CN105051925B - 高效率热电转换装置 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种能够进行热电转换效率高的发电的热电转换装置,在具有由通过电极连接的n型和p型热电转换材料的多个对构成的多个热电转换模块(1~3)、用于向热电转换模块赋予温度差通过塞贝克效应进行发电的温水配管(201)和冷水配管(202)的热电转换装置中,使多个热电转换模块中的至少一个热电转换模块的热电转换材料的厚度、材料种类以及所述电极的厚度中的至少一方与其他的热电转换模块不同。

Description

高效率热电转换装置
技术领域
本发明涉及一种具有高转换效率的热电转换装置。
背景技术
热电转换模块可以将热能转换成电能,因此能够期待可从工业未利用的排热、汽车排热、温泉等进行发电的发电机。热电转换装置是由单个或多个热电转换模块构成的发电机,包括用于向热电转换模块给予温度差的热源、冷却源等附带设备。例如在专利文献1中公开了热电转换装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010-278460号公报
发明内容
发明要解决的问题
作为发明人等探讨的结果,做出了如下的判断:在以往的热电转换装置中,对于热源和冷却源的温度、流量等环境条件没有进行能够使单元的输出最大化的热电转换模块的配置、构成热电转换模块的热电转换材料的尺寸等的最优化,存在大的热和电的损失。
本发明的目的是提供一种即使在热源的温度在热电转换装置内变化,构成该热电转换装置的多个热电转换模块中的热源与冷却源的温度差分别不同的情况下,也能够进行热电转换效率高的发电的热电转换装置。
用于解决问题的手段
作为用于实现上述目的的一实施方式,一种热电转换装置,其特征在于,具备:多个热电转换模块,其由通过用于取出电力的电极而连接的n型热电转换材料和p型热电转换材料的多个对构成;
供给单元,其被设置在所述热电转换模块的所述n型热电转换材料和所述p型热电转换材料的厚度方向的上下表面,分别提供用于向所述热电转换模块赋予温度差,通过所述热电转换材料的塞贝克效应进行发电的热源和冷却源,
将多个所述热电转换模块并联连接,
相邻的所述热电转换模块中的一方或多个所述热电转换模块中的至少一个热电转换模块的所述热电转换材料的厚度、材料种类以及所述电极的厚度中的至少一个与其他的热电转换模块不同。
此外,一种热电转换装置,其特征在于,具有:多个热电转换模块,其由通过用于取出电力的电极而连接的n型热电转换材料和p型热电转换材料的多个对构成;
供给单元,其被设置在所述热电转换模块的所述n型热电转换材料和所述p型热电转换材料的厚度方向的上下表面,并分别提供用于向所述热电转换模块赋予温度差,通过所述热电转换材料的塞贝克效应进行发电的热源和冷却源,
将多个所述热电转换模块并联连接,
相邻的所述热电转换模块中的一方或多个所述热电转换模块中的至少一个热电转换模块的所述热电转换材料的厚度、材料种类以及所述电极的厚度中的至少一个与其他的热电转换模块不同,
在将热源温度设为Th,将冷却源温度设为Tc,将热电转换材料的导热率设为κ,将热电转换材料的材料性能常数设为m0,将热源的传热率设为αh,将冷却源的传热率设为αc,将温水和冷水的流速设为v,将热源和冷却源的温度相关特有的常数分别设为Ah、Ac的情况下,通过αh=Ahv、αc=Acv来进行表示,
关于所述热电转换材料的厚度t,选择满足下式的厚度t,
500W/m2≤[(Th-Tc)2/{(1/αh)+(t/κ)+(1/αc)}]
×[(m0-1)/{m0(Th+273)+(Tc+273)}]。
发明效果
根据本发明,能够提供一种即使在热源的温度在热电转换装置内变化,构成该热电转换装置的多个热电转换模块中的热源与冷却源的温度差分别不同的情况下,也能够进行热电转换效率高的发电的热电转换装置。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例的热电转换装置所使用的热电转换模块的构成例的示意图,中央上图为俯视图,中央中图为A’B’线的截面图,中央下图为仰视图,右图为C’D’线的截面图,左图为E’F’线的截面图。
