特許 6791357 熱電発電装置及び温度測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6791357

(24)【登録日】2020年11月9日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】熱電発電装置及び温度測定方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 35/30 20060101AFI20201116BHJP

   H01L 35/10 20060101ALI20201116BHJP

   H01L 35/32 20060101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   H01L35/30

   H01L35/10

   H01L35/32 A

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2019-506977(P2019-506977)

(86)(22)【出願日】2018年3月22日

(86)【国際出願番号】JP2018011448

(87)【国際公開番号】WO2018174173

(87)【国際公開日】20180927

【審査請求日】2019年9月2日

(31)【優先権主張番号】特願2017-58694(P2017-58694)

(32)【優先日】2017年3月24日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004075

【氏名又は名称】ヤマハ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100206391

【弁理士】

【氏名又は名称】柏野 由布子

(72)【発明者】

【氏名】林 高廣

【審査官】 上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１１７８３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４４１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３８９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１８１１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２７０７６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３５／１０，３５／３０，３５／３２

Ｇ０１Ｋ ３／０８

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温側基板と、
前記高温側基板に対向する低温側基板と、
相互に隣接するＰ型素子及びＮ型素子から構成され、前記高温側基板と前記低温側基板との間に配列された複数の熱電素子対と、
前記高温側基板に設けられ、前記複数の熱電素子対のそれぞれを構成する一対の前記Ｐ型素子及び前記Ｎ型素子を接続する複数の高温側電極と、
前記低温側基板に設けられ、前記Ｐ型素子と前記Ｎ型素子とを接続することにより、前記複数の熱電素子対を接続する複数の低温側電極と、
前記複数の熱電素子対を直列接続する複数の前記低温側電極の両端に接続された一対の第１の引出電極と、
前記低温側電極を介して前記複数の熱電素子対のうちの一部の熱電素子対に接続された一対の第２の引出電極と、を具備する熱電発電モジュールと、
前記第２の引出電極の間の電圧を測定する電圧測定部と、
前記低温側基板の温度を検出する温度検出部と、
を具備し、
前記第２の引出電極は、前記直列接続された前記複数の熱電素子対のうちの一部の熱電素子対に接続され、
前記第２の引出電極は、前記複数の熱電素子対の前記直列接続の途中に接続され、
前記電圧測定部で測定された前記第２の引出電極の間の電圧から前記高温側基板と前記低温側基板との間の温度差を算出し、
前記温度差及び前記温度検出部で検出された前記低温側基板の温度により、前記高温側基板の温度を算出する
熱電発電装置。

【請求項2】

高温側基板と、
前記高温側基板に対向する低温側基板と、
相互に隣接するＰ型素子及びＮ型素子から構成され、前記高温側基板と前記低温側基板との間に配列された複数の熱電素子対と、
前記高温側基板に設けられ、前記複数の熱電素子対のそれぞれを構成する一対の前記Ｐ型素子及び前記Ｎ型素子を接続する複数の高温側電極と、
前記低温側基板に設けられ、前記Ｐ型素子と前記Ｎ型素子とを接続することにより、前記複数の熱電素子対を接続する複数の低温側電極と、
前記複数の熱電素子対のうち一部の熱電素子対を直列接続する複数の前記低温側電極の両端に接続された一対の第１の引出電極と、
前記低温側電極を介して前記複数の熱電素子対のうち前記直列接続された前記一部の熱電素子対とは別個の熱電素子対に接続された一対の第２の引出電極と、を具備する熱電発電モジュールと、
前記第２の引出電極の間の電圧を測定する電圧測定部と、
前記低温側基板の温度を検出する温度検出部と、
を具備し、
前記第２の引出電極は、前記別個の熱電素子対を含む測温回路に接続され、
前記電圧測定部で測定された前記第２の引出電極の間の電圧から前記高温側基板と前記低温側基板との間の温度差を算出し、
前記温度差及び前記温度検出部で検出された前記低温側基板の温度により、前記高温側基板の温度を算出する
熱電発電装置。

【請求項3】

前記高温側基板は、複数に分割されている請求項１または２に記載の熱電発電装置。

【請求項4】

前記第２の引出電極は、前記低温側基板における前記高温側基板の対向領域より外側に延びている請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

