特許 7308614 熱電モジュール及び熱電モジュールの調整方法

(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】

(24)【登録日】2023-07-06

(45)【発行日】2023-07-14

(54)【発明の名称】熱電モジュール及び熱電モジュールの調整方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/17 20230101AFI20230707BHJP

   H10N 10/10 20230101ALI20230707BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20230707BHJP

   F25B 21/02 20060101ALI20230707BHJP

【ＦＩ】

H10N10/17 Z

H10N10/10 C

H02N11/00 A

F25B21/02 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018245551

(22)【出願日】2018-12-27

(65)【公開番号】P2020107748

(43)【公開日】2020-07-09

【審査請求日】2021-11-02

(73)【特許権者】

【識別番号】590000835

【氏名又は名称】株式会社ＫＥＬＫ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岸澤 利彦

(72)【発明者】

【氏名】藤本 慎一

【審査官】上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－１８１１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１７４１７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２５１９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１７８３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１５０２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１５８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２３９５９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ１０Ｎ １０／１０

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｆ２５Ｂ ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の表面に配置された複数の電極と、
複数の前記電極のそれぞれに接続される複数の熱電素子と、
異なる前記電極のそれぞれに直列に接続され、第１負荷及び第２負荷の一方又は両方に接続される少なくとも３つの端子と、を備え、
前記端子は、
前記第１負荷に接続される第１端子と、
前記第１負荷及び前記第２負荷のそれぞれに接続される第２端子と、
前記第２負荷に接続される第３端子と、を含み、
前記第３端子は、複数設けられ、
前記基板は、第１軸方向に延在する第１縁部を有し、
複数の前記第３端子は、前記第１軸方向において前記第１端子と前記第２端子との間に配置され、
前記第１端子は、プラス端子であり、
前記第２端子は、マイナス端子であり、
前記第３端子は、プラス端子である、
熱電モジュール。

【請求項2】

前記端子は、前記基板の表面において前記電極と前記基板の縁部との間に配置される、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項3】

前記第１端子と前記第２端子と前記第３端子とは、前記電極と前記第１縁部との間において前記第１軸方向に配置される、
請求項２に記載の熱電モジュール。

【請求項4】

前記端子は、前記電極から前記第１縁部に向かって突出する第１部分と、前記第１部分の先端部に接続され前記電極と前記第１縁部との間において前記第１軸方向に延在する第２部分と、前記第２部分から前記第１縁部に向かって突出する第３部分とを含み、
前記第１軸方向において、前記第１端子及び前記第３端子は、前記基板の中心よりも一方側に配置され、前記第２端子は、前記基板の中心よりも他方側に配置され、
前記第１端子、前記第２端子、及び前記第３端子のそれぞれの前記第２部分は、前記第１部分の先端部から前記基板の中心に向かって突出する、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項5】

基板と、
前記基板の表面に配置された複数の電極と、
複数の前記電極のそれぞれに接続される複数の熱電素子と、
異なる前記電極のそれぞれに直列に接続され、第１負荷及び第２負荷の一方又は両方に接続される少なくとも３つの端子と、を備え、
前記端子は、
前記第１負荷に接続される第１端子と、
前記第１負荷に接続される第２端子と、
前記第２負荷に接続される第３端子と、
前記第２負荷に接続される第４端子と、を含み、
前記基板は、第１軸方向に延在する第１縁部を有し、
前記第３端子及び前記第４端子は、前記第１軸方向において前記第１端子と前記第２端子との間に配置され、
前記第１端子は、プラス端子であり、
前記第２端子は、マイナス端子であり、
前記第３端子は、プラス端子であり、
前記第４端子は、マイナス端子である、
熱電モジュール。

【請求項6】

前記第１端子と前記第２端子と前記第３端子と前記第４端子とは、前記電極と前記第１縁部との間において前記第１軸方向に配置される、
請求項５に記載の熱電モジュール。

【請求項7】

前記端子は、前記電極から前記第１縁部に向かって突出する第１部分と、前記第１部分の先端部に接続され前記電極と前記第１縁部との間において前記第１軸方向に延在する第２部分と、前記第２部分から前記第１縁部に向かって突出する第３部分とを含み、
前記第１軸方向において、前記第１端子及び前記第３端子は、前記基板の中心よりも一方側に配置され、前記第２端子及び前記第４端子は、前記基板の中心よりも他方側に配置され、
前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子、及び前記第４端子のそれぞれの前記第２部分は、前記第１部分の先端部から前記基板の中心に向かって突出する、
請求項５に記載の熱電モジュール。

【請求項8】

基板の表面に配置された複数の電極及び複数の前記電極のそれぞれに接続される複数の熱電素子を備え、第１負荷と第２負荷とに分配される電気エネルギーを発生する熱電モジュールの調整方法であって、
前記第２負荷に与える電圧に基づいて、前記第２負荷に分配される電気エネルギーを示す消費電力を算出することと、
前記熱電モジュールの熱抵抗、前記熱電モジュールを加熱する熱源の温度、及び前記熱電モジュールの周囲の大気空間の温度に基づいて、前記熱電モジュールの高温側の端面の温度及び低温側の端面の温度を算出することと、
前記高温側の端面の温度及び前記低温側の端面の温度に基づいて、前記熱電モジュールが発生する電気エネルギーを示す発電出力を算出することと、
前記消費電力と前記発電出力とに基づいて、前記第１負荷に分配される電気エネルギーを示す実効出力を算出することと、を含み、
前記第２負荷に与える前記電圧を順次変更することにより算出された複数の前記実効出力に基づいて、前記第２負荷に与える最適電圧を決定する、
熱電モジュールの調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電モジュール及び熱電モジュールの調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ゼーベック効果により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電モジュールが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１６４９４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