图2是表示本发明的第1实施例的热电转换装置所使用的其他的热电转换模块的构成例的示意图,中央上图为俯视图,中央中图为A’B’线截面图,中央下图为仰视图,右图为C’D’线截面图,左图为E’F’线截面图。
图3是表示本发明的第1实施例的热电转换装置所使用的其他的热电转换模块的构成例的示意图,中央上图为俯视图,中央中图为A’B’线截面图,中央下图为仰视图,右图为C’D’线截面图,左图为E’F’线截面图。
图4是表示本发明的第1实施例的热电转换装置的结构例的示意图,右上图为主视图,右下图为俯视图,左图为侧视图。
图5是表示本发明的第1实施例的其他热电转换装置的结构例的示意图,右上图为俯视图,右下图为A’B’线截面图,左图为C’D’线截面图。
图6是表示本发明的第2实施例的热电转换装置的结构例的示意图,右上图为俯视图,右下图为A’B’线截面图,左图为C’D’线截面图。
图7是表示本发明的第2实施例的其他热电转换装置的结构例的示意图,右上图为俯视图,右下图为A’B’线截面图,左图为C’D’线截面图。
图8是表示本发明的第3实施例的热电转换装置的结构例的示意图,右上图为俯视图,右下图为A’B’线截面图,左图为C’D’线截面图。
图9是表示本发明的第3实施例的其他热电转换装置的结构例的示意图,右上图为俯视图,右下图为A’B’线截面图,左图为C’D’线截面图。
图10(a)是表示本发明的热电转换装置的结构例的示意图,右上图是主视图,右下图是俯视图,左图是侧视图,图10(b)是本发明的热电转换装置的制造流程图。
图11是表示使本发明的热电转换装置中的热源温度变化时的输出密度的热电转换材料的厚度相关性的数据,(a)是热电转换材料的导热率为10W/mK的情况,(b)是热电转换材料的导热率为5W/mK的情况,(c)是热电转换材料的导热率为2.5W/mK的情况,(d)是热电转换材料的导热率为1W/mK的情况,(e)是热电转换材料的导热率为0.5W/mK的情况,(f)是热电转换材料的导热率为0.1W/mK的情况。
图12是用于说明在本发明的热电转换装置,将热电转换模块的高度设为恒定时的热电转换材料、上部电极以及下部电极的各高度的分配的示意图,(a)是热电转换材料高的情况,(b)是按照热电转换材料低的量将上部电极提高的情况,(c)是按照热电转换材料低的量将下部电极提高的情况,(d)是按照热电转换材料低的量将上部电极和下部电极均等地提高的情况。
具体实施方式
发明人等在具备多个相同结构的热电转换模块的热电转换装置中,为了有效地将热源的温度用于发电,延长了液媒配管。结果,发现到例如在配管入口为90℃,而在配管出口温度下降至40℃程度,随着从入口开始的距离变大热源与冷却源之间的温度差变小,在产生了这样的温度差下降的情况下,在相同结构的热电转换模块中,在各个温度差未必能够得到高的热电转换效率。本发明基于这样的新的发现,具有在热电转换装置中在各温度差各热电转换模块的热电转换效率变得均匀的结构。具体而言,在各热电转换模块中热电转换材料的厚度不同。
为了在热电转换装置最大限度地得到输出,使用图10(a)叙述用于构成热电转换装置的各个热电转换模块1~3(M1、M2、M3、……、Mn-1、Mn)的尺寸的选定方法。图10(a)表示热电转换装置,右上图为平面图,右下图为A’B’线的截面图,左图为C’D’线的截面图。符号201表示作为热源的温水流过的温水配管,符号202表示作为冷却源的冷水流过的冷水配管,符号301表示隔热材料,黑箭头表示温水流动的方向,灰色箭头表示冷水流动的方向。在图10(a)的右下图所示的热电转换装置中,因为将热电转换模块M1设置在与温水输入口以及冷水出口最近的位置,因此向热电转换模块赋予的温度差在该热电转换装置中成为最大。并且,沿着温水的流动方向,温水的温度逐渐下降,因此在该方向向热电转换模块施加的温度差变小。因此,沿着温水的流动方向,热电转换模块的输出逐渐下降。并且,在由温水配管和冷水配管包夹的热电转换模块中,在模块的温度差方向流过由热电转换模块的导热率决定的热量,其大小随着热电转换模块的导热率变大而变大。另一方面,当导热率大时,温度差变小,在由温度差和热量决定的热电转换模块的输出中存在最佳的尺寸。作为该最佳的尺寸,叙述决定热电转换材料的厚度t的方法。
