다시 실행한다.
한편, 75% 가동의 발전량이 75% 가동용의 역치 미만일 때에는 제 2~제 4 열전 발전 모듈(M2~M4) 중 어느 1개에 열화 및/또는 고장이 발생하고 있다고 하여 「출력 이상」이 발생하고 있는 것으로 판정한다. 이 경우에는 스텝 S9로 진행하고, 「개별 진단」을 행하여 제 2~제 4 열전 발전 모듈(M2~M4) 중 어느 하나에 이상이 발생하고 있는지를 특정한다. 이상이 발생하고 있는 열전 발전 모듈을 특정하면, 스텝 S10에 있어서 사용하는 리드핀(P1~P10)을 변경함으로써 이상이 발생하고 있는 열전 발전 모듈을 단락한다. 예를 들면, 전회의 제 1 열전 발전 모듈(M1)에 계속해서 이번은 제 2 열전 발전 모듈(M2)에 이상이 발생하고 있을 경우에는 제 3 및 제 4 열전 발전 모듈(M3, M4)에 의한 발전을 행하기 위하여 리드핀(P6) 및 리드핀(P7)을 사용한다.
이어서, 스텝 S11에 있어서 제 3 및 제 4 열전 발전 모듈(M3, M4)에 의한 「50% 가동」의 발전을 행하고, 스텝 S12에 있어서 「전체 진단」을 행한다.
이어서, 스텝 S13에 있어서 측정된 발전량이 미리 설정된 50% 가동용의 역치보다 큰 지의 여부의 판별 결과에 의거하여 「출력 이상」이 발생하고 있는지의 여부를 판별한다.
50% 가동의 발전량이 50% 가동용의 역치 이상일 때에는 「출력 이상」이 발생하고 있지 않은 것으로 판정하고, 제 3 및 제 4 열전 발전 모듈(M3, M4)에 의한 발전을 계속함과 아울러, 스텝 S11의 「전체 진단」을 다시 실행한다.
한편, 50% 가동의 발전량이 50% 가동용의 역치 미만일 때에는 제 3 또는 제 4 열전 발전 모듈(M3, M4)에 열화 및/또는 고장이 발생하고 있다고 하여 「출력 이상」이 발생하고 있는 것으로 판정한다. 이 경우에는 스텝 S14로 진행하고, 「개별 진단」을 행하여 제 3 또는 제 4 열전 발전 모듈 중 어느 하나에 이상이 발생하고 있는지를 특정한다. 이상이 발생하고 있는 열전 발전 모듈을 특정하면, 스텝 S15에 있어서 사용하는 리드핀(P1~P10)을 변경함으로써 이상이 발생하고 있는 열전 발전 모듈을 단락한다. 예를 들면, 전회까지의 제 1 및 제 2 열전 발전 모듈(M1, M2)에 계속해서 제 3 열전 발전 모듈(M3)에 이상이 발생하고 있을 경우에는 제 4 열전 발전 모듈(M4)에 의한 발전을 행하기 위하여 리드핀(P6) 및 리드핀(P10)을 사용한다.
이어서, 스텝 S16에 있어서 최후에 남은 제 4 열전 발전 모듈(M4)에 의한 「25% 가동」의 발전을 행하고, 스텝 S17에 있어서 「전체 진단」을 행한다.
이어서, 스텝 S18에 있어서 측정된 발전량이 미리 설정된 25% 가동용의 역치보다 큰 지의 여부의 판별 결과에 의거하여 「출력 이상」이 발생하고 있는지의 여부를 판별한다.
25% 가동의 발전량이 25% 가동용의 역치 이상일 때에는 「출력 이상」이 발생하고 있지 않은 것으로 판정하고, 제 4 열전 발전 모듈(M4)을 사용한 발전을 계속함과 아울러, 스텝 S17의 「전체 진단」을 다시 실행한다.
