JPH03198384A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱
電変換モジュールに係わり、特にシステムの故障・停止
の防止に関する。

［従来の技術］ 熱電素子を用いた熱電発電では、有効な電気エネルギー
を得るために数１０から数１００の熱電素子を電気的に
連結した熱電変換モジュールを使用する。

第２０図は、直接エネルギー変換（サラトン、橘藤雄監
修、好学社、昭和４３年）に記載された文献からの引用
例を示す、第２０図の符号は、１１．１２は電極、３２
．３３は端子である。すなわち、ｎ型の熱電素子ｐとｎ
型の熱電素子ｎを電極１１を介して直列に接続し、下部
を加熱し、上部を冷却すると、加熱部から供給された熱
エネルギーが電気エネルギーに変換されて端子３２から
同３３に向かって電流工が流れ、負荷に電力を供給する
ようになっていた。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術では、温度勾配による熱起電力が互いに逆
向きであるｎ型とｎ型の熱電素子を交互に直列に連結し
て、有効な電気エネルギーを得ている。

この場合、多数の熱電素子の内の一つに断線が生じても
モジュール全体が停止するので、モジュールとしての発
電の信頼性は低い、実際、第１９図に示した様な熱電変
換モジュールの場合、加熱部で異種材料を接続している
ため、熱膨張率の差によって熱応力が働き、電極と熱電
素子の接合部に破損が生じることがある。

一方、多数の熱電素子を連結したモジュールでは複数の
熱電素子を並列に連結した構成も考えられる。

この場合は、一つの熱電素子の断線によりモジュール全
体が停止するということはないが、並列回路の一部分の
短絡で、やはりモジュールが故障あるいは出力が大幅に
低下する危険性がある。

近年、メインテナンスフリー、無振動、無騒音の観点か
ら、中小蔑模の熱電素子による発電が注目されている。

中小規模の発電とはいえ、熱電素子の総数は膨大なもの
になり、伝送損失を減らす意味から、熱電素子を多数直
列に接続し、高電圧化する構成になると考えられる。そ
のため、断線等によるシステム全体の停止・故障あるい
は大幅な出力低下が起こる可能性は高い、そこで、これ
を解決できる技術開発が急務の課題になってきた。

本発明の目的は、多数の熱電素子によって構成される熱
電変換モジュールで、−個あるいは数個の熱電素子が故
障した場合でもシステム全体が故障・停止しないような
熱電変換モジュールを提供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の熱電変換モジュール
の構成は、複数個の熱電素子を相互に接続し、上記各熱
電素子の一端を加熱し、他の一端を冷却することにより
、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するこ
とができる熱電変換モジュールにおいて、上記モジュー
ル中の熱電素子にダイオードを接続するようにしたもの
である。

Ｃ作用］ 第２図に示すように熱電素子１を直列に連結する場合に
ついて説明する。ここで、熱電素子１が断線した場合、
負荷を通してダイオード２に順方向に電圧がかかる。そ
のため、ダイオード２を通して３個の熱電素子の内の残
り２個でも負荷に電力を供給できる。

一方、第３図に示すように、熱電素子の出力に対して順
方向並列に接続した場合につき説明する。

例えば、熱電素子１に付着した物によって、熱電素子が
短絡した場合を考えると１本発明では、熱電素子１が短
絡した場合、ダイオード２によって、他の熱電素子から
短絡した熱電素子へ電気が流れることを防ぐことができ
る。そのため、短絡部へ電流が急激に流れて熱電変換モ
ジュールを断線せさるとか、同モジュールの出力がなく
なるなどのトラブルを回避できる。

本発明の場合、熱電素子を多数接続する程、１個の熱電
素子の断線、故障がモジュール全体に与える影響は少な
くなる。

第４図は１本発明の複数個熱電素子からなるモジュール
の出力特性図である。

すなわち、例えば第６図（後述する）に示したモジュー
ルにおいて、１個の熱電素子が断線したと仮定した場合
の出力電圧（Ｖ）と出力電流（Ｉ）の関係を表わしてい
る。

第４図において、１０１は、正常時負荷曲線、１０２は
、本発明による異常時負荷曲線、１０３は、従来例の異
常時負荷曲線である。

出力電力（Ｐ＝ＩＸＶ）を得るために電圧は、最大出力
の５０％で作動させる。従来例による電気回路では、１
個の熱電素子が断線した場合、出力電流の上限が正常時
出力電流（８Ａ）の７５％（６Ａ）に降下し、動作電圧
における出力電力（２８Ｗ）は、正常時出力電力（４０
Ｗ）の７０％に減少する。これに対して、本発明の場合
には、断線した熱電素子の起電力が除かれるだけで、動
作点の出力電力は正常時１０１に等しい。したがって、
システムとしての低下はない。

また、本発明では、ダイオードを低温側基板上に固定し
ているため、整流性を保てる。さらに、熱電素子が正常
に動作している時は、ダイオードは熱電素子に対し順方
向に連結されているので、モジュール全体の出力には影
響を与えない。

