WO2016143620A1 - 熱電発電ユニット - Google Patents

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WO2016143620A1
WO2016143620A1 PCT/JP2016/056369 JP2016056369W WO2016143620A1 WO 2016143620 A1 WO2016143620 A1 WO 2016143620A1 JP 2016056369 W JP2016056369 W JP 2016056369W WO 2016143620 A1 WO2016143620 A1 WO 2016143620A1
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WO
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power generation
thermoelectric
thermoelectric power
hole
layer
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Application number
PCT/JP2016/056369
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English (en)
French (fr)
Inventor
鎔勲 李
康治 永野
博之 松並
Original Assignee
株式会社Kelk
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Publication date
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    • H10N10/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric power generation unit.
  • thermoelectric power generation module generates power using the temperature difference between two objects by the Seebeck effect that converts the temperature difference into a voltage.
  • a thermoelectric power generation unit including a conventional thermoelectric power generation module for example, one disclosed in Patent Document 1 is known.
  • the thermoelectric power generation unit of Patent Document 1 forms one series circuit by connecting a plurality of thermoelectric power generation modules to a common terminal block.
  • the terminal is removed from the terminal block, and a tester is applied to the removed terminal to measure the internal resistance and the like of each thermoelectric power generation module. .
  • thermoelectric power generation unit of Patent Document 1 when the capacity of any one of the thermoelectric power generation modules is reduced or the function is stopped, the thermoelectric power generation module in which a problem has occurred is short-circuited and power is generated by the remaining thermoelectric power generation modules. Thus, the mounting position of the terminal with respect to the terminal block is changed.
  • thermoelectric power generation units in order to prevent functional deterioration of thermoelectric elements and thermoelectric power generation modules, the type in which the thermoelectric power generation module is housed in a case sealed by welding or the like can be opened and closed as necessary.
  • the terminal block cannot be stored inside because it cannot.
  • the terminal block when the terminal block is provided outside the case and the wiring from the thermoelectric generator module is drawn out to the outside, it is possible to diagnose the condition of the thermoelectric generator module and to short-circuit the thermoelectric generator module that has failed As the wiring (cable wire) in the case increases, the filling rate of the thermoelectric element or thermoelectric power generation module in the case decreases, resulting in an increase in heat loss in the case, resulting in a decrease in output per unit area. is there.
  • thermoelectric power generation module It is an object of the present invention to reliably perform diagnosis of a thermoelectric power generation module without opening and closing the case, increase the output per unit area, and maintain operation even when the thermoelectric power generation module is abnormal. To provide a power generation unit.
  • thermoelectric power generation unit of the present invention is a thermoelectric power generation unit having a case in which a plurality of thermoelectric power generation modules each including a plurality of thermoelectric elements are housed and provided with a heating surface and a cooling surface, and connects the thermoelectric elements.
  • a first layer having an inter-element electrode for forming an output circuit; a second layer having a plurality of through holes penetrating the front and back; and a third layer having a plurality of bypass patterns electrically connected to the through holes.
  • a multilayer board is provided, and on the surface of the first layer, the base end of a lead pin that penetrates the case inward and outward is connected to both ends of the output circuit in units of the thermoelectric power generation module.
  • thermoelectric power generation unit of the present invention since the base ends of the lead pins penetrating the case inside and outside are connected to both ends of the output circuit in units of the thermoelectric power generation module, each case can be opened and closed without opening and closing the case. Diagnosis of thermoelectric power generation module can be performed. In addition, it is possible to change the thermoelectric power generation module to be diagnosed only by selecting a lead pin. Compared to the case where a mechanism (for example, a terminal block) for changing the diagnosis object is provided in the case, The filling rate of the thermoelectric elements and thermoelectric power generation modules can be increased, and it is not necessary to stop the apparatus to which the high temperature thermoelectric power generation unit is applied.
  • an inter-element electrode for forming an output circuit is provided on the first layer, a through hole is formed on the second layer, and the through hole is conducted to a plurality of bypass patterns on the third layer.
  • thermoelectric power generation unit of the present invention it is preferable that the output of each thermoelectric power generation module and the output of a combination of a plurality of selectively selected thermoelectric power generation modules can be detected.
  • thermoelectric power generation unit of the present invention it is preferable that the multilayer substrate is provided on the cooling surface side with respect to the thermoelectric power generation module.
  • thermoelectric power generation unit of the present invention it is preferable that a heat insulating member is provided between the heating surface side in the case and the lead pin.
  • FIG. 7 is a side sectional view of the thermoelectric power generation unit as viewed from the direction VII-VII in FIG. 6.
  • the equivalent circuit diagram of a thermoelectric power generation unit The flowchart of a thermoelectric generation unit diagnostic process.
  • FIG. 11 is a cross-sectional plan view of a modified thermoelectric power generation unit as viewed from the XI-XI direction in FIG. 10.
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric power generation unit 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a side sectional view of the thermoelectric power generation unit 1 viewed from the II-II direction in FIG. 1
  • FIG. 3 is a plan sectional view of the unit 1 as viewed from the III-III direction of FIG.
  • thermoelectric generator unit 1 has a heating surface Th and a cooling surface Tc on the front and back sides as shown in FIGS. 1 and 2, and as shown in FIG.
  • the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 provided in an array are housed.
  • the case 2 includes a box-shaped case main body 2A that has been subjected to plating and has an upper surface opened, and a case lid 2B that has been subjected to plating and has the same planar shape as the case main body 2A.
  • the plating process applied to the case body 2A and the case lid 2B is, for example, a gold flash plating on a nickel flash plating, and may be a nickel plating alone.
  • the upper surface of the case lid 2B is a heating surface Th, and the lower surface of the case body 2A is a cooling surface Tc.
  • the case lid 2B is circumferentially welded to the case body 2A by a welding method in which the base material is hardly melted and only the plating layer is melted.
  • the case lid 2 ⁇ / b> B ensures hermeticity on the upper surface of the case body 2 ⁇ / b> A.
  • a welding method in which only the plating layer is melted is an example, and a welding method in which a part of the base material is melted may be used.
  • a hermetic connector 3 in which ten lead pins P1 to P10 extending inward and outward of the case 2 are arranged in parallel is attached.
  • the hermetic connector 3 sandwiches one side surface of the case body 2A from the front and back sides, and the lead pins P1 to P10 are inserted into each of ten through holes 2C formed on one side surface of the case body 2A.
  • An inert gas (for example, argon gas, nitrogen gas, mixed gas of helium and nitrogen, mixed gas of helium and argon, etc.) is confined in the sealed case 2 to which the case lid 2B and the hermetic connector 3 are attached. It has been. Note that the inside of the case 2 may be a vacuum.
  • the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 each include a multilayer substrate 10 on which first to fifth layers are stacked.
  • the first layer has a plurality of inter-element electrodes 22 that electrically connect the thermoelectric elements 21.
  • the second layer has a first substrate 11 which is an insulating layer and through holes H1 to H8 which will be described later.
  • the third layer has bypass patterns 13 to 15 which are conductive layers.
  • the fourth layer is constituted by the second substrate 12 whose entire surface is an insulating layer.
  • the fifth layer is composed of a copper plate 16 whose entire surface is a conductive layer.
  • the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 share one multilayer substrate 10.
  • thermoelectric power generation modules M1 to M4 are modules (full-frames) composed only of a multilayer substrate having no inter-element electrode 22 of the first layer, a thermoelectric element 21, and an inter-element electrode (plate). It is also possible to form it including a skeleton module.
  • the thermoelectric element 21 laid on the surface of the first layer is composed of a P-type thermoelectric element 21A and an N-type thermoelectric element 21B.