熱電モジュールから発生した電気エネルギーを第１負荷と第２負荷とに分配する場合がある。例えば熱電モジュールを冷却するファンを回転させるモータが設けられる場合、熱電モジュールから発生した電気エネルギーの一部をモータに供給し、余剰の電気エネルギーを外部負荷に供給する場合がある。モータに供給される電気エネルギーが大きいと、外部負荷に供給される電気エネルギーが低下してしまう。モータに供給される電気エネルギーが小さいと、熱電モジュールが十分に冷却されず、熱電モジュールから発生する電気エネルギーが低下してしまう。

【0005】

本発明の態様は、熱電モジュールから発生した電気エネルギーを第１負荷と第２負荷とに分配する場合において、第１負荷及び第２負荷のそれぞれに電気エネルギーを効率良く供給することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様に従えば、基板と、前記基板の表面に配置された複数の電極と、複数の前記電極のそれぞれに接続される複数の熱電素子と、異なる前記電極のそれぞれに接続され、第１負荷及び第２負荷の一方又は両方に接続される少なくとも３つの端子と、を備える熱電モジュールが提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明の態様によれば、熱電モジュールから発生した電気エネルギーを第１負荷と第２負荷とに分配する場合において、第１負荷及び第２負荷のそれぞれに電気エネルギーを効率良く供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態に係る熱電装置の一例を示す模式図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る熱電モジュールを示す模式図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る第１基板の一例を示す平面図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る端子と第１負荷及び第２負荷との接続形態を示す模式図である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る第１端子を示す平面図である。

【図6】図６は、第１実施形態に係る第２端子を示す平面図である。

【図7】図７は、第１実施形態に係る熱電装置の熱抵抗を示す模式図である。

【図8】図８は、第１実施形態に係る熱電モジュールの調整方法の一例を示すフローチャートである。

【図9】図９は、第１実施形態に係るコンピュータシステムを示すブロック図である。

【図10】図１０は、第１実施形態に係るモータに与える電圧とファンが発生する風量との関係を示す図である。

【図11】図１１は、第１実施形態に係る放熱部材に与える風量と放熱部材の熱抵抗との関係を示す図である。

【図12】図１２は、第１実施形態に係るモータに与える電圧と放熱部材の熱抵抗との関係を示す図である。

【図13】図１３は、第１実施形態に係るモータに与える電圧と実効出力との関係を示す図である。

【図14】図１４は、第２実施形態に係る第１基板の一例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

【0010】

以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。所定面内のＸ軸と平行な方向をＸ軸方向（第１軸方向）、所定面内においてＸ軸と直交するＹ軸と平行な方向をＹ軸方向（第２軸方向）、所定面と直交するＺ軸と平行な方向をＺ軸方向（第３軸方向）とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向とは直交する。Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面は、所定面と平行である。Ｙ軸及びＺ軸を含むＹＺ平面は、ＸＹ平面と直交する。Ｘ軸及びＺ軸を含むＸＺ平面は、ＸＹ平面及びＹＺ平面のそれぞれと直交する。

【0011】

［第１実施形態］
＜熱電装置＞
図１は、本実施形態に係る熱電装置１の一例を示す模式図である。熱電装置１は、熱電モジュール２と、熱電モジュール２の－Ｚ側の端面２１Ｔに接続される吸熱部材３と、熱電モジュール２の＋Ｚ側の端面２２Ｔに接続される放熱部材４と、放熱部材４よりも＋Ｚ側に配置されるファン５と、ファン５を回転させる動力を発生する第２負荷６とを備える。

【0012】

熱電モジュール２は、ゼーベック効果を利用して電気エネルギーを発生する。熱電モジュール２の－Ｚ側の端面２１Ｔが加熱され、熱電モジュール２の＋Ｚ側の端面２２Ｔが冷却されることによって、熱電モジュール２は電気エネルギーを発生する。

【0013】

図２は、本実施形態に係る熱電モジュール２を示す模式図である。熱電モジュール２は、第１基板２１と、第２基板２２と、第１基板２１の表面２１Ｓに配置された複数の電極２３と、第２基板２２の表面２２Ｓに配置された複数の電極２４と、複数の電極２３及び複数の電極２４のそれぞれに接続される複数の熱電素子２５とを備える。

【0014】

第１基板２１及び第２基板２２のそれぞれは、セラミックス又はポリイミドのような電気絶縁材料によって形成される。第１基板２１は、熱電素子２５よりも－Ｚ側に配置される。第２基板２２は、熱電素子２５よりも＋Ｚ側に配置される。第１基板２１は、＋Ｚ側を向く表面２１Ｓと、－Ｚ側を向く端面２１Ｔとを有する。第１基板２１の表面２１Ｓ及び端面２１Ｔのそれぞれは、ＸＹ平面と平行である。第２基板２２は、－Ｚ側を向く表面２２Ｓと、＋Ｚ側を向く端面２２Ｔとを有する。第２基板２２の表面２２Ｓ及び端面２２Ｔのそれぞれは、ＸＹ平面と平行である。第１基板２１の端面２１Ｔは、熱電モジュール２の端面２１Ｔを含む。第２基板２２の端面２２Ｔは、熱電モジュール２の端面２２Ｔを含む。

