(57)【要約】【課題】発電効率の高い熱電変換器を提供することである。【解決手段】本発明の熱電変換器は、熱電変換素子群からなる熱電モジュール１を複数段に積層した積層体と、複数個並列配置された該積層体を一体的に挟持する加熱体１２および放熱体１３と、を有する熱電変換器において、前記熱電モジュール間に介挿され隣り合う前記積層体を接続する熱伝導体Ｍを有することを特徴とするものである。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換素子群からなる熱電モジュールを複数段に積層した積層体と、複数個並列配置された該積層体を一体的に挟持する加熱体および放熱体と、を有する熱電変換器において、
前記熱電モジュール間に介挿され隣り合う前記積層体を接続する熱伝導体を有することを特徴とする熱電変換器。
【請求項２】
前記熱伝導体は隣り合う前記積層体の異なる積層の前記熱電モジュール間に介挿される請求項１に記載の熱電変換器。
【請求項３】
前記熱伝導体は隣り合う前記積層体の同一積層の前記熱電モジュール間に介挿される請求項１に記載の熱電変換器。
【請求項４】
前記加熱体の加熱温度を室温〜２００℃未満の範囲に設定し、前記放熱体を自然冷却する請求項１から３のいずれかに記載の熱電変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカスケード型（多段型）熱電変換器に関する。より詳しくは、複数の熱電モジュールを積層した積層体を並列に複数個配置した熱電変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電現象は、元来、異種金属間で発見された現象であるが、近年、半導体の熱電材料が得られるようになり、金属材料では見られなかった変換効率が得られるようになった。熱電半導体材料を利用した素子は、構造が簡単で取り扱いが容易であり、安定な特性を維持できることから、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、局所冷却や室温付近の精密な温度制御が可能であることから、オプトエレクトロニクスや半導体レーザ等の温度調節、また、小型冷蔵庫などへの適用に向けて広く研究開発が進められている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかし、現状では、最も一般的なＢｉ−Ｔｅ系熱電材料以上の材料特性（ゼーベック係数α）を有した実用的な新規材料が見出されていないため、これらの素子を用いた発電器としての熱電変換器の利用はあまり進んでいないのが現状である。
【０００４】
熱電変換器の基本構成を図１に模式的に示す。熱電変換器１０は、熱電モジュール１の単体を複数段（図１では３段）に積層して積層体１１となし、この積層体１１を複数個（図１では２個）並列配置して、これらを温度差を設けるための高温側である加熱体１２と、低温側である放熱体１３とで挟持して形成したものである。
【０００５】
また、図２に示すように、起電力源となる熱電モジュール１は、半導体であるＰ型ペルチェ素子２とｎ型ペルチェ素子３とを銅電極４により直列に接続した一組が最小構成となる。銅電極の外側には電気的な絶縁を確保するため絶縁板５を設ける。
【０００６】
熱電モジュール１の起電力（発電量）は次式で示される。
【０００７】
Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝Ｒ0／（Ｒ0＋Ｒi）2・α2・ΔＴ2
ここで、Ｐ：起電力（Ｗ）、Ｒ0 ：外部負荷（回路に接続された負荷）（Ω）、Ｒi ：内部抵抗（Ω）、α：ゼーベック係数（材料固有の値）（Ｖ／Ｋ）、ΔＴ：温度差（高温Ｔｈと低温Ｔｃとの温度差）（Ｋ）である。
【０００８】
つまり、同一素子、同一回路の熱電モジュールにおいては、付与する温度差ΔＴを拡大することで大きな起電力が得られるわけである。
【０００９】
しかし、一般的に熱電モジュールは熱伝導率が高いために、大きな温度差ΔＴを維持することは困難であるので、あまり高い発電効率を得ることができない。
【００１０】