【請求項5】

前記第２の引出電極は、前記複数の低温側電極のうち熱源側に配置された低温側電極に接続された請求項１から４のいずれか１項に記載された熱電発電装置。

【請求項6】

複数の熱電素子対と、前記複数の熱電素子対を接続する高温側電極および低温側電極と、前記高温側電極および低温側電極をそれぞれ有する高温側基板および低温側基板とを有する熱電発電モジュールにおける前記高温側基板の温度測定方法であって、
前記複数の熱電素子対のうち、少なくとも一対の熱電素子対間の電圧を測定し、
前記電圧から前記高温側基板と前記低温側基板との間の温度差を算出し、
前記低温側基板の温度を検出し、
前記温度差及び検出された前記低温側基板の温度により、前記高温側基板の温度を算出する
温度測定方法。

【請求項7】

前記複数の熱電素子対のうち少なくとも一対の熱電素子対間の電気抵抗を測定し、
前記電気抵抗から前記高温側基板と前記低温側基板との間の平均温度を算出し、
前記温度差と前記平均温度とを用いて前記高温側基板の温度を算出する
請求項６に記載の温度測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電発電装置及び温度測定方法に関する。
本願は、２０１７年３月２４日に、日本に出願された特願２０１７−５８６９４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

熱電発電は、自動車や工場などの廃熱を電気エネルギに変換可能であり、クリーンなエネルギ資源として注目されている。熱電発電に用いられる熱電発電モジュールは、所定のパターンで配列された熱電素子が高温側基板と低温側基板とに挟まれた構成を有し、高温側基板と低温側基板との間の温度差に応じた電気エネルギを発生させる。

【0003】

熱電発電モジュールでは、高温側基板の温度が高くなりすぎると、故障が発生しやすくなる。例えば、高温側基板に接続された熱電素子は、過度の温度上昇によって損傷を受けやすい。また、高温側基板が温度上昇に伴って熱膨張すると、熱電素子にはせん断応力が加わることによって破損が生じることがある。

【0004】

これに対し、特許文献１には、熱電冷却モジュールを温度管理可能な技術が開示されている。この技術では、熱電冷却モジュールの冷却面を構成する基板上の、冷却対象である発熱体が配置される領域よりも外側に、測温素子が設けられる。これにより、熱電冷却モジュールの基板上の温度が把握可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−９４１３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

熱電冷却モジュールでは、発熱体を効果的に冷却するために、冷却面を構成する基板を発熱体に対して大きくすることが一般的である。このため、特許文献１に記載の熱電冷却モジュールでは、基板上に発熱体が配置されない領域が形成され、この領域に測温素子が設けられる。

【0007】

この一方で、熱電発電モジュールでは、高温側基板における高い集熱効率を得るために、高温側基板の全領域にわたって集熱器が接続されていることが好ましい。このため、熱電発電モジュールでは、集熱効率を損なうことなく、高温側基板上に測温素子を設けるための領域を確保することは難しい。

【0008】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、過熱による故障を防止可能な熱電発電モジュールを具備する熱電発電装置及び温度測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第一の態様は、高温側基板と、前記高温側基板に対向する低温側基板と、相互に隣接するＰ型素子及びＮ型素子から構成され、前記高温側基板と前記低温側基板との間に配列された複数の熱電素子対と、前記高温側基板に設けられ、前記複数の熱電素子対のそれぞれを構成する一対の前記Ｐ型素子及び前記Ｎ型素子を接続する複数の高温側電極と、前記低温側基板に設けられ、前記Ｐ型素子と前記Ｎ型素子とを接続することにより、前記複数の熱電素子対を接続する複数の低温側電極と、前記複数の熱電素子対を直列接続する複数の前記低温側電極の両端に接続された一対の第１の引出電極と、前記低温側電極を介して前記複数の熱電素子対のうちの一部の熱電素子対に接続された一対の第２の引出電極と、を具備する熱電発電モジュールと、前記第２の引出電極の間の電圧を測定する電圧測定部と、前記低温側基板の温度を検出する温度検出部と、を具備し、前記第２の引出電極は、前記直列接続された前記複数の熱電素子対のうちの一部の熱電素子対に接続され、前記第２の引出電極は、前記複数の熱電素子対の前記直列接続の途中に接続され、前記電圧測定部で測定された前記第２の引出電極の間の電圧から前記高温側基板と前記低温側基板との間の温度差を算出し、前記温度差及び前記温度検出部で検出された前記低温側基板の温度により、前記高温側基板の温度を算出する熱電発電装置である。