【0015】

電極２３は、第１基板２１の表面２１Ｓにマトリクス状に複数配置される。電極２４は、第２基板２２の表面２２Ｓにマトリクス状に複数配置される。

【0016】

熱電素子２５は、例えばＢｉＴｅ系熱電材料を含む。熱電素子２５は、ｎ型熱電半導体素子２５Ｎ及びｐ型熱電半導体素子２５Ｐを含む。ｎ型熱電半導体素子２５Ｎとｐ型熱電半導体素子２５Ｐとは、ＸＹ平面内において交互に配置される。電極２３は、ｎ型熱電半導体素子２５Ｎの－Ｚ側の端面及びｐ型熱電半導体素子２５Ｐの－Ｚ側の端面のそれぞれに接続される。電極２４は、ｎ型熱電半導体素子２５Ｎの＋Ｚ側の端面及びｐ型熱電半導体素子２５Ｐの＋Ｚ側の端面のそれぞれに接続される。

【0017】

第１基板２１が加熱され、第２基板２２が冷却されることによって、ｎ型熱電半導体素子２５Ｎ及びｐ型熱電半導体素子２５Ｐのそれぞれの－Ｚ側の端面と＋Ｚ側の端面との間に温度差が与えられる。ｎ型熱電半導体素子２５Ｎの－Ｚ側の端面と＋Ｚ側の端面との間に温度差が与えられると、ｎ型熱電半導体素子２５Ｎにおいて、－Ｚ側の端面から＋Ｚ側の端面に向かって電子が移動する。ｐ型熱電半導体素子２５Ｐの－Ｚ側の端面と＋Ｚ側の端面との間に温度差が与えられると、ｐ型熱電半導体素子２５Ｐにおいて、－Ｚ側の端面から＋Ｚ側の端面に向かって正孔が移動する。ｎ型熱電半導体素子２５Ｎとｐ型熱電半導体素子２５Ｐとは電極２３及び電極２４を介して直列に接続される。電子と正孔とによって電極２３と電極２４との間に電位差が発生する。電極２３と電極２４との間に電位差が発生することにより、熱電モジュール２は電気エネルギーを発生する。

【0018】

吸熱部材３は、熱源からの熱を受けて、熱電モジュール２に伝達する。吸熱部材３は、アルミニウム又は銅のような金属材料によって形成される。吸熱部材３は、熱電モジュール２の端面２１Ｔに接続される。

【0019】

放熱部材４は、熱電モジュール２から熱を奪う。放熱部材４は、アルミニウムのような金属材料によって形成される。放熱部材４は、Ｚ軸方向において熱電モジュール２とファン５との間に配置される。

【0020】

放熱部材４は、ヒートシンクを含む。放熱部材４は、熱電モジュール２の端面２２Ｔに接続される放熱板４Ｐと、放熱板４Ｐに支持されるフィン４Ｆとを有する。フィン４Ｆは、ピンフィンである。なお、フィン４Ｆは、プレートフィンでもよい。

【0021】

ファン５は、放熱部材４の周囲において空気を流通させて熱電モジュール２の端面２２Ｔを冷却するために回転する。ファン５は、熱電モジュール２及び放熱部材４よりも＋Ｚ側に配置される。ファン５が回転することにより、放熱部材４及び第２基板２２が冷却される。

【0022】

モータ６は、ファン５を回転させる動力を発生する。モータ６が駆動することにより、ファン５が回転する。ファン５が回転することにより、放熱部材４の周囲において空気が流通し、放熱部材４による放熱が促進される。放熱部材４が放熱することにより、第２基板２２が冷却される。

【0023】

熱電モジュール２から発生した電気エネルギーは、第１負荷と第２負荷とに分配される。本実施形態において、第１負荷は、熱電装置１の外部に設けられる外部負荷７である。第２負荷は、モータ６である。モータ６は、熱電モジュール２から発生した電気エネルギーにより駆動する。熱電装置１は、熱電モジュール２から発生した電気エネルギーにより熱電装置１に設けられているモータ６を駆動する自立型熱電装置である。

【0024】

以下の説明においては、外部負荷７を適宜、第１負荷７、と称し、モータ６を適宜、第２負荷６、と称する。

【0025】

＜端子＞
図３は、本実施形態に係る第１基板２１の一例を示す平面図である。図３に示すように、熱電モジュール２は、第１基板２１と、第１基板２１の表面２１Ｓに配置された複数の電極２３と備える。複数の電極２３のそれぞれに熱電素子２５が接続される。複数の電極２３は、複数の熱電素子２５を介して直列に接続される。

【0026】

ＸＹ平面内において、第１基板２１の外形は、四角形である。第１基板２１は、４つの縁部２１Ｅを有する。縁部２１Ｅは、Ｘ軸方向に延在する一対の第１縁部２１ＥＸと、Ｙ軸方向に延在する一対の第２縁部２１ＥＹとを含む。