  • These P-type thermoelectric elements 21A and N-type thermoelectric elements 21B are rectangular parallelepipeds having the same size (or different sizes) with a square cross section (for example, bismuth-tellurium-based (Bi-Te-based) or silicide-based materials). Or a cylinder).
  • the P-type thermoelectric elements 21A and the N-type thermoelectric elements 21B are alternately arranged, arranged side by side in the vertical direction in FIG. 3, and laid in the vertical and horizontal directions while being folded back in the horizontal direction in FIG. Has been.
  • thermoelectric power generation modules M1 to M4 generate power by causing the current generated in the thermoelectric element 21 to flow from any one of the pair of lead pins P1 to P10 to the outside.
  • the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 have a pie-type structure. As shown in FIG. 2, the adjacent P-type thermoelectric element 21A and N-type thermoelectric element 21B are connected to the inter-element electrode 22. The upper end and the lower end are alternately connected to each other, and the connection in the order of P-type thermoelectric element 21A ⁇ inter-element electrode 22 ⁇ N-type thermoelectric element 21B is repeated, and all thermoelectric elements 21 in each thermoelectric power generation module M1 to M4 are connected. They are electrically connected in series. This series circuit functions as a thermoelectric power generation circuit.
  • thermoelectric power generation modules M1 and M4 arranged on the side closer to the lead pins P1 to P10 are provided with end portions of an electrical arrangement at the upper left corner and the upper right corner in FIG.
  • the inter-element electrode 22A provided in the upper left corner is a positive pole
  • the inter-element electrode (not shown) provided in the upper right corner is a negative pole
  • a lead pin P1 is connected to the inter-element electrode 22A having the positive pole
  • a lead pin P5 is connected to the inter-element electrode in the upper right corner having the negative pole.
  • thermoelectric power generation module M4 the inter-element electrode (not shown) provided in the upper left corner is a positive pole, and the inter-element electrode 22D provided in the upper right corner is a negative pole.
  • a lead pin P6 is connected to the inter-element electrode at the upper left corner that is the positive pole, and a lead pin P10 is connected to the inter-element electrode 22D at the upper right corner that is the negative pole.
  • thermoelectric power generation modules M2 and M3 arranged on the side far from the lead pins P1 to P10 are provided with end portions of electrical arrangement at the lower left corner and the lower right corner in FIG.
  • the inter-element electrode 22B provided at the lower left corner is a negative pole
  • the inter-element electrode (not shown) provided at the lower right corner is a positive pole
  • the inter-element electrode 22C provided in the lower right corner is a positive pole.
  • thermocouples 4A and 4B are connected to thermocouples 4A and 4B (see FIGS. 3 and 8).
  • the thermocouple 4A to which the lead pins P2 and P3 are connected is provided on the back surface of the case lid 2B, and measures the temperature of the back surface of the case lid 2B as the temperature of the heating surface Th.
  • the thermocouple 4B to which the lead pins P8 and P9 are connected is provided on the first substrate 11, and measures the temperature of the first substrate 11 as the temperature of the cooling surface Tc.
  • An insulating plate 23 having high thermal conductivity and high thermal conductivity is provided on the inter-element electrode 22 on the heating surface Th side, and the upper surface of the insulating plate 23 is the back surface of the case lid 2B via the thermal conductive sheet 24. Is in contact with the entire surface. Further, the peripheral portion of the back surface of the case lid 2B that is not covered with the insulating plate 23 is covered with the insulating shielding plate 25. With the above-described configuration, the heat transmitted from the heat source to the heating surface Th is favorably transmitted to the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 via the case lid 2B, the heat conductive sheet 24, and the insulating plate 23. .
  • thermoelectric power generation modules M1 to M4 In the region between the outer periphery of the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 and the case body 2A, radiant heat is suppressed by the insulating shielding plate 25. By suppressing the radiant heat, the lead pins P1 to P10 and the joining member 6 are peeled off, the sealing performance of the hermetic connector 3 is deteriorated, and the lead pins P1 to P10 become high temperature, making it difficult to diagnose the thermoelectric generator unit 1 described later. It is prevented. Furthermore, deterioration due to oxidation or radiant heat is suppressed by the atmosphere (inert gas or vacuum) in the case 2.
  • FIG. 4 is a plan view of the first substrate 11 (second layer).
  • the direction of the first substrate 11 in the figure corresponds to the direction of the thermoelectric power generation unit 1 in FIG.
  • the first substrate 11 is rectangular and has a symmetrical left and right planar shape, and through holes H1 to H4 and H5 to H8 penetrating the front and back are formed in the left and right directions at the upper end and the lower end of the first substrate 11, respectively.
  • the through holes H1 to H8 have a structure filled with a conductor.
  • FIG. 5 is a plan view of the second substrate 12 superimposed on the back side of the first substrate 11.
  • the positions of the through holes H1 to H8 of the first substrate 11 are indicated by two-dot chain lines for reference.
  • a central bypass pattern 13 made of a conductive thin film, and a left bypass pattern 14 and a right bypass pattern 15 provided on both the left and right sides thereof are formed.
  • these bypass patterns 13 to 15 constitute the third layer of the multilayer substrate 10
  • the second substrate 12 constitutes the fourth layer of the multilayer substrate 10.
  • the central bypass pattern 13 has an “I” -shaped planar shape extending in the vertical direction in the drawing, and through holes H2 and H3 are overlapped at the upper end and through holes H6 and H7 are overlapped at the lower end.
  • Lead pins P4 and P7 are connected to the upper end of the central bypass pattern 13 through through holes H2 and H3, respectively.
  • the left bypass pattern 14 and the right bypass pattern 15 have a belt-like planar shape extending in parallel with the central bypass pattern 13.
  • a through hole H1 is superimposed on the upper end portion of the left bypass pattern 14, a through hole H5 is superimposed on the lower end portion, a through hole H4 is formed on the upper end portion of the right bypass pattern 15, and a through hole H8 is formed on the lower end portion.
  • FIGS. 6 is an enlarged view of a portion VI surrounded by a one-dot chain line in FIG. 2, and FIG. 7 is a side sectional view as seen from the VII-VII direction of FIG.
  • a through-hole electrode 5 is provided on and in contact with the through-hole H2.
  • the through-hole electrode 5 is electrically connected to the lead pin P7 through the third layer bypass pattern 13 and the through-hole H3. That is, the through hole H2 is electrically connected to the lead pin P7.
  • the joining between the through-hole electrode 5 and the joining member 6 and the joining between the joining member 6 and the lead pin P4 are performed by mechanical joining (such as crimping) that is not affected by heat, or welding (spot welding or the like) that is less affected by heat.
  • a central bypass pattern 13 of the second substrate 12 is in contact with the lower surface of the through hole H2, and a copper plate 16 is laid on the lower side of the second substrate 12 between the cooling surface Tc.
  • the copper plate 16 constitutes the fifth layer of the multilayer substrate 10.
  • the above-described configuration is substantially the same as the configuration around the through hole H3.
  • the through hole H3 is electrically connected to the through hole electrode 5 and the lead pin P7.
  • the through hole H2 and the through hole H3 are electrically connected through the central bypass pattern 13. That is, the lead pin P4 and the lead pin P7 are electrically connected.
  • an inter-element electrode 22A which is a positive pole of the first thermoelectric power generation module M1 is provided and in contact therewith.
  • a lead pin P1 is joined to the inter-element electrode 22A. That is, the through hole H1 is electrically connected to the lead pin P1.
  • the above-described configuration is the same as the configuration around the through hole H4. However, the through hole H4 is electrically connected to the inter-element electrode and the lead pin P10 which are the negative poles of the fourth thermoelectric power generation module M4.