设热电转换材料的最大转换效率为ηmax,经过热电转换模块的热量为H(W/m2),热电转换模块的最大输出密度Q(W/m2)能够通过下式表示。
Q=ηmax×H……(1)
其中,最大转换效率ηmax
ηmax=(ΔT/Th)(m0-1)/[m0+(Tc/Th)]……(2)
ΔT/Th=ηc,ΔT(温度差)=Th-Tc(Th:高温侧的温度,Tc:低温侧的温度),m0=(1+ZT)1/2
在此,ZT表示热电转换材料的无量纲性能指数(dimensionless figure ofmerit),可以表示为
Z=S2/ρκ
S:塞贝克系数,ρ:比电阻,κ:导热率。
另一方面,关于本发明的结构中的热流H,在设定αh为热源(温水)的传热率,αc为冷却源(冷水)的传热率,v为温水、冷水的流速时,可以用下式来表示。
H=1/[(1/αh)+(t/κ)+(1/αc)]……(3)
其中,αh=Ahv、αc=Acv,Ah、Ac分别表示温水和冷水的温度相关的特有的常数。
向式(1)代入式(2)和式(3),1个热电转换模块的输出密度Q(W/m2)得到下式(4)。
Q=[(Th-Tc)2/{(1/αh)+(t/κ)+(1/αc)}]
×[(m0-1)/{m0(Th+273)+(Tc+273)}]……(4)
图11是根据式(4)选定代表性的参数来针对热电转换材料的厚度t绘制了热电转换模块的输出的图表。尤其是图11(a)是在流量20L/min、流速1.5m冷却源温度为20℃的条件下,热源温度在90℃~30℃变化时,针对构成热电转换模块的热电转换材料的厚度t绘制了在导热率10W/mK的热电转换模块中得到的输出密度的图。从该图可知,存在热电转换模块的输出成为最大的热电转换材料的厚度。例如,可知为了得到在工业排热回收中所需要的热发电量500W/m2的输出,在90℃的热源需要1mm以上的厚度。此外,当热源的温度下降时,热电转换模块的厚度的下限值变大。并且,可知在60℃以下的热源中,无论任何厚度都无法得到500W/m2。使用90℃热源的情况下需要设定成1mm以上的厚度,使用80℃热源的情况下需要设定成1.5mm以上的厚度,使用70℃热源的情况下需要设定成3.5~10mm的厚度。因此,在10(a)的热电转换装置中,希望根据温水的流动方向调制应用的热电转换模块的热电转换材料的厚度。应用的热电转换材料的厚度根据在搭载该材料的热电转换模块的位置的热源和冷却源的温度、该材料的导热率来决定。上述叙述了导热率为10W/mK的情况,但在应用导热率为5W/mK的热电转换模块的情况下,如图11(b)所示,在设置在90℃的温水热源的位置的情况下,热电转换材料的厚度使用0.5mm以上,在80℃的情况下使用0.5mm以上,在70℃时使用0.7mm以上,在60℃的情况下使用2mm~5mm。图11(c)(d)(e)(f)分别表示导热率为2.5W/mK、1W/mK、0.5W/mK、0.1W/mK的情况。在本发明中,特征为:对热电转换材料使用后述的哈斯勒(Heusler)合金组,该物质组的导热率在1~10W/mK之间,上述的热电转换模块的厚度由在热电转换装置中使用的位置的温水热源温度和使用的热电转换材料的导热率以及温水和冷水的流量、流速来决定。
希望在排热回收用途的热电转换装置中得到500W/m2以上的输出,在式(4)中当决定了温水和冷水的温度、流速时,可以选择热电转换材料的厚度t以便满足下式。
500≤[(Th-Tc)2/{(1/αh)+(t/κ)+(1/αc)}]
×[(m0-1)/{m0(Th+273)+(Tc+273)}]
如上所述,在同一热电转换装置内根据其环境改变了在热电转换模块中使用的热电转换材料的厚度的情况下,热电转换模块的厚度也发生变化。当并列配置这样厚度不同的热电转换模块时,温水配管、冷水配管的粗细等形状不是恒定的而成为复杂的结构,配管内的温水、冷水的流动不是一样的,热电转换模块或热电转换装置的输出下降。因此,希望即使热电转换材料的厚度变化也使热电转换模块的厚度大致恒定。