【0027】

ＸＹ平面内において、電極２３の外形は、四角形である。複数の電極２３の形状及び大きさは等しい。複数の電極２３は、第１基板２１の表面２１Ｓにマトリクス状に配置される。電極２３は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに一定の間隔で配置される。

【0028】

熱電モジュール２は、異なる電極２３のそれぞれに接続され、第１負荷７及び第２負荷６の一方又は両方に接続される少なくとも３つの端子８を備える。端子８は、第１基板２１の表面２１Ｓにおいて電極２３と第１基板２１の縁部２１Ｅとの間に配置される。本実施形態において、端子８は、Ｙ軸方向に配置される複数の電極２３のうち最も－Ｙ側の電極２３と－Ｙ側の第１基板２１の第１縁部２１ＥＸとの間に配置される。

【0029】

本実施形態において、端子８は、第１負荷７に接続される第１端子８１と、第１負荷７及び第２負荷６のそれぞれに接続される第２端子８２と、第２負荷６に接続される第３端子８３と、を含む。

【0030】

第１端子８１と第２端子８２と第３端子８３とは、電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に配置される。

【0031】

第１端子８１は、Ｘ軸方向に配置される複数の電極２３のうち最も＋Ｘ側の電極２３に接続される。第２端子８２は、Ｘ軸方向に配置される複数の電極２３のうち最も－Ｘ側の電極２３に接続される。第３端子８３は、Ｘ軸方向において第１端子８１と第２端子８２との間に配置される。すなわち、第３端子８３は、第１端子８１が接続される電極２３と第２端子８２が接続される電極２３との間の電極２３に接続される。

【0032】

図４は、本実施形態に係る端子８と第１負荷７及び第２負荷６との接続形態を示す模式図である。図３及び図４に示すように、第１端子８１は、プラス端子である。第２端子８２は、マイナス端子である。第３端子８３は、プラス端子である。第１端子８１は、リード線１１を介して第１負荷７に接続される。第１端子８１は、第２負荷６には接続されない。第２端子８２は、リード線１２を介して第１負荷７及び第２負荷６の両方に接続される。第３端子８３は、リード線１３を介して第２負荷６に接続される。第３端子８３は、第１負荷７には接続されない。第１端子８１と第２端子８２との間の電圧Ｖ_ｅｌは、第２端子８２と第３端子８３との間の電圧Ｖ_ｆａｎよりも大きい。電圧Ｖ_ｅｌは、第１負荷７に与えられる電圧である。電圧Ｖ_ｆａｎは、第２負荷６に与えられる電圧である。

【0033】

図３に示すように、第３端子８３は、異なる電極２３のそれぞれに接続される複数の第３端子８３Ａ，８３Ｂ，８３Ｃを含む。第３端子８３Ａ，８３Ｂ，８３Ｃと接続される３つの電極２３のうち、第３端子８３Ａと接続される電極２３が第２端子８２と接続される電極２３から最も遠く、第３端子８３Ｃと接続される電極２３が第２端子８２と接続される電極２３に最も近い。複数の第３端子８３Ａ，８３Ｂ，８３Ｃからリード線１３と接続される第３端子８３が選択されることにより、電圧Ｖ_ｆａｎが調整される。リード線１３が第３端子８３Ａに接続されることにより、電圧Ｖ_ｆａｎは大きい電圧に調整される。リード線１３が第３端子８３Ｃに接続されることにより、電圧Ｖ_ｆａｎは小さい電圧に調整される。リード線１３が第３端子８３Ｂに接続されることにより、電圧Ｖ_ｆａｎは中間の電圧に調整される。

【0034】

本実施形態において、プラス端子である第１端子８１及び第３端子８３は、Ｘ軸方向において第１基板２１の中心よりも＋Ｘ側に配置される。第２端子８２は、Ｘ軸方向において第１基板２１の中心よりも－Ｘ側に配置される。

【0035】

図５は、本実施形態に係る第１端子８１を示す平面図である。図５に示すように、プラス端子である第１端子８１は、電極２３から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第１部分７１と、第１部分７１の－Ｙ側の先端部に接続され電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に延在する第２部分７２と、第２部分７２から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第３部分７３とを含む。第１端子８１の第２部分７２は、第１部分７１の先端部から第１基板２１のＸ軸方向の中心に向かって突出する。

【0036】

プラス端子である第３端子８３は、第１端子８１と同様の形状である。すなわち、第３端子８３も、電極２３から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第１部分７１と、第１部分７１の－Ｙ側の先端部に接続され電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に延在する第２部分７２と、第２部分７２から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第３部分７３とを含む。第３端子８３の第２部分７２は、第１部分７１の先端部から第１基板２１のＸ軸方向の中心に向かって突出する。

【0037】

図６は、本実施形態に係る第２端子８２を示す平面図である。図６に示すように、－端子である第２端子８２は、電極２３から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第１部分７１と、第１部分７１の－Ｙ側の先端部に接続され電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に延在する第２部分７２と、第２部分７２から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第３部分７３とを含む。第２端子８２の第２部分７２は、第１部分７１の先端部から第１基板２１のＸ軸方向の中心に向かって突出する。