  • the inter-element electrode which is the negative electrode of the first thermoelectric power generation module M1 is joined to the lead pin P5.
  • a lead pin P6 is joined to the inter-element electrode which is the positive electrode of the fourth thermoelectric power generation module M4. Further, the inter-element electrode which is the positive electrode of the second thermoelectric power generation module M2 is electrically connected to the through hole H6 and the lead pins P4 and P7.
  • an inter-element electrode 22B which is the negative electrode of the second thermoelectric power generation module M2 is provided and in contact therewith.
  • the through hole H8 is electrically connected to the through hole H1 and the lead pin P1 via the left bypass pattern 14.
  • an inter-element electrode 22C which is a positive pole of the third thermoelectric power generation module M3, is provided and is in contact with it.
  • the through hole H8 is electrically connected to the through hole H4 and the lead pin P10 via the right bypass pattern 15.
  • An inter-element electrode 22 that is a positive pole of the second thermoelectric power generation module M2 is provided on and in contact with the through hole H6, and a negative pole of the third thermoelectric power generation module M3 is provided on the through hole H7.
  • the inter-element electrode 22 is provided and is in contact therewith.
  • the through hole H6 and the through hole H7 are electrically connected to the through holes H2 and H3 and the lead pins P4 and P7 through the central bypass pattern 13.
  • thermoelectric power generation unit 1 having the above-described configuration is a combination of detecting outputs of the individual first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 and combining two or more first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4. It is possible to detect the output.
  • Thermoelectric power generation modules M1 to M4 for detecting output, lead pins P1 to P10 used at that time, and current paths are as follows.
  • thermoelectric generator module M4 Positive electrode of fourth thermoelectric generator module M4 ⁇ Through hole H4 ⁇ Right bypass pattern 15 ⁇ Through hole H8 ⁇ Positive electrode of third thermoelectric generator module M3 ⁇ Third thermoelectric power generation The negative pole of module M3 ⁇ through hole H7 ⁇ center bypass pattern 13 ⁇ through hole H3 ⁇ lead pin P7.
  • thermoelectric generation module diagnostic process Next, diagnosis processing of the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 will be described based on FIG. In this process, the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 that cannot be used due to deterioration or failure are specified, and power generation is performed using the remaining normal thermoelectric power generation modules M1 to M4.
  • step S1 the lead pin P6 and the lead pin P5 are used to generate “100% operation” by the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4.
  • step S2 the thermoelectric power generation unit “Overall diagnosis” is performed to measure the power generation amount as 1. This “overall diagnosis” is performed every predetermined period.
  • step S ⁇ b> 3 it is determined whether or not “output abnormality” has occurred based on the determination result of whether or not the measured power generation amount is larger than a preset threshold for 100% operation. .
  • the threshold value for 100% operation compared with the power generation amount is the lower limit value of the power generation amount that the thermoelectric power generation unit 1 should be able to generate power in a state where none of the thermoelectric power generation modules M1 to M4 has deteriorated or failed.
  • step S2 When the power generation amount at 100% operation is equal to or greater than the threshold value for 100% operation, it is determined that “output abnormality” has not occurred, power generation by the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 is continued, and for a predetermined period After the elapse of time, “overall diagnosis” in step S2 is executed again.
  • the power generation amount at 100% operation is less than the threshold value for 100% operation, it is assumed that any one of the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 has deteriorated and / or failed, and “output abnormality” Is determined to have occurred. In this case, the process proceeds to step S4, and “individual diagnosis” is performed.
  • thermoelectric generation unit 1 can detect the outputs of the individual first to fourth thermoelectric generation modules M1 to M4. In the “individual diagnosis”, the power generation amount is detected in order from the first thermoelectric power generation module M1, and it is specified which of the thermoelectric power generation modules M1 to M4 is abnormal.
  • thermoelectric power generation module in which the abnormality has occurred is specified, in step S5, the lead pins P1 to P10 to be used are changed to short-circuit the thermoelectric power generation module in which the abnormality has occurred.
  • the lead pin P6 and the lead pin P1 are used to generate power by the second to fourth thermoelectric power generation modules M2 to M4.
  • step S6 power generation of “75% operation” is performed by the second to fourth thermoelectric power generation modules M2 to M4, and “overall diagnosis” is performed in step S7.
  • step S8 it is determined whether or not “output abnormality” has occurred based on the determination result of whether or not the measured power generation amount is larger than a preset threshold value for 75% operation. .
  • the power generation amount for 75% operation is equal to or greater than the threshold value for 75% operation, it is determined that “output abnormality” has not occurred, and power generation using the second to fourth thermoelectric power generation modules M2 to M4 is continued.
  • the “overall diagnosis” in step S7 is executed again.
  • step S9 where “individual diagnosis” is performed to identify which of the second to fourth thermoelectric power generation modules M2 to M4 is abnormal.
  • step S10 the lead pins P1 to P10 to be used are changed to short-circuit the thermoelectric power generation module in which the abnormality has occurred. For example, following the previous first thermoelectric power generation module M1, if an abnormality has occurred in the second thermoelectric power generation module M2 this time, to generate power by the third and fourth thermoelectric power generation modules M3, M4, Lead pins P6 and P7 are used.
  • step S11 “50% operation” is generated by the third and fourth thermoelectric power generation modules M3 and M4, and “overall diagnosis” is performed in step S12.
  • step S13 it is determined whether or not “output abnormality” has occurred based on the determination result of whether or not the measured power generation amount is larger than a preset threshold value for 50% operation. .
  • the power generation amount for 50% operation is equal to or greater than the threshold value for 50% operation, it is determined that “output abnormality” has not occurred, power generation by the third and fourth thermoelectric power generation modules M3 and M4 is continued, and step S11. Execute “Global diagnosis” again.
  • step S14 where “individual diagnosis” is performed to identify which of the third or fourth thermoelectric power generation module is abnormal.
  • step S15 the lead pins P1 to P10 to be used are changed to short-circuit the thermoelectric power generation module in which the abnormality has occurred.
  • the lead pin P6 is used to generate power by the fourth thermoelectric power generation module M4. And lead pin P10.
  • step S16 “25% operation” is generated by the last remaining fourth thermoelectric generation module M4, and “overall diagnosis” is performed in step S17.
  • step S18 it is determined whether or not “output abnormality” has occurred based on the determination result of whether or not the measured power generation amount is larger than a preset threshold value for 25% operation. . When the power generation amount for 25% operation is equal to or greater than the threshold for 25% operation, it is determined that “output abnormality” has not occurred, and power generation using the fourth thermoelectric power generation module M4 is continued. Run Diagnosis again.
  • thermoelectric generation unit 1 Stop operation.
  • the base ends of the lead pins P1 to P10 that penetrate the case 2 inward and outward are connected to both ends of the output circuit composed of the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4.
  • the diagnosis of the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 can be performed individually without opening and closing the case 2.
  • a mechanism for example, a terminal block for changing the diagnosis object is provided in the case 2. Compared with the case where it is provided inside, the filling rate of the thermoelectric power generation unit 1 can be increased, and it is not necessary to stop the apparatus to which the high temperature thermoelectric power generation unit 1 is applied.
  • through holes H1 to H8 are formed in the first substrate 11 having the inter-element electrodes 22, and the through holes H1 to H8 are electrically connected to the bypass patterns 13 to 15 of the second substrate 12, so that the bypass patterns 13 to 15 By performing the diagnosis every time, the diagnosis of the thermoelectric power generation unit 1 can be reliably performed.
  • the first to fourth thermoelectric power generation modules M1 to M4 are provided in the case 2 in an arrangement of 2 ⁇ 2 in the vertical direction.