【0010】

本発明の第二の態様は、高温側基板と、前記高温側基板に対向する低温側基板と、相互に隣接するＰ型素子及びＮ型素子から構成され、前記高温側基板と前記低温側基板との間に配列された複数の熱電素子対と、前記高温側基板に設けられ、前記複数の熱電素子対のそれぞれを構成する一対の前記Ｐ型素子及び前記Ｎ型素子を接続する複数の高温側電極と、前記低温側基板に設けられ、前記Ｐ型素子と前記Ｎ型素子とを接続することにより、前記複数の熱電素子対を接続する複数の低温側電極と、前記複数の熱電素子対のうち一部の熱電素子対を直列接続する複数の前記低温側電極の両端に接続された一対の第１の引出電極と、前記低温側電極を介して前記複数の熱電素子対のうち前記直列接続された前記一部の熱電素子対とは別個の熱電素子対に接続された一対の第２の引出電極と、を具備する熱電発電モジュールと、前記第２の引出電極の間の電圧を測定する電圧測定部と、前記低温側基板の温度を検出する温度検出部と、を具備し、前記第２の引出電極は、前記別個の熱電素子対を含む測温回路に接続され、前記電圧測定部で測定された前記第２の引出電極の間の電圧から前記高温側基板と前記低温側基板との間の温度差を算出し、前記温度差及び前記温度検出部で測定された前記低温側基板の温度により、前記高温側基板の温度を算出する熱電発電装置である。

【0011】

本発明の第三の態様は、複数の熱電素子対と、前記複数の熱電素子対を接続する高温側電極および低温側電極と、前記高温側電極および低温側電極をそれぞれ有する高温側基板および低温側基板とを有する熱電発電モジュールにおける前記高温側基板の温度測定方法であって、前記複数の熱電素子対のうち、少なくとも一対の熱電素子対間の電圧を測定し、前記電圧から前記高温側基板と前記低温側基板との間の温度差を算出し、前記低温側基板の温度を検出し、前記温度差及び検出された前記低温側基板の温度により、前記高温側基板の温度を算出する温度測定方法である。

【0012】

これら構成では、一対の第２の引出電極間の電圧を測定することにより、当該一対の引出電極に接続された熱電素子対によって生成されている熱起電力が得られる。この熱起電力により、当該熱電素子対が配置された領域における低温側基板と高温側基板との間の温度差を算出可能である。したがって、公知の手法を用いて低温側基板の温度を検出することにより、当該領域における高温側基板の温度を算出可能である。
つまり、これらの構成では、高温側基板における特定の領域の温度を、直接測定することなく把握可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係る熱電発電装置を示す斜視図である。

【図2】上記熱電発電装置に用いられる熱電発電モジュールを示す分解斜視図である。

【図3】上記熱電発電装置の構成を示す平面図である。

【図4】上記熱電発電装置の図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。

【図5】上記実施形態における熱電発電モジュールの第１の変形例を示す平面図である。

【図6】上記実施形態における熱電発電モジュールの第２の変形例を示す平面図である。

【図7】上記実施形態における熱電発電モジュールの第３の変形例を示す平面図である。

【図8】上記実施形態における熱電発電モジュールの第４の変形例を示す平面図である。

【図9】上記実施形態における熱電発電モジュールの第５の変形例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

次に、図面を参照して本発明の実施形態の詳細について説明する。なお、説明の便宜上、各図面は模式的に示しており、各図面に示される各構成の態様は正確でない場合がある。また、図面には、適宜相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は全図において共通である。

【0019】

１．熱電発電装置１００の概略
図１は、本発明の一実施形態に係る熱電発電装置１００の斜視図である。熱電発電装置１００は、熱電発電モジュール１０と、集熱器２０と、放熱器３０と、を具備する。熱電発電モジュール１０は、ＸＹ平面に沿って延びる平板状であり、集熱器２０と放熱器３０とによってＺ軸方向に挟まれている。

