(57)【要約】【課題】一部の熱電素子が損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、熱電変換モジュールの機能が停止することを防止する。【解決手段】電流が流れていない電流経路を検知し、この電流経路を迂回して、電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させる。具体的には、隣接する直線状に配置された電流経路の端部における下部電極５同士を接続するようにダイオード８を順方向接続する。この構成により、電流が流れていない電流経路を迂回して別の電流経路に電流が流れるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
行方向および列方向に規則的に配置された複数の熱電素子と、
前記複数の熱電素子とこれに接続される複数の電極とにより形成され、各熱電素子を電気的に直列に接続するための複数の電流経路と、
前記複数の電流経路の一部に配置され、電流が流れていない電流経路について、当該電流経路を迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させる接続手段と、
を有することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記接続手段は、隣接する直線状に配置された電流経路の端部同士を接続するように順方向に設けられたダイオードであることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
電気的に直列に接続された複数の熱電変換モジュールと、
電流が流れていない熱電変換モジュールについて、当該熱電変換モジュールを迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させる接続手段と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。
【請求項４】
前記接続手段は、各熱電変換モジュールに対して並列に順方向接続されたダイオードであることを特徴とする請求項３記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の熱電素子を備え、各熱電素子に温度差を生じさせて発電を行い、また印加された電力に応じて熱電素子が発熱するようにした熱電変換モジュール、および複数の熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールは、ペルチェ効果、ゼーベック効果、トムソン効果などの熱電効果を利用したＰ型およびＮ型の熱電素子を組み合わせて構成される。熱電変換モジュールは、構造が簡単かつ取り扱いが容易であり、特性を安定的に維持できることから、広範囲に渡る利用が可能である。例えば、タービンなどの可動部を有することなく発電が可能であることから、熱電変換モジュールは、探査人工衛星の電力供給や、工場の排熱を利用した発電等への適用に向けて、広く研究開発が進められている。
【０００３】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、従来の熱電変換モジュールの構成を示す展開図である。同図（ａ）は、熱電変換モジュールの下部基板１１を上方から見た図であり、同図（ｂ）は、下部基板１１の右端部を中心として上部基板１２を右方に折り返したときの図である。図７（ａ）と図７（ｂ）により、下部基板１１と上部基板１２とを見開いた状態を示している。なお、Ｐ型熱電素子１３とＮ型熱電素子１４については、図７（ａ）において下部基板１１上に示されており、上部基板１２上には本来存在しないので、図７（ｂ）では破線で示してある。
【０００４】
熱電変換モジュールでは、熱電素子の吸熱側に配置される上部基板１２と放熱側に配置される下部基板１１とが相互に平行に対向配置され、これら上部基板１２と下部基板１１との間に複数個のＰ型熱電素子１３およびＮ型熱電素子１４が行方向および列方向において交互に配置される。これらの熱電素子１３，１４は、その両端部が上部基板１２、下部基板１１のそれぞれの対向面上に印刷あるいはメッキ等により設けられた上部電極１６および下部電極１５にそれぞれ接合されている。下部基板１１では、隣接する一対のＰ型熱電素子１３、Ｎ型熱電素子１４に対して１つの下部電極１５が対応して設けられている。一方、上部基板１２では、異なる下部電極１５に接続された隣接する一対のＰ型熱電素子１３、Ｎ型熱電素子１４に対して１つの上部電極１６が対応して設けられている。このような構成により、全ての熱電素子１３，１４が上部電極１６と下部電極１５を介して電気的に直列に接続されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図８は、前述した熱電変換モジュールにおける電流の流れを説明するための下部基板１１の模式図である。例えば、図８に示す下部電極１５ａに接合された一対のＰ型熱電素子１３ａ，Ｎ型熱電素子１４ａに着目すると、Ｐ型熱電素子１３ａを流れる電流は、下部電極１５ａを通じてＮ型熱電素子１４ａに流れる。このＮ型熱電素子１４ａは、上部電極１６を通じて、別の下部電極に接合されたＰ型熱電素子へ電流を流す。他のＰ型熱電素子、Ｎ型熱電素子も同様に電流を流す。このようにして、図８に示すように、全ての熱電素子を通じて電流が直列的に流れるようになっている。
【０００６】