  • the thermoelectric power generation module can be increased in units of 2 ⁇ 2 in the vertical direction.
  • the first to 16th thermoelectric power generation modules may be provided in the case 2 in a 4 ⁇ 4 arrangement.
  • the number of thermoelectric generator modules increases, the number of lead pins also increases, the number of multilayer substrates 10 increases, and the number and arrangement of through holes and bypass patterns also change.
  • thermoelectric power generation unit 101 is shown in FIGS. 10 is a side cross-sectional view of the thermoelectric power generation unit 101
  • FIG. 11 is a plan cross-sectional view of the thermoelectric power generation unit 101 seen from the XI-XI direction of FIG. 2
  • FIG. 12 is a partially enlarged view of the XII portion in FIG. FIG.
  • symbol is attached
  • the thermoelectric generation unit 101 includes a first thermoelectric generation module set SM1 including first to fourth thermoelectric generation modules M1 to M4 provided in a case 2 in an arrangement of 2 ⁇ 2 in the vertical direction. And a second thermoelectric power generation module set SM2 including the fifth to eighth thermoelectric power generation modules M5 to M8. Also, on one side surface of the case body 2A, a hermetic connector 3 provided with a total of 42 (upper 22 pieces, lower 20 pieces) lead pins P1 to P42 extending over the inside and outside of the case 2 is attached. As the number of thermoelectric power generation modules increases from the above embodiment, the number of lead pins increases (10 ⁇ 42), and the number of bypass pattern stacks also increases as shown in FIG. 12 (third layer).
  • thermoelectric power generation unit 101 includes power generation amounts of individual first to fourth thermoelectric power generation module sets SM1 to SM4, and two or more first to fourth thermoelectric power generation module sets SM1 to SM1. It is possible to detect the power generation amount of the combination consisting of SM4. In addition, when an abnormality occurs in any of the first to fourth thermoelectric generation module sets SM1 to SM4, the power generation amount of each individual thermoelectric generation module and two or more thermoelectric generation modules are included in the thermoelectric generation module set. It is possible to detect the power generation amount of the combination.
  • thermoelectric power generation modules M1 to M4 and the first to sixteenth thermoelectric power generation modules M1 to M16 are arranged in the case 2 in the same length and width (embodiment: 2 ⁇ 2).
  • Modified example: 4 ⁇ 4 but may be provided in a different number of vertical and horizontal arrays (for example, 1 ⁇ 4 or 2 ⁇ 8).
  • the through holes H1 to H8 have a structure filled with a conductor.
  • the through holes H1 to H8 may have any structure that conducts electricity in the front and back direction. It may be a hollow structure coated with a body.
  • thermoelectric power generation circuit in each of the thermoelectric power generation modules M1 to M4 all the thermoelectric elements 21 are electrically connected in series, but some of them may be connected in parallel.
  • the present invention can be used in a regenerator that regenerates waste heat as electric energy.
  • thermoelectric power generation unit 10 ... Multilayer substrate, 11 ... First substrate (second layer), 13 ... Center bypass pattern (third layer), 14 ... Left bypass pattern (third layer), 15 ... Right bypass Pattern (third layer), 2 ... case, 21 ... thermoelectric element, 22 ... inter-element electrode (first layer), H1 to H8 ... through hole (second layer), M1 to M4 ... first to fourth thermoelectric generations Modules, P1 to P10: lead pins, Tc: cooling surface, Th: heating surface.

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Abstract

　熱電発電ユニット（１）は、複数の熱電素子で構成される第１～第４熱電発電モジュール（Ｍ１～Ｍ４）が収納され、かつ加熱面および冷却面が設けられたケース（２）を有する熱電発電ユニット（１）であって、熱電素子を接続する出力回路形成用の素子間電極（２２）を有する第１層と、表裏を貫通する複数のスルーホールが形成された第２層と、スルーホールと導通する複数のバイパスパターンを有する第３層とを有する多層基板を備え、第１層の表面では、第１～第４熱電発電モジュール（Ｍ１～Ｍ４）を単位とした出力回路の両端に対し、ケース（２）を内外に貫通するリードピン（Ｐ１～Ｐ１０）の基端が接続されている。