【0020】

熱電発電モジュール１０は、高温側基板１１と、低温側基板１２と、複数の熱電素子対１３とを有する。複数の熱電素子対１３は、ＸＹ平面に沿って延びる高温側基板１１及び低温側基板１２によってＺ軸方向に挟まれている。Ｚ軸方向上側の高温側基板１１よりもＺ軸方向下側の低温側基板１２の方がＸ軸及びＹ軸方向の寸法が大きい。

【0021】

高温側基板１１のＺ軸方向上面には集熱器２０が接続され、低温側基板１２のＺ軸方向下面には放熱器３０が接続されている。つまり、熱電発電モジュール１０では、高温側基板１１が集熱器２０から熱の供給を受け、低温側基板１２が放熱器３０によって放熱されている。

【0022】

これにより、熱電発電モジュール１０の高温側基板１１と低温側基板１２との間には温度差が生じる。熱電発電モジュール１０では、複数の熱電素子対１３の作用によって高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差に応じた電気エネルギが生成される。熱電発電モジュール１０の詳細については後述する。

【0023】

集熱器２０は、熱電発電モジュール１０の高温側基板１１に接続された熱拡散板２１と、熱拡散板２１のＺ軸方向上面に配列された集熱フィン２２と、を有する。各集熱フィン２２は、Ｚ軸方向に延びる棒状である。各集熱フィン２２のＺ軸に垂直な断面形状は、矩形状である。

【0024】

放熱器３０は、熱電発電モジュール１０の低温側基板１２に接続された熱拡散板３１と、熱拡散板３１のＺ軸方向下面に配列された放熱フィン３２と、を有する。各放熱フィン３２は、Ｚ軸方向に延びる棒状である。各放熱フィン３２のＺ軸に垂直な断面形状は、矩形状である。

【0025】

集熱器２０及び放熱器３０は、熱伝導性の高い金属材料で形成され、例えば耐熱性の高いステンレスで形成される。しかし、集熱器２０及び放熱器３０を形成する材料は、ステンレス以外であってもよく、例えば、銅やアルミニウムなどであってもよい。更に、集熱器２０及び放熱器３０には、めっきなどの表面処理が施されていてもよい。

【0026】

なお、集熱器２０及び放熱器３０では、様々な設計が可能である。例えば、集熱フィン２２及び放熱フィン３２のＺ軸方向の長さやＸ軸及びＹ軸方向の間隔は、求められる性能などに応じて設計可能である。また、集熱フィン２２及び放熱フィン３２のＺ軸に垂直な断面形状は、任意に決定可能であり、多角形状、円形状などであってもよい。

【0027】

また、熱電発電装置１００は、蓄電部４０と、電圧測定部５０と、温度検出部６０と、を更に具備する（後述の図３参照）。蓄電部４０は、熱電発電モジュール１０によって生成された電気エネルギを蓄える機能を有する二次電池として構成される。電圧測定部５０及び温度検出部６０については後述する。

【0028】

２．熱電発電モジュール１０の構成
図２は、熱電発電モジュール１０の分解斜視図である。熱電発電モジュール１０は、上記の構成以外に、複数の高温側電極１４と、複数の低温側電極１５と、を更に有する。各熱電素子対１３は、Ｘ軸又はＹ軸方向に相互に隣接する一対のＰ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂによって構成されている。

【0029】

Ｐ型素子１３ａはＰ型の熱電材料によって形成され、Ｎ型素子１３ｂはＮ型の熱電材料によって形成されている。熱電材料としては、例えば、ビスマス−テルル系化合物、シリサイド系化合物、ハーフホイスラー系化合物、鉛−テルル系化合物、シリコン−ゲルマニウム系化合物、スクッテルダイト系化合物、テトラヘドライト系化合物、コルーサイト系化合物などを用いることができる。

【0030】

高温側基板１１及び低温側基板１２は、耐熱性及び熱伝導性に優れる窒化アルミニウムで形成されていることが好ましい。しかしながら、高温側基板１１及び低温側基板１２を形成する材料は、窒化アルミニウムに限定されず、例えば、アルミナなどの他のセラミック材料や、各種樹脂材料や、各種複合材料などであってもよい。