【0038】

＜熱電モジュールの調整方法＞
次に、熱電モジュール２の調整方法について説明する。なお、以下で説明する調整方法は一例であり、本開示はこれに限定されない。上述のように、本実施形態においては、熱電モジュール２から発生した電気エネルギーが第１負荷７（外部負荷）と第２負荷６（モータ）とに分配される。熱電モジュール２が発生する電気エネルギーを示す発電出力をＰｇ、第１負荷７に分配される電気エネルギーを示す実効出力をＰｅ、第２負荷６に分配される電気エネルギーを示す消費電力をＰｆとしたとき、（１）式が成立する。

【0039】

【数1】

【0040】

本実施形態において、熱電モジュール２を調整することは、実効出力Ｐｅが最大になる電圧Ｖ_ｆａｎを決定することを含む。以下の説明においては、実効出力Ｐｅが最大になる電圧Ｖ_ｆａｎを適宜、最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}と称する。なお、最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}は、実効出力Ｐｅが最大になる電圧Ｖ_ｆａｎでなくてもよく、実効出力Ｐｅが予め定められている所定値以上になる電圧Ｖ_ｆａｎでもよい。

【0041】

図７は、本実施形態に係る熱電装置１の熱抵抗を示す模式図である。図７に示すように、吸熱部材３と熱電モジュール２と放熱部材４とは直列に接続される。熱電モジュール２を加熱する熱源の温度をＴ_ｓとする。熱電モジュール２の周囲の大気空間の温度をＴ_ａとする。吸熱部材３の熱抵抗をＲ_ｈとする。熱電モジュール２の熱抵抗をＲ_ｍとする。放熱部材４の熱抵抗をＲ_ｃとする。吸熱部材３に接続される熱電モジュール２の高温側の端面２１Ｔの温度をＴ_ｈｊとする。放熱部材４に接続される熱電モジュール２の低温側の端面２２Ｔの温度をＴ_ｃｊとする。吸熱部材３、熱電モジュール２、及び放熱部材４を含む熱源から大気空間までの熱電装置１の貫通熱量をＱ_ｎとする。

【0042】

図８は、本実施形態に係る熱電モジュール２の調整方法の一例を示すフローチャートである。熱電モジュール２の調整方法は、最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}の決定方法を含む。

【0043】

図９は、本実施形態に係るコンピュータシステム１０００を示すブロック図である。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。コンピュータシステム１０００は、最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}を決定する。最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}を決定するためのプログラムがストレージ１００３に記憶される。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}を決定する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。

【0044】

プロセッサ１００１は、第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎと放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃとの相関データを取得する（ステップＳ１）。

【0045】

本実施形態において、電圧Ｖ_ｆａｎと放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃとの相関データは、電圧Ｖ_ｆａｎと放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃとの関係を示す関係式を含む。

【0046】

図１０は、本実施形態に係る第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎとファン５が発生する風量Ｆ_ｆａｎとの関係を示す図である。図１１は、本実施形態に係る放熱部材４に与える風量Ｆ_ｆａｎと放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃとの関係を示す図である。

【0047】

図１０において、横軸は第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎ［Ｖ］を示し、縦軸は第２負荷６に電圧Ｖ_ｆａｎを与えたときにファン５が発生する風量Ｆ_ｆａｎ［ｍ^３／ｍｉｎ］を示す。図１１において、横軸は放熱部材４に与える風量Ｆ_ｆａｎを示し、縦軸は風量Ｆ_ｆａｎを与えたときの放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃ［Ｋ／Ｗ］を示す。

【0048】

第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎと第２負荷６に電圧Ｖ_ｆａｎを与えたときにファン５が発生する風量Ｆ_ｆａｎとの間に（２）式が成立する。（２）式において、ａは定数である。

【0049】

【数2】

【0050】

ファン５から放熱部材４に与えられる風量Ｆ_ｆａｎと風量Ｆ_ｆａｎを与えたときの放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃとの間に（３）式が成立する。（３）式において、ｂ及びｃは定数である。

【0051】

【数3】

【0052】

図１０は、（２）式をグラフ化したものである。図１１は、（３）式をグラフ化したものである。

【0053】

図１２は、本実施形態に係る第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎと放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃとの関係を示す図である。図１２において、横軸は第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎ［Ｖ］を示し、縦軸は第２負荷６に電圧Ｖ_ｆａｎを与えたときの放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃ［Ｋ／Ｗ］を示す。（２）式及び（３）式より、第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎと第２負荷６に電圧Ｖ_ｆａｎを与えたときの放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃとの間に（４）式が成立する。

【0054】

【数4】

【0055】

図１２は、（４）式をグラフ化したものである。

【0056】

（４）式に示した電圧Ｖ_ｆａｎと熱抵抗Ｒ_ｃとの関係式を含む相関データは、ストレージ１００３に予め記憶されている。プロセッサ１００１は、電圧Ｖ_ｆａｎと熱抵抗Ｒ_ｃとの相関データとして、（４）式に示した電圧Ｖ_ｆａｎと熱抵抗Ｒ_ｃとの関係式をストレージ１００３から取得する。