Description

熱電発電ユニット
　本発明は、熱電発電ユニットに関する。
　熱電発電モジュールは、温度差を電圧に変換するゼーベック効果によって２つの物体の温度差を利用して発電するものである。
　従来の熱電発電モジュールを備えた熱電発電ユニットとして、例えば特許文献１のものが知られている。
　特許文献１の熱電発電ユニットは、複数の熱電発電モジュールが共通の端子台に端子接続されることによって１つの直列回路を構成している。特許文献１の熱電発電ユニットにおいて、各々の熱電発電モジュールの状態を診断するときには、端子台から端子を外し、外した端子にテスターを当てて各熱電発電モジュールの内部抵抗等を測定することによって行う。
　また、特許文献１の熱電発電ユニットにおいて、いずれかの熱電発電モジュールの能力が低下または機能を停止した場合には、不具合が発生した熱電発電モジュールを短絡し、残りの熱電発電モジュールで発電を行うように、端子台に対する端子の取付位置を変更する。
特開２００３－１１０１５５号公報
　しかしながら、熱電発電ユニットの中でも、熱電素子および熱電発電モジュールの機能劣化を防ぐために、溶接等により密閉したケース内に熱電発電モジュールを収納するタイプのものでは、ケースを必要に応じて開閉することができないことから、端子台を内部に収納することができない。
　一方、端子台をケース外に設けるとともに、熱電発電モジュールからの配線を外部に引き出す構造とすることで、熱電発電モジュールの状態診断や不具合が発生した熱電発電モジュールの短絡を可能とした場合には、ケース内の配線（ケーブル線）が多くなるのに伴いケース内における熱電素子あるいは熱電発電モジュールの充填率が低くなり、ケースにおける熱損失が増える結果、単位面積当たりの出力が低くなるという問題がある。
　本発明の目的は、ケースを開閉させることなく熱電発電モジュールの診断を確実に行うことができ、単位面積当たりの出力を大きくできるとともに、熱電発電モジュールの異常時にも稼働を維持することができる熱電発電ユニットを提供することにある。
　本発明の熱電発電ユニットは、複数の熱電素子で構成される熱電発電モジュールが複数収納され、かつ加熱面および冷却面が設けられたケースを有する熱電発電ユニットであって、前記熱電素子を接続する出力回路形成用の素子間電極を有する第１層と、表裏を貫通する複数のスルーホールが形成された第２層と、前記スルーホールと導通する複数のバイパスパターンを有する第３層とを有する多層基板を備え、前記第１層の表面では、前記熱電発電モジュールを単位とした出力回路の両端に対し、前記ケースを内外に貫通するリードピンの基端が接続されていることを特徴とする。
　本発明の熱電発電ユニットによれば、熱電発電モジュールを単位とした出力回路の両端に対し、ケースを内外に貫通するリードピンの基端が接続されているので、ケースを開閉させることなく、個々の熱電発電モジュールの診断を行うことができる。
　また、診断対象とする熱電発電モジュールの変更をリードピンの選択だけで行うことが可能であり、診断対象の変更を行うための機構（例えば端子台）をケース内に設けた場合と比較して、熱電素子や熱電発電モジュールの充填率を高めることができるとともに、高温の熱電発電ユニットを適用した装置を停止させる必要がない。
　さらに、第１層に出力回路形成用の素子間電極が設けられ、第２層にスルーホールが形成され、スルーホールは第３層の複数のバイパスパターンに導通しているので、バイパスパターンによって導通される複数の熱電発電モジュールの診断を行うことができる上、その導通においてもケーブル線が不要であり、充填率の低下が生じない。
　本発明の熱電発電ユニットにおいて、前記熱電発電モジュール毎の出力、および選択的に選ばれる複数の熱電発電モジュールの組合せの出力を検出可能に設けられていることが好ましい。
　本発明の熱電発電ユニットにおいて、前記多層基板は、前記熱電発電モジュールに対して冷却面側に設けられていることが好ましい。
　本発明の熱電発電ユニットにおいて、前記ケース内の前記加熱面側および前記リードピンとの間には、断熱部材が設けられていることが好ましい。
本発明の一実施形態に係る熱電発電ユニットを示す斜視図。 熱電発電ユニットを図１のII-II方向から見た側断面図。 熱電発電ユニットを図２のIII-III方向から見た平断面図。 第２層の平面図。 第３層および第４層の平面図。 図２におけるVI部の部分拡大図。 熱電発電ユニットを図６のVII-VII方向から見た側断面図。 熱電発電ユニットの等価回路図。 熱電発電ユニット診断処理のフローチャート。 変形例の熱電発電ユニットの側断面図。 変形例の熱電発電ユニットを図１０のXI-XI方向から見た平断面図。 図１０におけるXII部の部分拡大図。
　以下、本発明の一実施形態を図１～図９に基づいて説明する。
　図１は本発明の一実施形態に係る熱電発電ユニット１の斜視図であり、図２は熱電発電ユニット１を図１におけるII-II方向から見た側断面図であり、図３は熱電発電ユニット１を図２のIII-III方向から見た平断面図である。
［熱電発電ユニットの構成］
　熱電発電ユニット１は、図１および図２に示すように加熱面Ｔｈおよび冷却面Ｔｃを表裏に有し、図３に示すように、金属製で矩形のケース２内に縦２×横２の配列で設けられた第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４を収納した構造を有する。なお、ケース２の形状、および第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４の配列はあくまで一例であり、これに限定されるものではない。ケース２は、メッキ処理が施され上面が開放された箱状のケース本体２Ａと、メッキ処理が施されケース本体２Ａと同じ平面形状を有するケース蓋２Ｂとから構成されている。ケース本体２Ａとケース蓋２Ｂとに施されたメッキ処理は、例えば、ニッケルフラッシュメッキの上に金フラッシュメッキを施すものであり、ニッケルメッキのみでもよい。
　図２に示すように、ケース蓋２Ｂの上面が加熱面Ｔｈであり、ケース本体２Ａの下面が冷却面Ｔｃである。ケース蓋２Ｂは、ケース本体２Ａに対して、母材がほとんど溶融せずにメッキ層のみが溶融するような溶接方法で周縁部を全周溶接されている。ケース蓋２Ｂにより、ケース本体２Ａの上面における密閉性が確保されている。なお、メッキ層のみが溶融するような溶接方法は一例であり、母材の一部を溶融させる溶接方法でもよく、溶接に限定されず接合材を用いて接合する方法でもよい。
　また、ケース本体２Ａの一側面には、ケース２の内外に亘って延びる１０本のリードピンＰ１～Ｐ１０が並設されたハーメチックコネクタ３が取り付けられている。ハーメチックコネクタ３は、ケース本体２Ａの一側面を表裏から挟持し、リードピンＰ１～Ｐ１０は、ケース本体２Ａの一側面に形成された１０個の貫通孔２Ｃのそれぞれに挿通されている。
　ケース蓋２Ｂおよびハーメチックコネクタ３が取り付けられて密閉状態のケース２内には、不活性ガス（例えばアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムと窒素との混合ガス、ヘリウムとアルゴンとの混合ガス等）が閉じ込められている。なお、ケース２内が真空であってもよい。
　第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４は、第１層ないし第５層を積層した多層基板１０とを備える。第１層は熱電素子２１を電気的に接続する複数の素子間電極２２を有する。第２層は絶縁層である第１基板１１と後述するスルーホールＨ１～Ｈ８とを有する。第３層は導電層であるバイパスパターン１３～１５を有する。第４層は全面が絶縁層である第２基板１２によって構成されている。第５層は全面が導電層である銅板１６によって構成されている。第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４は、１枚の多層基板１０を共有する。
　なお、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４は、第１層の素子間電極２２を有さない多層基板と、熱電素子２１と、素子間電極（板）のみから構成されるモジュール（フルスケルトンモジュール）を含めて形成することも可能である。
　第１層の表面に敷設された熱電素子２１は、Ｐ型熱電素子２１ＡおよびＮ型熱電素子２１Ｂから構成されている。これらのＰ型熱電素子２１ＡおよびＮ型熱電素子２１Ｂは、例えばビスマス・テルル系（Bi-Te系）やシリサイド系等の材料により、同一の大きさ（または異なる大きさ）の断面正方形の直方体（または円筒）に形成されている。また、Ｐ型熱電素子２１ＡとＮ型熱電素子２１Ｂとは交互に配設され、図３中における縦方向に並設されるとともに、図３中における横方向に折り返されながら、縦横を揃えて敷設されている。