【0031】

複数の高温側電極１４は、高温側基板１１のＺ軸方向下面にパターニングされている。各高温側電極１４は、各熱電素子対１３を構成する一対のＰ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂを電気的に接続している。図２に示す例では、１２組の熱電素子対１３を形成するために１２枚の高温側電極１４が設けられている。

【0032】

複数の低温側電極１５は、低温側基板１２のＺ軸方向上面にパターニングされている。各低温側電極１５は、Ｐ型素子１３ａとＮ型素子１３ｂとを接続することにより、複数の熱電素子対１３を直列接続している。このように、熱電発電モジュール１０では、Ｐ型素子１３ａとＮ型素子１３ｂとが交互に直列に接続されている。

【0033】

高温側電極１４及び低温側電極１５は、例えば、金やニッケルや錫などの金属材料によって形成することができる。高温側電極１４及び低温側電極１５は、例えば、高温側基板１１及び低温側基板１２にめっき処理を施して形成されるめっき膜として構成される。この場合、めっき膜は、単層膜であっても複層膜であってもよい。

【0034】

複数の熱電素子対１３を構成するそれぞれのＰ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂは、高温側電極１４及び低温側電極１５に半田付けされている。なお、高温側電極１４及び低温側電極１５に対するＰ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂの接合には、半田以外にも、例えば、ろう材や金属ペーストを用いることができる。

【0035】

図３は、熱電発電装置１００の概略構成を模式的に示す平面図である。図３には、上述の蓄電部４０、電圧測定部５０、及び温度検出部６０が示され、低温側電極１５の位置が破線で示されている。熱電発電モジュール１０は、一対の第１引出電極１６と、一対の第１リード線１７と、一対の第２引出電極１８と、一対の第２リード線１９と、を更に有する。

【0036】

一対の第１引出電極１６は、複数の熱電素子対１３の直列接続の両端部にあたる２つの低温側電極１５に設けられ、Ｘ軸方向外側に引き出されている。第１引出電極１６が設けられた低温側電極１５には、第１引出電極１６のＸ軸方向内側において、Ｐ型素子１３ａとＮ型素子１３ｂとのいずれか一方のみが接続されている。

【0037】

一対の第１リード線１７は、一対の第１引出電極１６に半田などによって接合されている。第１引出電極１６は、低温側基板１２における高温側基板１１の対向領域よりＸ軸方向外側に延びている。したがって、第１引出電極１６上には高温側基板１１が存在しないため、第１リード線１７の第１引出電極１６への接合が容易になる。

【0038】

熱電発電モジュール１０では、一対の第１引出電極１６が、高温側基板１１ではなく、低温側基板１２に設けられている。したがって、第１引出電極１６に接続された第１リード線１７は、高温側基板１１の温度上昇の影響を受けにくい。このため、熱電発電モジュール１０では、第１引出電極１６と第１リード線１７との接続が良好に保たれる。

【0039】

一対の第１リード線１７は、熱電発電モジュール１０を蓄電部４０に接続する。これにより、熱電発電モジュール１０では、高温側電極１４と低温側電極１５との間の温度差に応じた電気エネルギを、第１引出電極１６及び第１リード線１７を介して蓄電部４０に蓄えることが可能となる。
したがって、一対の第１引出電極１６に直列接続された熱電素子対１３を発電回路と呼ぶことができる。

【0040】

一対の第２引出電極１８は、一対の熱電素子対１３のＰ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂに接続された各低温側電極１５からＹ軸方向外側に引き出されている。第２引出電極１８は、低温側電極１５と一体に形成され、典型的には低温側電極１５と一連のめっき膜として構成される。

【0041】

一対の第２リード線１９は、一対の第２引出電極１８に半田などによって接合されている。第２引出電極１８は、低温側基板１２における高温側基板１１の対向領域よりＹ軸方向外側に延びている。したがって、第２引出電極１８上には高温側基板１１が存在しないため、第２リード線１９の第２引出電極１８への接合が容易になる。

【0042】

熱電発電モジュール１０では、一対の第２引出電極１８が、高温側基板１１ではなく、低温側基板１２に設けられている。したがって、第２引出電極１８に接続された第２リード線１９は、高温側基板１１の温度上昇の影響を受けにくい。このため、熱電発電モジュール１０では、第２引出電極１８と第２リード線１９との接続が良好に保たれる。