またさらに、熱電素子を独立に装着、脱着することで、
個々の素子が故障したときの素子の交換が容易になる。

［実施例］ 以下１本発明の実施例を第１図〜第１９図を用いて説明
する。

第１図は、本発明の第１実施例の模式図である。

第１図において、２は、ダイオード、３は、ｐ型熱電素
子、４は、ｎ型熱電素子、１１および１２は、電極、２
１は、高温側基板（絶縁材）、２２は、低温側基板（絶
縁材）である。

ｐ型熱電素子３と、ｎ型熱電素子４とは、電極１１およ
び１２によって直列に連結されている。

電極１１．１２はそれぞれ高温側基板２１と低温側基板
２２上にある。低温側電極１２は、ダイオード２によっ
て、互いに連結されている。この時低温側基板２２の温
度は、ダイオード２の動作温度領域内にあるように調節
する。また、各熱電素１個の起電力は、ダイオードの耐
電圧を越えないように調節される。

これによって、１個の熱電素子が断線しても、モジュー
ルによる電力供給が停止することはない。

第２図および第３図は、本発明の第１実施例および第２
実施例による熱電変換モジュールの回路部分図である。

第２．３図において、ｌは、熱電素子、２は、ダイオー
ドである。第２図では、直列に連結された熱電素子１の
各々にダイオード２が逆方向に並列に連結され、熱電素
子部分が断線した場合でも回路が切れない様になってい
る。第３図では、並列に連結された各熱電素子１にダイ
オード２が順方向に直列に連結され、熱電素子部分が短
絡した場合でも回路に大電流が流れないようになってい
る。

第５図は、複数個の熱電素子からなるブロックとダイオ
ードを組合わせた例であり、第６図は、多数の熱電素子
を持つモジュールへの応用例である。

第７図は、本発明の第３実施例による模式図である。符
号は、第１図と同一である。第７図に示した例では、低
温側基板２２内にあったダイオード２を基板の外側に配
置することにより、基板の工作を簡略化することができ
る。

第８図は、本発明の第４実施例による模式図である。第
３実施例（第７図）では、基板の外側ににダイオードが
あった点が解消され、さらに電極を引出す必要がないの
で熱電素子の実装密度を大きくすることができる。低温
基板２２には、ｐ型半導体７とｎ型半導体８が埋込まれ
ており、その接合部にダイオードが形成されている。上
記半導体のそれぞれを低温側電極１２によって連結する
ことで、ダイオードを熱電素子に並列に連結した回路に
等価な構造となっている。この方法によれば、モジュー
ル内の配線部分を減らすことができ、配線部分での断線
の可能性を排除できる。

第９図（ａ）　、　　（ｂ）　、第１０図（ａ）　、　
　（ｂ）は、本発明の第５実施例の模式図および回路図
である。熱電素子３．４は高温側電極１１によって連結
されている。低温側電極１２は平面図に示すように低温
側基板２２上でダイオード２を介して並列に連結されて
いる。第１０図はｐ型熱電素子の低温側にｎ型半導体を
接合してダイオードを形成した例である。いずれも並列
に連結された熱電素子の一部の短絡で回路全体が故障す
ることはない。

第１１図（ａ）、（ｂ）、第１２図は、本発明の第６実
施例の模式図および回路図である。７は、Ｐ型半導体薄
膜、８は、ｎ型半導体薄膜である。

すなわち、半導体薄膜によって熱電素子間にダイオード
を形成した場合の例である。これにより、配線部分を減
らすと共に放熱効果をあげるという利点がある。

第１３図は、本発明の第７実施例の模式図である。

この例では、２個のダイオードはｎ型半導体部材８を共
有する構造になっており、製造工程を簡略化することが
できる利点がある。

第１４図は、第７実施例（第１３図）の製造工程図であ
る。高抵抗の半導体基板２３に不純物をイオン注入して
ダイオードを形成する。矢印は工程流れを示す。

第１５図も同様に製造工程図である。この例では、さら
に深さを変えて２種類のイオンを注入してダイオードを
作る。これによって、ダイオード表面と基板表面が連続
になるので熱電素子の接着状態がよくなり、故障の可能
性が減少する。

第１６図は１本発明の第８実施例の縦断面略示図である
。第１６図において、７０は、ヒートパブ、７１は、絶
縁材、７２は、フィンである。この場合は、熱電変換モ
ジュールをヒートパイプ７０に取付けたもので、ヒート
パイプ７０の表面に環状の熱電素子１を接触させて外側
を加熱することで熱電発電を行なう、ヒートパイプ７０
の表面にダイオード２を配置したことでダイオード２の
温度上昇を防ぐことが容易である。第１７図では端子を
フィンにそって取り出し、熱電素子に直列にダイオード
２を接続する。このダイオード２は複数のヒートパイプ
に取り付けたモジュールを並列に連結して使用する際の
回路の短絡の対策になる。第１８図はヒートパイプ７０
に取り付ける熱電素子を４分割した例である。環状の素
子を４分割したことで素子の熱膨張による破壊の可能性
が減る。各熱電素子は環状の電極１１を介して並列に連
結されているのでｐ型熱電素子３と電極１１の間にｎ型
半導体を接合してダイオードを形成する。