　Ｐ型熱電素子２１Ａにはゼーベック効果により高温側から低温側（図２中の下方向）に電流が流れ、Ｎ型熱電素子２１Ｂには低温側から高温側（図２中の上方向）に電流が流れる。このように、熱電素子２１で生じた電流をいずれか一対のリードピンＰ１～Ｐ１０から外部に流すことで、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４は発電を行う。
　第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４は、Π（パイ）型構造を有し、図２に示すように、隣接するＰ型熱電素子２１ＡとＮ型熱電素子２１Ｂとは、素子間電極２２に上端および下端が交互に接続されており、Ｐ型熱電素子２１Ａ→素子間電極２２→Ｎ型熱電素子２１Ｂの順の接続を繰り返し、各熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４内において全ての熱電素子２１が電気的に直列に接続されている。この直列回路が熱電発電回路として機能する。
　リードピンＰ１～Ｐ１０に近い側に配置された第１および第４熱電発電モジュールＭ１，Ｍ４は、図３における左上隅と右上隅とに電気的な配列の端部が設けられている。
　第１熱電発電モジュールＭ１において、左上隅に設けられた素子間電極２２Ａは＋極であり、右上隅に設けられた素子間電極（図示せず）は－極である。＋極とされた素子間電極２２ＡにはリードピンＰ１が接続されており、－極とされた右上隅の素子間電極にはリードピンＰ５が接続されている。
　第４熱電発電モジュールＭ４において、左上隅に設けられた素子間電極（図示せず）は＋極であり、右上隅に設けられた素子間電極２２Ｄは－極である。＋極とされた左上隅の素子間電極にはリードピンＰ６が接続されており、－極とされた右上隅の素子間電極２２ＤにはリードピンＰ１０が接続されている。
　一方、リードピンＰ１～Ｐ１０から遠い側に配置された第２および第３熱電発電モジュールＭ２，Ｍ３は、図２における左下隅と右下隅とに電気的な配列の端部が設けられている。
　第２熱電発電モジュールＭ２において、左下隅に設けられた素子間電極２２Ｂは－極であり、右下隅に設けられた素子間電極（図示せず）は＋極である。
　第３熱電発電モジュールＭ３において、左下隅に設けられた素子間電極は－極であり、右下隅に設けられた素子間電極２２Ｃは＋極である。
　リードピンＰ２，Ｐ３，Ｐ８，Ｐ９は熱電対４Ａ，４Ｂ（図３および図８参照）に接続されている。リードピンＰ２，Ｐ３が接続された熱電対４Ａは、ケース蓋２Ｂ裏面に設けられており、加熱面Ｔｈの温度としてケース蓋２Ｂ裏面の温度を測定する。リードピンＰ８，Ｐ９が接続される熱電対４Ｂは、第１基板１１に設けられており、冷却面Ｔｃの温度として第１基板１１の温度を測定する。
　加熱面Ｔｈ側の素子間電極２２の上には熱伝導性を有し熱伝導率が高い絶縁板２３が設けられ、絶縁板２３の上面は、熱伝導シート２４を介してケース蓋２Ｂの裏面に全面で接している。また、ケース蓋２Ｂの裏面において絶縁板２３に覆われない周辺部分は絶縁遮蔽板２５により覆われている。
　上述の構成により、熱源から加熱面Ｔｈに伝えられた熱は、ケース蓋２Ｂ、熱伝導シート２４、および絶縁板２３を介して、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４に良好に伝えられる。
　一方、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４の外周とケース本体２Ａとの間の領域においては、絶縁遮蔽板２５により輻射熱が抑制される。輻射熱が抑制されることにより、リードピンＰ１～Ｐ１０と接合部材６との剥離、ハーメチックコネクタ３のシール性の悪化、およびリードピンＰ１～Ｐ１０が高温になり後述する熱電発電ユニット１の診断が困難になることが防止される。さらに、ケース２内の雰囲気（不活性ガスまたは真空）により、酸化や輻射熱による劣化が抑制される。
　図４は第１基板１１（第２層）の平面図である。同図における第１基板１１の向きは、図３における熱電発電ユニット１の向きに対応している。第１基板１１は、矩形で左右対称の平面形状を有し、第１基板１１の上端部および下端部には、表裏を貫通するスルーホールＨ１～Ｈ４，Ｈ５～Ｈ８が左右方向に並んで形成されている。スルーホールＨ１～Ｈ８は、内部に導電体が充填された構造を有している。
　図５は、第１基板１１の裏側に重ねられた第２基板１２の平面図である。なお、図中において、参考として第１基板１１のスルーホールＨ１～Ｈ８の位置を二点鎖線で示している。第２基板１２の表面には、導電体の薄膜から成る中央バイパスパターン１３と、その左右両側に設けられた左側バイパスパターン１４および右側バイパスパターン１５とが形成されている。前述したように、これらのバイパスパターン１３～１５が多層基板１０の第３層を構成しており、第２基板１２が多層基板１０の第４層を構成している。
　中央バイパスパターン１３は、図中の縦方向に延びる「Ｉ」形の平面形状を有し、上端部にスルーホールＨ２，Ｈ３が、下端部にスルーホールＨ６，Ｈ７がそれぞれ重ねられている。また、中央バイパスパターン１３の上端部には、スルーホールＨ２，Ｈ３を介してリードピンＰ４，Ｐ７がそれぞれ接続されている。
　左側バイパスパターン１４および右側バイパスパターン１５は、中央バイパスパターン１３と平行に延びる帯状の平面形状を有する。左側バイパスパターン１４の上端部にはスルーホールＨ１が、下端部にはスルーホールＨ５がそれぞれ重ねられており、右側バイパスパターン１５の上端部にはスルーホールＨ４が、下端部にはスルーホールＨ８がそれぞれ重ねられている。
　スルーホールＨ２周辺の構成について、図６および図７を参照しながら説明する。図６は図２中において一点鎖線で囲んで示したVI部の拡大図であり、図７は図６のVII-VII方向から見た側断面図である。
　スルーホールＨ２の上には、スルーホール電極５が設けられ接している。このスルーホール電極５は、第３層のバイパスパターン１３とスルーホールＨ３を介してリードピンＰ７と導通している。つまり、スルーホールＨ２はリードピンＰ７と導通している。スルーホール電極５と接合部材６との接合、および接合部材６とリードピンＰ４との接合は熱の影響を受けない機械的接合（圧着等）、または熱の影響が小さい溶接（スポット溶接等）により行われる。スルーホールＨ２の下面には、第２基板１２の中央バイパスパターン１３が接しており、第２基板１２の下側には、冷却面Ｔｃとの間に銅板１６が敷設されている。前述したように、この銅板１６が多層基板１０の第５層を構成している。
　上述の構成は、スルーホールＨ３周辺の構成と略同じである。ただし、スルーホールＨ３は、スルーホール電極５およびリードピンＰ７と導通している。
　また、スルーホールＨ２とスルーホールＨ３とは、中央バイパスパターン１３を介して導通している。つまり、リードピンＰ４とリードピンＰ７とは導通している。
　スルーホールＨ１の上には、第１熱電発電モジュールＭ１の＋極とされた素子間電極２２Ａが設けられ接している。この素子間電極２２Ａには、リードピンＰ１が接合されている。つまり、スルーホールＨ１はリードピンＰ１と導通している。
　上述の構成は、スルーホールＨ４周辺の構成と同じである。ただし、スルーホールＨ４は、第４熱電発電モジュールＭ４の－極とされた素子間電極およびリードピンＰ１０と導通している。
　第１熱電発電モジュールＭ１の－極とされた素子間電極には、リードピンＰ５と接合されている。
　第４熱電発電モジュールＭ４の＋極とされた素子間電極には、リードピンＰ６が接合されている。また、第２熱電発電モジュールＭ２の＋極とされた素子間電極は、スルーホールＨ６およびリードピンＰ４およびＰ７と導通している。
　スルーホールＨ５の上には、第２熱電発電モジュールＭ２の－極とされた素子間電極２２Ｂが設けられ接している。また、スルーホールＨ８は、左側バイパスパターン１４を介して、スルーホールＨ１およびリードピンＰ１と導通している。
　スルーホールＨ８の上には、第３熱電発電モジュールＭ３の＋極とされた素子間電極２２Ｃが設けられ接している。また、スルーホールＨ８は、右側バイパスパターン１５を介して、スルーホールＨ４およびリードピンＰ１０と導通している。
　スルーホールＨ６の上には、第２熱電発電モジュールＭ２の＋極とされた素子間電極２２が設けられて接触しており、スルーホールＨ７の上には、第３熱電発電モジュールＭ３の－極とされた素子間電極２２が設けられ接している。また、スルーホールＨ６およびスルーホールＨ７は、中央バイパスパターン１３を介して、スルーホールＨ２，Ｈ３、およびリードピンＰ４，Ｐ７と導通している。
［熱電発電モジュールの診断］
　上述の構成を備える熱電発電ユニット１は、個別の第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４の出力を検出すること、および２以上の第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４から成る組合せの出力を検出することが可能である。
　出力を検出する熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４とその際に使用するリードピンＰ１～Ｐ１０、および電流経路は以下の通りである。