【0043】

一対の第２リード線１９は、熱電発電モジュール１０を電圧測定部５０に接続する機能を有する。電圧測定部５０は、一対の第２リード線１９間の電圧を測定可能に構成されている。したがって、電圧測定部５０によって、一対の第２引出電極１８に接続された熱電素子対１３で生成されている熱起電力Ｖを得ることができる。

【0044】

熱電素子対１３で生成されている熱起電力Ｖを用いると、熱電素子対１３における高温側電極１４との接続部と低温側電極１５との接続部との間の温度差ΔＴを、以下の式（１）によって算出可能である。
ΔＴ＝Ｖ／（α_Ｐ−α_Ｎ） …（１）

【0045】

ここで、α_ＰはＰ型素子１３ａのゼーベック係数であり、α_ＮはＮ型素子１３ｂのゼーベック係数である。ゼーベック係数α_Ｐ，α_Ｎは、温度差ΔＴに対応する温度域における平均値であり、Ｐ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂにおけるゼーベック係数の温度特性から算出可能である。

【0046】

また、高温側電極１４及び低温側電極１５を形成する金属材料は高熱伝導率であるため、高温側電極１４と高温側基板１１との間の温度差、及び低温側電極１５と低温側基板１２との間の温度差は実質的に無視することができる。つまり、高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差をΔＴとして扱うことが可能である。

【0047】

このように、熱電発電モジュール１０では、熱電素子対１３が配置された領域における高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差ΔＴが得られる。したがって、一対の第２引出電極１８に接続された熱電素子対１３を測温回路と呼ぶことができる。また、温度検出部６０は、典型的には、公知の手法によって、熱電発電モジュール１０の低温側基板１２の温度Ｔ_Ｌを検出可能に構成されている。

【0048】

熱電素子対１３が配置された領域における高温側基板１１と低温側基板１２との間の温度差ΔＴと、低温側基板１２の温度Ｔ_Ｌと、を用いると、高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈを、以下の式（２）によって算出可能である。
Ｔ_Ｈ＝Ｔ_Ｌ＋ΔＴ …（２）

【0049】

このように、熱電発電モジュール１０では、一対の第２リード線１９間の測温回路の電圧を測定することによって、低温側基板１２の温度Ｔ_Ｌを高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈに換算することができる。つまり、熱電発電モジュール１０では、高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈを、直接測定することなく把握可能である。

【0050】

したがって、熱電発電モジュール１０では、高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈを測定するための測温素子などの構成を高温側基板１１に設ける必要がない。また、一対の第２引出電極１８に接続された熱電素子対１３で構成される測温回路は、一対の第１引出電極１６に接続された熱電素子対１３で構成される発電回路に含まれる。そのため、基板１１および１２上に設けられたすべての熱電素子対１３を発電に寄与させることができ、高温側基板１１における集熱効率が損なわれない。つまり、熱電発電モジュール１０では、集熱効率を損なうことなく、高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈを把握することができる。

【0051】

３．熱電発電装置１００の構成例
図４は、熱電発電装置１００の構成例を示す図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。つまり、図４は、熱電発電装置１００における第２引出電極１８及び第２リード線１９を通るＹＺ平面に平行な断面を示している。熱電発電装置１００は、上記の構成以外に、高温側流路７０及び低温側流路８０を更に具備する。

【0052】

高温側流路７０内には、集熱器２０の集熱フィン２２が配置されている。高温側流路７０では、ファンなどの送風機構によって、気体を媒体として熱源が発する熱が集熱器２０に送り込まれる。図４に示す例では、集熱器２０よりも左側の領域で高温側流路７０が熱源に接続され、高温側流路７０には左から右への気流が生成されている。

【0053】

これにより、熱源が発する熱を集熱器２０の集熱フィン２２によって収集することができる。集熱器２０で収集された熱は、熱拡散板２１を介して熱電発電モジュール１０の高温側基板１１に供給される。このように、熱電発電装置１００では、熱電発電モジュール１０の高温側基板１１を昇温させることができる。