例えば、熱電モジュールを３段に積層した図１に示す従来構造のカスケード型熱電変換器において、加熱体１２を加熱して放熱体１３は自然冷却として発電させた場合、加熱体１２の温度を８０℃に設定すると、結果的に放熱体１３の温度は５０℃となり、各熱電モジュールの温度差ΔＴは１０℃前後しか確保できない。このような現象は、加熱体の温度が外気温から２００℃程度までの範囲ではほとんど変化なく維持されるので、加熱体の温度を上げても各熱電モジュールの温度差ΔＴを拡大することができない。従って、熱電変換器の発電効率を向上することができなかった。
【００１１】
また、並列接続された熱電モジュール間に起電力差（電位差）があると電流が逆流して熱電変換器の発電効率が悪化するという問題もあった。
【００１２】
例えば、図３のように同一性能の４個の熱電モジュール（ａ〜ｄ）を用いて、ａとｃとを積層して積層体Ａとし、ｂとｄとを積層して積層体Ｂとして、積層体Ａと積層体Ｂとを並列に接続した回路において、熱電変換器の搭載状態や高温側及び低温側の温度分布などの環境要因によって熱電モジュールａ、ｃ、ｄの温度差ΔＴは１０℃であるが、熱電モジュールｂの温度差ΔＴが９℃であった場合には、熱電モジュールｂは熱電モジュールａ、ｃ、ｄに対して、起電力、電流ともに１０％低い。すなわち、積層体Ａの電圧（Ｖａ＋Ｖｃ）＞積層体Ｂの電圧（Ｖｂ＋Ｖｄ）となる。そのため、積層体Ａから起電力の小さい積層体Ｂへ電流ｉが逆流してしまい熱電変換器の発電効率が低下するという問題があった。
【特許文献１】特開平１０−７９５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上述した問題に鑑みてなされたもので、その目的は、従来技術になる熱電変換器に比べて発電効率の高い熱電変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の熱電変換器に係わる発明は、上記の目的を達成するために、熱電変換素子群からなる熱電モジュールを複数段に積層した積層体と、複数個並列配置された該積層体を一体的に挟持する加熱体および放熱体と、を有する熱電変換器において、前記熱電モジュール間に介挿され隣り合う前記積層体を接続する熱伝導体を有することを特徴とするものである。
【００１５】
隣り合う積層体を熱電モジュール間に熱バイパス用の熱伝導体を介挿して接続することにより、熱伝導体が接する熱電モジュールの温度の高い熱電モジュール側から温度の低い熱電モジュール側へ熱の移動が生じる。この結果、熱電モジュール間の温度差を調整することができる。
【００１６】
請求項２の熱電変換器に係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、前記熱伝導体は、隣り合う前記積層体の異なる積層の前記熱電モジュール間に介挿されることを特徴とするものである。
【００１７】
これは、上記の数式１において、起電力（発電量）Ｐが熱電モジュールの温度差ΔＴの二乗と相関があることに着目して完成したものである。
【００１８】
すなわち、隣り合って積層された熱電モジュール間に熱バイパス用の熱電導体を設置して、温度の異なる部位、すなわち積層段数の違う部位間を結合させ、温度差が縮小する熱電モジュールと温度差が拡大する熱電モジュールとを発生させる。このように各熱電モジュールの温度差を調整することにより、温度差が縮小する熱電モジュールの起電力を犠牲にしても熱電変換器としての全体の起電力を向上させることが可能となる。
【００１９】
請求項３の熱電変換器に係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、前記熱伝導体は、隣り合う前記積層体の同一積層の前記熱電モジュール間に介挿されることを特徴とするものである。
【００２０】
これは、上記の数式１において、起電力（電圧、電流）Ｐが熱電モジュールの温度差ΔＴと正の相関にあることに着目して完成したものである。
【００２１】
すなわち、隣り合って積層された熱電モジュールの同一積層間に熱バイパス用の熱電導体を介挿して、同一積層部位の熱電モジュールの温度差を均一化し、同一積層部位の熱電モジュールの起電力を極めて近い値となるようにする。これらを電気回路的に並列接続することにより、従来技術では問題であった温度差が小さく、かつ起電力の小さい熱電モジュールへの電流の逆流を防止することができ、効率のよい熱電変換器を供給することができる。