图12是表示使热电转换模块的厚度大致恒定的方法。符号101表示p型热电转换材料,符号102、104表示n型热电转换材料,符号111、113表示上部电极,符号112、114表示下部电极。如图12(a)所示,将热电转换模块的高度定义为LM=L+LT+LB。L是热电转换材料的高度,LT是上部电极的厚度,LB是下部电极的厚度。在热电转换材料的高度L变化时,如图12(b)、图12(c)所示能够使LT或LB的某一方变化从而使LM恒定。此外,如图12(d)所示还可以应用如下的方法:使LT和LB变化相同量,为了在热电转换装置内使热电转换模块的厚度大致恒定使LM恒定。关于使用的电极,希望使用铜或铝那样的导热率大且电阻小的材料,但也可以使用由Ni、Au、Mo等元素构成的接合强度大的金属间化合物。
通过改变热电转换材料的高度,能够得到能够以高转换效率进行发电的热电转换装置。此外,在改变了热电转换材料的高度的情况下,以热电转换模块的高度恒定的方式调整上部电极和下部电极的厚度,由此能够得到简单结构的热电转换装置。
以下,参照附图,对本发明的实施例进行说明。
实施例1
图1是表示本发明的第1实施例的热电转换装置中使用的热电转换模块的结构例的示意图。图1的中央上图表示俯视图,图1的中央中图表示A’-B’线截面图,图1的中央下图表示仰视图,图1的右图表示C’-D’线截面图,图1的左图表示E’-F’线截面图。另外,相同符号表示相同构成要素。该热电转换模块由m对×n对的多对的p型热电转换材料(101、103)、n型热电转换材料(102、104)以及将这些热电转换材料连接的电极(111、112、113、114)构成。在此,将热电转换材料的厚度设为L,将电极的厚度设为LT(上部)以及LB(下部),这些参数根据使用的热电转换材料的导热率κ和热源以及冷却源的环境(温度、流量、流速等)来决定,以便能够使热电转换模块的输出最优化。在向该热电转换模块的上部(电极111侧)给予了温度TH,向下部(电极112侧)给予了温度TL,向该热电转换材料的厚度方向(厚度L的方向)施加了温度差ΔT(=TH-TL)的梯度时,从电极取出在哈斯勒合金通过塞贝克效应产生的电来作为电力(电压或电流)。例如,在为该热电转换模块的情况下,在电极112与电极116(参照图1的中央下图)之间设置成为与这之间的电阻相同的电阻值的负载电阻来得到电力。
图2是表示在图1所示的热电转换模块中,为了抑制与热电转换模块接触的热源、冷却源之间的电短路而在热电转换模块的上下表面具备高导热率绝缘材料(121、122)的热电转换模块2的结构例的示意图。图2的中央上图表示俯视图,图2的中央中图表示A’-B’线截面图,图2的中央下图表示仰视图,图2的右图表示C’-D’线截面图,图2的左图表示E’-F’线截面图。通过具备氧化铝或氧化硅等高导热率绝缘材料,由于向热电转换模块赋予的温度差而产生的电流或电压不会使与热电转换模块接触的热源或冷却源短路,因此能够没有损失地得到电力。此外,通过使用高导热率的材料从热源或冷却源能够以较小的损失向热电转换模块传热,能够提高热电转换模块的发电效率。
图3是表示将图2所示的热电转换模块2封入到真空包装131内的热电转换模块3的结构例的示意图。图3的中央上图表示俯视图,图3的中央中图表示A’-B’线截面图,图3的中央下图表示仰视图,图3的右图表示C’-D’线截面图,图3的左图表示E’-F’线截面图。通过高导热率绝缘材料与包装接触,能够把与包装的表面接触的热源、冷却源的热高效地向模块进行导热。此外,通过封入到真空包装内,能够抑制向大气的辐射热导致的热扩散,能够有效地向热电转换模块输入输出热能。对在本实施例中使用的包装材料使用了SUS或铜,但也可以使用其他导热率大且耐热性优越的材料。此外,希望将包装内的真空度密封成10-4Pa以下。另外,符号132是热电转换模块端部电极,符号133是引出电极。