【0057】

電圧Ｖ_ｆａｎと熱抵抗Ｒ_ｃとの相関データを取得した後、プロセッサ１００１は、電圧Ｖ_ｆａｎを初期値に設定する（ステップＳ２）。

【0058】

電圧Ｖ_ｆａｎが初期値に設定された後、プロセッサ１００１は、第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎと、電圧Ｖ_ｆａｎが与えられたときに第２負荷６に流れる電流Ｉ_ｆａｎとに基づいて、消費電力Ｐｆを算出する（ステップＳ３）。

【0059】

第２負荷６に与えられる電圧Ｖ_ｆａｎと電圧Ｖ_ｆａｎが与えられたときに第２負荷６に流れる電流Ｉ_ｆａｎとの関係は、第２負荷６の諸元データから導出可能な既知データであり、ストレージ１００３に予め記憶されている。なお、電圧Ｖ_ｆａｎと電流Ｉ_ｆａｎとの関係は、例えば予備実験又はシミュレーションにより導出されてもよい。プロセッサ１００１は、（５）式に基づいて消費電力Ｐｆを算出する。

【0060】

【数5】

【0061】

プロセッサ１００１は、吸熱部材３の熱抵抗Ｒ_ｈ、熱電モジュール２の熱抵抗Ｒ_ｍ、放熱部材４の熱抵抗Ｒ_ｃ、熱源の温度Ｔ_ｓ、及び大気空間の温度Ｔ_ａに基づいて、熱電モジュール２の高温側の端面２１Ｔの温度Ｔ_ｈｊ及び低温側の端面２２Ｔの温度Ｔ_ｃｊを算出する（ステップＳ４）。

【0062】

一般に、熱抵抗Ｒの物体の両端面の温度差がΔＴのとき、その物体の貫通熱量Ｑは、（６）式で表わされる。

【0063】

【数6】

【0064】

したがって、熱電装置１の貫通熱量Ｑ_ｎは、（７）式に基づいて算出される。また、熱電モジュール２の高温側の温度Ｔ_{ｈｊｎ＋１}及び低温側の温度Ｔ_{ｃｊｎ＋１}は、（８）式及び（９）式に基づいて算出される。

【0065】

【数7】

【数8】

【数9】

【0066】

（７）式及び（９）式において、熱抵抗Ｒ_ｃは、ステップＳ２において設定した電圧Ｖ_ｆａｎの初期値を（４）式に代入することによって算出される。（７）式において、熱抵抗Ｒ_ｍは、（１０）式及び（１１）式に基づいて算出される。

【0067】

【数10】

【数11】

【0068】

（１０）式に示すように、温度Ｔ_ｍは、熱電モジュール２の高温側の端面２１Ｔの温度Ｔ_ｈｊと低温側の端面２２Ｔの温度Ｔ_ｃｊとの平均値である。（１１）式において、定数ａ、定数ｂ、定数ｃ、及び定数ｄのそれぞれは、熱電素子２５の材料により決定される固有の値である。（１１）式に示すように、熱電モジュール２の熱抵抗Ｒ_ｍは、温度Ｔ_ｍ（温度Ｔ_ｈｊ、温度Ｔ_ｃｊ）の関数である。

【0069】

プロセッサ１００１は、演算［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］及び演算［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］を実行し、［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］の値及び［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］の値が０に近似したか否かを判定する（ステップＳ５）。

【0070】

プロセッサ１００１は、［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］の値と０との差が予め定められている閾値以下である場合、［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］の値が０に近似したと判定する。プロセッサ１００１は、［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］の値と０との差が予め定められている閾値以下である場合、［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］の値が０に近似したと判定する。

【0071】

なお、第１回目の演算において、高温側の温度Ｔ_ｈｊｎに初期値Ｔ_ｈｊ０が与えられ、低温側の温度Ｔ_ｃｊｎに初期値Ｔ_ｃｊ０が与えられる。初期値Ｔ_ｈｊ０及び初期値Ｔ_ｃｊ０のそれぞれは、任意の値である。

【0072】

ステップＳ５において、［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］の値及び［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］の値が０に近似しないと判定した場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、プロセッサ１００１は、ステップＳ４の処理に戻る。プロセッサ１００１は、［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］の値及び［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］の値が０に近似すると判定するまで、上述の処理を繰り返す。

【0073】

ステップＳ５において、［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］の値及び［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］の値が０に近似すると判定した場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、プロセッサ１００１は、［Ｔ_{ｈｊｎ＋１}－Ｔ_ｈｊｎ］の値及び［Ｔ_{ｃｊｎ＋１}－Ｔ_ｃｊｎ］の値が０に近似したときの温度Ｔ_ｈｊｎ及び温度Ｔ_ｃｊｎに基づいて、発電出力Ｐｇを算出する（ステップＳ６）。

【0074】

発電出力Ｐｇは、（１２）式に基づいて算出される。（１２）式において、定数Ａは、熱電素子２５の材料に基づいて決定される固有の定数である。

【0075】

【数12】

【0076】

プロセッサ１００１は、ステップＳ３で算出された消費電力Ｐｆと、ステップＳ７で算出された発電出力Ｐｇとに基づいて、実効出力Ｐｅを算出する。すなわち、プロセッサ１００１は、（１）式に基づいて、実効出力Ｐｅを算出する（ステップＳ７）。