【００２２】
請求項４の熱電変換器に係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１〜３に記載の発明において、前記加熱体の加熱温度を室温〜２００℃未満に設定し、前記放熱体を自然冷却することを特徴とするものである。
【００２３】
加熱体の加熱温度を室温〜２００℃未満に設定し、前記放熱体を自然冷却することにより、従来技術になる熱電変換器に比べて、発電効率を０〜２０％向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいて本発明の実施するための最良の形態について説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
【００２５】
図４は本発明の第１の実施の形態に係わる熱電変換器の断面模式図である。
熱電変換器の構造としては、単体の熱電モジュール１のａ，ｂ，ｃを３層に積層した積層体Ａと、ｄ，ｅ，ｆを３層に積層した積層体Ｂとを同一面に並列に配置した場合の例である。
【００２６】
構成する熱電モジュール１は、図２に示す従来構造と同一仕様のものを適用し、積層体Ａの下段より１層目（熱電モジュールａ）と２層目（同ｂ）の間と、積層体Ｂの下段より２層目（同ｅ）と３層目（同ｆ）の間とを結ぶように熱電導体Ｍを介挿する。熱電導体Ｍの材質としては、熱伝導の良好な銅やアルミニウムなどのバルク材（板、箔、線など）を好適に使用することができる。また、ヒートパイプ、ヒートレーンなどの伝熱機能部品などを使用することもできる。
【００２７】
例えば、従来構造の熱電変換器と同様に加熱体１２を加熱して放熱体１３を自然冷却として図１の熱電変換器を発電させた場合、加熱体１２の温度を８０℃に設定すると、従来構造の熱電変換器と同様に放熱体１３の温度は５０℃となり、熱伝導体Ｍを有しない従来構造の熱電変換器における各熱電モジュールの温度差ΔＴは、いずれの熱電モジュールにおいても１０℃となる。
【００２８】
しかし、図４の熱伝導体Ｍを有する本実施の形態においては、ａ〜ｇの各熱電モジュールの温度差ΔＴは、図５に示すように、９〜１２℃前後にバラツキを持って確保することができる。
【００２９】
これは熱電モジュールｅとｆの熱伝導体Ｍに接している面の温度が、熱電モジュールａとｂの熱伝導体に接している面の温度よりも高いために、積層体Ｂから積層体Ａへ熱移動が起こるために、熱電モジュールａとｆでは温度差ΔＴが拡大し、熱電モジュールｂ、ｃおよびｄ、ｅでは縮小するためである。積層体Ａと積層体Ｂとは加熱体１２及び冷熱体１３によって熱的に接続されているので、各々３個の熱電モジュールを積層して得られる温度差は同一である。すなわち、各熱電モジュールの温度差ΔＴは、熱電モジュールａとｇとでは１２℃となり、ｂ、ｃとｅ，ｆとではそれぞれ９℃となる。
【００３０】
ここで、本発明の熱電変換器と従来構造の熱電変換器との起電力を比較すると以下のようになる。
【００３１】
いま、１０℃の温度差ΔＴで得られる熱電モジュール単体の発電量を１００とすると、図１の従来構造の熱電変換器では６個の熱電モジュールの温度差ΔＴはいずれも１０℃である。従って、起電力１００の熱電モジュールを６個使用しているので、熱電変換器全体の起電力は６００となる。
【００３２】
これに対して、本発明では積層体Ａの熱電モジュールｂとｃ、および積層体Ｂの熱電モジュールｅとｆの温度差ΔＴは９℃となり、それぞれの単体の熱電モジュールの起電力は９2すなわち８１に低下する。しかし、積層体Ａの熱電モジュールａと積層体Ｂの熱電モジュールｇの温度差ΔＴは１２℃となり、それぞれの単体の熱電モジュールの起電力は１２2すなわち１４４に増加する。従って、本発明の熱電変換器の合計の起電力は６個の各熱電モジュールの起電力を合計して６１２となる。つまり、従来構造と同数の熱電モジュールを使用して、熱電変換器としての合計の起電力を６００から６１２と２％向上することができるわけである。
【００３３】
図６と図７には第１の実施の形態の他の態様を示す。
【００３４】