한편, 25% 가동의 발전량이 25% 가동용의 역치 미만일 때에는 최후에 남은 제 4 열전 발전 모듈(M4)에 열화 및/또는 고장이 발생하고 있다고 하여 스텝 S18에 있어서 열전 발전 유닛(1)의 가동을 정지한다.
이상의 본 실시형태에 의하면, 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)로 이루어지는 출력 회로의 양단에 대하여 케이스(2)를 내외로 관통하는 리드핀(P1~P10)의 기단이 접속되어 있으므로 케이스(2)를 개폐시키는 일 없이 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)의 진단을 개별적으로 행할 수 있다.
또한, 진단 대상으로 하는 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)의 변경을 리드핀(P1~P10)의 선택에 의해 행할 수 있으므로 진단 대상의 변경을 행하기 위한 기구(예를 들면, 단자대)를 케이스(2) 내에 설치했을 경우와 비교하여 열전 발전 유닛(1)의 충전율을 높일 수 있음과 아울러, 고온의 열전 발전 유닛(1)을 적용한 장치를 정지시킬 필요가 없다.
또한, 소자 간 전극(22)을 갖는 제 1 기판(11)에 스루홀(H1~H8)이 형성되며, 스루홀(H1~H8)은 제 2 기판(12)의 바이패스 패턴(13~15)에 도통하고 있으므로 바이패스 패턴(13~15)마다 진단을 행함으로써 열전 발전 유닛(1)의 진단을 확실하게 행할 수 있다.
[변형예]
상기 실시형태에서는 케이스(2) 내에 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)이 세로 2×가로 2의 배열로 설치되어 있지만, 열전 발전 모듈의 수량 및 배치는 실시형태에 한정되지 않는다. 열전 발전 모듈은 세로 2×가로 2를 한 단위로 하여 늘릴 수 있고, 예를 들면 케이스(2) 내에 제 1~제 16 열전 발전 모듈이 세로 4×가로 4의 배열로 설치되어 있어도 좋다. 열전 발전 모듈의 증가에 따라 리드핀의 수량도 증가하고, 다층 기판(10)의 적층수도 증가하고, 스루홀 및 바이패스 패턴의 수량 및 배치도 변화된다.
변형예에 의한 열전 발전 유닛(101)을 도 10~도 12에 나타낸다. 도 10은 열전 발전 유닛(101)의 측단면도이며, 도 11은 열전 발전 유닛(101)을 도 2의 XI-XI 방향으로부터 본 평단면도이며, 도 12는 도 10에 있어서의 XII부의 부분 확대도이다.
상기 실시형태의 열전 발전 유닛(1)과 동일하거나 또는 대응하는 구성에 대해서는 동일 부호를 붙임과 아울러, 그 설명을 생략한다.
열전 발전 유닛(101)은 도 11에 나타내는 바와 같이 케이스(2) 내에 세로 2×가로 2의 배열로 설치된 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4)로 구성되는 제 1 열전 발전 모듈 셋트(SM1)와, 제 5~제 8 열전 발전 모듈(M5~M8)로 구성되는 제 2 열전 발전 모듈 셋트(SM2)를 수납한 구조를 갖는다. 또한, 케이스 본체(2A)의 일측면에는 케이스(2)의 내외에 걸쳐 연장되는 합계 42개(상단 22개, 하단 20개)의 리드핀(P1~P42)이 설치된 기밀 커넥터(3)가 부착되어 있다. 상기 실시형태로부터 열전 발전 모듈이 증가한 것에 따라 리드핀의 수량이 증가하고 있고(10개→42개), 도 12에 나타내는 바와 같이 바이패스 패턴의 적층수도 증가하고 있다(제 3 층→제 3 층, 제 5 층, 및 제 7 층의 합계 3층). 그 결과, 다층 기판(10)의 적층수가 5층으로부터 9층으로 증가하고 있다. 도시하지 않았지만, 바이패스 패턴에 겹쳐지는 스루홀의 수량 및 배치도 변화되고 있다. 또한, 도 12 중의 「Hn」은 n번째의 스루홀을 나타낸다.