【0054】

熱電発電装置１００は任意の熱源に適用可能であり、高温側流路７０に接続される熱源は特定のものに限定されない。このような熱源としては、例えば、自動車や自動二輪車などの廃熱（排気ガスなど）、工場（化学、鉄鋼、機械など）の廃熱、他の発電（火力発電、原子力発電など）の廃熱が挙げられる。

【0055】

低温側流路８０内には、放熱器３０の放熱フィン３２が配置されている。低温側流路８０内では、冷却器などによって冷却された冷却水が、ポンプなどによって循環させられている。これにより、放熱器３０の放熱フィン３２が冷却水によって冷却され、放熱器３０及び低温側基板１２が実質的に冷却水の温度に保持される。

【0056】

この構成の熱電発電装置１００では、温度検出部６０を、低温側流路８０内を循環している冷却水の温度を検出可能な水温計として構成することができる。つまり、この構成では、温度検出部６０によって検出された冷却水の温度を、低温側基板１２の温度Ｔ_Ｌとすることができる。

【0057】

なお、温度検出部６０は、低温側基板１２の温度Ｔ_Ｌを検出可能であればよく、上記の構成に限定されない。例えば、温度検出部６０は、低温側基板１２や放熱器３０の温度を直接検出可能に構成されていてもよい。低温側基板１２や放熱器３０の温度を検出には、熱電対やサーミスタなどの温度センサを用いることができる。

【0058】

更に、温度検出部６０によって検出する温度は、低温側基板１２の温度Ｔ_Ｌに限定されない。例えば、温度検出部６０は、熱電素子対１３の平均の温度Ｔ_ＡＶＥを検出可能に構成されていてもよい。この場合、例えば、温度検出部６０は、第２リード線１９の間の電気抵抗率ρを測定可能に構成することができる。

【0059】

電気抵抗率ρは、温度差ΔＴに対応する温度域の第２リード線１９間の電気抵抗率の平均値として得られる。このため、Ｐ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂの電気抵抗率の温度特性を用いると、電気抵抗率ρから第２リード線１９に接続された熱電素子対１３の平均の温度Ｔ_ＡＶＥを算出可能である。

【0060】

上記のとおり、高温側電極１４と高温側基板１１との間の温度差、及び低温側電極１５と低温側基板１２との間の温度差は実質的に無視することができる。このため、熱電素子対１３の平均の温度Ｔ_ＡＶＥを高温側基板１４と低温側基板１５との間の平均の温度として扱うことが可能である。

【0061】

したがって、Ｐ型素子１３ａ及びＮ型素子１３ｂのＺ軸方向の熱伝導率が均一であるものとすると、温度差ΔＴと、熱電素子対１３の平均の温度Ｔ_ＡＶＥと、を用いると、高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈを、以下の式（３）によって算出可能である。
Ｔ_Ｈ＝Ｔ_ＡＶＥ＋ΔＴ／２ …（３）

【0062】

このように、温度検出部６０によって熱電素子対１３の平均の温度Ｔ_ＡＶＥを検出することによって、低温側基板１２の温度Ｔ_Ｌを用いることなく、高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈを算出可能である。なお、温度検出部６０は、第２リード線１９間の電気抵抗率ρではなく、第１リード線１７間の電気抵抗率ρを測定してもよい。

【0063】

熱電発電装置１００では、集熱器２０の熱源に近い部分、つまり高温側流路７０内の上流側に配置された部分ほど温度上昇しやすい。したがって、熱電発電モジュール１０の高温側基板１１では熱源側の領域ほど温度上昇しやすい。このため、熱電発電モジュール１０では、熱源側の領域において故障の原因となる熱電素子対１３の損傷が発生しやすい。

【0064】

したがって、熱電発電装置１００では、高温側基板１１における熱源側の領域の温度Ｔ_Ｈが高くなりすぎないように管理することにより、熱電発電モジュール１０の故障を効果的に防止することができる。このため、熱電発電モジュール１０では、第２引出電極１８が熱源側に配置された低温側電極１５から引き出されていることが好ましい。

【0065】

この構成により、熱電発電装置１００では、電圧測定部５０によって、熱源側に配置された熱電素子対１３で生成されている熱起電力Ｖが得られる。このため、熱電発電装置１００では、高温側基板１１における温度上昇しやすい熱源側の領域の温度Ｔ_Ｈを的確に把握可能となる。