ところで、近年は、熱電変換モジュールの利用分野が多岐に渡るようになってきており、各利用分野での要求を満たすために高い電力を供給する必要がある。そこで、図９のブロック図に示すように、前述した熱電変換モジュールを複数設け、各熱電変換モジュール１７ａ乃至１７ｃを直列に接続することにより、高い電力が得られるようにした熱電変換装置も開発されている。なお、図９において、矢印は電流の流れる方向を示している。
【特許文献１】特開２００２−２３２０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した熱電変換モジュールの構成では、全ての熱電素子が電気的に直列に接続されているため、１つでも熱電素子が損壊し、あるいは電流経路が断線すると、電流が流れなくなり、熱電変換モジュールが全く機能しなくなるという問題がある。
【０００８】
例えば、図１０の模式図に示すように、１つのＰ型熱電素子１３ａが劣化等の要因により損壊した場合には、その熱電素子１３ａに電流が流れなくなり、熱電素子１３ａが接続された電流経路が導通しなくなるため、正常な動作が可能な他の熱電素子にも電流が全く流れないこととなる。
【０００９】
また、前述した熱電変換装置の構成においても、全ての熱電変換モジュールが電気的に直列に接続されているため、１つでも熱電変換モジュールが損壊し、あるいは電流経路が断線すると、電流が流れなくなり、熱電変換装置が全く機能しなくなるという問題がある。
【００１０】
例えば、図１１に示すように、１つの熱電変換モジュール１７ａが損壊した場合には、その熱電変換モジュール１７ａに電流が流れなくなり、熱電変換モジュールが接続された電流経路が導通しなくなるため、正常な動作が可能な他の熱電変換モジュール１７ｂ，１７ｃにも電流が全く流れないこととなる。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、一部の熱電素子が損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、機能が停止することを防止し得る熱電変換モジュールを提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、一部の熱電変換モジュールが損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、機能が停止することを防止し得る熱電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の本発明に係る熱電変換モジュールは、行方向および列方向に規則的に配置された複数の熱電素子と、前記複数の熱電素子とこれに接続される複数の電極とにより形成され、各熱電素子を電気的に直列に接続するための複数の電流経路と、前記複数の電流経路の一部に配置され、電流が流れていない電流経路について、当該電流経路を迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させる接続手段と、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、電流が流れていない電流経路を検知し、この電流経路を迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させることで、一部の熱電素子が損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、その電流経路を迂回して別の電流経路に電流が流れるようにしている。
【００１５】
ここで、接続手段は、隣接する直線状に配置された電流経路の端部同士を接続するように順方向に設けられたダイオードであることが望ましい。
【００１６】
第２の本発明に係る熱電変換装置は、電気的に直列に接続された複数の熱電変換モジュールと、電流が流れていない熱電変換モジュールについて、当該熱電変換モジュールを迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させる接続手段と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明にあっては、電流が流れていない熱電変換モジュールを検知し、この熱電変換モジュールを迂回して電流経路を電気的に接続させることで、一部の熱電変換モジュールが損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、その熱電変換モジュールを迂回して電流が流れるようにしている。
【００１８】
ここで、接続手段は、各熱電変換モジュールに対して並列に順方向接続されたダイオードであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
第１の本発明に係る熱電変換モジュールによれば、一部の熱電素子が損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、熱電変換モジュールの機能が完全に停止することを防止することができる。
【００２０】
第２の本発明に係る熱電変換装置によれば、一部の熱電変換モジュールが損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、熱電変換装置の機能が完全に停止することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２２】
［第１の実施の形態］