図６は熱電モジュールを３個積層した積層体を３個並列に設置した場合の例であり、図７は熱電モジュールを４個積層した積層体を２個並列に設置した場合の例である。
【００３５】
図６は積層体Ａの下段から１層目と２層目との間と、積層体Ｂの下段から２層目と３層目との間と、積層体Ｃの下段から１層目と２層目との間とに熱伝導体Ｍを介挿して各積層体を接続した構成のものである。この構成の熱電変換器を上記と同様の条件で発電させると、同様に、熱伝導体Ｍを有しない従来構造の熱電変換器の合計起電力は９００となるが、本態様の熱電変換器では９３６となり、起電力を４％向上させることができる。
【００３６】
また、図７は積層体Ａの下段から１層目と２層目との間と、積層体Ｂの下段から３層目と４層目との間とに熱伝導体Ｍを介挿して各積層体を接続した構成のものである。この構成の熱電変換器を上記と同様の条件で発電させると、同様に、熱伝導体Ｍを有しない従来構造の熱電変換器の合計起電力は４５０となるが、本態様の熱電変換器では４７４となり、起電力を１６％向上させることができる。  これらの構造の熱電変換器を用いて、高温側である加熱体１２を室温から２００℃程度までの所望の温度に設定し、低温側である放熱体１３を自然冷却すれば、熱伝導体を有さない従来構造の熱電変換器に比べて発電効率を向上することできる。
【００３７】
なお、積層体の熱電モジュールの積層数や設置数は特に限定するものではない。
【００３８】
また、熱電変換器の設計に当たって、図６のように熱電モジュールの積層数は抑えて積層体の数を多くした構造とするか、あるいは図７のように熱電モジュールの積層数を増やして、積層体の数を抑える構造とするかは、加熱体の設定温度と熱電変換器を設置する設置面積によって選定することが望ましい。加熱体の設定温度が比較的高い１００℃以上では、積層数を増やすことが効果的である。一方、加熱体の設定温度が比較的低い１００℃未満では、積層数を増やさずに積層体の数を増やして設置面積を増加した方が効果的である。これは、設定温度が１００℃以上であれば積層体の積層数を増やしても各熱電モジュールの温度差を十分に確保することができるが、１００℃未満では各熱電モジュールについて所望の温度差を確保できないためである。
【００３９】
図８は本発明の第２の実施の形態に係わる熱電変換器の断面模式図である。
【００４０】
熱電変換器の構造としては、単体の熱電モジュール１のａ，ｃを２層に積層した積層体Ａと、ｂ，ｄを２層に積層した積層体Ｂとを同一面に配置して、図３のように並列に接続した場合の例である。
【００４１】
構成するａ〜ｄの熱電モジュールは従来構造で用いたものと同一仕様のものを適用し、各積層体の上段側の熱電モジュールａ、ｂと、下段側の熱電モジュールｃ、ｄの同一積層間に熱バイパス用の熱伝導体Ｍを介挿する。
【００４２】
熱電導体Ｍは、第１の実施の形態と同様に熱伝導の良好な銅やアルミニウムなどのバルク材（板、箔、線など）やヒートパイプ、ヒートレーンなどの伝熱機能部品などを好適に使用することができる。
【００４３】
例えば、従来構造の熱電変換器と同様に加熱体１２を加熱して放熱体１３を自然冷却として図８の熱電変換器を発電させた場合、加熱体１２の温度を８０℃に設定すると従来構造の熱電変換器と同様に放熱体１３の温度は５０℃となる。この時、従来構造では高温側及び低温側の温度分布などの影響で、隣り合う同一積層面の熱電モジュール、例えばａとｂ（あるいはｃとｄ）の温度差ΔＴの差異が、２℃以上となることがあった。このため、温度差が小さく、かつ起電力の小さい熱電モジュールを含む積層体側へ電流が逆流してしまい熱電変換器の発電効率を低下させる結果となっていた。
【００４４】
しかし、本第２の実施の形態では、積層体Ａと積層体Ｂの同一積層間に熱バイパス用の熱伝導体Ｍを介挿して接続したので、同一積層面の熱電モジュール（例えばａとｂ、あるいはｃとｄ）の起電力差（電位差）を極力小さくすることができる。従って、起電力（電圧）の小さい熱電モジュールへの電流の逆流をほぼ無くすことができ、極めて効率のよい発電を行うことができる。本実施の形態では熱伝導体Ｍを有しない従来構造の熱電変換器と比較して、この熱電モジュール間の温度差の差異を約１／１０の０．２℃以下に抑制することができた。