图4表示使图1~3所示的热电转换模块(1~3)与热源和冷却源相邻的热电转换装置的结构例。图4的右上图为主视图,图4的右下图为俯视图,图4的左图为侧视图。在本实施例中,对热源和冷却源应用流过温水和冷水的一对配管。201是温水配管,202是冷水配管,在其之间并列配置多个热电转换模块(1~3)。将温水配管和冷水配管配置成温水、冷水大体平行地流过,在其流动方向上配置了热电转换模块配置。被温水配管201和冷水配管202包夹,在热电转换模块(1~3)的上下方向产生温度差,由此各个热电转换模块发电,根据热电转换模块的个数决定热电转换装置的发电输出。
图5是表示具有通过隔热材料301覆盖了图4所示的热电转换装置的周围的结构的热电转换装置的结构例。图5的右上图为主视图,图5的右下图为俯视图,图5的左图为侧视图。通过应用隔热材料301,能够抑制从温水配管201、冷水配管202向大气的热扩散,实现稳定的热源和冷却源。
接着,说明构成热电转换模块或热电转换装置的热电转换材料。作为热电转换材料可以举例以下的材料作为代表例。
Bi-Te系、Pb-Te系、Si-Ge、Mg-Si系等化合物半导体,
(2)NaxCoO2(0.3≤x≤0.8)、(ZnO)mln2O3(1≤m≤19)系的氧化物材料
(3)Zn-Sb系、Co-Sb系、Fe-Sb系等方钴矿化合物
(4)由Fe2 VAI、ZrNiSn等金属间化合物构成的哈斯勒合金
在这样的材料组中,影响热电转换模块或热电转换装置的输出的无量纲性能指数ZT(T为温度)最大为1左右,但期待无毒、低成本等在环境和资源方面优越的材料的高性能化。
本实施例的热电转换装置中使用的热电转换材料是哈斯勒合金,可以应用通过Fe2 XY表述的材料。以性能指数ZT变大的方式选择元素X、Y。具体而言,希望选择表1所示的元素。
表1
表1
各元素组成可以比Fe2 XY稍多或稍少。具体而言,使Fe收敛于2±0.3的范围,使X收敛于1±0.2的范围,使Y收敛于1±0.2的范围,将所有的组成(原子量)比加起来成为4。由此,能够实现塞贝克系数的最大化,得到高的ZT。此外,关于元素X和元素Y,可以在表1中记载的元素中选择2个种类以上的元素。例如,作为元素X可以选择TiV,作为元素Y可以选择AISi,能够选择由Fe2(TiV)(AISi)这5个元素构成的哈斯勒合金。
在此,叙述将能够实现高ZT的Fe2 TiSn用于热电转换材料时的例子。首先,叙述该材料的制造过程。对Fe、Ti、Sn或使用这些元素中的至少一个的金属间化合物的粉末进行适当组成量秤量,通过机械合金化方法进行粉末合金化。在此,关于机械合金化的时间,直到粉末的结晶粒径成为1μm以下为止执行机械合金化。结晶粒径越小结晶粒界的声子散射越大,导热率可降低ZT上升。有时实施数小时至数百小时。将这样制造的细微粉末通过高速烧结炉形成烧结体。例如在1000℃维持10分钟,并以通过急速冷却不会促进结晶粒径的成长的条件实施烧结,控制温度、维持时间、加热升温时间、冷却降温时间采用具有1μm以下的粒径的烧结材料。此外,可以通过条件控制制作非晶体材料并将其应用于热电转换元件。通过形成1μm以下的细微的结晶粒或非晶体材料,由此通过在结晶粒界的声子散射,能够防止晶格振动引起的导热,降低Fe2 TiSn系的导热率。与数十微米等级的材料的导热率相比,降低至1/10程度。在Fe2 TiSn的非晶体中,能够实现2W/m·K的导热率。这样的FeTiSn材料的塞贝克系数是200μV/K,比电阻是1.5μΩm程度,能够实现ZT>1。此外,通过将Si置换Sn,塞贝克系数最大能够得到200μV/K,能够实现ZT>2。通过将该材料应用于本发明的热电转换装置,在导入了不到100℃的温水和20℃的冷水的情况下,能够稳定地得到1kW/m2以上的输出。
接着,使用图10(b),对本实施例的热电转换装置的制造工序的一例进行说明。具有希望的特性的热电转换材料的合成(步骤S101),电极的形成(步骤S102),制作高导热率绝缘材料等构成热电转换模块的周围部件(步骤S103)。将它们配置形成图1~图3所示的结构(步骤S104)。之后,在液媒(温水、冷水等)的配管设置具有根据配管的各处的温度差决定的热电转换材料的厚度的热电转换模块,并进行接触以便不会产生从配管向热电转换模块的导热的损失(步骤S105)。最后,对热电转换模块和液媒配管进行真空包装而完成热电转换装置(步骤S106)。