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本実施の形態における熱電変換モジュールの構成を示す展開図である。同図（ａ）は、熱電変換モジュールの下部基板１を上方から見た図であり、同図（ｂ）は、下部基板１の右端部を中心として上部基板２を右方に折り返したときの図である。図１（ａ）と図１（ｂ）により、下部基板１と上部基板２とを見開いた状態を示している。なお、Ｐ型熱電素子３とＮ型熱電素子４については、図１（ａ）において下部基板１上に示されており、上部基板２上には本来存在しないので、図１（ｂ）では破線で示してある。
【００２３】
本実施の形態の熱電変換モジュールでは、熱電素子の吸熱側に配置される上部基板２と放熱側に配置される下部基板１とが平行に対向配置され、これら上部基板２と下部基板１との間に複数個のＰ型熱電素子３およびＮ型熱電素子４が行方向および列方向において交互に配置される。これらの熱電素子３，４は、その両端部が上部基板２、下部基板１のそれぞれの対向面上に印刷あるいはメッキ等により設けられた上部電極６および下部電極５にそれぞれ導電性の接合材料を用いて接合されている。下部基板１では、隣接する一対のＰ型熱電素子３、Ｎ型熱電素子４に対して１つの下部電極５が対応して設けられている。一方、上部基板２では、異なる下部電極に接続された隣接する一対のＰ型熱電素子３、Ｎ型熱電素子４に対して１つの上部電極６が対応して設けられている。
【００２４】
このような構成により、図２に示すように、規則的に配置された複数の熱電素子３，４、複数の上部電極６、下部電極５で複数の電流経路を形成すると共に、隣接する直線状に配置された電流経路の端部同士が電気的に接続されるようにして、全ての熱電素子３，４が電気的に直列に接続されるようになっている。
【００２５】
すなわち、図２に示す下部電極５ａに接合された一対のＰ型熱電素子３ａ，Ｎ型熱電素子４ａに着目すると、Ｐ型熱電素子３ａを流れる電流は、下部電極５ａを通じてＮ型熱電素子４ａに流れる。このＮ型熱電素子４ａは、上部電極６を通じて、別の下部電極に接合されたＰ型熱電素子へ電流を流す。他のＰ型熱電素子、Ｎ型熱電素子についても同様に電流を流す。このようにして、全ての熱電素子を通じて電流が直列的に流れるようになっている。
【００２６】
さらに、本実施の形態の熱電変換モジュールでは、複数の電流経路の端部に、電流が流れていない電流経路を検知し、当該電流経路を迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させる接続部が配置される。具体的には、図２に示すように、隣接する直線状に配置された電流経路の端部同士を接続するように、ダイオード８が各電流経路の下部電極に対して導電性材料を用いて順方向に接続される。
【００２７】
次に、本実施の形態における熱電変換モジュールの動作について説明する。各熱電素子が正常に動作しているときには、全てのダイオード８はオフの状態にある。ここで、一例として、図３の模式図に示すように、１つのＰ型熱電素子３ａが劣化等の要因により損壊した場合を想定する。この場合、熱電素子３ａには電流が流れなくなり、熱電素子１３ａが接続された電流経路が導通しなくなる。このため、熱電素子３ａが接続された電流経路の端部に接続されているダイオード８ａでは、アノード端子とカソード端子との間に電位差が発生し、ダイオード８ａがオンする。このとき、ダイオード８ａまで流れてきた電流は、損壊した熱電素子３ａが設けられた電流経路を迂回し、ダイオード８ａを介して熱電素子が全て正常な電流経路へ流れる。迂回した電流経路における熱電素子は使用されなくなるため、その分だけ熱電効率が低下することになるが、電流が全く流れなくなる事態は回避される。
【００２８】
したがって、本実施の形態によれば、接続部により、電流が流れていない電流経路を検知し、この電流経路を迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させることで、一部の熱電素子が損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、その電流経路を迂回して別の電流経路に電流が流れるようになるので、熱電変換モジュールの機能が完全に停止してしまうことを防止することができる。
【００２９】
本実施の形態によれば、接続部として、隣接する直線状に配置された電流経路の端部における下部電極同士を接続するようにダイオード８を順方向接続したことで、簡単な構成で上記効果を奏することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態においては、接続部として、ダイオード８を用いることとしたが、これに限られるものではない。例えば、ダイオード８の代わりに、各電流経路における断線を検知し、断線した電流経路を電気的に迂回させるようにした回路を用いるようにしても良い。
【００３１】
［第２の実施の形態］
図４は、本実施の形態における熱電変換装置の構成を示す回路ブロック図である。同図の熱電変換装置は、電気的に直列に接続された複数の熱電変換モジュール７ａ乃至７ｃと、電流が流れていない熱電変換モジュールを検知し、その熱電変換モジュールを迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させる接続部とを備えた構成である。接続部の具体的な構成としては、各熱電変換モジュール７ａ乃至７ｃに対して、それぞれ並列にダイオード９ａ乃至９ｃが順方向接続された構成である。なお、各熱電変換モジュール７ａ乃至７ｃとしては、第１の実施の形態で説明したようなダイオード８を設けた構成のものを用いてもよいし、背景技術の欄で図７を用いて説明したようなダイオード８を備えない構成のものを用いてもよい。