상기 실시형태의 열전 발전 유닛(1)과 마찬가지로 열전 발전 유닛(101)은 개별의 제 1~제 4 열전 발전 모듈 셋트(SM1~SM4)의 발전량 및 2개 이상의 제 1~제 4 열전 발전 모듈 셋트(SM1~SM4)로 이루어지는 조합의 발전량을 검출하는 것이 가능하다. 또한, 제 1~제 4 열전 발전 모듈 셋트(SM1~SM4) 중 어느 하나에 이상이 발생했을 경우에는 열전 발전 모듈 셋트 내에 있어서 개별의 열전 발전 모듈의 발전량 및 2이상의 열전 발전 모듈로 이루어지는 조합의 발전량을 검출하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 상술한 실시형태 및 변형예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서의 변형, 개량 등은 본 발명에 포함되는 것이다.
예를 들면, 상기 실시형태 및 변형예에서는 케이스(2) 내에 제 1~제 4 열전 발전 모듈(M1~M4), 제 1~제 16 열전 발전 모듈(M1~M16)이 종횡 동수의 배열(실시형태: 2×2, 변형예: 4×4)로 설치되어 있지만, 종횡이 상이한 수의 배열(예를 들면, 1×4나 2×8)로 설치되어 있어도 좋다.
상기 실시형태에서는 스루홀(H1~H8)은 내부에 도전체가 충전된 구조를 갖고 있지만, 표리 방향으로 전기를 통하는 구조이면 좋고, 예를 들면 관통 구멍의 내주면에 도전체가 도포된 중공 구조이어도 좋다.
상기 실시형태에서는 각 열전 발전 모듈(M1~M4) 내의 열전 발전 회로에 있어서 모든 열전 소자(21)가 전기적으로 직렬로 접속되어 있지만, 일부가 병렬로 접속되어 있어도 좋다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명은 폐열을 전기 에너지로서 재생하는 재생 장치에 이용할 수 있다.
1, 101 : 열전 발전 유닛 10 : 다층 기판
11 : 제 1 기판(제 2 층) 13 : 중앙 바이패스 패턴(제 3 층)
14 : 좌측 바이패스 패턴(제 3 층) 15 : 우측 바이패스 패턴(제 3 층)
2 : 케이스 21 : 열전 소자
22 : 소자 간 전극(제 1 층) H1~H8 : 스루홀(제 2 층)
M1~M4 : 제 1~제 4 열전 발전 모듈 P1~P10 : 리드핀
Tc : 냉각면 Th : 가열면

Claims (4)

  1. 복수의 열전 소자로 구성되는 열전 발전 모듈이 복수 수납되며, 또한 가열면 및 냉각면이 설치된 케이스를 갖는 열전 발전 유닛으로서,
    상기 열전 소자를 접속하는 출력 회로 형성용의 소자 간 전극을 갖는 제 1 층과,
    표리를 관통하는 복수의 스루홀이 형성된 제 2 층과,
    상기 스루홀과 도통하는 복수의 바이패스 패턴을 갖는 제 3 층을 갖는 다층 기판을 구비하고,
    상기 제 1 층의 표면에서는 상기 열전 발전 모듈을 단위로 한 출력 회로의 양단에 대하여 상기 케이스를 내외로 관통하는 리드핀의 기단이 접속되어 있으며,
    상기 케이스 내의 상기 가열면측 및 상기 리드핀 사이에는, 상기 열전 발전 모듈의 외주와, 상기 케이스의 상기 리드핀이 관통하는 측면에 걸쳐 단열 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 발전 모듈마다의 출력 및 선택적으로 선택되는 복수의 열전 발전 모듈의 조합의 출력을 검출할 수 있게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층 기판은 상기 열전 발전 모듈에 대하여 냉각면측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전 유닛.
  4. 삭제
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