通过上述方法制作了热电转换装置时,能够得到500W/m2的输出,与以往相比能够实现50%以上的输出的增大。
如以上所述,根据本实施例,能够提供一种热电转换装置,即使在热源的温度在热电转换装置内变化,构成该热电转换装置的多个热电转换模块中的热源与冷却源的温度差各自不同的情况下,也可实现热电转换效率高的发电。
实施例2
使用图6和图7说明本发明的第2实施例。另外,在没有特别事情的情况下,在实施例1所记载的在本实施例中未记载的事项也可以应用于本实施例。
图6表示一种热电转换装置的结构例,该热电转换装置具有如下的结构:在平面上大致平行地并列配置了多个具备实施例1所示的通过1对的温水和冷水配管包夹了多个热电转换模块的结构的热电转换装置。图6的右上图为俯视图,图6的右下图为A’-B’线截面图,图6的左图为C’-D’线截面图。将温水、冷水分离地注入各个温水配管和冷水配管。如截面A’-B’图中的箭头所示,以温水和冷水相互反方向流动的方式注水。由此,与从相同方向流动时相比温度差的梯度变小,能够实现更高输出的热电转换装置。此外,通过这样的结构,能够容易地安装在可设置平面形状的空间的场所,能够按照热电转换装置数量获得电力。
图7是表示相对于图6所示的热电转换装置,具有能够以温水和冷水向大致相互正交的方向流动的方式进行注水的结构的热电转换装置。图7的右上图为俯视图,图7的右下图为A’-B’线截面图,图7的左图为C’-D’线截面图。将温水配管201和冷水配管202配置成相互正交,在其交点配置热电转换模块(1~3)。在设定了截面A’-B’图中的箭头所示的温水的流动时,冷水向401方向或向其反方向流动。由此,与图6所示的结构相比,向各个热电转换模块赋予的温度差变大,能够提供更大输出的热电转换装置。
通过制造图6或图7所示的结构的热电转换装置,能够获得600W/m2以上的输出,与以往相比能够实现50%以上的输出的增大。
如以上所述,根据本实施例,能够提供一种热电转换装置,即使在热源的温度在热电转换装置内变化,构成该热电转换装置的多个热电转换模块中的热源与冷却源的温度差各自不同的情况下,也能够进行热电转换效率的高的发电。
实施例3
使用图8和图9说明本发明的第3实施例。另外,在没有特别事情的情况下,在实施例1所记载的在本实施例中未记载的事项也可以应用于本实施例中。
图8表示一种热电转换装置的结构例,该热电转换装置具有如下结构:与纵横方向大致平行地层叠温水配管201和冷水配管202,并在该配管之间配置了热电转换模块(1~3)。图8的右上图为俯视图,图8的右下图为A’B’线截面图,图8的左图为C’D’线截面图。如截面A’-B’图或截面C’-D’图所示,交互地纵向、横向配置温水配管和冷水配管,以便成为温水配管(201-1)-冷水配管(202-1)-温水配管(201-2)-…。本实施例的情况下,如截面A’-B’图中的箭头所示,以使温水和冷水相互反方向流动的方式注水。具有用隔热材料301覆盖了该热电转换装置的周围的结构,由此能够抑制从温水配管201和冷水配管202向大气的热扩散,实现稳定的热源和冷却源。
图9表示相对于图8所示的热电转换装置8,具有能够以温水和冷水向大致相互正交的方向流动的方式进行注水的结构的热电转换装置。图9的右上图为俯视图,图9的右下图为A’B’线截面图,图9的左图为C’D’线截面图。将温水配管201和冷水配管202配置为相互正交,并在其交点配置热电转换模块(1~3)。在设定了截面A’-B’图中的箭头所示的温水的流动时,冷水向401方向或向其反方向流动。由此,与图8所示的结构相比,向各个热电转换模块赋予的温度差变大,能够提供更大输出的热电转换装置。此外,具有用隔热材料301覆盖了该热电转换装置9的周围的结构,由此能够抑制从温水配管201、冷水配管202向大气的热扩散,实现稳定的热源和冷却源。
通过制造图8或图9所示的结构的热电转换装置,能够得到600W/m2以上的输出,与以往相比能够实现50%以上的输出的增大。