第１９図は、本発明の第１０実施例の斜視図（ａ）およ
び模式図（ｂ）である、第１９図（ａ）。

（ｂ）において、５０は、管、５１．５２は、絶縁材（
基板）、６１．６２は、ドーナツ型熱電素子、６３は、
電極である。この場合は、熱電変換モジュールを管５０
に取付けた例である。

ドーナツ状の熱電素子６１．６２は１円筒状の管５０に
外接した基板５１に取付けられている。

管５０の内部に高温の熱媒体を流し、熱電素子の外周部
を空冷することによって熱電発電を行なう、熱電素子の
外側に取り付けられた電極６３は側面の１部で隣の電極
と連結されており全体として熱電素子は直列に接続され
ている。この部分にダイオード２を乗せた基板５２を接
触させることにより断線による故障を防止する。

［発明の効果］ 以上述べたように１本発明によれば、多数の熱電素子を
電気的に連結して構成された熱電変換モジュールにおい
て、１個あるいは数個の熱電素子が故障してもモジュー
ル全体が故障・停止せず、その際の出力の低下を最小限
におさえることができる。

これにより、モジュールとしての信頼性を高め、経済性
の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の第１実施例の模式図、第２図、第３
図は、本発明の第１実施例および第２実施例の電気回路
図、第４図は、本発明によるモジュールの出力特性図、
第５．６図は、第２実施例の応用回路図、第７図は、本
発明の第３実施例の模式図、第８図は、本発明の第４実
施例の模式図、第９図（ａ）、（ｂ）、第１０図（ａ）
　、　　（ｂ）は、本発明の第５実施例の模式図および
回路図、第１１（ａ）、（ｂ）図、第１２図は、本発明
の第６実施例の模式図（回路図）、第１３図は、本発明
の第７実施例の模式図、第１４．１５図は、第７実施例
の製造工程図、第１６．１７．１８図は、本発明の第８
実施例の縦断面略示図、第１９図（ａ）、（ｂ）は、本
発明の第９実施例の斜視図および模式図、第２０図は、
従来の熱雷変換モジュールの原理図である。 く符号の説明〉 １・・・熱電素子、２・・・ダイオード、３・・・ｐ型
熱電素子、４・・・ｎ型熱電素子、７・・・Ｐ型半導体
、８・・・ｎ型半導体、１１〜１６・・・電極、２１〜
２３．５１．５２・・・絶縁材（基板）、６１．６２・
・・ドーナサ型熱電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数個の熱電素子を相互に接続し、上記各熱電素子
   の一端を加熱し、他の一端を冷却することにより、エネ
   ルギーを電気エネルギーに変換して発電することができ
   る熱電変換モジュールにおいて、上記モジュール中の熱
   電素子にダイオードを接続したことを特徴とする熱電変
   換モジュール。 ２、請求項１、記載のものにおいて、熱電素子を直列に
   連結する部分には、ダイオードを熱電素子に対して逆方
   向に並列に連結するか、または、熱電素子を並列に連結
   する部分には、ダイオードを熱電素子に対して順方向に
   直列に連結することを特徴とする熱電変換モジュール。 ３、請求項２、記載のものにおいて、ダイオードを、熱
   電変換モジュールの低温側に装着したことを特徴とする
   熱電変換モジュール。 ４、請求項２、記載のものにおいて、複数個の熱電素子
   を連結したものに対して逆方向に並列に連結するか、ま
   たは、熱電素子を並列に連結する部分には、ダイオード
   を熱電素子に対して順方向に直列に連結したことを特徴
   とする熱電変換モジュール。 ５、請求項２、記載のものにおいて、逆方向に並列につ
   ないだダイオードのｎ極と、順方向に直列につないだダ
   イオードのｎ極とを、共通の部材で構成するか、逆方向
   に並列につないだダイオードのｐ極と、順方向に直列に
   つないだダイオードのｐ極とを、共通の部材で構成した
   ことを特徴とする熱電変換モジュール。 ６、請求項１、記載のものにおいて、ダイオードを、基
   板に装着したｐ型とｎ型の薄膜で構成したことを特徴と
   する熱電変換モジュール。 ７、請求項３、記載のものにおいて、ダイオードを低温
   側基板に埋込んだことを特徴とする熱電変換モジュール
   。 ８、請求項３、記載のものにおいて、低温側基板の１部
   を改質し、基板内にダイオードを形成したことを特徴と
   する熱電変換モジュール。 ９、請求項３、記載のものにおいて、ダイオードを熱電
   素子と低温側基板との間に挟む構造にしたことを特徴と
   する熱電変換モジュール。 １０、請求項３、記載のものにおいて、ヒートパイプに
   装着した熱電素子につらなるダイオードを、放熱フィン
   に取付けたことを特徴とする熱電変換モジュール。 １１、請求項３、記載の熱電変換モジュールにおいて、
   円筒状の高温配管に、複数個の熱電素子を配設し、該フ
   ィン状熱電素子の外周部を電極でつらね、これと接触す
   る基板部にダイオードを固定したことを特徴とする熱電
   変換モジュール。