【0077】

以上により、電圧Ｖ_ｆａｎが初期値であるときの実効出力Ｐｅが算出される。プロセッサ１００１は、電圧Ｖ_ｆａｎを任意の値に変更して、ステップＳ３からステップＳ７の処理を実行する。すなわち、プロセッサ１００１は、電圧Ｖ_ｆａｎを順次変更し、複数の電圧Ｖ_ｆａｎのそれぞれについて、ステップＳ３からステップＳ７の処理を実行する。

【0078】

プロセッサ１００１は、電圧Ｖ_ｆａｎの変更を終了するか否かを判定する（ステップＳ８）。

【0079】

ステップＳ８において、電圧Ｖ_ｆａｎの変更を終了しないと判定した場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、プロセッサ１００１は、電圧Ｖ_ｆａｎを変更した後（ステップＳ９）、ステップＳ３からステップＳ７の処理を実行する。

【0080】

図１３は、本実施形態に係る第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎと実効出力Ｐｅとの関係を示す図である。図１３において、横軸は第２負荷６に与えられた電圧Ｖ_ｆａｎを示し、縦軸は第２負荷６に電圧Ｖ_ｆａｎが与えられたときの実効出力Ｐｅを示す。プロセッサ１００１は、電圧Ｖ_ｆａｎを順次変更して、ステップＳ３からステップＳ７の処理を実行して、モータ１０に電圧Ｖ_ｆａｎが与えられたときの実効出力Ｐｅを算出する。図１３に示す例においては、第２負荷６に電圧Ｖ_{ｆａｎ_1}、Ｖ_{ｆａｎ_２}、Ｖ_{ｆａｎ_３}、Ｖ_{ｆａｎ_４}、Ｖ_{ｆａｎ_５}のそれぞれが与えられたときの実効出力Ｐｅが算出される。

【0081】

ステップＳ８において、電圧Ｖ_ｆａｎの変更を終了する判定した場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、プロセッサ１００１は、図１３に示したような電圧Ｖ_ｆａｎと実効出力Ｐｅとの関係から、実効出力Ｐｅが最大になる最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}を決定する（ステップＳ９）。

【0082】

すなわち、プロセッサ１００１は、第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎを順次変更することにより算出された複数の実効出力Ｐｅに基づいて、第２負荷６に与える最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}を決定する。図１３に示す例では、実効出力Ｐｅが最大になる電圧Ｖ_{ｆａｎ_３}が最適電圧_{ｆａｎ_ｏｐ}に決定される。

【0083】

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、異なる電極２３のそれぞれに接続される少なくとも３つの端子８が設けられる。端子８は、リード線を介して第１負荷７及び第２負荷６の一方又は両方に接続される。これにより、熱電モジュール２から発生した電気エネルギーを第１負荷７と第２負荷６とに分配する場合において、第１負荷７及び第２負荷６のそれぞれに電気エネルギーを効率良く供給することができる。

【0084】

端子８は、第１基板２１の表面２１Ｓにおいて電極２３と第１基板２１の縁部２１Ｅとの間に配置される。これにより、端子８とリード線との接続を円滑に実行することができる。

【0085】

端子８は、第１負荷７のみに接続される第１端子８１と、第１負荷７及び第２負荷６の両方に接続される第２端子８２と、第２負荷６のみに接続される第３端子８３と、を含む。これにより、端子８の数を抑制した状態で、第１負荷７及び第２負荷６のそれぞれに電気エネルギーを効率良く供給することができる。

【0086】

第１基板は、Ｘ軸方向に延在する第１縁部２１ＥＸを有する。第１端子８１と第２端子８２と第３端子８３とは、電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に配置される。これにより、第１端子８１、第２端子８２、及び第３端子８３と、リード線１１、リード線１２、及びリード線１３のそれぞれとの接続を円滑に実行することができる。

【0087】

第３端子８３は、Ｘ軸方向において第１端子８１と第２端子８２との間に配置される。これにより、第１負荷７に与える電圧Ｖ_ｅｌを第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎより大きくすることができる。

【0088】

端子８は、電極２３から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第１部分７１と、第１部分７１の先端部に接続され電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に延在する第２部分７２と、第２部分７２から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第３部分７３とを含む。Ｘ軸方向において、プラス端子である第１端子８１及び第３端子８３は、第１基板２１の中心よりも＋Ｘ側に配置され、マイナス端子である第２端子８２は、第１基板２１の中心よりも－Ｘ側に配置される。第１端子８１、第２端子８２、及び第３端子８３のそれぞれの第２部分７２は、第１部分７１の先端部から第１基板２１の中心に向かって突出する。これにより、作業者は、端子８の形状に基づいて、その端子８がプラス端子であるかマイナス端子であるかを区別することができる。すなわち、作業者は、視覚を通じて、端子８がプラス端子であるかマイナス端子であるかを区別することができる。

【0089】

第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎを順次変更することにより算出された複数の実効出力Ｐｅに基づいて、実効出力Ｐｅを最大にする最適電圧Ｖ_{ｆａｎ_ｏｐ}が決定される。これにより、熱電モジュール２から発生した電気エネルギーを第１負荷７と第２負荷６とに効率良く分配することができる。