（１）Ｍ１、Ｐ１－Ｐ５
　リードピンＰ１→第１熱電発電モジュールＭ１の＋極→第１熱電発電モジュールＭ１の－極→リードピンＰ５。
（２）Ｍ２、Ｐ４－Ｐ１
　リードピンＰ４→スルーホールＨ２→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ６→第２熱電発電モジュールＭ２の＋極→第２熱電発電モジュールＭ２の－極→スルーホールＨ５→左側バイパスパターン１４→スルーホールＨ１→リードピンＰ１。
（３）Ｍ３、Ｐ１０－Ｐ７
　リードピンＰ１０→スルーホールＨ４→右側バイパスパターン１５→スルーホールＨ８→第３熱電発電モジュールＭ３の＋極→第３熱電発電モジュールＭ３の－極→スルーホールＨ７→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ３→リードピンＰ７。
（４）Ｍ４、Ｐ６－Ｐ１０
　リードピンＰ６→第４熱電発電モジュールＭ４の＋極→第４熱電発電モジュールＭ４の－極→リードピンＰ１０。
（５）Ｍ１＋Ｍ２、Ｐ４－Ｐ５
　リードピンＰ４→スルーホールＨ２→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ６→第２熱電発電モジュールＭ２の＋極→第２熱電発電モジュールＭ２の－極→スルーホールＨ５→左側バイパスパターン１４→スルーホールＨ１→第１熱電発電モジュールＭ１の＋極→第１熱電発電モジュールＭ１の－極→リードピンＰ５。
（６）Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３、Ｐ１０－Ｐ５
　リードピンＰ１０→スルーホールＨ４→右側バイパスパターン１５→スルーホールＨ８→第３熱電発電モジュールＭ３の＋極→第３熱電発電モジュールＭ３の－極→スルーホールＨ７→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ６→第２熱電発電モジュールＭ２の＋極→第２熱電発電モジュールＭ２の－極→スルーホールＨ５→左側バイパスパターン１４→スルーホールＨ１→第１熱電発電モジュールＭ１の＋極→第１熱電発電モジュールＭ１の－極→リードピンＰ５。
（７）Ｍ２＋Ｍ３＋Ｍ４、Ｐ６－Ｐ１
　リードピンＰ６→第４熱電発電モジュールＭ４の＋極→第４熱電発電モジュールＭ４の－極→スルーホールＨ４→右側バイパスパターン１５→スルーホールＨ８→第３熱電発電モジュールＭ３の＋極→第３熱電発電モジュールＭ３の－極→スルーホールＨ７→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ６→第２熱電発電モジュールＭ２の＋極→第２熱電発電モジュールＭ２の－極→スルーホールＨ５→左側バイパスパターン１４→スルーホールＨ１→リードピンＰ１。
（８）Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＋Ｍ４、Ｐ６－Ｐ５
　リードピンＰ６→第４熱電発電モジュールＭ４の＋極→第４熱電発電モジュールＭ４の－極→スルーホールＨ４→右側バイパスパターン１５→スルーホールＨ８→第３熱電発電モジュールＭ３の＋極→第３熱電発電モジュールＭ３の－極→スルーホールＨ７→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ６→第２熱電発電モジュールＭ２の＋極→第２熱電発電モジュールＭ２の－極→スルーホールＨ５→左側バイパスパターン１４→スルーホールＨ１→第１熱電発電モジュールＭ１の＋極→第１熱電発電モジュールＭ１の－極→リードピンＰ５。
（９）Ｍ２＋Ｍ３、Ｐ１０－Ｐ１
　リードピンＰ１０→スルーホールＨ４→右側バイパスパターン１５→スルーホールＨ８→第３熱電発電モジュールＭ３の＋極→第３熱電発電モジュールＭ３の－極→スルーホールＨ７→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ６→第２熱電発電モジュールＭ２の＋極→第２熱電発電モジュールＭ２の－極→スルーホールＨ５→左側バイパスパターン１４→スルーホールＨ１→リードピンＰ１。
（１０）Ｍ３＋Ｍ４、Ｐ６－Ｐ７
　リードピンＰ６→第４熱電発電モジュールＭ４の＋極→第４熱電発電モジュールＭ４の－極→スルーホールＨ４→右側バイパスパターン１５→スルーホールＨ８→第３熱電発電モジュールＭ３の＋極→第３熱電発電モジュールＭ３の－極→スルーホールＨ７→中央バイパスパターン１３→スルーホールＨ３→リードピンＰ７。
［熱電発電モジュール診断処理］
　次に、図９に基づいて、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４の診断処理を説明する。この処理は、劣化や故障により使用不可となった第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４を特定するとともに、残りの正常な熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４を用いて発電を行うものである。
　本処理が開始されると、ステップＳ１において、リードピンＰ６およびリードピンＰ５を使用し、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４による「１００％稼動」の発電を行い、ステップＳ２において、熱電発電ユニット１としての発電量を測定する「全体診断」を行う。この「全体診断」は所定期間ごとに行われる。
　次に、ステップＳ３において、測定された発電量が予め設定された１００％稼動用の閾値よりも大きいか否かの判別結果に基づいて、「出力異常」が発生しているか否かを判定する。発電量と比較する１００％稼動用の閾値は、全ての熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４に劣化も故障も発生していない状態において、熱電発電ユニット１が発電できるはずの発電量の下限値である。
　１００％稼動の発電量が１００％稼動用の閾値以上のときには、「出力異常」が発生していないと判定し、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４による発電を継続するとともに、所定期間が経過したらステップＳ２の「全体診断」を再度実行する。
　一方、１００％稼動の発電量が１００％稼動用の閾値未満のときには、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４のいずれかに劣化および／または故障が発生しているとして、「出力異常」が発生していると判定する。この場合には、ステップＳ４に進み、「個別診断」を行う。前述したように、熱電発電ユニット１は、個別の第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４の出力を検出することが可能である。「個別診断」では、第１熱電発電モジュールＭ１から順に発電量を検出し、熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４のいずれに異常が発生しているのかを特定する。
　異常が発生している熱電発電モジュールを特定したら、ステップＳ５において、使用するリードピンＰ１～Ｐ１０を変更することによって、異常が発生している熱電発電モジュールを短絡する。例えば、第１熱電発電モジュールＭ１に異常が発生している場合には、第２～第４熱電発電モジュールＭ２～Ｍ４による発電を行うべく、リードピンＰ６およびリードピンＰ１を使用する。
　次に、ステップＳ６において、第２～第４熱電発電モジュールＭ２～Ｍ４による「７５％稼動」の発電を行い、ステップＳ７において、「全体診断」を行う。
　次に、ステップＳ８において、測定された発電量が予め設定された７５％稼動用の閾値よりも大きいか否かの判別結果に基づいて、「出力異常」が発生しているか否かを判定する。
　７５％稼動の発電量が７５％稼動用の閾値以上のときには、「出力異常」が発生していないと判定し、第２～第４熱電発電モジュールＭ２～Ｍ４を用いた発電を継続するとともに、ステップＳ７の「全体診断」を再度実行する。
　一方、７５％稼動の発電量が７５％稼動用の閾値未満のときには、第２～第４熱電発電モジュールＭ２～Ｍ４のいずれか１つに劣化および／または故障が発生しているとして、「出力異常」が発生していると判定する。この場合には、ステップＳ９に進み、「個別診断」を行い、第２～第４熱電発電モジュールＭ２～Ｍ４のいずれに異常が発生しているのかを特定する。異常が発生している熱電発電モジュールを特定したら、ステップＳ１０において、使用するリードピンＰ１～Ｐ１０を変更することによって、異常が発生している熱電発電モジュールを短絡する。例えば、前回の第１熱電発電モジュールＭ１に続いて、今回は第２熱電発電モジュールＭ２に異常が発生している場合には、第３および第４熱電発電モジュールＭ３，Ｍ４による発電を行うべく、リードピンＰ６およびリードピンＰ７を使用する。
　次に、ステップＳ１１において、第３および第４熱電発電モジュールＭ３，Ｍ４による「５０％稼動」の発電を行い、ステップＳ１２において、「全体診断」を行う。