【００４５】
上記条件で発電量を比較した場合、熱電導体Ｍを持たない従来構造の熱電変換器の発電量を１００として、本実施の形態の熱電変換器の発電量は１１０〜１２０程度まで向上させることができる。
【００４６】
図９と図１０には第２の実施の形態の他の態様を示す。
【００４７】
図９は熱電モジュールを２個積層した積層体を３個並列に設置した場合の例であり、図１０は熱電モジュールを３個積層した積層体を２個並列に設置した場合の例である。
【００４８】
図９は各積層体の１段目と２段目との間に熱伝導体Ｍを介挿して接続した構成である。また、図１０は各積層体の対応する積層間２箇所にそれぞれ熱伝導体Ｍを介挿したものである。このようにすることにより、積層体の設置数や熱電モジュールの積層数に限定することなく本発明を適用することができる。なお、本第２の実施の形態においては、使用する全ての熱電モジュールの性能が同一である必要はなく、少なくとも隣り合う積層体の同一積層の熱電モジュールが同一の性能を有していればよい。
【００４９】
また、熱電変換器の設計に当たって、図９のように熱電モジュールの積層数は抑えて積層体の数を多くした構造とするか、あるいは図１０のように熱電モジュールの積層数を増やして、積層体の数を抑える構造とするかは、加熱体の設定温度と熱電変換器を設置する設置面積などによって選定することが望ましい。加熱体の設定温度が比較的高い１００℃以上では、積層数を増やすことが効果的である。一方、加熱体の設定温度が比較的低い１００℃未満では、積層数を増やさずに積層体の数を増やして設置面積を増加した方が効果的である。これは、設定温度が１００℃以上であれば積層体の積層数を増やしても各熱電モジュールの温度差を十分に確保することができるが、１００℃未満では各熱電モジュールについて所望の温度差を確保できないためである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の熱電変換器は、低温廃熱の有効活用を主たる目的として開発されたものである。とくに自動車などにおいては、現在未利用の太陽光によるボディー熱やエンジンの放熱などから生じる低温廃熱を対象として電力を取り出すことができる。これらの低温廃熱を電気に変換することにより、例えば、停車時の車室内環境の改善などに有効に活用することで、自動車の燃費の向上や環境負荷の低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】カスケード型熱電変換器の概要を示す断面模式図である。
【図２】熱電モジュール単体の概要を示す断面模式図である。
【図３】積層体を並列に接続した熱電変換器の回路図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示す熱電変換器の断面模式図である。
【図５】図４における各熱電モジュールの温度差を示す図である。
【図６】第１の実施の形態の他の態様を示す図である。
【図７】第１の実施の形態の他の態様を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す熱電変換器の断面模式図である。
【図９】第２の実施の形態の他の態様を示す図である。
【図１０】第２の実施の形態の他の態様を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：熱電モジュール単体  ２：Ｐ型ペルチェ素子  ３：ｎ型ペルチェ素子  ４：銅電極  ５：絶縁板  １０：熱電変換器  １１：積層体  １２：加熱体  １３：冷熱体  Ｍ：熱伝導体  ｉ：逆流電流
【図１】
2005045183.tif 000003
【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】
2005045183.tif 000008
【図７】
2005045183.tif 000009
【図８】
2005045183.tif 000010
【図９】
2005045183.tif 000011
【図１０】
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