【0090】

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

【0091】

図１４は、本実施形態に係る第１基板２１の一例を示す平面図である。図１４に示すように、端子８は、第１負荷７に接続される第１端子８１と、第１負荷７に接続される第２端子８２と、第２負荷６に接続される第３端子８３と、第２負荷６に接続される第４端子８４と、を含む。第１端子８１は、リード線１１を介して第１負荷７に接続される。第２端子８２は、リード線１２を介して第１負荷７に接続される。第３端子８３は、リード線１３を介して第２負荷６に接続される。第４端子８４は、リード線１４を介して第２負荷６に接続される。

【0092】

第１端子８１及び第３端子８３は、プラス端子である。第２端子８２及び第４端子８４は、マイナス端子である。Ｘ軸方向において、第１端子８１及び第３端子８３は、第１基板２１の中心よりも＋Ｘ側に配置され、第２端子８２及び第４端子８４は、第１基板２１の中心よりも－Ｘ側に配置される。

【0093】

上述の実施形態と同様、第１基板２１は、Ｘ軸方向に延在する第１縁部２１ＥＸを有する。第１端子８１と第２端子８２と第３端子８３と第４端子９４とは、電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に配置される。

【0094】

第３端子８３及び第４端子８４は、Ｘ軸方向において第１端子８１と第２端子８２との間に配置される。

【0095】

第１端子８１、第２端子８２、第３端子８３、及び第４端子８４のそれぞれは、電極２３から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第１部分７１と、第１部分７１の－Ｙ側の先端部に接続され電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に延在する第２部分７２と、第２部分７２から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第３部分７３とを含む。

【0096】

第１端子８１、第２端子８２、第３端子８３、及び第４端子８４のそれぞれの第２部分７２は、第１部分７１の先端部から第１基板２１のＸ軸方向の中心に向かって突出する。

【0097】

以上説明したように、本実施形態においても、熱電モジュール２から発生した電気エネルギーを第１負荷７と第２負荷６とに分配する場合において、第１負荷７及び第２負荷６のそれぞれに電気エネルギーを効率良く供給することができる。

【0098】

第１基板２１は、Ｘ軸方向に延在する第１縁部２１ＥＸを有する。第１端子８１と第２端子８２と第３端子８３と第４端子８４とは、電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に配置される。これにより、第１端子８１、第２端子８２、第３端子８３、及び第４端子８４と、リード線１１、リード線１２、リード線１３、及びリード線１４のそれぞれとの接続を円滑に実行することができる。

【0099】

第３端子８３及び第４端子８４は、Ｘ軸方向において第１端子８１と第２端子８２との間に配置される。すなわち、第３端子８３及び第４端子８４のそれぞれは、第１端子８１が接続される電極２３と第２端子８２が接続される電極２３との間の電極２３に接続される。これにより、第１負荷７に与える電圧Ｖ_ｅｌを第２負荷６に与える電圧Ｖ_ｆａｎより大きくすることができる。

【0100】

端子８は、電極２３から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第１部分７１と、第１部分７１の先端部に接続され電極２３と第１縁部２１ＥＸとの間においてＸ軸方向に延在する第２部分７２と、第２部分７２から第１縁部２１ＥＸに向かって突出する第３部分７３とを含む。Ｘ軸方向において、プラス端子である第１端子８１及び第３端子８３は、第１基板２１の中心よりも＋Ｘ側に配置され、マイナス端子である第２端子８２及び第４端子８４は、第１基板２１の中心よりも－Ｘ側に配置される。第１端子８１、第２端子８２、第３端子８３、及び第４端子８４のそれぞれの第２部分７２は、第１部分７１の先端部から第１基板２１の中心に向かって突出する。これにより、作業者は、端子８の形状に基づいて、その端子８がプラス端子であるかマイナス端子であるかを区別することができる。すなわち、作業者は、視覚を通じて、端子８がプラス端子であるかマイナス端子であるかを区別することができる。

【0101】

［その他の実施形態］
なお、上述の実施形態においては、第１負荷７が外部負荷であり、第２負荷６がファン５を回転させるモータであることした。例えば第１負荷７及び第２負荷６の両方が、熱電装置１の外部に配置される外部負荷でもよい。また、負荷が３つ以上の形態でも適用できる。

【0102】

なお、上述の実施形態において、吸熱部材３及び放熱部材４の一方又は両方が省略されてもよい。

【符号の説明】

【0103】

１…熱電装置、２…熱電モジュール、３…吸熱部材、４…放熱部材、４Ｆ…フィン、４Ｐ…放熱板、５…ファン、６…モータ、７…外部負荷、８…端子、１１…リード線、１２…リード線、１３…リード線、１４…リード線、２１…第１基板、２１Ｅ…縁部、２１ＥＸ…第１縁部、２１ＥＹ…第２縁部、２１Ｓ…表面、２１Ｔ…端面、２２…第２基板、２２Ｓ…表面、２２Ｔ…端面、２３…電極、２４…電極、２５…熱電素子、２５Ｎ…ｎ型熱電半導体素子、２５Ｐ…ｐ型熱電半導体素子、７１…第１部分、７２…第２部分、７３…第３部分、８１…第１端子、８２…第２端子、８３…第３端子、８３Ａ…第３端子、８３Ｂ…第３端子、８３Ｃ…第３端子、８４…第４端子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】