【００３２】
次に、本実施の形態の熱電変換装置の動作について説明する。図４に示すように、全ての熱電変換モジュール７ａ乃至７ｃが正常に動作しているときは、全てのダイオード９ａ乃至９ｃはオフの状態となる。
【００３３】
ここで、一例として、図５の模式図に示すように、１つの熱電変換モジュール７ａが劣化等の要因により損壊した場合を想定する。この場合、熱電変換モジュール７ａには電流が流れなくなり、熱電変換モジュール７ａを通過する電流経路が導通しなくなる。このため、熱電変換モジュール７ａに接続されているダイオード９ａでは、アノード端子とカソード端子との間に電位差が発生し、ダイオード９ａがオンする。これによって、ダイオード９ａは、電流が流れる電流経路同士を接続させることになり、ダイオード９ａまで流れてきた電流は、損壊した熱電変換モジュール７ａを迂回して流れるようになる。迂回した熱電変換モジュール７ａは使用されなくなるため、その分だけ熱電効率が低下することになるが、電流が全く流れなくなる事態は回避される。
【００３４】
したがって、本実施の形態によれば、接続部により、電流が流れていない電熱変換モジュールを検知し、この電熱変換モジュールを迂回して電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させることで、一部の熱電変換モジュールが損壊し、あるいは一部に断線が生じた場合であっても、その電熱変換モジュールを迂回して電流が流れるようになるので、熱電変換装置の機能が完全に停止してしまうことを防止することができる。
【００３５】
本実施の形態によれば、接続部として、各熱電変換モジュール７ａ乃至７ｃに対して並列にダイオード９ａ乃至９ｃをそれぞれ順方向接続したことで、簡単な構成で上記の効果を奏することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態においては、全ての熱電変換モジュール７ａ乃至７ｃを電気的に直列に接続することとしたが、これに限られるものではない。例えば、図６の回路ブロック図に示すように、一部の熱電変換モジュール７ｂ、７ｃについては並列に接続するようにしてもよい。この場合、熱電変換モジュール７ｂ、７ｃのうちの一方が損壊したとしても、他方の熱電変換モジュールには電流が流れるので、並列接続された熱電変換モジュールに対しては、ダイオード９を接続する必要性は低くなる。
【００３７】
また、本実施の形態においては、接続部として、ダイオード９ａ乃至９ｃを用いることとしたが、これに限られるものではない。例えば、ダイオード９ａ乃至９ｃの代わりに、各電流経路における断線を検知し、断線した電流経路を電気的に迂回させるようにした回路を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施の形態における熱電変換モジュールの構成を示す展開図であり、同図（ａ）はその下部基板を上方から見た図、同図（ｂ）は下部基板の右端部を中心として上部基板を右方に折り返したときの図である。
【図２】上記熱電変換モジュールにおいて、規則的に配置された複数の熱電素子と複数の上部電極、下部電極とにより、複数の電流経路が列設された状態を示す模式図である。
【図３】上記熱電変換モジュールにおいて、１つの熱電素子が損壊したときにその熱電素子が設けられた電流経路を迂回して電流が流れる状態を示す模式図である。
【図４】第２の実施の形態における熱電変換装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図５】１つの熱電変換モジュールが損壊したときにその熱電変換モジュールを迂回して電流が流れる状態を示す模式図である。
【図６】第２の実施の形態における別の熱電変換装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図７】従来の熱電変換モジュールの構成を示す展開図であり、同図（ａ）はその下部基板を上方から見た図であり、同図（ｂ）は下部基板の右端部を中心として上部基板１２を右方に折り返したときの図である。
【図８】従来の熱電変換モジュールにおいて、規則的に配置された複数の熱電素子と複数の上部電極、下部電極とにより、複数の電流経路が列設された状態を示す模式図である。
【図９】従来の熱電変換装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図１０】従来の熱電変換モジュールにおいて、１つの熱電素子が損壊したときに電流が全く流れなくなる状態を示す模式図である。
【図１１】従来の熱電変換装置において、１つの熱電変換モジュールが損壊したときに電流が全く流れなくなる状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，１１…下部基板、２，１２…上部基板、３，３ａ，１３，１３ａ…Ｐ型熱電素子、４，４ａ，１４，１４ａ…Ｎ型熱電素子、５，５ａ，１５，１５ａ…下部電極、６，１６…上部電極、７ａ〜７ｃ，１７ａ〜１７ｃ…熱電変換モジュール、８，８ａ，９ａ〜９ｃ…ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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