【0066】

例えば、熱電発電装置１００では、高温側基板１１の熱源側の領域の温度Ｔ_Ｈをモニタリングし、温度Ｔ_Ｈが所定の閾値を超えた場合に高温側流路７０における送風を停止することができる。これにより、高温側基板１１の熱源側の領域の更なる温度上昇を抑制できるため、熱電発電モジュール１０の故障を効果的に防止することができる。

【0067】

４．熱電発電モジュール１０の変形例
熱電発電モジュール１０における第２引出電極１８の位置は、熱源の位置などに応じて決定可能である。例えば、図５に示すように、第２引出電極１８は、第１引出電極１６が配置された低温側電極１５とは反対のＸ軸方向端部に配置された低温側電極１５からＸ軸方向に引き出されていてもよい。

【0068】

また、図６に示すように、第２引出電極１８は、複数の熱電素子対１３で生成されている熱起電力Ｖを測定可能なように構成されていてもよい。ｎ組の熱電素子対１３で生成されている熱起電力Ｖを用いると、温度差ΔＴを、以下の式（４）によって算出可能である。
ΔＴ＝Ｖ／ｎ（α_Ｐ−α_Ｎ） …（４）

【0069】

更に、図７に示すように、熱電発電モジュール１０には、複数対の第２引出電極１８が設けられていてもよい。これにより、電圧測定部５０によって複数の熱電素子対１３で生成されている熱起電力Ｖを個別に測定できるため、高温側基板１１における複数の領域の温度Ｔ_Ｈを把握することができる。

【0070】

加えて、図８に示すように、高温側基板１１が複数に分割されていてもよい。これにより、高温側基板１１におけるＸＹ平面に沿った熱伝達の影響による、高温側基板１１の温度Ｔ_Ｈの測定誤差を抑制することができる。なお、高温側基板１１の分割態様は、図８に破線で示される高温側電極１４のパターンに応じて様々に変更可能である。
図８に示すように、高温側基板１１を複数に分割した場合には、分割された高温側基板において、測温回路が配置された部分の高温側基板の熱拡散や熱流入が抑えられるため、測温回路が配置された部分の高温側基板の温度がより正確に測定できる。

【0071】

さらに、図９に示すように、一対の第２引出電極１８に接続された熱電素子対１３で構成される測温回路５５と、一対の第１引出電極１６に直列接続された熱電素子対１３で構成される発電回路４５とを独立させて設けてもよい。すなわち、測温回路５５を、一対の第１引出電極１６に直列接続された熱電素子対１３で構成される発電回路４５と電気的に並列に配置してもよい。このように独立した測温回路５５を設けることによって、測温回路が発電回路に含まれる場合に比べて、測温回路が配置された部分の測温精度をより向上させることができる。
さらに、測温回路５５を発電回路４５から独立させるとともに、高温側基板１１を図８に示すように分割するようにしてもよい。この場合には、分割された高温側基板のうち、特に高い測温精度が求められる基板部分に、測温回路５５を配置することによって、分割された高温側基板ごとの温度を個別に精度よく測定することができる。

【0072】

５．その他の実施形態
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【0073】

例えば、熱電発電装置１００は、複数の熱電発電モジュール１０を備えていても構わない。また、熱電発電装置１００は、集熱器２０、放熱器３０、蓄電部４０、電圧測定部５０、温度検出部６０、高温側流路７０、及び低温側流路８０の少なくとも１つが外部構成として接続可能な構成であってもよい。

【0074】

上述した本発明の実施形態によれば、熱電発電モジュールの集熱効率を損なうことなく、高温側基板の過熱による故障を未然に防ぐことが可能となる。したがって、過熱による故障を防止可能な熱電発電モジュール及びこれを用いた熱電発電装置、並びに温度測定方法を提供することができる。

【符号の説明】

【0075】

１０ 熱電発電モジュール
１１ 高温側基板
１２ 低温側基板
１３ 熱電素子対
１４ 高温側電極
１５ 低温側電極
１６ 第１引出電極
１７ 第１リード線
１８ 第２引出電極
１９ 第２リード線
２０ 集熱器
３０ 放熱器
４０ 蓄電部
５０ 電圧測定部
６０ 温度検出部
１００ 熱電発電装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】