　次に、ステップＳ１３において、測定された発電量が予め設定された５０％稼動用の閾値よりも大きいか否かの判別結果に基づいて、「出力異常」が発生しているか否かを判別する。
　５０％稼動の発電量が５０％稼動用の閾値以上のときには、「出力異常」が発生していないと判定し、第３および第４熱電発電モジュールＭ３，Ｍ４による発電を継続するとともに、ステップＳ１１の「全体診断」を再度実行する。
　一方、５０％稼動の発電量が５０％稼動用の閾値未満のときには、第３または第４熱電発電モジュールＭ３，Ｍ４に劣化および／または故障が発生しているとして、「出力異常」が発生していると判定する。この場合には、ステップＳ１４に進み、「個別診断」を行い、第３または第４熱電発電モジュールのいずれに異常が発生しているのかを特定する。異常が発生している熱電発電モジュールを特定したら、ステップＳ１５において、使用するリードピンＰ１～Ｐ１０を変更することによって、異常が発生している熱電発電モジュールを短絡する。例えば、前回までの第１および第２熱電発電モジュールＭ１，Ｍ２に続いて第３熱電発電モジュールＭ３に異常が発生している場合には、第４熱電発電モジュールＭ４による発電を行うべく、リードピンＰ６およびリードピンＰ１０を使用する。
　次に、ステップＳ１６において、最後に残った第４熱電発電モジュールＭ４による「２５％稼動」の発電を行い、ステップＳ１７において、「全体診断」を行う。
　次に、ステップＳ１８において、測定された発電量が予め設定された２５％稼動用の閾値よりも大きいか否かの判別結果に基づいて、「出力異常」が発生しているか否かを判別する。
　２５％稼動の発電量が２５％稼動用の閾値以上のときには、「出力異常」が発生していないと判定し、第４熱電発電モジュールＭ４を用いた発電を継続するとともに、ステップＳ１７の「全体診断」を再度実行する。
　一方、２５％稼動の発電量が２５％稼動用の閾値未満のときには、最後に残った第４熱電発電モジュールＭ４に劣化および／または故障が発生しているとして、ステップＳ１８において、熱電発電ユニット１の稼働を停止する。
　以上の本実施形態によれば、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４から成る出力回路の両端に対し、ケース２を内外に貫通するリードピンＰ１～Ｐ１０の基端が接続されているので、ケース２を開閉させることなく、第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４の診断を個々に行うことができる。
　また、診断対象とする第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４の変更をリードピンＰ１～Ｐ１０の選択により行うことができるので、診断対象の変更を行うための機構（例えば端子台）をケース２内に設けた場合と比較して、熱電発電ユニット１の充填率を高めることができるとともに、高温の熱電発電ユニット１を適用した装置を停止させる必要がない。
　さらに、素子間電極２２を有する第１基板１１にスルーホールＨ１～Ｈ８が形成され、スルーホールＨ１～Ｈ８は第２基板１２のバイパスパターン１３～１５に導通しているので、バイパスパターン１３～１５毎に診断を行うことで、熱電発電ユニット１の診断を確実に行うことができる。
［変形例］
　前記実施形態では、ケース２内に第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４が縦２×横２の配列で設けられているが、熱電発電モジュールの数量および配置は実施形態に限定されない。熱電発電モジュールは縦２×横２を一単位として増やすことができ、例えば、ケース２内に第１～第１６熱電発電モジュールが縦４×横４の配列で設けられていてもよい。熱電発電モジュールの増加に伴い、リードピンの数量も増加し、多層基板１０の積層数も増加し、スルーホールおよびバイパスパターンの数量および配置も変化する。
　変形例に係る熱電発電ユニット１０１を図１０～図１２に示す。図１０は、熱電発電ユニット１０１の側断面図であり、図１１は熱電発電ユニット１０１を図２のXI-XI方向から見た平断面図であり、図１２は図１０におけるXII部の部分拡大図である。
　前記実施形態の熱電発電ユニット１と同一のまたは対応する構成については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
　熱電発電ユニット１０１は、図１１に示すように、ケース２内に縦２×横２の配列で設けられた第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４から構成される第１熱電発電モジュールセットＳＭ１と、第５～第８熱電発電モジュールＭ５～Ｍ８から構成される第２熱電発電モジュールセットＳＭ２とを収納した構造を有する。また、ケース本体２Ａの一側面には、ケース２の内外に亘って延びる計４２本（上段２２本、下段２０本）のリードピンＰ１～Ｐ４２が設けられたハーメチックコネクタ３が取り付けられている。前記実施形態から熱電発電モジュールが増加したのに伴い、リードピンの数量が増加しており（１０本→４２本）、図１２に示すようにバイパスパターンの積層数も増加している（第３層→第３層、第５層、および第７層の計３層）。その結果、多層基板１０の積層数が５層から９層に増加している。図示しないが、バイパスパターンに重ねられるスルーホールの数量および配置も変化している。なお、図１２中の「Ｈｎ」はｎ番目のスルーホールを表す。
　前記実施形態の熱電発電ユニット１と同様、熱電発電ユニット１０１は、個別の第１～第４熱電発電モジュールセットＳＭ１～ＳＭ４の発電量、および２以上の第１～第４熱電発電モジュールセットＳＭ１～ＳＭ４から成る組合せの発電量を検出することが可能である。また、第１～第４熱電発電モジュールセットＳＭ１～ＳＭ４のいずれかに異常が発生した場合には、熱電発電モジュールセット内において、個別の熱電発電モジュールの発電量、および２以上の熱電発電モジュールから成る組合せの発電量を検出することが可能である。
　なお、本発明は前述の実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
　例えば、前記実施形態および変形例では、ケース２内に第１～第４熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４、第１～第１６熱電発電モジュールＭ１～Ｍ１６が、縦横同数の配列（実施形態：２×２，変形例：４×４）で設けられているが、縦横が異なる数の配列（例えば１×４や２×８）で設けられていてもよい。
　前記実施形態では、スルーホールＨ１～Ｈ８は、内部に導電体が充填された構造を有しているが、表裏方向に電気を通す構造であればよく、例えば、貫通孔の内周面に導電体が塗布された中空構造であってもよい。
　前記実施形態では、各熱電発電モジュールＭ１～Ｍ４内の熱電発電回路において、全ての熱電素子２１が電気的に直列に接続されているが、一部が並列に接続されていてもよい。
　本発明は、廃熱を電気エネルギーとして再生する再生装置に利用できる。
　１，１０１…熱電発電ユニット、１０…多層基板、１１…第１基板（第２層）、１３…中央バイパスパターン（第３層）、１４…左側バイパスパターン（第３層）、１５…右側バイパスパターン（第３層）、２…ケース、２１…熱電素子、２２…素子間電極（第１層）、Ｈ１～Ｈ８…スルーホール（第２層）、Ｍ１～Ｍ４…第１～第４熱電発電モジュール、Ｐ１～Ｐ１０…リードピン、Ｔｃ…冷却面、Ｔｈ…加熱面。

Claims (4)

  1. 　複数の熱電素子で構成される熱電発電モジュールが複数収納され、かつ加熱面および冷却面が設けられたケースを有する熱電発電ユニットであって、
    　前記熱電素子を接続する出力回路形成用の素子間電極を有する第１層と、
    　表裏を貫通する複数のスルーホールが形成された第２層と、
    　前記スルーホールと導通する複数のバイパスパターンを有する第３層と
    を有する多層基板を備え、
    　前記第１層の表面では、前記熱電発電モジュールを単位とした出力回路の両端に対し、前記ケースを内外に貫通するリードピンの基端が接続されている
    　ことを特徴とする熱電発電ユニット。
  2. 　請求項１に記載の熱電発電ユニットにおいて、
    　前記熱電発電モジュール毎の出力、および選択的に選ばれる複数の熱電発電モジュールの組合せの出力を検出可能に設けられている
    　ことを特徴とする熱電発電ユニット。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の熱電発電ユニットにおいて、
    　前記多層基板は、前記熱電発電モジュールに対して冷却面側に設けられている
    　ことを特徴とする熱電発電ユニット。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱電発電ユニットにおいて、
    　前記ケース内の前記加熱面側および前記リードピンとの間には、断熱部材が設けられている
    　ことを特徴とする熱電発電ユニット。
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