如以上所述,根据本实施例,能够提供一种热电转换装置,即使在热源的温度在热电转换装置内变化,构成该热电转换装置的多个热电转换模块中的热源与冷却源的温度差各自不同的情况下,也能够进行热电转换效率的高的发电。
另外,本发明并不局限于上述的实施例,还可以包括各种变形例。例如,上述的实施例是为了便于理解本发明而进行的详细说明,并不一定必须具备说明的所有结构。此外,也可以将某实施例的结构的一部分置换成其他实施例的结构,并且,也可以对某实施例的结构增加其他实施例的结构。此外,可以对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。
符号说明
1热电转换模块、2热电转换模块、3热电转换模块、101 p型热电转换材料、102 n型热电转换材料、103 p型热电转换材料、104 n型热电转换材料、111电极、112电极、113电极、114电极、116电极、121高导热率绝缘材料、122高导热率绝缘材料、131包装、132热电转换模块端部电极、133引出配线、201、201-1、201-2温水配管、202、202-1冷水配管、301隔热材料、401温水、冷水流方向。

Claims (8)

1.一种热电转换装置,其特征在于,具有:
多个热电转换模块,其由通过用于取出电力的电极而连接的n型热电转换材料和p型热电转换材料的多个对构成;
供给单元,其被设置在所述热电转换模块的所述n型热电转换材料和所述p型热电转换材料的厚度方向的上下表面,并分别提供用于向所述热电转换模块赋予温度差,通过所述热电转换材料的塞贝克效应进行发电的热源和冷却源,
将多个所述热电转换模块并联连接,
相邻的所述热电转换模块中的一方或多个所述热电转换模块中的至少一个热电转换模块的所述热电转换材料的厚度与其他的热电转换模块不同,
在将热源温度设为Th,将冷却源温度设为Tc,将热电转换材料的导热率设为κ,将热电转换材料的材料性能常数设为m0,将热源的传热率设为αh,将冷却源的传热率设为αc,将温水和冷水的流速设为v,将热源和冷却源的温度相关特有的常数分别设为Ah、Ac的情况下,通过αh=Ahv、αc=Acv来进行表示,
关于所述热电转换材料的厚度t,选择满足下式的厚度t,
500W/m2≤[(Th-Tc)2/{(1/αh)+(t/κ)+(1/αc)}]
×[(m0-1)/{m0(Th+273)+(Tc+273)}]。
2.根据权利要求1所述的热电转换装置,其特征在于,
在构成所述热电转换模块的电极与所述热源之间配置高导热率绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的热电转换装置,其特征在于,
通过真空密封将所述热电转换模块气密地包装。
4.根据权利要求1所述的热电转换装置,其特征在于,
用于提供所述热源和冷却源的单元分别包含流过液媒的配管,并与多个所述热电转换模块相邻地配置。
5.根据权利要求4所述的热电转换装置,其特征在于,
配置各个所述配管,以使热液媒与冷液媒的流动大致平行或大致正交。
6.根据权利要求1所述的热电转换装置,其特征在于,
所述热电转换材料由哈斯勒合金构成,
所述哈斯勒合金由Fe、元素X和元素Y构成,
所述元素X是由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Sc、Y构成的组中的至少一个,
所述元素Y是由Si、Ge、Sn、Al、Ga、In、Zn、Cd、Hg、Ca、Sr、Ba、P、As、Sb、Bi构成的组中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的热电转换装置,其特征在于,
所述哈斯勒合金的结晶粒径在1μm以下。
8.根据权利要求1所述的热电转换装置,其特征在于,
即使在所述热电转换材料的厚度相互不同的情况下,也将多个所述热电转换模块制作成厚度大致相等。
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